エタノール前処理と食品原料製造マシン

エタノール前処理と食品原料製造マシンとは

KCED機械について

ここでは、コーンダストやブロークンコーンを原料としたバイオエタノールに関した既存の技術を打ち破る革新的な技術と機械を紹介します。

その技術とは、“水分”“熱”及び“圧力”により、糖質を暴露する方法、KCED(kato Constituent exposure & denature)法であり、その原理を基に開発したのがKCED機械である。
このKCED機械は、原料であるコーンダストやブロークンコーンからスターチを取り出すことなく18秒間で糖質が露出された処理物が連続して作り出せる。
1㎜以下のコーンダスト(収穫時から輸送中に落ちたダスト)又は、ブロークンコーンを原料とした処理物に一般的な糖化酵素であるアミラーゼとアミログルコシダーゼを用いたNRELのプロトコルで測定(NREL/TP-510-42629)した糖化試験結果は、それぞれが100.0%(グルコース換算)であった。
この機械の必要なエネルギーは33.3kj/㎏であり、原料の処理能力は110㎏/hの連続的に処理する事が出来る。

KCED機械は、コーンダストやブロークンコーンを原料とした、バイオエタノールの前処理物にしたものを、105ミクロン程度に粉砕する事で、ダンボール用糊剤の原料にもなる。倍水比は1:4.8と非常に低コストとなる糊剤になる。
KCED機械には、もう一つの使用方法があり、食品原料を作る事ができます。他の物質を加えることなく、コーン、米及びソルガムのような穀物(整粒)やあらゆるミレットを、この機械で処理し粉砕することにより粘弾性を持った粉になる。その為、グルテン代替、結着剤や増粘剤として使用する事が出来る。また、あらゆる穀粉やデンプンと混ぜて小麦粉代替として、麺やパン、マフィン等の食品材料とする事が出来る。

このように、KCED機械は全く異なった分野の原料を作り出すことが出来る画期的な機械である。添付資料①参照
日本では、このKCED機械が稼働中であり食品原料が作られている。その食品原料を使ったヌードルなどの商品がグルテンフリー食品として、EUや米国で販売されている。

※コーンダスト(アメリカ産デント種)組成分析結果:
グルカン64.2%、キシラン5.6%、ガラクタン1.3%、アラビナン3.2%、リグニン7.2%灰分1.3%、抽出物質15.2%

※ブロークンコーン(アメリカ産デント種)組成分析結果:
グルカン70.7%、キシラン2.1%、ガラクタン0.4%、アラビナン1.9%、リグニン6.0%灰分0.7%、抽出物質13.2%


※前処理とは・・・セルロース系原料を糖化物とする一連の工程をいう

エタノール前処理と食品原料製造システム

特許情報

国際特許

特許協力条約に基づき、国際出願(PCT)をし、指定国に移行手続きを完了した。
(日本国特許庁についても同様)
米国については、スモールエンティティの適用を受けている

技術論文

(論文 日本語訳抄)
リグノセルロースバイオマス原料の糖質を18秒で露出させる方法

著者名

加藤 進 1) 武部孝明 1) 加藤幸子1) 寺嶋典裕 1) 菅原由加 1)

所 属

1)株式会社 加藤バイオマステクノロジー

Corresponding Author:

Susumu Kato
Kato Biomass Technology Co., Ltd.
Kita 45-jo Higashi 16-chome 1-2, Higashi-ku, Sapporo-shi, Hokkaido 007-0845 Japan
Phone: +81 (11) 783-4565, Fax: +81 (11) 783-4565
E-mail address: s.kato@kato-biomass.com

要約

我々が報告するのは、特殊な加工処理によりリグノセルロースバイオマス中のリグニンを細かく引き裂き糖質を露出させる、という革新的な原理、方法及びそれを実現するための装置の核心部分である。

地球環境を保護するため、二酸化炭素排出量の抑制のために様々な再生可能エネルギーの取組が行われている。その1つとしてリグノセルロースバイオマスからのエタノール製造に関する様々な開発が行われているが、現状、原料投入から糖化までの工程において、糖化効率と処理時間、高価な酵素、化学品の回収処理といった難題が存在している。

我々はこの難題に対し、リグノセルロースバイオマスの糖質を露出させるという全く新たな視点から取り組んだ。我々の研究成果は18秒という短時間の物理的処理のみで処理物の連続製造を可能とする方法及び装置の核心部分である。この処理物に一般的な酵素、酵母及び水を同時に投入すると、直ちに加水分解が始まると同時に発酵が始まる。この糖化率は88.9%から100%という高いものである。

本文

1.イントロダクション

2.理論:加藤糖質露出方式

我々は、研究の結果、(中略)により糖質を露出させる方法”(KSE方式)を見出した。
この原理を実現させる装置(中略)の核心部分の断面図が図1である。処理装置は(中略)と(中略)で構成される。今のテスト装置の(中略)を撮影したものが図2であり、(中略)を撮影したものが図3である。

本テスト装置は、原料投入部にバイオマス原料を投入すると、糖質が露出した処理物を18秒の処理時間で連続して製造する(最大生産能力100Kg/ h)。この装置の稼働に必要なエネルギー投入量は、稼働時に測定した結果33kJ/kgであった。この装置は大型化することができる。

3.試験

3.1 テスト対象物

我々は、コーンストーバー(図4 A左)、コーンダスト(図4 B左)及びブロークンコーン(図4 C左)の3種類の原料を(中略)加水調整し、各々装置に投入し、(中略)糖質を露出させたKSE方式処理物、コーンストーバー(図4 A中)、コーンダスト(図4 B中)及びブロークンコーン(図4 C中)を製造した。

さらにその後の糖化試験を容易にするため、処理物をピンミル式粉砕機(奈良機械製作所、東京、日本)で105マイクロミリメートルに粉砕し、KSE方式処理物(粉砕物)とした。ここでピンミル式粉砕機で粉砕するのは糖化試験を行い易くするためであり、KSE処理後のこの粉砕は糖化率に何ら影響を及ぼさない。これがコーンストーバー(図4 A右)、コーンダスト(図4 B右)及びブロークンコーン(図4 C右)である。

3.2 使用原料

使用した原料は、各々以下のものである。
コーンストーバー(図4 A左): 品種:パイオニアハイブリッドジャパン39B29、北海道新得町産、geographical coordinates 43.06472, 142.805109 Or 43°3’ 52.992” North, 142°48’ 18.3918” East、カッターミル(㈱ホーライ、大阪、日本)で粉砕後、841から177マイクロメートルに分級したもの;公的研究機関である北海道立総合研究機構*13より提供を受けた。屋内において室温15℃前後で保管していたもの。含水率は概ね12%である。

コーンダスト(図4 B左):米国産のデント種の整粒を日本に輸入した際、収穫時から輸送中に発生したトウモロコシの子実のかけら及びコブの部分で微細な物;丸紅株式会社(東京、 日本)より提供を受けた。

ブロークンコーン(図4 C左):米国産のデント種の整粒を日本に輸入した際、収穫時から輸送中に発生したトウモロコシの子実のかけら及びコブの部分;丸紅株式会社より提供を受けた。

3.3 成分分析

KSE方式処理物(粉砕物)(図4 A右, 図4 B右, 図4 C右)を、北海道立総合研究機構において成分分析を行った。分析はアメリカ合衆国の国立再生可能エネルギー研究所(NREL/National Renewable Energy Laboratory)が制定した分析方法に準拠し抽出物質、糖類およびリグニン、灰分、について各々以下の方法で行った。①抽出物質:NREL/TP-510-42619*14;水・アルコールによって抽出された物質、②糖類およびリグニン:NREL/TP-510-42618*15、③灰分:NREL/TP-510-42622*16

3.4糖化試験

成分分析を行ったKSE方式処理物(粉砕物)(図4 A右, 図4 B右, 図4 C右)の糖化試験についても同機構において実施した。糖化試験はNRELが制定した測定方法であるNREL/TP-510-42629*17に従って実施した。

すなわち、試料(図4 A右, 図4 B右, 図4 C右)それぞれについてセルロース換算で0.1g30mLの容器(スクリューバイアル瓶 外径×高さ=φ30×65)に量り取り、クエン酸バッファー5mL、セルラーゼ (Novozymes50013)25FPU/g-セルロース (Novozymes A/S, Bagsvaerd, Denmark)、βグルコシダーゼ(Novozymes50010)42CBU/g-セルロース(Novozymes A/S, Bagsvaerd, Denmark)、抗生物質(①テトラサイクリン40μg (LKT Laboratories, Inc., MN, US) ②シクロヘキシミド30μg (和光純薬工業㈱、大坂、日本)、ともに粉体を加え、水を合計10mLとなるよう入れた。これを50℃で72時間インキュベータ (㈱サンキ精機、大坂、 日本)で培養した。培養後の液を液体クロマトグラフィー(LaChorom Elite、㈱日立ハイテクノロジーズ、東京、日本)でグルコースを測定した。

4.試験結果

4.1 成分分析及び糖化試験結果

各々の成分分析及び糖化試験の結果は、以下である。

(A)コーンストーバー

成分分析結果:グルカン45.0%、キシラン20.9%、ガラクタン0.0%、アラビナン2.6%、リグニン19.4%、灰分1.9%及び抽出物質14.3%
糖化試験結果:糖化効率は88.9%であった。ブランク(試料のみ、酵素なし)では、グルコースの溶出がほとんどなかった。

(B)コーンダスト

成分分析結果:グルカン64.2%、キシラン5.6%、ガラクタン1.3%、アラビナン3.2%、マンナン0.0%、リグニン7.2%、灰分1.3%及び抽出物質15.2%
糖化試験結果:糖化効率が100%であった。ブランク(試料のみ、酵素なし)では、グルコースの溶出がほとんどなかった。

(C)ブロークンコーン

成分分析結果:グルカン70.7%、キシラン2.1%、ガラクタン0.4%、アラビナン1.9%、マンナン0.0%、リグニン6.0%、灰分0.7%及び抽出物質13.2%
糖化試験結果:糖化効率が100%であった。ブランク(試料のみ、酵素なし)では、グルコースの溶出がほとんどなかった。

4.2 加熱時間と糖化率の関係

4.3 発酵実験

我々は、処理物の発酵の状況を観察するため、PET(ポリエチレンテレフタラート)製の1.5リットルの蓋付容器に、KSE方式コーンストーバー処理物(図4 A中) 100g、米麹*18(これに含まれている加水分解酵素を活用)2g(米麹、丸合清水醸造合資会社、北海道、日本)、パン酵母0.3g(インスタントドライイースト;ソルビタン脂肪酸エステル1.5%含有、S.I.Lesaffre社、フランス)及び水0.5リットル(水温23℃)を入れ、温度23℃を保った室内に放置した。投入後、3時間経過後に内圧により容器が膨らんだため、第1回目のベントを実施した。その後2時間毎にベントを4回繰り返した。

我々は日本甜菜製糖㈱製の異なったドライイースト(清水工場、北海道、日本)を使用して実験を行った。酵母の違いによる差異は見られなかった。

我々は、上記の発酵実験のものと同じコーンストーバー原料を使用し、KSE方式での特殊加工を行わず、ピンミルによる粉砕のみで105マイクロミリメートルに細かくしたコーンストーバー粉に、同じ米麹、ドライイーストを加え発酵状況等を観察したが、何ら反応は起きなかった。

4.4 発酵残渣

上記4.3で発酵実験を実施し、エタノールを回収した後の残渣を水で洗い、乾燥させたものが図5右である。これはリグニンを主成分とした物質であると考えられる。(中略)これは非常に軽量で強度が強いものである。

5.ディスカッション

このKSE方式は、トウモロコシ整粒など穀物を原料とする第1世代技術においても適用でき、原料中のスターチと糖質を同時に糖化させることができるため、既存技術と比較して大幅にコストを低減させることが出来る。また、ブロークンコーン、コーンダストといった既存の第1世代技術においては、選別除外され、使用していない原料も利用することが出来る。

また、このKSE方式の原理は木質にも応用できる。ただし、本論文において示した装置の核心部分は木質の処理に最適なものではないためそれ程高い糖化効率が得られておらず(現状では20.8%;北海道総合研究機構における糖化試験結果、2014年3月)、現在、研究中である。

我々はKSE方式での処理物の糖化試験において糖化率100%という結果を得た。これはNRELの基準に従ってグルコース量を測定したものであるが、一般的に100%という糖化率は考え難いことからグルカン以外の糖質も同時に糖化していることが考えられる。この解明については今後行って行くつもりである。

また、発酵実験において、一般的な酵素及び酵母でも直ちに糖化及び発酵が始まることを見出したが、より効率を高める最適な酵素や酵母が存在すると考える。我々は酵素、酵母の専門家ではないので、それらの専門家に委ねたいと考えている。

リグニンに関して言えば、数多くの研究者により研究が行われているが、これまでの研究では化学品を使用せずにリグニンを抽出することは出来ていない。硫酸などの化学品を使用することなくリグニンを抽出することによりリグニンの研究が加速する可能性があるが、我々はリグニンの専門家ではないので、この研究についてもその分野の専門家に委ねたいと考えている。

6.結論

我々は本研究により、これまで開発された技術における原料投入から糖化までの工程での高い製造コストの問題(時間、エネルギー、酵素及び薬品等)をKSE方式により大幅に低減できることを明らかにした。

我々は本研究により以下の成果を得た:1)(中略)により極短時間で糖質を露出させることが出来る。2)糖質を露出させることで、酵素、酵母及び水を加えると直ちに糖化及び発酵が始まる。3)糖質を露出させることで、一般的な酵素、酵母でも十分な糖化、発酵が行える。

我々の研究成果は、短時間で大量の原料を処理することを可能とするものである。それゆえ我々は、この研究成果によるバイオエタノール製造により、低コストでの動力燃料及び化学製品原料の製造が可能となり、化石燃料からの代替が促進され二酸化炭素排出量の抑制が行えるものと確信している。

謝辞

参考文献及び脚注

  1. 地方独立行政法人北海道立総合研究機構 産業技術本部 ものづくり支援センター
    工業技術支援グループ、Web page: http://www.iri.hro.or.jp/
    主査(技術支援)北口敏弘 e-mail: kitaguchi-toshihiro@hro.or.jp
    北海道札幌市北区北19条西11丁目

コーンダスト、ブロークンコーンの成分分析および糖化試験結果

1.供試試料

 供試試料は加藤粉体研究所殿から提供されたコーンダスト及びブロークンコーンであり、ともに特殊粉砕されたものである。

2.成分分析

(1)分析方法

 分析はアメリカ合衆国の国立再生可能エネルギー研究所(NREL/National Renewable Energy Laboratory)が制定した分析方法に準拠しておこなった。抽出物質、糖類およびリグニン、灰分について行った。
 ①抽出物質:NREL/TP-510-42619
  →水・アルコールによって抽出された物質
 ②糖類およびリグニン:NREL/TP-510-42618
 ③灰分:NREL/TP-510-42622

(2)成分分析結果

 コーンダスト及びブロークンコーンともにグルカンが64~71%を占めており、キシラン、ガラクタン、アラビナンが少量含まれていた。グルカンはセルロースとでんぷんの総量であるが、今回、でんぷん量を計測していないのでセルロースとでんぷんの構成比率は明らかではない。

表1 成分分析結果
抽出物質グルカンキシランガラクタンアラビナンマンナンリグニン灰分合計
コーンダスト15.2%64.2%5.6%1.3%3.2%0.0%7.2%1.3%98.0%
ブロークンコーン13.2%70.7%2.1%0.4%1.9%0.0%6.0%0.7%94.9%
図1 成分分析結果

図1 成分分析結果

3.糖化試験

(1)糖化試験方法

 糖化試験はNREL/TP-510-42629に従って行った。すなわち、特殊粉砕コーンダスト及びブロークンコーンそれぞれについてセルロース換算で0.1g30mLの容器に量り取り、クエン酸バッファー5mL、セルラーゼ(Novozymes50013)25FPU/g-セルロース、βグルコシダーゼ(Novozymes50010)42CBU/g-セルロース、抗生物質を加え、水を合計10mとなるよう入れた。これを50℃、72hインキュベータで培養した。培養後の液を液体クロマトグラフィーでグルコースを測定した。

(2)糖化試験結果

 糖化試験の結果、コーンダスト及びブロークンコーンともに糖化効率が100%となった。ブランク(試料のみ、酵素なし)では、グルコースの溶出がほとんどなかった。

本文書提供元:

北海道立総合研究機構産業技術研究本部 ものづくり支援センター
工業技術支援グループ 北口敏弘主査 2013年6月14日

(Contact Info)

北口敏弘
北海道立総合研究機構産業技術研究本部 ものづくり支援センター
北海道札幌市北区北19条西11丁目
Tel: +81-11-747-2949, Fax: +81-11-726-4057
Email: kitaguchi-toshihiro@hro.or.jp
HP: http://www.iri.hro.or.jp/


コーンストーバーの糖化試験結果

1.供試試料

 供試試料は工業試験場所有のコーンストーバー(パイオニアハイブレッドジャパン39B29、新得町産)をカッターミルで粉砕後、20~80メッシュに分級し、さらに加藤粉体研究所殿が特殊粉砕したものである。
 以下に、供試試料の組成を示す。

表1 コーンストーバーの組成
単位 : %
種類グルカンキシランガラクタンアラビナンリグニン灰分タンパク抽出物質
酸不溶性酸可溶性リグニン
パイオニア39B2945.020.90.02.618.21.319.41.91.314.3

2.糖化試験

(1)糖化試験方法

 糖化試験はNREL/TP-510-42629に従って行った。すなわち、特殊粉砕されたコーンストーバーついてセルロース換算で0.1g30mLの容器に量り取り、クエン酸バッファー5mL、セルラーゼ(Novozymes50013)25FPU/g-セルロース、βグルコシダーゼ(Novozymes50010)42CBU/g-セルロース、抗生物質を加え、水を合計10mとなるよう入れた。これを50℃、72hインキュベータで培養した。培養後の液を液体クロマトグラフィーでグルコースを測定した。

(2)糖化試験結果

 糖化試験の結果、糖化効率は88.9%となった。ブランク(試料のみ、酵素なし)では、グルコースの溶出がほとんどなかった。

本文書提供元:

北海道立総合研究機構産業技術研究本部 ものづくり支援センター
工業技術支援グループ 北口敏弘主査 2013年9月19日

(Contact Info)

北口敏弘
北海道立総合研究機構産業技術研究本部 ものづくり支援センター
北海道札幌市北区北19条西11丁目
Tel: +81-11-747-2949, Fax: +81-11-726-4057
Email: kitaguchi-toshihiro@hro.or.jp
HP: http://www.iri.hro.or.jp/

食品原料特殊処理製粉粉製品紹介

特殊処理製粉粉≪うるち米コアパウダー≫

コアパウダーKC-10
名  称
コアパウダーKC-10
原材料名
国内産うるち米
内 容 量
20㎏
賞味期限
製造日より5年
保存方法
高温・多湿を避け保存
特   長

粘性が強く、加熱や加温する事なく、水を加えるだけで、お餅のような食感になる為、災害用備蓄食品に最適で、KC-10のみでクッキーなどの商品化も可能
また、小麦グルテン代替としての機能があり、あらゆる穀粉やスターチ、生おから等と混合する事により、お菓子や麺類等の、新商品を生み出すことが出来る


試験成績証明書


商品群の一例

主原料とうるち米コアパウダーを利用した商品群の一例 うるち米コアパウダー&

レシピ集

特殊処理製粉粉販売について

★うるち米特殊処理製粉粉は20㎏(紙袋)1袋からの販売します。
★特殊処理製粉粉の加工受託につきまして御相談下さい。

特殊処理製粉粉の説明資料

特殊処理製粉粉に関する説明資料説明資料

特殊処理製粉粉とは :

 エタノール前処理と食品原料製造マシンで得られた粉である

  • とうもろこし、ホワイトソルガム、米(ジャポニカ、インディカ)、を原料としてエタノール前処理と食品原料製造マシンを使用して作る粉である。
  • スターチやあらゆる穀物の粉に加えることにより小麦粉代替物を作ることが出来る粉をいう。
粘性テスト エタノール前処理と食品原料製造マシンの活用 エタノール前処理と食品原料製造マシンの活用‐既存の粉との混合- 食品原料と商品例