JP2012055167A - Method for treating cellulose-containing material and use thereof - Google Patents

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Nobuhiro Ishida
亘広 石田
Haruo Takahashi
治雄 高橋
Tenho Kamiya
典穂 神谷
Yasuhiro Shoda
靖宏 庄田
Masahiro Goto
雅宏 後藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a further practical method for treating a cellulose-containing material, decomposing more cellulose using an ionic liquid.SOLUTION: The cellulose-containing material is processed by bringing the cellulose-containing material into contact with the hydrophobic ionic liquid containing a carbonyl group in a cationic species.

Description

本発明は、セルロース含有材料の処理方法及びその利用に関する。   The present invention relates to a method for treating a cellulose-containing material and use thereof.

セルロースを糖化して各種用途に用いるための効率的な方法が探索されている。こうした方法の一つとして、イオン液体の利用が着目されている。イオン液体は、常温で液体であり、そのイオン性により、セルロースを可溶化することが報告されている。例えば、クロライド系のイオン液体に100℃程度の条件下でセルロースを可溶化させる性質が見出されている(特許文献1、非特許文献1)。   An efficient method for saccharifying cellulose for use in various applications is being sought. As one of such methods, attention is focused on the use of an ionic liquid. It is reported that an ionic liquid is a liquid at normal temperature and solubilizes cellulose due to its ionicity. For example, it has been found that cellulose is solubilized in a chloride-based ionic liquid at about 100 ° C. (Patent Document 1, Non-Patent Document 1).

さらに、イオン液体で可溶化したセルロースをセルラーゼで糖化する試みもなされているが、イオン液体中ではセルラーゼが不活性化されるという報告がなされている(非特許文献2,3)。イオン液体で可溶化したセルロースを水などの親水性溶媒で洗浄し、その後、イオン液体可溶化セルロースを水に投入することで、初めてセルラーゼで分解できることも報告されている(非特許文献4)。さらに、イオン液体でセルロースを膨潤化し、その後イオン液体を除去した後に、酵素処理を行うという手法も試みられている(特許文献2、非特許文献5)。   Furthermore, attempts have been made to saccharify cellulose solubilized with ionic liquid with cellulase, but it has been reported that cellulase is inactivated in ionic liquid (Non-patent Documents 2 and 3). It has also been reported that cellulose solubilized with an ionic liquid can be decomposed with cellulase for the first time by washing the cellulose with a hydrophilic solvent such as water and then introducing the ionic liquid-solubilized cellulose into water (Non-patent Document 4). Furthermore, a technique of swelling the cellulose with an ionic liquid and then removing the ionic liquid and then performing an enzyme treatment has been attempted (Patent Document 2, Non-Patent Document 5).

こうした中、親水性イオン液体でセルロースを膨潤させた後、膨潤させたセルロースを含む親水性イオン液体にセルラーゼ水溶液を投入することで、イオン液体存在下であってもセルロースを糖化できることが開示されている(特許文献3)。   Under these circumstances, it is disclosed that cellulose can be saccharified even in the presence of an ionic liquid by swelling the cellulose with a hydrophilic ionic liquid and then introducing a cellulase aqueous solution into the hydrophilic ionic liquid containing the swollen cellulose. (Patent Document 3).

特表2005−506401号公報JP 2005-506401 A 米国特許公開2008/0227162号明細書US Patent Publication No. 2008/0227162 特開2009−203454号公報JP 2009-203454 A

R D. Rogerら、J. Am. Chem. Soc. 124(18),4974-4975, 2002R D. Roger et al., J. Am. Chem. Soc. 124 (18), 4974-4975, 2002 大野ら、Polym. Prep. Jpn., 55(1), 2090, 2006Ohno et al., Polym. Prep. Jpn., 55 (1), 2090, 2006 R D. Rogerら、Green Chem., 5, 443-447, 2003R D. Roger et al., Green Chem., 5, 443-447, 2003 C A. Schallら、Biotechnol. Bioeng., 95(5), 904-910,2006C A. Schall et al., Biotechnol. Bioeng., 95 (5), 904-910, 2006 Q. Liら,Bioresour Technol., Vol.100, p3570-3575, 2009Q. Li et al., Bioresour Technol., Vol.100, p3570-3575, 2009

以上の先行技術のうち、特許文献3以外は、いずれも、セルロースの糖化に先立つセルロースの前処理に対するイオン液体の利用に留まっている。すなわち、イオン液体で前処理したセルロースを、効率的にセルラーゼによって分解する技術については開示されていない。一方、特許文献3に開示の技術によれば、構造が緩和されたセルロースを含む親水性イオン液体の存在下で、セルラーゼを作用させることができるため、イオン液体による前処理工程と、セルラーゼによるセルロースの分解糖化工程とを、効率的にあるいは連続的に行い得る。   Among the above prior arts, all except Patent Document 3 are limited to the use of an ionic liquid for pretreatment of cellulose prior to saccharification of cellulose. That is, there is no disclosure of a technique for efficiently decomposing cellulose pretreated with an ionic liquid with cellulase. On the other hand, according to the technique disclosed in Patent Document 3, cellulase can be allowed to act in the presence of a hydrophilic ionic liquid containing cellulose having a relaxed structure. The decomposition saccharification step can be performed efficiently or continuously.

しかしながら、特許文献3の記載の方法では、糖化の際、親水性イオン液体と水とが相互に混ざり合ってしまう。このため、この混合液からセルロースの低分子化物を回収する工程や、この混合液からイオン液体を回収して再利用する工程等において多くのプロセスやエネルギーが必要になってしまうという問題があった。   However, in the method described in Patent Document 3, the hydrophilic ionic liquid and water are mixed with each other during saccharification. For this reason, there has been a problem that many processes and energy are required in the step of recovering the low molecular weight product of cellulose from the mixed solution and the step of recovering and reusing the ionic liquid from the mixed solution. .

そこで、本発明は、イオン液体を用いたセルロースの糖化にあたり、イオン液体やセルロースの分解産物の回収に効率的に行いうる、セルロース含有材料の処理方法等を提供することを一つの目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for treating a cellulose-containing material and the like that can be efficiently performed for recovery of an ionic liquid or a degradation product of cellulose in saccharification of cellulose using an ionic liquid.

本発明者らは、イオン液体で前処理したセルロースを効率的に酵素分解することについて種々検討した結果、ある種の疎水性イオン液体とセルロースとの親和性が高いこと、及びこの疎水性イオン液体に水を添加すると、セルロースが疎水性イオン液体相と水相との界面に局在することを見出した。また、この水相にセルラーゼを含有させることで、界面に局在するセルラーゼの糖化分解反応が生じることを見出した。さらに、セルロースの分解産物は、水相に含まれるということも見出した。本明細書の開示によれば、これらの知見に基づき以下の手段が提供される。   As a result of various studies on efficient enzymatic degradation of cellulose pretreated with an ionic liquid, the present inventors have found that a certain kind of hydrophobic ionic liquid and cellulose have a high affinity, and this hydrophobic ionic liquid. It was found that when water was added to cellulose, cellulose was localized at the interface between the hydrophobic ionic liquid phase and the aqueous phase. Further, it has been found that by containing cellulase in the aqueous phase, a saccharification / decomposition reaction of cellulase localized at the interface occurs. Furthermore, it discovered that the decomposition product of a cellulose was contained in an aqueous phase. According to the disclosure of the present specification, the following means are provided based on these findings.

本明細書の開示によれば、セルロース含有材料の処理方法であって、前記セルロース含有材料とカルボニル基を有する疎水性イオン液体とを接触させる工程、を備える、処理方法が提供される。前記疎水性イオン液体は、以下の式で表されるイオン液体から選択される1種又は2種以上のカチオン種を有することができる。
According to the disclosure of the present specification, there is provided a method for treating a cellulose-containing material, the method comprising contacting the cellulose-containing material with a hydrophobic ionic liquid having a carbonyl group. The hydrophobic ionic liquid may have one or two or more cationic species selected from ionic liquids represented by the following formula.

(式(I)及び(II)中、R〜Rから選択される少なくとも一つの置換基が、下記式(1)で表される。式(III)及び(IV)中、R及びR2から選択される少なくとも一つの置換基が、下記式(1)で表される。式(V)中、Rが、下記式(1)で表される。また、式(I)〜(IV)中、下記式(1)で表されない置換基は、それぞれ独立に、置換されていてもよいアルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基を表す。)
(In formulas (I) and (II), at least one substituent selected from R 1 to R 4 is represented by the following formula (1). In formulas (III) and (IV), R 1 and At least one substituent selected from R 2 is represented by the following formula (1): In formula (V), R 1 is represented by the following formula (1). (In (IV), the substituent not represented by the following formula (1) independently represents an optionally substituted alkyl group, alkenyl group, alkynyl group or aryl group.)

(式(1)中、Rは、置換されていてもよい炭化水素のジイル基を表し、R6は、置換されていてもよいアルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基を表す。) (In Formula (1), R 5 represents an optionally substituted diyl group of a hydrocarbon, and R 6 represents an optionally substituted alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, and aryl group.)

好ましくは、前記カチオン種は、下記(2)で表される。
Preferably, the cationic species is represented by the following (2).

(式(2)中、R1及びR6は、それぞれ独立に置換されていてもよいアルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基を表し、Rは、置換されていてもよい炭化水素のジイル基を表す。) (In Formula (2), R 1 and R 6 each independently represent an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, and an aryl group, which may be substituted, and R 5 represents an optionally substituted hydrocarbon group. Represents a diyl group.)

さらに、前記イオン液体のアニオン種は、パーフルオロアルキル基含有フルオロホスフェートアニオン及びパーフルオロアルキル基含有スルホニルイミドアニオンから選択される1種又は2種以上としてもよい。さらに、前記疎水性イオン液体と接触後の前記セルロース含有材料に疎水性イオン液体に対する親水性溶媒を供給して前記疎水性イオン液体相と前記親水性溶媒相との二相系を形成する工程を備えていてもよい。また、前記疎水性イオン液体は、塩化リチウムを含有していてもよいし、前記接触工程に先だって、前記疎水性イオン液体に、塩化リチウム又は塩化リチウム水溶液を添加する工程を備えていてもよい。   Furthermore, the anion species of the ionic liquid may be one or more selected from a perfluoroalkyl group-containing fluorophosphate anion and a perfluoroalkyl group-containing sulfonylimide anion. Furthermore, a step of supplying a hydrophilic solvent for the hydrophobic ionic liquid to the cellulose-containing material after contact with the hydrophobic ionic liquid to form a two-phase system of the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase. You may have. In addition, the hydrophobic ionic liquid may contain lithium chloride, and may include a step of adding lithium chloride or an aqueous lithium chloride solution to the hydrophobic ionic liquid prior to the contacting step.

本明細書の開示によれば、セルロース含有材料の分解産物の生産方法であって、前記セルロース含有材料とカルボニル基を有する疎水性イオン液体とを接触させる工程と、前記疎水性イオン液体に親水性溶媒を供給して前記疎水性イオン液体相と前記親水性溶媒相との二相系を形成する工程と、セルラーゼにより前記疎水性イオン液体相と前記親水性溶媒相との界面近傍の前記セルロース含有材料のセルロースを分解する工程と、を備える、生産方法が提供される。   According to the disclosure of the present specification, there is provided a method for producing a degradation product of a cellulose-containing material, the step of bringing the cellulose-containing material into contact with a hydrophobic ionic liquid having a carbonyl group, and hydrophilicity to the hydrophobic ionic liquid. Supplying a solvent to form a two-phase system of the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase, and containing the cellulose in the vicinity of the interface between the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase by cellulase Decomposing the cellulose of the material.

前記生産方法にあっては、前記セルロースの分解工程後に、前記親水性溶媒相の少なくとも一部を回収する工程を備えることもできる。また、前記セルロースの分解工程後の疎水性イオン液体相の少なくとも一部を回収する工程を備えていてもよい。   In the said production method, the process of collect | recovering at least one part of the said hydrophilic solvent phase can also be provided after the decomposition | disassembly process of the said cellulose. Moreover, you may provide the process of collect | recovering at least one part of the hydrophobic ionic liquid phase after the decomposition | disassembly process of the said cellulose.

さらに、本明細書の開示によれば、セルロース糖化用のイオン液体組成物であって、カルボニル基を有する疎水性イオン液体を含有する、組成物が提供される。前記組成物は、さらに、塩化リチウムを含有していてもよい。また、前記疎水性イオン液体に塩化リチウム水溶液が添加されて得られるものであってもよい。さらに、前記疎水性イオン液体は、以下の式で表されるイオン液体から選択される1種又は2種以上であってもよい。さらにまた、前記組成物は、セルロース含有材料を含んでいてもよい。   Further, according to the disclosure of the present specification, there is provided an ionic liquid composition for cellulose saccharification, which contains a hydrophobic ionic liquid having a carbonyl group. The composition may further contain lithium chloride. Further, it may be obtained by adding an aqueous lithium chloride solution to the hydrophobic ionic liquid. Furthermore, the said hydrophobic ionic liquid may be 1 type, or 2 or more types selected from the ionic liquid represented by the following formula | equation. Furthermore, the composition may include a cellulose-containing material.

前記組成物の前記イオン液体のアニオン成分は、前記フッ化アルキル基含有アニオン種は、パーフルオロアルキル基含有フルオロホスフェートアニオン及びパーフルオロアルキル基含有スルホニルイミドアニオンから選択される1種又は2種以上としてもよい。   As the anion component of the ionic liquid of the composition, the fluorinated alkyl group-containing anion species is one or more selected from a perfluoroalkyl group-containing fluorophosphate anion and a perfluoroalkyl group-containing sulfonylimide anion. Also good.

本明細書の開示によれば、有用物質の生産方法であって、セルロース含有材料とカルボニル基を有する疎水性イオン液体相に分散させる工程と、前記疎水性イオン液体相に親水性溶媒を供給して前記疎水性イオン液体相と前記親水性溶媒相との二相系を形成する工程と、セルラーゼにより前記疎水性イオン液体相と前記親水性溶媒相との界面近傍の前記セルロース含有材料のセルロースを分解する工程と、前記セルロース分解工程で得られたセルロース分解産物を炭素源として用いて微生物の発酵によって有用物質を生産する工程と、を備える、生産方法が提供される。   According to the disclosure of the present specification, there is a method for producing a useful substance, the step of dispersing in a cellulose-containing material and a hydrophobic ionic liquid phase having a carbonyl group, and supplying a hydrophilic solvent to the hydrophobic ionic liquid phase. A step of forming a two-phase system of the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase, and cellulose of the cellulose-containing material in the vicinity of the interface between the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase by cellulase. There is provided a production method comprising a step of decomposing, and a step of producing a useful substance by fermentation of microorganisms using the cellulose degradation product obtained in the cellulose decomposing step as a carbon source.

本発明のセルロースの処理方法及びセルロースの分解産物の生産方法等の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the processing method of the cellulose of this invention, the production method of the degradation product of a cellulose, etc. 疎水性イオン液体相と親水性溶媒相との界面におけるセルロース含有材料又はセルロースの存在状態及びセルラーゼによる分解挙動の一態様を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the one aspect | mode of the decomposition | disassembly behavior by the presence state of a cellulose containing material or a cellulose in the interface of a hydrophobic ionic liquid phase and a hydrophilic solvent phase, or a cellulose. 疎水性イオン液体に対する塩化リチウムの添加効果の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the addition effect of lithium chloride with respect to hydrophobic ionic liquid. 疎水性イオン液体に対する塩化リチウム飽和水溶液の添加効果の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the addition effect of lithium chloride saturated aqueous solution with respect to hydrophobic ionic liquid. 塩化リチウム以外の塩の添加効果の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the addition effect of salts other than lithium chloride. 塩化リチウムの添加量の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the addition amount of lithium chloride.

本明細書の開示は、セルロース含有材料の処理方法、セルロース分解産物の生産方法等に関する。本明細書の開示によれば、セルロース含有材料は、カチオン種にカルボニル基を有する疎水性イオン液体と接触されると、疎水性イオン液体とセルロース含有材料とがよく親和し、疎水性イオン液体がセルロース含有材料に浸透する。疎水性イオン液体がセルロース含有材料に対して過剰に存在する場合には、セルロース含有材料は、疎水性イオン液体に分散される。この後、この疎水性イオン液体に水性媒体などの親水性溶媒を供給することにより、セルロース含有材料を含む疎水性イオン液体相と親水性溶媒相との二相系が形成される。   The present disclosure relates to a method for treating a cellulose-containing material, a method for producing a cellulose degradation product, and the like. According to the disclosure of the present specification, when a cellulose-containing material is brought into contact with a hydrophobic ionic liquid having a carbonyl group in a cationic species, the hydrophobic ionic liquid and the cellulose-containing material have a good affinity, and the hydrophobic ionic liquid Penetrates cellulose-containing materials. When the hydrophobic ionic liquid is present in excess relative to the cellulose-containing material, the cellulose-containing material is dispersed in the hydrophobic ionic liquid. Thereafter, by supplying a hydrophilic solvent such as an aqueous medium to the hydrophobic ionic liquid, a two-phase system of a hydrophobic ionic liquid phase containing a cellulose-containing material and a hydrophilic solvent phase is formed.

図2に示すように、上記処理方法で形成された二相系においては、その界面にセルロースを含む画分が局在され濃縮される。このとき、疎水性イオン液体と親和したセルロース含有材料は、界面に局在し濃縮されたセルロースはセルラーゼがアクセスしやすい状態に形成されている。一方、セルラーゼは、親水性溶媒相に存在する。この結果、界面に局在するセルロース含有材料のセルロースは、セルラーゼにより分解されやすくなっている。同時に、セルラーゼと疎水性イオン液体との接触は抑制されており、その酵素活性は確保されやすくなっている。これらの結果、セルラーゼによりセルロースが効率的に分解される。   As shown in FIG. 2, in the two-phase system formed by the above processing method, a fraction containing cellulose is localized and concentrated at the interface. At this time, the cellulose-containing material having affinity with the hydrophobic ionic liquid is formed in a state in which cellulose concentrated and localized at the interface is easily accessible by cellulase. On the other hand, cellulase exists in the hydrophilic solvent phase. As a result, cellulose of the cellulose-containing material localized at the interface is easily decomposed by cellulase. At the same time, contact between the cellulase and the hydrophobic ionic liquid is suppressed, and the enzyme activity is easily secured. As a result, cellulose is efficiently decomposed by cellulase.

以上の効果は、ある種の疎水性イオン液体相と親水性溶媒相の二相系を形成した状態でセルロースを分解するためである。すなわち、疎水性イオン液体によるセルロース含有材料に対する作用によって親水性溶媒に対して親和性が高い部分が生成又は露出されるため、セルロース含有材料は、疎水性イオン液体相と親水性溶媒相との界面に局在されるようになる。そして、セルラーゼはこうしたセルロースにアクセスしてセルロースを分解し、その分解によりさらにセルロースの崩壊が進行し、セルラーゼによる分解も進行するものと考えられる。セルロースの分解産物は、分解に伴い親水性溶媒相に移行してさらに確実に分解され回収される。   The above effect is because cellulose is decomposed in a state where a two-phase system of a certain type of hydrophobic ionic liquid phase and a hydrophilic solvent phase is formed. That is, the cellulose-containing material has an interface between the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase because a portion having a high affinity for the hydrophilic solvent is generated or exposed by the action of the hydrophobic ionic liquid on the cellulose-containing material. Become localized. And it is thought that cellulase accesses such cellulose and decomposes | disassembles cellulose, disintegration of cellulose further advances by the decomposition, and decomposition by cellulase also advances. The decomposition product of cellulose is transferred to the hydrophilic solvent phase along with the decomposition, and is further reliably decomposed and recovered.

また、二相系ゆえに、疎水性イオン液体はそれ自体分離回収が容易である。また、セルロースの分解産物であるグルコース等は親水性溶媒相に移行する。このため、セルロース分解産物は親水性溶媒相としてあるいは当該溶媒相から容易に分離回収される。   Further, because of the two-phase system, the hydrophobic ionic liquid itself is easy to separate and recover. In addition, glucose or the like, which is a decomposition product of cellulose, moves to the hydrophilic solvent phase. For this reason, the cellulose degradation product is easily separated and recovered as a hydrophilic solvent phase or from the solvent phase.

以上のように、本明細書の開示によれば、疎水性イオン液体とセルロース含有材料とを接触させてセルロース含有材料に疎水性イオン液体を浸透させることで、その後親水性溶媒を供給したときに二相系を形成できる。その結果、セルラーゼによるセルロースの効率的な分解とその回収並びに疎水性イオン液体の分離回収及び再利用が可能となる。また、これにより、セルロース含有材料を効率的に有用物質に変換できるようになる。   As described above, according to the disclosure of the present specification, when the hydrophobic ionic liquid and the cellulose-containing material are brought into contact with each other and the hydrophobic ionic liquid is infiltrated into the cellulose-containing material, the hydrophilic solvent is subsequently supplied. A two-phase system can be formed. As a result, the cellulose can be efficiently decomposed and recovered by cellulase, and the hydrophobic ionic liquid can be separated and recovered and reused. This also makes it possible to efficiently convert the cellulose-containing material into a useful substance.

以下、本明細書に開示される各種の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本明細書に開示されるセルロース含有材料の処理方法、セルロース分解産物の生産方法及び有用物質の生産方法の概要の一例を示す図であり、図2は、疎水性イオン液体相と親水性溶媒相との二相系の界面におけるセルロースの分解挙動の一態様を模式的に示す図である。   Hereinafter, various embodiments disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is a diagram showing an example of an outline of a method for treating a cellulose-containing material, a method for producing a cellulose degradation product, and a method for producing a useful substance disclosed in the present specification, and FIG. 2 shows a hydrophobic ionic liquid phase. It is a figure which shows typically the one aspect | mode of the decomposition | disassembly behavior of the cellulose in the interface of a two phase system with a hydrophilic solvent phase.

(セルロース含有材料)
本明細書において、セルロースとは、グルコースがβ-1,4-グルコシド結合により重合した重合体及びその誘導体をいう。セルロースにおけるグルコースの重合度は特に限定しないが、好ましくは200以上である。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、セロビオースを含んでいてもよい。さらに、セルロースは、配糖体であるβグルコシド、リグニン及び/又はヘミセルロースとの複合体であるリグノセルロース、さらにペクチンなどとの複合体であってもよい。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が、好ましくは結晶性セルロースを含む。さらに、セルロースは、天然由来のものでも、人為的に合成したものでもよい。セルロースの由来も特に限定しない。植物由来のものでも、真菌由来のものでも、細菌由来のものであってもよい。
(Cellulose-containing material)
In the present specification, cellulose refers to a polymer in which glucose is polymerized by β-1,4-glucoside bonds and derivatives thereof. The degree of polymerization of glucose in cellulose is not particularly limited, but is preferably 200 or more. In addition, examples of the derivative include derivatives such as carboxymethylation, aldehyde formation, or esterification. Cellulose may contain cellooligosaccharide and cellobiose, which are partially decomposed products thereof. Further, the cellulose may be a complex with β-glucoside, which is a glycoside, lignocellulose, which is a complex with lignin and / or hemicellulose, and pectin. The cellulose may be crystalline cellulose or non-crystalline cellulose, but preferably contains crystalline cellulose. Furthermore, the cellulose may be naturally derived or artificially synthesized. The origin of cellulose is not particularly limited. It may be derived from plants, fungi, or bacteria.

また、セルロースは、天然では植物細胞壁の主たる構成成分として存在し、多糖としては地球上で最も多く生産されている。植物細胞壁において、セルロースは、結晶性セルロース領域と非晶質セルロース領域とを形成している。また、セルロースは、植物細胞壁において、リグニンやヘミセルロースと複合化されたセルロース含有マトリックスを形成している。   In addition, cellulose naturally exists as a main component of plant cell walls, and is most produced as a polysaccharide on the earth. In the plant cell wall, the cellulose forms a crystalline cellulose region and an amorphous cellulose region. Cellulose forms a cellulose-containing matrix complexed with lignin and hemicellulose on the plant cell wall.

本明細書において、セルロース含有材料とは、上記したセルロースを含むものであればよい。したがって、セルロースは結晶性セルロースであっても非結晶性セルロースであってもよく、セルロースのほか、ヘミセルロースやリグニンを含んでいてもよい。セルロース含有材料としては、綿や麻などの天然繊維品、レーヨン、キュプラ、アセテート、リヨセルなどの再生繊維品、稲ワラなどの各種ワラ、籾殻、バガス、木材チップなどの農産廃棄物、古紙、建築廃材などの各種廃棄物などを含むバイオマス(木質系及び草本系)が挙げられる。   In the present specification, the cellulose-containing material may be any material that contains cellulose as described above. Therefore, the cellulose may be crystalline cellulose or amorphous cellulose, and may contain hemicellulose or lignin in addition to cellulose. Cellulose-containing materials include natural fiber products such as cotton and linen, recycled fiber products such as rayon, cupra, acetate and lyocell, various straws such as rice straw, agricultural waste such as rice husks, bagasse and wood chips, waste paper, construction Biomass (woody and herbaceous) containing various wastes such as waste materials.

本明細書に開示される各種実施形態に適用されるセルロース含有材料は特に限定されない。後述する実施例においても開示するように、本明細書に開示される疎水性イオン液体は、結晶性セルロースであってもその一部を可溶化又は崩壊又は溶解できることがわかっている。すなわち、結晶性セルロースのように、水素結合により強固に相互作用して結晶性の高い領域であっても、疎水性イオン液体が親和し浸透し、その構造を緩和してセルラーゼによる分解を促進できる。このため、疎水性イオン液体がセルロースを含むマトリックスの崩壊・可溶化又は溶解に作用することができれば、そのセルロース含有材料を本処理方法に適用できると考えられる。また、疎水性イオン液体のセルロースを含むマトリックスへの作用を考慮すると、セルロース含有材料は水に不溶性あるいは難溶解性のものであることが好ましい。かかるセルロース含有材料としては、結晶性セルロースを含有するセルロース含有材料が挙げられ、また、例えば、セルロースのほかリグニン及び/又はヘミセルロースを含有する植物細胞壁由来のセルロース含有マトリックスを含む材料が挙げられる。典型的には、草本系や木質系のバイオマスが挙げられる。   The cellulose-containing material applied to the various embodiments disclosed in the present specification is not particularly limited. As disclosed in the examples described later, it has been found that the hydrophobic ionic liquid disclosed in the present specification can be solubilized, disintegrated, or dissolved even if it is crystalline cellulose. In other words, even in a highly crystalline region that interacts strongly due to hydrogen bonding, such as crystalline cellulose, the hydrophobic ionic liquid can permeate and permeate, relax its structure and promote cellulase degradation. . Therefore, if the hydrophobic ionic liquid can act on the disintegration / solubilization or dissolution of the matrix containing cellulose, it is considered that the cellulose-containing material can be applied to this treatment method. In consideration of the action of the hydrophobic ionic liquid on the cellulose-containing matrix, the cellulose-containing material is preferably insoluble or hardly soluble in water. Examples of the cellulose-containing material include a cellulose-containing material containing crystalline cellulose, and examples thereof include a material containing a cellulose-containing matrix derived from a plant cell wall containing lignin and / or hemicellulose in addition to cellulose. Typically, herbaceous or woody biomass is mentioned.

(セルロース含有材料の処理方法)
本明細書に開示されるセルロース含有材料の処理方法は、セルロース含有材料とカルボニル基を有する疎水性イオン液体とを接触させる工程(以下、接触工程という。)を備えることができる。さらに、本明細書に開示される処理方法は、疎水性イオン液体と接触後のセルロース含有材料に疎水性イオン液体に対する親水性溶媒を供給して前記疎水性イオン液体相と前記親水性溶媒相との二相系を形成する工程(以下、二相系形成工程という。)を備えることもできる。
(Method for treating cellulose-containing material)
The method for treating a cellulose-containing material disclosed in the present specification can include a step of contacting the cellulose-containing material and a hydrophobic ionic liquid having a carbonyl group (hereinafter referred to as a contacting step). Further, the treatment method disclosed in the present specification is to supply a hydrophilic solvent for the hydrophobic ionic liquid to the cellulose-containing material after contact with the hydrophobic ionic liquid, thereby providing the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase. A step of forming a two-phase system (hereinafter referred to as a two-phase system forming step) can also be provided.

(接触工程)
本明細書に開示される接触工程は、液相である疎水性イオン液体と固相であるセルロース含有材料とを接触させる工程である。カルボニル基を有する疎水性イオン液体は、セルロース含有材料のセルロースを含むマトリックスに親和性ないし浸透性を有しており、セルロース含有材料の少なくとも一部を崩壊させその構造を緩和することができる。本明細書の開示を拘束するものではないが、セルロースは疎水性領域と親水性領域とを併せ持つ高分子材料であるため、その疎水性領域と疎水性イオン液体との相互作用により疎水性イオン液体がセルロース含有マトリックスに浸透し、その少なくとも一部を破壊するものと考えられる。また、セルロース含有材料が、セルロース以外にヘミセルロースやリグニンを含むセルロース含有マトリックスを備えている場合には、同様に、これらの成分の疎水性領域と相互作用して、セルロース含有マトリックスに浸透し、その一部を崩壊するものと考えられる。
(Contact process)
The contact step disclosed in the present specification is a step of bringing a hydrophobic ionic liquid that is a liquid phase into contact with a cellulose-containing material that is a solid phase. The hydrophobic ionic liquid having a carbonyl group has affinity or permeability to the cellulose-containing matrix of the cellulose-containing material, and can disintegrate at least a part of the cellulose-containing material and relax its structure. Although not restricting the disclosure of this specification, since cellulose is a polymer material having both a hydrophobic region and a hydrophilic region, the hydrophobic ionic liquid is caused by the interaction between the hydrophobic region and the hydrophobic ionic liquid. Is believed to penetrate the cellulose-containing matrix and destroy at least a portion thereof. In addition, when the cellulose-containing material has a cellulose-containing matrix containing hemicellulose or lignin in addition to cellulose, similarly, it interacts with the hydrophobic regions of these components and penetrates into the cellulose-containing matrix. It is thought that a part will collapse.

(疎水性イオン液体)
本明細書において、疎水イオン液体は、水と二相分離するイオン液体をいうものとする。なお、温度変化によって水と二相分離するイオン液体であってもよい。接触工程に適用される疎水性イオン液体は、カチオン種にカルボニル基を有する疎水性イオン液体であれば特に限定されない。こうした疎水性イオン液体は、例えば、セルロース含有材料に対して浸透性を有する疎水性イオン液体は、セルロース含有材料と混合したとき、セルロース含有材料を疎水性イオン液体の下方への集積を抑制して懸濁ないし分散することができる。また、その疎水性イオン液体と接触後に親水性溶媒相中のセルラーゼのアクセスを容易化できる。
(Hydrophobic ionic liquid)
In the present specification, the hydrophobic ionic liquid refers to an ionic liquid that is two-phase separated from water. It may be an ionic liquid that is two-phase separated from water by temperature change. The hydrophobic ionic liquid applied to the contact step is not particularly limited as long as it is a hydrophobic ionic liquid having a carbonyl group as a cationic species. Such a hydrophobic ionic liquid is, for example, a hydrophobic ionic liquid that is permeable to a cellulose-containing material. When mixed with a cellulose-containing material, the cellulose-containing material suppresses the downward accumulation of the hydrophobic ionic liquid. It can be suspended or dispersed. Also, cellulase access in the hydrophilic solvent phase can be facilitated after contact with the hydrophobic ionic liquid.

イオン液体は、その融点が100℃以下であることが好ましく、より好ましくは80℃以下である。さらに好ましくは40℃以下であり、最も好ましくは20℃以下である。   The melting point of the ionic liquid is preferably 100 ° C. or lower, more preferably 80 ° C. or lower. More preferably, it is 40 degrees C or less, Most preferably, it is 20 degrees C or less.

疎水性イオン液体としては、例えば、第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、炭化水素基等で置換された置換イミダゾリウム塩、置換ピリジニウム塩、置換ピロリジニウム塩(脂環式第4級アンモニウム塩)、第三級スルホニウム塩等が挙げられ、本発明の疎水性イオン液体としては、第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、置換イミダゾリウム塩、置換ピリジニウム塩及び置換ピロリジニウム塩が好ましく、なかでも第四級アンモニウム塩及び第四級ホスホニウム塩が好ましい。第4級アンモニウム塩、第4級ホスホニウム塩、置換イミダゾリウム塩、置換ピロリジニウム塩及び置換ピリジニウム塩をそれぞれ一般式(I)〜(V)として表す。   Examples of the hydrophobic ionic liquid include quaternary ammonium salts, quaternary phosphonium salts, substituted imidazolium salts substituted with hydrocarbon groups, substituted pyridinium salts, substituted pyrrolidinium salts (alicyclic quaternary ammonium salts). ), Tertiary sulfonium salts and the like, and the hydrophobic ionic liquid of the present invention is preferably a quaternary ammonium salt, a quaternary phosphonium salt, a substituted imidazolium salt, a substituted pyridinium salt or a substituted pyrrolidinium salt. However, quaternary ammonium salts and quaternary phosphonium salts are preferred. A quaternary ammonium salt, a quaternary phosphonium salt, a substituted imidazolium salt, a substituted pyrrolidinium salt, and a substituted pyridinium salt are represented by general formulas (I) to (V), respectively.

疎水性イオン液体の構成カチオン種の基本骨格としては、一般式(I)に示すように、同一または相異なる4つ置換基が窒素原子に結合したアンモニウムカチオン、一般式(II)に示すように、同一または相異なる4つの置換基がリン原子に結合したホスホニウムカチオン、一般式(III)に示すように、イミダゾール環の2つの窒素原子が同一又は相異なる置換基と結合したイミダゾリウムカチオン、一般式(IV)に示すように、ピロリジン環上の窒素原子が置換基と結合したピロリジニウムカチオン、一般式(V)に示すように、ピリジン環上の窒素原子が置換基と結合したピリジニウムカチオン、同一または相異なる3つの置換基がイオウ原子に結合したスルホニウムカチオンなどが挙げられる。   As the basic skeleton of the cation species constituting the hydrophobic ionic liquid, as shown in the general formula (I), an ammonium cation having the same or different four substituents bonded to the nitrogen atom, as shown in the general formula (II) A phosphonium cation in which four identical or different substituents are bonded to a phosphorus atom, an imidazolium cation in which two nitrogen atoms of an imidazole ring are bonded to the same or different substituents as shown in the general formula (III), A pyrrolidinium cation in which the nitrogen atom on the pyrrolidine ring is bonded to a substituent as shown in formula (IV), and a pyridinium cation in which the nitrogen atom on the pyridine ring is bonded to a substituent as shown in general formula (V) And sulfonium cations in which three identical or different substituents are bonded to a sulfur atom.

好ましい構成カチオン種の基本骨格としては、イミダゾール環の2つの窒素原子が同一又は相異なる置換基と結合したイミダゾリウムカチオン、ピリジン環上の窒素原子が置換基と結合したピリジニウムカチオン及びピロリジン環上の窒素原子が置換基と結合したピロリジニウムカチオンが挙げられる。なお、これらの環状体は、2個が連結されるなどの多環構造を形成していてもよい。   Preferred basic cation species include imidazolium cations in which two nitrogen atoms of the imidazole ring are bonded to the same or different substituents, pyridinium cations in which the nitrogen atoms on the pyridine ring are bonded to substituents, and pyrrolidine rings. Examples include pyrrolidinium cations in which a nitrogen atom is bonded to a substituent. In addition, these cyclic bodies may form a polycyclic structure in which two are connected.

これらのカチオン種における置換基(一般式(I)〜(V)中においてはR〜Rで表される。)は、少なくとも1つの置換基がカルボニル基を有していることが好ましい。カルボニル基は、置換基の末端にあってもよいし、各環の近傍にあってもよい。また、カルボニル基は、その炭素原子にアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキル置換アミノ基を有していてもよい。こうしたカルボニル基を有する置換基としては、たとえば、以下の式(1)で表される置換基が挙げられる。 It is preferable that at least one substituent of the substituents in these cationic species (represented by R 1 to R 4 in the general formulas (I) to (V)) has a carbonyl group. The carbonyl group may be at the end of the substituent or in the vicinity of each ring. The carbonyl group may have an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, or an alkyl-substituted amino group at the carbon atom. Examples of the substituent having such a carbonyl group include a substituent represented by the following formula (1).

式(1)中、Rは、置換されていてもよい炭化水素のジイル基を表し、R6は、置換されていてもよいアルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基を表す。式(1)中、Rは、置換されていてもよい炭化水素のジイル基を表し、R6は、置換されていてもよいアルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基を表す。 In the formula (1), R 5 represents an optionally substituted diyl group of a hydrocarbon, and R 6 represents an optionally substituted alkyl group, alkenyl group, alkynyl group or aryl group. In the formula (1), R 5 represents an optionally substituted diyl group of a hydrocarbon, and R 6 represents an optionally substituted alkyl group, alkenyl group, alkynyl group or aryl group.

好ましくは、前記カチオン種は、下記(2)で表される。
Preferably, the cationic species is represented by the following (2).

式(1)中、R1及びR6は、それぞれ独立に置換されていてもよいアルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基を表し、Rは、置換されていてもよい炭化水素のジイル基を表す。炭化水素のジイル基は、炭素数1〜18程度のアルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基等が挙げられる。好ましくは炭素数1〜6程度、より好ましくは炭素数1〜4程度のアルキレン基である。また、炭化水素のジイル基は、アルキル基等で置換されていてもよいベンゼン環を有していてもよく、2つのイル基は、ベンゼン環上にあってもよいし、一方がベンゼン環上にあり他方が置換基上にあってもよし、双方が置換基上にあってもよい。例えば、炭化水素のジイル基としては、メチレン基のほか以下の式(3)で表されるジイル基が挙げられる。 In the formula (1), R 1 and R 6 each independently represent an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group and an aryl group, which may be substituted, and R 5 represents a diyl of an optionally substituted hydrocarbon. Represents a group. Examples of the hydrocarbon diyl group include an alkylene group having about 1 to 18 carbon atoms, an alkenylene group, and an alkynylene group. Preferably it is a C1-C6 grade, More preferably, it is a C1-C4 alkylene group. The hydrocarbon diyl group may have a benzene ring which may be substituted with an alkyl group or the like, and the two yl groups may be on the benzene ring, or one of them may be on the benzene ring. And the other may be on the substituent or both may be on the substituent. For example, examples of the diyl group of hydrocarbon include a methylene group and a diyl group represented by the following formula (3).

カルボニル基を有する置換基以外の置換基R〜Rは、それぞれ独立に炭素数1〜18であって、直鎖状又は分岐状のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基であることが好ましい。好ましいアルキル基としては、炭素数1〜18の直鎖状のアルキル基が挙げられる。具体的には、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−デシル基、n−ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基などが挙げられる。また、ベンジル基、ベンザル基、ベンジリデン基などの芳香族系炭化水素基であってもよい。好ましいアルケニル基としては、低級アルキル基等で置換されていてもよいアリル基(2−プロペニル基)などがあげられる。また、置換基には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基の炭素数1〜4程度のアルキル基を備えるアルコキシ基を有していてもよい。好ましくは、2−メトキシエチル基のように、アルキル鎖の末端にアルコキシ基を備える。 Substituents R 1 to R 4 other than the substituent having a carbonyl group each independently have 1 to 18 carbon atoms and are a linear or branched alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, and aryl group. Is preferred. Preferable alkyl groups include linear alkyl groups having 1 to 18 carbon atoms. Specifically, for example, methyl group, ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-heptyl group, n-octyl group, n-decyl group, n- A dodecyl group, a tetradecyl group, a hexadecyl group, etc. are mentioned. Further, it may be an aromatic hydrocarbon group such as a benzyl group, a benzal group, or a benzylidene group. Preferred alkenyl groups include allyl groups (2-propenyl groups) optionally substituted with lower alkyl groups and the like. In addition, the substituent may have an alkoxy group having an alkyl group having about 1 to 4 carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, and an n-butyl group. Preferably, an alkoxy group is provided at the end of the alkyl chain, such as a 2-methoxyethyl group.

好ましいアニオン種は、例えば以下の式(4)〜(6)に挙げられる。
Preferred anionic species are exemplified by the following formulas (4) to (6).

疎水性イオン液体の構成アニオン種としては、例えば、ビス(トリフルオロメタン)スルホンイミドアニオン((CF3SO2)2-)などのビス(パーフルオロアルカン)スルホンイミドアニオン、パーフルオロアルカン基で置換されていてもよいヘキサフルオロアンチモネートアニオン(SbF6 -)、トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロホスフェートアニオンなどのパーフルオロアルカン基で置換されていてもよいヘキサフルオロホスフェートアニオン(PF6 -)、パーフルオロアルカン基で置換されていてもよいテトラフルオロボレートアニオン(BF4 -)など、塩素アニオン(Cl-)、臭素アニオン(Br-)、ヨウ素アニオン(I-)などのハロゲンアニオン、アルカンスルホネートアニオン、パーフルオロアルカンスルホネートアニオン(CF3SO3 -など)、酢酸アニオン(CH3CO2 -)、パーフルオロ酢酸アニオン(CF3CO2 -)、硝酸アニオン(NO3 -)などが挙げられる。 Examples of the constituent anion species of the hydrophobic ionic liquid include substitution with bis (perfluoroalkane) sulfonimide anion and perfluoroalkane group such as bis (trifluoromethane) sulfonimide anion ((CF 3 SO 2 ) 2 N ) Hexafluorophosphate anion (PF 6 ) optionally substituted with a perfluoroalkane group such as hexafluoroantimonate anion (SbF 6 ), tris (pentafluoroethyl) trifluorophosphate anion, A tetrafluoroborate anion (BF 4 ) optionally substituted with a fluoroalkane group, a halogen anion such as a chlorine anion (Cl ), a bromine anion (Br ), an iodine anion (I ), an alkanesulfonate anion, Perfluoroal Emissions sulfonate anion (CF 3 SO 3 -, etc.), acetate anion (CH 3 CO 2 -), perfluoro acid anion (CF 3 CO 2 -), nitrate anion (NO 3 -) and the like.

好ましいアニオン種としては、フッ化アルキル基含有アニオン種が挙げられる。フッ化アルキル基は、好ましくはパーフルオロアルキル基である。かかるアニオン種としては、例えば、ビス(トリフルオロメタン)スルホンイミドアニオン((CF3SO2)2-)などのパーフルオロアルキル基含有スルホニルイミドアニオンやトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロフェートアニオンなどのパーフルオロアルキル基含有フルオロホスフェートアニオンが挙げられる。 Preferred anionic species include fluorinated alkyl group-containing anionic species. The fluorinated alkyl group is preferably a perfluoroalkyl group. Examples of such anion species include perfluoroalkyl group-containing sulfonylimide anions such as bis (trifluoromethane) sulfonimide anion ((CF 3 SO 2 ) 2 N ) and tris (pentafluoroethyl) trifluorofate anion. Examples include perfluoroalkyl group-containing fluorophosphate anions.

イオン液体は、カチオン種とアニオン種との組み合わせからなり、上述したカチオン種及びアニオン種を含む従来公知のカチオン種及びアニオン種を適宜組み合わせて用いることができる。疎水性イオン液体は、商業的に入手できるものであるほかは、公知の方法で合成することができる。合成方法は特に限定されないで、カチオンを塩化物との塩として合成、精製し、その後、得ようとするイオン液体のアニオンの塩と反応させるなどするか、一旦水酸化物とした上でアニオンを含む酸で中和してもよい。   The ionic liquid is composed of a combination of a cation species and an anion species, and conventionally known cation species and anion species including the above-described cation species and anion species can be used in appropriate combination. The hydrophobic ionic liquid can be synthesized by a known method except that it is commercially available. The synthesis method is not particularly limited, and the cation is synthesized and purified as a salt with chloride, and then reacted with the anion salt of the ionic liquid to be obtained, or once converted into a hydroxide, You may neutralize with the acid which contains.

疎水性イオン液体には塩化リチウムを含むことができる。塩化リチウムは、イオン性化合物であって、疎水性イオン液体中において、その一部あるいは全部がそれぞれLi+イオン及びCl-イオンとして存在していると考えられる。カチオン種がカルボニル基を有する疎水性イオン液体中において、塩化リチウムが存在すると、セルロースの糖化率が向上する。したがって、カルボニル基を有するカチオン種と塩化リチウムとが併存することで、セルロースの構造緩和が促進されたものと考えられる。これは、水素結合能の高い塩素イオンによるものと考えられる。なお、KCl及びNaClでは、LiClのような添加効果が得られないことがわかっている。したがって、Li塩であることも関与しているものと考えられる。以上の塩化リチウムの添加による作用は推論であって本明細書の開示を拘束するものではない。 The hydrophobic ionic liquid can include lithium chloride. Lithium chloride is an ionic compound, and it is considered that some or all of them are present as Li + ions and Cl - ions in the hydrophobic ionic liquid. When lithium chloride is present in a hydrophobic ionic liquid in which the cationic species has a carbonyl group, the saccharification rate of cellulose is improved. Therefore, it is considered that the structural relaxation of cellulose was promoted by the coexistence of the cation species having a carbonyl group and lithium chloride. This is considered to be due to chlorine ions having high hydrogen bonding ability. It has been found that KCl and NaCl do not provide the effect of addition like LiCl. Therefore, it is considered that Li salt is also involved. The above-described action due to the addition of lithium chloride is inference and does not constrain the disclosure of this specification.

塩化リチウムは固形物の状態で疎水性イオン液体に供給されてもよいし、飽和水溶液の形態で疎水性イオン液体に供給されてもよい。飽和水溶液の形態で供給されるとき、セルロースの構造緩和がより促進されると考えられる。すなわち、低温で接触工程を行っても、60℃以上100℃以下で1時間〜6時間程度の接触工程でも、良好な糖化率を得ることができる。   Lithium chloride may be supplied to the hydrophobic ionic liquid in a solid state, or may be supplied to the hydrophobic ionic liquid in the form of a saturated aqueous solution. When supplied in the form of a saturated aqueous solution, the structural relaxation of cellulose is considered to be further promoted. That is, a good saccharification rate can be obtained even when the contact step is performed at a low temperature or the contact step is performed at 60 ° C. to 100 ° C. for about 1 hour to 6 hours.

塩化リチウムの添加量は、特に限定しないが、疎水性イオン液体との総量に対して、0.05質量%以上20%質量以下程度であることが好ましい。多すぎると、セルラーゼ活性に影響が及ぶおそれがあり、少なすぎると添加効果が十分に得られないからである。より好ましくは、0.1質量%以上であり、さらに1質量%以上であることが好ましい。また、好ましくは5質量%以下であり、より好ましくは3%質量%以下であり、さらに好ましくは2質量%以下である。   The addition amount of lithium chloride is not particularly limited, but is preferably about 0.05% by mass or more and 20% by mass or less with respect to the total amount with the hydrophobic ionic liquid. If the amount is too large, the cellulase activity may be affected. If the amount is too small, the effect of addition cannot be obtained sufficiently. More preferably, it is 0.1% by mass or more, and further preferably 1% by mass or more. Further, it is preferably 5% by mass or less, more preferably 3% by mass or less, and further preferably 2% by mass or less.

イオン液体の純度は高いことが好ましい。イオン液体の合成工程の不純物は、イオン液体と親水性溶媒とを混合して得られる媒体のpHに大きく影響し、結果として酵素の触媒活性に大きく影響する場合があるからである。本発明者らによれば、例えば、イミダゾリウム系カチオンを用いるイオン液体の場合、純度が低いほど水や緩衝液などの親水性溶媒と混合したときのpHがアルカリにシフトしやすく、セルラーゼによるセルロース分解活性が低下する傾向があることがわかっている。   The purity of the ionic liquid is preferably high. This is because impurities in the process of synthesizing the ionic liquid greatly affect the pH of the medium obtained by mixing the ionic liquid and the hydrophilic solvent, and as a result, may greatly affect the catalytic activity of the enzyme. According to the present inventors, for example, in the case of an ionic liquid using an imidazolium cation, the lower the purity, the easier the pH when mixed with a hydrophilic solvent such as water or a buffer solution is shifted to alkali, and cellulose by cellulase It has been found that the degradation activity tends to decrease.

以上の疎水性イオン液体は、単独で用いることができるほか、2種類以上を組み合わせて用いることもできる。こうした疎水性イオン液体又はその組み合わせは、それ自体、セルロース含有材料の構造緩和、分解・糖化用の媒体として有用である。かかる媒体によれば、セルロースをセルラーゼで効率的に分解し、しかも、当該媒体の回収再利用及び分解産物の回収を容易化することができる。   The above hydrophobic ionic liquids can be used alone or in combination of two or more. Such a hydrophobic ionic liquid or a combination thereof is useful as a medium for structural relaxation, decomposition and saccharification of cellulose-containing materials. According to such a medium, cellulose can be efficiently decomposed with cellulase, and the recovery and reuse of the medium and the recovery of decomposition products can be facilitated.

セルロース含有材料と疎水性イオン液体とを接触させる方法は特に限定されない。セルロース含有材料は疎水性イオン液体が親和していれば足り、必ずしも疎水性イオン液体中にセルロース含有材料が浸漬され、分散され、あるいは懸濁された状態であることを要しない。セルロース含有材料に疎水性イオン液体を接触させるには、例えば、図1に示すように、十分量の疎水性イオン液体中にセルロース含有材料を供給するようにしてもよいし、セルロース含有材料に対して疎水性イオン液体を噴霧等によりセルロース含有材料が湿る程度の量を供給し、セルロース含有材料に疎水性イオン液体を含浸させるようにしてもよい。   The method for bringing the cellulose-containing material into contact with the hydrophobic ionic liquid is not particularly limited. The cellulose-containing material only needs to be compatible with the hydrophobic ionic liquid, and it is not always necessary that the cellulose-containing material is immersed, dispersed, or suspended in the hydrophobic ionic liquid. In order to bring the hydrophobic ionic liquid into contact with the cellulose-containing material, for example, as shown in FIG. 1, the cellulose-containing material may be supplied into a sufficient amount of the hydrophobic ionic liquid. Alternatively, the hydrophobic ionic liquid may be supplied in such an amount as to wet the cellulose-containing material by spraying or the like, and the cellulose-containing material may be impregnated with the hydrophobic ionic liquid.

セルロース含有材料中に疎水性イオン液体を浸透させるための処理は適宜設定することができる。適度に、例えば、40℃以上150℃以下程度、好ましくは50℃以上150℃以下程度に加熱してもよい。加熱を行うことで、疎水性イオン液体のセルロース含有材料への浸透を促進し、セルラーゼにより分解を促進することができる。150℃を超えると、セルロース含有材料の種類によっては好ましくない反応が生じる可能性があり、40℃未満では、加熱の効果が得られにくいからである。また、必要に応じて、攪拌を行ってもよい。さらに、超音波処理を行ってもよい。これらの各種処理は、単独で採用してもよいが、適宜組み合わせて採用してもよい。処理の種類は、用いる疎水性イオン液体の種類やセルロース含有材料によっても適宜変更される。   The treatment for allowing the hydrophobic ionic liquid to penetrate into the cellulose-containing material can be appropriately set. For example, it may be heated to about 40 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. By heating, penetration of the hydrophobic ionic liquid into the cellulose-containing material can be promoted, and decomposition can be promoted by cellulase. If it exceeds 150 ° C., an undesirable reaction may occur depending on the type of the cellulose-containing material, and if it is less than 40 ° C., it is difficult to obtain the effect of heating. Moreover, you may stir as needed. Further, ultrasonic treatment may be performed. These various treatments may be employed alone or in appropriate combination. The type of treatment is appropriately changed depending on the type of hydrophobic ionic liquid used and the cellulose-containing material.

なお、後段の二相系形成工程において、疎水性イオン液体量を低減するには、浸透に必要量程度の疎水性イオン液体をセルロース含有材料に供給してもよいし、十分量の疎水性イオン液体に浸漬したセルロース含有材料を、その後、ろ過や遠心分離等の固液分離手段により疎水性イオン液体から分離してもよい。   In the subsequent two-phase formation process, in order to reduce the amount of hydrophobic ionic liquid, a sufficient amount of hydrophobic ionic liquid necessary for permeation may be supplied to the cellulose-containing material, or a sufficient amount of hydrophobic ionic liquid may be supplied. The cellulose-containing material immersed in the liquid may then be separated from the hydrophobic ionic liquid by solid-liquid separation means such as filtration or centrifugation.

このような接触工程の実施により、セルロース含有材料には疎水性イオン液体が親和し、そのセルロース含有マトリックスが緩んだようになっているものと考えられる。疎水性イオン液体によってセルロース含有材料の構造が緩和されることにより、水性媒体などの親水性溶媒と接触して二相系が形成されたとき、セルロースの親水性領域が親水性溶媒相との界面に露出されやすくなり、界面のセルロースが親水性溶媒相中のセルラーゼによって分解されると考えられる。したがって、こうした接触工程を経て疎水性イオン液体が浸透されたセルロース含有材料は、その後、セルラーゼ等によるセルロースの分解に供することができる。   By carrying out such a contact step, it is considered that the hydrophobic ionic liquid is compatible with the cellulose-containing material, and the cellulose-containing matrix is loosened. The structure of the cellulose-containing material is relaxed by the hydrophobic ionic liquid, so that when the two-phase system is formed in contact with a hydrophilic solvent such as an aqueous medium, the hydrophilic region of cellulose is the interface with the hydrophilic solvent phase. It is considered that the cellulose at the interface is decomposed by cellulase in the hydrophilic solvent phase. Therefore, the cellulose-containing material into which the hydrophobic ionic liquid has been permeated through such a contact step can be used for the subsequent decomposition of cellulose by cellulase or the like.

(二相系形成工程)
さらに、本明細書に開示される処理方法は、二相系形成工程を備えることもできる。疎水性イオン液体が浸透したセルロース含有材料に親水性溶媒を供給することで二相系を構成できる。これにより、セルロース含有材料を親水性溶媒相との界面に局在・濃縮でき、セルラーゼ等によりセルロースを分解するのに適した環境を形成することができる。
(Two-phase formation process)
Furthermore, the processing method disclosed in the present specification may include a two-phase system forming step. A two-phase system can be constructed by supplying a hydrophilic solvent to a cellulose-containing material infiltrated with a hydrophobic ionic liquid. Thereby, the cellulose-containing material can be localized and concentrated at the interface with the hydrophilic solvent phase, and an environment suitable for decomposing cellulose by cellulase or the like can be formed.

疎水性イオン液体に対して供給する液体は、疎水性イオン液体と二相系を構成できるものであって(疎水性イオン液体と二相系を形成可能な程度に親水性の溶媒であって)、セルロースの分解産物のうち少なくともグルコースの良溶媒となる親水性溶媒であればよい。また、ここで使用する疎水性イオン液体は、異なる2種類以上のものを混合して用いてもよい。かかる液体としては、例えば、水性の液体であって、水又は水と相溶性のある有機溶媒との混液が挙げられる。   The liquid supplied to the hydrophobic ionic liquid can form a two-phase system with the hydrophobic ionic liquid (the solvent is hydrophilic enough to form a two-phase system with the hydrophobic ionic liquid). Any hydrophilic solvent that is a good solvent for glucose among cellulose degradation products may be used. Moreover, the hydrophobic ionic liquid used here may be used by mixing two or more different types. Examples of such a liquid include an aqueous liquid and a mixed liquid of water or an organic solvent compatible with water.

有機溶媒としては、炭素数が1〜4程度の低級アルコールが挙げられる。また、当該液体には、セルロースの分解産物であるグルコース等の溶解のため、あるいはセルラーゼによる酵素反応に適したpHや塩濃度を形成するための酸、アルカリあるいは塩類が含まれていてもよい。典型的には、二相系形成時において親水性溶媒相に酵素反応に適したpHを付与できる緩衝液や塩溶液が挙げられる。親水性溶媒には、酵素反応に必要な金属イオンを含めることもできる。さらに、セルラーゼ等に酵素を予め含有していてもよい。酵素反応を考慮した塩類及び酵素は、必ずしも二相系形成工程において親水性溶媒に含まれることを要するものではない。少なくともセルロースの分解時においてこれらを添加するようにしてもよい。   Examples of the organic solvent include lower alcohols having about 1 to 4 carbon atoms. In addition, the liquid may contain an acid, an alkali, or a salt for dissolving glucose or the like, which is a decomposition product of cellulose, or for forming a pH or salt concentration suitable for an enzymatic reaction with cellulase. Typically, a buffer solution or a salt solution that can give a pH suitable for an enzyme reaction to the hydrophilic solvent phase at the time of forming a two-phase system can be mentioned. The hydrophilic solvent can also contain metal ions necessary for the enzyme reaction. Furthermore, an enzyme may be previously contained in cellulase or the like. Salts and enzymes in consideration of the enzyme reaction are not necessarily required to be included in the hydrophilic solvent in the two-phase system formation step. You may make it add these at the time of decomposition | disassembly of a cellulose at least.

二相系を形成する方法や二相系の形態は特に限定されない。疎水性イオン液体に分散又は懸濁されたセルロース含有材料に対して親水性溶媒を供給してもよいし、疎水性イオン液体が含浸されただけのセルロース含有材料に親水性溶媒を供給してもよい。親水性溶媒との接触に先だって、必要に応じて過剰量の疎水性イオン液体を固液分離により除去しておいてもよい。なお、二相系の形成にあたっては、セルロース含有材料と親水性溶媒とを十分に接触させるために、適宜攪拌してもよい。また、適当な温度での加熱を伴っていてもよい。   The method for forming the two-phase system and the form of the two-phase system are not particularly limited. A hydrophilic solvent may be supplied to the cellulose-containing material dispersed or suspended in the hydrophobic ionic liquid, or a hydrophilic solvent may be supplied to the cellulose-containing material only impregnated with the hydrophobic ionic liquid. Good. Prior to contact with the hydrophilic solvent, an excessive amount of the hydrophobic ionic liquid may be removed by solid-liquid separation, if necessary. In forming the two-phase system, the cellulose-containing material and the hydrophilic solvent may be appropriately stirred in order to sufficiently contact them. Further, it may be accompanied by heating at an appropriate temperature.

図1の左側に示すように、セルロース含有材料が疎水性イオン液体相中に分散又は懸濁した状態で保持されるときには、疎水性イオン液体相と親水性溶媒相とで明らかな二相系となる。一方、図1の右側に示すように、疎水性イオン液体がセルロース含有材料に浸透しているが、セルロース含有材料に対して過剰量では存在しない場合には、親水性溶媒中に疎水性イオン液体が浸透したセルロース含有材料が存在するような二相系となる。後者の二相系では、セルロース含有材料自体が実質的な疎水性イオン液体相となっている。なお、このような場合であっても、セルロース含有材料は、親水性溶媒相との界面近傍に局在しているといえる。   As shown on the left side of FIG. 1, when the cellulose-containing material is held in a dispersed or suspended state in the hydrophobic ionic liquid phase, an apparent two-phase system of the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase Become. On the other hand, as shown on the right side of FIG. 1, when the hydrophobic ionic liquid penetrates into the cellulose-containing material but does not exist in an excessive amount with respect to the cellulose-containing material, the hydrophobic ionic liquid is contained in the hydrophilic solvent. It becomes a two-phase system in which there is a cellulose-containing material that has penetrated. In the latter two-phase system, the cellulose-containing material itself is a substantially hydrophobic ionic liquid phase. Even in such a case, it can be said that the cellulose-containing material is localized in the vicinity of the interface with the hydrophilic solvent phase.

こうした二相系の形成工程の実施により、セルロース含有材料は、疎水性イオン液体相と親水性溶媒相との界面に局在、濃縮される。これは、セルロース含有材料に含まれるセルロース等の親水性領域との親水性溶媒相との相互作用によるものと推測される。二相系の界面においては、親水性領域が親水性溶媒相側に露出された状態となっていると推測される。このようなセルロース含有材料の局在・濃縮及び親水性溶媒相への露出は、親水性溶媒相に存在するセルラーゼによるセルロースの分解に適した状態になっている。同時に、二相系は、疎水性イオン液体の回収と分解産物の回収にも好ましい系になっている。   By carrying out such a two-phase formation process, the cellulose-containing material is localized and concentrated at the interface between the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase. This is presumed to be due to the interaction with the hydrophilic solvent phase with a hydrophilic region such as cellulose contained in the cellulose-containing material. At the two-phase interface, it is presumed that the hydrophilic region is exposed to the hydrophilic solvent phase side. Such localization and concentration of the cellulose-containing material and exposure to the hydrophilic solvent phase are in a state suitable for cellulose degradation by cellulase present in the hydrophilic solvent phase. At the same time, the two-phase system has become a preferred system for recovery of hydrophobic ionic liquids and recovery of degradation products.

以上説明したように、本明細書に開示されるセルロース含有材料の処理方法によれば、セルロース含有材料のセルロースを含有するマトリックスの構造を緩和して、セルラーゼがアクセスしやすい環境を形成することができる。さらに、二相系を形成することでセルラーゼによるセルロースの分解に適し、疎水性イオン液体と分解産物の双方の分離回収に適した環境を形成することができる。   As described above, according to the method for treating a cellulose-containing material disclosed in the present specification, the structure of the cellulose-containing matrix of the cellulose-containing material can be relaxed to form an environment in which cellulase is easily accessible. it can. Furthermore, by forming a two-phase system, it is possible to form an environment suitable for cellulose degradation by cellulase and suitable for separation and recovery of both hydrophobic ionic liquid and degradation products.

(セルロース糖化用のイオン液体組成物)
本明細書の開示によれば、セルロース糖化用のイオン液体組成物であって、カルボニル基を有する疎水性イオン液体を含有する、組成物が提供される。本組成物によれば、セルロース含有材料に浸透して、その後のセルラーゼによる分解糖化反応に適した前処理を行うことができる。本組成物は、塩化リチウムを含有していてもよいし、塩化リチウム水溶液が添加されて得られるものであってもよい。疎水性イオン液体としては、既に説明した各種の疎水性イオン液体を1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。本組成物は、セルロース含有材料を含んでいてもよい。また、疎水性イオン液体と二相系を形成する親水性溶媒を含んでいてもよい。
(Ionic liquid composition for cellulose saccharification)
According to the disclosure of the present specification, there is provided an ionic liquid composition for saccharification of cellulose, which contains a hydrophobic ionic liquid having a carbonyl group. According to the present composition, the cellulose-containing material can be permeated and a pretreatment suitable for the subsequent decomposition saccharification reaction by cellulase can be performed. The present composition may contain lithium chloride, or may be obtained by adding an aqueous lithium chloride solution. As the hydrophobic ionic liquid, various hydrophobic ionic liquids already described can be used alone or in combination of two or more. The present composition may contain a cellulose-containing material. Moreover, the hydrophilic solvent which forms a two-phase system with hydrophobic ionic liquid may be included.

なお、かかる組成物は、基質をセルロース含有材料のセルロースとし、酵素をセルラーゼとするものであるが、疎水性イオン液体による構造緩和作用が発揮される基質含有材料であればほかの物質とその分解酵素にも適用が可能である。すなわち、酵素が作動可能な環境下では難溶性の基質形態を採るものであっても、疎水性イオン液体が浸透されていることで酵素を作用させて利用しやすくすることができる。   Such a composition uses cellulose as a cellulose-containing material as a substrate and cellulase as an enzyme. However, other substances and their decomposition can be used as long as they are substrate-containing materials that exert a structure relaxation action by a hydrophobic ionic liquid. It can also be applied to enzymes. That is, even if it takes a form of a substrate that is hardly soluble in an environment where the enzyme can operate, it can be easily used by allowing the enzyme to act by permeating the hydrophobic ionic liquid.

基質としては特に限定しないが、天然多糖や天然樹脂、合成多糖や合成樹脂などを含む高分子が挙げられる。天然多糖としては、例えば、セルロース、キシラン、キチン及びキトサンが挙げられる。また、酵素は基質の種類によるが、セルロースを基質とする場合には、既に説明したセルラーゼであり、キシランにはキシラナーゼ、キチンやキトサンには、キチナーゼ等が挙げられる。   The substrate is not particularly limited, and examples thereof include natural polysaccharides and natural resins, and polymers containing synthetic polysaccharides and synthetic resins. Examples of natural polysaccharides include cellulose, xylan, chitin, and chitosan. In addition, the enzyme depends on the type of substrate, but when cellulose is used as the substrate, it is the cellulase already described. Examples of xylan include xylanase, and examples of chitin and chitosan include chitinase.

疎水性イオン液体は、セルロースに好ましく用いることのできるイオン液体は、類似した構造を有するキチンやキトサンにも好ましく用いることができる。   The hydrophobic ionic liquid can be preferably used for chitin and chitosan having a similar structure.

なお、疎水性イオン液体の特性の変動によるpHシフトやpH変動の酵素活性及び分解効率への悪影響を抑制又は回避可能な反応媒体を調製するには、用いるイオン液体と親水性溶媒が接触したとき生じる可能性のあるpHシフトを補正し又はpH変動を緩衝するのに十分な調整能力を有する親水性溶媒を用いることが好ましい。本組成物には、さらに、基質に作用させるための酵素を含んでいてもよい。酵素は、予め親水性溶媒に添加してあってもよいし、二相系を形成後に添加されるものであってもよい。   In order to prepare a reaction medium that can suppress or avoid adverse effects on the enzyme activity and degradation efficiency due to fluctuations in the properties of the hydrophobic ionic liquid, the ionic liquid used and the hydrophilic solvent are in contact with each other. It is preferred to use a hydrophilic solvent that has sufficient adjustment capability to correct for pH shifts that may occur or to buffer pH fluctuations. The composition may further contain an enzyme for acting on the substrate. The enzyme may be added in advance to a hydrophilic solvent, or may be added after forming a two-phase system.

(セルロース含有材料の分解産物の生産方法)
本明細書の開示によれば、図1に示すように、上記接触工程と、上記二相系形成工程と、セルロース分解工程と、を備えるセルロース含有材料の分解産物の生産方法が提供される。本明細書に開示される生産方法によれば、セルロースのセルラーゼによる分解に適しており、しかも、疎水性イオン液体の分離回収及び再利用と、グルコース等の分解産物の回収に適し二相系を備えているため、実用的なレベルでのセルロース含有材料の分解利用が可能となっている。なお、接触工程と二相系形成工程に関しては、上記処理方法において説明した各種の態様をそのまま適用することができる。なお、セルロースの分解産物としては、セルロースが低分子化されたものであればよい。より具体的には、最終分解産物であるグルコースのほか、セロビオース及びセロオリゴ糖が挙げられる。
(Production method of degradation products of cellulose-containing materials)
According to the disclosure of the present specification, as shown in FIG. 1, there is provided a method for producing a degradation product of a cellulose-containing material comprising the contact step, the two-phase system formation step, and the cellulose degradation step. According to the production method disclosed in the present specification, it is suitable for the decomposition of cellulose by cellulase, and furthermore, a two-phase system suitable for the separation and recovery of hydrophobic ionic liquid and the recovery of degradation products such as glucose. Therefore, the cellulose-containing material can be decomposed and utilized at a practical level. In addition, regarding the contact process and the two-phase system formation process, various aspects described in the processing method can be applied as they are. In addition, as a decomposition product of cellulose, any cellulose may be used as long as the molecular weight is reduced. More specifically, there are cellobiose and cellooligosaccharide in addition to glucose which is the final degradation product.

(セルロース分解工程)
セルロース分解工程は、親水性溶媒相中のセルラーゼによりセルロースを分解する工程である。セルラーゼは、セルロースをグルコースにまで加水分解するのに作用する各種の酵素の総称である。セルラーゼとしては、狭義には、β1,4−エンドグルカナーゼ(EC3.2.1.4)、グルカン1,4−βグルコシダーゼ(EC3.2.1.74)、セルロース1,4−βセロビオシダーゼ(EC3.2.1.91)、βグルコシダーゼ(EC3.2.1.21)等が挙げられる。また、セルラーゼは、天然由来であっても人工的に改変されたものであってもよい。天然由来のものとしては、特に限定しないが、Trichoderma属又はAspergillus属由来のセルラーゼなどを好ましく用いることができる。また、70℃以上で高い活性を示し、90℃から100℃でも活性を維持する耐熱性セルラーゼを用いることもできる。例えば、Pyrococcus属に代表される超好熱性古細菌由来のセルラーゼであってもよい。本発明においては、上記した狭義のセルラーゼを1種類又は2種類以上を組み合わせて用いることができる。異種のセルラーゼでなく、同種であっても2種類以上組み合わせてもよい。また、由来の異なるセルラーゼを組み合わせて用いることもできる。また、セルラーゼは、適当な担体に保持された形態であってもよい。
(Cellulose decomposition process)
The cellulose decomposition step is a step of decomposing cellulose with cellulase in the hydrophilic solvent phase. Cellulase is a general term for various enzymes that act to hydrolyze cellulose to glucose. As cellulases, β1,4-endoglucanase (EC 3.2.1.4), glucan 1,4-β glucosidase (EC 3.2.1.74), cellulose 1,4-β cellobiosidase (EC 3) are narrowly defined. 2.1.91), β-glucosidase (EC 3.2.1.21) and the like. The cellulase may be naturally derived or artificially modified. Although it does not specifically limit as a thing of natural origin, The cellulase derived from the genus Trichoderma or Aspergillus etc. can be used preferably. A thermostable cellulase that exhibits high activity at 70 ° C. or higher and maintains activity at 90 ° C. to 100 ° C. can also be used. For example, it may be a cellulase derived from a hyperthermophilic archaea represented by the genus Pyrococcus. In the present invention, the above-mentioned narrowly defined cellulases can be used singly or in combination of two or more. Instead of different types of cellulases, they may be the same type or a combination of two or more types. In addition, cellulases having different origins can be used in combination. The cellulase may be in a form held on a suitable carrier.

また、セルロース分解工程では、植物細胞壁においてセルロースと複合体を形成しているヘミセルロースを分解する酵素を用いることもできる。ヘミセルロースとしては、キシラン、マンナン、グルコマンナン等が挙げられる。ヘミセルロースの分解酵素としては、キシラナーゼ等が挙げられ、こうした酵素は、上記のTrichoderma属やAspergillus属等のセルロース分解性微生物に由来するものであってもよい。また、Pyrococcus属に代表される超好熱性古細菌由来のセルラーゼなどの耐熱性セルラーゼであってもよい。   In the cellulose decomposition step, an enzyme that decomposes hemicellulose forming a complex with cellulose in the plant cell wall can also be used. Examples of hemicellulose include xylan, mannan, glucomannan and the like. Examples of hemicellulose-degrading enzymes include xylanases, and these enzymes may be derived from cellulose-degrading microorganisms such as the genus Trichoderma and Aspergillus. Further, it may be a thermostable cellulase such as a cellulase derived from a hyperthermophilic archaea represented by the genus Pyrococcus.

セルラーゼは、二相系形成工程において予め親水性溶媒に含めておいてもよいし、セルラーゼ分解工程において、親水性溶媒相に添加してもよい。セルラーゼの添加時においては、親水性溶媒相は、酵素活性の発現に適した環境であることが好ましい。酵素反応の安定性や操作の簡便性を考慮すると、親水性溶媒相は、用いるセルラーゼの至適pHを含む酵素活性に適したpH範囲に一致する範囲に緩衝能を有する緩衝液を用いることが好ましい。一般的なセルラーゼの典型的な好適pHは4〜6程度であるため、例えば、クエン酸緩衝液(クエン酸及びクエン酸ナトリウム)、酢酸緩衝液(酢酸−酢酸ナトリウム)、クエン酸−リン酸緩衝液(クエン酸−リン酸二水素ナトリウム)等が挙げられる。こうした緩衝液の濃度やpHを適宜調製して、親水性溶媒相のpHを4以上6以下、より確実には、4.0以上6.0以下となるように設定することが好ましい。   Cellulase may be included in the hydrophilic solvent in advance in the two-phase system formation step, or may be added to the hydrophilic solvent phase in the cellulase decomposition step. At the time of addition of cellulase, the hydrophilic solvent phase is preferably an environment suitable for expression of enzyme activity. Considering the stability of the enzyme reaction and the ease of operation, the hydrophilic solvent phase should be a buffer solution having a buffer capacity in a range that matches the pH range suitable for the enzyme activity including the optimum pH of the cellulase used. preferable. Since typical preferred pH of general cellulase is about 4 to 6, for example, citrate buffer (citric acid and sodium citrate), acetate buffer (acetic acid-sodium acetate), citrate-phosphate buffer Liquid (citric acid-sodium dihydrogen phosphate) and the like. It is preferable to appropriately adjust the concentration and pH of such a buffer solution and set the pH of the hydrophilic solvent phase to 4 or more and 6 or less, more surely 4.0 or more and 6.0 or less.

セルラーゼによるセルロース分解のための温度や時間は特に限定されない。セルラーゼの種類にもよるが、通常、30℃〜70℃程度、好ましくは35℃〜45℃程度で、pH2以上6以下程度とし、数時間から数十時間程度実施する。耐熱性セルラーゼを用いる場合は、70℃以上100℃以下であってもよい。   The temperature and time for cellulose degradation by cellulase are not particularly limited. Although it depends on the type of cellulase, it is usually about 30 ° C. to 70 ° C., preferably about 35 ° C. to 45 ° C., pH 2 or more and about 6 or less, and is performed for several hours to several tens of hours. When thermostable cellulase is used, it may be 70 ° C. or higher and 100 ° C. or lower.

セルロース分解工程によれば、疎水性イオン液体によりセルロースマトリックスの構造が緩和されかつ一部が親水性溶媒相との界面に露出された二相系が形成されているため、親水性溶媒相中のセルラーゼがセルロースを効率的に分解することができる。しかも、グルコースなどセルロースの低分子化物(二糖やオリゴ糖を含む分解産物)は、親水性溶媒相に移行するため、一層セルラーゼにより分解されやすくなる。後述するように、親水性溶媒相からは、分解産物を容易に回収できる。   According to the cellulose decomposition step, the structure of the cellulose matrix is relaxed by the hydrophobic ionic liquid and a two-phase system in which a part is exposed at the interface with the hydrophilic solvent phase is formed. Cellulase can efficiently decompose cellulose. In addition, low molecular weight products of cellulose such as glucose (degradation products containing disaccharides and oligosaccharides) migrate to the hydrophilic solvent phase, and are thus more easily decomposed by cellulase. As will be described later, the decomposition product can be easily recovered from the hydrophilic solvent phase.

このようなセルロース分解工程を実施することで、たとえば、図2に示すようにして、セルロースはセルラーゼにより分解され、かかる低分子化によって構造緩和が一層促進され、セルラーゼによる分解も促進される。また、分解産物は、親水性溶媒相に移行し、さらにセルラーゼにより分解されることもある。一方、後述するように、未分解のセルロース、ヘミセルロース、リグニンなどのセルロース含有由来の炭素原は、固液分離手段により固相として分離されるため、再度の分解等の処理が可能であり、炭素原の損失を十分に抑制又は回避できる。また、後述するように、疎水性イオン液体も容易に分離回収され再利用できる。   By carrying out such a cellulose decomposition step, for example, as shown in FIG. 2, cellulose is decomposed by cellulase, and the molecular relaxation is further promoted by such low molecular weight, and decomposition by cellulase is also promoted. In addition, the decomposition product may be transferred to the hydrophilic solvent phase and further decomposed by cellulase. On the other hand, as will be described later, carbon sources derived from cellulose, such as undegraded cellulose, hemicellulose, and lignin, are separated as a solid phase by solid-liquid separation means, and thus can be subjected to treatment such as decomposition again. The loss of the raw material can be sufficiently suppressed or avoided. Further, as will be described later, the hydrophobic ionic liquid can also be easily separated and recovered and reused.

(分解産物の回収工程)
図1に示すように、セルロース分解工程後、少なくとも一部の親水性溶媒相を回収することができる。二相系は分解工程後も維持され、親水性溶媒相は容易に回収される。通常、疎水性イオン液体相は親水性溶媒相よりも比重が大きく、親水性溶媒相が上相、疎水性イオン液体相が下相となっている。したがって、通常は、上相を回収すればよい。回収した親水性溶媒相は疎水性イオン液体を実質的に含んでいないため、そのまま、たとえば後段で説明する有用物質の生産方法における発酵工程等に利用できる。また、必要に応じて濃縮されてもよい。なお、親水性溶媒相にはセルラーゼが含まれているが、公知の方法で分離回収も可能である。セルラーゼを固相担体に固定化しておくことで分離回収は容易になる。
(Decomposition product recovery process)
As shown in FIG. 1, at least a portion of the hydrophilic solvent phase can be recovered after the cellulose decomposition step. The two-phase system is maintained after the decomposition process and the hydrophilic solvent phase is easily recovered. Usually, the hydrophobic ionic liquid phase has a higher specific gravity than the hydrophilic solvent phase, and the hydrophilic solvent phase is the upper phase and the hydrophobic ionic liquid phase is the lower phase. Therefore, usually, the upper phase may be recovered. Since the recovered hydrophilic solvent phase does not substantially contain a hydrophobic ionic liquid, it can be used as it is, for example, in a fermentation step in a production method of useful substances described later. Moreover, you may concentrate as needed. The hydrophilic solvent phase contains cellulase, but can be separated and recovered by a known method. Separation and recovery are facilitated by immobilizing cellulase on a solid support.

(疎水性イオン液体の回収工程)
図1に示すように、セルロース分解工程後、少なくとも一部の疎水性イオン液体を回収することができる。二相系のため、疎水性イオン液体は容易に回収される。また、図1に示すように、回収された疎水性イオン液体相は、再度、接触工程に供給してセルロース含有材料に浸透させるための疎水性イオン液体として再利用や循環利用が可能である。疎水性イオン液体は、高価であるためかかる循環利用が可能となることでセルロースの糖化がより現実的となる。なお、疎水性イオン液体は、セルロース含有マトリックスの構造緩和作用を有しているが、セルロースを溶解するものではない。また、水可溶性画分は、親水性溶媒相に移行され、未分解の固相(セルロース含有材料の分解残渣)は後述するように固液分離手段で分離される。したがって、疎水性イオン液体相へのセルロース含有材料由来成分の溶解は、回避又は抑制されている。
(Recovery process of hydrophobic ionic liquid)
As shown in FIG. 1, at least a part of the hydrophobic ionic liquid can be recovered after the cellulose decomposition step. Due to the two-phase system, the hydrophobic ionic liquid is easily recovered. Further, as shown in FIG. 1, the recovered hydrophobic ionic liquid phase can be reused or recycled as a hydrophobic ionic liquid to be supplied again to the contacting step and permeate the cellulose-containing material. Since the hydrophobic ionic liquid is expensive, the saccharification of cellulose becomes more realistic by enabling such circulation use. The hydrophobic ionic liquid has a structure relaxation action of the cellulose-containing matrix, but does not dissolve cellulose. The water-soluble fraction is transferred to the hydrophilic solvent phase, and the undecomposed solid phase (decomposition residue of the cellulose-containing material) is separated by solid-liquid separation means as will be described later. Therefore, dissolution of the cellulose-containing material-derived component in the hydrophobic ionic liquid phase is avoided or suppressed.

なお、界面に局在するなどして残存したセルロース含有材料の分解残渣は、固液分離手段によって回収できる。かかる残留物については再度、接触工程〜分解工程を実施することもできる。残留物は、用いたセルロース含有材料の種類やセルラーゼの種類等によるが、ヘミセルロースやリグニン、未分解のセルロース等が含まれていると考えられる。   Note that the decomposition residue of the cellulose-containing material remaining due to localization at the interface can be recovered by solid-liquid separation means. Such a residue can be subjected again to the contact step to the decomposition step. The residue is considered to contain hemicellulose, lignin, undegraded cellulose, etc., depending on the type of cellulose-containing material used and the type of cellulase.

以上説明したように、本明細書に開示されるセルロース分解産物の生産方法によれば、用いた疎水性イオン液体及びセルロース分解産物の回収等が容易なより実用的なセルロース含有材料の利用が可能となる。   As described above, according to the method for producing a cellulose degradation product disclosed in the present specification, it is possible to use a more practical cellulose-containing material that facilitates recovery of the used hydrophobic ionic liquid and cellulose degradation product. It becomes.

(有用物質の生産方法)
本明細書に開示されるセルロースを利用する有用物質の生産方法は、上記したセルロースの分解産物の生産方法によって得られるセルロース分解産物を炭素源として用いて酵母などの微生物の発酵によって有用物質を生産する工程(以下、単に発酵工程ともいう。)を備えることができる。この生産方法によれば、セルロース含有材料から効率的に分解回収されたセルロース分解産物を用いることで、全体としての製造コストを低減することができる。
(Useful substance production method)
The method for producing useful substances using cellulose disclosed in the present specification is to produce useful substances by fermentation of microorganisms such as yeast using the cellulose degradation product obtained by the above-described method for producing cellulose degradation products as a carbon source. Step (hereinafter, also simply referred to as a fermentation step). According to this production method, the manufacturing cost as a whole can be reduced by using the cellulose degradation product efficiently decomposed and recovered from the cellulose-containing material.

炭素源は、疎水性イオン液体が浸透されたセルロース含有材料とセルラーゼを含有する親水性溶媒とを含み、前記疎水性イオン液体相と前記親水性溶媒相との二相系において前記セルロース含有材料中のセルロースを分解して得られた親水性溶媒相中のセルロース分解産物を用いる。本生産方法において用いるセルロース分解産物は、セルロース分解工程後の親水性溶媒相、その濃縮物、又は親水性溶媒相から分離回収されたものであってもよい。上述したように親水性溶媒相は、疎水性イオン液体を実質的に含んでいないため、そのままであって発酵工程に供することができる。したがって、例えば、セルロース分解工程後の親水性溶媒相等を発酵用の培地の一部として用いることができる。   The carbon source includes a cellulose-containing material infiltrated with a hydrophobic ionic liquid and a hydrophilic solvent containing cellulase, and in the cellulose-containing material in a two-phase system of the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase. The cellulose degradation product in the hydrophilic solvent phase obtained by decomposing cellulose is used. The cellulose degradation product used in this production method may be separated and recovered from the hydrophilic solvent phase after the cellulose decomposition step, its concentrate, or the hydrophilic solvent phase. As described above, since the hydrophilic solvent phase does not substantially contain the hydrophobic ionic liquid, it can be used as it is for the fermentation process. Therefore, for example, the hydrophilic solvent phase after the cellulose decomposition step and the like can be used as a part of the fermentation medium.

発酵工程で用いる微生物は、特に限定しないで、セルロースの分解産物を資化可能であって生産しようとする有用物質の種類に応じて適宜選択される。セルロース分解産物は、グルコースが主であるが、ヘミセルロース由来のキシラン等であってもよい。例えば、酵母やカビなどの真菌類や大腸菌等の微生物が挙げられる。微生物は、野生型であってもよいし、遺伝子工学的技術等によって人為的にセルロース分解産物を効率的に資化可能に改変されたり、有用物質を生産可能に改変されたりしたものであってもよい。典型的には、エタノールを生産する酵母などの微生物が挙げられる。また、有機酸を生産する酵母や乳酸菌であってもよい。   The microorganism used in the fermentation process is not particularly limited, and is appropriately selected according to the type of useful substance that can assimilate the degradation product of cellulose and is to be produced. The cellulose degradation product is mainly glucose, but may be xylan derived from hemicellulose. For example, fungi such as yeast and mold, and microorganisms such as E. coli. The microorganism may be a wild type, artificially modified so as to efficiently assimilate cellulose degradation products by genetic engineering techniques, etc., or modified so that useful substances can be produced. Also good. A typical example is a microorganism such as yeast that produces ethanol. Moreover, the yeast and lactic acid bacteria which produce an organic acid may be sufficient.

発酵工程は、用いる微生物の種類や生産しようとする有用物質に応じて実施すればよい。発酵のための培養は、静置培養、振とう培養または通気攪拌培養等を用いることができる。通気条件は、嫌気条件下、微好気条件下及び好気条件等、適宜選択することができる。培養温度も、特に限定しないが、25℃〜55℃等の範囲とすることができる。また、培養時間も必要に応じて設定されるが、数時間〜150時間程度とすることができる。また、pHの調整は、無機あるいは有機酸、アルカリ溶液等を用いて行うことができる。培養中は、必要に応じてアンピシリン、テトラサイクリンなどの抗生物質を培地に添加することができる。なお、変換工程終了後、培養液から微生物を除去してエタノール等の有用物質含有画分を回収する工程、さらにこれを濃縮する工程を実施してもよい。   What is necessary is just to implement a fermentation process according to the kind of microorganisms to be used and the useful substance which it is going to produce. For the culture for fermentation, stationary culture, shaking culture, aeration-agitation culture, or the like can be used. The aeration conditions can be appropriately selected from anaerobic conditions, microaerobic conditions, aerobic conditions, and the like. The culture temperature is not particularly limited, but may be in the range of 25 ° C to 55 ° C. Moreover, although culture | cultivation time is also set as needed, it can be set as several hours-about 150 hours. The pH can be adjusted using an inorganic or organic acid, an alkaline solution, or the like. During the culture, antibiotics such as ampicillin and tetracycline can be added to the medium as necessary. In addition, after completion | finish of a conversion process, you may implement the process of removing microorganisms from a culture solution, collect | recovering fractions containing useful substances, such as ethanol, and also concentrating this.

有用物質としては特に限定しないが、グルコースを利用して微生物が生成可能なものが好ましい。例えば、エタノールなどの低級アルコール、イソプレノド合成経路の追加によるファインケミカル(コエンザイムQ10、ビタミン及びその原料等)、解糖系の改変によるグリセリン、プラスチック・化成品原料など、バイオリファイナリー技術が対象とする材料が挙げられる。   Although it does not specifically limit as a useful substance, The thing which can produce | generate microorganisms using glucose is preferable. For example, there are materials targeted by biorefinery technology, such as ethanol and other lower alcohols, fine chemicals (coenzyme Q10, vitamins and their raw materials, etc.) by adding an isoprenod synthesis pathway, glycerin by modification of glycolysis, and raw materials for plastics and chemical products. Can be mentioned.

以上説明したように、本明細書に開示される有用物質の生産方法によれば、従来に比してより効率的に得られたセルロース分解産物を利用するため、有用物質の生産コストを効果的に低減することができる。   As described above, according to the useful substance production method disclosed in the present specification, the cellulose degradation product obtained more efficiently than the conventional method is used, so the production cost of the useful substance is effectively reduced. Can be reduced.

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.

(疎水性イオン液体への塩化リチウムの添加効果の評価)
疎水性イオン液体を利用した二相系でのセルロースの糖化ならびに回収において、塩化リチウムを添加した場合のグルコース糖化効率について、以下の検討を実施した。なお本検討において、モデルとして以下に示す、4種類の疎水性イオン液体を使用した。
3-[2-(dimethylamino)-2-oxoethyl]-1-methylimidazolium bis(trifluomethylsulfonyl)imide
(以下、[DMAcmim][Tf2N]と称す。合成により作成)
3-[2-(diethylamino)-2-oxoethyl]-1-methylimidazolium bis(trifluomethylsulfonyl)imide
(以下、[DEAcmim][Tf2N]と称す。合成により作成)
3-(4-acetylphenethyl)-1-methylimidazolium bis(trifluomethylsulfonyl)imide
(以下、[AcPEmim][Tf2N]と称す。合成により作成)
l-Ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide
(Solvent innovation社製、以下、[Emim][Tf2N]と称す)
(Evaluation of addition effect of lithium chloride to hydrophobic ionic liquid)
In the saccharification and recovery of cellulose in a two-phase system using a hydrophobic ionic liquid, the following examination was conducted on the glucose saccharification efficiency when lithium chloride was added. In this study, the following four types of hydrophobic ionic liquids were used as models.
3- [2- (dimethylamino) -2-oxoethyl] -1-methylimidazolium bis (trifluomethylsulfonyl) imide
(Hereafter referred to as [DMAcmim] [Tf2N]. Created by synthesis)
3- [2- (diethylamino) -2-oxoethyl] -1-methylimidazolium bis (trifluomethylsulfonyl) imide
(Hereafter referred to as [DEAcmim] [Tf2N]. Created by synthesis)
3- (4-acetylphenethyl) -1-methylimidazolium bis (trifluomethylsulfonyl) imide
(Hereafter referred to as [AcPEmim] [Tf2N]. Created by synthesis)
l-Ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide
(Solvent innovation, hereinafter referred to as [Emim] [Tf 2 N])

本実施例で利用した4種類の疎水性イオン液体の構造式は下記の通りである。   The structural formulas of the four types of hydrophobic ionic liquids used in this example are as follows.

(1)上記に示した各疎水性イオン液体 495 mgに無水LiClを1 wt% (5 mg) 添加し、500 mgの疎水性イオン液体を調製した。また、LiCl無添加の疎水性IL500 mgからなるサンプルも準備した。それぞれに、結晶性セルロースであるAvicel(Sigma)を1 wt% (5 mg) 添加し、150 ℃で3時間加熱攪拌した。室温に冷却後、それぞれのサンプルに1 mg/mlのセルラーゼ (Tricoderma ressei由来、Sigma) 水溶液 (100 mMクエン酸緩衝溶液) を500 μl 加え、2相系を形成させた。40℃で攪拌して糖化反応を行い24時間後にそれぞれサンプリングした。 (1) 1 wt% (5 mg) of anhydrous LiCl was added to 495 mg of each hydrophobic ionic liquid shown above to prepare 500 mg of hydrophobic ionic liquid. A sample composed of 500 mg of hydrophobic IL-free hydrophobic IL was also prepared. Respectively, crystalline Oh Ru Avicel 1 wt% of (Sigma) cellulose (5 mg) was added and stirred for 3 hours under heating at 0.99 ° C.. After cooling to room temperature, 500 μl of 1 mg / ml cellulase (from Tricoderma ressei, Sigma) aqueous solution (100 mM citrate buffer solution) was added to each sample to form a two-phase system. The saccharification reaction was carried out by stirring at 40 ° C., and each sample was taken 24 hours later.

次に、溶液中のグルコース、セロビオース量を測定した。測定には、4−アミノ安息香酸エチルエステル (ABEE) 化試薬で誘導体化によって実施した。そのスキームを以下に示す。1.5 mlエッペンドルフチューブに、試料10 μlとABEE化標識試薬40μlを加え、ボルテックスで攪拌し遠心した (8000 rpm、1分、20℃) 後、ブロックインキュベータを用いて80 ℃で60分間保温した。Milli-Q水200 μlとクロロホルム200 μlを加え、ボルテックスで攪拌し遠心した (8000 rpm、3分、20℃) 後、水相を回収した。回収した水相をHPLC分析して生成した糖の定量を行った。ABEE溶液の組成ならびに、HPLCの分析条件は、下記表に示す。   Next, the amounts of glucose and cellobiose in the solution were measured. The measurement was carried out by derivatization with 4-aminobenzoic acid ethyl ester (ABEE) reagent. The scheme is shown below. To a 1.5 ml Eppendorf tube, 10 μl of sample and 40 μl of ABEE-labeled reagent were added, vortexed and centrifuged (8000 rpm, 1 minute, 20 ° C.), and then incubated at 80 ° C. for 60 minutes using a block incubator. Milli-Q water (200 μl) and chloroform (200 μl) were added, vortexed and centrifuged (8000 rpm, 3 minutes, 20 ° C.), and the aqueous phase was recovered. The recovered aqueous phase was subjected to HPLC analysis to determine the amount of sugar produced. The composition of the ABEE solution and the HPLC analysis conditions are shown in the table below.

得られたグルコース濃度をもとに、反応前に添加した結晶性セルロースを100とした場合の糖への変換効率を、以下の計算式に従って算出した。
グルコース変換効率 (%) = [produced glucose] / [glucose units in cellulose] ´ 100
Based on the obtained glucose concentration, the conversion efficiency to sugar when the crystalline cellulose added before the reaction was taken as 100 was calculated according to the following formula.
Glucose conversion efficiency (%) = [produced glucose] / [glucose units in cellulose] ´ 100

24時間後の糖化反応の結果を図3に示す。図3に示すように、本実施例で合成したイオン液体の分子構造中にカルボニル基を含むいずれのイオン液体についても、塩化リチウムを添加することで糖化率の上昇が確認された。一方、分子構造にカルボニル基を含まない[Emim][Tf2N]においては、塩化リチウムの添加による糖化率の上昇は見られなかった。このことから、イオン液体中に一部溶解した塩化リチウムと、イオン液体のカルボニル基との相互作用との結果生じる水素結合の高いCl- によってセルロース鎖の構造緩和効果が高められる可能性が示唆された。 The results of the saccharification reaction after 24 hours are shown in FIG. As shown in FIG. 3, an increase in the saccharification rate was confirmed by adding lithium chloride to any ionic liquid containing a carbonyl group in the molecular structure of the ionic liquid synthesized in this example. On the other hand, in [Emim] [Tf 2 N] that does not contain a carbonyl group in the molecular structure, no increase in saccharification rate was observed with the addition of lithium chloride. This suggests that the structure relaxation effect of the cellulose chain may be enhanced by the high hydrogen-bond Cl resulting from the interaction between lithium chloride partially dissolved in the ionic liquid and the carbonyl group of the ionic liquid. It was.

(疎水性イオン液体への塩化リチウム飽和水溶液の添加効果)
実施例1では無水LiClの添加効果を検討した。より効率的にイオン液体中にLiClを取り込ませることを目的とし、LiCl飽和水溶液の添加効果を検討した。
(Effect of adding saturated aqueous solution of lithium chloride to hydrophobic ionic liquid)
In Example 1, the effect of adding anhydrous LiCl was examined. In order to more efficiently incorporate LiCl into the ionic liquid, the effect of adding a saturated LiCl solution was investigated.

使用した疎水性イオン液体としては、実施例1でも利用したカルボニル基を含む3種類のイオン液体([DMAcmim][Tf2N]、[DEAcmim][Tf2N]、[AcPEmim][Tf2N])を利用した。とりこ   As the hydrophobic ionic liquid used, three types of ionic liquids ([DMAcmim] [Tf2N], [DEAcmim] [Tf2N], [AcPEmim] [Tf2N]) containing carbonyl groups used in Example 1 were used. Toriko

各疎水性イオン液体 490 mgにLiCl飽和水溶液(19.53mol/L、約82.8質量%)を10 mg添加した。また、疎水性イオン液体 500 mgのみのサンプルも準備した。それぞれのサンプルに結晶性セルロースであるAvicel(Sigma)を1 wt% (5 mg) 添加し、80 ℃で3時間加熱攪拌した。室温に冷却後、それぞれのサンプルに1 mg/mlのセルラーゼ (Tricoderma reessei由来) 水溶液 (100 mMクエン酸緩衝溶液) を500 μl加え、2相系にした。40 ℃で攪拌して糖化反応を行い24時間後にそれぞれサンプリングして、実施例1と同様に、4−アミノ安息香酸エチルエステル (ABEE) 化試薬で誘導体化し、HPLC分析により生成した糖の定量を行った。得られたグルコース濃度をもとに、反応前に添加した結晶性セルロースを100とした場合の糖への変換効率を、以下の計算式に従って算出した。   10 mg of LiCl saturated aqueous solution (19.53 mol / L, about 82.8 mass%) was added to 490 mg of each hydrophobic ionic liquid. A sample containing only 500 mg of hydrophobic ionic liquid was also prepared. 1 wt% (5 mg) of crystalline cellulose, Avicel (Sigma), was added to each sample, and the mixture was heated and stirred at 80 ° C. for 3 hours. After cooling to room temperature, 500 μl of 1 mg / ml cellulase (Tricoderma reessei-derived) aqueous solution (100 mM citrate buffer solution) was added to each sample to form a two-phase system. The saccharification reaction was performed by stirring at 40 ° C., and each sample was taken 24 hours later. In the same manner as in Example 1, derivatization with 4-aminobenzoic acid ethyl ester (ABEE) reagent and quantification of the sugar produced by HPLC analysis were performed. went. Based on the obtained glucose concentration, the conversion efficiency to sugar when the crystalline cellulose added before the reaction was taken as 100 was calculated according to the following formula.

24時間後の糖化反応の結果を図4に示す。図4に示すように、実施例1と同様に、カルボニル基を含む疎水性イオン液体すべてにおいて、塩化リチウムを添加することで糖化率の上昇が確認された。疎水性イオン液体の種類別に比較すると、塩化リチウム飽和水溶液を[DMAcmim][Tf2N]及び[DEAcmim][Tf2N]添加することで80℃という比較的低温での処理条件下でも約60 %の糖化率が得られ、固体の塩化リチウム添加効果を上回る糖化率が得られることが判明した。したがって、実施例1と同様にイオン液体の分子構造にカルボニル基を含む場合、これと塩化リチウムとが相互作用することで生じる水素結合能の高いCl-によってセルロース鎖の構造緩和効果が高められる可能性が示唆された。また、この効果は塩化リチウムが水溶液中に分散した状態にある場合、より効果的に進行することも明らかとなった。 The results of the saccharification reaction after 24 hours are shown in FIG. As shown in FIG. 4, as in Example 1, in all the hydrophobic ionic liquids containing a carbonyl group, an increase in saccharification rate was confirmed by adding lithium chloride. Compared with the type of hydrophobic ionic liquid, the addition of [DMAcmim] [Tf 2 N] and [DEAcmim] [Tf 2 N] to a saturated aqueous solution of lithium chloride resulted in about 60 even under relatively low processing conditions of 80 ° C. % Saccharification rate was obtained, and it was found that a saccharification rate exceeding the effect of solid lithium chloride addition was obtained. Therefore, as in Example 1, when a carbonyl group is included in the molecular structure of the ionic liquid, the structure relaxation effect of the cellulose chain can be enhanced by Cl 2 having a high hydrogen bonding ability caused by the interaction between this and lithium chloride. Sex was suggested. It was also revealed that this effect proceeds more effectively when lithium chloride is dispersed in an aqueous solution.

(疎水性イオン液体へのLiCl以外の塩の添加効果)
実施例1でのLiCl添加効果を受け、その他の塩に添加効果があるかを検証する目的で、NaCl、KClの添加効果を検討した。
(Additional effect of salt other than LiCl to hydrophobic ionic liquid)
In order to verify whether or not other salts have an effect of addition of LiCl in Example 1, the effect of addition of NaCl and KCl was examined.

検討には、カルボニル基を含む疎水性イオン液体[DEAcmim][Tf2N]を利用した。 [DEAcmim][Tf2N] 980 mgを採取し、これに無水のLiCl, NaCl, KClを各1 wt% (10 mg) になるよう添加し1,000 mgの疎水性ILを調製した。またネガティブコントロールとして、[DEAcmim][Tf2N] 1,000 mgから成るサンプルも準備した。
これに結晶性セルロース(Avicel, Sigma)を1 wt% (10 mg) 添加し、150 ℃で3時間加熱攪拌した。室温に冷却後、それぞれのサンプルに、セルラーゼ混合溶液を含有させたクエン酸緩衝液(最終濃度10 mM)を1,000 μl添加し、2相系にした。40 ℃で攪拌して糖化反応を行い、一定時間後にそれぞれサンプリングした。サンプリング試料を、バイオセンサーBF5にて、グルコースを測定し糖化効率を算出した。
In the study, a hydrophobic ionic liquid [DEAcmim] [Tf2N] containing a carbonyl group was used. [DEAcmim] [Tf2N] 980 mg was collected, and anhydrous LiCl, NaCl, and KCl were added to each so as to be 1 wt% (10 mg) to prepare 1,000 mg of hydrophobic IL. As a negative control, a sample consisting of 1,000 mg of [DEAcmim] [Tf2N] was also prepared.
To this was added 1 wt% (10 mg) of crystalline cellulose (Avicel, Sigma), and the mixture was heated and stirred at 150 ° C for 3 hours. After cooling to room temperature, 1,000 μl of a citrate buffer solution (final concentration 10 mM) containing a cellulase mixed solution was added to each sample to form a two-phase system. The saccharification reaction was carried out by stirring at 40 ° C., and each sample was taken after a certain time. The sampling sample was measured for glucose with a biosensor BF5 to calculate saccharification efficiency.

なおセルラーゼ混合溶液は、Treichoderma reesei ATCC26921からなるNovozyme-Celluclast (Sigma) と Aspergillus nigerからなるNovozyme 188 (Sigma) を 5 :1 の割合で混合させたものを、最終濃度 6 FPU / g バイオマスになるよう添加した。   The cellulase mixed solution was a mixture of Novozyme-Celluclast (Sigma) consisting of Treichoderma reesei ATCC26921 and Novozyme 188 (Sigma) consisting of Aspergillus niger at a ratio of 5: 1 to a final concentration of 6 FPU / g biomass. Added.

得られたグルコース濃度をもとに、反応前に添加した結晶性セルロースを100とした場合の糖への変換効率を、既出の計算式に従って算出した。   Based on the obtained glucose concentration, the conversion efficiency to sugar when the crystalline cellulose added before the reaction was taken as 100 was calculated according to the above-described calculation formula.

糖化反応の結果を図5に示す。結果より、NaClならびにKCl添加には、効果が認められなかった。従って、リチウム塩であることが重要であることが確認された。   The result of the saccharification reaction is shown in FIG. From the results, no effect was observed when NaCl and KCl were added. Therefore, it was confirmed that the lithium salt is important.

(疎水性イオン液体へのLiCl添加量の検討)
実施例1でのLiCl添加効果を受け、LiClの添加量を検討した。検討には、カルボニル基を含む疎水性イオン液体 [DEAcmim][Tf2N]を利用した。 [DEAcmim][Tf2N] 1,000 〜 980 mgを採取し、これに無水LiClを各0 〜 20 mg になるよう添加し、1,000 mgの疎水性ILを調製した。これに結晶性セルロース(Avicel)を1 wt% (10 mg) 添加し、150 ℃で3時間加熱攪拌した。室温に冷却後、それぞれのサンプルに、セルラーゼ混合溶液を含有させたクエン酸緩衝液(最終濃度10 mM)を1,000μl添加し、2相系にした。40 ℃で攪拌して糖化反応を行い一定時間後にそれぞれサンプリングした。サンプリング試料を、バイオセンサーBF5にて、グルコースを測定し糖化効率を算出した。
(Examination of LiCl addition amount to hydrophobic ionic liquid)
In response to the LiCl addition effect in Example 1, the addition amount of LiCl was examined. In the study, a hydrophobic ionic liquid [DEAcmim] [Tf2N] containing a carbonyl group was used. [DEAcmim] [Tf2N] 1,000 to 980 mg was collected, and anhydrous LiCl was added to each so as to be 0 to 20 mg to prepare 1,000 mg of hydrophobic IL. 1 wt% (10 mg) of crystalline cellulose (Avicel) was added thereto, and the mixture was heated and stirred at 150 ° C. for 3 hours. After cooling to room temperature, 1,000 μl of a citrate buffer solution (final concentration 10 mM) containing a cellulase mixed solution was added to each sample to form a two-phase system. The saccharification reaction was performed by stirring at 40 ° C., and each sample was taken after a certain time. The sampling sample was measured for glucose with a biosensor BF5 to calculate saccharification efficiency.

なおセルラーゼ混合溶液は、Treichoderma reesei ATCC26921からなるNovozyme-Celluclast (Sigma) と Aspergillus nigerからなるNovozyme 188 (Sigma) を 5 :1 の割合で混合させたものを、最終濃度 6 FPU / g バイオマスになるよう添加した。   The cellulase mixed solution was a mixture of Novozyme-Celluclast (Sigma) consisting of Treichoderma reesei ATCC26921 and Novozyme 188 (Sigma) consisting of Aspergillus niger at a ratio of 5: 1 to a final concentration of 6 FPU / g biomass. Added.

得られたグルコース濃度をもとに、反応前に添加した結晶性セルロースを100とした場合の糖への変換効率を、既出の計算式に従って算出した。   Based on the obtained glucose concentration, the conversion efficiency to sugar when the crystalline cellulose added before the reaction was taken as 100 was calculated according to the above-described calculation formula.

糖化反応の結果を図6示す。結果より、LiCl添加量 1mgであっても糖化向上効果が認められた。   The result of the saccharification reaction is shown in FIG. From the results, the effect of improving saccharification was observed even when the LiCl addition amount was 1 mg.

Claims (14)

セルロース含有材料の処理方法であって、
前記セルロース含有材料とカルボニル基を有する疎水性イオン液体とを接触させる工程、
を備える、処理方法。
A method for treating a cellulose-containing material,
Contacting the cellulose-containing material with a hydrophobic ionic liquid having a carbonyl group;
A processing method comprising:
前記疎水性イオン液体は、以下の式で表されるイオン液体から選択される1種又は2種以上のカチオン種を有する、請求項1又は2に記載の処理方法。
(式(I)及び(II)中、R〜Rから選択される少なくとも一つの置換基が、下記式(1)で表される。式(III)及び(IV)中、R及びR2から選択される少なくとも一つの置換基が、下記式(1)で表される。式(V)中、Rが、下記式(1)で表される。また、式(I)〜(IV)中、下記式(1)で表されない置換基は、それぞれ独立に、置換されていてもよいアルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基を表す。)
(式(1)中、Rは、置換されていてもよい炭化水素のジイル基を表し、R6は、置換されていてもよいアルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基を表す。)
The said hydrophobic ionic liquid is a processing method of Claim 1 or 2 which has 1 type, or 2 or more types of cation species selected from the ionic liquid represented by the following formula | equation.
(In formulas (I) and (II), at least one substituent selected from R 1 to R 4 is represented by the following formula (1). In formulas (III) and (IV), R 1 and At least one substituent selected from R 2 is represented by the following formula (1): In formula (V), R 1 is represented by the following formula (1). (In (IV), the substituent not represented by the following formula (1) independently represents an optionally substituted alkyl group, alkenyl group, alkynyl group or aryl group.)
(In Formula (1), R 5 represents an optionally substituted diyl group of a hydrocarbon, and R 6 represents an optionally substituted alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, and aryl group.)
前記カチオン種は、式(2)で表される、請求項1又は2に記載の方法。
(式(2)中、R1及びR6は、それぞれ独立に置換されていてもよいアルキル基、アルケニル基、アルキニル基及びアリール基を表し、Rは、置換されていてもよい炭化水素のジイル基を表す。)
The method according to claim 1 or 2, wherein the cationic species is represented by the formula (2).
(In Formula (2), R 1 and R 6 each independently represent an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, and an aryl group, which may be substituted, and R 5 represents an optionally substituted hydrocarbon group. Represents a diyl group.)
前記イオン液体のアニオン種は、前記フッ化アルキル基含有アニオン種は、パーフルオロアルキル基含有フルオロホスフェートアニオン及びパーフルオロアルキル基含有スルホニルイミドアニオンから選択される1種又は2種以上である、請求項1〜3のいずれかに記載の処理方法。   The anion species of the ionic liquid is one or more selected from the fluoroalkyl group-containing anion species selected from a perfluoroalkyl group-containing fluorophosphate anion and a perfluoroalkyl group-containing sulfonylimide anion. The processing method in any one of 1-3. 前記疎水性イオン液体に親水性溶媒を供給して前記疎水性イオン液体相と前記親水性溶媒相との二相系を形成する工程と、を備える、請求項1〜4のいずれかに記載の方法。   A step of supplying a hydrophilic solvent to the hydrophobic ionic liquid to form a two-phase system of the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase. Method. さらに、前記疎水性イオン液体は、塩化リチウムを含有する、請求項1〜5のいずれかに記載の処理方法。   Furthermore, the said hydrophobic ionic liquid is a processing method in any one of Claims 1-5 containing lithium chloride. 前記分散工程に先だって、前記疎水性イオン液体に、塩化リチウム又は塩化リチウム水溶液を添加する工程を備える、請求項6に記載の処理方法。   The processing method of Claim 6 provided with the process of adding lithium chloride or lithium chloride aqueous solution to the said hydrophobic ionic liquid prior to the said dispersion | distribution process. セルロース含有材料の分解産物の生産方法であって、
前記セルロース含有材料とカルボニル基を有する疎水性イオン液体相とを接触させる工程と、
前記疎水性イオン液体と接触後のセルロース含有材料に疎水性イオン液体に対する親水性溶媒を供給して前記疎水性イオン液体相と前記親水性溶媒相との二相系を形成する工程と、
セルラーゼにより前記疎水性イオン液体相と前記親水性溶媒相との界面近傍の前記セルロース含有材料のセルロースを分解する工程と、
を備える、生産方法。
A method for producing a degradation product of a cellulose-containing material,
Contacting the cellulose-containing material with a hydrophobic ionic liquid phase having a carbonyl group;
Supplying a hydrophilic solvent for the hydrophobic ionic liquid to the cellulose-containing material after contact with the hydrophobic ionic liquid to form a two-phase system of the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase;
Decomposing cellulose of the cellulose-containing material in the vicinity of the interface between the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase with cellulase;
A production method comprising:
前記セルロースの分解工程後に、前記親水性溶媒相の少なくとも一部を回収する工程を備える、請求項6に記載の生産方法。   The production method according to claim 6, comprising a step of recovering at least a part of the hydrophilic solvent phase after the cellulose decomposition step. 前記セルロースの分解工程後の疎水性イオン液体相の少なくとも一部を回収する工程をそなえる、請求項に記載の生産方法。   The production method according to claim 1, further comprising a step of recovering at least a part of the hydrophobic ionic liquid phase after the cellulose decomposition step. セルロース糖化用のイオン液体組成物であって、
カルボニル基を有する疎水性イオン液体を含有する、組成物。
An ionic liquid composition for saccharification of cellulose,
A composition comprising a hydrophobic ionic liquid having a carbonyl group.
さらに、塩化リチウムを含有する、請求項11に記載の組成物。   The composition according to claim 11, further comprising lithium chloride. 前記疎水性イオン液体に塩化リチウム水溶液が添加されて得られる、請求項12に記載の組成物。   The composition according to claim 12, which is obtained by adding an aqueous lithium chloride solution to the hydrophobic ionic liquid. 有用物質の生産方法であって、
セルロース含有材料とカルボニル基を有する疎水性イオン液体相とを接触させる工程と、
前記疎水性イオン液体と接触後のセルロース含有材料に疎水性イオン液体に対する親水性溶媒を供給して前記疎水性イオン液体相と前記親水性溶媒相との二相系を形成する工程と、
セルラーゼにより前記疎水性イオン液体相と前記親水性溶媒相との界面近傍の前記セルロース含有材料のセルロースを分解する工程と、
前記セルロース分解工程で得られたセルロース分解産物を炭素源として用いて微生物の発酵によって有用物質を生産する工程と、
を備える、生産方法。
A method for producing useful substances,
Contacting the cellulose-containing material with a hydrophobic ionic liquid phase having a carbonyl group;
Supplying a hydrophilic solvent for the hydrophobic ionic liquid to the cellulose-containing material after contact with the hydrophobic ionic liquid to form a two-phase system of the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase;
Decomposing cellulose of the cellulose-containing material in the vicinity of the interface between the hydrophobic ionic liquid phase and the hydrophilic solvent phase with cellulase;
A step of producing useful substances by fermentation of microorganisms using the cellulose degradation product obtained in the cellulose degradation step as a carbon source;
A production method comprising:
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