JP2013018808A - Polyvinyl alcohol-based polymer, and method of manufacturing hydrolysis cellulose using the same - Google Patents

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Seiji Hata
誠二 秦
Masato Nakamae
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polyvinyl alcohol-based polymer in which a suitable viscosity is imparted to a mixture including cellulose biomass in manufacturing hydrolysis cellulose in which the cellulose biomass is used as a raw material, thereby easily conducting the molecular level disruption of the cellulose biomass, and as a result, efficiently manufacturing the hydrolysis cellulose; and to provide a method of manufacturing the hydrolysis cellulose that uses the polyvinyl alcohol-based polymer.SOLUTION: The polyvinyl alcohol-based polymer used for the manufacturing of the hydrolysis cellulose obtained by using the cellulose biomass as a raw material is a polyvinyl alcohol-based polymer that has at least 1.7 mol% of a 1,2-glycol bonding.

Description

本発明は、セルロース系バイオマスを原料とした加水分解性セルロースの製造に用いられるポリビニルアルコール系重合体、及びこれを用いた加水分解性セルロースの製造方法に関する。   The present invention relates to a polyvinyl alcohol polymer used for producing hydrolyzable cellulose using cellulose biomass as a raw material, and a method for producing hydrolyzable cellulose using the same.

バイオマスとは、生物由来の再生可能な資源をいい、「再生可能な、生物由来の有機性資源で化石資源を除いたもの」と定義することができる。このバイオマスの中でも、間伐材等の木材、稲わら、麦わら、籾殻、トウモロコシやサトウキビ等澱粉系作物の茎、アブラヤシの空房(EFB)など、未利用の植物系バイオマスの有効活用が求められている。   Biomass refers to biologically-renewable resources, and can be defined as “renewable, biologically-derived organic resources excluding fossil resources”. Among the biomass, effective utilization of unused plant biomass such as wood from thinned wood, rice straw, straw, rice husk, stalks of starch-based crops such as corn and sugarcane, and oil palm empty bunch (EFB) is required. .

このような植物系バイオマスの成分の中でも、澱粉等の多くの多糖類は、酵素等により容易に単糖類に分解され、エネルギー源や食料等として利用されている。そこで、植物系バイオマスの有効活用のためには、植物細胞中の存在比率が高いセルロースをメタンや単糖類(グルコース)に分解し、エネルギー源や食料等として利用することが重要とされている。ただし、セルロースは細胞壁の大部分を形成していることからもわかるように、強固な構造を有し分解されにくいため、有効活用されていないのが実情である。   Among such plant-based biomass components, many polysaccharides such as starch are easily decomposed into monosaccharides by enzymes and the like, and are used as energy sources, foods, and the like. Therefore, for effective utilization of plant-based biomass, it is important to break down cellulose, which has a high abundance ratio in plant cells, into methane and monosaccharides (glucose) and use them as an energy source, food, and the like. However, as can be seen from the fact that cellulose forms most of the cell wall, cellulose is not effectively utilized because it has a strong structure and is not easily decomposed.

具体的にはセルロースは、細胞壁中で以下のような多重構造を有している。細胞壁を形成するセルロースは、大部分がミクロフィブリルと言われる直線状に密着した準結晶構造を有している。この準結晶構造を有するセルロース(ミクロフィブリル)同士は、ヘミセルロースやリグニン等の非セルロース成分を介して互いに結合している。これらのセルロース成分(ミクロフィブリル)及び非セルロース成分は、一般的にフィブリルと言われる更に大きな構造体として配列されている。このフィブリルは、通常、シート状に積層されて、細胞壁を構成している。上述の準結晶構造を有するセルロース(ミクロフィブリル)において、セルロースのポリマー鎖は、水素結合によって強く結びついている。この水素結合により、植物は強固な細胞壁を備えることとなる。   Specifically, cellulose has the following multiple structures in the cell wall. The cellulose that forms the cell wall has a quasicrystalline structure that adheres in a straight line, most often referred to as microfibrils. Celluloses (microfibrils) having this quasicrystalline structure are bonded to each other via non-cellulose components such as hemicellulose and lignin. These cellulose components (microfibrils) and non-cellulose components are arranged as a larger structure generally referred to as fibrils. These fibrils are usually laminated in a sheet form to constitute a cell wall. In cellulose (microfibril) having the above-described quasicrystalline structure, the polymer chains of cellulose are strongly bound by hydrogen bonding. This hydrogen bond causes the plant to have a strong cell wall.

このような構造を有するセルロースをメタンに分解する手段としては、嫌気性微生物の分解消化による方法などがある。しかしながら、微生物を利用したセルロースの分解は、反応制御が複雑である等の理由から、実用性が十分ではない。   As a means for decomposing cellulose having such a structure into methane, there is a method by decomposing and digesting anaerobic microorganisms. However, the degradation of cellulose using microorganisms is not sufficiently practical due to the complex reaction control.

一方、触媒や酵素を用いて、セルロースを単糖類に加水分解することも、化学的には可能である。セルロースの化学的分解により得られた単糖類は、例えば醗酵によってエタノールに変換され、既存の内燃機関やタービンにエネルギー源として用いることができる。しかしながら、植物由来のセルロース系バイオマスを化学的に直接加水分解することは、上述のような細胞壁におけるセルロースの分子構造上、効率的ではない。これはセルロースの強固な構造が、水及び酵素等の準結晶構造内部への進入を妨げ、セルロース分解酵素の作用を大きく遅らせることに起因すると考えられる。すなわち酵素は、水素結合によって強く結びついた準結晶構造の内部に容易には進入できないため、グリコシド結合を直接には分解することができない。従って、酵素はセルロースの準結晶構造の表面から徐々に分解していくことしかできないため、セルロース系バイオマスを直接、酵素によって加水分解することは効率が高くない。   On the other hand, it is also chemically possible to hydrolyze cellulose into monosaccharides using a catalyst or an enzyme. Monosaccharides obtained by chemical decomposition of cellulose are converted into ethanol by fermentation, for example, and can be used as an energy source for existing internal combustion engines and turbines. However, chemical direct hydrolysis of cellulosic biomass derived from plants is not efficient due to the molecular structure of cellulose in the cell wall as described above. This is considered to be because the strong structure of cellulose hinders the entry of water and enzymes into the quasicrystalline structure and greatly delays the action of the cellulolytic enzyme. That is, the enzyme cannot easily break into a glycosidic bond because it cannot easily enter the interior of the quasicrystalline structure that is strongly bound by hydrogen bonding. Therefore, since the enzyme can only be gradually decomposed from the surface of the quasicrystalline structure of cellulose, it is not efficient to directly hydrolyze the cellulosic biomass with the enzyme.

そこで、セルロース系バイオマスを酵素等による加水分解前に予め細かく分断して、加水分解しやすいセルロースを製造する方法が提案されている。この方法は、基本的には、準結晶構造を有するセルロースを徐々に水和させ、この水和によって隣接するセルロースのポリマー鎖間の水素結合を弱めるという化学的な作用と、セルロース系バイオマスに叩解、混練等により機械的に力を付与してセルロースポリマー鎖を分断するという物理的な作用とを利用するものである。この方法の具体的内容として、例えば(1)容器内でセルロース系バイオマス粒子を撹拌して粒子の浮遊体を生成し、その後、撹拌を継続しながら粒子の浮遊体の温度を上昇させると共に水を徐々に供給して水和させることによって微細な粉末を製造する技術(特表2004−526008号公報)、(2)セルロース系バイオマス粒子を粘性のある水溶性ポリマー水溶液と混ぜて撹拌し、撹拌によって生じる機械的な力を効率的にセルロースポリマー鎖に伝え、セルロースポリマー鎖を互いに引き離すように分断する技術(国際公開第2009/124072号)等が提案されている。   In view of this, a method has been proposed in which cellulose-based biomass is finely divided in advance before hydrolysis with an enzyme or the like to produce cellulose that is easily hydrolyzed. In this method, basically, cellulose having a quasicrystalline structure is gradually hydrated, and this hydration weakens the hydrogen bond between the polymer chains of adjacent celluloses. The physical action of mechanically applying force by kneading or the like to break the cellulose polymer chain is utilized. As specific contents of this method, for example, (1) a cellulosic biomass particle is agitated in a container to produce a particle floating body, and then the temperature of the particle floating body is raised while continuing stirring and water is added. Technology to produce fine powder by gradually supplying and hydrating (Japanese Patent Publication No. 2004-526008), (2) Cellulosic biomass particles are mixed with a viscous water-soluble polymer aqueous solution and stirred, There has been proposed a technique (International Publication No. 2009/124072) or the like in which the generated mechanical force is efficiently transmitted to the cellulose polymer chains and the cellulose polymer chains are separated from each other.

しかしながら、(1)の技術では、セルロース系バイオマスの微粒子を浮遊体として存在させるための装置が複雑なものとなる。また、この技術の使用の際に多大なエネルギーを消費するため、生産性が高いとは言えない。一方、(2)の技術では、水溶液に粘性を付与するための水溶性高分子の使用により、セルロース系バイオマスの一定程度の易加水分解性の向上が認められる。しかしながら、実用化に向けての加水分解性の向上のためには、更なる改良が必要とされている。   However, in the technique (1), an apparatus for causing the fine particles of the cellulosic biomass to exist as a floating body becomes complicated. Moreover, since a great amount of energy is consumed when using this technology, it cannot be said that productivity is high. On the other hand, in the technique (2), a certain degree of easily hydrolyzable improvement of the cellulosic biomass is recognized by using a water-soluble polymer for imparting viscosity to the aqueous solution. However, in order to improve the hydrolyzability for practical use, further improvements are required.

特表2004−526008号公報Special Table 2004-526008 国際公開第2009/124072号International Publication No. 2009/124072

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、セルロース系バイオマスを原料とした加水分解性セルロースの製造の際に、セルロース系バイオマスを含む混合物に好適な粘性を付与すること等により、セルロース系バイオマスの分子レベルの分断を容易に行うことができ、その結果、加水分解性セルロースを効率的に製造することができるポリビニルアルコール系重合体、及びこのポリビニルアルコール系重合体を用いた加水分解性セルロースの製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made based on such circumstances, and by providing a suitable viscosity to a mixture containing cellulosic biomass in the production of hydrolyzable cellulose using cellulosic biomass as a raw material, etc. In addition, it is possible to easily divide cellulosic biomass at a molecular level, and as a result, a polyvinyl alcohol polymer capable of efficiently producing hydrolyzable cellulose, and a hydrolyzate using this polyvinyl alcohol polymer. It aims at providing the manufacturing method of degradable cellulose.

上記課題を解決するためになされた本発明のポリビニルアルコール系重合体は、
セルロース系バイオマスを原料とした加水分解性セルロースの製造に用いられるポリビニルアルコール系重合体であって、1,2−グリコール結合を1.7モル%以上有する。
The polyvinyl alcohol polymer of the present invention made to solve the above problems is
It is a polyvinyl alcohol polymer used for the production of hydrolyzable cellulose using cellulosic biomass as a raw material, and has 1,2-glycol bond of 1.7 mol% or more.

当該ポリビニルアルコール系重合体は、1,2−グリコール結合を1.7モル%以上有するため、水及びセルロース系バイオマスとの親和性が高く、水溶液とした際にこの水溶液の粘性を高めることができると共に、この水溶液を粉末又は粒子状のセルロース系バイオマスと混ぜ合わせた際に、得られる混合物中でのセルロース系バイオマスの均一分散性(混和性)を高めることができる。   Since the polyvinyl alcohol-based polymer has 1,2-glycol bond of 1.7 mol% or more, it has high affinity with water and cellulose-based biomass, and can increase the viscosity of this aqueous solution when made into an aqueous solution. At the same time, when this aqueous solution is mixed with powdered or particulate cellulosic biomass, the uniform dispersibility (miscibility) of the cellulosic biomass in the resulting mixture can be enhanced.

従って、当該ポリビニルアルコール系重合体の水溶液とセルロース系バイオマス粒子とを混ぜ合わせるなどすることにより、セルロース系バイオマスへ適当な剪断力を付加することができる。つまり、当該ポリビニルアルコール系重合体を用いたこのような作業においては、粘性のある水溶液によってセルロースポリマー鎖同士が容易に引き離され、また、準結晶構造を有するポリマー鎖の内部に水及びポリビニルアルコール系重合体が効率的に進入することでポリマー鎖間の水素結合を弱めていくことができる。さらには、このように引き裂かれたポリマー鎖間にポリビニルアルコール系重合体が進入することで、ポリマー鎖の再準結晶化を防ぐことができる。すなわち当該ポリビニルアルコール系重合体によれば、セルロース系バイオマスにおけるセルロースポリマー鎖を効果的に分子レベルで分断し、酵素等によって容易に加水分解(糖化)されるセルロースを得ることができる。   Accordingly, an appropriate shearing force can be applied to the cellulosic biomass by mixing the aqueous solution of the polyvinyl alcohol polymer and the cellulosic biomass particles. That is, in such an operation using the polyvinyl alcohol polymer, cellulose polymer chains are easily separated from each other by a viscous aqueous solution, and water and polyvinyl alcohol are contained inside the polymer chain having a quasicrystalline structure. As the polymer enters efficiently, hydrogen bonds between the polymer chains can be weakened. Furthermore, the re-quasi-crystallization of the polymer chain can be prevented by the polyvinyl alcohol polymer entering between the polymer chains thus torn. That is, according to the polyvinyl alcohol-based polymer, it is possible to effectively break the cellulose polymer chain in the cellulosic biomass at the molecular level and obtain cellulose that is easily hydrolyzed (saccharified) by an enzyme or the like.

当該ポリビニルアルコール系重合体は、平均重合度が100以上4,000以下、ケン化度が70モル%以上99.9モル%以下であるとよい。当該ポリビニルアルコール系重合体の平均重合度及びケン化度が上記範囲にあると、このポリビニルアルコール系重合体の水溶液とセルロース系バイオマスとをより好適な粘性で、効率よく均一に混ぜ合わせることができ、かつ、このポリビニルアルコール系重合体が引き裂かれたセルロースポリマー鎖間に容易に進入することができる。従って、このようなポリビニルアルコール系重合体を用いることで、加水分解性がより高いセルロースを得ることができる。   The polyvinyl alcohol polymer preferably has an average degree of polymerization of 100 to 4,000 and a saponification degree of 70 mol% to 99.9 mol%. When the average degree of polymerization and the degree of saponification of the polyvinyl alcohol polymer are within the above ranges, the aqueous solution of the polyvinyl alcohol polymer and the cellulosic biomass can be mixed efficiently and uniformly with a more suitable viscosity. In addition, the polyvinyl alcohol polymer can easily enter between the torn cellulose polymer chains. Therefore, cellulose having higher hydrolyzability can be obtained by using such a polyvinyl alcohol polymer.

上記課題を解決するためになされた別の発明は、
セルロース系バイオマスを原料とした加水分解性セルロースの製造方法であって、
上記ポリビニルアルコール系重合体の水溶液及びセルロース系バイオマスを含む混合物を得る混合工程と、
上記混合物に剪断力を付加してセルロース系バイオマスを分断する分断工程と
を有する製造方法である。
Another invention made to solve the above problems is as follows:
A method for producing hydrolyzable cellulose using cellulosic biomass as a raw material,
A mixing step of obtaining a mixture containing the aqueous solution of the polyvinyl alcohol polymer and the cellulose-based biomass;
And a dividing step of dividing the cellulosic biomass by applying a shearing force to the mixture.

当該加水分解性セルロースの製造方法によれば、ポリビニルアルコール系重合体の水溶液とセルロース系バイオマスとを混合することで、適当な粘性を有する混合物とすることができる。また、当該製造方法によれば、この混合物に剪断力を付加することで、粘り気のある水溶液によってセルロースポリマー鎖同士が容易に引き離され、また、準結晶構造を有するポリマー鎖の内部に水及びポリビニルアルコール系重合体が効率的に進入することでポリマー鎖間の水素結合を弱めていくことができる。すなわち、当該加水分解性セルロースの製造方法によれば、セルロース系バイオマスにおけるセルロースポリマー鎖を効果的に分子レベルで分断し、酵素等によって容易に加水分解(糖化)されるセルロースを得ることができる。   According to the method for producing hydrolyzable cellulose, a mixture having an appropriate viscosity can be obtained by mixing an aqueous polyvinyl alcohol polymer solution and cellulose biomass. Further, according to the production method, by applying a shearing force to the mixture, cellulose polymer chains are easily separated from each other by a viscous aqueous solution, and water and polyvinyl are contained inside the polymer chain having a quasicrystalline structure. The alcohol-based polymer can efficiently enter to weaken the hydrogen bond between the polymer chains. That is, according to the method for producing hydrolyzable cellulose, it is possible to effectively break the cellulose polymer chain in the cellulosic biomass at the molecular level and obtain cellulose that is easily hydrolyzed (saccharified) by an enzyme or the like.

当該製造方法において、上記水溶液がゲル状であるとよい。このようにゲル状であるポリビニルアルコール系重合体水溶液を用いることで、分断工程における当初段階から混合物を好適な粘性とすることができ、また、その粘性を一定程度維持することができるため効率のよい加水分解性セルロースの製造を行うことができる。さらにはゲル状であることで、分断されたセルロースポリマー鎖間にこのゲル状水溶液が進入し、かつ留まることができるため、セルロースポリマー鎖の再準結晶化を防ぐことができ、分断能が向上することとなる。   In the manufacturing method, the aqueous solution may be in a gel form. Thus, by using a polyvinyl alcohol polymer aqueous solution that is in the form of gel, the mixture can be made to have a suitable viscosity from the initial stage in the dividing step, and the viscosity can be maintained to a certain degree, so that the efficiency can be maintained. Good hydrolyzable cellulose can be produced. Furthermore, since the gel-like aqueous solution can enter and stay between the separated cellulose polymer chains due to the gel form, re-crystallization of the cellulose polymer chains can be prevented, and the fragmentation ability is improved. Will be.

ここで、「加水分解性セルロース」とは、セルロース系バイオマス等を原料とし、これを物理的に分断等して得られるセルロースであり、上記原料よりも加水分解性が高まったものをいう。「平均重合度」とは、JIS−K6726に準じて測定した粘度平均重合度(P)の値である。すなわち、ケン化度が99.5モル%未満の場合は、ポリビニルアルコール系重合体をケン化度99.5モル%以上に再ケン化し、精製した後、30℃の水中で測定した極限粘度[η](単位:デシリットル/g)から下記式(1)により求めた値である。
P=([η]×1000/8.29)(1/0.62) (1)
また、「ケン化度」とは、JIS−K6726に準じて測定した値である。「水溶液」とは、溶媒として水を用いた溶液をいい、流動性を失ったゲル状のものも含む概念である。
Here, “hydrolyzable cellulose” refers to cellulose obtained by using cellulose-based biomass or the like as a raw material and physically dividing it, etc., and having higher hydrolyzability than the above raw materials. The “average degree of polymerization” is a value of viscosity average degree of polymerization (P) measured according to JIS-K6726. That is, when the saponification degree is less than 99.5 mol%, the polyvinyl alcohol polymer is re-saponified to a saponification degree of 99.5 mol% or more and purified, and then the intrinsic viscosity measured in water at 30 ° C. [ η] (unit: deciliter / g) is a value obtained by the following formula (1).
P = ([η] × 1000 / 8.29) (1 / 0.62) (1)
The “saponification degree” is a value measured according to JIS-K6726. “Aqueous solution” refers to a solution using water as a solvent, and is a concept including a gel-like material that loses fluidity.

以上説明したように、本発明のポリビニルアルコール系重合体によれば、セルロース系バイオマスを原料として加水分解性セルロースを製造する際に、セルロース系バイオマスを含む混合物に好適な粘性を付与すること等により、セルロース系バイオマスの分子レベルの分断を容易に行うことができ、その結果、加水分解性セルロースを効率的に製造することができる。また、本発明の加水分解性セルロースの製造方法によれば、セルロース系バイオマスを原料として、効率よく加水分解性セルロースを製造することができる。   As described above, according to the polyvinyl alcohol polymer of the present invention, when producing hydrolyzable cellulose using cellulosic biomass as a raw material, by imparting a suitable viscosity to the mixture containing cellulosic biomass, etc. In addition, the cellulosic biomass can be easily divided at a molecular level, and as a result, hydrolyzable cellulose can be efficiently produced. Moreover, according to the manufacturing method of the hydrolysable cellulose of this invention, a hydrolysable cellulose can be manufactured efficiently using cellulosic biomass as a raw material.

従って、本発明によれば、植物系のバイオマス原料を、効率よく食物やエネルギー資源として活用することができ、バイオマス活用の実現性を高めることができる。   Therefore, according to this invention, a plant-type biomass raw material can be utilized efficiently as a food or energy resource, and the feasibility of biomass utilization can be improved.

以下、本発明のポリビニルアルコール系重合体、及びこれを用いた加水分解性セルロースの製造方法の実施の形態を順に詳説する。   Hereinafter, embodiments of the method for producing a polyvinyl alcohol polymer of the present invention and a hydrolyzable cellulose using the same will be described in detail.

〔ポリビニルアルコール系重合体〕
本発明のポリビニルアルコール系重合体(以下、「PVA」ともいう。)は、1,2−グリコール結合を1.7モル%以上有する。
[Polyvinyl alcohol polymer]
The polyvinyl alcohol polymer of the present invention (hereinafter also referred to as “PVA”) has a 1,2-glycol bond of 1.7 mol% or more.

当該PVAは、1,2−グリコール結合を1.7モル%以上有するため、水及びセルロースとの親和性が高い。従って、当該PVAは、水溶液とした際にこの水溶液の粘性を高めることができると共に、この水溶液を粉末又は粒子状のセルロース系バイオマスと混ぜ合わせた際に、得られる混合物中でのセルロース系バイオマスの均一分散性(混和性)を高めることができる。   Since the PVA has 1,2-glycol bond of 1.7 mol% or more, it has high affinity with water and cellulose. Therefore, the PVA can increase the viscosity of the aqueous solution when the aqueous solution is made into an aqueous solution, and the cellulosic biomass in the mixture obtained when the aqueous solution is mixed with the powdered or particulate cellulose biomass. Uniform dispersibility (miscibility) can be improved.

従って、当該PVAの水溶液とセルロース系バイオマス粒子とを混ぜ合わせるなどすることによって、セルロース系バイオマスへ適当な剪断力を付加することができる。つまり、当該PVAを用いたこのような作業において、粘性のある水溶液によってセルロースポリマー鎖同士が容易に引き離され、また、準結晶構造を有するポリマー鎖の内部に水及びPVAが効率的に進入することでポリマー鎖間の水素結合を弱めていくことができる。さらには、このように引き裂かれたポリマー鎖間にPVAが進入することで、ポリマー鎖の再準結晶化を防ぐことができる。すなわち当該PVAによれば、セルロース系バイオマスにおけるセルロースポリマー鎖を効果的に分子レベルで分断し、酵素等によって容易に加水分解(糖化)されるセルロースを得ることができる。   Therefore, an appropriate shearing force can be applied to the cellulosic biomass by mixing the aqueous solution of PVA and the cellulosic biomass particles. That is, in such an operation using the PVA, cellulose polymer chains are easily separated from each other by a viscous aqueous solution, and water and PVA efficiently enter the polymer chain having a quasicrystalline structure. Can weaken hydrogen bonds between polymer chains. Furthermore, the re-crystallization of the polymer chain can be prevented by the PVA entering between the polymer chains thus torn. That is, according to the PVA, a cellulose polymer chain in cellulosic biomass can be effectively divided at a molecular level, and cellulose that is easily hydrolyzed (saccharified) by an enzyme or the like can be obtained.

当該PVAに特に制限はなく、通常は、ビニルエステル系単量体を各種方法(塊状重合、メタノール等を溶媒とする溶液重合、乳化重合、懸濁重合等)で重合してポリビニルエステル系重合体とした後、これを公知の方法(アルカリケン化、酸ケン化等)によりケン化することによって得られるものを用いることができる。   The PVA is not particularly limited, and is usually a polyvinyl ester polymer obtained by polymerizing a vinyl ester monomer by various methods (bulk polymerization, solution polymerization using methanol as a solvent, emulsion polymerization, suspension polymerization, etc.). Then, those obtained by saponification by a known method (alkali saponification, acid saponification, etc.) can be used.

上記ビニルエステル系単量体としては、酢酸ビニル、ギ酸ビニル、プロピオン酸ビニル、バーサチック酸ビニル、ピバリン酸ビニル等を挙げることができるが、重合制御性、入手容易性等から酢酸ビニルが好ましい。   Examples of the vinyl ester monomers include vinyl acetate, vinyl formate, vinyl propionate, vinyl versatate, vinyl pivalate and the like, and vinyl acetate is preferred from the viewpoint of polymerization controllability and availability.

本発明のPVAを製造する方法は特に限定されないが、例えばビニレンカーボネートを、PVAにおける1,2−グリコールの量が上記範囲内になるよう共重合する方法や、重合温度を通常の条件より高い温度、具体的には、例えば75〜200℃とし、加圧下に重合する方法などが採用される。後者の方法において、重合温度は190℃以下が好ましく、180℃以下がより好ましい。本発明のPVAが有する1,2−グリコール結合の量(1,2−グリコール結合量)は1.7モル%以上であることが必要であり、1.75モル%以上が好ましく、1.8モル%以上がより好ましく、1.9モル%以上がさらに好ましい。また、上記1,2−グリコール結合量の上限は特に限定されないが、4モル%以下が好ましく、3.5モル%以下がより好ましく、3.2モル%以下がさらに好ましい。なお、1,2−グリコール結合量はNMRスペクトルの解析から求められる。   The method for producing the PVA of the present invention is not particularly limited. For example, vinylene carbonate is copolymerized such that the amount of 1,2-glycol in the PVA is within the above range, or the polymerization temperature is higher than normal conditions. Specifically, for example, a method of setting to 75 to 200 ° C. and polymerizing under pressure is adopted. In the latter method, the polymerization temperature is preferably 190 ° C. or lower, and more preferably 180 ° C. or lower. The amount of 1,2-glycol bond (1,2-glycol bond amount) possessed by the PVA of the present invention needs to be 1.7 mol% or more, preferably 1.75 mol% or more, and 1.8 The mol% or more is more preferable, and the 1.9 mol% or more is more preferable. Moreover, the upper limit of the 1,2-glycol bond amount is not particularly limited, but is preferably 4 mol% or less, more preferably 3.5 mol% or less, and further preferably 3.2 mol% or less. The amount of 1,2-glycol bond can be determined from analysis of NMR spectrum.

当該PVAの1,2−グリコール結合量を上記範囲とすることで、当該PVA水溶液をセルロース系バイオマスの均一分散性及び分断能の点からより好ましい状態にすることができる。この1,2−グリコール結合量が上記範囲の下限未満の場合は、上述の効果が十分に発揮されない。一方、この1,2−グリコール結合量が上記範囲の上限を超える場合は、当該PVAの生産性が低下する。   By setting the 1,2-glycol bond amount of the PVA in the above range, the PVA aqueous solution can be brought into a more preferable state in terms of the uniform dispersibility and the splitting ability of the cellulosic biomass. When the 1,2-glycol bond amount is less than the lower limit of the above range, the above-described effects are not sufficiently exhibited. On the other hand, when the amount of 1,2-glycol bonds exceeds the upper limit of the above range, the productivity of the PVA is lowered.

また、本発明のPVAは、本発明の効果を損なわない範囲で共重合可能なエチレン性不飽和単量体が共重合されたものでもよい。このようなエチレン性不飽和単量体としては、エチレン、プロピレン、1−ブテン、イソブテン等のオレフィン類、アクリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸n−プロピル、アクリル酸i−プロピル、アクリル酸n−ブチル、アクリル酸t−ブチル、アクリル酸2−エチルヘキシル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸オクタデシル等のアクリル酸エステル類、メタクリル酸、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n−プロピル、メタクリル酸i−プロピル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸t−ブチル、メタクリル酸2−エチルヘキシル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸オクタデシル等のメタクリル酸エステル類、メチルビニルエーテル、n−プロピルビニルエーテル、i−プロピルビニルエーテル、n−ブチルビニルエーテル、i−ブチルビニルエーテル、t−ブチルビニルエーテル、ドデシルビニルエーテル、ステアリルビニルエーテル等のビニルエーテル類、アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のニトリル類、塩化ビニル、塩化アリル等のアリル化合物、フマール酸、マレイン酸、イタコン酸、無水マレイン酸、無水フタル酸、無水トリメット酸、無水イタコン酸等のカルボキシル基含有化合物及びそのエステルや酸無水物、エチレンスルホン酸、アリルスルホン酸、メタアリルスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸等のスルホン酸基含有化合物、ジアセトンアクリルアミド、ジアセトンアクリレート、ジアセトンメタクリレート等のジアセトン基含有化合物、ビニルトリメトキシシラン等のビニルシラン化合物、酢酸イソプロペニル、3−アクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロライド、3−メタクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロライド等が挙げられる。   In addition, the PVA of the present invention may be one obtained by copolymerizing an ethylenically unsaturated monomer that can be copolymerized within a range that does not impair the effects of the present invention. Examples of such ethylenically unsaturated monomers include olefins such as ethylene, propylene, 1-butene and isobutene, acrylic acid, methyl acrylate, ethyl acrylate, n-propyl acrylate, i-propyl acrylate, Acrylic acid esters such as n-butyl acrylate, t-butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, dodecyl acrylate, octadecyl acrylate, methacrylic acid, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-propyl methacrylate, methacryl Methacrylic acid esters such as i-propyl acid, n-butyl methacrylate, t-butyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, dodecyl methacrylate, octadecyl methacrylate, methyl vinyl ether, n-propyl vinyl ether, i-propyl vinyl Ether, n-butyl vinyl ether, i-butyl vinyl ether, t-butyl vinyl ether, dodecyl vinyl ether, vinyl ethers such as stearyl vinyl ether, nitriles such as acrylonitrile and methacrylonitrile, allyl compounds such as vinyl chloride and allyl chloride, fumaric acid, Carboxylic group-containing compounds such as maleic acid, itaconic acid, maleic anhydride, phthalic anhydride, trimetic anhydride, itaconic anhydride and their esters and acid anhydrides, ethylene sulfonic acid, allyl sulfonic acid, methallyl sulfonic acid, 2- Sulfonic acid group-containing compounds such as acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid, diacetone group-containing compounds such as diacetone acrylamide, diacetone acrylate and diacetone methacrylate, vinyltrimethoxysilane Vinylsilane compounds such emissions, isopropenyl acetate, 3-acrylamidopropyltrimethylammonium chloride, 3-methacrylamidopropyltrimethyl ammonium chloride.

なお、本発明のPVAは、チオール酢酸、メルカプトプロピオン酸などのチオール化合物存在下で酢酸ビニルなどのビニルエステル系単量体を重合してポリビニルエステル系重合体とした後、これをケン化するなどして得られる末端変性物であってもよい。   The PVA of the present invention is obtained by polymerizing a vinyl ester monomer such as vinyl acetate in the presence of a thiol compound such as thiol acetic acid or mercaptopropionic acid to obtain a polyvinyl ester polymer, and then saponifying it. It may be a terminally modified product obtained as described above.

本発明のPVAの平均重合度は、100以上4,000以下が好ましく、600以上3,500以下がより好ましく、1,000以上3,000以下がさらに好ましく、1,200以上2,500以下が特に好ましい。当該PVAの平均重合度を上記範囲とすることで、このPVAを水溶液として用い、セルロース系バイオマスと混合した際に、好適な粘性で効率よく、かつ均一に混ぜ合わせることができ、その結果、セルロースポリマー鎖を効率的に分断し、加水分解を容易に行うことができる状態とすることができる。また、このように平均重合度の高いPVAを用いることで、少ない量のホウ酸塩等でゲル化させることができる。   The average degree of polymerization of the PVA of the present invention is preferably from 100 to 4,000, more preferably from 600 to 3,500, further preferably from 1,000 to 3,000, and more preferably from 1,200 to 2,500. Particularly preferred. By setting the average polymerization degree of the PVA in the above range, when this PVA is used as an aqueous solution and mixed with cellulosic biomass, it can be mixed efficiently and uniformly with a suitable viscosity. As a result, cellulose is obtained. The polymer chain can be efficiently divided so that hydrolysis can be easily performed. In addition, by using PVA having a high average degree of polymerization in this way, it can be gelled with a small amount of borate or the like.

当該PVAの平均重合度が100未満の場合は、分子量が小さすぎるため、十分な粘性を水溶液に付与しにくく、混練の際にセルロースポリマー鎖同士を物理的に引き離す力が弱くなるおそれがある。逆に、この平均重合度が4,000を超えると粘性が高すぎて分断工程における作業性やハンドリング性が低下し易く、また、分子量が大きすぎることでセルロースポリマー鎖間に進入し難くなり、水素結合を弱める作用が低下するおそれがある。   When the average degree of polymerization of the PVA is less than 100, the molecular weight is too small, so that it is difficult to impart sufficient viscosity to the aqueous solution, and the force to physically separate the cellulose polymer chains during kneading may be weakened. On the contrary, when this average degree of polymerization exceeds 4,000, the viscosity is too high and the workability and handling properties in the fragmentation process are likely to decrease, and the molecular weight is too large to enter between the cellulose polymer chains, There is a possibility that the action of weakening hydrogen bonds may be reduced.

当該PVAのケン化度の下限としては、70モル%が好ましく、75モル%がより好ましく、80モル%がさらに好ましく、85モル%が特に好ましい。一方、このケン化度の上限としては、99.9モル%が好ましく、99モル%がより好ましく、98.5モル%がさらに好ましい。当該PVAのケン化度を上記範囲とすることで、このPVAを水溶液として用い、セルロース系バイオマスと混合した際に、好適な粘性で効率よくかつ均一に混ぜ合わせることができ、その結果、セルロースポリマー鎖を効率的に分断し、加水分解を容易に行うことができる状態とすることができる。   As a minimum of the saponification degree of the said PVA, 70 mol% is preferable, 75 mol% is more preferable, 80 mol% is further more preferable, 85 mol% is especially preferable. On the other hand, the upper limit of the degree of saponification is preferably 99.9 mol%, more preferably 99 mol%, and even more preferably 98.5 mol%. By setting the degree of saponification of the PVA in the above range, when this PVA is used as an aqueous solution and mixed with cellulosic biomass, it can be mixed efficiently and uniformly with a suitable viscosity. As a result, the cellulose polymer The chain can be efficiently divided so that hydrolysis can be easily performed.

当該PVAのケン化度が70モル%未満の場合は水溶性が低下すると共に、十分な粘性が得られず、混練等の際のセルロース分断能が低下する傾向がある。逆に、このケン化度が99.9モル%を超えても、セルロースポリマー鎖の分子レベルの分断能は頭打ちとなると共にハンドリング性が低下する。   When the saponification degree of the PVA is less than 70 mol%, the water solubility is lowered and sufficient viscosity cannot be obtained, and the cellulose separating ability during kneading tends to be lowered. On the other hand, even when the degree of saponification exceeds 99.9 mol%, the fragmentation ability at the molecular level of the cellulose polymer chain reaches its peak and handling properties are lowered.

本発明のPVAは、セルロース系バイオマスを原料とした加水分解性セルロースの製造に用いられるものである。具体的には、後に詳述するように、PVAの水溶液と、セルロース系バイオマスとを混合して混合物とし、この混合物を練り混ぜることなどにより剪断力を付加し、セルロース系バイオマスを分子レベル(準結晶構造レベル)で細かく分断するために用いることができる。この際、当該PVAの水溶液を用いることで上記混合物の粘性を好適な状態に保つことができる。その結果、当該PVAによれば、混合物の混練等の際、粘り気のある水溶液によってセルロースポリマー鎖を容易に引き剥がし、また、準結晶構造を有するポリマー鎖の内部に水及びポリビニルアルコール系重合体が効率的に進入することでポリマー鎖間の水素結合を弱めていくことができる。さらには、このように引き裂かれたポリマー鎖間にポリビニルアルコール系重合体が進入することで、この構造の再結晶化を防ぐことができる。なお、このように分子レベルで分断されたセルロースは、加水分解酵素等によって容易に分解される。   The PVA of the present invention is used for producing hydrolyzable cellulose using cellulosic biomass as a raw material. Specifically, as will be described in detail later, an aqueous solution of PVA and cellulosic biomass are mixed to form a mixture, and a shearing force is applied by kneading the mixture to make the cellulosic biomass at a molecular level (quasi-level). It can be used for fine division at the crystal structure level. Under the present circumstances, the viscosity of the said mixture can be maintained in a suitable state by using the aqueous solution of the said PVA. As a result, according to the PVA, when the mixture is kneaded, the cellulose polymer chain is easily peeled off by a viscous aqueous solution, and water and polyvinyl alcohol polymer are contained inside the polymer chain having a quasicrystalline structure. By efficiently entering, hydrogen bonds between polymer chains can be weakened. Furthermore, the recrystallization of this structure can be prevented by the polyvinyl alcohol polymer entering between the polymer chains thus torn. In addition, the cellulose divided | segmented in this molecular level is easily decomposed | disassembled by a hydrolase etc.

〔加水分解性セルロースの製造方法〕
セルロース系バイオマスを原料とした加水分解性セルロースの製造方法は、上記のPVAの水溶液及びセルロース系バイオマスを含む混合物を得る混合工程と、上記混合物に剪断力を付加してセルロース系バイオマスを分断する分断工程とを少なくとも有する。なお、混合工程に先駆けて、セルロース系バイオマス原料を切断して、セルロース系バイオマスを適当なサイズの粒子とするセルロース系バイオマス原料切断工程、同じく混合工程に先駆けて、当該PVAの水溶液を調製する水溶液調製工程、及び当該PVA水溶液をゲル状にするゲル化工程を有することが好ましい。以下、加水分解性セルロースの製造工程に沿って順に説明する。
[Method for producing hydrolyzable cellulose]
A method for producing hydrolyzable cellulose using cellulosic biomass as a raw material includes a mixing step of obtaining a mixture containing the above aqueous solution of PVA and cellulosic biomass, and dividing the cellulosic biomass by adding shearing force to the mixture. At least a process. Prior to the mixing step, the cellulosic biomass raw material is cut to obtain cellulosic biomass having an appropriate size, and the aqueous solution of the PVA is prepared prior to the mixing step. It is preferable to have a preparation process and the gelatinization process which makes the said PVA aqueous solution gel. Hereinafter, it demonstrates in order along the manufacturing process of a hydrolysable cellulose.

(1)セルロース系バイオマス原料切断工程
本工程においては、以降の工程における処理を効率的にするために、セルロース系バイオマス原料を切断し、適当なサイズの粒子とする。ここで用いられるセルロース系バイオマス原料としては特に限定されず植物由来のバイオマスを好ましく用いることができる。具体的には、例えば、間伐材等の木材、稲わら、麦わら、籾殻、バガス、トウモロコシやサトウキビ等澱粉系作物の茎、アブラヤシの廃棄物(EFB等)、ヤシの実の殻などを挙げることができる。このようなセルロース系バイオマス原料を、可能な限り土等の不要分を取り除いた後、剪断、叩解等の各種切断手段により、粒子状に小さくする。この切断工程においては、例えば、特表2004−526008号公報に記載の分断器や、パルプチップを製造する際に用いられる装置等を好適に採用することができる。
(1) Cellulosic biomass raw material cutting step In this step, in order to make the processing in the subsequent steps efficient, the cellulosic biomass raw material is cut into particles of an appropriate size. The cellulose-based biomass material used here is not particularly limited, and plant-derived biomass can be preferably used. Specifically, for example, wood such as thinned wood, rice straw, wheat straw, rice husk, bagasse, stalks of starch-based crops such as corn and sugarcane, oil palm waste (EFB, etc.), palm nut shell, etc. Can do. Such a cellulosic biomass raw material is reduced to particles by various cutting means such as shearing and beating after removing unnecessary components such as soil as much as possible. In this cutting step, for example, a breaker described in JP-T-2004-526008, an apparatus used when producing a pulp chip, and the like can be suitably employed.

この切断工程を経たセルロース系バイオマス粒子のサイズとしては、平均粒径2mm以下が好ましく、1mm以下がさらに好ましく、100μm以下が特に好ましく、20μm以上70μm以下がさらに特に好ましい。セルロース系バイオマス粒子の平均粒径を2mm以下とすることで、以降の混合工程や、特に分断工程を効率よく行うことができ、短時間で加水分解性の優れたセルロースを得ることができる。   The size of the cellulosic biomass particles that have undergone this cutting step is preferably 2 mm or less, more preferably 1 mm or less, particularly preferably 100 μm or less, and particularly preferably 20 μm or more and 70 μm or less. By setting the average particle size of the cellulose-based biomass particles to 2 mm or less, the subsequent mixing step, particularly the dividing step can be efficiently performed, and cellulose having excellent hydrolyzability can be obtained in a short time.

(2)水溶液調製工程
本工程においては、上記のPVAを水に溶解して水溶液とする。このPVA水溶液の濃度としては、特に限定されないが、3質量%以上30質量%以下が好ましく、5質量%以上20質量%以下がさらに好ましい。PVA水溶液の濃度を上記範囲とすることで、水溶液に適当な粘性を付与することができる。従って、水溶液の濃度を上記範囲とすることで、混練の際に、水溶液を介してセルロース系バイオマスへ物理的な力が効果的に伝わり、その結果、この水溶液によってセルロースポリマー鎖が引き剥がされ、セルロース系バイオマスの分子レベルの分断を効果的に行うことができる。PVA水溶液の濃度が3質量%未満の場合は、水溶液が適当な粘性を有さず物理的な作用による分断機能が十分に発揮されないおそれがある。逆に、当該PVA水溶液の濃度が30質量%を超えると、水溶液の粘性が高すぎて混練しにくくなるため、分断工程における作業性が低下するおそれがある。
(2) Aqueous solution preparation step In this step, the above PVA is dissolved in water to obtain an aqueous solution. Although it does not specifically limit as a density | concentration of this PVA aqueous solution, 3 mass% or more and 30 mass% or less are preferable, and 5 mass% or more and 20 mass% or less are more preferable. By setting the concentration of the PVA aqueous solution within the above range, an appropriate viscosity can be imparted to the aqueous solution. Therefore, by setting the concentration of the aqueous solution in the above range, during kneading, physical force is effectively transmitted to the cellulosic biomass through the aqueous solution, and as a result, the cellulose polymer chain is peeled off by this aqueous solution, Cellulosic biomass can be effectively divided at the molecular level. When the concentration of the PVA aqueous solution is less than 3% by mass, the aqueous solution does not have an appropriate viscosity, and there is a possibility that the dividing function due to physical action is not sufficiently exhibited. Conversely, when the concentration of the PVA aqueous solution exceeds 30% by mass, the viscosity of the aqueous solution is so high that it becomes difficult to knead, and the workability in the dividing step may be reduced.

なお、上記のPVA水溶液は、1,2−グリコール結合を1.7モル%以上有するPVA以外のPVAをさらに含有してもよい。この場合、1,2−グリコール結合を1.7モル%以上有するPVA以外のPVAを含むPVA全体としての濃度が上記濃度範囲となっていることが好ましい。また、PVA水溶液には、PVA以外の他の化合物等が溶解又は分散されていてもよい。   In addition, said PVA aqueous solution may further contain PVA other than PVA which has 1.7 mol% or more of 1, 2- glycol bonds. In this case, it is preferable that the density | concentration as the whole PVA containing PVA other than PVA which has 1.7 mol% or more of 1, 2- glycol bonds is the said density | concentration range. Moreover, other compounds other than PVA may be dissolved or dispersed in the PVA aqueous solution.

(3)ゲル化工程
上述したセルロース系バイオマス原料切断工程によって得られたセルロース系バイオマスの粒子と、上記のPVA水溶液とを混合するに先駆けて、当該PVA水溶液をゲル化すると好ましい。このようなゲル状のPVA水溶液を用いることで、後の分断工程において混合物が混練の初期段階から高い粘性を有するため、混練の物理的作用がセルロース系バイオマスに効果的に伝わり、このセルロース系バイオマスを分子レベルで効率的に分断することができる。さらには、ゲル状のPVA水溶液を用いることで、分断されたセルロースポリマー鎖間にこのゲル状水溶液が進入し、かつ留まることができるため、セルロースポリマー鎖の再準結晶化を防ぐことができ、分断能が向上することとなる。
(3) Gelation step Prior to mixing the cellulose-based biomass particles obtained by the cellulose-based biomass raw material cutting step described above and the PVA aqueous solution, the PVA aqueous solution is preferably gelled. By using such a gel-like PVA aqueous solution, the mixture has a high viscosity from the initial stage of kneading in the subsequent dividing step, so that the physical action of kneading is effectively transmitted to the cellulosic biomass. Can be efficiently divided at the molecular level. Furthermore, by using a gelled PVA aqueous solution, the gelled aqueous solution can enter and stay between the split cellulose polymer chains, so that re-crystallization of the cellulose polymer chains can be prevented, The splitting ability will be improved.

このPVA水溶液のゲル化の方法としては、例えば、ホウ酸塩、チタニウム酢酸塩、その他の金属塩等の化学物質を添加し、当該PVAを架橋させる方法などを挙げることができる。   Examples of the gelation method of the PVA aqueous solution include a method of adding a chemical substance such as borate, titanium acetate, and other metal salts to crosslink the PVA.

ホウ酸塩を添加してPVA水溶液をゲル化させる場合には、例えば、5質量%のPVA水溶液100質量部に対して、四ホウ酸ナトリウムの飽和水溶液を1〜10質量部加えて混ぜ合わせることで行うことができる。このようにしてゲル状にされたPVA水溶液は、当該製造において好適な粘性を有し、また、セルロース系バイオマスと混ぜ合わされて混練され続けても粘度が上昇(硬化)しにくいため容易かつ効率的に混練を行うことができる。なお、このゲル状のPVA水溶液は、酸性であることが好ましく、具体的にはpHが4以上6以下であることが好ましい。   When adding a borate to gelatinize an aqueous PVA solution, for example, 1 to 10 parts by mass of a saturated aqueous solution of sodium tetraborate is added to and mixed with 100 parts by mass of a 5% by mass PVA aqueous solution. Can be done. The gelled PVA aqueous solution has a suitable viscosity in the production, and is easy and efficient because the viscosity hardly increases (hardens) even if it is mixed with the cellulosic biomass and kneaded. Kneading can be performed. In addition, it is preferable that this gel-like PVA aqueous solution is acidic, and specifically, it is preferable that pH is 4-6.

(4)混合工程
上記工程にて得られたPVAの水溶液、好ましくは上記ゲル化工程においてゲル状にされたPVAの水溶液、及び上記工程にて好ましいサイズに切断されるなどしたセルロース系バイオマスを混合して、これらを含む混合物を得る。
(4) Mixing step Mixing the aqueous solution of PVA obtained in the above step, preferably the aqueous solution of PVA gelled in the gelation step, and the cellulosic biomass cut into a preferred size in the above step Thus, a mixture containing these is obtained.

セルロース系バイオマスの混合量としては、特に限定されないが、混合物全体に対するセルロース系バイオマスの混合量が5質量%以上50質量%以下が好ましく、10質量%以上40質量%以下がさらに好ましい。セルロース系バイオマスの混合量が5質量%未満の場合は、混合物の粘性が低く物理的な作用による分断機能が十分に発揮されないおそれがあると共に、セルロース系バイオマスの処理量が低いため、作業効率が低下する。逆にセルロース系バイオマスの混合量が50質量%を超えると、バイオマスによる吸水性が強く、混合物の粘性が高すぎて、混練しにくくなるため、作業性が低下する。この混合物の粘度としては、例えば5.0×10mPa・s以上1.0×10mPa・s以下が好ましい。 The mixing amount of the cellulose-based biomass is not particularly limited, but the mixing amount of the cellulose-based biomass with respect to the entire mixture is preferably 5% by mass or more and 50% by mass or less, and more preferably 10% by mass or more and 40% by mass or less. When the mixing amount of the cellulosic biomass is less than 5% by mass, the viscosity of the mixture is low and there is a possibility that the function of dividing by the physical action may not be sufficiently exhibited. descend. On the other hand, when the mixing amount of the cellulosic biomass exceeds 50% by mass, the water absorption by the biomass is strong, the viscosity of the mixture is too high, and kneading becomes difficult, so that workability is lowered. The viscosity of the mixture is preferably, for example, from 5.0 × 10 4 mPa · s to 1.0 × 10 6 mPa · s.

(5)分断工程
上述の混合工程にて得られた混合物に剪断力を付加することによって、セルロース系バイオマスを分子レベル(準結晶構造レベル)で分断する。つまり、準結晶構造を有するセルロースが部分的に水和され、また、PVAが進入し、このセルロース分子間の水素結合が弱まり、加えて、剪断力の付加による物理的な力により、分子間の結合が弱まった状態でセルロースポリマー鎖同士が互いに引き離されることで、細胞壁の微視的な構造が分断されることとなる。
(5) Splitting Step Cellulosic biomass is split at the molecular level (quasicrystalline structure level) by applying shearing force to the mixture obtained in the mixing step described above. That is, cellulose having a quasicrystalline structure is partially hydrated, PVA enters, hydrogen bonds between the cellulose molecules are weakened, and in addition, due to the physical force due to the addition of shear force, intermolecular Cellulose polymer chains are separated from each other in a weakened bond, so that the microscopic structure of the cell wall is disrupted.

ここで、1,2−グリコール結合量が上記の範囲にあるPVAの水溶液を用いることで、当該PVAと、水及びセルロースとの高い親和性により、混合物に適度な粘性を付与できるため、セルロース分子間の水素結合の低下という化学的な作用と、剪断力の付加という機械的な操作によってセルロース分子同士を物理的に引き離す作用とを共に効果的に発揮することができる。また、当該PVAを用いることで、物理的に引き離されたセルロースポリマー鎖の隙間にこのPVAが効果的に進入し、付着しやすくなる。従って、上記のPVAを用いた当該製造方法によれば、セルロースポリマー鎖の再準結晶化を防ぐことができ、効果的に加水分解性セルロースを製造することができる。   Here, by using an aqueous solution of PVA in which the 1,2-glycol bond amount is in the above-mentioned range, it is possible to impart an appropriate viscosity to the mixture due to the high affinity between the PVA and water and cellulose. Both the chemical action of lowering the hydrogen bond between them and the action of physically separating cellulose molecules by a mechanical operation of applying a shearing force can be effectively exhibited. Moreover, by using the PVA, the PVA effectively enters and adheres to the gaps between the physically separated cellulose polymer chains. Therefore, according to the production method using the above PVA, re-quasicrystallization of the cellulose polymer chain can be prevented, and hydrolyzable cellulose can be produced effectively.

更には、ゲル状とされたPVA水溶液を用いることで、剪断力の付加の最初の段階から常に好ましい粘性を有した混合物とすることができ、セルロース系バイオマスの分子レベルの分断を効率的に行うことができる。   Furthermore, by using a gelled PVA aqueous solution, a mixture having a favorable viscosity can be obtained from the first stage of applying shearing force, and cell-based biomass can be efficiently divided at the molecular level. be able to.

この分断工程における混合物に剪断力を付加する方法としては特に限定されず、例えば、混合物を練り混ぜる方法などが挙げられる。また、この分断工程に用いられる装置としては、特に限定されないが、熱可塑性樹脂の成形の際に一般的に使用される二軸押出成形機等が好適に用いられる。この分断工程に要する時間としては、混合物の量等に応じて適宜設定されるが、例えば、30分以上10時間以内程度である。なお、この分断工程の際、粘度が減少した場合は、適宜、四ホウ酸ナトリウム水溶液の添加などによって、粘性を調整するとよい。   The method for applying a shearing force to the mixture in the dividing step is not particularly limited, and examples thereof include a method of kneading the mixture. In addition, the apparatus used in the dividing step is not particularly limited, but a twin screw extruder generally used for molding a thermoplastic resin or the like is preferably used. The time required for the dividing step is appropriately set according to the amount of the mixture and the like, and is, for example, about 30 minutes to 10 hours. In addition, when the viscosity decreases during the dividing step, the viscosity may be appropriately adjusted by adding a sodium tetraborate aqueous solution or the like.

この加水分解性セルロースの製造方法によれば、上述の各工程を経ることで、セルロース系バイオマスは、準結晶構造が分断された容易に加水分解されるセルロースとなる。   According to this method for producing hydrolyzable cellulose, the cellulosic biomass becomes cellulose that is easily hydrolyzed with the quasicrystalline structure divided by passing through the above-described steps.

(6)後工程
なお、このようにして得られた加水分解性セルロースは、混合物中に例えば、公知の加水分解酵素を用いることで容易に糖化され、生じたグルコースが水溶液中に溶け出す。上記加水分解酵素としては、例えば、セルラーゼ、ペクチナーゼ、ヘミセルラーゼ、β−グルカナーゼ、キシラナーゼ、マンナーゼ、アミラーゼ、メイセラーゼ、アクレモニウムセルラーゼ(Acremonium cellulolyticus菌から得られるセルラーゼ)等を挙げることができる。また、糖化の際、セルロース系バイオマス中に含まれるヘミセルロース由来のキシロース等も、併せて水溶液中に溶け出す。この際、セルロース系バイオマスに含まれるリグニンが不溶な粒子として存在することがあるが、このリグニンは、例えば、ろ過や遠心分離によって分離することができる。このようにして得られた可溶性のグルコース等の糖類は、醗酵によってエタノールとし、燃料資源などとして好適に使用することができる。
(6) Post-process In addition, the hydrolysable cellulose obtained by doing in this way is easily saccharified by using a well-known hydrolase in a mixture, for example, and the produced glucose melt | dissolves in aqueous solution. Examples of the hydrolase include cellulase, pectinase, hemicellulase, β-glucanase, xylanase, mannase, amylase, mecerase, and acremonium cellulase (cellulase obtained from Acremonium cellulolyticus). Further, at the time of saccharification, hemicellulose-derived xylose and the like contained in the cellulosic biomass are also dissolved in the aqueous solution. At this time, the lignin contained in the cellulosic biomass may exist as insoluble particles, but this lignin can be separated by, for example, filtration or centrifugation. The saccharides such as soluble glucose thus obtained can be converted to ethanol by fermentation and can be suitably used as a fuel resource.

以下、実施例に基づいて本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is explained in full detail based on an Example, this invention is not interpreted limitedly based on description of this Example.

[合成例1](PVA1)
撹拌機、窒素導入口及び開始剤導入口を備えた5L加圧反応槽に酢酸ビニル2940g、メタノール60g及び酒石酸0.088gを仕込み、室温下に窒素ガスによるバブリングをしながら反応槽圧力を2.0MPaまで昇圧して10分間放置した後、放圧するという操作を3回繰り返して系中を窒素置換した。開始剤として2,2’−アゾビス(シクロヘキサン−1−カルボニトリル)(V−40)をメタノールに溶解した濃度0.2g/Lの溶液を調製し、窒素ガスによるバブリングを行って窒素置換した。次いで上記の反応槽内温を120℃に昇温した。このときの反応槽圧力は0.5MPaであった。次いで、上記の開始剤溶液2.5mLを注入し重合を開始した。重合中は重合温度を120℃に維持し、上記の開始剤溶液を10.0mL/hrで連続添加して重合を実施した。重合中の反応槽圧力は0.5MPaであった。3時間後に冷却して重合を停止した。このときの固形分濃度は24質量%であった。次いで、30℃減圧下にメタノールを時々添加しながら未反応酢酸ビニルモノマーの除去を行い、ポリ酢酸ビニルのメタノール溶液(濃度33質量%)を得た。得られたポリ酢酸ビニルの溶液にメタノールを加え、ポリ酢酸ビニルの濃度が25質量%となるように調製した。この溶液400g(ポリ酢酸ビニル100g)に、40℃でアルカリ溶液(NaOHの10質量%メタノール溶液)11.6gを添加してケン化を行った。アルカリ添加後約2分でゲル化したものを粉砕器にて粉砕し、1時間放置してケン化を進行させた後、酢酸メチル1000gを加えて残存するアルカリを中和した。フェノールフタレイン指示薬を用いて中和の終了を確認後、濾別して得られた白色固体のPVAにメタノール1000gを加えて室温で3時間放置洗浄した。上記洗浄操作を3回繰り返した後、遠心脱液して得られたPVAを乾燥機中70℃で2日間放置して乾燥PVA(PVA1)を得た。このPVA1の平均重合度は1,700、ケン化度は98.0モル%、1,2−グリコール結合量は2.2モル%であった。なお、PVA1の1,2−グリコール結合量はPVAをDMSO−dに溶解し、500MHzプロトンNMR(JEOL GX−500)を用いて測定して算出した値である。
[Synthesis Example 1] (PVA1)
A 5 L pressure reactor equipped with a stirrer, a nitrogen inlet and an initiator inlet was charged with 2940 g of vinyl acetate, 60 g of methanol and 0.088 g of tartaric acid, and the reactor pressure was increased while bubbling with nitrogen gas at room temperature. The operation of raising the pressure to 0 MPa and allowing it to stand for 10 minutes and then releasing the pressure was repeated three times to purge the system with nitrogen. A solution having a concentration of 0.2 g / L in which 2,2′-azobis (cyclohexane-1-carbonitrile) (V-40) was dissolved in methanol as an initiator was prepared, and was purged with nitrogen by bubbling with nitrogen gas. Next, the temperature inside the reaction vessel was raised to 120 ° C. The reaction vessel pressure at this time was 0.5 MPa. Then, 2.5 mL of the above initiator solution was injected to initiate polymerization. During the polymerization, the polymerization temperature was maintained at 120 ° C., and the above initiator solution was continuously added at 10.0 mL / hr to carry out the polymerization. The reactor pressure during the polymerization was 0.5 MPa. After 3 hours, the polymerization was stopped by cooling. The solid content concentration at this time was 24% by mass. Subsequently, unreacted vinyl acetate monomer was removed while adding methanol occasionally under reduced pressure at 30 ° C. to obtain a methanol solution of polyvinyl acetate (concentration: 33% by mass). Methanol was added to the obtained polyvinyl acetate solution to prepare a polyvinyl acetate concentration of 25% by mass. Saponification was carried out by adding 11.6 g of an alkali solution (10% by weight methanol solution of NaOH) at 40 ° C. to 400 g of this solution (100 g of polyvinyl acetate). After about 2 minutes after the addition of alkali, the gelled material was pulverized with a pulverizer and allowed to stand for 1 hour to allow saponification to proceed, and then 1000 g of methyl acetate was added to neutralize the remaining alkali. After confirming the end of neutralization using a phenolphthalein indicator, 1000 g of methanol was added to the white solid PVA obtained by filtration, and the mixture was left to wash at room temperature for 3 hours. After the above washing operation was repeated three times, the PVA obtained by centrifugal drainage was left in a dryer at 70 ° C. for 2 days to obtain dry PVA (PVA1). This PVA1 had an average degree of polymerization of 1,700, a degree of saponification of 98.0 mol%, and a 1,2-glycol bond amount of 2.2 mol%. The amount of 1,2-glycol bonds in PVA1 is a value calculated by dissolving PVA in DMSO-d 6 and measuring it using 500 MHz proton NMR (JEOL GX-500).

[合成例2](PVA2)
ケン化反応において、濃度25質量%に調製したポリ酢酸ビニルのメタノール溶液に、2.3gのアルカリ溶液(NaOHの10質量%メタノール溶液)及び水1.4gを添加し、かつアルカリ添加後約20分後にゲル化したものを粉砕したこと以外は合成例1と同様にして、乾燥PVA(PVA2)を得た。このPVA2の平均重合度は1,700、ケン化度は88.0モル%、1,2−グリコール結合量は2.2モル%であった。なお、PVA2の1,2−グリコール結合量はPVAをDMSO−dに溶解し、500MHzプロトンNMR(JEOL GX−500)を用いて測定して算出した値である。
[Synthesis Example 2] (PVA2)
In the saponification reaction, 2.3 g of an alkali solution (10% by mass of NaOH in methanol) and 1.4 g of water were added to a methanol solution of polyvinyl acetate prepared to a concentration of 25% by mass. Dry PVA (PVA2) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1 except that the gelled material was pulverized. This PVA2 had an average degree of polymerization of 1,700, a degree of saponification of 88.0 mol%, and a 1,2-glycol bond amount of 2.2 mol%. The 1,2-glycol bond amount of PVA2 is a value calculated by dissolving PVA in DMSO-d 6 and measuring it using 500 MHz proton NMR (JEOL GX-500).

[合成例3](PVA3)
撹拌機、窒素導入口及び開始剤導入口を備えた5L加圧反応槽に酢酸ビニル2850g、メタノール150g及び酒石酸0.086gを仕込み、室温下に窒素ガスによるバブリングをしながら反応槽圧力を2.0MPaまで昇圧して10分間放置した後、放圧するという操作を3回繰り返して系中を窒素置換した。開始剤として2,2’−アゾビス(N−ブチル−2−メチルプロピオンアミド)をメタノールに溶解した濃度0.1g/Lの溶液を調製し、窒素ガスによるバブリングを行って窒素置換した。次いで上記の反応槽内温を145℃に昇温した。このときの反応槽圧力は1.0MPaであった。次いで、上記の開始剤溶液15.0mLを注入し重合を開始した。重合中は重合温度を145℃に維持し、上記の開始剤溶液を15.8mL/hrで連続添加して重合を実施した。重合中の反応槽圧力は1.0MPaであった。4時間後に冷却して重合を停止した。このときの固形分濃度は35質量%であった。次いで、30℃減圧下にメタノールを時々添加しながら未反応酢酸ビニルモノマーの除去を行い、ポリ酢酸ビニルのメタノール溶液(濃度33質量%)を得た。得られたポリ酢酸ビニル溶液にメタノールを加え、ポリ酢酸ビニルの濃度が25質量%となるように調製した。この溶液400g(ポリ酢酸ビニル100g)に、40℃でアルカリ溶液(NaOHの10質量%メタノール溶液)11.6gを添加してケン化を行った。アルカリ添加後約3分でゲル化したものを粉砕器にて粉砕し、1時間放置してケン化を進行させた後、酢酸メチル1000gを加えて残存するアルカリを中和した。フェノールフタレイン指示薬を用いて中和の終了を確認後、濾別して得られた白色固体のPVAにメタノール1000gを加えて室温で3時間放置洗浄した。上記洗浄操作を3回繰り返した後、遠心脱液して得られたPVAを乾燥機中70℃で2日間放置して乾燥PVA(PVA3)を得た。このPVA3の平均重合度は1,000、ケン化度は98.0モル%、1,2−グリコール結合量は2.5モル%であった。なお、PVA3の1,2−グリコール結合量はPVAをDMSO−dに溶解し、500MHzプロトンNMR(JEOL GX−500)を用いて測定して算出した値である。
[Synthesis Example 3] (PVA3)
A 5 L pressure reactor equipped with a stirrer, a nitrogen inlet and an initiator inlet was charged with 2850 g of vinyl acetate, 150 g of methanol and 0.086 g of tartaric acid, and the reactor pressure was adjusted while bubbling with nitrogen gas at room temperature. The operation of raising the pressure to 0 MPa and allowing it to stand for 10 minutes and then releasing the pressure was repeated three times to purge the system with nitrogen. A solution having a concentration of 0.1 g / L in which 2,2′-azobis (N-butyl-2-methylpropionamide) was dissolved in methanol as an initiator was prepared, and was purged with nitrogen by bubbling with nitrogen gas. Next, the temperature inside the reaction vessel was raised to 145 ° C. The reactor pressure at this time was 1.0 MPa. Next, 15.0 mL of the above initiator solution was injected to initiate polymerization. During the polymerization, the polymerization temperature was maintained at 145 ° C., and the above initiator solution was continuously added at 15.8 mL / hr to carry out the polymerization. The reactor pressure during the polymerization was 1.0 MPa. After 4 hours, the polymerization was stopped by cooling. The solid concentration at this time was 35% by mass. Subsequently, unreacted vinyl acetate monomer was removed while adding methanol occasionally under reduced pressure at 30 ° C. to obtain a methanol solution of polyvinyl acetate (concentration: 33% by mass). Methanol was added to the obtained polyvinyl acetate solution to prepare a polyvinyl acetate concentration of 25% by mass. Saponification was carried out by adding 11.6 g of an alkali solution (10% by weight methanol solution of NaOH) at 40 ° C. to 400 g of this solution (100 g of polyvinyl acetate). After about 3 minutes after the addition of the alkali, the gelled material was pulverized by a pulverizer and allowed to stand for 1 hour to allow saponification to proceed, and then 1000 g of methyl acetate was added to neutralize the remaining alkali. After confirming the end of neutralization using a phenolphthalein indicator, 1000 g of methanol was added to the white solid PVA obtained by filtration, and the mixture was left to wash at room temperature for 3 hours. After the above washing operation was repeated three times, the PVA obtained by centrifugal drainage was left in a dryer at 70 ° C. for 2 days to obtain dry PVA (PVA3). The average degree of polymerization of this PVA3 was 1,000, the degree of saponification was 98.0 mol%, and the amount of 1,2-glycol bonds was 2.5 mol%. The 1,2-glycol bond amount of PVA3 is a value calculated by dissolving PVA in DMSO-d 6 and measuring it using 500 MHz proton NMR (JEOL GX-500).

[合成例4](PVA4)
撹拌機、窒素導入口及び開始剤導入口を備えた5L加圧反応槽に酢酸ビニル2400g、メタノール600g及びビニレンカーボネート49.3gを仕込み、室温下に窒素ガスによるバブリングをしながら反応槽圧力を2.0MPaまで昇圧して10分間放置した後、放圧するという操作を3回繰り返して系中を窒素置換した。開始剤として2,2’−アゾビスイソブチロニトリルをメタノールに溶解した濃度1.0g/Lの溶液を調製し、窒素ガスによるバブリングを行って窒素置換した。次いで上記の反応槽内温を90℃に昇温した。このときの反応槽圧力は0.4MPaであった。次いで、上記の開始剤溶液3.0mLを注入し重合を開始した。重合中は重合温度を90℃に維持し、上記の開始剤溶液を4.9mL/hrで連続添加して重合を実施した。重合中の反応槽圧力は0.4MPaであった。4時間後に冷却して重合を停止した。このときの固形分濃度は38質量%であった。次いで、30℃減圧下にメタノールを時々添加しながら未反応酢酸ビニルモノマーの除去を行い、ポリ酢酸ビニルのメタノール溶液(濃度33質量%)を得た。得られたポリ酢酸ビニル溶液にメタノールを加え、ポリ酢酸ビニルの濃度が25質量%となるように調製した。この溶液400g(ポリ酢酸ビニル100g)に、40℃アルカリ溶液(NaOHの10質量%メタノール溶液)46.4gを添加してケン化を行った。アルカリ添加後約1分でゲル化したものを粉砕器にて粉砕し、1時間放置してケン化を進行させた後、酢酸メチル1000gを加えて残存するアルカリを中和した。フェノールフタレイン指示薬を用いて中和の終了を確認後、濾別して得られた白色固体のPVAにメタノール1000gを加えて室温で3時間放置洗浄した。上記洗浄操作を3回繰り返した後、遠心脱液して得られたPVAを乾燥機中70℃で2日間放置して乾燥PVA(PVA4)を得た。このPVA4の平均重合度は1,200、ケン化度は99.5モル%、1,2−グリコール結合量は2.5モル%であった。なお、PVA4の1,2−グリコール結合量はPVAをDMSO−dに溶解し、500MHzプロトンNMR(JEOL GX−500)を用いて測定して算出した値である。
[Synthesis Example 4] (PVA4)
A 5 L pressure reactor equipped with a stirrer, nitrogen inlet and initiator inlet was charged with 2400 g of vinyl acetate, 600 g of methanol and 49.3 g of vinylene carbonate, and the reactor pressure was adjusted to 2 while bubbling with nitrogen gas at room temperature. The operation of raising the pressure to 0 MPa and allowing it to stand for 10 minutes and then releasing the pressure was repeated three times to purge the system with nitrogen. A solution having a concentration of 1.0 g / L in which 2,2′-azobisisobutyronitrile was dissolved in methanol as an initiator was prepared, and was purged with nitrogen by bubbling with nitrogen gas. Subsequently, the temperature inside the reaction vessel was raised to 90 ° C. The reaction vessel pressure at this time was 0.4 MPa. Next, 3.0 mL of the above initiator solution was injected to initiate polymerization. During the polymerization, the polymerization temperature was maintained at 90 ° C., and the above initiator solution was continuously added at 4.9 mL / hr to carry out the polymerization. The reactor pressure during the polymerization was 0.4 MPa. After 4 hours, the polymerization was stopped by cooling. The solid content concentration at this time was 38% by mass. Subsequently, unreacted vinyl acetate monomer was removed while adding methanol occasionally under reduced pressure at 30 ° C. to obtain a methanol solution of polyvinyl acetate (concentration: 33% by mass). Methanol was added to the obtained polyvinyl acetate solution to prepare a polyvinyl acetate concentration of 25% by mass. Saponification was performed by adding 46.4 g of a 40 ° C. alkaline solution (10% by weight methanol solution of NaOH) to 400 g of this solution (100 g of polyvinyl acetate). After about 1 minute after addition of the alkali, the gelled material was pulverized with a pulverizer and allowed to stand for 1 hour to allow saponification to proceed, and then 1000 g of methyl acetate was added to neutralize the remaining alkali. After confirming the end of neutralization using a phenolphthalein indicator, 1000 g of methanol was added to the white solid PVA obtained by filtration, and the mixture was left to wash at room temperature for 3 hours. After the above washing operation was repeated three times, the PVA obtained by centrifugal drainage was left in a dryer at 70 ° C. for 2 days to obtain dry PVA (PVA4). The average polymerization degree of this PVA4 was 1,200, the saponification degree was 99.5 mol%, and the 1,2-glycol bond amount was 2.5 mol%. The amount of 1,2-glycol bonds in PVA4 is a value calculated by dissolving PVA in DMSO-d 6 and measuring it using 500 MHz proton NMR (JEOL GX-500).

[合成例5](PVA5)
撹拌機、窒素導入口、開始剤導入口及び還流冷却管を備えた5Lの四つ口セパラブルフラスコに酢酸ビニル2000g、メタノール400g及びビニレンカーボネート78.8gを仕込み、室温下に30分間窒素バブリングしながら系中を窒素置換した。上記のフラスコ内の内温を60℃に調整した後、開始剤として2,2’−アゾビスイソブチロニトリル0.9gを添加して重合を開始した。重合中は重合温度を60℃に維持し、4時間後に冷却して重合を停止した。この時の固形分濃度は55質量%であった。次いで、30℃減圧下にメタノールを時々添加しながら未反応酢酸ビニルモノマーの除去を行い、ポリ酢酸ビニルのメタノール溶液(濃度33質量%)を得た。得られたポリ酢酸ビニル溶液にメタノールを加え、ポリ酢酸ビニルの濃度が25質量%となるように調製した。この溶液400g(ポリ酢酸ビニル100g)に、40℃でアルカリ溶液(NaOHの10質量%メタノール溶液)46.4gを添加してケン化を行った。アルカリ添加後約1分でゲル化したものを粉砕器にて粉砕し、1時間放置してケン化を進行させた後、酢酸メチル1000gを加えて残存するアルカリを中和した。フェノールフタレイン指示薬を用いて中和の終了を確認後、濾別して得られた白色固体のPVAにメタノール1000gを加えて室温で3時間放置洗浄した。上記洗浄操作を3回繰り返した後、遠心脱液して得られたPVAを乾燥機中70℃で2日間放置して乾燥PVA(PVA5)を得た。このPVA5の平均重合度は1,700、ケン化度は99.5モル%、1,2−グリコール結合量は3.0モル%であった。なお、PVA5の1,2−グリコール結合量はPVAをDMSO−dに溶解し、500MHzプロトンNMR(JEOL GX−500)を用いて測定して算出した値である。
[Synthesis Example 5] (PVA5)
A 5 L four-necked separable flask equipped with a stirrer, nitrogen inlet, initiator inlet and reflux condenser was charged with 2000 g of vinyl acetate, 400 g of methanol and 78.8 g of vinylene carbonate, and bubbled with nitrogen at room temperature for 30 minutes. The system was purged with nitrogen. After adjusting the internal temperature in the flask to 60 ° C., 0.9 g of 2,2′-azobisisobutyronitrile was added as an initiator to initiate polymerization. During the polymerization, the polymerization temperature was maintained at 60 ° C., and after 4 hours, the polymerization was stopped by cooling. The solid content concentration at this time was 55% by mass. Subsequently, unreacted vinyl acetate monomer was removed while adding methanol occasionally under reduced pressure at 30 ° C. to obtain a methanol solution of polyvinyl acetate (concentration: 33% by mass). Methanol was added to the obtained polyvinyl acetate solution to prepare a polyvinyl acetate concentration of 25% by mass. Saponification was carried out by adding 46.4 g of an alkaline solution (10% by weight methanol solution of NaOH) at 40 ° C. to 400 g of this solution (100 g of polyvinyl acetate). After about 1 minute after addition of the alkali, the gelled material was pulverized with a pulverizer and allowed to stand for 1 hour to allow saponification to proceed, and then 1000 g of methyl acetate was added to neutralize the remaining alkali. After confirming the end of neutralization using a phenolphthalein indicator, 1000 g of methanol was added to the white solid PVA obtained by filtration, and the mixture was left to wash at room temperature for 3 hours. After the above washing operation was repeated three times, the PVA obtained by centrifugal drainage was left in a dryer at 70 ° C. for 2 days to obtain dry PVA (PVA5). The average degree of polymerization of this PVA5 was 1,700, the degree of saponification was 99.5 mol%, and the amount of 1,2-glycol bonds was 3.0 mol%. The 1,2-glycol bond amount of PVA5 is a value calculated by dissolving PVA in DMSO-d 6 and measuring it using 500 MHz proton NMR (JEOL GX-500).

上述のPVA1〜PVA5の平均重合度、ケン化度及び1,2−グリコール結合量を以下の表1に示す。   Table 1 below shows the average polymerization degree, saponification degree, and 1,2-glycol bond amount of the above-described PVA1 to PVA5.

また、PVA6及びPVA7としては、表1に示すような平均重合度、ケン化度及び1,2−グリコール結合量を満たすPVAを使用した。   As PVA6 and PVA7, PVA satisfying the average degree of polymerization, the degree of saponification and the 1,2-glycol bond amount as shown in Table 1 was used.

Figure 2013018808
Figure 2013018808

[実施例1]
蒸留水を70℃まで加熱し、撹拌しながらPVA1を添加することで10質量%のPVA水溶液を調製した。このPVA水溶液は水より僅かに粘性を有するものであった。この水溶液100gを室温まで冷却した後、ホウ酸(HBO)の飽和水溶液2mLを加えて混合した。得られた水溶液のpHは5.0であった。更にこの水溶液に四ホウ酸ナトリウムの飽和水溶液0.5mLを加えて混合することで、水溶液を粘性のあるゲル状体とした。このゲル状体のpHは6.5であった。次に、セルロース系バイオマス粒子としてEFB(直径20〜70μmの粒子)50gをこのゲル状体に加えて、室温下でミキサー型混練機を用いて練り混ぜた。この混合物は、混練当初は比較的低粘性を有していたが、混練を続けるうちに、EFB(セルロース系バイオマス粒子)が水を吸収し、若干粘度が向上した。この混合物はローラで容易に伸ばし、練ることができた。一定時間混練を行う毎に、混合物の一部を取り出し、顕微鏡によって粒子サイズを確認した。この分断工程を進めるにつれて、粒子のサイズが減少すること、及び細胞構造が分断されることが観察できた。
[Example 1]
Distilled water was heated to 70 ° C., and PVA1 was added while stirring to prepare a 10% by mass PVA aqueous solution. This aqueous PVA solution was slightly more viscous than water. After cooling 100 g of this aqueous solution to room temperature, 2 mL of a saturated aqueous solution of boric acid (H 3 BO 3 ) was added and mixed. The pH of the obtained aqueous solution was 5.0. Further, 0.5 mL of a saturated aqueous solution of sodium tetraborate was added to and mixed with this aqueous solution, whereby the aqueous solution was made into a viscous gel. The gel-like body had a pH of 6.5. Next, 50 g of EFB (particles having a diameter of 20 to 70 μm) as cellulosic biomass particles was added to the gel, and kneaded using a mixer-type kneader at room temperature. This mixture had a relatively low viscosity at the beginning of kneading, but as the kneading continued, EFB (cellulosic biomass particles) absorbed water and the viscosity was slightly improved. This mixture could be easily stretched and kneaded with a roller. Each time kneading for a certain time, a part of the mixture was taken out and the particle size was confirmed by a microscope. It was observed that the particle size decreased and the cell structure was fragmented as the fragmentation process proceeded.

混練によるセルロースの分断が十分にされたことを顕微鏡により確認し、加水分解性セルロースの水溶液を得た。この後、混合物に蒸留水を添加し、粘性を低下させた。加水分解酵素の至適pHに調整するため、この混合物に更に水酸化ナトリウム溶液を添加し、pHを6.0に調整した。この混合物は、溶けたチョコレート程度の粘性を有した。この混合物に、加水分解酵素として、メイセラーゼ(明治製菓株式会社製)及びアクレモニウムセルラーゼ(Acremonium cellulolyticus菌から得られるセルラーゼ:明治製菓株式会社製)をEFB100質量部に対してそれぞれ0.5質量部ずつ添加し、50℃の温度で反応容器内で撹拌した。酵素を加えて数十分で、この混合物の粘性は目立って減少した。この撹拌を6時間行い、グルコース溶液を得た。   It was confirmed with a microscope that the cellulose was sufficiently divided by kneading, and an aqueous solution of hydrolyzable cellulose was obtained. Thereafter, distilled water was added to the mixture to reduce the viscosity. In order to adjust to the optimum pH of the hydrolase, sodium hydroxide solution was further added to the mixture to adjust the pH to 6.0. This mixture was as viscous as melted chocolate. To this mixture, 0.5 parts by mass of Mecelase (manufactured by Meiji Seika Co., Ltd.) and Acremonium cellulase (cellulase obtained from Acremonium cellulolyticus): 100 parts by mass of EFB, respectively, as hydrolases Added and stirred in a reaction vessel at a temperature of 50 ° C. A few tens of minutes with the addition of enzyme, the viscosity of this mixture decreased markedly. This stirring was performed for 6 hours to obtain a glucose solution.

[実施例2〜5、比較例1〜2]
PVAをPVA1から表1に記載の他のPVAに代えたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2〜5及び比較例1〜2を行い、加水分解性セルロース水溶液を得て、最終的にグルコース溶液を得た。
[Examples 2-5, Comparative Examples 1-2]
Except having changed PVA from PVA1 to other PVA of Table 1, it carried out similarly to Example 1, and performed Examples 2-5 and Comparative Examples 1-2, and obtained hydrolyzable cellulose aqueous solution, and was the last. A glucose solution was obtained.

[評価]
(糖化効率)
得られたグルコース溶液に蒸留水を加えて400mLとした後、このグルコース溶液のサンプル溶液を2mL(全溶液の0.5%)採取し、100℃にて5分間殺菌した。サンプル溶液を冷却した後、遠心分離器を用いて3,000rpmで30分間遠心分離し、ろ過して、固形物を取り除いた後、ろ液を液体クロマトグラフィーに供して単糖類(グルコースなど)を検量した。用いたEFB(50g)に占めるセルロース及びヘミセルロースの質量比を50%と定めて、以下の計算式(2)にて糖化効率(%)を求めた。測定結果を表1に示す。
糖化効率=〔サンプル溶液中の単糖類質量(g)/{50(g)×0.005×0.5}〕×100(%) (2)
[Evaluation]
(Saccharification efficiency)
After adding distilled water to the obtained glucose solution to 400 mL, 2 mL (0.5% of the total solution) of this glucose solution sample solution was collected and sterilized at 100 ° C. for 5 minutes. After cooling the sample solution, it is centrifuged at 3,000 rpm for 30 minutes using a centrifuge, filtered to remove solids, and then the filtrate is subjected to liquid chromatography to remove monosaccharides (such as glucose). Weighed. The saccharification efficiency (%) was determined by the following calculation formula (2), with the mass ratio of cellulose and hemicellulose occupying the EFB (50 g) used being 50%. The measurement results are shown in Table 1.
Saccharification efficiency = [monosaccharide mass in sample solution (g) / {50 (g) × 0.005 × 0.5}] × 100 (%) (2)

(混和性)
実施例1〜5及び比較例1〜2において、EFBをゲル状体に加えて、室温下でミキサー型混練機を用いて練り混ぜてから1時間後に混合物の一部を取り出した。顕微鏡を用いて、取り出した混合物におけるEFBの凝集を目視にて観察し、まったく凝集が見られなかった場合を「非常に良好」と判定し、そして該粒子がほとんど凝集していない場合を「良好」と判定した。
(Miscibility)
In Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, EFB was added to the gel-like body, and after mixing for 1 hour using a mixer-type kneader at room temperature, a part of the mixture was taken out. Using a microscope, EFB aggregation in the extracted mixture was visually observed. If no aggregation was observed, it was determined as “very good”, and if the particles were hardly aggregated, “good” Was determined.

表1に示されるように、実施例1〜5は、1,2−グリコール結合を1.7モル%以上有するPVAを用いているため、いずれも糖化効率が80%を超え、セルロースが容易に加水分解される状態に分断されていることがわかった。一方、比較例1〜2は、用いたPVAの1,2−グリコール結合量が範囲外であったためセルロースが容易に加水分解される状態にまで十分に分断されていないことがわかった。   As shown in Table 1, Examples 1 to 5 use PVA having 1.7 mol% or more of 1,2-glycol bonds, so that the saccharification efficiency exceeds 80% and cellulose easily It was found that it was divided into hydrolyzed states. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, since the amount of 1,2-glycol bonds of the PVA used was out of the range, it was found that the cellulose was not sufficiently divided to a state where it was easily hydrolyzed.

以上説明したように、本発明のPVAは、セルロース系バイオマスを原料として加水分解性セルロースを製造する際に好適に用いることができる。従って、本発明によれば、植物系のバイオマス原料を、効率よく食物やエネルギー資源として活用することができ、バイオマスの活用の実現性を高めることができる。   As described above, the PVA of the present invention can be suitably used when producing hydrolyzable cellulose using cellulosic biomass as a raw material. Therefore, according to this invention, a plant-type biomass raw material can be efficiently utilized as a food or energy resource, and the feasibility of utilization of biomass can be improved.

Claims (4)

セルロース系バイオマスを原料とした加水分解性セルロースの製造に用いられるポリビニルアルコール系重合体であって、1,2−グリコール結合を1.7モル%以上有するポリビニルアルコール系重合体。   A polyvinyl alcohol polymer used for the production of hydrolyzable cellulose using cellulosic biomass as a raw material, and having a 1,2-glycol bond of 1.7 mol% or more. 平均重合度が100以上4,000以下、
ケン化度が70モル%以上99.9モル%以下である請求項1に記載のポリビニルアルコール系重合体。
Average polymerization degree is 100 or more and 4,000 or less
The polyvinyl alcohol polymer according to claim 1, wherein the saponification degree is 70 mol% or more and 99.9 mol% or less.
セルロース系バイオマスを原料とした加水分解性セルロースの製造方法であって、
請求項1又は請求項2に記載のポリビニルアルコール系重合体の水溶液及びセルロース系バイオマスを含む混合物を得る混合工程と、
上記混合物に剪断力を付加してセルロース系バイオマスを分断する分断工程と
を有する製造方法。
A method for producing hydrolyzable cellulose using cellulosic biomass as a raw material,
A mixing step of obtaining a mixture containing the aqueous solution of the polyvinyl alcohol polymer according to claim 1 or claim 2 and cellulosic biomass,
The cutting method which adds a shearing force to the said mixture, and cut | disconnects cellulosic biomass.
上記水溶液がゲル状である請求項3に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 3, wherein the aqueous solution is in a gel form.
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