(57)【要約】  【課題】バイオマスを付加価値の高いものから低いものまで無駄なく利用することができ、しかも簡便でかつ省エネ省コストで目的物を得ることができる、バイオマスから有用物質を製造する方法を提供する。  【解決手段】バイオマスから有用物質を製造する方法であって、水と酸の混合物を溶媒に用いて熱水蒸留又は水蒸気蒸留により、木質バイオマスから抽出物を抽出する蒸留工程と、該蒸留工程において使用された溶媒液（溶媒＋溶出物）を発酵させてエタノールを製造する発酵工程と、を有することを特徴とする方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスから有用物質を製造する方法であって、
水と酸の混合物を溶媒に用い、熱水蒸留又は水蒸気蒸留によりバイオマスから抽出物を抽出する蒸留工程と、
該蒸留工程で用いられた溶媒液を発酵させてエタノールを製造する発酵工程と、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
さらに、蒸留工程における溶媒液分離後の残渣を炭化させる炭化工程を有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
炭化工程で発生したガスを燃料等として使用する請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
蒸留工程又は炭化工程のいずれか、少なくとも一工程において、マイクロ波加熱を行う請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
バイオマスは、糖質系バイオマス、デンプン系バイオマス又はセルロース系バイオマスから選ばれる少なくとも１種のバイオマスである請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスを有効利用する方法に関し、詳細には多糖類を構成ユニットとするバイオマスから有用物質を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策の一環として、バイオマスを燃料に用いた発電技術が知られている。バイオマスには、都市ごみ、食品残渣、下水汚泥等の産業系バイオマス、家畜糞尿等の動物系バイオマス、栽培植物、伐採木や農作物残渣等の植物系バイオマスがある。植物系バイオマスは、粉砕物もしくは加工物（炭化物、液化物、ガス化物など）を燃料として発電する。
【０００３】
しかし、固体バイオマスは嵩高く、収集・運搬エネルギーが多く必要なため、大量に調達しなければならない場合や、遠方にて発電を実施する場合には、不向きである。これを解消するために、バイオマスの液化やガス化（エタノール化、ＤＭＥ化、水素化）の技術があるが、現状ではいずれも大規模な装置を必要としたり（エタノール化では培養装置など）、高コスト（ＤＭＥ化、水素化など）である。
【０００４】
また、各種バイオマスは様々な成分を含んでおり、それらの中には付加価値の高い精油成分も含まれているが、現状のバイオマスの利用方法では、それらの付加価値の高い成分も燃料として消費されてしまっているか、あるいは燃料加工の際に消失（揮発、分解）して、全く利用されないでいる。除伐材や間伐材として森林から取り除かれている松、椿、桜、ヤシ等付加価値の高い成分を含むバイオマス資源は、活用率も低く、これらはチップ工場で合板に加工され、加工屑は堆肥として処分されているのが現状である。
【０００５】
バイオマスを有効利用する方法として、従来より、圧搾、水蒸気、熱水、有機溶媒やラード等により精油を抽出する方法が実施され、最近は、特許文献１に抽出の際の加熱手段として、マイクロ波を用いた抽出方法も提案されているが、この方法はメリッサの花と茎を細かく粉砕したものを原料とした方法であり、大量のバイオマスの処理方法とは言えない。
【０００６】
一方、上記したエタノールの製造方法としては、粉砕したバイオマスに水を加えてスラリー化した後、このスラリーを水の亜臨界状態乃至超臨界状態に保ってバイオマスに含まれている多糖類を分解、糖化し、しかる後に発酵を行う方法（特許文献２）、或いは、バイオマスを加水分解あるいは蒸煮して糖質原料とした後に、糖質原料を発酵させてエタノールを製造する方法（特許文献３）等が提案されている。特許文献３の方法では、発酵工程における酵母または発酵性細菌の固定用担体としてごみ焼却灰を原料の一つとして製造した多孔質体を用いるなど、省資源化を図る検討も行われている。
【０００７】
このように、バイオマス資源を有効活用しつつ、それから有用物質を製造しかつそれを利用できるようにすることは、循環型社会で常に熱望されている技術である。
【特許文献１】特開２００４−０８９７８６号公報
【特許文献２】特開２００１−２６２１６２号公報
【特許文献３】特開平１１−１６９１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、バイオマスを付加価値の高いものから低いものまで無駄なく利用することができ、しかも簡便でかつ省エネ省コストで目的物を得ることができる、バイオマスから有用物質を製造する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】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明は次の手段をとるものである。
【００１０】
すなわち、本発明は以下のとおりである。
（１）バイオマスから有用物質を製造する方法であって、
水と酸の混合物を溶媒に用い、熱水蒸留又は水蒸気蒸留によりバイオマスから抽出物を抽出する蒸留工程と、
該蒸留工程で用いられた溶媒液を発酵させてエタノールを製造する発酵工程と、
を有することを特徴とする方法。
（２）さらに、蒸留工程における溶媒液分離後の残渣を炭化させる炭化工程を有する前記（１）に記載の方法。
（３）炭化工程で発生したガスを燃料等として使用する前記（１）又は（２）に記載の方法。
（４）蒸留工程又は炭化工程のいずれか、少なくとも一工程において、マイクロ波加熱を行う前記（１）〜（３）のいずれかに記載の方法。
（５）バイオマスは、糖質系バイオマス、デンプン系バイオマス又はセルロース系バイオマスから選ばれる少なくとも１種のバイオマスである前記（１）〜（４）のいずれかに記載の方法。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る本発明によれば、従来別々に実施されていた水蒸気蒸留又は熱水蒸留と加水分解工程とを一工程で実施できるので、簡便でかつ、省エネ省コストでエタノール発酵用の糖質原料を得てエタノールを製造することができると共に、有用な精油成分を得ることもできる。
【００１２】
請求項２、３に係る本発明によれば、蒸留後の残渣（非加水分解バイオマス）を炭化させることで、燃料として有用な炭化物を得ることができ、さらに、炭化工程で発生するガスは燃料やメタノール製造原料等として利用することができる。
【００１３】
請求項４に係る本発明によれば、加熱手段としてマイクロ波を利用することで、抽出物が分解、劣化することなく、精油を抽出することができる。
【００１４】
請求項５に係る本発明によれば、糖質系バイオマス、デンプン系バイオマス又はセルロース系バイオマスから選ばれる少なくとも１種のバイオマスを利用することにより、精油回収量が高くしかも発熱量の高い炭化物を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に本発明方法のバイオマスから有用物質を製造する方法のフローチャートを示した。即ち、蒸留工程２では、バイオマス１に溶媒として酸と水の混合物を用い、熱水蒸留又は水蒸気蒸留により精油３を回収する。次に、蒸留工程で得られた加水分解物４を、固体と液体に分離し、溶出した単糖類を含有する溶媒液５を、発酵工程６に導入し、エタノール７を製造する。一方、上記溶媒液分離後の固体のバイオマス残渣８を、炭化工程９に導入し、炭化物１０を製造すると同時に、揮発性ガス１１を捕集する。
【００１６】
本発明の方法は、蒸留工程に酸性水を利用することに最大の特徴がある。殆んどのバイオマスには、（化１）に示すセルロース（Ｄ−グルコースを構成ユニットとする多糖類）、ヘミセルロース（Ｄ−キシロース、Ｄ−アラビノース、Ｄ−マンノース、Ｄ−ガラクトース、Ｄ−グルコースを構成ユニットとする多糖類）、リグニンが存在し、また、栽培系のバイオマスには（化２）に示すデンプン（Ｄ−グルコースと一部マルトースを構成ユニットとする多糖類）も多く含まれている。これらを原料としてエタノールを製造する場合は、通常、多糖類を単糖類に分解する加水分解工程が必要になるが、本発明の方法によれば、蒸留工程において多糖類の加水分解が可能となるため、蒸留工程と加水分解工程を一工程で同時に実施することができる。
【００１７】
【化１】
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【化２】
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【００１８】
本発明で用いるバイオマスとしては、多糖類を含有するバイオマスであれば特に制限はないが、例えば、サトウキビ、テンサイ、スイートソルガム等の糖質系バイオマス、トウモロコシ、キャッサバ、サツマイモ、ジャガイモ、小麦、大麦等のデンプン系バイオマス、ネピアグラス、ポプラ、プラタナス、笹、竹等のセルロース系バイオマスなどの栽培系バイオマス；モミ殻、稲藁、麦藁、バガス、アブラヤシ（パーム油の原料）のヤシ殻等の農産系バイオマス、野菜くず、食品工場や外食産業から出る食品加工残渣等の食物系バイオマスなどの廃棄物系バイオマス；或いはこれらの混合バイオマスなどを挙げることができる。
【００１９】
これらのバイオマスの中でも、精油含有量が多いという観点では、栽培系バイオマスや食物系バイオマスが好ましく、一般的には広葉樹より針葉樹が好ましい。成分の安定性では栽培系バイオマスが好ましい。また、栽培系バイオマスは、実、葉、枝、幹などを用いることができ、この中でも、蒸留工程での単糖類の生成量が多いという点では実や葉が好ましい。
【００２０】
（蒸留工程）
蒸留工程では、バイオマスから酸と水の混合溶媒を用いて、精油を抽出する。酸は、硫酸、塩酸、酢酸等を用いることができる。バイオマスは採取時のものを、必要に応じて粉砕して用いればよく、粉砕装置は二軸カッター、ミルカッター等を単独で、或いは、組み合わせて使用すればよい。
【００２１】
抽出溶媒中の酸濃度は、加水分解効率や精油の安定性等を考慮すると、約０．５〜２５質量％が好ましく、より好ましくは約１〜１０質量％である。酸濃度が低すぎると加水分解が不充分となり、酸濃度が高すぎると精油成分等が変性、分解する恐れがある。抽出溶媒のバイオマスに対する割合は特に限定されないが、バイオマス（常温・含水状態）：溶媒＝１：０．１〜１：５（質量／質量）とするのが好ましい。前記割合より抽出溶媒が少ない場合は精油の抽出効率が低下し、一方、多い場合は加熱に要するエネルギーが大きくなるため好ましくない。
【００２２】
精油抽出時の温度は、１００℃〜２００℃が好ましく、より好ましくは１００℃〜１２０℃である。温度をこの範囲に保持することにより、抽出される精油成分の分解を防止し、抽出効率を高めることができる。抽出時間は限定されないが、通常、約３０秒〜１時間、好ましくは約１分〜３０分である。
【００２３】
精油抽出時の加熱手段は、特に限定されるものではなく、温浴、電熱、マイクロ波加熱等を用いることができる。
【００２４】
（炭化工程）
精油抽出工程終了後のバイオマスから溶媒液を分離した残渣を、炭化工程に導入し、バイオマスを炭化処理する。残渣には、セルロース、ヘミセルロース、リグニン等が含有されている。残渣の炭化は、従来公知の方法に従い実施すればよい。
【００２５】
ガス化反応を進行させると共に、燃料比の高い炭化物を得て、バイオマスの熱変換効率を高めることができる点より、３００℃〜１３００℃に保持されていることが好ましく、より好ましくは７００℃〜１３００℃である。温度が７００℃未満では炭化が不十分となり、１３００℃を超えると加熱所要エネルギーが多くなりすぎる。加熱時間は、約１０分〜１０時間、好ましくは約１〜４時間である。
【００２６】
加熱処理時には、炭化と同時に、ＣＨ４、ＣＯ、Ｈ２等の揮発性ガスや、木酢液、木タールが生成するので、これらの揮発性ガスを捕集することにより、燃料や原料ガスとして利用することができる。
【００２７】
（発酵工程）
一方、バイオマス抽出に用いた酸添加溶媒は、ヘミセルロースや多糖類の加水分解により生成した６単糖、５単糖などの単糖類等を多量に含有する。例えばセルロース系木質バイオマスの場合（水：ウエットバイオマス＝１：１のとき）、セルロースやヘミセルロースの加水分解物（単糖）等の溶出分濃度は約２５質量％であるのに対し、酸無添加溶媒を用いたときの溶出分濃度は約５質量％である。
【００２８】
溶出する単糖類等の量は、供給するバイオマスの種類や部位によって異なるが、一般には、幹・枝、葉、実の順に多くなる。通常、溶出分の濃度として５〜５０質量％のものが得られるが、これらの溶出分を含有する溶媒液をそのまま発酵工程に供給し、必要に応じて濃度調整すればよい。前記の溶媒液には、バイオマスの内蔵水や付着水も含まれている。溶媒液をエタノール発酵槽に導入した後、酵母や菌を添加し発酵させてエタノールを製造する。
【００２９】
エタノール発酵槽に添加できる菌としては、Saccharomyces cerevisiaeやSaccharomyces kluyveriなどのサッカロマイセス属に属する酵母等や、Zymomonas mobilis などのザイモモナス属に属するアルコール発酵菌等や、Mucor javanicusなどのアミロ菌等、アルコール発酵産業において通常使用される酵母が挙げられる。発酵時間は特に限定されないが、約１０〜１００時間、好ましくは約２０〜６０時間である。
【００３０】
以上のように、本発明の方法によれば、バイオマスから精油、炭化物、エタノール等の有用物質を、簡易な方法で、省エネ、省コストで製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の方法によりバイオマスから抽出した様々な精油は、製薬、化粧品、食品、芳香剤、染色剤などの様々な産業分野で利用することが可能となる。また、抽出後のバイオマス炭化物は、燃料比の高い燃料として利用することができる。また、抽出溶媒から製造したエタノールは、燃料等として利用することができる。また、炭化工程で生成した木酢液は、土壌改良剤、植物活性化剤、防菌剤、防黴剤、動物・害虫の忌避・殺虫剤等として利用することができ、高沸点のタールは、医薬品、レンズ研磨材、航空機タイヤ配合材、フェノール樹脂接着剤等として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明方法のフローチャート図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  木質バイオマス
２  蒸留工程
３  精油
４  加水分解物
５  溶媒液
６  発酵工程
７  エタノール
８  蒸留残渣
９  炭化工程
１０  炭化物
１１  揮発性ガス
【図１】
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