JP2011010617A - Cellulose-containing raw material for producing sugar - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セルロース含有製糖原料及びこれを用いた糖の製造方法に関する。 The present invention relates to a cellulose-containing raw material for sugar production and a method for producing sugar using the same.
セルロース含有原料は、セルロースエーテルの原料、化粧品、食品、バイオマス材料等の工業原料に用いられる。特に近年、環境問題への取り組み等からバイオマス材料から糖を製造し、それを発酵法等でエタノールや乳酸等へ変換する試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。
一般に、セルロース含有原料におけるセルロースはリグニンと密着しており、このリグニンがセルロースの加水分解反応（糖化反応）を阻害することが知られている。そのため、糖化効率を向上させる目的でリグニンを分解・除去することが行われている。
Cellulose-containing raw materials are used as industrial raw materials such as cellulose ether raw materials, cosmetics, foods, and biomass materials. In particular, in recent years, attempts have been made to produce sugar from biomass material and to convert it into ethanol, lactic acid, etc. by fermentation or the like from efforts to address environmental problems (see, for example, Patent Document 1).
In general, cellulose in a cellulose-containing raw material is in close contact with lignin, and it is known that this lignin inhibits hydrolysis reaction (saccharification reaction) of cellulose. Therefore, lignin is decomposed and removed for the purpose of improving saccharification efficiency.
セルロース含有原料を糖化する方法としては、特定のセルラーゼ又はそのセルラーゼ生産菌を用いて酵素分解して糖化を行う方法（例えば、特許文献２参照）や、バイオマスに含まれるセルロースを、過酸化水素を用いた熱水処理によりリグニンを分解・除去した後、酵素処理する方法（例えば、特許文献３参照）、水蒸気蒸留によりリグノセルロース資源中に含まれる精油及び親水性成分を流出させた後、糖化を行う方法（例えば、特許文献４参照）等が知られている。また、リグニン除去処理を省略した方法として、木材を６０μｍ以下に粉砕後、直接酵素による糖化を行う方法（例えば、特許文献５参照）も知られている。
しかしながら、従来の方法はいずれも、糖化効率又は生産性の点において満足できるものではない。特許文献２記載の方法は糖化効率が十分とはいえず、特許文献３又は４に記載の方法は熱水処理や水蒸気蒸留を必要とするためコストが高く生産性に劣る。また、特許文献５記載の方法は糖化効率に劣る。
As a method of saccharifying a cellulose-containing raw material, a method of performing saccharification by enzymatic decomposition using a specific cellulase or a cellulase-producing bacterium (see, for example, Patent Document 2), cellulose contained in biomass, hydrogen peroxide After decomposing and removing lignin by the hot water treatment used, an enzyme treatment method (see, for example, Patent Document 3), the essential oil and hydrophilic components contained in the lignocellulose resource are discharged by steam distillation, and then saccharification is performed. A method of performing (for example, see Patent Document 4) is known. Further, as a method in which the lignin removal treatment is omitted, a method of directly saccharifying with an enzyme after grinding wood to 60 μm or less (see, for example, Patent Document 5) is also known.
However, none of the conventional methods are satisfactory in terms of saccharification efficiency or productivity. The method described in Patent Document 2 cannot be said to have sufficient saccharification efficiency, and the method described in Patent Document 3 or 4 requires hot water treatment or steam distillation, and thus is expensive and inferior in productivity. Moreover, the method of patent document 5 is inferior to saccharification efficiency.
本発明の課題は、セルラーゼ等との反応性に優れ、効率的に糖を製造することが可能なセルロース含有製糖原料、並びにこのセルロース含有製糖原料を用いた、糖化効率及び生産性に優れた糖の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a cellulose-containing sugar raw material that is excellent in reactivity with cellulase and the like and can efficiently produce sugar, and a sugar that is excellent in saccharification efficiency and productivity using this cellulose-containing sugar raw material. It is in providing the manufacturing method of.
本発明者らは、セルロース含有原料中にリグニンが存在していてもリグニンがセルロースから剥離されてさえいれば、リグニンの分解・除去を行うことなく効率的に糖を製造できることを見出した。 The present inventors have found that even if lignin is present in the cellulose-containing raw material, as long as the lignin is peeled off from the cellulose, sugar can be produced efficiently without decomposing and removing the lignin.
すなわち、本発明は、リグニンを１０質量％以上含有するセルロース含有製糖原料であって、ジオキサン／水（９６／４ｖｏｌ％）溶媒を用いて抽出したときの抽出物量がセルロース含有製糖原料中のリグニン質量に対して１５質量％以上であるセルロース含有製糖原料、及びこれを用いた糖の製造方法を提供するものである。 That is, the present invention is a cellulose-containing sugar raw material containing 10% by mass or more of lignin, and the amount of extract when extracted using a dioxane / water (96/4 vol%) solvent is the lignin mass in the cellulose-containing sugar raw material. It provides a cellulose-containing raw material for sugar production of 15% by mass or more, and a method for producing sugar using the same.
本発明のセルロース含有製糖原料は、糖化処理に使用されるセルラーゼやヘミセルラーゼとの反応性に優れ、糖を効率よく生産することができる。また、本発明のセルロース含有製糖原料を用いた糖の製造方法は、水蒸気蒸留や水熱処理等の工程を行うことなく、効率的に糖を製造することができる。 The cellulose-containing sugar-producing raw material of the present invention has excellent reactivity with cellulase and hemicellulase used for saccharification treatment, and can produce sugar efficiently. Moreover, the manufacturing method of the saccharide | sugar using the cellulose containing saccharide | sugar raw material of this invention can manufacture saccharide | sugar efficiently, without performing processes, such as steam distillation and hydrothermal treatment.
＜セルロース含有製糖原料＞
本発明のセルロース含有製糖原料は、リグニンを１０質量％以上含有し、ジオキサン／水（９６／４ｖｏｌ％）溶媒を用いて抽出したときの抽出物量がセルロース含有製糖原料中のリグニン質量に対して１５質量％以上である。
<Sugar-containing sugar raw material>
The cellulose-containing sugar raw material of the present invention contains 10% by mass or more of lignin, and the amount of extract when extracted using a dioxane / water (96/4 vol%) solvent is 15 with respect to the lignin mass in the cellulose-containing sugar raw material. It is at least mass%.
［リグニン含有量］
本発明のセルロース含有製糖原料は、リグニンを１０質量％以上含有する。本発明のセルロース含有製糖原料はリグニンを多量に含有していてもよく、脱リグニン処理を必要としない。特に、好ましくは１５質量％以上、より好ましくは２０質量％以上のリグニンを含有していてもよい。
本発明におけるリグニン含有量は、Ｋｌａｓｏｎリグニン法により測定することができる。Ｋｌａｓｏｎリグニン法は硫酸法とも呼ばれ、リグニンの直接定量法として知られており、具体的には、「ＪＡＰＡＮ ＴＡＰＰＩ紙パルプ試験方法 ２０００年版」，Ｎｏ．６１を参照することができる。
[Lignin content]
The cellulose-containing sugar-producing raw material of the present invention contains 10% by mass or more of lignin. The cellulose-containing sugar raw material of the present invention may contain a large amount of lignin and does not require delignification treatment. In particular, it may preferably contain 15% by mass or more, more preferably 20% by mass or more of lignin.
The lignin content in the present invention can be measured by the Klason lignin method. The Klason lignin method is also called a sulfuric acid method, and is known as a direct quantification method for lignin, specifically, “JAPAN TAPPI Paper Pulp Test Method 2000”, No. 61 can be referred to.
［抽出物量］
本発明のセルロース含有製糖原料は、ジオキサン／水（９６／４ｖｏｌ％）溶媒を用いて抽出したときの抽出物量がセルロース含有製糖原料中のリグニン質量に対して１５質量％以上である。ここで、前記抽出物は、その主成分としてリグニンを含有し、その他の成分として脂肪、ロウ、タンニン、ペクチンを含有する。
前記抽出物量は、セルロースからリグニンが剥離されている程度を示す指標である。本発明のセルロース含有製糖原料は、リグニンを多量に含有していてもリグニンがセルロースから剥離されてさえいれば、効率的に糖を生産することができる。
前記抽出物量は、糖化率向上の観点から、リグニン質量に対して１５質量％以上であり、１８質量％以上が好ましく、また、セルロースの変性に伴う糖化効率の低下抑制の観点からは、８５質量％以下が好ましく、７０質量％以下がより好ましく、６０質量％以下が更に好ましく、５５質量％以下が更により好ましく、５０質量％以下が更により好ましい。
[Amount of extract]
The cellulose-containing sugar raw material of the present invention has an extract amount of 15% by mass or more based on the lignin mass in the cellulose-containing sugar raw material when extracted using a dioxane / water (96/4 vol%) solvent. Here, the extract contains lignin as its main component and contains fat, wax, tannin, and pectin as other components.
The amount of the extract is an index indicating the degree to which lignin is peeled from cellulose. Even if the cellulose-containing sugar-producing raw material of the present invention contains a large amount of lignin, it can efficiently produce sugar as long as the lignin is peeled off from the cellulose.
From the viewpoint of improving the saccharification rate, the amount of the extract is 15% by mass or more with respect to the lignin mass, preferably 18% by mass or more, and 85% by mass from the viewpoint of suppressing a decrease in saccharification efficiency due to cellulose modification. % Or less, more preferably 70% by weight or less, still more preferably 60% by weight or less, still more preferably 55% by weight or less, and even more preferably 50% by weight or less.
本発明において、前記抽出物量は以下の方法により算出される。
抽出を行う前に、セルロース含有製糖原料中のリグニン質量を、上述したＫｌａｓｏｎリグニン法により測定する。
ビーカーに、ジオキサン９６ｖｏｌ％及び水４ｖｏｌ％からなる溶媒を、セルロース含有製糖原料１ｇ（絶乾相当）当たり１０ｍＬ入れ、４０℃、１２０ｒｐｍで２４時間撹拌させて抽出を行う。抽出液を、遠心分離した後に上澄み液を回収する。ビーカー中の残留物に対し、１ｇ当たり１０ｍＬの溶媒を加え、４０℃、１２０ｒｐｍで４８時間撹拌させて抽出を行い、抽出液を遠心分離した後に上澄み液を回収する。回収した上澄み液をあわせて減圧留去し、抽出物質量を秤量し、下記の数式から抽出物量（抽出率）を算出する。
抽出物量（質量％）＝抽出物質量／セルロース含有製糖原料中のリグニン質量×１００
In the present invention, the amount of the extract is calculated by the following method.
Before extraction, the lignin mass in the cellulose-containing sugar raw material is measured by the Klason lignin method described above.
In a beaker, 10 mL of a solvent composed of 96 vol% dioxane and 4 vol% water is added per 1 g of cellulose-containing sugar raw material (corresponding to absolutely dry), and extraction is performed by stirring at 40 ° C. and 120 rpm for 24 hours. The supernatant is recovered after the extract is centrifuged. 10 mL of solvent per gram is added to the residue in the beaker, and extraction is performed by stirring at 40 ° C. and 120 rpm for 48 hours. After the extract is centrifuged, the supernatant is recovered. The collected supernatants are combined and evaporated under reduced pressure, the amount of the extracted substance is weighed, and the amount of extract (extraction rate) is calculated from the following mathematical formula.
Extract amount (% by mass) = Extracted substance amount / Lignin mass in cellulose-containing sugar raw material × 100
［セルロース含有原料］
本発明のセルロース含有製糖原料は、セルロース含有原料から得られる。セルロース含有原料は特に限定されないが、具体例としては例えば、針葉樹チップ、広葉樹チップ等の各種木材チップ；木材から製造されるウッドパルプ、綿の種子の周囲の繊維から得られるコットンリンターパルプ等のパルプ類；新聞紙、ダンボール、雑誌、上質紙等の紙類；稲わら、とうもろこし茎等の植物茎・葉類；籾殻、パーム殻、ココナッツ殻等の植物殻；ジャイアントケルプ、コンブ、ワカメ、ノリ、マクサ、スピリルナ、ドナリエラ、クロレラ、セネデスムス等の藻類等が挙げられる。これらの中でも、針葉樹チップ、広葉樹チップ、新聞紙、ダンボール、雑誌、稲わら、とうもろこし茎、葉、籾殻、パーム殻、ココナッツ殻、及び藻類からなる群から選択される１種以上が入手容易性の観点から好ましい。
[Cellulose-containing raw material]
The cellulose-containing sugar raw material of the present invention is obtained from a cellulose-containing raw material. The cellulose-containing raw material is not particularly limited, but specific examples include various wood chips such as softwood chips and hardwood chips; wood pulp manufactured from wood, pulp such as cotton linter pulp obtained from fibers around cotton seeds Papers such as newspapers, cardboard, magazines and fine papers; plant stems and leaves such as rice straw and corn stalks; plant shells such as rice husks, palm husks and coconut husks; And algae such as Spirulina, Donariella, Chlorella, Senedesmus. Among these, one or more selected from the group consisting of coniferous chips, hardwood chips, newspapers, cardboard, magazines, rice straw, corn stalks, leaves, rice husks, palm husks, coconut husks, and algae are easy to obtain. To preferred.
セルロース含有原料中の水分含量は、２０質量％以下が好ましく、１５質量％以下がより好ましく、１０質量％以下が更に好ましく、５質量％が更により好ましく、３．５質量％が更により好ましい。また、セルロース含有原料中の水分含量は、生産性向上の観点から、０．１質量％以上が好ましい。セルロース含有原料中の水分含量が２０質量％以下であれば、後述する粉砕処理によって容易に粉砕することができ、原料中のセルロースからリグニンを剥離しやすく、また、ミル内部に粉砕物が固着せずに乾式にて処理することができる。 The water content in the cellulose-containing raw material is preferably 20% by mass or less, more preferably 15% by mass or less, still more preferably 10% by mass or less, still more preferably 5% by mass, and still more preferably 3.5% by mass. The water content in the cellulose-containing raw material is preferably 0.1% by mass or more from the viewpoint of improving productivity. If the water content in the cellulose-containing raw material is 20% by mass or less, it can be easily pulverized by a pulverization process described later, lignin can be easily peeled off from the cellulose in the raw material, and the pulverized product is fixed inside the mill. Without being dry.
［粉砕処理］
本発明のセルロース含有製糖原料は、前記セルロース含有原料を、ロッドを充填した振動ミルで粉砕処理することにより得られる。ロッドを充填した振動ミルで粉砕処理することにより、リグニンをセルロースから効率的に剥離させることができる。
[Crushing process]
The cellulose-containing sugar raw material of the present invention is obtained by pulverizing the cellulose-containing raw material with a vibration mill filled with a rod. By pulverizing with a vibration mill filled with a rod, lignin can be efficiently separated from cellulose.
（振動ミル）
本発明で用いられる振動ミルとしては、中央化工機株式会社製の振動ミル、ユーラステクノ株式会社製のバイブロミル、株式会社吉田製作所製の小型振動ロッドミル１０４５型、ドイツのフリッチュ社製の振動カップミルＰ−９型、日陶科学株式会社製の小型振動ミルＮＢ−Ｏ型等を用いることができる。処理方法としては、バッチ式、連続式のどちらでもよい。
(Vibration mill)
As a vibration mill used in the present invention, a vibration mill manufactured by Chuo Kako Co., Ltd., a vibro mill manufactured by Eurus Techno Co., Ltd., a small vibration rod mill 1045 manufactured by Yoshida Manufacturing Co., Ltd., and a vibration cup mill P- manufactured by Fritsch Corporation of Germany. 9 type, a small vibration mill NB-O type manufactured by Nippon Ceramics Co., Ltd. can be used. The processing method may be either a batch type or a continuous type.
（ロッド）
振動ミルに充填するロッドとは棒状の媒体であり、ロッドの断面が四角形、六角形等の多角形、円形、楕円形等のものを用いることができる。
ロッドの材質としては、特に制限はなく、例えば、鉄、ステンレス、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、チッ化ケイ素、ガラス等が挙げられる。
(rod)
The rod filled in the vibration mill is a rod-shaped medium, and a rod having a cross section of a polygon such as a square or a hexagon, a circle or an ellipse can be used.
There is no restriction | limiting in particular as a material of a rod, For example, iron, stainless steel, an alumina, a zirconia, a silicon carbide, a silicon nitride, glass etc. are mentioned.
ロッドの外径としては、好ましくは０．５〜２００ｍｍ、より好ましくは１〜１００ｍｍ、更に好ましくは５〜５０ｍｍの範囲である。ロッドの長さとしては、粉砕機（振動ミル）の容器の長さよりも短いものであれば特に限定されない。ロッドの大きさが上記の範囲であれば、所望の粉砕力が得られるとともに、ロッドのかけら等が混入してセルロース含有原料が汚染されることなく、リグニンをセルロースから効率的に剥離させることができる。 The outer diameter of the rod is preferably in the range of 0.5 to 200 mm, more preferably 1 to 100 mm, and still more preferably 5 to 50 mm. The length of the rod is not particularly limited as long as it is shorter than the length of the container of the pulverizer (vibration mill). If the size of the rod is in the above range, the desired pulverization force can be obtained, and the lignin can be efficiently peeled from the cellulose without contamination of the cellulose-containing raw material due to mixing of fragments of the rod and the like. it can.
ロッドの充填率は、振動ミルの機種により好適な範囲が異なるが、好ましくは１０〜９７％、より好ましくは１５〜９５％の範囲である。充填率がこの範囲内であれば、セルロースとロッドとの接触頻度が向上するとともに、媒体の動きを妨げずに、粉砕効率を向上させることができる。ここで充填率とは、振動ミルの容積に対するロッドの見かけの体積をいう。 The filling range of the rod is preferably in a range of 10 to 97%, more preferably 15 to 95%, although a suitable range varies depending on the type of vibration mill. When the filling rate is within this range, the contact frequency between the cellulose and the rod is improved, and the grinding efficiency can be improved without hindering the movement of the medium. Here, the filling rate refers to the apparent volume of the rod relative to the volume of the vibration mill.
（処理条件）
振動ミルの処理時間としては、振動ミルの種類、ロッドの種類、大きさ及び充填率等により一概に決定できないが、リグニンをセルロースから剥離させる観点及びセルロースの変性（架橋等）に伴う糖化効率の低下抑制の観点から、２〜４８時間が好ましく、２〜２４時間がより好ましく、４〜１２時間が更に好ましい。処理時間が短すぎるとリグニンの剥離が十分ではなく、処理時間が長すぎるとセルロースの変性（架橋等）が生じ、いずれも糖化効率が低下してしまう。
振動ミルの処理温度は特に制限されないが、熱による劣化を防ぐ観点から、好ましくは５〜２５０℃、より好ましくは１０〜２００℃である。
(Processing conditions)
The treatment time of the vibration mill cannot be determined unconditionally depending on the type of vibration mill, the type of rod, the size and the filling rate, etc., but the viewpoint of peeling lignin from cellulose and the saccharification efficiency associated with cellulose modification (crosslinking, etc.) From the viewpoint of suppressing the decrease, 2 to 48 hours are preferable, 2 to 24 hours are more preferable, and 4 to 12 hours are still more preferable. If the treatment time is too short, the lignin will not be sufficiently peeled off, and if the treatment time is too long, cellulose modification (crosslinking, etc.) will occur, and the saccharification efficiency will decrease.
The treatment temperature of the vibration mill is not particularly limited, but is preferably 5 to 250 ° C., more preferably 10 to 200 ° C. from the viewpoint of preventing deterioration due to heat.
上記粉砕処理により得られる本発明のセルロース含有製糖原料の平均粒径は、糖化反応における化学反応性及び取扱い性の観点から、好ましくは２５〜１５０μｍ、より好ましくは３０〜１００μｍである。平均粒径が２５μｍ以上であれば、非晶化セルロースを水などの液体と接触させたときに「ママコ」になることを抑えることができる。 The average particle size of the cellulose-containing sugar raw material of the present invention obtained by the pulverization treatment is preferably 25 to 150 μm, more preferably 30 to 100 μm, from the viewpoints of chemical reactivity and handleability in the saccharification reaction. When the average particle size is 25 μm or more, it is possible to suppress the occurrence of “mamasko” when the amorphous cellulose is brought into contact with a liquid such as water.
また、本発明における振動ミル処理には、ロッドを充填した振動ミルでの粉砕をより効率的に行う観点から、嵩密度が１００ｋｇ／ｍ3以上のセルロース含有原料を用いることが好ましく、１２０ｋｇ／ｍ3以上がより好ましく、１５０ｋｇ／ｍ3以上が更に好ましい。この嵩密度が１００ｋｇ／ｍ3以上であれば、セルロース含有原料が適度な容積を有するために取扱い性が向上する。また、振動ミルへ原料仕込み量を多くすることができるので、処理能力が向上する。一方、この嵩密度の上限としては、取扱い性及び生産性の観点から、好ましくは５００ｋｇ／ｍ3以下、より好ましくは４００ｋｇ／ｍ3以下、更に好ましくは３５０ｋｇ／ｍ3以下である。これらの観点から、この嵩密度としては、好ましくは１００〜５００ｋｇ／ｍ3、より好ましくは１２０〜４００ｋｇ／ｍ3、更に好ましくは１５０〜３５０ｋｇ／ｍ3である。嵩密度が１００ｋｇ／ｍ3未満のセルロース含有原料を用いる場合は、前処理を行い、嵩密度を１００〜５００ｋｇ／ｍ3にすることが好ましい。
前記嵩密度は、常法により測定することができ、例えば、ホソカワミクロン株式会社製の「パウダーテスター」（商品名）を用いて測定することができる。
In addition, in the vibration mill treatment in the present invention, it is preferable to use a cellulose-containing raw material having a bulk density of 100 kg / m 3 or more from the viewpoint of more efficiently performing pulverization with a vibration mill filled with rods, and 120 kg / m 3 or more is more preferable, and 150 kg / m 3 or more is still more preferable. If this bulk density is 100 kg / m 3 or more, the cellulose-containing raw material has an appropriate volume, so that handleability is improved. Moreover, since the amount of raw materials charged into the vibration mill can be increased, the processing capacity is improved. On the other hand, the upper limit of the bulk density is preferably 500 kg / m 3 or less, more preferably 400 kg / m 3 or less, and still more preferably 350 kg / m 3 or less from the viewpoint of handleability and productivity. From these viewpoints, the bulk density is preferably 100 to 500 kg / m 3 , more preferably 120 to 400 kg / m 3 , and still more preferably 150 to 350 kg / m 3 . If the bulk density is the cellulose-containing raw material of less than 100 kg / m 3, to preprocess, it is preferable that the bulk density of 100 to 500 kg / m 3.
The bulk density can be measured by a conventional method, and for example, it can be measured using “Powder Tester” (trade name) manufactured by Hosokawa Micron Corporation.
振動ミルに供給するセルロース含有原料は、振動ミル中に粉砕原料を効率的に分散させる観点から、平均粒径が０．０１〜１ｍｍの範囲にあるものが好ましい。この平均粒径が１ｍｍ以下であれば、振動ミル中に供給する際に、振動ミル中に粉砕原料を効率的に分散させることができ、長時間を要することなく所定の粒径に到達することができる。一方、この平均粒径の下限としては、生産性の観点から、０．０１ｍｍ以上が好ましい。これらの観点から、この平均粒径としては、０．０１〜０．７ｍｍがより好ましく、０．０５〜０．５ｍｍが更に好ましい。
平均粒径は、常法により測定することができ、例えば、レーザー回折／散乱式粒度分布測定装置「ＬＡ−９２０」（株式会社堀場製作所製、商品名）を用いて測定することができる。
The cellulose-containing raw material supplied to the vibration mill preferably has an average particle size in the range of 0.01 to 1 mm from the viewpoint of efficiently dispersing the pulverized raw material in the vibration mill. If this average particle size is 1 mm or less, when supplying into the vibration mill, the pulverized raw material can be efficiently dispersed in the vibration mill and reach a predetermined particle size without requiring a long time. Can do. On the other hand, the lower limit of the average particle diameter is preferably 0.01 mm or more from the viewpoint of productivity. From these viewpoints, the average particle diameter is more preferably 0.01 to 0.7 mm, and even more preferably 0.05 to 0.5 mm.
The average particle diameter can be measured by a conventional method, and can be measured, for example, using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus “LA-920” (trade name, manufactured by Horiba, Ltd.).
［振動ミル粉砕の前処理］
本発明では、振動ミルに供給するセルロース含有原料を前処理することが好ましい。例えば、セルロース含有原料を押出機で処理することで、セルロース含有原料の嵩密度及び平均粒径を、前述の好ましい範囲にすることができる。また、低水分率のセルロース含有原料を得るために乾燥工程を前処理に含めることが好ましい。
[Pretreatment of vibration mill grinding]
In this invention, it is preferable to pre-process the cellulose containing raw material supplied to a vibration mill. For example, by processing the cellulose-containing raw material with an extruder, the bulk density and the average particle diameter of the cellulose-containing raw material can be set to the above-described preferable ranges. Moreover, it is preferable to include a drying step in the pretreatment in order to obtain a cellulose-containing raw material having a low moisture content.
セルロース含有原料を押出機に投入する前には粗粉砕しておくことが好ましい。粗粉砕物の大きさとしては、好ましくは１〜５０ｍｍ、より好ましくは１〜３０ｍｍである。１〜５０ｍｍに粗粉砕することにより、押出機処理を効率よく容易に行うことができ、粉砕に要する負荷を軽減することができる。 It is preferable to coarsely pulverize the cellulose-containing raw material before feeding it into the extruder. The size of the coarsely pulverized product is preferably 1 to 50 mm, more preferably 1 to 30 mm. By roughly pulverizing to 1 to 50 mm, the extruder treatment can be performed efficiently and easily, and the load required for pulverization can be reduced.
セルロース含有原料を粗粉砕する方法としては、シュレッダー又はロータリーカッターを使用する方法が挙げられる。ロータリーカッターを使用する場合、得られる粗粉砕物の大きさは、スクリーンの目開きを変えることにより、制御することができる。スクリーンの目開きは、１〜５０ｍｍが好ましく、１〜３０ｍｍがより好ましい。スクリーンの目開きが１ｍｍ以上であれば、適度な嵩高さを有する粗粉砕物が得られ取扱い性が向上する。スクリーンの目開きが５０ｍｍ以下であれば、後の粉砕処理において、粉砕原料として適度な大きさを有するために、負荷を低減することができる。 Examples of the method for coarsely pulverizing the cellulose-containing raw material include a method using a shredder or a rotary cutter. When a rotary cutter is used, the size of the coarsely pulverized product obtained can be controlled by changing the opening of the screen. The opening of the screen is preferably 1 to 50 mm, more preferably 1 to 30 mm. If the opening of the screen is 1 mm or more, a coarsely pulverized product having an appropriate bulkiness is obtained, and the handleability is improved. If the opening of the screen is 50 mm or less, it has an appropriate size as a pulverized raw material in the subsequent pulverization process, so that the load can be reduced.
前記セルロース含有原料、好ましくは前記粗粉砕したセルロース含有原料を押出機で処理することにより、圧縮せん断力を作用させ、セルロースの結晶構造を破壊して、セルロース含有原料を粉末化させることができる。 By treating the cellulose-containing raw material, preferably the coarsely pulverized cellulose-containing raw material, with an extruder, a compressive shear force can be applied to break the crystal structure of the cellulose, whereby the cellulose-containing raw material can be powdered.
さらに前記セルロース含有原料、好ましくは前記粗粉砕した、さらに好ましくは前記押出機で処理したセルロース含有原料を乾燥することにより、いっそうセルロース結晶構造の破壊が効率的に進行する。 Furthermore, by further drying the cellulose-containing raw material, preferably the coarsely pulverized cellulose-containing raw material, more preferably treated with the extruder, the destruction of the cellulose crystal structure proceeds more efficiently.
圧縮せん断力を作用させて機械的に粉砕する方法として、従来よく用いられる衝撃式の粉砕機、例えば、カッターミル、ハンマーミル、ピンミル等では、粉砕物が綿状化して嵩高くなり、取扱い性を損ない、質量ベースの処理能力が低下する。一方、押出機を用いることにより、所望の平均粒径及び嵩密度を有する粉砕原料が得られ、取扱い性を向上させることができる。 As a method of mechanically pulverizing by applying a compressive shear force, conventionally used impact type pulverizers such as a cutter mill, a hammer mill, a pin mill, etc., make the pulverized material fluffy and bulky. And the mass-based throughput is reduced. On the other hand, by using an extruder, a pulverized raw material having a desired average particle diameter and bulk density can be obtained, and handleability can be improved.
押出機としては、単軸、二軸のどちらの形式でもよいが、搬送能力を高める等の観点から、二軸押出機が好ましい。
二軸押出機としては、シリンダの内部に２本のスクリューが回転自在に挿入された押出機であり、従来から公知のものが使用できる。２本のスクリューの回転方向は、同一でも逆方向でもよいが、搬送能力を高める観点から、同一方向の回転が好ましい。
また、スクリューの噛み合い条件としては、完全噛み合い、部分噛み合い、非噛み合いの各形式の押出機のいずれでもよいが、処理能力を向上させる観点から、完全噛み合い型、部分噛み合い型が好ましい。
The extruder may be either a single-screw type or a twin-screw type, but a twin-screw extruder is preferable from the viewpoint of increasing the conveyance capability.
The twin screw extruder is an extruder in which two screws are rotatably inserted into a cylinder, and conventionally known ones can be used. The rotation directions of the two screws may be the same or opposite directions, but the rotation in the same direction is preferable from the viewpoint of increasing the conveyance capability.
Further, as the meshing conditions of the screw, any of full-engagement, partial meshing, and non-meshing extruders may be used, but from the viewpoint of improving the processing capability, the complete meshing type and the partial meshing type are preferable.
押出機としては、強い圧縮せん断力を加える観点から、スクリューのいずれかの部分に、いわゆるニーディングディスク部を備えることが好ましい。
ニーディングディスク部とは、複数のニーディングディスクで構成され、これらを連続して、一定の位相で、例えば９０°ずつに、ずらしながら組み合わせたものであり、スクリューの回転にともなって、ニーディングディスク間あるいはニーディングディスクとシリンダの間の狭い隙間にセルロース含有原料を強制的に通過させることで極めて強いせん断力を付与することができる。スクリューの構成としては、ニーディングディスク部と複数のスクリューセグメントとが交互に配置されることが好ましい。二軸押出機の場合、２本のスクリューが、同一の構成を有することが好ましい。
As an extruder, it is preferable to provide what is called a kneading disk part in any part of a screw from a viewpoint of applying a strong compressive shear force.
The kneading disc part is composed of a plurality of kneading discs, which are continuously combined at a constant phase, for example, 90 °, and are kneaded as the screw rotates. By forcing the cellulose-containing raw material to pass through a narrow gap between the disks or between the kneading disk and the cylinder, an extremely strong shearing force can be applied. As a configuration of the screw, it is preferable that the kneading disk portion and the plurality of screw segments are alternately arranged. In the case of a twin screw extruder, it is preferable that the two screws have the same configuration.
処理方法としては、前記セルロース含有原料、好ましくは前記粗粉砕したセルロース含有原料を押出機に投入し、連続的に処理する方法が好ましい。せん断速度としては、１０ｓｅｃ-1以上が好ましく、２０〜３００００ｓｅｃ-1がより好ましく、５０〜３０００ｓｅｃ-1が特に好ましい。せん断速度が１０ｓｅｃ-1以上であれば、有利に粉砕が進行する。その他の処理条件としては、特に制限はなく、好ましくは処理温度５〜２００℃である。 As a processing method, the cellulose-containing raw material, preferably the coarsely pulverized cellulose-containing raw material, is charged into an extruder and continuously processed. The shear rate is preferably 10 sec -1 or more, more preferably 20~30000sec -1, 50~3000sec -1 is particularly preferred. If the shear rate is 10 sec −1 or more, pulverization proceeds advantageously. Other treatment conditions are not particularly limited, and preferably a treatment temperature of 5 to 200 ° C.
また、押出機によるパス回数としては、１パスでも十分効果を得ることができるが、セルロースの結晶化度及び重合度を低下させる観点から、１パスで不十分な場合は、２パス以上行うことが好ましい。また、生産性の観点からは、１〜１０パスが好ましい。パスを繰返すことにより、粗大粒子が粉砕され、粒径のばらつきが少ない粉末状セルロース含有原料を得ることができる。２パス以上行う場合、生産能力を考慮し、複数の押出機を直列に並べて処理を行ってもよい。 Also, as the number of passes by the extruder, a sufficient effect can be obtained even with one pass, but from the viewpoint of reducing the crystallinity and the degree of polymerization of cellulose, if one pass is insufficient, perform two or more passes. Is preferred. Further, from the viewpoint of productivity, 1 to 10 passes is preferable. By repeating the pass, coarse particles are pulverized and a powdery cellulose-containing raw material with little variation in particle size can be obtained. When performing two or more passes, in consideration of production capacity, a plurality of extruders may be arranged in series for processing.
また、前記セルロース含有原料の乾燥における乾燥方法としては、公知の乾燥手段を適宜選択すればよいが、例えば、熱風受熱乾燥法、伝導受熱乾燥法、除湿空気乾燥法、冷風乾燥法、マイクロ波乾燥法、赤外線乾燥法、天日乾燥法、真空乾燥法等が挙げられる。 Moreover, as a drying method in drying the cellulose-containing raw material, a known drying means may be appropriately selected. For example, a hot air heat receiving drying method, a conductive heat receiving drying method, a dehumidified air drying method, a cold air drying method, a microwave drying Method, infrared drying method, sun drying method, vacuum drying method and the like.
上記の乾燥方法において、公知の乾燥機を適宜選択して使用することができ、例えば、「粉体工学概論」（社団法人日本粉体工業技術会編集，粉体工学情報センター発行，１９９５年）１７６頁に記載の乾燥機等が挙げられる。
これらの乾燥方法及び乾燥機は１種でも又は２種以上を組み合わせて使用してもよい。乾燥処理はバッチ処理、連続処理のいずれでも可能である。
In the above drying method, a known dryer can be appropriately selected and used. For example, “Introduction to Powder Engineering” (edited by the Japan Powder Industry Technical Association, published by Powder Technology Information Center, 1995) Examples include the dryer described on page 176.
These drying methods and dryers may be used alone or in combination of two or more. The drying process can be either a batch process or a continuous process.
＜糖の製造方法＞
本発明のセルロース含有製糖原料は、リグニンがセルロースから適度に剥離しているため、セルラーゼ等の酵素を作用させて糖化することにより、効率よく糖を製造することができる。
<Method for producing sugar>
Since the lignin is appropriately peeled from cellulose in the cellulose-containing sugar raw material of the present invention, sugar can be efficiently produced by saccharification by the action of an enzyme such as cellulase.
［セルラーゼ等の酵素による糖化］
本発明のセルロース含有製糖原料に、セルラーゼを作用させて糖化することにより、グルコースもしくは、セロビオース、セロトリオースといったオリゴ糖等の混合物を得ることができる。糖化処理後にエタノール発酵や乳酸発酵に使用する場合等を考慮すると単糖まで分解することが好ましい。ここでいうセルラーゼとは、セルロースのβ−１，４−グルカンのグリコシド結合を加水分解する酵素を指し、エンドグルカナーゼ、エクソグルカナーゼまたはセロビオヒドロラーゼ、及びβ−グルコシダーゼ等と称される酵素の総称である。また、キシラナーゼ等のヘミセルラーゼを同時に作用させることにより、糖化の効率を上げることが可能である。
かかる糖化の処理に使用されるセルラーゼやヘミセルラーゼとしては特に制限はなく、市販のセルラーゼ製剤や、動物、植物、微生物由来のものを使用することができる。
[Saccharification with enzymes such as cellulase]
By subjecting the cellulose-containing sugar-producing raw material of the present invention to saccharification by allowing cellulase to act, a mixture of glucose or oligosaccharides such as cellobiose and cellotriose can be obtained. Considering the case of use in ethanol fermentation or lactic acid fermentation after saccharification treatment, it is preferable to decompose to monosaccharide. Cellulase as used herein refers to an enzyme that hydrolyzes the glycosidic bond of β-1,4-glucan of cellulose, and is a general term for enzymes called endoglucanase, exoglucanase or cellobiohydrolase, β-glucosidase, and the like. is there. In addition, saccharification efficiency can be increased by simultaneously acting hemicellulases such as xylanase.
Cellulase and hemicellulase used for the saccharification treatment are not particularly limited, and commercially available cellulase preparations and those derived from animals, plants, and microorganisms can be used.
セルラーゼの例としては、セルクラスト１．５Ｌ（ノボザイムズ社製、商品名）等のトリコデルマ リーゼ(Trichoderma reesei)由来のセルラーゼ製剤やバチルス エスピー(Bacillus sp.)KSM-N145（FERM P-19727）株由来のセルラーゼ、またはバチルス エスピー(Bacillus sp.)KSM-N252（FERM P-17474）、バチルス エスピー(Bacillus sp.)KSM-N115（FERM P-19726）、バチルス エスピー(Bacillus sp.)KSM-N440（FERM P-19728）、バチルス エスピー(Bacillus sp.)KSM-N659（FERM P-19730）等の各株由来のセルラーゼ、更には、トリコデルマ ビリデ(Trichoderma viride)、アスペルギルス アクレアタス(Aspergillus acleatus)、クロストリジウム サーモセラム(Clostridium thermocellum)、クロストリジウム ステルコラリウム(Clostridium stercorarium)、クロストリジウム ジョスイ(Clostridium josui)セルロモナス フィミ(Cellulomonas fimi)、アクレモニウム セルロリティクス(Acremonium cellulolyticus)、イルペックス ラクテウス(Irpex lacteus)、アスペルギルス ニガー(Aspergillus niger)、フミコーラ インソレンス(Humicola insolens)由来のセルラーゼ混合物やパイロコッカス ホリコシ(Pyrococcus horikoshii)由来の耐熱性セルラーゼ等が挙げられる。これらの中で、好ましくはトリコデルマ リーゼ(Trichoderma reesei)、トリコデルマ ビリデ(Trichoderma viride)、あるいはフミコーラ インソレンス(Humicola insolens)由来のセルラーゼ、例えばセルクラスト１．５Ｌ（ノボザイムズ社製、商品名）、ＴＰ−６０（明治製菓株式会社製、商品名）、あるいはウルトラフロＬ（ノボザイムズ社製、商品名）を用いることにより、効率よく糖が製造できる。 Examples of cellulases include cellulase preparations derived from Trichoderma reesei such as Cellcrust 1.5L (manufactured by Novozymes, trade name), and Bacillus sp. KSM-N145 (FERM P-19727) strain Cellulase, or Bacillus sp. KSM-N252 (FERM P-17474), Bacillus sp. ( Bacillus sp.) KSM-N115 (FERM P-19726), Bacillus sp. ( Bacillus sp.) KSM-N440 (FERM P-19728), Bacillus sp (Bacillus sp.) KSM-N659 (FERM P-19730) cellulase from each strain, such as, furthermore, Trichoderma viride (Trichoderma viride), Aspergillus Akureatasu (Aspergillus acleatus), Clostridium thermocellum (Clostridium thermocellum), Clostridium stercorarium (Clostridium stercorarium), Clostridium josui (Clostridium josui) Cellulomonas Fimi (Cellulomonas fimi), Acremonium cell Lori caustics (Acremonium cellulolyticus), Irupekkusu Rakuteusu (Irpex lacteus), Aspergillus niger (Aspergillus niger), Humicola insolens (Humicola insolens) derived cellulase mixtures and Pyrococcus horikoshii (Pyrococcus horikoshii) derived from thermostable cellulase Etc. Among these, preferably a cellulase derived from Trichoderma reesei , Trichoderma viride , or Humicola insolens , such as Cell Crust 1.5L (trade name, manufactured by Novozymes), TP-60 Sugar can be efficiently produced by using (Meiji Seika Co., Ltd., trade name) or Ultraflo L (Novozymes, trade name).
また、ヘミセルラーゼの例としては、バチルス エスピー(Bacillus sp.)KSM-N546（FERM P-19729）由来のキシナラーゼのほか、アスペルギルス ニガー(Aspergillus niger)、トリコデルマ ビリデ(Trichoderma viride)、フミコーラ インソレンス(Humicola insolens)、バチルス アルカロフィルス(Bacillus alcalophilus)由来のキシラナーゼ、更には、サーモマイセス(Thermomyces)、オウレオバシジウム(Aureobasidium)、ストレプトマイセス(Streptomyces)、クロストリジウム(Clostridium)、サーモトガ(Thermotoga)、サーモアスクス(Thermoascus)、カルドセラム(Caldocellum)、サーモモノスポラ(Thermomonospora)属由来のキシラナーゼ等が挙げられる。また上記のセルラーゼ混合物中に含まれるヘミセルラーゼ活性を持つ酵素を利用することもできる。 Further, examples of hemicellulase, Bacillus sp. (Bacillus sp.) KSM-N546 (FERM P-19729) of Kishinaraze from other Aspergillus niger (Aspergillus niger), Trichoderma viride (Trichoderma viride), Humicola insolens (Humicola insolens ), Bacillus alcalophilus (Bacillus alcalophilus) derived from a xylanase, further, Thermomyces (Thermomyces), Ou Leo bus Shijiumu (Aureobasidium), Streptomyces (Streptomyces), Clostridium (Clostridium), Thermotoga (Thermotoga), Thermoascus (Thermoascus ), Karudoseramu (Caldocellum), thermo mono Supora (Thermomonospora) genus xylanase like from like. An enzyme having hemicellulase activity contained in the cellulase mixture can also be used.
これらの酵素を単独で用いることもできるが、更に効率的な糖の製造にはこれら酵素を組み合わせて用いることが効果的である。またこれらの酵素に対してβ−グルコシダーゼ等の特定のセルラーゼ成分を更に添加することによって糖製造の効率を向上させることもできる。添加するβ−グルコシダーゼの例としてはアスペルギルス ニガー(Aspergillus niger)由来の酵素（例えば、ノボザイムズ社製ノボザイム１８８（商品名）やメガザイム社製β−グルコシダーゼ）やトリコデルマ リーゼ(Trichoderma reesei)、ペニシリウム エメルソニイ(Penicillium emersonii)由来の酵素等が挙げられる。 Although these enzymes can be used alone, it is effective to use these enzymes in combination for more efficient sugar production. Moreover, the efficiency of sugar production can be improved by further adding a specific cellulase component such as β-glucosidase to these enzymes. Examples of β-glucosidase to be added include enzymes derived from Aspergillus niger (for example, Novozymes 188 (trade name) manufactured by Novozymes, β-glucosidase manufactured by Megazymes), Trichoderma reesei , Penicillium emerysonium ( Penicillium ) emersonii ) -derived enzymes and the like.
本発明のセルロース含有製糖原料をセルラーゼによる酵素処理で糖化する場合の反応条件について、本発明のセルロース含有製糖原料中のリグニンの剥離度や、使用する酵素により適宜選択することができる。
例えば、前記抽出物量が３０質量％であるセルロース含有製糖原料を基質とし、セルラーゼとしてノボザイムズ社製のセルクラスト１．５Ｌ（商品名）を使用する場合は、０．５〜２０％（ｗ／ｖ）の基質懸濁液に対してセルラーゼを０．００１〜１５％（ｖ／ｖ）（タンパク質として０．０００１７〜２．５％相当）となるように添加し、ｐＨ２〜１０の緩衝液中、反応温度１０〜９０℃で、反応させることにより糖を製造することができる。
緩衝液のｐＨは、用いる酵素の種類により適宜選択することが好ましく、例えば、セルラーゼとしてノボザイムズ社製のセルクラスト１．５Ｌ（商品名）を使用する場合、好ましくはｐＨ３〜７、より好ましくはｐＨ４〜６である。
反応温度は、用いる酵素の種類により適宜選択することが好ましく、例えば、セルラーゼとしてノボザイムズ社製のセルクラスト１．５Ｌ（商品名）を使用する場合、好ましくは２０〜７０℃、より好ましくは４０〜６０℃である。
反応時間は、好ましくは３０分〜５日間であり、より好ましくは０．５〜３日間である。
The reaction conditions for saccharifying the cellulose-containing sugar raw material of the present invention by enzymatic treatment with cellulase can be appropriately selected depending on the degree of lignin peeling in the cellulose-containing sugar raw material of the present invention and the enzyme used.
For example, when cellulose-containing sugar raw material having an extract amount of 30% by mass is used as a substrate and Cello Crust 1.5L (trade name) manufactured by Novozymes is used as cellulase, 0.5 to 20% (w / v Cellulase is added to the substrate suspension of 0.001 to 15% (v / v) (corresponding to 0.00017 to 2.5% as protein) in a buffer solution of pH 2 to 10, A sugar can be produced by reacting at a reaction temperature of 10 to 90 ° C.
The pH of the buffer is preferably appropriately selected depending on the type of enzyme used. For example, when Cellulast 1.5L (trade name) manufactured by Novozymes is used as the cellulase, the pH is preferably 3 to 7, and more preferably pH 4 ~ 6.
The reaction temperature is preferably appropriately selected depending on the type of enzyme used. For example, when Cellulase 1.5L (trade name) manufactured by Novozymes is used as the cellulase, the reaction temperature is preferably 20 to 70 ° C., more preferably 40 to 40 ° C. 60 ° C.
The reaction time is preferably 30 minutes to 5 days, more preferably 0.5 to 3 days.
実施例１
（１）セルロース含有製糖原料の調製
セルロース含有原料として、針葉樹チップ（松チップ）を用いた。その水分含量について、赤外線水分計（株式会社ケット科学研究所製、商品名「ＦＤ−６１０」）を使用し、１５０℃にて測定を行ったところ、３．５質量％であった。また、リグニン含有量をＫｌａｓｏｎリグニン法により測定したところ、２６質量％であった。
Example 1
(1) Preparation of cellulose-containing sugar raw material As a cellulose-containing raw material, softwood chips (pine chips) were used. The moisture content was 3.5% by mass when measured at 150 ° C. using an infrared moisture meter (trade name “FD-610”, manufactured by Kett Science Laboratory Co., Ltd.). Moreover, it was 26 mass% when lignin content was measured by the Klason lignin method.
前記松チップを、振動ミル（中央化工機株式会社製、商品名「ＭＢ−１」、容器全容量３．５Ｌ）により粉砕処理することで、セルロース含有製糖原料を調製した。
まず、前記振動ミルに前記松チップを１００ｇ投入した。ロッドとして、直径３０ｍｍ、長さ２１８ｍｍ、材質ステンレス、断面形状が円形のロッドを用いた。前記ロッド１３本を前記振動ミルの容器内に充填（充填率５７％）して、振幅８ｍｍ、円回転１２００ｃｐｍの条件で６時間、粉砕処理を行った。なお、処理終了後、振動ミル内の壁面や底部にパルプの固着物等はみられなかった。
The pine chips were pulverized by a vibration mill (trade name “MB-1” manufactured by Chuo Kako Co., Ltd., container total capacity 3.5 L) to prepare a cellulose-containing sugar raw material.
First, 100 g of the pine chip was put into the vibration mill. As the rod, a rod having a diameter of 30 mm, a length of 218 mm, a stainless steel material, and a circular cross section was used. The 13 rods were filled into the container of the vibration mill (filling rate 57%), and pulverization was performed for 6 hours under conditions of an amplitude of 8 mm and a circular rotation of 1200 cpm. In addition, after the treatment was completed, no fixed matter of pulp or the like was found on the wall surface or bottom of the vibration mill.
前記振動ミルからセルロース含有製糖原料を取り出し、レーザー回折／散乱式粒度分布測定装置「ＬＡ−９２０」（株式会社堀場製作所製、商品名）を用いて、セルロース含有製糖原料の平均粒径を測定した。測定条件は、粒径測定前に超音波で１分間処理し、測定時の分散媒体として水を用い、体積基準のメジアン径を、温度２５℃にて測定した。その結果、セルロース含有製糖原料の平均粒径は５２μｍであった。 The cellulose-containing sugar raw material was taken out from the vibration mill, and the average particle size of the cellulose-containing sugar raw material was measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device “LA-920” (trade name, manufactured by Horiba, Ltd.). . The measurement conditions were ultrasonic treatment for 1 minute before particle size measurement, water was used as a dispersion medium during measurement, and the volume-based median diameter was measured at a temperature of 25 ° C. As a result, the average particle size of the cellulose-containing sugar raw material was 52 μm.
得られたセルロース含有製糖原料について、ジオキサン／水（９６／４ｖｏｌ％）溶媒を用いて抽出を行った。
ビーカーに、ジオキサン９６ｖｏｌ％及び水４ｖｏｌ％からなる溶媒を、セルロース含有製糖原料１ｇ当たり１０ｍＬ入れ、４０℃、１２０ｒｐｍで２４時間撹拌させて抽出を行った。抽出液を、遠心分離した後に上澄み液を回収した。ビーカー中の残留物に対し、１ｇ当たり１０ｍＬの溶媒を加え、４０℃、１２０ｒｐｍで４８時間撹拌させて抽出を行い、抽出液を遠心分離した後に上澄み液を回収した。回収した上澄み液をあわせて減圧留去し、それにより得られた抽出物を秤量した。抽出率は前記数式により計算した。ここで、セルロース含有製糖原料中のリグニン質量は、粉砕処理前に測定したリグニン質量と同じである。その結果、抽出物量は１８質量％であった。
The obtained cellulose-containing sugar raw material was extracted using a dioxane / water (96/4 vol%) solvent.
In a beaker, 10 mL of a solvent composed of 96 vol% dioxane and 4 vol% water was added per 1 g of the cellulose-containing sugar raw material, and extraction was performed by stirring at 40 ° C. and 120 rpm for 24 hours. The supernatant was recovered after the extract was centrifuged. To the residue in the beaker, 10 mL of a solvent was added per 1 g, and extraction was performed by stirring at 40 ° C. and 120 rpm for 48 hours. After the extract was centrifuged, the supernatant was recovered. The collected supernatants were combined and distilled under reduced pressure, and the resulting extract was weighed. The extraction rate was calculated by the above formula. Here, the lignin mass in the cellulose-containing sugar raw material is the same as the lignin mass measured before the pulverization treatment. As a result, the amount of the extract was 18% by mass.
（２）糖化反応
上記で調製したセルロース含有製糖原料を基質として使用し、セルラーゼ酵素標品（セルクラスト１．５Ｌ、商品名、ノボザイムズ社製）による糖化反応を行った。前記セルロース含有製糖原料０．１５ｇを３ｍＬの酵素反応液中、５０℃で振とう撹拌しながら７２時間の酵素反応を行った。酵素反応液は、１Ｍ酢酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ５．０）、１．５％（ｖ／ｖ）セルラーゼ（タンパク質０．２５％相当）とした。反応終了後、遠心分離によって沈殿物と上清液を分離し、上清液に遊離した還元糖量をＤＮＳ法によって定量（グルコース換算）し、糖化率を求めた。その結果、７２時間後の糖化率は７２％であった。
(2) Saccharification Reaction The saccharification reaction was carried out using a cellulase enzyme preparation (Cell Crust 1.5 L, trade name, manufactured by Novozymes) using the cellulose-containing sugar-producing raw material prepared above as a substrate. The cellulose-containing sugar raw material 0.15 g was subjected to an enzyme reaction for 72 hours in a 3 mL enzyme reaction solution with shaking and stirring at 50 ° C. The enzyme reaction solution was 1M sodium acetate buffer (pH 5.0), 1.5% (v / v) cellulase (corresponding to 0.25% protein). After completion of the reaction, the precipitate and the supernatant were separated by centrifugation, and the amount of reducing sugar released in the supernatant was quantified (converted to glucose) by the DNS method to determine the saccharification rate. As a result, the saccharification rate after 72 hours was 72%.
実施例２〜４
粉砕処理時間をそれぞれ１２、２４、４８時間としたこと以外は実施例１と同様にしてセルロース含有製糖原料を調製し、糖化反応を行った。
結果を表１に示す。
Examples 2-4
A cellulose-containing sugar raw material was prepared in the same manner as in Example 1 except that the pulverization time was 12, 24, and 48 hours, respectively, and a saccharification reaction was performed.
The results are shown in Table 1.
比較例１
粉砕処理を行わず、セルロース含有原料をそのまま用いたこと以外は実施例１と同様にして糖化反応を行った。
結果を表２に示す。
Comparative Example 1
The saccharification reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the pulverization treatment was not performed and the cellulose-containing raw material was used as it was.
The results are shown in Table 2.
比較例２
粉砕処理時間を０．５時間としたこと以外は実施例１と同様にしてセルロース含有製糖原料を調製し、糖化反応を行った。
結果を表２に示す。
Comparative Example 2
A cellulose-containing sugar raw material was prepared in the same manner as in Example 1 except that the pulverization time was 0.5 hour, and a saccharification reaction was performed.
The results are shown in Table 2.
比較例３
バッチ式振動ミル（中央化工機株式会社製「ＭＢ−１」、容器容積２．８Ｌ）を用い、前記振動ミルの容器内に、直径１０ｍｍのジルコニアボール１．８ｋｇを充填（充填率５３％）し、回転数１００ｒｐｍの条件で粉砕処理を行ったこと以外は実施例１と同様にしてセルロース含有製糖原料を調製し、糖化反応を行った。
結果を表２に示す。
Comparative Example 3
Using a batch type vibration mill (“MB-1” manufactured by Chuo Kako Co., Ltd., container volume: 2.8 L), the container of the vibration mill is filled with 1.8 kg of zirconia balls having a diameter of 10 mm (filling rate: 53%). Then, a cellulose-containing sugar raw material was prepared and subjected to a saccharification reaction in the same manner as in Example 1 except that the pulverization treatment was performed under the condition of a rotation speed of 100 rpm.
The results are shown in Table 2.
比較例４
セルロース含有原料である松チップ（水分含量：３．５質量％、リグニン含有量：２６質量％）について粉砕処理を行う前にアルカリ蒸解してリグニンを除去したこと及び粉砕処理時間を０．５時間としたこと以外は実施例１と同様にしてセルロース含有製糖原料を調製し、糖化反応を行った。
結果を表２に示す。
Comparative Example 4
Pine chips (water content: 3.5% by mass, lignin content: 26% by mass), which are cellulose-containing raw materials, were subjected to alkali digestion before pulverization, and the pulverization time was 0.5 hours. A cellulose-containing sugar raw material was prepared in the same manner as in Example 1 except that the saccharification reaction was performed.
The results are shown in Table 2.
表１及び２から明らかなように、セルロースに密着しているリグニンをセルロースから物理的に剥離し、全体のリグニンのわずか１５％以上剥離させることで、セルロース含有原料の構造の破壊を促し、酵素反応をより促進させることができるという、意外性に富んだ結果が得られた。
粉砕処理を行わなかった比較例１、粉砕時間が短い比較例２、及びボールミルを用いて粉砕処理を行った比較例３は、いずれもリグニンがセルロースから十分に剥離しなかったために糖化効率に劣るものであった。また、粉砕処理の前にアルカリ蒸解による脱リグニン処理を行った比較例４は、アルカリ蒸解処理に加えて、その後に原料を乾燥させる必要があったり、原料の乾燥を行わない場合には振動ミル内の壁面や底部にパルプが固着したりするため、処理工程が増え、コストが高く、生産性に劣るものであった。
これに対し、実施例１〜４はいずれも、セルロース含有原料中にリグニンが多量に存在していてもリグニンがセルロースから適度に剥離されているため、効率よく糖を製造できることがわかった。
As is apparent from Tables 1 and 2, the lignin that is in close contact with the cellulose is physically peeled from the cellulose, and only 15% or more of the whole lignin is peeled off, thereby promoting the destruction of the structure of the cellulose-containing raw material. A surprising result was obtained that the reaction could be further accelerated.
Comparative Example 1 in which the pulverization treatment was not performed, Comparative Example 2 in which the pulverization time was short, and Comparative Example 3 in which the pulverization treatment was performed using a ball mill were all inferior in saccharification efficiency because lignin was not sufficiently separated from cellulose. It was a thing. Further, in Comparative Example 4 in which delignification treatment by alkali cooking was performed before pulverization treatment, in addition to alkali cooking treatment, it was necessary to dry the raw material after that, or when the raw material was not dried, the vibration mill Since the pulp adheres to the inner wall surface and bottom, the number of processing steps is increased, the cost is high, and the productivity is inferior.
In contrast, in all of Examples 1 to 4, it was found that even when a large amount of lignin was present in the cellulose-containing raw material, the lignin was appropriately peeled from the cellulose, so that sugar can be produced efficiently.
本発明のセルロース含有製糖原料は、糖化の処理に使用されるセルラーゼやヘミセルラーゼとの反応性に優れ、糖を効率よく生産することができる。また、本発明のセルロース含有製糖原料を用いた糖の製造方法は、生産性に優れ、水蒸気蒸留や水熱処理等の工程を行うことなく、効率的に糖を製造することができる。得られた糖はエタノールや乳酸等の発酵生産等に有用である。 The cellulose-containing sugar-producing raw material of the present invention has excellent reactivity with cellulase and hemicellulase used for saccharification treatment, and can produce sugar efficiently. In addition, the method for producing sugar using the cellulose-containing sugar-producing raw material of the present invention is excellent in productivity, and can efficiently produce sugar without performing steps such as steam distillation or hydrothermal treatment. The obtained sugar is useful for production of fermentation such as ethanol and lactic acid.
Claims (7)
得られたセルロース含有製糖原料に、セルラーゼ及び／又はヘミセルラーゼを作用させて糖化する工程
を含む、糖の製造方法。 By pulverizing the cellulose-containing raw material with a vibration mill in which a rod having an outer diameter of 5 to 50 mm is filled at a filling rate of 15 to 95 vol% with respect to the container internal volume of the pulverizer, the lignin is contained by 10% by mass or more, and A step of preparing a cellulose-containing sugar raw material in which the amount of the extract when extracted using a dioxane / water (96/4 vol%) solvent is 15% by mass or more with respect to the lignin mass in the cellulose-containing sugar raw material, and obtained A method for producing sugar, comprising a step of saccharifying cellulose-containing sugar-producing raw material by causing cellulase and / or hemicellulase to act.
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|---|---|---|---|---|
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