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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、それぞれの成分が商業用途において課題となる特性を持っている。[ 10 ]
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は、パルプ・製紙産業の原料です。このプロセスでは、通常、リグニンとヘミセルロースが植物材料から分離され、繊維状のセルロース成分が残され、製紙用に処理されます。これは「化学セルロース」と呼ばれます。パルプ製造工程では、リグニンの大部分が除去され、廃水として廃棄物として排出されます。その後、低価値の燃料として電気や熱の生成に使用されます。紙廃棄物由来のリグニンの一部は、リグノスルホン酸塩やスルホン化リグニンとして代替的に使用されます。[ 13 ]
原則として、世界の現在の砂糖需要は、パルプ・製紙工場をリグノセルロース系砂糖の生産に転用することで満たすことができ、有望な回復力のある食品となる可能性がある。[ 14 ]
木質燃料の形態のリグノセルロース系バイオマスは、エネルギー源として長い歴史を持っています。藁やその他の形態のリグノセルロース系バイオマスは、近年では非圧縮（ベール）および圧縮（ペレット）燃料の形で発電に利用されています。ペレット化により、燃料をより遠くまで経済的に輸送することが可能になります。第一世代のペレットは、現代のIGCCプラントでは混焼率が15%に制限されています。[ 15 ]
ペレット化前の前処理は、バイオマス燃料の物理的および化学的性質を変化させます。焙焼（穏やかな熱分解）は、わらのエネルギー密度を高め、疎水性にします。結果として得られるペレットは、石炭に似た燃料特性を持ちます。[ 16 ]
20世紀半ば以降、液体燃料の前駆体としてのバイオマスへの関心が高まっています。具体的には、リグノセルロース系バイオマスをエタノールに発酵させること[ 17 ]は、化石燃料を補完する燃料への魅力的な経路です。バイオマスは長期的にはカーボンニュートラルなエネルギー源となり得ます。しかし、バイオマスの供給源によっては、短期的にはカーボンニュートラルにはなりません。例えば、バイオマスが樹木由来の場合、樹木が再生するまでの期間（数十年のオーダー）で、リグノセルロース系エタノールの燃焼により地球の大気中の二酸化炭素が正味増加します。しかし、一年生作物の残渣から得られる木質材料を使用する場合は、燃料はカーボンニュートラルとみなすことができます。エタノール以外にも、ブタノール、ジメチルフラン、γ-バレロラクトンなど、リグノセルロース由来の燃料には多くの潜在的な関心があります。[ 18 ]
バイオマスからエタノールを生産する際の障壁の一つは、発酵に必要な糖がリグノセルロースの中に閉じ込められていることである。リグノセルロースは、分解に抵抗し、植物の細胞壁に加水分解安定性と構造的堅牢性を与えるように進化してきた。この堅牢性、すなわち「難分解性」は、多糖類（セルロースとヘミセルロース）とリグニンがエステル結合とエーテル結合を介して架橋されていることに起因する。[ 19 ]エステル結合は、酸化された糖、ウロン酸、リグニンのフェノールおよびフェニルプロパノール官能基の間に生じる。発酵可能な糖を抽出するには、まずセルロースをリグニンから切り離し、次に酸または酵素法を用いて新たに遊離したセルロースを加水分解して単純な単糖に分解する必要がある。バイオマス発酵におけるもう一つの課題は、ヘミセルロース中にキシロース（木糖）などのペントースが高濃度で含まれていることである。グルコースなどのヘキソースとは異なり、ペントースは発酵しにくい。リグニンとヘミセルロース画分がもたらす問題は、現代の多くの研究の焦点となっている。
バイオエタノールの原料としてリグノセルロース系バイオマスを利用する研究の大きな分野は、セルロース分解能力で知られる真菌Trichoderma reeseiに特に焦点を当てています。T . reeseiから分離されたセルラーゼとヘミセルラーゼの最適化されたカクテルの設計や、真菌をリグノセルロース系バイオマスの存在下に置くだけで物質をD -グルコースモノマーに分解できるようにするための遺伝子工学に基づく菌株改良など、複数の方法が検討されています。[ 20 ]菌株改良法により、元の QM6a 分離株よりも大幅に多くのセルラーゼを生産できる菌株が得られました。特定の工業用菌株は、真菌 1 リットルあたり最大 100 g のセルラーゼを生産することが知られており、リグノセルロース系バイオマスから糖を最大限に抽出することができます。これらの糖は発酵され、バイオエタノールにつながります。
リグノセルロース系バイオマスからメタンを生成するには、純粋に生物学的なプロセスである嫌気性消化を利用できます。前処理によって一部の架橋を除去し、バイオマスを微生物が消化しやすくすることができます。[ 21 ]その後、微生物の組み合わせ（コンソーシアム）によって残りの障壁を克服し、材料を有効活用することができます。[ 22 ] [ 23 ]
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。
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