(57)【要約】【課題】植物体のセルロースとリグニンを分離するという目的を達成するために、省エネルギーで環境に対して、より温和な手段が望まれているにもかかわらず、ｐＨ１４程度の２５〜３０％アルカリで数時間も煮沸させ、加熱し続けて、エネルギーを大量に消費し、環境にとっても危険で過酷な手段しか見いだされていなかった。【解決手段】粉砕器やすりばちなどの粒径を小さくする手段により、細かくされた後に、ふるい等の選別手段により、０．５ｍｍ以下の粒径にそろえられた植物体粉末を、アルカリ水溶液と混合し、その後、固体成分と液体成分とを分離し、固体成分を水洗することにより植物繊維を得る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉砕器やすりばちなどの粒径を小さくする手段により、細かくされた後に、ふるい等の選別手段により、０．５ｍｍ以下の粒径にそろえられた植物体粉末を、アルカリ水溶液と混合し、その後、固体成分と液体成分とを分離し、水洗された固体成分であることを特徴とする植物繊維。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉砕と微細な植物体とアルカリ水溶液と粒径と化学反応の速度とリグニンとセルロースの分離と植物繊維に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、木材などの植物体からセルロースを分離する方法は、どれも高温で強アルカリや強酸を使うものであることが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【非特許文献１】「ウッドケミカルスの最新技術、株式会社シーエムシー、２０００年１０月３１日第１刷発行」、第２章、ｐ．６
【０００３】
本発明人は、のこ屑をすりばちで細かく砕くことにより、室温においても、１日〜７日で、アルカリ水溶液にリグニンが溶けて、セルロースを分離できることを見いだした。しかしながら、その後の調査で、この現象はすでに、特許として公知となっていることがわかった（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平０６−８７７５６号公報
しかし、その特許の中では、植物体の粉砕を、加工工程の最後に行っており、化学反応にとって粉砕することがきわめて重要であるにもかかわらず、これが認識されていないことに気づいた。本発明にとっては、粉砕こそが最も重要な意味を持つのであり、加工工程の中で最初にすべきことが粉砕であることを提案し、以下に、その効果について考察する。
【０００４】
化学反応の量は、化学反応によって消費される反応物の量又は、生成される生成物の量で表される。化学反応の量を表す単位としては、質量、モル濃度、体積や圧力の単位が用いられる。
【０００５】
化学反応の速さは、単位時間当りに消費される反応物の量や単位時間あたりに生じる生成物の量によって表される（例えば、非特許文献２参照。）。
【非特許文献２】高等学校  化学ＩＩ、（株）第一学習社、平成８年発行、ｐ１７
一般に、反応の速さは、時間とともに変化するので、一定時間当りの平均の速さで表される。反応物の濃度がΔｔ（ｓ）間にΔｃ（ｍｏｌ／ｌ）減少したとすると、Δｔ（ｓ）間における反応の平均の速さＶ（ｍｏｌ／ｌ  ｓ）は、次式で表される。
Ｖ＝−Δｃ／Δｔ  （１）
【０００６】
化学反応は、分子やイオンが衝突することによっておこる。従って、単位時間あたりの分子又はイオン相互の衝突回数が多くなると、反応の速さは大きくなる。物質Ａと物質Ｂが反応する場合、Ａの濃度が２倍になると、衝突回数も２倍になり、Ａ、Ｂの濃度がそれぞれ２倍になると、衝突回数は２ｘ２＝４倍になる。反応の速さが衝突回数に比例すると考えると、この反応の速さＶは、Ａ、Ｂの濃度［Ａ］、［Ｂ］を用いて、次式のように表される。
Ｖ＝ｋ［Ａ］［Ｂ］  （２）
ここで、比例定数ｋは反応速度定数である。
【０００７】
このように、一定温度で反応物の濃度や分圧が大きくなると、単位体積中の分子やイオンの数が多くなり、分子やイオンの衝突回数が増加するため、反応が速くなると考えられる。
【０００８】
植物体とアルカリ水溶液の化学反応において、化学反応は植物体の表面で主として生じていると考えられる。このとき、植物体の表面にアルカリ水溶液の分子又はイオンが衝突する回数は、植物体の表面が大きいほど大きいと考えられる。すなわち、分子又はイオンが衝突する回数は、植物体の表面積に比例することが導かれる。同時に、反応速度は、植物体の表面と分子やイオンの衝突回数に比例するから、反応速度は植物体の表面積に比例することが導かれる。従って、植物体の表面積が大きいほど反応速度は大きくなる。
【０００９】
粉砕器などによって植物体の粒径が細かくされる場合には、植物体の体積がそのまま保持される場合が多い。このように植物体の体積が一定値に保存される条件の下では、表面積は粒径に反比例する。これは、次のようにして証明される。
【００１０】
粒径Ｄの球を考える。同時に、球の半径をｒ＝Ｄ／２とおくと、球の体積は（４／３）πｒ３、球の表面積は４πｒ２である。表面積と体積の比は、（４πｒ２）÷（（４／３）πｒ３）＝３／ｒとなる。ここで、体積は常に一定であると仮定すると、表面積は半径ｒに反比例することが導かれる。さらに、粒径Ｄは半径ｒの２倍に等しいことから、表面積は粒径Ｄに反比例することが導かれる。
【００１１】
植物体とアルカリ水溶液の反応において、反応速度は、植物体の表面積に比例する。同時に、植物体の表面積は粒径Ｄに反比例するので、粒径Ｄが２分の１になると反応速度Ｖが２倍になる。従って、表式は、
Ｖ＝ＢＶｏ  Ｄｏ／Ｄ      （３）
で与えられる。ここで、Ｂは比例定数、Ｖｏは反応速度の初期値、Ｄｏは粒径の初期値をそれぞれ表わす。。
【００１２】
以上では、表面積が広くなると化学反応の速さが大きくなることについて述べたが、一般に、温度が上がると化学反応の速さは大きくなる。従って、反応速度を大きくするには、粒径を小さくしてもよいし、温度をあげてもよいことがわかる。このことから、お互いに等しい反応速度を与えるような粒径と温度の値の組を与えることが可能であると考えられる。
【００１３】
化学反応の反応速度は温度が１０℃上昇するごとに２倍〜４倍になることが知られている。何倍になるかは、化学反応の種類で異なっており、反応温度が１０Ｋ上昇するごとに、反応速度定数は３〜４倍になっていることや（例えば、非特許文献３参照）、温度を１０℃上げるごとに、反応速度が２〜３倍になるような反応が多いことが知られている（例えば、非特許文献４参照。）。
【非特許文献３】高等学校  化学ＩＩ、（株）第一学習社、平成８年発行、ｐ２１
【非特許文献４】新化学、数研出版（株）、平成３年４月１日発行、ｐ１２７
【００１４】
ここでは、簡単のため２倍の場合と４倍の場合とを考察する。
（１）温度が１０℃上昇すると、反応速度Ｖが２倍になる場合には、表式は、
ｌｎ（Ｖ／Ｖｏ）＝（ΔＴ／１０）ｌｎ２＋  ｌｎ（Ａ１）  （４）
で与えられる。ここでｌｎは自然対数、Ｖｏは反応速度の初期値、ΔＴは温度差、Ａ１は比例定数をそれぞれ表わす。粒径が２分の一になると反応速度は２倍になるから、反応速度にとって、粒径を２分の１にすることと温度が１０℃上昇することとは等しい意味をもつことがわかる。
【００１５】
これより、反応速度の等しい系列を作ることができる。たとえば、出発する温度と粒径を２０℃と０．５ｍｍに定めれば、これと同じ反応速度を与える温度と粒径の組は、３０℃で１ｍｍ、４０℃で２ｍｍ、５０℃で４ｍｍ、６０℃で８ｍｍ、７０℃で１６ｍｍ、８０℃で３２ｍｍ、９０℃で６４ｍｍ、１００℃で１２８ｍｍなどとなる。以下では、これを２倍の系列と呼ぶことにしよう。
【００１６】
（２）温度が１０℃上昇すると反応速度が４倍になる場合には、温度Ｔが５℃上昇するごとに反応速度Ｖが２倍になるので、表式は、
ｌｎ（Ｖ／Ｖｏ）＝（ΔＴ／５）ｌｎ２＋  ｌｎ（Ａ２）  （５）
で与えられる。ここでｌｎは自然対数、Ｖｏは反応速度の初期値、ΔＴは温度差、Ａ２は比例定数をそれぞれ表わす。粒径が２分の１になると反応速度は２倍になるから、反応速度にとって粒径を２分の一にすることと温度が５℃上昇することとは等しい意味をもつことがわかる。
【００１７】
これより、反応速度の等しい系列を作ることができる。たとえば、出発する温度と粒径を２０℃と０．５ｍｍと定めれば、これと同じ反応速度を与える温度と粒径の組は、２５℃で１ｍｍ、３０℃で２ｍｍ、３５℃で４ｍｍ、４０℃で８ｍｍ、４５℃で１６ｍｍ、５０℃で３２ｍｍ、５５℃で６４ｍｍ、６０℃で１２８ｍｍ、６５℃で２５６ｍｍ、７０℃で５１２ｍｍ、７５℃で１０２４ｍｍ、８０℃で２０４８ｍｍ、８５℃で４０９６ｍｍ、９０℃で８１９２ｍｍ、９５℃で１６３８４ｍｍ、１００℃で３２７６８ｍｍとなる。以下では、これを４倍の系列と呼ぶことにしよう。
【００１８】
たとえば、１００℃で１００ｍｍＸ１００ｍｍＸ２０００ｍｍの角材を３時間煮ることを出発点として選ぶと、角材の表面積は１００Ｘ１００Ｘ２＋１００Ｘ２０００Ｘ４＝８２００００ｍｍ２である。これと等しい表面積を持つ球の半径をｒとおけば、表面積Ｓ＝４πｒ２より、ｒ＝２５５．５〜２５６ｍｍが得られる。粒径Ｄ＝２ｒの関係より、Ｄ＝５１２ｍｍを得る。従って、１００℃での角材の反応速度は、１００℃での粒径５１２ｍｍの球の反応速度に等しいことが導かれる。次に、温度と粒径の関係として２倍の系列と４倍の系列の２つの場合を考える。
【００１９】
（１）２倍の系列の場合。温度１００℃で粒径５１２ｍｍから出発すると、９０℃で２５６ｍｍ、８０℃で１２８ｍｍ、７０℃で６４ｍｍ、６０℃で３２ｍｍ、５０℃で１６ｍｍ、４０℃で８ｍｍ、３０℃で４ｍｍ、２０℃で２ｍｍとなる。従って、１００℃で５１２ｍｍと２０℃で２ｍｍは等しい反応速度を与える。よって、温度１００℃と粒径５１２ｍｍで反応時間が３時間かかる反応は、２０℃と２ｍｍでも３時間かかる。反応速度が速いほど反応時間は短くなるので、ここで、温度を２０℃一定にすると粒径２ｍｍで反応時間３時間は、１ｍｍで１．５時間、０．５ｍｍで４５分となる。このことは、１００℃と５１２ｍｍで３時間かかる反応が、２０℃と０．５ｍｍで４５分で済むことを意味する。この値は、室温で１日〜７日おくという実際の値とかなりずれがあることがわかる。
【００２０】
（２）４倍の系列の場合。温度１００℃で粒径５１２ｍｍから出発すると、９５℃で２５６ｍｍ、９０℃で１２８ｍｍ、８５℃で６４ｍｍ、８０℃で３２ｍｍ、７５℃で１６ｍｍ、７０℃で８ｍｍ、６５℃で４ｍｍ、６０℃で２ｍｍ、５５℃で１ｍｍ、５０℃で０．５ｍｍとなる。従って、１００℃で５１２ｍｍと５０℃で０．５ｍｍは等しい反応速度を与える。よって、温度１００℃と粒径５１２ｍｍで反応時間が３時間かかる反応は、５０℃と０．５ｍｍでも３時間かかることがわかる。ここで、粒径を０．５ｍｍで一定にすると温度と反応時間の組が得られる。反応速度が速いほど反応時間は短くなるから、温度が１０℃低下すると、反応時間が４倍になることより、５０℃で３時間は、４０℃で１２時間、３０℃で４８時間＝２日、２０℃で８日となる。従って、温度１００℃と粒径５１２ｍｍで３時間かかる反応は、２０℃と０．５ｍｍで８日かかることがわかる。これは、室温で１日〜７日おくという実際に得られている値に近いことが解る。
【００２１】
これより、植物体とアルカリ水溶液での反応速度と温度の関係は、２倍の系列よりも４倍の系列の方に近いと考えられる。
【００２２】
粉砕することが有利であるか、加熱することが有利であるかは、植物体１リットル当り換算で、２つの場合のエネルギー消費量を比較することにより明らかにすることができる。
【００２３】
（１）粉砕器の場合。定格電圧Ｖｒ（Ｖ）、定格電流Ｉ（Ａ）の粉砕器が、単位時間当りにする仕事を電力Ｐ（Ｗ）とよび、
Ｐ＝ＶｒＩ    （６）
で与えられる。粉砕器の運転時間をｔ（ｓｅｃ）とすると、粉砕器の消費した電気エネルギーＷｅ（Ｊ）は
Ｗｅ＝Ｐｔ    （７）
で与えられる。
【００２４】
（２）加熱による場合。一般に、物質１ｇの温度を１℃または１Ｋ上昇させるのに必要な熱量を比熱といい、単位はｃａｌ／ｇ  Ｋである。比熱は物質によって異なり、比熱の大きい物質ほど温度を変化させにくい。比熱ｃ（ｃａｌ／ｇ  Ｋ）の物質ｍ（ｇ）の温度をｔ（Ｋ）上昇させるのに必要な熱量をＱ（ｃａｌ）とすると、
Ｑ＝ｍｃｔ    （８）
である。加えた仕事または熱エネルギーをＷｑ（Ｊ）、発生した熱量をＱ（ｃａｌ）とすると次の関係がある。
Ｗｑ＝ＪＱ    （９）
ここで、比例定数Ｊは、熱の仕事当量とよばれ、
Ｊ＝４．１９  Ｊ／ｃａｌ    （１０）
である。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
植物体のセルロースとリグニンを分離するという目的を達成するために、省エネルギーで環境に対して、より温和な手段が望まれているにもかかわらず、ｐＨ１４程度の２５〜３０％アルカリで数時間も煮沸させ、加熱し続けて、エネルギーを大量に消費し、環境にとっても危険で過酷な手段しか見いだされていなかった。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
粉砕器やすりばちなどの粒径を小さくする手段により、細かくされた後に、ふるい等の選別手段により、０．５ｍｍ以下の粒径にそろえられた植物体粉末を、アルカリ水溶液と混合し、その後、固体成分と液体成分とを分離し、固体成分を水洗することにより植物繊維を得る。
【００２７】
【作用】
植物体とアルカリ水溶液との反応において、反応速度は、植物体の表面積に比例し、植物体の表面積は、植物体の粒径に反比例する。同時に１０℃の温度の上昇で反応速度は約２〜４倍になる。従って、反応速度にとって、粒径を半分にすることは、５〜１０℃の温度上昇と同じ意味を持つことが導かれる。すなわち、植物体を細かく砕くことは、反応速度にとって、加熱することと同等な効果があり、室温でありながらも反応速度が著しく増大し、高温度における場合と同様にセルロースとリグニンの分離が容易になる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
のこ屑などの植物体をすりばちで、よくすった後に、ふるい等にかけて、植物体の粒径が０．５ｍｍ以下になったものを容器に入れて重曹と水を加えて、撹拌し、そのまま室温で保持し、１日から１週間の抽出時間を経た後に、別の容器に液体成分を移して、固体成分を分離する。固体成分を水洗することにより、セルロース植物繊維を得る。
【００２９】
アルカリ水溶液に使用する薬品はアルカリ性になれば何でも使用することができるが、できるだけ重曹を用いることが望ましい。もしも食品添加物として古くからある重曹を用いれば、得られた木材セルロース植物繊維は安全な食物として用いることができる。さらにこのセルロースは無味無臭であるので、各種の食品に添加したり、低カロリーな、ダイエット食品として用いることができる。また、養殖ハマチの餌にすれば、天然に近いハマチを育てることができる。一般細菌はｐＨ５〜９が生息域であり、カビはｐＨ２〜８が生息域であることが知られている。（例えば、非特許文献５参照。）従って、セルロースとリグニンを分離するときに、ｐＨ９を越えるアルカリ水溶液を用いると、分離だけでなく、殺菌も同時に行うことができて望ましい。
【非特許文献５】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｏｋｋ．ｃｏ．ｊｐ／ｔｙｏｕ／ｔｙｏｕ３．ｈｔｍｌ
一般細菌はｐＨ５〜９が生息域であり、カビはｐＨ２〜８が生息域であることが知られている。（例えば、非特許文献５参照。）従って、セルロースとリグニンを分離するときに、ｐＨ９を越えるアルカリ水溶液を用いると、分離だけでなく、殺菌も同時に行うことができて望ましい。
【非特許文献５】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｏｋｋ．ｃｏ．ｊｐ／ｔｙｏｕ／ｔｙｏｕ３．ｈｔｍｌ
【００３０】
【実施例】
のこ屑をすりばちでよくすった後に、粒径を測定した。ふるいは、ＮＯＮＡＫＡ  ＲＩＫＡＫＩ  ＣＯ．，ＬＴＤ．のＴＥＳＴＩＮＧ  ＳＩＥＶＥ  ＪＩＳ  Ｚ８８０１を用いた。始めにふるいの重さを測定した。天秤はケニスのＥＫ−６０００Ｈであり、測定誤差は０．１ｇであった。４．０−１．４ｍｍは４０９．７ｇ、２．０−０．９ｍｍは３８８．０ｇ、６００−４００μｍは３１５．３ｇ、５００−３１５μｍは３１３．５ｇ、３００−２００μｍは２８４．５ｇ、１５０−１００μｍは２７４．１ｇ、底の皿は２４９．４ｇであった。ふるいを重ねて振動試験装置（ニットー電動フルイ、日陶科学（株）、ＡＮＦ３０）に固定した。ビーカーの重さを測定したら、９７．５ｇであった。ビーカーに２０．０ｇののこ屑をいれた。ビーカーを傾けて、のこ屑を最上段のふるいに注いだ。ビーカーの重さを測定すると、１９．９ｇののこ屑を注いだことがわかった。最上段のふるいに蓋をして、振動試験機を１５分間動作させた。その後、ふるいの重さを測り、ふるいそのものの重さとの差を求めた。４．０−１．４ｍｍは０．０ｇ、２．０−０．９ｍｍは０．１ｇ、６００−４００μｍは０．１ｇ、５００−３１５μｍは０．０ｇ（０％）、３００−２００μｍは２．２ｇ（１１％）、１５０−１００μｍは８．４ｇ（４２％）、底の皿は８．８ｇ（４４％）であった。測定誤差は０．１ｇであるので、こののこ屑は０．５ｍｍ以下の粒径にそろっていることが確認された。およそ１５０μｍが平均粒径であると考えられる。１５０μｍ以下の粒度分布は測定器がなくて測定できなかった。
【００３１】
以上のように選別されたのこ屑を用いて実験を行った。５００ｃｃのペットボトルの中に、０．５ｍｍ以下の粒径となるまで細かく砕かれたのこ屑を２５０ｃｃ入れて、こさじ１／３（約１ｇ）の重曹と４００ｃｃの水を入れて、蓋を閉めて混合し、そのまま、１日から１週間置いておくと、液体成分は茶褐色から黒褐色に変色した。別のペットボトルに液体成分を注ぐと固体成分だけが残るので、液体成分と固体成分を分離することができた。固体成分を、水洗いして、植物繊維を得ることができた。これを、ビーカーに移して、水切りをして植物繊維の水気を完全にとるために、毛細管現象を利用し、キッチンタオルを丸めて差し込むと、乾燥はきわめて早かった。
【００３２】
同じく、０．５ｍｍ以下の粒径となるまで細かく砕かれたのこ屑にｐＨ値を変えた水溶液を加えて液体成分の色の変化を観察した。
（１）０．０５７ｇののこ屑をシャーレにとり、ｐＨ１．６の水溶液を１０ｃｃ加えた。１日後、液体成分の色は透明であった。５日後、液体成分の色は透明であった。
（２）０．１００ｇののこ屑をシャーレにとり、ｐＨ２．７の水溶液を１０ｃｃ加えた。１日後、液体成分の色は透明であった。液体表面に粉があり、膜が張ったように見えた。４日後、液体成分の色は透明であった。
（３）０．１１１ｇののこ屑をシャーレにとり、ｐＨ３．１の水溶液を１０ｃｃ加えた。１日後、液体成分の色は透明であった。液体表面に粉があり、膜が張ったように見えた。４日後、液体成分の色は透明であった。
（４）０．０８５ｇののこ屑をシャーレにとり、ｐＨ４．２の水溶液を１０ｃｃ加えた。１日後、液体成分の色は透明であった。液体表面に膜が張ったように見えた。５日後、液体成分の色は透明であった。
（５）０．１８ｇののこ屑をシャーレにとり、ｐＨ７．７の水を１０ｃｃ加えた。１日後、液体成分の色は透明であった。５日後、液体成分の色は少し黒く変化した。
（６）０．０６３ｇののこ屑をシャーレにとり、ｐＨ９．０の水溶液を１０ｃｃ加えた。１日後、液体成分の色は透明であった。４日後、液体成分の色は少し黒く変化した。液体の表面に粉が見られた。
（７）０．０６５ｇののこ屑をシャーレにとり、ｐＨ９．６の水溶液を１０ｃｃ加えた。１日後、液体成分の色は少し黒く変化した。
（８）０．０５４ｇののこ屑をシャーレにとり、ｐＨ１０．１の水溶液を１０ｃｃ加えた。１時間後、液体成分の色は少し黒く変化した。１日後、液体成分の色は少し黒く変化した。
（９）０．０５８ｇののこ屑をシャーレにとり、ｐＨ１１．１の水溶液を１０ｃｃ加えた。１時間後、液体成分の色は少し黒く変化した。１日後、液体成分の色は少し黒く変化した。粉が黒くなっていた。
（１０）０．０７７ｇののこ屑をシャーレにとり、ｐＨ１２．１の水溶液を１０ｃｃ加えた。１日後、液体成分の色は少し黒く変化した。液体表面に粉があり、膜が張ったように見えた。
【００３３】
同じく、０．５ｍｍ以下の粒径となるまで細かく砕かれたのこ屑に有機溶媒を加えて液体成分の色の変化を観察した。
（１）０．１ｇののこ屑をガラス容器に入れて、１００ｃｃのアセトンを加えた後、蓋を閉めた。１日後、液体成分の色はわずかに茶褐色になった。
（２）０．１ｇののこ屑をガラス容器に入れて、１００ｃｃのエタノールを加えた後、蓋を閉めた。１日後、液体成分の色はわずかに茶褐色になった。
これらより有機溶剤にリグニンがとけて、セルロースを分離することができることがわかった。
【００３４】
【発明の効果】
危険な化学物質を使用せず、長時間の加熱も不要となり、コストが安く、手軽に、しかも安全なセルロース植物繊維が得られるようになった。