(57)【要約】【課題】本発明の目的は、リグニンを含むバイオマスから、簡便でしかも効率的に、メタンガスを生産する方法を提供することである。【解決手段】(i)リグニンを含むバイオマスを白色腐朽菌を用いてで腐朽させる、(ii)その後、腐朽化されたバイオマスを１８０℃以下で蒸煮爆砕する、(iii)次いで、破砕されたバイオマスをメタン発酵させることによって、リグニンを含むバイオマスからメタンガスを効率的に生産する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
リグニンを含むバイオマスからメタンガスを生産する方法であって、
(i)リグニンを含むバイオマスを白色腐朽菌を用いて腐朽させる腐朽化工程、
(ii)腐朽化されたバイオマスを１８０℃以下で蒸煮爆砕により、破砕させる破砕工程、
(iii)破砕されたバイオマスをメタン発酵させるメタン発酵工程、
を含む、メタンガス生産方法。
【請求項２】
前記腐朽化工程において使用される白色腐朽菌が、セリポリオプシス・サブファーミスポーラ（Ceriporiopsis subvermispora）である、請求項１に記載のメタンガス生産方法。
【請求項３】
前記腐朽化工程において使用される白色腐朽菌が、FERM P-20591として寄託されている白色腐朽菌である、請求項１に記載のメタンガス生産方法。
【請求項４】
前記破砕工程における蒸煮爆砕の温度条件が１４０〜１６０℃である、請求項１乃至３のいずれかに記載のメタンガス生産方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リグニンを含むバイオマスから、簡便且つ効率的に、メタンガスとしてエネルギーを生産する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建築廃材、剪定街路樹、森林伐採木等を初めとして、日本では有効利用されずに焼却若しくは放置されている木質バイオマスが多量に存在する。木質バイオマスからエネルギーを回収する方法として、焼却熱回収、焼却熱による発電、ガス化発電等が知られているが、いずれもエネルギー回収率が低く、有効ではない。一方、木質バイオマスをメタン発酵によりメタンガスに変換できれば、ガスエンジン等により、最終的に熱効率７０％程度と高い効率でエネルギー回収できると試算される。
【０００３】
木質バイオマスの主成分であるセルロースやヘミセルロース等は比較的メタン発酵によってエネルギー変換を受け易い有機物であるが、木質バイオマスに１０〜３５％程度含まれているリグニンはセルロースやヘミセルロースの生物分解を妨げる役目を持つため、単に木質バイオマスをメタン発酵に供しても、高いエネルギー回収率は得られないことが分かっている。そこで、エネルギー回収率を高めるために、木質バイオマスを蒸煮爆砕やミル粉砕等に供して、リグニン構造を物理的に破壊した後に、メタン発酵を行う方法が提案されている。しかしながら、蒸煮爆砕やミル粉砕等の破砕処理には、多量のエネルギーや大規模な施設が必要であり、メタン発酵で回収されるエネルギーの殆どを当該破砕処理で消費してしまうという欠点がある。
【０００４】
一方、木質バイオマスを効率的に糖化させる方法として、木質バイオマスをPhanerochaete chrysosporiumで腐朽処理した後に、蒸煮爆砕をする方法が報告されている（非特許文献１参照）。しかしながら、非特許文献１の木質バイオマスの糖化方法では、１９０〜２１０℃程度の高エネルギーを要する温度条件での爆砕が必要とされており、１７０℃の温度条件では木質バイオマスの糖化率が３０％程度と十分に行えないことが例証されている。また、木質バイオマスの糖化には、特定の酵素の作用により行われるのに対して、木質バイオマスのメタン発酵はメタン発酵菌の作用により行われる。即ち、糖化とメタン発酵では、その作用機序やプロセスが全く異なるものであり、両者を同一に論じることはできない。
【０００５】
このように従来の技術では、木質バイオマスからのエネルギー回収効率は、産業的に実用できるレベルに到達しておらず、木質バイオマスから簡便且つ効率的にメタンガスとしてエネルギーを回収する方法の開発が切望されている。特に、実用性を考慮すると、木質バイオマスからのエネルギー回収効率が４０％を上回るエネルギー回収技術の開発が強く求められている。
【非特許文献１】Tatsuro Sawada et al., Biotech. & Bioeng., Vol. 48, pages 719-724 (1995)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は、リグニンを含むバイオマスから、簡便でしかも効率的に、メタンガスを生産する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】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、(i)リグニンを含むバイオマスを白色腐朽菌を用いてで腐朽させる、(ii)その後、腐朽化されたバイオマスを１８０℃以下で蒸煮爆砕する、(iii)次いで、破砕されたバイオマスをメタン発酵させることによって、メタンガスを効率的に生産できることをを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて、更に改良を重ねることにより完成したものである。
【０００８】
即ち、本発明は、下記に掲げる態様の発明である：
項１．  リグニンを含むバイオマスからメタンガスを生産する方法であって、
(i)リグニンを含むバイオマスを白色腐朽菌を用いて腐朽させる腐朽化工程、
(ii)腐朽化されたバイオマスを１８０℃以下で蒸煮爆砕により、破砕させる破砕工程、
(iii)破砕されたバイオマスをメタン発酵させるメタン発酵工程、
を含む、メタンガス生産方法。
項２．  前記腐朽化工程において使用される白色腐朽菌が、セリポリオプシス・サブファーミスポーラ（Ceriporiopsis subvermispora）である、項１に記載のメタンガス生産方法。
項３．  前記腐朽化工程において使用される白色腐朽菌が、FERM P-20591として寄託されている白色腐朽菌である、項１に記載のメタンガス生産方法。
項４．  前記破砕工程における蒸煮爆砕の温度条件が１４０〜１６０℃である、項１乃至３のいずれかに記載のメタンガス生産方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、白色腐朽菌による腐朽化処理と１８０℃以下（好ましくは１６０℃以下）での蒸煮爆砕処理という簡便に実施できる方法で木質バイオマスの効率的な糖化、ひいてはメタン発酵によるメタンガスの効率的な回収を実現することができる。
【００１０】
また、従来技術では、木質バイオマス前処理する蒸煮爆砕条件としては、２００℃程度の加熱が必要とされ、高エネルギーを消費するだけでなく、ボイラー取り扱い作業主任者による管理が必須であり、高度な工程管理も必要とされていた。特に200℃を超える蒸気を使用する場合、装置の耐圧構造から、爆砕装置はバッチ式が必要とされるため、処理効率が低い上に、バッチごとにエネルギーの開放が必要であるため、消費エネルギー量が多いという欠点がある。これに対して、本発明では、蒸煮爆砕条件として、１８０℃以下（好ましくは１６０℃以下）が採用されているため、エネルギー的にも有利で、しかもボイラー取り扱い作業主任者による管理は必要なく、簡便に工程を管理できるという利点もある。また、１８０℃以下の爆砕処理となれば、連続爆砕が可能となり、処理効率の向上、装置の小型化、エネルギー量の削減が可能となるという利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のメタンガス生産方法において、メタンガス製造の原料として、リグニンを含むバイオマスが使用される。当該バイオマスとしては、リグニンを含むことを限度として特に限定されるものではなく、例えば、針葉樹材、広葉樹材、非樹木系材料、及びそれらの廃棄物が例示される。具体的には、スギ、エゾマツ、カラマツ、クロマツ、トドマツ、ヒメコマツ、イチイ、ネズコ、ハリモミ、イラモミ、イヌマキ、モミ、サワラ、トガサワラ、アスナロ、ヒバ、ツガ、コメツガ、ヒノキ、イチイ、イヌガヤ、トウヒ、イエローシーダー（ベイヒバ）、ロウソンヒノキ（ベイヒ）、ダグラスファー（ベイマツ）、シトカスプルース（ベイトウヒ）、ラジアータマツ、イースタンスプルース、イースタンホワイトパイン、ウェスタンラーチ、ウェスタンファー、ウェスタンヘムロック、タマラック等の針葉樹材；アスベン、アメリカンブラックチェリー、イエローポプラ、ウォールナット、カバザクラ、ケヤキ、シカモア、シルバーチェリー、タモ、チーク、チャイニーズエルム、チャイニーズメープル、ナラ、ハードメイプル、ヒッコリー、ピーカン、ホワイトアッシュ、ホワイトオーク、ホワイトバーチ、レッドオーク、アカシア、ユーカリ等の広葉樹材；、イネ、サトウキビ、ムギ、トウモロコシ、パイナップル、オイルパーム、ケナフ、綿、アルファルファ、チモシー、タケ、ササ、テンサイ等の非樹木系材料；及びこれらの廃棄物が挙げられる。
【００１２】
本発明の原料として使用されるバイオマスにおけるリグニン含量については、特に制限されるものではないが、一例としてバイオマスの乾燥重量当たり１〜５０重量％の割合が例示される。一般的に、リグニンが含まれているバイオマスでは、メタン発酵が十分に進行しなくなる傾向が認められ、本発明では、このようなリグニンの存在によるメタン発酵の欠点を改善するものである。
【００１３】
以下、本発明のメタンガス生産方法について、工程順に詳述する。
(i)腐朽化工程
まず、リグニンを含むバイオマスを白色腐朽菌を用いて腐朽させる腐朽化させる（腐朽化工程）。
【００１４】
本工程に供されるバイオマスの形状については、特に制限されず、チップ状、粉末状、フレーク状、繊維状、角材状、丸太状等の如何なる形状のものであってもよい。効率的な腐朽化処理を実施するためには、上記バイオマスは、チップ状又は粉末状であることが望ましい。
【００１５】
リグニンを含むバイオマスがチップ状である場合、その大きさは、例えば、縦５０ｍｍ以下、横５０ｍｍ以下、長さ５０ｍｍ以下程度、好ましくは縦５〜２０ｍｍ以下、横５〜２０ｍｍ以下、長さ５〜２０ｍｍ以下程度に調整すればよい。
【００１６】
本工程に使用される白色腐朽菌は、リグニン分解能を有することを限度として特に制限されないが、一例として、セリポリオプシス（Ceriporiopsis）属、トラメテス（Trametes）属、レンチナス（Lentinus）属等の属に属する微生物、及びこれらの類縁微生物が例示される。これらの中でも、好ましくは、セリポリオプシス・サブファーミスポーラ（Ceriporiopsis subvermispora）及び白色腐朽菌SK M2102が挙げられる。セリポリオプシス・サブファーミスポーラの中でも、好適なものとして、ATCC 90467株、CBS347.63株等が例示される。
であり、これらの白色腐朽菌を使用することにより、より一層高効率でメタンガスを生産することが可能になる。なお、白色腐朽菌SK M2102は、独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センターにＦＥＲＭ ＡＰ−２０５９１（識別のための表示：SK M2102）として寄託されている菌株である。
【００１７】
本工程は、具体的には、上記バイオマスに白色腐朽菌を添加し、これを培養することによって行われる。
【００１８】
本工程では、白色腐朽菌による培養、即ち腐朽化を効率的に進行させるために、白色腐朽菌が良好に生育できる環境下で、白色腐朽菌と上記バイオマスとを共存させることが望ましい。具体的には、上記バイオマス（乾燥重量換算）１００重量部に対して、水分を１０〜４００重量部、好ましくは５０〜３００重量部、更に好ましくは７０〜２００重量部程度含ませておくことが望ましい。また、更に、上記バイオマスには、必要に応じて、白色腐朽菌の生育に必要とされる塩や栄養素（例えば、ふすま、ペプトン、コーンスティープリカー、酵母エキス、肉エキス、麦芽エキス、ポテトエキス、無機塩類等）を添加してもよい。また、白色腐朽化効率をより高めるために、本工程に供される上記バイオマスは、植菌（白色腐朽菌の添加）に先だって、加熱殺菌等の殺菌処理に供しておいてもよい。
【００１９】
上記バイオマスに白色腐朽菌を添加する方法は、特に制限されず、通常の植菌方法に従って行うことができる。例えば、上記バイオマスがチップ状の場合であれば、該バイオマスの表面に白色腐朽菌の種菌を降りかけたり、或いは該バイオマスと白色腐朽菌の種菌を混合したりすればよい。また上記バイオマスが角材状や丸太状の場合であれば、例えば、角材や丸太材に適当な数の穴を開けて、その穴に白色腐朽菌の種菌を詰めればよい。
【００２０】
本工程における上記バイオマスの腐朽化は、該バイオマスに白色腐朽菌を添加して、通常２０〜４２℃、好ましくは２２〜３８℃の温度条件下で、３〜１８０日間、好ましくは４〜９０日間、好気的に培養することにより行われる。また、当該培養中は、相対湿度を１０〜１００％、好ましくは５０〜８０％程度に保持しておくと、白色腐朽菌の生育を良好に保持することができる。
【００２１】
(ii)破砕工程
次いで、上記(i)工程によって腐朽化されたバイオマスを、１６０℃以下で蒸煮爆砕により破砕する（破砕工程）。
【００２２】
本工程は、具体的には、耐圧性の容器又は槽内に、上記(i)工程によって腐朽化されたバイオマスを入れ、蒸煮温度を１６０℃以下にした後、０．５〜３０分間、好ましくは２〜１０分間保持し、急激に内部の圧力を開放することにより実施される。
【００２３】
本工程において、蒸煮温度については、１８０℃以下であればよいが、好ましくは１６０℃以下、更に好ましくは１４０〜１６０℃、特に好ましくは１００〜１６０℃が挙げられる。
【００２４】
本発明では、リグニンを含むバイオマスを、本破砕工程に先立って、上記(i)工程に供しておくことにより、従来技術では実現不可能であった低エネルギーによる蒸煮爆砕処理を採用して、該バイオマスを効率的にメタン発酵が進行するように変換することが可能になっている。
【００２５】
(iii)メタン発酵工程
次いで、蒸煮爆砕されたバイオマスを、メタン発酵させる（メタン発酵工程）。当該メタン発酵によって、上記バイオマスがメタンに変換され、エネルギーとして回収される。
【００２６】
本工程では、上記工程(ii)で爆砕されたバイオマスとメタン発酵菌を混合して、メタン発酵を進行させることにより行われる。メタン発酵菌としては、従来公知のメタン発酵菌を使用できるが、簡便には、メタン発酵菌が含まれる汚泥（例えば、メタン発酵施設において生じたメタン発酵処理後の汚泥）を使用することもできる。
【００２７】
メタン発酵は、通常、嫌気性雰囲気で行われ、本工程では、嫌気性雰囲気の調製・維持は、二酸化炭素、窒素、アルゴン、水素、天然ガス、メタン、都市ガス等を用いて行うことができる。また、必要に応じて、硫化ナトリウムなどの酸素除去剤を使用してもよい。
【００２８】
本工程において、メタン発酵の形式は特に制限されず、回分式、固定床式、等のメタン発酵において利用されている公知のいずれの形式であってもよい。また、当該メタン発酵は、乾式であっても、また湿式であってもよい。
【００２９】
メタン発酵時の温度条件は、用いるメタン発酵菌の種類に応じて広い温度範囲から適宜設定することができ、特に限定されるものではないが、一般には２０〜６０℃程度、例えば、３５℃程度のいわゆる中温でも、５５℃程度のいわゆる高温でもよい。
【００３０】
上記(ii)工程で蒸煮爆砕されたバイオマスは、爆砕直後は、高温であるため、当該バイオマスは、メタン発酵に著しく悪影響を及ぼすことがない程度（例えば、６０℃以下）に冷却した後に、メタン発酵に供することがが望ましい。
【００３１】
本工程におけるメタン発酵時間としては、バイオマスの種類や量、使用するメタン発酵菌の種類、発酵温度、発酵形態等によって異なり、一律に規定することはできないが、通常１４〜３０日、好ましくは１０〜２０日、更に好ましくは１０〜１４日を挙げることができる。
【００３２】
本工程により生じるメタンガスは、公知のメタンガス回収手段により、分離回収することができる。
【００３３】
また、本工程により回収されたメタンガスを、ガスエンジン、マイクロガスタービン、ボイラー等で利用する場合、その廃熱を上記(ii)工程における蒸煮爆砕の熱エネルギーとして利用してもよい。このように廃熱を有効利用することにより、メタンガス起源の電力を自家使用することなく、上記工程(ii)を実施することが可能になる。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例及び試験例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
試験例１
１．試験方法
予め蒸気滅菌したブナ木粉（40-80メッシュ）を用いて、以下に示す条件で、腐朽化処理、爆砕処理、及びメタン発酵を行い、爆砕処理後のＴＳ（固形物重量）及びメタンガス発生量を測定した。
＜腐朽処理＞
前培養用培地で白色腐朽菌(Phelinus sp.) SKM2102又はCeriporiopsis subvermispora(ATCC 90467株)をポテトデキストロース寒天(PDA)プレート上で５日間28℃で前培養した。
【００３５】
オートクレーブ可能な滅菌フィルター付き菌床椎茸栽培用の袋NTキノバッグ(日昌株式会社製)内で、ブナ木粉又はブナチップ（固形分換算50ｇ、含水率100％）に、小麦フスマ50 g及び蒸留水150 mlを添加し、よく混合した。これを121℃、20分間オートクレーブで滅菌した。このNTキノバッグ内に、前培養したPDAプレートからコルクボーラーで打ち抜いた直径6〜7mmのペレット10個を入れて混合し、28℃、相対湿度70％、8週間培養した。
【００３６】
＜爆砕処理＞
上記条件で腐朽化処理したブナ木粉又はブナチップを、蒸煮爆砕用の耐圧性容器に入れ、１４０℃、１６０℃又は１８０℃の水蒸気を導入して６.５分間保持した後、一気に容器内部の圧力を大気圧に開放することにより、爆砕処理を行った。なお、比較のために、上記腐朽化処理を実施していないブナ木粉又はブナチップに対しても、同様に、爆砕処理を行った。
【００３７】
＜メタン発酵処理＞
上記条件で爆砕したブナ木粉又はブナチップ（乾燥重量換80mg）とメタン発酵汚泥１９mLを混合し、嫌気雰囲気５５℃で１４日間インキュベートした。当該メタン発酵処理により生じたメタンガス量を測定し、下記式に従って、メタン転換率を算出した。なお、本試験では、メタン発酵汚泥として、発酵温度が55℃で運転されているメタン発酵施設の発酵槽内から採取された汚泥（固形分濃度：2重量％）を使用した。
【００３８】
【数１】
2008237164.tif 000002
【００３９】
２．試験結果
メタン発生量の測定結果を図１に示す。なお、図１における各実施例及び比較例は、下表１に示す条件で腐朽処理及び爆砕処理を行ったものである。また、図１におけるコントロールには、爆砕したブナ木粉の変わりに、粉末セルロースを用いて、上記メタン発酵処理を実施した際のメタン転換率を測定した結果を示す。
【００４０】
この結果から、１８０℃以下（特に１４０〜１６０℃）という穏やかな蒸煮爆砕条件を採用し爆砕しても、腐朽処理を予め実施しておくことによって、木質バイオマスから工業的な実施が可能なレベルの転換率でメタンを発生させることが可能になることが明らかとなった。一方、腐朽処理を行わなかった木質バイオマスに対して、１８０℃以下の蒸煮爆砕条件では、工業的な実施の目安とされる４０％のメタン転換率を実現することはできなかった。
【００４１】
【表１】
2008237164.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】試験例１の結果、図縄値各腐朽処理及び爆砕処理条件下（実施例１−６，比較例１−３）でブナ木材を前処理した場合の各メタン転換率を示す図である。
【図１】
2008237164.tif 000004