6愛知県産業技術研究所 研究報告2009●───────────────────────────────────────────────

研究論文

リグノセルロース系バイオマス資源の前処理技術の開発
森 川 豊 ＊ １ 、 伊 藤 雅 子 ＊ 1、 山 本 晃 司 ＊ 2、 伊 藤 彰 敏 ＊ ２ 、 楳 田 慎 一 ＊ ３

Development of Preprocessing Technology for Ethanol Production
from Lignocellulosic Biomass Materials
Yutaka MORIKAWA* 1 , Masako ITO *1 , Koji YAMAMOTO *2 ,Akitoshi ITO *2 and Shinichi UMEDA *3
Research and Development Division ,AITEC *1 、 Food Research Center, AITEC *2Ｙ oshida Kikai Co. Ltd *3
食糧と競合しないスギなどのセルロース系バイオマス資源から糖化酵素を利用してバイオエタノールを効率よく生産するための前処理方法を開発した。本方法は高圧湿式粉砕機（湿式ジェットミル）を用い、その配管の一部を加熱することにより、分解が困難なセルロースの粉砕、高温高圧処理を単一工程で行うも の で あ る 。リ グ ニ ン を 含 ま な い 結 晶 性 セ ル ロ ー ス（ セ オ ラ ス Ｔ Ｇ（ 旭 化 成 ㈱ 製 ））及 び リ グ ニ ン を 含 む 国
産 の ス ギ に 適 用 し た と こ ろ 、 い ず れ も 繊 維 状 に 粉 砕 さ れ 、 そ の 後 の 糖 化 酵 素 に よ る 分 解 率 は 、 180℃ の 加
熱 条 件 下 で は 結 晶 性 セ ル ロ ー ス は 未 処 理 の も の に 比 べ 4 倍 以 上 に 、 ス ギ の 分 解 率 は約 ２倍 以 上 に増 加 した。

１．はじめにに設ける、いわゆるバッチ式処理が用いられており、エネル

大気中の二酸化炭素濃度の増加は地球温暖化の原因とギー効率が悪いためにバイオエタノールなど生産物のコストされている。植物由来のセルロース系バイオマス資源（以下、高を招いている。

バイオマス資源）は、大気中の二酸化炭素濃度を増加させな

そこで本研究では、セルロース系バイオマスを原材料とすい、いわゆるカーボンニュートラルな資源である。このため、るバイオエタノールなどの製品の低コスト化を目的に、バイオ大気中の二酸化炭素濃度の増加防止対策としてバイオマスマス資源の加熱・高圧処理及び粉砕を連続かつ、単一の工資源を活用する技術開発が盛んに行われている。

程で行う装置の開発を試み、処理後のバイオマス資源の諸

バイオマス資源は様々な成分からなる混合物であり、炭素性質を調べた。

は主にセルロースとして存在する。一般に、この様なセルロー

２．実験方法スを活用するためには、微粉化して表面積を大きくし不純物
2.1 試料の分離を容易にする必要がある。例えば、木材からセルロー

セルロース系バイオマス試料にはリグニンを含まない結晶スを回収し活用するためには、振動ミルやカッターミルの様な
１）性セルロースのセオラスＴＧ（旭化成㈱）及びリグニンを含む粉砕が行われる 。

国産のスギを用いた。スギは振動ロッドミル粉砕の後、篩い分さらに、バイオマス中のセルロース繊維は強固な結晶構造を有するので、その後の加水分解（糖化）などの化学反応にけし、500μm の篩目下の試料を用いた。

供するためには粉砕の後、オートクレーブ等の装置による高2.2 粉砕及び加熱高圧処理

２）３）などの加熱・高圧処理バイオマスの連続処理を行う為に、高圧湿式粉砕が可を行いセルロースの繊維束を解したり膨潤化したりする。しか能な湿式ジェットミル(吉田機械興業㈱製)の粉砕機構し、これらの方法でバイオマス資源を処理する場合は、バイを用いた。図１にその粉砕用ノズル部の概略図を示した。

オマスを粉砕する工程と加熱・高圧処理する工程とを各々別

粉砕用ノズル部の細管を高圧で通過する試料が、管壁と圧水蒸気処理や、亜臨界水処理

*

1

基盤技術部

*

2

食品工業技術センター

発酵技術室

*

3

吉田機械興業㈱●7───────────────────────────────────────────────の接触による剪断力や試料同士の衝突にる衝撃力によコールター㈱製）を用いて測定した。

り微粉化されるものであり、送液用のポンプの連続運転

2.5 セルロースの結晶化度測定及び電子顕微鏡観察により、粉砕部への試料の連続供給が可能である。本研

セルロースの結晶化度は X 線回折装置（理学電機㈱製

究では、この湿式ジェットミルの配管（粉砕ノズル直前）RINT2200/PC）の測定結果を基に算出した ４）。電子顕微の一部に加熱機構を設け、室温から 180℃の加熱条件下

鏡観察は日立製作所㈱製 S-3000N を用いて行った。

で、粉砕・加熱・加圧工程が単一工程で行うことができるように改造した後使用した。なお、処理時圧力が３．実験結果及び考察

150MPa となるように、ポンプの試料送り速度を調整した。

3.1 セオラス TG、スギの諸性質及び電子顕微鏡観察
表１にセオラス TG 及びスギの諸性質を、表２にはスギの成分分析結果を記した。図２にそれらの電子顕微鏡写真を示した。セオラス TG、スギは共に塊状の形状が観察された。
表１

図１

粉砕用ノズル部の概略図

表２2.3 酵素糖化（分解）セルロース糖化用酵素には、セルラーゼ A「アマノ」３、セルラーゼＴ「アマノ」４、及びヘミセルラーゼ「アマノ」90 （全て、天野エンザイム㈱製） を用いた。

セオラス TG 及びスギの諸性質

試 料
セオラスTG
平均粒子径（μm）
74.4
結晶化度(％)
84.7
不溶
溶解性（水・油）a）
0.3
見かけ比重（g/cc)a）a) 旭化成㈱の分析による。

スギ
386
50.5－－

スギの成分分析結果

有機溶媒抽 リグニン ホロセル α-セルロース(%) ロース(%)(%)
出分(%)a）
8.4
2.12.622.3
60.731.9a) エタノール：ベンゼン=1：2を有機溶媒に使用した。
水分（%)

灰分(%)

リン酸 Nａ緩衝液 99mL（pH5.0）の入った三角フラス
コに試料 1g を投入し、121℃で 15 分間殺菌処理した。
冷却後、三角フラスコに酵素を無菌的に投入し、50℃のab環境下において 180rpm で振とうし反応させた。なお、酵素量は試料 1g あたり各 20mg、計 60mg を混合して投入した。
20μm

2.4 成分分析

50μm

水分は、試料を 105℃の環境に恒量になるまで放置し、減少した重量の割合から算出した。灰分は、試料を 550℃

図２の環境に恒量になるまで放置し、減少した重量の割合か未処理試料の電子顕微鏡写真
ａ セオラス TG､ ｂ スギら算出した。有機溶媒抽出分は、ベンゼン：エタノール＝1：1 溶媒で試料から抽出された成分の重量から算出し3.2 粉砕・加熱・高圧処理による水分散性及び形状変化た。ホロセルロースの定量は、試料を酢酸溶液中で亜塩室温及び 180℃加熱条件下で、粉砕・加熱・高圧処理を素酸漂白して得られた固形分の重量で求めた。リグニン

行った試料の平均粒子径を表３に示した。

は、ガラスフィルタで濾過回収した硫酸未分解成分の割合から求めた。α-セルロースの定量はホロセルロース

表３

粉砕・加熱・高圧処理後の試料の平均粒子径（グルコースのみが構成成分であるセルロースとグルコース以外の糖も構成成分に含むヘミセルロースの総称）を水酸化ナトリウムでアルカリ処理し、ガラスフィルタで濾過回収した固形分の重量で求めた。グルコースの定量分析

試 料
セオラスTGスギ

平均粒子径（μm）
処理前
室温処理 180℃処理
74.4
14.1
13.2
35.7
31.0
30.4

は、グルコースＣⅡテストワコー（和光純薬㈱製）を用また、同様の処理を施した試料中のセルロースの結晶化いて行った。全糖の分析はフェノール硫酸法を用いた。

度を表４に示した。なお、粉砕機条件（粉砕用ノズル直径）

また、試料粒子径は粒度分布系 LS 13 320（ベックマン・8
愛知県産業技術研究所 研究報告2009●───────────────────────────────────────────────を揃えるため、スギ試料は予め室温下で粉砕・高圧処理してたことから（図 2 a）、未処理、室温処理さらには加熱処理の平均粒子径を 386μm から 35.7μm に小さくして試験に供し順に試料の表面積が大きくなっていることが示唆された。なた。加熱の有無に係わらず、１回の粉砕処理によりセオラス

お、スギの室温処理試料及び 180℃処理試料でもセオラスＴ

TG の粒子径は 74.4μm から 13～１4μm 程度に減少した。

Ｇと同様な形状の変化が観察された（図５）。スギにおいてもなおスギにおいても、１回の粉砕処理により平均粒子径が小未処理の試料はブロック状であったことから（図 2 b）、セオラさくなった。一方、セルロースの結晶化度は処理前後で大ス TG と同様に未処理、室温処理さらには加熱処理の順に試きな変化は見られなかった。

料の表面積が大きくなっていることが示唆された。

表４

粉砕・加熱・高圧処理後の試料中のセルロースaの結晶化度試 料
セオラスTG
スギ

処理前
84.7
52.2b

結晶化度(%)
室温処理 180℃処理
83.5
83.9
52.3
52.8

50μm

未処理の試料は疎水性であり、イオン交換水に対する図５

分散性が悪く、即時に沈降した。一方処理後の試料は、50μm

粉砕加熱高圧処理後のスギの電子顕微写真ａ 室温処理、 ｂ 180℃処理

室温及び 180℃の処理温度に係わらず分散性が向上し沈降しにくくなった。図３にイオン交換水に１wt%の割合で混合した未処理及び 180℃処理後の試料混濁液の写真を未加熱から 180℃までの加熱条件を変えて粉砕・加熱・高圧処理を行ったセオラス TG を時間 82 時間まで酵素糖示した。

ａ3.2 酵素糖化（分解）ｂｃ化処理し、セルロースの分解率を調べた（図６）。粉砕・ｄ

加熱・高圧処理の温度が高くなるにつれ、また、酵素糖化処理時間が長くなるにつれ、分解率は向上した。中でも、150℃以上での粉砕・加熱・高圧処理処理を行った試料の酵素糖化（分解）率が大きくなり、180℃で 82 時間処理した場合は、未処理の試験区の約 10%に比べ 49.7％と約5 倍の分解率となった。

粉砕・加熱・高圧処理後のセオラス TG 及びスギ１wt％混濁液の写真(30 分静置後)
ａ セオラス TG 未処理、ｂ セオラス TG180℃処理、ｃ スギ未処理、ｄ スギ 180℃処理

さらに、室温処理及び 180℃処理後のセオラスＴＧの凍結乾燥品を電子顕微鏡で観察した（図４）。室温処理後の試料は、板状であったの対し、180℃処理後の試料は繊維状の形状も観察された。未処理のセオラス TG はブロック状であっ50403020100ba60分解率(%)

図３020406080100Time(h)

時間（ｈ）
図６20μm

図４

粉砕加熱高圧処理後のセオラス TGの電子顕微写真ａ 室温処理，ｂ 180℃処理

20μm

様々な加熱条件で処理したセオラス TG の酵素分解率
分解率(%)＝液中グルコース量(g)/初発セオラス
TG(g)×100 とした。
● 未処理、 ▲ 室温処理、 ○ 90℃処理、△ 150℃処理、 ◆ 180℃処理●9───────────────────────────────────────────────
なお、スギにおいてもセオラスＴＧと同様に、粉砕・加熱・４．結び高圧処理の処理温度が高くなるにつれ、また、酵素糖化

本研究では、スギなどのセルロース系バイオマス資源処理時間が長くなるにつれ、糖化（分解）率は向上した。

から糖化酵素を利用してバイオエタノールを効率よく生

図７に室温で粉砕・加熱・高圧処理及び 180℃で粉砕・加産するための前処理方法として、バイオマス資源の加熱・高圧処理を行ったスギを酵素糖化試験した際の 110 時間

熱・高圧処理及び粉砕を連続かつ、単一の工程で行う装後のホロセルロース及びα-セルロースの分解率を示した。ホ置の開発を試みた。高圧湿式粉砕が可能な湿式ジェット

ロセルロース分解率は、180℃処理により約２倍に、α-セルミルの配管の一部に加熱機構を設け、バイオマスの粉ロース分解率は３倍以上に増加した。ホロセルロースの分解砕・加熱・高圧の連続処理が可能となるように改良した

率がα-セルロースの分解率より大きいのは、ホロセルロース装置は、従来のジェットミルでは不可能であったセルロにはα-セルロース及びα-セルロースに比べて結合エネルースの表面積を大きくするような繊維形状の粉砕を達成

ギーが小さいヘミセルロースが含まれている為であると考えらした。繊維形状の粉砕はリグニンを含まないセルロースれた。加熱処理による分解の上昇率はα-セルロースの方が及びリグニンを含むスギでも可能であった。処理後の試3 倍と大きく、加熱処理はヘミセルロースより難糖化性のα-料は、α-セルロースの酵素分解（糖化）率が向上したこ

セルロースの糖化率に影響を及ぼした。とから、バイオマス由来の糖の回収コスト低減に効果が上記のような、180℃の粉砕・加熱・加圧処理によるセオラ期待された。

ス TG 及びスギの酵素糖化率の向上は、繊維状の粉砕による表面積増加と水への分散性向上（図３）による、酵素との接文献

触効率の増加が主な原因と考えられた。今回試験に用いた

1) 藤本,井上，矢野,坂木,美濃輪,澤山,坂西 : J. Jpn.

装置は、バイオマス資源の粉砕・加熱・高圧処理が連続かつPetrol. Inst., 51, 5 (2008)

単一な工程でできる効率のよい装置であり、様々なバイオマ2) 坂、江原、南 : 木材学会誌, 51, 4, 207 (2005)

ス利活用への応用が期待される。

3) 松永、松井 : 木材学会誌, 50, 5, 325（2004）
4) P.L.GRANJA, L.POUTEGU, M.PETRAUD, B.DE JESO,C.BAQUEY, M.A.BARBOSA : J. Appl. Polym. Sci., 82,

703341 (2001)

分解率(%)

605040302010012ホロセルロース
図７

α-セルロース

加熱処理したスギの酵素分解率

ホロセルロース分解率(%)＝液中全糖量(g)/初発ホロセルロース量(g)×100 とした。
α-セルロース分解率(%)＝液中グルコース量(g)/初発セルロース(g)×100 とした。
■：室温処理□：180℃処理