(57)【要約】【課題】紙をより短時間で糖に再資源化することができる再資源化装置を提供する。【解決手段】紙のセルロース繊維を長さ方向で細かく切断して１本のセルロース繊維を複数の繊維断片にするように紙を粉砕する粉砕手段たる粉砕機９と、粉砕機９による紙の粉砕物、溶媒、及びセルラーゼの混合物を貯留する混合貯留槽７と、混合貯留槽７内で前記混合物を撹拌することで、粉砕物中のセルロースの加水分解を促して糖を得る撹拌手段（粉砕機９）とを設けた。これにより、従来の離解機などに比べて、紙のセルロース繊維をより細かく切断して紙をより短時間で糖化させるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルプを原料とする紙を糖に再資源化する再資源化装置であって、
紙のセルロース繊維を長さ方向で細かく切断して１本のセルロース繊維を複数の繊維断片にするように紙を粉砕する粉砕手段と、前記粉砕手段による紙の粉砕物、溶媒、及びセルラーゼの混合物を貯留する混合貯留手段と、前記混合貯留手段内で前記混合物を撹拌することで、前記粉砕物中のセルロースの加水分解を促して糖を得る撹拌手段と、前記混合貯留手段に対してセルラーゼとして、少なくともエンドグルカナーゼ、エキソグルカナーゼ、及びβ−グルコシダーゼを供給するセルラーゼ供給手段とを備えることを特徴とする再資源化装置。
【請求項２】
請求項１の再資源化装置において、
前記紙が、セルロースを主成分とする感熱紙、並びに、オフセット印刷、インクジェット印刷、湿式電子写真方式、乾式電子写真方式、グラビア印刷及び熱転写印刷に用いられる塗工紙、のうち、少なくとも何れか１つであることを特徴とする再資源化装置。
【請求項３】
請求項１又は２の再資源化装置において、
前記撹拌手段による撹拌処理に得られたスラリーを、固形物と、糖含有液体とに固液分離する固液分離手段を設けたことを特徴とする再資源化装置。
【請求項４】
請求項３の再資源化装置において、
前記糖含有液体と、微生物とを混合して前記糖含有液体中の糖をアルコールに発酵させる発酵手段を設けたことを特徴とする再資源化装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかの再資源化装置において、
前記セルラーゼ供給手段として、セルラーゼを定量的に供給するものを用いたことを特徴とする再資源化装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかの再資源化装置において、
前記混合貯留手段にキシランを単糖類や二糖類に分解するためのキシラン分解酵素を定量的に投入するキシラン分解酵素投入手段を設けたことを特徴とする再資源化装置。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかの再資源化装置において、
前記混合貯留手段の中で紙を粉砕するように、前記粉砕手段を構成したことを特徴とする再資源化装置。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかの再資源化装置において、
前記粉砕機として、回転刃の回転によって紙を粉砕するものを用いたことを特徴とする再資源化装置。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れかの再資源化装置において、
前記混合貯留手段内の前記混合物を加熱する加熱手段と、前記混合貯留手段内の前記混合物の温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段による検知結果に基づいて前記加熱手段による加熱の入切を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする再資源化装置。
【請求項１０】
パルプを原料とする紙を糖に再資源化する再資源化方法であって、
紙のセルロース繊維を長さ方向で細かく切断して１本のセルロース繊維を複数の繊維断片にするように紙を粉砕する粉砕工程と、前記粉砕工程によって得られた紙の粉砕物、溶媒、及びセルラーゼの混合物を混合貯留手段内に貯留する貯留工程と、前記混合貯留手段内で前記混合物を撹拌することで、前記粉砕物中のセルロースの加水分解を促して糖を得る撹拌工程と、前記混合貯留手段に対し、前記セルラーゼとして、少なくともエンドグルカナーゼ、エキソグルカナーゼ、及びβ−グルコシダーゼを供給する供給工程とを実施することを特徴とする再資源化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルプを原料とする紙を再資源化する再資源化装置及び再資源化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の再資源化装置として、特許文献１に記載の糖化システムが知られている。この糖化システムは、紙を水と混合しながら紙のセルロース繊維を離解機によって離解して解繊パルプを得る。そして、酵素の一種であるセルラーゼを解繊パルプとともに混合撹拌して、セルロース繊維中のセルロース分子を加水分解によって糖化させる。かかる糖化システムによれば、古紙をグルコースなどの糖に再資源化することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明者らは、特許文献１に記載の糖化システムと同様のシステムを試作して、紙を糖に再資源化する実験を行った。すると、解繊パルプを２４時間以上もセルラーゼと混合撹拌しないと、セルロース繊維を余すことなく糖化させることができなかった。
【０００４】
そこで、本発明者らは、解繊パルプ中のセルロース繊維の糖化に長時間を要してしまう原因を調べるために鋭意研究を行ったところ、次のようなことがわかってきた。即ち、紙を構成している段階や、解繊パルプを構成している段階のセルロース繊維は、数十本のセルロース分子の束からなる直径４［ｎｍ］ほどのセルロースミクロフィブリルが数千本ねじれて結束した直径４０［μｍ］程度、長さ４［ｍｍ］程度の繊維である。紙の中では、このようなセルロース繊維が複雑に絡み合った状態になっている。再生紙製造などで用いられる離解機は、複雑に絡み合っている複数のセルロース繊維をほぐすものである。離解機によって得られた解繊パルプと混合されたセルラーゼは、束になっている無数のセルロース分子のうち、最表面に位置しているセルロース分子だけにしか接触しない。最表面のセルロース分子が加水分解によって水に溶解してその下に存在していたセルロース分子が新たに表面に露出することで、セルラーゼによる新たなセルロース分子の加水分解が開始される。このように、セルラーゼによるセルロース分子の加水分解は、繊維の表面側から内側に向けて順に行われることから、ほぼ全てのセルロース分子が加水分解されるまでに長時間を要してしまうのである。
【０００５】
本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、紙をより短時間で糖に再資源化することができる再資源化装置及び再資源化方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、パルプを原料とする紙を糖に再資源化する再資源化装置であって、紙のセルロース繊維を長さ方向で細かく切断して１本のセルロース繊維を複数の繊維断片にするように紙を粉砕する粉砕手段と、前記粉砕手段による紙の粉砕物、溶媒、及びセルラーゼの混合物を貯留する混合貯留手段と、前記混合貯留手段内で前記混合物を撹拌することで、前記粉砕物中のセルロースの加水分解を促して糖を得る撹拌手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明は、パルプを原料とする紙を糖に再資源化する再資源化方法であって、紙のセルロース繊維を長さ方向で細かく切断して１本のセルロース繊維を複数の繊維断片にするように紙を粉砕する粉砕工程と、前記粉砕工程によって得られた紙の粉砕物、溶媒、及びセルラーゼの混合物を混合貯留手段内に貯留する貯留工程と、前記混合貯留手段内で前記混合物を撹拌することで、前記粉砕物中のセルロースの加水分解を促して糖を得る撹拌工程とを実施することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明においては、長さ４［ｍｍ］ほどのセルロース繊維を複数の繊維断片に切断するように紙を粉砕して、複数の繊維横断面を新たに発生させる。これにより、水などの溶媒中における繊維の表面積を従来よりも増加させてより多くのセルロース分子に対してセルラーゼを同時に接触させる。これにより、溶媒中で加水分解が並行して行われるセルロース分子の数を増加させることで、セルロース繊維中にセルロース分子をほぼ余すことなく糖化させるまでに要する時間を短縮して、紙をより短時間で糖に再資源化することができる。特に、パルプ表面に機能層を有する感熱紙や、オフセット印刷、インクジェット印刷、湿式電子写真方式、乾式電子写真方式、グラビア印刷、熱転写印刷等に用いられる印刷用塗工紙の再資源化に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る再資源化装置の概要を説明するためのブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を適用した再資源化装置の一実施形態について説明する。
図１は、実施形態に係る再資源化装置の概要を説明するためのブロック図である。実施形態に係る再資源化装置は、細断機１、紙片貯留ホッパー２、水タンク３、水供給ポンプ４、酵素タンク５、酵素供給ポンプ６、混合貯留槽７、ヒーター８、粉砕機９、第１遠心分離機１０などを備えている。また、発酵液移送ポンプ１１、焼却炉１２、培養槽１３、第２遠心分離機１４、蒸留装置１５なども備えている。
【００１０】
実施形態に係る再資源化装置は、古紙を糖やエタノールに再資源化するものであるが、古紙の中でも特に、使用済み、あるいは、製造工程で損紙となった古感熱紙を再資源化するものである。微粒状の塩基性無色染料、呈色剤、増感剤、無機顔料等を含む感熱層や、表面保護のために設けられている樹脂層などが原紙の表面上に積層された感熱紙は、次のような特徴がある。即ち、インクやトナーなどの画像形成物質を使用することなく画像を記録することができるという利点を有する反面、再利用が困難であるという欠点を有するという特徴である。具体的には、財団法人  古紙再生促進センターによって規定された標準品質規格では、感熱紙は禁忌品Ｂ類に分類されており、製紙原料に混入することが好ましくない紙とされている。従来から公知の再資源化手法で感熱紙を酵素加水分解しようとすると、前述した感熱層や樹脂層によってセルロース繊維の膨潤が阻害されるために短時間で解繊することができず、糖化反応が進行し難いという不具合があった。また、各種の印刷方式に用いられる塗工紙においても同様の不具合があった。このため、特に使用済みの感熱紙は、再生紙の製造のために再利用されることなく、焼却処分されるのが一般的であり、再資源化されることが殆ど無かった。このような感熱紙を糖やエタノールに再資源化することで、従来では無駄消費されていたエネルギーを有効に利用することが可能になる。
【００１１】
実施形態に係る再資源化装置が再資源化の対象とする感熱紙としては、ファクシミリ、プリンター、ラベル印刷機などに対し、商業用、事務用、家庭用等などの広範囲の用途で記録媒体として供された使用済みのものを例示することができる。また、製紙工程で発生する半製品や製品の損紙でもよい。なお、使用される前の状態の感熱紙は、例えば、特開平０３‐１８０５９５号公報に記載されたものである。あるいは、「高速印字対応・高耐候性サーマルペーパー  リコーサーマルペーパータイプ150LHB  Ricoh Technical Report No.30  P.171  2004」に記載されたものである。以下、使用済み、あるいは、損紙、となった感熱紙を、古感熱紙という。
【００１２】
実施形態に係る再資源化装置は、古感熱紙を溶媒中で粉砕して酵素と混合しながら、紙のセルロース繊維を糖に加水分解する。溶媒は、水性溶媒であることが好ましく、中でも、酢酸緩衝液等の緩衝液やイオン交換水が好適である。実施形態に係る再資源化装置では、水を用いているが、必要に応じて、酸や塩基を混ぜてｐＨを調整してもよい。水性溶媒の至適ｐＨは、ｐＨ４〜８である。水性溶媒のｐＨを、後述する酵素の至適ｐＨに合わせることで、酵素の活性化を促進して糖化反応速度が高めることで、糖化のための処理時間の短縮化を図ることができる。
【００１３】
古感熱紙の原紙層の主成分はセルロース繊維である。セルロース繊維のセルロース分子は、セルラーゼによって加水分解されて、セロデキストリン、セロビオース、グルコースなどを生成する。セルラーゼは、エンドグルカナーゼと、エキソグルカナーゼと、βグリコシダーゼとに大別される。エンドグルカナーゼは、セルロース高分子の1,4β−グリコシド結合を内部から切断してグルコースオリゴマー（オリゴ糖類）を生成する酵素である。また、エキソグルカナーゼは、セルロース高分子の還元性末端からセルロースを断片化してセルロース短繊維を得る酵素である。また、β−グルコシダーゼは、β−グリコシド結合を具備する糖鎖のβ−グリコシド結合を切断する酵素である。セルラーゼ繊維の加水分解では、β−グルコシダーゼがセロビオースを加水分解してグルコース２分子にする。セルロース繊維を加水分解するための酵素を貯留する酵素タンク５には、少なくとも、これら３種類の酵素を具備するセルラーゼが収容されている。
【００１４】
実施形態に係る再資源化装置で用いられるセルラーゼは、どのような微生物によって生成されたものでもよい。セルラーゼを生成する微生物としては、Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ属、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ属、Ｉｒｐｅｘ属、Ａｅｒｏｍｏｎａｓ属、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属、Ｂａｃｉｌｌｕｓ属、Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ属などを例示することができる。また、Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍ属、Ｈｕｍｉｃｏｌａ属などを例示することもできる。更には、それらの遺伝子組み換えによって得られた微生物を例示することもできる。一般に市販されている産業用途のセルラーゼ製剤を使用してもよいし、微生物の培養液のろ過液（セルラーゼが含まれる）を使用してもよい。
【００１５】
市販のセルラーゼ製剤の中では、Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ属、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ属由来のものはセルロース分解力が高く糖化反応速度を高めることができるので好ましい。例えば、反応溶液がｐＨ４〜５の酸性領域において、Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ属、Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ属、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ属、Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔｅ属、Ｔｒａｍｅｔｅｓ属などに由来するセルラーゼ製剤を使用することができる。また、ｐＨ６〜７の中性領域では、Ｈｕｍｉｃｏｌａ属などに由来するセルラーゼ製剤を使用することができる。また、ｐＨ８以上のアルカリ領域では、Ｂａｃｉｌｌｕｓ属などに由来するセルラーゼ製剤を使用することができる。
【００１６】
古感熱紙の原紙の種類によっては、セルロース繊維の他に、キシランなどのデキストリンを含有していることがある。このため、酵素タンク５内に貯留する酵素として、セルラーゼに加えて、キシラン分解酵素、マンナン分解酵素、ペクチン分解酵素、アラビナン分解酵素などを混入させることが望ましい。特に、感熱紙のような一般の塗工紙の支持体として用いる原紙パルプ中には、広葉樹に由来する材料を多く含む。このため、キシラナーゼ、キシロシダーゼなどのキシラン分解酵素を混ぜることが好ましく、針葉樹に由来する材料を多く含む場合には、マンナナーゼなどのマンナン分解酵素を混ぜることが好ましい。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）、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）、マルティフェクトＣＸ１０Ｌ（ジェネンコア社製）、ノボザイム１８８（ノボザイム社製）等を例示することができる。また、セルクラスト（ノボザイムズ（株）製）、セルラーゼアマノＡ （天野エンザイム（株）製）、セルラーゼアマノＴ（天野エンザイム（株）製）、セルラーゼダイワ（大和化成（株）製）、セルライザー（ナガセ生化学工業（株）製）等も例示することができる。また、ドリセラーゼ（協和発酵（株）製）、セルロシン（阪急バイオインダストリー（株）製）等も例示することができる。
【００１７】
古感熱紙は、作業者によって細断機１に投入される。細断機１は、周知のシュレッダーのように、古感熱紙を１平方センチメートル以下の小さな古感熱紙片（以下、古紙片という）に細断するものである。古感熱紙を古紙片の状態で混合貯留槽７に投入することで、後述する粉砕機９による紙の粉砕を行い易くすることができる。細断によって得られた古紙片は、自重により、細断機１の下方に配設された紙片貯留ホッパー２に貯留される。紙片貯留ホッパー２は、図示しない底シャッターを開くことで、内部に貯留している紙片を重力によって混合貯留槽７内に投入する。
【００１８】
水供給ポンプ４は、水タンク３内に貯留されている水性溶媒を吸引しながら、混合貯留槽７内に定量的に吐出する。また、酵素供給ポンプは、粉体を吸引しながら定量的に吐出することが可能なモーノポンプ等からなり、酵素タンク５内に貯留されている酵素粉末を混合貯留槽７内に定量的に送り込む。
【００１９】
図示しない制御部は、紙片貯留ホッパー２の底シャッターを所定時間だけ開くことで、混合貯留槽７内に古紙片を所定量だけ投入する。また、水供給ポンプ４を所定時間だけ駆動して、水性溶媒を混合貯留槽７内に所定量だけ送り込む。更に、酵素供給ポンプ６を所定時間だけ駆動して、セルラーゼを含む酵素を混合貯留槽７内に所定量だけ送り込む。これにより、混合貯留槽７内において、水性溶媒と古紙片と酵素とが混合される。
【００２０】
セルラーゼの混合量は、古紙片のセルロース重量に対し、０．５〜５０［ｗｔ％］程度が一般的であり、より好ましくは、０．５〜１５．０［ｗｔ％］である。セルラーゼの混合量が０．５［ｗｔ％］未満であると、セルロースに接触する酵素量が不足して加水分解反応速度が遅くなるため、製造スループットが悪化してしまう。また、セルラーゼの混合量が１５［ｗｔ％］を超えると合、セルロースの加水分解反応に供される酵素量が余剰となるので、コスト高を招いてしまう。
【００２１】
水性溶媒中における古感熱紙の混合量については、古感熱紙に含まれるセルロースの重量に応じて決定することが好ましい。感熱記録紙に含まれるセルロースの割合は４０〜７０［ｗｔ％］であるので、セルロースの割合の目標値に対して１．４〜２．５倍の古感熱紙を水性溶媒中に混合することが望ましい。
【００２２】
セルロースの混合量については、１．０〜１５［ｗｔ％］程度にすることが好ましい。より好ましくは、１．０〜１０［ｗｔ％］である。セルロースの混合量が１．０［ｗｔ％］未満であると、水性溶媒が可塑剤として作用してセルロース繊維の離解を起こし難くする。また、セルロースの混合量が２０［ｗｔ％］を超えると、水性溶媒中のセルロース繊維同士の分子間距離が短くなってセルロース繊維同士が水素結合によって凝集し、スラリーの流動性が極端に低下してしまうため、繊維の離解が起こり難くなってしまう。
【００２３】
セルロースの混合量が高くなるほど、混合貯留槽７内で発生するオリゴ糖類の量が多くなり、セルロース短繊維や、セロオリゴ糖、キシロオリゴ糖等の高分子糖類を多く含む反応液が得られる。一方、セルラーゼによるセルロースの加水分解反応は、グルコースの濃度が約５［ｗｔ％］よりも高くなるとフィードバック阻害によって停止することが知られている。より詳しくは、セルロースの加水分解がある程度進んで混合貯留槽７内のグルコース濃度が高まると、まず、セロビオースをグルコース２分子に分解する反応がストップする。次いで、デキストリンからオリゴ糖類への分解反応と、セルロース高分子の断片化によるセルロース短繊維の生成反応とが順に停止する。このため、セルロース濃度が高くなり過ぎると、混合貯留槽７内の全てのセルロースを糖化させることができなくなってしまう。フィードバック阻害を回避するためには、混合貯留槽７内のセルロース濃度を１〜５［ｗｔ％］の範囲にすることが好ましい。セルロース濃度を調整する方法としては、古紙片の投入量を調整する方法、水性溶媒の投入量を調整する方法、槽内で発生するグルコースを限外ろ過などによって槽内から分離する方法などを例示することが可能である。
【００２４】
制御部は、古紙片、水性溶媒、及び酵素を混合貯留槽７の中に送り込むと、混合貯留槽７の中に配設された粉砕機９を駆動する。粉砕機９は、カッターミルに搭載されているような回転刃を有しており、この回転刃を高速回転駆動することにより、水性溶媒中の古紙片を粉砕して、古紙片のセルロース繊維を複数の繊維断片に切断するものである。古紙片をこのように粉砕すると、セルロース繊維は長さ１［ｍｍ］未満の複数の繊維断片に切断されることに加えて、繊維内部のセルロース表面に酵素が接触し易くなるのでセルロースの加水分解を促進することが可能である。
【００２５】
なお、粉砕機９だけでは、繊維断片を完全に離解させることができない場合には、繊維断片の離解を促すための叩解手段を粉砕機９とは別に混合貯留槽７内に設置してもよい。叩解手段としては、リファイナーやビーター、ＰＦＩミル、ニーダー、ディスパーザーなど回転軸を中心として金属または刃物が処理対象物にせん断力を作用させるものを例示することができる。叩解手段により、セルロース繊維の微細構造をゆるませ、繊維内部に水を取り込ませて膨潤させ（内部フィブリル化）、セルロース繊維表面を毛羽立たせたり、繊維を枝分かれさせたりして、複雑に絡み合ったセルロース繊維を１本に分離することができる。但し、本発明者らの実験によれば、回転刃を高速回転させる粉砕機９だけで、殆どの繊維断片を完全に離解させ、更に繊維の一部を短片状態まで加水分解させることができた。これは、次に説明する理由によるものと考えられる。即ち、実施形態に係る再資源化装置では、古紙小片を水性溶媒及び酵素と混合した状態で粉砕する。粉砕中には、回転刃のせん断力によって複数の繊維断片同士の付着界面における接触力を弛ませながら、弛んだ付着界面にセルラーゼを浸透させて付着界面におけるセルロース分子を加水分解する。これにより、繊維断片同士の付着が容易に解けていると考えられる。これに対し、従来の離解機で塗工紙を酵素加水分解する場合、パルプ表面に設けられた塗工層によってセルロース繊維の膨潤が妨げられるために離解し難しい。このため、セルラーゼが繊維表面のセルロースから繊維内部のセルロースまで作用するのに長時間を要してしまうと考えられる。
【００２６】
セルロース繊維の離解の度合いを知る指標としては、セルロース１型結晶化度（１型の１はギリシャ文字）を用いることができる。また、セルロース繊維の比表面積についてはパルプ保水度という指標で測定することができる。パルプ保水度とは、Ｊ．ＴＡＰＰＩ  ＮＯ２６−７８で規定されるもので、一定量のパルプ懸濁液を遠心分離（３０００Ｇ）した後の、絶乾パルプに対するパルプの保有する水量を百分率で示したものである。
【００２７】
制御部は、粉砕機９を所定時間だけ高速回転駆動してほぼ全ての繊維断片を解離させる。この際、粉砕機９の発する熱や、回転刃と水性溶媒等との摩擦熱により、水性溶媒の温度が常温よりも高められることで、セルラーゼによるセルロースの加水分解反応が促進される。粉砕工程が終了すると、制御部は粉砕機９の回転速度を低速に切り替えて、槽内の水性溶媒、酵素、及び繊維質を撹拌する撹拌工程を実施して、セルロースの加水分解反応を促す。粉砕機の回転速度は、回転刃の形状や大きさにもよるが、粉砕工程で１２０００［ｒｐｍ］程度、撹拌工程では１０００［ｒｐｍ］程度を例示することができる。なお、撹拌工程では、粉砕機９とは別の攪拌機を駆動してもよいが、粉砕機９を攪拌機として兼用することで、粉砕後の液を撹拌専用の槽に移送する手間を省いたり、撹拌専用の槽を不要にして低コスト化を図ったりすることができる。
【００２８】
粉砕工程が終了した直後は、高速回転する粉砕機９の熱や回転刃の摩擦熱で水性溶媒の温度がある程度まで高くなっているが、撹拌工程で低速回転に切り替えた後は、水性溶媒の温度が低下し始める。そこで、制御部は、水性溶媒の温度を検知する図示しない温度計による検知結果に基づいてヒーター８の電源をオンオフ制御することで、水性溶媒の温度を酵素の至適温度付近に維持する。温度については、上述の酵素活性を維持する観点から２０〜７０［℃］の範囲が好ましく、より好ましくは３５〜５５［℃］、さらに好ましくは約５０［℃］である。セルロース濃度が適正範囲であれば、攪拌工程でオリゴ糖類の加水分解がさらに進行し易い状態になるので、グルコースやキシロースなどの単糖類や、セロビオースなどの二糖類を多く含む液を得ることができる。
【００２９】
撹拌時間は、セルロース濃度や酵素品種によって最適値が異なるが、８〜２４時間程度が好ましい。グルコースオリゴマーであるオリゴ糖類は、一般的に、５〜８量体以下でないと水性溶媒に可溶化しないため、これらの糖がロスにならないように反応時間を調整すると良い。撹拌時間が進行していくと、水性溶媒中のセルロース繊維が糖類に分解されて水性溶媒中に溶解していくことから、水性溶媒中の繊維量が徐々に低下していき、溶媒粘度も低下していく。
【００３０】
粉砕工程から撹拌工程までにおいては、粉砕工程でセルロース繊維を良好に離解した複数の繊維断片にすることで、水性溶媒中における繊維の表面積を増加させてより多くのセルロース分子に対してセルラーゼを同時に接触させる。これにより、水性溶媒中で加水分解が並行して行われるセルロース分子の数を増加させることで、セルロース繊維中に含まれているセルロース分子をほぼ余すことなく糖に加水分解するまでに要する時間を短縮する。よって、古感熱紙をより短時間で糖に再資源化することができる。
【００３１】
制御部は、撹拌工程を終了すると、混合反応槽７に設けられたドレン弁を開いて、混合反応槽７の中の反応液を第１遠心分離機１０に移送する。第１遠心分離機１０の容量が小さい場合には、反応液の小分け移送と、第１遠心分離機１０による遠心分離処理とを繰り返し行う処理を実施させるように、制御部を構成すればよい。
【００３２】
感熱紙は、感熱層の他に、樹脂層などを具備していることがある。原紙だけからなる普通紙であれば、その成分の殆どがセルロース繊維やその他のパルプ繊維からなることから、セルロース繊維や他のパルプ繊維の加水分解によって反応液中には固形分が殆ど存在しなくなる。ところが、感熱紙の場合には、感熱層やその他の層に不溶性無機物や不溶性有機物を含んでいることから、反応液中にある程度の固形分が含まれるようになる。第１遠心分離機１０は、遠心分離によって反応液を液相と、水性溶媒よりも比重の重い固形物からなる沈殿相と、水性溶媒よりも比重の軽い固形物からなる浮遊相との３相に分ける。そして、液相の液を後述する培養槽１３に移送する一方で、沈殿相や浮遊相の固形物を装置内部から排出する。排出された固形物は、焼却炉１２で焼却される。第１遠心分離機１０や、後述する第２遠心分離機１４としては、遠心力型ドラムフィルターや遠心力型加圧スクリーンなどを例示することができる。
【００３３】
第１遠心分離機１０によって分離された液（以下、糖化液という）は、グルコースなどの糖を多量に含有している。培養槽１３内には、糖をエタノールに発酵させるための微生物が投入される。グルコースなどをエタノールに発酵することが可能な微生物としては、酵母が挙げられる。なお、上述した反応液を第１遠心分離機１０に移送せずに、混合貯留槽７内で糖をエタノールに発酵させてもよい。この場合、撹拌工程中の混合貯留槽７内に酵母を投入することも可能である。日本酒の発酵方法として知られる並行複発酵と同様の方法で、セルロースの分解に伴って発生する糖の蓄積量が酵素を失活させる値まで増加する前に、酵母によって糖をエタノールに発酵させるのである。これにより、高濃度のセルロース含有液であっても、殆どのセルロースを糖に加水分解してエタノールにすることができる。糖化同時発酵の手法としては、例えば特開２００８−２５３１５３号公報に記載のものを例示することができる。
【００３４】
培養槽１３を用いる場合には、酵母と糖化液とを混合撹拌するための撹拌機や、糖化液を所定の温度まで昇温させるためのヒーターを培養槽１３内に配設することが望ましい。また、培養槽１３には、発酵に伴って発生する炭酸ガスなどのガスを放出するための換気口や、糖化液を所定のｐｈに維持するためのｐＨ調整装置などを設けることが望ましい。更には、冷却管、ジャケット、熱交換器などを設けてもよい。また、培養槽１３に対しては、第１遠心分離機１０によって分離された糖化液を連続的に移送してもよい。
【００３５】
培養槽１３に投入する微生物は、酵母に限られず、糖化液中の糖をエタノールに発酵させる酵素を生成するものであれば、乳酸菌や真菌などでもよい。酵母としては、サッカロマイセス属セレビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ  ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）ＡＭ１２菌株（以下、ＡＭ１２菌）を用いることが好ましい。この酵母は工業技術院微生物工業技術研究所に、微工研受託番号第６７４９号として寄託されている（特開昭５９−１３５８９６号公報）。
【００３６】
酵母の投入量は、培養槽１３内の糖化に対して、１．０×１０６〜１．０×１０１０［個／ｍｌ］程度であることが好ましく、１．０×１０７〜１．０×１０９［個／ｍｌ］であることが更に好ましい。投入量が１．０×１０６［個／ｍｌ］未満であると、十分な速さで発酵させることができずに、生産性を低下させるおそれがある。また、投入量が１．０×１０１０［個／ｍｌ］を超えると、糖の濃度に対して酵母の数が多すぎることから、酵母を無駄に消費してコスト高を引き起こすおそれがある。
【００３７】
酵母の増殖と発酵活性とを保つためには、発酵によって生成されるエタノールの濃度の上限を１０〜１５［ｗｔ％］に抑える必要がある。グルコースが１００％の変換率でエタノールに発酵する場合、発生するエタノールの量は培養槽１３内に投入されたグルコースの量の約半分に相当する。
【００３８】
培養槽１３に対しては、糖化液の他に、酵母の増殖に有用な培地成分を添加してもよい。培地成分を添加することで、発酵反応を促進させることができる。培養槽１３における発酵工程は、例えば、２５〜４５［℃］で１５〜１２０時間行われる。
【００３９】
実施形態に係る再資源化装置では、糖の原料となる紙として感熱紙を用いていることから、上述した糖化液の中には、糖だけでなく、感熱層やその他の層に含まれていた可溶性成分が溶解している。例えば、ロイコ色素、顕色剤成分、硫酸アルミニウム、炭酸カルシウムなどである。これらは、発酵後の液（以下、発酵液という）中にそのままの状態で残留している。
【００４０】
培養槽１３内の発酵液は、発酵液移送ポンプ１１によって培養槽１３から第２遠心分離機１４に送られる。第２遠心分離機１４は、送られてくる発酵液を、液分と酵母とに分離する。なお、酵母菌は、アニオンやカチオンなどの凝集剤の添加によって容易に凝集することから、凝集剤を添加する場合には、第２遠心分離機１４に代えて、フィルターブレス機などを用いても、発酵液を液分と酵母とに分離することが可能である。
【００４１】
第２遠心分離機１４によって分離された液分は、エタノールの他、ロイコ色素、顕色剤成分、硫酸アルミニウム、炭酸カルシウムなどの可溶性の有機物、無機物を含有している状態で、蒸留装置１５に送られる。蒸留装置１５は、蒸留により、液分中からエタノールを分離し、残りの成分を廃液として排出する。このようにして生成されたエタノールは、バイオエタノールとしてガソリンに混ぜて使用することが可能である。
【００４２】
次に、本発明者らが行った実験について説明する。
［実験１］
実験１では、実施形態に係る再資源化装置と同様の構成により、感熱紙を糖に再資源化した後、得られた糖をエタノールに資源化した。そのために、感熱紙（株式会社リコー製：型番１５０ＬＡ）を用意した。この感熱紙については、製造に用いられている原料などから、感熱紙中に含まれるグルコースの理論重量比率が約５５［ｗｔ％］であることがわかっている。感熱紙中のセルロースがグルコースに加水分解される反応は、「（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）ｎ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣ６Ｈ１２Ｏ６」という式で表される。１００［ｇ］のセルロース（（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）ｎ）は、１１．１１［ｇ］の水（ｎＨ２Ｏ）により、１１１．１１［ｇ］のグルコース（ｎＣ６Ｈ１２Ｏ６）に加水分解されることになる。すると、感熱紙中に含まれるセルロースの理論重量比率は、約５０［ｗｔ％］になる（５５×（１００／１１１．１１））。よって、感熱紙の重量に対して５０［ｗｔ％］を乗ずることで、その重量の感熱紙におけるセルロースの理論量を算出することができる。
【００４３】
上述した感熱紙をシュレッダーで３［ｍｍ］×８［ｍｍ］の短冊状の紙片に細断した。また、酵素として、次の２種類を使用した。即ち、１種類目は、エンドグルカナーゼ、エキソグルカナーゼ、及びβ−グルコシダーゼを含む市販のセルラーゼ酵素剤（商品名：セルクラスト  ノボザイムズ社製）である。また、２種類目は、β−グルコシターゼを含んでいる市販のセルラーゼ酵素剤（商品名：ノボザイム１８８、ノボザイムズ社製）である。これら２種類を混合した酵素を、４０［ｇ］の紙片におけるセルロースの理論量（２０ｇ）に対し、１５［ｗｔ％］の量（３ｇ）だけ小分けした。そして、容積５００ｍｌのガラス製容器に、４０［ｇ］の紙片と、４００［ｍｌ］の酢酸緩衝液と、３［ｇ］に小分けした酵素粉末とを投入して、反応溶液とした。反応溶液中における感熱紙の濃度は１０［ｇ／ｌ］（４０／４００）である。このため、反応溶液中におけるセルロースの理論濃度は、５［ｇ／ｌ］である。
【００４４】
ガラス製容器の蓋に、回転軸つきのカッター刃を取り付け、このカッター刃をガラス製容器の上に配設したカッターミル（ミルカップブレンダー、ＷＡＲＩＮＧ社製）に接続した。これにより、ガラス製容器内の反応溶液中の紙片を細かく粉砕することが可能になった。カッターミルを１２０００［ｒｐｍ］の回転数で１時間だけ駆動させる粉砕工程を実施した。この粉砕工程で得られたスラリーの液滴を少しとった。その後、カッターミルを１０００［ｒｐｍ］の回転数にセットし、且つ、ガラス製容器の外周面を覆ったヒーターで５０［℃］の温度制御をした条件で、スラリーを１２時間撹拌した。即ち、１２時間の撹拌工程を実施した。
【００４５】
撹拌中に、予め採取しておいたスラリーの液滴を光学顕微鏡で観察した。すると、スラリー中に含まれる殆どの繊維断片は、完全に理解して一部は短片状態になっていた。１００本の繊維断片を無作為に選んで長さを測定し、それらの平均を求めたところ、約８５０［μｍ］であった。
【００４６】
撹拌終了後、得られたスラリーを試験管に小分けして遠心分離器にかけて、スラリーを液相と沈殿相と浮遊相とに分離した。そして、液相（糖化液）だけを採取して、糖化液中のグルコースを高速液体クロマトグラフ（装置名ＬＣ２０００ｐｌｕｓ：日本分光株式会社）で定量した値をグルコースの収量とした。
【００４７】
グルコースの収量に基づいて、グルコース変換率を求めた。具体的には、グルコースの収量をグルコースの理論量で除算した結果に１００を乗じた値を、グルコース変換率［％］として求めた。
【００４８】
その後、遠心分離によって得られた糖化液を容積５００ｍｌのエタノール発酵容器に移し、その中に、エタノール耐性が高いＡＭ１２菌株を０．５［ｇ］投入した。そして、２４時間だけ発酵させた。発酵によって得られたエタノールの収量を蒸留法によって測定した。なお、グルコースの一部は酵母によってエネルギーとして消費されるので、エタノールの収量は理論量よりも低い値になる。
【００４９】
エタノールの収量と、エタノールの理論量とに基づいて、エタノール変換率を求めた。具体的には、サッカロマイセス属セレビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）などの酵母によるエタノール発酵では、グルコースを元にする解糖系で２分子のピルビン酸が生成され、それぞれからエタノール分子が１つずつ生成される。よって、１分子のグルコースから、２分子のエタノール分子が生成されることになる。この反応は、「Ｃ６Ｈ１２Ｏ６→２Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋２ＣＯ２」という式で表される。この式から、１００［ｇ］のグルコースから、５１．４［ｇ］のエタノールと、４８．８［ｇ］の二酸化炭素（炭酸ガス）とが生成されることがわかる。よって、エタノールの理論量は、グルコースの理論量に対し、０．５１４を乗ずることによって求められる。そして、エタノール変換率は、蒸留法にて測定したエタノールの収量をエタノールの理論量で除算した結果に１００を乗ずることによって求められる。
【００５０】
［実験２］
この実験２では、特許文献１に記載の糖化システムと同様の構成により、感熱紙を糖に再資源化した後、得られた糖をエタノールに資源化した。具体的には、実験１で用いたものと同じ感熱紙を、シュレッダーにかけることなく離解機（パルパー）に投入し、６時間の離解処理を行って解繊パルプを得た。その後、スクリーンフィルターおよび重量クリーナー、軽量クリーナーの固液分離処理を行って精製パルプを回収した。
【００５１】
精製パルプに含まれるセルロースの割合を酸加水分解法によって測定したところ、投入した感熱紙におけるセルロースの割合に対して９５％であることがわかった。つまり、４０［ｇ］の感熱紙から得られたセルロースの収量は１９［ｇ］であり、投入量（２０ｇ）に対して１［ｇ］少なくなっている。この１［ｇ］は、離解処理と固液分離処理とでロスしてしまったことになる。なお、精製パルプの回収までに要した時間は１０時間であった。
【００５２】
得られた精製パルプに対し、実験１と同様に１２時間の撹拌工程を実施したが、未分解の繊維が視認されたことから、繊維が認められなくなるまで撹拌工程を延長した。そして、合計で２５時間の撹拌工程を行った。その後、実験１と同様にして、エタノール収量やエタノール変換率を求めた。
【００５３】
実験１、実験２の結果を、次の表１に示す。
【表１】
2014168737.tif 000003
【００５４】
表１に示されるように、従来例（特許文献１）に対応する実験２では、３６時間という長時間に渡る製造スループットにおいて、グルコース変換率＝８２［％］、エタノール変換率＝８２［％］という結果になった。これに対し、実施形態に係る再資源化装置に対応する実験１では、１４時間という比較的短い製造スループットにおいて、グルコース変換率＝９３［％］、エタノール変換率＝９３［％］という、実験２よりも良い結果が得られた。即ち、実験１では、実験２よりも短時間でより多くの糖やエタノールを得ることができた。
【００５５】
以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
［態様Ａ］
態様Ａは、パルプを原料とする紙を糖に再資源化する再資源化装置であって、紙を粉砕することで紙のセルロース繊維を長さ方向に細かく分断して１本のセルロース繊維を複数の繊維断片にする粉砕手段（例えば粉砕機９）と、前記粉砕手段による紙の粉砕物、溶媒、及びセルラーゼの混合物を貯留する混合貯留手段（例えば混合貯留槽７）と、前記混合貯留手段内で前記混合物を撹拌することで、前記粉砕物中のセルロースの加水分解を促して糖を得る撹拌手段（例えば粉砕機９）と、前記混合貯留手段に対してセルラーゼとして、少なくともエンドグルカナーゼ、エキソグルカナーゼ、及びβ−グルコシダーゼを供給するセルラーゼ供給手段（例えば酵素供給ポンプ６）とを備えることを特徴とするものである。
【００５６】
［態様Ｂ］
態様Ｂは、態様Ａにおいて、前記紙が、セルロースを主成分とする感熱紙、並びに、オフセット印刷、インクジェット印刷、湿式電子写真方式、乾式電子写真方式、グラビア印刷及び熱転写印刷に用いられる塗工紙、のうち、少なくとも何れか１つであることを特徴とするものである。かかる構成では、前記感熱紙や前記塗工紙を糖として再資源化することができる。
【００５７】
［態様Ｃ］
態様Ｃは、態様Ａ又はＢにおいて、前記撹拌手段による撹拌処理に得られたスラリーを、固形物と、糖含有液体とに固液分離する固液分離手段（例えば第１遠心分離機１０）を設けたことを特徴とするものである。かかる構成では、紙として、感熱紙やコート紙などを用いた場合であっても、紙の感熱層やコート層に含まれる不溶性物質を固液分離手段で固体として糖含有液体から分離することができる。
【００５８】
［態様Ｄ］
態様Ｄは、態様Ｃにおいて、前記糖含有液体と、微生物とを混合して前記糖含有液体中の糖をアルコールに発酵させる発酵手段（例えば培養槽１３）を設けたことを特徴とするものである。かかる構成では、紙をアルコール（エタノール）に再資源化することができる。
【００５９】
［態様Ｅ］
態様Ｅは、態様Ａ〜Ｄの何れかにおいて、前記セルラーゼ供給手段として、セルラーゼを定量的に供給するものを用いたことを特徴とするものである。かかる構成では、セルラーゼ供給手段の駆動により、混合貯留手段に対するセルラーゼの定量的な供給を自動化することができる。
【００６０】
［態様Ｆ］
態様Ｆは、態様Ａ〜Ｅの何れかにおいて、前記混合貯留手段にキシランを単糖類や二糖類に分解するためのキシラン分解酵素を定量的に投入するキシラン分解酵素投入手段（例えば酵素供給ポンプ６）を設けたことを特徴とするものである。かかる構成では、セルロースの他に、キシランを含む紙を用いた場合に、キシランを糖に再資源化することができる。
【００６１】
［態様Ｇ］
態様Ｇは、態様Ａ〜Ｆの何れかにおいて、前記混合貯留手段の中で紙を粉砕するように、前記粉砕手段を構成したことを特徴とするものである。かかる構成では、本発明者らが実験で明らかにしたように、粉砕手段とは別の叩解手段を設けることなく、粉砕手段により、紙のセルロース繊維（繊維断片）をほぼ完全に離解させることができる。
【００６２】
［態様Ｈ］
態様Ｈは、態様Ａ〜Ｇの何れかにおいて、前記粉砕機として、回転刃の回転によって紙を粉砕するものを用いたことを特徴とするものである。かかる構成では、本発明者らが実験で明らかにしたように、紙のセルロース繊維を複数の繊維断片に切断することができる。
【００６３】
［態様Ｉ］
態様Ｉは、態様Ａ〜Ｈの何れかにおいて、前記混合貯留手段内の前記混合物を加熱する加熱手段（例えばヒーター８）と、前記混合貯留手段内の前記混合物の温度を検知する温度検知手段（例えば温度センサ）と、前記温度検知手段による検知結果に基づいて前記加熱手段による加熱の入切を制御する制御手段（例えば制御部）とを設けたことを特徴とするものである。かかる構成では、混合貯留手段内の溶媒の温度をセルラーゼの至適温度付近に維持することで、セルラーゼによるセルロースの加水分解をより促進して、再資源化の時間をより短縮することができる。
【符号の説明】
【００６４】
６：酵素供給ポンプ（セルラーゼ投入手段、キシラン分解酵素投入手段）
７：混合貯留槽（混合貯留手段）
８：ヒーター（加熱手段）
９：粉砕機（粉砕手段、撹拌手段）
１０：第１遠心分離機（固液分離手段）
１３：培養槽（発酵手段）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６５】
【特許文献１】特開２００９−１８３２１１号公報
【図１】
2014168737.tif 000004