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バイオエタノールの生成に必要な前処理、新手法で処理効率20倍以上に

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バイオエタノールの生成に必要な前処理、新手法で処理効率20倍以上に

北海道大学他の研究チームは、バイオエタノールを生成するための前処理にキャビテーション(流動キャビテーション)を用いることにより、従来よりも処理効率を20倍以上向上できることを実証した。

泡でセルロース系バイオマスの結晶構造を破壊

非可食の稲わらや廃木材などのセルロース系バイオマスは、リグニンによって覆われており、強固な結晶構造を有しているため、酵素分解の分解速度が極めて遅いという問題があった。そこでリグニンを除去し、結晶構造を破壊する「前処理」が必要不可欠になる。

同研究チームは今回、流れ場を用いた「流動キャビテーション」を用いる前処理方法が、従来通りの超音波を用いる前処理方法と比較し、20倍効率的であることを証明した。また、酸処理・アルカリ処理・水熱処理などによる前処理方法と違い、微生物による発酵を行う前に必要な中和・洗浄のプロセスも不要だ。

なお、キャビテーションとは液体が高速で流れる際に、圧力が低下して気体(泡)に相変化する現象のこと。流速の低下により気体から液体に戻る気泡の圧潰時に衝撃が発生する。この新しい前処理方法では、この衝撃力を結晶構造の破壊に利用する。

さらに強力化・大型化も可能に

今回実証された前処理方法では、噴射圧力・キャビテーション数(気泡圧潰場の圧力と噴射圧力の比)・絞り部直径などの流動条件の最適化により、キャビテーションのさらなる強化が可能になる。さらには、キャビテーション圧潰時に高温・高圧スポットが形成されると言われており、耐高温・耐高圧容器を用いることなく化学反応を行える可能性を有している。

このため、様々な化学反応プロセスに流動キャビテーションを有効利用できる可能性が秘められており、今回実証された技術は、環境負荷を低減したグリーンケミストリーに貢献できる可能性がある。

また、流れ場を用いて発生させた流動キャビテーションの場合には、流れ場を用いるので必然的に連続処理となり、またポンプを大きくするだけで強力化・大型化が可能、といったメリットがある。

バイオエタノールの生成が効率的に

バイオエタノールは、セルロースを酵素分解して得たグルコースを、微生物などのはたらきで発酵させて得られる。これまで提案されている酸処理・アルカリ処理・水熱処理などの前処理では、後段の微生物発酵のための中和・洗浄や多量の投入エネルギーが必要だった。また、工業化に向けては、連続処理および大型化が容易で、かつ効率がよい前処理が求められていた。

現在、燃料や化成品の製造において化石資源からバイオマス由来の原料への転換が求められているが、可食材料を燃料や化成品に用いることは食糧問題を生じる懸念がある。今回実証された流動キャビテーションを用いた前処理方法は、稲わらや廃木材などの非可食のセルロース系バイオマスから効率的にエタノールを生成する方法として期待される。

【参考】
東北大学 - バイオマスの前処理に泡の圧潰衝撃力を活用-超音波よりも処理効率20倍以上

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