DE102015210161B4

DE102015210161B4 - Festkörpersäurekatalysator zur Herstellung eines Monosaccharids und Verfahren zur Herstellung eines Monosaccharids aus Seegras unter Verwendung von Selbigem

Info

Publication number: DE102015210161B4
Application number: DE102015210161.4A
Authority: DE
Inventors: Chae Hwan Hong
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2035-06-03
Also published as: CN106179436A; CN106179436B; US20160108074A1; DE102015210161A1; KR101610163B1; US9504992B2

Abstract

Festkörpersäurekatalysator zur Herstellung eines Monosaccharids durch Abbau von Agarose, wobei der Festkörpersäurekatalysator umfasst:
ein Partikel, das carbonisierte Spreu und eine Sulfonylgruppe einschließt, die chemisch an die Oberfläche der carbonisierten Spreu gebunden ist, worin der Festkörpersäurekatalysator durch Carbonisieren von Reisspreu in einem Temperaturbereich von 550 bis 700°C, Eintauchen der carbonisierten Spreu in eine wässrige Natriumhydroxidlösung zur Bildung einer NatriumSilikatbindung, Einführen der Sulfonylgruppe durch Behandlung mit Sulfonsäure, um Natrium zu ersetzen, und Behandeln mit einer sauren Lösung, um einen pH-Wert im Bereich von 3 bis 4 einzustellen, hergestellt wird.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung zieht den Nutzen der Priorität aus der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2014-0141179 , die beim koreanischen Amt für geistiges Eigentum am 17. Oktober 2014 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hier unter Bezugnahme aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Festkörpersäurekatalysator zur Herstellung eines Monosaccharids, ein Verfahren zur Herstellung eines Monosaccharids aus Seegras unter Verwendung desselbigen und ein daraus hergestelltes Monosaccharid.
HINTERGRUND
Bei der Herstellung eines Biomaterials wird anfänglich ein Monosaccharid eingesetzt. Biomasse, die ein Rohmaterial zur Herstellung des Monosaccharids darstellt, wird grob eingeteilt in Kohlenhydrate (Rohzucker, Rübenzucker und ähnliches), Stärke (Mais, Kartoffel, Süßkartoffel und ähnliches), Lignocellulose (Holz, Reisstroh, Papierabfälle und ähnliches). Das Monosaccharid wird aus den Kohlenhydraten mittels Durchführung eines Vorbehandlungsverfahrens und nachfolgender Verfahren hergestellt. Das Monosaccharid wird unter Einsatz von Stärke und von Lignocellulose als Ausgangsmaterial mittels Durchführung eines geeigneten Vorbehandlungsverfahrens und eines Saccharifizierungsverfahrens durchgeführt.
Wenn Stärke als Quelle eingesetzt wird, so können Probleme in der Versorgung und dem Bedarf ihres Rohmaterials auftreten. Weiterhin kann der Anbau von Mais, um Stärke zu erhalten, eine beträchtliche Menge an landwirtschaftlichen Pestiziden und Stickstoffdünger erfordern, wodurch der Boden schwer geschädigt wird und Kohlendioxid freigesetzt wird, und ähnliches. Die Lignocellulose weist gesicherte Stabilität im Hinblick auf die Versorgung und den Bedarf an Rohmaterial auf, da sie nicht als Nahrungsmittel nutzbar ist. Jedoch sind die Verarbeitungskosten der Lignocellulose höher aufgrund des Vorbehandlungsverfahrens zum Entfernen von Lignin und starker Säuren. Weiterhin werden im Saccharifizierungsverfahren aufgrund der kristallinen Struktur, in der Wasserstoffbindungen gebildet werden, was für Lignocellulose-Cellulosesubstrate charakteristisch ist, starke Basen eingesetzt, so dass die Saccharifizierungs-Ausbeute entweder niedrig ist, oder Nebenprodukte auftreten. Daher hat Seegras als Biomasse seit kurzem Aufmerksamkeit erhalten. Seegras wird grob in Makroalgen und Mikroalgen eingeteilt. Makroalgen schließen Rotalgen, Braunalgen, Grünalgen und ähnliches ein, und Mikroalgen schließen Chlorella, Spirulina und ähnliches ein. Seegras weist ein bemerkenswertes, hervorragendes Wachstum im Vergleich zu anderen Biomassen auf (Ernte 4- bis 6-mal in einem Jahr in einem subtropischen Gebiet), weist eine große zur Verfügung stehende Kultivierungsfläche auf, und kostspielige Ressourcen wie Frischwasser, Land, Dünger und ähnliches werden in geringen Mengen eingesetzt. Im Vergleich zu einer Landpflanze erlauben die strukturellen Eigenschaften des Seegrases, das ein weiches Gewebe aufweist, ein einfaches Vorbehandlungsverfahren, was für den Einsatz als industrielle Biomasse vorteilhaft ist.
Das Verfahren zur Herstellung des Monosaccharids unter Einsatz von Seegras als Rohmaterial kann in das Vorbehandlungsverfahren, in dem ein Polysaccharid aus dem Seegras hergestellt wird, und das Saccharifizierungsverfahren, in dem das Monosaccharid hergestellt wird, unterteilt werden. Im Saccharifizierungsverfahren wird gemäß des Standes der Technik das Monosaccharid durch ein abbauendes Enzym oder eine chemische Behandlung der aus dem ursprünglichen Seegras oder Seetang extrahierten Polysaccharidmaterialien hergestellt. Beispielsweise wird Galaktose durch das Vorbehandlungsverfahren von Rotalgen aus marinen Ressourcen und das Saccharifizierungsverfahren, in dem das Monosaccharid hergestellt wird, extrahiert und hergestellt.
Um Agarose herzustellen, muss ein Agar abgebaut werden, wobei der Agar ein komplexes Polysaccharid mit hoher Dichte ist, aus Rotalgen, wie „Ceylon Moss“ (Gattung: Gelidium), um für verschiedene Anwendungen, wie Nahrungsmaterialien, Kulturmedien für Mikroorganismen, Kosmetika, molekularbiologische Studien und ähnliches eingesetzt zu werden. Die Hauptkomponenten des Agar schließen Agarose und Agaropektin ein, die im allgemeinen in einem Verhältnis von etwa 7:3 enthalten sind.
Bestehende Technologien zur Herstellung von Monosacchariden setzen saure chemische Materialien und Enzyme ein, um das Monosaccharid-Endprodukt herzustellen, und daher besteht Bedarf für die Entwicklung einer einfachen und kostengünstigen Technologie.
Die Druckschrift US 6114280 A betrifft Aktivkohlepartikel aus amorpher Reisschalenasche, die durch thermische Pyrolyse von Reishülsen erhalten werden können. Die so hergestellte amorphe Reisschalenasche wird einem alkalischen Aufschlußverfahren unterzogen, indem sie mit einer alkalischen Lösung, wie NaOH, behandelt wird. Dadurch kann Aktivkohle mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 12 µm Durchmesser erhalten werden. Die Aktivkohle wird anschließend mit einer wässrigen phosphorsäure-, schwefelsäure- oder chlorsäurehaltigen Lösung behandelt, um Silicatreste von den Poren zu entfernen und so die Kohlenstoffporen auf ein stark aktiviertes Niveau zurückzuführen. Dabei ist die Verwendung von Phosphorsäure bevorzugt.
Die Druckschrift US 2009/0176979 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Polysaccharids und/oder Monosaccharids, umfassend das Hydrolysieren eines anderen Polysaccharids in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen Materials mit einer Sulfonsäuregruppe. Die Herstellung des Sulfonsäuregruppeenthaltenden kohlenstoffhaltigen Materials umfasst das Carbonisieren eines organischen Ausgangsmaterials, gefolgt von einer Behandlung mit konzentrierter oder rauchender Schwefelsäure bei 50 °C bis 250 °C. Nach dem Karbonisieren und Sulfonieren wird das Produkt mit heißem Wasser gewaschen, um überschüssige Schwefelsäure zu entfernen.
Die Druckschrift US 2014/0216442 A1 beschäftigt sich mit einem Verfahren zur Herstellung von Zuckern aus Zellulose-Biomasse, wie Algen, unter Verwendung eines Festkörpersäurekatalysators in Gegenwart einer organischen Säure, insbesondere in Gegenwart von Ameisensäure.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung wurde in dem Bemühen gemacht, ein Verfahren zur Herstellung eines Monosaccharides aus Seegras unter Verwendung eines ökonomischen und effizienten Prozesses bereitzustellen.
Die vorliegende Offenbarung stellt einen Festkörpersäurekatalysator zur Herstellung eines Monosaccharids durch Abbau von Agarose bereit, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Monosaccharids unter Verwendung desselben.
Weiterhin stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Monosaccharids aus Seegras bereit, das die Herstellung eines Monosaccharids durch Umsetzung von Agarose mit einem Festkörpersäurekatalysator einschließt.
Weiterhin stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Monosaccharids aus Seegras bereit, das die Behandlung von Agar aus Seegras mit einer alkalischen wässrigen Lösung, um Agar zu erhalten, das Erhalten von Agarose aus Agar unter Verwendung eines Lösungsmittels ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Organoschwefellösungsmittel und Dimethylformamid, und die Herstellung eines Monosaccharids durch Umsetzung der Agarose mit einem Festkörpersäurekatalysator einschließt.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Offenbarung ein Monosaccharid bereit, das durch das Verfahren der Herstellung des Monosaccharids aus Seegras erhalten wurde.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts schließt ein Festkörpersäurekatalysator zur Herstellung eines Monosaccharids durch Abbau von Agarose einen Partikel ein, die carbonisierte Spreu mit einer Sulfonylgruppe, die chemisch auf die Oberfläche der carbonisierten Spreu gebunden ist, einschließt, worin der Festkörpersäurekatalysator durch Carbonisieren von Reisspreu in einem Temperaturbereich von 550 bis 700°C, Eintauchen der carbonisierten Spreu in eine wässrige Natriumhydroxidlösung zur Bildung einer NatriumSilikatbindung, Einführen der Sulfonylgruppe durch Behandlung mit Sulfonsäure, um Natrium zu ersetzen, und Behandeln mit einer sauren Lösung, um einen pH-Wert im Bereich von 3 bis 4 einzustellen, hergestellt wird.
Der Festkörpersäurekatalysator ist preisgünstiger als Schwefelsäure in flüssiger Form, ist nach Umsetzung und Rückgewinnung wiederverwendbar und kann über einen breiten Bereich von Reaktionstemperaturen eingesetzt werden. Weiterhin besteht keine Notwendigkeit für zusätzliche Verfahrensschritte nach dem Verfahren.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts schließt ein Verfahren zur Herstellung eines Monosaccharids aus Seegras das Erhalten des Monosaccharids durch Abbau von Agarose unter Einsatz des Festkörpersäurekatalysators ein.
Das Verfahren zur Herstellung des Monosaccharids aus Seegras gemäß der vorliegenden Offenbarung weist im Vergleich zu einem Saccharifizierungsverfahren unter Verwendung eines Enzymbehandlungsverfahrens gemäß des Standes der Technik das gleiche Niveau der Herstellungsmenge des Monosaccharids auf. Allerdings wird durch das Verfahren zur Herstellung des Monosaccharids aus Seegras gemäß der vorliegenden Offenbarung das Monosaccharid ökonomisch ohne Einsatz kostspieliger Enzyme hergestellt, wodurch die Herstellungskosten verringert werden, das Auftreten von Nebenprodukten verhindert werden kann, und das Monosaccharid ökonomisch hergestellt werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Zeichnung illustriert schematisch ein Herstellungsverfahren unter Einsatz von Rotalgenpulver gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des erfinderischen Konzepts.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im folgenden wird die vorliegende Offenbarung im Detail beschrieben.
Eine beispielhafte Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts betrifft einen Festkörpersäurekatalysator zur Herstellung eines Monosaccharids durch Abbau von Agarose. Der Festkörperkatalysator schließt eine Sulfonylgruppe ein, die chemisch durch Behandlung von carbonisierter Spreu mit einer Sulfonsäure an die carbonisierte Spreu gebunden ist.
Der Festkörpersäurekatalysator der vorliegenden Offenbarung betrifft einen Umsetzungskatalysator, der die katalytische Wirkung auf Basis der Azidität auf der Oberfläche des Katalysators bereitstellt. Dadurch wird die katalytische Wirkung durch einen kationischen Ionenmechanismus bereitgestellt, und es kann ein kationisches Carboniumion oder eine Oxoniumion als Intermediat eingesetzt werden. Festkörpersäurekatalysatoren können verschiedene Materialien einschließen, wie Zeolith, Siliciumdioxid-Aluminiumoxid und ähnliches, doch der Festkörpersäurekatalysator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird durch Umsetzung von porösem Siliciumdioxid mit Chlorsulfonsäure hergestellt, wobei das poröse Siliciumdioxid durch Verkohlung von Reisspreu erhalten wird.
Der Schritt der Herstellung des Festkörpersäurekatalysators schließt das Verkohlen von Reisspreu in einem Heizofen bei einer Temperatur von 550 bis 700°C über 3 bis 5 Stunden ein.
Die carbonisierte Spreu wird in eine wässrige Natriumhydroxidlösung eingetaucht, um eine Natriumsilikatbindung zu bilden. Die Sulfonylgruppe wird an die carbonisierte Spreu durch Behandeln des Produkts mit einer Chlorsulfonsäure gebunden, um das Natrium zu ersetzen. Das erhaltene Produkt wird mit einer Säurelösung behandelt, um den pH-Wert auf 3 bis 4 einzustellen, wodurch Festkörpersäurekatalysatorpartikel hergestellt werden.
Weiterhin kann das Verfahren zur Herstellung des Festkörpersäurekatalysators mittels Herstellung von Partikeln und dann zusätzlich Abtrennen, Waschen und Trocknen der Partikel durchgeführt werden, um die Festkörpersäure als Partikel zu erhalten.
Die wässrige Natriumhydroxidlösung kann eine Konzentration von 30 G/V bis 70 G/V aufweisen, und die Reaktionszeit kann 30 bis 90 Minuten sein. Das Verhältnis des Volumens der wässrigen Natriumhydroxidlösung zum Gewicht des carbonisierten Materials kann 0,01 bis 0,1 g/ml sein, um das Natriumsilikat effizient herzustellen.
Die Chlorsulfonsäure kann hinzugefügt werden, bis der pH-Wert der Lösung etwa 7 erreicht. Die Chlorsulfonsäure kann die Sulfonylgruppe auf der Oberfläche des Festkörpersäurekatalysators einführen, indem Natrium im Natriumsilikat ersetzt wird.
Der Schritt der Herstellung der Partikel wird mittels Zugabe einer Säure, beispielsweise Salpetersäure in einem pH-Bereich von 3 bis 4 durchgeführt. Wenn der Schritt der Herstellung der Partikel außerhalb des Bereichs durchgeführt wird, kann das Endprodukt eine sehr niedrige Azidität aufweisen, und könnte keine Partikel bilden.
Der Festkörpersäurekatalysator gemäß der vorliegenden Offenbarung kann zur Herstellung des Monosaccharids aus Agarose eingesetzt werden. Das Verfahren der Herstellung des Monosaccharids unter Verwendung desselben wird unten im Detail beschrieben.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts schließt das Verfahren zur Herstellung eines Monosaccharids aus Seegras unter Einsatz des Festkörpersäurekatalysators die Umsetzung der Agarose mit dem Festkörpersäurekatalysator ein, um das Monosaccharid herzustellen.
Das Verfahren zur Herstellung des Monosaccharids kann weiterhin vor dem Schritt der Herstellung des Monosaccharids das Erhalten von Agar durch Behandeln des Seegrases mit einer alkalischen wässrigen Lösung und das Erhalten von Agarose aus dem Agar einschließen. Im folgenden wird jeder Schritt im Detail beschrieben.
HERSTELLUNG EINES MONOSACCHARIDS DURCH UMSETZUNG VON AGAROSE UND FESTKÖRPERSÄUREKATALYSATOR
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts schließt ein Verfahren zur Herstellung eines Monosaccharids aus Agarose, das in Kontakt bringen mit einem Festkörpersäurekatalysator mit in wässriger Lösung gelöster Agarose ein. Beispielsweise wird die Agaroselösung mit der wässrigen Lösung gemischt, in die der Festkörpersäurekatalysator injiziert wird, um eine chemische Reaktion durchzuführen. Der Festkörpersäurekatalysator kann als Festkörpersäurelösung hergestellt werden, in der eine Festkörpersäure in einer Menge von 10 bis 40 Gewicht/Volumen(G/V)% auf Basis der Gesamtmenge des Wassers und der Festkörpersäure hinzugefügt wird.
Speziell kann der Schritt des Mischens der Agarose in einem Reaktor in einem Temperaturbereich von 80 bis 120°C durchgeführt werden. Das Gewichtsverhältnis der Agarose und des Festkörpersäurekatalysators (Agarose: Festkörpersäurekatalysator) kann 1:1 bis 1:5 oder 1:1 bis 1:4 sein. Das Monosaccharid kann durch Injizieren des Festkörpersäurekatalysators, so dass das Verhältnis des Festkörpersäurekatalysators und der wässrigen Lösung unter der oben beschriebenen Bedingung 0,1 bis 0,4 g/ml ist, und durch Halten des Festkörpersäurekatalysators im Temperaturbereich für 3 bis 5 Stunden hergestellt werden. Die Menge der einzusetzenden Agarose und der wässrigen Lösung, die Reaktionstemperatur und die Reaktionszeit können unter Berücksichtigung der Herstellungseffizienz des Monosaccharids bestimmt werden.
Das Rohmaterial für den Festkörpersäurekatalysator gemäß der vorliegenden Offenbarung kann kommerziell erhältliche Agarose sein, die aus Agar erhalten wird, oder kann Agarose sein, die durch Behandeln des Seegrases mit wässriger alkalischer Lösung, um Agar zu erhalten, und durch Umsetzung des Agar mit einem Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Organoschwefellösungsmittel und Dimethylformamid erhalten wird.
ERHALTEN DES AGAR DURCH BEHANDLUNG VON SEEGRAS MIT WÄSSRIGER ALKALISCHER LÖSUNG
Das Seegras der vorliegenden Offenbarung kann alle Grünalgen, Braunalgen, Rotalgen und ähnliches einschließen. Beispielsweise kann das Seegras mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus „Ceylon Moss“ (Gattung: Gelidium), „Sea String“ (Gattung: Gracilaria), „Glue Plant“ (Gattung: Gloiopeltis) und „Laver“ (Gattung: Porphyra). Die Rotalgen schließen Polysaccharide in einer Menge von etwa 40 bis 75 % ein, und die Polysaccharide schließen Cellulose, Xylan, Mannan, Agar, Carrageenan und ähnliches ein. Der Agar ist Galaktan, das ein komplexes Polysaccharid ist und aus zwei Sorten von Polysacchariden besteht, d.h., Agarose und Agaropektin. Die Agarose ist ein lineares Polymer, das zwei Monosaccharide, D-Galaktose und 3,6-Anhydro-L-galactopyranose als Wiederholungseinheiten enthält. Die Agarose kann durch Entfernen anderer Polysaccharide, z.B. Agaropektin aus dem allgemeinen aus dem Seegras erhalten Agar, erhalten werden.
Das Seegras der vorliegenden Offenbarung kann frisches Seegras sein, oder kann Seegras sein, das mit frischem Wasser gewaschen und getrocknet ist. Das Seegras kann bei einer Temperatur von 15 bis 25°C über eine Trockenzeit von 10 bis 60 Stunden in manchen Ausführungsformen oder 25 bis 40 Stunden in anderen Ausführungsformen getrocknet werden. Allerdings ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt. Das Trocknungsverfahren kann allgemeine Trocknungsverfahren für Seegras einschließen.
Weiterhin kann das Seegras oder das getrocknete Material mit einer wässrigen alkalischen Lösung behandelt werden. Es kann zuerst ein pulverisiertes Material mit einer vorbestimmten Teilchengröße hergestellt werden, und das hergestellte Material wird mit der wässrigen alkalischen Lösung behandelt, im Hinblick auf die Ausbeute des Agars und die für die Behandlung erforderliche Reaktionszeit. Das frische Seegras oder das getrocknete Material kann in einem Kugelmühlenpulverisator oder einem allgemeinen Pulverisator pulverisiert werden, und das pulverisierte Material kann eine Teilchengröße von 100 bis 300 Mikrometer aufweisen.
Wenn die Teilchengröße übermäßig klein ist, kann das Material als Verunreinigung in einem Extraktionsverfahren fungieren, und wenn die Teilchengröße übermäßig groß ist, kann sich die Effizienz des Extraktionsverfahrens verschlechtern.
Der Schritt des Erhaltens von Agar von Seegras gemäß der vorliegenden Offenbarung kann durch Hydrolyse des Seegrases oder des pulverisierten Materials unter Einsatz der wässrigen alkalischen Lösung durchgeführt werden. Die wässrige alkalische Lösung kann vorzugsweise einen Bereich von pH 7,5 bis 9,5 aufweisen. Wenn der pH-Wert der wässrigen alkalischen Lösung weniger als 7,5 ist, so kann sich die Extraktionseffizienz verschlechtern, und wenn der pH-Wert der wässrigen alkalischen Lösung mehr als 9,5 ist, so kann das Seegras unnötigerweise abgebaut werden, so dass die Nebenprodukte ansteigen.
Alkalische Materialien für die Herstellung der wässrigen alkalischen Lösung können Natriumhydroxid, Calciumhydroxid, Kaliumhydroxid und ähnliches einschließen, und sind nicht speziell beschränkt, solange es möglich ist, einen pH-Bereich der wässrigen Lösung auf 7,5 bis 9,5 einzustellen.
Der Schritt der Behandlung des Seegrases mit der wässrigen alkalischen Lösung kann in einem Hochtemperaturbereich von 95 bis 130°C durchgeführt werden. Wenn die Verarbeitungstemperatur weniger als 95°C ist, kann sich die Extraktionseffizienz verschlechtern, und wenn die Verarbeitungstemperatur 130°C oder mehr ist, so können unnötige Nebenprodukte auftreten. Die Behandlungszeit kann 30 bis 80 Minuten sein, im Hinblick auf die Extraktionseffizienz.
Das Seegras oder das pulverisierte Material daraus und die wässrige alkalische Lösung können in einer Menge von 0,01 bis 0,04 g/ml eingesetzt werden (Seegraspulver wird in einer Menge von 2 bis 4 g auf Basis von 100 ml der alkalischen wässrigen Lösung eingesetzt) und die Menge wird im Hinblick auf die ökonomische Durchführbarkeit des Herstellungsverfahrens und der Extraktionseffizienz des Agar bestimmt.
Die durch die Behandlung des Seegrases mit der wässrigen alkalischen Lösung gemäß der vorliegenden Offenbarung erhaltenen Produkte können eine Feststoffkomponente und eine viskose flüssige Komponente einschließen. Die viskose flüssige Komponente kann durch verschiedene Fest-Flüssig-Trennverfahren abgetrennt werden, beispielsweise Zentrifugation, Filtration und ähnliches, um den Agar zu erhalten.
ERHALTEN VON AGAROSE AUS AGAR UNTER EINSATZ EINES LÖSUNGSMITTELS
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts wird die Agarose durch Umsetzung des Agar mit einem Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Organoschwefellösungsmittel und Dimethylformamid erhalten.
Geeignete Lösungsmittel für den Schritt der Herstellung der Agarose können Dimethylsulfoxid (DMSO) und/oder Dimethylformamid einschließen, doch ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt.
Der Agar und das Lösungsmittel können in einem Bereich von Agar-Gewicht zu Lösungsmittel-Volumen im Bereich von 1:2 bis 1:5 eingesetzt werden.
Wenn die einzusetzende Lösungsmittelmenge klein ist, kann die Extraktionseffizienz verringert sein. Selbst wenn eine große Lösungsmittelmenge eingesetzt wird, so kann die Wirkung der Steigerung der Extraktion nicht ausreichend sein, und die Menge des in einem nachfolgenden Verfahren verwendeten Acetons kann erhöht sein.
Der Agar und das Organoschwefellösungsmittel und/oder Dimethylformamid gemäß der vorliegenden Offenbarung können in einem Reaktionstemperaturbereich von 50 bis 100°C über eine Reaktionszeit von 0,5 bis 5 Stunden umgesetzt werden.
Nachdem der Agar mit dem Organoschwefellösungsmittel und/oder Dimethylformamid behandelt wurde, kann ein Überstand zurückgewonnen werden. Der zurückgewonnene Überstand kann mit Aceton behandelt werden, um die Agarose auszufällen, und die ausgefällte Agarose kann einfach durch ein Fest-Flüssig-Trennverfahren, beispielsweise Zentrifugation, Filtration und ähnliches, abgetrennt werden. Um die Agarose auszufällen oder verfestigen muss der Überstand langsam in das Aceton injiziert werden, um die als Präzipitation erhaltene Agarose herzustellen. Das Aceton, das zum zurückgewonnenen Überstand hinzugefügt wird, kann in einer Menge des 1- bis 5-fachen des Volumens des Überstands eingesetzt werden.
Im folgenden wird die vorliegende Offenbarung im Detail unter Verwendung von Beispielen beschrieben. Die folgenden Beispiele werden nur als Beispiele des vorliegenden erfinderischen Konzepts bereitgestellt, und daher ist der Bereich der vorliegenden Offenbarung nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
BEISPIEL 1:
Herstellung des Festkörpersäurekatalysators
Reisspreu wurde in einem Heizofen bei einer Temperatur von 600°C über 3 Stunden carbonisiert. Die carbonisierte Reisspreu wurde dann in einer wässrigen Natriumhydroxidlösung mit einer Konzentration von 50 % eingetaucht und etwa 30 Minuten belassen. Das Verhältnis zwischen der Masse der carbonisierten Spreu und dem Volumen der wässrigen Natriumhydroxidlösung war 0,03 g/ml (carbonisiertes Material: 3 g, wässrige Natriumhydroxidlösung: 100 ml).
Dann wurde Chlorsulfonsäure in die erhaltene Lösung injiziert, bis der pH-Wert 7 erreichte, und Salpetersäure wurde dazu injiziert, bis die Lösung schließlich einen pH-Wert von 4 aufweist, um dadurch Partikel zu erhalten. Die erhaltenen Partikel wurden einer Zentrifugation unterzogen, und die zurückgewonnen Partikel wurden mehrmals mit Aceton gewaschen und getrocknet, um einen Festkörpersäurekatalysator in Partikelform unter Verwendung der carbonisierten Spreu zu erhalten. Der Festkörpersäurekatalysator wurde in Partikelform mit einer Partikelgröße von 100 bis 500 nm erhalten.
BEISPIEL 2:
Herstellung eines Monosaccharids unter Verwendung des Festkörpersäurekatalysators
Eine getrocknete rohe Rotalge der Gattung Gracilaria („Sea String“) wurde in einem Pulverisierer (Shreco Company, Korea) pulverisiert, um eine pulverisierte Rotalge mit einer Partikelgröße von 100 Mikrometern herzustellen.
Eine alkalische wässrige Lösung mit einem pH-Wert von 9 wurde durch Zugabe einer 1 N Natriumhydroxidlösng zu Wasser hergestellt. 4 g der pulverisierten Rotalge wurde in 200 ml der alkalischen wässrigen Lösung zugegeben, so dass eine Konzentration von 0,02 g/ml vorlag, und über 60 Minuten dort belassen, während bei einer Temperatur von 100°C gerührt wurde. Eine Feststoffkomponente und eine viskose flüssige Komponente wurden aus der Mischung abgetrennt, um Agar zu erhalten.
Der viskose Agar, der der abgetrennten flüssigen Komponente entspricht, wurde in Dimethylsulfoxid (Daejung Chemicals & Metals Co. Ltd., Korea) mit einem Volumen von 3-mal größer als dem Volumen der flüssigen Komponente injiziert und gerührt (Volumen der viskosen flüssigen Agarkomponente: etwa 100 ml, DMSO 300 ml). Die Temperatur wurde auf 80°C eingestellt. Die Mischung wurde etwa 1 Stunden im oben beschrieben Zustand belassen, um 300 ml eines Überstands zu erhalten, und Aceton mit einem Volumen von 900 ml, 3-mal größer als das Volumen des Überstands, wurde langsam tropfenweise zum Überstand zugegeben, um 1 g Agarose als weißes Präzipitat zu erhalten. 10 g des weißen Präzipitats wurden in 100 ml wässrige Lösung injiziert, in die 20 g des Festkörpersäurekatalysators gemäß Beispiel 1 injiziert worden waren, und bei einer Temperatur von 120°C über 2 Stunden gehalten. Nach Verstreichen der Reaktionszeit wurde der Überstand extrahiert, und das Monosaccharid wurde durch ein DNS-Analyseverfahren für reduzierende Zucker analysiert. Als Ergebnis der Analyse wurden 2 g Monosaccharid in Bezug auf 4 g der erhaltenen Agarose erhalten, und die Ausbeute des Monosaccharids in Bezug auf die rohe Agarose war 50 %.
Mit dem DNS-Analyseverfahren für reduzierende Zucker wird DNS (3,5-Dinitriosalicylsäure) durch Reaktion mit dem reduzierenden Zucker zu 3-Amino-5-nitrosalicyclsäure (rotbraune Farbe) reduziert, und die Konzentration der rotbraunen Farbe wurde als Absorption mit einem Spektrophotometer gemessen, um die Konzentration des reduzierenden Zuckers zu erhalten. Weiterhin wies die Saccharifizierungsflüssigkeit bei Messung der Menge der in der Saccharifisierungsflüssigkeit nach der Saccharifizierung verbleibenden Säurekomponente als Ergebnis einen pH-Wert von 7 auf, was bestätigt, dass nach dem Saccharifizierungsverfahren keine freie Säurekomponente in der Lösung enthalten war.
BEISPIEL 3:
Herstellung eines Monosaccharids unter Verwendung von Gelidium („Ceylon Moss“) und Gloiopeltis („Glue Plant“)
Agarose wurde durch das gleiche Verfahren wie im Beispiel 2 hergestellt, außer, dass anstelle der Rotalge der Gattung Gracilaria („Sea String“) pulverisiertes Seegras der Gattung Gelidium („Ceylon Moss“) und Gloiopeltis („Glue Plant“) mit einer Teilchengröße von 150 Mikrometern als Rohmaterial eingesetzt wurde. Als Ergebnis wurde 4 g Agarose aus dem Seegraspulver erhalten.
10 g weißes Präzipitat wurde in 100 ml wässrige Lösung injiziert, in die 20 g der Festkörpersäure gemäß Beispiel 1 injiziert worden war, und über 2 Stunden bei einer Temperatur 120°C gehalten. Nach Verstreichen der Reaktionszeit wurde der Überstand extrahiert und durch ein DNS-Zuckeranalyseverfahren analysiert. Als Ergebnis der Analyse des erhaltenen Produkts wurden mit einer Ausbeute von 50 % 2 g Monosaccharid in Bezug auf 4 g der Agarose erhalten.
BEISPIEL 4:
Herstellung eines Monosaccharids unter Verwendung von Gelidium („Ceylon Moss“) und Gloiopeltis („Glue Plant“)
Agarose wurde durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 3 hergestellt, außer, dass die Teilchengröße des pulverisierten „Ceylon Moss“ und „Glue Plant“, die als Rohmaterial eingesetzt wurden, auf 200 Mikrometer geändert wurde, anstelle der Teilchengröße von 150 Mikrometer gemäß Beispiel 3. Es wurden 4 g Agarose aus dem Seegraspulver erhalten.
10 g weißes Präzipitat wurde in 100 ml wässrige Lösung injiziert, in die 20 g der Festkörpersäure gemäß Beispiel 1 injiziert worden war, und über 2 Stunden bei einer Temperatur 120°C gehalten. Nach Verstreichen der Reaktionszeit wurde der Überstand extrahiert und durch ein DNS-Zuckeranalyseverfahren analysiert. Als Ergebnis der Analyse des erhaltenen Produkts wurden mit einer Ausbeute von 50 % 2 g Monosaccharid in Bezug auf 4 g der Agarose erhalten.
BEISPIEL 5:
Herstellung eines Monosaccharids unter Verwendung des Festkörpersäurekatalysators
Agarose und Monosaccharid wurden durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 2 hergestellt, außer, dass anstelle des in der Agaroseherstellung von Beispiel 2 verwendeten Dimethylsulfoxid-Lösungsmittels Dimethylformamid eingesetzt wurde.
Als Analyseergebnis des erhaltenen Produkts war die Ausbeute des Monosaccharids in Bezug auf 4 g der aus dem Seegras erhaltenen Agarose 51 %.
BEISPIEL 6:
Herstellung eines Monosaccharids unter Verwendung des Festkörpersäurekatalysators
Agarose und Monosaccharid wurden durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 2 hergestellt, außer, dass 30 g des Festkörpersäurekatalysators und 10 g der Agarose im Schritt des in Kontakt bringens und Umsetzens der Agarose mit dem Festkörpersäurekatalysator in Beispiel 2 eingesetzt wurden.
Als Analyseergebnis des erhaltenen Produkts war die Ausbeute des Monosaccharids in Bezug auf 4 g der aus dem Seegras erhaltenen Agarose 51 %.
VERGLEICHSBEISPIEL 1:
Herstellung eines Monosaccharids unter Verwendung einer wässrigen Chlorwasserstoffsäure-Lösung
Agarose wurde als weißes Präzipitat durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 2 hergestellt. Dann wurden 10 g des hergestellten Agarosepräzipitats in 100 ml 0,1 N wässrige Chlorwasserstoffsäure-Lösung (HCl, pH = 2) injiziert, anstelle des Einsatzes der Festkörpersäure bei der Monosaccharidherstellung unter Verwendung der Agarose von Beispiel 2, und 2 Stunden bei einer Temperatur von 120°C gehalten.
Nach Verstreichen der Reaktionszeit wurde der Überstand extrahiert, und das Monosaccharid wurde durch ein DNS-Analyseverfahren für reduzierende Zucker analysiert, bei dem es sich um das gleiche Verfahren wie in Beispiel 2 handelte. Als Ergebnis wurden bei einer Ausbeute von 38 % 1,5 g Monosaccharid in Bezug auf 4 g Agarose erhalten.
Weiterhin war als durch Analyse der Menge der in der Monosaccharidzubereitung verbleibenden Säurekomponente durch ein pH-Meter erhaltenes Ergebnis der pH-Wert 3, was bestätigte, dass die Säurekomponente in der Lösung enthalten war.
VERGLEICHSBEISPIEL 2:
Herstellung eines Monosaccharids unter Verwendung eines wässrigen Schwefelsäurelösungs-Katalysators
Agarose wurde als weißes Präzipitat durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 2 hergestellt. Dann wurden 10 g des hergestellten Agarosepräzipitats in 100 ml 0,1 N wässrige Schwefelsäure-Lösung (H₂SO₄) injiziert, anstelle des Einsatzes der Festkörpersäure bei der Monosaccharidherstellung unter Verwendung der Agarose von Beispiel 2, und 2 Stunden bei einer Temperatur von 120°C gehalten.
Nach Verstreichen der Reaktionszeit wurde der Überstand extrahiert, und das Monosaccharid wurde durch ein DNS-Analyseverfahren für reduzierende Zucker analysiert, bei dem es sich um das gleiche Verfahren wie in Beispiel 2 handelte. Als Ergebnis wurden bei einer Ausbeute von 45 % 1,8 g Monosaccharid in Bezug auf 4 g Agarose erhalten.
Weiterhin war als durch Analyse der Menge der in der Monosaccharidzubereitung verbleibenden Säurekomponente durch ein pH-Meter erhaltenes Ergebnis der pH-Wert 3, was bestätigte, dass die Säurekomponente in der Lösung enthalten war.
VERGLEICHSBEISPIEL 3:
Agarose und ein Monosaccharid wurden durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 2 hergestellt, außer, dass 5 g des Festkörpersäurekatalysators und 10 g der Agarose im Schritt der Umsetzung der Agarose mit dem Festkörpersäurekatalysator in Beispiel 2 eingesetzt wurde.
Als Analyseergebnis des erhaltenen Produkts war die Ausbeute des Monosaccharids in Bezug auf 4 g der aus dem Seegras erhaltenen Agarose 40 %.
Der Festkörpersäurekatalysator zur Herstellung des Monosaccharids durch Abbau der Agarose und das Verfahren zur Herstellung des Monosaccharids unter Einsatz desselben gemäß der vorliegenden Offenbarung sind vorteilhaft, da der Festkörpersäurekatalysator preiswert im Vergleich zu Schwefelsäure in flüssigem Zustand ist, nach Rückgewinnung wiederverwendbar ist und über einen breiten Temperaturbereich eingesetzt werden kann. Daher weist der Festkörpersäurekatalysator eine relative hohe Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit auf. Da der Festkörpersäurekatalysator weiterhin kein zusätzliches Separationsverfahren nach seiner Verwendung erfordert, wird der Prozess vereinfacht.

Claims

Festkörpersäurekatalysator zur Herstellung eines Monosaccharids durch Abbau von Agarose, wobei der Festkörpersäurekatalysator umfasst: ein Partikel, das carbonisierte Spreu und eine Sulfonylgruppe einschließt, die chemisch an die Oberfläche der carbonisierten Spreu gebunden ist, worin der Festkörpersäurekatalysator durch Carbonisieren von Reisspreu in einem Temperaturbereich von 550 bis 700°C, Eintauchen der carbonisierten Spreu in eine wässrige Natriumhydroxidlösung zur Bildung einer NatriumSilikatbindung, Einführen der Sulfonylgruppe durch Behandlung mit Sulfonsäure, um Natrium zu ersetzen, und Behandeln mit einer sauren Lösung, um einen pH-Wert im Bereich von 3 bis 4 einzustellen, hergestellt wird.
Festkörpersäurekatalysator gemäß Anspruch 1, worin der Festkörpersäurekatalysator eine Festkörpersäurekatalysator-Lösung ist, die Festkörpersäure von 10 bis 40 Gewicht/Volumen% in Wasser einschließt, auf Basis der Gesamtmenge der Festkörpersäure und des Wassers.
Festkörpersäurekatalysator gemäß Anspruch 1 oder 2, worin der Festkörpersäurekatalysator eine mittlere Teilchengröße von 100 bis 500 nm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Monosaccharids aus Agarose, wobei das Verfahren umfasst: Erhalten des Monosaccharids durch Abbau der Agarose unter Verwendung eines Festkörpersäurekatalysators, der einen Partikel umfasst, der carbonisierte Spreu und eine Sulfonylgruppe, die chemisch auf die Oberfläche der carbonisierten Spreu gebunden ist, einschließt, worin der Festkörpersäurekatalysator durch Carbonisieren von Reisspreu in einem Temperaturbereich von 550 bis 700°C, Eintauchen der carbonisierten Spreu in eine wässrige Natriumhydroxidlösung zur Bildung einer NatriumSilikatbindung, Einführen der Sulfonylgruppe durch Behandlung mit Sulfonsäure, um Natrium zu ersetzen, und Behandeln mit einer sauren Lösung, um einen pH-Wert im Bereich von 3 bis 4 einzustellen, hergestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, das weiterhin vor dem Erhalten des Monosaccharids das Erhalten von Agar durch Behandlung von Seegras mit einer alkalischen wässrigen Lösung und Erhalten der Agarose aus dem Agar unter Verwendung eines Lösungsmittels ausgewählt aus Organoschwefellösungsmitteln und Dimethylformamid umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 5, worin der Schritt des Erhaltens des Agar durch Behandlung des Seegrases mittels Behandlung des Seegrases mit alkalischer wässriger Lösung und Abtrennen des Agar in einer viskosen Flüssigkeit durch ein Fest-Flüssig-Trennverfahren durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, worin das Gewichtsverhältnis der Agarose zum Festkörpersäurekatalysator (Agarose: Festkörpersäurekatalysator) 1:1 bis 1:5 ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, worin der Schritt des Erhaltens des Monosaccharids durch Abbau der Agarose in einem Reaktionstemperaturbereich von 80 bis 120°C für eine Reaktionszeit von 3 bis 5 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, worin die alkalische wässrige Lösung, dem Schritt des Erhaltens des Agar eingesetzt wird, eine pH-Wert von 7,5 bis 9,5 aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, worin der Schritt des Erhaltens des Agar in einem Temperaturbereich von 95 bis 130°C für eine Reaktionszeit von 30 bis 80 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, worin das Seegras Rotalgen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gracilaria („Sea String“), Gloiopeltis („Glue Plant“) und Porphyra („Laver“) einschließt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11, worin das Seegras ein pulverisiertes Material mit einer Teilchengröße von 100 bis 300 Mikrometern ist, da durch Trocknen und Pulverisieren des Seegrases erhalten wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 12, worin im Schritt des Erhaltens des Agar das Seegras und die alkalische wässrige Lösung in einer Menge von 0,01 bis 0,04 g/ml eingesetzt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 13, worin das Organoschwefellösungsmittel Dimethylsulfoxid (DMSO) ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 14, worin der Schritt des Erhaltens des Agar bei einer Temperatur von 50 bis 100°C durchgeführt wird und das Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Organoschwefellösungsmittel und Dimethylformamid in einem Volumenverhältnis des 2- bis 5-fachen des Gewichts des Agar zugegeben wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 15, worin der Schritt des Erhaltens der Agarose durch Rückgewinnung eines Überstands nach Behandlung des Agar mit dem Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Organoschwefellösungsmittel und Dimethylformamid, Ausfällen der Agarose durch Behandlung des rückgewonnenen Überstands mit Aceton und Erhalten der ausgefällten Agarose durchgeführt wird.