JPWO2009034707A1 - セルロース系バイオマス原料の前処理方法 - Google Patents

Abstract

大型の装置を用いず、小さなエネルギーで、セルロース系バイオマス原料からのリグニンの解離、ヘミセルロースの低分子化、セルロースの結晶化度の低減ができるセルロース系バイオマス原料の前処理方法を提供する。所定の間隔を存して相対向して配置された１対の砥石２，３の間に、該セルロース系バイオマス原料と水とを連続して供給し、砥石２を固定し、砥石３を回転させて、該セルロース系バイオマス原料を摩砕する。摩砕される該セルロース系バイオマス原料の温度が５０〜１００℃の範囲となるように該水の供給量を制御する。前記水の供給量の制御は、摩砕される前記セルロース系バイオマス原料の温度を測定し、該温度によるフィードバック制御により行う。前記セルロース系バイオマス原料は、稲わらである。

Description

本発明は、エタノール製造に用いられるセルロース系バイオマス原料の前処理方法に関する。

従来、セルロース系バイオマス原料から得られたセルロースを酵素糖化によりグルコース等の糖に変換し、得られた糖を発酵させることによりエタノールを製造する技術が知られている。

ところが、前記セルロースは、繊維状のものが集合して結晶化し、さらに結晶化したものが集合してミクロフィブリルを形成しているため、酵素の作用を受けにくい構造を備えている。また、前記セルロースは、リグニン及びヘミセルロースと強固に結合し、細胞壁を形成しているため、そのままでは該セルロースに対する酵素糖化反応が阻害される。

そこで、酵素糖化のために前記セルロースに前処理を施し、前記リグニンを解離し、前記ヘミセルロースを低分子化すると共に、セルロースの結晶化度を低減することが必要とされる。前記前処理として、セルロース系バイオマス原料と水蒸気と水の混合物を急速な圧力の低下に曝す水蒸気爆砕が知られている。前記水蒸気爆砕では、前記セルロース系バイオマス原料を予め少量の苛性アルカリと混合してもよいとされている（例えば特許文献１参照）。

また、前記前処理として、セルロース系バイオマス原料を加圧熱水で処理する水熱処理が知られている（例えば特許文献２参照）。

しかしながら、前記従来の前処理は、いずれも高温高圧の水蒸気を用いるので、該水蒸気を得るために大きな熱エネルギーを必要とするという不都合がある。前記熱エネルギーは、熱交換器及び蓄熱装置を設ければ回収することができ、省エネルギーが可能となるが、装置システムの大型化が避けられない。
特表２００１−５１９４８６号公報 特開２００６−１３６２６３号公報 特許第３５５８６８７号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、大型の装置を用いることなく、小さなエネルギーで、セルロース系バイオマス原料からリグニンを解離し、ヘミセルロースを低分子化すると共に、セルロースの結晶化度を低減することができるセルロース系バイオマス原料の前処理方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明のセルロース系バイオマス原料の前処理方法は、エタノールを製造するために、セルロース系バイオマス原料から得られたセルロースを酵素により糖化するときに、該セルロース系バイオマス原料を前処理する方法において、所定の間隔を存して相対向して配置された１対の砥石の間に、該セルロース系バイオマス原料と水とを連続して供給し、該砥石の一方を固定し、他方を回転させて、該セルロース系バイオマス原料を摩砕すると共に、摩砕される該セルロース系バイオマス原料の温度が５０〜１００℃の範囲となるように該水の供給量を制御することを特徴とする。

本発明の方法では、まず、セルロース系バイオマス原料を、所定量の水と共に、所定の間隔を存して相対向して配置された１対の砥石の間に連続的に供給する。そして、前記砥石の一方を固定した状態とし、他方を回転させる。

このようにすると、前記セルロース系バイオマス原料と水とが、前記１対の砥石間を通過する際に、前記砥石により摩砕されると同時に、該摩砕により発生するジュール熱により加熱される。前記加熱によれば、前記セルロース系バイオマス原料が焦げ付くことが懸念されるが、該セルロース系バイオマス原料は、前記所定量の水と共に前記１対の砥石間に供給されるので、前記焦げ付きを防止することができる。

このとき、本発明の方法では、前記加熱により、摩砕される該セルロース系バイオマス原料の温度が５０〜１００℃の範囲となるように前記水の供給量を制御する。

摩砕される該セルロース系バイオマス原料の温度が前記範囲になるようにすると、前記加熱により、まず、前記リグニンが軟化される。前記リグニンは、前記摩砕のみによってもある程度解離させることができるが、前記加熱により軟化されたリグニンが前記摩砕を受けることにより、前記解離を容易に行うことができる。

また、前記加熱により、前記セルロース系バイオマス原料とともに供給される水と、該セルロース系バイオマス原料に含有されている水とが、沸騰せしめられる。前記水は沸騰により相変化を起こすので、該相変化により前記セルロース系バイオマス原料が膨張せしめられる。前記セルロース系バイオマス原料は、前記のように膨張せしめられた状態で、前記摩砕に供されることにより、容易に粉砕され、前記ヘミセルロースが除去されると共に、得られたセルロースの結晶化度が低減される。

この結果、本発明の方法によれば、大型の装置を用いることなく、小さなエネルギーで、前記セルロース系バイオマス原料からリグニンを解離し、ヘミセルロースを低分子化すると共に、セルロースの結晶化度を低減することができ、後工程の酵素糖化において、優れた糖化効率を得ることができる。

前記セルロース系バイオマス原料の温度が５０℃未満であるときには、前記リグニンの解離、前記ヘミセルロースの低分子化、前記セルロースの結晶化度の低減がいずれも不十分になり、また水分の過多により相対的に基質濃度が低下するため、後工程の酵素糖化において、十分な糖化効率を得ることができない。

一方、大気圧下における水の沸点は１００℃であるため、前記セルロース系バイオマス原料の温度を１００℃を超えるものとすることは難しい。

また、前記セルロース系バイオマス原料の温度を５０〜１００℃の範囲に維持することで、その熱量を後工程の酵素糖化に利用することができ、該酵素糖化工程で再度加熱する必要がない。

本発明の方法では、前記水の供給量の制御は、例えば、摩砕される前記セルロース系バイオマス原料の温度を測定し、該温度によるフィードバック制御により行うことができる。但し、前記水の供給量の制御は、前記セルロース系バイオマス原料の温度によるフィードフォワード制御により行ってもよい。

本発明の方法において、前記セルロース系バイオマス原料としては、例えば稲わらを用いることができる。前記セルロース系バイオマス原料として、前記稲わらを用いる場合、該稲わらには微生物が存在しており、該微生物は糖分を基質として消化するので、後工程の酵素糖化において得られた糖分が減少し、エタノールの収量が低減することが懸念される。しかし、本発明の方法では、前記加熱により前記微生物を死滅させることができるので、前記セルロース系バイオマス原料として、前記稲わらを用いる場合にも前記糖分の減少を防止することができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の前処理方法を示す説明的断面図であり、図２は本実施形態の前処理方法により得られたセルロースを後工程の酵素糖化に供したときの糖化効率を示すグラフである。

本実施形態の方法は、例えば、稲わら等のセルロース系バイオマス原料から得られたセルロースを酵素により糖化してエタノールを製造するときに、該稲わらの前処理を行うものである。

本実施形態の方法では、加水率６〜１０重量％の自然乾燥稲わらをカッターミルで粉砕し、直径３ｍｍのスクリーンフィルターを通過させた稲わらチップをセルロース系バイオマス原料とし、まず、該稲わらチップを所定量の水と共に、図１に示す摩砕装置１に連続して供給する。

図１に示す摩砕装置１は、上下方向に相対向して配置された１対の円盤状砥石２，３を備え、上側の砥石２が固定される一方、下側の砥石３が図示しない回転駆動手段により回転するようになっている。

上側の砥石２は、内部に上方ほど小径になる円錐壁部４を備え、円錐壁部４は上部で円筒状壁部５に連通している。さらに、円筒状壁部５は、上部で原料ホッパー６に連通しており、原料ホッパー６の側壁には給水口７が接続されている。下側の砥石３は、内部の円錐壁部４に対向する部分に、下方ほど小径になる円錐壁部８を備え、円錐壁部８は最下方で底面９に連接している。

そして、摩砕装置１では、砥石２，３の円錐壁部４，８に挟まれる部分に空間部１０が形成されており、砥石２，３は、それぞれ空間部１０の外周側に、摩砕面２ａ，３ａを備えている。摩砕面２ａ，３ａは、所定のクリアランスｔを存して相対向しており、面上に粒度の粗さ番４６＃の砥粒（図示せず）を備えている。

前記構成を備える摩砕装置１としては、例えば、増幸産業株式会社製スーパーグラインデル（商品名）を用いることができる（特許文献３参照）。

前記摩砕装置１では、砥石３を回転させながら、原料ホッパー６から前記稲わらチップが連続して供給されると共に、図示しない給水ポンプから給水口７を介して所定量の水が連続して供給される。摩砕装置１に供給された前記稲わらチップ及び水は、空間部１０から摩砕面２ａ，３ａ間のクリアランスに流出し、摩砕面２ａ，３ａに備えられた砥粒により摩砕され、摩砕面２ａ，３ａの外周側に排出される。

摩砕面２ａ，３ａ間のクリアランスｔは適正な範囲に設定されており、前記稲わらチップの摩砕に伴って発生するジュール熱により、該稲わらチップと水とが加熱される。このとき、前記加熱により前記稲わらチップが焦げ付いたり、該稲わらチップの表層部に多く含まれる酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）により摩砕面２ａ，３ａが損傷を受けることが懸念される。しかし、前記稲わらチップは、前述のように所定量の水と共に摩砕装置１に供給されるので、前記焦げ付きや、摩砕面２ａ，３ａの損傷を防止することができる。

本実施形態では、摩砕される前記稲わらチップが、前記ジュール熱による加熱により、５０〜１００℃の範囲の温度となるように、前記給水ポンプによる水の供給量を制御する。前記水の供給量は、例えば、摩砕面２ａ，３ａの外周側に温度センサ（図示せず）を備え、摩砕装置１から排出される摩砕された稲わらチップの温度を検出し、検出された温度に従ってフィードバック制御することができる。

また、前記水の供給量は、前記温度センサにより検出される温度を用いてフィードフォワード制御するようにしてもよい。前記フィードフォワード制御によれば、セルロース系バイオマス原料の種類（本実施形態では稲わらチップ）、粒度が固定されており、砥石３の回転数、摩砕面２ａ，３ａ間のクリアランスｔを設定すれば、定常的なセルロース系バイオマス原料の供給量に対して給水量を設定することにより、摩砕された稲わらチップの温度がほぼ決定される。従って、前記セルロース系バイオマス原料の種類、粒度、砥石３の回転数、摩砕面２ａ，３ａ間のクリアランスｔ、定常的なセルロース系バイオマス原料の供給量、給水量のデータをテーブルデータとしてまとめて初期値を設定することにより、前記給水量の変動を低減することができ、給水ポンプの動力を低減することができる。

摩砕される前記稲わらチップの温度が５０〜１００℃の範囲になるようにすると、前記加熱により、まず、該稲わらチップのセルロースに強固に結合しているリグニンが軟化される。前記リグニンは、前記摩砕のみによってもある程度解離させることができるが、前記加熱により軟化されたリグニンが前記摩砕を受けることにより、前記セルロースから容易に解離させることができる。

また、前記加熱により、前記給水ポンプから供給される水と、前記稲わらチップに含有されている水とが、沸騰せしめられる。前記稲わらチップは、前記水が沸騰により相変化を起こすことにより膨張せしめられ、膨張状態で前記摩砕に供されることにより、容易に粉砕される。この結果、前記稲わらチップのセルロースの細胞壁を形成しているヘミセルロースが除去されると共に、該稲わらチップのセルロースの結晶化度が低くなる。

また、前記稲わらチップ中には微生物が存在しているが、前記加熱によれば該微生物を死滅させることができる。この結果、後工程の酵素糖化で糖分が生成したときに、該糖分が前記微生物の基質として消化されることがなく、該糖分の減少を防止することができる。

前記摩砕される稲わらチップの温度が５０℃未満であるときには、前記リグニンの解離、前記ヘミセルロースの低分子化、前記セルロースの結晶化度の低減がいずれも不十分になり、また水分の過多により相対的に基質濃度が低下するため、後工程の酵素糖化において、十分な糖化効率を得ることができない。

一方、大気圧下における水の沸点は１００℃であるため、前記水の供給量により、前記稲わらチップの温度を１００℃を超えるものとすることは難しい。

また、前記摩砕される稻わらチップの温度を５０〜１００℃の範囲に維持することで、その熱量を後工程の酵素糖化に利用することができ、該酵素糖化工程で再度加熱する必要がない。

次に、摩砕装置１において前記給水ポンプによる給水量を変量して、摩砕される稲わらチップの温度を変え、それぞれの温度で得られたセルロースを酵素で糖化したときの糖化率を測定した。摩砕される稲わらチップの温度は、３２℃（比較例１）、４５℃（比較例２）、５５℃（実施例１）、６０℃（実施例２）、８４℃（実施例３）、１００℃（実施例４）とした。

前記酵素による糖化は、前記稲わらチップを摩砕装置１で摩砕して得られたセルロースの水溶液（基質濃度５重量％）に、酵素として市販のセルラーゼ（ジェネンコア協和株式会社製、商品名：ＧＣ２２０）を酵素濃度０．５重量％となるように加え、ｐＨを４．０とし、５０℃で４８時間振盪攪拌することにより行った。糖化率は、稲わらチップの固形分析により得られたαセルロース量に対する、前記酵素による糖化により得られたグルコース量の割合として求めた。

一方、参考例として、従来の水熱処理法に従って、前記稲わらチップを１８０℃、１ＭＰａの水蒸気で３０分処理して得られたセルロースを前記各実施例及び各比較例と全く同一にして前記酵素により糖化し、糖化率を測定した。

前記各実施例及び各比較例の糖化率を、前記参考例の糖化率を１とする糖化効率として、図２に示す。図２から、摩砕される稲わらチップの温度が、５０〜１００℃の範囲である実施例１〜４では、糖化効率が参考例とほぼ同等であることが明らかである。一方、３２〜４５℃の範囲である比較例１〜２では、糖化効率が参考例より低く、従来の水熱処理法に及ばないことが明らかである。

本発明の前処理方法の一実施形態を示す説明的断面図。 本発明の前処理方法により得られたセルロースを後工程の酵素糖化に供したときの糖化効率を示すグラフ。

符号の説明

１…摩砕装置、 ２，３…砥石。

Claims (3)

1. エタノールを製造するために、セルロース系バイオマス原料から得られたセルロースを酵素により糖化するときに、該セルロース系バイオマス原料を前処理する方法において、
   所定の間隔を存して相対向して配置された１対の砥石の間に、該セルロース系バイオマス原料と水とを連続して供給し、該砥石の一方を固定し、他方を回転させて、該セルロース系バイオマス原料を摩砕すると共に、
   摩砕される該セルロース系バイオマス原料の温度が５０〜１００℃の範囲となるように該水の供給量を制御することを特徴とするセルロース系バイオマス原料の前処理方法。
2. 前記水の供給量の制御は、摩砕される前記セルロース系バイオマス原料の温度を測定し、該温度によるフィードバック制御により行うことを特徴とする請求項１記載のセルロース系バイオマス原料の前処理方法。
3. 前記セルロース系バイオマス原料は、稲わらであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセルロース系バイオマス原料の前処理方法。

Images