JP2011224499A - Method for producing sugar or its derivative - Google Patents

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Hiroyuki Takamiya
博之 高宮
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing sugar or its derivative by decomposing and saccharizing lignocellulose-based actual biomass more quickly with high efficiency.SOLUTION: A solid acid catalyst and lignocellulose-based actual biomass are brought into contact with each other under irradiation of microwaves to decompose and saccharize the lignocellulose-based real biomass.

Description

本発明は、糖又はその誘導体の製造方法に関し、特にセルロース系バイオマスを分解して糖化することにより、糖又はその誘導体を製造するのに好ましい方法に関する。   The present invention relates to a method for producing sugar or a derivative thereof, and more particularly, to a preferable method for producing sugar or a derivative thereof by decomposing and saccharifying cellulosic biomass.

近年、セルロースなどの植物等が生産する循環利用可能なバイオマスを有用物質に変換して利用することが試みられている。セルロースを利用する場合、セルロースをその構成単糖、オリゴ糖又はこれらの誘導体にまで分解することが好ましい。こうして得られる分解物は、多くの微生物を始めとする生物が代謝可能であるほか、工業的に利用が容易になる。   In recent years, attempts have been made to convert and use recyclable biomass produced by plants such as cellulose into useful substances. When cellulose is used, it is preferable to decompose cellulose into its constituent monosaccharides, oligosaccharides or derivatives thereof. The decomposition product thus obtained can be metabolized by organisms including many microorganisms and can be easily used industrially.

セルロースは、天然には、セルロースの結晶構造を含むとともに、ヘミセルロース及び複雑な三次元構造を有するリグニンと複合化(以下、こうした複合構造を有するセルロース系材料をリグノセルロース系実バイオマスと称する。)して植物体中に存在している。このため、セルロースは難分解性である。また、セルロースの分解方法には、従来より、セルロース分解性微生物等に由来する酵素を用いる酵素法、硫酸を用いる硫酸法等がある。しかしながら、酵素法では、分解速度が遅く、植物体中のセルロース、すなわち、リグノセルロース系実バイオマス中のセルロースを分解するのにあたり、こうした実バイオマスの前処理が必須であった。また、酵素が高価であるため、高い生産性を得ることができていなかった。一方、硫酸法では、リグノセルロース系実バイオマスに対して直接処理が可能であるが、セルロースの糖化物の分離に多くのプロセスを要するほか、過度に分解される傾向があった。   Cellulose naturally contains cellulose crystal structure and is complexed with hemicellulose and lignin having a complicated three-dimensional structure (hereinafter, the cellulosic material having such a complex structure is referred to as lignocellulosic real biomass). Present in the plant body. For this reason, cellulose is hardly degradable. In addition, as a method for decomposing cellulose, conventionally, there are an enzyme method using an enzyme derived from a cellulolytic microorganism, a sulfuric acid method using sulfuric acid, and the like. However, in the enzymatic method, the degradation rate is slow, and in order to degrade cellulose in the plant body, that is, cellulose in lignocellulosic real biomass, pretreatment of such real biomass was essential. Moreover, since the enzyme is expensive, high productivity could not be obtained. On the other hand, in the sulfuric acid method, lignocellulosic real biomass can be directly processed, but it requires a lot of processes for separation of saccharified cellulose and tends to be excessively decomposed.

そこで、近年、リグノセルロース系実バイオマス中のセルロースの糖化を容易にするために、リグノセルロース系実バイオマスの前処理方法や、分解活性の高い触媒などの開発が進められている。例えば、リグノセルロース系実バイオマスをマイクロ波で前処理した後、酵素で分解する方法が各種試みられている(非特許文献1、2)。また、固体触媒を用いてリグノセルロース系実バイオマスを糖化する方法(非特許文献3)も試みられている。さらに、リグノセルロース系実バイオマスをメカノケミカル処理による前処理により酵素糖化を促進する検討もなされている(非特許文献4)。   Therefore, in recent years, in order to facilitate the saccharification of cellulose in lignocellulosic real biomass, development of a pretreatment method for lignocellulosic real biomass, a catalyst having high decomposition activity, and the like has been advanced. For example, various methods have been attempted in which lignocellulose-based real biomass is pretreated with microwaves and then decomposed with an enzyme (Non-Patent Documents 1 and 2). In addition, a method of saccharifying lignocellulosic real biomass using a solid catalyst (Non-patent Document 3) has also been attempted. Furthermore, studies have been made to promote enzymatic saccharification of lignocellulosic real biomass by pretreatment by mechanochemical treatment (Non-patent Document 4).

Process Biochemistry, 40, 3082-3086 (2005)Process Biochemistry, 40, 3082-3086 (2005) Biosystems Engineering, 93, 279-283 (2006)Biosystems Engineering, 93, 279-283 (2006) Angew. Chem. Int. Ed., 45, 5161-5163 (2006)Angew. Chem. Int. Ed., 45, 5161-5163 (2006) J. Jpn. Pet. Inst., Vol.51, No.5, 264-273(2008)J. Jpn. Pet. Inst., Vol.51, No.5, 264-273 (2008)

しかしながら、マイクロ波で前処理することでリグノセルロース系実バイオマスからセルロースの分離が促進されるものの、最終的に酵素処理して得られる変換効率は、プロセス及び酵素コストを考慮すると優れているとはいえなかった。また、固体触媒を用いる場合であっても、高い変換効率を得られていなかった。さらに、メカノケミカル処理を用いても、依然として前処理時間も酵素処理時間も相当程度有し、効率的な糖化は困難であった。   However, although the separation of cellulose from lignocellulosic real biomass is promoted by pretreatment with microwaves, the conversion efficiency finally obtained by enzyme treatment is excellent considering the process and enzyme cost I couldn't. Even when a solid catalyst is used, high conversion efficiency has not been obtained. Furthermore, even if mechanochemical treatment is used, the pretreatment time and the enzyme treatment time are still considerable, and efficient saccharification is difficult.

そこで、本発明は、より迅速にかつ高効率にリグノセルロース系実バイオマスを分解糖化して糖又はその誘導体を製造する方法を提供することをその目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing sugar or a derivative thereof by degrading and saccharifying lignocellulosic real biomass more quickly and efficiently.

本発明者らは、リグノセルロース系実バイオマスと固体酸触媒とをマイクロ波照射下に接触させることで、予想を超えて糖化反応を促進でき、リグノセルロース系実バイオマスに対する前処理がなくてもセルロース及びヘミセルロースを迅速にかつ高効率に分解糖化できることを見出し、本発明を完成した。本発明によれば、以下の手段が提供される。   The present inventors can promote the saccharification reaction beyond the expectation by contacting the lignocellulosic real biomass and the solid acid catalyst under microwave irradiation, and the cellulose can be obtained without any pretreatment for the lignocellulosic real biomass. And he discovered that hemicellulose can be rapidly and efficiently decomposed and saccharified, and the present invention was completed. According to the present invention, the following means are provided.

本発明によれば、固体酸触媒とリグノセルロース系実バイオマスとを、マイクロ波の照射下で接触させて、前記リグノセルロース系実バイオマスを分解して糖化する工程、を備える、糖又はその誘導体の製造方法が提供される。この製造方法において、前記リグノセルロース系実バイオマスの平均粒子径は、10μm以上10mm以下であってもよい。また、前記リグノセルロース系実バイオマスと前記固体酸触媒とは、130℃以上200℃以下で接触させてもよい。この製造方法によれば、セルロースからグルコース、その二糖及びオリゴ糖を取得でき、ヘミセルロースからキシロース、その二糖及びオリゴ糖を取得できる。   According to the present invention, the step of bringing a solid acid catalyst and lignocellulosic real biomass into contact with each other under microwave irradiation to decompose the lignocellulosic real biomass and saccharify the sugar or a derivative thereof. A manufacturing method is provided. In this production method, the lignocellulosic real biomass may have an average particle size of 10 μm to 10 mm. The lignocellulose-based real biomass and the solid acid catalyst may be contacted at 130 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. According to this production method, glucose, its disaccharide and oligosaccharide can be obtained from cellulose, and xylose, its disaccharide and oligosaccharide can be obtained from hemicellulose.

さらに、前記固体酸触媒は、ブレンステッド酸点を有する固体であることが好ましく、前記ブレンステッド酸点は、−OH基、−COH基及び−SOH基からなる群から選択される1種又は2種以上とすることができる。前記固体酸触媒として酸化グラファイト(GO)を備えることが好ましい。また、−SOH基を有するグラフェンも好ましい。 Further, the solid acid catalyst is preferably a solid having a Bronsted acid point, and the Bronsted acid point is selected from the group consisting of —OH group, —CO 2 H group and —SO 3 H group. It can be 1 type or 2 types or more. It is preferable that graphite oxide (GO) is provided as the solid acid catalyst. Also preferred graphene having a -SO 3 H group.

本発明の製造方法においては、前記糖化工程は、反応室として空胴共振器を備えるマイクロ波照射装置を用いることが好ましい。   In the production method of the present invention, it is preferable that the saccharification step uses a microwave irradiation apparatus including a cavity resonator as a reaction chamber.

本発明によれば、リグノセルロース系実バイオマスからのヘミセルロースの糖化物の製造方法であって、リグノセルロース系実バイオマスと固体酸触媒とをマイクロ波照射下に接触させてリグノセルロース系実バイオマス中のキシロースを糖化する糖化工程を備える、方法が提供される。マイクロ波照射下においてリグノセルロース系実バイオマスと固体酸触媒とを接触させることで、ヘミセルロースを効率的に分解できる。   According to the present invention, there is provided a method for producing a saccharified product of hemicellulose from lignocellulosic real biomass, wherein the lignocellulosic real biomass and solid acid catalyst are brought into contact with each other under microwave irradiation. A method is provided comprising a saccharification step of saccharifying xylose. Hemicellulose can be efficiently decomposed by contacting lignocellulosic real biomass with a solid acid catalyst under microwave irradiation.

スギ微粉末と固体酸触媒とのマイクロ波照射下での糖化結果を示す図である。It is a figure which shows the saccharification result under the microwave irradiation of a cedar fine powder and a solid acid catalyst. スギ微粉末と固体酸触媒とのオイルバスを用いた糖化結果を示す図である。It is a figure which shows the saccharification result using the oil bath of a cedar fine powder and a solid acid catalyst. ユーカリ微粉末とユーカリ粗粉末と固体酸触媒とをマイクロ波の照射下、160℃で接触させたときの糖化結果を示す図である。It is a figure which shows a saccharification result when a eucalyptus fine powder, a eucalyptus coarse powder, and a solid acid catalyst are made to contact at 160 degreeC under microwave irradiation. ユーカリ微粉末とユーカリ粗粉末とのオイルバスでの160℃での糖化結果を示す図である。It is a figure which shows the saccharification result at 160 degreeC in the oil bath of a eucalyptus fine powder and a eucalyptus coarse powder. バガス1微粉末の反応温度とグルコース糖化率及びキシロース糖化率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the reaction temperature of a bagasse 1 fine powder, a glucose saccharification rate, and a xylose saccharification rate. バガス2微粉末とバガス2粗粉末の反応温度とグルコース糖化率及びキシロース糖化率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the reaction temperature, glucose saccharification rate, and xylose saccharification rate of bagasse 2 fine powder and bagasse 2 coarse powder.

本発明は、リグノセルロース系実バイオマスからの糖及びその誘導体の製造方法に関する。本発明によれば、効率的にリグノセルロース系実バイオマスを分解して、糖又はその誘導体を製造することができる。より具体的には、リグノセルロース系実バイオマスに対する粉砕等の前処理を抑制しつつ、リグノセルロース系実バイオマスからグルコース及びキシロースを迅速に得ることができる。すなわち、本発明者らは、リグノセルロース系実バイオマスの粗粉末と微粉末とにつき、それぞれ固体酸触媒の存在下でマイクロ波処理を行ったところ、意外にも、リグノセルロース系実バイオマスの粒子径にかかわらず、ほぼ同等の変換効率挙動を示すことを見出したのである。このことは、従前、リグノセルロース系実バイオマスの粉末の粒子サイズがその後の糖化効率に大きく影響するとの当業者の常識を大きく覆すものであった。   The present invention relates to a method for producing sugar and its derivatives from lignocellulosic real biomass. According to the present invention, lignocellulosic real biomass can be efficiently decomposed to produce sugar or a derivative thereof. More specifically, glucose and xylose can be rapidly obtained from lignocellulosic real biomass while suppressing pretreatment such as pulverization of the lignocellulosic real biomass. That is, the inventors of the present invention performed microwave treatment in the presence of a solid acid catalyst for each of the lignocellulosic real biomass coarse powder and fine powder, and surprisingly, the particle size of the lignocellulosic real biomass was Despite this, they have found that they exhibit almost the same conversion efficiency behavior. This has largely reversed the common knowledge of those skilled in the art that the particle size of lignocellulosic real biomass powder greatly affects the subsequent saccharification efficiency.

本発明者らは、固体酸触媒とマイクロ波の照射によるリグノセルロース系実バイオマスの分解性能の向上は、固体酸触媒とマイクロ波の照射との相乗効果によるものと推論している。すなわち、リグノセルロース系実バイオマスが固体酸触媒に配位又は吸着することで、リグノセルロース系実バイオマスにおける分子会結合が弱められ、水酸基などの極性官能基を有するものは、水素結合による分子間相互作用により反応速度が増大すると考えられる。   The present inventors infer that the improvement in the degradation performance of lignocellulosic real biomass by solid acid catalyst and microwave irradiation is due to the synergistic effect of the solid acid catalyst and microwave irradiation. That is, the lignocellulosic real biomass is coordinated or adsorbed to the solid acid catalyst, so that the molecular bond in the lignocellulosic real biomass is weakened, and those having polar functional groups such as hydroxyl groups It is thought that the reaction rate increases due to the action.

一方、極性基を有する分子など、双極子を有する分子は、マイクロ波を選択的に吸収して回転運動などのエネルギーを得るとともに分極が促進される。また、マイクロ波反応場において、双極子を有する分子は、マイクロ波を選択的に吸収して、回転又は振動による摩擦熱によって急速に加熱される。特に、水酸基を有する場合、その効果が大きくなると考えられ、水、セルロース、固体酸触媒はいずれも水酸基を有しているため、マイクロ波の吸収が大きく、相乗効果により反応速度の増大が促進されると考えられる。さらに、マイクロ波加熱は、従来の外部加熱に比較して活性化エネルギーを低減できるほか、リグノセルロース系実バイオマス及び固体酸触媒はいずれも誘電体であって電界中で反応が進行する。このような作用の相乗効果により、化学結合(グリコシド結合など)を切断する反応(加水分解反応)が促進されるものと考えられる。なお、以上の推論は、本発明を拘束するものではない。   On the other hand, a molecule having a dipole, such as a molecule having a polar group, selectively absorbs microwaves to obtain energy such as rotational motion and promotes polarization. In the microwave reaction field, the molecule having a dipole selectively absorbs the microwave and is rapidly heated by frictional heat due to rotation or vibration. In particular, when it has a hydroxyl group, the effect is considered to be increased. Since water, cellulose, and the solid acid catalyst all have a hydroxyl group, microwave absorption is large, and synergistic effects increase the reaction rate. It is thought. Furthermore, the microwave heating can reduce the activation energy as compared with the conventional external heating, and the lignocellulosic real biomass and the solid acid catalyst are both dielectrics and the reaction proceeds in an electric field. It is considered that a reaction (hydrolysis reaction) that cleaves a chemical bond (such as a glycoside bond) is promoted by a synergistic effect of such actions. In addition, the above reasoning does not restrain this invention.

本明細書に開示される製造方法によれば、リグノセルロース系実バイオマスを従来に比して迅速かつ低温で効率的に分解できる。特に、平均粒子径が100μm未満の微粉砕試料でなくとも効率的に分解できる。また、マイクロ波の照射によれば、急速加熱冷却が可能であるため、分解物の過度な分解を抑制できるため、高収率で高品質な糖化が期待できる。さらに、反応後、濾過または遠心分離等の従来の固液分離手段により、容易に糖化物を含有する液体(溶液)を分離できるとともに、固体酸触媒も反応系から分離回収できる。さらに、回収した触媒の繰り返し利用も容易である。さらにまた、硫酸などの化学薬品を使わなくても糖化できるため方法は、環境負荷が少なくて済むといったメリットがある。また、マイクロ波はリグニンを選択的に低分子化できるため、実バイオマスからのセルロースの分解、糖化を促進することもできる。以下、本発明の実施するための形態について詳細に説明する。   According to the production method disclosed in this specification, lignocellulosic real biomass can be decomposed quickly and efficiently at a low temperature as compared with the conventional method. In particular, even if it is not a finely pulverized sample having an average particle diameter of less than 100 μm, it can be efficiently decomposed. Moreover, since rapid heating and cooling can be performed by irradiation with microwaves, excessive decomposition of the decomposed product can be suppressed, so that high yield and high quality saccharification can be expected. Furthermore, after the reaction, a liquid (solution) containing a saccharified product can be easily separated by a conventional solid-liquid separation means such as filtration or centrifugation, and the solid acid catalyst can be separated and recovered from the reaction system. Furthermore, it is easy to repeatedly use the recovered catalyst. Furthermore, since saccharification can be performed without using chemicals such as sulfuric acid, the method has an advantage of reducing the environmental load. In addition, since microwaves can selectively reduce the molecular weight of lignin, it is possible to promote the decomposition and saccharification of cellulose from real biomass. Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail.

(糖又はその誘導体の製造方法)
本発明の製造方法は、固体酸触媒とリグノセルロース系実バイオマスとをマイクロ波の照射下で接触させてリグノセルロース系実バイオマスを分解して糖化する工程を備えることができる。この結果、再生産可能な又は未利用資源であるリグノセルロース系実バイオマスを、多くの生物が代謝可能な有用物質であり、工業的に有用な工業材料に変換可能な有用物質でもあるグルコースやキシロースなどの単糖、オリゴ糖又はその誘導体に効率的に変換することができる。
(Method for producing sugar or derivative thereof)
The production method of the present invention can comprise a step of bringing a solid acid catalyst and lignocellulosic real biomass into contact with each other under microwave irradiation to decompose and saccharify the lignocellulosic real biomass. As a result, glucose and xylose, which are useful substances that many organisms can metabolize lignocellulosic real biomass, which is reproducible or unused, are also useful substances that can be converted into industrially useful industrial materials. Can be efficiently converted into monosaccharides, oligosaccharides or derivatives thereof.

(リグノセルロース系実バイオマス)
本発明においてリグノセルロース系実バイオマスは、少なくともセルロースを含むとともに、ヘミセルロース及びリグニンを有し、植物体におけるこれらの複合構造を有している材料をいう。ここで、セルロースとしては、グルコースがβ-1,4-グリコシド結合により重合した重合体及びその誘導体が挙げられる。グルコースの重合度は特に限定しない。セルロースは、結晶性セルロースであってもよいし、非結晶性セルロースであってもよい。また、誘導体としては、カルボキシメチル化、アルデヒド化、若しくはエステル化などの誘導体が挙げられる。また、セルロースは、その部分分解物である、セロオリゴ糖、セロビオースであってもよい。さらに、セルロースは、配糖体であるβ−グルコシド、さらにペクチンなどとの複合体であってもよい。
(Lignocellulosic real biomass)
In the present invention, lignocellulosic real biomass refers to a material containing at least cellulose and having hemicellulose and lignin and having these composite structures in a plant body. Here, examples of cellulose include a polymer in which glucose is polymerized by β-1,4-glycoside bonds and derivatives thereof. The degree of polymerization of glucose is not particularly limited. The cellulose may be crystalline cellulose or non-crystalline cellulose. In addition, examples of the derivative include derivatives such as carboxymethylation, aldehyde formation, or esterification. Cellulose may be cellooligosaccharide or cellobiose, which is a partially decomposed product thereof. Further, cellulose may be a complex with β-glucoside, which is a glycoside, and pectin.

リグノセルロース系実バイオマスとしては、例えば、スギ、ヒノキ、ユーカリなどの木本植物の木質部や葉部及び草本植物の葉、茎、根等においてリグニン等を複合した状態のリグノセルロース系材料が挙げられる。こうしたリグノセルロース系材料としては、例えば、稲ワラ、麦ワラ、トウモロコシの茎葉、バガス等の農業廃棄物、収集された木、枝、枯葉等又はこれらを解繊して得られるチップ、おがくず、チップなどの製材工場廃材、間伐材や被害木などの林地残材、建設廃材等の廃棄物であってもよい。   Examples of lignocellulosic real biomass include lignocellulosic materials in a state in which lignin and the like are combined in the woody parts and leaf parts of woody plants such as cedar, cypress and eucalyptus, and the leaves, stems and roots of herbaceous plants. . Examples of such lignocellulosic materials include rice straw, wheat straw, corn stover, bagasse and other agricultural waste, collected trees, branches, dead leaves, etc. or chips obtained by defibrating these, sawdust, chips, etc. It may be a waste from a sawmill factory, a forest residue such as thinned wood or damaged trees, and a construction waste.

リグノセルロース系実バイオマスは、その平均粒子径が、10μm以上10mm以下であることが好ましい。この範囲であっても、リグノセルロース系実バイオマスは効率的に分解される。より好ましくは100μm以上10mm以下である。平均粒子径が100μm未満とするには、エネルギーコストがかかり、平均粒子径が10mmを超えて大きくなりすぎると、糖化率が低下する傾向があるからである。粉砕処理のエネルギーコストを考慮すると、より好ましくは、150μm以上であり、さらに好ましくは200μm以上であり、一層好ましくは250μm以上であり、さらに一層好ましくは500μm以上である。また、糖化率を考慮すると、その上限は、8mm以下であることがより好ましく、6mm以下であることがさらに好ましく、5mm以下であることがより一層好ましく、4mm以下であることがさらに一層好ましく、2mm以下であることも好ましい。なお、こうした平均粒子径のリグノセルロース系実バイオマスは、振動ミルなどの当業者に公知の粉砕方法により適当な時間粉砕することにより取得できる。   The lignocellulose-based real biomass preferably has an average particle size of 10 μm or more and 10 mm or less. Even in this range, the lignocellulosic real biomass is efficiently decomposed. More preferably, it is 100 μm or more and 10 mm or less. This is because energy costs are required to make the average particle diameter less than 100 μm, and when the average particle diameter exceeds 10 mm and becomes too large, the saccharification rate tends to decrease. Considering the energy cost of the pulverization treatment, it is more preferably 150 μm or more, further preferably 200 μm or more, further preferably 250 μm or more, and further more preferably 500 μm or more. In consideration of the saccharification rate, the upper limit is more preferably 8 mm or less, further preferably 6 mm or less, still more preferably 5 mm or less, still more preferably 4 mm or less, It is also preferable that it is 2 mm or less. The lignocellulosic real biomass having such an average particle size can be obtained by pulverizing for an appropriate time by a pulverization method known to those skilled in the art such as a vibration mill.

リグノセルロース系実バイオマスの平均粒子径は、例えば、ふるい分け法又はレーザー回折散乱法が用いられる。例えば、複数のふるいをもちいて試料をふるった後、ふるい上の残留した粉末重量を測定し、重量分率を算出し、積算百分率の50%で示した。特に、微粉末にあっては、レーザー回折散乱法を併用して、ふるい分け法と同程度の平均粒子径を測定結果として取得できることを確認している。   As the average particle size of the lignocellulose-based real biomass, for example, a sieving method or a laser diffraction / scattering method is used. For example, after sieving a sample using a plurality of sieves, the weight of the powder remaining on the sieve was measured, the weight fraction was calculated, and was shown as 50% of the integrated percentage. In particular, in the case of fine powder, it has been confirmed that an average particle diameter comparable to that of the sieving method can be obtained as a measurement result by using the laser diffraction scattering method together.

(固体酸触媒)
本発明において用いる固体酸触媒は、リグノセルロース系実バイオマスを分解できる活性を有する固体酸触媒であれば特に限定されない。固体酸触媒は、リグノセルロース系実バイオマス中のセルロースを分解する観点からは、少なくともグルコース間のβ−1、4グリコシド結合を切断する活性を有することが好ましい。また、各種ヘミセルロースを分解する観点からは、こうしたヘミセルロースの構成単糖間のグリコシド結合を切断する活性を有することが好ましい。
(Solid acid catalyst)
The solid acid catalyst used in this invention will not be specifically limited if it is a solid acid catalyst which has the activity which can decompose | disassemble lignocellulosic real biomass. From the viewpoint of decomposing cellulose in lignocellulosic real biomass, the solid acid catalyst preferably has an activity of cleaving at least β-1, 4 glycosidic bonds between glucoses. Moreover, from the viewpoint of decomposing various hemicelluloses, it is preferable to have an activity of cleaving glycosidic bonds between the constituent monosaccharides of such hemicelluloses.

固体酸触媒としては、ブレンステッド酸点を有していることが好ましい。ブレンステッド酸点を有していることで、双極子ブレンステッド酸点としては、例えば、−OH基、−COH基、及び−SO3H基及びPO3H基等の酸素酸が挙げられるが、これらに限定するものではない。好ましくは、−COH基及び−SO3H基である。これらのブレンステッド酸点を有するカーボン系固体材料は、リグノセルロース系実バイオマスの分解に有効であるからである。なお、「固体酸触媒がブレンステッド酸点を有する」とは、固体酸触媒が水の存在下においてブレンステッド酸点を有する場合も包含している。すなわち、水の存在下において、固体酸触媒上のある要素(官能基やイオン等)が水酸化物イオン液体を強く引き付ける結果、酸点として機能することになるような部位であってもよい。なお、固体酸触媒が、ブレンステッド酸点を有しているかどうかは、赤外分光法を用いる公知の手法によって可能である。例えば、固体酸触媒の表面にピリジンを吸着させて、ブレンステッド酸点に吸着するピリジニウムイオンの特定吸収(1540cm-1)を検出することによって可能である。 The solid acid catalyst preferably has a Bronsted acid point. By having a Bronsted acid point, examples of the dipole Bronsted acid point include oxygen acids such as —OH group, —CO 2 H group, —SO 3 H group, and PO 3 H group. However, it is not limited to these. A —CO 2 H group and a —SO 3 H group are preferable. This is because these carbon-based solid materials having Bronsted acid points are effective in decomposing lignocellulosic real biomass. Note that “the solid acid catalyst has a Bronsted acid point” also includes the case where the solid acid catalyst has a Bronsted acid point in the presence of water. That is, it may be a site that functions as an acid point as a result of a certain element (functional group, ion, etc.) on the solid acid catalyst strongly attracting the hydroxide ionic liquid in the presence of water. Whether the solid acid catalyst has a Bronsted acid point can be determined by a known method using infrared spectroscopy. For example, it is possible to adsorb pyridine on the surface of the solid acid catalyst and detect specific absorption (1540 cm −1 ) of pyridinium ions adsorbed to the Bronsted acid point.

なお、固体酸触媒は、上記のようなブレンステッド酸点のほか、ルイス酸点等を含むほかの触媒活性部位を備える多元的触媒であってもよい。基質の種類に応じて、活性部位は適宜選択される。なお、マイクロ波照射の効果を考慮すると活性部位は、いずれも双極子を有する触媒活性部位であることが好ましい。   The solid acid catalyst may be a multi-way catalyst having other catalytic active sites including a Lewis acid point in addition to the Bronsted acid point as described above. The active site is appropriately selected depending on the type of substrate. In consideration of the effect of microwave irradiation, the active site is preferably a catalytically active site having a dipole.

固体酸触媒としては、例えば、カーボン系固体材料、珪酸塩化合物、及び固体超強酸が挙げられる。これらは、マイクロ波照射した、セルロース系材料に対して固体酸触媒として機能することができる。固体酸触媒としては、1種又は2種以上を適宜選択して用いることができる。   Examples of the solid acid catalyst include carbon-based solid materials, silicate compounds, and solid superacids. These can function as solid acid catalysts for cellulosic materials irradiated with microwaves. As a solid acid catalyst, 1 type (s) or 2 or more types can be selected suitably, and can be used.

(カーボン系固体材料)
カーボン系固体材料としては、グラフェン、酸化グラファイト、活性炭及びこれらの誘導体等を備えていることが好ましい。なかでも、酸化グラファイト(GO)及びその誘導体、活性炭及びその誘導体が好ましい。こうしたカーボン系固体材料は、いずれも、本来的に表面にブレンステッド酸点を有しているからである。より好ましくは、酸化グラファイトを備えている。また、−SO3H基を有するグラフェンを備えている。
(Carbon-based solid material)
The carbon-based solid material preferably includes graphene, graphite oxide, activated carbon, and derivatives thereof. Of these, graphite oxide (GO) and its derivatives, and activated carbon and its derivatives are preferable. This is because all of these carbon-based solid materials inherently have Bronsted acid points on the surface. More preferably, graphite oxide is provided. In addition, graphene having a —SO 3 H group is provided.

酸化グラファイトとしては、公知の手法により合成されたものを用いることができる。こうした方法としては、例えば、Hummers WS, Offeman RE.J.Am.Chem.Soc.,1958,80,1339, Brodie BC.Ann.Chim.Phys.1860,59,466、Staudenmaier L.Ber.Dtsch.Chem.Ges.1898,31,1484が挙げられる。典型的には、上記したHummersらの方法とすることができる。具体的には、グラファイト粉末と硝酸ナトリウムとを反応容器に入れ、濃硫酸(d1.84)を適量加えて、氷浴で充分に冷やしながら、酸化剤として過マンガン酸カリウム粉末を1時間程かけて加えたのち、さらに2時間程攪拌する。室温まで戻して攪拌を続けたのち、得られたスラリー状反応混合物を水へゆっくりと加えて、沈殿物を遠心分離により取り出し、洗浄、減圧下乾燥することで酸化グラファイト(GO)を茶褐色粉末として得ることができる。出発原料となるグラファイトは、天然のもの人工のものいずれでも使用可能である。酸化グラファイトは、通常、OH基やCO2H基を備えることができる。 As the graphite oxide, those synthesized by a known method can be used. Such methods include, for example, Hammers WS, Offeman RE.J.Am.Chem.Soc., 1958,80,1339, Brodie BC.Ann.Chim.Phys.1860,59,466, Staudenmaier L.Ber.Dtsch.Chem. Ges. 1898, 31, 1484. Typically, the method of Hummers et al. Specifically, put graphite powder and sodium nitrate in a reaction vessel, add an appropriate amount of concentrated sulfuric acid (d1.84), cool it in an ice bath, and use potassium permanganate powder as an oxidizing agent for about 1 hour. And then stir for another 2 hours. After returning to room temperature and continuing stirring, the resulting slurry-like reaction mixture is slowly added to water, and the precipitate is removed by centrifugation, washed and dried under reduced pressure to convert graphite oxide (GO) as a brown powder. Obtainable. Any natural or artificial graphite can be used as the starting material. Graphite oxide can usually be provided with OH groups and CO 2 H groups.

カーボン系固体材料の誘導体、例えば、酸化グラファイトの誘導体の一つであるそのスルホン化物(硫酸化酸化グラファイト(SGO))や−SO3H基を有するグラフェン(グラフェンのスルホン化物)は、公知の文献(「カーボン系固体強酸の合成条件と触媒作用」日本化学会第85回春季大会(2005)、2B5-43、特開2004−238311号公報、特開2009−25283号公報)に記載される方法に基づいて製造できるほか、例えば、酸化グラファイトを発煙硫酸中で加熱処理することにより得ることができる。得られた粉末は、そのH形であることが好ましい。 Derivatives of carbon-based solid materials, for example, sulfonated products (sulfated graphite oxide (SGO)), which is one of graphite oxide derivatives, and graphene (graphene sulfonated products) having —SO 3 H groups are known documents. (“Synthesis Conditions and Catalysis of Carbon-Based Solid Strong Acid” The Chemical Society of Japan 85th Spring Meeting (2005), 2B5-43, JP-A No. 2004-238111, JP-A No. 2009-25283) In addition, for example, graphite oxide can be obtained by heat treatment in fuming sulfuric acid. The obtained powder is preferably in its H + form.

例えば、酸化グラファイト及びそのスルホン化物並びにグラフェンのスルホン化物は、マイクロ波の非照射下ではセルロースの高い分解活性を示すものではないが、マイクロ波の照射下において、高いリグノセルロース系実バイオマス分解活性を示すことができる。したがって、酸化グラファイト及びそのスルホン化物並びにグラフェンのスルホン化物は、マイクロ波照射下において用いる固体酸触媒として好ましく用いられる。   For example, graphite oxide and its sulfonated product and graphene sulfonated product do not show high cellulose decomposition activity under microwave irradiation, but show high lignocellulosic real biomass decomposition activity under microwave irradiation. Can show. Therefore, graphite oxide and its sulfonated product and graphene sulfonated product are preferably used as a solid acid catalyst used under microwave irradiation.

活性炭とは、植物質材料、石炭質材料、石油質材料及び動物質材料から選択される各種の炭素含有材料を化学的又は物理的に処理して活性化した炭素系多孔質材料である。活性炭のスルホン化物は、例えば、活性炭を発煙硫酸中で加熱処理することによって得られる。得られた粉末は、そのH+形であることが好ましい。 Activated carbon is a carbon-based porous material activated by chemically or physically treating various carbon-containing materials selected from plant materials, coal materials, petroleum materials, and moving material materials. The sulfonated product of activated carbon can be obtained, for example, by heat-treating activated carbon in fuming sulfuric acid. The resulting powder is preferably in its H + form.

(珪酸塩化合物)
珪酸塩化合物は、珪酸塩化合物又はその塩並びにこれらの重合構造を有する化合物を意味している。珪酸塩化合物は天然から採取したものであってもよいし、当該天然物を加工したものであってもよいし、人工的又は半人工的に合成したものであってもよい。好ましくは、二次元又は三次元網状骨格を有する珪酸塩化合物又はその塩の重合構造を有する化合物である。
(Silicate compound)
The silicate compound means a silicate compound or a salt thereof and a compound having a polymerized structure thereof. Silicate compounds may be collected from nature, may be processed natural products, or may be artificially or semi-artificially synthesized. Preferably, it is a silicate compound having a two-dimensional or three-dimensional network skeleton or a compound having a polymerized structure of the salt.

珪酸塩化合物としては、例えば、粘土鉱物が挙げられる。粘土鉱物は、ポリシロキサン構造を少なくとも一部に有する層状化合物である。粘土鉱物は、一般に、アルミニウム、マグネシウム、ナトリウム、カルシウム等の金属イオンと珪酸塩化合物が連結しできたシートが層状に形成されている。粘土鉱物としては、例えば、スメクタイト系粘土鉱物、例えばモンモリロナイト、バイデライト、ノントロナイト、サポナイト、ヘクトライト、酸性白土等が挙げられる。また、それらを酸処理してH+変性させた変性粘土鉱物も本発明に好適な粘土鉱物として挙げられる。ここでいうH+変性粘土鉱物とは、前記粘土鉱物を原料として用い、高温での酸処理により粘土鉱物の結晶内に含まれる金属イオン(AlやMgなど)を溶出させ、新たに過剰珪酸を作りだしたものであり、水に不溶性でブレンステッド酸性を示すものである。製法例としては、例えば、活性白土は、モンモリロナイトなどのスメクタイト系粘土鉱物を粗砕し、造粒し、硫酸及び水を加えて90度で数時間処理した後、十分な水洗を行った後、110℃で乾燥して得ることができる。H+変性粘土鉱物は、上記のような合成によるほか商業的に入手が可能である。H+変性粘土鉱物としては、典型的には、活性白土や、K−10モンモリロナイトなどが挙げられる。 Examples of the silicate compound include clay minerals. The clay mineral is a layered compound having a polysiloxane structure at least in part. In general, clay minerals are formed in layers in a sheet in which metal ions such as aluminum, magnesium, sodium, calcium, and silicate compounds are connected. Examples of the clay mineral include smectite clay minerals such as montmorillonite, beidellite, nontronite, saponite, hectorite, and acid clay. In addition, modified clay minerals obtained by acid-treating them to modify H + are also suitable clay minerals for the present invention. The H + -modified clay mineral here refers to the use of the clay mineral as a raw material, and by elution of metal ions (Al, Mg, etc.) contained in the crystal of the clay mineral by acid treatment at a high temperature, newly adding excess silicic acid. It was created and is insoluble in water and shows Bronsted acidity. As an example of the production method, for example, activated clay, after crushing smectite clay minerals such as montmorillonite, granulated, treated with sulfuric acid and water at 90 degrees for several hours, after sufficient washing, It can be obtained by drying at 110 ° C. H + modified clay minerals can be obtained commercially as well as synthesized as described above. Typical examples of the H + -modified clay mineral include activated clay and K-10 montmorillonite.

珪酸塩化合物としては、また、結晶中に微細孔を有するアルミノケイ酸塩であるゼオライトが挙げられる。ゼオライトは、天然であっても合成であってもよいが、入手容易性や均質性等から合成ゼオライトが好ましく用いられる。ゼオライトとしては、例えば、ZSM−5、モルデナイト、ベータゼオライト、Y型ゼオライト、MCM−22、FSM−16、リン酸アルミニウム縮合物(AlPO4−n)、TS−1、TS−2及びSAPO系等が挙げられる。また、ゼオライトとしては、ゼオライト類縁化合物も含まれ、例えば、メソポーラスシリカ、有機/無機ハイブリッド、有機錯体構造体(Metal-Organic-Framework)なども挙げられる(「多孔体の精密制御と機能・物性評価」サイエンス&テクノロジー株式会社 2008年)。さらに、ゼオライトとしては、公知の方法によりNH4 +型のものを焼成しH+型へ変換したH+型ゼオライトであってもよい。上記各種ゼオライトとしては、商業的に入手が可能であるほか、富永博夫編、「ゼオライトの科学と応用」、講談社サイエンティフィク1987年、小野嘉夫、八嶋建明編「ゼオライトの科学と工学」講談社サイエンティフィク2000年、辰巳敬、西村陽一監修「ゼオライト触媒開発の新展開」シーエムシー出版 2004年等に開示されており、当業者であればこれらの記載に基づいて合成することができる。ゼオライトとしては、各種ゼオライトの1種又は2種以上を適宜選択して用いることができる。 Examples of the silicate compound include zeolite which is an aluminosilicate having fine pores in the crystal. Zeolite may be natural or synthetic, but synthetic zeolite is preferably used in view of availability and homogeneity. Examples of zeolite include ZSM-5, mordenite, beta zeolite, Y-type zeolite, MCM-22, FSM-16, aluminum phosphate condensate (AlPO 4 -n), TS-1, TS-2, and SAPO series. Is mentioned. Zeolite also includes zeolite-related compounds such as mesoporous silica, organic / inorganic hybrid, organic complex structure (Metal-Organic-Framework), etc. "Science & Technology Co., Ltd. 2008). Further, the zeolite may be H + type zeolite obtained by calcining NH 4 + type into a H + type by a known method. The above-mentioned various zeolites are commercially available, edited by Hiroo Tominaga, “Zeolite Science and Application”, Kodansha Scientific 1987, Yoshio Ono and Kenaki Yajima “Zeolite Science and Engineering” Kodansha Science Tyfik 2000, supervised by Akira Takashi and Yoichi Nishimura, “New Developments in Zeolite Catalyst Development”, CMC Publishing 2004, etc., can be synthesized by those skilled in the art based on these descriptions. As the zeolite, one or more kinds of various zeolites can be appropriately selected and used.

(固体超強酸)
固体超強酸とは、「ハメット酸度関数(H)<−11.93」であり(「超強酸・超強塩基」田部浩三、野依良治共著、講談社サイエンティフィック、1980年)、100%硫酸よりも強い酸強度を呈する固体酸をいう。本発明において用いられる固体超強酸としては、例えば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、鉄、アルミニウム、ケイ素、またはスズ等の水酸化物もしくは酸化物を担体として硫酸根もしくはタングステン酸化物を担持したものが挙げられる。具体的には、硫酸化ジルコニア(SO/ZrO)や、SO/SnO、SO/HfO、SO/TiO、SO/Al、SO/Fe、SO/SiO、WO/ZrO、MoO/ZrO、WO/SnO、WO/TiO、WO/Fe及びB/ZrOが挙げられる。固体酸触媒としては、こうした固体超強酸から選択される1種又は2種以上が適宜選択して用いられる。
(Solid super strong acid)
The solid superacid is “Hammet acidity function (H 0 ) <− 11.93” (“superstrong acid / superbase” by Kozo Tabe and Ryoji Noyori, Kodansha Scientific, 1980), 100% sulfuric acid. A solid acid exhibiting stronger acid strength. Examples of the solid super strong acid used in the present invention include those having a sulfate or a tungsten oxide supported on a hydroxide or oxide such as titanium, zirconium, hafnium, iron, aluminum, silicon, or tin as a carrier. It is done. Specifically, sulfated zirconia (SO 4 / ZrO 2 ), SO 4 / SnO 2 , SO 4 / HfO 2 , SO 4 / TiO 2 , SO 4 / Al 2 O 3 , SO 4 / Fe 2 O 3 , SO 4 / SiO 2 , WO 3 / ZrO 2 , MoO 3 / ZrO 2 , WO 3 / SnO 2 , WO 3 / TiO 2 , WO 3 / Fe 2 O 3 and B 2 O 3 / ZrO 2 . As the solid acid catalyst, one or more selected from such solid superacids are appropriately selected and used.

固体超強酸は、例えば、上記のような担体に硫酸根あるいは酸化タングステンの前駆体を担持した後焼成することにより行うことができる。硫酸根の前駆体の例としては、硫酸、硫酸アンモニウム、塩化スルフリル、塩化チオニル、SOガス等を挙げることができ、また、酸化タングステンの前駆体の例としてはメタタングステン酸アンモニウム、パラタングステン酸アンモニウム、12タングストリン酸等を挙げることができる。担持の方法は公知の適当な方法を採用できるが、水などの適当な溶媒に溶解した後、担体を懸濁させ、溶媒を乾燥するなどの方法を採ることができる。塩化スルフリル、塩化チオニルなどの水と反応しやすい前駆体を用いる場合にはヘキサン、塩化メチレンなどの溶媒を用いることが望ましい。例えば、硫酸化ジルコニアは、触媒学会 参照触媒委員会 硫酸化ジルコニア調製法に準処する方法で調製できる。使用前の加熱乾燥および、水中で遊離する硫酸根をあらかじめ洗浄して除いておくことが望ましい。 The solid superacid can be obtained, for example, by carrying a calcination after supporting a sulfate radical or a tungsten oxide precursor on the carrier as described above. Examples of sulfate radical precursors include sulfuric acid, ammonium sulfate, sulfuryl chloride, thionyl chloride, SO 2 gas, and examples of tungsten oxide precursors include ammonium metatungstate and ammonium paratungstate. 12 tungstophosphoric acid and the like. As the loading method, a known appropriate method can be adopted, and after dissolving in a suitable solvent such as water, a method of suspending the carrier and drying the solvent can be adopted. When using a precursor that easily reacts with water such as sulfuryl chloride or thionyl chloride, it is desirable to use a solvent such as hexane or methylene chloride. For example, sulfated zirconia can be prepared by a method similar to the method for preparing sulfated zirconia by the Catalytic Society Reference Catalyst Committee. It is desirable to heat and dry before use and to wash away sulfate radicals released in water in advance.

強酸性を発現させる方法としては、このようにして得られた前駆体が担持された触媒を焼成することが一般に採用される。このための焼成温度は、担体と硫酸根前駆体、あるいは酸化タングステン前駆体の組み合わせにより適宜選択される。具体的には、硫酸根−酸化ジルコニウムの組み合わせの場合、好ましくは500℃〜800℃、より好ましくは600℃〜700℃の範囲であり、酸化タングステン−酸化ジルコニウムの組み合わせの場合、好ましくは700℃〜1,000℃、より好ましくは800℃〜900℃の範囲である。しかし、焼成後上記の超強酸の定義に相当するものが得られれば良く、これらの条件に限定されるものではない。超強酸であることの確認は、例えば「J.Chem.Soc.Chem.Commun.1259(1989)」、「J.Chem.Soc.Chem.Commun.1148(1979)」、「J.Chem.Soc.Chem.Commun.1851(1980)」、「J.Am.Chem.Soc.101,6439(1979)」などに記載されるパラフィンの骨格異性化や酸強度測定によって行うことができる。   As a method for developing strong acidity, it is generally employed to calcine the catalyst on which the precursor thus obtained is supported. The firing temperature for this purpose is appropriately selected depending on the combination of the carrier and the sulfate radical precursor or the tungsten oxide precursor. Specifically, in the case of a sulfate group-zirconium oxide combination, the range is preferably 500 ° C. to 800 ° C., more preferably in the range of 600 ° C. to 700 ° C., and in the case of a tungsten oxide-zirconium oxide combination, preferably 700 ° C. It is -1,000 degreeC, More preferably, it is the range of 800 degreeC-900 degreeC. However, what is necessary is just to obtain what corresponds to the above-mentioned definition of super strong acid after baking, and it is not limited to these conditions. Confirmation that it is a super strong acid is, for example, `` J.Chem.Soc.Chem.Commun.1259 (1989) '', `` J.Chem.Soc.Chem.Commun.1148 (1979) '', `` J.Chem.Soc Chem. Commun. 1851 (1980) ”,“ J. Am. Chem. Soc. 101, 6439 (1979) ”, etc., can be carried out by skeletal isomerization of paraffin and measurement of acid strength.

(マイクロ波)
マイクロ波としては、特に限定されないが、水の加熱に用いられる周波数(300MHz以上30GHz以下程度)を用いることができる。好ましくは、0.6GHz以上10GHz以下である。典型的には、周波数2.45GHz程度のものが挙げられるが、これに限定するものではない。固体酸触媒のブレンステッド酸点等に応じた周波数の設定がなされていてもよい。出力は特に限定されない。
(Microwave)
Although it does not specifically limit as a microwave, The frequency (about 300 MHz or more and about 30 GHz or less) used for the heating of water can be used. Preferably, it is 0.6 GHz or more and 10 GHz or less. A typical example is one having a frequency of about 2.45 GHz, but is not limited thereto. The frequency may be set according to the Bronsted acid point of the solid acid catalyst. The output is not particularly limited.

マイクロ波の照射は、マイクロ波照射用の空胴共振器を備えるマイクロ波照射装置を用いて行われる。空胴共振器は、マイクロ波発生手段から照射されたマイクロ波を共振させるためのものである。空胴共振器はシングルモードの直方体型空胴共振器、シングルモードの円筒型空胴共振器、又は、マルチモードのマイクロ波オーブン(電子レンジ)のいずれであっても良い。シングルモードの空胴共振器は、反応管内容物を急速加熱することができるので、極めて短時間で反応を行うことが出来るという利点がある。一方、マルチモードのマイクロ波オーブンは、空胴共振器内の共振を制御する必要がなく、任意の位置に反応物を置くことが出来るという利点がある。加熱速度と加熱効率の点では、空胴共振器は、シングルモード方式が好ましい。   The microwave irradiation is performed using a microwave irradiation apparatus including a cavity resonator for microwave irradiation. The cavity resonator is for resonating the microwave irradiated from the microwave generating means. The cavity resonator may be any of a single mode rectangular cavity resonator, a single mode cylindrical cavity resonator, or a multimode microwave oven (microwave oven). The single-mode cavity resonator has an advantage that the reaction tube contents can be rapidly heated, so that the reaction can be performed in an extremely short time. On the other hand, the multimode microwave oven does not need to control the resonance in the cavity resonator, and has an advantage that the reactant can be placed at an arbitrary position. From the viewpoint of heating rate and heating efficiency, the cavity resonator is preferably a single mode system.

空胴共振器がシングルモード方式である場合、基質と固体酸触媒が導入された反応容器は、空胴共振器内の電界成分が最大となる位置(定在波の腹の位置)に挿入される。一方、空胴共振器がマルチモード方式である場合、反応容器の位置は、特に限定されるものではない。空胴共振器には、通常、アルミニウム、銅、黄銅などが用いられるが、耐熱性が必要となる場合には、ステンレス鋼を用いても良い。   When the cavity resonator is a single mode system, the reaction vessel in which the substrate and the solid acid catalyst are introduced is inserted at the position where the electric field component in the cavity resonator is maximized (the position of the antinode of the standing wave). The On the other hand, when the cavity resonator is a multimode system, the position of the reaction vessel is not particularly limited. The cavity resonator is usually made of aluminum, copper, brass or the like, but stainless steel may be used when heat resistance is required.

また、シングルモード方式の場合、共振がとれるように、マイクロ波周波数に応じて空胴共振器の断面寸法が決められている。例えば、直方体型空胴共振器の場合、マイクロ波周波数が2.45GHzであるときには、断面寸法(マイクロ波の進行方向に対して垂直方向の高さ寸法×幅寸法)は、約55mm×110mmとなる。さらにこの場合、直方体型空胴共振器のほぼ中央に、マイクロ波の進行方向に対して垂直方向に反応容器が挿入される。   Further, in the case of the single mode method, the cross-sectional dimension of the cavity resonator is determined according to the microwave frequency so that resonance can be obtained. For example, in the case of a rectangular parallelepiped resonator, when the microwave frequency is 2.45 GHz, the cross-sectional dimension (height dimension in the direction perpendicular to the microwave traveling direction × width dimension) is about 55 mm × 110 mm. . Further, in this case, a reaction vessel is inserted in a direction perpendicular to the traveling direction of the microwave at the substantially center of the rectangular parallelepiped cavity resonator.

シングルモードの電磁界モードには、種々のモードがあるが、高い電界強度を得るためには、TE10n(nは整数)モードを用いるのが好ましい。ここで、1つ目の添字「1」は、直方体型空胴共振器の幅方向の定在波(1/2波長)の数が1個であることを意味する。また、2つ目の添字「0」は、直方体型空胴共振器の高さ方向の定在波がゼロであることを意味する。さらに、3つ目の添字「n」は、直方体型空胴共振器のマイクロ波の進行方向に沿う定在波の数がn個であることを意味する。電界強度を高くするためには、nは、3以下が好ましい。今回用いた反応装置はn=1である。 There are various single-mode electromagnetic field modes, but TE 10n (n is an integer) mode is preferably used in order to obtain a high electric field strength. Here, the first subscript “1” means that the number of standing waves (1/2 wavelengths) in the width direction of the rectangular parallelepiped cavity resonator is one. The second subscript “0” means that the standing wave in the height direction of the rectangular parallelepiped cavity resonator is zero. Furthermore, the third subscript “n” means that the number of standing waves along the microwave traveling direction of the rectangular parallelepiped cavity resonator is n. In order to increase the electric field strength, n is preferably 3 or less. The reactor used this time is n = 1.

空胴共振器の共振状態とは、空胴共振器の周波数がマイクロ波周波数に一致する状態であり、この状態では、マイクロ波の反射率(=反射電力×100/入射電力)がほぼゼロとなる。しかしながら、空胴共振器の断面寸法は、空胴共振器内が空の状態において共振を得るように設計されているので、空胴共振器に反応容器を挿入したり、反応容器に内容物がある場合、共振がとれなくなる場合がある。このような場合には、空胴共振器の共振を調整する必要がある。このため、空胴共振器の片端には、マイクロ波が入射する開口部の開口面積を変化させるための器具が設けられる。   The resonance state of the cavity resonator is a state in which the frequency of the cavity resonator matches the microwave frequency. In this state, the microwave reflectivity (= reflected power × 100 / incident power) is almost zero. Become. However, since the cross-sectional dimensions of the cavity resonator are designed so as to obtain resonance when the cavity resonator is empty, a reaction vessel is inserted into the cavity resonator, or the contents are contained in the reaction vessel. In some cases, resonance may not be achieved. In such a case, it is necessary to adjust the resonance of the cavity resonator. For this reason, an instrument for changing the opening area of the opening into which the microwave is incident is provided at one end of the cavity resonator.

なお、触媒反応における媒体、温度条件、圧力条件、時間条件等については、適宜設定することができる。媒体は、特に限定しないが、反応促進の観点から、水を含む極性溶媒を含んでいることが好ましい。極性溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノールなどの低級アルコール、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAc)アセトニトリル、ジオキサン等が挙げられる。   In addition, about the medium, temperature conditions, pressure conditions, time conditions, etc. in a catalytic reaction, it can set suitably. The medium is not particularly limited, but preferably contains a polar solvent containing water from the viewpoint of promoting the reaction. Examples of the polar solvent include lower alcohols such as methanol, ethanol, and propanol, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc) acetonitrile, and dioxane.

なお、水は、セルロース系材料に含まれている水のほか、液体、気体及び固体の状態のいずれであっても、マイクロ波照射下において固体酸触媒表面に供給されるものであればよい。媒体には、水、水と相溶する/相溶しない極性の有機溶媒、水と相溶する/相溶しない非極性の有機溶媒、これらのうちの2種類以上の混合溶媒を用いることができる。媒体の構成は、適宜決定される。触媒反応は、固体酸触媒とセルロース系材料と適当な媒体中で攪拌しつつ分散状態で実施することもできる。また、触媒反応は、水と非相溶の有機溶媒とを媒体とし、攪拌によりこれら分散状態において実施してもよいし、分離された2相系のいずれかの相で実施してもよい。   In addition to the water contained in the cellulosic material, the water may be any of liquid, gas, and solid as long as it is supplied to the surface of the solid acid catalyst under microwave irradiation. As the medium, water, a polar organic solvent compatible / incompatible with water, a non-polar organic solvent compatible / incompatible with water, or a mixed solvent of two or more of these can be used. . The configuration of the medium is determined as appropriate. The catalytic reaction can also be carried out in a dispersed state while stirring in a suitable medium with the solid acid catalyst and the cellulosic material. The catalytic reaction may be carried out in a dispersed state by stirring with water and an incompatible organic solvent as a medium, or may be carried out in any of the separated two-phase systems.

反応温度は、特に限定しないが、室温(1℃以上)から300℃以下で行うことができる。好ましくは、80℃以上250℃以下である。この範囲であっても、効率的にセルロース系材料を分解することができる。特に、固体酸触媒とリグノセルロース系実バイオマスとを130℃以上200℃以下で接触させることが好ましい。この範囲であると、リグノセルロース系実バイオマスからグルコース及びキシロースへの良好な糖化率をそれぞれ確保できる。130℃未満及び200℃超では、急激にキシロースへの糖化率が低下する傾向があり、130℃未満及び200℃超では、グルコースへの糖化率が低下する傾向がある。好ましくは、130℃以上180℃以下である。   Although reaction temperature is not specifically limited, It can carry out at room temperature (1 degreeC or more) to 300 degrees C or less. Preferably, it is 80 degreeC or more and 250 degrees C or less. Even within this range, the cellulosic material can be efficiently decomposed. In particular, it is preferable to contact the solid acid catalyst and the lignocellulosic real biomass at 130 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. Within this range, good saccharification rates from lignocellulosic real biomass to glucose and xylose can be ensured. If it is less than 130 ° C. and more than 200 ° C., the saccharification rate to xylose tends to decrease rapidly, and if it is less than 130 ° C. and more than 200 ° C., the saccharification rate to glucose tends to decrease. Preferably, it is 130 degreeC or more and 180 degrees C or less.

バガスなどの草本系のリグノセルロース系実バイオマスにあっては、より好ましくは、130℃以上170℃以下である。より好ましくは130℃以上160℃以下である。一層好ましくは、135℃以上155℃以下であり、より一層好ましくは、135℃以上145℃以下である。特に、このような温度範囲は、草本系のリグノセルロース系実バイオマスからのキシロースの糖化に好ましい温度範囲でもある。また、草本系であってもリグノセルロース系実バイオマスの種類にあっては、150℃以上170℃以下が好適である場合もある。さらに、好ましくは、155℃以上165℃以下が好適である場合もある。   In the case of herbaceous lignocellulosic real biomass such as bagasse, it is more preferably 130 ° C. or higher and 170 ° C. or lower. More preferably, it is 130 degreeC or more and 160 degrees C or less. More preferably, it is 135 degreeC or more and 155 degrees C or less, More preferably, it is 135 degreeC or more and 145 degrees C or less. In particular, such a temperature range is also a preferable temperature range for saccharification of xylose from herbaceous lignocellulosic real biomass. Moreover, even if it is a herbaceous type, 150 degreeC or more and 170 degrees C or less may be suitable for the kind of lignocellulosic real biomass. Further, preferably, 155 ° C. or more and 165 ° C. or less may be suitable.

さらにまた、スギなどの木本系のリグノセルロース系実バイオマスにあっては、150℃以上170℃以下がより好ましく、さらに好ましくは155℃以上165℃以下である。特にかかる温度範囲は、木本系のリグノセルロース系実バイオマスからのキシロースの糖化に好ましい温度範囲である。   Furthermore, in woody lignocellulosic real biomass such as cedar, the temperature is preferably 150 ° C. or higher and 170 ° C. or lower, and more preferably 155 ° C. or higher and 165 ° C. or lower. Such a temperature range is a preferable temperature range for saccharification of xylose from woody lignocellulosic real biomass.

固体酸触媒の存在下、リグノセルロース系実バイオマスをマイクロ波処理するのにあたり、水などの適当な反応媒体に対して、リグノセルロース系実バイオマスを適宜分散させることができる。典型的には、反応媒体に対して1質量%以上10質量%以下の割合でリグノセルロース系実バイオマスを添加することが好ましい。なお、反応媒体に対するリグノセルロース系実バイオマスの添加量が増大すると、グルコース及びキシロースへの変換効率が低下する傾向がある。好ましくは、反応媒体に対して3質量%以上7質量%以下である。また、反応媒体に対する固体酸触媒の添加量も特に限定しないが、典型的には、反応媒体に対して1質量%以上10質量%以下の割合で固体酸触媒を添加することができる。なお、反応媒体に対する固体酸触媒の添加量が低下すると、グルコース及びキシロースへの変換効率が低下する傾向がある。好ましくは、反応媒体に対して3質量%以上7質量%以下である。   In microwave treatment of lignocellulosic real biomass in the presence of a solid acid catalyst, the lignocellulosic real biomass can be appropriately dispersed in an appropriate reaction medium such as water. Typically, it is preferable to add lignocellulosic real biomass in a proportion of 1% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the reaction medium. In addition, when the addition amount of lignocellulose-type real biomass with respect to a reaction medium increases, there exists a tendency for the conversion efficiency to glucose and xylose to fall. Preferably, they are 3 mass% or more and 7 mass% or less with respect to the reaction medium. Further, the amount of the solid acid catalyst added to the reaction medium is not particularly limited, but typically, the solid acid catalyst can be added at a ratio of 1% by mass to 10% by mass with respect to the reaction medium. In addition, when the addition amount of the solid acid catalyst with respect to a reaction medium falls, there exists a tendency for the conversion efficiency to glucose and xylose to fall. Preferably, they are 3 mass% or more and 7 mass% or less with respect to the reaction medium.

なお、リグノセルロース系実バイオマスの分解を制御する場合には、冷却手段を用いてマイクロ波による加熱状態を冷却するようにしてもよい。反応時間も、特に限定しない。反応時間は、マイクロ波照射出力により応じて適宜設定され、通常、数分から数時間程度であるが、好ましくは60分以内である。60分を超えるとキシロースの糖化率が低下する傾向があるからである。より好ましくは、50分以内である。   In addition, when controlling decomposition | disassembly of lignocellulosic real biomass, you may make it cool the heating state by a microwave using a cooling means. The reaction time is not particularly limited. The reaction time is appropriately set according to the microwave irradiation output, and is usually from several minutes to several hours, but preferably within 60 minutes. This is because if it exceeds 60 minutes, the saccharification rate of xylose tends to decrease. More preferably, it is within 50 minutes.

こうした触媒反応により、リグノセルロース系実バイオマスを分解することで、糖又はその誘導体が得られる。糖としては、セルロースの構成単糖であるグルコースのほかヘミセルロースの構成単糖が挙げられる。また、糖には、分子量4000以下のセルロース由来のオリゴ糖類(セロビオース、セロトリオース、セロテトラオース、セロヘキサオースなど)や、ヘミセルロース由来のオリゴ糖が挙げられる。誘導体としては、これらの糖の糖アルコール、糖エステル、糖チオール、糖リン酸、糖塩のほか、内部脱水生成物が挙げられる。なお、触媒反応により、これらの全てが生成されるわけではない。得られる糖又はその誘導体は、基質に用いるセルロース系材料の種類のほか、反応条件等によっても相違する。   By such catalytic reaction, sugar or a derivative thereof can be obtained by decomposing lignocellulosic real biomass. Examples of the sugar include a constituent monosaccharide of hemicellulose in addition to glucose which is a constituent monosaccharide of cellulose. Examples of the sugar include cellulose-derived oligosaccharides having a molecular weight of 4000 or less (cellobiose, cellotriose, cellotetraose, cellohexaose, etc.) and hemicellulose-derived oligosaccharides. Derivatives include sugar alcohols, sugar esters, sugar thiols, sugar phosphates, sugar salts of these sugars, and internal dehydration products. Note that not all of these are generated by the catalytic reaction. The resulting sugar or derivative thereof differs depending on the reaction conditions and the like as well as the type of cellulosic material used for the substrate.

本製造方法の糖化工程は、また、リグノセルロース系実バイオマスからのキシロースの糖化に適した工程である。したがって、本製造方法を、リグノセルロース系実バイオマスからのキシロースの糖化方法として実施することもできる。すなわち、リグノセルロース系実バイオマスと固体酸触媒とをマイクロ波照射下に接触させてリグノセルロース系実バイオマス中のキシロースを糖化する糖化工程を備える、リグノセルロース系実バイオマスからのヘミセルロースの糖化物の製造方法も提供される。したがって、例えば、固体酸触媒下でのマイクロ波照射によるリグノセルロース系実バイオマスからのキシロースの糖化工程を実施後に、さらにかかる糖化工程処理物に対してセルロースの糖化工程を実施してもよい。セルロースの糖化には、キシロースの糖化よりも高い温度を要することが通常である。したがって、低温でキシロースの糖化を実施することで、全体として低エネルギーコストでかつリグノセルロース構造を緩和してセルロースを効率的に糖化することができる。   The saccharification step of this production method is also a step suitable for saccharification of xylose from lignocellulosic real biomass. Therefore, this manufacturing method can also be implemented as a saccharification method of xylose from lignocellulosic real biomass. That is, production of saccharified hemicellulose from lignocellulosic real biomass, comprising a saccharification step of saccharifying xylose in lignocellulosic real biomass by contacting lignocellulosic real biomass with a solid acid catalyst under microwave irradiation A method is also provided. Therefore, for example, after the saccharification step of xylose from lignocellulose-based real biomass by microwave irradiation under a solid acid catalyst, the saccharification step of cellulose may be further performed on the processed product of the saccharification step. Cellulose saccharification usually requires a higher temperature than xylose saccharification. Therefore, by carrying out saccharification of xylose at a low temperature, it is possible to efficiently saccharify cellulose by reducing the lignocellulose structure at a low energy cost as a whole.

以上説明したように、本発明の製造方法によれば、リグノセルロース系実バイオマスでさえも迅速かつ効率的に分解糖化してリグノセルロース系実バイオマス由来の糖又はその誘導体を得ることができる。   As described above, according to the production method of the present invention, even lignocellulosic real biomass can be rapidly and efficiently decomposed and saccharified to obtain a sugar derived from lignocellulosic real biomass or a derivative thereof.

以下、本発明を、実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated concretely, this invention is not limited to a following example.

本実施例では、マイクロ波照射装置として、シングルモード共振器(キャビティ)を備え、温度・圧力をモニター可能なマイクロ波加熱装置(2.45GHz)を使用した。反応液は、5mlの耐圧製試験管にそれぞれ準備した、スギ粉末(平均粒子径約200μm)0.03g、固体酸触媒としての酸化グラファイト粉末0.03g、蒸留水3mlを加えて攪拌し、バイアル瓶キット(テフロン栓付アルミシールキャップ)で密閉した。反応条件は、初期圧0.1MPa、室温からマイクロ波照射により温度をモニターしながら急速加熱し、140℃、160℃及び190℃にそれぞれ達したのち、30分維持し、直ちに容器を冷却し、室温まで戻した。   In this example, a microwave heating apparatus (2.45 GHz) that includes a single mode resonator (cavity) and can monitor temperature and pressure was used as the microwave irradiation apparatus. The reaction solution was prepared in a 5 ml pressure-resistant test tube, 0.03 g of cedar powder (average particle size of about 200 μm), 0.03 g of graphite oxide powder as a solid acid catalyst, and 3 ml of distilled water were added and stirred. Sealed with a bottle kit (aluminum seal cap with Teflon stopper). The reaction conditions were initial pressure 0.1 MPa, rapid heating while monitoring the temperature from room temperature by microwave irradiation, and after reaching 140 ° C., 160 ° C. and 190 ° C., respectively, maintained for 30 minutes, immediately cooling the container, It returned to room temperature.

その後、キャビティより取り出し反応液を分析した。反応液の分析は、反応液を遠心分離した上清を採取し、バイオセンサー(王子計測製)でグルコースとキシロースを定量しし、グルコース糖化率及びキシロース糖化率を算出した。また、比較例として、実施例で用いたのと同一の固体酸触媒を用いかつマイクロ波照射を伴わないで、オイルバスで同一温度条件で同一時間処理し、反応液中のグルコースとキシロースを定量し、同様に糖化率を算出した。計算式は以下の通りであった。結果を図1及び図2に示す。   Thereafter, the reaction solution was taken out from the cavity and analyzed. For analysis of the reaction solution, the supernatant obtained by centrifuging the reaction solution was collected, glucose and xylose were quantified with a biosensor (manufactured by Oji Scientific), and the glucose saccharification rate and the xylose saccharification rate were calculated. In addition, as a comparative example, the same solid acid catalyst as used in the examples was used, and microwave treatment was not performed, but treatment was performed for the same time in an oil bath at the same temperature condition, and glucose and xylose in the reaction solution were quantified. Similarly, the saccharification rate was calculated. The calculation formula was as follows. The results are shown in FIGS.

グルコース糖化率=処理後の反応液中のグルコース質量/出発原料のセルロース質量×100
キシロース糖化率=処理後の反応液中のキシロース質量/出発原料のヘミセルロース質量×100
Glucose saccharification rate = mass glucose in reaction solution after treatment / cellulose mass of starting material × 100
Xylose saccharification rate = mass of xylose in the reaction solution after treatment / mass of hemicellulose as starting material × 100

なお、スギ粉末は、振動ミルを用いて最大30分の粉砕処理により上記平均粒子径の粉末とした。スギ粉末の組成は、Van Soest法, Proc. Nutr. Soc.,32, 123, 1973に記載に準じて行った。なお、水分、副成抽出物を除いて組成を算出した。組成の分析結果を表1に示す。   In addition, cedar powder was made into the powder of the said average particle diameter by the grinding | pulverization process for a maximum of 30 minutes using a vibration mill. The composition of the cedar powder was performed according to the description of the Van Soest method, Proc. Nutr. Soc., 32, 123, 1973. The composition was calculated excluding moisture and by-product extracts. The analysis results of the composition are shown in Table 1.

Figure 2011224499
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図1に示すように、固体酸触媒の存在下マイクロ波照射による加熱によれば、キシロース糖化率は160℃程度で最大(約40%)を呈し、グルコース糖化率は、温度とともに増大し、190℃で約20%となった。一方、図2に示すように、オイルバス加熱による比較例では、キシロースは、190℃で約35%の糖化率となったが、160℃では、20%強の糖化率に止まった。また、グルコース糖化率は、190℃において初めて10%を超える程度に止まった。すなわち、160℃で比較すると、実施例1によるキシロース糖化率は、比較例の2倍程度となり、実施例1によれば、比較例に比べて30℃低い温度で糖化処理を行い得ることがわかった。   As shown in FIG. 1, when heated by microwave irradiation in the presence of a solid acid catalyst, the xylose saccharification rate exhibits a maximum (about 40%) at about 160 ° C., and the glucose saccharification rate increases with temperature. It became about 20% at ° C. On the other hand, as shown in FIG. 2, in the comparative example by oil bath heating, xylose had a saccharification rate of about 35% at 190 ° C., but at 160 ° C., the saccharification rate was just over 20%. Moreover, the glucose saccharification rate stopped at a level exceeding 10% for the first time at 190 ° C. That is, when compared at 160 ° C., the saccharification rate of xylose according to Example 1 is about twice that of the comparative example, and according to Example 1, it can be seen that saccharification treatment can be performed at a temperature 30 ° C. lower than that of the comparative example. It was.

本実施例では、ユーカリ微粉末(平均粒子径約200μm)0.03g及びユーカリ粗粉末(平均粒子径約200μm)0.03gをそれぞれリグノセルロース系実バイオマスとして用い、反応温度を160℃に設定し、反応時間を種々に異ならせる以外は、実施例1と同様に操作して、各反応液を得、グルコース及びキシロースを定量して、グルコース糖化率及びキシロース糖化率を算出して、反応時間の影響を調べた。また、比較例として、実施例と同一の固体酸触媒を用いかつマイクロ波照射を伴わないで、オイルバスで同一温度条件で同一時間処理し、反応液中のグルコースとキシロースを定量し、実施例1と同様に糖化率を算出した。結果をマイクロ波照射による結果を図3及びオイルバスによる結果を図4に示す。なお、用いたユーカリ粉末は、実施例1と同様の方法により組成分析した。結果を表1に併せて示す。   In this example, 0.03 g of eucalyptus fine powder (average particle size of about 200 μm) and 0.03 g of eucalyptus coarse powder (average particle size of about 200 μm) were used as lignocellulose-based real biomass, respectively, and the reaction temperature was set to 160 ° C. Except for varying the reaction time, the same operation as in Example 1 was performed to obtain each reaction solution, and glucose and xylose were quantified to calculate the glucose saccharification rate and the xylose saccharification rate. The effect was investigated. In addition, as a comparative example, the same solid acid catalyst as in the example was used, and microwave treatment was not performed, but the oil bath was used for the same time under the same temperature condition to determine glucose and xylose in the reaction solution. The saccharification rate was calculated in the same manner as in 1. The results are shown in FIG. 3 for the results of microwave irradiation and FIG. 4 for the results of the oil bath. The eucalyptus powder used was subjected to composition analysis in the same manner as in Example 1. The results are also shown in Table 1.

図3に示すように、固体酸触媒存在下でのマイクロ波照射による糖化によれば、ユーカリ微粉末及びユーカリ粗粉末には、グルコース糖化率及びキシロース糖化率に大きな差違は認められなかった。160℃にあっては、キシロースの糖化が促進され、良好な糖化率を示すことがわかったほか、反応時間は、60分以内が好ましく、50分以内がより好ましいことがわかった。また、図4に示すように、オイルバス加熱による比較例では、微粉末と粗粉末とで大きな相違はないものの、キシロース糖化率は60分反応後でも約40%に留まっていた。また、反応時間30分で比較したとき、マイクロ波照射によるキシロースへの糖化率は、2.5倍から3倍に達することがわかった。   As shown in FIG. 3, according to saccharification by microwave irradiation in the presence of a solid acid catalyst, there was no significant difference in the saccharification rate of glucose and saccharification rate of eucalyptus fine powder and eucalyptus crude powder. It was found that at 160 ° C., saccharification of xylose was promoted and showed a good saccharification rate, and the reaction time was preferably within 60 minutes, more preferably within 50 minutes. Moreover, as shown in FIG. 4, in the comparative example by oil bath heating, although there is no big difference between fine powder and coarse powder, the xylose saccharification rate remained at about 40% even after 60 minutes of reaction. Moreover, when compared with reaction time 30 minutes, it turned out that the saccharification rate to xylose by microwave irradiation reaches 2.5 to 3 times.

本実施例では、バガス1微粉末(平均粒子径約200μm)0.3g、固体酸触媒(酸化グラファイト粉末)0.3gを用い、反応温度を、100℃、120℃、140℃、160℃及び190℃とする以外は、実施例1と同様に操作して反応液を得、グルコース及びキシロースを定量して、グルコース糖化率及びキシロース糖化率を算出した。結果を図5に示す。なお、用いたバガス1微粉末は、実施例1と同様の方法により組成分析した。結果を表1に併せて示す。   In this example, 0.3 g of bagasse 1 fine powder (average particle size of about 200 μm) and 0.3 g of solid acid catalyst (graphite oxide powder) were used, and the reaction temperatures were 100 ° C., 120 ° C., 140 ° C., 160 ° C. and A reaction solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that the temperature was 190 ° C., and glucose and xylose were quantified to calculate a glucose saccharification rate and a xylose saccharification rate. The results are shown in FIG. The bagasse 1 fine powder used was subjected to composition analysis in the same manner as in Example 1. The results are also shown in Table 1.

図5に示すように、キシロース糖化率に関し、130℃以上160℃以下、より具体的には、135℃以上155℃以下、さらに具体的には、135℃以上145℃以下の温度で、最も高い値(60%)を呈した。一方、グルコース糖化率に関しては、130℃で上昇し、140℃以上でほぼ一定(30%)となった。以上のことから、この種の粉末については、上記温度範囲が好ましい反応温度であり、その結果、キシロース糖化率に関しては60%と高い糖化率が得られることがわかった。   As shown in FIG. 5, the saccharification rate of xylose is highest at a temperature of 130 ° C. or higher and 160 ° C. or lower, more specifically, 135 ° C. or higher and 155 ° C. or lower, more specifically 135 ° C. or higher and 145 ° C. or lower. The value (60%) was exhibited. On the other hand, the glucose saccharification rate increased at 130 ° C., and became substantially constant (30%) at 140 ° C. or higher. From the above, it was found that the above temperature range is a preferable reaction temperature for this type of powder, and as a result, a high saccharification rate of 60% was obtained with respect to the xylose saccharification rate.

本実施例では、バガス2粗粉末(平均粒子径2mm以下)0.3g及びバガス2微粉末(平均粒子径100μm)0.3g、固体酸触媒(−SOH基を備えるグラフェン)0.3gを用い、反応温度を、140℃、160℃及び190℃とする以外は、実施例1と同様に操作して反応液を得、グルコース及びキシロースを定量して、グルコース糖化率及びキシロース糖化率を算出した。結果を図6に示す。なお、用いたバガス2微粉末及びバガス2粗粉末は、実施例1と同様の方法により組成分析した。結果を表1に併せて示す。 In this example, 0.3 g of bagasse 2 coarse powder (average particle size 2 mm or less) and 0.3 g of bagasse 2 fine powder (average particle size 100 μm), 0.3 g of solid acid catalyst (graphene having —SO 3 H group) Except that the reaction temperature is 140 ° C., 160 ° C. and 190 ° C., and the reaction solution is obtained in the same manner as in Example 1, and glucose and xylose are quantified. Calculated. The results are shown in FIG. The used bagasse 2 fine powder and the bagasse 2 coarse powder were subjected to composition analysis in the same manner as in Example 1. The results are also shown in Table 1.

図6に示すように、キシロース糖化率に関し、バガス2微粉末とバガス2粗粉末とで大きな差は認められなかった。また、グルコース糖化率に関しては、バガス2粗粉末が反応温度の増大とともにグルコース糖化率が低下する傾向があることがわかった。また、反応温度に関しては、150℃以上170℃以下がグルコース糖化率及びキシロース糖化率とも安定した糖化率を呈しており、155℃以上165℃以下においてそれぞれ最大値を呈することがわかった。以上のことから、上記範囲の反応温度を採用することにより、粉末の平均粒子径によらずに粗粉末でもグルコース糖化率70%、キシロース糖化率20%が得られることがわかった。なお、バガス2は、バガス1と大きくその糖化形態が異なっているが、こうした相違は、バガスであっても部位(茎、葉)やその比率により、セルロースが優先的に糖化されてグルコースとなる場合とヘミセルロースが優先的に糖化されてキシロースとなる場合とがあることによるものと推論されるが、本発明を拘束するものではない。   As shown in FIG. 6, regarding the xylose saccharification rate, no significant difference was observed between the bagasse 2 fine powder and the bagasse 2 coarse powder. Moreover, regarding the glucose saccharification rate, it was found that the bagasse 2 coarse powder tends to decrease the glucose saccharification rate as the reaction temperature increases. Further, regarding the reaction temperature, it was found that 150 ° C. or more and 170 ° C. or less exhibited a stable saccharification rate for both the glucose saccharification rate and the xylose saccharification rate, and each showed a maximum value at 155 ° C. or more and 165 ° C. or less. From the above, it was found that by adopting a reaction temperature in the above range, a glucose saccharification rate of 70% and a xylose saccharification rate of 20% can be obtained even with a coarse powder regardless of the average particle diameter of the powder. Bagasse 2 is significantly different from bagasse 1 in its saccharification form, but even in bagasse, cellulose is preferentially saccharified into glucose depending on the site (stem, leaf) and its ratio. It is inferred that this is because there are cases where hemicellulose is preferentially saccharified to xylose, but this does not restrict the present invention.

Claims (11)

リグノセルロース系実バイオマスからの糖又はその誘導体の製造方法であって、
固体酸触媒と前記リグノセルロース系実バイオマスとを、マイクロ波の照射下で接触させて、前記リグノセルロース系実バイオマスを分解して糖化する工程、を備える、製造方法。
A method for producing sugar or a derivative thereof from lignocellulosic real biomass,
A process comprising: bringing a solid acid catalyst and the lignocellulosic real biomass into contact with each other under microwave irradiation to decompose and saccharify the lignocellulosic real biomass.
前記リグノセルロース系実バイオマスの平均粒子径は、10μm以上10mm以下である、請求項1に記載の製造方法。   The manufacturing method of Claim 1 whose average particle diameter of the said lignocellulose-type real biomass is 10 micrometers or more and 10 mm or less. 前記糖化工程は、前記固体酸触媒と前記リグノセルロース系実バイオマスとを、130℃以上200℃以下の温度で接触させる工程を含む、請求項1又は2に記載の製造方法。   The said saccharification process is a manufacturing method of Claim 1 or 2 including the process which makes the said solid acid catalyst and the said lignocellulosic real biomass contact at the temperature of 130 degreeC or more and 200 degrees C or less. 前記リグノセルロース系実バイオマスは草本系のリグノセルロース系実バイオマスであって、
前記糖化工程は、前記リグノセルロース系実バイオマスと前記固体酸触媒とを130℃以上160℃以下の温度で接触させる工程を含む、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
The lignocellulosic real biomass is a herbaceous lignocellulosic real biomass,
The said saccharification process is a manufacturing method in any one of Claims 1-3 including the process which the said lignocellulosic real biomass and the said solid acid catalyst are made to contact at the temperature of 130 degreeC or more and 160 degrees C or less.
前記リグノセルロース系実バイオマスは、木本系のリグノセルロース系実バイオマスであって、
前記糖化工程は、前記リグノセルロース系実バイオマスと前記固体酸触媒とを150℃以上170℃以下の温度で接触させる工程を含む、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
The lignocellulosic real biomass is a woody lignocellulosic real biomass,
The said saccharification process is a manufacturing method in any one of Claims 1-3 including the process which the said lignocellulose-type real biomass and the said solid acid catalyst are made to contact at the temperature of 150 to 170 degreeC.
前記固体酸触媒は、ブレンステッド酸点を有する固体である、請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。   The said solid acid catalyst is a manufacturing method in any one of Claims 1-5 which is a solid which has a Bronsted acid point. 前記固体酸触媒は、ブレンステッド酸点を有するグラファイト系固体酸触媒である、請求項に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the solid acid catalyst is a graphite-based solid acid catalyst having a Bronsted acid point. 前記ブレンステッド酸点は、−OH基、−COH基及び−SOH基からなる群から選択される1種又は2種以上である、請求項6又は7に記載の製造方法。 The Bronsted acid sites are, -OH group is -CO 2 H group and -SO 3 1 kind selected from the group consisting of H group or two or more, The method according to claim 6 or 7. 前記固体酸触媒は、酸化グラファイト(GO)又は−SOH基を備えるグラフェンである、請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。 The solid acid catalyst is a graphene comprising graphite oxide (GO) or -SO 3 H group, The process according to any one of claims 1 to 7. 前記糖化工程は、反応室として空胴共振器を備えるマイクロ波照射装置を用いる、請求項1〜9のいずれかに記載の製造方法。   The said saccharification process is a manufacturing method in any one of Claims 1-9 using a microwave irradiation apparatus provided with a cavity resonator as a reaction chamber. リグノセルロース系実バイオマスからのヘミセルロースの糖化物の製造方法であって、
リグノセルロース系実バイオマスと固体酸触媒とをマイクロ波照射下に接触させてリグノセルロース系実バイオマス中のキシロースを糖化する糖化工程を備える、方法
A method for producing a saccharified hemicellulose from lignocellulosic real biomass,
A method comprising a saccharification step in which lignocellulosic real biomass and a solid acid catalyst are brought into contact with each other under microwave irradiation to saccharify xylose in the lignocellulosic real biomass.
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