JPS597439B2 - セルロ−ス性物質の前処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はセルロース性物質の前処理方法に関し、特にセ
ルロース性物質の生物学的分解性を向上させうるセルロ
ース性物質の前処理方法に関する。

セルロース性物質例えばわら類、バガス、故紙及び木屑
等にセルロース分解菌を作用させ、セルロース分解菌の
分泌するセルラーゼ、有機酸又はセルロース分解菌その
ものを増殖させて微生物蛋白を生産する場合、あるいは
セルロース性物質にセルラーゼを作用させてセルロース
をグルコースに変換し、次いで酵母又は細菌の作用によ
りアルコール及び有機酸等を生産する場合、該セルロー
ス性物質のセルロースはセルラーゼが作用し難い構造に
なっているため、これらの構造を破壊する前処理が必要
である。

すなわち、セルロース性物質のセルロースは、グルコー
スがβ−１，４結合で直鎖状に並んだホモポリマーであ
るが、この直鎖状ホモポリマー同志が互いに平行に配位
した構造すなわち結晶構造をとり、しかも難分解性のリ
グニンで覆われている。

ところで、セルロース分解菌が分泌するセルラーゼは、
結晶性セルロースを非結晶化するＣ１酵素、非結晶性セ
ルロースをセロビオースに分解するＣｘ酵素及びセロビ
オースをグルコースに分解するβ−グルコシクーゼから
構成される複合酵素である。

しかし、この酵素はリグニンを分解する能力がないため
、該セルロース性物質中のセルロースＣこ直接作用し難
い。

又、現在までに分離されているセルロース分解菌が分泌
するセルラーゼ、は、結晶性セルロースを非結晶化する
能力すなわちＣｉ活性が弱い。

したがって、既存のセルラーゼでは、該セルロース性物
質中のセルロースを分解し難いので、セルロース性物質
を生物学的に分解し、グルコース及び微生物蛋白等の有
用物質への変換率を高めるためには、リグニンの分解及
びセルロースの結晶構造破壊を行なう前処理が必要であ
る。

従来の前処理方法は、化学薬品を使用する化学処理と物
理的な力で該セルロース性物質の構造を破壊する物理処
理とに分けられる。

化学処理としては、水酸化ナトリウム等によるアルカリ
処理及びリン酸等による酸処理等があるが、水酸化ナト
リウム水溶液内にセルロース性物質を加えて煮沸する方
法が一般的である。

この方法は、リグニンを抽出除去すると共にセルロース
の結晶構造を膨潤させる作用を有するが、この方法では
、大量の水を消費し、しかもセルロース、ヘミセルロー
ス及び蛋白質等の有効成分を廃液中に溶解してしまう。

このような廃液中には難分解性のリグニン及びその分解
生成物を含むため、通常の活性汚泥法による処理が困難
である。

一方、物理処理としては、ボールミル及び振動ミル等に
よる微粉砕が一般的である。

この方法は、セルロース性物質を４００メッシュ程度く
微粉砕して直接セルロースの結晶構造を破壊するもので
あるが、その場合、セルロース性物質を十分に乾燥する
必要があることなどからその動力費が著しく大きくなる
欠点を有する。

このように、従来の前処理方法には欠点があるため、微
生物作用を用いたセルロース性物質の有効利用技術の実
用化を困難にしている。

本発明の目的は、セルロース性物質中のセルロースを、
セルロース分解菌の作用あるいはセルラーゼの作用によ
り生物学的に分解して微生物蛋白及びグルコース等の有
用物質に変換するに当り、セルラーゼが効率良く作用し
しかも従来の前処理方法の欠点を解消できるセルロース
性物質の前処理方法を提供することである。

本発明につき概説すれば、本発明のセルロース性物質の
前処理方法は、セルロース性物質を生物学的に分解する
に当り、予め脱リグニン処理を施すことなくセルロース
性物質にアルカリ金属又はアルカリ十類金属化合物のア
ルカリ性水溶液を含浸させ、次いでオゾンと接触させる
ことを特徴とするものである。

製紙工業における木材のパルプ化工程より排出される廃
液中の溶解性リグニンがオゾンにより分解されること（
昭和５０年度文部省特定研究、樋口隆昌、“オゾン及び
微生物処理による廃液リグニンの分解″：微生物による
環境浄化研究報告参照）及びセルロースの紫外線分解が
窒素雰囲気より空気雰囲気において行なう方が良好であ
ること（朝倉書店発行、大有機化学、天然高分子化合物
１編、第４２頁参照）が知られている。

これらの知見により、本発明者等は、セルロース性物質
のオゾン処理を前処理方法として利用する可能性につき
検討した。

まず、リグニン廃液処理と同様に予め脱リグニン処理を
施すことなくセルロース性物質を水に懸濁し、オゾンを
吹き込んでオゾン処理を試みたが、殆んど効果は得られ
なかった。

そこで、更にオゾン処理につき種々検討を重ねた結果、
予め脱リグニン処理を施すことなくセルロース性物質に
アルカリ金属又はアルカリ十類金属化合物のアルカリ性
水溶液特に水酸化ナトリウム水溶液を含浸させ、次いで
オゾンと接触、反応させることにより、セルロース性物
質の生物学的な分解性を向上させうることを見出して本
発明に到達したものである。

すなわち、本発明によれば、上記の処理により、セルロ
ース分解菌の資化性及びセルラーゼによる酵素分解性を
向上させることができる。

本発明において原料となるセルロース性物質としては、
稲わら、麦わら、バガス、及び木屑等を挙げることがで
き、これらは０．５〜１０ｍｍ，通常５〜１０ｍｒＩＬ
の長さに切断して使用する。

本発明におけるアルカリ金属又はアルカリ土類金属化合
物としては、水酸化ナトリウムが適しているが、この他
水酸化リチウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウ
ム及び重炭酸ナトリウム等を適用することができる。

これらの化合物はアルカリ性水溶液としてセルロース性
物質に含浸させるが、その際の濃度は、０．００５〜１
５重量％、望ましくは０．１〜１重量％とすることが適
当である。

この範囲以下では酵素分解性が不十分であり、又、この
範囲以上としても酵素分解性の格別の向上はみられない
。

オゾン反応量は、アルカリ性水溶液の濃度が１５重量％
以上となると急激に上昇するが、これはオゾンがアルカ
リにより分解されるためと考えられ、実質的に酵素分解
性は向上しない。

又、アルカリ性水溶液とセルロース性物質の混合割合は
、重量比で０．１〜１０、望ましくは１〜７の範囲内と
することが適当である。

混合重量比が１以下では酵素分解性が不十分であり、又
、７以上になると酵素分解性が低下し、特に１５以上で
２０になると著しく低下する。

これは、アルカリ性水溶液の混合重量比が大きくなるに
伴って水分量が増加するため、セルロース性物質同志が
付着してオゾンとの接触面積が悪くなり、又、オゾンが
水側に溶出した溶解リグニンと優先的に反応してしまう
ことによるものと考えられる。

又、上記の混合割合（重量比０．１〜１０）においては
、セルロース性物質はアルカリ性水溶液に浸漬された状
態ではなく、気固接触状態が維持できる。

この混合割合を更に大きくすると、セルロース性物質は
アルカリ性水溶液に浸漬された状態すなわち懸濁状態と
なり、上記した酵素分解性の低下が生じるものと考えら
れる。

本発明におけるオゾン処理の条件は、温度０〜１００℃
、オゾン濃度０．１〜２．ｏｇ７，，（程度とすること
が適当である。

本発明者等は、下記実験装置を用い、予め脱リグニン処
理を施すことなくアルカリ性水溶液を含浸させたセルロ
ース性物質のオゾン処理の諸条件を多角的に検討したの
で、次に、その装置及び操作の概要ならびに得られた実
験結果に基づき本発明を具体的に観明する。

第１図は実験に使用した装置の断面概略図であり、１は
オゾン処理槽、２は混合槽、３は撹拌羽根、４はアトマ
イザー、５はコンプレッサー、６はアルカリ性水溶′液
貯槽、７は移動層、８はオゾン発生装置、９はオゾン吹
き込み口、１０は排出フィーダー、１１は原料、１２は
空気、１３は排気を示す。

本装置は、混合槽２でアルカリ性水溶液をセルロース性
物質に含浸し、次いで、オゾン処理槽１内でオゾンと接
触させるものである。

原料１１のセルロース性物質は、混合槽２の入口付近で
アトマイザ−４よりアルカリ性水溶液が噴霧される。

アトマイザー４は、コンプレッサー５からの圧縮空気に
よりアルカリ性水溶液貯槽６から送られるアルカリ性水
溶液を噴霧している。

アルカリ性水溶液を噴霧含浸されたセルロース性物質は
、混合槽２内の撹拌羽根３により撹拌混合されてオゾン
処理槽１に送られ、その中に推積され、次いで、排出フ
イダー１０によりオゾン処理槽１の下部より抜き出され
る。

この間に、アルカリ性水溶液が含浸されたセルロース性
物質は徐々の下降する。

又、オゾン処理槽１の下部のオゾン吹き込み口９より、
オゾン発生装置８で作られたオゾン含有空気がオゾン処
理槽１の内部に吹き込まれる。

オ゛ゾン含有空気とアルカリ性水溶液を含浸されたセル
ロース性物質は向流接触し、セルロース性物質とオゾン
が反応し、オゾン含有ガスはオゾン処理槽１内で消費さ
れて系外へ排気される。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれ
らによりなんら限定されるものではない。

実施例 １ セルロース性物質として５〜１０ｍｍの長さに切断した
稲わらを用い、これにアルカリ性水溶液を含浸し、次い
でオゾン処理を行なったときのセルラーゼによる稲わら
セルロースの酵素分解性を調べた。

アルカリ物質として水酸化ナトリウム（以下ＮａＯＨと
略称する）を用い、濃度０．００１〜２０重量％の範囲
の各種水溶液を調製した。

各ＮａＯＨ水溶液と稲わらとを重量比１ ：１の割合で
混合し、ＮａＯＨ水溶液を稲わらに含浸させた。

オゾン反応槽１内に吹き込むオゾン濃度を１２ｇ７，（
と一定にし、反応温度を室温（２１±２℃）として処理
を行なった。

上記の各稲わらにつき、市販セルラーゼ（天野製薬社製
、Ｔｒ ｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｖｉｒ ｉｄｅ起源のも
の）による酵素分解性を測定した。

酵素分解性は次のように定義した。

セルラーゼの酵素活性１単位（ＩＵ：カルボキシメチル
セルロースを基質として、酵素溶液１１ｒＬｌが１分間
に１μモルのグルコースを生成するセルラーゼ量）が１
時間当りに生成するグルコース量（ヤ）とした。

測定に当っては、処理稲わら１００ｍｐ（乾燥重量）を
１／２０Ｍクエン酸緩衝液（ｐＨ４．８ ） ２ｙｄ及
び酵素液２ｒＩｌｌと混合し、温度５０℃で１時間振盪
した。

反応終了後、酵素を失活させ、生成還元糖量を測定した
。

又、比較のためオゾン処理をしない場合についても測定
を行なった。

得られた結果を第２図に示す。

すなわち、第２図はＮａＯＨ水溶液の濃度と酵素分解性
との関係を示したグラフであり、Ａは本実施例の場合、
Ｂはオゾン処理をしない場合を示す。

第２図のグラフから明らかなように、ＮａＯＨ水容液の
濃度がＯ％、すなわち、水のみを稲わらに含浸させてオ
ゾン処理をした場合の酵素分解性は、高々３．１■−グ
ルコース／Ｕ・時であった。

したがって、ＮａＯＨ水溶液の濃度が０．０ ０ ５重
量％以上で酵素分解性が向上している。

又、ＮａＯＨ水溶液の濃度が５重量％以上になると、単
にＮａＯＨ水溶液を含浸し、オゾン処理をしなくても、
稲わらの酵素分解性は向上するが、その程度はオゾン処
理をした場合に比してはるかに小さい。

実施例 ２ 実施例１と同様の処理を行ない、その場合における稲わ
らｌｋｇ（乾燥重量）当りのオゾン反応量を測定した。

オゾン反応量は、オゾン処理槽１の入口と出口のオゾン
濃度差、オゾン含有空気の通気量及び接触時間から算出
した。

得られた結果を第３図に示す。

すなわち、第３図はＮａＯＨ水溶液の濃度とオゾン反応
量との関係を示したグラフである。

第３図から明らかなように、オゾン反応量は、ＮａＯＨ
水溶液の濃度が１５重量％以上から急激に増加した。

前記第２図との関係から、ＮａＯＨ水溶液の濃度が１５
重量％以上からオゾン反応量は増加するが、酵素分解性
は殆んど増加していない。

したがって、この増加オゾン反応量はみかけの反応量で
あって、実質的には酵素分解性を向上させているのでは
なく、単にオゾンがアルカリにより分解しているものと
考えられる。

したがって、実施例１及び２の結果から判断して、効率
的かつ経済的なＮａＯＨ水溶液の濃度は、０．００５〜
１５重量％の範囲（ハ）であり、特に、０．１〜１重量
％の範囲内である。

実施例 ３ ＮａＯＨ水溶液の濃度を０．１、０．５及び１重量％と
し、稲わらとの混合割合と酵素分解性との関係を調べた
。

各ＮａＯＨ水溶液につき、混合割合（重量比）を０．１
〜２０の範囲として、オゾン処理を行なった。

オゾン処理の条件は実施例１と同じにした。得られた結
果を第４図に示す。

すなわち、第４図はＮａＯＨ水溶液と稲わらの混合割合
（重量比）と酵素分解性との関係を示したグラフであり
、Ｃ，Ｄ及びＥはそれぞれＮａＯＨ水溶液の濃度が０．
１、０．５及び１重量％の場合を示す。

第４図から明らかなように、各場合とも混合割合が０．
１以上で酵素分解性が向上し、特に混合割合が１〜７の
間が良好である。

しかし、その割合が７以上になると酵素分解性は低下し
、特にその割合が２０となると著しく低下した。

以上の結果から、ＮａＯＨ水溶液と稲わらの混合割合は
、重量比で０．１〜１０程度、望ましくは１〜７の間と
することが適当である。

実施例 ４ セルロース性物質として、バガス、木屑、新聞紙及びコ
ーンストーバーにつき、ＮａＯＨ水溶液を含浸してオゾ
ン処理を行ない、その酵素分解性を調べた。

処理条件は、ＮａＯＨ水溶液の濃度を０．１重量％とし
、ＮａＯＨ水溶液とセルロース性物質の混合重量比を１
とし、オゾン処理条件は実施例１と同じにした。

又、比較のため、水を含浸（水：セルロース性物質，１
：１）Ｌ，てオゾン処理した場合及び試料そのままでオ
ゾン処理をしない場合（無処理）についてもその酵素分
解性を調べた。

得られた結果を下記第１表に示す。

第１表において新聞紙は脱リグニン処理を施したセルロ
ース性物質であり、その酵素分解性は無処理の場合１．
６であって、予め脱リグニン処理を施さないバカス１．
２、木くず０．６、コーンストーバー１．０より高いが
、ＮａＯＨ水溶液含浸・オゾン処理の効果はこれらと対
比して著しく劣る。

実施例 ５ アルカリ金属又はアルカリ士類金属化合物として、水酸
化ナトリウムの他に、水酸化カリウム、水酸化リチウム
、重炭酸ナトリウム、水酸化カルシウム及び水酸化マグ
ネシウムを用いた場合の効果を調べた。

供試セルロース性物質は稲わらとした。

又、処理条件は、各アルカリ性水溶液の濃度を１．０％
とし、アルカリ性水溶液と稲わらとの混合重量比を１と
し、オゾン処理条件は実施例１と同じにした。

処理後、各稲わらにつき、実施例１と同様にして酵素分
解性を調べた。

得られた結果を下記第２表に示す。

第２表から明らかなように、水含浸・オゾン処理稲わら
の酵素分解性が３．０〜−グルコース／Ｕ・時程度であ
り、又無処理稲わらのそれが０． ９ ｍ９−グルコー
スンＵ時程度であることから、水酸化ナトリウム以外の
アルカリ金属又はアルカリ士類金属化合物を用いても酵
素分解性を向上させることができる。

応用例 ＮａＯＨ水堺液を含浸してオゾン処理した稲わらのセル
ロース分解菌による資化性、すなわち、セルロース分解
菌が、稲わらのセルロースを栄養源として利用しうるか
否かにつき検討した。

処理条件は、ＮａＯＨ水溶液の濃度０．１重量％、Ｎａ
ＯＨ水溶液と稲わらの混合重量比１とした。

又、供試セルロース分解菌としてＴｒ ｉｃｈｏｄｅｒ
ｍａｖｉｒｉｄｅ （アメリカン・タイプ・カルチェア
ー・コレ．クション（ ＡＴＣ’Ｃ ）４１ ３ ６
３ １ ）及びＣｅ Ｉ ｌｕｌｏｍｏｎａｓ ｆ ｌ
ａｖｉｇｅｎａ （ＡＴＣＣ ４４ ８ ４ ）を用
い′た。

培養に用いた培地組成は、塩化ナトリウム６．０ｇ／ｌ
１硫酸アンモニウムＬ０９／７３，リン酸一カリウム０
．５ｇ／７１， リン酸二カリウム０．５ｇ／ｌ，硫
酸マグネシウム０．２ｇ／７３，塩化カルシウム０．３
９／ｊＪ及び酵母エキスＬＯ９／ｌとした。

又、稲わらの濃度は１ ０ ｉ／ｌとした。

なお、それぞれの培養温度は３０℃とし、培養時間は１
０日とした。

セルロース分解菌の資化性の指標として、それぞれのセ
ルロース分解菌の生成蛋白量を求めた。

生成蛋白量は培養液中の全固形分中に含まれる蛋白量か
ら稲わら中に含まれる蛋白量を差引いた値とした。

得られた培養結果を下記第２表に示す。なお、比較のた
め、試料そのままでオゾン処理を行なわなかった場合（
無処理）の結果も併記した。

第３表から明らかなように、ＮａＯＨ水溶液含浸・オゾ
ン処理の場合には、セルロース分解菌の増殖量が増加し
、稲わらのセルロース分解菌による資化性を向上させる
ことができる。

以上説明したように、本発明にしたがって予め脱リグニ
ン処理を施すことなくセルロース性物質にアルカリ金属
又はアルカリ土類金属化合物のアルカリ性水溶液を含浸
し、次いでオゾンと接触させることにより、セルロース
性物質の生物学的な分解性、すなわち、セルラーゼによ
る酵素分解性及びセルロース分解菌の資化性を向上させ
ることができる。

特に、０．００５〜１５重量％の範囲の濃度の水酸化ナ
トリウム水溶液を、セルロース性物質に対して重量比で
０．１〜１０の割合で混合含浸させた後にオゾン処理を
行なう方法は、効果的かつ経済的である。

本発明のプロセスは簡単であり、しかも水の使用量が少
なく、又、廃水処理等の問題がない。

したがって、本発明は、セルロース性物質からのグルコ
ース及び微生物蛋白の生産のほか、セルロース性物質の
メタン発酵及び有機酸発酵等の微生物を用いてセルロー
ス性物質を有用物質に変換するプロセスの前処理方法と
して有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における実験に使用した装置の断面概略
図、第２図はＮａＯＨ水溶液の濃度と酵素分解性との関
係を示したグラフ、第３図はＮａＯＨ水溶液の濃度とオ
ゾン反応量との関係を示したグラフ、第４図はＮａＯＨ
水溶液と稲わらの混合割合と酵素分解性との関係を示し
たグラフである。 １・・・・・・オゾン処理槽、２・・・・・・混合槽、
３・・・・・・撹拌羽根、４・・・・・・アトマイザー
、５・・・・・・コンプレッサー、６・・・・・・アル
カリ性水溶液貯槽、７・・・・・・移動層、８・・・・
・・オゾン発生装置、９・・・・・・オゾン吹込口、１
０・・・・・・排出フィーダー、１１・・・・・・原料
、１２・・・・・・空気、１３・・・・・・排気。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セルロース性物質を生物学的に分解するに当り、予
   め脱リグニン処理を施すことなくセルロース性物質にア
   ルカリ金属又はアルカリ土類金属化合物のアルカリ性水
   溶液を含浸させ、次いでオゾンと接触させることを特徴
   とするセルロース性物質の前処理方法。 ２ アルカリ゛性水溶液とセルロース性物質の混合重量
   比が０．１〜１０である特許請求の範囲第１項記載のセ
   ルロース性物質の前処理方法。 ３ アルカリ性水溶液の濃度が０．００５〜１５重量％
   である特許請求の範囲第１項又は第２項記載のセルロー
   ス性物質の前処理方法。