(57)【要約】【課題】  木質資源の表面構造を糖化等に適した状態に制御し得る表面構造制御方法を提供する。【解決手段】  木質資源の表面構造を制御する表面構造制御方法である。木質資源に対して叩いて引きちぎる解繊操作を行うことで繊維状にセルロースミクロフィブリルを破壊した後、リファイナにより繊維特性を維持したまま極微細化加工を行う。解繊操作は、円筒容器内で当該容器の中心軸に対して偏心して設置されたロッドを回転させ、風力を利用して木質資源チップを送り込むことにより行う。「毛羽たたいた繊維状」とされた木質資源は、例えばバイオエタノールの原料、あるいは人工木材の原料（強化材）として用いる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
木質資源の表面構造を制御する表面構造制御方法であって、木質資源に対して叩いて引きちぎる解繊操作を行うことで繊維状にセルロースミクロフィブリルを破壊した後、リファイナにより繊維特性を維持したまま極微細化加工を行うことを特徴とする木質資源の表面構造制御方法。
【請求項２】
前記解繊操作は、円筒容器内で当該容器の中心軸に対して偏心して設置されたロッドを回転させ、風力を利用して木質資源チップを送り込むことにより行うことを特徴とする請求項１記載の木質資源の表面構造制御方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の表面構造制御方法により処理された木質資源を加水分解酵素により糖化し、エタノール発酵を行うことを特徴とするバイオエタノールの製造方法。
【請求項４】
請求項１または２記載の表面構造制御方法により処理された木質資源を樹脂と混合することを特徴とする人工木材の製造方法。
【請求項５】
前記樹脂が生分解性樹脂であることを特徴とする請求項４記載の人工木材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、間伐材や廃木材等の木質資源の表面構造を「毛羽たたいた繊維状」に制御し得る新規な表面構造制御方法に関するものであり、さらには、その応用としてのバイオエタノールの製造方法、人工木材の製造方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料の大量消費がもたらした地球温暖化の対策として、あるいは再生可能な代替エネルギー源の確保を目的として、未利用バイオマスの有効利用の方策が検討されている。例えば、木質系バイオマスの糖化、発酵により得られるバイオエタノールは、そのまま代替燃料として利用することができ、あるいは燃料電池の燃料として利用可能である。
【０００３】
間伐材や廃木材等の木質系バイオマスの乾燥重量の約５０％はグルコースポリマーであるセルロースからなり、これをグルコースに分解することによってバイオエタノール等の有用な物質に転換することが可能になる。ただし、セルロースは、グルコースがβ−１，４結合した結晶性の繊維を形成するため、同じグルコースポリマーであるα−１，４結合のデンプンと比較すると、極めて安定なポリマーであり、その分解が困難である。さらに、木材中のセルロースは、リグニンとヘミセルロースが鉄骨を補強するかの如く固くこれを覆っているため、物理的、化学的、及び酵素学的にも安定な構造となっており、グルコースへの分解を一層困難なものとしている（例えば、非特許文献１を参照）。したがって、バイオエタノールを効率的に製造するためには、木質系バイオマスのグルコースへの分解が大きな課題となる。
【０００４】
このような状況から、木材等を糖化してグルコースを得るためには、通常、高温，高圧下で酸及びアルカリ処理等によって脱リグニン及び脱ヘミセルロースを行う前処理工程を経てセルロースを取り出した後、酸または酵素セルラーゼによる加水分解を行っている（例えば、非特許文献２を参照）。
【０００５】
木質系バイオマス由来のセルロースを効率よく分解するために、予めセルロース線維を取り巻くヘミセルロース及びリグニンを除去すべきことは、多くの研究者の共通認識するところである。従来、これを達成するために木材チップ等に対して酸またはアルカリ処理を行ってきたが、この手法による前処理は大がかりな装置を必要とするばかりでなく投資エネルギーも大きい。さらには、使用する酸やアルカリを回収、再使用するシステムを構築する必要があり（例えば、非特許文献３を参照）、大量に生じる廃液や臭気の強い排煙等の処理問題も考慮しなければならない。また、酸及びアルカリ処理によって木材から副産物として生じるセルラーゼ阻害物質による糖化効率の著しい低下や、生じた単糖類が酸によってさらに分解すること（例えば、非特許文献４を参照）等が、大きな問題となっている。
【０００６】
このため、機械的処理によって木質系バイオマスを粉砕し、バイオエタノールの原料として供給することも検討されている（特許文献２や特許文献３等を参照）。例えば、特許文献２には、スプリングで支持した粉砕筒の振動下に、粉砕筒内にて粉砕媒体により木質材を粉砕するようにした粉砕装置が開示されている。特許文献２に記載される粉砕装置を用いることで、木質材を粒径１００μｍ以下の粉末にまで粉砕でき、バイオマス用原料として有効利用できるとされている。
【０００７】
同様に、特許文献３には、円筒容器を水平にして上下振動させ、その内側で外周面に複数の板厚方向で直線状に突起が付いた厚板円板が上下振動および円筒内を転動可能な間隙を設けて複数枚挿入し、円筒容器外面を冷却し、円筒容器と厚板円板の間隙に木質系バイオマスチップを供給するようにした木質系バイオマス粉砕用高衝撃粉砕機が開示されている。特許文献３記載の粉砕機を用いることで、短時間の粉砕処理で高糖化率となる粉末を生成することができるとされている。
【非特許文献１】「セルラーゼ」  (1987)  講談社サイエンティフィック
【非特許文献２】TRENDS in Biotechnology (2006)24:549-556
【非特許文献３】日経バイオビジネス  ２００２年９号  p55-56
【非特許文献４】Appl.Microbiol. Biotechnol. (2006) 69:627-642
【特許文献１】特開２００６−１３６２６３号公報
【特許文献２】特開２００４−１８８３３９号公報
【特許文献３】特開２００８−９３５９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述の通り、例えば木質系バイオマスの糖化プロセスには、大型の分解反応システムと廃棄物の回収・処理施設を備えた大規模なプラントと、これを運用するに足るエネルギー投下が必要であるが、これは実用化に向けて大きな障害となる。穏和な条件でセルロースを加水分解するセルラーゼを用いた木材の糖化システムが望ましいが、木質系バイオマスの特徴であるリグニン及びヘミセルロースの存在がセルラーゼの基質セルロースへの接近と分解を困難にしており、残念ながら望ましい結果を与えてくれる技術は未だ開発されていない。
【０００９】
例えば、特許文献２や特許文献３に記載される粉砕装置（粉砕機）を使用すれば、機械的処理によって原料粉末を得ることは可能であるが、ただ単に粉末化したのでは粒子表面が毛羽立つだけで、毛羽立った表面が糖化する度に極微細加工やホモジナイズ操作（撹拌等）の必要があり、必ずしも効率的な糖化を行うことができないのが実情である。糖化反応を効率的に進めるためには、極微細化された木質資源の表面構造が重要であり、前記特許文献２や特許文献３に記載される粉砕装置（粉砕機）を使用した場合、この点が不十分である。
【００１０】
本発明は、前述の従来技術の有する課題に鑑みて提案されたものであり、木質資源の表面構造を糖化等に適した状態に制御することが可能な木質資源の表面構造制御方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、前記木質資源の表面構造制御方法を応用することで、糖化効率に優れ生産性良くバイオエタノールを製造し得るバイオエタノールの製造方法を提供することを目的とし、また木質材料と樹脂との結合性に優れ、強度や柔軟性に優れた人工木材を製造し得る人工木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】
【００１１】
今後望まれる持続可能型社会においては、環境にやさしく省エネルギーなバイオエタノール生産システムの構築が必須である。この点を考慮すると、酵素法による糖化が最も望ましい。ここで、酵素糖化法が抱えている問題点は、例えば木質系バイオマス等の表面構造の特性に由来する。すなわち、ヘミセルロースとリグニンがセルロースを固く取り巻いているために、木材微粒子表面に露出している繊維状のセルロースミクロフィブリルがセルラーゼによって分解されると、さらなる糖化が困難になるという問題である。
【００１２】
本発明者らは、このような問題を解消すべく、長期に亘り種々検討を重ねてきた。その結果、木質資源に対して叩いて引きちぎる解繊操作とリファイナによる極微細化加工の組み合わせにより、木質資源を極微細化することが可能で、しかも毛羽立った繊維状の形態を維持し得ることを見出すに至った。
【００１３】
本発明は、前述の知見に基づいて完成されたものであり、木質資源の表面構造を制御する表面構造制御方法であって、木質資源に対して叩いて引きちぎる解繊操作を行うことで繊維状にセルロースミクロフィブリルを破壊した後、リファイナにより繊維特性を維持したまま極微細化加工を行うことを特徴とする。また、本発明のバイオエタノールの製造方法は、前記表面構造制御方法により処理された木質資源を加水分解酵素により糖化し、エタノール発酵を行うことを特徴とする。さらに、本発明の人工木材の製造方法は、前記表面構造制御方法により処理された木質資源を樹脂と混合することを特徴とする。
【００１４】
例えば木質資源をボールミル等によりぶつかりの衝撃で破壊して極微細化した場合、細胞が破壊されず、表面が毛羽立つだけである。したがって、例えばこれを糖化しようとした場合、毛羽立った表面が糖化する度に再度極微細化加工の必要があり、製造コストの負担が大きいものとなる。
【００１５】
これに対して、叩いて引きちぎる破壊により木質資源を繊維状に破砕し、その後、リファイナで極微細化した場合には、極微細化した後にも繊維状の形態が維持される。極微細化され、且つ繊維状の形態が維持された木質資源を、例えばバイオエタノールの製造において糖化に供すると、糖化が継続的に行われ、製造コストの負担が大幅に軽減される。また、極微細化された木質資源の表面構造は「毛羽たたいた繊維状」であり、マイクロレベルの極微細化により樹脂の分子構造と同程度の大きさとなるので、樹脂と結合し易くなるという特徴も有する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の表面構造制御方法によれば、木質資源を繊維状にセルロースミクロフィブリルを破壊した上で、繊維特性を残したままマイクロレベルまで極微細加工することが可能である。セルロースミクロフィブリルは地球上で最も大量に生産されている持続型資源であるが、前述のように、本発明を適用し、木質資源を極微細化し表面構造を制御することで、様々な分野において有効利用が可能となり、生産、廃棄に関する環境負荷を極めて小さいものとすることができる。
【００１７】
また、本発明のバイオエタノールの製造方法によれば、酸やアルカリ等による前処理を行わない穏和な条件で木質資源を持続的且つ効率的に糖化することができ、投入エネルギーに対して糖化効率の向上を見込むことができる。また、本発明によれば、酸、アルカリの使用及び高温、高圧下での操作が必要ないため、簡単な施設で糖化を行うことが可能である。さらに、酸、アルカリを使用しなくて済むため、それらの回収に要するコストを削減することができ、発生する廃液や悪臭等の環境問題を緩和することもできる。
【００１８】
さらに、本発明の人工木材の製造方法によれば、強度や柔軟性に優れた人工木材を製造することが可能となる。木質資源をマイクロレベルに極微細化することで、強度が増し、小さな力で複雑形状製品に高速加工できる高速超塑性を有する等、材料の加工性が大幅に向上するからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を適用した木質資源の表面構造制御方法、及びバイオエタノールの製造方法、人工木材の製造方法の実施形態について詳述する。
【００２０】
図１は、本発明を適用した木質資源表面構造制御システム（微細化システム）の一例を示すものである。当該システムは、チップ状の木質資源を叩いて引きちぎる解繊操作を行う特殊ロッドミル１、解繊された繊維状木質資源を移送するベルトコンベア２、移送された繊維状木質資源を収容するパルパー３、パルパー３から供給される繊維状木質資源を極微細化する破砕ポンプ４及びコニカルリファイナー５、極微細化された木質資源微粉末を脱水するドラム型濃縮機６、木質資源微粉末を移送する高濃度移送ポンプ７、表面構造制御された木質資源微粉末を収容する貯留タンク８とから構成されている。
【００２１】
ここで、前記特殊ロッドミル１は、原料となるチップ状木質資源を投入する投入口１１と、円筒容器１２と、円筒容器１２内に設置されるロッド１３とから構成される。前記ロッド１３は、その中心軸が前記円筒容器１２の中心軸から偏心した状態で設置されており、これを回転することで円筒容器１２の内壁に叩きつけられ、投入されたチップ状木質資源を円筒容器１２とロッド１３間で叩いて引きちぎる解繊操作が行われる。
【００２２】
また、前記特殊ロッドミル１では、風力を利用してチップ状木質資源の供給及び円筒容器１２内での移送が行われる。前記投入口１１の近傍には、図示しない送風機が設置されており、チップ状木質資源は、送風機からの風によって投入口１１から円筒容器１２内へと供給される。円筒容器１２内に供給されたチップ状木質資源は、風力によって円筒容器１２内を排出口側へ向かって移動し、移動の過程で前記ロッド１３と円筒容器１２の内壁によって叩いて引きちぎられる。
【００２３】
前記風力による原料の供給及び円筒容器１２内の移送は、解繊操作後の繊維状木質資源を分級する上でも有利である。すなわち、円筒容器１２内で解繊された繊維状木質資源は、円筒容器１２の排出口から排出されるが、風力で飛ばされた繊維状木質資源のうち、比較的サイズの大きいものは、排出口の近くに落下し、サイズの小さなものは遠くまで飛ばされる。これを利用して解繊された繊維状木質資源を分級することができる。分級された繊維状木質資源のうち、サイズの小さいもののみを次の極微細化に供給する。分級された繊維状木質資源のうち、比較的サイズの大きなものは、再度投入口１１から投入することで、再利用可能である。
【００２４】
前記パルパー３は、底面に渦巻き状の回流を発生させるロータを備えており、その下にはストレーナが配置されている。このパルパー３内において、繊維状木質資源は水和され、離解されてストレーナより排出される。
【００２５】
前記コニカルリファイナー５は、繊維状木質資源を水の存在下で機械的に叩き、磨砕する装置である。このコニカルリファイナー５で繊維状木質資源を処理することにより、繊維が離解され、切断、水和、膨潤、絡み合い等が行われ、マイクロレベルまで極微細化される。
【００２６】
次に、以上の構成を有する木質資源表面構造制御システムによる木質資源の表面構造制御について説明する。木質資源の表面構造制御を行うには、先ず、チップ状の木質資源（木質資源チップＭＣ）を特殊ロッドミル１の投入口１１から送風機により供給する。処理対象となる木質資源は、例えば間伐材や廃木材等であり、いわゆる木質系バイオマス全般に適用することが可能である。
【００２７】
投入されたチップ状木質資源ＭＣは、特殊ロッドミル１内で叩いて引きちぎる破壊により繊維状に破砕され、繊維状木質資源となる。この繊維状木質資源のうちのサイズの小さいものをベルトコンベア２でパルパー３へと移送し、パルパー３内で水和、離解、選別する。サイズの大きいものについては、再度特殊ロッドミル１内で解繊操作を行う。パルパー３内で前記水和等が行われた繊維状木質資源は、次に、破砕ポンプ４によってコニカルリファイナ５へと移送され、コニカルリファイナ５内で極微細化加工される。コニカルリファイナ５では、いわゆる叩解による極微細化が行われ、繊維特性を残したままマイクロレベルまで極微細化される。極微細化された木質資源は、ドラム型濃縮機６へと搬送され、脱水された後、撹拌機９によって離解され、高濃度移送ポンプ７により貯留タンク９へと搬送される。なお、前記ドラム型濃縮機６において固形分（木質資源微粉末）から分離された水相は、回収タンク１０により回収され、パルパー３に戻される。
【００２８】
パイプの断面のような円形または角張った形の細胞を形成するセルロースミクロフィブリルは、植物細胞壁（植物繊維）の５０％以上を占める骨格物質であり、伸びきり鎖結晶からなる幅４ｎｍ程度のナノファイバーである。その弾性率、強度は、それぞれ１４０ＧＰａ、及び３ＧＰａに達する。これは、代表的な高強度繊維であるアラミド繊維（商品名ケブラー）に等しく、ガラス繊維よりも高弾性である。したがって、ボールミルの衝撃による破砕では細胞壁の破壊が不完全である。前記木質資源表面構造制御システムにおいては、チップ状木質資源が特殊ロッドミル１において、叩いて引きちぎることにより繊維状にセルロースミクロフィブリルが破壊された上で、コニカルリファイナ５において、繊維特性を残したままマイクロレベルまで極微細加工される。
【００２９】
以上の処理により得られる木質資源微粉末は、「毛羽たたいた繊維状」のセルロースミクロフィブリルから構成され、酵素との反応も優れたものとなる。したがって、バイオエタノールの原料として好適である。
【００３０】
すなわち、前述の表面構造制御を前処理とし、得られた木質資源微粉末に加水分解酵素を加え、グルコース等の糖への転換（分解）を行う。糖化のための加水分解酵素としては、セルラーゼ等を用いる。セルラーゼによる酵素加水分解により、セルロースはグルコースに分解される。加水分解酵素であるセルラーゼとしては、例えば各種微生物起源のセルラーゼを用いることができるが、異なる微生物起源の複数（例えば２種類）のセルラーゼの混合物を併用することも可能である。異なる微生物起源の２種類のセルラーゼ混合物を共存させることにより、生成グルコース濃度が向上し、より一層効率的な糖化が実現される。
【００３１】
前記糖化の後、酵母等によってエタノール発酵を行う。あるいは、糖化に際して、前記加水分解酵素とともに酵母を加え、同時糖化発酵とすることも可能である。同時糖化発酵は、セルロースに加水分解酵素であるセルラーゼと酵母を同時に作用させて、一段階の反応でアルコールを得るものであり、別々の工程として行われてきた糖化やこれに付随する処理、発酵を一工程に納めることができ、エタノール産生物の増収、反応速度の増進等を図ることが可能である。
【００３２】
エタノール発酵のための酵母としては、任意の酵母を用いることができる。酵母共存下での微生物起源のセルラーゼ混合物の作用により、例えば木質資源微粉末を構成する繊維状のセルロースミクロフィブリルが糖化され、さらにエタノール発酵によりエタノール産生物に転換される。
【００３３】
先の表面構造制御システムによって処理された木質資源微粉末は、繊維状のセルロースミクロフィブリルから構成されており、しかも極微細化されているため、速やかに糖化され、エタノール発酵によりエタノールとなる。ボールミル等によってただ単に微粒子化した木材粒子を糖化する場合には、毛羽立った表面が糖化されてしまうと再度の極微細化加工が必要であるが、先の表面構造制御システムによって処理された木質資源微粉末を用いた場合には、このような必要がなく、バイオエタノールを効率的に生産することが可能である。
【００３４】
また、前述の表面構造制御システムによって処理された木質資源微粉末では、繊維状に微細化加工されたセルロースミクロフィブリルが数本、あるいは数十本の束となっているため、強度的特性、熱機械的特性、光学的特性に優れた繊維強化複合材とすることができ、このような材料が安価に製造できる技術は注目すべきものである。
【００３５】
例えば、前記表面構造制御システムによって叩いて引きちぎられた表面構造は、「毛羽たたいた繊維状」であり、マイクロレベルの極微細化により樹脂の分子構造と同程度の大きさとなる。大きさが同程度のセルロースミクロフィブリルと樹脂は結合し易く、強度、柔軟性に優れた人工木材を製造することが可能となる。
【００３６】
表面構造制御システムによって処理された木質資源微粉末と組み合わせる樹脂としては、任意の樹脂を使用することができるが、例えばポリ乳酸等の生分解性樹脂と組み合わせることで、強度、柔軟性に優れるばかりでなく、環境に優しい次世代を担う人工木材の構築が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】表面構造制御システムの構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  特殊ロッドミル、２  ベルトコンベア、３  パルパー、４  破砕ポンプ、５  コニカルリファイナ、６  ドラム型濃縮機、７  高濃度移送ポンプ、８  貯留タンク、９  撹拌機、１０  回収タンク、１１  投入口、１２  円筒容器、１３  ロッド
【図１】
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