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1 905 日 本 機 械 学 会 論 文 集 (B 編 ) 78 巻 788 号 (2012-4) 原 著 論 文 No.2011-JBR-0845 木 質 系 バイオマス 微 粉 砕 効 率 向 上 のための 歯 車 型 リング 媒 体 利 用 粉 砕 機 の 研 究 開 発 * 高 橋 武 彦 *1, 伊 藤 新 *2, 遠 田 幸 生 *3, 伊 藤 一 志 *1 *4, 小 林 淳 一 Research and Development of the Vibration Mill Using Cog-Ring Mediums for Improvement in Efficiency of Lignocellulosic Biomass Pulverization Takehiko TAKAHASHI *1, Arata ITO, Yukio ENDA, Kazushi ITO and Junichi KOBAYASHI *1 Akita Prefectural University Department of Machine Intelligence and Systems Engineering 84-4 Tsuchiya-Ebinokuchi, YuriHonjo, Akita, Japan In our previous research, a vibration mill using cog-disk mediums, which replaces the ball medium with a cog-disk medium in conventional vibration mill, was developed to achieve high-impact pulverizing in order to attain effective pretreatment of lignocellulosic biomass for producing the bio-ethanol. In this study, a vibration mill using cog-ring mediums, which improves pulverization efficiency and mill volume, was developed in order to make suitable woody powder for enzymatic saccharification. To clarify pulverization efficiency, shapes and size in grinding medium was addressed in pulverization of Japanese cedar wood. And also enzymatic hydrolysis of pulverization powder was carried out. As the results, cog-ring mediums showed effective pulverization at 800g batch milling. The average particle diameter was reduced from 55μm to 20μm in 20mintues. And the crystallinity index was reduced form 44% to 13% in 30minitues. Then saccaharification efficiency of holocellulose was reached over 70% at pulverizing time of 60min. This pulverization expanded the amount pulverizing volume forth to make high saccharification capability powder comparing with the existing vibration mill using cog-disk mediums. Key Words : Pulverization, Lignocellulosic Biomass Pretreatment, Biomass Energy, Renewable Energy, Bio-Ethanol 1. 緒 言 近 年, 環 境 問 題 への 対 応 によりバイオマス 由 来 のエネルギーが 注 目 を 集 めている (1).すでに 全 世 界 では, 年 間 4600 万 k リットルのバイオエタノールが 生 産 されており, 我 が 国 においても,2008 年 3 月 にバイオ 燃 料 技 術 革 新 協 議 会 で 策 定 された バイオ 燃 料 技 術 革 新 計 画 (2) において,2015 年 までにエタノール 生 産 コストを,プラント 規 模 10 万 ~20 万 k リットル/ 年 をターゲットとして 経 済 的 かつ 必 要 量 を 安 定 的 に 生 産 できるバイオマス 原 料 を 利 用 すること を 前 提 に, 製 造 コスト 100 円 /リットルとする 目 標 を 設 定 している.またその 先 では,ガソリンおよび 輸 入 エタノールと 価 格 競 争 可 能 な 製 造 コスト 40 円 /リットルまでの 低 コスト 化 も 目 標 となっている. 現 在, 原 料 を 規 格 外 小 麦, 多 収 穫 米 とした 1.5 万 k リットル/ 年 規 模 のプラントを 用 いた 実 証 試 験 が 北 海 道 内 の 2 か 所 で 行 われている (3). 一 方, 国 内 に 豊 富 に 存 在 する 森 林 資 源, 稲 わらなどのセルロース 系 バイオマスも 有 望 なバイ オエタノールの 原 料 である.これらを 活 用 する 10~100k リットル/ 年 規 模 の 実 証 試 験 も 秋 田 県 内 の 2 か 所 で 行 われてい る (4). 森 林 資 源 の 木 質 系 バイオマスを 原 料 としてバイオエタノール 製 造 を 行 う 場 合, 構 成 成 分 であるセルロース,ヘ ミセルロースを 硫 酸 あるいは 酵 素 により 加 水 分 解 し, 酵 母 でエタノール 発 酵 させた 後, 蒸 留 脱 水 を 経 て 燃 料 用 * *1 *2 *3 *4 原 稿 受 付 2011 年 10 月 3 日 正 員, 秋 田 県 立 大 学 システム 科 学 技 術 学 部 ( 秋 田 県 由 利 本 荘 市 土 谷 字 海 老 ノ 口 84-4) 秋 田 県 立 大 学 システム 科 学 技 術 学 部 秋 田 県 産 業 技 術 センター 正 員,フェロー, 秋 田 県 立 大 学 takehiko_takahashi@akita-pu.ac.jp 199

2 906 エタノールを 得 る.しかし, 木 質 系 バイオマス( 杉 に 代 表 される 針 葉 樹 )は,セルロース 39~41%,ヘミセルロ ース 23~31%,リグニン 25~36%の 組 成 であり,これらが 繊 維 状 に 複 雑 に 絡 み 合 い,なおかつリグニンがセルロ ースを 強 固 に 取 り 囲 む 構 造 となっている. 酵 素 加 水 分 解 ( 酵 素 糖 化 )の 場 合,このリグニンの 強 固 な 構 造 が 阻 害 要 因 となっている. このような 木 質 系 バイオマスの 強 固 な 構 造 に 対 しては, 衝 撃 力 を 付 加 する 機 械 的 粉 砕 である 振 動 ボールミルが 有 効 と 報 告 されている (5).この 場 合, 高 い 酵 素 糖 化 率 を 得 るためには 被 粉 砕 物 100g~200g をバッチ 式 で 8 時 間 程 度 粉 砕 する 必 要 が 有 り, 粉 砕 量 の 増 加 およびバッチ 容 量 の 増 加 により 酵 素 糖 化 率 が 低 下 することが 確 認 されて いる.バイオマスのエネルギー 利 用 のためには, 前 処 理 におけるエネルギーを 削 減 することが 重 要 なポイントと なるため, 粉 砕 効 率 を 向 上 させるべく, 粉 砕 媒 体 に 複 数 のロッドを 用 いて 高 衝 撃 を 加 えた 粉 砕 を 行 う 振 動 ロッド ミルによる 検 討 (6), 遠 心 力 を 利 用 して 媒 体 ボールを 飛 ばし 被 粉 砕 物 に 高 衝 撃 を 加 えて 粉 砕 を 行 うエネルギー 集 中 (7) ミルによる 検 討 なども 継 続 的 に 行 われているが,エネルギー 利 用 を 可 能 にする 高 い 酵 素 糖 化 性 と 粉 砕 量 を 満 足 する 結 果 は 得 られていない.また, 木 質 系 バイオマスの 前 処 理 用 ではないものの, 高 衝 撃 を 付 加 するミルとして, ロータに 取 り 付 けた 粉 砕 媒 体 を 8000rpm 以 上 に 高 速 回 転 させて 被 粉 砕 物 を 粉 砕 する IR mill (8) や, 表 面 に 歯 状 のス ロットを 有 する 円 盤 を 回 転 させて 被 粉 砕 物 を 粉 砕 する Pan mill (9) などがある.IR mill では,ガラス 屑 1.5 kgを 20 分 で 微 粉 末 化 できるが, 木 質 系 バイオマス 粉 砕 への 適 用 は 未 知 である.また,Pan mill では,ポリマー 利 用 のた めのセルロースを 粉 砕 し,セルロースの 結 晶 性 を 65%から 20%まで 低 下 させているが,40 回 程 度 の 繰 り 返 し 粉 砕 が 必 要 であり,エネルギー 利 用 には 粉 砕 効 率 の 検 討 が 必 要 と 考 えられる. 本 研 究 グループでは, 木 材 の 細 胞 壁 に 高 衝 撃 力 を 加 えてこれを 微 粉 砕 することで,リグニンの 阻 害 を 低 減 でき る 新 原 理 の 歯 車 型 粉 砕 媒 体 利 用 粉 砕 機 を 開 発 した (10). 歯 車 型 粉 砕 媒 体 利 用 粉 砕 機 は, 歯 車 型 粉 砕 媒 体 が 外 部 か らの 円 運 動 加 振 により 粉 砕 容 器 内 で 公 転 運 動 することを 特 徴 とした 粉 砕 機 である. 粉 砕 媒 体 が 自 転 しながら 公 転 することで 回 転 の 運 動 エネルギーを 蓄 積 し 持 続 的 に 公 転 運 動 を 行 い, 粉 砕 容 器 と 歯 車 型 粉 砕 媒 体 の 接 触 面 で 被 粉 砕 物 を 粉 砕 する.この 挙 動 により, 振 動 ボールミルや 振 動 ロッドミルにおける 粉 砕 媒 体 間 の 相 互 の 衝 突 による 粉 砕 に 比 べて, 粉 砕 媒 体 の 粉 砕 挙 動 の 継 続 と 粉 砕 力 の 集 中 に 優 れる 粉 砕 機 である.このバッチ 式 粉 砕 機 を 用 いて 杉 材 200g を 60 分 粉 砕 処 理 した 試 験 では, 酵 素 糖 化 率 70%となる 微 粉 末 が 得 られ, 振 動 ボールミルで 杉 材 100g を 5 時 間 粉 砕 した 結 果 と 同 等 の 酵 素 糖 化 率 となった (10). 以 上 より, 構 想 糖 化 性 を 高 めるセルロース 系 バイオマスの 前 処 理 が 可 能 であることを 確 認 している. 本 研 究 では,これまでに 報 告 している 歯 車 型 粉 砕 媒 体 利 用 粉 砕 機 (10) と 同 じ 原 理 を 用 いて, 粉 砕 容 量 の 拡 大 の ポイントとなる 設 計 パラメータを 検 討 するため, 粉 砕 容 器 径 に 対 して 歯 車 型 粉 砕 媒 体 が 適 切 は 粉 砕 挙 動 を 示 す 外 径 について, 粉 砕 容 器 内 径 を 拡 大 して 検 討 を 行 った. 粉 砕 容 器 の 内 径 を 従 来 のφ142mm からφ284mm に 拡 大 し, 一 度 のバッチ 粉 砕 で 粉 砕 できる 量 を 従 来 の 200g から 800g とし,ディスク 形 状 の 粉 砕 媒 体 とリング 形 状 の 粉 砕 媒 体 において 粉 砕 特 性 を 調 査 した.その 結 果, 歯 車 型 リング 粉 砕 媒 体 利 用 した 粉 砕 機 (インナーパワーリングミル) において, 杉 材 800g を 60 分 粉 砕 処 理 することで, 酵 素 糖 化 率 71%となる 粉 末 が 得 られ, 従 来 の 200g を 粉 砕 で きる 小 容 量 タイプと 同 等 の 性 能 が 粉 砕 容 器 径 を 大 きくした 場 合 も 得 られることを 確 認 した.この 粉 砕 媒 体 の 検 討 結 果, 微 粉 砕 した 杉 材 微 粉 末 の 性 状,および 酵 素 糖 化 の 結 果 について 述 べる. 2. インナーパワーリングミル 2 1 インナーパワーリングミルの 概 略 インナーパワーリングミルは, 微 粉 砕 に 必 要 な 衝 撃 力 を 増 すため 粉 砕 媒 体 そのものが 遠 心 力 を 持 ち 粉 砕 を 行 う 方 式 として 考 案 したものである. 図 1(a)に 開 発 したインナーパワーリングミルの 外 観 を, 図 1(b)にその 鳥 瞰 図 を 示 す.インナーパワーリングミルは, 振 動 ベッド, 振 動 ベッドを 支 持 する 4 本 のスプリング, 粉 砕 容 器, 粉 砕 容 器 内 の 粉 砕 媒 体, 振 動 ベッドに 加 振 力 を 与 えるための 3.7kW の 回 転 機 2 機 およびその 軸 に 取 り 付 けられた アンバランス 質 量 で 構 成 されている. 粉 砕 容 器 は, 内 径 φ284mm,その 奥 行 き 226mm となっており, 周 囲 に 冷 却 用 の 水 冷 ジャケットを 取 り 付 けている. 粉 砕 中 は,この 水 冷 ジャケットに 水 を 循 環 させて, 粉 砕 時 に 生 じる 熱 を 除 去 している. 粉 砕 における 振 動 ベッドの 動 きは, 円 運 動 である.これは, 回 転 機 の 回 転 がユニバーサルジョイントを 介 して 振 動 ベッドに 取 り 付 けられたアンバランス 質 量 を 回 転 させ,アンバランス 質 量 の 回 転 によって 生 じる 遠 200

3 木質系バイオマス微粉砕効率向上のための歯車型リング媒体利用粉砕機の研究開発 907 (a) Front view (b) Bird s-eye view Fig.1 Appearance of the vibration mill developed in this study, called inner power ring mill. (a) Disk type grinding medium (b) Ring type grinding medium (inner power ring) Fig.2 Cog-grinding mediums installed in the mill chamber of the vibration mill. 心力が振動ベッドを支持しているスプリングに作用し振動が発生する仕組みとなっている 本研究における振動 ベッドの円運動の半径は 4mm であり 全振幅 8mm の粉砕挙動となっている 図２に粉砕容器内に装着した粉砕媒体を示す 本研究では 図２ a に示す歯車型ディスク粉砕媒体と図２ b に示す歯車型リング粉砕媒体 インナーパワーリング について検討を行った 図３に粉砕媒体を粉砕容器内に 装着した際の概念図と 歯車型ディスク粉砕媒体とインナーパワーリングの寸法を示す 粉砕容器内に装着する 粉砕媒体は 粉砕容器の軸方向に重ねて配置し その重ねた厚さは 210mm となっている 粉砕容器の奥行きは 226mm で 封入する蓋 2 枚に 5mm 段差を設けているため 封入時の奥行きは 216mm なる この 216mm に対し て粉砕媒体が 210mm を占めるため 軸方向の総クリアランスは 6mm となっている 粉砕媒体はいずれも炭素鋼 S45C で製作しており 寸法は 歯車型ディスク粉砕媒体が外径φ220mm であり インナーパワーリングが外径 φ252mm 内径φ198mm である いずれも周囲に高さ 2mm の歯車状の突起を加工している この歯車型ディス ク粉砕媒体とインナーパワーリングの 1 枚あたりの厚さは mm であり 粉砕容器には それぞれ 20 枚 10 枚を装着する 粉砕試験に用いた粉砕媒体の寸法は 歯車型粉砕媒体利用粉砕機 １０ における粉砕媒体と粉砕容器の寸法割合 と相関させて決定した それぞれの寸法と割合を表１に示す 歯車型ディスク粉砕媒体は 歯車型粉砕媒体利用 粉砕機における粉砕媒体と粉砕容器内径の比 1.29 を保ってスケールアップしたものである インナーパワーリン グは 粉砕媒体と粉砕容器内径の直径差 周方向クリアランス 32mm を保ってスケールアップし 中央に穴を あけるリング形状とすることで その質量を調整したものとなっている また 粉砕媒体の質量が増加しているため 粉砕媒体と粉砕容器の接触により 粉砕容器内壁の損傷が予測さ れた そのため 両者に焼き入れを施しその表面硬さを Hv550 程度に強化している 201

4 908 Fig.3 Schema of the cog-grinding mediums installed in the mill chamber of the vibration mill. Table 1 Dimensions of grinding medium and shape correlation with cog-disk medium. Ratio between Difference Inner Outer Inner Weight of mill chamber between mill Thickness diameter of diameter diameter a medium and medium chamber and [mm] mill chamber [mm] [mm] [kg] in outer medium [mm] diameter [mm] Cog-disk medium (10) Disk type grinding medium Ring type grinding medium (Inner Power Ring) 2 2 粉 砕 挙 動 図 4にインナーパワーリングミルを 例 とした 場 合 の 粉 砕 挙 動 の 概 念 図 を 示 す.インナーパワーリングは 粉 砕 容 器 の 円 運 動 により, 粉 砕 容 器 内 で 比 粉 砕 物 を 粉 砕 する. 粉 砕 容 器 の 円 運 動 により,インナーパワーリングが 円 筒 容 器 の 壁 面 に 沿 って 自 由 に 転 がる 構 造 となる.このとき 粉 砕 容 器 の 円 運 動 により, 十 分 な 遠 心 力 がインナーパワ ーリングに 作 用 すれば, 粉 砕 容 器 の 円 運 動 と 同 期 した 転 がり 運 動 となる.この 粉 砕 容 器 の 円 運 動 と 同 期 した 転 が り 運 動 により,インナーパワーリングはリング 中 心 を 軸 とした 自 転 と 粉 砕 容 器 の 中 心 を 軸 とした 公 転 を 行 う.こ の 公 転 による 遠 心 力 は, 次 式 で 示 される. 2 F = mrω (1) ここで, m はインナーパワーリング 1 枚 の 質 量, r はインナーパワーリングの 公 転 半 径,ω はインナーパワーリ ングの 公 転 における 角 加 速 度 ( 粉 砕 容 器 の 円 運 動 の 角 速 度 )である.この 遠 心 力 が 粉 砕 容 器 の 壁 面 上 で 被 粉 砕 粉 202

5 909 末 に 対 して 粉 砕 力 として 作 用 する.このとき, 粉 砕 媒 体 の 加 速 度 は rω 2 で 表 される.インナーパワーリングは, 公 転 半 径 が 16mm であり, 角 速 度 を 157rad/s( 振 動 数 1500cpm)とすると,394m/s 2 の 加 速 度 を 持 っている. 振 動 ボールミルでは, 粉 砕 媒 体 であるボールが 粉 砕 容 器 の 動 きに 併 せて 粉 砕 挙 動 を 示 すと 考 えられ,(1) 式 の 半 径 が 粉 砕 容 器 の 円 運 動 の 半 径 となる. 本 粉 砕 機 で 振 動 ボールミルを 行 った 場 合 の 円 運 動 の 半 径 は 4mm であり, 角 速 度 157rad/s における 加 速 度 は 98m/s 2 となる. したがって,4 倍 以 上 の 加 速 度 で 粉 砕 を 行 えるインナーパワーリングミルでは, 振 動 ボールミルと 比 べてその 粉 砕 効 率 を 4 倍 程 度 に 高 められるものと 考 える. Fig. 4 Schematic illustration of the basic motion for pulverization. 3. 実 験 方 法 3 1 粉 砕 実 験 および 微 粉 砕 粉 末 の 評 価 粉 砕 実 験 に 用 いた 被 粉 砕 粉 末 の 予 備 粉 砕 調 整 方 法, 粉 砕 試 験 中 の 微 粉 砕 粉 末 の 粒 度 分 布 測 定 方 法, 結 晶 化 度 測 定 方 法, 電 子 顕 微 鏡 観 察 方 法 は, 既 報 (10) と 同 様 である.なお, 被 粉 砕 粉 末 には, 杉 材 鋸 屑 を 予 備 粉 砕 調 整 後 ふ るいで 分 級 した 200μm 以 下 の 粉 末 を 使 用 した.また,その 含 水 率 は, 乾 燥 重 量 基 準 で 評 価 する 木 材 の 含 水 率 基 準 で 10%に 調 整 している. 粉 砕 実 験 は, 被 粉 砕 粉 末 をバッチ 式 に 微 粉 砕 するものであり, 振 動 ベッドの 全 振 幅 8mm, 振 動 数 1000,1200, 1500cpm において 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 を 用 いた 実 験 とインナーパワーリングを 用 いた 実 験 により 実 施 した. 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 を 用 いた 実 験 では, 粉 砕 媒 体 厚 さを 10.5,21mm として,1 回 あたりの 粉 砕 量 を 400g と した.インナーパワーリングを 用 いた 実 験 では, 粉 砕 媒 体 厚 さは 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 と 同 様 に 10.5,21mm とし,1 回 あたり 粉 砕 量 を 800g とした.この 粉 砕 量 の 違 いは, 粉 砕 容 器 に 粉 砕 媒 体 を 設 置 した 際 の 空 き 空 間 の 差 によるものである. 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 を 用 いた 場 合 には 図 2(a)に 示 すように 粉 砕 媒 体 の 周 囲 に 被 粉 砕 粉 末 を 充 填 する 形 になるが,インナーパワーリングを 用 いた 場 合 には 図 2(b)に 示 すように 粉 砕 媒 体 の 周 囲 および 中 央 の 穴 部 にも 被 粉 砕 粉 末 を 充 填 できるため 1 回 の 粉 砕 実 験 における 粉 砕 量 を 多 くすることが 可 能 となる. 3 2 糖 変 換 試 験 粉 砕 実 験 中 の 微 粉 砕 粉 末 をサンプリングし, 酵 素 糖 変 換 試 験 を 実 施 した. 酵 素 糖 変 換 試 験 は ph5.0 の 0.02M 酢 酸 バッファー 溶 液 2ml に 対 し 粉 砕 粉 末 2w/v%,セルラーゼ 酵 素 (メイセラーゼ: 明 治 製 菓 製 )0.1wt%( 粉 砕 粉 末 に 対 して 5wt%)を 混 合 し, 糖 変 換 温 度 50, 揺 動 数 150rpm の 条 件 で 行 った. 酵 素 糖 変 換 時 間 は 48hr とした. 糖 変 換 液 の 糖 量 測 定 は,フェリシアン 化 カリウムを 還 元 糖 の 発 色 試 薬 に 用 いるシェールズ 試 薬 法 を 用 いて 行 なっ た.まず,シェールズ 試 薬 を 所 定 のグルコース 濃 度 に 調 整 したグルコース 標 準 液 と 反 応 させたのち, 日 立 製 作 所 製 分 光 光 度 計 U-3000 を 用 いて, 波 長 420nm にて 吸 光 度 を 測 定 し, 校 正 曲 線 となるグルコース 検 量 線 を 作 成 した. その 後, 糖 変 換 試 験 において 採 取 したサンプルを 遠 心 分 離 により 糖 変 換 液 と 固 形 分 に 分 離 し, 糖 変 換 液 をシェー 203

6 910 ルズ 試 薬 と 反 応 可 能 な 濃 度 まで 希 釈 したのちシェールズ 試 薬 と 反 応 させた. 反 応 後 の 糖 変 換 液 の 吸 光 度 を 分 光 光 度 計 で 測 定 してグルコース 検 量 線 を 基 に 糖 濃 度 へ 換 算 することで, 糖 量 に 換 算 した. 4. 実 験 結 果 および 考 察 4 1 粉 砕 粉 末 被 粉 砕 粉 末 400g を 粉 砕 媒 体 厚 さ 10.5mm の 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 を 用 いて, 振 動 数 1500cpm において 微 粉 砕 した 際 の 時 間 経 過 にともなう 粒 度 分 布 の 変 化 を 図 5(a)に 示 す. 同 じく, 被 粉 砕 粉 末 800g を 粉 砕 媒 体 厚 さ 10.5mm のインナーパワーリングを 用 いて, 振 動 数 1500cpm において 微 粉 砕 した 際 の 時 間 経 過 にともなう 粒 度 分 布 の 変 化 を 図 5(b)に 示 す.ここで 縦 軸 の 頻 度 は, 粒 子 の 体 積 基 準 で 測 定 された 粒 子 径 の 存 在 比 率 であり, 測 定 に 用 いた 粉 末 サンプルを 100%としたときの 粒 子 径 ごとの 存 在 比 率 を 示 している. 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 を 用 いた 場 合, 粉 砕 開 始 後 10 分 で 粒 度 分 布 のピークが 50μm 程 度 に 到 達 し,その 後 50 分 までは 粉 砕 時 間 の 経 過 とと もに 小 粒 径 側 にシフトし, 粒 度 分 布 のピークが 30μm 程 度 に 到 達 することがわかる.50 分 以 降, 粒 径 の 減 少 は 確 認 できないが, 凝 集 によるものと 考 えられる 大 粒 径 側 へのピークの 移 動 が 確 認 できる.インナーパワーリングを 用 いた 場 合 も, 粉 砕 開 始 後 から 粒 度 分 布 のピークが 小 粒 径 側 に 移 動 し,20 分 程 度 で 最 小 の 30μm となっている. こちらでも, 粉 砕 時 間 の 増 加 に 伴 い 凝 集 と 考 えられる 大 粒 径 側 へのピークの 移 動 が 確 認 できる. (a) Disk type grinding medium with thickness of 10.5mm (b) Inner power ring with thickness of 10.5mm Fig.5 Particle size distribution of powder during pulverizing with at vibratory rotations of 1500cpm. (a) Disk type grinding medium (b) Inner power ring Fig.6 Relation between the average diameters of powder and pulverizing time by pulverizing. 204

7 911 図 6に 微 粉 砕 粉 末 の 平 均 粒 径 と 粉 砕 時 間 の 関 係 を 示 す.ここで 凡 例 の 粉 砕 条 件 は 左 から 粉 砕 媒 体 直 径, 同 厚 さ, 被 粉 砕 粉 末 量, 粉 砕 振 動 数 としている.また, 比 較 のため, 既 報 における 外 径 110mm の 歯 車 型 粉 砕 媒 体 を 用 い (10) た 場 合 の 結 果 も 併 せて 示 す.いずれの 場 合 においても, 微 粉 砕 粉 末 の 平 均 粒 径 は 20μm 程 度 で 下 げ 止 まりと なっている. 既 報 の 結 果 と 比 較 すると, 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 における 粉 砕 では, 外 径 110mm の 歯 車 型 粉 砕 媒 体 を 用 いた 1200cpm,1500cpm における 粉 砕 と 同 等 の 粉 砕 速 度 で 粒 径 が 低 下 していることが 確 認 できる. 次 に, 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 とインナーパワーリングを 比 較 すると, 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 では, 平 均 粒 径 が 下 げ 止 まるのに 40 分 程 度 を 必 要 とするのに 対 してインナーパワーリングでは, 最 短 20 分 で 20μm 近 くに 到 達 し ている.インナーパワーリングと 既 報 の 結 果 における 平 均 粒 径 の 変 化 を 比 較 すると,インナーパワーリングミル では 外 径 110mm の 歯 車 型 粉 砕 媒 体 を 用 いた 1200cpm,1500cpm における 粉 砕 よりも 速 い 粉 砕 速 度 で 粒 径 が 低 下 していることが 確 認 できる.したがって,インナーパワーリングミルでは, 従 来 の 粉 砕 機 よりも 良 好 な 粉 砕 性 能 を 実 現 できていると 考 える. 加 えて,インナーパワーリングミルでは, 粉 砕 媒 体 と 粉 砕 容 器 のクリアランスを 小 さく 取 り,なおかつ 粉 砕 媒 体 がリング 形 状 であるため,その 空 間 を 利 用 して 充 填 できる 被 粉 砕 粉 末 量 を 多 くで きる.このため, 従 来 の 歯 車 型 粉 砕 媒 体 (10) や 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 に 比 べて, 一 度 に 粉 砕 できる 量 を 多 くす ることが 可 能 である. 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 を 用 いた 微 粉 砕 における 粉 砕 媒 体 厚 さおよび 振 動 数 の 影 響 をみると, 粉 砕 媒 体 厚 さ 10.5mm において 平 均 粒 径 の 減 少 が 速 いことが 確 認 できるが, 振 動 数 による 粉 砕 への 影 響 はみられない.インナ ーパワーリングを 用 いた 微 粉 砕 では, 粉 砕 媒 体 厚 さによる 影 響 はみられず,いずれの 場 合 も 20 分 から 30 分 で 平 均 粒 径 が 20μm に 到 達 している. 振 動 数 による 影 響 では, 粉 砕 媒 体 が 21mm の 場 合, 振 動 数 1200cpm において 微 粉 砕 における 粒 径 の 減 少 が 最 も 速 くなるが, 振 動 数 1000cpm,1500cpm では, 微 粉 砕 における 粒 径 の 減 少 が 遅 く なり,その 相 関 は 確 認 できない.また, 粉 砕 媒 体 厚 さ 10.5mm では,いずれの 振 動 数 でも 同 じ 粉 砕 速 度 となって いる.この 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 とインナーパワーリングの 粉 砕 効 果 の 違 いは, 粉 砕 における 粉 砕 媒 体 の 挙 動 に 関 係 すると 考 える. 本 粉 砕 機 における 粉 砕 力 は 粉 砕 媒 体 の 公 転 による 遠 心 力 に 起 因 するものである. 歯 車 型 デ ィスク 粉 砕 媒 体 は, 既 報 (10) の 歯 車 型 粉 砕 媒 体 利 用 粉 砕 機 における 粉 砕 媒 体 と 粉 砕 容 器 内 径 の 比 1.29 を 保 ち, 表 1に 示 すようにその 外 径 を 220mm としているため 粉 砕 容 器 と 粉 砕 媒 体 の 間 の 周 方 向 クリアランスが 64mm と なっている.このため, 粉 砕 媒 体 が 自 転 で 移 動 する 距 離 が 長 くなり, 粉 砕 機 の 円 運 動 に 同 期 できず, 途 中 で 公 転 運 動 から 外 れ 落 下 する 形 になり, 十 分 な 粉 砕 効 果 が 得 られていないと 考 える.この 効 果 は, 粉 砕 媒 体 の 質 量 と 枚 数 の 違 いでも 明 らかであり, 厚 さ 21mm で 1 枚 当 たりの 質 量 6.2kg の 粉 砕 媒 体 を 10 枚 用 いて 粉 砕 を 行 った 場 合 に 比 べ, 厚 さ 10.5mm で 1 枚 当 たりの 質 量 3.1kg の 粉 砕 媒 体 を 20 枚 用 いて 粉 砕 を 行 った 場 合 の 方 が, 粉 砕 に 寄 与 す る 挙 動 が 得 られ, 粉 砕 効 果 が 高 くなっている.この 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 による 粉 砕 の 改 善 には, 全 振 幅 8mm 以 上 の 加 振 をおこない, 粉 砕 媒 体 の 遠 心 力 を 増 大 させて 公 転 運 動 を 持 続 させる 必 要 がある.しかし, 全 振 幅 8mm の 時 点 で 粉 砕 機 は 重 力 の 10 倍 の 加 速 度 を 受 けており,それ 以 上 の 振 幅 の 増 加 に 対 して 粉 砕 機 そのものが 耐 えられ なくなる.また, 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 の 外 径 を 大 きくすることで, 公 転 運 動 を 持 続 させる 効 果 を 与 えること も 可 能 であるが,その 場 合 粉 砕 媒 体 の 重 量 が 増 加 するため, 粉 砕 容 器, 粉 砕 ベッド, 粉 砕 媒 体 などの 総 重 量 であ る 振 動 重 量 が 増 加 し, 振 動 における 振 幅 の 減 少 が 発 生 すると 考 えられる. 振 幅 の 減 少 に 対 しては,アンバランス 質 量 を 増 加 させて 粉 砕 容 器 に 対 する 加 振 力 を 大 きくすることで, 改 善 を 図 ることが 可 能 であるが,この 場 合 アン バランス 質 量 の 増 加 により 回 転 機 の 消 費 電 力 が 増 加 する.これらの 点 を 踏 まえると, 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 を 用 いた 粉 砕 機 の 大 型 化 は 困 難 であると 考 えられる. 一 方, 既 報 (10) の 歯 車 型 粉 砕 媒 体 利 用 粉 砕 機 における 粉 砕 媒 体 と 粉 砕 容 器 内 径 の 周 方 向 クリアランス 32mm を 保 って 粉 砕 媒 体 の 外 径 を 252mm としたインナーパワーリングでは, 公 転 による 遠 心 力 を 粉 砕 に 寄 与 させること ができており, 歯 車 型 粉 砕 媒 体 利 用 粉 砕 機 における 粉 砕 速 度 と 比 較 しても 十 分 な 粉 砕 効 果 が 得 られている. このときインナーパワーリングが 発 生 させる 遠 心 力 は,インナーパワーリングの 質 量 1.5kg, 公 転 半 径 16mm, 角 速 度 を 157rad/s(1500cpm)とすると,(1) 式 より 591N となる.この 遠 心 力 がインナーパワーリングと 粉 砕 容 器 の 間 で 被 粉 砕 粉 末 の 微 粉 砕 に 寄 与 していると 考 えられる.このときの 接 触 応 力 は,インナーパワーリングが 突 起 のない 状 態 で 粉 砕 容 器 に 接 触 した 状 態 を 仮 定 すると,ヘルツの 接 触 理 論 (11) より 推 定 できる.まず, 円 筒 の 内 円 と 円 柱 の 外 円 が 接 した 場 合 を 考 えると,その 接 触 幅 は,(2) 式 により 与 えられる. 205

8 912 b = 2 8 r1 r2 1 ν π 2 1 F ( r r ) E l (2) ここで,b は 接 触 幅 の 半 分,r 1 は 円 柱 の 半 径,r 2 は 円 筒 の 内 円 の 半 径,l はインナーパワーリング 厚 さ,F は 遠 心 力 による 作 用 荷 重,E は 弾 性 係 数,ν はポアソン 比 である. 次 に, 接 触 面 中 心 に 生 じる 最 大 圧 力 p は,(3) 式 で 与 えられる. 1 r2 r1 p = π r1 r2 F l 2 1 ν 2 E (3) これらの 式 に,インナーパワーリングおよび 粉 砕 容 器 の 寸 法 と, 硬 鋼 のヤング 率 MPa,ポアソン 比 0.3 を 代 入 すると, 接 触 面 の 接 触 幅 は 1.67mm なり, 接 触 中 心 に 生 じる 最 大 圧 力 は 43.0MPa となる. 実 際 にはインナー パワーリングの 周 囲 に 歯 車 上 の 突 起 が 存 在 するため,これ 以 上 の 粉 砕 力 により 杉 材 を 微 粉 砕 するものと 考 える. また, 杉 材 の 機 械 的 性 質 (12) は, 圧 縮 強 度 が 27MPa,せん 断 強 度 が 7.4MPa であり,ここで 発 生 する 粉 砕 力 は, これらの 値 より 十 分 に 大 きなものであることが 確 認 できる. 4 2 酵 素 糖 変 換 試 験 結 果 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 とインナーパワーリングのそれぞれで 微 粉 砕 した 微 粉 砕 粉 末 を 用 いて, 酵 素 糖 変 換 を 行 った 試 験 結 果 を 図 7 に 示 す.また, 比 較 のため, 既 報 における 外 径 110mm の 歯 車 型 粉 砕 媒 体 を 用 いた 場 合 の (10) 結 果 も 併 せて 示 す.ここで 縦 軸 はホロセルロース 糖 化 率, 横 軸 は 粉 砕 時 間 である.このホロセルロース 糖 化 率 は 木 材 の 構 成 成 分 であるセルロースとヘミセルロースに 対 して 加 水 分 解 で 生 成 される 還 元 糖 の 割 合 を 重 量 比 で 示 したものである.また, 本 研 究 で 酵 素 糖 変 換 試 験 に 用 いたメイセラーゼ 酵 素 は,セルロースに 対 する 酵 素 加 水 分 解 の 活 性 が 強 いものであるが,ヘミセルロースに 対 する 加 水 分 解 活 性 も 含 まれている. 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 を 用 いた 微 粉 砕 粉 末 の 酵 素 糖 変 換 結 果 をみると, 粉 砕 時 間 の 増 加 にともない 線 形 的 に ホロセルロース 糖 化 率 が 増 加 している.また,その 増 加 は, 粉 砕 媒 体 の 厚 さによらず, 粉 砕 における 振 動 数 の 増 加 に 応 じて 大 きくなり, 粉 砕 媒 体 厚 さ 10.5mm では 粉 砕 時 間 100 分 において,ホロセルロース 糖 化 率 58%に 到 達 している. 粉 砕 における 振 動 数 が 高 い 場 合 に, 高 いホロセルロース 糖 化 率 が 得 られており, 被 粉 砕 粉 末 が 粉 砕 媒 体 より 粉 砕 力 を 負 荷 される 回 数 が 多 いほど 高 い 糖 化 率 となる 粉 末 が 調 整 できると 考 える.しかし 既 報 の 結 果 と 比 (a) Disk type grinding medium (b) Inner power ring Fig.7 Relation between the saccharification efficiency of holocellulose and pulverizing time. 206

9 913 (a) Disk type grinding medium (b) Inner power ring Fig.8 Scanning electron microscopic image of particles in powder pulverized with 1500cpm at 60min. Fig.9 Diffraction patterns of powder during pulverization using ring type grinding medium at vibratory rotations of 1500cpm. Fig.10 Crystallinity index of powder during pulverization using ring type grinding medium at vibratory rotations of 1500cpm. 較 すると, 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 における 粉 砕 では, 外 径 110mm の 歯 車 型 粉 砕 媒 体 を 用 いた 1500cpm にお ける 微 粉 砕 粉 末 よりも 低 いホロセルロース 糖 化 率 となっている.このため, 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 による 粉 砕 では, 酵 素 糖 変 換 に 必 要 となるセルロースの 結 晶 化 度 を 低 減 や, 水 酸 基 の 構 造 変 化 に 与 える 影 響 は 小 さいと 考 えられる. インナーパワーリングを 用 いた 微 粉 砕 粉 末 の 酵 素 糖 変 換 結 果 をみると, 回 転 数 1000,1200cpm では, 歯 車 型 デ ィスク 粉 砕 媒 体 と 用 いた 場 合 と 同 様 に, 粉 砕 時 間 の 増 加 にともない 線 形 的 にホロセルロース 糖 化 率 が 増 加 してい る.また,その 増 加 は 振 動 数 の 増 加 にともない, 大 きくなっている.しかし, 回 転 数 1500cpm では, 粉 砕 時 間 60 分 までにホロセルロース 糖 化 率 がピーク 近 くとなり,それ 以 降 は 緩 やかに 変 化 する 傾 向 を 示 している. 既 報 の 結 果 と 比 較 すると, 外 径 110mm の 歯 車 型 粉 砕 媒 体 を 用 いた 1500cpm における 微 粉 砕 粉 末 と 同 じく 60 分 間 の 粉 砕 によりホロセルロース 糖 化 率 が 70%を 超 えている.このため,インナーパワーリングによる 粉 砕 では, 酵 素 糖 変 換 に 必 要 となるセルロースの 結 晶 化 度 を 低 減 や, 水 酸 基 の 構 造 変 化 に 寄 与 する 粉 砕 が 実 現 できると 考 え られる. インナーパワーリングミルでは, 粉 砕 媒 体 厚 さ 10.5mm において, 粉 砕 時 間 60 分 でホロセルロース 糖 化 率 71% に 到 達 する.これは, 遠 心 力 に 起 因 する 粉 砕 力 と, 高 い 振 動 数 により 粉 砕 力 が 付 加 される 回 数 が 多 いことで, 微 粉 砕 粉 末 の 構 造 が 十 分 に 破 壊 されたためと 考 えられる.このような 粉 砕 挙 動 が 高 いホロセルロース 糖 化 率 となる 207

10 914 微 粉 砕 粉 末 を 得 るために 適 切 である.また,いずれの 振 動 数 でも 粉 砕 媒 体 の 厚 さ 10.5mm においてホロセルロー ス 糖 化 率 が 高 くなる 傾 向 が 得 られている.これは 厚 さ 10.5mm の 粉 砕 媒 体 では, 厚 さ 21mm の 粉 砕 媒 体 と 比 べて 粉 砕 容 器 内 に 設 置 される 粉 砕 媒 体 の 枚 数 が 多 く, 粉 砕 容 器 の 動 きに 対 して 片 当 たりすることなく 一 様 に 接 触 でき, 粉 末 に 対 する 接 触 頻 度 を 高 くできたためと 考 えられる. 以 上 より,インナーパワーリングを 用 いた 微 粉 砕 では, 最 短 で 60 分 の 処 理 によりホロセルロース 糖 化 率 70%を 超 える 微 粉 砕 粉 末 の 生 成 が 可 能 である. この 粉 砕 効 果 による 微 粉 砕 粉 末 の 構 造 の 破 壊 を 確 認 するため, 電 子 顕 微 鏡 による 観 察 と, 結 晶 化 度 の 測 定 を 実 施 した. 図 8に 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 とインナーパワーリングを 用 いて 振 動 数 1500cpm で 微 粉 砕 を 行 った 微 粉 砕 粉 末 の 60 分 粉 砕 時 点 の 電 子 顕 微 鏡 による 観 察 結 果 を 示 す.インナーパワーリングによる 微 粉 砕 粉 末 では, 粒 子 の 表 面 に 幅 1μm 以 下 の 深 いすきまが 多 数 観 察 できる.これは, 微 粉 砕 における 微 細 片 が 粒 状 に 凝 集 したために 発 生 したものであると 考 えられる. 一 方, 歯 車 型 ディスク 粉 砕 媒 体 による 微 粉 砕 粉 末 では, 粒 子 表 面 に 剥 離 のよう な 層 状 の 形 状 が 観 察 できるが,すきまは 観 察 できない. 木 材 のセルロースを 加 水 分 解 するセルラーゼ 酵 素 の 大 き さは, 球 に 換 算 して 5nm (13) であり, 発 生 しているすきまより 十 分 に 小 さいものとなる.このようなすきまの 存 在 によりセルラーゼ 酵 素 は, 微 粉 砕 粉 末 の 表 面 および 発 生 しているすきまの 内 部 の 両 方 でセルロースに 吸 着 でき, その 箇 所 のセルロースを 糖 変 換 できるため, 多 数 のすきまが 形 成 できているインナーパワーリングを 用 いた 粉 砕 による 微 粉 砕 粉 末 で 高 い 糖 化 率 が 得 られたと 考 える. 図 9に 酵 素 糖 変 換 において 最 もホロセルロース 糖 化 率 が 高 くなる 微 粉 砕 粉 末 が 得 られた 厚 さ 10.5mm のインナーパワー リングを 用 いて 振 動 数 1500cpm で 微 粉 砕 した 微 粉 砕 粉 末 の X 線 回 折 の 測 定 結 果 を 示 す.ここで, 横 軸 は X 線 回 折 の 測 定 角 度, 縦 軸 は 測 定 角 度 における X 線 の 強 度 である.X 線 は 結 晶 格 子 で 回 折 を 示 すため, 結 晶 性 を 有 するセルロースであれば 2 θ=22.4 付 近 にピークを 持 つ 分 布 が 観 察 される.また,セルロースの 結 晶 構 造 が 非 結 晶 化 することでそのピーク 低 下 する. X 線 回 折 の 測 定 結 果 より,インナーパワーリングを 用 いて 粉 砕 した 微 粉 砕 粉 末 は, 結 晶 性 を 示 すピークが 粉 砕 時 間 とともに 低 下 し, 非 結 晶 化 していくことが 確 認 できる. 図 10に X 線 回 折 の 測 定 結 果 をもとに 評 価 した 微 粉 砕 粉 末 の 結 晶 化 度 を 示 す.ここで 結 晶 化 度 は, 次 式 に 示 す Segal ら (14) による 方 法 により 次 式 より 求 めた. ( ) ( Maximum Intensity) ( Intensity( at 2θ = 18 ) Crystallinity Index % = 100 ( Maximum Intensity) 粉 砕 開 始 時 には 44%の 結 晶 化 度 であったものが,30 分 までの 粉 砕 により 急 激 に 低 下 し 13%に 到 達 し,100 分 粉 砕 ではさらに 低 下 した 9%に 到 達 している. 粉 砕 における 非 結 晶 化 は, 衝 撃 エネルギーが 蓄 積 されることで 生 じ る (15) ものである.また, 木 材 の 粉 砕 に 振 動 ボールミルを 用 いた 場 合, 結 晶 化 度 の 変 化 が 緩 やかになる 15% 以 下 に 低 下 するのに 180 分 程 度 を 要 し,10% 以 下 に 低 下 させるには,300 分 程 度 の 粉 砕 時 間 が 必 要 (16) となる. 木 材 を 酵 素 で 糖 変 換 する 場 合,セルロースの 結 晶 化 度 が 小 さいほど 糖 化 率 および 糖 の 収 率 が 向 上 す 結 果 が 報 告 (17)(18) されており,この 結 晶 化 度 の 低 下 も 高 い 糖 化 率 が 得 られた 要 因 の 一 つと 考 えらえる. 振 動 ボールミルに より 粉 砕 され, 結 晶 化 度 が 低 下 した 杉 粉 末 のホロセルロース 糖 化 率 は,100g の 杉 粉 末 を 300 分 粉 砕 することで 70% を 得 ている (16). 以 上 の 点 を 考 慮 すると,インナーパワーリングでは, 高 衝 撃 を 与 える 粉 砕 により 30 分 という 短 時 間 で, 被 粉 砕 粉 末 の 結 晶 化 度 を 15% 以 下 に 低 減 でき,100 分 の 粉 砕 により 結 晶 化 度 を 10% 以 下 に 低 減 できる. 加 えて,60 分 の 粉 砕 でホロセルロース 糖 化 率 70% 以 上 となる 微 粉 砕 が 可 能 である. 以 上 より, 振 動 ボールミルにおいて 微 粉 砕 によりホロセルロース 糖 化 率 が 70% 以 上 となる 粉 末 を 得 るのに 必 要 な 処 理 時 間 300 分 (16) を 1/5 に 短 縮 でき, 既 報 (10) の 歯 車 型 粉 砕 媒 体 利 用 粉 砕 機 の 粉 砕 量 200g を 4 倍 の 800g に 増 加 できた 効 果 と 併 せて, 木 質 系 バイオマスの 微 粉 砕 における 粉 砕 効 率 の 向 上 を 確 認 できた. (4) 4 3 実 用 化 に 向 けた 見 通 し インナーパワーリングミルでは, 粉 砕 媒 体 と 粉 砕 容 器 内 径 の 周 方 向 クリアランス 32mm を 保 ってスケールアッ プすることで, 粉 砕 媒 体 であるインナーパワーリングの 公 転 による 遠 心 力 を 粉 砕 に 寄 与 させることができ, 十 分 な 粉 砕 効 果 が 得 られることが 確 認 できた.したがって, 更 なるスケールアップでは, 設 計 指 針 として 粉 砕 容 器 の 大 口 径 化 に 合 わせてクリアランス 32mm を 保 ち, 粉 砕 媒 体 も 大 型 することで 粉 砕 性 能 を 保 つことが 可 能 であると 考 える. 一 方 で, 実 用 的 な 粉 砕 技 術 では 連 続 的 に 被 粉 砕 粉 末 を 投 入 して, 連 続 的 に 排 出 する 連 続 式 粉 砕 の 実 現 も (19)(20) 必 要 である. 本 方 式 による 粉 砕 では,バッチ 式 のみでなく, 連 続 式 粉 砕 の 適 用 事 例 も 報 告 されており, 208

11 915 連 続 粉 砕 としての 実 用 化 も 可 能 である.したがって, 粉 砕 容 器 の 口 径 拡 大 させた 連 続 式 粉 砕 とすることで,1 時 間 当 たりの 粉 砕 量 を 500 kgから 1000 kgとする 粉 砕 機 へのスケールアップも 可 能 と 考 える. また, 他 のバイオマス 原 料 の 粉 砕 としては, 木 質 系 バイオマスでは,ひのき,ユーカリ, 草 本 系 バイオマスで は, 稲 わら,もみ 殻, 豆 類 の 茎 の 粉 砕 実 績 を 有 し,いずれものその 有 効 性 を 確 認 している. 特 に 稲 わらでは 10 分 の 粉 砕 で 糖 化 率 70%を 達 成 する 結 果 を 得 ている.したがって,これらの 各 種 バイオマスを 原 料 とするバイオ 燃 料 製 造 技 術 の 前 処 理 への 適 用 も 有 望 であると 考 える. 5. 結 言 本 研 究 では, 歯 車 型 粉 砕 媒 体 利 用 粉 砕 機 の 粉 砕 効 率 を 向 上 させるべく 粉 砕 容 量 の 拡 大 した 歯 車 型 リング 媒 体 利 用 粉 砕 機 (インナーパワーリングミル)を 開 発 し, 粉 砕 媒 体 の 形 状, 粉 砕 特 性 および 微 粉 砕 した 木 質 系 バイオマ ス( 杉 )の 酵 素 糖 化 性 について 検 討 した. 以 下 に 得 られた 内 容 をまとめる. (1) インナーパワーリングを 用 いた 微 粉 砕 では, 最 短 で 60 分 の 処 理 によりホロセルロース 糖 化 率 70%を 超 え る 微 粉 砕 粉 末 の 生 成 が 可 能 である. (2) 振 動 ボールミルにおいて 微 粉 砕 により 高 糖 化 率 となる 粉 末 を 得 るのに 必 要 な 処 理 時 間 300 分 を 1/5 に 短 縮 でき, 既 報 の 歯 車 型 粉 砕 媒 体 利 用 粉 砕 機 の 粉 砕 量 200g を 4 倍 の 800g に 増 加 できた 効 果 と 併 せて, 木 質 系 バイオマスの 微 粉 砕 における 粉 砕 効 率 の 向 上 を 達 成 した. (3) インナーパワーリングを 用 いた 微 粉 砕 では,20 分 の 粉 砕 処 理 で 平 均 粒 径 が 20μm に 達 し,30 分 粉 砕 処 理 で 結 晶 化 度 の 15% 以 下 への 低 減 が 可 能 である. (4) インナーパワーリングを 用 いて 粉 砕 を 実 施 する 場 合, 粉 砕 媒 体 と 粉 砕 容 器 内 径 の 周 方 向 クリアランスを 32mm とすることで, 公 転 による 遠 心 力 を 粉 砕 に 寄 与 させることができ, 振 動 数 1500cpm において 最 大 圧 力 43.0MPa 以 上 の 粉 砕 力 を 付 加 した 粉 砕 をおこなう 粉 砕 機 の 設 計 が 可 能 である. (5) インナーパワーリングを 用 いて 粉 砕 した 微 粉 砕 粉 末 には,その 表 面 に 多 数 のすきまの 形 成 が 認 められた. このき 裂 の 発 生 が, 微 粉 砕 粉 末 の 表 面 および 発 生 しているき 裂 の 内 部 の 両 方 においてセルラーゼ 酵 素 の セルロースへの 吸 着 によるセルロースの 糖 変 換 を 可 能 とし, 高 糖 化 率 の 達 成 に 寄 与 する. 本 研 究 では 引 き 続 き, 粉 砕 メカニズムの 解 明, 実 用 化 のための 粉 砕 にかかるエネルギーの 低 減, 連 続 粉 砕 方 式 の 開 発 を 進 める 予 定 である. 謝 辞 本 研 究 の 一 部 は, 平 成 18,19 年 度 の NEDO の 委 託 研 究 バイオマスエネルギー 先 導 技 術 研 究 開 発 の 成 果 である.ここ に 記 して, 謝 意 を 表 する. 文 献 (1) 社 団 法 人 アルコール 協 会 編, 図 解 バイオエタノール 製 造 技 術 (2007), 工 業 調 査 会. (2) 経 済 産 業 省 バイオ 燃 料 技 術 革 新 協 議 会, バイオ 燃 料 技 術 革 新 計 画, materials/downloadfiles/g80326c05j.pdf( 参 照 日 2012 年 1 月 28 日 ). (3) バイオ 燃 料 地 域 利 用 モデル 実 証 事 業 アドバイザリー 委 員 会, 事 業 概 要 (バイオエタノール 採 択 地 区 の 概 要 ), 参 照 日 2011 年 8 月 29 日 ). (4) 秋 田 県 バイオエタノール 推 進 会 議, バイオエタノール 実 用 化 のための 取 組 ( 秋 田 県 ), 参 照 日 2011 年 8 月 29 日 ). (5) 村 木 永 之 介, 夜 久 富 美 子, 田 中 龍 太 郎, 越 島 哲 夫, 微 粉 砕 木 材 の 酵 素 分 解 ( 第 5 報 ) 前 処 理 としての 微 粉 砕 の 効 率 について, 木 材 学 会 誌,Vol.31,No.10 (1985),p

12 916 (6) 小 林 信 介, 上 田 泰 之, 大 鹿 由 梨, 水 野 憲 治, 塚 田 茂 男, 清 川 英 明, 小 林 潤, 羽 多 野 重 信, 板 谷 義 紀, 森 滋 勝, 連 続 式 振 動 ミルによる 木 質 バイオマス 粉 砕 性 能, 化 学 工 学 論 文 集,Vol.34,No.1 (2008),pp (7) 福 村 卓 也, 長 田 光 正, 戸 谷 一 英, 二 階 堂 満, 木 質 原 料 の 酵 素 糖 化 特 性 に 及 ぼすコンバージミル 粉 砕 の 影 響,J. Jpn. Inst. Energy,Vol. 89,No.10 (2010),pp (8) Yu. K. Shchipalov, A. K. Osokin, A. M. Gusarov, and S. E. Tumanova, The effect of cullet grinding in impact-repulsion mills on the properties of glass powders, Glass and Ceramics, Vol.55, Nos (1998), pp (9) Wei Zhang, Mei Liang, Canhui Lu, Morphological and structural development of hardwood cellulose during mechanochemical pretreatment in solid state through pan-milling, Celluose, Vol.14, No.5 (2007), pp (10) 高 橋 武 彦, 伊 藤 新, 遠 田 幸 生, 伊 藤 一 志, 小 林 淳 一, 木 質 系 バイオマス 微 粉 砕 のための 歯 車 型 粉 砕 媒 体 利 用 粉 砕 機 の 研 究 開 発, 日 本 機 械 学 会 論 文 集 B 編,Vol.76,No.770 (2010),pp (11) 中 原 一 郎 他, 弾 性 学 ハンドブック(2001), 朝 倉 書 店. (12) ( 社 ) 日 本 木 材 加 工 技 術 協 会 関 西 支 部 編, 木 材 の 基 礎 (1992), 海 青 社. (13) 遠 藤 貴 士, バイオ 燃 料 を 木 材 からナノテクで 生 産 する セルロース 構 造 特 性 を 利 用 した 酵 素 糖 化 前 処 理 技 術,シンセシオロジー,Vol.2, No.4 (Nov. 2009),pp (14) Segal, L., Creely, J.J., Martin, A.E. and Conrad, C.M., An Empirical Method for Estimating the Degree of Crystallinity of Native Cellulose Using the X-ray Diffractometer, Textile Research Journal, Vol.29, No.10 (1959), pp (15) Junya Kano, Fumio Saito, Correlation of powder characteristics of talc during Planetary Ball Milling with the impact energy of the balls simulated by the Particle Element Method, Powder Technology, Vol.98, (1998), pp (16) 伊 藤 新, 日 置 進, 桑 原 正 章, 高 橋 武 彦, 坂 本 宏, 遠 田 幸 生, 木 質 系 バイオマスよりバイオエタノ ールを 製 造 するための 前 処 理 用 粉 砕 技 術 の 研 究,Journal of MMJ,Vol.123,No.8 (2007),pp (17) 壁 谷 洋, 久 保 隆 昌, 細 川 純, セルロース 系 廃 棄 物 の 有 効 利 用 に 関 する 研 究 ( 第 5 報 )サーモメカニカルパルプ の 酵 素 加 水 分 解 用 前 処 理 に 使 用 される 2 種 類 の 振 動 ミルの 粉 砕 効 率 の 比 較, 木 材 学 会 誌,Vol.33,No.10 (1987), pp (18) 小 林 信 介, 牛 越 淳 太 郎, 稲 野 稔, 高 岡 一 栄, 板 谷 義 紀, 微 細 木 質 バイオマスの 性 状 と 酵 素 糖 化 に 関 する 研 究,J. Jpn. Inst. Energy,Vol. 89,No.10 (2010),pp (19) T.Takahashi, K. Ito, A.Ito, J.Kobayashi, Y. Enda, M. Gochi, Research and Development of Energy Conservation High-Impact Pulverizing Mill for Biomass, The proceedings of 19th European Biomass Conference & Exhibition From Research to Industry and Markets, (2011), pp (20) 森 勇 規, 高 橋 武 彦, 伊 藤 一 志, 小 林 淳 一, 伊 藤 新, 郷 地 元 博, 連 続 式 タンデムリング 粉 砕 機 のエネルギー 効 率 の 検 討, 日 本 機 械 学 会 第 16 回 動 力 エネルギー 技 術 シンポジウム 講 演 論 文 集 (2011), pp