(57)【要約】【課題】蒸留残液からなり優れた土壌改良効果が得られる土壌改良材の製造方法を提供する。【解決手段】稲藁にアンモニア水を混合し、加熱することにより稲藁に含まれるリグニンを解離する。アンモニアを分離し、ｐＨを３〜７に調整する。糖化酵素を添加して、糖化率が８０％以上となるように糖化処理する。中和した後、糖化残渣を分離して、糖化溶液を得る。アルコール発酵微生物を添加し、糖のアルコールへの変換率が９０％以上となるように発酵処理する。得られた発酵液を蒸留し、アルコールを分離し、アルコール含有量を０．５質量％以下とした蒸留残液を得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基質としてのリグノセルロース系バイオマスにアンモニア水を混合してなる基質混合物を所定温度に所定時間保持することによりアンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、
前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離して、アンモニア分離糖化前処理物を得る工程と、
前記アンモニア分離糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲に調整する工程と、
前記範囲のｐＨに調整されたアンモニア分離糖化前処理物に糖化酵素を添加して、得られた基質・糖化酵素混合物を糖化率が８０％以上となるように糖化処理することにより、糖化処理物を得る工程と、
前記糖化処理物をｐＨ調整した後に固液分離して液体成分としての糖化溶液を得る工程、又は、前記糖化処理物を固液分離して糖化溶液を得た後に該糖化溶液のｐＨを調整する工程と、
前記糖化溶液にアルコール発酵微生物を添加して、前記糖化溶液中の糖のアルコールへの変換率が９０％以上となるようにアルコール発酵処理する工程と、
前記アルコール発酵処理後の発酵液を、蒸留することによりアルコールを分離し、アルコール含有量を０．５質量％以下とした蒸留残液を得る工程とを備えることを特徴とする土壌改良材の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の土壌改良材の製造方法において、前記アンモニア水は２０〜３０質量／体積％の範囲の濃度を備え、前記基質混合物を２５〜１００℃の範囲の温度に所定時間保持することを特徴とする土壌改良材の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の製造方法において、前記糖化酵素は、アクレモニウム属の菌又はトリコデルマ属の菌由来のセルラーゼであることを特徴とする土壌改良材の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３記載の製造方法において、前記アルコール発酵微生物は、サッカロミセス属酵母又はピキア属酵母から選択される１種以上の微生物であることを特徴とする土壌改良材の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の土壌改良材の処理方法において、前記蒸留残液は２〜２０の範囲のＣ／Ｎ比を備えることを特徴とする土壌改良材の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の土壌改良材の製造方法において、
前記アンモニア含有糖化前処理物のｐＨ調整は、リン酸、リン酸塩、硝酸又は硫酸の少なくとも一つを添加することにより行われることを特徴とする土壌改良材の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の土壌改良材の製造方法において、
前記糖化処理物又は前記糖化溶液のｐＨ調整は、水酸化カリウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム又は水酸化ナトリウムの少なくとも一つを添加することにより行われることを特徴とする土壌改良材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌改良材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、稲藁等のリグノセルロース系バイオマスを基質として溶媒と混合してなる基質混合物を、微生物が産生する糖化酵素により糖化することにより糖化溶液を得て、該糖化溶液を発酵させることによりエタノールを製造することが知られている。
【０００３】
ここで、前記リグノセルロース系バイオマスは、セルロース又はヘミセルロースにリグニンが強固に結合した構成を備えている。そこで、前記リグノセルロース系バイオマスを酵素で糖化しやすくするための前処理方法が提案されている。例えば、前記リグノセルロース系バイオマスにアンモニア及び水を加え、一定時間保持した後に、アンモニアを放散させる前処理方法が知られている。
【０００４】
前処理を行うことにより、セルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンの一部が解離し、セルロース若しくはヘミセルロースとリグニンとの間、又はセルロース同士若しくはヘミセルロース同士の間に空隙が生じると考えられている。また、結晶性セルロースが膨潤してセルロースの内部又は、結晶を形成するセルロース間に空隙が生じると考えられている。このため、酵素分子がセルロース又はヘミセルロースに接触しやすくなると考えられている。
【０００５】
尚、本願において、解離とは、セルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンの結合部位のうち、少なくとも一部の結合を切断することをいう。また、膨潤とは、液体の浸入により結晶性セルロースを構成するセルロース又はヘミセルロースに空隙が生じ、又は、セルロース繊維の内部に空隙が生じて膨張することをいう。
【０００６】
前記エタノールの製造では、前記糖化酵素が高価であるので、該糖化酵素の使用量を低減するために前記基質混合物を低濃度にすることが行われている。ところが、前記基質混合物を低濃度にすると、該基質混合物から得られる糖化溶液も低濃度になり、ひいては該糖化溶液を発酵させて得られるエタノールも低濃度になる。この結果、得られたエタノールを濃縮するために蒸留する際に、蒸留に要する時間及び熱エネルギーが増加するという問題がある。
【０００７】
前記問題を解決するために、前記基質混合物を高濃度にすると共に、前記糖化酵素の使用量を増加させ、高濃度のエタノールを得ることが考えられる。この場合には、高価な前記糖化酵素の使用量が増加しコスト増になるため、前記エタノールの製造工程の全体としてのコストを低減する必要がある。また、前記基質混合物の濃度を変えずに前記糖化酵素を低濃度とすると、所望の糖濃度に達するまでの糖化時間が長くなるため、糖化に用いる反応槽を大きくする必要があるという問題もある。
【０００８】
前記エタノール製造工程におけるコスト低減の一方策として、前記糖化溶液を発酵させて得られるエタノールを蒸留した際の蒸留残液から無機塩を回収し、有効利用することが考えられる。例えば、前記糖化溶液として、リグノセルロース系バイオマスを硫酸処理した後、アンモニアにより中和したものを用いる場合、前記蒸留残液から無機塩としての硫酸アンモニウムを回収することができる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−５３２５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記硫酸アンモニウムを前記蒸留残液から回収し、精製するためには、前記エタノール製造工程とは別に、複数の処理工程を必要とする。このような処理には、エネルギーを必要とするため、エタノール製造工程におけるコストを十分に低減することができない。
【００１１】
そこで、前記蒸留残液から回収した無機塩を土壌改良材として用いる代わりに、該蒸留残液をそのまま土壌改良材として用いることも考えられる。この場合、肥料中の炭素と窒素との比率（以下「Ｃ／Ｎ比」とする）を低く抑える必要がある。
【００１２】
しかしながら、前記蒸留残液はＣ／Ｎ比が高く、分解されやすい成分を含むため、発酵によってメタンガスが発生し、土壌が腐敗しやすくなるという不都合がある。また、前記蒸留残液中における肥効成分の含有量が低いため、土壌改良材として十分な効果が得られないことがあるという不都合がある。
【００１３】
本発明は、かかる不都合を解消して、蒸留残液から優れた土壌改良効果を得ることができる土壌改良材の製造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】
【００１４】
かかる目的を達成するために、本発明の土壌改良材の製造方法は、基質としてのリグノセルロース系バイオマスにアンモニア水を混合してなる基質混合物を所定温度に所定時間保持することによりアンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離して、アンモニア分離糖化前処理物を得る工程と、前記アンモニア分離糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲に調整する工程と、前記範囲のｐＨに調整されたアンモニア分離糖化前処理物に糖化酵素を添加して、得られた基質・糖化酵素混合物を糖化率が８０％以上となるように糖化処理することにより、糖化処理物を得る工程と、前記糖化処理物をｐＨ調整した後に固液分離して液体成分としての糖化溶液を得る工程、又は、前記糖化処理物を固液分離して糖化溶液を得た後に該糖化溶液のｐＨを調整する工程と、前記糖化溶液にアルコール発酵微生物を添加して、前記糖化溶液中の糖のアルコールへの変換率が９０％以上となるようにアルコール発酵処理する工程と、前記アルコール発酵処理後の発酵液を、蒸留することによりアルコールを分離し、アルコール含有量を０．５質量％以下とした蒸留残液を得る工程とを備えることを特徴とする。
【００１５】
尚、ここで「糖化率」は、基質中に含まれたセルロース及びヘミセルロースの糖に変換された割合を百分率で示す。また、「糖のアルコールへの変換率」は、糖化溶液中の糖のアルコールに変換された割合を百分率で示す。
【００１６】
本発明の土壌改良材の製造方法では、まず、前記リグノセルロース系バイオマスにアンモニア水を混合して基質混合物を得る。そして、前記基質混合物を、所定温度に所定時間保持してアンモニア含有糖化前処理物を得る。
【００１７】
前記アンモニア含有糖化前処理物は、セルロース若しくはヘミセルロースに結合しているリグニンの一部が解離され、又は結晶性セルロースが膨潤されている。この結果、セルロース若しくはヘミセルロースとリグニンとの間、又は結晶性セルロースを構成するセルロース繊維の間若しくは内部に空間が生じ、糖化酵素分子がセルロース及びヘミセルロースに接触しやすくなるために、酵素糖化が容易になると考えられる。
【００１８】
次に、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離することにより、アンモニア分離糖化前処理物を得る。前記アンモニア分離糖化前処理物は、アンモニアが残存しており、アルカリ性である。そこで、前記アンモニア分離糖化前処理物を糖化酵素の活動に適した酸性領域にするために酸を添加して、該アンモニア分離糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲に調整する。
【００１９】
前記アンモニア分離糖化前処理物のｐＨの範囲は、前記糖化酵素が作用し得るｐＨであり、前記範囲外では、該糖化酵素により前記セルロース又はヘミセルロースを糖化することが困難である。
【００２０】
次に、前記範囲のｐＨに調整されたアンモニア分離糖化前処理物に糖化酵素を添加して、基質・糖化酵素混合物を得る。そして、前記糖化酵素により、前記基質・糖化酵素混合物に含まれる前記セルロース又はヘミセルロースを、糖化率が８０％以上となるように糖化処理することにより、糖化処理物を得る。前記糖化率が８０％以上となるように糖化処理することにより、後工程で前記糖化処理物を固液分離して得られる糖化溶液に含まれる炭素の量を増やすことができる。
【００２１】
次に、前記糖化処理物をｐＨ調整した後に、固液分離して液体成分としての糖化溶液を得る。あるいは、前記糖化処理物を固液分離して糖化溶液を得た後に、該糖化溶液のｐＨを調整する。これにより、前記糖化溶液のｐＨを、後工程のアルコール発酵処理に適した範囲に調整する。
【００２２】
次に、得られた糖化溶液にアルコール発酵微生物を添加して、前記糖化溶液中の糖のアルコールへの変換率が９０％以上となるようにアルコール発酵処理する。尚、本願において、アルコール発酵微生物とは、糖をアルコール、例えば、エタノールに変換することができる微生物をいう。前記糖化溶液中の糖のアルコールへの変換率が９０％以上となるように処理することにより、後工程の蒸留工程におけるアルコール回収率を高くし、蒸留残液中のアルコール含有量を低くすることができる。
【００２３】
前記糖化溶液中の糖のアルコールへの変換率が９０％より小さいと、後工程の蒸留工程で得られる蒸留残液に含まれる未発酵の糖の量、即ち、炭素の量が増えるために、該蒸留残液のＣ／Ｎ比を低くすることができない。また、前記発酵工程で副産物としての有機酸の産生量が増加し、後工程の蒸留工程におけるアルコール回収率が低くなる結果、蒸留残液中のアルコール含有量を低くすることが困難になる。
【００２４】
前記糖化溶液中の糖のアルコールへの変換率は、次のようにして算出する。まず、糖化工程で生成した糖化溶液の糖量を求め、該糖量から生成するアルコールの理論的生成量を求める。例えば、糖がグルコースの場合、次式に示すように、理論的には、１８０ｇのグルコースから９２ｇのエタノールが生成する。
【００２５】
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６  →  ２Ｃ２Ｈ５ＯＨ  ＋  ２ＣＯ２
次に、実際に生成したエタノール量を前記理論的生成量で除して百分率で表したものを、糖のアルコールへの変換率とする。
【００２６】
次に、得られた発酵液を蒸留することによりアルコールを分離し、濃縮する。この結果、アルコール含有量を０．５質量％以下とした蒸留残液を得ることができる。
【００２７】
本発明の製造方法によれば、前記糖化溶液中の糖のアルコールへの変換率が９０％以上となっているため、前記発酵液中における未発酵の糖の量及び発酵工程の副生成物である有機酸の産生量が低く抑えられている。その結果、前記蒸留工程において、前記発酵液に含まれる炭素の大部分を占めるアルコールを分離し、蒸留残液中のアルコール含有量を０．５質量％以下とすることにより、前記蒸留残液のＣ／Ｎ比を十分に低減させることができる。従って、得られた蒸留残液を土壌改良材として用いることにより、優れた土壌改良効果を得ることができる。
【００２８】
前記蒸留残液のアルコール含有量が０．５質量％を超えると、該蒸留残液中の炭素の量が増えるために、該蒸留残液のＣ／Ｎ比を低くすることができない。
【００２９】
本発明の土壌改良材の製造方法において、前記アンモニア水は２０〜３０質量／体積％の範囲の濃度を備え、前記基質混合物を２５〜１００℃の範囲の温度に加熱して、該範囲の温度に所定時間保持することにより前記基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させることが好ましい。これにより、糖化酵素による糖化処理を効率よく行うことができる。
【００３０】
前記アンモニア水の濃度は２０質量／体積％未満であると、前記基質からのリグニンの解離、又は基質の膨潤が十分に起こらないだけでなく、アンモニアの放散や回収に多くのエネルギーが必要となることがある。一方、前記アンモニア水の濃度が３０質量／体積％を超えると、アンモニアの蒸気圧によって圧力が高くなり、専用の高圧容器が必要になることがある。
【００３１】
また、前記加熱温度が２５℃未満であると、前記基質からのリグニンの解離、又は基質の膨潤に時間がかかることがある。この場合、前記アンモニア含有糖化前処理物の時間当たりの生成量を増やすために、前記基質混合物を貯留する容器を大きくしなければならないことがある。一方、前記加熱温度が１００℃を超えると、その後の酵素糖化性能に変化はないものの、前記容器にバイオマスが固着してしまうことがある。
【００３２】
また、本発明の土壌改良材の製造方法において、前記糖化酵素としては、例えば、アクレモニウム属の菌又はトリコデルマ属の菌由来のセルラーゼを用いることができる。
【００３３】
本発明の土壌改良材の製造方法において、前記アルコール発酵微生物としては、例えば、サッカロミセス属酵母又はピキア属酵母から選択される１種以上の微生物を用いることができる。これらの微生物を用いることにより、前記アルコールとしてエタノールを得ることができる。
【００３４】
また、本発明の土壌改良材の製造方法において、前記蒸留残液はＣ／Ｎ比が２０以下であることが好ましい。このとき、前記蒸留残液から炭素分を完全に除去することは困難であるので、該蒸留残液は２〜２０の範囲のＣ／Ｎ比を備えることがより好ましい。
【００３５】
前記Ｃ／Ｎ比が２未満であると、土壌改良材としては優れている。しかし、前記蒸留残液のＣ／Ｎ比が２未満となるように該蒸留残液から炭素分を除去することは困難であり、該炭素分を除去するためのコストが増大することがある。
【００３６】
一方、前記Ｃ／Ｎ比が２０を超えると、前記蒸留残液を土壌改良材として用いたときに、残留する炭素分によってメタンガスが発生することがある。あるいは、前記蒸留残液を土壌改良材として用いたときに、土壌微生物が該蒸留残液に含まれる炭素を利用して増殖する際に該蒸留残液に含まれる窒素をも取り込むために、作物が窒素飢餓に陥る虞がある。同時に、土壌中の酸素も消費されるため、土壌が還元状態になって硫化水素が発生し、作物の生育に影響する虞がある。
【００３７】
本発明の土壌改良材の製造方法において、前記アンモニア分離糖化前処理物のｐＨ調整は、リン酸、リン酸塩、硝酸又は硫酸の少なくとも一つを添加することにより行われることが好ましい。前記リン酸としては、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）、ピロリン酸（Ｈ４Ｐ２Ｏ７）、メタリン酸（（ＨＰＯ３）ｎ）等を挙げることができる。また、前記リン酸塩としては、例えば、ＫＨ２ＰＯ４、ＮａＨ２ＰＯ４等を挙げることができる。
【００３８】
リン酸またはリン酸塩を用いるときには、蒸留残液中における肥効成分としてのリン酸の含有量を増加させることができる。また、硝酸を用いるときには、蒸留残液中における肥効成分として、硝酸由来の窒素の含有量を増加させることができる。
【００３９】
従来のエタノール製造工程では、前記アンモニア分離糖化前処理物のｐＨ調整を硫酸により行っているが、硫酸は硫黄を含むため、過剰に用いると硫黄が硫化水素となりやすい。これに対して本発明の製造方法では、リン酸、リン酸塩又は硝酸の少なくとも一つを用いることができるので、硫化水素を発生する虞がない。また、土壌に硫黄分が少ない場合は、肥効成分としての硫黄分を添加するために硫酸を用いることもできる。この場合、安価な硫酸を用いることができるので、製造コストを低減することができる。
【００４０】
前記リン酸、リン酸塩、硝酸または硫酸は、土壌に不足している肥効成分の種類と量とに応じて、いずれか一つを単独で用いてもよく、二つ以上を混合して用いてもよい。
【００４１】
本発明の土壌改良材の製造方法において、前記糖化処理物又は前記糖化溶液のｐＨ調整は、水酸化カリウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム又は水酸化ナトリウムの少なくとも一つを添加することにより行われることが好ましい。これにより、蒸留残液中における肥効成分としてのカリウム、カルシウム、マグネシウムの含有量を増加させることができる。
【００４２】
前記水酸化カリウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウムまたは水酸化マグネシウムは、土壌に不足している肥効成分の種類と量とに応じて、いずれか一つを単独で用いてもよく、二つ以上を混合して用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の土壌改良材の製造方法の一実施形態を示すフローチャート。
【図２】本発明の土壌改良材を施用した水稲の収穫時の穂数を示すグラフ。
【図３】本発明の土壌改良材を施用した水稲の収穫時の穂重を示すグラフ。
【図４】本発明の土壌改良材を施用したソルガムの播種２０日後の葉緑素量を示すグラフ。
【図５】本発明の土壌改良材を施用したソルガムの播種２０日後の乾物重を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００４５】
図１に示すように、本実施形態の土壌改良材の製造方法では、まず、基質としてリグノセルロース系バイオマスの一つである稲藁を粗粉砕したものにアンモニア水を混合して、稲藁及びアンモニアを含む基質混合物を得る。そして、前記基質混合物を攪拌する。前記基質混合物は、密閉された容器中で攪拌することにより、常温付近における攪拌中のアンモニアの放散を低減することができる。また、加熱下で攪拌する場合は、アンモニアの放散を防ぐために圧力容器を用いるとよい。
【００４６】
ここで、前記アンモニア水は、２０〜３０質量／体積％の範囲の濃度、例えば２５質量／体積％であり、前記アンモニア水に対し、稲藁が、好ましくは２０〜７０質量％の範囲、より好ましくは５０〜６０質量％の範囲となるようにする。そして、得られた前記基質混合物を、２５〜１００℃の範囲の温度で、２〜２００時間の範囲の時間保持する。例えば、８０℃では８時間、２５℃では２００時間保持する。
【００４７】
この結果、前記基質である稲藁からリグニンが解離され、又は稲藁が膨潤されたアンモニア含有糖化前処理物が得られる。前記アンモニア含有糖化前処理物は、前記アンモニア水による処理の結果として、ｐＨが１３〜１４の範囲となっている。
【００４８】
そこで、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させてアンモニアを分離し、アンモニア分離糖化前処理物を得る。分離されたアンモニアは、再び凝縮させられて回収される。
【００４９】
続いて、アンモニア分離糖化前処理物のｐＨ調整を行う。前記アンモニア分離糖化前処理物のｐＨ調整は、リン酸、リン酸塩、硝酸又は硫酸の少なくとも一つを添加して、前記アンモニア分離糖化前処理物のｐＨを３〜７の範囲、好ましくはｐＨ４〜４．５にすることにより行う。前記ｐＨの範囲は、後述の糖化酵素が作用し得る範囲である。
【００５０】
また、硫酸でｐＨを調整した後、最終的にリン酸、リン酸塩又は硝酸を用いてｐＨを調整することもできる。リン酸、リン酸塩又は硝酸を添加した場合には、土壌改良材の肥効成分を増やすことができる。硫酸を添加した場合は、前記肥効成分を増やすことにはならないが、硫黄分が少ない土壌の場合には、硫黄分を土壌に補給できるため、有効な土壌改良材として働く。
【００５１】
リン酸、リン酸塩、硝酸、硫酸の添加量は、最終的に目標とするｐＨ値や、本実施形態によって得られる土壌改良材を還元する土壌の特性、つまり土壌のｐＨや窒素、リン、カリウム等の肥効成分の量によって決められる。
【００５２】
また、前記アンモニア分離糖化前処理物のｐＨ調整時に、植物の育成に有用な成分であるカルシウムをさらに添加してもよい。カルシウムの添加量は、本実施形態によって得られる土壌改良材を還元する土壌のｐＨ値やカルシウム量によって決められる。
【００５３】
次に、前記範囲のｐＨに調整された前記アンモニア分離糖化前処理物に糖化酵素を添加して、基質・糖化酵素混合物を調製する。前記糖化酵素は、微生物が産生する糖化酵素であり、例えば、アクレモニウムセルラーゼ（商品名、meiji seika ファルマ株式会社製）、ＧＣ２２０（商品名、ジェネンコア社製）等を、前記基質・糖化酵素混合物の全量に対して３．２３〜３２．２８質量％の範囲となるように添加する。このとき、前記基質・糖化酵素混合物の基質濃度は、１５〜３０質量％であることが好ましい。
【００５４】
次に、前記基質・糖化酵素混合物を、３０〜６０℃の範囲の温度、例えば５０℃の温度に、５０〜１５０時間、例えば７２時間保持して、糖化処理を行う。前記糖化処理により、前記基質・糖化酵素混合物に含まれる前記セルロース又はヘミセルロースが、前記糖化酵素の作用により加水分解され、８０％以上の糖化率で糖化される。この結果、例えば、グルコースやキシロース等の糖が含まれる糖化処理物を得ることができる。
【００５５】
次に、本実施形態では、前記糖化処理物のｐＨ調整を行う。前記糖化処理物のｐＨ調整は、アルコール発酵におけるアルコールへの変換が効率よく進行するように、例えば、ｐＨを３〜７の範囲になるように行う。
【００５６】
前記ｐＨ調整は、前記糖化処理物に水酸化カリウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム又は水酸化マグネシウムを添加することにより行うことができる。カリウム、カルシウム、マグネシウムは共に植物の育成に有用な成分であり、その添加量は他の肥効成分の量によって適宜決められる。なお、酸化カルシウム又は水酸化カルシウムあるいは従来から用いられている水酸化ナトリウムを用いて行うことによりコストを低減することができるが、この場合には後述の蒸留残液の肥効成分は増加しない。
【００５７】
前記糖化処理物は、前述のようにグルコースやキシロース等の糖を含む一方、リグニン、セルロースまたはヘミセルロースの分解生成物や未反応の稲藁等を糖化残渣として含んでいる。そこで、次に、前記糖化処理物を固液分離することにより、糖化残渣を分離すると共に、液体成分としての糖化溶液を回収する。このとき、前記固液分離により回収された糖化溶液に対してｐＨ調整を行ってもよい。
【００５８】
前記固液分離は、例えば、遠心分離、濾過等により行うことができる。前記糖化溶液は、さらに限外濾過膜（ＵＦ膜）等を用いて糖化酵素を除去することができる。
【００５９】
次に、前記固液分離により回収された糖化溶液にアルコール発酵微生物を添加して、糖化溶液・発酵微生物混合物を調整する。前記アルコール発酵微生物は、例えば、サッカロミセス属酵母、ピキア属酵母、コリネ型細菌等を挙げることができる。例えば、前記アルコール発酵微生物として、サッカロミセス属酵母又はピキア属酵母のいずれか一方を用いる場合には、前記糖化溶液の全量に対して、乾燥菌体重量で０．０１〜２％の範囲となるように添加する。
【００６０】
サッカロミセス属酵母としては、例えば、サッカロミセス・セレビシエを挙げることができ、ピキア属酵母としては、例えば、ピキア・スティピティスを挙げることができる。サッカロミセス・セレビシエ又はピキア・スティピティスを用いる場合には、糖化溶液・発酵微生物混合物のｐＨを４〜５の範囲になるようにする。
【００６１】
また、前記コリネ型細菌としては、例えば、コリネバクテリウム・グルタミカムを挙げることができる。コリネバクテリウム・グルタミカムを用いる場合には、糖化溶液・発酵微生物混合物のｐＨを７とする。
【００６２】
次に、前記糖化溶液・発酵微生物混合物を、嫌気条件下で３０〜４０℃の範囲の温度に、１２〜４８時間、例えば、２４時間保持して、アルコール発酵処理を行う。前記発酵処理の際、炭酸ガスが発生してｐＨが上昇することがあるので、適宜水酸化カリウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム又は水酸化ナトリウムを添加して、発酵に適したｐＨになるように調整する。前記発酵処理により、前記糖化溶液・発酵微生物混合物に含まれる前記グルコースやキシロース等の糖が、前記アルコール発酵微生物の作用により、９０％以上の変換効率でアルコールに変換される。この結果、アルコールとして、例えば、エタノールを含有する発酵液を得ることができる。
【００６３】
次に、前記発酵液に含まれるアルコールを濃縮するために、蒸留処理を行う。前記蒸留処理は、前記発酵液を凝縮器とリボイラとを備える蒸留塔に送り、脱水処理を繰り返すことにより行う。この結果、前記発酵液から精製アルコールが分離され、アルコール含有量が０．５質量％以下の蒸留残液を得ることができる。
【００６４】
稲藁は通常５０〜６０の範囲のＣ／Ｎ比を備えているが、前記蒸留残液は、前記アルコールが分離された結果、Ｃ／Ｎ比が２〜２０の範囲に低下している。また、前記蒸留残液は、前記各ｐＨ調整の結果、肥効成分である窒素、リン酸、カリウム、カルシウム、マグネシウムの含有量が増加している。従って、前記蒸留残液を土壌改良材として土壌に還元することにより、優れた土壌改良効果を得ることができる。
【００６５】
次に、本発明の実施例及び比較例を示す。
【実施例】
【００６６】
〔実施例１〕
本実施例では、まず、基質として含水率１０質量％程度の稲藁をカッターミルにて２〜５ｍｍ程度の稲藁片に粉砕し、該稲藁片と２６質量／体積％のアンモニア水とを１：１の質量比で混合し、稲藁及びアンモニアを含む基質混合物を得た。次に、前記基質混合物を常温（２５℃）で９６時間保持して、基質としての稲藁からリグニンが解離され、又は稲藁が膨潤されたアンモニア含有糖化前処理物を得た。
【００６７】
次に、前記アンモニア含有糖化前処理物を２５〜６０℃の範囲の温度に加熱して、アンモニアを放散させてアンモニアを分離し、アンモニア分離糖化前処理物を得た。放散させたアンモニアはスクラバーで水に吸収させ、アンモニア水として再利用に供した。
【００６８】
次に、前記アンモニア分離糖化前処理物の含水率を測定し、残存しているアンモニア成分を、少量の水を添加しながら５質量％リン酸で中和し、ｐＨ４に調整した。次に、前記ｐＨに調整された前記アンモニア分離糖化前処理物に、糖化酵素としてアクレモニウムセルラーゼ（商品名、meiji seika ファルマ株式会社製）を、終濃度が８質量％になるように添加し、基質・糖化酵素混合物を得た。
【００６９】
次に、前記基質・糖化酵素混合物に、該基質・糖化酵素混合物中の基質が２６質量％になるように水を添加した後、５０℃の温度に７２時間保持して糖化処理を行った。前記糖化処理の間、前記基質・糖化酵素混合物を適宜攪拌した。
【００７０】
次に、前記糖化処理後、フィルタープレスタイプの固液分離装置により前記基質・糖化酵素混合物から液体成分としての糖化溶液を分離する一方、固形分として糖化残渣を得た。
【００７１】
前記糖化溶液における各種糖の濃度は、グルコース１１６ｇ／リットル、キシロース４０ｇ／リットル、アラビノース９ｇ／リットルであり、糖化率は８０％であった。
【００７２】
次に、前記糖化溶液に対して、公称分画分子量１００００の限外濾過膜（商品名：ＳＬＰ−１０５３、旭化成ケミカルズ株式会社製）を用いて限外濾過を行い、該糖化溶液中に含まれる前記糖化酵素を分離した。
【００７３】
次に、前記糖化酵素が分離された糖化溶液に、アルコール発酵微生物としてサッカロミセス・セルビシエを添加した。前記添加は、前記サッカロミセス・セルビシエを、イーストエキス３ｇ／リットル、モルトエキス３ｇ／リットル、ペプトン５ｇ／リットル、グルコース１０ｇ／リットルを含むＹＭ培地を用いて、３０℃で一晩培養し、得られた菌液を前記糖化溶液に対して１体積％添加することにより行った。
【００７４】
次に、前記アルコール発酵微生物が添加された糖化溶液を３０℃の温度に３日間保持して第１のアルコール発酵処理を行い、第１の発酵液を得た。前記第１のアルコール発酵処理の間、前記アルコール発酵微生物が添加された糖化溶液を緩やかに撹拌した。
【００７５】
次に、得られた第１の発酵液中のエタノール濃度を、水素炎イオン化検出器付きガスクロマトグラフィー（以下、ＧＣ−ＦＩＤと略記する）により測定したところ、５．３質量％であった。
【００７６】
次に、前記第１の発酵液に対して、公称孔径０．１μｍの精密濾過膜（商品名：ＵＳＰ−１４３、旭化成ケミカルズ株式会社製）を用いて精密濾過を行い、該第１の発酵液中に含まれる前記アルコール発酵微生物を分離した。
【００７７】
次に、前記アルコール発酵微生物が分離された第１の発酵液に、アルコール発酵微生物としてピキア・スティピティスを添加した。前記添加は、前記ピキア・スティピティスを前記ＹＭ培地を用いて３０℃で一晩培養し、得られた菌液を前記第１の発酵液に対して５０体積％添加することにより行った。
【００７８】
次に、前記アルコール発酵微生物が添加された第１の発酵液を、撹拌下３０℃の温度に３日間保持して第２のアルコール発酵処理を行い、第２の発酵液を得た。また、前記第２のアルコール発酵処理の間、前記アルコール発酵微生物が添加された第１の発酵液に、５０質量％水酸カリウムを適宜添加して、該第１の発酵液のｐＨを５〜６の範囲に維持した。
【００７９】
次に、得られた第２の発酵液中のエタノール濃度を、ＧＣ−ＦＩＤにより測定したところ、３．８質量％であった。したがって、得られた第２の発酵液は、グルコース、キシロース、アラビノースに対するエタノール変換効率が９０％であることが明らかである。
【００８０】
次に、前記第２の発酵液に対して、前記精密濾過膜を用いて精密濾過を行い、該第２の発酵液中に含まれる前記アルコール発酵微生物を分離した。
【００８１】
次に、前記アルコール発酵微生物が分離された第２の発酵液を、８０℃の温度下で減圧蒸留することにより、該第２の発酵液からエタノールを分離し、蒸留残液を得た。
【００８２】
次に、前記蒸留残液中のエタノール濃度を、ＧＣ−ＦＩＤにより測定したところ、０．５質量％以下であった。
【００８３】
以上により、本実施例においては、前記基質としての稲藁１ｋｇ当たり約２．６５ｋｇの蒸留残液が得られた。前記蒸留残液は、肥効成分として、窒素１．３質量％、リン酸０．１４質量％、カリ２．４質量％を含んでおり、Ｃ／Ｎ比は５．５であった。
【００８４】
次に、前記蒸留残液に対して、孔径０．２μｍの滅菌フィルター（商品名：ＮＡＬＧＥＮＥ  フィルターユニット、サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製）を用いて濾過することにより滅菌処理した。
【００８５】
次に、愛知県東郷町の水田土壌を目開き１ｃｍの篩に通した後、得られた水田土壌３．５ｋｇを１／５０００ａワグネルポットに充填したものを４ポット用意した。
【００８６】
次に、代掻き前１０日に、本実施例で得られた蒸留残液１１．１５ｇ／ｐｏｔを土壌改良材として前記ポットに施用し、土壌と十分に混和した。
【００８７】
次に、慣行法に従って、２２日間育苗した水稲（コシヒカリ）を前記ポットに移植し、以降温室内で栽培を行った。
【００８８】
次に、出穂前２０日及び出穂前６日に、本実施例で得られた蒸留残液５．５７５ｇ／ｐｏｔを前記ポットに施用し、土壌と十分に混和した。したがって、前記ポットに施用された本実施例の蒸留残液は、全体として２２．３ｇ／ｐｏｔであった。
【００８９】
収穫時の穂数を４ポットの平均値として図２に、穂重を４ポットの平均値として図３に示す。
【００９０】
〔比較例１〕
本比較例では、土壌に何も施用しなかった以外は、実施例１と全く同一にして、水稲の栽培を行った。収穫時の穂数を４ポットの平均値として図２に、穂重を４ポットの平均値として図３に示す。
【００９１】
〔比較例２〕
本比較例では、前記蒸留残液に代えて、風乾重で８．４ｇの稲藁を土壌改良材として施用した以外は、実施例１と全く同一にして、水稲の栽培を行った。前記稲藁は、肥効成分として、窒素０．５４質量％、リン酸０．１７質量％、カリ０．３９質量％を含んでおり、Ｃ／Ｎ比は４５であった。収穫時の穂数を４ポットの平均値として図２に、穂重を４ポットの平均値として図３に示す。
【００９２】
図２及び図３から、実施例１では、穂数、穂重共に比較例１，２より高い値となっており、本発明の製造方法により得られる蒸留残液からなる土壌改良材によれば、優れた土壌改良効果を得ることができることが明らかである。
【００９３】
尚、実施例１では、前記アンモニア分離糖化前処理物に残存しているアンモニア成分の中和に、リン酸を用いているが、リン酸に代えてリン酸塩を用いた場合にも同等の効果を得ることができた。
【００９４】
〔実施例２〕
本実施例では、まず、実施例１と全く同一にして蒸留残液を得た。
【００９５】
次に、愛知県東郷町の畑土壌である赤土を目開き１ｃｍの篩に通した後、得られた畑土壌３．５ｋｇを１／５０００ａワグネルポットに充填したものを４ポット用意した。
【００９６】
次に、播種３日前に、本実施例で得られた蒸留残液２２．３ｇ／ｐｏｔを土壌改良材として前記ポットに施用し、土壌と十分に混和した。
【００９７】
次に、ソルガム（那系ＭＳ−３Ｂ）を播種し、２０日間温室内で栽培を行った。播種２０日後の葉身の葉緑素量を、葉緑素計（商品名：ＳＰＡＤ−５０２Ｐｌｕｓ、コニカミノルタセンシング株式会社製）を用いてＳＰＡＤ値として測定した。結果を４ポットの平均値として図４に示す。
【００９８】
また、播種２０日後の地上部の乾物重を測定した。結果を４ポットの平均値として図５に示す。
【００９９】
〔比較例３〕
本比較例では、土壌に何も施用しなかった以外は、実施例２と全く同一にして、ソルガムの栽培を行った。播種２０日後の葉身の葉緑素量を、実施例２と全く同一にして測定した。結果を４ポットの平均値として図４に示す。
【０１００】
また、播種２０日後の地上部の乾物重を測定した。結果を４ポットの平均値として図５に示す。
【０１０１】
図４，５から、実施例２では、葉身の葉緑素量、地上部の乾物重共に比較例３より高い値となっており、本発明の製造方法により得られる蒸留残液からなる土壌改良材によれば、優れた土壌改良効果を得ることができることが明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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