(57)【要約】      （修正有）【課題】バイオマス活用の観点から、木質系廃棄物からエタノールを得ることが求められているが、現状は石膏等の二次廃棄物を排出し、硫黄成分等が混入しかねない硫酸法に依存している。そこで、脱リグニン技術に直接左右されない温和な条件で、効率良いクリーンなバイオマスエタノールの製造方法を提供する。【解決手段】予め脱リグニン処理済みで、８０％程度のセルロースを含む古紙等の廃棄物原料を最適なサイズに微粉化し、セルラーゼ酵素により効率良くグルコースに糖化した後、発酵によりクリーンなエタノールを得る。【効果】酵素とグルコースの限外濾過膜分離が、酵素の失活を避けた長期的利用をもたらすと共に、発酵残渣の緑化育成マット材料等への利用で二次廃棄物の排出は避けられ、環境負荷の極めて低いバイオマスエタノールが製造できる。【選択図】  図１
2006088136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料物質である古紙、段ボール等のセルロース系材料を糖化するための微粉化する前処理工程と糖化する工程と発酵する工程により得られるバイオマスエタノール生成物
【請求項２】
原料物質である古紙、段ボール等のセルロース系材料を糖化するための微粉化する前処理工程と糖化する工程と発酵する工程により得られるバイオマスエタノール生成物の製造方法
【請求項３】
前処理工程における古紙、段ボール等のセルロース系材料の微粉化において、微粉化された原材料の粒径および形状を規格化する方法により、糖化工程におけるセルロースからグルコースの生成ひいてはエタノール発酵におけるグルコースからバイオマスエタノールの生成を効率良く促進する方法である請求項１および２
【請求項４】
糖化する工程が微粉化された古紙、段ボール等のセルロース系材料の適切な濃度（８０重量％以下）の微粉体と適切な濃度（０．１〜２０重量％）のセルラーゼ酵素を水素イオン濃度ｐＨ５．０前後及び温度５０℃前後に保たれた糖化槽内で反応させることにより、セルロース系材料からエタノール発酵原料のグルコースを効率良く得る方法である請求項１および２
【請求項５】
発酵する工程が３７℃前後に保たれた発酵槽内でエタノール耐性が高い「サッカロミセスセルビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ  ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）」（酵母の一種）のパン用、清酒用、ビール用等の酵母のいずれかを用いてグルコースをエタノールに変換する際に、酵母の育成と増殖をグルコースと酵母エキスのみの系、グルコースとカゼインペプトンのみの系、グルコースと酵母エキスとカゼインペプトンの系、あるいはそれらの系に無機塩等を加えた混合系のいずれかで行い、グルコース濃度が２５重量％以下で発酵槽内に導入し、エタノール濃度が１２重量％以下で発酵槽外に排出することによりエタノール発酵を促進する方法である請求項１および２
【請求項６】
前処理の工程における古紙、段ボール等のセルロース系材料の微粉化は、吸水性に富む一定方向に裁断して微粉化した繊維状すなわち綿状の毛羽立ち度が高いものでなく、多方向に裁断して微粉化することにより重量当たりの吸水量が高くならない（４０重量％前後でも流動性ある）微粉体で、粒径が１〜２ミリメータ以下、望ましくは８００ミクロン以下に規格化できる微粉化法である請求項３
【請求項７】
糖化する工程がセルラーゼ酵素の活性と安定性を保持するために要求する水素イオン濃度ｐＨ５．０前後を設定するために、糖化反応液へ二酸化炭素をバブリングして処理するかあるいは酢酸緩衝液の利用にて処理する方法である請求項４
【請求項８】
糖化する工程が糖化生成物であるグルコースとセルラーゼ酵素を分離する限外濾過膜装置を付属させることによりセルラーゼ酵素を阻害する糖化生成物グルコースを糖化槽から発酵槽に排出してセルラーゼ酵素の活性を維持することにより糖化効率を向上させる方法である請求項４
【請求項９】
前処理工程で古紙、段ボール等に含まれるリグニンを過酸化水素とタングステン（あるいはモリブデン）酸ソーダにより除去し粒径及び形状を規格化して得られた微粉体を用いることにより、セルラーゼ酵素による糖化反応を促進させる方法である請求項６
【請求項１０】
限外濾過膜の分画分子暈が５，０００〜５０，０００、望ましくは１０，０００〜３０，０００である限外濾過膜装置を用いる方法である請求項８
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は持続的再生型社会形成に向けた環境適合性を保有する液体燃料生産に係る分野であり、近年の温暖化対策及びそのための二酸化炭素の世界的削減計画の一環として提案されている未利用バイオマス利活用政策におけるセルロース系バイオマスからの硫黄等の不純物を含まないバイオマスエタノールおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  バイオマスから製造されるエタノールは、二酸化炭素の排出削減に直結するガソリン添加剤として極めて重要な低級アルコール燃料として認知されており、バイオマスから硫黄分等の不純物を含まないエタノール燃料の生成と当該物の製造方法が希求されている。バイオマスエタノールは、サトウキビやトウモロコシ等の澱粉アミロース系バイオマスのエタノール発酵により得られているのが主流であり、未利用バイオマス利活用の観点から注目される間伐材や建設廃材等の木質系バイオマスからのエタノール製造技術は現状では開発中といっても過言ではない。また、生ゴミや糞尿等のバイオマスからのエタノール製造については、レストランや食堂等の廃棄食物の澱粉利用は可能なものの、生ゴミや糞尿等から十分な澱粉やセルロース成分が期待できないため、バイオマスエタノール製造の原材料として適用し難く、一般的にはメタン発酵法によるバイオガス  メタンの入手原料とされている（
【非特許文献１】）。
【０００３】  間伐材や建設廃材等の木質系バイオマスから硫黄分等の不純物を含まないエタノールの製造および製造技術が求められているが、木質系バイオマスはリグニンとセルロースを主成分とするため、セルロースを分解してグルコースにする糖化工程を疎外するリグニン除去が前処理として要求される。現状では、脱リグニン前処理を省いた強引な方法として、濃硫酸または希硫酸を用いた硫酸法によるセロース分解糖化法よりグルコースを得て、従来の酵母利用によるエタノール発酵でバイオマスエタノールを得る方法が検討されている（非特許文献２）。しかし、この硫酸法では、少なくとも１００〜２００℃でセロースの分解糖化後にエタノール発酵を行うための硫酸除去処理すなわち水酸化カルシウム等のアルカリ剤による硫酸の中和を必要とし、現実には水酸化カルシウムを用いた中和により硫酸カルシウムいわゆる石膏を残査として排出しており、石膏処理にコストをかける必要が生じている。また、硫酸法は、生産工程における装置類の酸腐食を生じることになり、製造プラントの設計上も耐酸性を要求する欠点を持つことになる。さらに、硫酸法は、その中和過程で完全に硫酸すなわち硫黄成分を除去できずにエタノール発酵を行うことになりやすく、硫黄分を含んだエタノールを生産することになり、硫黄成分等の不純物を含まないバイオマスエタノールの製造法に最適とは言い難い。【０００４】  木質系バイオマス廃棄物からのエタノールの製造には、木質系バイオマスから効率良くリグニンを除去する技術および脱リグニン処理により得られた環状６炭糖のセルロースさらには環状５炭糖のヘミセルロースの糖化発酵技術の確立が不可欠であるが、現在、硫酸法による脱リグニン行程の省略と、ヘミセルロースの糖化を考慮した遺伝子組み換え大腸菌を用いる５炭糖及び６炭糖成分のエタノール化発酵等が試みられている（
【非特許文献２】）。
【０００５】  難解な脱リグニン処理を迂回する意味で、予め脱リグニン処理が行われておりセルロースを主成分とする古紙や段ボール等のセルロース系バイオマス廃棄物からのエタノール製造が注目を浴びることになるが、原料である古紙や段ボールはそのまま再生利用が可能なために原料コストが高くなると憶測され、廃木材等の木質系バイオマスに比べて技術開発が遅れている。周知されている範囲では、我が国で１社が古紙や段ボール等のセルロース系バイオマス廃棄物からのエタノール製造を目指している
【非特許文献３】。
【０００６】  古紙や段ボール等のセルロース系バイオマス廃棄物からのエタノール製造に関わる技術の詳細は現状では不明であり、またそのバイオマスエタノール生成物及び製造方法に関わる特許も存在しない。すなわち、硫黄分等の不純物を含まないバイオマスエタノール生成物並びに原料の糖化までの前処理、酵素を用いた糖化工程およびエタノール発酵工程の詳細な規格化に基づく最適なバイオマスエタノール生成物製造方法が明確化されることが期待されているのが現状である。【０００７】
【非特許文献１】株式会社荏原製作所、鹿島建設株式会社等「平成１６年１月２０日付、日経産業新聞」
【非特許文献２】日揮株式会社、月島機械株式会社「日経バイオビジネス」２００２年９号、ｐ５５−５６
【非特許文献３】日本食糧株式会社「日経バイオビジネス」２００２年９号、ｐ．５７．「富士総合研究所Ｍｉｍｅ」２００２年、Ｎｏ２、ｐ１１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  未利用バイオマス利活用の観点から注目される間伐材や建設廃材等の木質系バイオマスのセルロース成分を糖化してグルコースを得、そのグルコースのエタノール発酵から得られるバイオマスエタノールは、優れたガソリン添加剤としてすでに認知されており、また、コスト的に見合えば発電等の燃料あるいは水素製造原料としても十分期待できる環境適合型の極めて優れたクリーンな液体燃料である。しかるに、間伐材や建設廃材等の木質系バイオマスからのエタノール製造は、木質系バイオマスが保有するリグニンによりセルロース成分の加水分解すなわち糖化反応が著しく阻害され、有効な脱リグニン技術が存在しない限り、バイオマスエタノールの製造を困難にしているのが現状である。【０００９】  したがって、未利用木質バイオマスの利活用の観点から、有効な脱リグニン技術の確立を待たずに木質系バイオマスからエタノール製造を行うことができれるバイオマスエタノールの製造方法が開拓されること、製造されたバイオマスエタノールが硫黄成分等の不純物を極力含まないクリーンな環境適合型燃料であること、並びにバイオマスエタノールの製造工程において環境負荷廃棄物が排出されないことが乗り越えるべき課題となる。【００１０】  前記の３つの大きな課題（【０００８】及び【０００９】に記載）を乗り越えるのに、脱リグニンを意識しないで木質バイオマスの糖化を行える硫酸法を用いると、糖化工程における１００〜２００度の熱エネルギー供給の必要性や反応装置の硫酸酸性への耐性等が問題もあるが、糖化後に水酸化カルシウムによる硫酸の中和すなわち石膏化が完全に行えない限り、エタノール発酵工程に硫黄成分が混入して製造されたバイオマスエタノールが硫黄成分を含む可能性が発生し、バイオマスエタノールの製造工程において環境負荷廃棄物すなわち石膏等が排出されることになる。したがって、【０００８】及び【０００９】に記載した乗り越えるべき課題を未解決状態で残すこととなる硫酸法の適用は最適でなく、より改善されたバイオマスエタノール製造法による硫黄成分等の不純物が混入しないバイオマスエタノール生成物が要求される。【００１１】  前記の【０００８】及び【０００９】で述べた木質系バイオマスからのエタノール製造に関わる諸々の課題は、予め脱リグニン処理済みでセルロース成分（８０％程度）で主に構成される古紙や段ボール等のセルロース系バイオマス廃棄物から硫黄成分等の不純物を含まないバイオマスエタノールを少量の熱エネルギー供給で効率良く製造することで脱却できる。したがって、高活性なセルロース分解酵素いわゆるセルラーゼ酵素を用いる常温近傍でのセルロースからグルコースへの糖化、酵素利用糖化法に最適な原料の微粉化とセルラーゼ酵素の高活性状態の簡便な維持方法すなわち水素イオン濃度ｐＨ緩衝液等を不要としたｐＨ制御とセルラーゼ酵素の失活を避けた長期的利用方法、簡便で効率的にグルコースをエタノールに変換するエタノール発酵、糖化発酵残渣の高付加価値化利用（例えば、屋上緑化育成マット材料等）を行う解決策を確立することが具体的課題となる。【００１２】  予め脱リグニンされている古紙や段ボール等のセルロース系バイオマス廃棄物からセルラーゼ酵素利用に��るセルロースからグルコースへの糖化及び酵母等の利用によるグルコースからアルコールへの発酵工程を経てバイオマスエタノールを製造する場合の主な課題として以下の３つが挙げられる。すなわち、古紙や段ボール等のセルロース系バイオマス原料が糖化酵素と高効率反応を起こすための原料微粉化等の適切な前処理を必要とすること。高活性なセルラーゼ酵素が糖化生成物グルコースの活性阻害を避けて長期的に活性維持しながらセルロース原料をグルコースに効率良く糖化できる仕組みを設定した糖化工程にすること。効率良いエタノール発酵を行うために、グルコースあるいはエタノールにより機能が阻害される酵母が阻害影響を避けられるグルコースの発酵槽への導入方法と生成エタノールの発酵槽からの排出方法、さらには簡便な効率的な発酵槽内での酵母の育成と増殖法を確立することである。課題を一言すれば、一貫したプロセスにより、セルロース系バイオマス廃棄物から環境負荷物を排出せずかつ硫黄分等の不純物を含まないバイオマスエタノール生成物を効率良く製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】  本発明者らは前記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、予め脱リグニンされている古紙や段ボール等のセルロース系バイオマス原料を適切に微粉化する工程と、微粉化したセルロースを高活性セルラーゼ酵素でグルコース糖化する工程と、糖化工程中にエタノール発酵で生じる二酸化炭素の利用によるセルラーゼ酵素の高活性と安定性を維持する水素イオン濃度ｐＨ条件の設定並びに高活性セルラーゼ酵素とグルコースとの効率良い膜分離による酵素の長期利用を図る工程と、得られたグルコースをザイモモナス等の菌体より安定な酵母を用いエタノール化し、酵母の増殖活性を維持するために適宜エタノールを取出す発酵工程の全てを直結させるプロセスにより、エタノール製造収率を高く維持しつつ全工程から外部への環境負荷を極めて低く抑制することが出来、しかも硫黄分等の不純物を含まない優良な品質のバイオマスエタノールを蒸留工程の追加により高純度で得ることに成功した。【００１４】  前記工程の説明において、古紙や段ボール等のセルロース系バイオマス原料の微粉化工程の後に、バイオマス原料に幾分含まれるリグニンを除去することにより更に主成分のセルロース含有率を向上させたい場合には、過酸化水素とタングステン酸ソーダまたは過酸化水素とモリブデン酸ソーダ等の混合脱リグニン酸化剤あるいはオゾン酸化剤を用いた酸化工程を追加することもあり、また、高純度のバイオマスエタノールを容易に得るために蒸留工程の前に水−エタノール分離膜によるエタノール濃縮工程を追加することもある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】  バイオマスエタノールを高効率で得るために、図１のバイオマスエタノール製造プロセスで示す工程すなわち予め脱リグニンされている古紙や段ボール等のセルロース系バイオマス原料を適切に微粉化する工程、微粉化したセルロースを高活性セルラーゼ酵素でグルコース糖化する工程、糖化工程中にエタノール発酵で生じる二酸化炭素の利用によるセルラーゼ酵素の高活性と安定性を維持する水素イオン濃度ｐＨ条件５．０前後の設定、並びに高活性セルラーゼ酵素とグルコースとの効率良い膜分離による酵素の長期利用を図る工程、得られたグルコースを予め１５〜２５重量％に濃縮する工程、濃縮したグルコースをザイモモナス等の菌体より安定な酵母を用いエタノール化し、酵母の増殖活性を維持するために適宜エタノールを取出す発酵工程の全てを直結させるプロセスにより、エタノール製造収率を高く維持しつつ全工程から外部への環境負荷を極めて低く抑制することが出来、しかも硫黄分等の不純物を含まない優良な品質のバイオマスエタノールを蒸留工程の追加により高純度で得ることに成功している。【００１６】  前記の古紙や段ボール等のセルロース系バイオマス原料を微粉化する前処理工程において、図２に示した前処理微粉化装置は原料に付着した雑菌を微粉化カッターで発生する熱により消滅させ、１〜２ミリメータ以下望ましくは８００ミクロン以下の粒径に原料を粉砕する。この微粉化工程では、一定方向に裁断処理をして得られる繊維状（すなわち綿状）の毛羽立ち度の高い微粉化による吸水性の増大を極力さけ、重量当たりの吸水量が高くならない微粉体にすることが糖化反応を効率良く進める上で極めて重要なこととなる。具体的には、糖化工程における微粉体初濃度が４０重量％溶液で十分流動性を維持できることが重要であり、原料濃度を２０重量％以上に高めることが出来ない吸水性に富む繊維状に毛羽立った形状を避けることが必須となる。この限りにおいて、微粉体の流動性及び同一のセルラーゼ酵素に対する反応性は、微粉体濃度が一律である限り微粉体サイズにより極端に変化するものではないことを明確にしているので、高活性なセルラーゼ酵素を利用する限り、原料微粉体サイズを極端に小さくする（例えば１００メッシュ２５０ミクロン程度）ことなく、古紙や段ボール等のセルロース系バイオマス原料からグルコースへの生成効率を向上させられる。【００１７】  古紙や段ボール等のバイオマス原料の微粉体が前記の適切なサイズと形状をもって場合、微粉体セルロースからグルコースへの糖化に必要なセルラーゼ酵素の選択に関しては、極めて厳密になる必要はない。すなわち、糖化工程の水溶液温度５０度、水素イオン濃度ｐＨ５前後で安定性を維持して高活性を発揮できるセルラーゼ酵素を入手し易い一般的なセルラーゼ酵素から選択すればよい。むしろ重要なことは、セルラーゼ酵素がセルロース糖化生成物のグルコースにより活性阻害を受けての失活を避けることにあり、酵素とグルコースを逆浸透膜で連続的に分離し、常に酵素が高い活性を保持して利用あるいは再利用できるようにすることに成功しており、この点は後述する（【００１８】を参照）。したがって、糖化工程に用いるセルラーゼ酵素量は限定されるものでないが、一定の微粉体原料濃度で酵素濃度を希薄にすると酵素当たりのグルコースの生成量は増大するが、微粉体原料のグルコース化いわゆる糖化率は逆に減少することが判明しているので、そのバランスを考慮して０．１〜２０重量％の範囲、望ましくは１〜５重量％で使用すれば良い。【００１８】  前記のバイオマス原料の微粉体の糖化工程におけるセルラーゼ酵素の高活性の維持は、糖化槽内の水溶液のｐＨ（水素イオン濃度）をｐＨ５前後にする必要がある。このためには、水溶液を０．１モル／リットル程度の酢酸緩衝液等にして用いれば良いが、望ましきは酢酸緩衝液等を使用しない簡便法が良く、エタノール発酵で排出する二酸化炭素を糖化槽に導入することにより、適切な糖化溶液のｐＨをｐＨ４．５〜ｐＨ６．５の範囲で酢酸緩衝液等を用いず制御できると共に糖化反応促進のための撹拌を不要にすることの知見を得ている。さらに、糖化槽内で二酸化炭素ブローアによる穏やかな二酸化炭素放出でセルラーゼ酵素が望む最適なｐＨすなわちｐＨ５．０前後が保たれることを見出している。【００１９】  前記の糖化工程におけるセルラーゼ酵素と生成物グルコースとの分離及び分離酵素の再利用は、糖化槽とエタノール発酵槽の間に設置した限外濾過膜装置により行う。すなわち、グルコースによるセルラーゼ酵素の阻害はグルコース濃度に比例し、例えば１．０重量％酵素利用の場合２０重量％のグルコース生成で酵素活性が相対的に１／１０程度に低下する。糖化槽内のグルコース濃度を低減させるために限外濾過膜によりグルコースは任意の濃度で発酵槽に、酵素は活性を維持したまま糖化槽に再導入させることでグルコースによるセルラーゼ酵素の阻害を避けたセルラーゼ酵素活性維持と恒常的利用に成功している。この限外濾過膜装置により糖化槽内でのグルコース濃度は１０重量％以下望ましくは５重量％程度に保ち、限外濾過膜の分画分子量値は、５，０００から５０，０００であり、出来れば１０，０００から３０，０００が好ましい。なお、限外濾過膜により分離されたグルコース水溶液は、予め濃縮器により１５〜２５重量％に濃縮した後に発酵槽に導入してエタノール化発酵を促進することが望まれる。【００２０】  前記の限外濾過膜装置より発酵槽へ導入されたグルコースはエタノールに変換され、更に連続蒸留塔により硫黄分等の不純物を含まない高純度のバイオマスエタノール生成物として取り出される。酵母を用いたエタノール発酵は周知された技術であり、嫌気下での発酵活性が高いザイモモナス菌体の利用も可能である。グルコースやエタノールに対する安定性が優れた酵母による発酵では、清酒、ビール、ウイスキー、ワイン、パン酵母等のいずれでも用いることが出来、酵母の増殖と発酵活性とを保つために生成するエタノールの濃度が１０〜１５重量％を越えないように留意する必要がある。グルコースが１００％エタノールに転換する場合、生成するエタノールの重量％は発酵槽に導入されたグルコースの重量％の半分に相当するので、濃度が１５重量％程度のグルコースを３７℃前後でエタノール発酵することが望ましい。【００２１】  前記のグルコースを酵母発酵法によりエタノールに変換する工程において、変換効率を向上させるために発酵槽内で酵母の育成と望ましく���増殖が不可欠であり、栄養となるグルコース以外にカゼインペプトン及びミネラル等が要求される。酵母の育成と増殖は、酵母抽出エキスのみで発酵効率を低下させることなくグルコースのエタノール化に成功しており、カゼインペプトンのみでも幾分発酵効率を低下させるものの利用を可能にすること見出している。発酵により得られたエタノールを蒸留により高濃度にすることにより、前述の硫酸法では生じうる硫黄成分等を含まないバイオマスエタノールを生成物として得られ、ガソリン添加剤燃料等として利用できることになる。【００２２】  前記糖化工程で糖化槽底部から排出する未反応分及び不溶成分は１００メッシュの濾布で回収し、発酵工程での発酵槽底部から排出する酵母及び滓は３００メッシュの濾布で回収し、両回収物は屋上緑化植生マット等に活用する。これら糖化及び発酵槽からの回収操作によりセルラーゼ酵素あるいは発酵酵母を幾分損失することになるので、必要により補充することが望ましい。【００２３】  前記の【００１５】〜【００２１】で述べた糖化工程前処理から発酵工程後処理までを直結したシステムプロセスとしてバイオマス原料から極めて収率良く、外部への環境負荷を低減した状態で、生成したバイオマスエタノールは硫黄成分等の不純物を含まない高純度の特性を維持出来る。
【実施例】  以下に、本発明の本質を確認することを目的として、本発明に係るバイオマスアルコールの製造工程の各工程を実験室的な簡易型反応装置を用いて行った実験結果によってさらに具体的に説明する。もとより本発明はこれら実施例に限定されるものではない。【００２４】実施例１  前処理、糖化、発酵の全行程における古紙セルロース変換の概要
図１に示した前処理、糖化、及び発酵の全行程において、前処理微粉化行程で得た約８０％のセルロース成分を含む古紙の３０〜１５０メッシュ（約８００〜１６０ミクロン）の粒径を持つ微粉体のいずれかの０．１ｋｇを１５．０重量％として糖化槽に入れ、１．５重量％のセルラーゼ酵素（たとえば、洛東化成工業株式会社製エンチロンＣＭ）を用い、ｐＨ５．０（発酵槽から排出する二酸化炭素のバブリングまたは０．１モル／リットル酢酸緩衝液で調製）、５０℃で約１日半反応を行った糖化行程で得られる生成グルコース量５６ｇは約６重量％に押さえられており（セルラーゼ酵素活性維持のため）、限外濾過膜装置で酵素は回収しグルコースは糖化槽からグルコース濃縮器へ導入する。グルコース濃縮器において、グルコース濃度をエタノール発酵で酵母が阻害を受けない１５重量％（５６ｇ量）まで濃縮してエタノール発酵槽へ送る。溶液全量１．５リットルとする発酵槽内において、エタノール耐性が高い「サッカロミセスセルビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ  ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）」（酵母の一種）のパン酵母１ｇを用い、グルコース１０重量％と酵母エキス１０重量％のみの系で発酵（３０℃）した場合、約１６時間でエタノール濃度が４．５重量％（変換率８９％）になることに留意して、１２重量％以下で発酵槽外に敷設した蒸留塔に送り、８０．０％エタノールにして貯蔵する。８０．０％エタノールは、さらに精密蒸留により９９．５％バイオマスエタノールとして製品化される。これらの詳細については、以下の実施例に呈示した。【００２５】実施例２  古紙の微粉化形状と吸水効果（前処理微粉化装置）
図２に示した前処理工程微粉化装置におけるスクリューフィーダーとカッターで古紙を微粉化粉砕する際、一方向に裁断されたものは毛羽立った繊維状の綿状になり吸水性が極めて高く、１０重量％以上の水溶液濃度にすると流動性を消失して糖化槽内での糖化反応を困難にする。一方、多方向に裁断されて微粉化されたものは微粉体となる。例えば、３０〜１５０メッシュ（約８００〜１６０ミクロン）の粒径を持つ微粉体は、それらの粒径によらずほぼ同じ吸水性を示し、４０重量％でも流動性を呈示して糖化反応に適した状態を取ることが判明した。したがって、前処理工程微粉化装置における原料の微粉化において、セルラーゼ酵素と反応性に富むと期待される毛羽立ち度の高い繊維状の形状への微粉化は避けることが肝要である（実施例３を参照）。【００２６】実施例３  糖化行程における古紙微粉体の粒径と形状の効果（前処理と糖化槽反応）
図３に示した糖化槽において、工業用水に入れて調整した濃度２．５、１０、２０及び３０重量％の３０、６０、１００及び１５０メッシュ（それぞれ、約８００、４００、２５０及び１６０ミクロン）の古紙微粉体をセルラーゼ酵素エンチロンＣＭ（洛東化成工業株式会社製）０．１重量％によりｐＨ５．０（０．１モル／リットル酢酸緩衝液または二酸化炭素バブリングで調製）、５０℃で糖化反応を３、８、１２及び２６時間行った結果、生成グルコース濃度は古紙微粉体濃度１０重量％、糖化時間３〜５時間まで比例して増大し、更なる微粉濃度と糖化時間の増加により次第に飽和していくが、古紙の粒径が小さいものが幾分良い結果を示すものの、粒径の異なりよる顕著な差は見られなかった。すなわち、【００１６】で記載した望ましいセルラーゼ酵素濃度の１〜５重量％を糖化工程で使用する限り、低活性なセルラーゼ酵素の使用を除き、微粉体の粒径が１〜２ミリメータ以下であれば粒径サイズによる著しい差はないものの、糖化槽内でのセルラーゼ酵素との接触頻度や拡散を考慮すると８００ミクロン（約３０メッシュ）以下が望ましいといえる。一方、古紙微粉化原料の形状の差異は糖化効率に著しく影響する。前記実施例で記載した通り、古紙を繊維化して毛羽立たせ綿状にした試料は極めて吸水性に富み、水溶液中で１０重量％以上の濃度にすると流動性を消失して糖化反応はかなり困難となる。この繊維化試料を凍結乾燥した後に水を加えて１０あるいは２０重量％にしたものと粒径２５０ミクロンの古紙微粉体１０あるいは２０重量％を上記と同一の条件下（０．１重量％酵素、ｐＨ５．０、５０℃）で２４時間糖化すると、微粉体の方が１．５倍程度グルコース化され易く、他の試料濃度あるいは酵素濃度においても微粉体の方が同程度にグルコース生成量を多くする。
また、上記と同一の条件下（０．１重量％酵素、ｐＨ５．０、５０℃）で２重量％の古紙微粉体（粒径２５０ミクロン）及び繊維状形状の古紙と段ボールを２４時間糖化すると、糖化率はそれぞれ４３％及び３０％と２７％となり、繊維状形状に比べて微粉体形状の方が糖化され易いことが示された。更に、上記古紙微粉体（粒径２５０ミクロン）に含まれる１０％前後のリグニンを３０％過酸化水素水と１％タングステン酸ソーダの利用した９０℃の脱リグニン反応で除去し、十分水洗した後に上記と同一の条件下（０．１重量％酵素、ｐＨ５．０、５０℃）で２４時間糖化すると、上述の４３％の糖化率が４８％に向上したが、顕著な変化ではなかった。したがって、糖化工程における古紙あるいは段ボール等の形状は繊維化して毛羽立たせ綿状にしたものでなく、微粉体であることが推奨され、更なる脱リグニン処理は不要として差し支えない。【００２７】実施例４  糖化工程における物質収支
糖化工程において、図３に示した糖化槽内に０．１ｋｇの古紙微粉体（セルロース約８０ｇ、リグニン約１０ｇ、インク分等の非反応物質約１０ｇ）とセルラーゼ酵素エンチロンＣＭ（洛東化成工業株式会社製）７．５ｇを３９２ミリリットルの工業用水入れ、二酸化炭素ブロアーによりｐＨ５．０に調製した糖化反応溶液を限外濾過膜装置の非稼働状態で約１日半、５０℃で糖化すると、糖化槽内はおおよそ６．０重量％のグルコース、１０．０重量％の未反応セルロース、５．０重量％のリグニン等の固形物、１．５重量％の酵素及び７５重量％の水分組成を持ち、ほぼ物質収支を満足することが判明した。この状態では、４４ｇの未反応セルロースを糖化槽内に残していることになり、限外濾過膜装置を稼働して約５５ｇ（６．０重量％）のグルコース水溶液を糖化槽外に放出することが出来る。【００２８】実施例５  糖化工程における二酸化炭素利用（糖化槽反応）
図３に示した糖化槽において、水素イオン濃度調整をｐＨ５．０の０．１モル／リットル酢酸緩衝液（ケース１）、ｐＨ５．５の二酸化炭素溶存液（ケース２）、又はｐＨ６．５の水道水（ケース３）で行い、２．０重量％の古紙微粉体（粒径２５０ミクロン）を０．１重量％のセルラーゼ酵素エンチロンＣＭ（洛東化成工業株式会社製）あるいはセルラーゼＸＰ−４２５（長瀬産業株式会社製）を用い５０℃で２４時間糖化したところ、エンチロンＣＭの場合の糖化率は５７．７％（ケース１）、５３．８％（ケース２）及び４３．８％（ケース３）となり、セルラーゼＸＰ−４２５の場合の糖化率は３４．６％（ケース１）、２８．５％（ケース２）及び１６．２％（ケース３）となった。この際、ｐＨ５．５の二酸化炭素溶存液は二酸化炭素を連続してバブリングしていないので、５０℃での糖化反応では溶存している二酸化炭素が次第に放出されるため、ｐＨは水道水のｐＨ６．５になっていくことを考慮しても、ｐＨ５．０の酢酸緩衝液（ケース１）の糖化率に比べて、二酸化炭素を利用した場合の糖化率は極端に劣っていないことがわかる。すなわち、糖化槽内に連続して二酸化炭素をバブリングした二酸化炭素溶液にすればｐＨ５．０を保持でき（飽和二酸化炭素水はｐＨ５．０以下）、糖化工程におけるセルラーゼ酵素の活性及び安定性の維持に使用する酢酸緩衝液に替わり二酸化炭素利用が可能であるといえる。【００２９】実施例６  糖化工程に付属する限外濾過膜の効果（限外濾過膜装置）
図３で示される糖化工程において、０．１重量％のセルラーゼ酵素エンチロンＣＭ（洛東化成工業株式会社製）による２重量％の２５０ミクロンサイズ古紙微粉体の糖化反応（ｐＨ５．５、５０℃）より生成したグルコースの糖化槽からの分離排出は、付属する限外濾過膜器の濾過膜分画分子量が５，０００、１０，０００、３０，０００、あるいは５０，０００のいずれを用いても成功するが、セルラーゼ酵素の回収は分画５，０００で目詰まりを生じ、分画５０，０００では酵素の素通りが多く、分画１０，０００〜３０，０００が適していることが判明した。すなわち、１気圧加圧下で１５分〜１時間の限外濾過でのセルラーゼ酵素の回収率は８２％以上（分画１０，０００）及び５８％以上（分画３０，０００）、４気圧加圧下で７０％以上（分画１０，０００）、０．２気圧加圧下において８７％以上（分画３０，０００）となり、限外濾過膜器にかける圧力も酵素回収に大きく影響した。さらに、回収したセルラーゼ酵素の活性は、上記の糖化反応における酵素１ミリグラム当たりのグルコース生成量が１．１０ミリグラム（新鮮なセルラーゼ酵素）〜１．２０ミリグラム（分画１０，０００、４．２気圧下７０％以上で回収したセルラーゼ酵素）と誤差範囲内で一致し、回収酵素の活性低下は全く見られなかった。したがって、糖化工程に付属する限外濾過膜装置の利用は、グルコースの糖化槽外への連続的排出によるセルラーゼ酵素のグルコース阻害の回避、糖化槽内へ返される回収酵素の長期間の活性発揮とグルコースの連続的生成をもたらし、極めて有用であることが明確となった。【００３０】実施例７  グルコースの簡易エタノール発酵（エタノール発酵槽）
図４で示した発酵する工程が３０℃あるいは３７℃に保たれた発酵槽内で「サッカロミセス  セルビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ  ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）」（酵母の一種）のパン用、清酒用ＪＣＭ１８１７及びＪＣＭ２２１４、ビール用ＪＣＭ５７１０、ウイスキー等の蒸留酒用酵母ＪＣＭ２２１５等を育成した結果、それらの増殖速度はいずれの場合もほとんど変わらなかったので、発酵槽内に１ｇのパン酵母が入った全量１．５リットルとなる状態で、１０重量％のグルコースのエタノール発酵を、グルコースと１０重量％酵母エキスと５重量％カゼインペプトンの系、グルコースと１０重量％酵母エキスの系、グルコースと５重量％カゼインペプトンの系、及びグルコースのみの系で行ったところ、３０℃、２０時間後のエタノールへの変換率はそれぞれ１００、８３、６５、及び２％となり、酵母エキスのみ使用によるグルコースの簡易型エタノール発酵が可能と判断された。ちなみに、上記反応での１０重量％グルコースと１０重量％酵母エキスと５重量％カゼインペプトンの系及び１０重量％グルコースと１０重量％酵母エキスの系での１６時間後のエタノールへの変換率は共に約８０％であった。また、上記の３０℃での発酵を３７℃に上げると、いずれの酵母においても発酵効率は如実に向上した。例えばパン酵母、ＪＣＭ１８１７、及びＪＣＭ２２１５の場合、１０時間の発酵でアルコールへのそれぞれの変換率（３０℃）である５０、６１、及び８６％が３７℃でそれぞれ１００、９１、及び１００％となり、３７℃の適応がより良いことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】古紙、段ボール等のセルロース系原料からバイオマスエタノールを製造する全工程
【図２】古紙、段ボール等のセルロース系原料を前処理微粉化する工程
【図３】前処理微粉体をセルラーゼ酵素によりグルコース化する糖化工程
【図４】得られたグルコースを発酵法によりエタノール化する工程
【符号の説明】
【００３２】１    前処理工程微粉化装置
２    原料ホッパー
３    スクリューフィーダー
４    多方向カッター
５    糖化工程糖化反応槽
６    糖化槽
７    予備攪拌機
８    二酸化炭素ブロアー
９    残渣フィルター
１０  限外濾過用ポンプ
１１  限外濾過膜装置
１２  グルコース濃縮槽
１３  濃縮加熱管
１４  発酵槽
１５  発酵槽攪拌機
１６  蒸留ポンプ
１７  蒸留塔
１８  蒸留塔コンデンサー
１９  エタノール貯蔵タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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