JP2015142594A - Saccharification method and saccharification apparatus for cellulose-solubilized liquid - Google Patents

Saccharification method and saccharification apparatus for cellulose-solubilized liquid Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a saccharification method of cellulose-solubilized liquid, which enables saccharified liquid to be produced without using an acid catalyst when obtaining saccharified liquid from a cellulose-based biomass raw material, and which includes a small number of steps and can achieve reduction in production costs, and to provide a saccharification apparatus for cellulose-solubilized liquid.SOLUTION: The saccharification method of cellulose-solubilized liquid is provided which comprises: a first step of flowing cellulose-solubilized liquid obtained by converting a cellulose-containing biomass raw material, into a first inhibitor removal unit filled with a cation exchange substance; a second step of flowing effluent from the first inhibitor removal unit into a saccharification unit thereby converting the effluent to saccharified liquid; and a third step of flowing the saccharified liquid discharged from the saccharification unit into a second inhibitor removal unit filled with a cation exchange substance thereby obtaining saccharified liquid. After completion of the first to third steps, the cellulose-solubilized liquid is flowed in a direction reverse to the first to third steps, i.e., flowing the liquid from the second inhibitor removal unit to the first inhibitor removal unit via the saccharification unit to obtain the saccharified liquid.

Description

本発明は、セルロースを含有するバイオマス原料を触媒の存在しない条件下で糖化液に変換するセルロース系バイオマス原料の糖化方法に関する。   The present invention relates to a saccharification method for a cellulose-based biomass raw material, which converts a biomass raw material containing cellulose into a saccharified solution under conditions where no catalyst is present.

近年、石油代替燃料としてバイオ燃料が注目され、サトウキビやとうもろこしなどのバイオマスを原料としたバイオエタノールの生産が実用化されている。しかし、食料品をバイオエタノールの原料とした場合、食料品との競合によって価格が大きく変動するなどの問題が生ずる。このため、木材、草、稲わらなど非食料品であるセルロース系バイオマスを原料としたバイオ燃料の生産が望まれている。   In recent years, biofuel has attracted attention as an alternative fuel for petroleum, and production of bioethanol using biomass such as sugarcane and corn has been put into practical use. However, when food is used as a raw material for bioethanol, there is a problem that the price fluctuates greatly due to competition with the food. For this reason, production of biofuels using cellulosic biomass, which is a non-food product such as wood, grass, and rice straw, as a raw material is desired.

ところが、セルロース系バイオマス原料を糖化液に加水分解するのは容易ではない。このため、硫酸などの液体の強酸や固体酸触媒(例えば非特許文献1)を用いてセルロースを糖化する手法が古くから知られている。
また、セルロース系バイオマス原料を水熱処理(例えば特許文献1)して可溶化した後、固体酸触媒で糖化処理を行うことも行われている。
However, it is not easy to hydrolyze a cellulosic biomass raw material into a saccharified solution. For this reason, a technique for saccharifying cellulose using a liquid strong acid such as sulfuric acid or a solid acid catalyst (for example, Non-Patent Document 1) has been known for a long time.
Moreover, after solubilizing a cellulosic biomass raw material by hydrothermal treatment (for example, Patent Document 1), saccharification treatment is also performed using a solid acid catalyst.

特開2010−166831号公報 JP 2010-166831 A

M.Hara,et.al Nature,438,(2005)M. Hara, et.al Nature, 438, (2005)

しかし、硫酸などの液体の強酸を用いた場合には、後処理として強酸の中和処理のためにアルカリを大量に使用しなければならないとともに、石膏などが廃棄物として大量に発生したりするという問題がある。
一方、固体酸触媒を用いた場合には、使用後に固体酸触媒を回収して再利用することが可能となる。しかしながら、触媒を回収して再利用するためには固液分離工程が必要となり、製造工程数が増え、ひいては製造コストが高騰化する。
However, when using a liquid strong acid such as sulfuric acid, a large amount of alkali must be used as a post-treatment to neutralize the strong acid, and a large amount of gypsum is generated as waste. There's a problem.
On the other hand, when a solid acid catalyst is used, the solid acid catalyst can be recovered and reused after use. However, in order to recover and reuse the catalyst, a solid-liquid separation process is required, which increases the number of manufacturing processes and, consequently, increases the manufacturing cost.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、セルロース系バイオマス原料から糖化液を得る場合において、液体や固体の酸触媒を用いることなく糖化液を製造することが可能であって、工程数が少なく、製造コストの低廉化が可能なセルロース系バイオマス原料の糖化方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and in the case of obtaining a saccharified solution from a cellulosic biomass raw material, it is possible to produce a saccharified solution without using a liquid or solid acid catalyst. It is an object of the present invention to provide a saccharification method for a cellulose-based biomass raw material with a small number of steps and capable of reducing production costs.

本発明の第1の局面は、セルロースを含有するバイオマス原料を、温度と圧力と水分割合を制御して、有機酸の発生量を制御しながら可溶化混合物に変換する可溶化工程と、該可溶化混合物を加水分解させて糖化液を得る糖化工程と、を含むセルロース系バイオマス原料の糖化方法において、温度と圧力と水分割合を制御して前記可溶化混合物のpHを制御するか、または前記可溶化混合物に加える水の量でpHを制御した後、加水分解させることを特徴とするセルロース系バイオマス原料の糖化方法である。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a solubilization step of converting a biomass raw material containing cellulose into a solubilized mixture while controlling the temperature, pressure and moisture ratio and controlling the amount of organic acid generated, And a saccharification step of hydrolyzing the solubilized mixture to obtain a saccharified solution, wherein the pH of the solubilized mixture is controlled by controlling the temperature, pressure and water ratio, or It is a saccharification method of a cellulosic biomass raw material characterized in that the pH is controlled by the amount of water added to the solubilized mixture, followed by hydrolysis.

可溶化工程では、温度と圧力と水分割合とを制御することによって、セルロースを含有するバイオマス原料が水に可溶な混合物となり、乳酸や酢酸などの有機酸が副生する。そして、この可溶化工程で発生した有機酸が、糖化工程においてセルロースの加水分解による糖化反応の酸触媒として働き、セルロースが加水分解して糖化液となる。ここで温度と圧力と水分割合を制御して前記可溶化混合物のpHを制御するか、または前記可溶化混合物に加える水の量でpHを制御することにより、可溶化混合物のpHを糖化反応に適したpHとすることができる。このため、本発明のセルロース系バイオマス原料の糖化方法では、外部から液体や固体の酸触媒を添加しなくても、バイオマス原料から調達した有機酸を酸触媒として利用するだけで糖化工程を行うことが可能となり、製造コストの低廉化が可能となる。また、固体酸触媒を添加する方法のように、固体酸触媒を回収する必要がなく、工程数が少なくてすむ。   In the solubilization step, by controlling the temperature, pressure, and water ratio, the biomass raw material containing cellulose becomes a water-soluble mixture, and organic acids such as lactic acid and acetic acid are by-produced. The organic acid generated in the solubilization step serves as an acid catalyst for the saccharification reaction by hydrolysis of cellulose in the saccharification step, and the cellulose is hydrolyzed to become a saccharified solution. Here, the pH of the solubilized mixture is controlled by controlling the temperature, pressure and moisture ratio, or the pH of the solubilized mixture is controlled by the amount of water added to the solubilized mixture. A suitable pH can be obtained. For this reason, in the saccharification method of the cellulose-based biomass raw material of the present invention, the saccharification step is performed only by using the organic acid procured from the biomass raw material as an acid catalyst without adding a liquid or solid acid catalyst from the outside. The manufacturing cost can be reduced. Further, unlike the method of adding a solid acid catalyst, it is not necessary to recover the solid acid catalyst, and the number of steps can be reduced.

本発明における糖化工程では、pHが高すぎるとセルロースの加水分解の進行が遅くなり、可溶化糖溶液への反応時間が長くなる。また、pHが低すぎると、ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)等の過分解物が多く発生し、単糖の収率が悪くなるおそれがある。このため、糖化工程におけるpHが最適な範囲となるように制御することが好ましい。このため、本発明の第2の局面では、糖化液は、pHが1以上3.5未満であるとした。さらに好ましくは1.5以上3未満である。   In the saccharification step in the present invention, if the pH is too high, the progress of hydrolysis of cellulose is delayed, and the reaction time to the solubilized saccharide solution is prolonged. On the other hand, if the pH is too low, a large amount of hyperdegradable products such as hydroxymethylfurfural (HMF) are generated, and the yield of monosaccharides may be deteriorated. For this reason, it is preferable to control the pH in the saccharification step to be in an optimal range. Therefore, in the second aspect of the present invention, the saccharified solution has a pH of 1 or more and less than 3.5. More preferably, it is 1.5 or more and less than 3.

本発明の糖化方法においては、セルロースを含有するバイオマス原料に炭酸カルシウム等のアルカリ成分が含まれていた場合があり(例えば古紙中に填料として炭酸カルシウムが含まれている場合等)、糖化工程において発生した有機酸がこれらのアルカリ成分によって中和され、有機酸が酸触媒としての効果を発揮できない場合がある。このような場合には、陽イオン交換物質によってアルカリ成分中の金属イオンを水素イオンに変換し、pHを低下させれば有機酸が再生し、酸触媒として利用できるようになる。このため、本発明の第3の局面では、糖化工程は、有機酸を含有する可溶化混合物を固液分離する固液分離工程と、該固液分離によって得られた水溶液中の金属イオンを除去する金属イオン除去工程と、金属イオンが除去された前記水溶液を加熱処理して糖化液を得る加熱工程と、を有することとした。   In the saccharification method of the present invention, an alkaline component such as calcium carbonate may be contained in a biomass raw material containing cellulose (for example, when calcium carbonate is contained as a filler in waste paper). The generated organic acid is neutralized by these alkali components, and the organic acid may not be able to exhibit the effect as an acid catalyst. In such a case, if the metal ion in the alkali component is converted to hydrogen ion by the cation exchange material and the pH is lowered, the organic acid is regenerated and can be used as an acid catalyst. Therefore, in the third aspect of the present invention, the saccharification step includes a solid-liquid separation step for solid-liquid separation of the solubilized mixture containing the organic acid, and removal of metal ions in the aqueous solution obtained by the solid-liquid separation. And a heating step of heating the aqueous solution from which the metal ions have been removed to obtain a saccharified solution.

また、このための方法として、
前記糖化工程は、前記固液分離によって得られた水溶液を陽イオン交換物質が充填された第1の阻害物除去ユニットに流入させる第1工程と、
該第1の阻害物除去ユニットからの流出液を加熱処理して糖化液とする糖化ユニットに流入させて糖化液とする第2工程と、
該糖化ユニットから流出した糖化液を、陽イオン交換物質が充填された第2の阻害物除去ユニットに流入させて糖化液を得る第3工程と、を有し、
該第1〜3工程終了後、前記固液分離によって得られた水溶液を該第1〜3工程とは逆向きに第2の阻害物除去ユニットから糖化ユニットを経て第1の阻害物除去ユニットに流すことにより糖化液を得ることとすることができる。
As a method for this,
The saccharification step includes a first step of causing the aqueous solution obtained by the solid-liquid separation to flow into a first inhibitor removal unit filled with a cation exchange material;
A second step of heat-treating the effluent from the first inhibitor removal unit into a saccharification unit that is used as a saccharification solution to obtain a saccharification solution;
A third step of obtaining a saccharified solution by causing the saccharified solution flowing out of the saccharification unit to flow into a second inhibitor removing unit filled with a cation exchange material,
After completion of the first to third steps, the aqueous solution obtained by the solid-liquid separation is converted from the second inhibitor removal unit to the first inhibitor removal unit through the saccharification unit in the opposite direction to the first to third steps. A saccharified solution can be obtained by flowing.

この糖化方法では、第1工程において、固液分離によって得られた水溶液に含まれる金属イオンが第1の阻害物除去ユニットに充填された陽イオン交換物質によって水素イオンと置換された後、第2工程において、糖化ユニット中で糖化反応が行われる。このため、糖化ユニットには金属イオンの替りに水素イオンが流入し、pHの上昇による触媒活性の低下を防ぐことができる。このため、第2工程での糖化反応が迅速に行われる。さらに、第3工程においては、第2の阻害物除去ユニットに流入した後、糖化液として回収される。   In this saccharification method, in the first step, after the metal ions contained in the aqueous solution obtained by solid-liquid separation are replaced with hydrogen ions by the cation exchange material filled in the first inhibitor removal unit, In the process, a saccharification reaction is performed in the saccharification unit. For this reason, a hydrogen ion flows into a saccharification unit instead of a metal ion, and it can prevent the catalyst activity fall by the raise of pH. For this reason, the saccharification reaction in a 2nd process is performed rapidly. Furthermore, in a 3rd process, after flowing into a 2nd inhibitor removal unit, it collect | recovers as a saccharified liquid.

こうして、第1〜3工程終了後、固液分離によって得られた水溶液を第1〜3工程とは逆向きに第2の阻害物除去ユニットから糖化ユニットを経て第1の阻害物除去ユニットに流すことにより、第2の阻害物除去ユニットで固液分離によって得られた水溶液に含まれる金属イオンが水素イオンと置換することによって捕捉された後、金属イオンが除去された水溶液が糖化ユニットに流入し、迅速に糖化反応が進行して糖化液となる。そして、糖化ユニットから流出した糖化液が第1の阻害物除去ユニットに流入し、陽イオン交換物質に捕捉されていた金属イオンが、糖化液中の水素イオンと置換され、陽イオン交換物質がふたたび陽イオンを捕捉できる状態に再生される。そして第1の阻害物除去ユニットから流出した糖化液を回収する。   Thus, after the completion of the first to third steps, the aqueous solution obtained by solid-liquid separation is flowed from the second inhibitor removal unit through the saccharification unit to the first inhibitor removal unit in the opposite direction to the first to third steps. Thus, after the metal ions contained in the aqueous solution obtained by solid-liquid separation in the second inhibitor removal unit are captured by substitution with hydrogen ions, the aqueous solution from which the metal ions have been removed flows into the saccharification unit. The saccharification reaction proceeds rapidly to become a saccharified solution. Then, the saccharified solution that has flowed out of the saccharification unit flows into the first inhibitor removal unit, and the metal ions captured by the cation exchange material are replaced with hydrogen ions in the saccharification solution, so that the cation exchange material is returned again. It is regenerated so that it can capture cations. And the saccharified liquid which flowed out from the 1st inhibitor removal unit is collect | recovered.

以上の工程を繰り返すことにより、阻害物除去ユニット内の陽イオン交換物質による金属イオンの捕捉と再生とを繰り返しながら、糖化反応を迅速かつ連続で行うことができる。したがって、この糖化方法によれば、有機酸を含む水溶液中の金属イオンを含んだアルカリ成分による触媒活性の低下を防ぐことができ、稼働コストも低廉となる。   By repeating the above steps, the saccharification reaction can be carried out rapidly and continuously while repeating the capture and regeneration of metal ions by the cation exchange material in the inhibitor removal unit. Therefore, according to this saccharification method, it is possible to prevent a decrease in catalytic activity due to an alkali component containing a metal ion in an aqueous solution containing an organic acid, and the operating cost is reduced.

陽イオン交換物質は陽イオン交換樹脂とすることができる。このような陽イオン交換物質として、例えば、ナフィオン(登録商標)等の陽イオン交換樹脂が挙げられる。   The cation exchange material can be a cation exchange resin. Examples of such a cation exchange material include cation exchange resins such as Nafion (registered trademark).

以上の糖化方法は次の糖化装置によって実施することができる。
すなわち、本発明の糖化装置は、
固液分離によって得られた水溶液を加熱処理して糖化液とする糖化ユニットと、陽イオン交換物質が充填された第1及び第2の阻害物除去ユニットとを備え、
該水溶液を該第1の阻害物除去ユニットから該糖化ユニットを経由して該第2の阻害物除去ユニットへ流入する第1の流路と、
該水溶液を該第2の阻害物除去ユニットから該糖化ユニットを経由して該第1の阻害物除去ユニットへ流入する第2の流路と、
該第1の流路と該第2の流路とを切替可能とする切替手段と、が設けられている。
The above saccharification method can be implemented by the following saccharification apparatus.
That is, the saccharification apparatus of the present invention is
A saccharification unit that heat-treats an aqueous solution obtained by solid-liquid separation into a saccharification solution, and first and second inhibitor removal units filled with a cation exchange substance,
A first flow path for flowing the aqueous solution from the first inhibitor removal unit via the saccharification unit to the second inhibitor removal unit;
A second flow path for flowing the aqueous solution from the second inhibitor removal unit via the saccharification unit to the first inhibitor removal unit;
Switching means for enabling switching between the first flow path and the second flow path is provided.

この糖化装置では、第1の流路の途中であって、第1の阻害物除去ユニットの上流側並びに途中及び/又は下流側にはpHセンサ及び/又は電気伝導度センサが設けられており、第2の流路の途中であって、第2の阻害物除去ユニットの上流側並びに途中及び/又は下流側にはpHセンサ及び/又は電気伝導度センサが設けられており、各pHセンサ及び/又は各電気伝導度センサの出力に応じて切替手段を制御する制御部が設けられている装置とすることができる。   In this saccharification device, a pH sensor and / or an electrical conductivity sensor is provided in the middle of the first flow path, upstream and midway and / or downstream of the first inhibitor removal unit, A pH sensor and / or an electrical conductivity sensor are provided in the middle of the second flow path, upstream and in the middle and / or downstream of the second inhibitor removal unit. Or it can be set as the apparatus provided with the control part which controls a switching means according to the output of each electrical conductivity sensor.

こうであれば、pHセンサ及び/又は電気伝導度センサの出力値によって、阻害物除去ユニットの金属イオン吸着量を把握することができる。すなわち、金属イオンの吸着は陽イオン交換物質に存在する水素イオンとの置換によって行われ、陽イオン交換能を有する間は水素イオンの放出によってpHや電気伝導度が変化するため、阻害物除去ユニットの流入液から流出液へのpHや電気伝導度を測定すれば、陽イオン交換の飽和度を測定できることとなる。したがって、pHセンサ及び/又は電気伝導度センサの出力値に基づいて制御部によって切替手段を制御することによって、切替手段の適切な制御が可能となる。
本発明の第4の局面は、セルロースを含有するバイオマス原料を変換して得られたセルロース可溶化液を、陽イオン交換物質が充填された第1の阻害物除去ユニットに流入させる第1工程と、
該第1の阻害物除去ユニットからの流出液を糖化ユニットに流入させて糖化液とする第2工程と、
該糖化ユニットから流出した糖化液を、陽イオン交換物質が充填された第2の阻害物除去ユニットに流入させて糖化液を得る第3工程と、を有し、
該第1〜3工程終了後、セルロース可溶化液を該第1〜3工程とは逆向きに第2の阻害物除去ユニットから糖化ユニットを経て第1の阻害物除去ユニットに流すことにより糖化液を得ることを特徴とするセルロース可溶化液の糖化方法である。
本発明の第5の局面は、セルロースを含有するバイオマス原料を変換して得られた可溶化液から糖化液を得るセルロース可溶化液の糖化装置であって、
糖化ユニットと、陽イオン交換物質が充填された第1及び第2の阻害物除去ユニットとを備え、
前記可溶化液を該第1の阻害物除去ユニットから該糖化ユニットを経由して該第2の阻害物除去ユニットへ流入する第1の流路と、
前記可溶化液を該第2の阻害物除去ユニットから該糖化ユニットを経由して該第1の阻害物除去ユニットへ流入する第2の流路と、
該第1の流路と該第2の流路とを切替可能とする切替手段と、が設けられているセルロース可溶化液の糖化装置である。
第5の局面に規定のセルロース可溶化液の糖化装置では、前記第1の流路の途中であって、前記第1の阻害物除去ユニットの上流側並びに途中及び/又は下流側にはpHセンサ及び/又は電気伝導度センサが設けられており、
前記第2の流路の途中であって、前記第2の阻害物除去ユニットの上流側並びに途中及び/又は下流側にはpHセンサ及び/又は電気伝導度センサが設けられており、
各該pHセンサ及び/又は各該電気伝導度センサの出力に応じて前記切替手段を制御する制御部が設けられている。
If it is like this, the metal ion adsorption amount of an obstruction removal unit can be grasped | ascertained by the output value of a pH sensor and / or an electrical conductivity sensor. That is, the adsorption of metal ions is performed by substitution with hydrogen ions present in the cation exchange material, and while the cation exchange capacity is maintained, the pH and electrical conductivity change due to the release of hydrogen ions. If the pH and electrical conductivity from the influent to the effluent are measured, the cation exchange saturation can be measured. Therefore, by controlling the switching unit by the control unit based on the output values of the pH sensor and / or the electrical conductivity sensor, it is possible to appropriately control the switching unit.
A fourth aspect of the present invention is a first step of causing a cellulose solubilized liquid obtained by converting a biomass raw material containing cellulose to flow into a first inhibitor removal unit filled with a cation exchange material; ,
A second step of flowing the effluent from the first inhibitor removal unit into the saccharification unit to obtain a saccharification solution;
A third step of obtaining a saccharified solution by causing the saccharified solution flowing out of the saccharification unit to flow into a second inhibitor removing unit filled with a cation exchange material,
After the completion of the first to third steps, the cellulose lysate is flowed from the second inhibitor removal unit through the saccharification unit to the first inhibitor removal unit in the opposite direction to the first to third steps. A method for saccharifying a cellulose-solubilized solution characterized in that
A fifth aspect of the present invention is a saccharification apparatus for cellulose solubilized liquid that obtains a saccharified liquid from a solubilized liquid obtained by converting a biomass raw material containing cellulose.
A saccharification unit and first and second inhibitor removal units filled with a cation exchange material,
A first flow path for flowing the lysate from the first inhibitor removal unit into the second inhibitor removal unit via the saccharification unit;
A second flow path for flowing the lysate from the second inhibitor removal unit via the saccharification unit to the first inhibitor removal unit;
A saccharification apparatus for a cellulose solubilizing liquid, comprising: a switching unit capable of switching between the first channel and the second channel.
In the saccharification apparatus for cellulose solubilized liquid defined in the fifth aspect, a pH sensor is provided in the middle of the first flow path, upstream, midway and / or downstream of the first inhibitor removal unit. And / or an electrical conductivity sensor is provided,
A pH sensor and / or an electrical conductivity sensor is provided in the middle of the second flow path, upstream and midway and / or downstream of the second inhibitor removal unit,
A control unit is provided for controlling the switching means in accordance with the output of each pH sensor and / or each electrical conductivity sensor.

本発明の実施形態のセルロース系バイオマス原料の糖化方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the saccharification method of the cellulose biomass raw material of embodiment of this invention. 温度及び圧力変化に伴う水の状態を示す図である。It is a figure which shows the state of the water accompanying a temperature and pressure change. 実施形態1の糖化装置において、セルロース可溶化液が第1阻害物質除去ユニット11から糖化ユニット13を経由して第2阻害物除去ユニット12へ流入している状態を示す模式図である。In the saccharification apparatus of Embodiment 1, it is a schematic diagram which shows the state into which the cellulose solubilization liquid is flowing in into the 2nd inhibitor removal unit 12 via the saccharification unit 13 from the 1st inhibitor removal unit 11. FIG. 実施形態1の糖化装置において、セルロース可溶化液が第2阻害物質除去ユニット12から糖化ユニット13を経由して第1阻害物除去ユニット11へ流入している状態を示す模式図である。In the saccharification apparatus of Embodiment 1, it is a schematic diagram which shows the state into which the cellulose solubilization liquid is flowing in into the 1st inhibitor removal unit 11 via the saccharification unit 13 from the 2nd inhibitor removal unit 12. FIG. 実施形態2の糖化装置の模式図である。It is a schematic diagram of the saccharification apparatus of Embodiment 2. 実施例1及び比較例1における可溶化工程後のpHと糖化工程後の単糖の収率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the pH after the solubilization process in Example 1 and the comparative example 1, and the yield of the monosaccharide after a saccharification process. 実施例2及び比較例2における可溶化工程後のpHと糖化工程後の単糖の収率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the pH after the solubilization process in Example 2 and the comparative example 2, and the yield of the monosaccharide after a saccharification process.

<実施形態1>
本発明の実施形態1のセルロース系バイオマス原料の糖化方法を図1に示す。以下詳細に説明する。
<Embodiment 1>
The saccharification method of the cellulose biomass raw material of Embodiment 1 of this invention is shown in FIG. This will be described in detail below.

(原 料)
セルロースを含有する原料となるのは、セルロースを含む植物系の原料であり、セルロースの他に、でん粉、ヘミセルロース、ペクチンなど、セルロース以外の多糖を含むものであっても用いることができる。具体的には、稲わら、麦わら、バガス等の草類、竹、笹などの間伐材、おがくず、チップ、端材などの木材加工木屑、街路樹剪定材、木質建築廃材、樹皮、流木等の木質系バイオマス、古紙等のセルロース製品からのバイオマス等が挙げられる。また、セルロースを原料として使用可能な程度含むものであれば、汚泥、畜糞、農業廃棄物、都市ゴミ等も用いることができる。
(material)
The raw material containing cellulose is a plant-based raw material containing cellulose, and it can be used even if it contains polysaccharides other than cellulose, such as starch, hemicellulose, and pectin, in addition to cellulose. Specifically, grasses such as rice straw, wheat straw, bagasse, thinned timber such as bamboo and firewood, sawn wood, chips, wood chips such as wood chips, pruned roadside trees, wood construction waste, bark, driftwood, etc. Examples include woody biomass and biomass from cellulose products such as waste paper. In addition, sludge, livestock excrement, agricultural waste, municipal waste, etc. can be used as long as cellulose can be used as a raw material.

・粗粉砕工程(S1)
これらの原料は、セルロースの可溶化を促進させるために、前処理として粗粉砕を行い、セルロースの結晶化度を下げておくことが好ましい。粉砕方法としては特に限定されず、原料の形態に応じて適当な方法を適宜選択すればよいが、まず数〜数十mm程度に粗粉砕してハンドリングし易い状態にしてから、さらに細かく粉砕すると、微粉砕を効率的に行なうことができる。粗粉砕にはハンマーミルやカッターミルなどの汎用粉砕機が使用できる。また、微粉砕には、振動ミル、ボールミル、ロッドミル、ローラーミル、コロイドミル、ディスクミル、ジェットミルなどの汎用粉砕機が使用でき、原料を数〜数十ミクロンに微細化するとともに、セルロース結晶性を低下させることができる。微粉砕処理は、乾式、湿式いずれの方式も適用できるが、セルロースの結晶性を低下させる面で、乾式粉砕が望ましい。原料の含水量が多い場合には、あらかじめ遠心脱水や熱風乾燥などで含水率を30%以下にしてから乾式粉砕を行うことで、セルロースの結晶性を効率的に低下させることができる。
・ Rough grinding process (S1)
In order to promote solubilization of cellulose, these raw materials are preferably subjected to coarse pulverization as a pretreatment to reduce the crystallinity of cellulose. The pulverization method is not particularly limited, and an appropriate method may be appropriately selected according to the form of the raw material, but first, it is roughly pulverized to several to several tens of millimeters to be easily handled, and then further finely pulverized. Fine grinding can be performed efficiently. A general-purpose pulverizer such as a hammer mill or a cutter mill can be used for coarse pulverization. For fine pulverization, general-purpose pulverizers such as a vibration mill, ball mill, rod mill, roller mill, colloid mill, disc mill, jet mill, etc. can be used. Can be reduced. As the pulverization treatment, both dry and wet methods can be applied, but dry pulverization is desirable in terms of reducing the crystallinity of cellulose. When the water content of the raw material is large, the crystallinity of cellulose can be effectively reduced by dry pulverization after the water content is reduced to 30% or less in advance by centrifugal dehydration or hot air drying.

・水分調整工程(S2)
粗粉砕の終わった原料に対して、その水分含有率を測定してから、水分割合の調整を行う。水分割合の多すぎる場合は乾燥させ、水分割合が少ない場合は水を添加する。適切な水分割合の計算方法については、次の可溶化工程において説明する。
・ Moisture adjustment process (S2)
After measuring the moisture content of the raw material after the coarse pulverization, the moisture content is adjusted. If the water content is too high, dry it. If the water content is low, add water. An appropriate method for calculating the water content will be described in the next solubilization step.

・可溶化工程(S3)
そして、水分割合を調整した粗粉砕原料を温度と圧力を制御することによって、有機酸を含有する可溶化混合物とする。温度及び圧力の制御としては、1)水熱処理を行うための制御法や、2)低温低圧での制御法が挙げられる。
水熱処理とは飽和水蒸気圧以上に加圧された加圧熱水(液体状態で存在する高温高圧の水)によってセルロース含有バイオマス原料を水可溶性にする処理であり、図2に示した亜臨界領域や超臨界領域で処理を行う。亜臨界領域では飽和水蒸気圧よりも全圧が高い領域であり、換言すれば水が水蒸気以外に液体の水として安定に共存する領域である。このため、亜臨界領域でのセルロースの加水分解反応は、イオン積が大きくなっている液体の水によって進行するものと推定される。また、超臨界領域でのセルロースの加水分解反応は、気−液の区別ができなくなった超臨界状態という特殊な状態の水による加水分解反応である。加圧熱水はイオン積が増加するため、セルロースの加水分解反応を促進すると考えられている(特許文献1 段落番号[0024]参照)。このため、水熱処理法は、特別な薬品を使うことなく、短時間でセルロース原料を可溶化することができるという長所を有しており、環境に対する負荷も小さいセルロース原料の可溶化法であるということができる。また、可溶化に伴い、可溶化糖以外に乳酸や酢酸等の有機酸も生成し、後述する糖化工程(S5)においてこれらの有機酸を触媒として利用することができる。生成する有機酸の量は、温度や圧力や反応時間を制御することによってコントロールが可能である。
・ Solubilization step (S3)
Then, the coarsely pulverized raw material with the adjusted water ratio is made into a solubilized mixture containing an organic acid by controlling the temperature and pressure. Examples of temperature and pressure control include 1) a control method for performing hydrothermal treatment, and 2) a control method at low temperature and low pressure.
Hydrothermal treatment is a treatment that makes a cellulose-containing biomass raw material water-soluble by pressurized hot water (high-temperature and high-pressure water that exists in a liquid state) pressurized to a saturation water vapor pressure or higher, and is a subcritical region shown in FIG. Or in the supercritical region. In the subcritical region, the total pressure is higher than the saturated water vapor pressure. In other words, water is a region where water stably coexists as liquid water in addition to water vapor. For this reason, it is presumed that the hydrolysis reaction of cellulose in the subcritical region proceeds with liquid water having a large ionic product. In addition, the hydrolysis reaction of cellulose in the supercritical region is a hydrolysis reaction with water in a special state called a supercritical state where gas-liquid cannot be distinguished. Pressurized hot water is thought to accelerate the hydrolysis reaction of cellulose due to an increase in ion product (see paragraph number [0024] in Patent Document 1). For this reason, the hydrothermal treatment method has the advantage that the cellulose raw material can be solubilized in a short time without using a special chemical, and is said to be a solubilizing method of the cellulose raw material with a small environmental load. be able to. Further, along with solubilization, organic acids such as lactic acid and acetic acid are also produced in addition to the solubilized sugar, and these organic acids can be used as catalysts in the saccharification step (S5) described later. The amount of organic acid produced can be controlled by controlling temperature, pressure and reaction time.

一方、低温低圧での制御法では、水熱処理とは全く異なった温度−圧力の領域を用いる。すなわち、100℃以上300℃未満であって、且つ、全圧が0.05MPa以上10MPa未満という高温−低圧の領域で加水分解反応を行うことが特徴である。このような領域は、図2における斜線内の部分で示され、全圧が飽和水蒸気圧よりも小さい領域(すなわち、水が安定に存在せず、水蒸気のみが存在する領域)か、液体の水と水蒸気とが共存はするが全圧は10MPa未満と小さい領域であり、亜臨界領域や超臨界領域とは全く異なる状況である。この方法においても、可溶化糖以外に乳酸や酢酸等の有機酸も生成し、後述する糖化工程(S5)においてこれらの有機酸を触媒として利用することができる。生成する有機酸の量は、添加する水の量、温度、圧力、反応時間等を制御することによってコントロールが可能である。この低温低圧での制御法は、加圧熱水を用いた方法よりもヒドロキシメチルフルフラール(HMF)等の過分解物の生成が少なく、最終的な糖化の収率を高くすることができる。   On the other hand, the control method at low temperature and low pressure uses a temperature-pressure region which is completely different from that of hydrothermal treatment. That is, it is characterized in that the hydrolysis reaction is carried out in a high temperature-low pressure region where the total pressure is from 0.05 MPa to less than 10 MPa. Such a region is indicated by a hatched portion in FIG. 2 and is a region where the total pressure is smaller than the saturated water vapor pressure (that is, a region where water does not exist stably and only water vapor exists) or liquid water. Coexists with water vapor, but the total pressure is a small region of less than 10 MPa, which is completely different from the subcritical region and the supercritical region. Also in this method, organic acids such as lactic acid and acetic acid can be generated in addition to the solubilized sugar, and these organic acids can be used as a catalyst in the saccharification step (S5) described later. The amount of organic acid to be generated can be controlled by controlling the amount of water to be added, temperature, pressure, reaction time, and the like. This low temperature and low pressure control method produces less overdegradation products such as hydroxymethylfurfural (HMF) than the method using pressurized hot water, and can increase the final saccharification yield.

可溶化工程(S3)では、温度や圧力を制御するために反応容器は蓋付きの密閉容器を用いることができる。このような容器としては、耐食性金属からなるオートクレーブ装置や、PTFE等のフッ素樹脂からなる蓋付き容器を内側に収容する金属性耐圧容器といった、二重構造の容器を用いることもできる。
そして、これらの容器内に水分割合を調整した粗粉砕原料と水とを所定量投入し、蓋を閉めて温度を設定する。これにより原料にもともと含まれていた水分及び添加した水は、水蒸気となり体積を増す。このとき、最終的に到達する圧力は、実ガスに対する補正がなされた状態方程式に、温度、水の量及び容器体積を代入することにより、容易に求めることができる。このため、可溶化工程に先立って行われる、粉砕されたセルロース原料の水分調整は、計算で求められた量となるように行う。加熱方法は特に制限されず、電気ヒータ、高周波、マイクロ波、スチーム等を用いることができる。こうして可溶化工程(S3)が終了した粗粉砕原料は、乳酸や酢酸などの有機酸を含有する可溶化混合物となる。
In the solubilization step (S3), a closed vessel with a lid can be used as the reaction vessel in order to control temperature and pressure. As such a container, a double-structure container such as an autoclave apparatus made of a corrosion-resistant metal or a metal pressure-resistant container that houses a lidded container made of a fluororesin such as PTFE can be used.
Then, a predetermined amount of the coarsely pulverized raw material and water adjusted in the water ratio are put into these containers, the lid is closed, and the temperature is set. As a result, the water originally contained in the raw material and the added water become water vapor and increase in volume. At this time, the finally reached pressure can be easily obtained by substituting the temperature, the amount of water, and the container volume into the state equation corrected for the actual gas. For this reason, the water | moisture content adjustment of the pulverized cellulose raw material performed prior to a solubilization process is performed so that it may become the quantity calculated | required by calculation. The heating method is not particularly limited, and an electric heater, high frequency, microwave, steam, or the like can be used. The coarsely pulverized raw material after the solubilization step (S3) is thus a solubilized mixture containing an organic acid such as lactic acid or acetic acid.

・抽出工程(S4)
こうして得られた可溶化混合物に対して0.1〜500倍量となるように水を加えて溶解し可溶化液を得る。この可溶化液には乳酸や酢酸等の有機酸が含まれているため酸性となる。
・ Extraction process (S4)
Water is added to dissolve the solubilized mixture thus obtained in an amount of 0.1 to 500 times to obtain a solubilized solution. This solubilized solution is acidic because it contains an organic acid such as lactic acid or acetic acid.

・糖化工程(S5)
さらに可溶化液を混合撹拌し、有機酸触媒による加水分解を行い、グルコース等の単糖を主成分として含有する糖化液を得る。このとき、加温して反応を促進させることもできる。
・ Saccharification process (S5)
Further, the solubilized solution is mixed and stirred, and hydrolyzed with an organic acid catalyst to obtain a saccharified solution containing a monosaccharide such as glucose as a main component. At this time, the reaction can be promoted by heating.

以上のように、実施形態1のセルロース系バイオマス原料の糖化方法では、可溶化工程(S3)において生成した有機酸を酸触媒として利用して、糖化工程(S5)において糖化液を得る。このため、固体酸触媒や液体の酸を外部から添加する必要がなく、製造コストを低廉化することができる。また、抽出工程(S4)後に固液分離をすることなく糖化工程(S5)を行うことができるため、製造工程数を少なくすることができる。   As mentioned above, in the saccharification method of the cellulose biomass raw material of Embodiment 1, the organic acid produced | generated in the solubilization process (S3) is utilized as an acid catalyst, and a saccharified liquid is obtained in a saccharification process (S5). For this reason, it is not necessary to add a solid acid catalyst or a liquid acid from the outside, and the manufacturing cost can be reduced. Moreover, since a saccharification process (S5) can be performed without performing solid-liquid separation after an extraction process (S4), the number of manufacturing processes can be reduced.

<糖化装置>
・実施形態1の糖化装置
本発明における糖化方法を具体化できる実施形態1の糖化装置10を図3に示す。この糖化装置10は、第1阻害物除去ユニット11、第2阻害物除去ユニット12及び糖化ユニット13を備えている。両阻害物除去ユニット11、12の内部には、酸処理された陽イオン交換樹脂が充填されている。
<Saccharification equipment>
-Saccharification apparatus of Embodiment 1 The saccharification apparatus 10 of Embodiment 1 which can embody the saccharification method in this invention is shown in FIG. The saccharification apparatus 10 includes a first inhibitor removal unit 11, a second inhibitor removal unit 12, and a saccharification unit 13. Both inhibitor removal units 11 and 12 are filled with an acid-treated cation exchange resin.

第1阻害物除去ユニット11の両端には三方バルブV1、V2が取り付けられており、第2阻害物除去ユニット12の両端には三方バルブV3、V4が取り付けられている。
また、図示しない固液分離装置から送られた有機酸を含む水溶液を流入させるための流入管14が、途中で枝分かれして三方バルブV1及びV3に接続されている。また、三方バルブV2と三方バルブV4とを接続する2つの配管15、16が配設されている。さらには、配管15の途中から配管17aが枝分かれして糖化ユニット13の一端に接続されており、糖化ユニット13の他端には配管17bの一端が接続されており他端が配管16の途中に接続されている。
Three-way valves V 1 and V 2 are attached to both ends of the first inhibitor removal unit 11, and three-way valves V 3 and V 4 are attached to both ends of the second inhibitor removal unit 12.
In addition, an inflow pipe 14 for allowing an aqueous solution containing an organic acid sent from a solid-liquid separator (not shown) to flow in is branched in the middle and connected to the three-way valves V1 and V3. Further, two pipes 15 and 16 for connecting the three-way valve V2 and the three-way valve V4 are provided. Further, a pipe 17 a branches from the middle of the pipe 15 and is connected to one end of the saccharification unit 13. One end of the pipe 17 b is connected to the other end of the saccharification unit 13, and the other end is in the middle of the pipe 16. It is connected.

次に、上記糖化装置10の使用方法について説明する。
図示しない固液分離装置から送られる有機酸を含む水溶液は、流入管14から流入し、以下の流路(図3中の太線で示す流路)を経由するように三方バルブV1〜V4が操作される。
まず、流入管14から流入した有機酸を含む水溶液は、三方バルブV1から第1阻害物除去ユニット11に入る。ここで、有機酸含有水溶液に含まれるCaイオンなどの金属イオンが陽イオン交換樹脂の水素イオンとイオン交換される。こうして金属イオンが水素イオンと置換された有機酸含有水溶液は、三方バルブV2を経由して糖化ユニット13に入り、糖化反応が行われる。ここで糖化ユニット13に流入した有機酸含有水溶液は第1阻害物除去ユニットで金属イオンが水素イオンに置換されているので、pHが中和によって高くなっていることはなく、糖化反応は迅速に進行する。そして、糖化ユニット13から流出した糖化液が三方バルブV4を経由して、第2阻害物除去ユニット12に入り、さらに三方バルブV3を経て糖化液を回収する。
Next, a method for using the saccharification apparatus 10 will be described.
An aqueous solution containing an organic acid sent from a solid-liquid separation device (not shown) flows from the inflow pipe 14 and is operated by the three-way valves V1 to V4 so as to pass through the following flow paths (flow paths indicated by bold lines in FIG. 3). Is done.
First, the aqueous solution containing the organic acid that has flowed from the inflow pipe 14 enters the first inhibitor removal unit 11 through the three-way valve V1. Here, metal ions such as Ca ions contained in the organic acid-containing aqueous solution are ion-exchanged with hydrogen ions of the cation exchange resin. The organic acid-containing aqueous solution in which metal ions are replaced with hydrogen ions in this way enters the saccharification unit 13 via the three-way valve V2, and a saccharification reaction is performed. Here, the organic acid-containing aqueous solution flowing into the saccharification unit 13 is replaced with hydrogen ions in the first inhibitor removal unit, so that the pH does not increase due to neutralization, and the saccharification reaction is performed quickly. proceed. The saccharified solution flowing out from the saccharification unit 13 enters the second inhibitor removal unit 12 via the three-way valve V4, and further collects the saccharified solution via the three-way valve V3.

所定時間経過後、図4に示すように、有機酸を含む水溶液を上記流れとは逆向きに、第2の阻害物除去ユニット12から糖化ユニット13を経て第1の阻害物除去ユニット11に流れるように、三方バルブV1〜V4を操作する。
すなわち、まず有機酸を含む水溶液が三方バルブV3から第2阻害物除去ユニット12に入る。ここで、有機酸含有水溶液に含まれる金属イオンが陽イオン交換樹脂の水素イオンと交換されて吸着される。こうして金属イオンが除去された有機酸含有水溶液は、三方バルブV4を経由して糖化ユニット13入り、糖化反応が行われる。ここで糖化ユニット13に流入した有機酸含有水溶液には金属イオンが含まれていないので、金属イオンが有機酸の酸触媒としての活性を低下させることはなく、糖化反応は迅速に進行する。そして、糖化ユニット13から流出した糖化液が三方バルブV2を経由して、第1阻害物除去ユニット11に入り、陽イオン交換物質に捕捉されていた金属イオンが、糖化液中の水素イオンと置換され、陽イオン交換物質がふたたび陽イオンを捕捉できる状態に再生される。そして第1の阻害物除去ユニット11から流出した糖化液を三方バルブV1から回収する。
After a predetermined time has elapsed, as shown in FIG. 4, an aqueous solution containing an organic acid flows from the second inhibitor removal unit 12 through the saccharification unit 13 to the first inhibitor removal unit 11 in the opposite direction to the above flow. Thus, the three-way valves V1 to V4 are operated.
That is, first, an aqueous solution containing an organic acid enters the second inhibitor removal unit 12 from the three-way valve V3. Here, metal ions contained in the organic acid-containing aqueous solution are exchanged and adsorbed with hydrogen ions of the cation exchange resin. The organic acid-containing aqueous solution from which the metal ions are removed in this way enters the saccharification unit 13 via the three-way valve V4, and a saccharification reaction is performed. Here, since the organic acid-containing aqueous solution flowing into the saccharification unit 13 does not contain metal ions, the metal ions do not decrease the activity of the organic acid as an acid catalyst, and the saccharification reaction proceeds rapidly. Then, the saccharified solution flowing out from the saccharification unit 13 enters the first inhibitor removal unit 11 via the three-way valve V2, and the metal ions captured by the cation exchange material are replaced with hydrogen ions in the saccharified solution. Then, the cation exchange material is regenerated so that the cation can be captured again. And the saccharified liquid which flowed out from the 1st obstruction removal unit 11 is collect | recovered from the three-way valve V1.

以上の工程を繰り返すことにより、何らの薬剤も消費することなく、阻害物除去ユニット11、12内の陽イオン交換物質による金属イオンの捕捉と再生とを繰り返しながら、糖化反応を迅速かつ連続で行うことができる。したがって、実施形態1の有機酸を含む水溶液の糖化装置によれば、有機酸を含む水溶液中の金属イオンによる触媒活性の低下を防ぎつつ、稼働コストも低廉な有機酸を含む水溶液の糖化を行うことができる。   By repeating the above steps, the saccharification reaction is carried out rapidly and continuously, while capturing and regenerating the metal ions by the cation exchange material in the inhibitor removal units 11 and 12 without consuming any drug. be able to. Therefore, according to the saccharification apparatus for an aqueous solution containing an organic acid according to Embodiment 1, saccharification of an aqueous solution containing an organic acid is performed at a low operating cost while preventing a decrease in catalytic activity due to metal ions in the aqueous solution containing the organic acid. be able to.

・実施形態2の糖化装置
実施形態2の糖化装置は、図5に示すように、阻害物除去ユニット11が阻害物除去ユニット11a、11bの2つの部分に分かれており、阻害物除去ユニット12が阻害物除去ユニット12a、12bの2つの部分に分かれている。そして流入管14の途中に第1pHセンサーP1が設けられており、阻害物除去ユニット11a、11b間に第2pHセンサーP2が設けられており、阻害物除去ユニット12a、12b間に第3pHセンサーP3が設けられており、配管17aに第4pHセンサーP4が設けられている。第1〜第4pHセンサーP1〜P4はセンサーの出力に応じて三方バルブV1〜V4の制御を行う制御部20に接続されている。その他の構成については実施形態2と同様であり、同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
-The saccharification apparatus of Embodiment 2 As shown in FIG. 5, in the saccharification apparatus of Embodiment 2, the inhibitor removal unit 11 is divided into two parts of the inhibitor removal units 11a and 11b, and the inhibitor removal unit 12 is It is divided into two parts, the inhibitor removal units 12a and 12b. A first pH sensor P1 is provided in the middle of the inflow pipe 14, a second pH sensor P2 is provided between the inhibitor removal units 11a and 11b, and a third pH sensor P3 is provided between the inhibitor removal units 12a and 12b. The fourth pH sensor P4 is provided in the pipe 17a. The first to fourth pH sensors P1 to P4 are connected to a control unit 20 that controls the three-way valves V1 to V4 according to the output of the sensor. Other configurations are the same as those in the second embodiment, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

実施形態2の糖化装置では、第1〜第4pHセンサーの出力値によって、阻害物除去ユニット11a、11b、12a、12bの金属イオン吸着量を把握することができる。すなわち、金属イオンの吸着は陽イオン交換物質に存在する水素イオンとの置換によって行われ、陽イオン交換能を有する間は水素イオンの放出によってpHが低下するため、阻害物除去ユニットの流入液から流出液へのpHの低下度合いを測定すれば、陽イオン交換の飽和度を測定できることとなる。このため、阻害物除去ユニットの流入液と流出液へpHの差をもとに、阻害物除去ユニット11a、11b、12a、12b内の陽イオン交換物質の金属吸着割合をリアルタイムで把握することが可能となる。そして、このpHの差が小さくなった時点で、流す方向が逆向きになるように、三方バルブV1〜V4を制御部20によって制御すればよい。なお、図5の太線で示す流路を流れている場合には、阻害物除去ユニット11の途中に設置されたpHセンサーP2は、pHセンサーP4よりも早くpHの変化を把握でき、逆向きで流れている場合は、阻害物除去ユニット12の途中に設置されたpHセンサーP3は、pHセンサーP4よりも早くpHの変化を把握できるため、阻害物除去ユニットの飽和度の迅速な把握をするためには、阻害物除去ユニットの途中に設置することが好ましい。   In the saccharification apparatus of Embodiment 2, the metal ion adsorption amount of the inhibitor removal units 11a, 11b, 12a, and 12b can be grasped from the output values of the first to fourth pH sensors. In other words, the adsorption of metal ions is performed by substitution with hydrogen ions present in the cation exchange material, and while the cation exchange capacity is maintained, the pH is lowered by the release of hydrogen ions. If the degree of decrease in pH to the effluent is measured, the degree of saturation of cation exchange can be measured. Therefore, it is possible to grasp in real time the metal adsorption rate of the cation exchange material in the inhibitor removal units 11a, 11b, 12a, and 12b based on the difference in pH between the influent and effluent of the inhibitor removal unit. It becomes possible. Then, the three-way valves V <b> 1 to V <b> 4 may be controlled by the control unit 20 so that the flow direction is reversed when the difference in pH becomes small. In addition, when it is flowing through the flow path shown by the thick line in FIG. 5, the pH sensor P2 installed in the middle of the inhibitor removal unit 11 can grasp the change in pH earlier than the pH sensor P4, and in the reverse direction. When flowing, the pH sensor P3 installed in the middle of the inhibitor removal unit 12 can grasp the change in pH faster than the pH sensor P4, so that the saturation degree of the inhibitor removal unit can be grasped quickly. It is preferable to install in the middle of the inhibitor removal unit.

なお、上記実施形態2の変形例として、上記pHセンサーの替りに、あるいは上記pHセンサーに加えて、電気伝導度センサーを用いてもよい。陽イオン交換物質による金属イオンと水素イオンとの置換により、電気伝導度が変化するため、pHの変化の替りに電気伝導度の変化を把握することにより、陽イオン交換物質の飽和状態を把握することができ、これによっても制御部20により三方バルブV1〜V4を制御することができる。   As a modification of the second embodiment, an electrical conductivity sensor may be used instead of the pH sensor or in addition to the pH sensor. Since the electrical conductivity changes due to the replacement of metal ions and hydrogen ions with a cation exchange material, grasping the saturation state of the cation exchange material by grasping the change in electrical conductivity instead of the change in pH This also allows the control unit 20 to control the three-way valves V1 to V4.

(実施例1)
・可溶化工程
粉砕したセルロース試薬0.3g(含水率7%)を秤り取り、2重構造の蓋付きの耐圧PTFE容器(内側容器は容積20cmのPTFE容器、外側容器はステンレス製容器)に入れ、水を入れることなく蓋をした。そして、耐圧PTFE容器を電気加熱炉に入れ、200℃で3時間の加熱を行った。このとき、耐圧PTFE容器内部の全圧は、状態方程式から計算して、(空気の分圧+水蒸気の分圧)=0.32MPaとなる。一方、200℃での飽和水蒸気圧は1.56MPaである。
・糖化工程
可溶化工程終了後、内容物を所定量の水で溶解し、再び蓋を締め、150℃で6時間の糖化工程を行った。
Example 1
・ Solubilization process Weighing 0.3 g of pulverized cellulose reagent (water content 7%), pressure-resistant PTFE container with double-structured lid (inner container is a 20 cm 3 capacity PTFE container, outer container is a stainless steel container) And capped without water. And the pressure | voltage resistant PTFE container was put into the electric heating furnace, and it heated at 200 degreeC for 3 hours. At this time, the total pressure inside the pressure-resistant PTFE container is calculated from the equation of state and becomes (partial pressure of air + partial pressure of water vapor) = 0.32 MPa. On the other hand, the saturated water vapor pressure at 200 ° C. is 1.56 MPa.
-Saccharification process After completion | finish of the solubilization process, the content was melt | dissolved with predetermined amount of water, the lid | cover was closed again, and the saccharification process for 6 hours was performed at 150 degreeC.

(比較例1)
比較例1では、実施例1と同様の可溶化工程を行った後、糖化工程として内容物を所定量の水で溶解し、さらに固体酸触媒としてスルホ化処理活性炭15mgを入れて蓋をし、再び蓋を締め、150℃で6時間の糖化工程を行った。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, after performing the same solubilization step as in Example 1, the content was dissolved in a predetermined amount of water as a saccharification step, and further 15 mg of sulfonated activated carbon was added as a solid acid catalyst and capped. The lid was closed again and a saccharification step was performed at 150 ° C. for 6 hours.

<評 価>
実施例1及び比較例1の可溶化工程で得られた内容物を所定量の水で溶解した溶液を高速液体クロマトグラフィー及び全有機炭素計(TOC計)によって分析し、可溶化率を求めた。また、pH計によってpHを測定した。さらには、糖化液についても同様にして可溶化率を求めた。可溶化工程後及び糖化工程後についての分析結果を表1に示す。また、可溶化工程後のpHと糖化工程後の単糖の収率を図6に示す。表1から、水の添加量を変えても可溶化率はそれほど変化しないが、可溶化工程終了時のpHは、水の添加量が少ないほど低くなることが分かった。また、表1及び図6から、可溶化工程終了時のpHが4.1である実施例1-1及び比較例1-1の比較では、固体酸触媒がある方が糖化工程後の単糖収率が高くなるが、工程終了時のpHが2.3である実施例1-3及び比較例1-3の比較、及び工程終了時のpHが2.8である実施例1-2及び比較例1-2の比較では、固体酸触媒の有無によらず糖化工程後の単糖収率は高い収率が得られることが分かった。
<Evaluation>
A solution obtained by dissolving the contents obtained in the solubilization step of Example 1 and Comparative Example 1 with a predetermined amount of water was analyzed by high performance liquid chromatography and a total organic carbon meter (TOC meter) to obtain a solubilization rate. . Further, the pH was measured with a pH meter. Furthermore, the solubilization rate was similarly obtained for the saccharified solution. The analysis results after the solubilization step and after the saccharification step are shown in Table 1. Further, FIG. 6 shows the pH after the solubilization step and the yield of monosaccharides after the saccharification step. From Table 1, it was found that the solubilization rate did not change much even when the amount of water added was changed, but the pH at the end of the solubilization step was lower as the amount of water added was lower. In addition, from Table 1 and FIG. 6, in the comparison of Example 1-1 and Comparative Example 1-1 in which the pH at the end of the solubilization process is 4.1, the monosaccharide after the saccharification process is better when the solid acid catalyst is present. Although the yield is high, a comparison between Example 1-3 and Comparative Example 1-3 in which the pH at the end of the process is 2.3, and Example 1-2 in which the pH at the end of the process is 2.8 and In the comparison of Comparative Example 1-2, it was found that the monosaccharide yield after the saccharification step was high regardless of the presence or absence of the solid acid catalyst.

Figure 2015142594
Figure 2015142594

(実施例2)
セルロースを含有するバイオマス原料として、市販の綿100%Tシャツを挟みで5mm程度の幅に細かく裁断した後、ブレードミルで粉砕し、わた状の試料を得た。これを実施例1と同様の条件で可溶化工程及び糖化工程を行った。
(Example 2)
As a biomass raw material containing cellulose, a commercially available 100% cotton T-shirt was finely cut into a width of about 5 mm, and then pulverized with a blade mill to obtain a cotton-like sample. This was subjected to a solubilization step and a saccharification step under the same conditions as in Example 1.

(比較例2)
比較例2では、実施例1と同様の可溶化工程を行った後、糖化工程として内容物を所定量の水で溶解し、さらに固体酸触媒としてスルホ化処理活性炭15mgを入れて蓋をし、再び蓋を締め、150℃で6時間の糖化工程を行った。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, after performing the same solubilization step as in Example 1, the content was dissolved in a predetermined amount of water as a saccharification step, and further 15 mg of sulfonated activated carbon was added as a solid acid catalyst and capped. The lid was closed again and a saccharification step was performed at 150 ° C. for 6 hours.

Figure 2015142594
Figure 2015142594

<評 価>
可溶化工程後及び糖化工程後についての分析結果を表2に示す。また、可溶化工程後のpHと糖化工程後の単糖の収率を図7に示す。
表2から、水の添加量を変えても可溶化率はそれほど変化しないが、可溶化工程終了時のpHは、水の添加量が少ないほど低くなることが分かった。また、表2及び図7から、工程終了時のpHが4.2である実施例2-1と比較例2-1との比較では、固体酸触媒がない方が糖化工程後の単糖収率が低くなるが、工程終了時のpHが3.1である実施例2-2及び比較例2-2の比較では、固体酸触媒の有無によらず糖化工程後の単糖収率は高い収率が得られることが分かった。
<Evaluation>
The analysis results after the solubilization step and after the saccharification step are shown in Table 2. FIG. 7 shows the pH after the solubilization step and the yield of monosaccharides after the saccharification step.
From Table 2, it was found that the solubilization rate did not change much even when the amount of water added was changed, but the pH at the end of the solubilization step was lower as the amount of water added was lower. In addition, from Table 2 and FIG. 7, it can be seen from the comparison between Example 2-1 where the pH at the end of the process is 4.2 and Comparative Example 2-1 that the monosaccharide yield after the saccharification process is better without the solid acid catalyst. In comparison between Example 2-2 and Comparative Example 2-2 in which the pH at the end of the process is 3.1, the monosaccharide yield after the saccharification process is high regardless of the presence or absence of the solid acid catalyst. It was found that a yield was obtained.

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。   The present invention is not limited to the description of the embodiment of the invention. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.

S1…粗粉砕工程、S2…水分調整工程、S3…可溶化工程、S4…抽出工程、S5…糖化工程、10…糖化装置、13…糖化ユニット、11…第1阻害物除去ユニット、12…第2阻害物除去ユニット、V1、V2、V3、V4…三方バルブ(切替手段)、P1、P2、P3、P4……pHセンサ、20…制御部 S1 ... Coarse grinding step, S2 ... Moisture adjustment step, S3 ... Solubilization step, S4 ... Extraction step, S5 ... Saccharification step, 10 ... Saccharification device, 13 ... Saccharification unit, 11 ... First inhibitor removal unit, 12 ... First 2 inhibitor removal unit, V1, V2, V3, V4 ... three-way valve (switching means), P1, P2, P3, P4 ... pH sensor, 20 ... control unit

Claims (3)

セルロースを含有するバイオマス原料を変換して得られたセルロース可溶化液を、陽イオン交換物質が充填された第1の阻害物除去ユニットに流入させる第1工程と、
該第1の阻害物除去ユニットからの流出液を糖化ユニットに流入させて糖化液とする第2工程と、
該糖化ユニットから流出した糖化液を、陽イオン交換物質が充填された第2の阻害物除去ユニットに流入させて糖化液を得る第3工程と、を有し、
該第1〜3工程終了後、セルロース可溶化液を該第1〜3工程とは逆向きに第2の阻害物除去ユニットから糖化ユニットを経て第1の阻害物除去ユニットに流すことにより糖化液を得ることを特徴とするセルロース可溶化液の糖化方法。
A first step of allowing a cellulose solubilized liquid obtained by converting a biomass raw material containing cellulose to flow into a first inhibitor removal unit filled with a cation exchange material;
A second step of flowing the effluent from the first inhibitor removal unit into the saccharification unit to obtain a saccharification solution;
A third step of obtaining a saccharified solution by causing the saccharified solution flowing out of the saccharification unit to flow into a second inhibitor removing unit filled with a cation exchange material,
After the completion of the first to third steps, the cellulose lysate is flowed from the second inhibitor removal unit through the saccharification unit to the first inhibitor removal unit in the opposite direction to the first to third steps. A method for saccharifying a cellulose-solubilized solution,
セルロースを含有するバイオマス原料を変換して得られた可溶化液から糖化液を得るセルロース可溶化液の糖化装置であって、
前記糖化ユニットと、陽イオン交換物質が充填された第1及び第2の阻害物除去ユニットとを備え、
前記可溶化液を該第1の阻害物除去ユニットから該糖化ユニットを経由して該第2の阻害物除去ユニットへ流入する第1の流路と、
前記可溶化液を該第2の阻害物除去ユニットから該糖化ユニットを経由して該第1の阻害物除去ユニットへ流入する第2の流路と、
該第1の流路と該第2の流路とを切替可能とする切替手段と、が設けられているセルロース可溶化液の糖化装置。
A saccharification apparatus for a cellulose solubilizing liquid that obtains a saccharified liquid from a solubilized liquid obtained by converting a biomass raw material containing cellulose,
The saccharification unit, and first and second inhibitor removal units filled with a cation exchange material,
A first flow path for flowing the lysate from the first inhibitor removal unit into the second inhibitor removal unit via the saccharification unit;
A second flow path for flowing the lysate from the second inhibitor removal unit via the saccharification unit to the first inhibitor removal unit;
A saccharification apparatus for cellulose solubilized liquid, comprising: a switching means that enables switching between the first flow path and the second flow path.
前記第1の流路の途中であって、前記第1の阻害物除去ユニットの上流側並びに途中及び/又は下流側にはpHセンサ及び/又は電気伝導度センサが設けられており、
前記第2の流路の途中であって、前記第2の阻害物除去ユニットの上流側並びに途中及び/又は下流側にはpHセンサ及び/又は電気伝導度センサが設けられており、
各該pHセンサ及び/又は各該電気伝導度センサの出力に応じて前記切替手段を制御する制御部が設けられている請求項2記載のセルロース可溶化液の糖化装置。
A pH sensor and / or an electrical conductivity sensor is provided in the middle of the first flow path, upstream and midway and / or downstream of the first inhibitor removal unit,
A pH sensor and / or an electrical conductivity sensor is provided in the middle of the second flow path, upstream and midway and / or downstream of the second inhibitor removal unit,
The saccharification apparatus for cellulose-solubilized liquid according to claim 2, further comprising a control unit that controls the switching unit according to the output of each of the pH sensors and / or the electrical conductivity sensors.
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