JP2009254283A

JP2009254283A - セルロース系バイオマスの糖化方法

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Publication number: JP2009254283A
Application number: JP2008107154A
Authority: JP
Inventors: Eika Sen; 衛華銭; Masaaki Hosomi; 正明細見
Original assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Current assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】硫酸等の液体の強酸や塩基を使用することなく、簡易かつ容易にセルロース系バイオマスを極めて高い転化率にて糖化する方法を提供すること。
【解決手段】セルロース系バイオマス原料を、担体表面の官能基と反応させ、前記セルロース系バイオマス原料を加水分解する第１の工程と、
前記第１の工程において生成する単糖類を含む溶液と未反応のセルロース系バイオマス原料を分離し、前記未反応のセルロース系バイオマス原料を酵素と反応させ、加水分解する第２の工程とを含むことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、セルロース系バイオマスの糖化方法に関する。さらに詳しくは、固体酸及び／又は固体塩基によるセルロース系バイオマスの前処理と酵素処理を含むセルロース系バイオマスの糖化方法に関する。

現在のバイオエタノール製造は、その原料として、主にサトウキビやトウモロコシ等を使用しているため、食料と競合している。また、サトウキビやトウモロコシ等の供給量にも限界がある。このため、食料に供さない植物の茎や葉といった非可食性バイオマス資源（木質系及び草本系バイオマス）であるセルロース系バイオマスを原料としたエタノール製造が期待されている。セルロース系バイオマスを原料としたエタノール製造には、セルロース系バイオマスをその構成分子であるセルロース（cellulose）、ヘミセルロース（hemi cellulose）にそれぞれ加水分解し、単糖を作り出すことが必要である。しかしながら、セルロースやヘミセルロースは、分子結合が強固のため、バイオマスを加水分解して、グルコースやキシロース、マンノース等の単糖類を作り出すことが困難である。したがって、セルロース系バイオマスを原料とするエタノール製造においては、セルロースをどのように糖化するかがきわめて重要となる。

セルロースの糖化方法は、主として、濃硫酸法、希硫酸法及びセルラーゼ等の酵素を用いる酵素法に大別される。まず、濃硫酸法は、バイオマスを重量パーセント濃度７０％ないし８０％の濃硫酸溶液に接触させて、セルロースとヘミセルロースに分解する。そして、得られたセルロースとヘミセルロースを常圧、７０℃前後の条件下で加水分解し、加水分解後に単糖と硫酸を分離して、硫酸を再利用する。

希硫酸法においては、バイオマスを数％の硫酸を使用して、温度１５０℃〜２５０℃、圧力１〜２ＭＰａの条件下で加水分解を行い、加水分解後に単糖を得る。この方法においては、濃硫酸ではなく、希硫酸を使用しているため、硫酸を回収することなく、硫酸使用後にアルカリ溶液にて中和を行う。これらのセルロースの糖化方法は、セルロースとの反応性が高いこと及び強固な物質でも反応性が高く、分解速度も速いという利点を有する。

一方、酸糖化溶液中の糖濃度の向上させること、使用後の硫酸を濃縮回収し、使用後の硫酸を再利用するためのエネルギーを削減すること、バイオマスの前処理工程における装置のプロセス工学的改良等の課題を有している。つまり、従来の濃硫酸法、希硫酸法等の酸処理方法は、バイオマスとの反応性を十分に有するものであるが、バイオマスとの反応選択性が極めて低いという問題点を有する。しかも、バイオマスを硫酸で処理することから、耐酸性の反応器を必要とし、使用後の硫酸を中和し、回収する工程が必要となることから反応装置のコストが高いという問題点を有する。

一方、酵素処理法は、バイオマスに酵素を反応させることによって、糖化する方法である。この酵素処理方法においては、活性の高い酵素を使用することによって、比較的マイルドな反応条件で、選択的に分解反応が進行する。したがって、酵素糖化方法は、硫酸等の強酸を使用する上記酸処理方法と比較して、反応時における安全性が高いという利点を有する。しかしながら、上記酵素処理方法において一般的に使用されているセルロースの分解酵素である「セルラーゼ」は、非常に高価である。しかもバイオマスの結晶構造が非常に強固なものである場合には、糖化するために、多くの酵素のみならず、希酸処理やその
他前処理が必要となる。

つまり、酵素処理方法は、反応効率がきわめて低く、酵素反応による生物法によるため反応速度が酸処理方法に比較して、遅いという問題点がある。さらに、酵素処理方法において使用される酵素であるセルラーゼは、糖化反応に一度使用するとその回収がきわめて困難である。酵素セルラーゼを回収する場合には、上記酸処理方法における硫酸の回収と同様に、コストがかかり、酵素の探索工程も煩雑となる（例えば、非特許文献１）。

このような観点から、酵素処理方法において、バイオマスを分解する酵素を固定化する酵素処理方法がある。酵素を固定化する酵素処理方法においては、固定化することによって、酵素活性の安定性が向上し、さらに酵素の再利用が容易となり、これにより糖化反応生成物と酵素との分離操作が簡便になり、反応の連続化も期待される。このため、酵素処理方法における酵素の固定化は、工業的にも興味が持たれているが、セルロース分解酵素セルラーゼによる研究は、あまり多く研究されていないという現状がある（例えば、非特許文献２）。

最近では、酵素処理方法に使用される酵素の改善を目指して、遺伝子組み換えなどによる複数の糖類に活性を示す酵素の開発や安価な値段で製造が可能なセルラーゼに関する開発も行われている。しかしながら、酵素処理方法において、セルロースの加水分解によってグルコースを製造する実用的な反応器や、酵素セルラーゼを固定化させる研究及びセルラーゼを固定化して使用するためのバイオマス原料処理方法についての研究も少ないのが現状である。

このような観点から木質系バイオマスからエタノールを製造する方法として、加水分解及び酵素処理を行う糖化方法が開示されている（特許文献１及び特許文献２）。しかしながら上記方法においては、バイオマスの加水分解反応に強酸である硫酸やアルカリ水溶液を使用しているため、上記の通り、依然として硫酸の回収や中和工程が必要であるという問題点がある。

なお、本件特許出願人は、本件発明に関連する文献公知発明が記載された刊行物として、以下の技術文献を開示する。
特開２００８−４３３２８号公報特開２００６−８７３５０号公報「濃硫酸法バイオマスエタノール製造プロセス」種田大輔２００６年、（セルロースコミニュケーション、第１３巻、第２号、第４９頁〜第５２頁、２００６年）、Cellulose Communication. Vol.13 No2, p49〜p52 (2006) 「アルミナ粒子を担体とする固定化セルラーゼの調製とその特性」上牧修化学工学論文集、第２２巻、第４号 p801〜p806 (1996)

以上のような状況に鑑み、本発明の課題は、硫酸等の液体の強酸や強塩基を使用することなく、簡易かつ容易にセルロース系バイオマスを極めて高い転化率にて糖化する方法を提供することにある。また、本発明の課題は、糖化反応後に生成するグルコース、キシロース等の単糖類との分離が容易であるセルロース系バイオマスを糖化する方法を提供することにある。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、セルロース系バイオマスを固体酸及び／又は固体塩基により前処理し、さらに酵素処理をすることにより、セルロース系バイオマスを高転化率にてグルコースやキシロース等の単糖類に単糖化することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は、以下の技術的事項から構成される。すなわち、
（１）セルロース系バイオマス原料を、担体表面の官能基と反応させ、前記セルロース系バイオマス原料を加水分解する第１の工程と、
前記第１の工程において生成する単糖類を含む溶液と未反応のセルロース系バイオマス原料を分離し、
前記未反応のセルロース系バイオマス原料を酵素と反応させ、加水分解する第２の工程とを含むことを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化方法。
（２）前記担体表面の官能基は、電子対を受け取る性質を有することを特徴とする（１）に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
（３）前記担体表面の官能基は、酸性基であることを特徴とする（１）に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
（４）前記担体表面の官能基は、電子対を与える性質を有することを特徴とする（１）に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
（５）前記担体表面の官能基は、水酸基であることを特徴とする（１）に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
（６）前記担体は、熱可塑性樹脂であることを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
（７）前記熱可塑性樹脂は、ポリスチレン樹脂であることを特徴とする（６）に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
（８）前記ポリスチレン樹脂は、陽イオン交換樹脂であることを特徴とする（７）に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
（９）前記担体は、無機固体であることを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
（１０）前記無機固体は、アルミナ、シリカ、ジルコニアから選ばれることを特徴とする（８）に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
（１１）セルロース系バイオマスを粉砕する処理手段と、
前記処理手段によって、粉砕されたセルロース系バイオマスをセルロース系バイオマス原料とする調製手段と、
前記セルロース系バイオマス原料を
官能基を有する担体に供給するセルロース系バイオマス原料供給手段を備えた第１の処理部と、
前記第１の処理部において、生成する単糖類を含む溶液と未反応のセルロース系バイオマス原料を分離する手段と、
前記未反応のセルロース系バイオマス原料を、酵素と反応させ、加水分解する第２の処理部と
を含むことを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化装置に関する。

本発明によれば、セルロース系バイオマスを簡易かつ容易に、高転化率にて単糖類に転化することができる。また、本発明によれば、各種セルロース系バイマスを高い転化率にて単糖類に転化することができ、しかも生成物である単糖類と固体酸等との分離が容易であり、かつ反応液等の回収も容易なセルロース系バイオマスの糖化方法が提供される。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

本発明のセルロース系バイオマスの糖化方法は、セルロース系バイオマス原料を担体表面の官能基と反応させることにより、加水分解し、単糖類とする第１の工程と、前記第１の工程において加水分解されなかった未反応のセルロース系バイオマス原料を担体表面の酵素を反応させることにより加水分解し、単糖類とする第２の工程を有することを特徴とするものである。

上記第１の工程において、セルロース系バイオマスとは、植物壁を構成する多糖類のセルロースを含むバイオマスであり、一般的には、木や草あるいは農産物の残渣をいう。その他には、建築廃材、間伐材、麦わらやバガス（サトウキビの搾り貸カス）、とうもろこしの茎や葉っぱが含まれる。上記セルロース系バイオマスは、主としてセルロース、ヘミセルロース及びリグニンから構成されている。セルロースは、代表的な単糖であるグルコースが脱水縮合した多糖類であり、ヘミセルロースはグルコース、キシロース、マンノース等が脱水縮合した複合多糖類である。なお、リグニンは、フェノール性化合物で分解しにくいため、バイオマス原料として利用することは困難であるとされている。

本発明においては、上記セルロース系バイオマスに必要な処理をして、セルロース系バイオマス原料とする。必要処理とは、第１の工程において、担体表面の官能基を反応させるために必要な処理であり、具体的には、セルロース系バイオマスを洗浄し、乾燥、さらに、加水分解反応を促進させるための粉砕等が含まれる。たとえば、天然のセルロース系バイオマスを水洗し、その後、絶乾燥法等により乾燥し、市販のミル粉砕装置を使用して、所定の大きさに粉砕する。このように必要な処理を行った後、上記セルロース系バイオマスは、所定の大きさを有するセルロース系バイオマス原料となる。バイオマス原料のバイオマスの粒径は、１０メッシュないし２０メッシュが好ましい。１０メッシュ未満であると、消費エネルギーが大きくなり、前処理コストが高くなり好ましくない。一方、２０メッシュを超えると、十分な加水分解反応が起きないため好ましくない。次に、洗浄、乾燥、粉砕されたセルロース系バイオマスを水溶液とし、本発明のセルロース系バイオマス原料とする。

次に、第１の工程においては、上記セルロース系バイオマス原料を担体表面の官能基と反応させて、加水分解反応を行う。上記担体として使用できる物質としては、官能基を固定化担持することができかつ、酸性又は塩基性を有する物質であれば特に制限されるものではない。また、担体自身がその表面構造に所定の官能基を有するものであってもよい。例えば、ポリスチレン担体の表面に酸が固定された陽イオン交換樹脂や、その表面構造に酸性基又は水酸基等を有するシリカ、アルミナ、ジルコニア、ゼオライト、活性炭などを例示することができ、さらには、これらに二種類以上の組み合わせからなる混合物を例示することができる。陽イオン交換樹脂の種類や、シリカ、アルミナ担体の焼成処理温度を調製することによって適宜にその酸性や塩基性を調整することができる。担体表面の官能基としては、セルロース系バイオマス原料と反応するものであれば、特に制限されるものではなく、上記セルロース系バイオマスの種類部位に応じて、適宜に選択できるものであるが、強酸性のスルホン酸基や水素イオン等のブレンステッド酸や電子対を受け取ることができる性質を有するルイス酸を持つ官能基を例示することができる。

一方、セルロース系バイオマス原料を構成するバイオマスが、例えば、赤松廃材等の木質系バイオマスである場合には、赤松廃材の表面を構成するリグニン成分を溶解させるために水酸基を有する担体を使用することもできる。例えば、官能基として、水酸基を有する担体である酸化マグネシウムや水酸化マグネシウム等の化合物や電子対を与える性質を有するルイス塩基を持つ官能基を採択することができる。このように本発明の第１の工程においては、上記セルロース系バイマス原料と担体表面の官能基とを加水分解反応させることによって、セルロース系バイオマスを単糖類とすることができる。加水分解反応は、通常のエステルの加水分解反応により進行し、セルロース系バイオマス原料は、グルコール、フルクトース、キシロース、マンノース等の単糖類となる。

第２の工程は、前記第１の工程で、加水分解反応により単糖類に転化しなかった未反応のセルロース系バイオマス原料を酵素によりグルコール、キシロース、マンノース等の単糖類とする工程である。このように本発明においては、担体表面の官能基との反応による加水分解と酵素による加水分解の少なくとも２段階の工程を有することによって、セルロース系バイオマスを完全に加水分解し、単糖類とするものである。

第１の工程において使用される固体触媒は、特に制限されるものでなく、前記の触媒１種類もしくは２種類以上を使用すればよい。また、反応温度は３０℃ないし４００℃、反応時間は1分ないし５０時間でよい。さらに好ましくは、７０℃ないし２５０℃、反応時間１０分時間ないし１２時間である。処理時間が１０分未満であると、十分な加水分解反応が進行せず、１２時間を超えると却って、生成した単糖類の分解が進行して、また操作時間が長くなるので、好ましくない。

第２の工程において使用される酵素は、特に制限されるものでなく、上記第１の工程において加水分解できなかった残留するセルロース系バイオマス原料を分解できるものであればよい。酵素の触媒効率及び費用の観点から、セルラーゼ等の天然に存在する酵素、遺伝子組み換えを行った酵素など適宜使用することができる。これらの酵素は、担体に担持させて使用してもよいし、上記反応器中に酵素を直接導入して反応させてもよい。

第２の工程においては、酵素を固定することによって、使用される酵素が高価なものであっても回収が容易である。第２の工程の酵素処理は、緩衝溶液中で、好ましくは、１時間ないし１２０時間行う。さらに好ましくは、１時間ないし７２時間である。もっとも好ましくは、２４時間ないし７２時間である。処理時間が２４時間未満であると、十分な加水分解反応が進行せず、７２時間を超えると却って、操作時間が長くなり、コストが高くなり、好ましくない。

以下、本発明について実施例を用いて説明するが、本発明は、何らこれらに限定されるものではない。

＜強酸性イオン交換樹脂＞
本発明において使用されるセルロース系バイオマスを処理するための固体酸触媒の一例として、以下の陽イオン交換樹脂を採用した。例えば、アンバーリスト１５Dry （ローム・アンド・ハース株式会社製）、アンバーリスト３１Wet （ローム・アンド・ハース株式会社製）、アンバーリスト１５Wet （ローム・アンド・ハース株式会社製）、ダイヤイオンＰＫ２２８（三菱化学株式会社製）である。

＜金属酸化物固体酸＞
（アルミナ担持ニオブ触媒）
本発明において使用されるセルロース系バイオマスを処理するための固体塩基触媒の一例として、以下のようにマグネシウム及びアルミナ担持ニオブ触媒を調製した。ニオブを含む濃度99.99%アンモニウムニオブオキレート：Ammonium niobium oxalate試薬、(アルドリッチ化学社製)(C₁₀H₈N₂Nb₂O₃₃:Fw.869.98)を所定量（ニオブ酸Nb₂O₅:２２重量%になるように）秤量し、試薬重量に対しての3倍重量の蒸留水に溶解させた。そして、それぞれの担体に含浸、蒸発乾固させた。その後、４５０℃、または３５０℃で１２時間焼成しニオブ酸担持固体酸触媒を調製した。

＜スルホン酸―カーボン固体酸＞
本発明において使用されるセルロース系バイオマスを処理するための固体酸触媒であるスルホン酸−カーボン系固体酸触媒を以下のように調製した。まず、フラスコ内に、特級ナフタレン（キシダ化学工業）２０g、重量パーセント濃度９６％以上の濃硫酸（東京化成工業）２００ｍｌを窒素雰囲気下において、２５０℃加熱、１５時間加熱処理した。次に、過剰の濃硫酸を２５０℃、５時間真空蒸留により、硫酸とダークブラウン色のタールを取り除き、フラスコ内に黒色の固体を得た。次に、得られた上記黒色固体を細かく砕き、粉末状にする。そして、沸騰水でスルホン酸イオンが検出されなくなるまで繰り返し洗浄する。その後、得られた固体を乾燥し、ナフタレンを出発原料とするスルホン酸-カーボン系固体酸を調製した。

＜硫酸化ジルコニア＞
本発明において使用されるセルロース系バイオマスを処理するための固体酸触媒の一例として、以下のように硫酸化ジルコニアを調製した。酸化ジルコニアとして（JRC-ZRO-２〜５）を使用し、その粒径３２〜５０メッシュに粉砕した。その後、コニカルビーカに上記酸化ジルコニアを２ｇ採取し、０．５モル／リットルの硫酸水溶液中に溶解させ、分散させ１時間放置後、１０分程度吸引ろ過し、硫酸化ジルコニアを得た。さらに、上記操作により得られた硫酸化ジルコニアを３０℃にて、２４時間乾燥し、その後るつぼを用いて、６００℃にて３時間、空気中にて焼成し、固体酸を調製した。

＜陰イオン交換樹脂＞
本発明において使用されるセルロース系バイオマスを処理するための固体塩基触媒の一例として、以下の陰イオン交換樹脂を採用した。例えば、SA10A(三菱化学製)である。

（酸化マグネシウム固体塩基）
原料として、マグネシウム（宇部マテリアルズ社製）を使用し、これを油圧ポンプにより、ディスク状に成型した。次に、上記ディスク状に成形したマグネシウムをマッフル炉（製品名：YAMATO FO−２００）に投入し、６００℃にて６時間焼成し、酸化した。得られた酸化マグネシウムを担体として使用し、上記アルミナ担持ニオブ触媒と同様にして、酸化マグネシウム触媒を調製した。

（実施例１）
セルロース系バイオマスとして、ススキ（東京都府中市晴見町の休耕田から採取）を使用し、これを原料とし、固体酸水熱処理によるバイオマスの単糖化を行った。固体酸水熱処理は、以下のようにして行った。まず、上記ススキを市販ミル粉砕装置：ワンダーブレンダー（WB-1・大阪化学株式会社）にて粉砕し、その後、絶乾法により乾燥させた。上記粉砕、乾燥後のススキを粒径約１４メッシュアンダー程度として調製した。上記、粉砕及び乾燥させたススキ１．０ｇを蒸留水５０ｍｌに溶解させて、ススキ粒子を含有する水溶液を作製した。

固体酸として、上記強酸性イオン交換樹脂であるアンバーリスト１５Dry（ローム・アンド・ハース株式会社製）を採択し、加水分解反応を行った。なお、アンバーリスト１５Dry（ローム・アンド・ハース株式会社製）の物性は、酸量：４．４８[ミリモル／グラム]、粒径：約１８メッシュ以下である。反応装置として、２５φステンレス製チューブにスエジロッグ製のキャップをつけた、密閉可能なチューブ型反応管にススキ粒子を含有する水溶液５０ｍｌを入れ、上記固体酸触媒と水を入れた。その後、１．０時間、加水分解反応を行い、第１の工程の単糖化を完了させた。

次に、第２の工程として、上記チューブ型反応管に存在する未反応のススキ粒子を酵素処理し、残存するバイオマスを単糖化させた。１００ｍｌの三角フラスコに所定の酵素を添加し、酵素処理反応を行った。酵素処理反応の条件は、酵素として、セルラーゼ（製品名「オノズカR−１０（ヤクルト薬品株式会社製）」０．２ｇを使用し、反応液として、クエン酸緩衝液（pH４．３）、酢酸緩衝液（pH４．６）、反応温度を４５℃とし、振盪速度を１２０rpm（往復振盪）に設定して７２時間酵素反応を行った。本実施例において、上記第１の工程及び第２の工程からなる２段階の反応により、バイオマスであるススキを加水分解して生成した単糖類の定性分析を行った。生成した単糖類であるグルコース（Ｃ６）及びキシロース（Ｃ５）を以下のように液体クロマトグラフィーによる定性分析を行い、確認した。

上記定性分析に使用される測定機器として、高速液体クロマトグラフィー（HPLC：東ソー株式会社製、カラム：Amido80（東ソー（株））を使用し、そのキャリアーガス流量：１．０ml／分、カラム温度：８０℃、キャリアー（８０／２０体積％、アセトニトリル／水））の条件にて測定した。以下、図１に、固体酸水熱処理時間と、バイオマス（ススキ）から単糖類グルコース（Ｃ６）への転化率（■）及び単糖類キシロース（Ｃ５）への転化率（●）を糖収率として示す。

（実施例２ないし実施例６）
固体酸による処理時間をそれぞれ、３時間（実施例２）、６時間（実施例３）、１２時間（実施例４）、２４時間（実施例５）及び３０時間（実施例６）と変化させた以外は、実施例１と同様に固体酸水熱処理によるセルロース系バイオマスの単糖化を行った。以下、図１に、固体酸水熱処理時間とバイオマスから単糖類グルコース（Ｃ６）への転化率（■）及び単糖類キシロース（Ｃ５）への転化率（●）を糖収率（％）として示す（実線）。

さらに、図２に、図１から算出した固体酸水熱処理時間とバイオマスから単糖類グルコース（Ｃ６）及び単糖類キシロース（Ｃ５）の総転化率（●）を示す（実線）。

図１及び図２より、固体酸水熱処理時間が２４時間を超えるまでは、処理時間の増加に伴い、単糖類グルコース（Ｃ６）及び単糖類キシロース（Ｃ５）の各転化率及び総転化率（糖収率）は上昇した。特に、実施例１ないし実施例６に示されるように、固体酸触媒として、アンバーリスト１５Dryを採択し、２４時間水熱処理をした場合には、糖単類グルコース（Ｃ６）及び単糖類キシロース（Ｃ５）の総転化率（転化率）（●）は、６０重量％を示した。

なお、実施例１ないし実施例６において使用したセルロース系バイオマス資源であるススキ中の全セルロース成分は、下記表１に示すように６１．１重量％である。したがって、本発明の処理方法によれば、全セルロース９８．９％以上の転化率でバイオマスを単糖化することができた。

（比較例１ないし比較例６）
比較例として、酵素処理を行わないこと以外は、実施例１ないし実施例６と同様にして、バイオマスから単糖類グルコースへの転化を行った。結果を図１及び図２に示す。図１に、固体酸水熱処理時間とバイオマスから単糖類グルコース（Ｃ６）への転化率（□）及び単糖類キシロース（Ｃ５）への転化率（○）を糖収率（％）として示す（破線）。

（実施例７ないし実施例１２）
固体酸触媒として、上記強酸性イオン交換樹脂：アンバーリスト１５Ｗｅｔ（ローム・アンド・ハース株式会社製）を採択した以外は、実施例１ないし実施例６と同様に、固体酸水熱処理によるバイオマスの単糖化を行った。結果を図３及び図４に示す。図３において、固体酸水熱処理時間とバイオマスから単糖類グルコース（Ｃ６）への転化率（■）及び単糖類キシロース（Ｃ５）への転化率（●）を糖収率（％）として示し、図４に、図３から算出した固体酸水熱処理時間とバイオマスから単糖類グルコース（Ｃ６）及び単糖類キシロース（Ｃ５）の総転化率（●）を示す。

図３及び図４より、固体酸として、アンバーリスト３１Ｗｅｔを採択し、固体酸として、アンバーリスト３１Ｗｅｔを採択し、固体酸水熱処理時間が２４時間を超えるまでは、処理時間の増加に伴い、単糖類グルコース（Ｃ６）及び単糖類キシロース（Ｃ５）の各転化率及び総転化率（糖収率）は上昇した。同様に、実施例１ないし実施例６において使用したセルロース系バイオマス資源であるススキ中の全セルロース成分は、上記表１に示すように６１．１重量％である。したがって、本発明の処理方法によれば、８８．９％以上の転化率（最大転化率５４．３％）でバイオマスを単糖化することができた。

（比較例７ないし比較例１２）
酵素処理を行わないこと以外は、実施例７ないし実施例１２と同様にして、バイオマスから単糖類グルコースへの転化を行った。結果を図３及び図４に示す。
図３に、固体酸水熱処理時間とバイオマスから単糖類グルコース（Ｃ６）への転化率（□）及び単糖類キシロース（Ｃ５）への転化率（○）をそれぞれ糖収率（％）として示す。図４に、図３から算出した固体酸水熱処理時間とバイオマスから単糖類グルコース（Ｃ６）及び単糖類キシロース（Ｃ５）の総転化率を示す（破線）。

（実施例１３ないし実施例１７）
セルロース系バイオマスを稲藁（東京都府中市晴見町東京農工大学農学部敷地から採取）に替えた以外は、それぞれ実施例１ないし実施例５（処理時間をそれぞれ１、３、６、１２、２４時間）と同様にして固体酸水熱処理によるバイオマスの単糖化を行った。なお、本実施例においては、稲藁から糖単類グルコース（Ｃ６）及び単糖類キシロース（Ｃ５）の総転化率（●１５DRY）を算出した。なお、稲藁中の全セルロース成分は、上記の表１に示すように４８重量％であり、この数値よりバイオマスの総単糖化率を、糖収率として算出した。結果を図５に示す。

（実施例１８ないし実施例２０）
セルロース系バイオマスを稲藁（東京都府中市晴見町から採取）に替えた以外は、それぞれ実施例７、８及び実施例１０（処理時間をそれぞれ３、６、２４時間）と同様にして固体酸水熱処理によるバイオマスの単糖化を行った。なお、本実施例においては、稲藁から糖単類グルコース（Ｃ６）及び単糖類キシロース（Ｃ５）の総転化率（■３１Wet）を糖収率として算出した。結果を図５に示す。

（比較例１３ないし比較例１７）
酵素処理のみ行い、固体酸による処理を行わないこと以外は、それぞれ実施例１ないし実施例５（処理時間をそれぞれ１、３、６、１２、２４時間）と同様にしてバイオマスの単糖化を行った。なお、本実施例においては、稲藁から糖単類グルコース（Ｃ６）及び単糖類キシロース（Ｃ５）の総転化率（◆）を糖収率として算出した。結果を図５に示す。

図５より、固体酸存在下では、水熱処理における単糖生成も若干の上昇が見られた。そして酵素反応後には水熱処理時間、６時間以上で大きな単糖への転化率の上昇が見られた。稲藁に含まれる全セルロース量は、約４８％であるので最大の転化率で全セルロースの９５%程度が、単糖類として生成されていることになる。よって、原料のセルロース系バイオマス原料を雑草のススキから農産廃棄物である稲藁に変えても、ススキの場合と同様に、固体酸の添加効果があることが確認できた。

この結果から生成物の濃度は水熱処理時間が長くなるにつれてその生成量も増加していることが分かった。そして、固体酸を添加することで６時間以上とそれ未満では最終的に収束する濃度に大きな差が見られることがわかった。

ヘミセルロース由来と考えられるキシロース（Ｃ５）の生成は、触媒無添加の水熱処理の場合とアンバーリストを加えた固体酸水熱処理では異なる挙動を示し、酸存在下では酵素反応によるキシロース（Ｃ５）の増加は無添加と比較しても小さく、酵素反応よりも水熱処理に影響されていることがわかる。酸添加の無い状態ではセルロースの分解が進んでいる長い処理時間になるにつれてヘミセルロースの分解つまりキシロース（Ｃ５）の生成も促進されていることが判った。

（実施例２１ないし実施例２４）
セルロース系バイオマスとして、赤松廃材を使用し、固体酸水熱処理によるバイオマスの単糖化を行った。それぞれ実施例１ないし実施例３及び実施例５（処理時間をそれぞれ１、３、６、２４時間）と同様にして固体酸水熱処理によるバイオマスの単糖化を行った。結果を図６及び図７に示す。さらに、表２に水熱処理時間における各単糖類（キシロース、マンノース及びグルコース）のｗｔ％及び糖収率（％）のデータを示す。なお、赤松廃材を単糖化することによって、生成されうる、キシロース、マンノース及びグルコースは、実施例１と同様にして液体クロマトグラフィーによって定性・定量分析を行い、確認した。

図７によると、反応時間の経過に伴い、転化率が増大していくことがわかった。反応時間２４時間では、グルコース生成量が減少傾向に見られた。これは、反応時間の増大に伴い単糖類が過分解してしまったものと考えられる。

処理温度が１２０℃、反応時間が６時間の実施例２１では、１７．８％という最も高い総転化率(糖化率)を示した。糖転化率がススキ、稲藁等に比較して、低かった原因として、赤松廃材の骨格を構成するリグニンが、稲藁に比べて強固であるためと考えられる。

（比較例１８）
酵素処理のみ行い、固体酸による処理を行わないことつまり水熱処理時間０ｈ以外は、実施例３２と同様にしてバイオマスの単糖化を行った。なお、本実施例においては、稲藁から糖単類グルコース（Ｃ６）及び単糖類キシロース（Ｃ５）の総転化率を糖収率として算出した。結果を図６（水熱処理時間０ｈ）及び図７（水熱処理時間０ｈ）に示す。水熱処理時間が０時間においても、わずかに４．５％の総転化率(糖化率)が得られた。つまり、固体触媒の添加の有用性が明瞭に示された。

（実施例２５）
実施例２５において、赤松廃材の構成成分の一つであるリグニンを溶解除去するため、固体塩基水熱処理によるバイオマスの単糖化を行った。すなわち、固体触媒として、酸化マグネシウムを使用し、実施例１（処理時間を６時間）と同様にして固体酸水熱処理によるバイオマスの単糖化を行った。結果を表３に示す。なお、赤松廃材を単糖化することによって、生成されうる、キシロース、マンノース及びグルコースは、実施例１と同様にして液体クロマトグラフィーによって定性・定量分析を行い、確認した。

上記実施例の結果より、固体塩基である酸化マグネシウムでは、液体塩基水酸化ナトリウムに匹敵する程度の塩基強度及び塩基量を保持していないことが確認された。固体塩基によるリグニン除去を行うためには、更なる反応温度の上昇、固体塩基の塩基量及び塩基強度を高める必要があることが考えられる。

（実施例２６ないし実施例２９）
ルイス酸型固体酸触媒として、硫酸化ジルコニアを使用した以外は、それぞれ実施例１ないし実施例３及び実施例５（処理時間をそれぞれ１、３、６、２４時間）と同様にしてススキの単糖化を行った。その結果、本実施例においては、ススキから糖単類グルコース（Ｃ６）及び単糖類キシロース（Ｃ５）の総転化率は、それぞれ１５.４％、２８.５％、３９.１％、４８．６％であった。

（実施例３０及び実施例３１）
活性炭担体にスルホン酸基を導入した固体酸触媒として、スルホン酸―カーボンを採択した以外は、それぞれ実施例３及び実施例５（処理時間をそれぞれ６、２４時間）と同様にしてススキの単糖化を行った。その結果、本実施例においては、ススキから糖単類グルコース（Ｃ６）及び単糖類キシロース（Ｃ５）の総転化率は、４３.８％及び４２．８％であった。

（実施例３２ないし実施例３４）
固体酸水熱処理温度を９５℃に採択した以外は、それぞれ実施例９ないし実施例１１（処理時間をそれぞれ６、１２、２４時間）と同様にしてススキの単糖化を行った。結果を図８に示す（▲）。

（実施例３５及び実施例３６）
固体酸水熱処理温度を１５０℃に採択した以外は、それぞれ実施例７及び実施例８（処理時間をそれぞれ６、１２、２４時間）と同様にしてススキの単糖化を行った。結果を図８に示す（●）。

図４及び図８から同じ処理時間において処理温度が高くなるといずれの場合も総転化率（総糖収率）の上昇が見られた。特に１５０℃では１２０℃よりもより短時間の固体酸処理で転化率の上昇が確認された。しかし、９５℃の反応では反応時間を長くしても転化率の上昇は低かった。この結果、固体酸の酸効果は温度を高くすることで効果を示すことが確認できた。

本発明のセルロース系バイオマスの糖化方法は、エタノール製造技術分野、有機合成化学分野、さらには環境技術分野の技術革新に大きく寄与することができる。

水熱処理時間と各単糖類への転化率との関係を示す(固体酸アンバーリスト１５Dry １２０℃)。水熱処理時間と各単糖類への総転化率との関係を示す(固体酸アンバーリスト１５Dry １２０℃)。水熱処理時間と各単糖類への転化率との関係を示す(固体酸アンバーリスト３１Wet １２０℃)。水熱処理時間と各単糖類への総転化率との関係を示す(固体酸アンバーリスト３１Wet １２０℃)。水熱処理時間と各種固体酸による各単糖類への総転化率との関係を示す（１２０℃、稲藁）赤松の水熱処理時間と各単糖類への転化量の関係を示す(固体酸アンバーリスト３１Wet １２０℃)。赤松の水熱処理時間と各単糖類への総転化率との関係を示す(固体酸アンバーリスト３１Wet １２０℃)。水熱処理温度及び時間と各単糖類への総転化率との関係を示す(固体酸アンバーリスト３１Wet)。

Claims

セルロース系バイオマス原料を、担体表面の官能基と反応させ、前記セルロース系バイオマス原料を加水分解する第１の工程と、
前記第１の工程において生成する単糖類を含む溶液と未反応のセルロース系バイオマス原料を分離し、
前記未反応のセルロース系バイオマス原料を酵素と反応させ、加水分解する第２の工程とを含むことを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化方法。
前記担体表面の官能基は、電子対を受け取る性質を有することを特徴とする請求項１に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
前記担体表面の官能基は、酸性基であることを特徴とする請求項１に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
前記担体表面の官能基は、電子対を与える性質を有することを特徴とする請求項１に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
前記担体表面の官能基は、水酸基であることを特徴とする請求項１に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
前記担体は、熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
前記熱可塑性樹脂は、ポリスチレン樹脂であることを特徴とする請求項６項に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
前記ポリスチレン樹脂は、陽イオン交換樹脂であることを特徴とする請求項７に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
前記担体は、無機固体であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
前記無機固体は、アルミナ、シリカ、ジルコニアから選ばれることを特徴とする請求項８項に記載のセルロース系バイオマスの糖化方法。
セルロース系バイオマスを粉砕する処理手段と、
前記処理手段によって、粉砕されたセルロース系バイオマスをセルロース系バイオマス原料とする調製手段と、前記セルロース系バイオマス原料を
官能基を有する担体に供給するセルロース系バイオマス原料供給手段を備えた第１の処理部と、
前記第１の処理部において、生成する単糖類を含む溶液と未反応のセルロース系バイオマス原料を分離する手段と、前記未反応のセルロース系バイオマス原料を、酵素と反応させ、加水分解する第２の処理部とを含むことを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化装置。