(57)【要約】  本発明は、スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理を行う、セルロース含有バイオマス原料から発酵阻害成分であるフルフラール副生量が少ない、糖化性能の高いバイオマス組成物を製造する前処理方法であって、スクリュー押出機の粉砕部で、セルロース含有バイオマス原料を最大粒径１０００μｍ以下に粉砕しかつ含水率を３０〜８０％に調整し、次いでシールリングの直前にニーディングディスク及び／または逆ネジを１セット以上配置したエレメントを配設した加熱部で、擂り潰し（擂潰）効果のある混錬粉砕を行いながら（１）１５０〜２００℃の温度で０．１〜１５分間、または（２）２００〜２１５℃の温度で０．１〜２．０分間水熱処理を行い、続いて加熱部以降の冷却部で処理物を１００℃以下に冷却し回収することを特徴とするバイオマスの処理方法を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理を行う、セルロース含有バイオマス原料から発酵阻害成分であるフルフラール副生量が少ない糖化用バイオマス組成物を製造する前処理方法であって、スクリュー押出機の粉砕部で、セルロース含有バイオマス原料を最大粒径１０００μｍ以下に粉砕しかつ含水率を３０〜８０％に調整し、次いでシールリングの直前にニーディングディスク及び／または逆ネジを１セット以上配置したエレメントを配設した加熱部で、擂り潰し（擂潰）効果のある混錬粉砕を行いながら１５０〜２００℃の温度で０．１〜１５分間水熱処理を行い、続いて加熱部以降の冷却部で処理物を１００℃以下に冷却し回収することを特徴とするバイオマスの処理方法。
【請求項２】
スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理を行う、セルロース含有バイオマス原料から発酵阻害成分であるフルフラール副生量が少ない糖化用バイオマス組成物を製造する前処理方法であって、スクリュー押出機の粉砕部で、セルロース含有バイオマス原料を平均粒径１０００μｍ以下に粉砕しかつ含水率を３０〜８０％に調整し、次いでシールリングの直前にニーディングディスク及び／または逆ネジを１セット以上配置したエレメントを配設した加熱部で、擂り潰し（擂潰）効果のある混錬粉砕を行いながら２００〜２１５℃の温度で０．１〜２．０分間水熱処理を行い、続いて加熱部以降の冷却部で処理物を１００℃以下に冷却し回収することを特徴とするバイオマスの処理方法。
【請求項３】
加熱部以降の冷却部で、水冷ジャケット及び／または注液ラインを取り付けて冷却を行う請求項１または２に記載のバイオマスの処理方法。
【請求項４】
スクリュー押出機が同方向回転の二軸押出機である請求項１〜３のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
【請求項５】
セルロース含有バイオマスがソフトバイオマスである請求項１〜４のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の処理方法を行うことを特徴とする糖化用バイオマス組成物の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の製造方法により得られたバイオマス組成物を加水分解することを特徴とする糖の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセルロース含有バイオマスの処理方法に関する。さらに詳しく言えば、スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理を行う、セルロース含有バイオマス原料から発酵阻害物質であるフルフラールの副生を抑制して、糖化性の高いセルロース含有組成物を得るセルロース含有バイオマスの処理方法、糖化用バイオマス組成物の製造方法、及び糖の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止対策の一環として、セルロース含有バイオマスを有効利用し、エタノールをはじめとする各種化学製品を製造する検討が広く行われている。セルロース含有バイオマスには、例えば、スギ、ヒノキ等のハードバイオマスや稲わら、麦わら、コーンコブ、キャッサバ、バガス、サトウキビ葉等のソフトバイオマスがある。これらのバイオマスには、ヘミセルロース、リグニン等が含まれていることもあり、そのままでは糖化しにくいため、各種の前処理により糖化性能を高める提案がなされている。【０００３】
糖化性能を高める前処理方法としては、酸やアルカリを添加して水熱処理を行う方法や、薬剤を使用しない水熱処理と物理的な粉砕処理を組み合わせた方法（特開２００６−１３６２６３号公報；特許文献１）が提案されている。さらにそれ以外にも水蒸気爆砕、アンモニア爆砕、オゾン酸化、白色腐朽菌処理、マイクロ波照射、電子線照射、γ線照射が提案されている（木材学会誌，５３，１〜１３（２００７）；非特許文献１）。
しかしながら、これらの前処理方法は一定の糖化性能を高める効果はあるものの、工業的に有益な処理工程として考えた場合、大量の原料を連続的、効率的に処理できる装置や方法が具体的に開示されていない。【０００４】
バイオマス酵素糖化の前処理を連続的に効率的に行う方法としては、特開昭５９−１９２０９３号公報（特許文献２）、特開昭５９−１９２０９４号公報及び特開２０１２−１７０３５５号公報（特許文献３及び４；ＵＳ４６４２２８７）にバイオマスをアルカリとともに二軸押出機で混錬し水熱処理することにより、従来の微粉砕処理やアルカリ蒸煮処理に比べ、短い処理時間で高濃度の前処理を連続で行えることが提案されている。
しかしながら、特許文献２〜４の前処理方法は、いずれも原料に対して２０％前後のアルカリを用いているため薬剤費用がかかる上、酵素糖化前に必ず添加したアルカリの中和と洗浄が必要になるため、糖化工程まで含めた経済性と効率性に関する課題は解決されていない。さらに特許文献２及び３では、前処理は実質的に粉砕とアルカリ蒸煮を組み合わせたものであることを唄っているが、その処理条件については、加熱温度と加熱時間、投入する原料やアルカリの数量などアルカリ蒸煮に関わる条件を示すにとどまり、粉砕に関わる装置の構成などについては提示されておらず、発明を実施するための形態は不明瞭である。【０００５】
植物バイオマスの前処理を簡単で迅速に行う方法として、特開２０１１−１３０７４５号公報（特許文献５）には、予め設定された大きさ以下に粗粉砕した植物バイオマスに分解剤を添加して加圧熱水処理した後、糖化させるための酵素とを混ぜ合わせる糖化仕込みまでの前処理を、押出機内で順番に連続して行う方法が提案されている。しかしながら、特許文献５は、そのためのフローチャートや押出機のスクリュー構成を記載しているが、処理方法をどのような条件により実施し、どれくらいの糖化性能が得られるかのバイオマスの糖化データの提示はなく、糖化工程まで含めたトータルの性能や効率性は不明である。【０００６】
以上のことから、高い糖化性能が得られることと、発酵阻害が少なく実用性の高い糖が得られることを両立し、大量の原料を連続的に処理できる工業的に有用なセルロース含有バイオマスの前処理方法の確立が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１３６２６３号公報
【特許文献２】特開昭５９−１９２０９３号公報（ＵＳ４６４２２８７）
【特許文献３】特開昭５９−１９２０９４号公報（ＵＳ４６４２２８７）
【特許文献４】特開２０１２−１７０３５５号公報
【特許文献５】特開２０１１−１３０７４５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】木材学会誌，５３，１〜１３（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、高い糖化性能が得られることと、発酵阻害が少なく実用性の高い糖が得られることを両立した、原料を連続的に大量処理できるセルロース含有バイオマスの前処理方法、前記処理法による糖化用セルロース含有組成物の製造方法、及び前記糖化用セルロース含有組成物を加水分解する糖の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、セルロース含有バイオマスから糖を得るための処理方法において、セルロース含有バイオマスを、スクリュー押出機を用いて、装置内の粉砕部で粉砕及び含水率調整、加熱部で擂潰効果のある混錬粉砕を同時に行う水熱処理、冷却部で冷却を、連続的に順番に行うことにより、発酵阻害成分のフルフラールの副生が少なく、糖化性能の高いセルロース含有組成物が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。【００１１】
すなわち、本発明は、下記のセルロース含有バイオマスの処理方法に関する。
［１］スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理を行う、セルロース含有バイオマス原料から発酵阻害成分であるフルフラール副生量が少ない糖化用バイオマス組成物を製造する前処理方法であって、スクリュー押出機の粉砕部で、セルロース含有バイオマス原料を最大粒径１０００μｍ以下に粉砕しかつ含水率を３０〜８０％に調整し、次いでシールリングの直前にニーディングディスク及び／または逆ネジを１セット以上配置したエレメントを配設した加熱部で、擂り潰し（擂潰）効果のある混錬粉砕を行いながら１５０〜２００℃の温度で０．１〜１５分間水熱処理を行い、続いて加熱部以降の冷却部で処理物を１００℃以下に冷却し回収することを特徴とするバイオマスの処理方法。
［２］スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理を行う、セルロース含有バイオマス原料から発酵阻害成分であるフルフラール副生量が少ない糖化用バイオマス組成物を製造する前処理方法であって、スクリュー押出機の粉砕部で、セルロース含有バイオマス原料を平均粒径１０００μｍ以下に粉砕しかつ含水率を３０〜８０％に調整し、次いでシールリングの直前にニーディングディスク及び／または逆ネジを１セット以上配置したエレメントを配設した加熱部で、擂り潰し（擂潰）効果のある混錬粉砕を行いながら２００〜２１５℃の温度で０．１〜２．０分間水熱処理を行い、続いて加熱部以降の冷却部で処理物を１００℃以下に冷却し回収することを特徴とするバイオマスの処理方法。
［３］加熱部以降の冷却部で、水冷ジャケット及び／または注液ラインを取り付けて冷却を行う［１］または［２］に記載のバイオマスの処理方法。
［４］スクリュー押出機が同方向回転の二軸押出機である［１］〜［３］のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
［５］セルロース含有バイオマスがソフトバイオマスである［１］〜［４］のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
［６］［１］〜［５］のいずれかに記載の処理方法を行うことを特徴とする糖化用バイオマス組成物の製造方法。
［７］［６］に記載の製造方法により得られたバイオマス組成物を加水分解することを特徴とする糖の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
セルロース含有バイオマスを、スクリュー押出機を用いて連続で、水熱処理と同時に擂潰効果のある混錬粉砕を同時に行う本発明のセルロース含有バイオマスの処理方法によれば、発酵阻害成分のフルフラールの副生が少なく、糖化性能の高いセルロース含有組成物が得られ、バイオマスから糖の生産を品質と生産性を両立して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（Ａ）は実施例２に用いたスクリュー押出機Ａの構成図、（Ｂ）は実施例１に用いたスクリュー押出機Ｂの構成図、（Ｃ）は実施例３、４及び比較例３、４に用いたスクリュー押出機Ｃの構成図、（Ｄ）は比較例２に用いたスクリュー押出機Ｄの構成図、（Ｅ）は比較例１に用いたスクリュー押出機Ｅの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を詳細に説明する。本発明は、セルロース含有バイオマスをスクリュー押出機に供給して連続的に水熱処理と同時に擂潰効果のある混錬粉砕を同時に行う処理方法である。この処理に用いる原料には、水に添加剤として酸やアルカリを加えることも可能であるが、添加剤を使用するとその薬剤コストがかかるだけでなく、後工程での中和等の無害化にかかる費用も発生するため、工業的には一般に利用できる水だけを使用することが好ましい。
【００１５】
[セルロース含有バイオマス]
本発明の処理方法に用いるバイオマスとは、枯渇性資源（石油・石炭・天然ガスなどの化石燃料）を除く、生体高分子（核酸、タンパク質、多糖）やこれらの構成要素を起源とする産業資源を意味する。従って、セルロース含有バイオマスには、例えば木材などのハードバイオマスと、稲わら、麦わら、コーンコブ、キャッサバ、バガス、サトウキビ葉などのソフトバイオマスが挙げられる。前処理の容易性を考慮するとソフトバイオマスが好ましく、さらに全世界的な賦存量と収集コストを考慮すると、バガス、サトウキビ葉が特に好ましい。 
【００１６】
[スクリュー押出機の種類]
本発明の処理方法に用いるスクリュー押出機は、単軸スクリュー押出機、多軸スクリュー押出機、特殊押出機のいずれでもよいが、より強いせん断をバイオマス材料に加えることができる多軸スクリュー押出機が好ましく、一般的で汎用性があることから二軸押出機がより好ましい。
多軸スクリュー押出機の形式としては、スクリュー軸が平行なものとコニカルタイプのスクリューが軸を斜交させたもののいずれでもよいが、平行なものが好ましい。
スクリューのかみ合い型と非かみ合い型のいずれでもよいが、混練効果が大きく実用例も多いスクリューかみ合い型が好ましい。
スクリュー回転方向は、同方向回転型と異方向回転型のいずれでもよいが、自己清掃効果のある同方向回転型が好ましい。
【００１７】
[スクリュー押出機の原料供給部]
原料をスクリュー押出機のシリンダーに安定して供給するためのホッパーとしては、例えば振動ホッパー、強制フィーダ付ホッパー、ホッパードライヤー、真空ホッパー、窒素置換ホッパーなど、原料がブリッジを起こさず、スクリューのフィード部に必要な供給圧力を生じさせることができる機能を持ち合わせていれば限定されないが、原料の安定供給の観点より、強制的に材料をシリンダーに押込むためのスクリューが内部に付いたホッパーが好ましい。
ホッパー下には原料をスクリュー押出機に定量的に供給する装置が取り付けられる。定量供給装置は質量式フィーダや定容式フィーダなど、定量的な供給ができる機能があれば限定されないが、一般的に嵩密度が低く形状やサイズが不均一であるバイオマス原料を供給することから質量式フィーダが好ましい。さらにより確実に原料をスクリュー押出機に供給するために、スクリューやピストンを使って強制的に押出機内に原料を圧入して材料のかさ密度を高めることができるコンパクターを設置することが好ましい。
【００１８】
[スクリュー押出機のシリンダー部]
スクリュー押出機のシリンダー部は、シリンダーの中央部にあり原料を擂潰しながらヒーターで加熱して水熱処理をする加熱部と、加熱部の上流側に存在し、原料の粉砕と含水率を調整し、圧密化させて気密性を保持する粉砕部と、加熱部の下流側に存在し、冷却を行い、圧密化して気密性を保持する冷却部の３つの部分からなる。スクリュー押出機は、安定的にシールを保ち、原料バイオマスの糖化性能を改善する効果のある水熱処理を行うという観点より、粉砕部、加熱部および冷却部を合わせた全体のＬ／Ｄは３０〜８０が好ましく、４０〜８０がより好ましく、５０〜８０がさらに好ましい。粉砕部のＬ／Ｄは１０〜４０が好ましく、１０〜３０がより好ましく、１５〜２５がさらに好ましい。また、加熱部のＬ／Ｄは１０〜６５が好ましく、１５〜６０がより好ましく、２０〜５５がさらに好ましい。冷却部のＬ／Ｄは５〜３５が好ましく、５〜２０がより好ましく、５〜１０がさらに好ましい。なお、Ｌ／Ｄとは、ホッパー下のねじの切り始めから先端までのスクリューの長さ（Ｌ）と直径（Ｄ）との比率で表される有効長である。
【００１９】
[シリンダー粉砕部の構成]
シリンダー粉砕部のスクリュー構成は、シールリングの前にニーディングディスク（送りニーディングディスク、中立ニーディングディスク、逆ニーディングディスク）または逆ネジを１セット以上配置したエレメント（以下、シールリングエレメントと略記する。）を少なくとも１つ以上配設することが好ましい。配設されたシールリングのせき止め効果で上流側の原料が圧縮された状態が形成され、シールリングの前にあるスクリューのせん断力が強化された状態となり、原料が効率的に粉砕と圧密化をされて加熱部で発生する蒸気圧力をシールする機能を持つ。原料の粉砕はシール機能のためだけでなく加熱部での水熱処理効率を向上させるためのものでもあり、そのための原料の最大粒径は１０００μｍ以下とすることが好ましい。なお、最大粒径は、加熱部直前の粉砕部から抜き出したサンプルの顕微鏡観察により求められる。
また、粉砕部では水熱反応とシール性を最適に行うために原料の含水率を３０〜８０質量％にすることが好ましく、３０〜７５質量％にすることがより好ましく、３５〜７０質量％にすることがさらに好ましい。含水率の調整は、投入前に別途行っても良いが、工程数を減らす観点から粉砕部の任意の場所に注液ラインを設置して高圧ポンプで供水することが好ましい。なお、含水率とは原料の有り姿全体の質量に対する水分の質量の割合を示す。
【００２０】
[シリンダー加熱部の構成]
シリンダーの加熱部のスクリュー構成は、シールリングエレメントを、少なくとも３セット以上配設することが好ましい。加熱部における複数のシールリングの効果は、セルロース含有バイオマスがシールリングとシリンダーとの非常に狭いクリアランスの部分を原料が通過する際に生じる強いすりつぶし応力が、水熱処理と同時にかかることにより、バイオマス中のセルロースの糖化性を向上させることである。そのためのシールリングとシリンダーのクリアランスはシリンダー内径の０．５〜１０．０％が好ましく、１．０〜８．０％がより好ましく、１．５〜５．０％がさらに好ましい。なお、二軸押出機におけるシリンダー内径は、シリンダーの垂直断面を見た時に、１つのスクリューを囲む円の直径を示す。加熱部の加熱は、シリンダーを加熱できるものであれば限定されないが、温度制御性の観点から電気ヒーターが好ましい。原料を水熱処理する温度と加熱部の通過時間の条件は、１５０〜２００℃、０．１〜１５分もしくは２００〜２１５℃、０．１〜２．０分が好ましく、１６０〜２００℃、１〜１０分もしくは２００〜２１３℃、０．３〜２．０分がより好ましく、１６０〜２００℃、２〜８分もしくは２００〜２１０℃、０．５〜１．５分がさらに好ましい。加熱部の圧力は、１〜２０ＭＰａの範囲にあることが好ましく、１〜１５ＭＰａがより好ましく、２〜１２ＭＰａがさらに好ましい。
【００２１】
[シリンダー冷却部の構成]
シリンダーの冷却部は、加温部で加熱された原料を冷却するために冷却水冷ジャケット及び／または注液ラインを取り付けることが好ましい。冷却部での冷却は１００℃以下に下げることが好ましく、８０℃以下がより好ましく、７０℃以下がさらに好ましい。これにより加熱部で生じた蒸気が水になり、処理されたバイオマスとともに下流への蒸気圧力をシールすることができる。さらに系内の蒸気圧力のより安定的なシールのために、冷却部の排出口に調圧バルブを取り付けることもできる。
【００２２】
［粉砕（粒径調整）]
本発明の処理方法では、原料であるセルロース含有バイオマスは粉砕処理なしで直接スクリュー押出機に供給することができるが、供給前に事前に粗粉砕して粒径調整を行うことが好ましい。粉砕手段は固体の物質を粉砕できる機能を備えているものであれば特に限定されない。例えば、装置の方式は乾式と湿式のいずれでもよく、装置の粉砕システムは回分式と連続式いずれでもよい。さらに、装置の粉砕力は、衝撃、圧縮、せん断、摩擦などのいかなるものをも用いることができる。
【００２３】
粉砕処理に用いることができる具体的な装置としては、例えば、シュレッダー、ジョークラッシャー、ジャイレクイトリクラッシャー、カッターミル、コーンクラッシャー、ハンマークラッシャー、ロールクラッシャー、ロールミルなどの粗粉砕機、並びにスタンプミル、エッジランナ、切断・せん断ミル、ロッドミル、自生粉砕機、ローラミルなどの中粉砕機を用いて、予備的な粉砕処理を実施することができるが、処理量、粉砕域の観点からカッターミルが好ましい。原料の処理時間は、処理後原料が均一に微粉化されるのであれば限定されるものではない。
【００２４】
供給前に事前に粉砕した原料の粒径は、粉砕装置の排出スクリーン径が大きすぎるとセルロース含有バイオマスの粒径が大きくなり、その後の前処理効果が低くなるため、糖の製造コストが高価になる。また、スクリーン径が小さすぎると粉砕コストが高価になるため、スクリーン径０．５〜３０ｍｍφのスクリーン（篩）を通過したサイズが好ましい。さらに好ましい範囲は１〜３０ｍｍφのスクリーンを通過したサイズであり、最も好ましい範囲は３〜３０ｍｍφのスクリーンを通過したサイズである。また、スクリーンを用いずに粉砕をする場合にも、上記のスクリーンを用いた粉砕品に相当するサイズに粉砕することが好ましい。
【００２５】
［含水率調整］
本発明の処理方法では、スクリュー押出機への供給前に事前に原料であるセルロース含有バイオマス含水率を調整することもできる。含水率を調整する方法は、調整前の原料の含水率に合わせて、加水または、脱水若しくは乾燥することが挙げられる。原料の含水率は、水熱反応とシール性を最適に行うために前述のように３０〜８０質量％にすることが好ましい。
【００２６】
［水熱処理品の糖化］
以上の方法によりバイオマスを処理することで、糖化用バイオマス組成物を効率よく製造することができる。さらに、以上の方法で製造した糖化用バイオマス組成物を加水分解することにより、効率良く糖を製造することができる。
水熱処理したセルロース含有バイオマスの糖化処理は、糖化固液分離などにより脱水処理や水添加して不溶分を洗浄したのち、ｐＨ調整し酵素添加して糖化処理をすることができる。水熱処理で副生したフルフラールの濃度が低いと不溶分の洗浄工程を省略あるいは負荷低減をできる効果が得られる。糖化前の固液分離には、ベルトフィルター、遠心ろ過機、フィルタープレス、オリバーフィルター、遠心分離機などを用いることができる。連続的に大量に処理ができる点からベルトフィルターで行うことが好ましい。
もう一つの糖化方法として、処理物を直接ｐＨ調整し酵素添加して糖化処理することもできる。この場合は、水熱後の洗浄工程がないため、副生したフルフラール濃度は直接発酵阻害を生じないレベルに抑制される必要がある。
【実施例】
【００２７】
以下に実施例及び比較例を挙げて説明するが、本発明はこれらの記載に限定されるものではない。
実施例１〜４、比較例１〜４では、スクリュー構成がＡ〜Ｅの５種類の装置条件のスクリュー押出機を用い、処理条件（水熱温度、水熱時間、スクリュー構成、加熱部シーリングエレメント数、スクリュー回転数、有り姿原料供給速度、乾燥原料供給速度，入口水供給速度）を表１に記載の通り変えてセルロース含有バイオマスの処理を実施し、処理したサンプルの糖化反応を行い、生成糖とフルフラール濃度を確認し、さらに得られた糖液を培養して評価した。【００２８】
［スクリュー押出機Ａ〜Ｅ］
実験には、スクリュー径３２ｍｍの二軸スクリュー押出機（商品名；（株）日本製鋼所製ＴＥＸ３０α）またはスクリュー径４７ｍｍの二軸スクリュー押出機（商品名；（株）日本製鋼所製ＴＥＸ４４α）を用いて、それぞれ表１に記載した装置条件であるスクリューＡ〜Ｅ（それぞれ図１（Ａ）〜（Ｅ）に示す）にセットして、それぞれ表１に記載の実施例、比較例で用いた。【００２９】
【表１】
2015053029.tif 000002
【００３０】
[原料バガスの調整]
原料のセルロース含有バイオマスにはバガスを用いた。バガスは全く処理していないもの（含水率５０％、セルロース含有率３８％、以後、「未処理バガス」と略記する。）と、風乾したバガスを、スクリーン径３ｍｍφのカッターミル（増幸産業株式会社製、ＭＫＣＭ−３、）で粉砕したもの（含水率１０．０％、セルロース含有率４２％、以後、「３ｍｍバガス」と略記する。）を用いた。【００３１】
［バイオマス中の主成分含有率の分析方法］
バイオマス中のセルロース含有率、ヘミセルロース含有率、及びリグニンと灰分を合計した含有率は、ＮＲＥＬ（米国・国立再生可能エネルギー研究所）の分析方法(Technical Report NREL/TP-510-42618)により求めた。【００３２】
［高速液体クロマトグラフィー分析方法及びセルロース含有率の算出方法］
ガードカラム（昭和電工株式会社製、ＫＳ−Ｇ）と分離カラム（昭和電工株式会社製 ＫＳ−８０２）を接続し、カラム温度を７５℃に設定した。純水を溶離液として０．５ｍｌ／分で供給し、分離成分は示差屈折率検出器を用いて定量しグルコース及びキシロース濃度を求め、下記式によりセルロース、ヘミセルロース、ホロセルロース含有率を算出した。
【数１】
2015053029.tif 000003
【００３３】
［水熱サンプルの糖化評価］
固形分濃度測定：
ケット式水分計に水熱サンプルを２〜３ｇ載せて、１０５℃、６０分の条件で乾燥し、計算した蒸発残分の比率を固形分濃度とした。【００３４】
酵素液の調整： 
メイセラーゼ（登録商標、明治製菓株式会社（現Meiji Seikaファルマ株式会社）製セルラーゼ）４．３ｇを純水９６．７ｇに溶解させた。
酵素液のＦＰＵ活性(Filter Paper Assay for Saccharifying Cellulase)は、ＩＵＰＡＣ（国際純正・応用化学連合）の分析方法(Pure & Appl.Chem.,Vol.59,No.2,pp.257-268,1987)より求めた結果、１５ＦＰＵ／ｇであった。【００３５】
糖化反応：
５０ｍｌの蓋つきガラス容器に回転子を入れ、固形分量が１．５ｇになるように前処理組成物を秤量し、合計８．０ｇになるように純水を加えた後、スパチュラで混合しながら
２．５ＭのＮａＯＨを加えてｐＨ５に調整した。ｐＨは株式会社堀場製作所製ｐＨメータ（型式Ｂ−２１２）にサンプルを載せて測定し、サンプルは測定後ガラス容器に戻した。
ｐＨ調整後、スパチュラで混合しながら酵素液を１．０ｇ加え、さらにスパチュラを洗いながら純水を加えて合計１０ｇとした。その後ガラス容器に蓋をして直ちに４０℃の恒温槽で撹拌しながら７２時間（Ｈｒ）酵素糖化反応を行った。得られた糖化液を高速液体クロマトグラフィー分析して可溶化糖（グルコース、セロビオース、セロトリオース、セロテトラオース、セロペンタオース、セロヘキサオース、アラビノース、キシロース、キシロビオース、キシロトリオースの合計したもの）及びフルフラールを定量し、可溶化糖利用率を以下の計算式により算出した。
【数２】
2015053029.tif 000004
【００３６】
[糖化液の培養評価]
種培養：
酵母の標準菌であるサッカロマイセス・セレビシエ（Saccharomyces.cerevisiae）ＮＢＲＣ２３４６株をポテトデキストロース寒天(potato dextrose agar）(ＰＤＡ)培地で３０℃、一晩培養した。【００３７】
前培養：
酵母ニトロゲンベース（アミノ酸不含）(Yeast Nitrogen base w/o Amino acid)（ＤＩＦＣＯ社製、以下、ＹＮＢと略す。）を６．７ｇ／Ｌ、試薬グルコースを２０ｇ／Ｌとなるように作成し滅菌した水溶液（以後、ＳＤグルコース培地と呼ぶ。）に、滅菌したφ１８ｍｍ試験管に４ｍＬを無菌的に入れた培地液に、種培養した菌を一白金耳植菌し、温度３０℃、回転数３００ｒｐｍで一晩培養した。【００３８】
本培養：
培地液は、各糖化液を遠心分離した上清にＹＮＢと水を加えて、終濃度がグルコース２０ｇ／Ｌ、ＹＮＢ６．７ｇ／Ｌとなるように調整した後、除菌フィルタろ過したろ液を、滅菌したφ１８ｍｍ試験管に４ｍＬを無菌的に入れた培地液に、前培養液を４０μＬ（植菌比率１％）を植菌し、温度３０℃、回転数３００ｒｐｍで４８Ｈｒ培養した。
コントロールとしてＳＤグルコース培地での培養も合わせて行った。【００３９】
エタノール分析：
エタノールの分析サンプルは、本培養液を遠心分離して取得した上清を、エタノール濃度が０．１〜０．５容量％となるように水希釈して調整した。装置は株式会社島津製作所製のＧＣ−１８Ａ、カラムはＴｈｅｒｍｏｎ−３００  ５％（内径３ｍｍ、長さ３ｍ）を用い、キャリアガスはヘリウムガス５０ｍＬ／分、インジェクション量１μＬ、昇温速度２０℃／分で５０℃から１００℃昇温後１００℃保持、検出器温度２５０℃の条件でガスクロマトクラフィー分析してサンプル中のエタノール濃度を求めた。【００４０】
実施例１：
３ｍｍバガスを質量フィーダおよびコンパクターを用いて、有り姿質量５．０ｋｇ／Ｈｒ、乾燥質量換算４．５ｋｇ／Ｈｒの供給速度で、スクリュー回転数を３５０ｒｐｍとしたスクリュー押出機Ｂに投入し、粉砕部において注液ラインより４．８ｋｇ／Ｈｒの供給速度で水を添加して、引き続き加熱部前の粉砕部での含水率が５４質量％（固形分濃度４６質量％）となるよう調整し、加熱部での原料の温度（以下、水熱温度と略記する。）を１７５℃、圧力５ＭＰａとして水熱処理を行った後、冷却部で原料を水冷ジャケットにより７０℃以下に冷却して、排出口からサンプルを回収した。この条件での加熱部の通過時間（以下、水熱時間と略記する。）は７．５分であった。回収した処理サンプルは、糖化評価を行い、さらに糖化液の培養評価を行った。【００４１】
実施例２〜４、比較例１〜４：
各種条件を表２に記載のように変更したこと以外は実施例１と同様にして、糖化評価および培養評価を行った。
【００４２】
【表２】
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【００４３】
実施例１〜４、比較例１〜４についての処理サンプル糖化の結果（糖化後のフルフラール濃度、糖化前のセルロース濃度、糖化後のグルコース濃度、グルコース利用率、糖化後の対グルコースフルフラール比率）を表３にまとめて示す。【００４４】
【表３】
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【００４５】
［押出機条件による水熱サンプルの糖化性の比較］
実施例１と比較例１は温度１７０℃、時間７．５分、実施例２と比較例２は温度１９０℃、時間７．５分のそれぞれ同じ水熱条件を、異なるスクリュー構成の押出機で行った。
実施例１及び２の押出水熱は、シールリングエレメントを、５セット配置した条件のスクリュー押出機Ｂ（図１（Ｂ））、及び６セット配置した条件のスクリュー押出機Ａ（図１（Ａ））により行った。それに対して、比較例１、２では加熱部にシールリングエレメントを配置しないスクリュー押出機Ｅ（図１（Ｅ））、Ｄ（図１（Ｄ））により行った。【００４６】
処理サンプルのグルコース濃度、グルコース利用率は、１７５℃、７．５分の水熱条件では、シーリングエレメントが５セットの実施例１がそれぞれ３．８％、５４％に対し、０セットの比較例１は１．２％、１７％を示し、また１９０℃、７．５分では、シーリングエレメントが６セットの実施例２が４．０％、５７％に対し、０セットの比較例２は１．３％、１９％を示し、シールリングエレメントが配置されないとサンプルの糖化性が低下することが確認された。【００４７】
このシールリングエレメントの効果は、セルロース含有バイオマスがシールリングとシリンダーとの非常に狭いクリアランスの部分を原料が通過する際に生じる強い擂り潰し応力が、水熱処理と同時にかかることにより、バイオマス中のセルロースの糖化性を向上させるためと推測される。
上の結果より、高い糖化性能を得るためのスクリュー押出機の条件は、加熱部にシールリングエレメントを複数設置することが有効であることが確認された。【００４８】
［水熱処理前の粉砕部での粗粉砕］
本明細書における実施例、比較例は、スクリュー押出で水熱処理ができたテスト例であり、それらの水熱直前の原料の最大粒径は、スクリュー押出機の加熱部より前の粉砕部から抜き出したサンプルを顕微鏡観察した結果いずれも１０００μｍ以下まで粉砕されていることが分かった。
一方、テストはしたが実際には水熱処理できなかった条件がある。それはスクリュー押出機Ａ及びスクリュー押出機Ｅのそれぞれの粉砕部にあるシールリングエレメントからシールリングを外したスクリュー構成とした場合である。３ｍｍバガスを供給して水熱処理を試みたが、粉砕部において圧力を保持できず蒸気が逆流して処理できなかった。この時の水熱前の粉砕部から回収した原料の最大粒径はいずれも１０００μｍを超え粉砕がしっかりされていなかった。
以上より粉砕部での粗粉砕は、押出水熱において糖化性能を向上させる効果と、水熱部で発生する蒸気の上流側のシールする効果が得られているものと推測され、そのレベルは最大粒径が１０００μｍを下回ることが好ましいことが確認された。【００４９】
[冷却部の条件による運転結果] 
本明細書における実施例及び比較例は、スクリュー押出機で水熱処理ができたテスト例である。いずれのスクリュー押出機も、冷却部には水冷ジャケット及び注液ラインの冷却システム、排出口には調圧バルブを設置して用いた。各テストは、実施例１〜３、比較例１〜３では水冷ジャケットにより冷却を行い、実施例４及び比較例４では水冷ジャケットと注液ラインから処理バイオマスへの注水による冷却を併用して、冷却部の温度を１００℃以下にしたところ、いずれのテストも安定的に連続の水熱処理をすることができた。一方、テストはしたが実際には水熱処理できなかった条件がある。各スクリュー押出機において水冷ジャケット及び注液ラインのいずれの冷却システムも使用せずに処理を行ったところ、いずれのスクリュー押出機の場合においても、冷却部の温度は１００℃を超えた高温状態のままで、サンプルが蒸気とともに断続的に噴出し安定的な処理ができなかった。
以上の通り、冷却部では水冷ジャケット及び／又は注液ラインの冷却システムを使用して温度を１００℃以下にすることが安定運転に必要であることが確認された。【００５０】
［水熱サンプルの糖化性とフルフラール濃度］
実施例１〜４、比較例３〜４により、糖化性能が確実に向上する、加熱部にシールリングエレメントを配置したスクリュー押出機を用いた処理において、水熱条件と処理サンプルの糖化性能を比較する。
粉砕部での粉砕と給水によりバガスの粒径と含水率が同一に調整され、その他の装置条件、処理条件も同じであれば、事前に乾燥・粗粉砕されている「３ｍｍバガス」と「未処理バガス」の違いによる糖化性能への影響はないと言える。また、供給速度の違いは、装置内の原料の滞留時間に影響し、水熱時間に連動するため、時間を短くするには速度を上げ、長くするには下げるというように、供給速度は水熱時間の設定のための操作因子となる。
各処理サンプルの糖化評価結果は、いずれの水熱条件ともグルコース濃度３％以上、グルコース利用率５１％以上を示し、おおむね１７５℃〜２２０℃、１分〜１０分の範囲の水熱処理おいて、良好な糖化性能が得られることが確認された。【００５１】
一方、フルフラール濃度は、１７５℃、７．５分の実施例１が５９４ｐｐｍ、１９０℃、７７．５分の実施例２が１２３１ｐｐｍ、１９０℃、２．５分の実施例３が６５０ｐｐｍ、２１０℃、２．５分の比較例３が１８９４ｐｐｍ、２１０℃、１．２分の実施例４が６８９、２２０℃、１．２分の比較例４が１９７５ｐｐｍを示し、高温または長時間の水熱条件になると濃度が上昇する傾向となった。【００５２】
以上の糖化結果より、良好な糖化性が得られ、かつ１０００ｐｐｍを下回る条件は、おおむね２００℃以下の温度では２．５分以下、２００℃を超え２１０℃までの条件では１．２分以下であることが確認された。
なお、本実験における糖化液のフルフラール濃度は、水熱処理サンプルを洗浄せず直接酵素反応を実施しているため、水熱処理時のフルフラールの副生挙動がそのまま反映され、水熱条件の良否を比較できる数値となる。【００５３】
［培養評価結果］
実施例１〜４、比較例３〜４の糖化サンプルは、培地のグルコースとして終濃度が２％になるようそれぞれ調整して、酵母の標準菌による培養を行い、４８時間（Ｈｒ）後のエタノール濃度により評価を行った。培養評価ではコントロールとして試薬グルコースを用いた培養も併せて行った。
培養結果（培地グルコース濃度、エタノール濃度、コントロールに対するエタノール濃度比）とフルフラール濃度を表３に示す。【００５４】
【表４】
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【００５５】
試薬グルコースのコントロールのエタノール濃度が０．７４％であったのに対し、１７５℃、７．５分の実施例１のエタノール濃度は０．７８％、コントロールに対する比率１０５％、１９０℃、７７．５分の実施例２は０．７７％、１０４％、１９０℃２．５分の実施例３は０．７７％、１０４％、２１０℃２．５分の比較例３は０．５８％、７８％、２１０℃１．２分の実施例４は０．７５％、１０１％、２２０℃１．２分の比較例４は０．５０％、６８％を示し、フルフラール濃度が高い比較例３、４は、コントロールを下回るエタノール濃度となり発酵阻害があることが確認された。
実施例２は、糖化後のフルフラール濃度は高く１０００ｐｐｍを超えたが、比較例とは異なりグルコース濃度も高かったため、対グルコースのフルフラール比率が低くなった。このためグルコース濃度２％に調整した培地のフルフラール濃度は、１０００ｐｐｍを超える比較例３、４に対して、６１６ｐｐｍに抑制され、良好なエタノール濃度を得ることができた。【００５６】
以上の糖化結果より、良好な糖化性が得られかつ発酵阻害を起こさない水熱条件は、フルフラール濃度が１０００ｐｐｍを下回る条件と同じく、おおむね２００℃以下の温度では２．５分以下、２００℃を超え２１０℃までの条件では１．２分以下であることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明による、スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理と同時に擂潰効果のある混錬粉砕を行うセルロース含有バイオマスの前処理方法によれば、得られるセルロース含有バイオマス組成物を糖化する際に発酵阻害成分のフルフラールの副生が少なくなり、工業的に有益な糖化性能の高い糖化用バイオマス組成物を効率的に得ることができる。
【図１】
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【国際調査報告】
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