JPH0731465A - Biological treatment method for wood waste - Google Patents
Biological treatment method for wood wasteInfo
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- JPH0731465A JPH0731465A JP19532893A JP19532893A JPH0731465A JP H0731465 A JPH0731465 A JP H0731465A JP 19532893 A JP19532893 A JP 19532893A JP 19532893 A JP19532893 A JP 19532893A JP H0731465 A JPH0731465 A JP H0731465A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 従来、微生物では分解が極めて困難であった
リグニン類を生分解することにより、繊維質を経済的か
つ高速、高効率に単糖類にまで分解すると共に、水素を
も生産することのできる生物学的処理方法を提供する。
【構成】 木質系廃棄物を、微生物によりリグニンを水
素と低級炭素化合物とに分解するリグニン分解工程と、
次いでセルロース質を単糖類にまで分解するセルロース
糖化工程とで生物学的に処理するに際し、前記微生物と
して、少なくともCx セルラーゼ存在下で嫌気集積培養
した白蟻の腸管系微生物群集を用いるものであり、前記
セルロース糖化工程にも上記した白蟻の腸管系微生物群
集を用いるのがよい。(57) [Summary] [Purpose] By biodegrading lignins, which have been extremely difficult to decompose by microorganisms in the past, the fiber is economically, rapidly, and efficiently decomposed into monosaccharides. Also provided are biological treatment methods that can also produce. [Composition] A lignin decomposing step of decomposing lignin into hydrogen and lower carbon compounds by microorganisms,
Then, when biologically treating with a cellulose saccharification step of decomposing the cellulosic material into monosaccharides, an intestinal microbial community of termites anaerobically accumulated in the presence of at least C x cellulase is used as the microorganism. Also in the cellulose saccharification step, it is preferable to use the above-mentioned termite intestinal microbial community.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、木質系廃棄物の生物学
的処理方法に係り、特に農産廃棄物及び/又は林産廃棄
物など、その構成要素としてリグニン類、繊維質類及び
/又は炭水化物などを多量に含む有機性廃棄物、特にリ
グニンを多量に含む有機性廃棄物から微生物の機能を有
効に利用してリグニンを分解し、木質組織(植物組織)
からリグニンが脱落及び/又は解離したセルロース質
(繊維質)を単糖類にまで低分子化する生物学的処理方
法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a biological treatment method for woody wastes, and in particular lignins, fibers and / or carbohydrates as its constituent elements such as agricultural wastes and / or forestry wastes. Lignin is decomposed by effectively utilizing the function of microorganisms from the organic waste containing a large amount of, for example, the organic waste containing a large amount of lignin, and wood tissue (plant tissue)
The present invention relates to a biological treatment method for reducing the molecular weight of cellulosic (fibrous) from which lignin has been removed and / or dissociated into monosaccharides.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、農産廃棄物や林産廃棄物は有用資
源として再資源化が可能な繊維質を多量に含み、これを
付加価値の高い物質に生物変換すべく、古くから多くの
研究が行なわれ、実用化への模索が為されてきた。これ
ら有機性廃棄物に基因する所謂廃セルロースは、地球上
に実存する未利用資源として莫大な量に達し、廃セルロ
ースを生物変換により単糖類にまで低分子化(糖化)で
きれば、有用な各種の物質生産の発酵基礎物質として多
目的に利用することが出来る。2. Description of the Related Art Conventionally, agricultural wastes and forest wastes contain a large amount of recyclable fiber as a useful resource, and many studies have long been conducted to biotransform this fiber into a substance with high added value. It was carried out and the search for practical use was made. So-called waste cellulose derived from these organic wastes has reached an enormous amount as an unused resource existing on the earth, and if useful cellulose can be bio-converted into monosaccharides (saccharification), various useful various It can be used for multiple purposes as a fermentation basic substance for substance production.
【0003】このような観点から、世界的に『現時点
で、地球上に生存している人類は、廃棄物を再資源化し
て生きるべきであり、バージンの資源は子孫の生存、繁
栄のために温存すべきである』という思想が定着し、廃
セルロースの再資源化が試行され、現在も多くの努力が
払われている。然しながら、自然界に産する植物性セル
ロースは例外なくリグニンによって強固に保護されてい
るために、実用化可能な経済的コストで脱リグニン及び
/又はリグニンの分解ができず、現段階では、付加価値
の低い物質として利用されているに過ぎない。From this point of view, "human beings living on the earth at the present time should recycle wastes to live, and virgin resources are for the survival and prosperity of offspring. The idea of "should be preserved" was established, and the recycling of waste cellulose was tried, and many efforts are still being made. However, since naturally occurring plant cellulose is strongly protected by lignin without exception, delignification and / or lignin decomposition cannot be carried out at a practical economical cost, and at the present stage, added value is It is only used as a low substance.
【0004】この問題を解決するために、即ち、廃セル
ロースからリグニンを溶脱或いは分解するために、従
来、酸(塩酸)・アルカリ法(アンモニア、水酸化ナト
リウム)(高温、加圧蒸解法)、爆砕法、ハンマーミル
等の強力な粉砕機による微粉化法(酵素或いは微生物に
よる分解を容易にする)、等が研究されてきたが、その
いずれも効率的な面及び経済的な面、特にコスト面から
実用化の可能性がなく、廃セルロースの再資源化は『古
くして常に新しい問題』として、現在も依然として未解
決のまま残されている。上記のように、従来技術として
の農産廃棄物、林産廃棄物などの有機性廃棄物の再資源
化法には、生産される物質の付加価値の観点から評価で
きる技術は存在しない。In order to solve this problem, that is, for leaching or decomposing lignin from waste cellulose, conventionally, an acid (hydrochloric acid) / alkali method (ammonia, sodium hydroxide) (high temperature, pressure digestion method), The blasting method and the pulverization method using a powerful crusher such as a hammer mill (which facilitates the decomposition by enzymes or microorganisms) have been studied, but both of them are efficient and economical, especially the cost. From the aspect, there is no possibility of practical application, and the recycling of waste cellulose is still an unsolved problem as "an old and always new problem". As described above, in the conventional method for recycling organic waste such as agricultural waste and forest waste, there is no technology that can be evaluated from the viewpoint of the added value of the substance produced.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】このように現実に対し
て、近年、世界的、地球的規模でのエネルギー不足、食
糧不足が顕存化しつつあり、地球上に埋蔵されている有
限の資源の消費を極力押さえ、われわれ人類が利用でき
る形態への廃棄物の再資源化とリサイクリング技術の研
究開発及び確立が全世界的に、また社会的に強く要望さ
れている。本発明は、このような従来技術の宿命的な欠
陥を改善し、全く新規な発想による革新的な有機性廃棄
物の再資源化方法、即ち、廃セルロースに強固に結合し
ているリグニンを生物学的に分解し、セルロースを単糖
類にまで分解するだけでなく、副次的にクリーンエネル
ギーである水素を生産する経済的にして、かつ高速、高
効率な生物学的処理方法を提供することを課題とする。As described above, against the reality, in recent years, energy shortages and food shortages are becoming apparent on a global and global scale. There is a strong global and social demand for research and development and establishment of recycling technology of waste and recycling technology in a form that can be used by humankind while suppressing consumption as much as possible. The present invention solves such a fatal defect of the prior art, and an innovative method of recycling organic waste by a completely new idea, that is, lignin strongly bound to waste cellulose is used as a biological material. To provide an economical, fast, and highly efficient biological treatment method that not only chemically decomposes cellulose into monosaccharides but also produces hydrogen as a secondary clean energy. Is an issue.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、木質系廃棄物を、微生物によりリグニ
ンを水素と低級炭素化合物とに分解するリグニン分解工
程と、次いでセルロース質を単糖類にまで分解するセル
ロース糖化工程とで生物学的に処理するに際し、前記微
生物として、少なくともCx セルラーゼ存在下で嫌気集
積培養した白蟻の腸管系微生物群集を用いることとした
ものである。上記方法において、リグニンの分解工程で
使用する白蟻の腸管系微生物群集は、セルロース糖化工
程にも使用するのがよい。In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, a wood-based waste is decomposed by a microorganism into lignin into hydrogen and lower carbon compounds, and then a cellulosic material is simply decomposed. upon treating biologically by the decomposing cellulose saccharification step to a saccharide, as the microorganism, in which we decided to use the enteral microbial community termites that anaerobic enrichment culture at least C x cellulase presence. In the above method, the intestinal microbial community of termites used in the lignin decomposition step is preferably used in the cellulose saccharification step.
【0007】次に、本発明を詳細に説明する。本発明に
おいては、絶妙な生理機能によりバイオマスのリグニ
ン、セルロースを自然界で循環している白蟻腸管系微生
物群集を、通常、好気性かびの一種であるトリコデルマ
(Trichoderma)類が生産する微生物生産Cx セルラーゼ
(通常、C1 セルラーゼも同時に生産される)及び/又
は市販のCx セルラーゼを添加しながら特定の培地で集
積培養し、白蟻腸管系で共生する原生動物と細菌の混合
培養液とし、この培養液を木質系の有機性廃棄物を予め
粗粉砕して水を加えてスラリー状とした処理対象物が添
加されているリグニン分解槽と、次の処理工程であるセ
ルロース糖化槽とに、必要に応じて連続的及び/又は間
歇的に注入しながら高速、高効率にリグニンを生分解
し、かつリグニン結合を解除されたセルロースを糖化す
ると同時に安定的に水素を生産せしめるものである。Next, the present invention will be described in detail. In the present invention, microbial production C x produced by Trichoderma, which is a kind of aerobic fungi, is usually used to produce the termite intestinal tract microbial community that circulates lignin and cellulose of biomass by exquisite physiological functions in nature. Cellulase (usually C 1 cellulase is also produced at the same time) and / or commercially available C x cellulase is added to carry out integrated culture in a specific medium to prepare a mixed culture solution of protozoa and bacteria that coexist in the termite intestinal tract system. It is necessary for the lignin decomposition tank to which the treatment liquid is added by crushing the organic waste of wood-based organic waste in advance and adding water to form a slurry, and the cellulose saccharification tank that is the next treatment step. Depending on the condition, it continuously and / or intermittently injects to biodegrade lignin rapidly and efficiently, and saccharifies lignin-unbonded cellulose and stabilizes it at the same time. It is those allowed to produce the original.
【0008】また、本発明においては、白蟻腸管系微生
物の機能を利用するにあたり、分離同定された特定の純
粋菌の特定の機能に依存するのではなく、腸管系におい
て相利共生の関係を構築し、これにより一連の食物連鎖
を構築してリグニン、セルロースを分解、資化し、自然
の生態系で抵抗なくこれらを循環している微生物群集の
混合培養系を利用するものである。さらに、本発明で前
記のリグニン分解槽において、木質中のリグニンが腸管
系微生物群集の集積培養混合液に起源する原生動物類と
細菌類の共働作用によって分解された結果として、リグ
ニン及びセルロース質の一部が水素と炭酸ガス及び低級
脂肪酸に分解される。Further, in the present invention, in utilizing the function of the termite intestinal tract microorganism, rather than relying on the specific function of the specific pure bacterium isolated and identified, a mutual symbiotic relationship is established in the intestinal tract system. In this way, a series of food chains are constructed to decompose and assimilate lignin and cellulose, and a mixed culture system of a microbial community that circulates these without resistance in a natural ecosystem is used. Furthermore, in the lignin degrading tank according to the present invention, as a result of lignin in wood being decomposed by the synergistic action of protozoa and bacteria originating in an integrated culture mixture of intestinal microbial community, lignin and cellulose A part of is decomposed into hydrogen, carbon dioxide and lower fatty acids.
【0009】そのために、リグニン分解槽の液相におい
ては水素の平衡濃度が上昇し、さらに気相部の水素分圧
が上昇する。リグニン分解槽において進行する水素発酵
は、その生物反応の標準自由エネルギーが正値となる吸
エルゴン反応であり、本来的にこの生物反応は正の方向
には進みにくい。以下に酪酸基質が腸管系微生物の混合
培養により水素発酵される場合の生物反応式を示すが、
これからも理解できるように、この生物反応の標準自由
エネルギーは+48.1Kj・reaction-1である。 酪酸基質の水素発酵(吸エルゴン反応) CH3 (CH2 )2 COO- +2H2 O→2CH3 CO
O- +H+ +2H2 Therefore, the equilibrium concentration of hydrogen increases in the liquid phase of the lignin decomposition tank, and the hydrogen partial pressure in the gas phase part also increases. Hydrogen fermentation, which proceeds in a lignin decomposing tank, is an absorption ergon reaction in which the standard free energy of the biological reaction has a positive value, and this biological reaction is inherently difficult to proceed in the positive direction. Below is shown the biological reaction formula when the butyric acid substrate is hydrogen fermented by mixed culture of intestinal microorganisms,
As can be understood from now on, the standard free energy of this biological reaction is +48.1 Kj · reaction −1 . Hydrogen fermentation of butyric acid substrate (Ergon absorption reaction) CH 3 (CH 2 ) 2 COO − + 2H 2 O → 2CH 3 CO
O - + H + + 2H 2
【0010】また、生物反応の結果生成される水素は、
その反応が吸エルゴン反応であるだけでなく、槽内液及
び槽の気相部にある濃度以上に蓄積されると、それ自身
が生物毒となり、本発明の主要な目的の一つである水素
発酵そのものが停止することになる。従って、リグニン
の分解と、リグニンから解離された繊維質の水素発酵を
遅退なく進行させるために、リグニン分解槽を減圧条件
とし、原料スラリー液を減圧発酵することにより、液相
中の水素の平衡濃度を低下せしめるとともに気相部の水
素分圧を強制的に低減せしめることができ、前記の障害
を解消でき、そうすることが好ましい。The hydrogen produced as a result of the biological reaction is
Not only the reaction is an absorption ergon reaction, but when it is accumulated above the concentration in the liquid in the tank and in the gas phase of the tank, it becomes a biological poison, and hydrogen, which is one of the main objects of the present invention, is hydrogen. The fermentation itself will stop. Therefore, in order to proceed the decomposition of lignin and the hydrogen fermentation of fibrous material dissociated from lignin without delay, the lignin decomposition tank is under reduced pressure conditions, and the raw material slurry liquid is subjected to reduced pressure fermentation to obtain hydrogen in the liquid phase. It is preferable that the equilibrium concentration can be lowered and the hydrogen partial pressure in the gas phase part can be forcibly reduced, and the above-mentioned obstacle can be eliminated.
【0011】また、本発明では、水素発酵を順調に進行
させる他の方法として、水素発酵で発生する発生ガスを
ガス分離膜を通過させることにより、水素を強制的に生
物反応系外に取出すことができ、前記の問題を解決する
とともに、分離濃縮された水素ガスはクリーンエネルギ
ーとして多目的に使用することができるので好ましい。
リグニンの生分解に関しては、木質系物質の有効利用、
或いは処理処分を目的として古くから多くの研究者によ
る優れた研究があり、現時点でも、リグニン分解微生
物、その酵素系及び分解モデル(代謝モデル)が発表さ
れているが、明確な結論は出されていない。Further, in the present invention, as another method for smoothly proceeding hydrogen fermentation, hydrogen generated by hydrogen fermentation is forced to be taken out of the biological reaction system by passing it through a gas separation membrane. Therefore, the above-mentioned problems can be solved, and the separated and concentrated hydrogen gas can be used as a clean energy for various purposes, which is preferable.
Regarding the biodegradation of lignin, effective use of wood-based substances,
Alternatively, there have been excellent researches by many researchers for the purpose of treatment / disposal for a long time, and lignin-degrading microorganisms, their enzyme systems and degradation models (metabolic models) have been published at this time, but no clear conclusions have been reached. Absent.
【0012】これまでの先駆者の研究によれば、リグニ
ンを比較的よく分解するのは、担子菌に属する白色腐朽
菌であり、最近、担子菌ファネロカエテ クリソスポリ
ウム(Phanerochaete chrysosporium)のリグニン分解の
機構が比較的よく調べられている。これに関与する酵素
はパーオキシダーゼ、フェノールオキシダーゼであるこ
とが確認されているが、いずれにしても最高の分解率能
力を持つ白色腐朽菌でさえもリグニンを分解するには数
十日を必要とし、実用的時間範囲での分解は望むべくも
ない。According to the research of the pioneers so far, it is a white rot fungus belonging to Basidiomycetes that decomposes lignin relatively well, and recently, the lignin decomposition of Phanerochaete chrysosporium was carried out. The mechanism is relatively well investigated. It has been confirmed that the enzymes involved in this are peroxidase and phenol oxidase, but in any case, even white-rot fungi with the highest decomposition rate require tens of days to decompose lignin. , Decomposition in a practical time range is not desirable.
【0013】リグニンの生分解は2次代謝であり、セル
ロース、グルコースなどの炭水化物と酸素の共存が必要
であり、窒素の存在が飢餓状態の時に分解が進むといわ
れる。担子菌以外にもキシラリヤ(Xylaria),フザリウ
ム(Fusarium) ,カエトミウム(Chaetomium) などの真
菌類や放線菌、ストレプトマイセス(Streptomyces),
ノカルデア(Nocardia) ,シュードモナス(Pseudomona
s),バチルス(Bacillus) などの細菌類にもリグニンを
部分的に分解するものが在るといわれるが、その分解機
構については解明されていない。Biodegradation of lignin is a secondary metabolism, requires the coexistence of oxygen with carbohydrates such as cellulose and glucose, and it is said that the degradation proceeds when nitrogen is present in a starved state. In addition to basidiomycetes, fungi such as Xylaria, Fusarium, and Chaetomium, actinomycetes, Streptomyces,
Nocardia, Pseudomona
It is said that some bacteria such as s) and Bacillus partially decompose lignin, but its decomposition mechanism has not been clarified.
【0014】これに対して、白蟻類は、その種属を問わ
ず木質系物質を食してリグニンを確実に分解することが
確認されており、分解したリグニンは白蟻の炭素源とし
て資化されるものと考えられている。現段階において、
リグニンを分解しているのは、白蟻腸管系微生物のうち
原生動物であるのか、或いは細菌類、糸状菌が分解して
いるのかは確認されていないが、これら共生微生物の混
合培養系は確実、かつ高速にリグニンを分解している
(リグニン分解酵素も未解明で、分解精製されていな
い)。On the other hand, it has been confirmed that regardless of the species, termites eat woody substances to surely decompose lignin, and the decomposed lignin is assimilated as a carbon source for termites. Is believed to be. At this stage,
It is not confirmed whether lignin is decomposed by protozoa among the termite intestinal tract microorganisms, or whether bacteria or filamentous fungi are decomposed, but a mixed culture system of these symbiotic microorganisms is sure, And it decomposes lignin at high speed (the lignin-degrading enzyme has not been elucidated and has not been decomposed and purified).
【0015】ここで注目すべきは、白蟻腸管系微生物混
合培養系のリグニン分解速度と分解率が担子菌などに比
して格段に優れていることであり、白蟻腸管系でのリグ
ニンの滞留時間(消化時間)が最長でも24時間程度で
あるにもかかわらず、それぞれの白蟻のリグニン分解率
は次の通りであることが、多くの研究者によって確認さ
れている。 各種白蟻のリグニン分解率 カロターメス フラビコリス(Kalotermes flavicolli
s) 1.7〜35.6% ヘテロターメス インデコラ(Heterotermes indicola)
14.5〜40.5% レティクリターメス サントネンシス(Reticulitermes
santonensis)70〜80.3% ナスチターメス エフラタエ(Nasutitermes ephratae)
42.5〜51.5%What should be noted here is that the lignin decomposition rate and the decomposition rate of the termite intestinal microbial mixed culture system are far superior to those of basidiomycetes, and the retention time of lignin in the termite intestinal system is remarkable. It has been confirmed by many researchers that the lignin decomposition rate of each termite is as follows, although the (digestion time) is about 24 hours at the longest. Lignin Degradation Rate of Various Termites Carotermes flavicolli
s) 1.7 to 35.6% Heterotermes indicola
14.5-50.5% Reticulitermes
santonensis) 70-80.3% Nasutitermes ephratae
42.5-51.5%
【0016】本発明は、この現実における白蟻腸管系微
生物の絶妙にして優れたリグニンと炭水化物の分解機能
に注目し、木質系有機性廃棄物に白蟻腸管系微生物の相
利共生の生態系をリグニン分解槽という体外の循環内で
C1 、Cx セルラーゼの供給下で再現することにより前
記物質を効率的かつ高速に分解し、同時に水素というク
リーンなエネルギーに生物変換し、利用することを最大
の特徴としている。The present invention focuses on the exquisite and excellent lignin and carbohydrate degrading function of termite intestinal microorganisms in this reality, and lignin the ecological system of mutual interest of termite intestinal microorganisms to woody organic waste. By reproducing under the supply of C 1 and C x cellulase in the circulation outside the body called a decomposition tank, the above substances can be decomposed efficiently and at high speed, and at the same time, bioconversion into clean energy called hydrogen for utilization It has a feature.
【0017】さらに、リグニン分解槽において、木質系
有機性廃棄物が酵素ラッカーゼの作用により水溶化さ
れ、液体中に溶脱したリグニンは炭水化物などの有機炭
素化合物との共存により部分的に水素、多糖類(グリコ
ーゲンを含めて)、ベンゼン核、フェノール核を持った
各種の誘導体にまで低分子化されるものと考えられる。
リグニンの分解は、これまでの研究では酸化分解機構に
より低分子化されるとの報告が多いが、白蟻腸管系によ
るリグニン分解は当然嫌気的分解機構に支配されると判
断される。Furthermore, in the lignin decomposing tank, the woody organic waste is solubilized by the action of the enzyme laccase, and the lignin leached in the liquid is partially hydrogenated and polysaccharides due to the coexistence with organic carbon compounds such as carbohydrates. It is thought that it is possible to lower the molecular weight of various derivatives (including glycogen), benzene nuclei, and phenol nuclei.
In the previous studies, it has been reported that the degradation of lignin is reduced to a low molecular weight by the oxidative degradation mechanism, but it is judged that the lignin degradation by the termite intestinal system is naturally controlled by the anaerobic degradation mechanism.
【0018】現時点において、リグニンの嫌気的分解に
関する研究報告は皆無といってもよく、従って、厳密に
はリグニン分解槽において、白蟻腸管系微生物によるリ
グニン分解の生成物に関しては推定の域をでない。本発
明においては、この木質系有機性廃棄物の分解生成物を
次の主要な工程であるセルロース糖化槽に移行し、前工
程において部分的に水素に転換した残余の有機化合物を
対象として、これに微生物生産C1 、Cx セルラーゼ及
び/又は市販の複合セルラーゼ、さらに必要に応じて白
蟻腸管系微生物の集積培養液を添加或いは注入し、各種
有用物質の発酵基礎物質である単糖類、主としてグルコ
ースにまで分解・低分子化する。At present, there may be no research report on anaerobic decomposition of lignin, and thus, strictly speaking, the products of lignin decomposition by termite intestinal tract microorganisms in the lignin decomposition tank cannot be estimated. In the present invention, the decomposition product of this wood-based organic waste is transferred to the cellulose saccharification tank, which is the next main step, and the residual organic compound partially converted to hydrogen in the previous step is used as a target. Microorganism-producing C 1 , C x cellulase and / or commercially available complex cellulase, and if necessary, an added culture solution of an intestinal tract microorganism of the termite is added or injected, and a monosaccharide, which is a fermentation basic substance of various useful substances, mainly glucose. Decomposes into low molecular weight.
【0019】[0019]
【作用】次に本発明の作用効果について説明する。本発
明の革新的な新規の生物学的再資源化プロセスにより、
従来、全く付加価値の高い物質に変換することが出来な
かったリグニンを含む所謂廃セルロースを、部分的にク
リーンエネルギーである水素に転換できるだけでなく、
さらに単糖類にまで分解することが可能となった。従っ
て、本発明は、トータルプロセスとして極めて有効な有
機性廃棄物の再資源化法であり、かつマクロ的には自然
の生態系による抵抗のない物質循環システムの構築に著
しく貢献するだけでなく、世界的なエネルギー問題にも
貢献する生物学的な有機性廃棄物の再資源化法である。Next, the function and effect of the present invention will be described. With the innovative new biological recycling process of the present invention,
Conventionally, so-called waste cellulose containing lignin, which could not be converted to a substance with high added value at all, can be partially converted to hydrogen which is clean energy,
Furthermore, it has become possible to decompose it into monosaccharides. Therefore, the present invention is a very effective method for recycling organic waste as a total process, and not only significantly contributes to the construction of a material circulation system that is macroscopically resistant to natural ecosystems, It is a method of recycling biological organic waste that also contributes to global energy problems.
【0020】イエシロアリ、ヤマトシロアリなどの所謂
下等白蟻類は、腸管系でも特に後腸部分(Hindgut)に白
蟻特有の、また種属特有の各種の原生動物類と細菌類が
生息し、前記したように、白蟻、原生動物、細菌が相互
に相利共生の関係を構築している。白蟻は、その食性と
して、通常は、リグニン、セルロース、炭水化物等によ
って構成されている天然の、及び/又は加工された木質
系物質を食源とし、これらを同化及び/又は資化して生
活エネルギーと増殖エネルギーを獲得している。白蟻が
食した木質系物質、主としてリグニン、セルロース、ヘ
ミセルロースなどは、後腸で共生している原生動物と細
菌の単独及び/又は共働作用によって、主として低分子
化された糖類、低級脂肪酸及び水素ガス、炭酸ガスにま
で分解されるという。The so-called lower termites such as house termites and mountain termites inhabit the intestinal system, especially in the hindgut, where various protozoans and bacteria peculiar to termites and species are inhabited. As such, termites, protozoa, and bacteria build mutual mutual symbiotic relationships. As a food habit, termites normally use natural and / or processed woody substances composed of lignin, cellulose, carbohydrates, etc. as food sources, and assimilate and / or assimilate these substances into living energy. Has gained proliferative energy. Woody substances eaten by termites, mainly lignin, cellulose, hemicellulose, etc., are mainly low-molecular-weight sugars, lower fatty acids and hydrogen, which are mainly and / or synergistically produced by the bacteria and / or synergies of the protozoa coexisting in the hindgut It is said to be decomposed into gas and carbon dioxide.
【0021】白蟻腸管系微生物に関しては、現段階にお
いて共生系としての絶妙な機能については可成り解明さ
れているが、個々の微生物に関しては種属的に同定され
ているものは極めて少なく、木質系物質の構成要素であ
るリグニン、セルロース類の分解における個々の役割に
ついては未解明の点が多く残されている。現在、生理
学、生化学、酵素学の面から研究が進められているの
で、白蟻による木質系物質の分解代謝の機構が解明され
る日もそれほど遠い将来のことではないと考えられる。Regarding the termite intestinal microorganisms, the exquisite function as a symbiotic system has been elucidated at this stage, but very few individual microorganisms have been genus-identified. Many unexplained points remain regarding the individual roles of lignin and cellulose, which are the constituent elements of substances, in the decomposition. Since research is currently underway from the aspects of physiology, biochemistry, and enzymology, it is thought that the day when the mechanism of decomposition and metabolism of woody substances by termites is elucidated will not be so far in the future.
【0022】また、現時点において、下等白蟻に寄生し
ている微生物類で、リグニン、セルロースなどを分解
し、さらに水素を生産するであろうと推定されている微
生物のうち主たるものは次の通りであるが、研究者によ
り可成の相違があり、研究が未完であることを証明して
いる。但し、この事実は学術的なものであり、本発明で
は白蟻の腸管系微生物をそのまま用いて、白蟻のもつリ
グニン分解システムをそのまま再現するため、本発明を
実施するための障害とはならない。At present, among the microorganisms parasitizing lower termites, the main ones which are presumed to decompose lignin, cellulose, etc. and further produce hydrogen are as follows. However, there is a difference between researchers, and it proves that the research is not completed. However, this fact is scholarly, and in the present invention, since the intestinal tract microorganisms of termites are used as they are to reproduce the lignin degrading system of termites as they are, they are not an obstacle to the practice of the present invention.
【0023】原生動物類 主として、リグニン、セルロースを分解し、水素を生産
することに関与していると考えられている。 テラトニムファ(Teratonympha) トリコニムファ(Trichonympha) フィゾニムファ(Pysonympha) ハロマスチゴトイデス(Holomastigotoides) ジネニムファ(Dinenympha) シュードトリコニムファ(Pseudotrichonympha) スピロトリコニムファ(Spirotrichonympha)Protozoa It is thought that they are mainly involved in decomposing lignin and cellulose to produce hydrogen. Terratonympha Trichonympha Prichonympha Pysonympha Holomastigotoides Dinenympha Pseudotrichonympha Spirotrichonympha
【0024】細菌類 水素生産菌 エンテロバクター(Enterobacter) クロストリジウム(Clostridium) セルロース分解菌 クロストリジウム(Clostridium) アクロモバクター(Achromobacter) アルスロバクター(Arthrobacter) セルラチア(Serratia)Bacteria Hydrogen producing bacteria Enterobacter Clostridium Cellulolytic bacteria Clostridium Achromobacter Ahrobacter Arthrobacter Serratia
【0025】その他の細菌類 サイトロバクター(Citrobacter) バチルス(Bacillus) エスシエリチア(Escherichia) ストレプトコッカス(Streptococcus) シュードモナス(Pseudomonas) スタフィロコッカス(Stapylococcus)Other Bacteria Cytrobacter Bacillus Escherichia Streptococcus Pseudomonas Stapylococcus
【0026】また、白蟻腸管系微生物の混合培養系によ
る総括的な機能により、木質系物質からリグニンが分解
及び/又は溶脱されたセルロースを基質として水素が生
産される生物反応式を示すと次の通りである。 原生動物による水素生産 (C6 H10O5 )n →C6 H12O6 →CO2 +H2 +C
H3 COOH 細菌類による水素生産 (C6 H10O5 )n →C6 H12O6→CO2 +H2 +C
H3 (CH2 )2 COOH クロストリジウム(Clostridium)属による水素生産 (C6 H10O5 )n →4C6 H12O6→2CH3 COO
H+3CH3 (CH2 )2 COOH+8H2 +8CO2 The bioreaction formula for producing hydrogen by using cellulose obtained by decomposing and / or leaching lignin from a woody substance as a substrate by the overall function of the mixed culture system of termite intestinal microorganisms is shown below. On the street. Hydrogen production by protozoa (C 6 H 10 O 5 ) n → C 6 H 12 O 6 → CO 2 + H 2 + C
H 3 COOH Hydrogen production by bacteria (C 6 H 10 O 5 ) n → C 6 H 12 O 6 → CO 2 + H 2 + C
H 3 (CH 2 ) 2 COOH Hydrogen production by the genus Clostridium (C 6 H 10 O 5 ) n → 4C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 COO
H + 3CH 3 (CH 2 ) 2 COOH + 8H 2 + 8CO 2
【0027】[0027]
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
るが、本発明はこれらに限定されない。 実施例1 図1に本発明の生物学的処理方法の全体工程図を示す。
まず、図1にしたがって集積培養工程について説明す
る。図1において、白蟻腸管系微生物5を集積培養する
に必要なセルラーゼ生産菌(微生物生産C1 、Cx セル
ラーゼ)1を選択し、特定の培養液により増量培養す
る。EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited thereto. Example 1 FIG. 1 shows an overall process diagram of the biological treatment method of the present invention.
First, the enrichment culture step will be described with reference to FIG. In FIG. 1, cellulase-producing bacteria (microorganism-producing C 1 and C x cellulase) 1 required for integrated culture of termite intestinal microorganisms 5 are selected and subjected to volumetric culture with a specific culture solution.
【0028】強力なセルラーゼを生産する菌として、通
常、好気性の糸状菌であるトリコデルマ・ビリデイー
(Trichoderma viride) 、及び/又はトリコデルマ・リ
ーゼイ(Trichoderma reesei)を選択することが望まし
いが、本発明ではこれに限定されることなく、強力なセ
ルラーゼを生産する菌であれば、そのいずれをも使用す
ることができる。但し、選択された菌は、セルラーゼと
して、少なくともCx セルラーゼ(CMC=カルボキシ
メチルセルラーゼ)を生産する能力のあることが必須条
件である。[0028] Usually, it is desirable to select Trichoderma viride and / or Trichoderma reesei, which are aerobic filamentous fungi, as a bacterium that produces a strong cellulase, but in the present invention, it is preferable. Without being limited to this, any bacterium that produces a strong cellulase can be used. However, bacteria that have been selected as cellulase, it is capable of producing at least C x cellulase (CMC = carboxymethyl cellulase) is a prerequisite.
【0029】この酵素は、C1 セルラーゼによって結晶
性を破壊された非結晶性セルロース断片に作用してセロ
ビオーズ、セロトリオース等のセロオリゴ糖の状態に、
まず分解する機能を有する。さらに、セルラーゼ生産菌
を選択する不可欠の条件として、選択した菌が生産する
セルラーゼがCx セルラーゼだけでなく、少なくとも結
晶性セルロースに作用して、その結晶性を破壊するC1
セルラーゼをも同時に生産する菌であることが必要であ
る。This enzyme acts on a non-crystalline cellulose fragment whose crystallinity has been destroyed by C 1 cellulase to give a cellooligosaccharide such as cellobiose or cellotriose.
First, it has the function of disassembling. Furthermore, C 1 to as an essential condition for selecting the cellulase producing strain, cellulases bacteria selected to produce not only C x cellulase acts on at least cellulose, destroying its crystalline
It must be a bacterium that also produces cellulase.
【0030】本発明では、セルラーゼ生産菌1としてト
リコデルマ・ビリデイ−ATCC8678(Trichoderm
a viride ATCC8678 =Trichoderma lignorum NRRL1762)
を選択し、ATCC培地336 POTATO DEX
TROSE培地に市販のセルロース粉末を30g/l
(寒天は除外する)加えたものを液体培地とし、培養温
度25℃、培養期間を3〜5日に設定し、緩慢な曝気を
行いながら増量培養した。次に、白蟻、特にリグニンの
分解力に優れているイエシロアリ(腸管系に原生動物と
細菌が共生している下等白蟻を約200匹を滅菌した生
理食塩水で数回洗浄したのちに、これを完全に磨り潰
し、白蟻腸管系微生物群集5を白蟻体外に取り出す。In the present invention, the cellulase-producing bacterium 1 is Trichoderma viridii-ATCC 8678 (Trichoderm).
a viride ATCC8678 = Trichoderma lignorum NRRL1762)
, ATCC medium 336 POTATO DEX
30 g / l of commercially available cellulose powder in TROSE medium
(Excluding agar) The added medium was used as a liquid medium, the culture temperature was set to 25 ° C., the culture period was set to 3 to 5 days, and the culture was expanded to perform slow aeration. Next, the termites, especially the termites that have excellent lignin degrading power (about 200 lower termites in which the intestinal system is symbiotic with protozoa and bacteria are washed with sterilized saline solution several times, Are thoroughly ground and the termite intestinal tract microbial community 5 is taken out of the termite body.
【0031】通常、下等白蟻の腸管系には各種の原生動
物類と細菌類が相利共生の関係を維持しつつ生息してお
り、これらの混合培養系は白蟻自身からも特定の酵素
(主としてCx セルラーゼ)と生育、増殖に必要な微量
元素の供給を受けながら白蟻と微生物類が二重に相利共
生しており、天然リグニン、天然セルロース及び炭水化
物などを有機炭素源としてこれらを分解、資化し、代謝
生産物として糖類(グリコーゲンなど)低級脂肪酸類
(酪酸、酢酸など)を生成すると同時に水素ガス、メタ
ンガス及び炭酸ガスを生産することが知られている。前
記方法で処理した白蟻腸管系微生物群集5を絶対嫌気性
の条件に維持した集積培養槽6に投入し、集積培養槽に
は表1に示した特定の培養液7を張り込む。Usually, various protozoa and bacteria inhabit the intestinal tract system of lower termites while maintaining a mutualistic relationship, and in these mixed culture systems, specific enzymes ( Mainly C x cellulase) and the supply of trace elements required for growth and proliferation, termites and microorganisms doubly symbiotic with each other, and decompose them using natural lignin, natural cellulose and carbohydrates as organic carbon sources. It is known that assimilates and produces saccharides (such as glycogen) and lower fatty acids (such as butyric acid and acetic acid) as metabolic products, and simultaneously produces hydrogen gas, methane gas and carbon dioxide gas. The termite intestinal tract microbial community 5 treated by the above method is put into an integrated culture tank 6 maintained under absolutely anaerobic conditions, and the specific culture solution 7 shown in Table 1 is put into the integrated culture tank.
【0032】[0032]
【表1】 [Table 1]
【0033】さらに、前記した混合培養槽で培養したセ
ルラーゼ生産菌1の混合培養液(微生物生産Cx セルラ
ーゼ・・・・通常、C1 も同時に生産される)を菌体を
含んだまま注入管3を通じて集積培養槽6の容積当たり
1/1000〜1/10000添加するか或いは市販の
セルラーゼ(複合セルラーゼ)2を投入管4によって集
積培養槽6に対して添加濃度が1000〜2000mg
/lとなるように添加し、5日間、30℃の回分培養を
行い、白蟻腸管系微生物群集5を集積培養する。この培
養において、微生物生産Cx セルラーゼと市販のCx の
添加は、そのいずれか一方か或いは両方を併用してもよ
い。Further, a mixed culture solution of cellulase-producing bacterium 1 cultivated in the above-mentioned mixed culture tank (microbe-produced C x cellulase ... Normally C 1 is also produced) is injected into the injection tube while containing the cells. 1 to 1000 to 1/10000 per volume of the integrated culture tank 6 through 3 or a commercially available cellulase (composite cellulase) 2 is added to the integrated culture tank 6 through the input pipe 4 at an addition concentration of 1000 to 2000 mg.
1 / l, and batch culture is performed at 30 ° C. for 5 days to accumulate the termite intestinal tract microbial community 5. In this culture, the microorganism-produced C x cellulase and the commercially available C x may be added either alone or in combination.
【0034】次に、本発明の中枢部分である有機性廃棄
物の生物学的リグニン分解とセルロースの分解及びリグ
ニン分解工程における水素発酵について、図1にしたが
って説明する。本発明の対象となる有機性廃棄物には種
々のものが考えられるが、本説明では樹木種として一般
的な杉を想定し、杉を製材する過程で発生する鋸屑中に
含まれるリグニン、セルロースの分解について説明す
る。まず、杉鋸屑(以後、鋸屑と略記する)10をスラ
リー槽11に投入する。鋸屑10は既に粗粉砕された状
態にあるので、これに外部から希釈水として水道水12
を加え、鋸屑の全固形物濃度が4%程度となるように濃
度調整する。Next, biological lignin decomposition of an organic waste, which is a central part of the present invention, decomposition of cellulose, and hydrogen fermentation in a lignin decomposition step will be described with reference to FIG. Although various kinds of organic wastes to be the subject of the present invention are conceivable, in the present description, it is assumed that general cedar is used as a tree species, and lignin and cellulose contained in sawdust generated in the process of lumbering cedar are used. The decomposition of will be described. First, cedar sawdust (hereinafter abbreviated as sawdust) 10 is put into a slurry tank 11. Since the sawdust 10 has already been roughly crushed, tap water 12 is used as dilution water from the outside.
Is added, and the concentration is adjusted so that the total solid matter concentration of sawdust is about 4%.
【0035】このスラリー状の鋸屑を嫌気的条件に維持
されているリグニン分解槽13に連続的及び/又は間歇
的に導入する。一方、このリグニン分解槽13には、上
記の表1に示した白蟻腸管系微生物群集の培養液14
を、スラリー状鋸屑に対して5%となるように連続的及
び/又は間歇的に注入(実施例では50ml/リットル
スラリー状鋸屑・日)し、さらに集積培養槽6で濃厚
に培養された白蟻腸管系微生物群集培養液を注入管8を
経由して連続的及び/又は間歇的に約10ml/リット
ル 槽容積・日の供給速度で注入する。This slurry-like sawdust is continuously and / or intermittently introduced into the lignin decomposition tank 13 maintained under anaerobic conditions. On the other hand, in the lignin decomposing tank 13, the culture solution 14 of the termite intestinal tract microbial community shown in Table 1 above is used.
Was continuously and / or intermittently injected so as to be 5% with respect to the slurry-like sawdust (50 ml / liter slurry-like sawdust / day in the example), and was further cultivated in concentrated culture tank 6 The intestinal microbial community culture solution is continuously and / or intermittently injected via the injection tube 8 at a supply rate of about 10 ml / liter tank volume / day.
【0036】リグニン分解槽13の有効容積は通常スラ
リー鋸屑の滞留時間が5日程度となるように設定するこ
とが望ましく、従って、この容積に対するスラリー鋸屑
の槽13への供給速度は1リットル/日となる。スラリ
ー鋸屑10、白蟻腸管系微生物の集積培養液及び培養液
14はリグニン分解槽13において発酵温度23〜26
℃の温度条件下で緩慢に攪拌しながら嫌気性発酵を行な
うと、鋸屑の主要成分であるリグニン、セルロース、ヘ
ミセルロースなどは白蟻腸管系微生物である各種の原生
動物及び細菌類の共働作用によりリグニンは低分子の化
合物に分解されると同時に部分的に水素に転換し、リグ
ニンにより強固に保護されていたセルロースはこの束縛
から開放されて部分的に水素に変換される。It is desirable that the effective volume of the lignin decomposition tank 13 is usually set so that the residence time of the slurry sawdust is about 5 days. Therefore, the supply rate of the slurry sawdust to the tank 13 for this volume is 1 liter / day. Becomes The slurry sawdust 10, the accumulated culture liquid of the termite intestinal tract microorganisms and the culture liquid 14 are fermented at a fermentation temperature of 23 to 26 in the lignin decomposition tank 13.
When anaerobic fermentation was carried out under a temperature of ℃ under slow stirring, the major components of sawdust, such as lignin, cellulose and hemicellulose, were lignined by the synergistic action of various protozoa and bacteria that are termite intestinal microorganisms. Is decomposed into low-molecular compounds and at the same time partially converted to hydrogen, and the cellulose strongly protected by lignin is released from this constraint and partially converted to hydrogen.
【0037】前記したように、鋸屑の主成分であるリグ
ニン、セルロースはそれぞれ部分的に水素まで分解され
るために、リグニン分解槽13内の発酵液及び気相部に
は水素ガスが充満し、液相中の水素の平衡濃度が高ま
り、気相中の水素分圧が上昇する。水素は、本来的に生
物毒作用を持っており、液相中の濃度がある限度以上に
なるとリグニン分解槽13での水素生産菌の増殖、活動
が阻害され、水素発酵が停止する。さらに、特定の微生
物による水素生成反応は、即ち、リグニン、セルロース
分解の生物反応は吸エルゴン反応であり、標準自由エネ
ルギーが正の値となるように、この反応は正の方向に進
みにくい。As described above, since lignin and cellulose, which are the main components of sawdust, are partially decomposed to hydrogen, the fermentation liquid and the gas phase portion in the lignin decomposition tank 13 are filled with hydrogen gas, The equilibrium concentration of hydrogen in the liquid phase increases and the hydrogen partial pressure in the gas phase increases. Hydrogen inherently has a biotoxic effect, and when the concentration in the liquid phase exceeds a certain limit, the growth and activity of hydrogen-producing bacteria in the lignin decomposing tank 13 are inhibited, and hydrogen fermentation is stopped. Further, the hydrogen-producing reaction by a specific microorganism, that is, the biological reaction of lignin and cellulose decomposition is the absorption ergon reaction, and this reaction is difficult to proceed in the positive direction so that the standard free energy has a positive value.
【0038】従って、この条件のまま水素発酵を継続す
ると、前記したように、混合培養系に共棲している他栄
養細菌類及び自栄養細菌類による生物学的な継起反応が
誘起されて発エルゴン反応となる傾向が強く、水素発酵
本来の目的が喪失する結果となる。この宿命的な欠陥を
解消するためには、リグニン分解槽の液相、気相に濃厚
に蓄積された水素を何らかの手段、方法で反応系外にス
トリップする必要があるが、本発明ではリグニン分解槽
13を減圧条件下で運転することにより及び/又は発生
ガスをガス分離膜を通過させ、水素ガスを反応系外に取
り去ることによりこの問題を解決している。Therefore, if hydrogen fermentation is continued under these conditions, as described above, a biological succession reaction is induced by the allotrophic bacteria and autotrophic bacteria coexisting in the mixed culture system, and the ergon is generated. The reaction tends to be strong, resulting in the loss of the original purpose of hydrogen fermentation. In order to eliminate this fatal defect, it is necessary to strip hydrogen accumulated in the liquid phase or gas phase of the lignin decomposition tank outside the reaction system by any means or method. This problem is solved by operating the tank 13 under a reduced pressure condition and / or by passing the generated gas through the gas separation membrane and removing the hydrogen gas out of the reaction system.
【0039】即ち、まず最初の手段としてリグニン分解
槽を常法の減圧発酵法により減圧発酵することを要件と
しており、この手段によりリグニン分解槽の減圧度を通
常−300〜4000mmAqの範囲となるように配慮
し、かつ維持することにより水素発酵は正の方向に順調
に進行する。次の手段としては、リグニン分解槽13か
ら発生するガスをガス分解膜17に導き、ブロワーによ
り減圧条件で吸引することにより強制的に水素16と濃
縮炭酸ガス18とに分離し、水素ガス16はクリーンエ
ネルギーとしてユースポイントに移送し、エネルギー物
質として利用し、濃縮炭酸ガス18は別途に移送して廃
棄するか或いは有価な物質を生産するための基礎物質と
して有効利用する。That is, as a first means, it is required that the lignin decomposing tank is fermented under reduced pressure by a conventional vacuum decomposing method. By this means, the decompression degree of the lignin decomposing tank is usually in the range of -300 to 4000 mmAq. By considering and maintaining the above, hydrogen fermentation proceeds smoothly in the positive direction. As the next means, the gas generated from the lignin decomposition tank 13 is guided to the gas decomposition film 17 and is forcibly separated into hydrogen 16 and concentrated carbon dioxide gas 18 by suction under a reduced pressure condition by a blower, and the hydrogen gas 16 is It is transferred to a use point as clean energy and used as an energy substance, and the concentrated carbon dioxide gas 18 is separately transferred and discarded, or is effectively used as a basic substance for producing a valuable substance.
【0040】水素ガスはガス分子としては粒径が極めて
小さく、他のガスとの混合ガスから水素をほぼ99%の
高純度で容易に分離することが出来るので、例えば石油
精製工業、化学工業などの生産工程で既に実用化されて
いる。本発明のように、鋸屑10の水素発酵の発生ガス
が水素ガスと炭酸ガスの混合ガスであるような事例で
は、ガス分離膜による水素の分離は比較的容易であり、
通常、5kg/cm2 〜以下の圧力で99%の高純度の
水素ガスとして分離することが出来る。市販の分離膜と
しては、素材として幾つかの種類のものが販売されてい
るが、本発明の実施例では水素を最も選択的に、かつ効
果的に分離できる芳香族ポリイミドを素材とするガス分
離膜を使用した。Hydrogen gas has a very small particle size as a gas molecule, and hydrogen can be easily separated from a mixed gas with other gases with a high purity of about 99%. Therefore, for example, petroleum refining industry, chemical industry, etc. Has already been put to practical use in the production process. In the case where the generated gas of hydrogen fermentation of the sawdust 10 is a mixed gas of hydrogen gas and carbon dioxide gas as in the present invention, hydrogen separation by the gas separation membrane is relatively easy,
Usually, 99% high purity hydrogen gas can be separated at a pressure of 5 kg / cm 2 or less. As commercially available separation membranes, several kinds of materials are sold as materials, but in the examples of the present invention, gas separation using aromatic polyimide as a material capable of separating hydrogen most selectively and effectively. A membrane was used.
【0041】次に、リグニン分解槽13で部分的にリグ
ニンとセルロースを分解されたスラリー状の鋸屑10は
セルロース糖化槽19に導入され、微生物学的に及び/
又は酵素学的に単糖類にまで分解され、各種の有用物質
の発酵基礎物質としての単糖類22として利用される。
リグニン分解槽13で処理されたスラリー状鋸屑10に
は小量ながら未分解のリグニン、その他の高分子物質が
残留している可能性があるので、これらをさらに高度に
分解し、単糖類の収率を上げるために、セルロース分解
槽19には集積培養槽6で培養されC1 、Cx セルラー
ゼを濃厚に含む白蟻腸管系微生物群集培養液を、大体の
目安としてセルロース糖化槽19の容積あたり1/50
0〜1/1000程度を注入管9を経由して注入する。Next, the sawdust 10 in the form of slurry in which the lignin and the cellulose have been partially decomposed in the lignin decomposition tank 13 is introduced into the cellulose saccharification tank 19, and microbiologically and / or
Alternatively, it is enzymatically decomposed into monosaccharides and used as monosaccharides 22 as fermentation basic substances for various useful substances.
Since a small amount of undecomposed lignin and other polymer substances may remain in the slurry sawdust 10 treated in the lignin decomposing tank 13, these are further highly decomposed to collect monosaccharides. In order to increase the rate, the cellulosic saccharification tank 19 contains approximately 1 to 1 of the termite intestinal tract microbial community culture liquid that is cultivated in the integrated culture tank 6 and contains C 1 and C x cellulase in a concentrated manner in the cellulose decomposition tank 19. / 50
About 0 to 1/1000 is injected through the injection pipe 9.
【0042】さらに、セルロース糖化槽19において、
高効率的にセルロースを単糖類にまで低分子化するため
に、例えば、強力なC1 、Cx セルロースを生産する好
気性糸状菌であるトリコデルマ(Trichoderma)類の混合
培養液1をセルロース糖化槽19の容積当たり約1/2
50〜1/500程度を注入し、必要に応じて市販の複
合セルラーゼ2を槽19に流入するスラリー状鋸屑10
の固形物当たり3〜5%添加する。Further, in the cellulose saccharification tank 19,
In order to efficiently reduce the molecular weight of cellulose into monosaccharides, for example, a mixed culture solution 1 of Trichoderma which is an aerobic filamentous fungus that produces strong C 1 and C x cellulose is added to a cellulose saccharification tank. About 1/2 per volume of 19
About 50 to 1/500 is poured, and a commercially available composite cellulase 2 is flown into the tank 19 as required.
3 to 5% is added to each solid.
【0043】セルロース糖化槽19内での反応は酵素学
的な反応だけでなく、絶対嫌気性の範疇に属する原生動
物類、細菌類の生物反応も平行して行なわれるので絶対
嫌気性槽として設計されており、当然ながら分解された
鋸屑と微生物類、酵素との接触を良くするために常時攪
拌を行ない、セルロースの分解により発生する、主とし
て炭酸ガス21はガス排出管20を経由して外部に放散
される。なお、セルロース糖化槽19で行なわれる反応
の主役はC1 、Cx セルラーゼであるため、反応温度は
30℃以上、反応pHは5.0〜6.0の酸性側に設定
することが望ましい。The reaction in the cellulose saccharification tank 19 is designed as an absolute anaerobic tank because not only enzymatic reactions but also biological reactions of protozoa and bacteria belonging to the category of absolutely anaerobic are carried out in parallel. As a matter of course, in order to improve the contact between the decomposed sawdust and the microorganisms and enzymes, stirring is always performed, and the carbon dioxide gas 21 generated mainly by the decomposition of cellulose is discharged to the outside through the gas discharge pipe 20. Dissipated. Since C 1 and C x cellulase play a major role in the reaction carried out in the cellulose saccharification tank 19, it is desirable to set the reaction temperature to 30 ° C. or higher and the reaction pH to the acidic side of 5.0 to 6.0.
【0044】実施例2 処理対象としての農産廃棄物、林産廃棄物、即ち有機性
廃棄物として製材所から発生する鋸屑を選択した。実験
に供した鋸屑は、針葉樹の杉材を製材するときの鋸屑を
天日乾燥したものであり、実験期間中は変質しないよう
に3〜5℃の冷暗室に保存した。リグニン分解槽に注入
する原料は、前記の保存鋸屑を必要に応じて取出し、水
道水を加えて固形物濃度が40g/リットル(4%)と
なるように調整し、実験装置への投入原料とした。表2
に、供試したスラリー状鋸屑の化学的組成(10サンプ
ルの平均値)を示す。Example 2 Sawdust generated from a sawmill was selected as an agricultural waste or a forest waste to be treated, that is, an organic waste. The sawdust used in the experiment was obtained by sun-drying the sawdust used to make a cedar lumber of a conifer, and was stored in a cool dark room at 3 to 5 ° C so as not to deteriorate during the experiment. As a raw material to be injected into the lignin decomposition tank, the above-mentioned stored sawdust is taken out if necessary, and tap water is added to adjust the solid concentration to 40 g / liter (4%). did. Table 2
The chemical composition (average value of 10 samples) of the slurry sawdust tested is shown in FIG.
【0045】[0045]
【表2】 *1 化学的組成の分析法 リグニン JIS法 リグニン化学(基礎と応用);中野準三編、ユコ広報
(株)出版部(昭和54年) その他の化学的組成の分析法 木材化学(上)
の方法に準拠した。 木材化学(上);右田、米沢、近藤編、共立出版
(株)、昭和44年[Table 2] * 1 Chemical composition analysis method Lignin JIS method Lignin chemistry (basics and applications); Junzo Nakano, Yuko Kogyo Co., Ltd. Publishing Department (1979) Other chemical composition analysis methods Wood chemistry (above)
According to the method of. Wood Chemistry (above); Ueda, Yonezawa, Kondo, Kyoritsu Shuppan Co., Ltd., 1969
【0046】化学組成の分析法は、表2の欄外に示した
ように、文献、に記載されている方法に準拠して行
なった。スラリー状鋸屑に含まれるリグニンとセルロー
ス分解の検証実験において、まず、リグニン分解槽の容
積は、実際の水張り容積(有効容積)が5リットルの円
筒型発酵槽を、対照用と本発明方法用の2基を製作し、
次に示す表3の条件で発酵実験を行なった。The chemical composition analysis was carried out according to the method described in the literature, as shown in the margins of Table 2. In the verification experiment of lignin contained in slurry sawdust and cellulose decomposition, first, the volume of the lignin decomposition tank was a cylindrical fermenter with an actual water filling volume (effective volume) of 5 liters, for comparison and for the method of the present invention. I made two,
Fermentation experiments were conducted under the conditions shown in Table 3 below.
【0047】[0047]
【表3】 [Table 3]
【0048】本実験におけるセルラーゼ生産菌の菌株及
び培養基、培養条件、白蟻腸管系微生物群集の集積培養
法(培養基、培養条件)は、実施例1に記載した方法、
手法に準じて行なった。次いで、リグニン分解槽の次の
工程であるセルロース糖化工程に用いた実験装置及び実
験条件を記載すると次の表4の通りである。The cellulase-producing strains and culture medium, culture conditions, and accumulation culture method (culture medium, culture conditions) of the termite intestinal microbial community in this experiment were the same as those described in Example 1.
It carried out according to the method. Next, the experimental apparatus and experimental conditions used in the cellulose saccharification step, which is the next step of the lignin decomposition tank, are shown in Table 4 below.
【0049】[0049]
【表4】 [Table 4]
【0050】セルロース糖化槽に添加した市販セルラー
ゼとしては、明治製菓製の複合酵素メイセラーゼを使用
した。この複合酵素はトリコデルマ ビリデイ(Tricho
derma viride) 変異株から生産された商品であり、次に
示すように強力なC1 、Cx セルラーゼを合わせ持って
いる。 *ろ紙崩壊活性 6,800Units/mg *アビセラーゼ活性(C1 ) 6,000U/mg *Cx セルラーゼ活性 200U/mg 測定条件 反応時間 30分 pH 5.0 作用温度 50℃As the commercial cellulase added to the cellulose saccharification tank, the complex enzyme macerase manufactured by Meiji Seika was used. This complex enzyme is the Trichoderma viridi (Tricho
derma viride) mutant strain, and has strong C 1 and C x cellulases together as shown below. * Filter paper disintegration activity 6,800 Units / mg * Avicelase activity (C 1 ) 6,000 U / mg * C x cellulase activity 200 U / mg Measurement conditions Reaction time 30 minutes pH 5.0 Action temperature 50 ° C
【0051】この市販の複合酵素は、前記の酵素以外に
も強力なβ−グルコシダーゼ(セロビアーゼ)活性、キ
シラナーゼ活性及びペクチナーゼ活性を保有しており、
本発明の遂行には極めて好都合な酵素である。リグニン
分解槽は、前記したとおり有効容積が5リットルで規模
が小さいために、常法の減圧発酵のシステムを実験装置
に組み込むには可成の困難が伴い、もし組み込んだにし
ても実験値の変動幅が大きく、実験結果の正確、妥当な
評価に支障を来すことになる。This commercially available complex enzyme possesses strong β-glucosidase (cellobiase) activity, xylanase activity and pectinase activity in addition to the above-mentioned enzymes,
It is a very convenient enzyme for carrying out the present invention. As mentioned above, since the lignin decomposition tank has a small effective volume of 5 liters, it is difficult to incorporate the conventional vacuum fermentation system into the experimental apparatus. The fluctuation range is large, which hinders accurate and appropriate evaluation of experimental results.
【0052】それで、2基のリグニン分解槽は、真空ポ
ンプにより全槽が実質的に−1,500mmAqとなる
ように自動的に減圧制御し、減圧発酵を行なった。リグ
ニン分解槽、セルロース分解槽流出液は、それぞれ遠心
分離器を用いて3,000G、10分間で浮遊物質を強
制的に分離除去し、化学組成分析の試料に供した。以上
の実験装置、実験条件における検証実験は、運転が定常
状態に達してから5ヵ月間継続し、その中間過程での1
ヵ月間の処理成績(平均値)を表5に示した。Then, the two lignin decomposing tanks were automatically vacuum-controlled by a vacuum pump so that the total tanks would be substantially -1,500 mmAq, and vacuum fermentation was carried out. The lignin decomposition tank and the cellulose decomposition tank effluent were subjected to forced separation and removal of suspended solids at 3,000 G for 10 minutes using a centrifuge, and then used as samples for chemical composition analysis. The verification test under the above experimental equipment and conditions continued for 5 months after the operation reached a steady state, and
Table 5 shows the treatment results (average value) for one month.
【0053】[0053]
【表5】 (註)分解有機物当りのガス発生量 *水素ガス 126ml/g−分解有機物 *炭酸ガス 52ml/g−分解有機物[Table 5] (Note) Amount of gas generated per decomposed organic matter * Hydrogen gas 126 ml / g-Decomposed organic matter * Carbon dioxide gas 52 ml / g-Decomposed organic matter
【0054】リグニン分解槽及びセルロース糖化槽にお
ける実験結果を要約すると次の通りである。 リグニン分解槽における実験結果 (1)リグニン分解槽にスラリー状に調整した杉製材鋸
屑を投入し、これに下水汚泥のメタン発酵消化汚泥を種
汚泥として接種して嫌気性発酵しても、リグニン、セル
ロースの実質的な分解は全く進行せず、僅かにメタンガ
ス(20〜35ml/g−供給有機物)と炭酸ガス(2
0〜25ml/g−供給有機物)の発生が認められた
が、鋸屑は視覚的には全く変化がなく、粒状の形態も崩
壊することはなかった。得られた実験結果は、特に記載
するほどの効果が認められなかったので省略した。The experimental results in the lignin decomposition tank and the cellulose saccharification tank are summarized as follows. Experimental results in lignin decomposing tank (1) Even if anaerobic fermentation is performed by injecting cedar lumber sawdust adjusted to a slurry state into the lignin decomposing tank and inoculating this with methane fermentation digestion sludge of sewage sludge as seed sludge, lignin, Substantial decomposition of cellulose did not proceed at all, and methane gas (20-35 ml / g-feed organic matter) and carbon dioxide gas (2
(0 to 25 ml / g-feed organic matter) was observed, but the sawdust did not change visually at all, and the granular morphology did not disintegrate. The experimental results obtained were omitted because they were not particularly effective.
【0055】(2)この対照の発酵実験に対して、スラ
リー状杉鋸屑に集積培養した白蟻腸管系微生物群集の混
合培養液を注入した本発明方法では、鋸屑の形状は完全
に崩壊し、リグニン特有の褐色の色も褪色した。この検
証実験におけるリグニンの分解率は約75%にも達し、
白蟻腸管系微生物群集として相互に相利共生の関係を構
築している原生動物類と細菌類は、明らかにリグニンを
有機炭素源として資化し、生活エネルギーと増殖エネル
ギーを獲得していることが証明された。また、リグニン
と同時にセルロースも30%程度、ヘミセルロースは約
50%程度分解されることが確認された。(2) In the fermentation experiment of this control, in the method of the present invention in which the mixed culture solution of the termite intestinal tract microbial community that has been accumulated and cultured in the slurry-like cedar sawdust is injected, the shape of the sawdust is completely destroyed, and the lignin The unique brown color also faded. The decomposition rate of lignin in this verification experiment reached about 75%,
Protozoa and bacteria, which have mutually mutualistic relationships as a termite intestinal microbial community, clearly proved that they utilize lignin as an organic carbon source to acquire living energy and proliferative energy. Was done. It was also confirmed that cellulose was decomposed by about 30% and hemicellulose was decomposed by about 50% simultaneously with lignin.
【0056】(3)リグニン分解槽で減圧度−1,50
0mmAqの減圧発酵を行なうことにより、この槽で部
分的に分解されたリグニン類、セルロース類はクリーン
エネルギーとしての水素に生物変換されることが実証さ
れた。水素ガスの発生率は約130ml/g−分解有機
物、炭酸ガスの発生率は約50ml/g−分解有機物で
あり、本発明方法は地球の温暖化の解消に著しく貢献す
る地球に優しい処理技術であることが確認された。(3) Decompression degree of 1,50 in lignin decomposition tank
It was demonstrated that lignins and celluloses partially decomposed in this tank were bioconverted to hydrogen as clean energy by performing a 0 mmAq vacuum fermentation. The generation rate of hydrogen gas is about 130 ml / g-decomposed organic matter, and the generation rate of carbon dioxide gas is about 50 ml / g-decomposed organic matter. The method of the present invention is an earth-friendly treatment technology that significantly contributes to the elimination of global warming. It was confirmed that there is.
【0057】セルロース糖化槽における実験結果 (1)リグニン分解槽流出液に、微生物生産C1 、Cx
セルロースを濃厚に含む好気性糸状菌の濃厚培養液と、
市販の複合セルロース酵素を添加した対照実験では、単
糖類の存在は殆ど認められず、ガス発生も炭酸ガスが微
量発生するだけであり、得られたデータは評価できるも
のではなく、従って、実験データとして提示しなかっ
た。その理由は、対照実験ではリグニン分解槽において
実質的にリグニンの分解が行なわれないので、セルロー
ス類は依然としてリグニンにより強固に保護されてお
り、微生物類及びセルロース酵素類が緻密にセルロー
ス、ヘミセルロースと接触することができなかったこと
によるものと推定される。Experimental Results in Cellulose Saccharification Tank (1) In the lignin decomposition tank effluent, microorganism production C 1 , C x
Concentrated culture liquid of aerobic filamentous fungus containing cellulose in a concentrated manner,
In a control experiment in which a commercially available complex cellulose enzyme was added, the presence of monosaccharides was scarcely recognized, and only a slight amount of carbon dioxide gas was generated, and the obtained data was not valuable. Did not present as. The reason is that in the control experiment, lignin is not substantially decomposed in the lignin decomposition tank, so that the celluloses are still strongly protected by the lignin, and the microorganisms and the cellulose enzymes are closely contacted with the cellulose and hemicellulose. It is presumed that it was not possible to do so.
【0058】(2)これに対して、集積培養した白蟻腸
管系微生物群集の混合培養液、微生物生産酵素、さらに
市販の酵素を添加した本発明方法の検証実験では、リグ
ニン、セルロース類の可成りの量が単糖類に変換され、
グルコース換算で12.5g/リットル・日に達した。
これに、リグニン、セルロース、ヘミセルロース総量に
対して約57%であり、評価に値する単糖類への転換率
である。(2) On the other hand, in the verification experiment of the method of the present invention in which the mixed culture solution of the termite intestinal tract microbial community that had been accumulated and cultured, the microorganism-producing enzyme, and the commercially available enzyme were added, lignin and celluloses were found to be substantially Is converted to monosaccharides,
It reached 12.5 g / liter / day in terms of glucose.
In addition, it is about 57% with respect to the total amount of lignin, cellulose, and hemicellulose, which is a conversion rate to a monosaccharide which is worthy of evaluation.
【0059】[0059]
【発明の効果】本発明は、詳述したように、従来技術と
は全く異なる視点思想からの発想による革新的な発明で
あり、次のような作用効果を奏する。 (1)農産廃棄物、畜産廃棄物など、特にリグニン類、
セルロース類を多量に含む有機性廃棄物に、白蟻腸管系
微生物群集の集積培養液を加え、さらに減圧発酵を行な
うことにより、これまで微生物学的に分解が困難であっ
たリグニン類を実用化を可能とする経済的なコストで約
75%分解することができるだけでなく、セルロース類
も可成の高効率で分解することが出来る。本発明の確立
により、過去より現時点に至るまでの長時間、あらゆる
手段、方法を講じても有効利用が出来なかった農産廃棄
物、林産廃棄物中の所謂廃セルロースを有価な資源とし
て再資源化することが可能となり、これらのリサイクリ
ングによる資源の節減効果は極めて大である。As described in detail, the present invention is an innovative invention based on an idea that is completely different from that of the prior art, and has the following operational effects. (1) Agricultural waste, livestock waste, etc., especially lignins,
Practical application of lignins, which had been difficult to decompose microbiologically until now, by adding an accumulated culture solution of termite intestinal microbial community to organic waste containing a large amount of celluloses and further performing vacuum fermentation. Not only can it be decomposed by about 75% at a possible economical cost, but also celluloses can be decomposed with a considerable and high efficiency. With the establishment of the present invention, so-called waste cellulose in agricultural waste and forest waste that could not be effectively used even after taking all means and methods for a long time from the past to the present time is recycled as a valuable resource. The resource saving effect of these recyclings is extremely large.
【0060】(2)本発明方法により、リグニンの分解
だけでなく、白蟻腸管系微生物のATP生産に関与する
水素伝達系において生成された過剰の水素をクリーンエ
ネルギーとして取り出すことにより地球温暖化の解消に
著しく貢献することが出来る。 (3)リグニンとリグニンの束縛から解離されたセルロ
ース類は、次のセルロース糖化工程において、白蟻腸管
系微生物群集、微生物生産C1 、CX セルラーゼ及び市
販の複合セルラーゼ酵素の作用により、有用な物質を製
造するための発酵基礎物質である単糖類を高効率で生産
することができ、この分野の長年の願いであった経済的
レベルでのセルロースの糖化が可能となった。この事実
は、本発明方法が世界的な食料危機、食料の枯渇を解決
する有力な手段となり得ることを証明するものである。(2) According to the method of the present invention, not only the decomposition of lignin but also the removal of excess hydrogen produced in the hydrogen transfer system involved in the ATP production of termite intestinal tract microorganisms as clean energy eliminates global warming. Can significantly contribute to (3) Cellulose dissociated from lignin and the lignin constraint is a useful substance due to the action of termite intestinal tract microbial community, microbial production C 1 , C X cellulase and commercially available complex cellulase enzyme in the next cellulose saccharification step. It is possible to highly efficiently produce monosaccharides, which are fermentation basic substances for producing sucrose, and it has become possible to saccharify cellulose at an economical level, which has been a long-standing wish in this field. This fact proves that the method of the present invention can be a powerful means for solving the global food crisis and food depletion.
【図1】本発明の生物学的処理方法の全体工程図。FIG. 1 is an overall process diagram of a biological treatment method of the present invention.
1:セルラーゼ生産菌、2:市販のセルラーゼ、3、
4、8、9:送入管、5:白蟻腸管系微生物群集、6:
集積培養槽、7、14:培養液、10:原料、11:ス
ラリー槽、12:水、13:リグニン分解槽、15:生
成ガス、16:水素、17:ガス分離膜、18、21:
CO2 、19:セルロース糖化槽、22:単糖類1: Cellulase-producing bacterium, 2: Commercial cellulase, 3,
4, 8, 9: Inlet tube, 5: Termite intestinal tract microbial community, 6:
Integrated culture tank, 7, 14: Culture liquid, 10: Raw material, 11: Slurry tank, 12: Water, 13: Lignin decomposition tank, 15: Product gas, 16: Hydrogen, 17: Gas separation membrane, 18, 21:
CO 2 , 19: Cellulose saccharification tank, 22: Monosaccharide
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C12R 1:90) Continuation of front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display area C12R 1:90)
Claims (2)
を水素と低級炭素化合物とに分解するリグニン分解工程
と、次いでセルロース質を単糖類にまで分解するセルロ
ース糖化工程とで生物学的に処理するに際し、前記微生
物として、少なくともCx セルラーゼ存在下で嫌気集積
培養した白蟻の腸管系微生物群集を用いることを特徴と
する木質系廃棄物の生物学的処理方法。1. A biological treatment of woody wastes by a lignin decomposition step of decomposing lignin into hydrogen and lower carbon compounds by a microorganism, and then a cellulose saccharification step of decomposing cellulosic materials into monosaccharides. In this case, a method for biological treatment of woody wastes is characterized by using, as said microorganism, an intestinal microbial community of termites anaerobically cultivated in the presence of C x cellulase.
ース糖化工程においても用いることを特徴とする請求項
1記載の木質系廃棄物の生物学的処理方法。2. The method for biological treatment of woody waste according to claim 1, wherein the intestinal microbial community of termites is also used in the cellulose saccharification step.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19532893A JPH0731465A (en) | 1993-07-13 | 1993-07-13 | Biological treatment method for wood waste |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19532893A JPH0731465A (en) | 1993-07-13 | 1993-07-13 | Biological treatment method for wood waste |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0731465A true JPH0731465A (en) | 1995-02-03 |
Family
ID=16339344
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19532893A Pending JPH0731465A (en) | 1993-07-13 | 1993-07-13 | Biological treatment method for wood waste |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0731465A (en) |
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| WO2011078262A1 (en) * | 2009-12-22 | 2011-06-30 | 株式会社豊田中央研究所 | Xylose isomerase and use thereof |
| CN117625387A (en) * | 2023-12-04 | 2024-03-01 | 哈尔滨工业大学 | Three-phase conveyor type straw particle enzymatic hydrolysis multi-stage fermentation hydrogen production device and its fermentation hydrogen production method |
-
1993
- 1993-07-13 JP JP19532893A patent/JPH0731465A/en active Pending
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| CN117625387B (en) * | 2023-12-04 | 2024-10-01 | 哈尔滨工业大学 | Three-phase transmission type straw particle enzymatic hydrolysis multi-stage fermentation hydrogen production device and fermentation hydrogen production method |
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