JP2009269260A - Surface structure control method for woody resource, manufacturing method for bio-ethanol, and manufacturing method for artificial lumber - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface structure control method capable of controlling surface structures in woody resources in a state suitable for saccharification or the like. <P>SOLUTION: This surface structure control method controls the surface structures in the woody resources. A cellulose microfibril is broken fiber-likely by carrying out a refining operation of beating and tearing off the woody resource, and extremely micro-refining work is executed thereafter under the condition where a fiber characteristic is maintained in a refiner. The refining operation is carried out by rotating a rod provided eccentrically to the center axis of a cylindrical container in the container, and by feeding a woody resource chip, using wind power. The woody resource brought into "a feather-like beat fibrous state" is used, for example, as a raw material for bio-ethanol or a raw material (reinforcement material) of an artificial lumber. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、間伐材や廃木材等の木質資源の表面構造を「毛羽たたいた繊維状」に制御し得る新規な表面構造制御方法に関するものであり、さらには、その応用としてのバイオエタノールの製造方法、人工木材の製造方法を提供するものである。   The present invention relates to a novel surface structure control method capable of controlling the surface structure of woody resources such as thinned wood and waste wood to be “fluffed fibrous”, and further, bioethanol as an application thereof. A manufacturing method and a manufacturing method of artificial wood are provided.

化石燃料の大量消費がもたらした地球温暖化の対策として、あるいは再生可能な代替エネルギー源の確保を目的として、未利用バイオマスの有効利用の方策が検討されている。例えば、木質系バイオマスの糖化、発酵により得られるバイオエタノールは、そのまま代替燃料として利用することができ、あるいは燃料電池の燃料として利用可能である。   In order to prevent global warming caused by mass consumption of fossil fuels or to secure renewable alternative energy sources, measures for effective utilization of unused biomass are being studied. For example, bioethanol obtained by saccharification and fermentation of woody biomass can be used as an alternative fuel as it is, or can be used as a fuel for a fuel cell.

間伐材や廃木材等の木質系バイオマスの乾燥重量の約50%はグルコースポリマーであるセルロースからなり、これをグルコースに分解することによってバイオエタノール等の有用な物質に転換することが可能になる。ただし、セルロースは、グルコースがβ−1,4結合した結晶性の繊維を形成するため、同じグルコースポリマーであるα−1,4結合のデンプンと比較すると、極めて安定なポリマーであり、その分解が困難である。さらに、木材中のセルロースは、リグニンとヘミセルロースが鉄骨を補強するかの如く固くこれを覆っているため、物理的、化学的、及び酵素学的にも安定な構造となっており、グルコースへの分解を一層困難なものとしている(例えば、非特許文献1を参照)。したがって、バイオエタノールを効率的に製造するためには、木質系バイオマスのグルコースへの分解が大きな課題となる。   About 50% of the dry weight of woody biomass such as thinned wood and waste wood is made of cellulose, which is a glucose polymer, and can be converted into useful substances such as bioethanol by decomposing it into glucose. However, since cellulose forms crystalline fibers with β-1,4-bonded glucose, it is a very stable polymer compared to α-1,4-bonded starch, which is the same glucose polymer, and its degradation is reduced. Have difficulty. In addition, cellulose in wood has a structure that is physically, chemically, and enzymatically stable because lignin and hemicellulose tightly cover steel as if it were reinforcing steel. Decomposition is made more difficult (see, for example, Non-Patent Document 1). Therefore, in order to efficiently produce bioethanol, decomposition of woody biomass into glucose becomes a major issue.

このような状況から、木材等を糖化してグルコースを得るためには、通常、高温,高圧下で酸及びアルカリ処理等によって脱リグニン及び脱ヘミセルロースを行う前処理工程を経てセルロースを取り出した後、酸または酵素セルラーゼによる加水分解を行っている(例えば、非特許文献2を参照)。   From such a situation, in order to obtain glucose by saccharifying wood and the like, usually, after taking out cellulose through a pretreatment step of delignification and dehemicellulose by acid and alkali treatment under high temperature and high pressure, Hydrolysis is performed with acid or enzyme cellulase (see, for example, Non-Patent Document 2).

木質系バイオマス由来のセルロースを効率よく分解するために、予めセルロース線維を取り巻くヘミセルロース及びリグニンを除去すべきことは、多くの研究者の共通認識するところである。従来、これを達成するために木材チップ等に対して酸またはアルカリ処理を行ってきたが、この手法による前処理は大がかりな装置を必要とするばかりでなく投資エネルギーも大きい。さらには、使用する酸やアルカリを回収、再使用するシステムを構築する必要があり(例えば、非特許文献3を参照)、大量に生じる廃液や臭気の強い排煙等の処理問題も考慮しなければならない。また、酸及びアルカリ処理によって木材から副産物として生じるセルラーゼ阻害物質による糖化効率の著しい低下や、生じた単糖類が酸によってさらに分解すること(例えば、非特許文献4を参照)等が、大きな問題となっている。   It is common knowledge of many researchers that hemicellulose and lignin surrounding cellulose fibers should be removed in advance in order to efficiently decompose cellulose derived from woody biomass. Conventionally, in order to achieve this, wood chips or the like have been subjected to acid or alkali treatment. However, pretreatment by this method requires not only a large-scale apparatus but also requires large investment energy. Furthermore, it is necessary to construct a system for recovering and reusing the acid and alkali to be used (see, for example, Non-Patent Document 3), and processing problems such as waste liquid generated in large quantities and exhaust gas with strong odor must be considered. I must. In addition, significant reductions in saccharification efficiency due to cellulase inhibitors produced as a by-product from wood due to acid and alkali treatment, and further degradation of the resulting monosaccharides by acid (see, for example, Non-Patent Document 4) It has become.

このため、機械的処理によって木質系バイオマスを粉砕し、バイオエタノールの原料として供給することも検討されている(特許文献2や特許文献3等を参照)。例えば、特許文献2には、スプリングで支持した粉砕筒の振動下に、粉砕筒内にて粉砕媒体により木質材を粉砕するようにした粉砕装置が開示されている。特許文献2に記載される粉砕装置を用いることで、木質材を粒径100μm以下の粉末にまで粉砕でき、バイオマス用原料として有効利用できるとされている。   For this reason, pulverizing woody biomass by mechanical treatment and supplying it as a raw material for bioethanol has also been studied (see Patent Document 2 and Patent Document 3). For example, Patent Document 2 discloses a pulverizing apparatus that pulverizes a wood material with a pulverizing medium in a pulverizing cylinder under vibration of a pulverizing cylinder supported by a spring. By using the pulverization apparatus described in Patent Document 2, it is said that the wood material can be pulverized to a powder having a particle size of 100 μm or less and can be effectively used as a raw material for biomass.

同様に、特許文献3には、円筒容器を水平にして上下振動させ、その内側で外周面に複数の板厚方向で直線状に突起が付いた厚板円板が上下振動および円筒内を転動可能な間隙を設けて複数枚挿入し、円筒容器外面を冷却し、円筒容器と厚板円板の間隙に木質系バイオマスチップを供給するようにした木質系バイオマス粉砕用高衝撃粉砕機が開示されている。特許文献3記載の粉砕機を用いることで、短時間の粉砕処理で高糖化率となる粉末を生成することができるとされている。
「セルラーゼ」 (1987) 講談社サイエンティフィック TRENDS in Biotechnology (2006)24:549-556 日経バイオビジネス 2002年9号 p55-56 Appl.Microbiol. Biotechnol. (2006) 69:627-642 特開2006−136263号公報 特開2004−188339号公報 特開2008−93590号公報
Similarly, Patent Document 3 discloses that a thick circular plate having a cylindrical container that is horizontally vibrated and has protrusions linearly in a plurality of thickness directions on its outer peripheral surface is caused to vibrate vertically and rotate in the cylinder. A high-impact pulverizer for pulverizing woody biomass, in which a plurality of movable gaps are inserted, the outer surface of the cylindrical vessel is cooled, and woody biomass chips are supplied to the gap between the cylindrical vessel and the thick disc Has been. By using the pulverizer described in Patent Document 3, it is said that a powder having a high saccharification rate can be produced in a short pulverization process.
"Cellulase" (1987) Kodansha Scientific TRENDS in Biotechnology (2006) 24: 549-556 Nikkei Biobusiness 2002 No.9 p55-56 Appl.Microbiol. Biotechnol. (2006) 69: 627-642 JP 2006-136263 A JP 2004-188339 A JP 2008-93590 A

前述の通り、例えば木質系バイオマスの糖化プロセスには、大型の分解反応システムと廃棄物の回収・処理施設を備えた大規模なプラントと、これを運用するに足るエネルギー投下が必要であるが、これは実用化に向けて大きな障害となる。穏和な条件でセルロースを加水分解するセルラーゼを用いた木材の糖化システムが望ましいが、木質系バイオマスの特徴であるリグニン及びヘミセルロースの存在がセルラーゼの基質セルロースへの接近と分解を困難にしており、残念ながら望ましい結果を与えてくれる技術は未だ開発されていない。   As mentioned above, for example, the saccharification process of woody biomass requires a large-scale plant equipped with a large decomposition reaction system and waste recovery and treatment facilities, and an energy investment sufficient to operate it. This is a major obstacle to commercialization. A wood saccharification system using cellulase that hydrolyzes cellulose under mild conditions is desirable, but the presence of lignin and hemicellulose, which are characteristic of woody biomass, makes it difficult to access and decompose cellulase to the substrate cellulose. However, no technology has been developed that gives the desired results.

例えば、特許文献2や特許文献3に記載される粉砕装置(粉砕機)を使用すれば、機械的処理によって原料粉末を得ることは可能であるが、ただ単に粉末化したのでは粒子表面が毛羽立つだけで、毛羽立った表面が糖化する度に極微細加工やホモジナイズ操作(撹拌等)の必要があり、必ずしも効率的な糖化を行うことができないのが実情である。糖化反応を効率的に進めるためには、極微細化された木質資源の表面構造が重要であり、前記特許文献2や特許文献3に記載される粉砕装置(粉砕機)を使用した場合、この点が不十分である。   For example, if the pulverization apparatus (pulverizer) described in Patent Document 2 or Patent Document 3 is used, it is possible to obtain a raw material powder by mechanical treatment, but if the powder is simply powdered, the particle surface becomes fluffy. Therefore, every time a fuzzy surface is saccharified, it is necessary to perform ultrafine processing or homogenization operation (stirring or the like), and the fact is that efficient saccharification cannot always be performed. In order to advance the saccharification reaction efficiently, the surface structure of the extremely fine woody resources is important. When the pulverization apparatus (pulverizer) described in Patent Document 2 or Patent Document 3 is used, Insufficient points.

本発明は、前述の従来技術の有する課題に鑑みて提案されたものであり、木質資源の表面構造を糖化等に適した状態に制御することが可能な木質資源の表面構造制御方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、前記木質資源の表面構造制御方法を応用することで、糖化効率に優れ生産性良くバイオエタノールを製造し得るバイオエタノールの製造方法を提供することを目的とし、また木質材料と樹脂との結合性に優れ、強度や柔軟性に優れた人工木材を製造し得る人工木材の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been proposed in view of the above-described problems of the prior art, and provides a method for controlling the surface structure of a wood resource capable of controlling the surface structure of the wood resource to a state suitable for saccharification and the like. For the purpose. Furthermore, the present invention has an object to provide a bioethanol production method capable of producing bioethanol with excellent saccharification efficiency and high productivity by applying the method for controlling the surface structure of the woody resource. It is an object of the present invention to provide a method for producing an artificial wood that can produce an artificial wood having excellent bonding properties with a resin and excellent strength and flexibility.

今後望まれる持続可能型社会においては、環境にやさしく省エネルギーなバイオエタノール生産システムの構築が必須である。この点を考慮すると、酵素法による糖化が最も望ましい。ここで、酵素糖化法が抱えている問題点は、例えば木質系バイオマス等の表面構造の特性に由来する。すなわち、ヘミセルロースとリグニンがセルロースを固く取り巻いているために、木材微粒子表面に露出している繊維状のセルロースミクロフィブリルがセルラーゼによって分解されると、さらなる糖化が困難になるという問題である。   In a sustainable society that is desired in the future, it is essential to build an environment-friendly and energy-saving bioethanol production system. Considering this point, saccharification by an enzymatic method is most desirable. Here, the problem that the enzymatic saccharification method has is derived from the characteristics of the surface structure of, for example, woody biomass. That is, since hemicellulose and lignin tightly surround the cellulose, if the fibrous cellulose microfibrils exposed on the surface of the wood microparticles are decomposed by cellulase, further saccharification becomes difficult.

本発明者らは、このような問題を解消すべく、長期に亘り種々検討を重ねてきた。その結果、木質資源に対して叩いて引きちぎる解繊操作とリファイナによる極微細化加工の組み合わせにより、木質資源を極微細化することが可能で、しかも毛羽立った繊維状の形態を維持し得ることを見出すに至った。   The present inventors have made various studies over a long period of time in order to solve such problems. As a result, it is possible to make the wood resource extremely fine by combining the defibrating operation to hit and tear the wood resource and the refiner using the refiner, and to maintain the fluffy fibrous form. I came to find it.

本発明は、前述の知見に基づいて完成されたものであり、木質資源の表面構造を制御する表面構造制御方法であって、木質資源に対して叩いて引きちぎる解繊操作を行うことで繊維状にセルロースミクロフィブリルを破壊した後、リファイナにより繊維特性を維持したまま極微細化加工を行うことを特徴とする。また、本発明のバイオエタノールの製造方法は、前記表面構造制御方法により処理された木質資源を加水分解酵素により糖化し、エタノール発酵を行うことを特徴とする。さらに、本発明の人工木材の製造方法は、前記表面構造制御方法により処理された木質資源を樹脂と混合することを特徴とする。   The present invention has been completed on the basis of the above-described knowledge, and is a surface structure control method for controlling the surface structure of a wood resource, and is performed by performing a defibrating operation by striking and tearing the wood resource. After the cellulose microfibrils are broken, ultrafine processing is performed while maintaining the fiber characteristics by a refiner. The bioethanol production method of the present invention is characterized in that the wood resources treated by the surface structure control method are saccharified with a hydrolase and subjected to ethanol fermentation. Furthermore, the method for producing artificial wood according to the present invention is characterized in that a wood resource treated by the surface structure control method is mixed with a resin.

例えば木質資源をボールミル等によりぶつかりの衝撃で破壊して極微細化した場合、細胞が破壊されず、表面が毛羽立つだけである。したがって、例えばこれを糖化しようとした場合、毛羽立った表面が糖化する度に再度極微細化加工の必要があり、製造コストの負担が大きいものとなる。   For example, when a wood resource is destroyed by impact of a collision with a ball mill or the like to make it extremely fine, cells are not destroyed and the surface is only fluffed. Therefore, for example, if this is to be saccharified, every time the fuzzy surface is saccharified, it is necessary to carry out ultrafine processing again, resulting in a large manufacturing cost.

これに対して、叩いて引きちぎる破壊により木質資源を繊維状に破砕し、その後、リファイナで極微細化した場合には、極微細化した後にも繊維状の形態が維持される。極微細化され、且つ繊維状の形態が維持された木質資源を、例えばバイオエタノールの製造において糖化に供すると、糖化が継続的に行われ、製造コストの負担が大幅に軽減される。また、極微細化された木質資源の表面構造は「毛羽たたいた繊維状」であり、マイクロレベルの極微細化により樹脂の分子構造と同程度の大きさとなるので、樹脂と結合し易くなるという特徴も有する。   On the other hand, when the wood resources are crushed into fibers by smashing and tearing and then refined with a refiner, the fibrous form is maintained even after the refinement. When a wood resource that has been extremely refined and maintained in a fibrous form is subjected to saccharification, for example, in the production of bioethanol, saccharification is continuously performed, and the burden of production cost is greatly reduced. In addition, the surface structure of the extremely fine wood resources is “fluffy fibrous”, and it becomes the same size as the molecular structure of the resin due to the microminiaturization, so it becomes easy to bond with the resin. It also has the feature.

本発明の表面構造制御方法によれば、木質資源を繊維状にセルロースミクロフィブリルを破壊した上で、繊維特性を残したままマイクロレベルまで極微細加工することが可能である。セルロースミクロフィブリルは地球上で最も大量に生産されている持続型資源であるが、前述のように、本発明を適用し、木質資源を極微細化し表面構造を制御することで、様々な分野において有効利用が可能となり、生産、廃棄に関する環境負荷を極めて小さいものとすることができる。   According to the surface structure control method of the present invention, it is possible to finely process a wood resource to a micro level while destroying cellulose microfibrils in the form of fibers and retaining fiber characteristics. Cellulose microfibrils are the most sustainable resources produced on the earth in large quantities. As described above, the present invention can be applied to reduce the amount of wood resources and control the surface structure in various fields. Effective use becomes possible, and the environmental load related to production and disposal can be made extremely small.

また、本発明のバイオエタノールの製造方法によれば、酸やアルカリ等による前処理を行わない穏和な条件で木質資源を持続的且つ効率的に糖化することができ、投入エネルギーに対して糖化効率の向上を見込むことができる。また、本発明によれば、酸、アルカリの使用及び高温、高圧下での操作が必要ないため、簡単な施設で糖化を行うことが可能である。さらに、酸、アルカリを使用しなくて済むため、それらの回収に要するコストを削減することができ、発生する廃液や悪臭等の環境問題を緩和することもできる。   In addition, according to the bioethanol production method of the present invention, it is possible to saccharify wood resources continuously and efficiently under mild conditions in which pretreatment with acid or alkali is not performed, and saccharification efficiency with respect to input energy Improvement can be expected. In addition, according to the present invention, it is possible to perform saccharification in a simple facility because it does not require the use of an acid or an alkali and the operation under high temperature and high pressure. Furthermore, since it is not necessary to use acid and alkali, the cost required for collecting them can be reduced, and environmental problems such as waste liquid and bad odor generated can be alleviated.

さらに、本発明の人工木材の製造方法によれば、強度や柔軟性に優れた人工木材を製造することが可能となる。木質資源をマイクロレベルに極微細化することで、強度が増し、小さな力で複雑形状製品に高速加工できる高速超塑性を有する等、材料の加工性が大幅に向上するからである。   Furthermore, according to the method for producing artificial wood of the present invention, it is possible to produce artificial wood having excellent strength and flexibility. This is because, by making the woody resources extremely fine to the micro level, the workability of the material is greatly improved, for example, the strength is increased, and high-speed superplasticity that enables high-speed processing to complex shaped products with a small force is achieved.

以下、本発明を適用した木質資源の表面構造制御方法、及びバイオエタノールの製造方法、人工木材の製造方法の実施形態について詳述する。   Hereinafter, embodiments of a method for controlling the surface structure of a wood resource to which the present invention is applied, a method for producing bioethanol, and a method for producing artificial wood will be described in detail.

図1は、本発明を適用した木質資源表面構造制御システム(微細化システム)の一例を示すものである。当該システムは、チップ状の木質資源を叩いて引きちぎる解繊操作を行う特殊ロッドミル1、解繊された繊維状木質資源を移送するベルトコンベア2、移送された繊維状木質資源を収容するパルパー3、パルパー3から供給される繊維状木質資源を極微細化する破砕ポンプ4及びコニカルリファイナー5、極微細化された木質資源微粉末を脱水するドラム型濃縮機6、木質資源微粉末を移送する高濃度移送ポンプ7、表面構造制御された木質資源微粉末を収容する貯留タンク8とから構成されている。   FIG. 1 shows an example of a wood resource surface structure control system (miniaturization system) to which the present invention is applied. The system includes a special rod mill 1 that performs a defibrating operation for tapping and tearing chip-shaped wood resources, a belt conveyor 2 that transports the fibrillated fibrous wood resources, and a pulper 3 that accommodates the transferred fibrous wood resources, Crushing pump 4 and conical refiner 5 for ultrafine fiber wood resources supplied from the pulper 3, drum type concentrator 6 for dewatering ultrafine wood resource fine powder, high concentration for transferring wood resource fine powder It comprises a transfer pump 7 and a storage tank 8 that contains fine powder of wood resources whose surface structure is controlled.

ここで、前記特殊ロッドミル1は、原料となるチップ状木質資源を投入する投入口11と、円筒容器12と、円筒容器12内に設置されるロッド13とから構成される。前記ロッド13は、その中心軸が前記円筒容器12の中心軸から偏心した状態で設置されており、これを回転することで円筒容器12の内壁に叩きつけられ、投入されたチップ状木質資源を円筒容器12とロッド13間で叩いて引きちぎる解繊操作が行われる。   Here, the special rod mill 1 is composed of an inlet 11 into which a chip-like wood resource as a raw material is introduced, a cylindrical container 12 and a rod 13 installed in the cylindrical container 12. The rod 13 is installed in a state where its central axis is eccentric from the central axis of the cylindrical container 12. By rotating this rod, the rod 13 is struck against the inner wall of the cylindrical container 12, and the injected chip-like wood resource is cylindrical. A defibrating operation is performed in which the container 12 and the rod 13 are struck and torn.

また、前記特殊ロッドミル1では、風力を利用してチップ状木質資源の供給及び円筒容器12内での移送が行われる。前記投入口11の近傍には、図示しない送風機が設置されており、チップ状木質資源は、送風機からの風によって投入口11から円筒容器12内へと供給される。円筒容器12内に供給されたチップ状木質資源は、風力によって円筒容器12内を排出口側へ向かって移動し、移動の過程で前記ロッド13と円筒容器12の内壁によって叩いて引きちぎられる。   In the special rod mill 1, chip-like wood resources are supplied and transferred in the cylindrical container 12 using wind power. A blower (not shown) is installed in the vicinity of the inlet 11, and chip-like wood resources are supplied from the inlet 11 into the cylindrical container 12 by the wind from the fan. The chip-like wood resources supplied into the cylindrical container 12 are moved toward the discharge port side by the wind force, and are struck by the rod 13 and the inner wall of the cylindrical container 12 in the process of movement.

前記風力による原料の供給及び円筒容器12内の移送は、解繊操作後の繊維状木質資源を分級する上でも有利である。すなわち、円筒容器12内で解繊された繊維状木質資源は、円筒容器12の排出口から排出されるが、風力で飛ばされた繊維状木質資源のうち、比較的サイズの大きいものは、排出口の近くに落下し、サイズの小さなものは遠くまで飛ばされる。これを利用して解繊された繊維状木質資源を分級することができる。分級された繊維状木質資源のうち、サイズの小さいもののみを次の極微細化に供給する。分級された繊維状木質資源のうち、比較的サイズの大きなものは、再度投入口11から投入することで、再利用可能である。   The supply of the raw material by the wind force and the transfer in the cylindrical container 12 are advantageous in classifying the fibrous wooden resources after the defibrating operation. That is, the fibrous wooden resources defibrated in the cylindrical container 12 are discharged from the outlet of the cylindrical container 12, but among the fibrous wooden resources blown by wind power, those having a relatively large size are discharged. Falling near the exit, small ones are thrown far away. Using this, it is possible to classify fibrillated woody resources. Of the classified fibrous woody resources, only small ones are supplied to the next ultra-miniaturization. Among the classified fibrous wood resources, those having a relatively large size can be reused by being input again from the input port 11.

前記パルパー3は、底面に渦巻き状の回流を発生させるロータを備えており、その下にはストレーナが配置されている。このパルパー3内において、繊維状木質資源は水和され、離解されてストレーナより排出される。   The pulper 3 is provided with a rotor for generating a spiral gyration on the bottom surface, and a strainer is disposed below the rotor. In the pulper 3, the fibrous wood resources are hydrated, disaggregated and discharged from the strainer.

前記コニカルリファイナー5は、繊維状木質資源を水の存在下で機械的に叩き、磨砕する装置である。このコニカルリファイナー5で繊維状木質資源を処理することにより、繊維が離解され、切断、水和、膨潤、絡み合い等が行われ、マイクロレベルまで極微細化される。   The conical refiner 5 is a device that mechanically taps and grinds fibrous wood resources in the presence of water. By treating the fibrous woody resources with this conical refiner 5, the fibers are disaggregated, cut, hydrated, swollen, entangled, etc., and are refined to the micro level.

次に、以上の構成を有する木質資源表面構造制御システムによる木質資源の表面構造制御について説明する。木質資源の表面構造制御を行うには、先ず、チップ状の木質資源(木質資源チップMC)を特殊ロッドミル1の投入口11から送風機により供給する。処理対象となる木質資源は、例えば間伐材や廃木材等であり、いわゆる木質系バイオマス全般に適用することが可能である。   Next, the surface structure control of the wood resource by the wood resource surface structure control system having the above configuration will be described. In order to control the surface structure of the wood resource, first, the chip-like wood resource (wood resource chip MC) is supplied from the inlet 11 of the special rod mill 1 by a blower. The wood resources to be treated are, for example, thinned wood and waste wood, and can be applied to so-called woody biomass in general.

投入されたチップ状木質資源MCは、特殊ロッドミル1内で叩いて引きちぎる破壊により繊維状に破砕され、繊維状木質資源となる。この繊維状木質資源のうちのサイズの小さいものをベルトコンベア2でパルパー3へと移送し、パルパー3内で水和、離解、選別する。サイズの大きいものについては、再度特殊ロッドミル1内で解繊操作を行う。パルパー3内で前記水和等が行われた繊維状木質資源は、次に、破砕ポンプ4によってコニカルリファイナ5へと移送され、コニカルリファイナ5内で極微細化加工される。コニカルリファイナ5では、いわゆる叩解による極微細化が行われ、繊維特性を残したままマイクロレベルまで極微細化される。極微細化された木質資源は、ドラム型濃縮機6へと搬送され、脱水された後、撹拌機9によって離解され、高濃度移送ポンプ7により貯留タンク9へと搬送される。なお、前記ドラム型濃縮機6において固形分(木質資源微粉末)から分離された水相は、回収タンク10により回収され、パルパー3に戻される。   The chip-shaped wood resource MC that has been input is crushed into fibers by breaking and tearing in the special rod mill 1 to become a fiber-like wood resource. Of these fibrous wooden resources, a small one is transferred to the pulper 3 by the belt conveyor 2 and hydrated, disaggregated, and sorted in the pulper 3. For the large size, the defibrating operation is performed again in the special rod mill 1. The fibrous wood resource that has been hydrated or the like in the pulper 3 is then transferred to the conical refiner 5 by the crushing pump 4 and subjected to ultrafine processing in the conical refiner 5. In the conical refiner 5, ultrafine processing is performed by so-called beating, and ultrafine processing is performed down to the micro level while leaving the fiber characteristics. The very fine woody material is conveyed to the drum type concentrator 6, dehydrated, separated by the agitator 9, and conveyed to the storage tank 9 by the high concentration transfer pump 7. The aqueous phase separated from the solid content (wood resource fine powder) in the drum type concentrator 6 is recovered by the recovery tank 10 and returned to the pulper 3.

パイプの断面のような円形または角張った形の細胞を形成するセルロースミクロフィブリルは、植物細胞壁(植物繊維)の50%以上を占める骨格物質であり、伸びきり鎖結晶からなる幅4nm程度のナノファイバーである。その弾性率、強度は、それぞれ140GPa、及び3GPaに達する。これは、代表的な高強度繊維であるアラミド繊維(商品名ケブラー)に等しく、ガラス繊維よりも高弾性である。したがって、ボールミルの衝撃による破砕では細胞壁の破壊が不完全である。前記木質資源表面構造制御システムにおいては、チップ状木質資源が特殊ロッドミル1において、叩いて引きちぎることにより繊維状にセルロースミクロフィブリルが破壊された上で、コニカルリファイナ5において、繊維特性を残したままマイクロレベルまで極微細加工される。   Cellulose microfibrils that form round or square cells such as pipe cross-sections are skeletal substances that occupy 50% or more of plant cell walls (plant fibers), and are nanofibers with a width of about 4 nm consisting of extended chain crystals. It is. Its elastic modulus and strength reach 140 GPa and 3 GPa, respectively. This is equivalent to aramid fiber (trade name: Kevlar), which is a typical high-strength fiber, and is more elastic than glass fiber. Therefore, the destruction of the cell wall is incomplete in the crushing by the impact of the ball mill. In the wood resource surface structure control system, the chip-like wood resources are crushed by the tapping and tearing of the chip-like wood resources in the special rod mill 1, and the fiber characteristics are left in the conical refiner 5 after being broken into fibers. Ultra-fine processing down to the micro level.

以上の処理により得られる木質資源微粉末は、「毛羽たたいた繊維状」のセルロースミクロフィブリルから構成され、酵素との反応も優れたものとなる。したがって、バイオエタノールの原料として好適である。   The wood resource fine powder obtained by the above treatment is composed of “fluffy fibrous” cellulose microfibrils, and has excellent reaction with enzymes. Therefore, it is suitable as a raw material for bioethanol.

すなわち、前述の表面構造制御を前処理とし、得られた木質資源微粉末に加水分解酵素を加え、グルコース等の糖への転換(分解)を行う。糖化のための加水分解酵素としては、セルラーゼ等を用いる。セルラーゼによる酵素加水分解により、セルロースはグルコースに分解される。加水分解酵素であるセルラーゼとしては、例えば各種微生物起源のセルラーゼを用いることができるが、異なる微生物起源の複数(例えば2種類)のセルラーゼの混合物を併用することも可能である。異なる微生物起源の2種類のセルラーゼ混合物を共存させることにより、生成グルコース濃度が向上し、より一層効率的な糖化が実現される。   That is, the above-mentioned surface structure control is used as a pretreatment, and a hydrolase is added to the obtained wood resource fine powder to perform conversion (decomposition) into sugars such as glucose. Cellulase or the like is used as a hydrolase for saccharification. Cellulose is broken down into glucose by enzymatic hydrolysis with cellulase. As the cellulase that is a hydrolase, for example, cellulases derived from various microorganisms can be used, but a mixture of a plurality (for example, two types) of cellulases derived from different microorganisms can also be used in combination. By coexisting two types of cellulase mixtures originating from different microorganisms, the concentration of produced glucose is improved and more efficient saccharification is realized.

前記糖化の後、酵母等によってエタノール発酵を行う。あるいは、糖化に際して、前記加水分解酵素とともに酵母を加え、同時糖化発酵とすることも可能である。同時糖化発酵は、セルロースに加水分解酵素であるセルラーゼと酵母を同時に作用させて、一段階の反応でアルコールを得るものであり、別々の工程として行われてきた糖化やこれに付随する処理、発酵を一工程に納めることができ、エタノール産生物の増収、反応速度の増進等を図ることが可能である。   After the saccharification, ethanol fermentation is performed with yeast or the like. Alternatively, at the time of saccharification, yeast can be added together with the hydrolase to make simultaneous saccharification and fermentation. In simultaneous saccharification and fermentation, cellulase, which is a hydrolase, and yeast are allowed to act simultaneously on cellulose to obtain alcohol in a one-step reaction. Saccharification and treatments accompanying this, fermentation, and fermentation In one process, it is possible to increase the yield of ethanol products, increase the reaction rate, and the like.

エタノール発酵のための酵母としては、任意の酵母を用いることができる。酵母共存下での微生物起源のセルラーゼ混合物の作用により、例えば木質資源微粉末を構成する繊維状のセルロースミクロフィブリルが糖化され、さらにエタノール発酵によりエタノール産生物に転換される。   Any yeast can be used as the yeast for ethanol fermentation. By the action of the cellulase mixture of microbial origin in the presence of yeast, for example, fibrous cellulose microfibrils constituting the wood resource fine powder are saccharified and further converted into an ethanol product by ethanol fermentation.

先の表面構造制御システムによって処理された木質資源微粉末は、繊維状のセルロースミクロフィブリルから構成されており、しかも極微細化されているため、速やかに糖化され、エタノール発酵によりエタノールとなる。ボールミル等によってただ単に微粒子化した木材粒子を糖化する場合には、毛羽立った表面が糖化されてしまうと再度の極微細化加工が必要であるが、先の表面構造制御システムによって処理された木質資源微粉末を用いた場合には、このような必要がなく、バイオエタノールを効率的に生産することが可能である。   The woody material fine powder treated by the above surface structure control system is composed of fibrous cellulose microfibrils and is extremely miniaturized, so that it is quickly saccharified and becomes ethanol by ethanol fermentation. When saccharifying wood particles that are simply made into fine particles by a ball mill or the like, if the fuzzy surface is saccharified, it is necessary to re-fine the material again, but the wood resources processed by the previous surface structure control system When fine powder is used, there is no such need, and bioethanol can be produced efficiently.

また、前述の表面構造制御システムによって処理された木質資源微粉末では、繊維状に微細化加工されたセルロースミクロフィブリルが数本、あるいは数十本の束となっているため、強度的特性、熱機械的特性、光学的特性に優れた繊維強化複合材とすることができ、このような材料が安価に製造できる技術は注目すべきものである。   In addition, in the wood resource fine powder processed by the surface structure control system described above, the cellulose microfibrils refined into fibers are bundled in several or tens of bundles. A technique that can be made into a fiber-reinforced composite material excellent in mechanical properties and optical properties and that can produce such materials at low cost is remarkable.

例えば、前記表面構造制御システムによって叩いて引きちぎられた表面構造は、「毛羽たたいた繊維状」であり、マイクロレベルの極微細化により樹脂の分子構造と同程度の大きさとなる。大きさが同程度のセルロースミクロフィブリルと樹脂は結合し易く、強度、柔軟性に優れた人工木材を製造することが可能となる。   For example, the surface structure struck and torn by the surface structure control system is “fluffed fibrous”, and becomes the same size as the molecular structure of the resin by microminiaturization. Cellulose microfibrils and resins having the same size are easily bonded to each other, and an artificial wood excellent in strength and flexibility can be produced.

表面構造制御システムによって処理された木質資源微粉末と組み合わせる樹脂としては、任意の樹脂を使用することができるが、例えばポリ乳酸等の生分解性樹脂と組み合わせることで、強度、柔軟性に優れるばかりでなく、環境に優しい次世代を担う人工木材の構築が可能になる。   Any resin can be used as the resin to be combined with the wood resource fine powder treated by the surface structure control system. However, when combined with a biodegradable resin such as polylactic acid, it is excellent in strength and flexibility. Rather, it will be possible to construct an artificial wood that will be the next generation for the environment.

表面構造制御システムの構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of a surface structure control system.

符号の説明Explanation of symbols

1 特殊ロッドミル、2 ベルトコンベア、3 パルパー、4 破砕ポンプ、5 コニカルリファイナ、6 ドラム型濃縮機、7 高濃度移送ポンプ、8 貯留タンク、9 撹拌機、10 回収タンク、11 投入口、12 円筒容器、13 ロッド 1 Special rod mill, 2 belt conveyor, 3 pulper, 4 crushing pump, 5 conical refiner, 6 drum type concentrator, 7 high concentration transfer pump, 8 storage tank, 9 stirrer, 10 recovery tank, 11 inlet, 12 cylinder Container, 13 rod

Claims (5)

木質資源の表面構造を制御する表面構造制御方法であって、木質資源に対して叩いて引きちぎる解繊操作を行うことで繊維状にセルロースミクロフィブリルを破壊した後、リファイナにより繊維特性を維持したまま極微細化加工を行うことを特徴とする木質資源の表面構造制御方法。   A surface structure control method for controlling the surface structure of a wood resource. After the cellulose microfibrils are broken into fibers by performing a defibration operation that strikes and tears the wood resource, the fiber properties are maintained by a refiner. A method for controlling the surface structure of a wood resource, characterized by performing ultrafine processing. 前記解繊操作は、円筒容器内で当該容器の中心軸に対して偏心して設置されたロッドを回転させ、風力を利用して木質資源チップを送り込むことにより行うことを特徴とする請求項1記載の木質資源の表面構造制御方法。   2. The defibrating operation is performed by rotating a rod installed eccentrically with respect to a central axis of the container in a cylindrical container and feeding wood resource chips using wind power. To control the surface structure of woody resources. 請求項1または2記載の表面構造制御方法により処理された木質資源を加水分解酵素により糖化し、エタノール発酵を行うことを特徴とするバイオエタノールの製造方法。   A method for producing bioethanol, comprising saccharifying a wood resource treated by the surface structure control method according to claim 1 or 2 with a hydrolase and performing ethanol fermentation. 請求項1または2記載の表面構造制御方法により処理された木質資源を樹脂と混合することを特徴とする人工木材の製造方法。   A method for producing artificial wood, comprising mixing a wood resource treated by the surface structure control method according to claim 1 or 2 with a resin. 前記樹脂が生分解性樹脂であることを特徴とする請求項4記載の人工木材の製造方法。   The method for producing artificial wood according to claim 4, wherein the resin is a biodegradable resin.
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