JP2011010654A - Method for saccharification of biomass - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイオマスの糖化方法に関する。より詳しくは、工業的な製造設備によって行われるバイオマスの糖化に好適に用いられるバイオマスの糖化方法に関する。 The present invention relates to a biomass saccharification method. More specifically, the present invention relates to a biomass saccharification method suitably used for biomass saccharification performed by an industrial production facility.
単糖類を製造する方法の一つとして、木材等のバイオマス(リグノセルロース)を糖化することによって単糖類を製造する方法が知られている。糖化とは、バイオマスに存在する多糖類(セルロース、ヘミセルロース等)を構成単位の単糖類まで加水分解することであり、バイオマスの糖化によって得られる単糖類は、例えば、バイオエタノール等を製造するための発酵原料として利用される。リグノセルロースは、食料用途と競合しないため、単糖類の供給源として期待されている。
リグノセルロースを糖化する技術としては、化学法と酵素法があり、化学法においては酸触媒が用いられる。化学法には大きく分けて、濃厚な酸水溶液を用いて低温でセルロースを溶解し分解する濃酸法と、低濃度の酸水溶液を用いて高温高圧で分解する希酸法があり、いずれの方法においても硫酸を触媒として用いる方法が知られている。
As one of methods for producing monosaccharides, a method for producing monosaccharides by saccharifying biomass (lignocellulose) such as wood is known. Saccharification is the hydrolysis of polysaccharides (cellulose, hemicellulose, etc.) present in biomass to monosaccharides of structural units. Monosaccharides obtained by saccharification of biomass are, for example, for producing bioethanol and the like. Used as a fermentation raw material. Lignocellulose is expected as a source of monosaccharides because it does not compete with food applications.
As a technique for saccharifying lignocellulose, there are a chemical method and an enzymatic method, and an acid catalyst is used in the chemical method. Chemical methods can be broadly divided into a concentrated acid method that dissolves and decomposes cellulose at a low temperature using a concentrated acid aqueous solution, and a dilute acid method that decomposes at a high temperature and high pressure using a low concentration acid aqueous solution. A method using sulfuric acid as a catalyst is also known.
バイオマスを糖化して単糖類を製造する方法としては、バイオマスの1種であるセルロースをケイタングステン酸の存在下に加水分解してグルコースを得る方法(例えば、非特許文献1参照)や、擬溶融状態のクラスター酸触媒を用いて、セルロースを加水分解してグルコースを得る方法(例えば、特許文献1参照)が開示されている。 As a method for producing monosaccharides by saccharifying biomass, a method of obtaining glucose by hydrolyzing cellulose, which is a kind of biomass, in the presence of silicotungstic acid (see, for example, Non-Patent Document 1), pseudo-melting, etc. A method for hydrolyzing cellulose to obtain glucose using a cluster acid catalyst in a state (for example, see Patent Document 1) is disclosed.
上述のように、ケイタングステン酸やクラスター酸触媒を用いて、セルロースを加水分解しグルコースを製造する方法が検討されているが、これらの方法には、以下のような課題があった。すなわち、非特許文献1の方法では、濃度50質量%以下のケイタングステン酸水溶液(水に対するヘテロポリ酸の割合としては100質量%以下)を用いてセルロースの加水分解を行っているが、触媒の反応効率が低いために反応時間が非常に長くなってしまったり、あるいは、過分解が起こるために高い単糖収率が得られないという課題があった。また、特許文献1の方法では、ケギン型リンタングステン酸(アニオンの価数が3価のヘテロポリ酸)を用いてセルロースの加水分解を行っているが、常温で固体状の触媒を加熱して用いるために流通や工業的な使用において扱いにくかったり、あるいは、極めて高い触媒濃度が必要であるといった課題があった。このように、多糖類を加水分解して単糖類を生産する工業的な生産に好適に用いることができる触媒とするための工夫の余地があった。 As described above, methods for producing cellulose by hydrolyzing cellulose using silicotungstic acid or a cluster acid catalyst have been studied. However, these methods have the following problems. That is, in the method of Non-Patent Document 1, cellulose is hydrolyzed using a silicotungstic acid aqueous solution having a concentration of 50% by mass or less (the ratio of the heteropolyacid to water is 100% by mass or less). There is a problem that the reaction time becomes very long due to low efficiency, or high monosaccharide yield cannot be obtained due to excessive decomposition. Further, in the method of Patent Document 1, cellulose is hydrolyzed using Keggin-type phosphotungstic acid (a heteropolyacid whose anion valence is trivalent). However, a solid catalyst is heated and used at room temperature. Therefore, there is a problem that it is difficult to handle in distribution and industrial use, or that an extremely high catalyst concentration is required. Thus, there was room for a device to be a catalyst that can be suitably used for industrial production in which a polysaccharide is hydrolyzed to produce a monosaccharide.
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、反応効率及び生成物の収率が高く、バイオマスからの単糖類の工業的な生産に適した単糖類の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and has an object to provide a method for producing monosaccharides, which has high reaction efficiency and product yield, and is suitable for industrial production of monosaccharides from biomass. And
本発明者等は、バイオマスを糖化することによって単糖類を製造する場合において、糖化を高効率で行うことができて単糖類の収率も高く、また、工業的な生産に適した単糖類の製造方法について種々検討し、触媒として用いるヘテロポリ酸の濃度及び種類に着目した。そこで、反応系中に存在する水に対するヘテロポリ酸の割合が150質量%以上となるよう調製し、更に、ヘテロポリ酸としてアニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸を用いることとすると、多糖類を高効率で短時間に加水分解することができることを見出した。また、酸を触媒として多糖類の加水分解反応を行って単糖類を生成させると、加水分解によって生成した単糖類が更に過分解されて分解物が生成し、これが単糖類の収率を低下させる原因となるが、このような特定のヘテロポリ酸を特定の濃度に調整して加水分解に用いると、過分解物が生成することも抑制することができ、その結果、多糖類から高効率に高い収率で単糖類を製造することができることを見出した。このようにバイオマスを糖化するための触媒として特定のヘテロポリ酸を特定の濃度で用いることによって、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。 In the case of producing monosaccharides by saccharifying biomass, the present inventors can carry out saccharification with high efficiency, have a high yield of monosaccharides, and are suitable for monosaccharides suitable for industrial production. Various production methods were examined, and the concentration and type of heteropolyacid used as a catalyst were noted. Therefore, when the ratio of the heteropolyacid to the water present in the reaction system is adjusted to 150% by mass or more, and the heteropolyacid having a valence of anion of 4 or more is used as the heteropolyacid, a polysaccharide is obtained. It has been found that hydrolysis can be performed in a short time with high efficiency. In addition, when a polysaccharide is hydrolyzed using an acid as a catalyst to produce a monosaccharide, the monosaccharide produced by hydrolysis is further excessively decomposed to produce a decomposition product, which reduces the yield of the monosaccharide. Although it is a cause, when such a specific heteropolyacid is adjusted to a specific concentration and used for hydrolysis, the formation of a hyperdegradation product can also be suppressed, and as a result, it is highly efficient from polysaccharides. It was found that monosaccharides can be produced in a yield. Thus, the inventors have conceived that the above problem can be solved by using a specific heteropolyacid at a specific concentration as a catalyst for saccharifying biomass, and the present invention has been achieved.
すなわち本発明は、多糖類を加水分解して単糖類を製造する方法であって、上記製造方法は、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸と水とを含み、反応系中に存在する水に対する、上記ヘテロポリ酸の割合が150質量%以上となるようにした反応系中で加水分解する工程を含む単糖類の製造方法である。
以下に本発明を詳述する。
That is, the present invention is a method for producing a monosaccharide by hydrolyzing a polysaccharide, wherein the production method includes a heteropolyacid having an anion valence of 4 or more and water, and is present in the reaction system. It is a method for producing monosaccharides comprising a step of hydrolysis in a reaction system in which the ratio of the heteropolyacid to water is 150% by mass or more.
The present invention is described in detail below.
本発明において反応原料として用いる多糖類とは、バイオマス由来のものであり、単糖類が重合して形成される糖類であれば特に限定されない。具体的には、セルロース、ヘミセルロース、及び、デンプンを含むものであることが好ましく、セルロース及びヘミセルロースを含むものがより好ましく、セルロースを含むものが更に好ましい。セルロースは、強固な分子内及び分子間水素結合により結晶領域を有しており、バイオマスに含まれるその他の多糖類に比べ、酸加水分解を行うことが難しい。本発明の単糖類の製造方法は、そのような加水分解しにくいセルロースを反応原料として用いた場合に、特に顕著な効果を発揮する。すなわち本発明の方法では、セルロースの強固な結晶構造を容易に破壊し、構成単位の単糖類まで効率良く分解することが出来る。
上記多糖類の由来としては、植物由来、微生物由来のものが好ましい。具体的には、トウモロコシ(軸、穂)、サトウキビ(バガス)、パーム(空果房、幹、葉)稲、麦(藁)、スウィッチグラス(穂)、建築廃材等の植物由来リグノセルロース、及び、藻類等の微生物由来セルロースを使用することが好ましい。セルロース等の多糖類は、リグニンや塩類等の不純物を取り除き、精製してから用いても良く、精製せずにそのまま使用することもできる。
The polysaccharide used as a reaction raw material in the present invention is not particularly limited as long as it is derived from biomass and is a saccharide formed by polymerizing monosaccharides. Specifically, it preferably contains cellulose, hemicellulose, and starch, more preferably contains cellulose and hemicellulose, and more preferably contains cellulose. Cellulose has a crystalline region due to strong intramolecular and intermolecular hydrogen bonding, and it is difficult to perform acid hydrolysis compared to other polysaccharides contained in biomass. The method for producing a monosaccharide of the present invention exhibits a particularly remarkable effect when such a hydrolysis-resistant cellulose is used as a reaction raw material. That is, according to the method of the present invention, the strong crystal structure of cellulose can be easily broken down to efficiently decompose monosaccharides as structural units.
As the origin of the polysaccharide, those derived from plants and microorganisms are preferable. Specifically, plant-derived lignocellulose such as corn (shaft, panicle), sugarcane (bagasse), palm (empty fruit bunch, stem, leaf) rice, wheat (rice bran), switchgrass (ear), building waste, and It is preferable to use microorganism-derived cellulose such as algae. Polysaccharides such as cellulose may be used after removing impurities such as lignin and salts and purified, or can be used as they are without purification.
本発明における目的生成物の単糖類とは、上記原料の多糖類を構成単位の単糖類まで加水分解して得られるものであれば特に限定されないが、具体的にはグルコース、キシロース、マンノース、ガラクトース、アラビノース、リキソース、フルクトースなどが好ましく、より好ましくはグルコース、キシロース、マンノース、ガラクトース、アラビノースであり、更に好ましくはグルコース、キシロースである。 The monosaccharide of the target product in the present invention is not particularly limited as long as it is obtained by hydrolyzing the raw material polysaccharide to the monosaccharide of the structural unit. Specifically, glucose, xylose, mannose, galactose , Arabinose, lyxose, fructose, and the like are preferable, glucose, xylose, mannose, galactose, and arabinose are more preferable, and glucose and xylose are more preferable.
本発明の単糖類の製造方法は、反応系中に存在する水に対する、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸の割合が150質量%以上となるようにした反応系中で加水分解する工程を含んでなるものである。
本発明者等は、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸が、3価のヘテロポリ酸よりも高い反応効率でセルロースを加水分解することを発見し、上述したような特許文献1における課題が、4価以上のヘテロポリ酸を使用することで解決可能となることを見出した。更に触媒濃度(反応系中に存在する水に対するヘテロポリ酸の割合)を150質量%以上とすることによって、加水分解反応を効率良く、かつ、過分解を起こさずに収率良く進めることができることを発見し、上述したような非特許文献1における課題が解決可能であることを見出した。
本発明において反応系中に存在する水の量とは、ヘテロポリ酸に配位する結晶水、反応原料であるバイオマスに由来する水、及び、ヘテロポリ酸と混合するために添加される水の総量を意味する。
The method for producing monosaccharides of the present invention is a step of hydrolyzing in a reaction system in which the ratio of a heteropolyacid having an anion valence of 4 or more to water present in the reaction system is 150% by mass or more. Is included.
The present inventors have discovered that a heteropolyacid having an valence of an anion of 4 or more hydrolyzes cellulose with a higher reaction efficiency than a trivalent heteropolyacid, and the problems in Patent Document 1 as described above are present. It has been found that the use of a tetravalent or higher valent heteropolyacid can solve the problem. Furthermore, by setting the catalyst concentration (ratio of heteropolyacid to water present in the reaction system) to 150% by mass or more, the hydrolysis reaction can be carried out efficiently and with good yield without causing excessive decomposition. It discovered and it discovered that the subject in the nonpatent literature 1 as mentioned above could be solved.
In the present invention, the amount of water present in the reaction system means the total amount of water added for mixing with the crystallization water coordinated to the heteropolyacid, the water derived from the biomass as the reaction raw material, and the heteropolyacid. means.
本発明の単糖類の製造方法において、反応系中に存在する水に対する、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸の割合は、150質量%以上である。反応系中に存在する水に対してアニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸の割合を150質量%以上とすることにより、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸が高濃度な反応系となり、そのような反応系において多糖類を加水分解することで、反応時間を短縮し、多糖類の反応率を高めて効率的に加水分解を行うことが可能となる。反応系中に存在する水に対する、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸の割合は、200質量%以上であることが好ましい。より好ましくは、250質量%以上である。また、400質量%以下であることが好ましい。 In the method for producing monosaccharides of the present invention, the ratio of the heteropolyacid having an anion valence of 4 or more to water present in the reaction system is 150% by mass or more. A reaction system in which a heteropoly acid having a valence of 4 or more is high in concentration by setting the ratio of a heteropoly acid having a valence of 4 or more to 150% by mass or more with respect to water present in the reaction Thus, by hydrolyzing the polysaccharide in such a reaction system, it is possible to shorten the reaction time, increase the reaction rate of the polysaccharide, and perform the hydrolysis efficiently. The ratio of the heteropolyacid having a valence of 4 or more to the water present in the reaction system is preferably 200% by mass or more. More preferably, it is 250 mass% or more. Moreover, it is preferable that it is 400 mass% or less.
本発明の単糖類の製造方法において、バイオマスの糖化反応に用いる触媒は、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸である。該ヘテロポリ酸を高濃度に調整した反応系において多糖類の加水分解反応を行った場合に、反応時間を短縮し、多糖類の反応率を高めて高効率な反応を実現することができる。 In the method for producing monosaccharides of the present invention, the catalyst used for biomass saccharification reaction is a heteropolyacid having an anion valence of 4 or more. When a polysaccharide hydrolysis reaction is performed in a reaction system in which the heteropolyacid is adjusted to a high concentration, the reaction time can be shortened and the reaction rate of the polysaccharide can be increased to achieve a highly efficient reaction.
上記アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸としては、アニオンの価数が4価以上であれば、該ヘテロポリ酸のイソポリ酸骨格を構成する金属原子及びヘテロ原子の元素種は、特に制限されないが、イソポリ酸骨格を構成する金属原子は、周期律表の第4〜第6族に属する元素を含むことが好ましい。より好ましくは、タングステン、モリブデン及びバナジウムからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むことである。更に好ましくは、タングステンを含むことである。また、ヘテロ原子は、周期律表の第9族及び第13〜第15族に属する元素を含むことが好ましい。より好ましくは、コバルト、ホウ素、ケイ素、リン、アルミニウム及びガリウムからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むことである。更に好ましくは、コバルト、ホウ素、ケイ素、アルミニウム又はガリウムを含むことである。
上記アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸として具体的には、ケギン型のケイタングステン酸、ホウタングステン酸、コバルトタングステン酸、アルミノタングステン酸、ガリウムタングステン酸、ケイモリブデン酸、ホウモリブデン酸、コバルトモリブデン酸、ケイバナドタングステン酸、ホウバナドタングステン酸、コバルトバナドタングステン酸、ケイバナドモリブデン酸、ホウバナドモリブデン酸、コバルトバナドモリブデン酸、及び、ドーソン型のリンタングステン酸が挙げられる。この中で好ましくは、タングステンを含むものであり、具体的には、ケギン型のケイタングステン酸、ホウタングステン酸、コバルトタングステン酸、アルミノタングステン酸、ガリウムタングステン酸、ケイバナドタングステン酸、ホウバナドタングステン酸、コバルトバナドタングステン酸、及び、ドーソン型のリンタングステン酸である。
なお、本発明の単糖類の製造方法において用いられる触媒は、上記アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸を1種類含んでいてもよく、2種以上含んでいてもよい。また、上記アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸を少なくとも1種類含んでいる限り、その他の触媒を含んでいてもよい。
The heteropolyacid having a valence of 4 or more is not particularly limited as long as the valence of the anion is 4 or more, and the metal atom and the heteroatom element species constituting the isopolyacid skeleton of the heteropolyacid are not limited. However, the metal atom constituting the isopolyacid skeleton preferably includes an element belonging to Groups 4 to 6 of the periodic table. More preferably, it contains at least one element selected from the group consisting of tungsten, molybdenum and vanadium. More preferably, it contains tungsten. Moreover, it is preferable that a hetero atom contains the element which belongs to the 9th group and the 13th-15th group of a periodic table. More preferably, it contains at least one element selected from the group consisting of cobalt, boron, silicon, phosphorus, aluminum and gallium. More preferably, it contains cobalt, boron, silicon, aluminum or gallium.
Specific examples of heteropolyacids having a valence of 4 or more are the Keggin type silicotungstic acid, borotungstic acid, cobalt tungstic acid, aluminotungstic acid, gallium tungstic acid, silicomolybdic acid, boromolybdic acid, cobalt Examples thereof include molybdic acid, silicotanadotungstic acid, borovanadotungstic acid, cobalt vanadotungstic acid, caivanadomolybdic acid, borovanadomolybdic acid, cobalt vanadomolybdic acid, and Dawson type phosphotungstic acid. Among these, tungsten is preferably contained, and specifically, Keggin type silicotungstic acid, borotungstic acid, cobalt tungstic acid, aluminotungstic acid, gallium tungstic acid, caivanadotungstic acid, borovanadotungstic acid Cobalt vanad tungstic acid and Dawson type phosphotungstic acid.
In addition, the catalyst used in the method for producing monosaccharides of the present invention may contain one kind of heteropolyacid having a valence of 4 or more, and may contain 2 or more kinds. Moreover, as long as at least 1 type of the heteropoly acid whose valence of the said anion is 4 or more is included, the other catalyst may be included.
上記アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸は、H5BW12O40(ケギン型ホウタングステン酸)、H4SiW12O40(ケギン型ケイタングステン酸)、H6CoW12O40(ケギン型コバルトタングステン酸)、H5AlW12O40(ケギン型アルミノタングステン酸)、H5GaW12O40(ケギン型ガリウムタングステン酸)及びH6P2W18O62(ドーソン型リンタングステン酸)からなる群より選択される少なくとも1種のヘテロポリ酸を含むことが特に好ましい。
H5BW12O40、H4SiW12O40、H6CoW12O40、H5AlW12O40、H5GaW12O40、H6P2W18O62のいずれかの化合物を含むヘテロポリ酸を高濃度に調整した反応系において、多糖類の加水分解を行うことで、バイオマスの糖化反応を更に効率的に行うことが可能となる。これらの中でも、触媒性能の高さや取り扱いのしやすさの点からH5BW12O40及びH4SiW12O40、H5AlW12O40、H5GaW12O40が最も好ましい。
Heteropolyacids having an valence of 4 or more are H 5 BW 12 O 40 (Keggin-type borotungstic acid), H 4 SiW 12 O 40 (Keggin-type silicotungstic acid), H 6 CoW 12 O 40 (Kegin) type cobalt tungstate), from H 5 AlW 12 O 40 (Keggin type aluminosilicate tungstic acid), H 5 GaW 12 O 40 ( Keggin type gallium tungstic acid) and H 6 P 2 W 18 O 62 ( Dawson-type phosphotungstic acid) It is particularly preferred to include at least one heteropolyacid selected from the group consisting of
Including any compound of H 5 BW 12 O 40 , H 4 SiW 12 O 40 , H 6 CoW 12 O 40 , H 5 AlW 12 O 40 , H 5 GaW 12 O 40 , and H 6 P 2 W 18 O 62 In the reaction system in which the heteropolyacid is adjusted to a high concentration, the hydrolysis of the polysaccharide can be performed to more efficiently carry out the saccharification reaction of the biomass. Among these, H 5 BW 12 O 40, H 4 SiW 12 O 40 , H 5 AlW 12 O 40 , and H 5 GaW 12 O 40 are most preferable from the viewpoint of high catalyst performance and ease of handling.
上記アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸の製造方法としては、調製する際の触媒調製溶媒やpH、調製温度は、イソポリ酸骨格を構成する金属原子やヘテロ原子の種類等により適宜設定することができるが、pHを0.5〜12の間に設定した水溶媒又は水含有有機溶媒を使用し、0〜95℃で調製を行うことが好ましい。 As a method for producing a heteropolyacid having a valence of 4 or more, the catalyst preparation solvent, pH, and preparation temperature in the preparation are appropriately set depending on the type of metal atom or heteroatom constituting the isopolyacid skeleton. However, it is preferable to carry out the preparation at 0 to 95 ° C. using an aqueous solvent or an organic solvent containing water whose pH is set between 0.5 and 12.
本発明の単糖類の製造方法における加水分解工程としては、特に制限されず、多糖類と、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸と水とを反応系中に存在する水に対してアニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸の割合が150質量%以上となるように混合し、加水分解反応を行う形態、多糖類と、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸とをまず混合し、その後に、反応系中に存在する水に対してアニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸の割合が150質量%以上となるように水を添加して加水分解反応を行う形態、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸と水とを、反応系中に存在する水に対してアニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸の割合が150質量%以上となるようにまず混合し、その後に多糖類を添加して加水分解反応を行う形態、多糖類と水とをまず混合して懸濁溶液を調製し、該懸濁溶液に反応系中に存在する水に対してアニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸の割合が150質量%以上となるように該ヘテロポリ酸を添加して加水分解反応を行う形態等が挙げられる。
また、本発明の単糖類の製造方法は、このような加水分解工程を含む限り、その他の工程を含んでいてもよい。
The hydrolysis step in the method for producing monosaccharides of the present invention is not particularly limited, and the polysaccharide, the heteropolyacid having an anion valence of 4 or more, and water are mixed with an anion with respect to the water present in the reaction system. First, the form of performing the hydrolysis reaction and mixing the polysaccharide with the heteropolyacid having a valence of 4 or more and the heteropolyacid having a valence of 4 or more are first mixed. Thereafter, the hydrolysis is performed by adding water so that the ratio of the heteropolyacid having a valence of 4 or more to the water existing in the reaction system is 150% by mass or more, an anion First, the heteropolyacid having a valence of 4 or more and water are mixed so that the ratio of the heteropolyacid having a valence of anion of 4 or more to the water present in the reaction system is 150% by mass or more. Then add polysaccharides and hydrolyze First, a suspension solution is prepared by mixing polysaccharide and water, and the proportion of the heteropolyacid having an anion valence of 4 or more with respect to the water present in the reaction system in the suspension solution The form etc. which add this heteropolyacid and hydrolyze it so that it may become 150 mass% or more are mentioned.
Moreover, the manufacturing method of the monosaccharide of this invention may include the other process, as long as such a hydrolysis process is included.
上記加水分解工程の形態としては、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸と水とを、反応系中に存在する水に対してアニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸の割合が150質量%以上となるようにまず混合し、その後に多糖類を添加して加水分解反応を行う形態が好ましい。更には、本発明の単糖類の製造方法は、水に対するヘテロポリ酸の割合が150質量%以上である、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸の水溶液を用いて加水分解する工程を含むことがより好ましい。多糖類を加水分解する工程をこのような形態とした場合には、通常、常温で固体のヘテロポリ酸を液体(水溶液)として取り扱うことができることから、反応操作が容易になるという利点がある。また、原料の多糖類は一般的に固体であるため、ヘテロポリ酸を水溶液とすることで、多糖類と常温でも速やかに混合することができ、また、反応を進行させることができる。以上のように、常温で液体状のヘテロポリ酸水溶液を用いることは、本発明の好適な実施形態の1つである。ヘテロポリ酸は、その種類によって結晶水として配位することのできる水分子の量は異なるので、ヘテロポリ酸の種類に応じて、結晶水として配位することのできる以上の水が反応系中に存在するように調整することで、25℃において溶液状態とすることができる。すなわち、常温で液体状である、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸の水溶液は、ヘテロポリ酸の結晶水量を超える量の水を含むものである。
そして更に、該ヘテロポリ酸水溶液は、反応温度において、完全に溶融していると評価できる液体状態であることが好ましい。言い換えると、反応温度において、液中に分散しているコロイドに近い状態又はコロイド状態となるものではないことが好ましい。
As a form of the hydrolysis step, a heteropolyacid having an anion valence of 4 or more and water, and a ratio of the heteropolyacid having an anion valence of 4 or more to water existing in the reaction system is 150. The form which mixes first so that it may become mass% or more, and then adds a polysaccharide and performs a hydrolysis reaction is preferable. Furthermore, the method for producing a monosaccharide of the present invention includes a step of hydrolyzing using an aqueous solution of a heteropolyacid having a valence of 4 or more of anions, wherein the ratio of the heteropolyacid to water is 150% by mass or more. Is more preferable. When the step of hydrolyzing the polysaccharide is in such a form, there is an advantage that the reaction operation is facilitated because the heteropolyacid that is solid at room temperature can usually be handled as a liquid (aqueous solution). Moreover, since the raw material polysaccharide is generally solid, by making the heteropolyacid into an aqueous solution, it can be rapidly mixed with the polysaccharide even at room temperature, and the reaction can proceed. As described above, the use of a heteropolyacid aqueous solution that is liquid at room temperature is one of the preferred embodiments of the present invention. Depending on the type of heteropolyacid, the amount of water molecules that can be coordinated as crystal water varies, so there is more water in the reaction system than can be coordinated as crystal water depending on the type of heteropolyacid. By adjusting so, it can be set as a solution state at 25 degreeC. That is, an aqueous solution of a heteropolyacid having a valence of 4 or more, which is liquid at normal temperature, contains water in an amount exceeding the amount of crystal water of the heteropolyacid.
Furthermore, the aqueous heteropolyacid solution is preferably in a liquid state that can be evaluated as being completely melted at the reaction temperature. In other words, it is preferable that the reaction temperature is not close to or colloidal with the colloid dispersed in the liquid.
上記加水分解工程における反応温度は、20〜90℃であることが好ましい。反応温度が20℃より低い場合には、反応速度が極端に低下し、充分に高い単糖類収率が得られないおそれがある。一方、反応温度が90℃より高い場合には、反応は短時間となるが、加水分解反応によって得られた単糖類の過分解の発生が多くなり、過分解物の生成により単糖類の収率が低下してしまうおそれがある。本発明における加水分解反応温度としては、より好ましくは、30〜80℃であり、更に好ましくは、40〜70℃である。 The reaction temperature in the hydrolysis step is preferably 20 to 90 ° C. When the reaction temperature is lower than 20 ° C., the reaction rate is extremely reduced, and there is a possibility that a sufficiently high monosaccharide yield cannot be obtained. On the other hand, when the reaction temperature is higher than 90 ° C., the reaction takes a short time, but the occurrence of overdecomposition of monosaccharides obtained by the hydrolysis reaction increases, and the yield of monosaccharides is increased due to the formation of overdecomposition products. May decrease. As hydrolysis reaction temperature in this invention, More preferably, it is 30-80 degreeC, More preferably, it is 40-70 degreeC.
上記加水分解工程における反応時間は、0.1〜200時間であることが好ましい。反応時間が0.1時間より短い場合には、加水分解反応が完了しきれず、単糖類の収率が低くなる恐れがある。一方、反応時間が200時間より長い場合には、加水分解反応によって得られた単糖類を長時間反応系内に置くこととなるために、単糖類の過分解が起こってしまう可能性が生じ、過分解物の生成により単糖類の収率が低下してしまう恐れがある。本発明における加水分解反応時間としては、より好ましくは、0.5〜100時間であり、特に好ましくは、1〜50時間である。 The reaction time in the hydrolysis step is preferably 0.1 to 200 hours. When the reaction time is shorter than 0.1 hour, the hydrolysis reaction cannot be completed and the yield of monosaccharides may be lowered. On the other hand, if the reaction time is longer than 200 hours, the monosaccharide obtained by the hydrolysis reaction will be placed in the reaction system for a long time, so that the monosaccharide may be excessively decomposed, There is a risk that the yield of monosaccharides may be reduced due to the formation of overdegraded products. The hydrolysis reaction time in the present invention is more preferably 0.5 to 100 hours, and particularly preferably 1 to 50 hours.
上記加水分解工程により生成する生成物の収率としては、生成する単糖類の合計の収率が40%以上であることが好ましい。収率が40%以上である場合には、加水分解反応が充分に進んでいるということができる。より好ましくは60%以上であり、更に好ましくは、80%以上である。
加水分解工程により生成する生成物の収率は、例えば、高速液体クロマトグラフィーを用いて、以下の測定条件によって、定量分析することにより求めることができる。なお、本発明における単糖類の収率は炭素基準の収率(モル%)である。
測定条件:
カラム Shodex KC−811(昭和電工社製)
カラム温度 50℃
移動相 水
移動相流量 1ml/min
検出器 RID
As the yield of the product produced by the hydrolysis step, the total yield of the monosaccharides produced is preferably 40% or more. When the yield is 40% or more, it can be said that the hydrolysis reaction is sufficiently advanced. More preferably, it is 60% or more, More preferably, it is 80% or more.
The yield of the product produced | generated by a hydrolysis process can be calculated | required by performing a quantitative analysis on the following measurement conditions, for example using a high performance liquid chromatography. In addition, the yield of the monosaccharide in this invention is a carbon reference | standard yield (mol%).
Measurement condition:
Column Shodex KC-811 (manufactured by Showa Denko)
Column temperature 50 ° C
Mobile phase Water mobile phase flow rate 1ml / min
Detector RID
上記加水分解工程においては、上述の通り、加水分解反応時間を長くしたり、加水分解反応温度を高くしたりした時に、生成する単糖類が過分解される場合がある。単糖類の過分解が起こってしまうと、それだけ単糖類の収率が低くなってしまうため、本発明の単糖類の製造方法においては、過分解が起こらないように加水分解の反応条件を設定することが望ましい。本発明の単糖類の製造方法において、加水分解工程により生成する過分解物の量は、生成物の単糖類に対して、10モル%以下であることが好ましい。より好ましくは、5モル%以下であり、更に好ましくは、2モル%以下である。過分解により生成する化合物としては、例えば、レブリン酸、ギ酸、ヒドロキシメチルフルフラール、フルフラールなどが挙げられる。
加水分解工程により生成する過分解物の量は、例えば、検出器にUV(214nm)を用いる以外は、上記と同様の高速液体クロマトグラフィーを用いて、定量分析することにより求めることができる。
In the hydrolysis step, as described above, when the hydrolysis reaction time is lengthened or the hydrolysis reaction temperature is increased, the produced monosaccharide may be excessively decomposed. If the monosaccharide is excessively decomposed, the yield of the monosaccharide is reduced accordingly. Therefore, in the method for producing the monosaccharide of the present invention, the reaction conditions for hydrolysis are set so that the excessive decomposition does not occur. It is desirable. In the method for producing monosaccharides of the present invention, the amount of the hyperdegradation product produced by the hydrolysis step is preferably 10 mol% or less with respect to the monosaccharides of the product. More preferably, it is 5 mol% or less, More preferably, it is 2 mol% or less. Examples of the compound produced by overdegradation include levulinic acid, formic acid, hydroxymethylfurfural, furfural and the like.
The amount of the excessively decomposed product generated by the hydrolysis step can be determined by quantitative analysis using the same high performance liquid chromatography as described above except that UV (214 nm) is used for the detector.
上記加水分解工程に供される多糖類の量は、反応系中に存在するヘテロポリ酸100質量%に対して0.1〜100質量%であることが好ましい。本発明の単糖類の製造方法では、多糖類の量を多くした場合であっても、高い収率で単糖類を得ることができるため、このような幅広い範囲で多糖類の使用量を設定することができる。特に、使用される多糖類の量が多い場合、加水分解して得られる単糖類の量と収率とをともに高くし、効率的に単糖類を製造することができる。より好ましくは、0.5〜50質量%であり、更に好ましくは、1〜30質量%である。 It is preferable that the quantity of the polysaccharide provided to the said hydrolysis process is 0.1-100 mass% with respect to 100 mass% of heteropoly acids which exist in a reaction system. In the method for producing a monosaccharide according to the present invention, even if the amount of polysaccharide is increased, the monosaccharide can be obtained in a high yield. Therefore, the amount of polysaccharide used is set within such a wide range. be able to. In particular, when the amount of polysaccharide used is large, both the amount and yield of the monosaccharide obtained by hydrolysis can be increased, and the monosaccharide can be produced efficiently. More preferably, it is 0.5-50 mass%, More preferably, it is 1-30 mass%.
上記加水分解工程の後に残る残渣の量は、原料多糖類に対して、60%以下であることが好ましい。加水分解工程の後に残る残渣の量が、60%以下であった場合には、加水分解反応が充分に進んでいるということができる。より好ましくは、40%以下であり、更に好ましくは、20%以下である。 The amount of the residue remaining after the hydrolysis step is preferably 60% or less with respect to the raw material polysaccharide. If the amount of residue remaining after the hydrolysis step is 60% or less, it can be said that the hydrolysis reaction has sufficiently proceeded. More preferably, it is 40% or less, More preferably, it is 20% or less.
本発明の単糖類の製造方法は、マーセル化処理、ミル粉砕処理及びアセトンミル粉砕処理のうち少なくとも1つの処理を多糖類に施す工程を行った後に加水分解工程を行うものであることが好ましい。
マーセル化処理とは、多糖類をアルカリで処理することである。アルカリとしては、水酸化ナトリウム、アンモニア等を用いることができ、水酸化ナトリウムを用いることが好ましい。
ミル粉砕処理とは、多糖類に粉砕機による粉砕処理を施すことである。粉砕機としては、ボールミル、ディスクミル、カッターミル、ハンマーミル、ローラーミル等を用いることができ、ボールミル、ディスクミルを使用することが好ましい。
アセトンミル粉砕処理とは、多糖類にアセトンを溶媒として加えた状態で、上記ミル粉砕処理を施すことである。
マーセル化処理、ミル粉砕処理、アセトンミル粉砕処理のいずれかの処理を多糖類に施すことにより、多糖類の分子内及び分子間構造が化学的に又は物理的に壊される。例えば、セルロースのように多糖類が結晶構造を有している場合には、上記処理によって、結晶構造を壊し、結晶化度を下げることが可能となる。結晶構造等の多糖類の分子内及び分子間構造を壊した後に、加水分解反応を行うことで、反応がより効率的に行われることとなる。これらの処理は、いずれの場合においても、1回だけ行ってもよく、複数回行ってもよい。
It is preferable that the manufacturing method of the monosaccharide of this invention performs a hydrolysis process, after performing the process which performs at least 1 process among a mercerization process, a mill grinding process, and an acetone mill grinding process.
A mercerization process is processing a polysaccharide with an alkali. As the alkali, sodium hydroxide, ammonia or the like can be used, and sodium hydroxide is preferably used.
The mill pulverization process is a process of pulverizing polysaccharides with a pulverizer. As the pulverizer, a ball mill, a disk mill, a cutter mill, a hammer mill, a roller mill or the like can be used, and a ball mill or a disk mill is preferably used.
Acetone mill pulverization is to perform the above-mentioned mill pulverization in a state where acetone is added as a solvent to a polysaccharide.
By applying any one of mercerization, mill grinding, and acetone mill grinding to the polysaccharide, the intramolecular and intermolecular structures of the polysaccharide are chemically or physically destroyed. For example, when the polysaccharide has a crystal structure, such as cellulose, the above-described treatment can break the crystal structure and reduce the crystallinity. By destroying the intramolecular and intermolecular structures of the polysaccharide such as the crystal structure, the hydrolysis reaction is performed, whereby the reaction is performed more efficiently. In any case, these processes may be performed once or a plurality of times.
上記マーセル化処理、ミル粉砕処理及びアセトンミル粉砕処理は1種類だけを用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよいが、2種以上を組み合わせて行うことが好ましい。2種以上を組み合わせて行うことで、多糖類の分子内及び分子間構造をより充分に壊すことができ、加水分解反応の効率をより高めることができる。
上記処理を2種組み合わせて行う場合、その組み合わせは特に制限されないが、マーセル処理と、ミル粉砕処理又はアセトンミル粉砕処理のいずれかとを組み合わせることが好ましい。また、この場合、マーセル化処理の後、ミル粉砕処理又はアセトンミル粉砕処理を行うことがより好ましい。更に好ましくは、マーセル化処理の後、アセトンミル粉砕処理を行うことである。
The mercerization process, the mill pulverization process and the acetone mill pulverization process may be used alone or in combination of two or more, but preferably in combination of two or more. By carrying out combining 2 or more types, the intramolecular structure and intermolecular structure of a polysaccharide can be destroyed more fully, and the efficiency of a hydrolysis reaction can be improved more.
When the above treatment is performed in combination of two types, the combination is not particularly limited, but it is preferable to combine the mercerization treatment with either the mill grinding treatment or the acetone mill grinding treatment. In this case, it is more preferable to perform milling or acetone milling after the mercerization. More preferably, an acetone mill pulverization treatment is performed after the mercerization treatment.
上記マーセル化処理、ミル粉砕処理及びアセトンミル粉砕処理のうち少なくとも1つの処理を施す工程を行った後のセルロースの結晶化度は、60%以下であることが好ましい。結晶化度が60%以下のセルロースを加水分解工程に供した場合、加水分解反応の効率をより高めることが可能になる。加水分解工程に供するセルロースの結晶化度としては、より好ましくは、50%以下であり、更に好ましくは、40%以下である。 It is preferable that the crystallinity of the cellulose after performing the step of performing at least one of the mercerization treatment, the mill pulverization treatment, and the acetone mill pulverization treatment is 60% or less. When cellulose having a crystallinity of 60% or less is subjected to the hydrolysis step, the efficiency of the hydrolysis reaction can be further increased. As a crystallinity degree of the cellulose used for a hydrolysis process, More preferably, it is 50% or less, More preferably, it is 40% or less.
本発明の単糖類の製造方法は、上述の構成よりなり、反応効率が高く、また、加水分解で生成した単糖類の過分解を効果的に抑制することができることから、高い収率で生成物を得ることができ、バイオマスからの単糖類の工業的な生産に好適に用いることができる製造方法である。 The method for producing monosaccharides of the present invention has the above-described configuration, has high reaction efficiency, and can effectively suppress the excessive decomposition of monosaccharides produced by hydrolysis. Is a production method that can be suitably used for industrial production of monosaccharides from biomass.
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は「重量部」を、「%」は「質量%」意味するものとする。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples. Unless otherwise specified, “part” means “part by weight” and “%” means “mass%”.
下記実施例及び比較例では、下記のようにして、測定を行った。
(1)セルロースの結晶化度
CP−MAS 13C−NMR(Cross−Polarization Magic−Angle−Spinning 13C Nuclear Magnetic Resonance)装置を用いて、セルロースの13C−NMR測定を行った。13C−NMRにおいては、セルロースの結晶領域にあるグルコースユニットのC−4位(以降、結晶C4と記載する。)と、非晶領域にあるグルコースユニットのC−4位(以降、非晶C4と記載する。)とでは、異なる化学シフトを持つ。すなわち、結晶C4は、86−92 ppmの化学シフトを持つのに対して、非晶C4は、79−86 ppmの化学シフトを持つ。これより、下記式を用いて、セルロースの結晶化度を求めた。
(セルロースの結晶化度(%))=
(結晶C4に由来するピークのピーク面積)/{(結晶C4に由来するピークのピーク面積)+(非晶C4に由来するピークのピーク面積)}×100
(2)炭素収率(CB)
炭素収率は、反応で生成する生成物(糖類及び副生成物全てを含む)及び反応残渣の炭素量の合計を、加水分解に供する原料多糖類の炭素量で除することにより算出した。
(3)酸触媒のプロトン濃度
酸触媒のプロトン濃度は、酸触媒の濃度及びプロトン価数から算出した。なお、酸触媒は、全解離しているものとして計算した。
(4)反応生成物の定量分析
定量分析は、高速液体クロマトグラフィーを用いて、グルコース、セロビオース、キシロースについて行った。
測定条件:
カラム Shodex KC−811(昭和電工社製)
カラム温度 50℃
移動相 水
移動相流量 1ml/min
検出器 RID
In the following examples and comparative examples, measurements were performed as follows.
(1) Crystallinity of cellulose 13 C-NMR measurement of cellulose was performed using a CP-MAS 13 C-NMR (Cross-Polarization Magic-Angle-Spinning 13 C Nuclear Magnetic Resonance) apparatus. In 13 C-NMR, the C-4 position of a glucose unit in the crystalline region of cellulose (hereinafter referred to as crystal C4) and the C-4 position of the glucose unit in the amorphous region (hereinafter referred to as amorphous C4). And have a different chemical shift. That is, crystal C4 has a chemical shift of 86-92 ppm, whereas amorphous C4 has a chemical shift of 79-86 ppm. From this, the crystallinity degree of the cellulose was calculated | required using the following formula.
(Crystallinity of cellulose (%)) =
(Peak area of peak derived from crystal C4) / {(Peak area of peak derived from crystal C4) + (Peak area of peak derived from amorphous C4)} × 100
(2) Carbon yield (CB)
The carbon yield was calculated by dividing the total amount of carbon of the product (including all saccharides and by-products) generated by the reaction and the carbon residue of the reaction residue by the amount of carbon of the raw polysaccharide used for hydrolysis.
(3) Proton concentration of acid catalyst The proton concentration of the acid catalyst was calculated from the concentration of the acid catalyst and the proton valence. The acid catalyst was calculated assuming that it was totally dissociated.
(4) Quantitative analysis of reaction products Quantitative analysis was performed on glucose, cellobiose and xylose using high performance liquid chromatography.
Measurement condition:
Column Shodex KC-811 (manufactured by Showa Denko)
Column temperature 50 ° C
Mobile phase Water mobile phase flow rate 1ml / min
Detector RID
(触媒調製例1)
H5BW12O40の調製
カリウム塩を調製した後、カチオン交換によりH5BW12O40を調製した。すなわち、ビーカーにNa2WO4・2H2Oを100g、H3BO3を150g、水を450mL加え、水浴で約70℃で加熱して溶液が300mL程度になるまで水を蒸発させた。溶液を氷浴し、析出したH3BO3を濾別した。濾液に70gのH3BO3を加え、水浴で約70℃で加熱し、液量が150mLになるまで濃縮した。さらに溶液を再度氷浴し、析出したH3BO3を濾別した。濾液に濃塩酸を10mL加え、氷浴中でH3BO3を完全に析出させた。続いて濾液に、塩化カリウム水溶液(濃度:10g/30mL)を30mL加えて15分攪拌し、生成した白色固体を濾別した。pH2に調整した硝酸水溶液に白色固体を溶解し、溶液を冷蔵庫に静置し再結晶を行った。白色の針状結晶を吸引乾燥し、K5BW12O40を収率10−30%(タングステンベース収率)で得た。
続いて、カリウム塩をカチオン交換により酸型に変換した。ビーカーにK5BW12O40を20.0g、水を70mL加え、45℃に加熱してK5BW12O40を溶解させた。分液漏斗に溶液を入れ、そこに100mLのジエチルエーテルを加えた。分液漏斗を攪拌しつつ、濃硫酸を45mL程度加えた。すると3層に分かれるようになり、最下層を分取し、エーテルをエバポレートした。得られた白色の固形物に水を5mL加え、固体を溶解させ、その後水をエバポレートした。更に得られた白色の固形物に水を70mL加え、固体を溶解させた。ジエチルエーテルの添加から再度同様の操作を繰り返し、最終的に白色固体16gを得た(収率80%)。白色固体はH5BW12O40・21H2Oであった。
(Catalyst Preparation Example 1)
Preparation of H 5 BW 12 O 40 After preparing the potassium salt, H 5 BW 12 O 40 was prepared by cation exchange. That is, 100 g of Na 2 WO 4 .2H 2 O, 150 g of H 3 BO 3 and 450 mL of water were added to a beaker, and the mixture was heated in a water bath at about 70 ° C. to evaporate water until the solution reached about 300 mL. The solution was bathed in ice, and the precipitated H 3 BO 3 was filtered off. 70 g of H 3 BO 3 was added to the filtrate, heated at about 70 ° C. in a water bath, and concentrated until the liquid volume became 150 mL. Further, the solution was bathed again, and the precipitated H 3 BO 3 was filtered off. 10 mL of concentrated hydrochloric acid was added to the filtrate, and H 3 BO 3 was completely precipitated in an ice bath. Subsequently, 30 mL of an aqueous potassium chloride solution (concentration: 10 g / 30 mL) was added to the filtrate and stirred for 15 minutes, and the produced white solid was separated by filtration. A white solid was dissolved in an aqueous nitric acid solution adjusted to pH 2, and the solution was allowed to stand in a refrigerator for recrystallization. White needle crystals were sucked and dried to obtain K 5 BW 12 O 40 in a yield of 10-30% (tungsten base yield).
Subsequently, the potassium salt was converted to the acid form by cation exchange. 20.0 g of K 5 BW 12 O 40 and 70 mL of water were added to a beaker and heated to 45 ° C. to dissolve K 5 BW 12 O 40 . The solution was placed in a separatory funnel and 100 mL of diethyl ether was added thereto. While stirring the separatory funnel, about 45 mL of concentrated sulfuric acid was added. Then, it came to be divided into three layers, and the lowermost layer was separated and ether was evaporated. 5 mL of water was added to the obtained white solid to dissolve the solid, and then the water was evaporated. Further, 70 mL of water was added to the obtained white solid to dissolve the solid. The same operation was repeated again from the addition of diethyl ether, and finally 16 g of a white solid was obtained (yield 80%). The white solid was H 5 BW 12 O 40 · 21H 2 O.
(触媒調製例2)
H6P2W18O62の調製
既報(サワミ・シカタ(Sawami Shikata)他、「ジャーナル オブ モレキュラー カタリシス A:ケミカル(Journal of Molecular Catalysis A: Chemical)」(オランダ)、1995年、第100巻、第1-3号、pp.49-59)に準じて調製を行った。
(Catalyst preparation example 2)
Preparation of H 6 P 2 W 18 O 62 (Sawami Shikata et al., “Journal of Molecular Catalysis A: Chemical” (Netherlands), 1995, Vol. 100, No. 1-3, pp. 49-59).
(触媒調製例3)
H6CoW12O40の調製
まずカリウム塩の調製を行い、酸型へ変換することで調製した。すなわち、まず99gのNa2WO4・2H2Oを200mlの純水に溶解し、20mlの酢酸を加え、約80℃に加温した。これとは別に12.5gの酢酸コバルト(2)・4H2Oを63mlのH2Oに溶解し、3滴(約0.3g)の酢酸を加えた溶液を調製した。これを約20時間かけてNa2WO4水溶液に加えた(還流塔使用)。さらに、65gのKClを加えた150mlの温水(約50℃)を加えると、緑色微結晶が生成した。溶液を室温まで放置した後、結晶を濾別した。結晶を加温(約50℃)した0.5%酢酸水溶液に溶解し、溶け残った固体は除去した。濾液を冷蔵庫に放置すると、緑色結晶が得られた。更に緑色結晶を1M HClに溶解すると青色溶液が得られ、溶け残った固体を濾別した。濾液を80℃程度の水浴を用いてエバポレートし、青色の繊維状結晶の析出が始まった時点でエバポレートを止め、溶液を氷浴した。青色繊維状結晶が収率約10%で得られた。カチオン交換はH5BW12O40と同様の手法により行った。得られた固体はH6CoW12O40・13H2Oであった。
(Catalyst Preparation Example 3)
Preparation of H 6 CoW 12 O 40 First, a potassium salt was prepared and then converted to the acid form. That is, 99 g of Na 2 WO 4 .2H 2 O was first dissolved in 200 ml of pure water, 20 ml of acetic acid was added, and the mixture was heated to about 80 ° C. At the dissolved separately from 12.5g of cobalt acetate (2) · 4H 2 O of 63 ml H 2 O, the solution was prepared by adding acetic acid 3 drops (about 0.3 g). This was added to the aqueous Na 2 WO 4 solution over about 20 hours (using a reflux tower). Furthermore, when 150 ml of warm water (about 50 ° C.) added with 65 g of KCl was added, green microcrystals were formed. After the solution was allowed to stand at room temperature, the crystals were filtered off. The crystals were dissolved in a heated 0.5% acetic acid solution (about 50 ° C.), and the undissolved solid was removed. When the filtrate was left in the refrigerator, green crystals were obtained. Further, when the green crystals were dissolved in 1M HCl, a blue solution was obtained, and the undissolved solid was filtered off. The filtrate was evaporated using a water bath at about 80 ° C. When the blue fibrous crystals started to precipitate, the evaporation was stopped and the solution was bathed in an ice bath. Blue fibrous crystals were obtained with a yield of about 10%. Cation exchange was performed in the same manner as H 5 BW 12 O 40 . The obtained solid was H 6 CoW 12 O 40 · 13H 2 O.
(触媒調製例4)
H5AlW12O40の調製
既報(I.A.ワインストック(I.A.Weinstock)他、「ジャーナル オブ ザ アメリカン ケミカル ソサイエティ(Journal of the American Chemical Society)」(米国)、1999年、第121巻、第19号、pp.4608-4617)に準じて調製を行った。
(Catalyst Preparation Example 4)
Preliminary reports of preparation of H 5 AlW 12 O 40 (IA Weinstock et al., “Journal of the American Chemical Society” (USA), 1999, 121 Volume, No. 19, pp.4608-4617).
(触媒調製例5)
H5GaW12O40の調製
既報(K.M.サンダラーム(K.M.Sundaram)他、「インオーガニック ケミストリー(Inorganic Chemistry)」(米国)、2006年、第45巻、第3号、pp.958-960)に準じて調製を行った。
(Catalyst Preparation Example 5)
Previous report on preparation of H 5 GaW 12 O 40 (KM Sundaram et al., “Inorganic Chemistry” (USA), 2006, Vol. 45, No. 3, pp. 958-960).
(実施例1)
未処理のセルロースを用いた場合
結晶水を含むケギン型ケイタングステン酸(H4SiW12O40・22H2O、4価のヘテロポリ酸アニオンを有する;日本無機化学工業社製)5gと水 1mlとを混合し、ヘテロポリ酸水溶液Aを調製した(ヘテロポリ酸純分の濃度:73%、結晶水と添加水とを合わせた水濃度:27%、水に対するヘテロポリ酸の割合:270%、室温で液状、プロトン濃度:2.7M)。その調製したヘテロポリ酸水溶液に、未処理のセルロース(シグマアルドリッチ社製;パウダー、平均粒径:20ミクロン、結晶化度:64±4%)40mgを添加し、攪拌しながら、60℃で、48時間加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表1の通りであった。
Example 1
When untreated cellulose is used, 5 g of Keggin silicotungstic acid (H 4 SiW 12 O 40 · 22H 2 O, having a tetravalent heteropolyacid anion; manufactured by Nippon Inorganic Chemical Industry Co., Ltd.) containing water of crystallization and 1 ml of water To prepare a heteropolyacid aqueous solution A (concentration of pure heteropolyacid: 73%, water concentration of crystal water and added water: 27%, ratio of heteropolyacid to water: 270%, liquid at room temperature , Proton concentration: 2.7M). To the prepared heteropolyacid aqueous solution, 40 mg of untreated cellulose (manufactured by Sigma-Aldrich; powder, average particle size: 20 microns, crystallinity: 64 ± 4%) was added and stirred at 60 ° C. for 48 A time hydrolysis reaction was performed.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 1.
(実施例2)
ミル粉砕処理したセルロースを用いた場合
未処理のセルロースにボールミルで4日間粉砕処理を施して、処理セルロース1を得た。処理セルロース1の結晶化度は36±6%であった。
ヘテロポリ酸水溶液に添加するセルロースとして、処理セルロース1を用いた以外は、実施例1と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表1の通りであった。
(Example 2)
When cellulose pulverized was used, untreated cellulose was pulverized with a ball mill for 4 days to obtain treated cellulose 1. The crystallinity of the treated cellulose 1 was 36 ± 6%.
A hydrolysis reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the treated cellulose 1 was used as the cellulose added to the heteropolyacid aqueous solution.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 1.
(実施例3)
ミル粉砕処理した後、マーセル化処理を行ったセルロースを用いた場合
未処理のセルロースに実施例2と同様にミル粉砕処理を施し、更に14%水酸化ナトリウム水溶液中に室温で24時間浸してマーセル化処理を行った後、中和、洗浄、乾燥工程を経て、処理セルロース2を得た。処理セルロース2の結晶化度は47±10%であった。
ヘテロポリ酸水溶液に添加するセルロースとして、処理セルロース2を用いた以外は、実施例1と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表1の通りであった。
(Example 3)
In the case of using cellulose that has been mercerized after milling, untreated cellulose is milled in the same manner as in Example 2, and further immersed in a 14% aqueous sodium hydroxide solution at room temperature for 24 hours. After performing the chemical treatment, the treated cellulose 2 was obtained through neutralization, washing, and drying steps. The crystallinity of the treated cellulose 2 was 47 ± 10%.
The hydrolysis reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the treated cellulose 2 was used as the cellulose added to the heteropolyacid aqueous solution.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 1.
(実施例4)
マーセル化処理した後、ミル粉砕処理を行ったセルロースを用いた場合
未処理のセルロースに、実施例3と同様に、ただし実施例3とはマーセル化処理とミル粉砕処理の順序を逆にして処理を施して、処理セルロース3を得た。処理セルロース3の結晶化度は28±6%であった。
ヘテロポリ酸水溶液に添加するセルロースとして、処理セルロース3を用いた以外は、実施例1と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表1の通りであった。
Example 4
In the case of using cellulose that has been mercerized and then milled, untreated cellulose is treated in the same manner as in Example 3, except that the order of mercerizing and milling is reversed from Example 3. As a result, treated cellulose 3 was obtained. The crystallinity of the treated cellulose 3 was 28 ± 6%.
A hydrolysis reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the treated cellulose 3 was used as the cellulose added to the heteropolyacid aqueous solution.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 1.
(実施例5)
マーセル化処理した後、アセトンミル粉砕処理を行ったセルロースを用いた場合
未処理のセルロースに実施例3と同様にマーセル化処理を施し、更に既報(特開平07−41502号公報)に従ってアセトンミル粉砕処理を施して、処理セルロース4を得た。処理セルロース4の結晶化度は20±7%であった。
ヘテロポリ酸水溶液に添加するセルロースとして、処理セルロース4を用いた以外は、実施例1と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表1の通りであった。
(Example 5)
When cellulose that has been subjected to mercerization and then subjected to acetone mill pulverization is used, untreated cellulose is subjected to mercerization in the same manner as in Example 3, and further pulverized with acetone mill according to a previous report (Japanese Patent Laid-Open No. 07-41502). Treatment was performed to obtain treated cellulose 4. The crystallinity of the treated cellulose 4 was 20 ± 7%.
A hydrolysis reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the treated cellulose 4 was used as the cellulose added to the heteropolyacid aqueous solution.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 1.
(実施例6)
マーセル化処理したセルロースを用いた場合
未処理のセルロースに実施例3と同様にマーセル化処理を施して、処理セルロース5を得た。処理セルロース5の結晶化度は63±3%であった。
ヘテロポリ酸水溶液に添加するセルロースとして、処理セルロース5を用いた以外は、実施例1と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表1の通りであった。
(Example 6)
In the case of using mercerized cellulose, untreated cellulose was subjected to mercerization in the same manner as in Example 3 to obtain treated cellulose 5. The crystallinity of the treated cellulose 5 was 63 ± 3%.
The hydrolysis reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the treated cellulose 5 was used as the cellulose added to the heteropolyacid aqueous solution.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 1.
(実施例7)
アセトンミル粉砕処理したセルロースを用いた場合
未処理のセルロースに実施例5と同様にアセトンミル粉砕処理を施して、処理セルロース6を得た。
ヘテロポリ酸水溶液に添加するセルロースとして、処理セルロース6を用いた以外は、実施例1と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表1の通りであった。
(Example 7)
In the case of using acetone mill pulverized cellulose, untreated cellulose was subjected to acetone mill pulverization in the same manner as in Example 5 to obtain treated cellulose 6.
A hydrolysis reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the treated cellulose 6 was used as the cellulose added to the heteropolyacid aqueous solution.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 1.
(実施例8)
乾燥デンプン(結晶化度:0%)を用いた場合
ヘテロポリ酸水溶液に添加する試料として、乾燥デンプンを用いた以外は、実施例1と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表1の通りであった。
(Example 8)
When dry starch (crystallinity: 0%) was used The hydrolysis reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that dry starch was used as a sample to be added to the heteropolyacid aqueous solution.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 1.
(比較例1)
触媒として13wt%H2SO4を用いて、48時間反応を行った場合
マーセル化処理した後、ミル粉砕処理を行った処理セルロース3 40mgを13wt%H2SO4(プロトン濃度:2.7M) 2mlと混合し、攪拌しながら、60℃で、48時間加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表2の通りであった。
(Comparative Example 1)
In the case of reaction for 48 hours using 13 wt% H 2 SO 4 as a catalyst, 40 mg of treated cellulose 3 subjected to milling treatment after mercerization treatment was added to 13 wt% H 2 SO 4 (proton concentration: 2.7 M). The mixture was mixed with 2 ml and subjected to a hydrolysis reaction at 60 ° C. for 48 hours while stirring.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 2.
(比較例2)
触媒として13wt%H2SO4を用いて、96時間反応を行った場合
加水分解反応時間を96時間とした以外は、比較例1と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表2の通りであった。
(Comparative Example 2)
When the reaction was carried out for 96 hours using 13 wt% H 2 SO 4 as the catalyst, the hydrolysis reaction was carried out in the same manner as in Comparative Example 1 except that the hydrolysis reaction time was 96 hours.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 2.
(比較例3)
触媒として30wt%H2SO4を用いて、48時間反応を行った場合
触媒として30wt%H2SO4(プロトン濃度:6.2M)を用いた以外は、比較例1と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表2の通りであった。
(Comparative Example 3)
When the reaction was performed for 48 hours using 30 wt% H 2 SO 4 as the catalyst, the hydrolysis reaction was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that 30 wt% H 2 SO 4 (proton concentration: 6.2 M) was used as the catalyst. Went.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 2.
(実施例9)
触媒としてH5BW12O40を用いた場合
結晶水を含むホウタングステン酸(H5BW12O40・21H2O、5価のヘテロポリ酸アニオンを有する)5gと水 1mlとを混合し、ヘテロポリ酸水溶液Bを調製した(ヘテロポリ酸純分の濃度:74%、結晶水と添加水とを合わせた水濃度:26%、水に対するヘテロポリ酸の割合:280%、室温で液状)。調製したヘテロポリ酸水溶液Bを用いた以外は、実施例4と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表3の通りであった。
Example 9
When H 5 BW 12 O 40 is used as a catalyst 5 g of borotungstic acid (H 5 BW 12 O 40 · 21H 2 O having a pentavalent heteropolyacid anion) containing water of crystallization and 1 ml of water are mixed, An acid aqueous solution B was prepared (concentration of pure heteropolyacid: 74%, water concentration of crystal water and added water: 26%, ratio of heteropolyacid to water: 280%, liquid at room temperature). A hydrolysis reaction was performed in the same manner as in Example 4 except that the prepared heteropolyacid aqueous solution B was used.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 3.
(実施例10)
触媒としてH6P2W18O62を用いた場合
結晶水を含むドーソン型リンタングステン酸(H6P2W18O62・nH2O、6価のヘテロポリ酸アニオンを有する)5gと水 1mlとを混合し、ヘテロポリ酸水溶液Cを調製した。調製したヘテロポリ酸水溶液Cを用いた以外は、実施例4と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表3の通りであった。
(Example 10)
When H 6 P 2 W 18 O 62 is used as a catalyst 5 g of Dawson-type phosphotungstic acid (H 6 P 2 W 18 O 62 · nH 2 O, having a hexavalent heteropolyacid anion) containing water of crystallization and 1 ml of water And a heteropolyacid aqueous solution C was prepared. A hydrolysis reaction was performed in the same manner as in Example 4 except that the prepared heteropolyacid aqueous solution C was used.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 3.
(比較例4)
触媒としてH3PW12O40を用いた場合
結晶水を含むケギン型リンタングステン酸(H3PW12O40・22H2O、3価のヘテロポリ酸アニオンを有する;日本無機化学工業社製)5gと水 1mlとを混合し、ヘテロポリ酸水溶液Dを調製した(ヘテロポリ酸純分の濃度:73%、結晶水と添加水とを合わせた水濃度:27%、水に対するヘテロポリ酸の割合:270%、室温で液状)。調製したヘテロポリ酸水溶液Dを用いた以外は、実施例4と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表3の通りであった。
(Comparative Example 4)
When using H 3 PW 12 O 40 as a catalyst 5 g of Keggin type phosphotungstic acid containing water of crystallization (having H 3 PW 12 O 40 · 22H 2 O, trivalent heteropolyacid anion; manufactured by Nippon Inorganic Chemical Industry Co., Ltd.) And 1 ml of water were mixed to prepare a heteropolyacid aqueous solution D (concentration of pure heteropolyacid: 73%, water concentration of crystal water and added water: 27%, ratio of heteropolyacid to water: 270% Liquid at room temperature). A hydrolysis reaction was performed in the same manner as in Example 4 except that the prepared heteropolyacid aqueous solution D was used.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 3.
(実施例11)
60℃で120時間反応を行った場合
加水分解反応時間を120時間とした以外は、実施例1と同様に加水分解反応を行った。
得られたグルコース及びレブリン酸の収率、残渣の量は、表4の通りであった。
(Example 11)
When the reaction was performed at 60 ° C. for 120 hours, the hydrolysis reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the hydrolysis reaction time was 120 hours.
The yield of the obtained glucose and levulinic acid and the amount of the residue were as shown in Table 4.
(実施例12)
70℃で48時間反応を行った場合
加水分解反応温度を70℃とした以外は、実施例1と同様に加水分解反応を行った。
得られたグルコース及びレブリン酸の収率、残渣の量は、表4の通りであった。
(Example 12)
When the reaction was carried out at 70 ° C. for 48 hours, the hydrolysis reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the hydrolysis reaction temperature was changed to 70 ° C.
The yield of the obtained glucose and levulinic acid and the amount of the residue were as shown in Table 4.
(実施例13)
70℃で120時間反応を行った場合
加水分解反応温度を70℃、加水分解反応時間を120時間とした以外は、実施例1と同様に加水分解反応を行った。
得られたグルコース及びレブリン酸の収率、残渣の量は、表4の通りであった。
(Example 13)
When the reaction was carried out at 70 ° C. for 120 hours, the hydrolysis reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the hydrolysis reaction temperature was 70 ° C. and the hydrolysis reaction time was 120 hours.
The yield of the obtained glucose and levulinic acid and the amount of the residue were as shown in Table 4.
(実施例14)
90℃で120時間反応を行った場合
加水分解反応温度を90℃、加水分解反応時間を120時間とした以外は、実施例1と同様に加水分解反応を行った。
得られたグルコース及びレブリン酸の収率、残渣の量は、表4の通りであった。
(Example 14)
When the reaction was carried out at 90 ° C. for 120 hours, the hydrolysis reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the hydrolysis reaction temperature was 90 ° C. and the hydrolysis reaction time was 120 hours.
The yield of the obtained glucose and levulinic acid and the amount of the residue were as shown in Table 4.
(実施例15)
100℃で48時間反応を行った場合
加水分解反応温度を100℃とした以外は、実施例1と同様に加水分解反応を行った。
得られたグルコース及びレブリン酸の収率、残渣の量は、表4の通りであった。
(Example 15)
When the reaction was carried out at 100 ° C. for 48 hours, the hydrolysis reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the hydrolysis reaction temperature was 100 ° C.
The yield of the obtained glucose and levulinic acid and the amount of the residue were as shown in Table 4.
(実施例16)
100℃で120時間反応を行った場合
加水分解反応温度を100℃、加水分解反応時間を120時間とした以外は、実施例1と同様に加水分解反応を行った。
得られたグルコース及びレブリン酸の収率、残渣の量は、表4の通りであった。
(Example 16)
When the reaction was carried out at 100 ° C. for 120 hours, the hydrolysis reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the hydrolysis reaction temperature was 100 ° C. and the hydrolysis reaction time was 120 hours.
The yield of the obtained glucose and levulinic acid and the amount of the residue were as shown in Table 4.
(実施例17)
60℃で8時間反応を行った場合
加水分解反応時間を8時間とした以外は、実施例9と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表5の通りであった。
(Example 17)
When the reaction was carried out at 60 ° C. for 8 hours, the hydrolysis reaction was carried out in the same manner as in Example 9 except that the hydrolysis reaction time was 8 hours.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 5.
(実施例18)
60℃で16時間反応を行った場合
加水分解反応時間を16時間とした以外は、実施例9と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表5の通りであった。
(Example 18)
When the reaction was carried out at 60 ° C. for 16 hours The hydrolysis reaction was carried out in the same manner as in Example 9 except that the hydrolysis reaction time was 16 hours.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 5.
(実施例19)
60℃で24時間反応を行った場合
加水分解反応時間を24時間とした以外は、実施例9と同様に加水分解反応を行った。
得られた生成物の収率、残渣の量は、表5の通りであった。
(Example 19)
When the reaction was carried out at 60 ° C. for 24 hours, the hydrolysis reaction was carried out in the same manner as in Example 9 except that the hydrolysis reaction time was 24 hours.
The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 5.
(実施例20)
結晶水を含むコバルトタングステン酸(H6CoW12O40・13H2O、6価のヘテロポリ酸アニオンを有する)5gと水 1mlとを混合し、ヘテロポリ酸水溶液Eを調製した(ヘテロポリ酸純分の濃度:77%、結晶水と添加水とを合わせた水濃度:23%、水に対するヘテロポリ酸の割合:340%、室温で液状)。調製したヘテロポリ酸水溶液Eを用いた以外は、実施例4と同様に、ただし、反応時間を8時間に変更して加水分解反応を行った。得られた生成物の収率、残渣の量は、表5の通りであった。
(Example 20)
5 g of cobalt tungstic acid (H 6 CoW 12 O 40 · 13H 2 O, having a hexavalent heteropolyacid anion) containing water of crystallization and 1 ml of water were mixed to prepare a heteropolyacid aqueous solution E Concentration: 77%, water concentration of crystal water and added water: 23%, ratio of heteropolyacid to water: 340%, liquid at room temperature). The hydrolysis reaction was carried out in the same manner as in Example 4 except that the prepared heteropolyacid aqueous solution E was used, except that the reaction time was changed to 8 hours. The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 5.
(比較例5、実施例21〜25)
表6に示したヘテロポリ酸を用いて、セルロースの加水分解反応を行った。原料セルロースとしては、マーセル化処理の後にミル粉砕処理を行ったセルロース(処理セルロース3)を用いた。またヘテロポリ酸は、ヘテロポリ酸アニオン濃度が0.7M(ヘテロポリ酸純分の濃度:75%、水濃度:25%、水に対するヘテロポリ酸の割合:300%、室温で液状)となるように水溶液を調製して使用した。反応は0.7Mのヘテロポリ酸水溶液2mlと、処理セルロース3を100mg混合し、60℃で24時間攪拌加熱することで行った。得られた生成物の収率、残渣の量は、表6の通りであった。
(Comparative Example 5, Examples 21 to 25)
A cellulose hydrolysis reaction was performed using the heteropolyacids shown in Table 6. As the raw material cellulose, cellulose (treated cellulose 3) that was milled and then milled was used. In addition, the heteropolyacid should be prepared so that the heteropolyacid anion concentration is 0.7M (concentration of pure heteropolyacid: 75%, water concentration: 25%, ratio of heteropolyacid to water: 300%, liquid at room temperature). Prepared and used. The reaction was carried out by mixing 2 ml of a 0.7M heteropolyacid aqueous solution and 100 mg of the treated cellulose 3 and stirring and heating at 60 ° C. for 24 hours. The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 6.
(実施例26)
実施例22(H5BW12O40を使用)と同様に、ただし、H5BW12O40の濃度を0.6M(水に対するヘテロポリ酸の割合:180%)に調製したヘテロポリ酸水溶液を用いて加水分解反応を行った。得られた生成物の収率、残渣の量は表7の通りであり、高い収率が得られた。
(Example 26)
Similar to Example 22 (using H 5 BW 12 O 40 ), but using a heteropoly acid aqueous solution prepared by adjusting the concentration of H 5 BW 12 O 40 to 0.6 M (ratio of heteropoly acid to water: 180%) The hydrolysis reaction was performed. The yield of the obtained product and the amount of the residue are as shown in Table 7, and a high yield was obtained.
(比較例6)
実施例22と同様に、ただし、H5BW12O40の濃度を0.4M(水に対するヘテロポリ酸の割合:100%)に調製したヘテロポリ酸水溶液を用いて加水分解反応を行った。得られた生成物の収率、残渣の量は表7の通りであり、低い収率となった。
(Comparative Example 6)
In the same manner as in Example 22, the hydrolysis reaction was performed using a heteropolyacid aqueous solution prepared by adjusting the concentration of H 5 BW 12 O 40 to 0.4 M (ratio of heteropolyacid to water: 100%). The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 7, and the yield was low.
(実施例27、28)
実施例22と同様に、ただし、反応に用いるセルロースの量を表8に示したように、200mg、又は、500mgに変更して加水分解反応を行った。得られた生成物の収率、残渣の量は、表8の通りであった。
(Examples 27 and 28)
As in Example 22, except that the amount of cellulose used in the reaction was changed to 200 mg or 500 mg as shown in Table 8, the hydrolysis reaction was performed. The yield of the obtained product and the amount of residue were as shown in Table 8.
これらの結果を下記表1〜8に示す。
なお、表1〜5中の略語は以下のとおりである。
Cello:セロビオース
Glu:グルコース
Xyl:キシロース
Total:セロビオース、グルコース、キシロースの合計
CB:炭素収率
[H+]:酸のプロトン濃度
LA:レブリン酸
また、表6〜8の略号は以下のとおりである。
Cello:セロビオース
Glu:グルコース
Total:セロビオース、グルコースの合計
CB:炭素収率
These results are shown in Tables 1 to 8 below.
Abbreviations in Tables 1 to 5 are as follows.
Cello: Cellobiose Glu: Glucose Xyl: Xylose Total: Cellobiose, glucose, xylose CB: Carbon yield [H + ]: Acid proton concentration LA: Levulinic acid The abbreviations in Tables 6 to 8 are as follows: .
Cello: Cellobiose Glu: Glucose Total: Cellobiose, glucose total CB: Carbon yield
表1の結果より、未処理のセルロースに比べて、前処理を行ったセルロースを用いてケイタングステン酸を触媒に加水分解反応を行った方が、加水分解生成物の収率が高くなることがわかった。また更に、セルロースの前処理方法を変えて、加水分解反応を行った場合、加水分解工程を行う前の前処理としては、マーセル化処理をした後に、アセトンミル粉砕処理を行うのが最も良いことがわかった(実施例1〜7)。
また、反応原料として乾燥デンプンを用いた場合、実施例1と同様に加水分解反応を行っても、含まれるほぼ全ての多糖類を単糖類にすることが可能であった(実施例8)。
表2の結果から、様々な濃さの硫酸を用いて加水分解反応を行った場合(比較例1〜3)、例え長時間加水分解反応を行ったとしても、ケイタングステン酸を触媒として用いた方が、加水分解生成物が高い収率で得られることがわかった。
表3、表5及び表6の結果から、ヘテロポリ酸の中でも、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸を用いた高濃度水溶液を触媒として用いて加水分解反応を行った場合に、加水分解生成物が高い収率で得られることがわかった(実施例4、9、10、20、21〜25及び比較例4、5)。例えば、同じリンタングステン酸であっても、アニオンの価数が3価の比較例4に比べて、アニオンの価数が6価である実施例10の方が、加水分解生成物の収率が大幅に高くなっており、本発明における際立って優れた効果が示されている。また、ヘテロポリ酸の中でもケイタングステン酸を用いた場合のほうが、リンタングステン酸を用いた場合に比べて加水分解生成物が非常に高い収率で得られ、その差が顕著であることが確認された(実施例4及び10)。
表4及び表5の結果から、加水分解反応温度を高温にすると、過分解物であるレブリン酸が生成し(実施例1、11〜16)、加水分解反応時間を長くすると、加水分解生成物の収率が上がることが確認された(実施例9、17〜19)。
表7の結果から、ヘテロポリ酸水溶液の、水に対するヘテロポリ酸の割合が、150質量%以上とすることによって、150質量%未満である場合に比べて、加水分解生成物を非常に高い収率で得ることができることが確認された。
表8の結果から、本発明の方法によれば、加水分解反応に供するセルロースの量を多くしても、加水分解生成物を高い収率で得ることができることが分かった。
なお、上記実施例においては、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸のいくつかを用いてセルロースの加水分解を行った例が示されているが、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸であれば同様の機構により、本明細書において開示した種々の形態において本発明が適用でき、有利な作用効果を発揮することができるといえる。
From the results in Table 1, the yield of hydrolyzed product is higher when hydrolyzed with silicotungstic acid as a catalyst using pretreated cellulose than untreated cellulose. all right. Furthermore, when a hydrolysis reaction is carried out by changing the cellulose pretreatment method, it is best to carry out an acetone mill pulverization treatment after a mercerization treatment as a pretreatment before carrying out the hydrolysis step. Was found (Examples 1 to 7).
Moreover, when dry starch was used as a reaction raw material, even if a hydrolysis reaction was carried out in the same manner as in Example 1, it was possible to convert almost all the contained polysaccharides into monosaccharides (Example 8).
From the results shown in Table 2, when hydrolytic reaction was performed using sulfuric acid having various concentrations (Comparative Examples 1 to 3), silicotungstic acid was used as a catalyst even if the hydrolysis reaction was performed for a long time. However, it was found that the hydrolysis product was obtained in a higher yield.
From the results of Tables 3, 5 and 6, among the heteropolyacids, when the hydrolysis reaction was carried out using a high-concentration aqueous solution using a heteropolyacid having an valence of 4 or more as a catalyst, hydrolysis was performed. It was found that the product was obtained in high yield (Examples 4, 9, 10, 20, 21-25 and Comparative Examples 4, 5). For example, even with the same phosphotungstic acid, the yield of the hydrolysis product is higher in Example 10 in which the valence of the anion is 6 than in Comparative Example 4 in which the valence of the anion is trivalent. It is significantly higher, showing a markedly superior effect in the present invention. In addition, among the heteropolyacids, it was confirmed that the hydrolyzed product was obtained in a much higher yield when silicotungstic acid was used than when phosphotungstic acid was used, and the difference was remarkable. (Examples 4 and 10).
From the results of Table 4 and Table 5, when the hydrolysis reaction temperature is increased, levulinic acid, which is a hyperdegradation product, is produced (Examples 11, 11 to 16), and when the hydrolysis reaction time is increased, the hydrolysis product is produced. (Example 9, 17-19) was confirmed to increase.
From the result of Table 7, by making the ratio of the heteropolyacid with respect to water of a heteropolyacid aqueous solution 150 mass% or more, compared with the case where it is less than 150 mass%, a hydrolysis product is obtained in a very high yield. It was confirmed that it can be obtained.
From the results of Table 8, it was found that according to the method of the present invention, the hydrolysis product can be obtained in a high yield even if the amount of cellulose to be subjected to the hydrolysis reaction is increased.
In the above-mentioned examples, examples in which cellulose is hydrolyzed using some heteropolyacids having an anion valence of 4 or more are shown. If it is an acid, it can be said that the present invention can be applied in various forms disclosed in the present specification by the same mechanism, and can exhibit advantageous effects.
Claims (4)
該製造方法は、アニオンの価数が4価以上のヘテロポリ酸と水とを含み、反応系中に存在する水に対する、該ヘテロポリ酸の割合が150質量%以上となるようにした反応系中で加水分解する工程を含むことを特徴とする単糖類の製造方法。 A method for producing monosaccharides by hydrolyzing polysaccharides,
The production method includes a heteropolyacid having a valence of an anion of 4 or more and water, and the ratio of the heteropolyacid to water present in the reaction system is 150% by mass or more. The manufacturing method of the monosaccharide characterized by including the process of hydrolyzing.
Heteropolyacids having a valence of 4 or more are H 5 BW 12 O 40 , H 4 SiW 12 O 40 , H 6 CoW 12 O 40 , H 5 AlW 12 O 40 , H 5 GaW 12 O 40 and H The method for producing a monosaccharide according to claim 1, comprising at least one heteropolyacid selected from the group consisting of 6 P 2 W 18 O 62 .
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-
2010
- 2010-06-01 JP JP2010126126A patent/JP2011010654A/en active Pending
Cited By (3)
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CN113185394A (en) * | 2021-04-15 | 2021-07-30 | 华南农业大学 | Method for preparing levulinic acid by using Dowson configuration tungsten-phosphorus heteropoly acid for catalyzing and hydrolyzing cellulose |
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