WO2010050223A1 - 糖類を製造する方法及びエタノール製造方法 - Google Patents

糖類を製造する方法及びエタノール製造方法 Download PDF

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treatment
alkali
saccharification
raw material
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杉浦純
古城敦
趙雅蘋
五十嵐優子
岩崎裕次
一宮維幸
境野信
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王子製紙株式会社
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    • C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K1/00—Glucose; Glucose-containing syrups
    • C13K1/02—Glucose; Glucose-containing syrups obtained by saccharification of cellulosic materials
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    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P2201/00—Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing saccharides from a bark raw material and a method for producing ethanol.
  • a tree is divided into an inner xylem and an outer bark with a formation layer where cell division is active as a boundary.
  • the bark accounts for about 10-15% of the total tree weight, and in young eucalyptus, the bark has a relatively low lignin content compared to the xylem and is soft with many soluble components.
  • the bark is divided into an outer bark of dead tissue and an inner bark of living tissue.
  • the outer bark mainly consists of pericytes or cork layers, which protects the wood tissue from mechanical damage and reduces fluctuations in temperature and humidity.
  • the inner bark consists of mentor elements, parenchyma cells and thick-walled cells.
  • the mentor elements have the function of transporting liquids and nutrients.
  • Thick wall cells function as a supporting tissue, are observed in layers like the xylem rings, and are differentiated into bast fibers and scleroids by shape.
  • the bark tissue is roughly composed of fine substances including fibers, cork cells, and parenchyma cells.
  • Bark fibers are chemically similar to xylem fibers and are composed of cellulose, hemicellulose and lignin.
  • a fine substance containing cork cells and parenchyma contains a large amount of extracted components, and the cork cell walls are rich in suberins and the fine substance fraction is rich in polyphenols.
  • the bark contains many useful soluble components unlike the xylem, the amount reaches 20 to 40% of the dry mass, and the fiber fraction has the same fiber as the xylem. Has excellent properties.
  • bark is not used in timber applications and can be returned to the soil as a fertilizer in the plantation along with branches and roots to reduce pulp quality when pulping in the papermaking process, even if slightly mixed. They are peeled and incinerated at lumber mills or chip mills and are not effectively used as woody biomass.
  • pine, acacia, eucalyptus, etc. are planted as pulp materials for papermaking.
  • eucalyptus there are more than 500 types of eucalyptus, fast growing, short logging period of 7 to 10 years and growing in dry areas, so it is widely planted all over the world not only for papermaking but also for greening purposes.
  • effective use of biomass is attracting attention in order to reduce CO 2 emissions derived from fossil fuels from the viewpoint of preventing global warming.
  • bioethanol from food-based biomass such as corn has caused an increase in food prices and has caused serious problems such as food shortages in developing countries. Therefore, production of bioethanol from woody biomass that does not compete with food, that is, lignocellulose, has attracted attention.
  • the concentrated acid method has a relatively low temperature and pressure, an inexpensive reactor material can be used, and the yield of glucose is high.
  • an inexpensive reactor material can be used, and the yield of glucose is high.
  • Patent Documents 3 and 4 a supercritical method has been proposed in which cellulose is hydrolyzed using subcritical or supercritical water.
  • the supercritical method it is possible to completely decompose cellulose into oligosaccharides and monosaccharides in a short time using the characteristics of supercritical water, but the reaction is performed at high temperature and high pressure, so the equipment is expensive. And there are problems such as corrosion of the apparatus due to supercritical water.
  • lignin and hemicellulose in lignocellulose are bound to cellulose and inhibit the enzyme from contacting cellulose, resulting in a low glucose yield. Therefore, usually, in order to promote the degradability by the enzyme, prior to the enzymatic saccharification, a pressurized hot water treatment, a physical pretreatment by steaming and explosion, and a chemical pretreatment with acid or alkali are performed.
  • Patent Document 5 As the pressurized hot water treatment, a method of treating lignocellulose under high temperature and high pressure conditions of 128 to 205 ° C. and 1 to 2 MPa has been proposed (Patent Document 5). Further, a method for treating lignocellulose under high temperature and high pressure conditions of 100 to 500 ° C. and saturated vapor pressure to 50 MPa has been proposed (Patent Document 6).
  • Patent Document 7 As the steaming treatment, a method of treating under high temperature and high pressure conditions of 158 to 225 ° C. and 0.5 to 3 MPa has been proposed (Patent Document 7). Moreover, as a blasting process, a method has been proposed in which lignocellulose is held under the same conditions as the steaming process and then instantaneously returned to normal pressure (Patent Document 8). Each of the above methods requires treatment at high temperature and high pressure, and there is a problem that the reaction apparatus is expensive and the input energy for high temperature and high pressure is large.
  • Patent Document 9 As an acid treatment method, a method is proposed in which lignocellulose is treated with 0.1 to 5% dilute sulfuric acid at a high temperature of 140 to 230 ° C., and then wet pulverized with a beating machine (Patent Document 9).
  • an alkali treatment method a method of treating biomass with 2 to 30% calcium hydroxide (Patent Document 10) has been proposed. Many other alkali treatment methods have been proposed (Patent Documents 11 to 14).
  • JP 2006-75007 A JP 2006-246711 A Japanese Patent Laid-Open No. 5-31000 Japanese Patent Laid-Open No. 10-327900 JP 2006-136263 A JP 2007-20555 A JP-A-10-117800 JP 59-204997 A JP 2007-124933 A Japanese Patent No. 3493026 Japanese Examined Patent Publication No. 63-28597 JP 59-192093 A Japanese Unexamined Patent Publication No. 59-192094 JP 2008-092910 A
  • an object of the present invention is to provide a pretreatment method using bark as a raw material and capable of promoting enzymatic saccharification of lignocellulose with less energy under relatively mild conditions.
  • the present invention has a lower lignin content than xylem, paying attention to bark containing a large amount of soluble components, and by selecting and employing the following technical means,
  • the raw material bark can be saccharified and ethanol can be produced with less energy.
  • a method for producing a saccharide from a bark raw material comprising an alkali treatment step of immersing the bark raw material in an aqueous alkali compound solution, a refinement treatment step for mechanically refining the alkali-treated bark, and the refinement
  • a method for producing a saccharide comprising an enzymatic saccharification step of saccharifying treated bark with an enzyme.
  • a method for producing a saccharide from a bark raw material wherein the bark raw material is supplied together with an aqueous alkali compound solution to an apparatus selected from a kneader, a twin screw extruder, and a twin screw mixer, and an alkali treatment and a kneading treatment are simultaneously performed.
  • a method for producing a saccharide comprising: a refining treatment step for refining the material by means of an enzyme; and an enzyme saccharification step for saccharifying the refining treatment bark with an enzyme.
  • the bark raw material is crushed by a crusher before the alkali treatment, and the water retention of the crushed bark is 250 to 2000%, any of (1) to (3) A method for producing the sugar according to claim 1.
  • the alkali compound is calcium hydroxide
  • the bark and the alkali solution are separated after the alkali treatment, and the alkali solution or the calcium hydroxide regenerated from the alkali solution is returned to the alkali treatment step.
  • a method for producing ethanol comprising a fermentation step of subjecting the sugar produced by the method according to any one of (1) to (7) to ethanol fermentation.
  • a method for efficiently producing enzymatic saccharification of a bark raw material with less energy and further producing ethanol is provided, so that bioethanol can be produced from bark that has been industrially unused as a woody resource.
  • the way to manufacture is.
  • bark of a woody plant is used as a raw material.
  • the bark raw material is not particularly limited, but it is preferable to use a bark of a tree belonging to the genus Eucalyptus because the bark is thick and has a high sugar content (cellulose).
  • cellulose sugar content
  • the tree species belonging to the genus Eucalyptus (eucalyptus) grandis species, globulus species, nitens species, camaldulensis species, degrapta species, viminalis species
  • Examples include Europhylla species, Dunnii species, and hybrids thereof. Since the eucalyptus bark contains a large amount of calcium oxalate as an inorganic component, the calcium component can be recovered and reused in the saccharification and ethanol fermentation processes of the present invention. Is particularly suitable.
  • an alkali treatment step of immersing the bark raw material in an alkaline compound aqueous solution, a fine treatment step of mechanically refining the alkali-treated bark, and saccharifying the finely treated bark with an enzyme Saccharides are produced according to each step consisting of an enzymatic saccharification step.
  • the bark raw material can be used as a raw material in an available state. In consideration of handling property at the time of conveyance, etc., it can be used as it is in the alkali treatment step as long as it is cut or pulverized from several tens of cm 2 to several cm 2 .
  • the shape and size may be adjusted by mechanical processing such as a cutting machine, chipper, crusher, and hammer crusher.
  • the finer bark raw material can increase the saccharification efficiency in the later saccharification step.
  • the mechanical treatment of the bark treated in the alkali treatment step is finer with a smaller amount of energy. Therefore, it is not necessary to pulverize the dried bark raw material before the alkali treatment.
  • the amount of the alkali compound added to the bark raw material in the alkali treatment step is not particularly limited as long as it is an amount that softens the bark.
  • it is 0.1 parts by mass or more, preferably 0.1 to 50 parts by mass, more preferably 6 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of dry bark.
  • the treatment temperature in the alkali treatment step is not particularly limited as long as it softens the bark, but is preferably 10 ° C to 300 ° C, more preferably 25 ° C to 95 ° C, and most preferably 60 to 95 ° C. In the case of less than 10 ° C., the effect as an alkali may be reduced.
  • the alkali treatment step is particularly preferably carried out under normal pressure in that it can be carried out with simple equipment and the input energy can be reduced.
  • the alkali treatment time is not particularly limited as long as it is sufficient to soften the raw material and promote saccharification of the raw material, but is preferably 1 minute to 72 hours, more preferably 3 minutes to 8 hours, most preferably 5 minutes to 1 hour.
  • the bark raw material is immersed in an aqueous alkali compound solution, and further heated as necessary to perform an alkali treatment.
  • the immersion in the aqueous alkali compound solution may be a state in which the alkaline compound is previously dissolved in water, or the bark raw material and the alkaline compound may be poured into water at the same time. After mixing, it may be further immersed in water. In any case, it is sufficient that the bark raw material is finally immersed in the aqueous alkali compound solution.
  • the alkali compound concentration of the aqueous alkali compound solution is 0.05% by mass or more, preferably 0.05 to 10% by mass, more preferably 1 to 4% by mass.
  • the alkali compound used in the alkali treatment step is not particularly limited as long as it can soften the bark.
  • sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, sodium sulfite, ammonia, or a mixture of two or more thereof can be used.
  • calcium hydroxide can also be used as an alkali compound.
  • Calcium hydroxide is less expensive than other alkali compounds and has low solubility, so that it can be easily recovered as a precipitate and reused. Further, even when the solution becomes a diluted solution by washing or the like, it is precipitated as calcium carbonate when neutralized with carbon dioxide, so that the calcium content can be easily recovered.
  • calcium hydroxide even if it is an alkaline aqueous solution, since the solubility is low, it is necessary that an undissolved solid content is also present at the same time.
  • the amount of calcium hydroxide added may be an amount that softens the bark raw material and promotes saccharification.
  • the amount is preferably 0.1 to 50 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the dry bark raw material. If the amount is less than 0.1 parts by mass, the effect of promoting saccharification by alkali treatment of the raw material may not be sufficient, and if it exceeds 50 parts by mass, the effect reaches a peak. For the same reason, the amount is more preferably 5 to 25 parts by mass.
  • the amount of water added is preferably 5 to 20 parts by mass with respect to 1 part by mass of the dry bark raw material. When there is more addition amount of water than 20 mass parts, energy required for a heating will increase and an energy balance will deteriorate.
  • miniaturizes the bark immersed in the alkali mechanically is not specifically limited, Specifically, a bark is ground with a refiner, a grinder, etc.
  • the above-mentioned grinding treatment is a treatment for grinding an alkali-treated bark raw material with a shearing force.
  • a grinder and a refiner used for pulp production can be used.
  • the grinder may be either a stone type or a stone mortar type.
  • various high concentration refiner machines used when manufacturing mechanical pulp from wood can be used.
  • a twin disc refiner can be used.
  • a conical disc refiner in which the rotating plate is not a flat plate but a conical shape can also be used.
  • a media stirring wet pulverizer can also be used.
  • This device is a device that rotates a stirrer inserted in a pulverization vessel at a high speed to agitate the media and fibrous cellulose filled in the pulverization vessel to generate shear stress and pulverize.
  • a sand grinder is representative. Device.
  • the bark raw material may be refined by simultaneously performing the alkali treatment and the kneading treatment together with the alkaline compound aqueous solution using a kneader.
  • the above-mentioned kneading treatment is to make the bark fine by applying physical force while mixing with an aqueous solution of an alkali compound. Kneaders, dispersers, extruders, mixers, etc. are used in the kneading treatment. Among them, an apparatus called a kneader whose main purpose is kneading is preferable, and a biaxial kneader is particularly preferably used.
  • eucalyptus bark is soft, it can be easily miniaturized only by treatment with a kneader or the like in the presence of an alkali compound.
  • the amount of alkali compound added to the bark raw material is not particularly limited as long as it is an amount capable of softening the bark, and varies depending on the conditions. It is.
  • sodium hydroxide used as the alkali compound, it is 0.1 parts by mass or more, preferably 1 part by mass or more, more preferably 5 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the dry bark.
  • an effect will reach a peak and there exists a possibility that a chemical
  • the ratio of the addition amount of the alkaline aqueous solution to the bark is preferably in the range of 1 to 6 in terms of ml of the aqueous solution with respect to 1 g of dry bark.
  • the addition amount ratio is less than 1, there is a possibility that the alkali treatment for the bark is not sufficiently performed and the saccharification rate is inferior, and the mechanical energy required for fiberization is also increased.
  • the addition amount ratio exceeds 6, there is a possibility that the heat energy required for heating increases and becomes inefficient.
  • the alkali concentration of the aqueous solution of the alkali compound used in the refinement treatment step by kneading is 5 to 30%. If it is less than 5%, there is a problem that the reaction is not sufficiently completed, and if it exceeds 30%, there is a problem of excessive decomposition.
  • the treatment temperature in the refinement treatment step by kneading treatment is not particularly limited as long as it can soften the bark, but is preferably 25 to 300 ° C, more preferably 90 to 200 ° C. When the temperature is lower than 25 ° C, the reaction may not be completed sufficiently, and when the temperature exceeds 300 ° C, there is a problem of excessive decomposition.
  • the processing time of the micronization processing step by kneading is not particularly limited as long as it is sufficient to soften the bark, but is preferably in the range of 30 seconds to 10 minutes.
  • the fiber size is preferably in an appropriate range.
  • the average fiber length of the fibers is preferably 2 to 4 mm and the average fiber diameter is preferably 100 to 400 ⁇ m.
  • the yield of saccharides in the subsequent saccharification step can be improved.
  • the bark raw material is softened by the alkali treatment, the input energy required for the refinement treatment is not a problem as compared with the improvement in yield.
  • the bark raw material is concentrated and / or washed, pH adjusted, etc., if necessary, after passing through the alkali treatment step and the refinement treatment step, or after undergoing the refinement treatment by alkali treatment and kneading treatment.
  • saccharification treatment is performed by an enzymatic saccharification step using a saccharifying enzyme.
  • the cellulose component in the refined bark is saccharified into saccharifying enzymes.
  • the enzymatic saccharification treatment step is carried out by adopting reaction conditions such as the type of enzyme, reaction time, reaction temperature and the like employed in the usual lignocellulosic biomass saccharification treatment method.
  • the enzymatic saccharification step in the present invention may be a saccharification / fermentation step in which alcohol fermentation or lactic acid fermentation is performed simultaneously with saccharification.
  • the method of fermenting simultaneously with saccharification is referred to as saccharification / fermentation.
  • the cellulolytic enzyme used in the saccharification step is an enzyme collectively called cellulase having cellobiohydrolase activity, endoglucanase activity, and betaglucosidase activity.
  • Each cellulolytic enzyme may be added with an appropriate amount of an enzyme having each activity.
  • commercially available cellulase preparations have various cellulase activities as described above, and also have hemicellulase activity. Many commercially available cellulase preparations may be used.
  • cellulase preparations include Trichoderma, Acremonium, Aspergillus, Phanerocheet, Trametes, Humicola, and Humicola.
  • cellulase preparations derived from the above examples are all trade names, for example, cellulosin T2 (manufactured by HIPI), mecerase (manufactured by Meiji Seika Co., Ltd.), Novozyme 188 (manufactured by Novozyme), multifect CX10L (manufactured by Genencor) ) And the like.
  • the amount of the cellulase preparation used relative to 100 parts by mass of the raw material solid content is preferably 0.5 to 100 parts by mass, particularly preferably 1 to 50 parts by mass.
  • the pH of the saccharification reaction is preferably 4-7.
  • the reaction temperature is preferably 30 to 60 ° C, more preferably 35 to 50 ° C.
  • the reaction process is preferably a continuous process, but may be a batch process.
  • the saccharification time varies depending on the enzyme concentration, but in the case of a batch system, it is 0.5 to 72 hours, more preferably 2 to 48 hours. Also in the case of the continuous type, the average residence time is 0.5 to 48 hours, more preferably 1 to 24 hours.
  • the concentration of the raw material in the saccharification step is preferably 10 to 30% by mass. If it is less than 10% by mass, there is a problem that the concentration of the product is finally too low and the cost for concentrating the product is increased. Further, as the concentration exceeds 30% by mass, it becomes difficult to stir the raw material, resulting in a decrease in productivity.
  • the sterilization process may be a method in which the raw material is exposed to a pH at which bacteria are difficult to grow, such as acid or alkali, but may be a method in which the raw material is treated at a high temperature, or a combination of both.
  • the raw material after an acid and an alkali treatment it is preferable to use as a raw material, after adjusting to neutrality vicinity or pH suitable for a saccharification and / or saccharification fermentation process.
  • it is preferably used as a raw material after the temperature is lowered to room temperature or a temperature suitable for the saccharification and fermentation process.
  • the bark raw material is crushed by a crusher before the alkali treatment step, and the water retention of the crushed bark is preferably 250 to 2000%, and preferably 280 to 400%. Further preferred. If the water retention rate is crushed to 250% or more, the permeability of alkali chemicals is increased, and the alkali treatment time can be shortened. If crushing exceeds 2000%, the crushing energy is too large. Moreover, the water retention rate of said bark is measured as follows. The crushed material was dried to a constant weight at 105 ⁇ 3 ° C., a 100 g sample was taken, and immersed in 1000 g of water for 5 minutes.
  • the uniaxial crusher includes a rotary blade attached to a rotary rotor, a pusher that presses a raw material against the rotary blade, and a fixed blade attached to the pusher, and the gap between the rotary blade and the fixed blade This is a device for crushing raw materials.
  • the bark raw material is processed using a uniaxial crusher, the bark can be made fibrous with relatively little input energy. The finer the bark of the fiber, the higher the later saccharification efficiency. However, since the amount of energy required for the refinement increases, the size of the fiber is preferably in an appropriate range.
  • the ratio of fibers having a fiber length of 3 mm or more is 20% or more of the whole. Further, the ratio of fibers having a fiber length of 3 mm or more is preferably 20% or more and the ratio of fibers having a length of 10 mm or less is preferably 50% or less. Most preferably, the ratio of fibers having a fiber length of 3 mm or more is 20% or more, and the ratio of fibers having a length of 10 mm or more is 10% or less.
  • the alkali compound used in the alkali treatment step is calcium hydroxide, and after the alkali treatment, the bark and the alkali solution are separated, and the alkali solution is returned to the alkali treatment step. Further preferred.
  • the alkali treatment is performed, and then the liquid is drained and concentrated.
  • concentration in addition to filtration under normal pressure using a filter or the like, pressure filtration, suction filtration, or centrifugal separation means can be appropriately used.
  • the separated liquid contains calcium hydroxide as a solid content in addition to dissolved calcium hydroxide. In the case of the present invention, about 20 to 70% by mass is present in the liquid removal with respect to the input calcium hydroxide. This liquid component can be circulated into the alkali treatment step as it is (see FIG. 1).
  • the liquid content containing calcium hydroxide is reused in the alkali treatment step, so that the amount of calcium hydroxide and water used can be reduced.
  • the organic component may be removed by filtration or the like in the middle of the circulating process and then returned to the alkali treatment process.
  • calcium hydroxide may be regenerated from the separated liquid through calcination or the like (see FIG. 2).
  • the bark that has been subjected to the above-mentioned concentration shall be subjected to a refinement process by mechanical means as described above as shown in FIG.
  • the bark is preferably ground by a refiner or a grinder.
  • water may be supplied as necessary.
  • the grinding treatment may be performed immediately after the alkali treatment and the concentration treatment may be performed thereafter. In that case, the alkali penetrates from the surface of the new fiber generated by grinding, and the effect of the alkali treatment is increased. On the other hand, if fine fibers are generated, there is a risk that the concentration efficiency is lowered.
  • washing process which wash
  • water is added to the treated product, and the calcium hydroxide adhering to the alkaline treated product is washed away or dissolved in water and discharged.
  • washing can be performed by a fall washer, a concentration washing machine, a pulp washing apparatus, or the like.
  • the calcium oxalate component contained in the bark raw material is also discharged into the effluent of this step.
  • the grinding treatment When the grinding treatment is not performed after the alkali treatment step with calcium hydroxide, the grinding treatment may be performed after the washing treatment as shown in FIG. In this method, there is an advantage that separation of bark and liquid in the washing step is easy. On the other hand, there is a possibility that the alkali concentration during the grinding treatment is lowered.
  • ethanol can be produced by providing a fermentation step in which the saccharide produced by the saccharide production method is subjected to ethanol fermentation.
  • the fermentation product is obtained by fermenting glucose or the like obtained in the previous process with a microorganism.
  • the concentration of the raw material in the fermentation process is preferably 10 to 30% by mass. If it is less than 10% by mass, there is a problem that the concentration of the product is ultimately too low and the cost for concentrating the product becomes high. Further, as the concentration exceeds 30% by mass, it becomes difficult to stir the raw material, resulting in a decrease in productivity.
  • yeast or the like is used as the microorganism for fermentation, and a medium or the like may be added simultaneously.
  • yeast examples include Saccharomyces cerevisiae.
  • the microorganisms may be immobilized. By immobilizing microorganisms, it is possible to omit the process of sending the microorganisms together with the liquid and recovering them again in the next process, or at least reduce the burden on the recovery process and reduce the risk of losing microorganisms. You can also In addition, although there is no merit as to immobilize the microorganism, it is possible to facilitate the recovery of the microorganism by selecting an aggregating microorganism.
  • a distillation step can be provided after the fermentation step.
  • the fermentation product is separated by distillation using a vacuum distillation apparatus. Since the fermentation product can be separated at a low temperature under reduced pressure, inactivation of the enzyme can be prevented.
  • a vacuum distillation apparatus a rotary evaporator, a flash evaporator, or the like can be used.
  • the distillation temperature is preferably 25 to 60 ° C. If it is lower than 25 ° C., it takes time to distill the product, and the productivity is lowered. On the other hand, when the temperature is higher than 60 ° C., the enzyme is heat-denatured to be inactivated, and the amount of newly added enzyme is increased, so that the economic efficiency is deteriorated.
  • the concentration of the fermentation product remaining in the distillation residue fraction after distillation is preferably 0.1% by mass or less. By setting it as such a density
  • saccharification and fermentation can be performed in the same process.
  • saccharification and fermentation can be simultaneously performed by introducing a cellulolytic enzyme and a microorganism necessary for fermentation.
  • the reaction conditions are preferably pH 4-7.
  • the temperature is preferably 25 to 50 ° C, more preferably 30 to 40 ° C.
  • the saccharification / fermentation reaction is preferably a continuous type, but may be a batch type.
  • the saccharification / fermentation reaction time varies depending on the enzyme concentration, but in the case of a batch system, it is 10 to 240 hours, more preferably 15 to 160 hours. Also in the case of the continuous type, the average residence time is 10 to 150 hours, more preferably 15 to 100 hours.
  • saccharification and fermentation process both the saccharification process and the fermentation process in which the saccharification process and the fermentation process are continuously performed and the saccharification / fermentation process in which saccharification and fermentation are performed simultaneously are collectively referred to as saccharification and fermentation (process). is there.
  • hexose derived from cellulose, ie glucose, and pentose derived from hemicellulose, ie mannose, galactose, etc. are alcoholic fermented, but the pentose remains unreacted.
  • an enzyme that ferments pentose more reliably may be added, or may be treated in a separate step.
  • the mechanical treatment of the residue is to further grind the residue into a state suitable for saccharification and fermentation by any mechanical means.
  • an apparatus used for the grinding treatment an apparatus similar to that used in the grinding treatment (first grinding treatment) in the mechanical treatment performed immediately after the alkali treatment step, such as a grinder or a refiner, can be used. Since the residue after fermentation has already become flexible, the use of a refiner is particularly preferred among the above.
  • the refiner process is employ
  • the mechanical processing of the residue has a blade clearance of 0.1 mm or more narrower than the first pretreatment.
  • Alkaline treatment can be performed at least before or after the mechanical treatment step of the residue treatment step.
  • the same chemicals and treatment conditions as those for the alkali treatment of the bark raw material described above are possible.
  • the first saccharification / fermentation step and the second saccharification / fermentation step can be independently performed by either batch processing or continuous processing.
  • the second saccharification / fermentation step is also a batch type, and the residue of the first lot of the first saccharification / fermentation step is the second saccharification After being processed in the fermentation process, it is mixed with the second lot of the first saccharification / fermentation process, and so on. Therefore, the amount of the pre-processed product newly supplied to the lot in the first saccharification / fermentation process is adjusted so that almost the same amount including the residue to be mixed is processed every lot.
  • both the first saccharification / fermentation step and the second saccharification / fermentation step are continuous treatments, and it is necessary to discard the residue at an appropriate timing.
  • the reason why the residue is appropriately discarded is to prevent organic substances other than cellulose from gradually accumulating and inhibiting the saccharification reaction.
  • the mechanically treated residue is sent to the second saccharification / fermentation step, and saccharification / fermentation is performed in the same manner as the first saccharification / fermentation step, followed by filtration and solid-liquid separation after the treatment. .
  • the liquid component is transported to the distillation process, and the solid component is used as a final residue for disposal, firing or lignin recovery.
  • the calcium oxide when calcium hydroxide is used as an alkali treatment, the calcium oxide can be obtained by firing the fermentation residue or separating and firing the inorganic content from the residue. can get. This can be reconstituted to form calcium hydroxide and used in the alkali treatment step.
  • the bark is eucalyptus
  • calcium oxalate in the bark remains as a residue, so that there is an advantage that a large amount of calcium oxide can be obtained by baking the residue.
  • the method of baking the residue in the second saccharification / fermentation step is most reasonable.
  • Example 1 [Alkali treatment] Eucalyptus / globula bark cut into approximately 4 cm square was used as the raw material bark.
  • the raw material bark corresponding to 600 g of absolute dryness was immersed in an alkaline aqueous solution such as 60 g of sodium hydroxide and water contained in the bark for a total of 3000 g for 17 hours at a temperature of 25 ° C.
  • Solid-liquid separation was performed using a 40 mesh screen.
  • Example 2 Except for immersing in an alkaline aqueous solution at a temperature of 95 ° C. for 90 minutes and performing an alkali treatment, grinding and saccharification treatments were performed in the same manner as in Example 1 to determine the power consumption and the amount of glucose. The results are shown in Table 1.
  • Table 1 shows that when bark is used as a raw material, the power required for grinding is greatly reduced by alkali treatment as compared with the case where xylem is used. Moreover, it was shown that the effect of promoting enzymatic saccharification by alkali treatment is greater when bark is used than when xylem is used.
  • the average fiber length and the average fiber length are shown in Table 2.
  • the dehydrated washed product was ground using a refiner (KRK high concentration disc refiner, manufactured by Kumagai Riki Kogyo Co., Ltd.) under conditions of a clearance of 1 mm and an input speed of 100 g / min to obtain a ground product.
  • KRK high concentration disc refiner manufactured by Kumagai Riki Kogyo Co., Ltd.
  • the ground product corresponding to 1 g of absolutely dry was put into 45 ml of 100 mM acetate buffer (pH 5.0), and then 3 ml of cellulase (Genencor Kyowa Co., Ltd., Multifect CX10L) was added.
  • the final volume was adjusted to 50 ml, and an enzymatic saccharification treatment was performed at 50 ° C. and a reaction time of 18 hours.
  • the enzyme-treated product and the enzyme-treated solution were separated by filtration on a 420 mesh screen.
  • the enzyme-treated product is further washed with 100 ml of water, and the wash water is mixed with the enzyme-treated solution, and after measuring the volume, the amount of sugar contained in the enzyme-treated solution is measured by the phenol-sulfuric acid method, and the raw material bark solid The amount of sugar per 1000 g per minute was calculated.
  • the method for quantification of the phenol-sulfuric acid method was referred to “Quantitative method of reducing sugar” (Sakuzo Fukui Publishing Center). The amount of sugar is shown in Table 2.
  • Example 4 Enzymatic saccharification treatment was performed in the same manner as in Example 3 except that 7 L of 2.5% sodium carbonate solution was added to perform alkali treatment. Moreover, the average fiber length and the average fiber length were measured. The results are shown in Table 2.
  • Chip-shaped eucalyptus globula bark that passed through a 10 cm screen was crushed using a uniaxial crusher (manufactured by Saiho Kiko Co., Ltd., SC-15) under the following conditions.
  • the bark equivalent to 25 kg was put into the hopper of the uniaxial crusher and the operation was performed with a 20 mm round hole screen attached.
  • the power consumption of the uniaxial crusher required for crushing at this time was measured using a power integrator.
  • power consumption was calculated
  • the power consumption required for bark crushing was 5.3 kWh / t-BD.
  • the shredded product is imaged with an optical microscope, and the image data is binarized with an image processing / analysis software (NanoHunter NS2k-Pro, manufactured by Nanosystem Co., Ltd.) to extract the shape. Maximum length and aspect ratio were measured. The ratio of each fiber length was shown by the ratio of the area of the fiber of each fiber length with respect to the area of the whole fiber used for the measurement. In addition, the bark which is not fiberized made the maximum length of the fiber direction the fiber length. The crushed material was highly fiberized, and the aspect ratio was calculated by image analysis.
  • the ratio of fibers having a major axis of 3 mm or more and an aspect ratio of 100 or more was 0.85.
  • Alkali treatment The above-mentioned crushed material equivalent to 1 kg of absolute dryness is mixed with 1 L of 12.5% calcium hydroxide solution, water is added so that the total volume becomes 10 L, and then heat-treated at 90 ° C. for 20 minutes for alkali. After the treatment, the alkali-treated product and the alkali solution were separated by filtration using a 40 mesh screen. The alkali addition amount was shown as the ratio of the alkali mass to the absolutely dry mass of the crushed material to be treated.
  • the dehydrated washed product was ground using a refiner (manufactured by Kumagai Riki Kogyo Co., Ltd., KRK high-concentration disk refiner) under conditions of a clearance of 1 mm and an input speed of 100 g / min to obtain a ground product.
  • the power consumption of the refiner required for the grinding process measured using a power accumulator was 50 kWh / t-BD.
  • Example 3 The crushing treatment, the alkali treatment, the washing treatment, the grinding treatment, and the enzymatic saccharification treatment were performed in the same manner as in Example 6 except that the wood part of the chip-like eucalyptus and globulae that passed through a 10 cm screen was used as a raw material. .
  • the power consumption of the crushing process, the aspect ratio by image analysis, the power consumption of the grinding process, and the amount of sugar obtained from 1000 g of the raw material were determined, and the results are shown in Table 3 in comparison with Example 6. .
  • the power consumption of the biaxial crusher required for the crushing process measured using a power integrator was 13.5 kWh / t-BD. Thereafter, measurement of the water retention rate of the crushed material, alkali treatment, washing treatment, grinding treatment, and enzymatic saccharification treatment were performed in the same manner as in Example 6 to calculate the amount of sugar per 1000 g of raw material bark. The resulting sugar content is shown in Table 3.
  • a calcium hydroxide aqueous solution is used for the alkali treatment step, and the bark and the alkali solution are separated after the alkali treatment, and the alkali solution or the calcium circulation step for returning the calcium hydroxide regenerated from the alkali solution to the alkali treatment step is provided.
  • the saccharide production method will be described in detail in Examples 8 to 10.
  • a bark of 217 g of bark having a moisture content of 30.8% by mass (corresponding to 150 g in terms of absolute dry mass) was put into a hopper of a uniaxial crusher, and operation was performed using a screen with a round hole ⁇ 20 mm.
  • the power consumption of the uniaxial crusher required for crushing at this time was measured using a power integrator.
  • the power consumption was calculated by subtracting the power consumption required for idling (defined as operating a uniaxial crusher without crushing the bark) from the power consumption measured when crushing the bark.
  • the power consumption required for bark crushing was calculated to be 6.0 kWh per 1 t of bark dry mass.
  • the alkali-treated product was put into a bag made of 420-mesh filter cloth, and then dehydrated with a centrifuge to perform a concentration treatment for separating the alkali-treated product that is a solid content and the liquid component.
  • the alkali-treated concentrate (Wet) was 589 g, and the water content was 72.8% by mass. The amount of the liquid was 936 g.
  • the alkaline treatment concentrate was subjected to the second batch of enzyme treatment under the same conditions as the first batch of enzyme treatment. The sugar yield at this time is also shown in Table 4.
  • Example 9 [Washing] The same alkali-treated product as in the first batch of Example 8 was prepared, and 4570 g of ion-exchanged water was added thereto. After stirring for 5 minutes, a 40 mesh synthetic fiber mesh was used to centrifuge the solid content. Cleaning treatment was performed by separating the alkali-treated product and the liquid component. The washed product (Wet) as a solid content was 579 g, and the water content was 73.9% by mass. The discharged liquid was 4580 g. The bark after the washing treatment was subjected to enzyme treatment under the same conditions as those for the first batch of enzyme treatment. Again, the sugar yields are listed in Table 4.
  • the carbon dioxide gas was blown in and the deposit was obtained.
  • the precipitate was calcined at 850 ° C. to obtain calcium oxide, and further calcined to regenerate calcium hydroxide. About 8 g of calcium hydroxide was regenerated.
  • Example 10 The same alkali treatment concentrate as in the first batch of Example 8 was prepared. 921 g of ion-exchanged water was added to this treated product, and a refiner (manufactured by Kumagai Riki Kogyo Co., Ltd.) was used, and grinding was performed under a clearance of 0.5 mm. To the above ground product, 3650 g of ion exchange water was added, and the washing treatment was performed in the same manner as the washing treatment in Example 9, and the enzyme treatment was also carried out in the same manner. Sugar yields are listed in Table 4. Further, the calcium hydroxide was regenerated in the same manner as in Example 9 for the washing discharge liquid at this time.
  • the amount of calcium hydroxide regenerated was about 11 g. That is, when calcium is recovered from the washing solution after the grinding treatment, the yield of calcium increases, which is presumed to be due to a part of calcium oxalate present in the bark being mixed into the washing solution. It can be seen that the utilization efficiency is further improved.
  • Example 8 by using the liquid discharged in the concentration step in the alkali treatment step, the same amount of calcium hydroxide is used in the second batch, even if the amount of calcium hydroxide used is less than that in the first batch.
  • the alkali treatment effect was achieved, and the calcium hydroxide reduction rate was about 28%.
  • the amount of new additional water was significantly reduced compared to the first batch.
  • the reason for the cleaning is not clear, it may contribute to an improvement in the saccharification rate during the enzyme treatment.
  • calcium is recovered from the cleaning solution, about 80% of the calcium is recovered. Can be recovered and used.
  • the ethanol concentration was measured with a biosensor (Oji Scientific Instruments), and the ethanol production was calculated.
  • the power consumption of the refiner required for the pretreatment and the residue treatment was measured using a power integrator. The power consumption was obtained by subtracting the power consumed by idling (defined as operating the refiner without grinding the bark) from the power consumed to actually grind the raw material.
  • the yeast used was Saccharomyces cerevisiae, which was cultured in a liquid medium having the following composition at 30 ° C. for 24 hours, and the yeast cells were collected by centrifugation. (Pre-culture liquid medium composition) Glucose 30g / L Polypeptone 5g / L Yeast extract 3g / L Malt extract 3g / L pH 5.6
  • GC220 cellobiohydrolase activity 100 U / mL, betaglucosidase activity 200 U / mL
  • Chips of Eucalyptus globulus bark that passed through a 10 cm screen were crushed by attaching a 20 mm round hole screen to a uniaxial crusher (SC-15, manufactured by Saiho Kiko Co., Ltd.) as a raw material.
  • SC-15 uniaxial crusher
  • 500 g of the above raw material absolutely dry was mixed with 1.3 L of 10% sodium carbonate solution, water was added so that the total volume became 5 L, and then heat treatment was performed at 100 ° C. for 30 minutes to perform alkali treatment.
  • Example 12 The ethanol production was calculated in the same manner as in Example 11 except that the treated product after the alkali treatment was refiner treated with a clearance of 0.3 mm. The results are shown in Table 5.
  • Example 13 The amount of ethanol produced was calculated in the same manner as in Example 11 except that the treated product after the alkali treatment was refiner treated with a clearance of 0.2 mm. The results are shown in Table 5.
  • Example 14 The ethanol production was calculated in the same manner as in Example 11 except that the treated product after the alkali treatment was refiner-treated with a clearance of 0.1 mm. The results are shown in Table 5.
  • Chips of Eucalyptus globulus bark that passed through a 10 cm screen were crushed by attaching a 20 mm round hole screen to a uniaxial crusher (SC-15, manufactured by Saiho Kiko Co., Ltd.) as a raw material.
  • SC-15 uniaxial crusher
  • 500g of the above raw material is mixed with 1.3L of 10% sodium carbonate solution, water is added so that the total volume is 5L, and then heat treatment is performed at 100 ° C for 30 minutes. Alkaline treatment was performed.
  • pre-processed product A After the alkali treatment, solid-liquid separation was performed with a 40-mesh screen, and the treated product was ground with a clearance of 0.5 mm using a refiner (manufactured by Kumagai Riki Kogyo, KRK high concentration disk refiner). After adding 5 L of pure water to the ground product and stirring for 10 minutes, a pre-processed product (hereinafter referred to as pre-processed product A) was obtained by solid-liquid separation using a 40 mesh screen. .
  • Pretreatment product A is put in a reaction vessel and adjusted to a concentration of 8% by adding water, and then added to 3 g / L polypeptone, 2 g / L yeast extract, and 2 g / L malt extract.
  • the yeast cells after pre-culture and 200 mL of commercially available cellulase were added and subjected to saccharification and fermentation treatment (first saccharification and fermentation treatment) at 30 ° C. for 24 hours, and the ethanol concentration of the saccharification and fermentation broth was measured.
  • first saccharification and fermentation treatment solid-liquid separation was performed with a 420 mesh screen to obtain a fermentation residue.
  • the residue is treated with the above refiner with a clearance of 0.3 mm, put into an empty reaction vessel, and adjusted to a concentration of 8% by adding water, resulting in 3 g / L polypeptone, 2 g / L yeast extract, and 2 g / L malt extract.
  • the yeast cells after culturing in 350 mL of the liquid medium and 70 mL of commercially available cellulase were added and subjected to saccharification and fermentation treatment (second saccharification and fermentation) at 30 ° C. for 24 hours, and ethanol in the saccharification and fermentation broth
  • the concentration was measured, and the total amount with the amount of ethanol obtained by the first saccharification and fermentation treatment was calculated.
  • Table 5 The results are shown in Table 5.
  • Example 16> The amount of ethanol production was calculated in the same manner as in Example 15 except that the refinement treatment was performed on the fermentation residue with a clearance of 0.2 mm. The results are shown in Table 5.
  • Example 17 The amount of ethanol production was calculated in the same manner as in Example 15 except that the refinement treatment was performed on the fermentation residue with a clearance of 0.1 mm. The results are shown in Table 5.
  • Example 18 In the refiner treatment of the fermentation residue, the ethanol production was calculated in the same manner as in Example 15 except that the treatment with a clearance of 0.3 mm was not performed and the second saccharification and fermentation was performed as it was. The results are shown in Table 5.
  • the residue of the bark raw material after the enzyme fermentation process can be mechanically processed with little use of electric power, and the overall ethanol yield is improved by performing saccharification and fermentation again after mechanical processing.
  • the mechanical treatment of the bark raw material before enzymatic saccharification consumed more power as the refiner clearance was smaller, and it was 816 wh / g at 0.1 mm.
  • the pretreated fiber was treated at a clearance of 0.5 mm to obtain fermentation residue. Can be reduced to a total of 224 wh / g and the ethanol production increased. This is thought to be because the amount of electric power can be reduced because the fiber is fragmented by the fermentation treatment, and the yield of cellulose is improved by the mechanical treatment of the fermentation residue and the ethanol yield is improved.
  • Example 19 It carried out similarly to Example 15 until the completion of the first saccharification step. After the first saccharification and fermentation treatment, solid-liquid separation was performed with a 420-mesh screen to obtain a fermentation residue (referred to as fermentation residue C). On the other hand, the pre-treatment product A before the first saccharification step was obtained again as in Example 15. Pretreatment product A and fermentation residue C are put in a reaction vessel, and after adding water to adjust the concentration to 8%, polypeptone 3 g / L, yeast extract 2 g / L, and malt extract 2 g / L are added respectively.
  • Example 19 Yeast cells after culturing in 1.35 L of the liquid medium and 270 mL of commercially available cellulase were added, saccharification and fermentation treatment (first saccharification and fermentation treatment) was performed at 30 ° C. for 24 hours, and the ethanol concentration of the saccharification and fermentation broth was measured. .
  • the results of Example 19 are shown in Table 6.
  • Example 20> It carried out similarly to Example 15 until the completion of the first saccharification step. After the first saccharification and fermentation treatment, solid-liquid separation was performed with a 420 mesh screen to obtain a fermentation residue. The fermentation residue was treated with the above refiner with a clearance of 0.3 mm (this is referred to as a residue-treated product B). On the other hand, the pre-treatment product A before the first saccharification step was obtained again as in Example 15. Pre-treatment product A and residue treatment product B are put in a reaction vessel and adjusted to a concentration of 8% by adding water, and then added to 3 g / L polypeptone, 2 g / L yeast extract, and 2 g / L malt extract, respectively.
  • Example 20 Yeast cells after culturing in 1.35 L of the liquid medium and 270 mL of commercially available cellulase are added, saccharification and fermentation treatment (first saccharification and fermentation treatment) is performed at 30 ° C. for 24 hours, and the ethanol concentration of the saccharification and fermentation broth is measured. did.
  • the results of Example 20 are shown in Table 6.
  • Chip-shaped eucalyptus globula bark that passed through a 10 cm screen was crushed using a uniaxial crusher (SC-15, SC-15) under the following conditions.
  • a bark of 723 g (corresponding to an absolute dry mass of 500 g) of bark having a water content of 30.8% by mass was put into a hopper of a uniaxial crusher, and operation was performed using a screen with a round hole of ⁇ 20 mm.
  • the bark crushed with a uniaxial crusher was taken in a 10 L stainless steel bucket.
  • pre-processed product (b) a pre-processed product that has been washed by solid-liquid separation on a 40 mesh screen. Obtained. Moreover, the separated liquid was stored as a filtrate (c).
  • the pre-treated product (b) is put in a reaction vessel, adjusted to a concentration of 8% by adding water, and then added to 3 g / L polypeptone, 2 g / L yeast extract, and 2 g / L malt extract, respectively.
  • Yeast cells after preculture in 1 L of medium and 200 mL of commercially available cellulase were added, saccharification and fermentation treatment (first saccharification and fermentation treatment) was performed at 30 ° C. for 24 hours, and the ethanol concentration of the saccharification and fermentation broth was measured. After the first saccharification and fermentation treatment, solid-liquid separation was performed with a 420 mesh screen to obtain a fermentation residue.
  • the separated liquid was distilled in a distillation step to obtain ethanol.
  • the residue is treated with the above refiner with a clearance of 0.3 mm, put into an empty reaction vessel, and adjusted to a concentration of 8% by adding water, resulting in 3 g / L polypeptone, 2 g / L yeast extract, and 2 g / L malt extract.
  • the yeast cells after culturing in 350 mL of the liquid medium and 70 mL of commercially available cellulase were added and subjected to saccharification and fermentation treatment (second saccharification and fermentation) at 30 ° C. for 24 hours, and ethanol in the saccharification and fermentation broth The concentration was measured, and the total amount with the amount of ethanol obtained by the first saccharification and fermentation treatment was calculated.
  • the final residue was obtained by solid-liquid separation on a 420 mesh screen.
  • the separated liquid was sent to the distillation step and distilled.
  • [Residue and filtrate treatment] After fractionating ethanol in the distillation step, it was subjected to solid-liquid separation.
  • the liquid was returned to the first saccharification and fermentation step, and the solid content was calcined together with the final residue to obtain calcium oxide.
  • carbon dioxide gas was blown into the filtrates (a) and (c), and the generated precipitate was fired together with the final residue.
  • the obtained calcium oxide was about 92 g. This amount is much higher than the amount expected from the input calcium hydroxide, and it is estimated that most of the calcium oxalate in the bark was recovered as calcium oxide.
  • Producing bioethanol from bark which has been industrially unused as a woody resource, by providing a method for producing ethanol by making it possible to efficiently saccharify the raw material of the bark with less energy. Is possible.

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Abstract

　本発明は、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可能な前処理方法を提供する。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、樹皮原料から糖類を製造する方法及びエタノール製造方法。

Description

糖類を製造する方法及びエタノール製造方法
　本発明は、樹皮原料から糖類を製造する方法、及びエタノールを製造する方法に関する。
本願は、２００８年１０月３０日に、日本に出願された特願２００８－２７９３６７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　樹木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。樹皮は総樹木重量の約１０～１５％を占め、若いユーカリでは、樹皮は木部と比べてリグニン含量が比較的に低く、可溶性成分を多く含み柔軟である。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。
　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。
　樹皮組織は、大きく分けて、繊維、コルク細胞及び柔細胞を含む微細物質からなる。樹皮の繊維は、木部の繊維と化学的に似ており、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンからなる。コルク細胞及び柔細胞を含む微細物質には多量の抽出成分が存在し、コルク細胞の壁にはスベリン類が、微細物質画分にはポリフェノール類が多い。このように、樹皮は木部と異なり多くの有用な可溶性成分を含有し、その量は乾燥質量の２０～４０％に達し、しかも繊維画分には木部と同様な繊維質を有しているという優れた性質を有している。しかし、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。
　現在、製紙用パルプ原料としてマツ、アカシア、ユーカリなどが植林されている。その中でユーカリは５００種類以上あり、生長が早く伐採期間が７年から１０年と短く、乾燥地帯でも生育するため、製紙用材以外にも緑化目的などでも世界中に広く植林されている。
　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。
　リグノセルロースを利用する際には、セルロースを単糖であるグルコース等に分解する糖化が重要な段階となる。
　現在、リグノセルロースから単糖を生成する方法として基本的には、酸加水分解法、超臨界水による加水分解法、そして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。
　一方、亜臨界状態又は超臨界状態の水を用いてセルロースを加水分解処理する超臨界法が提案されている（特許文献３、特許文献４）。超臨界法では、超臨界水の特徴を利用し、短時間でセルロースを完全にオリゴ糖や単糖に分解することが可能であるが、高温、高圧下で反応を行うため、装置が高価になってしまうこと、超臨界水による装置の腐食等の問題がある。
　酵素糖化法においては、リグノセルロース中のリグニン及びヘミセルロースがセルロースと結合しており、酵素のセルロースへの接触を阻害しているため、グルコース収率が低くなってしまう。そこで、通常、酵素による分解性を促進するため、酵素糖化に先立って加圧熱水処理、蒸煮及び爆砕による物理的前処理、酸やアルカリによる化学的前処理が施される。
　加圧熱水処理は１２８～２０５℃、１～２ＭＰａ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５）。
　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）。
　蒸煮処理としては、１５８～２２５℃、０．５～３ＭＰａという高温高圧条件で処理する方法が提案されている（特許文献７）。
　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。
　酸処理法としては、リグノセルロースを０．１～５％希硫酸で１４０～２３０℃の高温で処理した後、叩解機で湿式粉砕する方法が提案されている（特許文献９）。
　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（特許文献１０）が提案されている。その他アルカリ処理法としては多数の方法が提案されている（特許文献１１～１４）。
　上記の各提案は、あらかじめリグノセルロースを数ｍｍから数百μｍまで粉砕する必要があり、さらに高温高圧下で処理するため、処理に要するエネルギーが大きく、かつ反応装置が高価となる問題がある。一般的に粒径を小さくすればする程、粉砕に多量のエネルギーを要する。しかしながらこれらの提案には粉砕工程に必要なエネルギー量についての記述がない。
　現在、様々なバイオマスの前処理法が検討されているが、多くの前処理方法はバイオマスを数ｍｍ以下程度まで粉砕しなければ、続く糖化工程での糖化効率が大きく低下するという問題がある。しかし、バイオマスを数ｍｍ以下程度まで粉砕するとバイオエタノール製造に要するエネルギーがバイオマスから得られるエネルギーを上回ってしまい、バイオマスからバイオエタノールを製造しても、ＣＯ２の排出削減とはならないという大きな問題がある。
特開２００６－７５００７号公報 特開２００６－２４６７１１号公報 特開平５－３１０００号公報 特開平１０－３２７９００号公報 特開２００６－１３６２６３号公報 特開２００７－２０５５５号公報 特開平１０－１１７８００号公報 特開昭５９－２０４９９７号公報 特開２００７－１２４９３３号公報 特許３４９３０２６号公報 特公昭６３－２８５９７号公報 特開昭５９－１９２０９３号公報 特開昭５９－１９２０９４号公報 特開２００８－０９２９１０号公報
　前記したようなリグノセルロースの酵素糖化のための前処理方法は、高温高圧条件であったり、機械的粉砕に大量のエネルギーを要するなど、コスト面で問題があった。
　さらに、木部と比べてリグニン含量が低く、可溶性成分を多量に含む樹皮を酵素糖化によって糖類の原料とする為に最適化された方法は考案されていなかった。
　即ち、本発明は、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可能な前処理方法を提供することを課題とする。
　本発明は、前記課題を解決するため鋭意研究した結果、木部と比べてリグニン含量が低く、可溶性成分を多量に含む樹皮に注目し、以下の各技術手段を選択し採用することによって、より少ないエネルギーで原料樹皮を糖化し、及び、エタノールを製造可能とするものである。
（１）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。
（２）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、（１）に記載の糖類を製造する方法。
（３）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と共に、ニーダー、二軸押出機、二軸ミキサーから選択される装置に供給してアルカリ処理と混練処理を同時に行うことにより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。
（４）樹皮原料を、アルカリ処理の前に、破砕機により破砕し、前記破砕処理された樹皮の保水率が２５０～２０００％であることを特徴とする、（１）～（３）のいずれかに記載の糖類を製造する方法。
（５）樹皮原料を、アルカリ処理工程の前に、一軸破砕機を用いて破砕処理することを特徴とする、（１）～（３）のいずれかに記載の糖類を製造する方法。
（６）前記アルカリ化合物が水酸化カルシウムであり、アルカリ処理後に樹皮とアルカリ液とを分離し、アルカリ液または該アルカリ液から再生した水酸化カルシウムを、アルカリ処理工程に戻すことを特徴とする、（１）～（５）のいずれかに記載の糖類を製造する方法。
（７）前記樹皮原料が、ユーカリ属に属する樹種であることを特徴とする（１）～（６）のいずれか一項に記載の糖類を製造する方法。
（８）（１）～（７）のいずれかの記載の方法によって製造された糖類をエタノール発酵させる発酵工程を有することを特徴とする、エタノール製造方法。
（９）前記発酵工程から得られる残渣を機械的処理した後、さらに糖化し、発酵することを特徴とする、（８）に記載のエタノール製造方法。
（１０）（７）の方法によって製造された糖類をエタノール発酵させる際に、発酵残渣から得られる無機分を焼成して酸化カルシウムとし、これを消和してアルカリ処理工程で使用することを特徴とする、エタノール製造方法。
　本発明により、より少ないエネルギーで、樹皮原料を効率的に酵素糖化可能とし、さらにエタノールを製造する方法が提供されるので、従来、木質系資源として工業的に未利用であった樹皮からバイオエタノールを製造する途を拓くものである。
本発明の糖化工程におけるカルシウム再利用の一実施形態を示すフローチャートである。 本発明の糖化工程におけるカルシウム再利用の一実施形態を示すフローチャートである。 本発明の糖化工程におけるカルシウム再利用の一実施形態を示すフローチャートである。 本発明の糖化工程におけるカルシウム再利用の一実施形態を示すフローチャートである。 本発明の糖化工程におけるカルシウム再利用の一実施形態を示すフローチャートである。 本発明の糖化発酵工程の一実施形態を示すフローチャートである。 本発明の糖化発酵工程の一実施形態を示すフローチャートである。
　以下、本発明について詳述する。
　本発明の糖類及びエタノール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。
　なお、ユーカリの樹皮には、無機成分としてシュウ酸カルシウムが多量に含まれるため、本発明の糖化やエタノール発酵工程において、カルシウム成分を回収し、再利用することが可能なので、本発明の樹皮原料として特に好適である。
　本発明においては、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からなる各工程に従って、糖類を製造する。
　樹皮原料は、入手できる状態のままで原料とすることができる。搬送時の取り扱い性等を考慮して数十ｃｍ２から数ｃｍ２に裁断乃至粉砕されている状態のものであればそのままアルカリ処理工程に用いることができる。樹皮原料が大きい場合、断裁機、チッパー、破砕機、ハンマークラッシャー等の機械的処理により形状や大きさを整えれば良い。樹皮原料は微細である方が後の糖化工程において糖化効率を高めることができるが、本発明の方法では、アルカリ処理工程において処理された樹皮を機械的処理する方が、より少ないエネルギー量で微細化可能であるため、アルカリ処理前の乾燥樹皮原料は微粉砕する必要はない。
　アルカリ処理工程におけるアルカリ化合物の樹皮原料に対する添加量は、樹皮を柔化せしめる量であれば特に限定されない。例えば、乾燥樹皮１００質量部に対して０．１質量部以上、好ましくは０．１～５０質量部、より好ましくは６～２０質量部である。
　アルカリ処理工程の処理温度は、樹皮を柔化せしめる温度であれば特に限定されないが、好ましくは１０℃～３００℃、さらに好ましくは２５℃～９５℃、最も好ましくは６０～９５℃である。１０℃未満の場合ではアルカリとしての効果が低下するおそれがある。
　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、原料を柔軟化せしめ、原料の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１分～７２時間、さらに好ましくは３分～８時間、もっとも好ましくは５分～１時間である。
　本発明においては、樹皮原料をアルカリ化合物水溶液に浸漬し、さらに必要に応じて加熱してアルカリ処理を行う。
　なお、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状態でもよく、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。
　アルカリ化合物水溶液のアルカリ化合物濃度は０．０５質量％以上、好ましくは０．０５～１０質量％、より好ましくは１～４質量％である。
　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、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、アンモニア、あるいはこれらの２以上の混合物などを用いることができる。
　また、アルカリ化合物として水酸化カルシウムも使用できる。水酸化カルシウムは、他のアルカリ化合物と比較して安価であり、また、溶解度が低いため、沈殿として回収し再使用することが容易である。さらに、洗浄などで希薄溶液となった場合でも、二酸化炭素で中和すると炭酸カルシウムとなって沈殿するため、カルシウム分の回収が容易である。
　水酸化カルシウムの場合は、アルカリ水溶液と言っても、溶解度が低いため、溶解していない固形分も同時に存在していることが必要である。
　水酸化カルシウムの添加量は、樹皮原料を柔軟化せしめ、糖化を促進せしめる量であればよい。好ましくは乾燥樹皮原料１００質量部に対して０．１～５０質量部である。０．１質量部未満の場合は、原料のアルカリ処理による糖化促進の効果が十分でないおそれがあり、５０質量部を超えた場合には、効果が頭打ちとなる。同様の理由で、より好ましくは、５～２５質量部である。
　水の添加量は、乾燥樹皮原料１質量部に対して５～２０質量部が好適である。水の添加量が２０質量部より多いと、加熱のために必要なエネルギーが多くなり、エネルギー収支が悪化する。水の添加量が５質量部未満の場合は、樹皮原料と水酸化カルシウムとの接触が不十分となり、十分な糖化促進効果が得られないおそれがある。なお、水酸化カルシウムは溶解度が１．７ｇ／Ｌと低いため、アルカリ処理工程においては、水酸化カルシウム水溶液が、原料樹皮及び固体の水酸化カルシウム接触するように対流する状態にすることが重要である。
　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は、特に限定されないが、具体的には、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。
　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、レファイナーとしては、木材から機械パルプを製造する際に用いられる各種高濃度レファイナー機を使用することができる。レファイナーの型としては、固定板と回転する１枚のディスクにより磨砕するシングルディスクレファイナー、２枚の逆回転するディスクにより磨砕するダブルディスクレファイナー、固定板を挟んで両側の回転するディスクにより磨砕するツインディスクレファイナーが使用できる。また、回転板が平板ではなく円錐型であるコニカルディスクレファイナーも使用できる。
　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。
　アルカリ処理に引き続く微細化処理を行う代わりに、樹皮原料を、アルカリ化合物水溶液と共に混練機によりアルカリ処理と混練処理を同時に行うことにより微細化しても良い。
　上記の混練処理とは、樹皮をアルカリ化合物の水溶液と混合しながら物理的に力を加えることで微細化することであり、混練処理で用いる装置は、ニーダー、ディスパーザー、エクストルーダー、ミキサー等が使用できるが、この中でも混練を主目的としているニーダーと呼ばれている装置が好ましく、特に二軸ニーダーが好適に用いられる。
　特に、ユーカリ樹皮は柔らかいため、アルカリ化合物の存在下で、ニーダー等により処理するだけで簡単に微細化することが可能である。
　混練処理による微細化処理工程の場合、アルカリ化合物の樹皮原料に対する添加量は、樹皮を柔化可能な量であれば特に限定されず、条件に応じて変動するため、必要に応じて適宜選択可能である。
　例えば、アルカリ化合物として水酸化ナトリウムを使用した場合には、乾燥樹皮１００質量部に対して０．１質量部以上、好ましくは１質量部以上、より好ましくは５質量部以上である。また３０質量部を越えて使用しても、効果は頭打ちとなり、薬品、洗浄水の無駄となるおそれがある。
　混練処理による微細化処理工程の場合、樹皮に対するアルカリ水溶液の添加量比率は、乾燥樹皮１gに対する水溶液のｍｌで表示すると、１～６の範囲が好適である。添加量比率が１未満の場合、樹皮に対するアルカリ処理が十分に行われず糖化率が劣るおそれがあり、また、繊維化に必要な機械エネルギーも大きくなる。添加量比率が６を越えた場合には、加熱に必要な熱エネルギーが増大して非効率となるおそれがある。
　混練処理による微細化処理工程において使用するアルカリ化合物の水溶液のアルカリ濃度は、５～３０％であることが好適である。５％未満の場合、反応が十分に完了していないという問題があり、３０％を超えた場合には過分解という問題がある。
　混練処理による微細化処理工程の処理温度は、樹皮を柔化することができる温度であれば特に限定されないが、好ましくは２５～３００℃、さらに好ましくは９０～２００℃である。２５℃未満の場合、反応が十分に完了しない可能性があり、３００℃を超えた場合には過分解という問題がある。
　混練処理による微細化処理工程の処理時間は、樹皮を柔化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３０秒～１０分の範囲である。
　混練処理によって微細化処理された樹皮は、微細であるほど後の糖化効率が高くなるが、所要エネルギー量も多くなるため、繊維の大きさは適度な範囲とすることが好ましい。具体的には、繊維の平均繊維長が２～４ｍｍ、かつ平均繊維径が１００～４００μｍであることが好ましい。
　以上のような磨砕や混練などの微細化処理を行うことによって、後の糖化工程における糖類の収率の向上を図ることができる。なお樹皮原料はアルカリ処理によって柔化されているため、前記微細化処理に要する投入エネルギーは収率の向上と比較すれば問題にならない程度である。
　本発明において、樹皮原料は、上記アルカリ処理工程および微細化処理工程を経た後、あるいは、アルカリ処理と混練処理による微細化処理を経た後、必要に応じて、濃縮及び／又は洗浄、ｐＨ調整等を行った後、糖化酵素による酵素糖化工程によって糖化処理を行う。
　酵素糖化処理工程では、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、本発明における酵素糖化工程は、糖化と同時にアルコール発酵または乳酸発酵する糖化・発酵工程であっても良い。以下、糖化と同時に発酵する方法を糖化・発酵と称する。
　糖化工程で使用するセルロース分解酵素は、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。
　糖化反応のｐＨは４～７が好ましい。反応温度は３０～６０℃が好ましく、３５～５０℃がさらに好ましい。反応工程は、連続式が好ましいが、バッチ方式でもよい。糖化時間は、酵素濃度によっても異なるが、バッチ式の場合は０．５～７２時間、さらに好ましくは２～４８時間である。連続式の場合も、平均滞留時間が、０．５～４８時間、さらに好ましくは１～２４時間である。
　なお、糖化工程の原料の濃度は、１０～３０質量％であることが好ましい。１０質量％未満であると、最終的に生産物の濃度が低すぎて生産物の濃縮のコストが高くなるという問題が発生する。また、３０質量％を超えて高濃度となるにしたがって、原料の攪拌が困難になり、生産性が低下するという問題が発生する。
　なお、酵素糖化工程の前に、樹皮原料に対して、予め殺菌を行うことが好ましい。樹皮原料中に雑菌が混入していると、後の工程で酵素による糖化を行う際に、雑菌が糖を消費して生成物の収量が低下してしまうという問題が発生する。
　殺菌工程は、酸やアルカリなど、菌の生育困難なｐＨに原料を晒す方法でも良いが、高温下で処理する方法でも良く、両方を組み合わせても良い。酸、アルカリ処理後の原料については、中性付近、もしくは、糖化及び／又は糖化発酵工程に適したｐＨに調整した後に原料として使用することが好ましい。また、高温殺菌した場合も、室温もしくは糖化発酵工程に適した温度まで降温させてから原料として使用することが好ましい。このように、温度やｐＨを調整してから原料を送り出すことで、好適ｐＨ、好適温度外に酵素が晒されて、失活することを防ぐことができる。
　本発明においては、樹皮原料を、アルカリ処理工程の前に、破砕機により破砕し、前記破砕処理された樹皮の保水率が２５０～２０００％とすることが好ましく、２８０～４００％とすることがさらに好ましい。保水率を２５０％以上にまで破砕すれば、アルカリ薬品の浸透性が早くなり、アルカリ処理の時間を短縮できる。２０００％を越える程の破砕をすると破砕のエネルギーが大きすぎる。
　また、上記の樹皮の保水率は、以下のように測定する。
　破砕処理物を１０５±３℃で恒量まで乾燥し、１００ｇの試料を採取し、１０００ｇの水に５分間浸漬した。５分後に全量を１ｍｍ穴スクリーン（１５０ｍｍ径、開孔面積率４．２％）でろ別して破砕処理物に保水された水の質量を求め、保水率（＝保水量（ｇ）／１００ｇ×１００）を算出する。
　本発明においては、樹皮原料を、アルカリ処理工程の前に、一軸破砕機を用いて破砕処理することが、糖化効率を高める上で好ましい。
　一軸破砕機とは、回転ロータ一に取り付けられた回転刃と、前記回転刃に対して原料を押圧するプッシャと、前記プッシャに取り付けられた固定刃を有し、前記回転刃と固定刃の間で原料を破砕する装置である。
　樹皮原料は、一軸破砕機を用いて処理した場合、比較的少ない投入エネルギーで樹皮を繊維状にすることが可能である。繊維状とされた樹皮は、微細であるほど後の糖化効率が高くなるが、微細化のための所要エネルギー量も多くなるため、繊維の大きさは適度な範囲とすることが好ましい。具体的には、繊維分布として、繊維長３ｍｍ以上の繊維の割合が全体の２０％以上であることが好適である。さらに繊維長３ｍｍ以上の繊維の割合が２０％以上、かつ、繊維長１０ｍｍ以下の割合が５０％以下であることが好ましい。最も好ましくは、繊維長３ｍｍ以上の繊維の割合が２０％以上、１０ｍｍ以上の繊維の割合が１０％以下である。
　本発明の糖類を製造する方法においては、前記アルカリ処理工程で使用するアルカリ化合物を水酸化カルシウムとし、アルカリ処理後に樹皮とアルカリ液とを分離して、前記アルカリ液をアルカリ処理工程に戻すことがさらに好ましい。
　アルカリ処理後に樹皮とアルカリ液とを分離する方法としては、アルカリ処理した後に脱液して濃縮する。濃縮する方法としては、フィルター等を用いた常圧下での濾過のほか、加圧濾過、吸引濾過や、遠心分離手段を適宜用いることができる。
　分離された液分には、溶解している水酸化カルシウム分の他、固形分としての水酸化カルシウムも存在する。本発明の場合、投入した水酸化カルシウムに対して２０～７０質量％程度が脱液中に存在する。この液分はそのままアルカリ処理の工程に循環して投入できる（図１参照）。
　前記の循環によって、水酸化カルシウムを含む液分が、アルカリ処理工程で再利用されることによって、水酸化カルシウム及び水の使用量の節減が可能となる。なお、水酸化カルシウムは濃縮後の固形分（樹皮分）に付着して先送りされるため、再利用の際には水酸化カルシウムを追加する必要がある。また、必要に応じて、循環する工程の途中で濾過等により有機分を除去してからアルカリ処理工程に戻してもよい。
　更に、場合によっては、分離された液分から、焼成等を経て、水酸化カルシウムを再生しても良い（図２参照）。
　上記濃縮を終えた樹皮は、図３のように、前述の通り機械的手段によって微細化処理を施すものとする。具体的には樹皮をレファイナーやグラインダーなどによって磨砕処理することが好ましい。
　前記磨砕処理に際しては、必要に応じて水を供給しても良い。例えば、レファイナー処理の場合、樹皮絶乾固形分１質量部に対して、水は２質量部以上存在することが好ましい。より好ましくは、水が５～２０質量部である。
　なお、図４のように、アルカリ処理後に直ちに磨砕処理を行い、その後に濃縮処理を行っても良い。その場合、磨砕により発生する新たな繊維表面からもアルカリが浸透することになり、アルカリ処理の効果としては増大する反面、微細繊維が発生すると濃縮の効率が下がる危険性もある。
　なお、水酸化カルシウムによってアルカリ処理された後、さらに、アルカリ液を分離された樹皮、もしくはそれに引き続き磨砕された樹皮を、水で洗浄する洗浄工程を設けることが好ましい。洗浄処理は、処理物に水を加えて、アルカリ処理物に付着した水酸化カルシウムを洗い流し、又は水に溶解させて排出する。洗浄工程では、フォールウォッシャー、濃縮洗浄機、パルプ洗浄装置等により、洗浄を行うことが可能である。また、この工程の排出液には、水酸化カルシウム分の他、樹皮原料に含まれるシュウ酸カルシウム分も排出される。これらカルシウム分の溶解度は低いので、固液分離することにより、かなりの部分が固形分として回収でき、これを焼成して酸化カルシウムとし、消和して水酸化カルシウムとして再利用することが可能となる。
　ここにおいて、固液分離前に、二酸化炭素をスラリーに供給して液を中和し、カルシウム固形分の回収を促進しても良い（図１、図２参照）。
　また、上記の固液分離工程で分離した水酸化カルシウムを含む液分の一部または全部を、二酸化炭素により中和する中和工程を設けることにより、中和して回収することができる。中和により生成した炭酸カルシウムは、沈殿槽等で沈殿させて回収される。回収された炭酸カルシウムからさらに水酸化カルシウムを再生し、本発明のアルカリ処理工程において再利用することができる。
　炭酸カルシウムを除去した液分は、アルカリ処理工程及び洗浄工程において使用する水として再利用することができる。また、環境負荷が低くなるため廃棄することもできる。
　中和工程に使用する二酸化炭素は、気体でも固体でもよく、また液体に溶解した状態であってもよい。
　なお、本発明の前処理を行った原料を糖化し、さらに発酵によってエタノールを製造する場合には、副産物として二酸化炭素が発生するため、この二酸化炭素を回収して中和に用いることがさらに好ましい。
　水酸化カルシウムによるアルカリ処理工程後に磨砕処理を行わなかった場合には、図５のように、洗浄処理後に磨砕処理を行っても良い。この方法の場合、洗浄工程における樹皮分と液分の分離が容易であるという利点がある。また、一方において、磨砕処理時のアルカリ濃度が低くなる可能性もある。
　本発明においては、前記糖類の製造方法により製造された糖類をエタノール発酵させる発酵工程を設けることによって、エタノールを製造することができる。
　本発明の発酵工程においては、前工程に得られたグルコースなどを微生物により発酵させて、発酵生成物を得る。
　発酵工程の原料の濃度は、１０～３０質量％であることが好ましい。１０質量％未満であると、最終的に生産物の濃度が低すぎて生産物の濃縮のコストが高くなるという問題が発生する。また、３０質量％を超えて高濃度となるにしたがって、原料の攪拌が困難になり、生産性が低下するという問題が発生する。
　本発明において、発酵用の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、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。
　なお、本発明においては、発酵工程の後で蒸留工程を設けることが可能である。蒸留工程では、減圧蒸留装置により発酵生成物が蒸留分離される。減圧下では低い温度で発酵生成物を分離できるため、酵素の失活を防ぐことができる。減圧蒸留装置としては、ロータリーエバポレーター、フラッシュエバポレーターなどを用いることができる。
　蒸留温度は２５～６０℃が好ましい。２５℃未満であると、生成物の蒸留に時間がかかって生産性が低下する。また、６０℃より高いと、酵素が熱変性して失活してしまい、新たに追加する酵素量が増加するため経済性が悪化する。
　蒸留後の蒸留残渣留分中に残る発酵生成物濃度は０．１質量％以下であることが好ましい。このような濃度とすることによって、後段の固液分離工程において固形物とともに排出される発酵生成物量を低減することができ、収率を向上させることができる。
　なお、前述したように、糖化と発酵を同一の工程で行うことも可能である。同一の工程とする場合には、セルロース分解酵素、及び発酵に必要な微生物を投入することで、糖化と発酵を同時に行うことが可能となる。
　この場合の反応条件は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。
　なお、本発明においては、糖化工程と発酵工程を連続して行う場合の両者一連の工程と、糖化と発酵を同時に行う糖化・発酵工程の両方を総称して糖化発酵（工程）と称することもある。
　前記した発酵工程において、セルロースに由来する六炭糖、即ち、グルコースと、ヘミセルロースに由来する五炭糖、即ち、マンノース、ガラクトースなどがアルコール発酵されるが、五炭糖は未反応のまま残留するものもある。このような場合、五炭糖をより確実に発酵する酵素も添加するか、あるいは、別工程で処理しても良い。
　本発明のエタノール製造方法においては、糖化発酵工程から得られる残渣を機械的処理した後、さらに糖化し、発酵させることが可能である。
　残渣の機械的処理は、任意の機械的手段によって、残渣をさらに磨砕して、糖化発酵に適した状態にすることである。磨砕処理に用いられる装置としては、グラインダー、レファイナー等、アルカリ処理工程の直後に行う機械的処理における磨砕処理（最初の磨砕処理）で用いられるものと同様の装置が使用可能である。発酵後の残渣は既に柔軟になっているため、上記の中でも特にレファイナーの使用が好ましい。また、最初の磨砕処理においてレファイナー処理を採用した場合、発酵残渣の磨砕処理としては最初の磨砕処理より磨砕の度合いを高めることが好ましい。最初の磨砕処理、残渣の磨砕処理のいずれも同じレファイナーで行う場合には、残渣の機械処理は最初の前処理に比較して、刃のクリアランスを０．１ｍｍ以上狭くすることが好ましい。
　前記の残渣処理工程の機械的処理工程の前後少なくともいずれかにおいて、アルカリ処理を行うことが可能である。
　アルカリ処理については、前述した樹皮原料のアルカリ処理の場合と同様な薬品、処理条件が可能である。
　酵素糖化の効率という観点から、糖化と発酵を同時に行う糖化・発酵工程を採用することは大きな利点がある。以下、この方法の場合における残渣の機械的処理について説明する。
　糖化・発酵処理工程から得られた残渣を機械的処理したものを、さらに糖化・発酵させる場合、一回目の糖化・発酵工程（第一糖化発酵工程）とは別の糖化・発酵工程（第二糖化発酵工程）を設けて発酵させる第一実施形態（図６参照）と、残渣を機械的処理したものを一回目の糖化・発酵工程（第一糖化発酵工程）に返送する第二実施形態（図７参照）が存在する。
　第一実施形態の場合、第一糖化・発酵工程および第二糖化・発酵工程は、夫々独立して、バッチ処理あるいは連続処理のいずれでも可能である。
　第二実施形態の場合、第一糖化・発酵工程がバッチ式であれば、第二糖化・発酵工程もバッチ式で、一回目の糖化・発酵工程の１番目のロットの残渣は、第二糖化・発酵工程で処理された後、２番目の第一糖化・発酵工程のロットに混合され、以後同様に続けられる。従って、新たに第一糖化・発酵工程のロットに供給される前処理物の量は、混合される残渣を含めて、ほぼ同一の量が毎ロット処理されるように調整される。また、数回のロットを終えたら、残渣を廃棄することが必要になる。連続処理でも同様で、第一糖化・発酵工程、第二糖化・発酵工程をともに連続処理とすることが好ましく、適宜のタイミングで残渣を廃棄する必要がある。残渣を適宜廃棄するのは、セルロース以外の有機物が次第に蓄積し、糖化反応を阻害することを防止するためである。
　第一実施形態の場合、機械的処理を施された残渣は第二糖化・発酵工程に送られ、第一糖化・発酵工程と同様に糖化発酵が行われ、処理後に濾過して固液分離する。液体分は蒸留工程に輸送し、固体分は最終の残渣として廃棄、焼成あるいはリグニン回収などに供される。
　糖化、発酵の手順や形態がいかなる方式であっても、アルカリ処理として水酸化カルシウムを用いる場合には、発酵残渣を焼成するか、残渣から無機分を分離して焼成することにより、酸化カルシウムが得られる。これを消和して水酸化カルシウムとし、アルカリ処理工程で使用することが可能である。また、樹皮がユーカリである場合には、樹皮中のシュウ酸カルシウムも残渣として残るので、残渣を焼成すれば酸化カルシウムが多量に得られるという利点がある。
　特に前述した糖化・発酵工程を採用し、かつ、残渣の磨砕処理を行う方法においては、前述の第二糖化・発酵工程の残渣を焼成処理する方法が最も合理的である。
　以下、樹皮原料をアルカリ処理工程、微細化処理工程、酵素糖化工程により糖類を製造する方法、及び、アルカリ混練処理工程、酵素糖化処理工程により糖類を製造する方法について、実施例と比較例により具体的に説明する。
　なお、本発明の各実施例、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。
＜実施例１＞　
［アルカリ処理]
　ユーカリ・グロブラスの樹皮を約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、６０ｇ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。
［微細化処理]
　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。
［洗浄処理]
　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。
［酵素糖化処理]
　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。
　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に示す。
（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）
＜実施例２＞　
　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１に示す。
＜比較例１＞　
　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１に示す。
＜比較例２＞　
　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１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１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って磨砕に要する動力が大幅に削減されることが示された。また、アルカリ処理による酵素糖化の促進効果は、樹皮を用いた場合には、木部を用いた場合と比較して、より大きいことが示された。
＜実施例３＞　
［アルカリ処理］
　１０ｃｍスクリーンを通過したチップ状のユーカリ・グロブラス樹皮１０００ｇに対し、２．５％炭酸ナトリウム溶液２Ｌを添加し、オートクレーブにて１４０℃、２分間のアルカリ処理を行った。
［洗浄処理］
　上記アルカリ処理物に対し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。
［繊維長・繊維径の測定］
　洗浄して得られる洗浄物の一部を採取し、ハイブリッドマイクロスコープ（Ｈｉｒｏｘ社製ＳＨ－４５００）で画像を撮影し、画像データを画像処理・解析ソフトウェア（株式会社アイスペック製　ＩＯＭａｔｅ２００７）にて二値化処理を行って形状を抽出し、形状特徴計測により周囲長をおよび垂直・水平方向フェレ径を測定した。繊維長は周囲長を２で割った値で算出し、平均繊維径は円形度が０．４未満の粒子に対し、垂直・水平方向フェレ径の小さい値を用いることによって算出した。各繊維長の割合は測定に用いた繊維全体の個数に対する各繊維長の繊維の個数の割合で示した。上記平均繊維長、平均繊維長を表２に示す。
［微細化処理］
　上記脱水した洗浄物を、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）を用いて、クリアランス１ｍｍ、投入速度１００ｇ／分の条件で磨砕し、磨砕処理物を得た。
［酵素糖化処理］
　絶乾１ｇ相当の上記磨砕処理物を４５ｍｌの１００ｍＭ酢酸緩衝液（ｐＨ５．０）に投入した後、３ｍｌのセルラーゼ（ジェネンコア協和社製、Ｍｕｌｔｉｆｅｃｔ　ＣＸ１０Ｌ）を添加した。最終容量を５０ｍｌに調整し、５０℃、反応時間１８時間の酵素糖化処理を行った。酵素糖化処理後、４２０メッシュのスクリーンにて酵素処理物と酵素処理液をろ別した。酵素処理物はさらに追加で１００ｍｌの水で洗浄し、洗浄水は酵素処理液と混合し、容量を計測した後に、酵素処理液中に含まれる糖量をフェノール硫酸法により測定し、原料樹皮固形分１０００ｇあたりの糖量を算出した。なお、フェノール硫酸法の定量方法は、「還元糖の定量法」（福井作蔵著　学会出版センター）を参考とした。上記糖量を表２に示す。
＜実施例４＞
　２．５％炭酸ナトリウム溶液７Ｌを添加してアルカリ処理を行った他は、実施例３と同様にして酵素糖化処理を行った。また、平均繊維長、平均繊維長を測定した。その結果を表２に示す。
＜実施例５＞
［アルカリ混練処理］
　１０ｃｍスクリーンを通過したチップ状のユーカリ・グロブラスの樹皮を、二軸式ニーダー（栗本鐵工所製、ＫＲＣ－Ｓ２）を用いて、以下の条件でアルカリ混練処理を行った。
　二軸式ニーダーに風乾１００ｇ／分の樹皮を投入し、２．５％炭酸ナトリウム溶液を２００ｍｌ／分の速度で同時に投入（絶乾樹皮に対しアルカリ化合物１２．５％を投入）し、二軸式ニーダー本体温度１４０℃として処理を行った。
［洗浄処理］
　上記アルカリ混練処理物３０００ｇ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。
　得られた洗浄物は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。
　以降、実施例３に記載の方法で繊維長・繊維径を測定し、酵素糖化処理を行い、糖量を算出した。その結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２より、ニーダーによってアルカリ混練処理工程によって樹皮のアルカリ処理と微細化処理を同時に行った場合には、オートクレーブによるアルカリ処理とレファイナーによる微細化処理を逐次行った場合よりも、同量のアルカリ化合物水溶液に対して得られる糖量が増加することが判明した。
＜実施例６＞
［破砕処理］
　１０ｃｍスクリーンを通過した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）を用いて以下の条件で破砕した。
　一軸破砕機のホッパーに、絶乾質量で２５ｋｇ相当の樹皮を投入し、２０ｍｍの丸穴スクリーンを取り付けて運転を行った。
　この時の破砕に要した一軸破砕機の消費電力を、電力積算計を用いて計測した。
　なお、消費電力は、樹皮を破砕した時に計測された消費電力から、空転（樹皮を破砕せずに一軸破砕機を動作させることと定義）に要した消費電力を差し引いて求めた。
　樹皮破砕に要した消費電力は、５．３ｋＷｈ／ｔ－ＢＤであった。
［繊維長・アスペクト比測定］
　該破砕処理物を、光学顕微鏡で画像を撮影し画像データを画像処理・解析ソフトウェア（ナノシステム株式会社製ＮａｎｏＨｕｎｔｅｒ　ＮＳ２ｋ－Ｐｒｏ）にて二値化処理を行って形状を抽出し、形状特徴計測により、最大長及びアスペクト比を測定した。各繊維長の割合は、測定に用いた繊維全体の面積に対する各繊維長の繊維の面積の割合で示した。なお、繊維化されていない樹皮は、その繊維方向の最大長を繊維長とした。
　破砕処理物は高度に繊維化されており、画像解析によりアスペクト比を算出したところ、長径３ｍｍ以上で、かつアスペクト比１００以上の繊維の割合が０．８５であった。
［保水率の測定］
　該破砕処理物を１０５±３℃で恒量まで乾燥し、１００ｇの試料を採取し、１０００ｇの水に５分間浸漬した。５分後に全量を１ｍｍ穴スクリーン（１５０ｍｍ径、開孔面積率４．２％）でろ別して破砕処理物に保水された水の質量を求め、保水率（＝保水量（ｇ）／１００ｇ×１００）を算出した。
［アルカリ処理］
　絶乾１ｋｇ相当の上記破砕処理物を、１２．５％水酸化カルシウム溶液１Ｌと混和し、総容量が１０Ｌになるように水を添加した後、９０℃にて２０分間加熱処理することにより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アルカリ処理物とアルカリ液をろ別した。
　アルカリ添加量は、処理する破砕処理物の絶乾質量に対するアルカリ質量の比率として示した。
［洗浄処理］　
　前記ろ別したアルカリ処理物に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。得られた洗浄物は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。
［磨砕による微細化処理］　
　前記脱水した洗浄物を、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）を用いてクリアランス１ｍｍ、投入速度１００ｇ／分の条件で磨砕し、磨砕処理物を得た。
　電力積算計を用いて計測した磨砕処理に要したレファイナーの消費電力は、５０ｋＷｈ／ｔ－ＢＤであった。
［酵素糖化処理］
　絶乾１ｇ相当の上記磨砕処理物を、４５ｍｌの１００ｍＭ酢酸緩衝液（ｐＨ５．０）に投入した後、３ｍｌのセルラーゼ（ジェネンコア協和社製、Ｍｕｌｔｉｆｅｃｔ　ＣＸ１０Ｌ）を添加した。最終容量を５０ｍｌに調整し、５０℃、反応時間１８時間の酵素糖化処理を行った。
　酵素糖化処理後、得られた処理物を、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い、酵素処理物と酵素処理液をろ別した。さらに酵素処理物に１００ｍｌの水を加えて洗浄し、洗浄水は酵素処理液と混合し、容量を計測した後に、酵素処理液中に含まれる糖量をフェノール硫酸法により測定し、原料樹皮固形分１０００ｇあたりの糖量を算出した。その結果得られた糖量を表３に示す。
＜比較例３＞
　原料として、１０ｃｍスクリーンを通過したチップ状のユーカリ・グロブラスの木部を用いた以外は、すべて実施例６と同様に、破砕処理、アルカリ処理、洗浄処理、磨砕処理、酵素糖化処理を行った。
　実施例６と同様に、破砕処理の消費電力、画像解析によるアスペクト比、磨砕処理消費電力、原料１０００ｇから得られる糖量を求め、その結果を実施例６と比較して表３に表した。
＜実施例７＞
［破砕処理］
　１０ｃｍスクリーンを通過したチップ状のユーカリ・グロブラスの樹皮を、二軸破砕機（近畿工業製、ＲＲＣ－９３０Ｅ）を用いて以下の条件で破砕した。
　二軸破砕機のホッパーに、絶乾質量で２５ｋｇ相当の樹皮を投入し、２０ｍｍの丸穴スクリーンを取り付けて運転を行った。
　この時の破砕に要した二軸破砕機の消費電力を、電力積算計を用いて計測した。
　なお、消費電力は、樹皮を破砕した時に計測された消費電力から、空転（樹皮を破砕せずに一軸破砕機を動作させることと定義）に要した消費電力を差し引いて求めた。
　電力積算計を用いて計測した破砕処理に要した二軸破砕機の消費電力は、１３．５ｋＷｈ／ｔ－ＢＤであった。
　以下、実施例６と同様にして破砕処理物の保水率の測定、アルカリ処理、洗浄処理、磨砕処理、酵素糖化処理を行い、原料樹皮１０００ｇあたりの糖量を算出した。その結果得られた糖量を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３より、原料として木部を用いた場合、樹皮と比較して破砕処理及び磨砕処理において１２～２５倍程度の電力が必要であり、また、原料１０００ｇから得られる糖量も樹皮に比べて大きく下回った。
　また、木部を樹皮と同条件で破砕処理した処理物は、小塊状のものが多く含まれ繊維化されておらず、アスペクト比１００以上の粒子の割合が０．２であった。
　以下、アルカリ処理工程には水酸化カルシウム水溶液を用い、アルカリ処理後に樹皮とアルカリ液とを分離し、アルカリ液または該アルカリ液から再生した水酸化カルシウムを、アルカリ処理工程に戻すカルシウム循環工程を有する糖類製造方法について、実施例８～１０により詳述する。
＜実施例８＞
［破砕処理］
　１０ｃｍスクリーンを通過したチップ状のユーカリ・グロブラスの樹皮を、一軸破砕機（西邦機工製，ＳＣ－１５）を用いて以下の条件で破砕した。
　一軸破砕機のホッパーに、含水率３０．８質量％の樹皮２１７ｇ（絶乾質量で１５０ｇ相当）の樹皮を投入し、丸穴φ２０ｍｍのスクリーンを使用して運転を行った。
　この時の破砕に要した一軸破砕機の消費電力を、電力積算計を用いて計測した。
　なお、消費電力は樹皮を破砕するときに計測された消費電力から、空転（樹皮を破砕せずに一軸破砕機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。
　樹皮破砕に要した消費電力は、樹皮乾燥質量１ｔ当たり６．０ｋＷｈと計算された。
［アルカリ処理（１バッチ目）］
　上記の破砕樹皮に、水酸化カルシウム粉末を１８．８ｇ（対絶乾樹皮１２．５質量％）を加えて良く混合した後、１２８３ｇのイオン交換水を加えた。これも良く混合した後、９０℃にて４０分間保持してアルカリ処理を施した。
　処理後、４２０メッシュの濾布合成繊維メッシュを用いて、遠心分離機により、固形分であるアルカリ処理物と液分とを分離する濃縮処理を行った。
　アルカリ処理濃縮物（Ｗｅｔ）は５８６ｇで、水分は７３．２質量％であった。また、液の量は９３３ｇであった。
［酵素糖化処理（１バッチ目）］
　上記アルカリ処理物を、以下の反応液組成で、５０℃２０時間条件で１バッチ目の酵素糖化を行った（循環０回目）。
　生成した糖類をフェノール硫酸法により定量した。
　得られた糖収率（ｇ－全糖/ｇ－原料ＢＤ）の結果を表４に示す。
（反応液組成）
　４％樹皮（絶乾樹皮換算）
　４％セルラーゼ（「Ｍｕｌｔｉｆｅｃｔ　ＣＸ１０Ｌ」，ジェネンコア協和社製）
　１００ｍＭ酢酸緩衝液（ｐＨ５.０）
［循環工程］
　前記と同様に一軸破砕された樹皮２１７ｇに１３．５ｇ（対絶乾樹皮９質量％）の水酸化カルシウム粉末を加え、良く混合した。これに、前記１バッチ目で遠心分離された液９３３ｇの全量を加え、更にイオン交換水を３６２ｇ添加して、良く混合した後、９０℃にて４０分間保持して２バッチ目のアルカリ処理を施した。処理後、アルカリ処理物を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い、固形分であるアルカリ処理物と液分とを分離する濃縮処理を行った。アルカリ処理濃縮物（Ｗｅｔ）は５８９ｇで、水分は７２．８質量％であった。また、液の量は９３６ｇであった。
　以下は、アルカリ処理濃縮物を１バッチ目の酵素処理と同様の条件で、２バッチ目の酵素処理を行った。この時の糖収率も表４に記載した。
＜実施例９＞
［洗浄］
　実施例８の１バッチ目のアルカリ処理物と同様のものを作成し、これにイオン交換水４５７０ｇを加え、５分間攪拌後、４０メッシュの合成繊維メッシュを用いて、遠心分離機により、固形分であるアルカリ処理物と液分とを分離することで洗浄処理を行った。固形分である洗浄処理物（Ｗｅｔ）は５７９ｇであり、水分は７３．９質量％であった。排出液は４５８０ｇであった。
　洗浄処理後の樹皮を、１バッチ目の酵素処理と同様の条件で酵素処理を行った。これについても、糖収率を表４に記載した。
　また洗浄排出液について、炭酸ガスを吹き込み、沈殿物を得た。沈殿物を８５０℃で焼成して酸化カルシウムとし、更に消和して水酸化カルシウムを再生した。水酸化カルシウムは約８ｇ再生された。
＜実施例１０＞
　実施例８の１バッチ目のアルカリ処理濃縮物と同様のものを作成した。この処理物にイオン交換水９２１ｇを加え、レファイナー（熊谷理機工業製）を使用し、クリアランス０．５ｍｍ条件で磨砕処理した。
　上記磨砕物に、イオン交換水を３６５０ｇ加え、実施例９の洗浄処理と同様に洗浄処理を行い、酵素処理も同様に行った。糖収率は表４に記載した。
　また、この時の洗浄排出液について、実施例９と同様に水酸化カルシウムの再生を行った。この際には、水酸化カルシウムの再生量は約１１ｇであった。
　即ち、磨砕処理後に洗浄液からカルシウムを回収すると、カルシウムの収率が増加しており、このことは、樹皮中に存在するシュウ酸カルシウムの一部が洗浄液に混入するためと推定され、カルシウムの利用効率は更に向上していることが解る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　以上の実施例８から解るように、濃縮工程で排出する液を、アルカリ処理工程に使用することにより、２回目のバッチでは、水酸化カルシウムの使用量が１バッチ目より少なくても、同様のアルカリ処理効果を果たしており、水酸化カルシウム削減率は約２８％であった。また２バッチ目では新たな追加水は１バッチ目に比較して大幅に減少できた。
　洗浄の効果としては、理由は定かではないが、酵素処理時の糖化率の向上にも寄与している可能性があり、また、洗浄液からもカルシウムを回収する場合には、カルシウムの約８割が回収して使用できることになる。
　以下、本発明のエタノール製造方法について、実施例１１～２０により詳述する。
　なお、実施例１１～２０において、エタノール濃度はバイオセンサー（王子計測機器）で測定し、エタノール生産量を算出した。また、前処理、及び残渣処理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、消費電力は実際に原料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）要する消費電力を差し引いた電力を差し引いて求めた。
　また、実施例１１～２０において、酵母はサッカロマイセス・セレビシエ(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
　また、実施例１１～２０において、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）を用いた。
＜実施例１１＞　
　１０ｃｍスクリーンを通過した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原料とした。
　上記原料絶乾５００ｇを、１０％炭酸ナトリウム溶液１．３Ｌと混和し、総容量が５Ｌ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。
　前記磨砕処理物に再度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１Ｌで前培養後の酵母菌体、及び市販セルラーゼ２００ｍＬを添加し、３０℃、２４時間条件で糖化発酵処理（一次糖化発酵処理）し、糖化発酵液のエタノール濃度を測定して得られたエタノール量を算出した。以上の結果を表５に示す。
＜実施例１２＞　
　アルカリ処理後の処理物をクリアランス０．３ｍｍでレファイナー処理した他は、実施例１１と同様にして、エタノール生産量を算出した。以上の結果を表５に示す。
＜実施例１３＞　
　アルカリ処理後の処理物をクリアランス０．２ｍｍでレファイナー処理した他は、実施例１１と同様にして、エタノール生産量を算出した。以上の結果を表５に示す。
＜実施例１４＞
　アルカリ処理後の処理物をクリアランス０．１ｍｍでレファイナー処理した他は、実施例１１と同様にして、エタノール生産量を算出した。以上の結果を表５に示す。
＜実施例１５＞
　１０ｃｍスクリーンを通過した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原料とした。
　１０Ｌのステンレスバケツを用い、上記原料絶乾５００ｇ相当を、１０％炭酸ナトリウム溶液１．３Ｌと混和し、総容量が５Ｌ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。
　前記磨砕処理物に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（これを前処理物Ａとする）を得た。
　前処理物Ａを反応容器に入れ、水を加えて濃度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１Ｌで前培養後の酵母菌体及び市販セルラーゼ２００ｍＬを添加し、３０℃、２４時間条件で糖化発酵処理（第一糖化発酵処理）し、糖化発酵液のエタノール濃度を測定した。
　前記第一糖化発酵処理後、４２０メッシュのスクリーンにて固液分離して発酵残渣を得た。前記残渣を上記レファイナーによりクリアランス０．３ｍｍで処理し、空の反応容器に入れ、水を加えて濃度８％に調整し、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３５０ｍＬで前培養後の酵母菌体及び市販セルラーゼ７０ｍＬを添加して３０℃、２４時間条件で糖化発酵処理（第二糖化発酵）を行い、糖化発酵液のエタノール濃度を測定し、第一糖化発酵処理で得られたエタノール量との合計量を算出した。以上の結果を表５に示す。
＜実施例１６＞
　発酵残渣をクリアランス０．２ｍｍでレファイナー処理した他は、実施例１５と同様にして、エタノール生産量を算出した。以上の結果を表５に示す。
＜実施例１７＞
　発酵残渣をクリアランス０．１ｍｍでレファイナー処理した他は、実施例１５と同様にして、エタノール生産量を算出した。以上の結果を表５に示す。
＜実施例１８＞
　発酵残渣のレファイナー処理において、０．３ｍｍのクリアランスでの処理を行わず、そのまま第二糖化発酵させた以外は、実施例１５と同様にエタノール生産量を算出した。以上の結果を表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表５から、樹皮原料の酵素発酵工程後の残渣は、電力をほとんど使用することなく機械処理することが可能であり、機械処理後に再度糖化発酵処理することで、全体のエタノール収量が向上することが判明した。
　また、酵素糖化前の樹皮原料の機械処理は、レファイナーのクリアランスが小さいほど電力を消費し、０．１ｍｍでは８１６ｗｈ／ｇであったが、前処理繊維をクリアランス０．５ｍｍで処理し、発酵残渣をクリアランス０．１ｍｍで処理すれば電力量は合計２２４ｗｈ／ｇに抑えることができ、エタノール生産量も増加した。これは、発酵処理によって繊維が細片化するため電力量が削減でき、発酵残渣の機械処理によりセルロースが露出しエタノール収率が向上したためと考えられる。
＜実施例１９＞
　第一糖化工程終了までは、実施例１５と同様に行なった。
　第一糖化発酵処理後、４２０メッシュのスクリーンにて固液分離して発酵残渣を得た（これを発酵残渣Ｃという）。
　一方、再度、実施例１５と同様に第一糖化工程の前の前処理物Ａを得た。前処理物Ａと発酵残渣Ｃを反応容器に入れ、水を加えて濃度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１．３５Ｌで前培養後の酵母菌体及び市販セルラーゼ２７０ｍＬを添加し、３０℃、２４時間条件で糖化発酵処理（第一糖化発酵処理）し、糖化発酵液のエタノール濃度を測定した。
　以上の実施例１９結果を表６に示す。
＜実施例２０＞
　第一糖化工程終了までは、実施例１５と同様に行なった。
　第一糖化発酵処理後、４２０メッシュのスクリーンにて固液分離して発酵残渣を得た。この発酵残渣を上記レファイナーによりクリアランス０．３ｍｍで処理した（これを残渣処理物Ｂという）。
　一方、再度、実施例１５と同様に第一糖化工程の前の前処理物Ａを得た。前処理物Ａと残渣処理物Ｂを反応容器に入れ、水を加えて濃度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１．３５Ｌで前培養後の酵母菌体及び市販セルラーゼ２７０ｍＬを添加し、３０℃、２４時間条件で糖化発酵処理（第一糖化発酵処理）し、糖化発酵液のエタノール濃度を測定した。以上の実施例２０の結果を表６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
＜実施例２１＞
［破砕処理］
　１０ｃｍスクリーンを通過したチップ状のユーカリ・グロブラスの樹皮を、一軸破砕機（西邦機工製，ＳＣ－１５）を用いて以下の条件で破砕した。
　一軸破砕機のホッパーに、含水率３０．８質量％の樹皮７２３ｇ（絶乾質量で５００ｇ相当）の樹皮を投入し、丸穴φ２０ｍｍのスクリーンを使用して運転を行った。一軸破砕機で破砕された樹皮を１０Ｌのステンレスバケツに取った。
［アルカリ処理］
　上記の破砕樹皮に、水酸化カルシウム粉末を６２．５ｇ（対絶乾樹皮１２．５質量％）を加えて良く混合した後、総量が５Ｌとなるように水を加えた。これも良く混合した後、９０℃にて４０分間保持してアルカリ処理を施した。
　処理後、４０メッシュの合成繊維メッシュを用いて、遠心脱水により、固形分であるアルカリ処理物と液分とを分離する濃縮処理を行った。
　アルカリ処理濃縮物（Ｗｅｔ）は約１．９ｋｇで、水分は７３．２質量％であった。また、液の量は３．１ｋｇであった。この液をろ液（ａ）として保管した。
［磨砕処理］
　上記アルカリ処理濃縮物をレファイナー（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。
　前記磨砕処理物に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（これを前処理物（ｂ）とする）を得た。また、分離された液はろ液（ｃ）として保管した。
［糖化・発酵処理］
　前処理物（ｂ）を反応容器に入れ、水を加えて濃度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１Ｌで前培養後の酵母菌体及び市販セルラーゼ２００ｍＬを添加し、３０℃、２４時間条件で糖化発酵処理（第一糖化発酵処理）し、糖化発酵液のエタノール濃度を測定した。
　前記第一糖化発酵処理後、４２０メッシュのスクリーンにて固液分離して発酵残渣を得た。分離された液は蒸留工程で蒸留し、エタノールを得た。
　前記残渣を上記レファイナーによりクリアランス０．３ｍｍで処理し、空の反応容器に入れ、水を加えて濃度８％に調整し、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３５０ｍＬで前培養後の酵母菌体及び市販セルラーゼ７０ｍＬを添加して３０℃、２４時間条件で糖化発酵処理（第二糖化発酵）を行い、糖化発酵液のエタノール濃度を測定し、第一糖化発酵処理で得られたエタノール量との合計量を算出した。
　前記第二糖化発酵処理後、４２０メッシュのスクリーンにて固液分離して最終残渣を得た。分離された液は前記の蒸留工程に送り蒸留した。
［残渣およびろ液処理］
　蒸留工程でエタノールを分留した後に、固液分離し、液分は第一糖化発酵工程に戻し、固形分は最終残渣とともに焼成して酸化カルシウムを得た。
　一方、前記ろ液（ａ）（ｃ）には炭酸ガスを吹き込み、生成した沈殿を最終残渣とともに焼成した。得られた酸化カルシウムは約９２ｇであった。この量は、投入した水酸化カルシウムから想定される量よりはるかに多く、樹皮のシュウ酸カルシウムも大部分が酸化カルシウムとして回収されたと推定される。
樹皮原料をより少ないエネルギーで効率的に酵素糖化可能とし、さらにエタノールを製造する方法が提供されることによって、従来、木質系資源として工業的に未利用であった樹皮からバイオエタノールを製造することが可能である。

Claims (10)

  1. 　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。
  2. 　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、請求項１に記載の糖類を製造する方法。
  3. 　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と共に、ニーダー、二軸押出機、二軸ミキサーから選択される装置に供給してアルカリ処理と混練処理を同時に行うことにより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。
  4. 　樹皮原料を、アルカリ処理の前に、破砕機により破砕し、前記破砕処理された樹皮の保水率が２５０～２０００％であることを特徴とする、請求項１～３のいずれかに記載の糖類を製造する方法。
  5. 　樹皮原料を、アルカリ処理工程の前に、一軸破砕機を用いて破砕処理することを特徴とする、請求項１～３のいずれかに記載の糖類を製造する方法。
  6. 　前記アルカリ化合物が水酸化カルシウムであり、アルカリ処理後に樹皮とアルカリ液とを分離し、アルカリ液または該アルカリ液から再生した水酸化カルシウムを、アルカリ処理工程に戻すことを特徴とする、請求項１～５のいずれかに記載の糖類を製造する方法。
  7. 前記樹皮原料が、ユーカリ属に属する樹種であることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の糖類を製造する方法。
  8. 　請求項１～７のいずれかの記載の方法によって製造された糖類をエタノール発酵させる発酵工程を有することを特徴とする、エタノール製造方法。
  9. 　前記発酵工程から得られる残渣を機械的処理した後、さらに糖化し、発酵することを特徴とする、請求項８に記載のエタノール製造方法。
  10. 　請求項７の方法によって製造された糖類をエタノール発酵させる際に、発酵残渣から得られる無機分を焼成して酸化カルシウムとし、これを消和してアルカリ処理工程で使用することを特徴とする、エタノール製造方法。
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