(57)【要約】【課題】バイオマス原料を工業的レベルにおいて有効且つ効率良くに再利用可能とするためのバイオマス原料の処理方法を提供する。【解決手段】バイオマス原料に対して高温湿熱処理を施す第１ステップと、係る高温湿熱処理を施したバイオマス原料に対して、発酵酵母、発酵菌類、キノコ菌類、酵素、および酵母などの少なくとも一種を加える第２ステップと、を含み、係る第２ステップは、上記バイオマス原料の内部に位置する空間または空隙に上記発酵酵母、発酵菌類、キノコ菌類、酵素、または酵母などを浸透させて行う、バイオマス原料の処理方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス原料に対して高温湿熱処理を施す第１ステップと、
上記高温湿熱処理を施したバイオマス原料に対して、発酵酵母、発酵菌類、キノコ菌類、酵素、および酵母などの少なくとも一種を加える第２ステップと、を含む、
ことを特徴とするバイオマス原料の処理方法。
【請求項２】
前記第１ステップにおいては、圧力容器内で前記バイオマス原料に対して高温高圧の飽和水蒸気で高温湿熱処理を施した後、上記容器から飽和水蒸気のみを大気圧下の外部に排出するか、あるいは、上記容器内の飽和水蒸気およびバイオマス原料を大気圧下の外部に排出する、
ことを特徴とする請求項１に記載のバイオマス原料の処理方法。
【請求項３】
前記第２ステップにおいては、前記バイオマス原料の内部に位置する空間または空隙に前記発酵酵母、発酵菌類、キノコ菌類、酵素、または酵母などを浸透させて行う、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のバイオマス原料の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料（例えばバイオマス系廃棄物）を工業的レベルにおいて再利用可能とするためのバイオマス原料の処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマス原料の１種である例えばバイオマス系廃棄物は、これまで極く一部が再利用されるのみで、その大半は廃棄物として処分されてきた。
一般的に、バイオマス系廃棄物は、生ゴミとして処分されるが、その一部は自然環境の中で放置し、天然の微生物の作用を利用して発酵・熟成させ、堆肥や発酵肥料・発酵飼料として再利用されている。しかし、上述した自然発酵の場合、その発酵には長い時間（通常６ヶ月以上）が必要である。そのために、多大の時間および処理スペースを必要とすると共に、発酵過程で腐敗臭が発生したり、発酵時の自己発熱による火災を招来するなどの環境上や安全上の問題があった。
【０００３】
一方、環境意識の高まりに連れ、近年バイオマス原料となる上記廃棄物の処理は、焼却や埋め立てといった安易な処理方法が困難な時代的趨勢となりつつあり、バイオマス原料の再利用が強く求められている。
しかしながら、現在のところ、バイオマス原料の有効利用について、その量、質、およびコストを踏まえた有効な再利用方法が見当たらないのが現状である。
例えば、近年普及し始めた生ゴミ処理装置は、生ゴミの処理に長時間を要すると共に、発酵速度が遅いため、効率的ではない、という問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、以上において説明した背景技術の問題点を解決し、バイオマス原料を工業的レベルにおいて有効且つ効率良くに再利用可能とするためのバイオマス原料の処理方法を提供する、ことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、前記課題を解決するため、バイオマス原料に発酵酵素などを加えて糖化や発酵分解などを行わしめるのに先立って、当該バイオマス原料を高温湿熱処理して湿熱分解（例えば加水分解）による低分子化を促す、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明のバイオマス原料の処理方法（請求項１）は、バイオマス原料に対して高温湿熱処理を施す第１ステップと、係る高温湿熱処理を施したバイオマス原料に対して、発酵酵母、発酵菌類、キノコ菌類、酵素、および酵母などの少なくとも一種を加える第２ステップと、を含む、ことを特徴とする。
【０００６】
尚、上記バイオマス原料には、木質系廃棄物（間伐材、流木、剪定枝、木材屑、建築廃棄物など）、農業廃棄物（稲わら、籾穀、バカスなど）、食品廃棄物（おから、醤油粕など）、古紙、およびセルロース系繊維（綿、麻、レーヨンなど）といった植物系廃棄物のほか、畜産関係や水産関係などから生じる動植物系廃棄物（魚肉、魚骨、アラ、海藻など）なども含まれる。また、前記高温湿熱処理は、１６０〜２５０℃（望ましくは１８０〜２５０℃）の飽和水蒸気または熱水で、上記バイオマス原料を直に加熱処理することである。
【０００７】
また、本発明には、前記第１ステップにおいては、圧力容器内で前記バイオマス原料に対して高温高圧の飽和水蒸気で高温湿熱処理を施した後、上記容器から飽和水蒸気のみを大気圧下の外部に排出するか、あるいは、上記容器内の飽和水蒸気およびバイオマス原料を大気圧下の外部に排出する、バイオマス原料の処理方法（請求項２）も含まれる。尚、上記高温湿熱処理の後において、圧力容器内の飽和水蒸気と共にバイオマス原料を大気圧下の外部に排出する形態では、係る飽和水蒸気とバイオマス原料とを、別の圧力容器内に排出させる。
更に、本発明には、前記第２ステップにおいては、前記バイオマス原料の内部に位置する空間または空隙に前記発酵酵母、発酵菌類、キノコ菌類、酵素、または酵母などを浸透させて行う、バイオマス原料の処理方法（請求項３）も含まれる。尚、上記浸透（含浸）は、例えば真空含浸または加圧含浸方法により行う。
【発明の効果】
【０００８】
前記バイオマス原料の処理方法（請求項１）によれば、バイオマス原料は、第１ステップにおいて、高温湿熱処理により急速に湿熱分解（例えば加水分解）されて、その構成分子の一部が低分子化される。係る低分子化されたバイオマス原料に発酵酵母、発酵菌類、キノコ菌類、酵素、酵母などを加える第２ステップを施すことによって、酵母や菌類などの親和性が向上する。更に、湿熱処理により生じた糖類は、菌類などの栄養源が内在することで更なる糖化、発酵分解、アミノ酸の生成などを著しく促進することができる。
従って、従来廃棄物として処理されていた多くのバイオマス原料を、極めて短時間で且つ省スペースにして、高品質の発酵飼料、発酵肥料、土壌改良剤、菌床、各種のサプリメントなどの農業・畜産関係用の資材、あるいはエタノール発酵の中間原料などの有効な資源にして、リサイクルすることができる。しかも、高温湿熱処理により雑菌類が殺菌されているため、腐敗臭を生じず且つ毒性を解消できる。更に、適正な発酵コントロール下で行われるため、火災などが発生しない。これらにより、環境上や安全上の観点からも良好にすることが可能となる。
【０００９】
また、前記バイオマス原料の処理方法（請求項２）によれば、高温高圧の飽和水蒸気で高温湿熱処理した後、圧力容器内の飽和水蒸気のみを大気圧下に瞬時に排出するか、圧力容器内の処理されたバイオマス原料を飽和水蒸気と共に大気圧下にある別の容器内に瞬時に排出される。係る排出の際に、処理済みの原料中に含まれていた飽和水蒸気と平衡関係にあった高温高圧の飽和水も、大気圧下にまで減圧されるため、瞬時に気化・蒸発する。係る飽和水（液体）が大気圧下の水蒸気（気体）になるとき、その体積は、瞬時に１０００倍以上に膨張する。このバイオマス原料中で瞬時に膨張しようとする体積変化により、当該原料は、細片化（爆砕）され且つその中に無数の微細な亀裂（空間、空隙）が生じる。この亀裂が形成されると、第２ステップで菌類などを容易に原料中に加えることが可能となる。しかも、別の容器内に排出する形態では、排出経路や別の容器内で原料が激しく衝突して破砕されるため、原料が一層細片化されるので、第２ステップで菌類などを一層容易に原料中に加えられる。
【００１０】
更に、前記バイオマス原料の処理方法（請求項３）によれば、前記バイオマス原料中の空間や空隙に前記発酵酵母、発酵菌類、キノコ菌類、酵素、または酵母などを浸透（含浸）させるため、前記酵素や菌類などによる分解や発酵などの作用が、バイオマス原料の内部からも生じる。この結果、単に攪拌混合したり散布などで原料の表面に付着させる場合に比べて、分解や発酵などの作用を飛躍的に向上させることができる。係る効果は、特にバイオマス原料のサイズが大なる場合に有効である。従って、前記第１ステップと相まって、バイオマス原料のリサイクルを工業的に効率良く行うことに寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
(１)．第１ステップ：バイオマス原料に高温湿熱処理を施す。
これは、バイオマス原料を、１６０〜２５０℃、望ましくは１８０〜２５０℃の飽和水蒸気または熱水で直に加熱処理する。
この場合において、図示しない密閉式の圧力容器に充填した例えば木質系のバイオマス原料に対し、高温高圧の飽和水蒸気を当てて高温湿熱処理した後、上記容器内の飽和水蒸気のみを瞬時に外部に排出するようにしても良い。この際、上記原料は、内部で膨張しようとする著しい体積変化（爆砕）を受けるため、無数の亀裂（空間、空隙）を内部に生じ、且つ爆砕された多数の細片（チップ）となる。
この結果、木質系のバイオマス原料の主要な構成分子であるセルロースやヘミセルロースなどは、急速に湿熱分解（例えば加水分解）、即ち結晶構造が切断されて一部が低分子化し、更に分解が進むとグルコースやキシロース、あるいはこれらのオリゴ糖にまで分解させることが可能である。
【００１２】
また、木質系のバイオマス原料のもう１つの主要な構成分子であるリグニンも、一部が上記同様に低分子化および分解され、セルロース、ヘミセルロースなどに対するガード機能が低下するため、前記酵素や菌類などによる糖化作用や発酵分解作用を助長させることもできる。
更に、畜産関係や水産関係などから生じる動物系のバイオマス原料を、１６０〜２５０℃の飽和水蒸気または熱水で、直に加熱処理すると、上記原料中のタンパク質が急速に湿熱分解され、その構成分子中のペプチド結合が切断されて一層低分子化し、更に分解が進むとアミノ酸にまで分解することが可能である。
因みに、木質系のバイオマス原料である木材屑を例にとると、第１ステップの高温湿熱処理を施したものは、係る処理をしなかったものに比べて、後述する実施例で示すように、分解酵素（セルラーゼ）による糖化成分の生成量を約３〜８倍も多くすることができる。
【００１３】
(２)．第２ステップ：高温湿熱処理を施したバイオマス原料に対して、発酵酵母、発酵菌類、キノコ菌類、酵素、および酵母などの少なくとも一種を加える。
この第２ステップは、バイオマス原料の表面に上記菌類などを攪拌混合または散布により付着させる。
あるいは、バイオマス原料の内部に位置する空間または空隙に前記発酵酵母、発酵菌類、酵素、または酵母などを浸透（含浸）させても良い。具体的には、例えば真空・加圧含浸方法を用いる。この真空・加圧含浸方法は、高温湿熱処理したバイオマス原料（前記細片）を、先ず、図示しない真空容器に充填して密閉し、係る真空容器中を真空ポンプなどによって真空（通常約１〜１０×１０−３ＭＰａ）にして、当該容器内および上記原料内部の空気を排出する。
【００１４】
次に、所定の前記酵素や菌類などを分散または溶解した液体を、上記容器中のバイオマス原料（前記細片内）に十分に浸漬するまで給液し、更に上記容器中を所定の圧力（通常約０．０１〜２．０ＭＰａ）まで加圧することにより、上記原料である細片内部の空間や隙間にまで酵素や菌類などを浸透させる方法である。
尚、第１ステップで前記爆砕によって生じる無数の亀裂を有する細片を用いると、上記浸透を迅速に行うことができる。また、第２ステップは、上記真空・加圧含浸方法に限らず、バイオマス原料の表面または内部の空間や隙間に、所定の酵素や菌類などを付着または浸透させ得る方法であれば良い。
【００１５】
以上のような第１ステップおよび第２ステップを行う本発明のバイオマス原料の処理方法によれば、高温湿熱処理の急速な湿熱分解による上記原料の低分子化と、前記酵素や菌類などを攪拌混合や真空・加圧含浸方法などによる上記原料内への浸透作用とによって、発酵熟成などを例えば数時間〜数日間の極めて短時間に効率良く行うことができる。
従って、従来の自然発酵に比べて著しく短時間で、高品質の発酵飼料、発酵肥料、土壌改良剤、菌床、各種のサプリメントなどの農業・畜産関係用の資材、あるいはエタノール発酵の中間原料などに再利用でき、且つ各ステップの処理を行うためのスペースもコンパクト化できる。しかも、第１ステップでバイオマス原料中の雑菌類が完全に殺菌されるため、腐敗臭や有害物質も発生しないため、極めて環境にやさしく且つ安全にして、安心できる発酵飼料など製造できる。
【実施例】
【００１６】
ここで、本発明の具体的な実施例について、比較例と併せて説明する。
楢（なら）の廃材を破砕機で約８ｍｍ×３ｍｍの木材屑とし、これを３組に分けた。このうちの２組の木材屑を、図示しない密閉式の圧力容器に個別に充填し、高温高圧（１．６ＭＰａ×２００℃）の飽和水蒸気を当てて５分間または１０分間にわたり個別に高温湿熱処理した（第１ステップ）。係る高温湿熱処理された２組の木材屑のうち、５分間処理した組を実施例１とし、１０分間処理した組を実施例２とした。また、高温湿熱処理しなかった組の木材屑を比較例とした。
各例の木材屑の試験片を硫酸加水分解した後、糖分分析装置（装置名：グルコースＢテストワコー）によって、それらに含まれている高分子グルコースの含有量を測定した。その結果を表１に示す。
【００１７】
【表１】
2005103415.tif 000002
【００１８】
表１によれば、高温湿熱処理した実施例１，２と未処理の比較例とでは、高分子グルコースの含有量はあまり変わらなかった。
次に、各例の木材屑をそれぞれ４分割した後、これらに対して２種類の酵素原末（農林水産省認定記号：ＳＣＥ３、ＡＣＣＦ９１０）を、次述する２つの濃度に分けて個別に攪拌混合して加えた（第２ステップ）。尚、上記ＳＣＥ３は、酸性セルラーゼＣＥＰＢの増強品であり、上記ＡＣＣＦは、アクレモニウムセルラーゼである。
具体的には、実施例１，２および比較例の４組ずつの木材屑を、個別に図示しないブレンダー中に個別に投入し、木材(屑)：１００ｍｇ／１０ｍｌ、５０ｍＭクエン酸緩衝液：ｐＨ５．０、酵素濃度０．１ｍｇ／ｍｌまたは０．５ｍｇ／ｍｌの組成および条件にして、２４時間攪拌して反応させた。その後、攪拌を中止して１０分間煮沸することで、上記反応を停止させた。
【００１９】
各例ごとに４組ずつ得られた反応液を、遠心分離機によって遠心分離し、得られた上澄み液中の糖化したグルコース含有量（糖化量）を、前記糖分分析装置によって測定した。その結果を表２に示した。
また、第２ステップの糖化したグルコース含有量と前記第１ステップにおけるグルコース含有量との割合（表２／表１：％）である糖化率を、各例ごとに算出して、表３に示した。
【００２０】
【表２】
2005103415.tif 000003
【００２１】
【表３】
2005103415.tif 000004
【００２２】
表２，３によれば、実施例１，２は、２種類の酵素を２つの濃度で加えた４組の全てにおいて、対応する比較例よりもグルコースの糖化量が多かった。このうち、酵素の濃度が０．５ｍｇ／ｍｌの場合、係る傾向は顕著であり、特に、酵素原末がＡＣＣＦ９１０で且つ濃度が０．５ｍｇ／ｍｌの場合に最多量であった。因みに、実施例１は、比較例に比べて糖化成分の生成量が約３〜６倍も多く、実施例２は、比較例に比べて糖化成分の生成量が約４〜８倍も多くなっている。
これは、実施例１，２は、予め高温湿熱処理されることで、セルロースなどの構成分子が低分子化されているため、上記酵素の浸透が十分に行われ、その分解作用が行われたことによる、と推定される。
以上のような実施例１，２の結果から、本発明におけるバイオマス原料の処理方法の作用・効果が裏付けられ、且つその優位性が容易に理解される。
【００２３】
本発明は、以上において説明した実施の形態や実施例に限定されない。
例えば、第１ステップは、密閉式の圧力容器に充填したバイオマス原料に対し、高温高圧の飽和水蒸気を当てて高温湿熱処理した後、上記容器内の飽和水蒸気のみを瞬時に外部に排出する形態（爆砕）でも良い。
また、第２ステップは、上記高温湿熱処理されたバイオマス原料として、上記爆砕による無数の亀裂を有する細片を用いて、前記浸透を行う形態でも良い。且つ、第２ステップは、前記酵母、酵素、菌類の複数種を併せて加えても良い。
更に、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々に変更することもできる。