JP2013539959A - リグノセルロース系バイオマスから動物飼料を製造する方法 - Google Patents

Abstract

リグノセルロース系バイオマスから動物飼料を製造する方法を提供する。含水率３０％未満のバイオマス材料を圧力容器に導入する。少なくとも１分間、好ましくは２分間、圧力容器を真空状態にする。そして、蒸気を導入し、前記バイオマス材料を約１８０度から２３５度の間の温度範囲まで加熱し、その温度範囲を、１から１２分間、維持した後、圧力容器内の圧力を低下させる。特に好ましい実施形態では、含水率が１５％未満であり、温度範囲が摂氏１９０度から２１５度であり、滞留時間が２から８分間である。

Description

［関連出願の説明］
本願は、米国法典第３５巻１１９条（ｅ）に従って、２０１０年６月８日に出願された米国仮特許出願第６１／３５２，５７９号の利益を主張するものであり、上記出願の全体が参照により本明細書に明示的に援用される。

本発明は、一般に、食には適さないリグノセルロース系材料を、動物飼料の製造に使用でき、穀物や大豆などの食用作物の代用になる物質に転換するための、費用効率およびエネルギー効率の良い方法に関する。

原油価格の高騰や、燃料用エタノールの製造における穀類の使用の増加により、動物飼料に含まれる穀物やタンパク質成分の価格が押し上げられ、世界の食料価格も上昇している。よって、これらの作物を、木、質の低い草、有機廃棄物などの、これまで食品とされていなかった他の再生可能資源で代用することが世界的な関心事となっている。

そういった取り組みにおける問題の一つは、広葉樹やバガスなどのリグノセルロース系バイオマスは、動物にとって消化率が低いことである。また、そういった資源の吸収を高めるための処理手順がほとんど確立されていない。しかしながら、技術を成功させるには、リグニンをセルロース繊維束から分離し、できれば、それらの束を個々の繊維に分解することが必要であるということで、かなり幅広く意見の一致がある。この二つの方法は酸加水分解の利用を必要とする。その酸加水分解は、酸を加えた水でバイオマスを調理するか、または、いわゆる蒸気爆発処理の教示に従って、予め酸に、典型的には硫酸に、バイオマスを含浸し、それから、その全体を中圧蒸気にさらすか、のいずれかによるものである。いずれの場合も、結果として、ヘミセルロース由来の糖類と、より吸収されやすいセルロースとからなる、部分的に加水分解されたバイオマスとなる。

しかしながら、この手順には問題がないわけではなく、その問題の主なものは、動物の臓器中の微生物に対して毒性があると証明され得るフルフラールなどの物質が付随的に生産されることや、とても高い確率で消化されてしまうことである。また、こういったやり方で製品を製造するために必要な工場の費用と複雑さも問題であり、ほとんどの場合、従来技術で酸触媒の利用が勧められているため、さらに問題が複雑化している。

本発明の方法によると、木質や他のバイオマス資源を反芻動物が消化しやすい物質に転換することができ、よって、完全に配合された飼料および飼料ペレットの製造に有益である。

よって、本発明は、（ａ）含水率３０％未満のバイオマス材料を圧力容器に導入するステップと、（ｂ）少なくとも１分間、前記圧力容器を真空状態にするステップと、（ｃ）蒸気を前記圧力容器に導入し、前記材料を摂氏約１８０度から２３５度の間の温度範囲まで加熱するステップと、（ｄ）前記材料の温度を、１から１２分間、前記温度範囲内で維持するステップと、（ｅ）前記圧力容器内の圧力を低下させるステップとを含む、リグノセルロース系バイオマス材料から動物飼料を製造する方法を提供する。前記蒸気の導入直前、または、蒸気と一緒に、任意で、前記圧力容器へ触媒を導入してもよい。特に好ましい実施形態では、温度範囲が摂氏１９０度から２１５度であり、滞留時間は２から８分間である。

本発明の実施形態によると、リグノセルロース系バイオマスは、消化率の高い動物飼料に転換される。そのリグノセルロース系バイオマスは、適切なリグノセルロース系資源であればよく、バガスのような、広葉樹または一年生植物の残渣が好ましい。そのバイオマスは、チップ化するか、あるいは、最小寸法が約２５mm未満になるように、好ましくは５〜１０mm程度になるように、小さくした方が良い。もっとも良い結果を得るためには、バイオマスのかさ密度を少なくとも２００ｋｇ／ｍ^３、好ましくは、４５０から５００ｋｇ／ｍ^３の間とした方が良い。これは、ペレットミルや同様の装置で、かさ密度がより低い材料を圧縮することによって得られる。

必要であれば、バイオマスを含水率３０％未満まで、もっとも好ましくは、１５％以下まで乾燥させる。適切な手段により、例えばドラム乾燥機などで、バイオマスをそのように乾燥させることができる。乾燥後、好ましくは温かいうちに、そのバイオマスを熱い圧力容器に導入する。圧力容器は、好ましくは上部から、真空にすることができ、蒸気やその他の所望の化学薬品を底部に導入することができるように装備されている。

バイオマスを中に入れると、圧力容器を閉め、少なくとも１分間、好ましくは２分間、５００ｔｏｒｒ以下、好ましくは３００ｔｏｒｒ未満の真空状態にする。次に、圧力容器に蒸気を導入し、バイオマスの温度を摂氏１８５度から２２５度の間まで上昇させ、２から１２分間、その範囲の温度で維持する。特に好ましい実施形態では、温度範囲が摂氏１９０度から２１５度であり、滞留時間は２から８分間である。

そして、蒸気を蒸気貯留層に移動させ、圧縮空気を用いて、蒸気処理したバイオマスを圧力容器から吹き出す。もしくは、単に圧力容器を通気して、処理されたバイオマスと蒸気を一緒に吹き出してもよい。

本明細書に記載の蒸気処理した材料は、そのまま、反芻動物の飼料として使用してよい。粉末の石灰石などのアルカリ性物質を加えることにより、または、水酸化カルシウムか微粉炭酸カルシウムを練り込むことにより、材料のｐＨを７−８に調節した後の使用が好ましい。しかしながら、材料には、完全飼料として機能するための十分なタンパク性窒素または必須ミネラルが含まれておらず、完全飼料の提供を目的とした製品である場合は、それらを加える必要がある。

他の実施形態では、蒸気を導入する直前、または、蒸気と一緒に、バイオマスの重量の１〜８％の触媒を導入してよい。触媒は、セルロース繊維からのリグニンの分離を増進させる役割を果たすものであり、二酸化硫黄、過酸化水素、または、植物油などである。触媒を使用することにより、処理圧力と滞留時間を減らすことができる。

蒸気圧は急激に解放されてよい。いわゆる、「蒸気爆発」技術である。しかしながら、圧力がもっとゆっくり解放される場合の、つまり、「爆発」が起こらない場合の、本明細書に記載のやり方で蒸気処理されたバイオマスの水溶性およびアルカリ溶解性成分の含有量から判断して、化学的変化は全く認められない。これは、従来の教示とは完全に異なり、より多くの蒸気エネルギーを回収することができるので有益である。

草や一年生植物の残渣などの軽量の材料を原材料として使用した場合、例えば、かさ密度が４５０〜５００ｋｇ／ｍ^３のペレットになるように、これら材料を軽く圧縮し、バイオマス１トンあたりに必要な蒸気を最低限にすることは利点である。

リグニンが、セルロースから分離され、二酸化硫黄が触媒として使用された場合に、３以上のｐＨで水溶性となり、その後、水溶性バインダとして機能できることは、本技術の方法にとって特筆すべき利点である。

これは、完全に配合された動物飼料とするために、尿素、タンパク質、油、ミネラルなどの他の成分を加えた後、バイオマスを飼料ペレットとして利用する場合に、特に有用である。このようなバインダは、第一胃内でのタンパク質の安定に良い影響を及ぼすことが証明されている。

摂氏１９０〜２１５度の好適な範囲での処理により、セルロース繊維が部分的に加水分解され、それら繊維の平均重合度が低下し、第一胃内での細菌性加水分解がよりされやすくなり、よって、飼料の消化率が上昇することは、本方法にとって特筆すべきもう一つの利点である。より高温で行うと、フルフラール含有量を増加させる恐れがある。

本方法の特別な利点は、リグニンとヘミセルロース成分が、何らかの抽出物（樹脂など）と共に加水分解されて互いに溶け合うように、中圧蒸気でリグノセルロース系バイオマスを処理し、バイオマスの５０％以上を占めることができる溶解物を形成することである。これにより、その後の加水分解を促進させながら、リグニンポリマーをセルロース繊維束から、より完全に分離することが可能となる。この加水分解は、第一胃内での、または、セルロース分解生物による、バイオマスの微生物変換を向上する。

真空状態の活用により、バイオマスは、加水分解（もしくは、おそらく加溶媒分解）に適切な状態になるように完全に乾燥され、隙間の空気が取り除かれ、よって、蒸気が導入される際に、バイオマスのすべての部分が均等に処理される。その結果、加水分解がバイオマス全体で同じように進行することが確実になる。

蒸気を導入する前に反応器の排気をすることにより、蒸気処理後のバイオマスは、水およびアルカリへの溶解度、ならびに、フルフラールなどの揮発性有機物含有量に関して、異なった化学成分を持ったものとなる。これは、従来の知識からは全く予測されず、加水分解処理の速度を変化させた真空での乾燥作用からのみ導くことができる。

反応器を排気することのもう一つの利点は、隙間の空気が飼料の粒子間から取り除かれ、全体のより急速で均一な加熱が確実になる。これは、従来の蒸気爆発方法の問題点となりえる。これにより、エネルギーや資本を多く必要とするハンマーミルやその他の破砕機の必要性を同時に排除しながら、木屑や例えば草などの圧縮ペレットのような、より大きな飼料片の使用も可能となる。

圧縮材料の使用にはさらに利点がある。圧縮材料のかさ密度が高いため、反応器内の空隙容量が少なく、製造単位で必要な蒸気の量を減らすことである。これは、隙間の空気を取り除き、蒸気をバイオマス全体にむらなく浸透させるために、真空状態での前処理が行われる時のみ可能である。これらの利点により、バイオマス乾物の単位重量あたりに必要な蒸気を２５％程度減らすことができる。

リグノセルロース系バイオマスに利用される場合、本明細書に記載の方法で採用されている反応器内の低い水分レベルには、バイオマスのヘミセルロース、リグニン、および、樹脂成分を混合溶液に転換する効果があり、それらをセルロース繊維との会合から取り除き、同時に、動物の臓器内での微生物の攻撃における、それらの有用性を高める。さらに、本明細書では特定の条件が用いられる。

蒸気処理された材料に含まれる可溶性炭水化物はまた、尿素などの安価な窒素化合物を、タンパク質と同化できるように、微生物により急速に変換させることもできる。これらの容易に利用できる炭素源がなくては、尿素はアンモニアに変換され、動物はアンモニア中毒にかかるであろう。

さらに、本発明の方法により達成されるリグニンの分離度により作り出されるセルロースは、その微生物感受性が、他では、漂白によってのみ達成されるものに匹敵するほどである。
実施例１

下記の表１は、広葉樹のホロセルロース含有量に対する典型的な消化率が、自然な状態では３０〜４０％であるのに比べて、本方法で処理されたものは７０〜８０％であることを示す。ウシの飼料に適しているとは考えられていない、スイッチグラスなどの草に対する消化率は８５％程度にまで増加する。

実施例２

本発明の方法の特別な利点は、尿素などの安価な窒素化合物を、動物が吸収できるタンパク質成分へ、動物の臓器内で微生物変換する際に、水溶性脂肪族成分、主に加水分解で形成された有機酸および炭水化物が、容易に利用できる炭素源として機能することである。これにより、例えば、大豆ミールなど、動物飼料として使用されることの多い高価なプロテイン粉末の完全な代替品ができる。同様に、高い消化率の、蒸気処理されたバイオマスも、反芻動物に与えられることが多い、コーンなどの高価な高エネルギー成分の完全な代替品とすることができる。

そのことは、下記の表２に示される。表では、反芻動物の飼料として推奨されるものと同様の特性を有する様々な飼料が比較されている。

蒸気処理されたスイッチグラスを基とした飼料は、コーンおよび大豆ミールの代用品となるだけではなく、アルファルファサイレージなどの高タンパク原料の代用品ともなる。スイッチグラスと違い、アルファルファは多くの病気に感染しやすく、水の豊富な地域でのみ栽培することができ、育てるために比較的費用がかかる農作物である。さらに、本明細書に記載の方法による処理のために栽培されるスイッチグラスは、本処理が雑草種をも価値の高い飼料に変換するであろうことから、除草剤を使用する必要がない。

本発明の実施形態により処理されたバイオマスから製造された動物飼料構成物には、水溶性の高窒素化合物、好ましくは尿素が含まれ、それによって、バイオマスの重量の水溶性成分の割合が１８から２５なのに対して、１の割合の窒素が含まれることとなる。

本明細書から、本発明が目的を遂行するため、および、本発明に内在するものと同様に、本明細書内で言及した利点を実現するために、よく適合することは明らかである。本発明の現時点での実施形態は、本開示のために記載されているものであり、当然のことながら、当業者に容易に示唆されるであろう、および、本明細書で開示され請求された本発明の精神の範囲内でなされる、様々な変更が可能である。

Claims (7)

1. リグノセルロース系バイオマス材料から動物飼料を製造する処理方法であって、
   （ａ）含水率３０％未満のバイオマス材料を圧力容器に導入するステップと、
   （ｂ）少なくとも１分間、前記圧力容器を真空状態にするステップと、
   （ｃ）蒸気を前記圧力容器に導入し、前記材料を摂氏約１９０度から２２５度の間の温度範囲まで加熱するステップと、
   （ｄ）前記材料の温度を、１から１２分間、前記温度範囲内で維持するステップと、
   （ｅ）前記圧力内の圧力を低下させるステップとを含む、処理方法。
2. 前記圧力容器に導入された前記バイオマス材料の含水率が１５％未満である、請求項１に記載の処理方法。
3. 前記温度範囲が摂氏１９０度から２１５度である、請求項２に記載の処理方法。
4. 前記材料の温度を、２から８分間、前記温度範囲内で維持する、請求項３に記載の処理方法。
5. 前記圧力容器へ、前記蒸気の導入前、または、同時に、バイオマスの重量の１から８パーセントの触媒を導入するステップをさらに有する、請求項１に記載の処理方法。
6. 前記触媒は、二酸化硫黄、過酸化水素、および、植物油の群から選ばれる、請求項５に記載の処理方法。
7. 請求項１に記載の処理方法で処理されたバイオマスから製造された動物飼料組成物であって、
   水溶性の高窒素化合物、好ましくは尿素を含み、１８〜２５重量部のバイオマスの水溶性脂肪族成分に対して１重量部の比率の窒素を含む、動物飼料組成物。