JPH07285108A - 古紙繊維と酵母粕とを利用した木質生分解性材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バインダーに合成樹脂を使用せず、より大き
な生分解性を有し、かつ、製造が容易で、製造工程で熱
可塑性を呈し成型も容易な木質生分解性材の製造方法を
提供する。 【構成】 古紙を乾式解繊した繊維と、酵母粕とを混合
し、加圧・加熱することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は古紙繊維と酵母粕とを利
用した木質生分解性材（本願で、木質生分解性材とは、
天然木質材に近似した性状の資材で、板状に成型した
り、適宜立体形状に成型して使用するもである。）の製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】古紙は再製紙の原料として利用可能であ
るが、実際には貴重な天然資源である天然木材より作り
出した紙の再生率は、今なお低い水準にとどまってい
る。古紙の再生率が向上しない理由は種々あるが、その
主なるものは以下のごとき理由によるものである。

【０００３】 古紙を再製紙の原料として利用するに
は、パルパーと称する機械に、大量の水と共に古紙を投
入し、撹拌してパルプ分を比重分離する方法が採用され
ている。したがって、この方法は大量の水資源と大型の
排水処理設備が必要で、加工費が嵩む。 古紙を混入すると紙力が低下する。 古紙回収費が必要で、特に、再生処理工場は水資源
が豊富でかつ大型の排水処理設備を有した郊外の紙工場
に限定される反面、古紙の生産地は都会であるので、運
送費が嵩み古紙の再利用に経済的な優位性が少ない。 特に、新聞、雑誌に使用されている機械パルプは、
それ自体原料費が安価に入手できるので、加工費及び運
賃のコスト増が古紙再利用の阻害原因となる傾向が大き
い。

【０００４】そこで、古紙を再生紙以外の原料に使用
し、より多くの古紙を再利用することが求められ、その
代表例として古紙を元の天然木材と同等の性状を有する
木質材となす研究が種々行われている。古紙より再生し
た木質材は、建築資材、型枠や杭等の建設資材として利
用可能であり、これらを、従来の天然木材に代えて使用
することで、森林破壊防止の一助となるので最近大きな
注目を集めるに至っている。

【０００５】従来、古紙を原料として木質材を得る方法
としては、古紙を微裁断するか繊維状に解繊し、これに
熱硬化性合成樹脂よりなるバインダー（接着剤）を加
え、加熱・加圧するのが代表的方法として知られてい
る。

【０００６】また、最近ではセルロースと他の合成高分
子との共重合体をグラフト法で調整し生分解性プラスチ
ックを得る方法も提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、古紙を原料と
した従来の木質材の製造方法は、バインダーに合成樹脂
を使用しているので、第一にコストが嵩むという課題を
有している。最近古紙は安価に入手できるが、従来法の
重量比で１５％程度混入する合成樹脂よりなるバインダ
ーの価格が比較的高く、結果として従来法によって得ら
れる木質材は天然木材より高価となってしまうものであ
った。

【０００８】第二に、上記従来の方法によって得られた
木質材は、天然木材と同様に生分解性を有し、不要にな
れば埋立処分すると自然界の物質循環に組み込まれると
されており、事実、地中に埋立処分したところ１〜２年
で朽ち果てるものであったが、バインダーとして使用し
た合成樹脂が分解されたか否かは把握されておらず、完
全なる生分解性を有するか疑問であるという課題を有し
ている。

【０００９】第三に、従来法によって得られる木質材
は、バインダーに熱硬化性合成樹脂を使用することもあ
って、製造途中で熱硬化性を呈し、複雑な形状に成型す
ることが困難であるという課題を有している。尤も、天
然木材も複雑な形状となすとなすことは相当な困難性を
有するので、この課題は本来的な課題であるとは言えな
いが、現在は古紙より杭を製造すにも、ある厚みの板を
成型し、それを所定寸法に裁断して杭先端を削成すると
いった工程が必要となり、これらの必要加工費が、この
種木質材の普及を阻害している一因となっているのは事
実である。

【００１０】なお、セルロースと他の合成高分子との共
重合体をグラフト法で調整する方法は、大きな注目を得
ているが、この方法はセルロースを繊維としてではなく
グルコース単位として利用するもので、グルコースの長
い鎖状縮合の切断や、的確な重合条件を得るのに、大型
の装置が必要で、木資質材に対応できる安価な資材の実
現が不可能であると言う課題を有している。

【００１１】そこで、本発明は上記課題に鑑みなされた
もので、バインダーにも生分解性を有したものが使用で
きないかと種々検討したもので、バインダーに合成樹脂
を使用せず、より大きな生分解性を有し、かつ、製造が
容易で、製造工程で熱可塑性を呈し成型も容易な木質生
分解性材の製造方法を提供することを目的としたもので
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的に沿い、先述
特許請求の範囲を要旨とする本発明の構成は前述課題を
解決するために、紙を乾式解繊した繊維と、酵母粕とを
混合し、加圧・加熱することを特徴とした技術的手段を
講じたものである。

【００１３】また、「請求項２」の発明は、バインダー
の機能を阻害するリグニンを有した機械パルプ古紙を利
用するために、機械パルプ古紙を乾式解繊しオゾンに接
触させ含有リグニンをオゾン酸化した繊維と、酵母粕と
を混合し、加圧・加熱することを特徴とした技術的手段
を講じたものである。

【００１４】また、「請求項３」の発明は、上記酵母粕
が安価に入手できるビール酵母粕であることを特徴と
し、「請求項４」の発明は、上記酵母粕がさらに安価に
入手できるたビール酵母残渣であることを特徴とした技
術的手段を講じたものである。

【００１５】さらにまた、「請求項５」の発明は、熱可
塑性を得るため上記酵母粕の混合比が重量比で２００％
以下５０％以上となしたことを特徴とした技術的手段を
講じたものである。

【００１６】

【作用】次に、本発明の作用を説明する。まず、作用の
説明に先立ち、本発明に使用する用語の定義を行う。 「酵母粕」酵母粕とは、醸造工業等で製品を濾過した後
に残る、主として酵母菌体の集合物を言う。例えば、ビ
ール酵母は、清澄麦汁に酵母を混入して成熟の終わった
ビール原液を濾過した残りの固形分である。なお、この
酵母粕とは、次の酵母残渣をも含む広い意味でも使用さ
れるものとする。 「酵母残渣」酵母残渣とは、上記酵母粕よりさらに菌体
の原形質を他の目的に使用するために除去したものを意
味するものである。

【００１７】次に、本実施例に使用したビール酵母粕と
ビール酵母残渣の成分表を「表１」に記載する。

【００１８】

【表１】

【００１９】上記蛋白質は加熱することによって凝固す
ることは広く知られており、さらに、糖質を加えて加熱
すると褐色を呈して固化する所謂褐変現象を起こすこと
が知れれている。したがって、（ビール）酵母粕（酵母
残渣を含む）を、古紙繊維に混ぜて加圧・加熱すると、
凝固、固化してバインダー剤として機能する作用を呈す
る。

【００２０】また、蛋白質は水の存在下で加圧・加熱す
ると粘弾性を呈する所謂プラスチック化することも発表
されているが、本発明においては、上記「表１」の繊維
を構成しているグルカンとマンナンとが事実上蛋白質と
結合していることを発見し、その物性を利用することを
研究した物であり、グルカンとマンナンとを含めて所謂
プラスチック化する作用を呈するものである。

【００２１】なお、上記のような酵母粕は加圧・加熱す
ることで固化するが、この固形物を極めて脆いと言う欠
点を有している。しかし本発明は古紙繊維が補強繊維と
して作用し強固な材質を形成する作用を呈するものであ
る。

【００２２】なお、酵母粕（酵母残渣を含む）に含まれ
る繊維はグルカンとマンナンとからなり蛋白質と結合し
ているのであるが、これらは古紙成分のヘミセルロー
ス、セルロースとの親和性がよくバインダー機能が有効
に発揮される作用を助けるものであった。

【００２３】また、「請求項２」の発明においてリグニ
ンを含む機械パルプ古紙を使用したが、リグニンは疎水
性を有し、かつ、化学的非常に安定した物質であるので
バインダー材とも結合しずらいものである。この結合力
の弱さは、上記したグルカンとマンナンとによって改善
される作用を呈することが実験の結果確認できたが、な
お、不十分であり、リグニンを改質することが望ましい
と言う結論を得た。そこで、機械パルプ古紙を乾式解繊
しオゾンに接触させ含有リグニンをオゾン酸化したとこ
ろ、従来疎水性を呈した機械パルプ古紙の繊維が親水性
を呈しバインダー材との結合力が向上する作用を呈する
（後に、その詳細を説明する。）ものであった。

【００２４】さらに、「請求項５」の発明において、酵
母残渣の混合比が重量比で２００％以下５０％以上とな
したが、この酵母残渣の混合比が重量比５０％を越すと
熱可塑性を呈する現象が現れ、望ましくは７０％を越す
と熱圧成型に都合の良い熱可塑性を呈するものであっ
た。なお、この酵母残渣の混合比は多いほど熱可塑性が
大きくなり成型には都合が良いが、２００％を越すと、
得られた材質の脆弱性が現れ実用的ではないものであっ
た。

【００２５】

【実施例】次に、本発明実施例を説明する。まず本発明
は、古紙を乾式解繊する。古紙を上手に乾式解繊すると
綿毛状の繊維となるもので、この乾式解繊は従来のパル
パーによる湿式解繊に比べ水資源を必要としないので、
都会の中小工場でも容易に実現できるという利点を有す
るものである。また、パルパーで湿式解繊したものは後
に大きな熱エネルギーを使用して乾燥しなくてはならな
いが、乾式解繊の場合はこの乾燥用のエネルギーの経済
ともなる利点を有するものである。

【００２６】具体的に古紙を乾式解繊するには、予め予
備裁断した古紙を粉砕機で弱い外力を長時間加えること
で綿毛状の古紙繊維に解繊されることが知られている。
ここで重要なことは、粉砕機を使用しても古紙の繊維は
できるだけ分断しないことで、繊維長が長いほど繊維の
特性を有効に利用できるものである。そこで、弱い力を
長い時間あるいは断続的に数多くの機会加えることが望
ましく、本実施例では予備裁断した古紙を、ローターが
高速回転する内歯歯車状ケーシング内に空気輸送手段で
順次通過させ、古紙は内歯歯車状ケーシング内を旋回す
る気流に乗って内歯歯車の凹凸面に次々と衝突して解繊
（ローターの外周と内歯歯車状ケーシングの内周には適
当な間隙を持たせて、古紙に剪断力が加えられないよう
になしてある。）されるものを使用した。

【００２７】なお、古紙の乾式解繊とは、該古紙を自然
状態に放置した含水率８〜１０％前後の平衡含水率の状
態で解繊を行うものである。

【００２８】次に本発明は、上記古紙繊維と、酵母粕
（酵母残渣を含む）とを混合する。本実施例では酵母残
渣としてビール酵母粕（酵母残渣を含む）を利用した
が、これは安価で供給量が比較的安定しているからであ
り、さらにビール酵母残渣は従来利用価値が少ないとさ
れ安価に大量に入手し易いからであるが、その他の酵母
粕（酵母残渣を含む）を利用してもよいのは無論であ
る。

【００２９】上記ビール酵母粕は、前記もしたようにビ
ール醸造工程の最終段において、フィルターで製品ビー
ルを濾過して残った固形分で、その大部分は発酵菌体の
集合物である。しかし、このビール酵母粕は、その細胞
膜内部の原形質が豊富な栄養源であることから、原形質
のみを抽出し酵母エキスとして、栄養源、調味料等に利
用されているようになってきているが、その残渣は現在
のところ未利用である。そこで本発明者等は主にこの酵
母残渣が主に細胞膜で構成されて、なお蛋白質と糖質
と、さらにはグルカンとマンナンとを含有しているの
で、この安価に入手できる微生物由来を活用できないか
と言う点に着目したものである。

【００３０】なお、上記酵母粕（酵母残渣を含む）は水
分量１５％前後の圧縮した塊状で提供されるので、撹
拌、乾燥装置により含水率５％以下の粉粒体となしてお
くと以後の混合工程に使用し易いものである。

【００３１】古紙繊維は非常に嵩高で、繊維が複雑に絡
み合っているので、酵母残渣を均一に混合するには充分
なる混合を行う必要がある。そのため、酵母粕は乾燥状
態（水分量５％以下の粉状）で取り扱うのが望ましく、
同じく乾燥状態（水分量８〜１０％程度）の古紙繊維と
粉状の酵母粕とを、攪拌槽に投入して一定時間攪拌する
とよい。

【００３２】上記攪拌装置は攪拌効率の高いものを使用
すればその方式は特に限定されるものではないが、好適
な例として、撹拌槽の下部に攪拌原料を一方側より吸い
込み他方側より吹き上げる回転翼を収納するものが使用
でき、攪拌原料はこの攪拌槽内を対流しながら順次攪拌
されるようになすとよい。なお、嵩高な古紙繊維のハン
ドリングは空気輸送が適しており、この攪拌槽の上部に
は空気輸送路に連通する排出口を設けておき、対流する
攪拌原料の一部が回転翼の吹上力で該空気輸送路内に入
り込み順次空気輸送されるようになすと取り扱いに便利
である。

【００３３】古紙繊維と酵母粕との混合比は適宜に行え
ばよいが、重量比で１０％程度の酵母残渣を混入すると
古紙繊維全体を結合できるバインダー機能が得られるも
のであった。なお、酵母粕の混入量を順次増して試験し
たところ、５０％を越すと熱可塑性を呈することが判明
し、８０％程度で軟化点１２０℃の明らかな熱可塑性を
呈した。また、酵母粕の混入量を２００％以上となした
ところでは、得られた製品の強度が低くなり実用的では
なかった。

【００３４】そして、上記古紙繊維に酵母粕を混入した
ものは加圧・加熱する。この加圧・加熱は従来公知なフ
ォーミングマシーン等で行えばよいが、前記したように
古紙パルプが非常に嵩高であるので予備的に圧縮して、
ボード形状を成型するにはマット状に仮成型し、その他
の立体形状を成型する場合は造粒機で造粒すると便利で
ある。具体的には、空気輸送されてきた酵母粕混入古紙
繊維は金網ベルト等に吹き付け所望の厚みのマット状と
なす。この際に、吹き付け圧力または金網の反対側から
吸引する吸引圧力を所定となすと相当に圧縮される。そ
こで、必要に応じてさらに圧縮するか造粒機で造粒して
仮成型する。

【００３５】上記のごとく仮成型したものを従来公知な
手段で加圧・加熱すればよいが、加圧条件は１５Ｋｇｆ
／ｃｍ²以上、加熱温度は１４０℃程度で約１〜１０分
が好適である。なお加熱時間は酵母粕混入古紙繊維の厚
みによって変更されるもので具体的には自然状態で厚み
１０ｃｍに堆積した酵母粕混入古紙繊維を４ｃｍの厚み
まで仮圧縮したもを１５Ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で、１１
０〜１３０℃に１０分間加圧したところ、厚み１ｃｍの
板状体を得た。なお、板状以外の適宜立体形状に成型す
るには、加圧・加熱手段を備えた成型型を用意すればよ
いものである。

【００３６】なお、上記加圧・加熱に先だって水分量調
整を行うことも有益である。通常得られる乾式解繊した
古紙繊維の水分量は８ー１０％（平衡水分量）程度、酵
母粕の水分量は前記「表１」には記載しなかったが５％
程度であるので、両者を混合しても水分量は１０％以下
である。しかし、しかし、粘弾性体化するためには適当
な水分を与えることが実験の結果判明した。そこで、不
足する水分量を添加するのが望ましく、酵母粕と古紙繊
維との混合工程またはその後で水を注入（噴霧）して含
水水分量を調整するとよい。

【００３７】上記水分量の調整として水分量を順次高め
て試験したところ、水分量は２０〜４０％前後が最も適
するものであった。ここで水分量に比較的大きな範囲を
持たせたのは、本来水分量は４０％以上でもむしろバイ
ンダー機能を引き出す目的からは適するものであった
が、水分量が４０％を越すと加熱によって発生した水蒸
気によって所謂破裂現象を惹起するためで、得られる木
質生分解性材に剥離部やひび割れ部が発生するためで、
この現象は製品厚みが厚いほど顕著に現れるものであ
り、薄い製品の場合は水分量４０％越してを多くしても
差し支えはなかった。

【００３８】なお、全体の水分量を３０％程度し、加圧
・加熱に先だって表面に水を噴霧し、表面のみを含水量
を多くし、かつ加圧・加熱成型型を鏡面仕上げしたとこ
ろ表面円滑な木質生分解性材が得られ、かつ、得られる
木質生分解性材は型より剥離し易いと言う現象を呈する
ものであった。

【００３９】また、古紙に機械パルプを使用したとこ
ろ、化学パルプ古紙を使用した場合より得られた木質生
分解性材の強度は低かった。そこで、この原因を鋭意追
求したところ、機械パルプ古紙は重量費３０％程度のリ
グニンを含有しており、このリグニンがバインダー剤と
の親和性がないことに起因するもであることが判明し
た。そこで、このリグニンを改質することを試み、機械
パルプ古紙を乾式解繊しオゾンに接触させ含有リグニン
をオゾン酸化したところ、リグニンとバインダー材との
結合力が顕著に改善され、化学パルプ古紙を使用したも
のより強度の大きい製品を得ることができた。

【００４０】機械パルプ古紙の繊維にオゾンを接触され
ると、繊維の表面を覆うリグニンはオゾン酸化され低分
子化されるが、本発明ではそこまでのオゾン酸化を目的
とするものではなく、オゾン酸化の初期にリグニンがオ
ゾンと接触してその芳香環が開環してカルボキシル基を
導入するため、リグニンに親水性を付与する作用を呈す
る。

【００４１】リグニンは前記したように化学的に非常に
安定した物質であるがオゾンの強力な酸化力はリグニン
を分解する作用を呈する。もっとも、リグニンを分解す
ると言っても、リグニンが分子量の小さい物質となるま
で分解するのはそのための反応条件を必要とするが、反
応初期において、まずリグニンの芳香環が開環するもの
で、この程度の反応は常温で単にオゾン接触させるのみ
でよい。なお、リグニンの芳香環をオゾンによって開環
する反応は、オゾンがセルロースを分解する反応よりも
優先される。但し、液相のオゾンの場合は、オゾンと水
との反応で水酸化ラジカル等の活性酸素種が生成し、セ
ルロースとリグニンとが共に分解される傾向を有するの
で、本発明ではセルロース繊維を破損しないように気相
のオゾンを使用している。なお、リグニンの芳香環を開
環しカルボキシル基を導入する反応例は「化１」の通り
である。

【００４２】

【化１】

【００４３】そして上記のリグニンの芳香環を開環した
状態で古紙繊維を加熱・加圧すると、水が蒸発した水蒸
気の存在下で縮合と水素結合の形成とが行われ、バイン
ダー剤の接着力に加えて強固な結合力が発揮されるもの
であった。

【００４４】上記オゾン処理に使用されるオゾンは、空
気または酸素を原料として、この原料気体中の酸素をオ
ゾナイザ（主に放電式オゾナイザが使用される。）でオ
ゾン化した気相のオゾンを使用している。

【００４５】気相のオゾンを使用したのは前記したよう
にセルロースを破壊せずに、リグニンを選択的にオゾン
処理するためである。なお、リグニンの芳香核を開環す
る選択的オゾン処理は高濃度オゾンでの短時間な接触が
効果的で２５００ｐｐｍ以上、望ましくは５０００ｐｐ
ｎ以上のオゾンを使用するのが効果的であった。

【００４６】古紙繊維とオゾンとの接触は気固接触であ
るので簡単な混合装置、例えば古紙繊維の空気輸送路の
途中に介装したスタティックミキサにオゾンを注入すれ
ば容易に均一接触させることが可能である。なお、オゾ
ンは空気輸送装置自体をも酸化することがあるので、オ
ゾン処理装置部は耐オゾン材で構成することが必要で、
また、未反応のオゾンが大気中に放出されるのを防止す
ることも必要であるのは無論である。

【００４７】

【発明の効果】本発明は上記のごときであるので、その
主原料が古紙と酵母粕と言う共に安価な材料であるの
で、安価な生分解性材を提供でき、従来天然木材を使用
していた多くの部分に代用できる生分解性材が得られる
古紙繊維と酵母粕とを利用した生分解性材の製造方法を
提供できるものである。

【００４８】また、本発明は合成樹脂のバインダを使用
しないので、地中に埋立処分しても土中微生物によって
自然分解される他、焼却処分しても通常の木材と同じ発
熱量であり、腐蝕性あるガスを発生しない特長がありエ
コロジーの面からも優れた材料を提供できるものであ
る。特に、酵母粕中に含まれる糖質等が土中微生物の栄
養源ともなるので大きな生分解性を有し、所謂埋め殺し
型枠等に使用すれば数か月で自然分解されると言う建設
工事において熱望されている資材を提供できるものであ
る。

【００４９】さらに本発明は、古紙を排水の出ない乾式
法で解繊して製造しているため、設備費・原料費共に経
済的で、天然木材に代わる安価なリサイクル木質材とし
て普及が見込まれる古紙繊維と酵母粕とを利用した生分
解性材の製造方法を提供できるものである。

【００５０】また、本発明は従来のセルロースと合成ポ
リマーとのグラフと重合に比較しては、化学的には必ず
しも充分な反応を利用していないが、反面簡易な手段で
製造でき、また、複雑に絡み合った古紙繊維自体を補強
材として利用できると言う特長を有するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塩田 博一 東京都港区南青山５丁目５番21−101号 株式会社ブイエムシー内 (72)発明者 松田 敏誉 東京都港区南青山５丁目５番21−101号 株式会社ブイエムシー内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 古紙を乾式解繊した繊維と、酵母粕とを
   混合し、加圧・加熱することを特徴とした古紙繊維と酵
   母残渣とを利用した木質生分解性材の製造方法。
2. 【請求項２】 機械パルプ古紙を乾式解繊しオゾンに接
   触させ含有リグニンをオゾン酸化した繊維と、酵母粕と
   を混合し、加圧・加熱することを特徴とした古紙繊維と
   酵母粕とを利用した木質生分解性材の製造方法。
3. 【請求項３】 上記酵母粕がビール酵母粕であることを
   特徴とした請求項１及び請求項２記載の古紙繊維と酵母
   粕とを利用した木質生分解性材の製造方法。
4. 【請求項４】 上記酵母粕がビール酵母粕よりその菌体
   の原形質を抽出したビール酵母残渣であることを特徴と
   した請求項１及び請求項２記載の古紙繊維と酵母粕とを
   利用した木質生分解性材の製造方法。
5. 【請求項５】 上記酵母粕またはビール酵母残渣の混合
   比が重量比で２００％以下５０％以上となしたことを特
   徴とした請求項１乃至請求項４記載の古紙繊維と酵母粕
   とを利用した木質生分解性材の製造方法。