JP2010131004A - 糖類を製造する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】樹皮原料から糖類を製造する方法であって、樹皮原料をアルカリ化合物水溶液に浸漬するアルカリ処理工程、該アルカリ処理された樹皮を機械的に微細化する微細化処理工程、及び該微細化処理樹皮を酵素で糖化する酵素糖化工程を有する、糖類を製造する方法。前記微細化処理が、レファイナー、グラインダーから選択される装置による磨砕処理であることを特徴とする、前記糖類を製造する方法。
【選択図】図1
Description
内樹皮は師要素、柔細胞および厚壁細胞からなり、師要素は液体と栄養素の運搬の機能を持ち、柔細胞はデンプン等の栄養素貯蔵の機能を持ち、内樹皮の師要素間に介在する。厚壁細胞は支持組織として機能し、木部の年輪と同じように層状に観察され、形によって靭皮繊維とスクレレイドとに区別される。
一方、地球温暖化防止の観点から化石燃料由来のCO2排出削減のため、バイオマスの有効利用が注目されている。しかし、近年、トウモロコシ等の食品系バイオマスからのバイオエタノールの製造は食品価格の上昇を引き起こし、発展途上国では食糧不足などの重大な問題を引き起こしている。そこで食料と競合しない木質系バイオマス、すなわちリグノセルロースからのバイオエタノールの製造が注目されている。
現在、リグノセルロースから単糖を生成する基本的な方法としては、酸加水分解法、超臨界水による加水分解法、酵素糖化法の三つの方法がよく知られている。
酸加水分解法は酸の濃度によって、希酸法と濃酸法が提案されている(特許文献1、特許文献2)。希酸法では、温度、圧力がともに高く、添加した酸により装置が腐食してしまう。さらに生成した糖類と酸を分離するのが困難で経済的に有効な酸回収方法がない等の問題がある。また、濃酸法は、比較的に温度及び圧力が低いため、安価な反応装置材料が利用でき、グルコースの収率も高い。しかし、希酸法と同様に生成した糖類から経済的に有効な酸の分離・回収法がないため、多量の廃酸が発生するという問題がある。
また、100〜500℃、飽和蒸気圧〜50MPaという高温高圧条件でリグノセルロースを処理する方法が提案されている(特許文献6)。
また、爆砕処理としては、蒸煮処理と同程度の条件下でリグノセルロースを保持した後、瞬時に常圧に戻す方法が提案されている(特許文献8)。
上記した各方法は、いずれも高温高圧で処理することが必要であり、反応装置が高価であり、高温高圧にするための投入エネルギーが大きいという問題がある。
アルカリ処理法としては、バイオマスを2〜30%の水酸化カルシウムで処理する方法が提案されている(特許文献10)。アルカリ処理方法に関する他の文献としては、特許文献11〜13が挙げられる。
本発明は、バイオマスとして未利用資源である樹皮を原料とし、比較的穏和な条件下で、より少ないエネルギーでリグノセルロースの酵素糖化を促進することを可能とする前処理方法を提供することを課題とする。
本発明の糖類の製造方法においては、原料として木本植物の樹皮を使用する。樹皮原料としては、特に限定されないが、樹皮が厚く、かつ、糖分(セルロース)が多いという理由で、ユーカリ(Eucalyptus)属に属する樹木の樹皮を使用することが好ましい。
前記ユーカリ属に属する樹種(ユーカリ)としては、グランディス(grandis)種、グロブラス(globulus)種、ナイテンス(nitens)種、カマルドレンシス(camaldulensis)種、デグラプタ(deglupta)種、ビミナリス(viminalis)種、ユーロフィラ(Urophylla)種、ダニアイ(dunnii)種、及びこれらの交雑種等が挙げられる。
本発明においてアルカリ化合物水溶液への浸漬とは、水にアルカリ化合物が予め溶解したアルカリ水溶液に樹皮原料を投入してもよく、また、樹皮原料とアルカリ化合物を同時に水に投入してもよく、樹皮原料とアルカリ化合物を予め混合した後、さらに水に浸漬してもよい。いずれにしても、最終的に樹皮原料がアルカリ化合物水溶液に浸漬された状態となればよい。
アルカリ処理工程で使用するアルカリ化合物としては、樹皮を柔化させ得るものであれば特に限定されない。例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、酸化カルシウム、炭酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、アンモニア、あるいはこれらの2以上の混合物等を用いることができる。
また、アルカリ処理工程は、簡易な設備で実施することができ、投入エネルギーも削減できるという点で、常圧下で行うことが特に好ましい。
アルカリ処理時間は、樹皮原料を柔軟化し、糖化性を促進せしめるに十分な時間であれば特に限定されないが、好ましくは10分〜72時間、さらに好ましくは1時間〜17時間である。
アルカリ浸漬された樹皮を機械的に微細化する微細化処理工程において使用する機械装置は、レファイナー、破砕機、離解機等、微細化可能なものであれば特に限定されないが、レファイナー、グラインダーなどによって樹皮を磨砕処理することが特に好ましい。
上記の磨砕処理とは、アルカリ処理された樹皮原料を剪断力により磨砕する処理である。装置としては、パルプ製造に使用されるグラインダー、レファイナーが使用可能である。グラインダーとしてはストーン型、石臼型のいずれでもよい。
また、メディア攪拌式湿式粉砕装置も使用できる。この装置は、粉砕容器に挿入した攪拌機を高速で回転させて、粉砕容器内に充填したメディアと繊維状セルロースを攪拌して剪断応力を発生させて粉砕する装置であり、例えばサンドグラインダーが代表的な装置である。
酵素糖化工程では、微細化された樹皮中のセルロース成分が糖化酵素に糖化される。酵素糖化処理工程は、通常のリグノセルロース系バイオマスの糖化処理方法で採用されている酵素の種類や、反応時間、反応温度等の反応条件を採用して行われる。
なお、本発明の各実施例及び各比較例において、%は、特に断りがない限り全ての質量によるものである。
[アルカリ処理]
ユーカリ・グロブラス(Eucalyptus Globulus)の樹皮を約4cm角に切断したものを原料樹皮とした。
絶乾600g相当の上記原料樹皮を、所定量(表1、表2参照)の水酸化ナトリウムと樹皮に含まれる水分を含めて合計3000gとなるようなアルカリ水溶液に、温度25℃で17時間浸漬してアルカリ処理を施したのち、40メッシュのスクリーンを用いて固液分離した。
上記アルカリ処理物を、レファイナー(熊谷理機工業製、KRK高濃度ディスクレファイナー,本発明実施例及び比較例で用いるレファイナーは以下全て同様とする)を用いて、クリアランス1mm、投入速度100g/分の条件で磨砕した。
この時の磨砕に要したレファイナーの消費電力を、電力積算計を用いて計測した。なお、消費電力は実際に樹皮を磨砕するのに要した消費電力から、空転(樹皮を磨砕せずにレファイナーを動作させることと定義)に要する消費電力を差し引いて求めた。
この結果を表1(対絶乾樹皮100質量部のアルカリ添加量基準)、表2(アルカリ濃度%基準)に示す。
上記微細化処理物に対し10Lの純水を添加し、1分間攪拌した後、40メッシュのスクリーンにて洗浄物と洗浄液をろ別した。
ろ別して得た洗浄物を、420メッシュの濾布で作成した袋に投入した後、遠心分離機で脱水を行った。
上記で脱水した洗浄物を、以下の反応液組成にて、30℃、20時間条件で酵素糖化処理を行った。
(反応液組成)
5%樹皮(絶乾樹皮換算)
5%セルラーゼ(Multifect CX10L, ジェネンコア協和社製)
50mM酢酸緩衝液(pH4.5)
酵素糖化により生成したグルコース量をバイオセンサーBF4(王子計測機器製)にて測定し、その結果を表1、表2に示す。
温度95℃のアルカリ水溶液に90分浸漬してアルカリ処理を行った以外は、実施例1と同様にして、磨砕処理、糖化処理を行って、消費電力及びグルコース量を求めた。その結果を表3、表4に示す。
約2×4cm角に切断したユーカリ・グロブラスの木部を用いて、実施例1と同様にしてアルカリ処理、磨砕処理、糖化処理行って、消費電力及びグルコース量を求めた。その結果を表5、表6に示す。
約2×4cm角に切断したユーカリ・グロブラスの木部を用いて、実施例2と同様にしてアルカリ処理、磨砕処理、糖化処理を行って、消費電力及びグルコース量を求めた。その結果を表7、表8に示す。
図1及び図2より、原料として樹皮を用いた場合には、木部を用いた場合と比較して、アルカリ処理により樹皮の微細化処理に要する消費電力が大幅に削減することが示された。
Claims (7)
- 樹皮原料から糖類を製造する方法であって、樹皮原料をアルカリ化合物水溶液に浸漬するアルカリ処理工程、該アルカリ処理された樹皮を機械的に微細化する微細化処理工程、及び該微細化処理樹皮を酵素で糖化する酵素糖化工程を有することを特徴とする、糖類を製造する方法。
- 前記微細化処理が、レファイナー及びグラインダーから選択される装置による磨砕処理であることを特徴とする、請求項1に記載の糖類を製造する方法。
- 前記アルカリ化合物が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、酸化カルシウム、炭酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウム及びアンモニアからなる群から選ばれる少なくとも1種のアルカリ化合物であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の糖類を製造する方法。
- 前記アルカリ処理工程において、アルカリ化合物水溶液の濃度を0.05〜10質量%とし、乾燥樹皮原料100質量部に対してアルカリ化合物が0.1〜50質量部となるように浸漬することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の糖類を製造する方法。
- 前記アルカリ処理工程における処理温度が10〜300℃であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の糖類を製造する方法。
- 前記アルカリ処理工程における処理時間が10分〜72時間であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の糖類を製造する方法。
- 前記樹皮原料が、ユーカリ(Eucalyptus)属に属する樹木の樹皮であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の糖類を製造する方法。
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