(57)【要約】  リグノセルロース系バイオマス処理装置（１００）は、外周に螺旋状のスクリュー溝（１１０ａ，１１０ｂ）が形成された、少なくとも１個のスクリュー（１１０）と、スクリュー（１１０）のスクリュー溝（１１０ａ，１１０ｂ）が形成された部分を取り囲む、内周に螺旋状のバレル溝（１２０ａ）が形成されたバレル（１２０）と、スクリュー（１１０）とバレル（１２０）との隙間（１３５）にリグノセルロース系バイオマスを投入するための投入部（１３０）と、を備える。スクリュー（１１０）が回転することで、隙間（１３５）においてリグノセルロース系バイオマスを加圧しながら挽砕する。
2015098946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に螺旋状のスクリュー溝が形成された、少なくとも１個のスクリューと、
前記スクリューの前記スクリュー溝が形成された部分を取り囲む、内周に螺旋状のバレル溝が形成されたバレルと、
前記スクリューと前記バレルとの隙間にリグノセルロース系バイオマスを投入するための投入部と、
を備え、
前記スクリューが回転することで、前記隙間において前記リグノセルロース系バイオマスを加圧しながら挽砕する、
ことを特徴とするリグノセルロース系バイオマス処理装置。
【請求項２】
前記バレルの前端部近傍に設けられた、挽砕した前記リグノセルロース系バイオマスを加熱する加熱部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のリグノセルロース系バイオマス処理装置。
【請求項３】
前記バレルの前端部に、吐出口を有する圧縮部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のリグノセルロース系バイオマス処理装置。
【請求項４】
前記スクリュー溝の深さは、前方に向かうにしたがって浅くなる、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリグノセルロース系バイオマス処理装置。
【請求項５】
前記バレル溝の幅は、前方に向かうにしたがって狭くなる、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリグノセルロース系バイオマス処理装置。
【請求項６】
前記スクリュー溝は、底面と、該底面から所定の角度で立ち上がった２つの側面と、前記２つの側面の少なくとも一方から所定の角度で立ち上がった側面と、から構成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のリグノセルロース系バイオマス処理装置。
【請求項７】
前記スクリュー溝において、前端側の溝ピッチは、後端側の溝ピッチよりも小さい、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のリグノセルロース系バイオマス処理装置。
【請求項８】
前記スクリューを２個備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のリグノセルロース系バイオマス処理装置。
【請求項９】
外周に螺旋状のスクリュー溝が形成された、少なくとも１個のスクリューと、前記スクリューの前記スクリュー溝が形成された部分を取り囲む、内周に螺旋状のバレル溝が形成されたバレルと、の隙間において、前記スクリューを回転させることで、リグノセルロース系バイオマスを加圧しながら挽砕する挽砕工程と、
前記バレルの前端部近傍に設けられた加熱部により、挽砕した前記リグノセルロース系バイオマスを加熱する加熱工程と、
を含むリグノセルロース系バイオマスの処理方法。
【請求項１０】
前記加熱工程の後に、挽砕したリグノセルロース系バイオマスをパッフィングする工程をさらに含む、
ことを特徴とする請求項９に記載のリグノセルロース系バイオマスの処理方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の処理方法により得られたリグノセルロース系バイオマス処理物。
【請求項１２】
請求項１１に記載のリグノセルロース系バイオマス処理物を糖化する工程を含む、
ことを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リグノセルロース系バイオマス処理装置、リグノセルロース系バイオマスの処理方法、リグノセルロース系バイオマス処理物及びリグノセルロース系バイオマスの糖化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化が問題となっている昨今、二酸化炭素排出量を抑える目的で、リグノセルロース系バイオマス原料を用いたバイオエタノールの製造が注目されている。【０００３】
リグノセルロース系バイオマスは、大きく草本系と木質系とに分類され、セルロースがリグニン及びセミヘルロースに強固に結びついたリグノセルロースを含むことを特徴としている。【０００４】
リグノセルロース系バイオマスからバイオエタノールを製造する場合には、リグノセルロース系バイオマス中の多糖類を、酵素や強酸を用いて加水分解（糖化）させて単糖に分解する必要がある。しかし、リグノセルロースは、細胞壁中のセルロース分子の規則的な凝集によってセルロース繊維が形成されているため、酵素や酸といった生化学的又は化学的処理に対して非常に強い分解抵抗を示す。このため、リグノセルロース系バイオマスの糖化効率が低くなるという問題があった。【０００５】
そこで、リグノセルロース系バイオマスの糖化効率を上げるための前処理方法について研究が進められており、いくつか報告がなされている。【０００６】
特許文献１には、リグノセルロース系バイオマス原料を加圧熱水で処理する工程、その熱水処理物を機械的粉砕処理する工程を含む処理方法が開示されている。【０００７】
また、特許文献２には、セルロース系物質と水などの解繊物質とを混合してボールミル等により機械的粉砕を行う方法が開示されている。【０００８】
また、特許文献３には、セルロースを原料として糖類に加水分解するための前処理工程が記載されている。この前処理工程では、前処理容器に導入された粗粉砕処理されたセルローススラリーを、温度が１４０〜２２０℃及び圧力が当該温度におけるスラリーの飽和圧力以上となる高温高圧下で湿式粉砕する。【０００９】
また、特許文献４には、バイオマス原料を、下端部から傾斜型装置本体の内部に搬送スクリューにより搬送するとともに、バイオマス原料の供給箇所とは異なる上端部側から加圧熱水を装置本体内部に供給し、バイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解装置が開示されている。【００１０】
また、特許文献５には、リグノセルロースをオゾン雰囲気下で脆弱化させるオゾン処理工程と、リグノセルロースをボールミル等で機械的に粉砕する粉砕工程と、を含む方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−１３６２６３号公報
【特許文献２】特開２００８−２７４２４７号公報
【特許文献３】特開２００９−２８４８６７号公報
【特許文献４】特開２０１０−０２９８６２号公報
【特許文献５】特開２０１２−１９３３５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の方法では、合計で数時間〜数十時間の処理時間を要するものであり、処理時間の長さの点で課題を残していた。また、特許文献３に記載の方法では、加圧ポンプを用いるため、大掛かりな設備を要するものであった。また、特許文献４に記載の装置は、バイオマス供給装置、装置本体及びバイオマス抜出装置で構成されるため、同様に、設備が大掛かりになっていた。また、特許文献５に記載の方法では、オゾン処理工程を含むため、処理時間が長くなるとともに処理工程が煩雑になるという難点を有していた。【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、短時間かつ低コストでリグノセルロース系バイオマスを処理することのできるリグノセルロース系バイオマス処理装置及びリグノセルロース系バイオマスの処理方法、リグノセルロース系バイオマス処理物並びにリグノセルロース系バイオマスの糖化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るリグノセルロース系バイオマス処理装置は、
外周に螺旋状のスクリュー溝が形成された、少なくとも１個のスクリューと、
前記スクリューの前記スクリュー溝が形成された部分を取り囲む、内周に螺旋状のバレル溝が形成されたバレルと、
前記スクリューと前記バレルとの隙間にリグノセルロース系バイオマスを投入するための投入部と、
を備え、
前記スクリューが回転することで、前記隙間において前記リグノセルロース系バイオマスを加圧しながら挽砕する。【００１５】
例えば、前記バレルの前端部近傍に設けられた、挽砕した前記リグノセルロース系バイオマスを加熱する加熱部をさらに備える。【００１６】
例えば、前記バレルの前端部に、吐出口を有する圧縮部をさらに備える。【００１７】
例えば、前記スクリュー溝の深さは、前方に向かうにしたがって浅くなる。【００１８】
例えば、前記バレル溝の幅は、前方に向かうにしたがって狭くなる。【００１９】
例えば、前記スクリュー溝は、底面と、該底面から所定の角度で立ち上がった２つの側面と、前記２つの側面の少なくとも一方から所定の角度で立ち上がった側面と、から構成されている。【００２０】
例えば、前記スクリュー溝において、前端側の溝ピッチは、後端側の溝ピッチよりも小さい。【００２１】
例えば、前記スクリューを２個備える。【００２２】
本発明の第２の観点に係るリグノセルロース系バイオマスの処理方法は、
外周に螺旋状のスクリュー溝が形成された、少なくとも１個のスクリューと、前記スクリューの前記スクリュー溝が形成された部分を取り囲む、内周に螺旋状のバレル溝が形成されたバレルと、の隙間において、前記スクリューを回転させることで、リグノセルロース系バイオマスを加圧しながら挽砕する挽砕工程と、
前記バレルの前端部近傍に設けられた加熱部により、挽砕した前記リグノセルロース系バイオマスを加熱する加熱工程と、
を含む。【００２３】
例えば、前記加熱工程の後に、挽砕したリグノセルロース系バイオマスをパッフィングする工程をさらに含む。【００２４】
本発明の第３の観点に係るリグノセルロース系バイオマス処理物は、本発明の第２の観点に係るリグノセルロース系バイオマスの処理方法により得られる。【００２５】
本発明の第４の観点に係るリグノセルロース系バイオマスの糖化方法は、本発明の第３の観点に係るリグノセルロース系バイオマス処理物を糖化する工程を含む。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、短時間かつ低コストでリグノセルロース系バイオマスを処理することのできるリグノセルロース系バイオマス処理装置及びリグノセルロース系バイオマスの処理方法、リグノセルロース系バイオマス処理物並びにリグノセルロース系バイオマスの糖化方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態であるリグノセルロース系バイオマス処理装置の内部構造を模式的に表した側面図である。
【図２】スクリューの外周に形成されたスクリュー溝に着目したスクリューの部分側面図である。
【図３】本発明の他の実施形態であるリグノセルロース系バイオマス処理装置の内部構造を模式的に表した側面図である。
【図４】本発明の他の実施形態であるリグノセルロース系バイオマス処理装置の内部構造を模式的に表した側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２９】
まず、本発明の実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス処理装置１００について説明する。
【００３０】
図１は、本発明の実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス処理装置１００の全体及び内部構造を模式的に示した部分断面図である。以下、同図を参照してリグノセルロース系バイオマス処理装置１００の構成について説明する。
【００３１】
なお、本明細書において、リグノセルロース系バイオマス処理装置１００の前後の向きは、図１で示される通りであり、図中右側を前方、図中左側を後方とする。
【００３２】
本発明の実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス処理装置１００は、リグノセルロース系バイオマスを処理するための装置である。本装置は、リグノセルロース系バイオマスを効率良く挽砕することでリグニンの交絡を解いて多糖類成分を露出させることができる。このため、本装置により得られたリグノセルロース系バイオマス処理物を糖化反応に用いると、糖化効率を顕著に向上させることができる。
【００３３】
本明細書において、“リグノセルロース系バイオマス”とは、植物体の茎葉、根、幹、穂、花、果実など、植物に由来する組織や器官を意味し、大きく草本系と木質系とに分類される。草本系のリグノセルロース系バイオマスとしては、トウモロコシ（コーンダスト、ブロークンコーン、コーンストーバーなど）、稲、小麦、大麦、燕麦、サトウキビ、ソルガム、エリアンサス、ミスカンサス、ネピアグラス、ススキ、スイッチグラス等を用いることができる。また、牧草、単子葉類の雑草や双子葉植物の茎葉などを用いることもできる。木質系のリグノセルロース系バイオマスとしては、針葉樹、広葉樹、裸子植物等の幹、枝、葉、実などを挙げることができる。本発明の効果を奏するリグノセルロース系バイオマスであれば、適宜用いることができる。以上のようなリグノセルロース系バイオマスを、長さ及び幅をともに２０ｍｍ以下に剪断して用いる。
【００３４】
図１に示すように、本発明の実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス処理装置１００は、スクリュー１１０と、バレル１２０と、投入部１３０と、圧縮部１４０と、加熱部１５０と、軸受１７０と、を備える。なお、図１においては、リグノセルロース系バイオマス処理装置１００の内部構造が容易に理解できるように、スクリュー１１０以外の部材については、図に平行な平面で切断した状態を示している。
【００３５】
スクリュー１１０は、略円柱状をなし、後端に取り付けられた駆動装置（不図示）に駆動されて回転軸Ｒを中心に回転する。スクリュー１１０は、リグノセルロース系バイオマス処理装置１００を後方から見た場合に、駆動装置（不図示）によって反時計回りに回転するように駆動される。本発明の実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス処理装置１００においては、スクリュー１１０が１個備えられている。
【００３６】
スクリュー１１０の外周には、互いにピッチが異なる、前端側の第１のスクリュー溝１１０ａと、後端側の第２のスクリュー溝１１０ｂと、が螺旋状に形成されている。第１のスクリュー溝１１０ａは、スクリュー１１０の前方端から所定の範囲に設けられた、ピッチＰ１（前端側の溝ピッチ）（図２）の螺旋状の溝である。第２のスクリュー溝１１０ｂは、第１のスクリュー溝１１０ａの後方であり所定の範囲に設けられた、第１のスクリュー溝１１０ａのピッチＰ１よりも大きなピッチＰ２（後端側の溝ピッチ）（図２）で形成された螺旋状の溝である。なお、図１に示すように、本明細書において、スクリュー１１０に第２のスクリュー溝１１０ｂが設けられた領域を、リグノセルロース系バイオマス処理装置１００の“輸送及び圧縮領域”と称し、スクリュー１１０に第１のスクリュー溝１１０ａが設けられた領域を、リグノセルロース系バイオマス処理装置１００の“挽砕領域”と称する場合がある。
【００３７】
第１のスクリュー溝１１０ａは、図２に示すように、第１の底面１１１と、この第１の底面１１１の一方のサイドから立ち上がった第１の側面１１１ａと、この第１の底面１１１の他方のサイドから立ち上がった第２の側面１１１ｂと、この第２の側面１１１ｂの第１の底面１１１側サイドとは反対側のサイドから立ち上がった第３の側面１１１ｃと、から形成されている。第１の側面１１１ａは、第１の底面１１１から交差角度θ１で立ち上がっており、その交差位置には丸みのない第１のエッジ部１１２ａが形成されている。第２の側面１１１ｂは、第１の底面１１１から交差角度θ２で立ち上がっており、その交差位置には丸みのない第２のエッジ部１１２ｂが形成されている。第３の側面１１１ｃは、第２の側面１１１ｂから交差角度θ２’で立ち上がっており、その交差位置には丸みのない第３のエッジ部１１２ｃが形成されている。交差角度θ１は交差角度θ２及びθ２’よりも小さい。
【００３８】
第２のスクリュー溝１１０ｂは、図２に示すように、第２の底面１１５と、この第２の底面１１５の一方のサイドから立ち上がった第４の側面１１５ａと、この第２の底面１１５の他方のサイドから立ち上がった第５の側面１１５ｂと、この第５の側面１１５ｂの第２の底面１１５側サイドとは反対側のサイドから立ち上がった第６の側面１１５ｃと、から形成されている。第４の側面１１５ａは、第２の底面１１５から交差角度θ３で立ち上がっており、その交差位置には丸みのない第４のエッジ部１１６ａが形成されている。第５の側面１１５ｂは、第２の底面１１５から交差角度θ４で立ち上がっており、その交差位置には丸みのない第５のエッジ部１１６ｂが形成されている。第６の側面１１５ｃは、第５の側面１１５ｂから交差角度θ４’で立ち上がっており、その交差位置には丸みのない第６のエッジ部１１６ｃが形成されている。交差角度θ３は交差角度θ４及びθ４’よりも小さい。
【００３９】
このように、スクリュー１１０には、フラットカットタイプではなく、丸みのないエッジ部を各々有する第１のスクリュー溝１１０ａ、第２のスクリュー溝１１０ｂが形成されている。この丸みのないエッジ部によって、効率良くリグノセルロース系バイオマスを挽砕することができ、その結果、リグノセルロース系バイオマス中のリグニンの交絡を解いて多糖類成分を露出させることができる。
【００４０】
スクリュー１１０が、上述した駆動装置（不図示）により駆動されて回転することで、後述するように、リグノセルロース系バイオマスをバレル１２０とともに加圧しながら挽砕する。なお、上述したように、第１のスクリュー溝１１０ａのピッチＰ１（図２）を、第２のスクリュー溝１１０ｂのピッチＰ２（図２）よりも小さくすることによって、リグノセルロース系バイオマスに対する押圧力を、スクリュー１１０の前方に向かうほど高めることができ、その結果、効率良くセルロース系バイオマスを挽砕することができる。
【００４１】
また、図１に示すように、第１のスクリュー溝１１０ａ及び第２のスクリュー溝１１０ｂの深さは、前方に向かうにしたがって浅くなっている。第１のスクリュー溝１１０ａの最前端の溝の深さＤ１と、第２のスクリュー溝１１０ｂの最後端の溝の深さＤ２と、の比は、７０：１００である（Ｄ１：Ｄ２＝７０：１００）（図１）。このように第１のスクリュー溝１１０ａ及び第２のスクリュー溝１１０ｂの深さが、前方に向かうにしたがって浅くなっていることで、リグノセルロース系バイオマスに対する押圧力を、スクリュー１１０の前方に向かうほど高めることができ、その結果、効率良くリグノセルロース系バイオマスを挽砕することができる。
【００４２】
なお、図１に示すように、スクリュー１１０の谷の径Ａは、前方に向かうにしたがって大きくなり、スクリュー１１０の外径Ｂは、後端から前端まで一定である。
【００４３】
バレル１２０は、図１に示すように、略円筒状をなした筒状部１２１と、筒状部１２１の端部に設けられ軸受１７０に固定される鍔部１２２とを有している。バレル１２０（鍔部１２２）と軸受１７０との固定は、ボルト止めや溶接止め等の公知の方法を用いることができる。バレル１２０は、筒状部１２１と鍔部１２２とを連通する内部空間にスクリュー１１０の一部を収容する。これにより、第１のスクリュー溝１１０ａ、及び第２のスクリュー溝１１０ｂが形成されたスクリュー１１０の一部は、バレル１２０により取り囲まれる。
【００４４】
図１に示すように、バレル１２０の内周には、螺旋状のバレル溝１２０ａが形成されている。バレル溝１２０ａは、スクリュー１１０と相まってリグノセルロース系バイオマスを挽砕する役割を有する。バレル溝１２０ａの存在によってリグノセルロース系バイオマスとバレル１２０内周との間の摩擦力が増大し、効率良くリグノセルロース系バイオマスを挽砕することができる。バレル溝１２０ａは、各角部に丸みを帯びた波型状に形成されている（図１）。バレル溝１２０ａをこのような形状とすることにより、リグノセルロース系バイオマスは、バレル溝１２０ａの角部に引っ掛かることがなく、スムーズに前方に進むことができる。また、バレル溝１２０ａの幅は、前方に向かうにしたがって狭くなっている。最前端のバレル溝１２０ａの幅Ｗ１と、最後端のバレル溝１２０ａの幅Ｗ２と、の比は、２０：１００である（Ｗ１：Ｗ２＝２０：１００）（図１）。このように、バレル溝１２０ａの幅が、前方に向かうにしたがって狭くなっていることで、リグノセルロース系バイオマスに対する押圧力を、スクリュー１１０の前端の方向に向かうほど高めることができ、その結果、効率良くセルロース系バイオマスを挽砕することができる。
【００４５】
軸受１７０は、バレル１２０の鍔部１２２を保持するとともに、スクリュー１１０を回転可能に支持する。軸受１７０は、軸受面１７０ａを有しており、挿通されたスクリュー１１０のジャーナル部１１０ｄからの力を受け持つ。これにより、スクリュー１１０は軸受１７０により回転可能に支持され、スクリュー１１０はぶれることなく安定して回転することができる。
【００４６】
なお、スクリュー１１０及びバレル１２０の全長（前後方向の長さ）は、リグノセルロース系バイオマスの硬さによって適宜調整する。すなわち、硬い原料（リグノセルロース系バイオマス）を用いる場合には、十分に挽砕するために、スクリュー１１０及びバレル１２０の全長を長くする。また、原料の長さ及び幅が大きい場合及び木質系の原料を用いる場合には、確実に挽砕するために、前方に向かって“挽砕領域”の全長を十分な長さとするようにスクリュー１１０及びバレル１２０を設計する。
【００４７】
投入部１３０は、スクリュー１１０とバレル１２０との隙間１３５にリグノセルロース系バイオマスを投入するためのものである。投入部１３０は、バレル１２０の筒状部１２１を外面から貫き、バレル１２０内部に連通する投入口１３０ａを有している。なお、投入部１３０が取り付けられる位置は、バレル１２０の後部側である。投入部１３０を介して隙間１３５に投入されたリグノセルロース系バイオマスは、回転するスクリュー１１０によって、隙間１３５において挽砕される。より具体的には、まず、投入されたリグノセルロース系バイオマスは、スクリュー１１０の第２のスクリュー溝１１０ｂと、バレル１２０のバレル溝１２０ａと、に入り込み、リグノセルロース系バイオマス処理装置１００の“輸送及び圧縮領域”（図１）において、スクリュー１１０の回転によって輸送され、徐々に圧縮される。そして、リグノセルロース系バイオマス処理装置１００の“挽砕領域”（図１）において、スクリュー１１０の回転によりスクリュー１１０に形成された山部１１０ｃが移動することよって、バレル１２０のバレル溝１２０ａに入り込んだリグノセルロース系バイオマスが山部１１０ｃによりすり砕かれ、また、第１のスクリュー溝１１０ａに入り込んだリグノセルロース系バイオマスが山部１１０ｃの移動に伴って移動して、バレル１２０に形成された山部１２０ｂによりすり砕かれる。このように隙間１３５において挽砕されたリグノセルロース系バイオマスは、スクリュー１１０が回転することで移動する山部１１０ｃにより、“輸送及び圧縮領域”、“挽砕領域”を経て、圧縮部１４０の内部（後述）に徐々に送り込まれる。
【００４８】
加熱部１５０は、図１に示すように、バレル１２０の前端部近傍を取り囲むように設置されている。加熱部１５０は、電力により発熱し、隙間１３５において挽砕されたリグノセルロース系バイオマスを１１０〜１８０℃に加熱する。リグノセルロース系バイオマスを１１０〜１８０℃に加熱することで、リグニンの交絡を解いて多糖類成分を露出させやすくすることができる。加熱によってリグニンの交絡の解消が促進されるのは、リグノセルロース系バイオマス中に含まれる水分が加熱されて、リグノセルロース系バイオマスがいわば蒸し焼き状態で加圧されつつ挽砕されるためであると考えられる。
【００４９】
圧縮部１４０は、図１に示すように、バレル１２０の先端部に備えられている。圧縮部１４０の内部空間である圧縮部内部１４５（略閉鎖空間）には、回転するスクリュー１１０によって、挽砕されたリグノセルロース系バイオマスが徐々に送り込まれる。圧縮部内部１４５では、回転するスクリュー１１０によって送り込まれたリグノセルロース系バイオマスが、貯留され略密閉状態で押し込まれ加圧されている。圧縮部１４０に送り込まれたリグノセルロース系バイオマスの大部分は、リグニンの交絡が解かれ多糖類成分が露出した状態になっている。
【００５０】
図１に示すように、圧縮部１４０の前面部１４０ａには、圧縮部内部１４５に送り込まれたリグノセルロース系バイオマスを吐出するための吐出口１４２が設けられている。吐出口１４２の形状は、リグノセルロース系バイオマス処理装置１００の前方から見た場合、略円形であり、圧縮部内部１４５に連通するように、圧縮部１４０の前面部１４０ａの略中心部に取りつけられている。圧縮部内部１４５において略密閉状態で押し込まれ加圧されていたリグノセルロース系バイオマスは、吐出口１４２から噴出されることで、パッフィングされる。パッフィングによって、リグノセルロース系バイオマス中のリグニンの交絡の解消が促進される。投入されるリグノセルロース系バイオマスの種類に鑑み、適切な吐出口１４２の口径が選択される。
【００５１】
以上に述べたように、本発明の実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス処理装置１００を用いることで、スクリュー１１０の回転によって、連続的にリグノセルロース系バイオマスを挽砕することができるため、短時間（回転速度にもよるが、例えば、５秒〜３０秒程度）で、効率良くセルロース系バイオマス中のリグニンの交絡を解いて多糖類成分を露出させることができる。本装置により得られた処理物は、多糖類成分が露出されているため、糖化効率を顕著に向上させることができる。
【００５２】
また、本発明の実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス処理装置１００によれば、化学薬品を用いることなく、また、大掛かりな設備を用いる必要がないため、低コストでリグノセルロース系バイオマスを処理することができる。
【００５３】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、本実施形態においては、図１に示したように、スクリュー１１０を１個備える形態について説明したが、図３に示すように、スクリュー１１０が２個備えられていてもよい。この場合、２個のスクリュー１１０は隣接して設置され、リグノセルロース系バイオマス処理装置２００を後方から見た場合、駆動装置（不図示）によって、一方のスクリュー１１０は反時計回りに、他方のスクリュー１１０は時計回りに回転する。また、バレル１２０は、２個のスクリュー１１０を取り囲むように、略楕円状をなしている。なお、リグノセルロース系バイオマス処理装置２００（図３）のスクリュー１１０のスクリュー溝１１０ａ，１１０ｂの詳細、バレル１２０のバレル溝１２０ａの詳細、並びに投入部１３０、圧縮部１４０及び加熱部１５０の詳細等については、前述のリグノセルロース系バイオマス処理装置１００のものと同様である。このように２軸構造とすることで、大量のリグノセルロース系バイオマスを、短時間に処理することができる。また、リグノセルロース系バイオマスを破砕しつつ、より強力に装置の前方に押し出すことができるため、より高効率にリグノセルロース系バイオマスを処理することができる。
【００５４】
また、本実施形態においては、図１に示したように、圧縮部１４０を備える形態について説明したが、図４に示すように、スクリュー１１０の前方箇所であって加熱部１５０近傍の位置に、溝を有しない“スペーサー領域”を設け、隙間１３５から直接、吐出口１４２を介してリグノセルロース系バイオマスが噴出されるようにしてもよい。この場合、“スペーサー領域”近傍から前方の箇所が、リグノセルロース系バイオマス処理装置３００の“圧縮調整領域”となる。“圧縮調整領域”では、“輸送及び圧縮領域”、“挽砕領域”を通過してきたリグノセルロース系バイオマスが、回転するスクリュー１１０によって圧縮される。
【００５５】
また、本実施形態においては、図１に示したように、スクリュー１１０の谷の径Ａは、前方に向かうにしたがって大きくなり、スクリュー１１０の外径Ｂは、後端から前端まで一定である形態について説明したが、スクリュー１１０の谷の径Ａは、後端から前端まで一定であっても前方に向かうにしたがって小さくなっていてもよい。この場合、スクリュー１１０の外径Ｂは、前方に向かうにしたがって小さくなる。
【００５６】
また、本実施形態においては、図１に示したように、バレル１２０の前端部近傍に、加熱部１５０が備えられる形態について説明したが、加熱部１５０は、バレル１２０と圧縮部１４０とをまたぐように設置されてもよい。
【００５７】
また、本実施形態においては、図１に示したように、パッフィングを行うための吐出口１４２を備える形態について説明したが、スクリュー１１０とバレル１２０とによって挽砕されることで、リグノセルロース系バイオマス中の大部分のリグニンの交絡が解かれて多糖類成分が露出された状態となっているため、パッフィングを行わなくてもよい。パッフィングを行わない場合、吐出口１４２の口径を大きくすることができる。また、このような場合、圧縮部１４０を設ける必要もない。
【００５８】
また、本実施形態においては、第１のスクリュー溝１１０ａの最前端の溝の深さＤ１と、第２のスクリュー溝１１０ｂの最後端の溝の深さＤ２と、の比が、７０：１００である（Ｄ１：Ｄ２＝７０：１００）（図１）形態について説明したが、原料（リグノセルロース系バイオマス）の種類などに鑑みて、Ｄ１：Ｄ２比を適宜設定することができる。
【００５９】
また、本実施形態においては、最前端のバレル溝１２０ａの幅Ｗ１と、最後端のバレル溝１２０ａの幅Ｗ２と、の比が、２０：１００である（Ｗ１：Ｗ２＝２０：１００）（図１）形態について説明したが、原料（リグノセルロース系バイオマス）の種類などに鑑みて、Ｗ１：Ｗ２比を適宜設定することができる。
【００６０】
次に、本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマスの処理方法及びリグノセルロース系バイオマス処理物について説明する。
【００６１】
本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマスの処理方法は、
（ｉ）外周に螺旋状のスクリュー溝１１０ａ，１１０ｂが形成された、少なくとも１個のスクリュー１１０と、スクリュー１１０のスクリュー溝１１０ａ，１１０ｂが形成された部分を取り囲む、内周に螺旋状のバレル溝１２０ａが形成されたバレル１２０と、の隙間１３５において、スクリュー１１０を回転させることで、リグノセルロース系バイオマスを加圧しながら挽砕する挽砕工程と、
（ｉｉ）バレル１２０の前端部近傍に設けられた加熱部１５０により、挽砕したリグノセルロース系バイオマスを加熱する加熱工程と、
を含む。
【００６２】
挽砕工程（ｉ）において用いられるリグノセルロース系バイオマスの詳細については、前述の通りである。また、スクリュー１１０、バレル１２０及び隙間１３５についても、前述の通りである。
【００６３】
挽砕工程（ｉｉ）における加熱部１５０の詳細については、前述の通りである。加熱部１５０は、隙間１３５において挽砕されたリグノセルロース系バイオマスを１１０〜１８０℃に加熱する。リグノセルロース系バイオマスを１１０〜１８０℃に加熱することで、リグニンの交絡が解かれて多糖類成分が露出されやすくなる。
【００６４】
本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマスの処理方法は、上記の加熱工程（ｉｉ）の後に、挽砕したリグノセルロース系バイオマスをパッフィングする工程をさらに含んでいてもよい。パッフィングは、バレル１２０の前端部に備えられた圧縮部１４０の圧縮部内部１４５に、挽砕されたリグノセルロース系バイオマスを回転するスクリュー１１０によって徐々に送り込み、圧縮部内部１４５で貯留され略密閉状態で押し込まれ加圧されたリグノセルロース系バイオマスを、圧縮部１４０の前面部１４０ａに設けられた吐出口１４２から噴出することで行われる。パッフィングによって、リグノセルロース系バイオマス中のリグニンの交絡の解消が促進される。投入されるリグノセルロース系バイオマスの種類に鑑み、適切な吐出口１４２の口径が選択される。
【００６５】
なお、前述のようにパッフィングした後に、リグノセルロース系バイオマスを粉砕してもよい。粉砕手段としては、例えば、ピンミル粉砕機による粉砕が挙げられる。
【００６６】
本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマス処理物は、上述の処理方法により得られたものである。リグノセルロース系バイオマス処理物の含水率は、例えば、１０％〜５０％である。上述の処理方法により、セルロース系バイオマスのリグニンの交絡を解いて多糖類成分を露出させることができるため、該リグノセルロース系バイオマス処理物を糖化反応に用いると、糖化効率を顕著に向上させることができる。また、本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマス処理物を、加水分解酵素（例えば、米糀に含まれる加水分解酵素）及び酵母（例えば、パン酵母）と混合することで発酵させることができ、この場合、常温（例えば、１５℃〜３０℃）で発酵を進めることができる。このように、本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマス処理物を用いることで、温度管理することなく、効率的に発酵を進めることできる。
【００６７】
以上に述べたように、本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマス処理方法によれば、スクリュー１１０の回転によって、連続的にリグノセルロース系バイオマスを挽砕することができるため、短時間（回転速度にもよるが、例えば、５秒〜３０秒程度）で、効率良くセルロース系バイオマス中のリグニンの交絡を解いて多糖類成分を露出させることができる。このため、本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマス処理物を糖化に用いると、糖化効率を顕著に向上させることができる。
【００６８】
また、本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマス処理方法によれば、化学薬品を用いることなく、また、大掛かりな設備を用いる必要がないため、低コストでリグノセルロース系バイオマスを処理することができる。
【００６９】
次に、本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマスの糖化方法について説明する。
【００７０】
本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマスの糖化方法は、前述のリグノセルロース系バイオマス処理物を糖化する工程を含む。
【００７１】
糖化には、例えば、加水分解酵素が用いられ、加水分解酵素としては、例えば、セルラーゼ（例えば、Ｎｏｖｏｚｙｍｅｓ５００１３）；βグルコシダーゼ（例えば、Ｎｏｖｏｚｙｍｅｓ５００１０）；アミラーゼ（例えば、ＳＩＧＭＡ、Ａ７５９５）；アミログルコシダーゼ（例えば、ＳＩＧＭＡ、Ａ７０９５）；ヘミセルラーゼ等を挙げることができる。これらの加水分解酵素を単独で用いてもよいし、２又は３種類以上の加水分解酵素を併用してもよい。また、米糀、パン酵母等を用いて糖化を行ってもよい。糖化の方法としては、例えば、本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマス処理物、クエン酸バッファー、セルラーゼ、βグルコシダーゼ及び水を混合し、５０℃で７２時間、インキュベートする方法が挙げられる。本発明の効果を奏する糖化方法であれば、適宜採用され得る。
【００７２】
本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマスの糖化方法では、リグニンの交絡が解かれて多糖類成分が露出されている、本発明の実施形態によるリグノセルロース系バイオマス処理物を用いるため、糖化効率を顕著に向上させることができる。
【実施例】
【００７３】
（実施例１）
図１に記載のリグノセルロース系バイオマス処理装置にて処理したコーンダスト、ブロークンコーン及びコーンストーバーを用いて、糖化試験を行った。【００７４】
まず、各原料を以下のように処理した。【００７５】
コーンダスト（アメリカ産、デント種）（含水率２５％程度）、ブロークンコーン（アメリカ産、デント種）、又はコーンストーバー（パイオニアブレッドジャパン３９Ｂ２９、北海道新得町産）を図１に記載のリグノセルロース系バイオマス処理装置により約１０秒間処理し、コーンダスト処理物、ブロークンコーン処理物、又はコーンストーバー処理物を得た。なお、加熱部１５０の温度は、１４０℃〜１５０℃に設定した。【００７６】
（成分分析）
前述で得られたコーンダスト処理物、ブロークンコーン処理物、コーンストーバー処理物について、成分分析を行った。【００７７】
成分分析は、アメリカ合衆国の国立再生可能エネルギー研究所（ＮＲＥＬ／Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）が制定した分析方法に準拠して実施された。
・抽出物質：ＮＲＥＬ／ＴＰ−５１０−４２６１９
→水・アルコールによって抽出された物質
・糖類およびリグニン：ＮＲＥＬ／ＴＰ−５１０−４２６１８
・灰分：ＮＲＥＬ／ＴＰ−５１０−４２６２２【００７８】
成分分析結果は以下の通りであった。なお、表中、グルカンの数値は、セルロース及びデンプンの総量として示される。また、表中の数値の単位は、“％”である。【００７９】
【表１】
2015098946.tif 000003
【００８０】
（糖化試験）
糖化試験はＮＲＥＬ／ＴＰ−５１０−４２６２９に従って行った。【００８１】
３０ｍＬの各容器に、前述で得られたコーンダスト処理物、ブロークンコーン処理物又はコーンストーバー処理物をセルロース換算で０．１ｇ入れ、さらに、クエン酸バッファー５ｍＬ、セルラーゼ（Ｎｏｖｏｚｙｍｅｓ５００１３）２５ＦＰＵ／ｇ−セルロース、βグルコシダーゼ（Ｎｏｖｏｚｙｍｅｓ５００１０）４２ＣＢＵ／ｇ−セルロース、抗生物質を加え、水を合計１０ｍＬとなるよう入れた。また、ブランクとして、３０ｍＬの容器に、各処理物、クエン酸バッファー、抗生物質及び水を前述と同量入れたもの（セルラーゼ及びβグルコシダーゼが入っていない）を用意した。これらを５０℃で７２時間、インキュベートした。インキュベート後の各溶液について、液体クロマトグラフィーによりグルコースを測定し、糖化率を算出した。【００８２】
糖化試験の結果、コーンダスト処理物及びブロークンコーン処理物では、糖化率が１００％であり、コーンストーバー処理物では、糖化率が８８．９％であった。一方、各ブランクでは、グルコースの溶出がほとんど見られなかった。【００８３】
また、上記の糖化試験において、セルラーゼ（Ｎｏｖｏｚｙｍｅｓ５００１３）を、アミラーゼ（ＳＩＧＭＡ、Ａ７５９５）及びアミログルコシダーゼ（ＳＩＧＭＡ、Ａ７０９５）に置き換えて、コーンストーバー処理物について同様に糖化試験を実施した。その結果、セルラーゼを用いた場合の上記の糖化試験における糖化率を１００％とした場合、アミラーゼ及びアミログルコシダーゼを用いた場合の糖化率は９７％であった。【００８４】
以上より、本実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス処理装置によって処理した各種リグノセルロース系バイオマス処理物を糖化反応に用いることで、高効率に糖化が行われることが示された。【００８５】
（実施例２）
図１に記載のリグノセルロース系バイオマス処理装置にて処理したコーンダスト、ブロークンコーン、コーンストーバー及び木質チップを用いて、発酵試験を行った。【００８６】
まず、各原料を以下のように処理した。【００８７】
（コーンダストの処理）
０．１ｍｍ〜６．０ｍｍの大きさのコーンダスト（アメリカ産、デント種）を図１に記載のリグノセルロース系バイオマス処理装置により１０秒間処理した。加熱部１５０の温度を１６０℃に設定した。なお、１０秒間の処理後、加熱部１５０のスイッチを切っても、しばらくの間は圧縮部１４０内部の温度が１５０℃〜１６０℃に維持されていた。吐出口１４２からパッフィングされて出てきたコーンダストは、含水率１５％〜３０％であった。吐出口１４２からパッフィングされて出てきたコーンダストを、２ｃｍの長さにカットした後、自由粉砕機（ピンミル）（奈良機械製作所）により粒径１０９μｍ以下に粉砕し、コーンダスト処理物を得た。【００８８】
（ブロークンコーンの処理）
０．１ｍｍ〜１０．０ｍｍの大きさのブロークンコーン（アメリカ産、デント種）を、前述と同様に処理して、ブロークンコーン処理物を得た。【００８９】
（コーンストーバーの処理）
１ｍｍ〜１５ｍｍの大きさのコーンストーバー（北海道新得町産）を、前述と同様に処理して、コーンストーバー処理物を得た。【００９０】
（木質チップの処理）
長さ及び幅が１ｍｍ〜５ｍｍである木質チップ（国内産複合種、含水率２７％）を、前述と同様に処理して、木質チップ処理物を得た。ただし、図１に記載のリグノセルロース系バイオマス処理装置により処理後、粉砕は行わず、吐出口１４２からパッフィングされて出てきたものを木質チップ処理物とした。該木質チップ処理物の長さ及び幅は、０．１ｍｍ〜３ｍｍであった。【００９１】
（発酵試験）
１．５Ｌの蓋付き容器を４つ用意した。４つの容器各々に、前述で得られたコーンダスト処理物、ブロークンコーン処理物、コーンストーバー処理物又は木質チップ処理物５０ｇ、パン酵母（ルサッフル社）１ｇ、米糀（丸合清水醸造合資会社）３ｇ、精水（水温２３℃）２５０ｍＬを入れ、攪拌し、密閉した。室温は２２℃に維持した。【００９２】
６時間後、発酵による二酸化炭素の発生に伴い、４つの各容器が膨らみ始めたため、ベントを実施した。その後５時間おきにベントを６回実施し、二酸化炭素を放出させた。３６時間後のベント時には、二酸化炭素の放出はかなり弱いものになっていた。【００９３】
以上より、本実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス処理装置によって処理した各種リグノセルロース系バイオマス処理物を用いることで、短時間かつ常温にて、米糀中の加水分解酵素により効率的に糖化が行われ、それに続き、パン酵母により発酵が行われることが示された。【００９４】
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。【００９５】
本出願は、２０１３年１２月２５日に出願された、日本国特許出願２０１３−２６７５８８号に基づく。本明細書中に日本国特許出願２０１３−２６７５８８号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
【符号の説明】
【００９６】
１００  リグノセルロース系バイオマス処理装置
１１０  スクリュー
１１０ａ  第１のスクリュー溝
１１０ｂ  第２のスクリュー溝
１１０ｃ  山部
１１０ｄ  ジャーナル部
１１１  第１の底面
１１１ａ  第１の側面
１１１ｂ  第２の側面
１１１ｃ  第３の側面
１１２ａ  第１のエッジ部
１１２ｂ  第２のエッジ部
１１２ｃ  第３のエッジ部
１１５  第２の底面
１１５ａ  第４の側面
１１５ｂ  第５の側面
１１５ｃ  第６の側面
１１６ａ  第４のエッジ部
１１６ｂ  第５のエッジ部
１１６ｃ  第６のエッジ部
１２０  バレル
１２０ａ  バレル溝
１２０ｂ  山部
１２１  筒状部
１２２  鍔部
１３０  投入部
１３０ａ  投入口
１３５  隙間
１４０  圧縮部
１４０ａ  前面部
１４２  吐出口
１４５  圧縮部内部
１５０  加熱部
１７０  軸受
１７０ａ  軸受面
２００  リグノセルロース系バイオマス処理装置
３００  リグノセルロース系バイオマス処理装置
【図１】
2015098946.tif 000004
【図２】
2015098946.tif 000005
【図３】
2015098946.tif 000006
【図４】
2015098946.tif 000007
【国際調査報告】
2015098946.tif 000008
2015098946.tif 000009
2015098946.tif 000010
2015098946.tif 000011