(57)【要約】【課題】パーム植物等、セルロースやヘミセルロースを含む各種のセルロース系バイオマスにおける樹液の搾汁率を従来よりも向上させる。【解決手段】セルロース系バイオマスを破砕し、さらに所定の前処理を施した上で搾汁処理するセルロース系バイオマスの搾汁方法であって、上記前処理は、セルロース系バイオマスを水に浸漬させる浸漬処理を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース系バイオマスを破砕し、さらに所定の前処理を施した上で搾汁処理するセルロース系バイオマスの搾汁方法であって、
前記前処理は、
前記セルロース系バイオマスに加水する加水処理と、
前記加水処理後のセルロース系バイオマスを所定時間に亘って放置する放置処理と  を含み、
前記加水処理では、予め測定された前記セルロース系バイオマスのＣＯＤ（Chemical Oxygen Demand）濃度に応じて加水量が設定されるセルロース系バイオマスの搾汁方法。
【請求項２】
前記セルロース系バイオマスは、オイルパームの幹である請求項１記載のセルロース系バイオマスの搾汁方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のセルロース系バイオマスの搾汁方法によって得られた樹液をメタン発酵処理するセルロース系バイオマスの気体燃料化方法。
【請求項４】
前記搾汁処理によって前記樹液が分離された搾り滓に糖化処理を施し、前記糖化処理によって得られた糖化液、または前記糖化液及び前記樹液をメタン発酵処理する請求項３記載のセルロース系バイオマスの気体燃料化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロース系バイオマスの搾汁方法及び気体燃料化方法に関する。
本願は、２０１４年１０月１０日に、日本に出願された特願２０１４−２０８７９６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、パーム油はオイルパーム（oil palm、和名：アブラヤシ）の果実から採取される植物油である。このようなパーム油は、東南アジアが主産地であり、大規模農園であるプランテーションで製造されている。例えば下記特許文献１には、上記オイルパームの幹（トランク）をバイオマス（生物由来の資源）として捉え、上記トランクから樹液（糖を含有する液）を搾る方法（搾汁方法）が開示されている。また、この特許文献１には、上記搾汁方法に用いるトランク用シュレッダ、並びに、このトランク用シュレッダと圧搾装置とを備えた搾汁システムが開示されている。
【０００３】
一方、下記特許文献２にも、トランクから樹液を採取する方法（樹液採取方法）が開示されている。このようなトランクに関する搾汁技術は、オイルパームの樹液に含まれる糖分を原料とするアルコール発酵や乳酸発酵によって、エタノール（バイオエタノール）や乳酸を製造するためのものである。
すなわち、現状では、トランクに含まれる全樹液のうち、搾汁処理によって分離できる割合が十分ではなく、分離できなかった樹液はトランクの搾汁バカス（絞り滓）とともに廃棄せざるを得ない状況であり、トランクのバイオマスとしての活用が十分ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特許第４６６５２５７号公報
【特許文献２】日本国特許第４４１８８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１や特許文献２の技術では、樹液の搾汁率が必ずしも十分ではないため、エタノールや乳酸の製造プラントを実用化する上でコストメリットが見出せなかった。すなわち、現状では、トランクに含まれる全樹液のうち、搾汁処理によって分離できる割合が十分ではなく、分離できなかった樹液をトランクとともに廃棄してしまっている状況である。したがって、オイルパーム、あるいは、このオイルパームを含むヤシ科の植物（パーム植物）の搾汁に関する技術分野では、バイオマスとしてのパーム植物を有効利用する上で、樹液の搾汁率をさらに向上させることが大きな技術課題となっている。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、パーム植物等、セルロースやヘミセルロースを含む各種のセルロース系バイオマスにおける樹液の搾汁率を従来よりも向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセルロース系バイオマスの搾汁方法に係る第１の態様は、セルロース系バイオマスを破砕し、さらに所定の前処理を施した上で搾汁処理するセルロース系バイオマスの搾汁方法であって、前記前処理は、前記セルロース系バイオマスに加水する加水処理と、この加水処理後のセルロース系バイオマスを所定時間に亘って放置する放置処理とを含み、前記加水処理では、予め測定された前記セルロース系バイオマスのＣＯＤ（Chemical Oxygen Demand）濃度に応じて加水量が設定される。
【０００８】
本発明のセルロース系バイオマスの搾汁方法に係る第２の態様は、上記第１の態様において、前記セルロース系バイオマスは、オイルパームの幹である。
【０００９】
本発明のセルロース系バイオマスの気体燃料化方法に係る第１の態様は、上記第１または２のセルロース系バイオマスの搾汁方法によって得られた樹液をメタン発酵処理する。
【００１０】
本発明のセルロース系バイオマスの気体燃料化方法に係る第２の態様は、上記第１の態様において、前記搾汁処理によって前記樹液が分離された搾り滓に糖化処理を施し、この糖化処理によって得られた糖化液、またはこの糖化液及び前記樹液をメタン発酵処理する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、搾汁処理の前処理がセルロース系バイオマスに加水する加水処理とこの加水処理後のセルロース系バイオマスを所定時間に亘って放置する放置処理とを含むので、パーム植物等、セルロースやヘミセルロースを含む各種のセルロース系バイオマスが含む樹液の搾汁率を従来よりも向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るセルロース系バイオマスの搾汁方法の処理工程を示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施形態におけるパーム幹Ｘ１の組織形態を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態における搾汁率（ＣＯＤ溶出率）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るセルロース系バイオマスの搾汁方法は、セルロース系バイオマスの一種であるオイルパームの幹（パーム幹Ｘ１）を搾汁対象とし、図１のステップＳ１〜Ｓ５からなる。また、本実施形態に係るセルロース系バイオマスの気体燃料化方法は、このようなセルロース系バイオマスの搾汁方法を利用したものであり、図１のステップＳ１〜Ｓ９からなる。
【００１４】
上記パーム幹Ｘ１は、パーム油の原料となる果実が十分に採取された後の老木であり、図２に示すように樹皮を除いた主要部が維管束Ａと柔組織Ｂとによって構成されている。維管束Ａは、パーム幹Ｘ１の軸方向に内部を貫く束状組織であり、水や養分等の液体を運搬及びパーム幹Ｘ１の機械的な支持を受け持つ。これに対して、柔組織Ｂは、パーム幹Ｘ１の軸方向に直交する方向において、維管束Ａの間に位置する組織、つまり維管束Ａ同士を接着する組織である。
【００１５】
この柔組織Ｂは、拡大して見ると、図２に示すように袋状に形成された組織（袋状組織）の集合体である。この袋状組織の内部には、糖分（五炭糖や六炭糖の遊離糖）を含む樹液やでん粉が包み込まれるように収容されている。また、この柔組織Ｂは、袋状であるが故に高い保水性を備えた組織である。このようなパーム幹Ｘ１は、水分を８０％近く含むセルロース系バイオマスであり、水分以外の成分として上記維管束Ａと柔組織Ｂとを約５０％の割合で含む。
【００１６】
最初の工程であるチップ化処理Ｓ１（破砕処理）では、このようなパーム幹Ｘ１を破砕機を用いて所定寸法の小片に破砕する。すなわち、このチップ化処理Ｓ１では、例えば直径３０〜６０ｃｍ、かつ、長さ１０ｍ程度の丸太状のパーム幹Ｘ１を例えば最大寸法２．０〜８．０ｃｍ程度のチップ（パームチップＸ２）に破砕する。このチップ化処理Ｓ１に用いる破砕機は、特別なものである必要はなく、パーム幹Ｘ１を小片に破砕できるものであればどのようなものでもよい。また、このようなパーム幹Ｘ１をチップ化することに代えて、パーム幹Ｘ１を小片化、シュレッド化あるいはピーリング化してもよい。
【００１７】
２番目の工程であるＣＯＤ濃度測定処理Ｓ２では、上記パームチップＸ２のＣＯＤ（Chemical Oxygen Demand）濃度（ｍｇ/ｌ）を測定する。
すなわち、このＣＯＤ濃度測定処理Ｓ２では、所定の圧搾機を用いることによりパーム幹Ｘ１から樹液を採取し、この樹液のＣＯＤ濃度を測定する。このＣＯＤ濃度は、パームチップＸ２に含まれる糖液の濃度（糖濃度）を示す指標である。従って、搾汁現場で測定する場合は、ＣＯＤ濃度以外にも簡易に糖度を測定するＢｒｉｘ糖度計やグルコースメーター、または簡易型有機物測定キット、色素変化による糖度測定キットなど、糖度や有機物濃度を短時間に測定出来る測定装置、キットで測定しても良い。なお、この糖濃度は、伐採前のパーム幹Ｘ１の生育状態や生育期間等によって変化する。
なお、本願で用いるＣＯＤ濃度は、二クロム酸カリウムにより計測するＣＯＤＣｒである。
【００１８】
３番目の工程である加水処理Ｓ３では、パームチップＸ２に所定重量の水（希釈水）を加える。この希釈水の重量（加水量）は、上記ＣＯＤ濃度測定処理Ｓ２によって測定された樹液のＣＯＤ濃度（糖濃度）に応じて決定される。すなわち、この加水処理Ｓ３では、原料であるパーム幹Ｘ１における樹液のＣＯＤ濃度が高い程多くの希釈水がパームチップＸ２に加えられ、加水パームチップＸ３となる。
【００１９】
詳細については後述するが、後段のメタン発酵処理Ｓ８との関係で希釈水の加水量はある程度制限される。また、希釈水は、温度が常温である常温水である必要はなく、好ましくは常温よりも加温した加温水でもよい。なお、この加温水の温度については特に制限はないが、エネルギー効率の面からあまり高い温度は好ましくない。
【００２０】
４番目の工程である放置処理Ｓ４では、上記加水パームチップＸ３を所定時間に亘って放置する。すなわち、この放置処理Ｓ４では、希釈水に浸漬された状態のパームチップＸ２を一定時間に亘って放置する。希釈水を添加した直後のパームチップＸ２の樹液濃度は、希釈水中における樹液濃度（添加直後は０％）よりも当然に低いが、この樹液の濃度勾配に起因する浸透圧によってパームチップＸ２中の樹液が希釈水中に溶出する。この結果として、希釈水中の樹液濃度が時間の経過と共に徐々に上昇する。
また場合によっては積極的に溶出を促すため、撹拌操作を施しても良い。人為的に撹拌しても構わないし、機械的に槽内部をゆっくりと撹拌させても構わない。また加水した水を循環させることも可能である。要するに希釈水中の樹液濃度が、短時間で上昇させる方法であればいずれも構わない。
【００２１】
表１は、この放置処理Ｓ４における希釈水のＣＯＤＣｒ濃度〔ｍｇ/ｌ〕、樹液の希釈水への溶出量（ＣＯＤ溶出量〔ｇ〕）及び樹液の溶出率（ＣＯＤ溶出率〔％〕）の一例を示す表である。また、図３は、この表１におけるＣＯＤ溶出率〔％〕をグラフ化した。なお、この例では、２００ｇのパームチップＸ２に４００ｇの希釈水（純水）を添加した。つまり、パームチップＸ２と希釈水との重量比率を１対２とし、経過時間〔ｈｒ〕とＣＯＤＣｒ濃度〔ｍｇ/ｌ〕、ＣＯＤ溶出量〔ｇ〕及びＣＯＤ溶出率〔％〕との関係を確認した。なお、この際の周囲環境温度は２５〜２８℃であった。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
これら表１及び図３が示すように、パームチップＸ２に希釈水を加えてから１２時間が経過すると、ＣＯＤ溶出率が７８．７％に上昇し、その後微増した後に低下傾向を示した。ＣＯＤ溶出率の最大値は、４８時間経過後及び７２時間経過後において８４．１％となった。また、各経過時間におけるＣＯＤＣｒ濃度及びＣＯＤ溶出量は、表１の通りである。なお、今回の実験では１２時間より短い経過時間についてはデータを取得しなかったが、ＣＯＤ溶出率は、上述した全体的な変化傾向からすると、パームチップＸ２に希釈水を加えた直後から比較的短時間のうちに７０％を超えると推察される。
【００２４】
ここで、上記ＣＯＤ濃度測定処理Ｓ２、加水処理Ｓ３及び放置処理Ｓ４は、チップ化処理Ｓ１で得られたパームチップＸ２を後段の搾汁処理Ｓ５で処理する際、つまりパームチップＸ２から樹液を分離・採取する際の前処理Ｆとして位置付けられる。すなわち、放置処理Ｓ４の結果である上記表１及び図３のＣＯＤ溶出率は、前処理Ｆに基づいて得られる樹液の搾汁率を示す。
【００２５】
このような前処理Ｆでは、放置処理Ｓ４において加水パームチップＸ３のＣＯＤＣｒ濃度を適宜測定することにより、ＣＯＤ溶出率が所定のしきい値（例えば８０％）を上回った時点で、加水パームチップＸ３の放置を終了する。すなわち、放置処理Ｓ４における放置時間は、加水パームチップＸ３の放置中に徐々に上昇するＣＯＤＣｒ濃度に基づいて決定される。本実施形態によれば、することが可能である。
【００２６】
なお、上記加水処理Ｓ３における希釈水を常温水ではなく加温水とすることにより、上記樹液の濃度勾配に加えて、樹液と希釈水との温度勾配をも利用し、以って放置処理Ｓ４におけるＣＯＤ溶出率、つまりパームチップＸ２から分離される樹液の搾汁率を向上させることができる。
【００２７】
５番目の工程である搾汁処理Ｓ５では、上記放置処理Ｓ４の処理液つまり放置済み加水パームチップＸ４を固液分離する。すなわち、この搾汁処理Ｓ５では、例えば遠心分離機や圧搾装置を用いることにより希釈水とパームチップＸ２から溶出した樹液との混合液Ｘ５がパームチップＸ２の固形分（搾り滓Ｘ６）から分離される。上記混合液Ｘ５は、上述した前処理Ｆによって表１に示すようなＣＯＤＣｒ濃度の樹液混合水である。なお、この搾汁処理Ｓ５に用いる分離装置として、上記遠心分離機や圧搾装置に代えて例えばロータリースクリーン等のスクリーン装置を用いてもよい。
【００２８】
このような本実施形態に係わる搾汁方法によれば、上述した前処理Ｆ、つまりＣＯＤ濃度測定処理Ｓ２、加水処理Ｓ３及び放置処理Ｓ４からなる一連の処理を採用するので、８０％を超す高いＣＯＤ溶出率（樹液の搾汁率）を実現することが可能である。また、樹液の搾汁に要する処理内容が極めて簡便なので、樹液の搾汁に要するコストを低コストに抑えることが可能である。
【００２９】
ここで、表２は、本実施形態に係わる搾汁方法に対する比較例１〜４を示す。すなわち、これら比較例１〜４は、何れもパームチップＸ２に機械的な処理を施すことにより、上述した柔組織Ｂを破壊して樹液を分離・回収した場合における回収液（上澄み液）のＣＯＤＣｒ濃度〔ｍｇ/ｌ〕及びＣＯＤ回収率〔％〕を示している。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
比較例１は、パームチップＸ２と希釈水との重量比率を１対２とした５００ｇのサンプルを増幸産業製の湿式カッター（ブレード数：１４枚、目開き１．３ｍｍ）で破断処理した後、遠心分離処理して得られた上澄み液に関する。比較例２は、上記サンプルを増幸産業製の湿式カッター（ブレード数：１４枚、目開き１．３ｍｍ）で破断処理することに加え、同じく増幸産業製の湿式ミル（クリアランス：１６０μｍ、回転数：１５００ｒｐｍ）で摩砕処理した後、遠心分離処理して得られた上澄み液に関する。
【００３２】
比較例３は、上記比較例２における湿式ミルのクリアランス１を１６０μｍから８０μｍに変更し、遠心分離処理して得られた上澄み液に関する。さらに、比較例４は、湿式ミルによる摩砕処理を２回行ったもの、つまり１回目ではクリアランスを２４０μｍ、回転数を３０００ｒｐｍに設定し、２回目ではクリアランスを８０μｍ、回転数を１５００ｒｐｍに設定して摩砕処理を行い、さらに遠心分離処理して得られた上澄み液に関する。
【００３３】
このような比較例１〜４では、最も高いＣＯＤ回収率（樹液の搾汁率）が比較例３の７５．１％であるが、この７５．１％は、本実施形態に係わる搾汁方法におけるＣＯＤ溶出率（樹液の搾汁率）よりも大幅に低い。したがって、本実施形態に係わる搾汁方法は、パーム幹Ｘ１から樹液を搾汁するに際して、極めて効率の高い搾汁方法である。
【００３４】
次に、６番目の工程である糖化処理Ｓ６では、搾汁処理Ｓ５によって得られた搾り滓Ｘ６（搾汁バカス）を加水分解することにより可溶化（単糖化及び／又は遊離糖化）する。この糖化処理Ｓ６では、例えば酵素糖化法や微生物糖化法に基づいて搾り滓Ｘ６を加水分解することにより、五炭糖や六炭糖の単糖を生成する。
【００３５】
周知のように、パーム幹Ｘ１等のセルロース系バイオマスあるいは木質系バイオマスは、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを主成分とする。酵素糖化法は、これら主成分のうちセルロース及びヘミセルロースを糖化酵素の存在下で加水分解する。搾り滓Ｘ６にはパーム幹Ｘ１の柔組織Ｂ中に含まれるでん粉顆粒が残留することが考えられるが、このようなでん粉顆粒をアミラーゼ又はグルコアミラーゼの存在下で十分に加水分解することができる。
【００３６】
なお、本実施形態における「糖化処理」は、セルロースやヘミセルロースを必ずしも単糖や遊離糖に分解する必要はなく、搾り滓Ｘ６（搾汁バカス）が加水分解することによって液化あるいは可溶化する程度のものでもよく、さらにはセルロースやヘミセルロースを単糖や遊離糖よりもさらに分解してもよい。
【００３７】
すなわち、糖化処理Ｓ６では、搾り滓Ｘ６中のセルロースが加水分解することによって六炭糖が生成され、一方、同じく搾り滓Ｘ６中のヘミセルロースが加水分解することによって五炭糖が生成される。このような加水分解によって生成された単糖（五炭糖や六炭糖）は、水溶性であり、よって水中に溶け込む。したがって、糖化処理Ｓ６によって得られる糖化済み液Ｘ７は、リグニンを主成分とする固形物と単糖が水に溶け込んだ糖化液Ｘ８とからなる固液混合水である。
【００３８】
また、糖化処理は、Clostridium thermocellumを用いた微生物糖化法でもよい。特に、本願発明者らは、Clostridium thermocellumとThermoanaerobacter brockiiの共培養系により、グルカン６２．５％、キシラン３９％の分解が得られることを見出した。そのため、Clostridium thermocellumとThermoanaerobacter brockiiの共培養系により、高い効率で糖化処理を行うことができる。
【００３９】
７番目の工程である固液分離処理Ｓ７では、このような糖化済み液Ｘ７を固液分離する。すなわち、遠心分離機等の固液分離装置を用いることによって糖化済み液Ｘ７から糖化液Ｘ８を分離する。そして、この糖化液Ｘ８は、原料として後段のメタン発酵処理Ｓ８に提供される。
【００４０】
８番目の工程であるメタン発酵処理Ｓ８では、上記混合液Ｘ５（糖液）及び糖化液Ｘ８を原料とするメタン発酵によってメタンガス及び二酸化炭素を主成分とするバイオガスＸ９を発生させる。メタン発酵は、周知のように嫌気性の有機物分解処理、つまり嫌気性微生物であるメタン菌の作用によって有機物を分解することにより、メタンガス及び二酸化炭素を主成分とする消化ガス（バイオガス）を発生させる反応系である。
【００４１】
ここで、メタン発酵処理Ｓ８では、メタン発酵の原料となる混合液Ｘ５（糖液）及び糖化液Ｘ８をある程度加温することによりメタン菌の活性を維持する必要があるが、この加温に要するエネルギー効率を考慮すると、混合液Ｘ５（糖液）及び糖化液Ｘ８における糖濃度は高い方が好ましい。そして、このような背景から、混合液Ｘ５を得る際に加水処理Ｓ３でパームチップＸ２に加える希釈水の添加量が制限される。
【００４２】
９番目の工程である発電処理Ｓ９では、上記バイオガスＸ９を燃料として内燃機関を駆動することにより発電する。すなわち、発電処理Ｓ９では、バイオガスＸ９を燃焼器で燃焼させることにより動力を発生させ、この動力で発電機を駆動することにより電力を発生させる。このような発電処理Ｓ９で発生させた電力は、例えばチップ化処理Ｓ１、加水処理Ｓ３等の動力源を作動させるために利用される。
【００４３】
このような本実施形態に係る気体燃料化方法によれば、本実施形態に係わる搾汁方法によって樹液の搾汁率を従来よりも向上させることができるので、気体燃料であるバイオガスＸ９の発生効率を従来よりも向上させることができる。したがって、本実施形態によれば、高効率な樹液の搾汁とバイオガスＸ９の発生とを実現することが可能である。
【００４４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態に係るセルロース系バイオマスの搾汁方法及びセルロース系バイオマスの気体燃料化方法では、セルロース系バイオマスの一種であるパーム幹Ｘ１を搾汁対象としたが、本発明はこれに限定されない。糖分を含む樹液を有するセルロース系バイオマスには、パーム幹Ｘ１の他にパーム葉柄、バナナ、サトウキビ、トウモロコシ、キャッサバ、サゴ椰子、ニッパ椰子、ヤムイモ、ソルガム、馬鈴薯、バナナ幹や葉、セルロースと樹液（またはジュース）、セルロース・でん粉・樹液（またはジュース）からなる作物等、種々の植物があるので、本発明は、各種のセルロース系バイオマスに適用可能である。
【００４５】
（２）上記実施形態では、パームチップＸ２（つまりパーム幹Ｘ１）のＣＯＤ濃度を予め測定し、その計測値に応じて加水量を設定したが、本発明はこれに限定されない。例えば、加水量を固定値としてもよい。
【００４６】
（３）上記実施形態では、加水パームチップＸ３のＣＯＤＣｒ濃度〔ｍｇ/ｌ〕に基づいて加水パームチップＸ３の放置を終了したが、本発明はこれに限定されない。例えば、固定値として規定した放置時間が経過した時点で、加水パームチップＸ３の放置を無条件に終了してもよい。
【００４７】
（４）上記実施形態に係るセルロース系バイオマスの気体燃料化方法では、糖化処理Ｓ６及び固液分離処理Ｓ７を行うことにより搾り滓Ｘ６から糖化液Ｘ８を取得したが、本発明はこれに限定されない。糖化処理Ｓ６及び固液分離処理Ｓ７を削除することにより、混合液Ｘ５のみを原料としてメタン発酵処理Ｓ８に供給してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明によれば、パーム植物等、セルロースやヘミセルロースを含む各種のセルロース系バイオマスにおける樹液の搾汁率を従来よりも向上させることができる。
【符号の説明】
【００４９】
Ｘ１  パーム幹（セルロース系バイオマス）
Ｘ２  パームチップ
Ｘ３  加水パームチップ
Ｘ４  放置済み加水パームチップ
Ｘ５  混合液
Ｘ６  搾り滓
Ｘ７  糖化済み液
Ｘ８  糖化液
Ｘ９  バイオガス（気体燃料）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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