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リグノセルロース系バイオマスをバイオリファイナリー原料として評価するための枠組みについての包括的なレビュー
A comprehensive review on the framework to valorise lignocellulosic biomass as biorefinery feedstocks.
PMID: 32679491 DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.140630.
抄録
効果的な前処理は、再生可能で環境に優しくエネルギー密度の高い材料であるリグノセルロース系バイオマスの消化率を向上させるための第一歩であり、バイオ燃料や生化学生産のためのものである。このレビューは、実験室レベル、パイロットレベル、実規模レベルで研究されてきたリグノセルロース前処理技術の長所と短所を総合的に評価することを目的としている。生物学的前処理は環境に優しいが、時間がかかる（15-40日）。化学的前処理はリグノセルロースを分解し、糖収量を増加させるのに効果的ですが（例：4～10倍の改善）、化学的コストと高価な反応器を必要とします。一方、物理的前処理と化学的（すなわち物理化学的）前処理の組み合わせは、優れたプロセス効率（すなわち製品収量の100％以上の増加）を提供しているにもかかわらず、エネルギー集約的である（例えば、エネルギー生産は入力エネルギーの80％しか補うことができない）。前処理技術（例：酸、アルカリ、水熱）のパイロットスケールでの実証実験では、50～80％のヘミセルロースの可溶化と糖収率の向上が報告されています。これらのパイロットプラントや本格的なプラントの実現可能性は、バイオ燃料消費を促進するための政府の補助金 （税額控除や義務化など）によって支えられてきた。バイオ燃料のメカニズムや特性には多様性があるため、優れた前処理法は特定されていない。主な課題は、環境への影響を最小限に抑えながら、プラスのエネルギーバランスと大きな経済性を 実現する能力、すなわち、エネルギーや製品の生産量が、投入されたエネルギーや金銭を大幅に上回ることにある。現在の前処理技術経済効率の向上（例：製品収率の向上、化学物質のリサイクル、環境の持続可能性を高めるための副産物の転換）と、様々なバイオマスを効果的に処理するための前処理方法の統合が、商業的なリグノセルロース系バイオリファイナリーへの足がかりとなる。
An effective pretreatment is the first step to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass - a source of renewable, eco-friendly and energy-dense materials - for biofuel and biochemical productions. This review aims to provide a comprehensive assessment on the advantages and disadvantages of lignocellulosic pretreatment techniques, which have been studied at the lab-, pilot- and full-scale levels. Biological pretreatment is environmentally friendly but time consuming (i.e. 15-40 days). Chemical pretreatment is effective in breaking down lignocellulose and increasing sugar yield (e.g. 4 to 10-fold improvement) but entails chemical cost and expensive reactors. Whereas the combination of physical and chemical (i.e. physicochemical) pretreatment is energy intensive (e.g. energy production can only compensate 80% of the input energy) despite offering good process efficiency (i.e. > 100% increase in product yield). Demonstrations of pretreatment techniques (e.g. acid, alkaline, and hydrothermal) in pilot-scale have reported 50-80% hemicellulose solubilisation and enhanced sugar yields. The feasibility of these pilot and full-scale plants has been supported by government subsidies to encourage biofuel consumption (e.g. tax credits and mandates). Due to the variability in their mechanisms and characteristics, no superior pretreatment has been identified. The main challenge lies in the capability to achieve a positive energy balance and great economic viability with minimal environmental impacts i.e. the energy or product output significantly surpasses the energy and monetary input. Enhancement of the current pretreatment techno-economic efficiency (e.g. higher product yield, chemical recycling, and by-products conversion to increase environmental sustainability) and the integration of pretreatment methods to effectively treat a range of biomass will be the steppingstone for commercial lignocellulosic biorefineries.
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