JP5267387B2 - 靭皮繊維の製造方法及び靭皮繊維 - Google Patents

Description

本発明は、木本植物の樹皮を原料とする靭皮繊維の製造方法及び靭皮繊維に関する。

靭皮繊維は、紙幣や和紙に利用されていたが、近年では、その強度や軽さ、また生分解性等の特性や、カーボンニュートラルであり再生可能な資源である木質バイオマスから得られるという点で注目を集めて需要が拡大しており、繊維強化樹脂用の繊維素材等としての利用が研究されている。
例えば、靭皮繊維をポリ乳酸樹脂に添加した複合繊維材が提案されている（特許文献１）。

また、これまでの靭皮繊維の製造方法としては、ラミー、大麻、亜麻をアルカリ煮沸処理し、繊維をほぐしたのち酸素漂白または塩素漂白し、靭皮繊維を抽出する方法や（特許文献２）、ケナフ、コウゾ、ミツマタ等の草木類の靭皮を切断し、シュウ酸アンモニウム溶液に浸漬し、攪拌により解繊後、洗浄・乾燥して靭皮繊維を製造する方法（特許文献３）等が提案されている。

特開２００８−１５０５９９号公報 特開２００７−１２６８０９号公報 特開２００２−１０５７３７号公報

上記に挙げた靭皮繊維は、その殆どが、ラミー、大麻、亜麻、ケナフ等の草本類植物を原料とするものであったが、草本性植物原料は、その保存性や品質の安定性などに問題があり、大量生産には適さないものであった、その他に、和紙の原料として利用されるコウゾ、ミツマタ等の潅木も靭皮繊維の原料として知られるが、これらも大量生産することは困難である。
従って、大量の靭皮繊維を低コストで安定供給可能な靭皮繊維の製造方法が求められていた。

本発明者らは、上記課題を解決するため以下の（１）〜（７）の方法をとる。
（１）木本植物の樹皮を破砕して水中に分散し、１３０℃以下でアルカリ処理を施した後、糖化酵素により糖化処理を行い、次いで、糖を含む液分と固形分残渣とを分離する固液分離処理を行い、残渣から靭皮繊維を得ることを特徴とする、靭皮繊維の製造方法。
（２）木本植物の樹皮を破砕して水中に分散し、１時間以下でアルカリ処理を施した後、糖化酵素により糖化処理を行い、次いで、糖を含む液分と固形分残渣とを分離する固液分離処理を行い、残渣から靭皮繊維を得ることを特徴とする、靭皮繊維の製造方法。
（３）木本植物の樹皮を破砕して水中に分散し、処理時間３０分以下、処理温度１３０℃以下でアルカリ処理を施した後、糖化酵素により糖化処理を行い、次いで、糖を含む液分と固形分残渣とを分離する固液分離処理を行い、残渣から靭皮繊維を得ることを特徴とする、靭皮繊維の製造方法。
（４）糖化処理後に引き続き酵母による発酵処理を行い、その後に固液分離処理を行うことを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の靭皮繊維の製造方法。
（５）糖化処理は、酵母による発酵も同時に行う処理であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の靭皮繊維の製造方法。
（６）糖化処理の前に機械的処理を行うことを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項に記載の靭皮繊維の製造方法。
（７）（１）〜（６）のいずれか１項に記載された製造方法によって得られたことを特徴とする靭皮繊維。

本発明によって、木本植物の樹皮を原料として、糖類や発酵物の製造と並行して大量の靭皮繊維を低コストで製造することが可能となった。

以下、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明の靭皮繊維の原料は、木本植物の樹皮である。
木本植物は、細胞分裂が活発な形成層を境界にその内側の木部と外側の樹皮に分けられる。さらに、樹皮は死んだ組織の外樹皮と生きている組織の内樹皮に分けられる。
外樹皮は主に周皮あるいはコルク層からなり、木材組織を機械的損傷から守るとともに、温度と湿度の変動を小さくしている。
また、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。靭皮繊維は、他の細胞に比べて繊維長が長く、厚壁で引張強度が大きいという特徴を有する。

樹皮は、材木用途では使用されず、製紙工程のパルプ化の際には、わずかに混入してもパルプの品質を低下させるため、枝や根とともに植林地で肥料として土壌に戻されるか、製材工場又はチップ工場で剥皮され焼却されており、木質系バイオマスとして有効利用されていないが、製材工場やチップ工場で均一な品質のものが大量に入手可能であるため、靭皮繊維の原料として適しており特に好ましい。
例えば、製紙原料用として一般に用いられるユーカリ（Eucalyptus）属またはアカシア（Acacia）属等の樹種の樹皮は、製紙原料用の製材工場やチップ工場等から安定して大量に入手可能であるため、特に好適に用いられる。

上記の樹皮原料は、糖化酵素によって糖化処理を行うことにより、糖類を得ることができる。
また、引き続き酵母によって発酵処理することにより、エタノール等の発酵物を得ることが可能である。あるいは、糖化と発酵を同時に行うことも可能である。本明細書では、これらの処理を総称して糖化発酵と称する。
糖化処理物や糖化発酵処理物を固液分離して回収された残渣から、上記の靭皮繊維を得ることが可能である。糖類や発酵物の製造と並行して靭皮繊維を製造することは、原料が有効に利用可能でありコスト面でも極めて優れた製造方法である。

本発明では、まず樹皮原料を破砕する。ここで破砕とは、糖化酵素により酵素処理できる形態に切断または破砕することである。破砕のための装置としては、カッター、チッパー、一軸破砕機、二軸破砕機、及びハンマークラッシャーなどが使用できる。
次に糖化処理を行うが、樹皮原料に前処理を行って、糖化処理、もしくは糖化発酵処理の収率を向上させても良い。

前処理は、原料として使用する樹皮の種類や状態等に応じ、機械的処理、化学的処理、その他任意の処理を取ることが可能である。
前記機械的処理は、破砕、磨砕等の任意の機械的手段により、次工程の糖化処理もしくは発酵処理の収率を向上する。その手段や使用する機械装置については特に限定されないが、たとえば、ニーダー、レファイナー、ミル、グラインダー等の磨砕装置が好適に使用可能である。

前記化学的処理は、酸やアルカリ等の薬品の水溶液、もしくは熱水等に浸漬して、次工程の糖化または発酵処理に適した状態にすることである。
化学的処理に使用する薬品等については特に限定されないが、たとえば、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物、硫化物、炭酸塩または亜硫酸塩から１種以上選択されたものであり、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、硫化ナトリウム、炭酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウム等から選択された１種以上の薬品の水溶液に浸漬してなるアルカリ処理等が化学処理として好適である。

なお、化学的処理に使用する薬品添加量は、状況に応じて任意に調整可能であるが、使用する木質バイオマスの絶乾質量に対して５０％以下であることが、薬品コスト低下の面から、またセルロースの溶出・過分解による収率低下防止の面からもさらに望ましい。
なお、これらの樹皮の前処理である機械的処理及び化学的処理は、いずれか片方でもよく、必要に応じて両方を順次にまたは同時に行っても良い。本発明においては特に、機械的処理工程の前に化学的処理を行うことが好適である。

なお、本発明の前処理における化学的処理工程において、薬品の水溶液への浸漬時間及び処理温度は、使用する原料や薬品によって任意に設定可能であるが、処理時間３０分〜１時間、処理温度８０〜１３０℃が好ましい。なお、処理条件を厳しくすることで、樹皮中のセルロースの液側への溶出が起こり、靭皮繊維の収率が落ちる場合もあるため、処理時間が１時間以下、処理温度が１３０℃以下であることが好ましい。

本発明の糖化処理工程は、樹皮を糖化酵素により糖化する工程である。また、糖化発酵処理工程は、原料を酵素により糖化する酵素糖化処理と、得られた糖類をさらに酵母等によってエタノール発酵させる発酵処理を併せた工程である。
なお、糖化発酵処理は、酵素糖化処理とエタノール発酵処理を別工程で連続して行ってもよく、また酵素糖化処理とエタノール発酵処理を同時に行うことも可能である。

糖化処理または糖化発酵処理で使用する糖化酵素は、セルロース分解酵素であり、セロビオヒドロラーゼ活性、エンドグルカナーゼ活性、ベータグルコシダーゼ活性を有する、所謂セルラーゼと総称される酵素である。
各セルロース分解酵素は、夫々の活性を有する酵素を適宜の量で添加しても良いが、市販されているセルラーゼ製剤には、上記した各種のセルラーゼ活性を有すると同時に、ヘミセルラーゼ活性も有しているものが多く、市販のセルラーゼ製剤を用いれば良い。

市販のセルラーゼ製剤としては、トリコデルマ（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ）属、アクレモニウム属（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ）属、アスペルギルス（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ）属、ファネロケエテ（Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔｅ）属、トラメテス属（Ｔｒａｍｅｔｅｓ）、フーミコラ（Ｈｕｍｉｃｏｌａ）属、バチルス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）属などに由来するセルラーゼ製剤がある。このようなセルラーゼ製剤の市販品としては、全て商品名で、例えば、セルロイシンＴ２（エイチピィアイ社製）、メイセラーゼ（明治製菓社製）、ノボザイム１８８（ノボザイム社製）、マルティフェクトＣＸ１０Ｌ（ジェネンコア社製）等が挙げられる。
原料固形分１００質量部に対するセルラーゼ製剤の使用量は、０．５〜１００質量部が好ましく、１〜５０質量部が特に好ましい。

処理条件はｐＨが４〜７が好ましい。温度は２５〜５０℃が好ましく、３０〜４０℃がさらに好ましい。糖化発酵反応は、連続式が好ましいが、バッチ方式でも良い。糖化発酵反応時間は、酵素濃度によっても異なるが、バッチ式の場合は１０〜２４０時間、さらに好ましくは１５〜１６０時間である。連続式の場合も、平均滞留時間が、１０〜１５０時間、さらに好ましくは１５〜１００時間である。

次に、発酵について説明する。
発酵用に用いられる微生物としては酵母などが用いられ、培地などを同時に添加しても良い。酵母としては、周知の酵母、例えばサッカロミセス・セラビシエなどが使用できる。
また、微生物は固定化しておいてもよい。微生物を固定化しておくと、次工程に微生物を液と共に送り出して再回収するという工程を省くことができるか、少なくとも回収工程にかかる負担を軽減することができるし、微生物をロスするリスクを軽減することもできる。また、微生物を固定化するほどでのメリットはないが、凝集性のある微生物を選択することにより微生物の回収を容易にすることができる。

前記糖化工程から得られた糖化液、もしくは糖化発酵処理工程より得られた発酵液から固液分離して繊維を回収する。得られた繊維を洗浄して繊維中に残った酵素および酵母を除去し、靭皮繊維を得ることができる。
なお、樹皮の糖化処理もしくは糖化発酵処理の程度については、使用する樹種や求める靭皮繊維の強度等に応じて、適宜条件を変えて行うことが可能である。糖化処理や糖化発酵処理が十分でない場合は靭皮繊維以外の成分が処理後の繊維に残る事があるが、得られた繊維を糖化工程や糖化発酵処理工程に返送し、再処理して除去することも可能である。

次に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明する。また、以下に示す各実施例において、％は、特に断りがない限りは全て質量によるものである。靭皮繊維の収率は以下の式により算出した。
収率＝乾燥繊維（ｇ）／乾燥樹皮（ｇ）×１００（％）

実施例において使用した市販セルラーゼは、ジェネンコア社製ＧＣ２２０（セロビオヒドロラーゼ活性１００Ｕ／ｍＬ、ベータグルコシダーゼ活性２００Ｕ／ｍＬ）である。
また酵母は、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅを用い、下記組成の液体培地で３０℃、２４時間培養し酵母菌体を遠心分離して集菌したものを用いた。
＜前培養液体培地組成＞
グルコース ３０ｇ／Ｌ
ポリペプトン ５ｇ／Ｌ
酵母エキス ３ｇ／Ｌ
麦芽エキス ３ｇ／Ｌ
ｐＨ ５．６

＜実施例１＞
チップ状のユーカリ・グロブラスの樹皮を、一軸破砕機（西邦機工社製、ＳＣ-１５）に２０ｍｍの丸穴スクリーンを取り付けて破砕したものを樹皮原料とした。
上記樹皮原料絶乾１００ｇを、１０％炭酸ナトリウム溶液２５０ｍＬと混和し、総容量が１Ｌになるように水を添加した後、１００℃にて３０分間加熱処理を施しアルカリ処理を行った。
アルカリ処理後、４０メッシュのスクリーンにて固液分離したのち、処理物をレファイナー（熊谷理器工業製、KRK高濃度ディスクレファイナー）を用い、クリアランス０.５ｍｍで磨砕したのち、５Lの純水を添加し、１０分間攪拌した後、４０メッシュのスクリーンにて固液分離して洗浄された前処理物を得た。
前記前処理物を濃度２％に調整したのち、市販セルラーゼを４０ｍＬ添加し、５０℃、２４時間条件で酵素糖化処理し、固液分離した残渣を５Ｌの水で洗浄後脱水し、含水率７７．８％、１７６ｇの靭皮繊維を得た。収率は３９．１％であった。

＜実施例２＞
チップ状のユーカリ・グロブラスの樹皮を、一軸破砕機（西邦機工社製、ＳＣ-１５）に２０ｍｍの丸穴スクリーンを取り付けて破砕したものを樹皮原料とした。
上記樹皮原料絶乾１００ｇを、１０％炭酸ナトリウム溶液２５０ｍＬと混和し、総容量が１Ｌになるように水を添加した後、１００℃にて３０分間加熱処理を施しアルカリ処理を行った。
アルカリ処理後、４０メッシュのスクリーンにて固液分離したのち、処理物をレファイナー（熊谷理器工業製、KRK高濃度ディスクレファイナー）を用い、クリアランス０.５ｍｍで磨砕したのち、５Lの純水を添加し、１０分間攪拌した後、４０メッシュのスクリーンにて固液分離して洗浄された前処理物を得た。
前記前処理物を、濃度８％に調整したのち、ポリペプトン３ｇ／Ｌ、酵母エキス２ｇ／Ｌ、麦芽エキス２ｇ／Ｌとなるようにそれぞれ添加し、前記液体培地２００ｍＬで前培養後の酵母菌体及び市販セルラーゼ４０ｍＬを添加し、３７℃、４８時間条件で糖化発酵処理し、固液分離した残渣を５Ｌの水で洗浄後脱水し、含水率７３．５％、１３６ｇの靭皮繊維を得た。収率は３６．０％であった。

＜実施例３＞
チップ状のユーカリ・グロブラスの樹皮を、一軸破砕機（西邦機工社製、ＳＣ-１５）に２０ｍｍの丸穴スクリーンを取り付けて破砕したものを樹皮原料とした。
上記樹皮原料絶乾１００ｇを、１０％炭酸ナトリウム溶液２５０ｍＬと混和し、総容量が１Ｌになるように水を添加した後、１００℃にて３０分間加熱処理を施しアルカリ処理を行った。
アルカリ処理後、４０メッシュのスクリーンにて固液分離したのち、５Lの純水を添加して１０分間攪拌した後、４０メッシュのスクリーンにて固液分離して洗浄された前処理物を得た。
前記前処理物を、濃度８％に調整したのち、ポリペプトン３ｇ／Ｌ、酵母エキス２ｇ／Ｌ、麦芽エキス２ｇ／Ｌとなるようにそれぞれ添加し、前記液体培地２００ｍＬで前培養後の酵母菌体及び市販セルラーゼ４０ｍＬを添加し、３７℃、４８時間条件で糖化発酵処理し、固液分離した残渣を５Ｌの水で洗浄後脱水し、含水率６９．９％、１３４ｇの靭皮繊維を得た。収率は４０．３％であった。

Claims (7)

1. 木本植物の樹皮を破砕して水中に分散し、１３０℃以下でアルカリ処理を施した後、糖化酵素により糖化処理を行い、次いで、糖を含む液分と固形分残渣とを分離する固液分離処理を行い、残渣から靭皮繊維を得ることを特徴とする、靭皮繊維の製造方法。
2. 木本植物の樹皮を破砕して水中に分散し、１時間以下でアルカリ処理を施した後、糖化酵素により糖化処理を行い、次いで、糖を含む液分と固形分残渣とを分離する固液分離処理を行い、残渣から靭皮繊維を得ることを特徴とする、靭皮繊維の製造方法。
3. 木本植物の樹皮を破砕して水中に分散し、処理時間１時間以下、処理温度１３０℃以下でアルカリ処理を施した後、糖化酵素により糖化処理を行い、次いで、糖を含む液分と固形分残渣とを分離する固液分離処理を行い、残渣から靭皮繊維を得ることを特徴とする、靭皮繊維の製造方法。
4. 糖化処理後に引き続き酵母による発酵処理を行い、その後に固液分離処理を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の靭皮繊維の製造方法。
5. 糖化処理は、酵母による発酵も同時に行う処理であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の靭皮繊維の製造方法。
6. 糖化処理の前に機械的処理を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の靭皮繊維の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載された製造方法によって得られたことを特徴とする靭皮繊維。