JP2010115116A - Method for producing monosaccharide from inedible lignocellulose-based biomass, and method for producing alternate fuel - Google Patents

Method for producing monosaccharide from inedible lignocellulose-based biomass, and method for producing alternate fuel Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing lignin and holocellulose of inedible lignocellulose-based biomass by efficiently and individually selecting them, to provide a method for making a monosaccharide from the holocellulose by a microorganism, an enzyme or an inorganic acid, to provide a method for producing 2,3-butanediol, bioethanol, acetic acid or the like by the fermentation of a monosaccharide solution, and to provide methyl ethyl ketone of an alternate fuel having high additional value from 2,3-butanediol. <P>SOLUTION: The method includes a flow for producing the methyl ethyl ketone by regulating the obtained holocellulose material so as to be a medium concentration (7-15%) at a filter, sending the resultant product to a monosaccharide-forming reaction column of a third step to form the monosaccharide by the hydrolysis with the microorganism, the enzyme or the inorganic acid, subjecting the product to pretreatment, sending the pretreated product to a fermentation vessel of a fourth step to produce 2,3-butanediol, bioethanol, acetic acid or the like by the microorganism, and transporting the product to a solid acid-catalyzed reactor of a fifth step to produce methyl ethyl ketone. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、非食用リグノセルロース系バイオマスのリグニン及びヘミセルロースとセルロースから構成されるホロセルロースを個別に分離・製造する技術に関し、より詳しくは、前記ホロセルロース物質中の難分解性多糖の加水分解により五炭糖及び六炭糖の単糖を製造する技術に関し、更に2,3−ブタンジオール、メチルエチルケトン等の代替燃料を製造する方法に関する。     The present invention relates to a technology for individually separating and producing lignin of non-edible lignocellulosic biomass and holocellulose composed of hemicellulose and cellulose, and more specifically, by hydrolysis of a hardly degradable polysaccharide in the holocellulose material. The present invention relates to a technique for producing pentose and hexose monosaccharides, and further relates to a method for producing alternative fuels such as 2,3-butanediol and methyl ethyl ketone.

石油から生成されるエネルギー(火力発電、ガゾリン、灯油等)の使用により二酸化炭素ガスが発生し、地球温暖化の一つの原因となり、様々の国は対策を進めている。ブラジルでは、サトウキビのショ糖からバイオエタノールを工業的に生産しており、自動車の部分的代替燃料として実用化されている。米国でも、トウモロコシ澱粉の糖化から得られた単糖グルコースを用いてバイオエタノールを生産し、自動車のガゾリンの15%まで代替燃料として使用されている。更に、インド、タイ等では、サトウキビ、キャッサバ等によるバイオエタノールの飛躍的な生産計画を打ち出している。     Carbon dioxide gas is generated by the use of energy generated from petroleum (thermal power generation, gazolin, kerosene, etc.), which causes global warming, and various countries are taking measures. In Brazil, bioethanol is industrially produced from sugarcane sucrose, and it is put into practical use as a partial alternative fuel for automobiles. In the United States, bioethanol is produced using monosaccharide glucose obtained from saccharification of corn starch, and it is used as an alternative fuel up to 15% of automobile gazolin. Furthermore, India, Thailand, etc. have put forth a dramatic production plan for bioethanol using sugarcane, cassava, etc.

従来、サトウキビは砂糖の原料であるが、バイオエタノールを生産すると砂糖の単価が高価になり、同様に、バイオエタノールの生産への使用によりトウモロコシからの人間、家畜等用食品、人間用肉類(槲、牛、豚等)、及び乳製品(チーズ、ミルク、バター等)の物価も高騰している。
従って、バイオエタノールを生産する際、食用サトウキビ、穀類、芋類等を避けるべくその代替物質として、非食用リグノセルロース系バイオマスの使用が必要になる。非食用リグノセルロース系バイオマスとは、1)広葉樹、針葉樹の間伐材、廃材、おがくず等の木質バイオマス、2)竹、ケナフ、バガス、稲・麦わら、バナナ等の非木質バイオマス、3)葦、エレファントグラス等の草類、4)新聞、雑誌、台帳、段ボール等の回収古紙のものである。
Conventionally, sugarcane is a raw material for sugar. However, when bioethanol is produced, the unit price of sugar becomes expensive. Similarly, by using it for the production of bioethanol, food for humans such as corn, livestock, etc. , Cattle, pigs, etc.) and dairy products (cheese, milk, butter, etc.) are also rising.
Therefore, when producing bioethanol, it is necessary to use non-edible lignocellulosic biomass as an alternative to avoid edible sugarcane, cereals, potatoes and the like. Non-edible lignocellulosic biomass 1) Woody biomass such as broad-leaved trees, conifers, waste wood, sawdust, etc. 2) Non-woody biomass such as bamboo, kenaf, bagasse, rice / straw straw, bananas, etc. 3) Firewood, elephant Grass, such as glass, 4) Collected waste paper such as newspapers, magazines, ledgers, cardboard.

非食用リグノセルロース系バイオマスの主な構成は、(1)五炭糖のキシラン、アラビナン、ラムナン及び六炭糖のマンナン、ガラクタン、グルカンから結成されるヘミセルロース、(2)グルカンから結成されるセルロース、(3)リグニン、及び(4)抽出成分と灰分となっている。
前記バイオマスを基に代替燃料(主なバイオエタノール)を製造する従来方法は、一般的に2工程から結成される。第一工程では、ヘミセルロースとセルロースの多糖を単糖にする。第二工程では、前記単糖を発酵させバイオエタノールを製造する。
The main composition of non-edible lignocellulosic biomass is (1) hemicellulose formed from pentose xylan, arabinan, rhamnan and hexose mannan, galactan, glucan, (2) cellulose formed from glucan, (3) Lignin, and (4) Extract components and ash.
A conventional method for producing an alternative fuel (main bioethanol) based on the biomass is generally composed of two steps. In the first step, hemicellulose and cellulose polysaccharide are converted into monosaccharides. In the second step, the monosaccharide is fermented to produce bioethanol.

第一工程のヘミセルロースとセルロースの多糖を単糖化する方法は、以下の通り、3グループに分けられる。     The method of monosaccharideizing hemicellulose and cellulose polysaccharide in the first step is divided into three groups as follows.

グループ1:物理処理方法
これらの方法は、一般に2サブグループに分けられる。
Group 1: Physical processing methods These methods are generally divided into two subgroups.

第1サブグループでは、高温(140℃−230℃)高圧(飽和蒸気圧の1−3倍の圧力)の水蒸気にて(特開2008−184421、特開2002−59118)あるいは1000−4000の超圧力の下で(特開2002−128802)バイオマスの多糖類を分解抽出するが、得られたオリゴ糖は単糖類への分解の後処理方法が記載されていない。一方、他の特開では、同様な高温高圧水蒸気を用い、バイオマスの多糖類を分解抽出したヘミセルロースが更に飽和蒸気にて単糖に分解され((特開2005−23041)、あるいは、高温高圧水蒸気の処理は、ランタノイドイオン供給物質であるランタノイド金属のハロゲン化物又はトリフルオロメタンスルホン酸の存在の下で行う方法である((特開2002−85100)。     In the first subgroup, high-temperature (140 ° C.-230 ° C.) high-pressure (1-3 times the saturated vapor pressure) water vapor (JP 2008-184421, JP 2002-59118) or more than 1000-4000 Under pressure (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-128802), the polysaccharides of biomass are decomposed and extracted, but there is no description of a post-treatment method for decomposing the resulting oligosaccharides into monosaccharides. On the other hand, in other Japanese Unexamined Patent Publication, hemicellulose obtained by decomposing and extracting biomass polysaccharides is further decomposed into monosaccharides with saturated steam ((Japanese Patent Laid-Open No. 2005-23041)), or high-temperature high-pressure steam. This treatment is performed in the presence of a lanthanoid metal halide or trifluoromethanesulfonic acid as a lanthanoid ion supply substance (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-85100).

第2サブグループは、添加剤の下で超臨界水、亜臨界水を用いてバイオマスの多糖を分解抽出する方法が含まれる。前記添加剤は、(1)銀、銅、第二鉄(Fe3+)、スズの硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩、酢酸塩の塩類化合物(特開2007−20555)、(2)過酸化水素(特開2007−39368)、(3)ベンゾキノン(特開2005−40025)等である。超臨界水及び亜臨界水の処理法から得られた加水分解物は、熱処理法で製造された木質系炭化物にて処理し、エタノール発酵用酵素の障害物質であるフルフラール、5−ヒドロキシメチルフルフラールを除去する(特開2005−270056)。 The second subgroup includes a method for decomposing and extracting biomass polysaccharides using supercritical water and subcritical water under an additive. The additives are (1) silver, copper, ferric (Fe 3+ ), tin sulfate, nitrate, hydrochloride, acetate salt compounds (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-20555), (2) hydrogen peroxide ( JP2007-39368), (3) benzoquinone (JP2005-40025), and the like. The hydrolyzate obtained from the supercritical water and subcritical water treatment is treated with the wood-based carbide produced by the heat treatment method, and the furfural, 5-hydroxymethylfurfural, which is an obstacle for the enzyme for ethanol fermentation, is treated. It is removed (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-270056).

グループ2:微生物処理方法
このグループでは、前処理有無にもかかわらず木質あるいは古紙、段ボール等のセルロース系原料は、白色腐朽菌またはセルラーゼにて多糖を加水分解し、得られた単糖はエタノール発酵をする方法である(特開2008−6372、特開2008−92910、特開2008−161137、特開2006−88136、特開2006−149343)。
Group 2: Microbial treatment method In this group, cellulosic materials such as wood, waste paper, corrugated cardboard, etc., with or without pretreatment, hydrolyze polysaccharides with white rot fungi or cellulase, and the resulting monosaccharides are ethanol-fermented. (JP 2008-6372, JP 2008-92910, JP 2008-161137, JP 2006-88136, JP 2006-149343).

グループ3:薬品処理方法
グループ3は、以下の3サブグループに分けられる。
Group 3: Chemical treatment method Group 3 is divided into the following three subgroups.

第1サブグループでは、バイオマスは予め薬品処理を行うことにより多糖の結晶を改変し、次いで強酸、酵素あるいは超臨界水、亜臨界水にて低分子糖類または単糖まで加水分解を行う。脱結晶薬品において、特開2008−35853では、尿素、チオシアン酸カルシウム、チオシアン酸ナトリウム、塩化亜鉛、塩化カルシウム、塩化マグネシウム等の金属塩、特開2007−202560では、硫酸、塩酸、フッ化水素酸、燐酸の強酸、特開2006−223152では、アルデヒド系、SO/アミン系、NOX系、塩化リチウム系、含硫黄系、含窒素系、有機酸類、有機塩類、有機系溶媒のセルロ−ス溶剤、特開H8−299000では,70重量%以上の燐酸、ホスホン酸、ホスフィン酸、メタリン酸等が記載された。 In the first subgroup, biomass is modified with polysaccharides by chemical treatment in advance, and then hydrolyzed to low molecular sugars or monosaccharides with strong acid, enzyme, supercritical water, or subcritical water. In decrystallization chemicals, JP 2008-35853 A, urea, calcium thiocyanate, sodium thiocyanate, zinc chloride, calcium chloride, magnesium chloride and other metal salts, JP 2007-202560 A, sulfuric acid, hydrochloric acid, hydrofluoric acid. Strong acid of phosphoric acid, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-223152, an aldehyde-based, SO 2 / amine-based, NOX-based, lithium chloride-based, sulfur-containing, nitrogen-containing, organic acid, organic salt, organic solvent cellulose solvent JP-A-H8-299000 described 70% by weight or more of phosphoric acid, phosphonic acid, phosphinic acid, metaphosphoric acid and the like.

第2サブグループでは、バイオマスが繊維の結晶を変更せずに薬品単独処理または薬品と酵素の多段処理により糖化され、次いで微生物により燃料代替物質、薬品等を生産する。前記処理薬品は、(1)過酸化水素の二段処理でヘミセルロースとセルロースを加水分解し、得られた物質はリン酸アルミニウムの下で高温加熱し、単糖化を行い(特開2008−54608)、あるいは(2)タングステン酸、モリブデン酸塩を含有する過酸化水素を用いて木質系バイオマスを分解・脱リグニンし、ヘミセルロースからの糖液を得て、残渣はセルラーゼにて糖化する(特開2006−149343)、又は(3)過酸化物質(過酸化水素、尿素過酸化水、過酸化ベンゾイル、過酢酸、過硫酸塩、過炭酸塩、過マンガン酸塩)、スーパーオキシドとその塩、次亜塩素酸とその塩、四酸化オスミウム、酸化クロム、ドデシルベンゼンスルホン酸等でバイオマスを加水分解して得られた糖類は酵素(セルラーゼ、キシラナーゼ、リグニナーゼ、アミラーゼ、グルクロニダーゼ、プロテアーゼ、リパーゼ)で処理し、乳酸、燃料、有機酸、産業的酵素、医薬品、アミノ酸等を生産する(特開2006−519606)。さらに、(4)特開2008−43328では、木質系バイオマスが希硫酸で分解された後、第1糖液と第1残渣を得る。核第1残渣はアルカリ性過酸化水素で処理し、アルカリ排水と第2残渣が発生する。核第2残渣は、セルラーゼにて加水分解して第2糖液が得られる。第1糖液と第2糖液はエタノール発酵を行い、エタノールを生産する。特開2005−229821及び2005−229822では、多段(2−3段)硫酸処理を行い、バイオマスを糖化する方法である。     In the second subgroup, biomass is saccharified by chemical single treatment or multistage treatment of chemicals and enzymes without changing fiber crystals, and then fuel substitutes, chemicals, etc. are produced by microorganisms. The treatment chemicals are (1) hydrolyzing hemicellulose and cellulose by a two-stage treatment with hydrogen peroxide, and the obtained substance is heated at high temperature under aluminum phosphate to monosaccharideize (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-54608). (2) Woody biomass is decomposed and delignified using hydrogen peroxide containing tungstic acid and molybdate to obtain a sugar solution from hemicellulose, and the residue is saccharified with cellulase (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006). -149343), or (3) peroxides (hydrogen peroxide, urea peroxide water, benzoyl peroxide, peracetic acid, persulfate, percarbonate, permanganate), superoxide and its salts, hypochlorous acid Sugars obtained by hydrolyzing biomass with chloric acid and its salts, osmium tetroxide, chromium oxide, dodecylbenzene sulfonic acid, etc. are enzymes (cellulase, xylanase, Guninaze, amylase, glucuronidase, protease, and treated with lipase), to produce lactic acid, fuel, organic acids, industrial enzymes, pharmaceuticals, amino acids, etc. (JP 2006-519606). Furthermore, (4) JP 2008-43328 A obtains a first sugar solution and a first residue after woody biomass is decomposed with dilute sulfuric acid. The nuclear first residue is treated with alkaline hydrogen peroxide to generate alkaline drainage and a second residue. The second nuclear residue is hydrolyzed with cellulase to obtain a second sugar solution. The first sugar solution and the second sugar solution are subjected to ethanol fermentation to produce ethanol. Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2005-229821 and 2005-229822 are methods in which biomass is saccharified by performing a multistage (2-3 stage) sulfuric acid treatment.

前記方法はバッチの方式で糖化を行うが、第3サブグループでは、バイオマス成分が高温高圧熱水にて連続的に抽出される方式である。特開2007−301472では、反応器のトップの導入部でバイオマスを連続的に投入し、100−140℃の加圧熱水を供給して反応器の上部からリグニンとその分解物質、及び細胞内含有成分を抽出する。反応器の中部では、140−230℃の加圧熱水を投入し、キシロオリゴ糖及びキシロースを抽出する。反応器の下部での高圧熱水の温度は230−374℃に上げ、セロオリゴ糖とグルコースを抽出する。バイオマスの残渣は連続反応器の底部の排出路より排出させる。     In the third sub-group, the biomass component is continuously extracted with high-temperature and high-pressure hot water. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-301472, biomass is continuously charged at the top introduction part of the reactor, and pressurized hot water at 100 to 140 ° C. is supplied to the lignin and its decomposition substance, and intracellular Extract components. In the middle of the reactor, 140-230 ° C. hot pressurized water is added to extract xylooligosaccharides and xylose. The temperature of the high-pressure hot water at the bottom of the reactor is raised to 230-374 ° C. to extract cellooligosaccharides and glucose. Biomass residues are discharged from the discharge path at the bottom of the continuous reactor.

前記の糖化方法の共通問題点は、下記の通りである。
(1)特開2007−202560を除いて、他の特開においてはリグノセルロース系バイオマスが2mm以下の粒径を粉砕する工程、もしくは、アルカリ(クラフト)パルプの原料を用いる場合の蒸解・漂白工程等が必要となるため粉砕、蒸解、漂白のエネルギーが多く消費され、目標のバイオエタノールから得られるエネルギーより高くなる。
(2)特開2005−229822で記載されたリグニン残渣は、濾過器にて回収・洗浄するが、このリグニンは非常に細かいため、収集、洗浄及びボイラーへの流送は設備的・技術的の新たな挑戦である。その他の特開においては、リグノセルロース系バイオマスの組成(ヘミセルロース、リグニン、セルロース)を完全に利用しないため糖化後のリグニン残渣またはリグニン・セルロースを共有する残渣の処理方法および糖化工程からの排水の処理方法が触れていなく環境問題となる。
(3)得られた単糖は、発酵により低エネルギーのバイオエタノール、あるいは乳酸、及びその他の有機酸等という低付加価値の最終製品である。
The common problems of the saccharification method are as follows.
(1) Except for Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-202560, in other Japanese Patent Application, lignocellulosic biomass is pulverized to a particle size of 2 mm or less, or cooking / bleaching process when using alkali (kraft) pulp raw material Etc. are required, so much energy for pulverization, cooking and bleaching is consumed, which is higher than the energy obtained from the target bioethanol.
(2) The lignin residue described in JP-A-2005-229822 is collected and washed with a filter. However, since this lignin is very fine, collection, washing, and feeding to the boiler are technical and technical. It is a new challenge. In the other JP, the composition of lignocellulosic biomass (hemicellulose, lignin, cellulose) is not used completely, so that the processing method of the lignin residue after saccharification or the residue sharing lignin / cellulose and the treatment of waste water from the saccharification step The method is not mentioned and it becomes an environmental problem.
(3) The obtained monosaccharide is a low-value-added final product such as low-energy bioethanol or lactic acid and other organic acids by fermentation.

バイオエタノールは一般的に運送・交通用代替燃料として使用するが、発酵バイオエタノールから発生するエネルギーがバイオエタノールを製造するエネルギーより低く(Hammerschlag, R., Ethanol’s energy return on investment: A survey of the literature 1990-present. Environmental Science & Technology40(6):1744-1750(2006))、また、石油のガゾリンに比べ同一容量でのエネルギー量が少ないというバイオエタノールの欠点がある。     Bioethanol is generally used as an alternative fuel for transportation and transportation, but the energy generated from fermented bioethanol is lower than that for producing bioethanol (Hammerschlag, R., Ethanol's energy return on investment: A survey of the literature 1990-present. Environmental Science & Technology 40 (6): 1744-1750 (2006)), and the disadvantage of bioethanol is that it has less energy in the same capacity than petroleum gazoline.

特開2007−301472においては、連続反応器の上部よりリグニンとその分解物質、及び細胞内含有成分が100−140℃の加圧熱水で抽出されると記載された。しかし、ヘミセルロースの最適利用観点から考えると、先ずキシランは100−150℃での加熱温水で抽出し、次いで木質系原料のリグニンはクラフト蒸解法にて除去するという研究結果があった。(Heiningen, A. v., Converting a kraft pulp mill into an integrated forest biorefinery. Presentation no. 2 at the Solander Symposium, Pitea, Sweden, March 29th, 2007)。更に、リグニンは、一般的にUV吸収スペクトルの205nmあるいは280nmで測定するが、熱水抽出液に溶解されたヘミセルロースには副産物質であるフルフラール、5−ヒドロキシメチルフルフラールが含まれ、これらの物質は280nm近辺に吸収するため溶解リグニンの測定が原則として205nmで行う。特開2007−301472では、リグニンがUV吸収スペクトルにて測定すると記載したが測定波長を明確しない。このため、100−140℃の加圧熱水はリグニンを完全に抽出するかどうかが疑問となる。
特開2008−43328号広報 特開2008−54608号広報 特開2007−202560号広報 特開2007−301472号広報 特開2005−229822号広報
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-301472, it was described that lignin, its decomposition substances, and intracellular components were extracted from the upper part of the continuous reactor with pressurized hot water at 100-140 ° C. However, from the viewpoint of optimal utilization of hemicellulose, there has been a research result that xylan is first extracted with heated hot water at 100-150 ° C., and then lignin as a wood-based material is removed by kraft cooking. (Heiningen, A. v., Converting a kraft pulp mill into an integrated forest biorefinery. Presentation no. 2 at the Solander Symposium, Pitea, Sweden, March 29 th, 2007). Furthermore, lignin is generally measured at 205 nm or 280 nm in the UV absorption spectrum, but hemicellulose dissolved in the hot water extract contains by-products such as furfural and 5-hydroxymethylfurfural. In principle, dissolved lignin is measured at 205 nm in order to absorb near 280 nm. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-301472 describes that lignin is measured in the UV absorption spectrum, but the measurement wavelength is not clear. For this reason, it is doubtful whether pressurized hot water at 100-140 ° C. will completely extract lignin.
JP 2008-43328 PR JP 2008-54608 PR JP 2007-202560 A JP 2007-301472 A Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2005-229822

本発明は、(1)チップ化または脱墨・回収された非食用リグノセルロース系バイオマスが薬品処理によりリグニンとホロセルロースを効率的に個別に分離・製造する方法を、(2)リグニンが廃液に溶解され濃縮工程及びボイラーにてエネルギーを回収・再利用する方法を、(3)ホロセルロースが微生物・酵素または無機酸にて単糖化をする方法を、そして、(4)単糖溶液は発酵により2,3−ブタンジオール、バイオエタノール、酢酸等を生産する方法を、更に、(5)固体酸触媒を通じて2,3−ブタンジオールから高付加価値の代替燃料メチルエチルケトンを生産する方法を提供することを目的とする。     The present invention relates to (1) a method for efficiently separating and producing lignin and holocellulose separately by chipping or deinking / recovered non-edible lignocellulosic biomass by chemical treatment, and (2) lignin in waste liquid. A method of recovering and reusing energy in a dissolved concentration process and a boiler, (3) a method in which holocellulose is mono-saccharified with microorganisms / enzymes or inorganic acids, and (4) a monosaccharide solution by fermentation A method for producing 2,3-butanediol, bioethanol, acetic acid, etc., and (5) a method for producing methyl ethyl ketone, a high-value-added alternative fuel from 2,3-butanediol through a solid acid catalyst. Objective.

本発明は、前記目的を達成すべく以下の構成を有する。
第一工程のチップ化では木質リグノセルロース系バイオマスをチップ状にした後、第二工程のホロセルロース製造用二酸化塩素処理反応器に流送し、二酸化塩素は一般に10g.L−1以下で製造されるため反応器内のバイオマススラリ−濃度が低濃度(7%以下)になるが、得られたホロセルロース物質はフィルターにて中濃度(7%−15%)にし、第三工程の単糖化反応塔に送り、微生物・酵素あるいは無機酸の加水分解により単糖化され、前処理を行い、次いで第四工程の発酵槽に送り、微生物により2,3−ブタンジオール、バイオエタノール、酢酸等を製造し、そして第五工程の固体酸触媒反応器に流送してメチルエチルケトンを生産するフローである。一方、二酸化塩素処理工程で得られた溶解リグニンはエバポレータという濃縮装置にてリグニン分解物質を含む二酸化塩素廃液をトタールソリッド(TS)55%以上に濃縮し、次のボイラーで燃焼させ、エネルギーを回収・再利用する。
なお、二酸化塩素は不安定なガスで、水への吸収濃度及び保管可能な濃度共1%程度までであるため本発明で使用二酸化塩素水は、生産現場にて市販方法を基に生成するものとする。前記市販方法は、Mathieson法、Solvay法、R2法、R5−R8法、R10−R13法、SVP法等である。(Fredette, M.C., Bleaching Chemicals : Chlorine dioxide. In “Pulp Bleaching : Principles and Practice”, Eds., Dence, C.W., Reeve, D.W., Tappi Press, 1996, Atlanta, GApp. 59-69)。
The present invention has the following configuration to achieve the above object.
In chip formation in the first step, woody lignocellulosic biomass is made into chips and then fed to a chlorine dioxide treatment reactor for producing holocellulose in the second step. Since the biomass slurry concentration in the reactor is low (7% or less) because it is produced at L- 1 or less, the obtained holocellulose material is made a medium concentration (7% -15%) with a filter, It is sent to the monosaccharification reaction tower of the third step, monosaccharified by hydrolysis of microorganisms / enzymes or inorganic acids, pretreated, then sent to the fermenter of the fourth step, and 2,3-butanediol, bio This is a flow for producing methyl ethyl ketone by producing ethanol, acetic acid and the like and then feeding it to the solid acid catalyst reactor in the fifth step. On the other hand, the dissolved lignin obtained in the chlorine dioxide treatment process concentrates chlorine dioxide waste liquid containing lignin decomposition substances to 55% or more of total solid (TS) with an evaporator, and burns it with the next boiler to recover energy. ·Reuse.
Chlorine dioxide is an unstable gas, and the absorption concentration in water and the concentration that can be stored are up to about 1%, so the chlorine dioxide water used in the present invention is produced on the production site based on a commercially available method. And The commercially available methods are Mathieson method, Solvay method, R2 method, R5-R8 method, R10-R13 method, SVP method and the like. (Fredette, MC, Bleaching Chemicals: Chlorine dioxide. In “Pulp Bleaching: Principles and Practice”, Eds., Dence, CW, Reeve, DW, Tappi Press, 1996, Atlanta, GApp. 59-69).

本発明は、第一工程のチップ化、第三工程の単糖化、第四工程の2,3−ブタンジオール発酵そして第五工程のメチルエチルケトン生産全て連続操業可能な工程に対し第二工程のホロセルロース製造はバッチ方式あるいは連続方式が採用可能な非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法である。     The present invention relates to the first step of chip formation, the third step of saccharification, the fourth step of 2,3-butanediol fermentation and the fifth step of methyl ethyl ketone production, all of which can be operated continuously, the second step of holocellulose. The production is a monosaccharide production method and an alternative fuel production method of non-edible lignocellulosic biomass, which can adopt a batch method or a continuous method.

本発明は、第三工程の単糖化が微生物・酵素あるいは無機酸のいずれが使用可能であり、後工程の第四(2,3−ブタンジオール発酵)工程と第五(メチルエチルケトン生産)工程の効率を向上するには、それぞれの工程の原料は前処理を行い、即ち、単糖溶液中の2,3−ブタンジオール発酵の阻害物質及びメチルエチルケトンを生成する脱水反応への2,3−ブタンジオール液中の阻害物質を除去する非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法である。     In the present invention, the saccharification in the third step can use any of microorganisms / enzymes or inorganic acids, and the efficiency of the fourth (2,3-butanediol fermentation) step and the fifth (methyl ethyl ketone production) step in the subsequent step. In order to improve the process, the raw materials of each step are pretreated, that is, 2,3-butanediol solution to the dehydration reaction to produce 2,3-butanediol fermentation inhibitor and methyl ethyl ketone in the monosaccharide solution It is a monosaccharide manufacturing method and an alternative fuel manufacturing method of non-edible lignocellulosic biomass which removes an inhibitory substance therein.

(1)リグニンとホロセルロースを効率的に分離・製造することと薬品浸透を図るためには、先ず前記バイオマスをチップ化し、即ち、木質系リグノセルロースの丸太はチッパ−にてチッピングを行い、あるいは購入チップを使用し、いずれのチップのオーバーサイズものはスライサーへ送り、得られたチップの平均厚みが2−3mmであり、50mm以下の粒径の丸穴又は50mm以下の四角穴を有する上部スクリーンを通過して5mm以上の粒径の丸穴を有する下部スクリーンに残るチップは200kPa以下の低圧蒸気で脱気し、二酸化塩素単独処理を行うことでヘミセルロース及びセルロースを構成された固体ホロセルロースと廃液に溶解されたリグニンの2極分を効率的に分離・製造する非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法である。
段ボール・古紙の原料において、紙パルプ産業で使用しているパルパーを用いて離解、脱墨、精選、濃縮等をした後二酸化塩素単独の処理を行い、ホロセルロースおよび溶解リグニンを効率的に分離・製造する非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法である。
(1) In order to efficiently separate and produce lignin and holocellulose and to infiltrate the chemical, the biomass is first chipped, that is, the wood-based lignocellulose log is chipped with a chipper, or Using the purchased chip, any oversized chip is sent to the slicer, the average thickness of the obtained chip is 2-3 mm, and the upper screen has a round hole with a particle diameter of 50 mm or less or a square hole of 50 mm or less The chip remaining in the lower screen having a round hole with a particle diameter of 5 mm or more passing through the gas is degassed with low-pressure steam of 200 kPa or less, and treated with chlorine dioxide alone, so that the solid holocellulose and waste liquid composed of hemicellulose and cellulose Of non-edible lignocellulosic biomass that efficiently separates and produces two poles of lignin dissolved in It is a manufacturing method and alternative fuel production process.
In the raw material of corrugated cardboard and waste paper, pulp pulp used in the pulp and paper industry is used to disaggregate, deink, select, concentrate, etc., and then treat with chlorine dioxide alone to efficiently separate holocellulose and dissolved lignin. It is a monosaccharide manufacturing method and an alternative fuel manufacturing method of non-edible lignocellulosic biomass to manufacture.

(2)本発明は、前記木質系バイオマスのチップあるいは脱墨・回収された古紙パルプ原料が二酸化塩素単独処理を行う際、廃液に溶解されたリグニンを得た後、多段エバポレ−タ(濃縮器)にて55%以上の全固形分(トータルソリッド:TS)濃度に濃縮し、ボイラーで燃焼させ、熱を回収・再利用する前記バイオマスの構成を効率的に分離・製造する非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法である。   (2) The present invention provides a multistage evaporator (concentrator) after obtaining the lignin dissolved in the waste liquid when the woody biomass chip or the deinked and recovered waste paper pulp raw material is treated with chlorine dioxide alone. ) To concentrate to a total solid content (total solid: TS) concentration of 55% or more, burn in a boiler, and recover and reuse heat efficiently. This is a method for producing a monosaccharide of biomass and a method for producing an alternative fuel.

(3)本発明では、前記ホロセルロース物質の単糖化が無機酸(硫酸、塩酸、硝酸、燐酸等)および微生物・酵素の2加水分解方法を使用することが可能である。
本発明は65%−80%濃度、望ましくは65%−72%、の硫酸を使用し、前記ホロセルロース物質を分解してオリゴ糖を製造する。次いで2−6%濃度、望ましくは3%−4%、の硫酸に希釈し、100℃−140℃の温度、望ましくは110℃−120℃、と30分−90分、望ましくは45−60分、の条件下で完全に単糖化をする方法である。濃度65%以下の硫酸が前記ホロセルロース物質を完全に溶解されなく、濃度80%以上の硫酸を使用すると次の希釈工程での必要な水量が増加し、単糖液の濃縮用エネルギー及び硫酸のコストが高くなる。
(3) In the present invention, the saccharification of the holocellulose substance can use a two-hydrolysis method of an inorganic acid (sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, etc.) and a microorganism / enzyme.
The present invention uses sulfuric acid having a concentration of 65% -80%, preferably 65% -72%, and decomposes the holocellulose material to produce an oligosaccharide. It is then diluted with 2-6% sulfuric acid, preferably 3% -4%, at a temperature of 100 ° C-140 ° C, preferably 110 ° C-120 ° C, 30 minutes-90 minutes, preferably 45-60 minutes. This is a method of completely saccharifying under the conditions of When sulfuric acid with a concentration of 65% or less does not completely dissolve the holocellulose material, and when sulfuric acid with a concentration of 80% or more is used, the amount of water required in the next dilution step increases, and the concentration energy of the monosaccharide liquid and the sulfuric acid Cost increases.

微生物・酵素による加水分解法について、前記ホロセルロース物質にはリグニンがほぼ残存しなく、セルロースの結晶度も変改するため微生物または酵素にて単糖化しやくなる。ホロセルロース中のヘミセルロースを分解するには、キシラナ−ゼ、マンナナ−ゼ、ガラクタナ−ゼの各々がキシラン、マンナン、ガラクタンをキシロ−ス、マンノ−ス、ガラクトースに単糖化する。
キシラナ−ゼを排泄する微生物は菌類、酵母、細菌であり、菌類がAgaricus bisporus, Aspergillus niger, Cephalosporium sacchari, Ceratocystis paradoxa, Oxiporus sp., Talaromyces byssochlamydoides, Trichoderma reesei, Trichoderma viride、酵母がTrichosporon cutaneum, Cryptococcus albidus、細菌がBacillus circulans, Bacillus subtilis, Streptomyces exfoliatus等がある。マンナナーゼにおいては、エクソβ−マンナナーゼがAeromonas sp.から生産され、エンドβ−マンナナーゼは、Aspergillus nigerより単離され、そして、Bacillus subtilisがエンドβ−ガラクタナーゼを排泄する。(Dekker, R.F.H., Biodegradation of Hemicelluloses. In “Biosynthesis and Biodegradation of Wood Components”, Higuchi, T., ed., Academic Press, New York, 1985, pp. 505-533)。
セルロ−スを単糖化するには、エンドβ−グルカナ−ゼ、エクソβ−グルカナ−ゼ、及びβ−グルコシダ−ゼの酵素が必要である。エンドβ−グルカナ−ゼはセルロースの非結晶分をオリゴ糖に分解し、エクソβ−グルカナ−ゼはセルロースの末端をセロビオースに分解し、そして、β−グルコシダ−ゼはオリゴ糖及びセロビオースを単糖グルコースに加水分解する。エンドβ−グルカナ−ゼ、エクソβ−グルカナ−ゼ、及びβ−グルコシダ−ゼを共有するセルラーゼを最も持つ菌類は白色腐朽菌(Sporotrichum pulverulentum, Sporotrichum thermophile, Trichoderma reesei等)である。軟腐朽菌類(Trichoderma koningii, Fusariumsalani, Penicillium funiculosum, Myrothecium verrucaria, Stachybotrys atra, Gliocladium roseum, Memmoniella echinata等)からのセルラ−ゼは白色腐朽菌からのものと同じく、セルロースの結晶を変改し、分解を行う。一方、褐色腐朽菌(例:Poriaplacenta)から単離したセルラ−ゼは、エクソβ−グルカナ−ゼが不足するがセルロースの結晶を激しく分解する。同様に、細菌(Ruminococcus albus, Ruminococcus flavefaciens, Bacteroides succinogenes等)のセルラ−ゼにもエクソβ−グルカナ−ゼが存在しない。(Eriksson, K.-E., Wood, T.M., Biodegradation of Cellulose. In “Biosynthesis and Biodegradation of Wood Components”, Higuchi, T., ed., Academic Press, New York, 1985, pp. 469-503)。
前記ヘミセルラーゼとセルラーゼは市販品(Novozyme社, Genencor社等)が登場しており、工業的に使用可能である。本発明は(1)ヘミセルラーゼとセルラーゼの2−3種酵素、あるいは(2)ヘミセルロースを分解する微生物およびセルロースを加水分解する微生物、もしくは(3)セルラーゼとヘミセルロースを分解する微生物を同時に使用することにより前記リグニンフリ−ホロセルロースを加水分解し単糖化をする方法である。
In the hydrolysis method using microorganisms / enzymes, almost no lignin remains in the holocellulose substance, and the crystallinity of cellulose is changed, so that the saccharides are easily saccharified by microorganisms or enzymes. To decompose hemicellulose in holocellulose, xylanase, mannanase, and galactanase each monosaccharideize xylan, mannan, and galactan into xylos, mannose, and galactose.
Microorganisms that excrete xylanase are fungi, yeasts, and bacteria, and fungi are Agaricus bisporus, Aspergillus niger, Cephalosporium sacchari, Ceratocystis paradoxa, Oxiporus sp. And bacteria include Bacillus circulans, Bacillus subtilis, Streptomyces exfoliatus and the like. In mannanase, exo β-mannanase is produced from Aeromonas sp., Endo β-mannanase is isolated from Aspergillus niger, and Bacillus subtilis excretes endo β-galactanase. (Dekker, RFH, Biodegradation of Hemicelluloses. In “Biosynthesis and Biodegradation of Wood Components”, Higuchi, T., ed., Academic Press, New York, 1985, pp. 505-533).
In order to monosaccharideize cellulose, endo β-glucanase, exo β-glucanase, and β-glucosidase enzymes are required. Endo β-glucanase breaks down the amorphous part of cellulose into oligosaccharides, exo β-glucanase breaks down the cellulose ends into cellobiose, and β-glucosidase breaks down oligosaccharides and cellobiose into monosaccharides Hydrolyzes to glucose. Fungi having the most cellulases that share endo β-glucanase, exo β-glucanase, and β-glucosidase are white rot fungi (Sporotrichum pulverulentum, Sporotrichum thermophile, Trichoderma reesei, etc.). Cellulases from soft-rot fungi (Trichoderma koningii, Fusariumsalani, Penicillium funiculosum, Myrothecium verrucaria, Stachybotrys atra, Gliocladium roseum, Memmoniella echinata, etc.) modify the cellulose crystals and decompose them, similar to those from white-rot fungi. Do. On the other hand, a cellulase isolated from brown rot fungi (eg, Poriaplacenta), which lacks exo β-glucanase, severely degrades cellulose crystals. Similarly, exo-β-glucanase is not present in bacterial (Ruminococcus albus, Ruminococcus flavefaciens, Bacteroides succinogenes, etc.) cellulases. (Eriksson, K.-E., Wood, TM, Biodegradation of Cellulose. In “Biosynthesis and Biodegradation of Wood Components”, Higuchi, T., ed., Academic Press, New York, 1985, pp. 469-503).
The hemicellulase and cellulase are commercially available (Novozyme, Genencor, etc.) and can be used industrially. The present invention uses (1) hemicellulase and 2-3 enzyme of cellulase, or (2) a microorganism that degrades hemicellulose and a microorganism that hydrolyzes cellulose, or (3) a microorganism that degrades cellulase and hemicellulose at the same time. The lignin-free holocellulose is hydrolyzed to form a monosaccharide.

微生物・酵素または無機酸の加水分解より製造された単糖溶液は、後発酵工程の効率を向上する目的で混床イオン樹脂にて処理した後生石灰添加によりpH5−6の範囲に中和し、次いで、Zymomonas mobilisの細菌、Saccharomyces cerevisiae、Pichiasstipitis等の酵母でバイオエタノールを発酵することが可能である。(例:Tran, A.V., Chambers, R.P., Ethanol fermentation of red oak acid prehydrolyzateby the yeast Pichiastipitis CBS 5776, Enzyme Microbiology and Technology 8 (7): 439-446(1986))。一方、メチルエチルケトンはエタノールに比べ燃焼熱が高く(584.2vs.326.7kcal.モル−1)、ガゾリンの25%(v.v−1)を代替するとオクタン数が96.7と高いため、本発明は運送・交通用燃料を代替するメチルエチルケトンを生産する方法である。従って、単糖液は先ずメチルエチルケトンの前駆体である2,3−ブタンジオールを製造する非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法である。 The monosaccharide solution produced by hydrolysis of microorganisms / enzymes or inorganic acids is neutralized in the range of pH 5-6 by adding quick lime after treatment with mixed bed ion resin for the purpose of improving the efficiency of the post-fermentation process, It is then possible to ferment bioethanol with yeasts such as Zymomonas mobilis bacteria, Saccharomyces cerevisiae, Pichiasstipitis. (Example: Tran, AV, Chambers, RP, Ethanol fermentation of red oak acid prehydrolyzate by the yeast Pichiastipitis CBS 5776, Enzyme Microbiology and Technology 8 (7): 439-446 (1986)). On the other hand, methyl ethyl ketone has a higher heat of combustion than ethanol (584.2 vs. 326.7 kcal. Mol- 1 ), and 25% (v.v- 1 ) of gazoline has a high octane number of 96.7. The invention is a method for producing methyl ethyl ketone that replaces fuel for transportation and traffic. Therefore, the monosaccharide liquid is a monosaccharide production method and non-edible lignocellulosic biomass production method for producing 2,3-butanediol, which is a precursor of methyl ethyl ketone.

(4)本発明は細菌のKlebsiella 属に属するKlebsiella pneumoniaeを用いて2,3−ブタンジオールを発酵する方法である。更に、本発明の第三工程の単糖化反応器で単糖化用酵素と共にKlebsiella 属に属する微生物を添加することにより前記ホロセルロース物質の単糖化及び2,3−ブタンジオールの発酵は同時に実行し、生産工程が短縮可能になる2,3−ブタンジオール製造の非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法である。   (4) The present invention is a method for fermenting 2,3-butanediol using Klebsiella pneumoniae belonging to the genus Klebsiella. Furthermore, by adding a microorganism belonging to the genus Klebsiella together with a monosaccharification enzyme in the monosaccharification reactor of the third step of the present invention, monosaccharification of the holocellulose substance and fermentation of 2,3-butanediol are performed simultaneously, It is a monosaccharide production method and an alternative fuel production method for non-edible lignocellulosic biomass produced by 2,3-butanediol, which can shorten the production process.

(5)本発明は、生産された2,3−ブタンジオールを活性炭で処理してサルホン基を共有結合するシリカ/アルミニウム担体の固体酸触媒にて脱水反応を行い、メチルエチルケトンを生産する非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法である。   (5) The present invention is a non-edible ligno that produces methyl ethyl ketone by subjecting the produced 2,3-butanediol to activated carbon and dehydration reaction with a solid acid catalyst of a silica / aluminum carrier that covalently binds a sulfone group. It is a monosaccharide manufacturing method and an alternative fuel manufacturing method of cellulosic biomass.

本発明の非食用リグノセルロース系バイオマスは粉砕せずに紙・パルプ産業で使用するチップと同様なものを作成してホロセルロースを製造可能となり、粉砕機器に比べチップを生産する装置であるチッパー、スライサー、チップ厚み選別器、チップスクリーン等の消費エネルギーが低く、省エネルギーが図れる。     The non-edible lignocellulosic biomass of the present invention is capable of producing holocellulose by producing the same chip as used in the paper and pulp industry without crushing, and a chipper that is an apparatus that produces chips compared to crushing equipment, The energy consumption of slicers, chip thickness selectors, chip screens, etc. is low, saving energy.

本発明は、チッピング工程からホロセルロース製造工程、単糖化工程、2,3−ブタンジオール製造工程そしてメチルエチルケトン生産工程までは連続的に作業可能であるため生産効率及び生産高が向上する。     Since the present invention can be continuously operated from the chipping process to the holocellulose production process, the monosaccharification process, the 2,3-butanediol production process, and the methyl ethyl ketone production process, production efficiency and yield are improved.

本発明は、単糖化及び2,3−ブタンジオール製造の両工程で微生物・酵素で行う場合、単糖化用酵素と2,3−ブタンジオール製造用微生物共同時に行われるためこれらの2工程が1工程に短縮可能になり、生産フローの単純化と設備費の削減というメリットが図れる。     In the present invention, when the saccharification and 2,3-butanediol production are carried out with microorganisms / enzymes, the two steps are performed because the saccharification enzyme and the 2,3-butanediol production microorganism are used together. The process can be shortened, and the benefits of simplified production flow and reduced equipment costs can be achieved.

本発明は、非食用リグノセルロース系バイオマスのチップからホロセルロースを単離した後単糖化を行い、即ち、植物の全糖を使用して代替燃料を製造し、更に、ホロセルロース製造工程より得られた水溶性リグニン分解物は濃縮と燃焼によりエネルギーを回収して生産ラインに再利用するため従来の技術よりバイオマスの最も有効的な利用方法である。     In the present invention, holocellulose is isolated from chips of non-edible lignocellulosic biomass and then monosaccharified, that is, an alternative fuel is produced using the whole sugar of the plant, and further obtained from the holocellulose production process. Water-soluble lignin degradation products are the most effective use of biomass over conventional techniques because energy is recovered by concentration and combustion and reused in production lines.

本発明は、チップ化工程からホロセルロース製造工程までにチップを流送する液が二酸化塩素水とメークアップ液とするホロセルロース製造工程からの抽出液の一部となり、また、2,3−ブタンジオール、バイオエタノール、酢酸等を精製する工程から得た蒸留液(凝縮液)の一部は、ホロセルロース製造工程、単糖化工程等のメークアップ水として再利用し、残りの凝縮液はCOD、BODを除去した後少量の工業排水として排出し、環境負担が少ない非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法である。
本発明では、単糖化工程は酵素で行う場合、この工程及び次の2,3−ブタンジオール製造工程を組み合わせ、二工程が一工程に短縮し、核組み合わせた工程の用水として工業水を使用し、発生した排水は前記の工業排水と同様なものであり、いずれの排水は容量が少なく、更に、バイオマスの粕が殆どないため本発明の非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法が環境に優しいである。
The present invention provides a part of the extract from the holocellulose manufacturing process in which the chip flow from the chip forming process to the holocellulose manufacturing process is chlorine dioxide water and a make-up liquid, and 2,3-butane A part of the distillate (condensate) obtained from the process of purifying diol, bioethanol, acetic acid, etc. is reused as make-up water for the holocellulose production process, monosaccharification process, etc., and the remaining condensate is COD, It is a monosaccharide production method and alternative fuel production method of non-edible lignocellulosic biomass that is discharged as a small amount of industrial wastewater after removing BOD and has a low environmental burden.
In the present invention, when the saccharification step is carried out with an enzyme, this step and the next 2,3-butanediol production step are combined, the two steps are shortened to one step, and industrial water is used as water for the combined step. The generated waste water is the same as the industrial waste water described above, and since all the waste water has a small capacity and has almost no biomass fouling, the method for producing monosaccharides of non-edible lignocellulosic biomass and alternative fuel of the present invention The manufacturing method is environmentally friendly.

従来、段ボール・古紙は粉砕した後糖化を行うため断裁エネルギーが高く且つ原料の残存リグニンは高いことにより多糖が完全に単糖化できず効率が低い技術に対し本発明は、パルパーの使用で省エネルギーが図れ、更に二酸化塩素処理から得られたホロセルロースはリグニンフリーであるため単糖化の効率が高く、また、溶解リグニンは濃縮・燃焼を行うとエネルギーが回収可能であり、段ボール・古紙の原料を使用した場合でも本発明の非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法が従来の技術より優れる。     Conventionally, corrugated cardboard and waste paper are saccharified after being pulverized, so the cutting energy is high and the residual lignin in the raw material is high. In addition, holocellulose obtained from chlorine dioxide treatment is lignin-free and has high saccharification efficiency, and dissolved lignin can recover energy when concentrated and burned. Even in such a case, the monosaccharide production method and the alternative fuel production method of the non-edible lignocellulosic biomass of the present invention are superior to the conventional technology.

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。図1は本実施形能に係る非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法のフローを示す工程図である。図1には、前記木質バイオマスのチップ化工程、ホロセルロース製造工程、単糖化工程、2,3−ブタンジオール、バイオエタノール、酢酸製造工程、精製工程、メチルエチルケトン製造工程、メチルエチルケトン精製工程の計7工程が含まれる。各工程の説明は以下の通りである。     Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a process diagram showing the flow of a monosaccharide production method and an alternative fuel production method for non-edible lignocellulosic biomass according to this embodiment. FIG. 1 shows a total of 7 steps including the woody biomass chipping step, holocellulose production step, monosaccharification step, 2,3-butanediol, bioethanol, acetic acid production step, purification step, methyl ethyl ketone production step, and methyl ethyl ketone purification step. Is included. The description of each process is as follows.

(1)チップ化工程
本発明の非食用木質リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法は、非食用木質リグノセルロース系バイオマスが粉砕せずに紙・パルプ産業で使用木質チップと同様に製造する。即ち、前記木質バイオマスの丸太1はチッパー2でチッピングを行い、チップを作り、チップパイル3として在庫する。同様に、購入木質チップの場合でもチップパイルとして在庫する必要がある。使用量を明確する目的でコンベルトにてチップをチップメーターを有するチップサイロ4に転送し保管する。チップは次のホロセルロース製造工程へ送る前にサイズを揃う必要があり、チップ厚み選別器5にて選定した後、50mm以下の粒径の丸穴又は50mm以下の四角穴を有する上部スクリーン6および5mm以上の粒径の丸穴を有する下部スクリーン6でスクリーニングを行い、過大チップはスライサーへ送り、再利用し、皮及び過小チップはボイラーで燃焼させ、熱を回収する。揃ったチップの平均サイズは厚みが2mm−3mm、長さが20−35mm、幅が10−25mmとなる。
(1) Chip making process The non-edible wood lignocellulosic biomass monosaccharide production method and alternative fuel production method of the present invention are the same as the wood chips used in the paper and pulp industry without crushing the non-edible wood lignocellulosic biomass. To manufacture. That is, the woody biomass log 1 is chipped with a chipper 2 to produce chips and stocked as chip piles 3. Similarly, purchased wood chips need to be stocked as chip piles. For the purpose of clarifying the amount used, the chip is transferred to the chip silo 4 having a chip meter and stored by Convert. The chips need to be sized before being sent to the next holocellulose manufacturing process. After being selected by the chip thickness selector 5, the upper screen 6 having a round hole with a particle diameter of 50 mm or less or a square hole with a diameter of 50 mm or less and Screening is performed on the lower screen 6 having a round hole having a particle diameter of 5 mm or more, and the excessive chip is sent to the slicer and reused, and the skin and the small chip are burned with a boiler to recover heat. The average size of the aligned chips is 2 mm-3 mm in thickness, 20-35 mm in length, and 10-25 mm in width.

(2)ホロセルロース製造工程
チップは、チップスクリーン6からチップビン7に送り、ホロセルロースの生産高により回転数を設定されたチップメーター8を通過して、薬品の浸透を強化するためにスチ−ミングベッセル9に投入し、200kPa以下、望ましくは100−150kPa、の低圧蒸気で脱気する。その後、チップシュート10を通過しポンプ11でホロセルロース製造反応器に搬送する。ホロセルロース製造反応器はバッチ方式と連続方式の2種があり、いずれの場合、製造されたホロセルロースはブロータンク15に入れる。なお、バッチ方式と連続方式の反応器の滞留時間は12時間が最小限である。
(2) Holocellulose manufacturing process The chip is sent from the chip screen 6 to the chip bin 7 and passes through a chip meter 8 whose rotation speed is set according to the production volume of holocellulose, and is steamed to enhance the penetration of chemicals. The vessel 9 is charged and degassed with low-pressure steam of 200 kPa or less, preferably 100-150 kPa. Then, it passes through the chip chute 10 and is conveyed to the holocellulose production reactor by the pump 11. There are two types of holocellulose production reactors, a batch system and a continuous system. In either case, the produced holocellulose is put in the blow tank 15. Note that the residence time of the batch type and continuous type reactors is 12 hours minimum.

(2−1)バッチ生産(A)方式
ホロセルロースの生産高及びバッチ式反応器の容量により一定のチップ重量を反応器12に投入し、圧力150kPa以下を維持しながら濃度10g.L−1以下、望ましくは7−8.5g.L−1、の二酸化塩素水を添加し、pH1.0−2.5、望ましくは1.7−2.2、になるように苛性ソーダで調整を行い、蒸気を投入して反応温度95℃、望ましくは65−85℃、まで加熱し、このバッチ式反応器には液循環設備およびヒーターが付着され、添加した二酸化塩素液の残存二酸化塩素がなくなるとその液を廃止して新規二酸化塩素液を入れ替え、カッパー価10以下のホロセルロースを得られるまで二酸化塩素処理を継続する。なお、この二酸化塩素処理は室温でも起きるが、65−85℃での反応に比べ、最終のカッパー価10以下のホロセルロースを得るための二酸化塩素原単位が高く反応時間も長くなる。前記二酸化塩素原単位とは、製造されたホロセルロースの1トン風乾(ADT: air-dry ton)に対する二酸化塩素の消費量(kg)と言う。因みに1ADTは、0.9トン絶乾(ODT: oven-dry ton)と相当する。
本発明は、カッパー価という方法を基にホロセルロース中の残存リグニンの指数とし、カッパー価の測定方法では、過マンガン酸カリウムの一定添加量の半分が消費されるように測定パルプ(ホロセルロース)のサンプル量を調整し精度が高いため、世界中の様々な紙パルプ技術協会が標準法として使用している(Dence, C.W., In” Methods in Lignin Chemistry”, Eds. Lin, S.Y., Dence, C.W., Springer-Verlag, Berlin, 1992, pp. 48- 52)。
(2-1) Batch Production (A) Method A constant chip weight is charged into the reactor 12 according to the production volume of holocellulose and the capacity of the batch reactor, and the concentration is 10 g while maintaining the pressure at 150 kPa or less. L- 1 or less, preferably 7-8.5 g. L- 1 chlorine dioxide water is added and adjusted with caustic soda to have a pH of 1.0-2.5, preferably 1.7-2.2. The batch reactor is preferably heated to 65-85 ° C., and a liquid circulation facility and a heater are attached to the batch reactor. When the residual chlorine dioxide of the added chlorine dioxide liquid is exhausted, the liquid is abolished and a new chlorine dioxide liquid is obtained. The chlorine dioxide treatment is continued until the holocellulose having a copper number of 10 or less is obtained. Although this chlorine dioxide treatment occurs even at room temperature, the chlorine dioxide basic unit for obtaining the final holocellulose having a kappa number of 10 or less is higher and the reaction time is longer than the reaction at 65-85 ° C. The chlorine dioxide basic unit is the consumption (kg) of chlorine dioxide with respect to 1 ton of air-dry ton (ADT) of the produced holocellulose. Incidentally, 1 ADT is equivalent to 0.9 tons of oven-dry ton (ODT).
The present invention uses the kappa number as the index of residual lignin in holocellulose, and the kappa number is measured so that half of the fixed amount of potassium permanganate is consumed. Is used as a standard method by various pulp and paper technology associations around the world (Dence, CW, In ”Methods in Lignin Chemistry”, Eds. Lin, SY, Dence, CW , Springer-Verlag, Berlin, 1992, pp. 48-52).

(2−2)連続生産(B)方式
ホロセルロースの連続生産方式はバッチ生産方式の圧力、二酸化塩素の濃度、二酸化塩素処理の温度、pH等の条件と同様であるが操業性が異なっている。詳しくは、チップ中に二酸化塩素を浸透する設備である第一塔目13、そしてホロセルロース製造用第二塔目14が結成する二塔方式であり、両塔はダウンフロー方式で第一塔目には少なくとも2液循環ゾーン、第二塔目には少なくとも三液循環ゾーンが含まれ、そして第一塔及び第二塔の合計滞留時間が少なくとも12時間またはその以上となる。チップは、シュート10より循環ポンプP1に行き、搬送液とする二酸化塩素水にて浸透塔13に流送され、浸透塔13のトップセパレーターでチップと二酸化塩素液を分別してチップ及び新規二酸化塩素は浸透塔に入り、搬送用二酸化塩素液は循環ポンプP1に戻り、残存二酸化塩素がなくなると新規二酸化塩素液を入れ替える。浸透塔13の上部循環ポンプP2から塔内液を抽出・排出し、新規二酸化塩素を添加し、ヒーターH1にて過熱させ塔内に入れる。同様に、下部循環ポンプP3から塔内液を抽出・排出し、新規二酸化塩素を注入し、ヒーターH2にて過熱させ塔内に投入する。部分的に脱リグニンされたチップは反応塔14に送り、上部循環ゾーンのポンプP4から反応塔内液を抽出・排出し、新規二酸化塩素液と置き換え、ヒーターH3で過熱して上部循環ゾーンに入れる。次いで、中間循環ゾーンのポンプP5から塔内液を抽出し新規二酸化塩素液を注入してヒーターH4で過熱した後中間循環ゾーンに入れる。同様に、下部循環ゾーンのポンプP6で塔内液を抽出し新規二酸化塩素液を添加して、ヒーターH5で過熱させ下部循環ゾーンに入れ、脱リグニンを行う。反応塔14の底部内のスクレーパー及びブローディバイスにてホロセルロースをブローしブロータンク15にて置く。バッチ生産式と同様に、連続生産式からのホロセルロースのカッパー価が10以下とし、後で説明するように、カッパー価10はクラソン(硫酸)リグニンおよび硫酸溶解リグニンの計6%(ホロセルロースの重量%)と相当し、ヘミセルロース及びセルロースの合計が製造されたホロセルロースの94%となる。
本発明は前記ホロセルロースを連続的に生産する2塔方式に限定されるものではなく、2塔以上の方式も応用できる。
(2-2) Continuous production (B) method The continuous production method of holocellulose is the same as the batch production method pressure, chlorine dioxide concentration, chlorine dioxide treatment temperature, pH, etc., but the operability is different. . Specifically, the first tower 13 is a facility for permeating chlorine dioxide into the chip, and the second tower 14 for producing holocellulose is formed. Includes at least a two-liquid circulation zone, and the second column includes at least a three-liquid circulation zone, and the total residence time of the first and second towers is at least 12 hours or more. The chip goes from the chute 10 to the circulation pump P1 and is fed to the permeation tower 13 with chlorine dioxide water as a carrier liquid. The top separator of the permeation tower 13 separates the chip from the chlorine dioxide liquid, Entering the permeation tower, the chlorine dioxide solution for transportation returns to the circulation pump P1, and when there is no residual chlorine dioxide, the new chlorine dioxide solution is replaced. The liquid in the tower is extracted and discharged from the upper circulation pump P2 of the osmosis tower 13, new chlorine dioxide is added, and the mixture is superheated by the heater H1 and put into the tower. Similarly, the liquid in the tower is extracted and discharged from the lower circulation pump P3, new chlorine dioxide is injected, heated by the heater H2, and put into the tower. The partially delignified chip is sent to the reaction tower 14, the liquid in the reaction tower is extracted and discharged from the pump P4 in the upper circulation zone, is replaced with new chlorine dioxide liquid, is heated with the heater H3, and is put into the upper circulation zone. . Next, the liquid in the column is extracted from the pump P5 in the intermediate circulation zone, a new chlorine dioxide solution is injected, and the mixture is superheated with the heater H4 and then put into the intermediate circulation zone. Similarly, the liquid in the tower is extracted with the pump P6 in the lower circulation zone, a new chlorine dioxide solution is added, and the mixture is superheated with the heater H5, put into the lower circulation zone, and delignification is performed. Holocellulose is blown with a scraper and a blow device in the bottom of the reaction tower 14 and placed in a blow tank 15. As with the batch production formula, the holocellulose kappa number from the continuous production formula is 10 or less, and as will be described later, the kappa number 10 is a total of 6% of the clason (sulfuric acid) lignin and sulfuric acid-dissolved lignin (of the holocellulose. %) And the sum of hemicellulose and cellulose is 94% of the produced holocellulose.
The present invention is not limited to the two-column system for continuously producing the holocellulose, and a system having two or more towers can also be applied.

(2−3)ホロセルロース製造工程による二酸化塩素廃液中のリグニンの再利用
前記木質バイオマス中のリグニン(プロトリグニンという)は、主にフェノール構造及び非フェノール構造から結成され、二酸化塩素と反応すると、脱メトキシ基、ベンゼン環の開裂等の反応が行い、水溶性のメタノール、o−ベンゾキノン、p−ベンゾキノン、ムコン酸等が生成される。(Dence, C.W., In” Pulp Bleaching - Principles and Practice”, Eds. Dence, C.W., Reeve, D.W., Tappi Press, Atlanta, GA, 1996, pp. 132-138)。即ち、二酸化塩素処理工程からの二酸化塩素廃液中の分解リグニンは主に低分子化合物及びメタノールとなる。二酸化塩素は、安全基準を基に、10g.L−1以下の濃度で製造するため、前記ホロセルロース製造反応器で使用した二酸化塩素の容量が大きいため、発生された二酸化塩素廃液のTSが低く、ボイラーで燃焼するには、前記TSが55%以上になるように濃縮工程が必要となり、アルカリパルプ(例:クラフトパルプ)の黒液濃縮措置を使用可能であり、核濃縮措置の名はエバポレータと呼ばれ、一般には多段エバポレータが使用され、段数は7段まで、各段は1塔以上可能で(1塔は熱交換器及び蒸気/液の分離器を有する)、初段から最終段までは、濃縮用蒸気の温度を上げることにより(例:80℃→95℃→105℃→115℃→130℃→145℃→145℃)、リグニン溶液の温度も増加し(例:65℃→80℃→95℃→105℃→115℃→125℃→125℃)、結果としてリグニン溶液のTSが上昇する(例:3.5%→7%→14.5%→30%→45%→60%→65%)。濃縮二酸化塩素廃液はボイラーで燃焼させ、蒸気として熱を回収し、核蒸気はホロセルロース製造工程、2,3−ブタンジオール、メチルエチルケトンの精製工程等で使用し、省エネルギーを図る。
(2-3) Reuse of lignin in chlorine dioxide waste liquid by holocellulose production process Lignin in woody biomass (referred to as protolignin) is mainly formed from a phenol structure and a non-phenol structure, and reacts with chlorine dioxide. Reactions such as demethoxy group and benzene ring cleavage are carried out to produce water-soluble methanol, o-benzoquinone, p-benzoquinone, muconic acid and the like. (Dence, CW, In “Pulp Bleaching-Principles and Practice”, Eds. Dence, CW, Reeve, DW, Tappi Press, Atlanta, GA, 1996, pp. 132-138). That is, the decomposition lignin in the chlorine dioxide waste liquid from the chlorine dioxide treatment step mainly becomes a low molecular weight compound and methanol. Chlorine dioxide is 10 g. Since the volume of chlorine dioxide used in the holocellulose production reactor is large because it is produced at a concentration of L- 1 or less, the generated chlorine dioxide waste liquid has a low TS, and the TS is 55 to burn in the boiler. % Concentration process is required, and black liquor concentration measures of alkaline pulp (eg kraft pulp) can be used, the name of the nuclear concentration measure is called an evaporator, and generally a multi-stage evaporator is used, The number of stages can be up to 7 and each stage can have one or more towers (one tower has a heat exchanger and a vapor / liquid separator). : 80 ° C. → 95 ° C. → 105 ° C. → 115 ° C. → 130 ° C. → 145 ° C. → 145 ° C.) and the temperature of the lignin solution also increases (eg 65 ° C. → 80 ° C. → 95 ° C. → 105 ° C. → 115 ° C. → 125 ° C.) → 125 ℃ , Resulting TS lignin solution is increased (eg: 3.5% → 7% → 14.5% → 30% → 45% → 60% → 65%). Concentrated chlorine dioxide waste liquid is burned in a boiler and heat is recovered as steam, and nuclear steam is used in a holocellulose manufacturing process, a purification process of 2,3-butanediol, methyl ethyl ketone, and the like to save energy.

(3)単糖化工程及び2,3−ブタンジオール製造工程
前記製造されたホロセルロースには、ヘミセルロースとセルロースが含まれ、ヘミセルロースは五炭糖及び六炭糖の多糖類(五炭糖:キシラン、アラビナン、ラムナン; 六炭糖:マンナン、ガラクタン、グルカン)、セルロースは六炭糖の多糖類(グルカン)という難分解性多糖であり、バイオマスからの代替燃料の製造は、前記五炭糖及び六炭糖の多糖類を加水分解し、単糖化を行うことが必要となる。
本発明は、前記ホロセルロースの多糖は無機酸(硫酸、塩酸、硝酸、燐酸等)あるいは酵素等の二方法にて加水分解を行い、単糖を製造する。
(3) Monosaccharide conversion step and 2,3-butanediol production step The produced holocellulose includes hemicellulose and cellulose, and hemicellulose is a pentose and hexose polysaccharide (pentose: xylan, Arabinan, rhamnan; hexose: mannan, galactan, glucan), cellulose is a refractory polysaccharide called polysaccharide of hexose (glucan). It is necessary to hydrolyze the polysaccharide of sugar and to monosaccharideize it.
In the present invention, the polysaccharide of holocellulose is hydrolyzed by two methods such as an inorganic acid (sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, etc.) or an enzyme to produce a monosaccharide.

(3−1)無機酸によるホロセルロースの単糖化
本発明は、無機酸として硫酸を使用しホロセルロースの多糖をよく知られているクラソン(硫酸も言う)リグニン測定方法を基に単糖化し、後工程である2,3−ブタンジオール、バイオエタノール、酢酸の製造工程で発酵する。詳しくは、ブロータンク15よりホロセルローススラリーは中濃度(7−15%)になるようフィルターで脱水を行い、第一反応器16に行き、そこで硫酸が100−140%(w.v−1)、望ましくは100−125%、温度が10−70℃、望ましくは20−50℃、滞留時間が30−180分、望ましくは35−90分、等の条件下で前記ホロセルロース物質を分解しオリゴ糖化を行い、次に、核オリゴ糖溶液を第二反応器17へ送り、ここで硫酸が2−6%(w.v−1)、望ましくは3−4%、になるよう工業水あるいは本発明の製造工程内から得られる廃液にて希釈し、100−140℃の温度、望ましくは110℃−120℃、と30分−90分、望ましくは45−60分の滞留時間、等の条件下で完全に単糖化を行い、単糖化率は100%でホロセルロースの残渣がなくバイオマスの有効的に使用する方法である。後工程の2,3−ブタンジオール製造工程の高効率を図るため、単糖の濃度を上げる必要があり膜濃縮/膜蒸留の技術(例:35℃での4kg.m−2の水分流動を有する細孔ポリテトラフロロエチレン膜)(Qureshi,N., Meagher,M.M., Hutkins, R.W., Recovery of 2,3-butanediol by vacuum membrane distillation. Separation Science and Technology 29(13):1733-1748(1994))にて核単糖溶液の糖濃度を20−30g.L−1から100−150g.L−1に上げ、次に混床イオン樹脂18(例:Bio-Rad社製AG-501-X8-(D))のベッドを通過・処理した後生石灰でpH5.3−5.5に調整する。
(3-1) Monosaccharideization of holocellulose with an inorganic acid The present invention uses a sulfuric acid as the inorganic acid and monosaccharides the polysaccharide of holocellulose based on the well-known Krason (also referred to as sulfuric acid) lignin measurement method, Fermentation is performed in the subsequent steps of 2,3-butanediol, bioethanol, and acetic acid. Specifically, the holocellulose slurry is dehydrated with a filter from the blow tank 15 to a medium concentration (7-15%), and then goes to the first reactor 16, where the sulfuric acid is 100-140% (wv- 1 ). The holocellulose material is decomposed and oligosed under the conditions of preferably 100 to 125%, temperature of 10 to 70 ° C., desirably 20 to 50 ° C., residence time of 30 to 180 minutes, desirably 35 to 90 minutes. Saccharification is performed, and then the nuclear oligosaccharide solution is sent to the second reactor 17, where the sulfuric acid is 2-6% (w.v -1 ), preferably 3-4%. Dilute with waste liquid obtained from within the manufacturing process of the invention, conditions of 100-140 ° C, preferably 110 ° C-120 ° C, and 30-90 minutes, preferably 45-60 minutes residence time, etc. Completely mono-saccharify with The saccharification rate is 100%, and there is no residue of holocellulose. This is a method of effectively using biomass. In order to increase the efficiency of the subsequent 2,3-butanediol production process, it is necessary to increase the concentration of monosaccharides, and the membrane concentration / distillation technology (eg, 4 kg · m −2 water flow at 35 ° C.) Pore polytetrafluoroethylene membrane) (Qureshi, N., Meagher, MM, Hutkins, RW, Recovery of 2,3-butanediol by vacuum membrane distillation. Separation Science and Technology 29 (13): 1733-1748 (1994) ), The sugar concentration of the nuclear monosaccharide solution is 20-30 g. L- 1 to 100-150 g. L- 1 and then passed through a bed of mixed bed ion resin 18 (example: AG-501-X8- (D) manufactured by Bio-Rad) and adjusted to pH 5.3-5.5 with quick lime. To do.

(3−2)硫酸加水分解による単糖溶液の2,3−ブタンジオール製造
前記混床イオン樹脂18で処理して中和した単糖溶液はポンプにて四日間の滞留時間を有する発酵槽19へ送るに当り、ポンプの入口に細菌のKlebsiella 属に属するKlebsiella pneumoniae用媒体を、ポンプの出口にKlebsiella pneumoniae用接種を順次に添加し、更に酵母エキス1−6g.L−1を毎日ポンプの入口に添加し、2,3−ブタンジオール、バイオエタノール、酢酸を発酵する。発酵槽19の滞留時間により媒体と接種の添加頻度は四日間に1回、得られた2,3−ブタンジオールの濃度は、25−55g.L−1、バイオエタノールの濃度は、10−25g.L−1となる。なお、2,3−ブタンジオール発酵は連続操業であり、Klebsiella pneumoniae用媒体は、塩化アンモニウム(1−3g.L−1)、塩化ナトリウム(0.5−1.5g.L−1)、硫酸マグネシウム七水和物(0.1−0.5g.L−1)から結成され、更に、120℃、15分間でインキュベートしたグルコース(6−10g.L−1)、キシロース(1−5g.L−1)、フェノール赤いスープ(8−15g.L−1)の混合溶液へ白金耳の一杯の微生物を無菌追加し、35−40℃,24時間で栽培し、遠心分離によりKlebsiella pneumoniaeの接種が得られる。
(3-2) Production of 2,3-butanediol of a monosaccharide solution by hydrolysis of sulfuric acid The fermenter 19 having a residence time of four days by a pump is used for the monosaccharide solution neutralized by treatment with the mixed bed ion resin 18 To the pump inlet, the medium for Klebsiella pneumoniae belonging to the genus Klebsiella of the bacterium, the inoculum for Klebsiella pneumoniae at the outlet of the pump, and the yeast extract 1-6 g. L- 1 is added daily to the pump inlet to ferment 2,3-butanediol, bioethanol, and acetic acid. Depending on the residence time of the fermenter 19, the frequency of addition of medium and inoculation was once every four days, and the concentration of 2,3-butanediol obtained was 25-55 g. The concentration of L −1 and bioethanol was 10-25 g. L- 1 . In addition, 2,3-butanediol fermentation is a continuous operation, and the medium for Klebsiella pneumoniae is ammonium chloride (1-3 g · L −1 ), sodium chloride (0.5-1.5 g · L −1 ), sulfuric acid. Glucose (6-10 g · L −1 ), xylose (1-5 g · L) formed from magnesium heptahydrate (0.1-0.5 g · L −1 ) and further incubated at 120 ° C. for 15 minutes. -1 ), and a mixture of phenol red soup (8-15 g · L −1 ), aseptically add a microbe of platinum ears, grow at 35-40 ° C. for 24 hours, and centrifuge to inoculate Klebsiella pneumoniae can get.

(3−3)酵素による単糖化及び細菌による2,3−ブタンジオール発酵の同時作業
前記製造されたホロセルロースには、ヘミセルロース及びセルロースが共存するためヘミセルロースを分解するキシラナーゼ及びセルロースを分解するセルラーゼ、β−グルコシダ−ゼを組み合わせてホロセルロースの多糖を単糖化しながら前記Klebsiella pneumoniaeによる2,3−ブタンジオール及びバイオエタノール、酢酸の発酵を行う。本発明では、キシラナーゼとしてPentopan Mono BG、セルラーゼとしてCelluclast、β−グルコシダ−ゼとしてNovozyme 188(全てNovozyme社製)の三酵素を組み合わせあるいはキシラナーゼとしてPentopan Mono BG(Novozyme社製)、とβ−グルコシダ−ゼを含むセルラーゼとしてAccellerase 100(Genencor社製)の二酵素を組み合わせることによりホロセルロースを加水分解し、得られた五炭糖(キシロース、アラビノース等)及び六炭糖(グルコース、マンノース、ガラクトース等)の単糖が同発酵槽で前記Klebsiella pneumoniaeの代謝により2,3−ブタンジオール、バイオエタノール、酢酸が生産される。因みに酵素の添加量は、Novozyme社製が0.20g.ホロセルロースg−1、Genencor社製が0.30g.ホロセルロースg−1である。
詳しくは、ブロータンク15のホロセルローススラリーは次の発酵工程の温度50℃を得るために熱交換器を通過しフィルターで濃度7−15%、望ましくは10−12%、になるように脱水を行い、次いで滅菌タワー20内で120℃、15分間程度の条件下で滅菌し、更に、ポンプで四日間の滞留時間を有する発酵槽21へ流送するに当るポンプの入口に苛性ソーダ溶液でpH5.0−5.2を調整した後同入口に酵母エキス、前記Klebsiella pneumoniaeの媒体を添加する。また、ポンプの出口には前記三酵素組み合わせあるいは二酵素組み合わせと前記Klebsiella pneumoniaeの接種を順次に投入してホロセルロースを単糖化しながら2,3−ブタンジオール、バイオエタノール、酢酸を発酵する。なお、酵母エキス1−6g.L−1を毎日に、前記Klebsiella pneumoniaeの媒体と接種を四日間に1回の頻度で添加する。酵素による単糖化率は70−90%であり、糖化スラリーはフィルター37に送り、残渣ホロセルロースは滅菌タワー20へ回収・再利用する。2,3−ブタンジオールを含むろ液は精製工程へ流送する。前記硫酸による単糖化率100%に比べ酵素加水分解から得られた単糖率が低く、単糖生産量も少ないため2,3−ブタンジオールとバイオエタノールの生産量は少ないが、硫酸加水分解による単糖の濃度が低く、次の2,3−ブタンジオール製造の高効率を得るには硫酸溶液中の単糖濃度を向上させる濃縮工程が必要であり、多量のエネルギーがかかる。
(3-3) Simultaneous saccharification by enzyme and 2,3-butanediol fermentation by bacteria In the produced holocellulose, hemicellulose and cellulose coexist, so that xylanase that degrades hemicellulose and cellulase that degrades cellulose, Fermentation of 2,3-butanediol, bioethanol, and acetic acid by the Klebsiella pneumoniae is performed while monosaccharide of the holocellulose polysaccharide is combined with β-glucosidase. In the present invention, Pentopan Mono BG as a xylanase, Celluclast as a cellulase, Novozyme 188 (all manufactured by Novozyme) as a β-glucosidase, or Pentopan Mono BG (available from Novozyme) as a xylanase, and β-glucosidase Hydrolysis of holocellulose by combining two enzymes Accellerase 100 (Genencor) as cellulase containing sesame, and the resulting pentose sugar (xylose, arabinose, etc.) and hexose sugar (glucose, mannose, galactose, etc.) 2,3-butanediol, bioethanol, and acetic acid are produced by metabolism of the Klebsiella pneumoniae in the same fermentor. Incidentally, the amount of enzyme added was 0.20 g. Holocellulose g −1 , manufactured by Genencor, 0.30 g. It is holocellulose g- 1 .
Specifically, the holocellulose slurry in the blow tank 15 is passed through a heat exchanger to obtain a temperature of 50 ° C. for the next fermentation process, and is dehydrated with a filter to a concentration of 7-15%, preferably 10-12%. Then, sterilization is performed in a sterilization tower 20 at 120 ° C. for about 15 minutes, and the pH of the caustic soda solution at the inlet of the pump for feeding to the fermenter 21 having a residence time of 4 days with a pump is adjusted to pH 5. After adjusting 0-5.2, yeast extract and the medium of Klebsiella pneumoniae are added to the same inlet. Further, at the outlet of the pump, the combination of the three enzymes or the two enzymes and the inoculation of the Klebsiella pneumoniae are sequentially added to ferment 2,3-butanediol, bioethanol, and acetic acid while mono-staining holocellulose. Yeast extract 1-6 g. L- 1 is added daily, with the Klebsiella pneumoniae medium and inoculation once every four days. The saccharification rate by the enzyme is 70-90%, the saccharification slurry is sent to the filter 37, and the residual holocellulose is recovered and reused in the sterilization tower 20. The filtrate containing 2,3-butanediol is sent to the purification process. Compared to 100% monosaccharide conversion with sulfuric acid, the monosaccharide ratio obtained from enzymatic hydrolysis is low, and the production of 2,3-butanediol and bioethanol is small due to low monosaccharide production. The concentration of monosaccharide is low, and in order to obtain the next high efficiency of 2,3-butanediol production, a concentration step for improving the concentration of monosaccharide in the sulfuric acid solution is necessary, and a large amount of energy is applied.

(4)2,3−ブタンジオール、バイオエタノール、酢酸の精製工程
発酵槽19、21で製造された薬品は2,3−ブタンジオール、エタノール、酢酸の混合物質であるため各々の薬品を精製する必要がある。この薬品溶液は複数蒸留塔システム22に送り、エタノール(沸点:78.3℃)、酢酸(沸点:118.1℃)、2,3−ブタンジオール(沸点:183−184℃)の異なる沸点により、順次高くなる沸点で蒸留・回収する。核蒸留バイオエタノールは95%(v.v−1)で残存5%水は分子篩ビーズのベッドにて除去し、無水エタノールを作り、運送・交通用代替燃料あるいは有機溶媒として使用可能である。前記蒸留酢酸は生産量が少ないため有機溶媒として販売可能である。前記発酵された2,3−ブタンジオールは沸点が最も高く、複数蒸留塔で高品質薬品として回収すると多量のエネルギーがかかるため、次のメチルエチルケトン製造工程で使用する。
(4) Purification process of 2,3-butanediol, bioethanol and acetic acid Since the chemicals produced in the fermenters 19 and 21 are mixed substances of 2,3-butanediol, ethanol and acetic acid, each chemical is purified. There is a need. This chemical solution is sent to the multi-distillation tower system 22 and has different boiling points of ethanol (boiling point: 78.3 ° C), acetic acid (boiling point: 118.1 ° C), and 2,3-butanediol (boiling point: 183-184 ° C). Then, distill and collect at a boiling point that gradually increases. Nuclear distilled bioethanol is 95% (v.v -1 ) and the remaining 5% water is removed with a bed of molecular sieve beads to make absolute ethanol, which can be used as an alternative fuel for transportation and traffic or as an organic solvent. Distilled acetic acid can be sold as an organic solvent because of its small production. The fermented 2,3-butanediol has the highest boiling point and takes a large amount of energy when recovered as a high-quality chemical in a plurality of distillation towers. Therefore, it is used in the next methyl ethyl ketone production process.

(5)メチルエチルケトン製造工程
前記蒸留酢酸を得た後の2,3−ブタンジオール溶液は、二層の活性炭・砂(比率=90−99:1−10)の塔23で処理し、次いで150−220℃の固体酸触媒ベッド24に入り、脱水反応を行い、メチルエチルケトンを製造する。本発明の固体酸触媒による2,3−ブタンジオールからメチルエチルケトンへの変換率は、80%であるため20%は残留2,3−ブタンジオールとなる。メチルエチルケトンの沸点(79.6℃)は2,3−ブタンジオール(183−184℃)より低いため複数蒸留塔システム25にてメチルエチルケトンを精製し、残留2,3−ブタンジオールを回収し、複数蒸留塔システム22からの2,3−ブタンジオールと混ぜ、再度メチルエチルケトンの製造へ再利用する。前記蒸留エタノールと同様に、精製されたメチルエチルケトンは、分子篩ビーズのベッドにて残留水を除き、高品質の薬品を得て貯蔵タンク26で保管し、運送・交通用代替燃料として使用可能である。
本発明では、粉末シリカ・アルミナ(40−60メッシュ、American Cyanamid社製)にシラン中間体を通じてサルフヒドリル基を共有結合し、核サルフヒドリル基は90℃でサルホン基に変換して固体酸触媒(サルホン基=1.5−2.5meq.固体触媒g−1)を製造・使用する。
(5) Methyl ethyl ketone production process The 2,3-butanediol solution after obtaining the above-mentioned distilled acetic acid was treated with a two-layered column 23 of activated carbon / sand (ratio = 90-99: 1-10), and then 150- The solid acid catalyst bed 24 at 220 ° C. is entered and subjected to a dehydration reaction to produce methyl ethyl ketone. Since the conversion rate from 2,3-butanediol to methyl ethyl ketone by the solid acid catalyst of the present invention is 80%, 20% becomes residual 2,3-butanediol. Since the boiling point of methyl ethyl ketone (79.6 ° C.) is lower than that of 2,3-butanediol (183-184 ° C.), the methyl ethyl ketone is purified by the multiple distillation tower system 25 to recover the residual 2,3-butane diol and multiple distillation It is mixed with 2,3-butanediol from the tower system 22 and reused again for the production of methyl ethyl ketone. Similar to the distilled ethanol, the purified methyl ethyl ketone removes residual water in the bed of molecular sieve beads, obtains high-quality chemicals, stores them in the storage tank 26, and can be used as an alternative fuel for transportation and traffic.
In the present invention, a sulfhydryl group is covalently bonded to powdered silica / alumina (40-60 mesh, manufactured by American Cyanamid) through a silane intermediate, and the core sulfhydryl group is converted to a sulfone group at 90 ° C. to form a solid acid catalyst (sulfone group). = 1.5-2.5 meq. Solid catalyst g- 1 ) is produced and used.

前記木質バイオマスに加えて他の使用可能な原料は、家庭・事務所から回収される段ボール、新聞、雑誌、台帳等がある。これらの原材料のパルプ化フローを図2で詳しく説明する。
前記古紙、新聞、雑誌、台帳においては、原料に含まれる糊、プラスティック等によりスティッキーの問題が発生し、核問題を避けるためには、先ずpH9−10の混合物である苛性ソーダ、珪酸ソーダ、過酸化水素、脂肪酸系脱墨剤又は脱墨酵素を含むパルパー27で原料を離解し、次に直径1.4mm穴の粗スクリーン28にて一次精選を行った後、前フロテーター29で脱墨して、0.2mm穴の加圧型細かいスクリーン30で二次精選をして脱水機31にてパルプ濃度を30%までに上げる。更にプレス32でパルプ濃度を40%以上にする。残留墨を細かく且つ均一に分散する目的で古紙パルプはディスパーサー工程33で処理し、そして後フロテーター34にて再度脱墨を行い、クリーナー35で最終精選を実施して脱墨された古紙パルプは中濃度を得るため脱水機31で脱水し、その後、前記図1のバッチ(A)方式または連続(B)方式にてホロセルロースの製造、単糖化、2,3−ブタンジオール発酵、と最終製品であるメチルエチルケトンを製造する。
前記回収段ボール(OCC:old corrugated containersも言う)については、パルプ化フローが前記古紙、新聞、雑誌、台帳より単純であり、詳しくは、パルパー27で離解した後、パルプは高濃度クリーナー36、粗スクリーン28、細かいスクリーン30、軽量クリーナー35で砂、糊、不純物等を除去し、古紙パルプは中濃度を得るために脱水機31で脱水し、その後、前記図1のバッチ(A)方式または連続(B)方式にてホロセルロースの製造、単糖化、2,3−ブタンジオール発酵、と最終製品であるメチルエチルケトンを製造する。
In addition to the woody biomass, other usable raw materials include cardboard, newspapers, magazines, and ledgers collected from homes and offices. The pulping flow of these raw materials will be described in detail with reference to FIG.
In the waste paper, newspaper, magazine, ledger, sticky problems occur due to glue, plastic, etc. contained in the raw materials, and in order to avoid nuclear problems, first, caustic soda, sodium silicate, peroxide which is a mixture of pH 9-10 The raw material is disaggregated with a pulper 27 containing hydrogen, a fatty acid-based deinking agent or a deinking enzyme, then subjected to primary selection with a coarse screen 28 having a diameter of 1.4 mm, and then deinked with a front flotator 29. Secondary selection is performed with a pressure type fine screen 30 having a 0.2 mm hole, and the pulp concentration is increased to 30% by a dehydrator 31. Further, the press 32 is used to increase the pulp concentration to 40% or more. In order to disperse the residual ink in a fine and uniform manner, the waste paper pulp is treated in a disperser process 33, and then deinked again by a flotator 34. In order to obtain a medium concentration, dehydration is performed by a dehydrator 31, and then the production of holocellulose, monosaccharification, 2,3-butanediol fermentation, and the final product by the batch (A) method or continuous (B) method of FIG. Methyl ethyl ketone is produced.
For the recovered corrugated cardboard (also referred to as OCC: old corrugated containers), the pulping flow is simpler than that of the used paper, newspaper, magazine, and ledger. Specifically, after the pulper 27 disaggregates the pulp, Sand, glue, impurities, etc. are removed with a screen 28, a fine screen 30, and a lightweight cleaner 35. Waste paper pulp is dehydrated with a dehydrator 31 in order to obtain a medium concentration, and then the batch (A) system shown in FIG. (B) Production of holocellulose, monosaccharification, 2,3-butanediol fermentation, and methyl ethyl ketone as the final product are produced by the method (B).

以下、実施例を用いて本発明の効果を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。     Hereinafter, although the effect of the present invention is explained using an example, the present invention is not limited to these examples.

径45mmの四角チップスクリーンを通過して直径5mm丸穴チップスクリーンに残留した混合ユーカリ広葉樹チップを使用し、平均チップサイズは、厚み2.8mm、幅19.8mm、長さ28.2mm、チップ水分は、48.5%であった。絶乾(OD)340gのチップはポリエチレン袋に入れ、水道水(5L)を導入し、吸引器の圧力下で一晩浸漬させ、遠心分離にてチップ水分は45%になる程度で脱水を行った。次に、二酸化塩素水(濃度:6.5−7.8g.L−1)を添加し一定の反応時間で85℃の恒温槽につけた後、水道水で冷やし、200メッシューのスクリーンで洗浄を行った。反応後のpH1.5−1.8の範囲を維持するために二酸化塩素/チップの混合に苛性ソーダ(2.7%対ODチップ)を添加した。反応時間は15時間以上になると、チップが柔らかく部分的にホロセルロースになるため英国標準離解器にて処理して、ラボ用6カットフラットスクリーンでホロセルロースとチップを分離し、ホロセルロースは脱水後5℃で保管し、チップはまた二酸化塩素処理を行った。この二酸化塩素処理/洗浄/フラットスクリーン処理の分離サイクルを繰り返し、計87時間で二酸化塩素処理を終了した。二酸化塩素処理の最終回から得られたリジェックトは105℃で乾燥し、ホロセルロースは遠心分離機にて脱水し、カッパー価(10.2)、クラソンリグニン(酸可溶:2.28%;酸未可溶:3.98%)、歩留(55.14%)を測定した。結果を表1に示す。 A mixed eucalyptus hardwood chip that passed through a 45 mm diameter square chip screen and remained on a 5 mm diameter round hole chip screen was used. The average chip size was 2.8 mm thick, 19.8 mm wide, 28.2 mm long, chip moisture Was 48.5%. The tip of 340 g of absolutely dry (OD) is put in a polyethylene bag, tap water (5 L) is introduced, immersed under the pressure of an aspirator overnight, and dehydrated until the tip moisture is 45% by centrifugation. It was. Next, after adding chlorine dioxide water (concentration: 6.5 to 7.8 g · L −1 ) and placing it in a constant temperature bath at 85 ° C. for a certain reaction time, cool it with tap water and wash it with a 200 mesh screen. went. Caustic soda (2.7% vs. OD chip) was added to the chlorine dioxide / chip mixture to maintain a pH range of 1.5-1.8 after the reaction. When the reaction time exceeds 15 hours, the chip becomes soft and partially becomes holocellulose, so it is processed with a British standard disaggregator, and the holocellulose and the chip are separated on a laboratory 6-cut flat screen. Stored at 5 ° C., the chip was also treated with chlorine dioxide. This chlorine dioxide treatment / washing / flat screen treatment separation cycle was repeated, and the chlorine dioxide treatment was completed in a total of 87 hours. The reject obtained from the final treatment of the chlorine dioxide treatment was dried at 105 ° C., the holocellulose was dehydrated in a centrifuge, kappa number (10.2), clathon lignin (acid soluble: 2.28%; Acid insoluble: 3.98%) and yield (55.14%) were measured. The results are shown in Table 1.


前記実施例1のチップを使用し、室温で二酸化塩素処理を行い、ホロセルロースを作成した。実施例1の85℃で製造されたホロセルロースに比べ、室温で得られたホロセルロースは、反応時間が8.5倍長く、二酸化塩素添加率も1.6倍高いが、ホロセルロースの歩留が約10ポイント高い結果であり、低温で木質の二酸化塩素による分解は少ないことが判った。結果を表2に示す。     Using the chip of Example 1, chlorine dioxide treatment was performed at room temperature to prepare holocellulose. Compared with the holocellulose produced at 85 ° C. in Example 1, the holocellulose obtained at room temperature had a reaction time of 8.5 times longer and a chlorine dioxide addition rate of 1.6 times higher. The result was about 10 points higher, and it was found that decomposition by woody chlorine dioxide was low at low temperatures. The results are shown in Table 2.


おがくずを使用し、ホロセルロースを製造した。おがくず(300g絶乾)内への薬品浸透のための前処理は、前記実施例1と同様であったが75℃の恒温槽で二酸化塩素処理を行った。おがくずからのホロセルロースは前記実施例1と比較すると、サイズが小さいため反応時間は半分以下と短いが二酸化塩素添加率は1.3倍高い結果であった。結果を表3に示す。     Using sawdust, holocellulose was produced. The pretreatment for chemical penetration into sawdust (300g absolutely dry) was the same as in Example 1, but the chlorine dioxide treatment was performed in a constant temperature bath at 75 ° C. Compared to Example 1 above, holocellulose from sawdust was smaller in size, so the reaction time was less than half, but the chlorine dioxide addition rate was 1.3 times higher. The results are shown in Table 3.


前記実施例1のホロセルロースは、以下の2加水分解方法にて単糖化を行った。第一方法は一般的なクラソンリグニン(硫酸リグニンも言う)の単離法である。先ず72%硫酸(w.v−1)で木質またはパルプをオリゴ糖に分解し、その後3%硫酸に希釈して加熱・沸騰しながら単糖化を行い、硫酸溶液に溶解しないものはクラソンリグニンとなる。本発明では、ホロセルロースの1g絶乾に対し様々の硫酸濃度、硫酸容量、反応時間、反応温度でオリゴ糖化をした結果、硫酸にホロセルロースを溶解する(オリゴ糖化)には、硫酸濃度が65%以上、硫酸容量が1g原料にあたり25ml以下、反応時間が3時間以下、反応温度が50℃以下との条件であった。
実施例4では、ホロセルロース(1g絶乾)に72%硫酸(20ml)を添加し、30℃と40分間の条件下で反応した後、蒸留水(761ml)を加え、120℃のオートクレーブにて60分間で単糖化を行った。1G3のガラスフィルターで濾過し、残渣は酸不溶クラソンリグニンで、ろ液には完全に単糖化された五炭糖と六炭糖及び酸可溶リグニンが含まれており、核酸可溶リグニンが205nmで測定した。その結果、酸不溶リグニンは3.98%、酸可溶リグニンは2.28%(対ホロセルロース)、即ち全リグニンが6.3%、単糖が93.7%となる。結果を表4に示す。
The holocellulose of Example 1 was saccharified by the following two hydrolysis methods. The first method is a general method for isolating clason lignin (also referred to as sulfate lignin). First, wood or pulp is decomposed into oligosaccharides with 72% sulfuric acid (wv -1 ), then diluted to 3% sulfuric acid, and then mono-saccharified while heating and boiling. It becomes. In the present invention, as a result of oligosaccharification at various sulfuric acid concentrations, sulfuric acid capacity, reaction time, and reaction temperature for 1 g of holocellulose, the sulfuric acid concentration is 65% for dissolving holocellulose in sulfuric acid (oligosaccharification). %, The sulfuric acid capacity was 25 ml or less per 1 g raw material, the reaction time was 3 hours or less, and the reaction temperature was 50 ° C. or less.
In Example 4, 72% sulfuric acid (20 ml) was added to holocellulose (1 g absolutely dry), reacted under conditions of 30 ° C. and 40 minutes, distilled water (761 ml) was added, and the autoclave at 120 ° C. Monosaccharification was performed in 60 minutes. It is filtered through a 1G3 glass filter, the residue is acid-insoluble clathon lignin, and the filtrate contains completely monosaccharideized pentose, hexose and acid-soluble lignin. Measured at 205 nm. As a result, the acid-insoluble lignin is 3.98%, the acid-soluble lignin is 2.28% (vs. holocellulose), that is, the total lignin is 6.3%, and the monosaccharide is 93.7%. The results are shown in Table 4.

第二方法は、色々な酵素の組み合わせでホロセルロースを加水分解する。実施例4では、ホロセルロース(10g絶乾)を濃度10%に調整し、希硫酸溶液でpH5にしてNovozyme社製Celluclast(シグマアルドリッチ社商品番号C2730)、Novozyme 188(シグマアルドリッチ社商品番号C6105)、Pentopan Mono BG(シグマアルドリッチ社商品番号X2753)の各々の0.06g.g−1、0.12g.g−1、0.18g.g−1(対ホロセルロース)を添加した後攪拌(200rpm)しながら45℃、120時間で加水分解を行った。生成された還元糖は、Somogyi法(Browning, B.L., Methods of Wood Chemistry, 1967, Vol. 1, Interscience Publishers, New York, p. 592)にて測定した。その結果、酵素の添加量は多いほど還元糖も多く生成され、0.18g.g−1の酵素添加量では、0.806g.g−1の還元糖が得られ、ホロセルロース中の糖分に対し85.7%の単糖化率となる。従って、酵素は硫酸より単糖化率が劣ったことを見出した。結果を表5に示す。 The second method hydrolyzes holocellulose with a combination of various enzymes. In Example 4, Holocellulose (10 g absolutely dry) was adjusted to a concentration of 10%, adjusted to pH 5 with dilute sulfuric acid solution, Celluclast (Novazyme product number C2730), Novozyme 188 (Sigma Aldrich product number C6105) , Pentopan Mono BG (Sigma Aldrich product number X2753) 0.06 g. g < -1 >, 0.12 g. g < -1 >, 0.18 g. After adding g −1 (to holocellulose), hydrolysis was performed at 45 ° C. for 120 hours while stirring (200 rpm). The produced reducing sugar was measured by the Somogyi method (Browning, BL, Methods of Wood Chemistry, 1967, Vol. 1, Interscience Publishers, New York, p. 592). As a result, the larger the amount of enzyme added, the more reducing sugar was produced, 0.18 g. With an enzyme addition amount of g- 1 , 0.806 g. A reducing sugar of g -1 is obtained, resulting in a monosaccharification rate of 85.7% relative to the sugar content in holocellulose. Therefore, it was found that the enzyme was inferior in monosaccharification rate than sulfuric acid. The results are shown in Table 5.

比較例Comparative example

本発明の単糖化方法に対する比較例として前記特許文献1−5を使用した。表6に示すように、木質リグノセルロース系バイオマスのサイズは、特開2005−229822号のみが本発明と同様で他の特許文献は原材料を粉砕する工程を含んでおり消費エネルギーが高いという弱店がある。木質に対する単糖化率において、本発明の実施例1−3に比べ特開2005−229822号が同等以下で、特開2008−43328号及び2008−54608号が低いため本発明の方は優れることが判った。特開2007−301472号では、ヘミセルロースとセルロースからの糖化率が73.0%、リグニン及び抽出物が23.5%、残渣が1.5%との結果であり、即ち、前記熱水抽出により木質はロスがなく完全に分解されることを示す。しかし、熱水抽出は少なくともヘミセルロースのアセチル基等を分解し、酢酸、蟻酸等を生成することが周知であるため特開2007−301472号の糖化率73.0%が疑問になる。     The said patent documents 1-5 were used as a comparative example with respect to the monosaccharification method of this invention. As shown in Table 6, the size of the wood lignocellulosic biomass is a weak store where only JP-A-2005-229822 is the same as the present invention, and other patent documents include a step of pulverizing raw materials and high energy consumption. There is. In terms of the rate of saccharification of wood, JP 2005-229822 is less than or equal to Example 1-3 of the present invention, and JP 2008-43328 and 2008-54608 are lower, so the present invention is superior. understood. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-301472, saccharification rate from hemicellulose and cellulose is 73.0%, lignin and extract are 23.5%, and residue is 1.5%. The wood shows no loss and is completely decomposed. However, it is well known that hot water extraction decomposes at least the acetyl group of hemicellulose to produce acetic acid, formic acid, and the like, so the saccharification rate of 73.0% in JP 2007-301472 is questionable.

ホロセルロースは、硫酸加水分解法で単糖化をすると、最終の3%硫酸溶液(780ml)に対してホロセルロース使用重量(1g)は少なく、単糖の濃度が低く、次の2,3−ブタンジオール発酵工程の効率が悪化になるため、酵素による単糖化法を選定した。実施例5では、前記実施例1のホロセルロース(60g絶乾)を10%スラリーにし、希硫酸溶液でpH5を調整して前記Celluclast、Novozyme 188、Pentopan Mono BGの各10.8gを加え、攪拌(200rpm)しながら45℃、96時間で加水分解を行い、17G3のガラスフィルターにて濾過し、ろ液(553ml)中の単糖濃度9.2%を用い2,3−ブタンジオールを発酵した。使用細菌は、Klebsiella pneumoniaeであり(ATCC 8724)、脳心臓注入寒天斜面(Difco社)に微生物を導入し、37℃のインキュベーターに入れ、二日間で栽培した後2℃の冷蔵庫で保管した。接種の調整として、120℃、15分間でインキュベートされたグルコース(10g.L−1)、キシロース(2.5g.L−1)、フェノール赤いスープ(10g.L−1)の混合溶液に白金耳の一杯の微生物を無菌追加し、37℃、24時間で栽培し、遠心分離(1×10rpm、10分間、2℃)を行い、細菌の接種を得た。100mlの接種を用意した。前記9.2%単糖溶液に媒体として塩化アンモニウム(2g.L−1)、塩化ナトリウム(1.0g.L−1)、硫酸マグネシウム七水和物(0.2g.L−1)、酵母エキス(2.0g.L−1)を加え、120℃、15分間で滅菌し、前記Klebsiella pneumoniaeの接種といっしょに発酵槽に移した。発酵槽は、32℃、350ppmで攪拌しながら5N苛性ソーダ溶液にてpH5.4を制御し、空気150ml.分−1を供給し、120時間で2,3−ブタンジオールの発酵を行った。発酵効率への効果を調査するため、酵母エキス(2.0g.L−1)を一日一回の頻度で発酵期間中に添加した。その結果、酵母エキスの一括添加より日々添加の方は2,3−ブタンジオールの生成効率が約18%向上した。なお、発酵の製品である2,3−ブタンジオール、バイオエタノール及び酢酸はChromosorb 101を充填した1mガラスカラムを持つVarian Gas Chromatograph 3700形にて定量した。付属品としては、FID(Flame Ionization Detector:炎イオン化検出器)、Varian Autosampler 5000形, Varian CDS-111c Integrator であった。結果を表7に示す。 When holocellulose is monosaccharified by the sulfuric acid hydrolysis method, the use weight (1 g) of holocellulose is small compared to the final 3% sulfuric acid solution (780 ml), the concentration of monosaccharide is low, and the following 2,3-butane Since the efficiency of the diol fermentation process deteriorates, an enzyme monosaccharification method was selected. In Example 5, the holocellulose (60 g absolute dry) of Example 1 was made into a 10% slurry, pH 5 was adjusted with dilute sulfuric acid solution, 10.8 g of each of Celluclast, Novozyme 188, and Pentopan Mono BG were added and stirred. Hydrolysis was carried out at 45 ° C. for 96 hours with (200 rpm), filtered through a 17G3 glass filter, and 2,3-butanediol was fermented using a monosaccharide concentration of 9.2% in the filtrate (553 ml). . The bacterium used was Klebsiella pneumoniae (ATCC 8724). Microorganisms were introduced into a brain heart injection agar slope (Difco), placed in a 37 ° C. incubator, cultivated for 2 days, and stored in a 2 ° C. refrigerator. As a preparation for inoculation, a mixture of glucose (10 g · L −1 ), xylose (2.5 g · L −1 ) and phenol red soup (10 g · L −1 ) incubated at 120 ° C. for 15 minutes One microbe of microorganism was aseptically added, cultivated at 37 ° C. for 24 hours, and centrifuged (1 × 10 4 rpm, 10 minutes, 2 ° C.) to obtain a bacterial inoculum. A 100 ml inoculum was prepared. In the 9.2% monosaccharide solution, ammonium chloride (2 g · L −1 ), sodium chloride (1.0 g · L −1 ), magnesium sulfate heptahydrate (0.2 g · L −1 ), yeast Extract (2.0 g · L −1 ) was added, sterilized at 120 ° C. for 15 minutes, and transferred to the fermenter together with the inoculation of Klebsiella pneumoniae. The fermenter controlled pH 5.4 with 5N caustic soda solution while stirring at 32 ° C. and 350 ppm, and air 150 ml. Min- 1 was fed and 2,3-butanediol was fermented in 120 hours. In order to investigate the effect on fermentation efficiency, yeast extract (2.0 g · L −1 ) was added once a day during the fermentation period. As a result, the daily addition of yeast extract improved the production efficiency of 2,3-butanediol by about 18%. The fermentation products 2,3-butanediol, bioethanol and acetic acid were quantified in a Varian Gas Chromatograph 3700 form having a 1 m glass column packed with Chromosorb 101. The accessories were FID (Flame Ionization Detector), Varian Autosampler 5000, Varian CDS-111c Integrator. The results are shown in Table 7.

前記酵母エキスの一回添加の2,3−ブタンジオール(28.3g.L−1)発酵もろみ液を用い固体酸触媒にて脱水反応を行いメチルエチルケトンを製造した。粉末シリカ・アルミナ(40−60メッシュ、American Cyanamid社製)にシラン中間体を通じてサルフヒドリル基を共有結合し(Chambers, R.P., Swan, G.A., Walle, E.M., Cohen, W., Baricos, W.H., In Immobilized Enzyme Technology, Eds., Weetall, H.H., Suzuki, S., 1975, Plenum, New York, pp. 199-223)、核サルフヒドリル基は90℃でサルホン基に変換し(Backer, H.J. Recueil des Travaux Chimiques 54 : 215 (1935))、固体酸触媒(サルホン基=1.81meq.固体触媒g−1)を製造した。35.2gの固体酸触媒をSS配管(内径:1.8cm;長さ:25cm)に充填し、190℃の油浴に置き、活性炭で処理した前記発酵もろみ液を通過して、2,3−ブタンジオールの脱水を行い、メチルエチルケトンを製造した。なお、活性炭処理は、60℃、40分間、活性炭:発酵もろみ液の比率50g:1Lの条件下で実施し、ろ紙で濾過した後遠心分離(12×10×10分、4℃)した。活性炭処理を行わない発酵もろみ液に比べ活性炭処理を行った発酵もろみ液は、メチルエチルケトンが1.3倍多く生産された。なお、メチルエチルケトン(MEK)は前記2,3−ブタンジオールを測定するガスクロマトグラフ機器で定量した。結果を表8に示す。 Dehydration reaction was carried out with a solid acid catalyst using 2,1-butanediol (28.3 g · L −1 ) fermentation mash that was added once to the yeast extract to produce methyl ethyl ketone. A sulfhydryl group is covalently bonded to powdered silica / alumina (40-60 mesh, American Cyanamid) through a silane intermediate (Chambers, RP, Swan, GA, Walle, EM, Cohen, W., Baricos, WH, In Immobilized). Enzyme Technology, Eds., Weetall, HH, Suzuki, S., 1975, Plenum, New York, pp. 199-223), and the nuclear sulfhydryl group was converted to a sulfone group at 90 ° C (Backer, HJ Recueil des Travaux Chimiques 54 215 (1935)), a solid acid catalyst (sulfone group = 1.81 meq. Solid catalyst g −1 ) was produced. 35.2 g of solid acid catalyst was filled in SS pipe (inner diameter: 1.8 cm; length: 25 cm), placed in a 190 ° C. oil bath, passed through the fermentation mash treated with activated carbon, -Butanediol was dehydrated to produce methyl ethyl ketone. The activated carbon treatment was performed at 60 ° C. for 40 minutes under the condition of activated carbon: fermented mash liquid ratio 50 g: 1 L, filtered through filter paper, and then centrifuged (12 × 10 3 × 10 minutes, 4 ° C.). The fermented mash that had been treated with activated charcoal produced 1.3 times more methyl ethyl ketone than the fermented mash that had not been treated with activated charcoal. In addition, methyl ethyl ketone (MEK) was quantified with the gas chromatograph apparatus which measures the said 2, 3- butanediol. The results are shown in Table 8.

本発明は、二酸化塩素処理により非食用リグノセルロース系バイオマスのチップ状の組成、即ちリグニン及びヘミセルロース、セルロースから構成されるホロセルロースを分別し、溶解されたリグニン分解物質からエネルギーを回収・再利用し、ホロセルロースが硫酸あるいは酵素の加水分解にて単糖化を行うという高効率、且つ、工業化可能なバイオマス利用方法を提供し、更に、生産設備・装置は紙パルプ産業、石油精製産業、バイオエタノール生産企業で使用しているためホロセルロースの製造、単糖化、2,3−ブタンジオール、バイオエタノール、酢酸の発酵、メチルエチルケトンの製造は工業的に実施可能である。バイオエタノールは運送・交通用代替燃料あるいは有機溶媒、酢酸は有機溶媒として使用可能で、メチルエチルケトンはバイオエタノールより有効的な運送・交通用代替燃料であり、即ち本発明の非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法が環境に優しく、資源の再利用に有効である。     The present invention separates the chip-shaped composition of non-edible lignocellulosic biomass by chlorine dioxide treatment, that is, lignin, hemicellulose, holocellulose composed of cellulose, and recovers and reuses energy from dissolved lignin-degrading substances. , Providing a highly efficient and industrially available biomass utilization method in which holocellulose is monosaccharified by hydrolysis of sulfuric acid or enzyme, and the production equipment and equipment are paper pulp industry, petroleum refining industry, bioethanol production Since it is used in a company, production of holocellulose, monosaccharification, 2,3-butanediol, bioethanol, fermentation of acetic acid, and production of methyl ethyl ketone can be carried out industrially. Bioethanol can be used as an alternative fuel or organic solvent for transportation and traffic, and acetic acid can be used as an organic solvent. Methyl ethyl ketone is an alternative transportation and transportation fuel that is more effective than bioethanol, that is, the non-edible lignocellulosic biomass of the present invention. The monosaccharide production method and the alternative fuel production method are environmentally friendly and effective for resource reuse.

本実施形態に係る非食用木質リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方 法及び代替燃料製造方法の連続製造装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the continuous manufacturing apparatus of the monosaccharide manufacturing method and alternative fuel manufacturing method of the non-edible woody lignocellulosic biomass which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る非食用リグノセルロース系バイオマス、即ち(1)家庭・事務所からの古紙原料と(2)段ボール古紙、の単糖製造方法及び代替燃料製造方法の連続製造装置の一例を示す概略図である。The outline which shows an example of the continuous manufacturing apparatus of the monosaccharide manufacturing method of the non-edible lignocellulosic biomass which concerns on this embodiment, ie, the waste paper raw material from a household and an office, and (2) corrugated used paper, and an alternative fuel manufacturing method FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 :木質丸太
2 :チッパー
3 :チップパイル
4 :チップサイロ
5 :チップ厚み選別器
6 :チップスクリーン
7 :チップビン
8 :回転式チップメーター
9 :スチーミングベッセル
10 :チップシュート
11 :チップポンプ
12 :バッチ式二酸化塩素処理反応器
13 :第一塔二酸化塩素処理連続反応器
14 :第二塔二酸化塩素処理連続反応器
15 :ホロセルロースのブロータンク
16 :二段硫酸単糖化の第一反応塔
17 :二段硫酸単糖化の第二反応塔
18 :混床イオン樹脂
19 :2,3-ブタンジオール発酵槽
20 :滅菌タワー
21 :微生物・酵素による同時単糖化及び2,3-ブタンジオール発酵槽
22 :2,3-ブタンジオール及びバイオエタノールの蒸留塔
23 :活性炭・砂のベッド
24 :固体酸触媒
25 :メチルエチルケトン及び2,3−ブタンジオールの蒸留塔
26 :メチルエチルケトン受け入れタンク
37 :フィルター
38 :活性炭
39 :砂
A :バッチ方式
B :連続方式
C :硫酸による単糖化方式
D :微生物・酵素による同時単糖化と2,3-ブタンジオール発酵の方式
H :ヒーター
P :ポンプ
27 :パルパー
28 :粗スクリーン
29 :前フロテーター
30 :細かいスクリーン
31 :脱水機
32 :プレス
33 :ディスパーザー
34 :後フロテーター
35 :軽量クリーナー
36 :高濃度クリーナー
1: Wood log 2: Chipper 3: Chip pile 4: Chip silo
5: Chip thickness selector 6: Chip screen
7: tip bin 8: rotary tip meter 9: steaming vessel 10: tip chute 11: tip pump 12: batch type chlorine dioxide treatment reactor 13: first tower chlorine dioxide treatment continuous reactor 14: second tower chlorine dioxide treatment Continuous reactor 15: Holocellulose blow tank 16: First reaction tower 17 for two-stage sulfuric acid monosaccharification 17: Second reaction tower 18 for two-stage sulfuric acid monosaccharification 18: Mixed bed ion resin 19: 2,3-butanediol fermenter 20: Sterilization tower 21: Simultaneous saccharification by microorganisms / enzymes and 2,3-butanediol fermenter 22: Distillation tower 23 of 2,3-butanediol and bioethanol 23: Bed of activated carbon / sand 24: Solid acid catalyst 25: Methyl ethyl ketone and 2,3-butanediol distillation column 26: methyl ethyl ketone receiving tank 37: filter 38: activated carbon 39: Sand A: Batch method B: Continuous method C: Monosaccharification method D with sulfuric acid D: Method of simultaneous monosaccharification with microorganisms and enzymes and 2,3-butanediol fermentation H: Heater P: Pump 27: Pulper 28: Coarse screen 29: Front rotator 30: Fine screen 31: Dehydrator 32: Press 33: Disperser 34: Rear rotator 35: Light weight cleaner 36: High concentration cleaner

Claims (8)

非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法であって、
前記バイオマスは木質の場合、粉砕工程が必要なく、従来のチッパーにてチップ状を作るチップ化工程を形成し、
前記バイオマスは新聞、雑誌、台帳、段ボール等の回収古紙の場合、パルパー工程、スクリーン・クリーナーの精選工程、フロテーターの脱墨工程を構成されるパルプ化工程を形成し、
前記チップあるいは脱墨回収パルプは、二酸化塩素単独処理を行い、溶解リグニンと、ヘミセルロース、セルロースから構成されるホロセルロースの製造工程を形成し、
前記溶解リグニン廃液は全固形分(トータルソリッド)が55%以上に濃縮し、ボイラーで燃焼させ、エネルギーを回収し、
前記ホロセルロースは硫酸あるいは微生物・酵素にて加水分解を行い、五炭糖及び六炭糖の単糖を製造する工程を形成し、
前記製造された単糖は、2,3−ブタンジオール、バイオエタノール及び酢酸を発酵し、核バイオエタノールと酢酸が蒸留・精製し、そして
前記発酵2,3−ブタンジオールは、固体酸触媒にて脱水反応を行い、代替燃料のメチルエチルケトンを生成することを含む前記方法。
A non-edible lignocellulosic biomass monosaccharide production method and alternative fuel production method,
When the biomass is woody, there is no need for a pulverization process, and a chip forming process for forming chips with a conventional chipper is formed,
In the case of recovered waste paper such as newspapers, magazines, ledgers, cardboard, etc., the biomass forms a pulping process comprising a pulper process, a screen cleaner selection process, and a flotator deinking process,
The chip or the deinked recovered pulp is treated with chlorine dioxide alone to form a holocellulose manufacturing process composed of dissolved lignin, hemicellulose, and cellulose.
The dissolved lignin waste liquid is concentrated to 55% or more of the total solids (total solid), burned in a boiler, recovers energy,
The holocellulose is hydrolyzed with sulfuric acid or microorganisms / enzymes to form a process of producing pentose and hexose monosaccharides,
The produced monosaccharide is fermented with 2,3-butanediol, bioethanol and acetic acid, nuclear bioethanol and acetic acid are distilled and purified, and the fermented 2,3-butanediol is produced by a solid acid catalyst. Performing the dehydration reaction to produce an alternative fuel, methyl ethyl ketone.
前記二酸化塩素処理から得られたホロセルロースが以下の処理条件で成される、請求項1記載の非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法。
1)pHを、1.0−2.5とする。
2)温度を、室温−100℃とする。
3)圧力を、150kPa以下とする。
4)ホロセルロースの生産は、バッチ方式あるいは連続方式が使用可能で、核バッチ生産方式では反応器が1塔以上、そして核連続生産方式では反応器が2塔以上とする。
The monosaccharide production method and alternative fuel production method of non-edible lignocellulosic biomass according to claim 1, wherein the holocellulose obtained from the chlorine dioxide treatment is formed under the following treatment conditions.
1) Set the pH to 1.0-2.5.
2) The temperature is set to room temperature-100 ° C.
3) The pressure is 150 kPa or less.
4) For the production of holocellulose, a batch method or a continuous method can be used. In the nuclear batch production method, one or more reactors are used, and in the nuclear continuous production method, two or more reactors are used.
前記硫酸加水分解によるホロセルロースの単糖化工程が以下の第一段階のオリゴ糖化と第二段階の単糖化の処理条件で成される、請求項1、2のいずれか1項に記載の非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法。
1)第一段階のオリゴ糖化の処理条件、
(1)硫酸添加量を、100−140%(w.v−1)とする。
(2)温度を、10−60℃とする。
(3)反応時間を、30−180分とする。
2)第二段階の単糖化の処理条件、
(1)硫酸添加量を、2−6%(w.v−1)とする。
(2)温度を、100−140℃とする。
(3)反応時間を、30−90分とする。
The non-edible product according to any one of claims 1 and 2, wherein the mono-saccharification process of holocellulose by sulfuric acid hydrolysis is performed under the following first-stage oligosaccharification and second-stage monosaccharification treatment conditions. Monosaccharide production method and alternative fuel production method of lignocellulosic biomass.
1) Treatment conditions for the first stage oligosaccharification,
(1) The amount of sulfuric acid added is 100-140% (wv- 1 ).
(2) The temperature is 10-60 ° C.
(3) The reaction time is 30 to 180 minutes.
2) Treatment conditions for the second stage monosaccharification,
(1) The amount of sulfuric acid added is 2-6% (w.v −1 ).
(2) The temperature is 100-140 ° C.
(3) The reaction time is 30 to 90 minutes.
前記酵素加水分解によるホロセルロースの単糖化工程が以下の処理条件で成される、請求項1、2のいずれか1項に記載の非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法。
1)ヘミセルロースを分解するキシラナーゼと、セルロースを分解するセルラーゼ、β−グルコシダ−ゼの組み合わせあるいはヘミセルロースを分解するキシラナーゼと、セルロースを分解するβ−グルコシダ−ゼを含むセルラーゼの組み合わせを用いてホロセルロースの多糖を単糖化する。
2)pHを、4−6とする。
3)温度を、30−55℃とする。
The method for producing monosaccharides of non-edible lignocellulosic biomass and the alternative fuel production method according to any one of claims 1 and 2, wherein the monosaccharification step of holocellulose by enzymatic hydrolysis is performed under the following processing conditions. .
1) A combination of xylanase that degrades hemicellulose and cellulase that degrades cellulose, β-glucosidase or a combination of xylanase that degrades hemicellulose and cellulase containing β-glucosidase that degrades cellulose. Monosaccharides are converted into monosaccharides.
2) Set the pH to 4-6.
3) The temperature is 30-55 ° C.
前記ホロセルロースの硫酸あるいは酵素の加水分解から得られた単糖は、微生物による発酵反応にて2,3−ブタンジオール、バイオエタノール、と酢酸を製造する工程は、以下の処理条件で成される、請求項1−4のいずれか1項に記載の非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法。
1)発酵微生物が細菌Klebsiella 属に属するKlebsiella pneumoniaeとする。
2)pHを、4−6とする。
3)温度を、30−55℃とする。
The process for producing 2,3-butanediol, bioethanol, and acetic acid by fermentation reaction by microorganisms is performed under the following processing conditions for the monosaccharide obtained from sulfuric acid of holocellulose or enzymatic hydrolysis. The monosaccharide manufacturing method and alternative fuel manufacturing method of nonedible lignocellulosic biomass of any one of Claims 1-4.
1) The fermenting microorganism is Klebsiella pneumoniae belonging to the genus Klebsiella.
2) Set the pH to 4-6.
3) The temperature is 30-55 ° C.
前記ホロセルロースの酵素加水分解から生成された五炭糖と六炭糖の単糖化工程及び、次の2,3−ブタンジオール、バイオエタノール、と酢酸の発酵工程は、同発酵槽で行うことが可能であり、装備が簡素化になる、請求項1、2、4、5のいずれか1項に記載の非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法。   The saccharification process of pentose and hexose produced from the enzymatic hydrolysis of holocellulose and the subsequent fermentation process of 2,3-butanediol, bioethanol, and acetic acid may be performed in the same fermentor. The monosaccharide production method and alternative fuel production method of non-edible lignocellulosic biomass according to any one of claims 1, 2, 4, and 5, which is possible and simplifies the equipment. 前記発酵された2,3−ブタンジオールは150−250℃の固体酸触媒にて脱水反応を行い、代替燃料のメチルエチルケトンを生成する、請求項1−6のいずれか1項に記載の非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法。   The non-edible ligno of any one of claims 1 to 6, wherein the fermented 2,3-butanediol undergoes a dehydration reaction with a solid acid catalyst at 150 to 250 ° C to produce methyl ethyl ketone as an alternative fuel. Cellulose biomass monosaccharide production method and alternative fuel production method. 前記固体酸触媒の担体がシリカ、アルミナ、白金、ニッケルのいずれか一種以上からなり、核担体に1.0−2.5meq.g−1のサルホン基を共有結合する、請求項1−7のいずれか1項に記載の非食用リグノセルロース系バイオマスの単糖製造方法及び代替燃料製造方法。
The solid acid catalyst support is made of at least one of silica, alumina, platinum, and nickel, and the core support is 1.0 to 2.5 meq. The monosaccharide production method and alternative fuel production method of non-edible lignocellulosic biomass according to any one of claims 1 to 7, wherein a sulfone group of g -1 is covalently bonded.
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