リグノセルロース系バイオマス

リグノセルロースとは、植物の乾燥物質（バイオマス）のことで、リグノセルロース系バイオマスとも呼ばれます。地球上でバイオ燃料の生産に最も豊富に存在する原料です。セルロースとヘミセルロースという2種類の炭水化物ポリマーと、リグニンと呼ばれる芳香族に富むポリマーから構成されています。^{[ 1 ]}セルロース、ヘミセルロース、リグニンが豊富なバイオマスは、一般的にリグノセルロース系バイオマスと呼ばれます。^{[ 2 ]}各成分はそれぞれ異なる化学的性質を持っています。3つの非常に異なる成分の複合体であるため、リグノセルロースの処理は困難です。分解や分離に対する耐性が進化してきたことは、難分解性と呼ばれます。この難分解性を克服して有用で高価値の製品を生産するには、熱、化学物質、酵素、微生物の組み合わせが必要です。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}これらの炭水化物含有ポリマーは、異なる糖モノマー（6炭糖と5炭糖）を含み、リグニンに共有結合しています。

リグノセルロース系バイオマスは、大きく分けてバージンバイオマス、廃棄物バイオマス、エネルギー作物に分類できます。バージンバイオマスには植物が含まれます。廃棄物バイオマスは、農業（トウモロコシの茎、サトウキビのバガス、藁など）や林業（製材所や製紙工場の廃棄物）などのさまざまな産業部門の低価値副産物として生産されます。エネルギー作物は、第2世代バイオ燃料の原料として生産されるリグノセルロース系バイオマスの収量が高い作物です。例としては、スイッチグラス（Panicum virgatum）やエレファントグラスなどがあります。これらのエネルギー作物から生成されるバイオ燃料は、持続可能なエネルギー源です。^{[ 7 ] [ 8 ]}

リグノセルロースは3つの成分から構成されており、それぞれが商業用途において課題となる特性を持っている。^{[ 10 ]}

• リグニンは、フェノールホルムアルデヒド樹脂に似た、不均一で高度に架橋されたポリマーです。3～4種類のモノマーから構成され、その比率は種によって異なります。架橋は広範囲に及びます。芳香族化合物を豊富に含むため、リグニンは疎水性で比較的剛性が高い性質を持ちます。リグニンは植物の構造的完全性を保つ上で重要な役割を果たします。リグニンは非常に不均一で分解されにくいため、その価値はほぼ燃料としてのみ評価されます。
• ヘミセルロースは分岐多糖類から構成されています。特に問題なのは、ヘミセルロースがリグニンと共有結合していることで、通常はリグニンのフェルラ酸成分を介して結合しています。そのため、バイオ燃料への変換に必要な糖を抽出することが困難です。^{[ 11 ]}セルロースに次いで、ヘミセルロースは植物中の炭水化物の2番目に豊富な供給源です。^{[ 12 ]}
• セルロースはグルコースのホモポリマーです。ほとんどの溶媒に非常に溶けにくいため、グルコースはセルロース分解酵素による化学的および生物学的分解によって抽出されます。^{[ 12 ]}この抽出は、セルロース鎖がリグニンヘミセルロース成分に組み込まれているものの、共有結合していないという事実によって容易になります。

多くの作物は、バイオマスを高収量で生産できるという点で注目されています。中には、年に複数回収穫できるものもあります。例えば、ポプラやオオバコなどが挙げられます。最も主要なエネルギー作物はサトウキビで、これは容易に発酵するショ糖と、リグノセルロース系の副産物であるバガスの供給源となります。

リグノセルロース系バイオマスから得られる化学物質もある。ほとんどすべてはセルロース成分の加水分解によって得られる糖から派生している。^{[ 24 ]}

リグノセルロース系バイオマスは、パーティクルパネル、木材プラスチック複合材、セメント/ジオポリマー木材複合材などのバイオ複合材料の製造において検討されてきた。バイオ複合材料の製造は主に木材資源に依存しているが、森林被覆率の低い国や木材資源がすでに過剰利用されている国では、侵入植物、農業残渣、製材所残渣などの代替バイオマス源を利用して、新しい「グリーン」複合材料を作成することが可能である。^{[ 25 ]}従来の材料の代替としてリグノセルロース系バイオマスを使用して製造されたバイオ複合材料は、再生可能で安価であるだけでなく、資源の「カスケード利用」政策に完全に適合するため、注目を集めている。