JP2014068627A

JP2014068627A - セルロース系バイオマス原料の糖化方法

Info

Publication number: JP2014068627A
Application number: JP2012219584A
Authority: JP
Inventors: Norito Taneda; 憲人種田; Koichi Shiraishi; 剛一白石
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2012-10-01
Publication date: 2014-04-21

Abstract

【課題】セルロース系バイオマス原料から糖化液を得る場合において、液体の無機強酸や固体の酸触媒を用いることなく糖化液を製造することが可能なセルロース系バイオマス原料の糖化方法を提供する。
【解決手段】セルロースを含有するバイオマス原料を粉砕し、水分を調整した後、水の存在下で圧力と温度を制御して水に可溶な成分を含んだ可溶化混合物とする（可溶化工程Ｓ３）。可溶化混合物を固液分離して得た可溶化液にシュウ酸を添加して加水分解することにより糖化混合液を得る（糖化工程Ｓ５）。糖化混合液を固液分離してグルコースやオリゴ糖を含んだ糖化液を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、セルロースを含有するバイオマス原料をグルコースやオリゴ糖等の低分子量多糖類を含む糖化液に変換するセルロース系バイオマス原料の糖化方法に関する。

近年、石油代替燃料としてバイオ燃料が注目され、サトウキビやとうもろこし等のバイオマスを原料としたバイオエタノールの生産が実用化されている。しかし、食料品をバイオエタノールの原料とした場合、食料品との競合によって価格が大きく変動する等の問題が生ずる。このため、木材、草、稲わらなど非食料品であるセルロース系バイオマスを原料としたバイオ燃料の生産が望まれている。

ところが、セルロース系バイオマス中のセルロースはリグニンと強固に結合しており、糖に加水分解するのは容易ではない。硫酸等の液体の無機強酸を用いてセルロースを糖化する手法が古くから知られているが、強酸によって装置が腐食したり、強酸の中和処理をした場合、石膏等が廃棄物として大量に発生したりするなどの問題があり、実用化に至っていない。

このため、近年、触媒を用いることなく、水の存在下で圧力と温度を制御し、セルロースをいったん水に可溶な成分を含んだ可溶化混合物とする可溶化工程（「水熱処理」と呼ばれる）を行い、さらに可溶化混合物から水で抽出した可溶化液を酸触媒によって更なる加水分解を行い、グルコースやオリゴ糖を含む糖化液を得る糖化工程を行うという、２段階糖化法が注目されている（例えば特許文献１、２）。この水熱処理では「加圧熱水」が用いられる。加圧熱水とは、飽和蒸気圧以上に加圧されることにより、液体状態で存在する高温高圧の水のことをいう。加圧熱水はイオン積が増加するため、セルロースの加水分解反応を促進すると考えられている（特許文献１段落番号[００２４]参照）。このため、水熱処理法は、特別な薬品を使うことなく、短時間でセルロース原料を可溶化することができるという長所を有しており、環境に対する負荷も小さいセルロース原料の可溶化法であるということができる。

一方、セルロース系バイオマス原料を可溶化する前に水酸化カルシウム水溶液によってセルロースと強固な結合をしているリグニンを溶出させ、セルロース系バイオマス原料を加水分解が容易な状態にするという易分解化処理が注目されている（非特許文献１）。この易分解化処理はＣａＣＣＯ法（カッコ法）と呼ばれている。

特開２０１０−１６６８３１号公報特開２０１０−２７９２５５号公報

日本農芸化学会２０１１年度大会講演要旨集１０頁

しかし、上記従来の２段階糖化法では、糖化工程において硫酸などの液体の無機強酸を触媒として用いた場合に、反応装置や配管が腐食するという問題があった。一方、固体酸触媒を用いた場合には、触媒を回収して再利用しなければ製造コストが高騰化するため、製造工程が複雑化するという問題があった。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、セルロース系バイオマス原料から糖化液を得る場合において、液体の無機強酸や固体の酸触媒を用いることなく糖化液を製造することが可能なセルロース系バイオマス原料の糖化方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、セルロース系バイオマス原料の結晶化度を低減してから、または同時に可溶化工程を行えば、前述した２段階糖化法における第１段階の可溶化工程を経て得られた可溶化液は加水分解が容易となり、従来は酸触媒として用いられることのなかったカルボン酸を第２段階の糖化工程に用いても、十分に加水分解が可能であり、糖化液を得ることができるということを見出した。そして、さらに鋭意研究を行った結果、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明における第１の局面は、セルロースを含有するバイオマス原料を結晶化度を低減してから、または同時に水の存在下で圧力と温度を制御して、酸と水に可溶な成分とを含んだ可溶化混合物とする可溶化工程と、該可溶化混合物から水で抽出した可溶化液を酸触媒で加水分解することにより糖化液を得る糖化工程と、を有するセルロース系バイオマス原料の糖化方法であって、該酸触媒としてカルボン酸を用いるセルロース系バイオマス原料の糖化方法である。

この糖化方法によれば、無機の強酸や固体酸触媒を用いることなくセルロースを含有するバイオマス原料から糖化液を得ることができる。このため、反応装置や配管の強酸による腐食を防止することができる。また、固体酸触媒を用いた場合のような触媒の分離回収工程が不要である。

本発明における第２の局面では、カルボン酸としてシュウ酸を用いることとした。シュウ酸はカルボン酸の中でも特に強い酸であり、糖化工程における酸触媒として十分機能を発揮でき、糖化収率もよいものとなる。

本発明における第３の局面は、可溶化工程の前に前記セルロースを含有するバイオマス原料を水酸化カルシウム水溶液によって易分解化処理を行うこととした。
こうであれば、可溶化工程を短時間で行うことができ、可溶化率及び糖化率をさらに高めることができる。また、易分解化処理において用いた水酸化カルシウム由来のカルシウム化合物やセルロース系バイオマス原料に含まれているカルシウム化合物が糖化工程において混入したとしても、シュウ酸カルシウムの沈殿として除去できる。さらにはこのシュウ酸カルシウムを熱分解して酸化カルシウムとし、これを水に溶かせば水酸化カルシウム溶液となり、易分解化処理に再利用することができる。

実施形態１のセルロース系バイオマス原料の糖化方法を示す工程図である。温度及び圧力変化に伴う水の状態を示す図である。実施形態２の稲わらの糖化方法を示す工程図である。参考例１及び比較例１における可溶化工程後のｐＨと糖化工程後の単糖の収率をプロットしたグラフである。参考例２及び比較例２における可溶化工程後のｐＨと糖化工程後の単糖の収率をプロットしたグラフである。参考例３、比較例３及び比較例４における処理時間とセルロースの可溶化率をプロットしたグラフである。

＜実施形態１＞
実施形態１のセルロースの可溶化方法を図１に示す。以下詳細に説明する。
・原料
セルロース系バイオマス原料となるのは、セルロースを含む植物系の原料であり、セルロースの他にでん粉、ヘミセルロース、ペクチンなど、セルロース以外の多糖を含むものであっても用いることができる。具体的には、稲わら、麦わら、バガスなどの草類、竹、笹などの間伐材、おがくず、チップ、端材などの木材加工木屑、街路樹剪定材、木質建築廃材、樹皮、流木などの木質系バイオマス原料、古紙などのセルロース製品からのバイオマス原料などが挙げられる。また、セルロースを原料として使用可能な程度含むものであれば、汚泥、畜糞、農業廃棄物、都市ゴミなども用いることができる。

・粉砕工程Ｓ１
上記セルロース系バイオマス原料を粉砕する（粉砕工程Ｓ１）。具体的な粉砕方法は原料の形態に応じて適宜選択すればよいが、まず数〜数十mm程度に粗粉砕してハンドリングし易い状態にしてから、さらに細かく粉砕すると、微粉砕を効率的に行なうことができる。粗粉砕にはハンマーミルやカッターミルなどの汎用粉砕機が使用できる。また、微粉砕には、振動ミル、ボールミル、ロッドミル、ローラーミル、コロイドミル、ディスクミル、ジェットミルなどの汎用粉砕機が使用でき、微粉砕処理は、乾式、湿式いずれの方式も適用できるが、セルロースの結晶性を低下させる粉砕法であることが好ましいことから、乾式粉砕が望ましい。

・水分調整工程Ｓ２
次に、水分調整工程Ｓ２として、原料の含水量が多い場合には、遠心脱水や熱風乾燥などで含水率を所定の値に調整する。また、逆に水分が少なすぎる場合には、水分を添加して調整する。（水の重量／セルロースの重量）が０．０１以上７未満（より好ましくは０．１以上３未満）であることが好ましい。また、反応系内における（水の重量）／（セルロースの重量+水の重量）が０．０１以上０．８７未満（より好ましくは０．１以上２未満）であることが好ましい。

・可溶化工程Ｓ３
さらに、水分調整されたセルロース系バイオマス原料に対して、圧力と温度を制御して水に可溶な成分を含んだ可溶化混合物とする可溶化工程Ｓ３が行われる。可溶化工程Ｓ３の条件としては、従来から知られている加圧熱水法として、図２に示した水の状態図における亜臨界領域や超臨界領域で処理を行うことができる。亜臨界領域では飽和水蒸気圧よりも全圧が高い領域であり、換言すれば水が水蒸気以外に液体の水として安定に共存する領域である。このため、亜臨界領域でのセルロースの加水分解反応は、イオン積が大きくなっている液体の水によって進行するものと推定される。また、超臨界領域でのセルロースの加水分解反応は、気−液の区別ができなくなった超臨界状態という特殊な状態の水による加水分解反応である。

また、従来から行われている亜臨界領域や超臨界領域での処理に替えて、１００℃以上３００℃未満であって、且つ、全圧が０．０５ＭＰａ以上１０ＭＰａ未満という高温−低圧の領域で加水分解反応を行うこともできる。このような領域は、図２に示す水の状態図における斜線内の部分で示され、全圧が飽和水蒸気圧よりも小さい領域（すなわち、水が安定に存在せず、水蒸気のみが存在する領域）か、液体の水と水蒸気とが共存はするが全圧は１０ＭＰａ未満と小さい領域であり、亜臨界領域や超臨界領域とは全く異なる状況である。この差異により、乳酸や酢酸やヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）などの過分解物の生成がきわめて少ないという特徴を有することとなる。

こうした高温−低圧の領域で加水分解反応を行う場合、反応容器は蓋付きの密閉容器を用いることができる。このような容器としては、耐食性金属からなるオートクレーブ装置や、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂からなる蓋付き容器を内側に収容する金属性耐圧容器といった、二重構造の容器を用いることもできる。
そして、これらの容器内にセルロースを含有するバイオマス原料と水とを所定量投入する。そして、蓋を閉めて温度を１００℃以上３００℃未満の所定の温度に設定する（反応が１００℃未満ではセルロースの加水分解反応が遅くなるため、可溶化に時間がかかる。また、反応が３００℃を超えると過分解物の生成が多くなるおそれがある。さらに好ましいのは１５０℃以上２７０℃未満であり、最も好ましいのは１７０℃以上２５０℃未満である）。これにより原料にもともと含まれていた水分及び添加した水は、水蒸気となり体積を増す。このとき、全圧が飽和水蒸気圧よりも小さければ、最終的に到達する圧力は、実ガスに対する補正がなされた状態方程式に、温度、水の量及び容器体積を代入することにより、容易に求めることができる。水は沸騰状態となって迅速に気体（すなわち水蒸気）となり、液体状態の水が安定に存在し得ない。このような反応条件であってもセルロースの加水分解反応は迅速に進行し、しかも乳酸や酢酸やヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）等の過分解物の生成がきわめて少ないという利点を有する。
全圧は０．０５ＭＰａ以上１０ＭＰａ未満の条件下で行うことが好ましい。全圧が０．０５ＭＰａ未満では水の沸点が低くなるため温度をあまり高くすることができず、セルロースの加水分解反応が遅くなるため、可溶化に時間がかかる。また、全圧が１０ＭＰａを超えると過分解物の生成が多くなるおそれがある。さらに好ましいのは全圧が０．１ＭＰａ以上５ＭＰａ未満であり、最も好ましいのは全圧が０．１５ＭＰａ以上３ＭＰａ未満である。
加熱方法としては特に制限はなく、電気ヒータ、高周波、マイクロ波、スチームなどを用いることができる。

また、可溶化工程Ｓ３においては、加熱のみならず粉砕も行うことが好ましい。粉砕には、振動ミル、ボールミル、ロッドミル、ローラーミル、コロイドミル、ディスクミル、ジェットミルなどの汎用粉砕機が使用でき、原料を数〜数十ミクロンに微細化する。可溶化工程Ｓ３処理を乾式（すなわち液体の水のない水蒸気の状態）で行えば、加熱の効果と相俟って、メカノケミカル効果がより顕著となって迅速に進行し、セルロースの結晶性を低下させるとともに分子量を小さくし、加水分解反応が迅速化され、水への可溶化成分が急速に増大する。

・固液分離工程Ｓ４
以上のようにして製造された可溶化混合物に対して0.1〜500倍の容量となるように水（あるいはお湯）を加えて混合し、固液分離を行うことにより可溶化液を得る。固液分離装置としては、例えば、重力沈降方式、遠心分離方式、膜分離方式、凝集分離方式、浮上分離方式などを用いた装置が挙げられる。こうして、グルコースや多糖類やオリゴ糖などの水溶性糖類の水溶液からなる可溶化液が得られる。可溶化液にはオリゴ糖などの低分子量多糖類や、グルコースが主成分として含まれている。このとき、乳酸や酢酸やヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）などの過分解物も生成するが、その割合は上述した加圧熱水法に比べて極めて少ない。

・糖化工程Ｓ５
上記固液分離工程Ｓ４で得られた可溶化液にシュウ酸を添加し、糖化反応を行う。シュウ酸は２つのカルボキシル基が隣接して平面構造をとるため、カルボキシラートアニオンの電子が４個の酸素上に非局在化して安定化する。このため、カルボン酸の中でも特に強い酸であり、電離度はリン酸よりも高くなる。
ちなみにシュウ酸のｐＫ_ａ１＝１．２７、ｐＫ_ａ２＝４．２７であることから、その水溶液のｐＨを計算で求めると以下の通りとなる。
１ｍｏｌ／Ｌ（１２６．０７ｇ/Ｌ）ｐＨ０．５８
０．１ｍｏｌ／Ｌ（１２．６０７ｇ/Ｌ）ｐＨ１．２２
０．０１ｍｏｌ／Ｌ（１．２６０７ｇ/Ｌ）ｐＨ２．０３
０．００１ｍｏｌ／Ｌ（０．１２６０７ｇ/Ｌ）ｐＨ２．９６
０．０００１ｍｏｌ／Ｌ（０．０１２６０７ｇ/Ｌ）ｐＨ３．８２
シュウ酸の添加量はｐＨが３．１以下となるように０．１０１ｇ／Ｌ以上添加することが好ましい。より好ましいのはｐＨが２．８以下で（シュウ酸の添加量として０．２０３ｇ／Ｌ以上）である。

以上のように、実施形態１のセルロースの糖化方法では、無機の強酸や固体酸触媒を用いることなくセルロースを含有するバイオマス原料から糖化液を得ることができる。このため、反応装置や配管の無機強酸による腐食を防止することができる。また、固体酸触媒を用いた場合のような触媒の分離回収工程が不要である。なお、酸触媒として用いたシュウ酸は多くの植物に含まれており、木質バイオマス原料からのアルカリ抽出及び中和によって容易に得ることができる。

＜実施形態２＞
実施形態２は、図３の工程図に示すように、セルロース系バイオマス原料を水酸化カルシウム溶液で易分解化処理してから、可溶化工程を行うものである。以下この工程図に従って詳細に説明する。

・原料
実施形態２のセルロース系バイオマス原料となるのは稲わらである。稲わらにはリグノセルロース以外にブドウ糖、果糖、しょ糖、β-1，3-1，4-グルカン等からなる易分解性糖質が多く含まれており、これを水酸化カルシウム水溶液で処理することにより、易分解性糖質の過分解を最小限に抑えつつ、リグノセルロースを易分解化することができる（非特許文献１参照）。

・粉砕工程Ｓ１1
稲わらを粉砕する（粉砕工程Ｓ１１）。具体的な粉砕方法としては、実施形態１で挙げた方法を用いることができる。

・易分解処理工程Ｓ1２
次に、易分解処理工程Ｓ1２として、稲わら粉末を水酸化カルシウム水溶液に投入し、加熱・撹拌を行い、リグノセルロースからリグニンを除去して易分解化させる。易分解化終了後に炭酸ガスを吹き込んで水酸化カルシウムを中和して炭酸カルシウムとする。

・固液分離工程Ｓ１３
易分解化処理物を固液分離装置に投入し、固形分を分取する。これによりリグノセルロース中のリグニン成分は液相として分離除去され、易分解化した稲わら粉末が炭酸カルシウム粉末とともに得られる。固液分離装置としては、実施形態１で述べた装置と同様のものを用いることができる。

・水分調整工程Ｓ１４
固液分離工程Ｓ１３によって得られた易分解化した稲わら粉末及び炭酸カルシウム粉末の混合物の水分調整を行う。水分調整は後に行う可溶化工程Ｓ１５において可溶化収率が高く、過分解が少なくなるよう適宜行う。含水量が多い場合には、遠心脱水や熱風乾燥などで含水率を所定の値に調整する。また、逆に水分が少なすぎる場合には、水分を添加して調整する。

・可溶化工程Ｓ１５
水分調整された易分解化処理物と炭酸カルシウムの混合物に対して、圧力と温度を制御して水に可溶な成分を含んだ可溶化混合物とする（可溶化工程Ｓ１５）。可溶化工程Ｓ１５の条件としては、実施形態１で述べた加圧熱水法として、図２に示した亜臨界領域や超臨界領域で処理を行うことができる。
また、実施形態１で述べたように１００℃以上３００℃未満であって、且つ、全圧が０．０５ＭＰａ以上１０ＭＰａ未満という高温−低圧の領域で加水分解反応を行うこともできる。このような領域は、図２における斜線内の部分で示され、全圧が飽和水蒸気圧よりも小さい領域（すなわち、水が安定に存在せず、水蒸気のみが存在する領域）か、液体の水と水蒸気とが共存はするが全圧は１０ＭＰａ未満と小さい領域であり、亜臨界領域や超臨界領域とは全く異なる状況である。この差異により、乳酸や酢酸やヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）などの過分解物の生成がきわめて少ないという特徴を有することとなる。

・固液分離工程Ｓ１６
以上のようにして製造された可溶化混合物に対して0.1〜500倍の容量となるように水（あるいはお湯）を加えて混合し、固液分離を行うことにより可溶化液を得る。固液分離装置としては、実施形態１で述べたものを用いることができる。こうして得られた可溶化液には、オリゴ糖などの低分子量多糖類や、グルコースが主成分として含まれている。

・糖化工程Ｓ１７
上記固液分離工程Ｓ１６で得られた可溶化液にシュウ酸を添加し、糖化反応を行う。シュウ酸の添加量はｐＨが３．１以下となるように添加することが好ましい。より好ましいのはｐＨが２．８以下である。なお、固液分離工程Ｓ１６において分離が不十分で糖化液に炭酸カルシウムが混入した場合、シュウ酸によって水に不溶性のシュウ酸カルシウムＣａ(ＣＯＯ)_２に変換される。

・固液分離工程Ｓ１８
糖化工程Ｓ１７で得られた糖化混合液は固液分離装置で残渣及びシュウ酸カルシウムと糖化液とに分離される。

・熱分解工程Ｓ１９
固液分離工程Ｓ１６で分離された残渣＋炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）及び固液分離工程Ｓ１８で分離された残渣＋シュウ酸カルシウム（Ｃａ(ＣＯＯ)_２)は焼成炉で焼成される（熱分解工程Ｓ１９）。これにより有機分は焼却され、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）及びシュウ酸カルシウム（Ｃａ(ＣＯＯ)_２)は酸化カルシウムとなる。こうして得られた酸化カルシウムに水を加えれば水酸化カルシウム溶液となり、易分解工程Ｓ１２で再利用することができる。

・発酵工程Ｓ２０
一方、固液分離工程Ｓ１８で分離された糖化液は発酵槽に移され、酵母菌で発酵されてエタノールを含む発酵液となる。

・エタノール精製工程Ｓ２１
発酵工程Ｓ２０で得られた発酵液は蒸留塔等のエタノール精製装置によって精製されてエタノールが得られる。一方、精製時の残渣にはシュウ酸カリウムやシュウ酸が含まれるため、これを加熱炉で熱分解することにより炭酸カリウムと炭酸ガスとなる。炭酸カリウムはガラス原料等、各種用途に利用できる。

以上のように実施形態２では、糖化工程Ｓ１７における酸触媒として、解離度の大きなシュウ酸を用いているため、迅速に糖化工程Ｓ１７を行うことができる。また、装置の腐食も無機強酸を用いた場合ほど顕著とはならない。さらには、固液分離工程Ｓ１６で生じた炭酸カルシウムや固液分離工程Ｓ１８で生じたシュウ酸カルシウムを熱分解工程Ｓ１９で熱分解して酸化カルシウムとし、これに水を加えて水酸化カルシウム水溶液とすることにより、易分解処理工程Ｓ１２で水酸化カルシウム溶液を再利用することができる。また、エタノール精製工程Ｓ２１で生じた残渣に含まれるシュウ酸カリウムも熱分解して炭酸カリウムとし、ガラス原料等に再利用することができる。このため、資源の有効利用を図ることができる。

＜参考例＞
糖化工程においてカルボン酸を添加することにより糖化液を良い糖化率で得られることは、以下に示す参考例１，２及び比較例１，２の結果から明らかである。すなわち、参考例１，２では可溶化工程でセルロースから生成したカルボン酸を酸触媒として、よい糖化収率で糖化液を得ており、ｐＨ３．１以下では固体酸触媒を用いた比較例１，２の場合と遜色はないことから、明らかである。
また、単なる粉砕処理よりも加熱粉砕処理のほうが糖化率を高めることができることは、以下に示す参考例３，４及び比較例３〜５の比較から明らかである。（参考例１）
・可溶化工程
粉砕したセルロース試薬０．３ｇ（含水率７％）を秤り取り、２重構造の蓋付きの耐圧ＰＴＦＥ容器（内側容器は容積２０ｃｍ^３のＰＴＦＥ容器、外側容器はステンレス製容器）に入れ、水を入れることなく蓋をした。そして、耐圧ＰＴＦＥ容器を電気加熱炉に入れ、２００℃で３時間の加熱を行った。このとき、耐圧ＰＴＦＥ容器内部の全圧は、状態方程式から計算して、（空気の分圧＋水蒸気の分圧）＝０．３２ＭＰａとなる。一方、２００℃での飽和水蒸気圧は１．５６ＭＰａである。
・糖化工程
可溶化工程終了後、内容物を所定量の水で溶解し、再び蓋を締め、１５０℃で６時間の糖化工程を行った。

（比較例１）
比較例１では、参考例１と同様の可溶化工程を行った後、糖化工程として内容物を所定量の水で溶解し、さらに固体酸触媒としてスルホ化処理活性炭１５ｍｇを入れて蓋をし、再び蓋を締め、１５０℃で６時間の糖化工程を行った。

＜評価＞
参考例１及び比較例１の可溶化工程で得られた内容物を所定量の水で溶解した溶液を高速液体クロマトグラフィー及び全有機炭素計（ＴＯＣ計）によって分析し、可溶化率を求めた。また、ｐＨ計によってｐＨを測定した。さらには、糖化液についても同様にして可溶化率を求めた。可溶化工程後及び糖化工程後についての分析結果を表１に示す。また、可溶化工程後のｐＨと糖化工程後の単糖の収率を図４に示す。表１から、水の添加量を変えても可溶化率はそれほど変化しないが、可溶化工程終了時のｐＨは、水の添加量が少ないほど低くなることが分かった。さらに、高速液体クロマトグラフィーの分析から、ｐＨの低下は乳酸その他のカルボン酸の生成に起因することが分かった。
また、表１及び図４から、可溶化工程終了時のｐＨが４．１である参考例１-１及び比較例1-1の比較では、固体酸触媒がある方が糖化工程後の単糖収率が高くなるが、工程終了時のｐＨが２．３である参考例１-３及び比較例１-３の比較、及び工程終了時のｐＨが２．８である参考例１-２及び比較例１-２の比較では、固体酸触媒の有無によらず糖化工程後の単糖収率は高い収率が得られることが分かった。これらの結果から、固体酸触媒なしでも糖化工程によって単糖収率が同程度得られるのは、可溶化工程で生成した乳酸等のカルボン酸が酸触媒として働いていることによるものであることが分かった。

（参考例２）
セルロースを含有するバイオマス原料として、市販の綿１００％Ｔシャツを挟みで５ｍｍ程度の幅に細かく裁断した後、ブレードミルで粉砕し、わた状の試料を得た。これを参考例１と同様の条件で可溶化工程及び糖化工程を行った。

（比較例２）
比較例２では、参考例１と同様の可溶化工程を行った後、糖化工程として内容物を所定量の水で溶解し、さらに固体酸触媒としてスルホ化処理活性炭１５ｍｇを入れて蓋をし、再び蓋を締め、１５０℃で６時間の糖化工程を行った。

＜評価＞
可溶化工程後及び糖化工程後についての分析結果を表２に示す。また、可溶化工程後のｐＨと糖化工程後の単糖の収率を図５に示す。
表２から、水の添加量を変えても可溶化率はそれほど変化しないが、可溶化工程終了時のｐＨは、水の添加量が少ないほど低くなることが分かった。さらに、高速液体クロマトグラフィーの分析から、ｐＨの低下は乳酸その他のカルボン酸の生成に起因することが分かった。
また、表２及び図５から、工程終了時のｐＨが４．２である参考例２-１と比較例２-１との比較では、固体酸触媒がない方が糖化工程後の単糖収率が低くなるが、工程終了時のｐＨが３．１である参考例２-２及び比較例２-２の比較では、固体酸触媒の有無によらず糖化工程後の単糖収率は高い収率が得られることが分かった。これらの結果から、固体酸触媒なしでも糖化工程によって単糖収率が同程度得られるのは、可溶化工程で生成した乳酸等のカルボン酸が酸触媒として働いていることによるものであることが分かった。

（参考例３）
参考例３では試薬のセルロースを原料として、以下のようにして可溶化を行った。
セルロースを含有する原料として、試薬のセルロース（日本製紙ケミカル株式会社製製品名：ＫＣフロック５０ＧＫ）を用い、これを円筒形のボールミル容器（ボール：５ｍｍφの安定化ジルコニア７５ｇ）に０．３ｇ入れ、蓋をしてから加熱ヒータ付の遊星型ボールミル（伊藤製作所製商品名：LP-M2H）を用いて２００°Ｃ、３００ｒｐｍで回転させて加熱粉砕を行った。所定時間（１時間、３時間及び６時間）経過後、加熱粉砕を停止し、ボールミル容器を取り外し、自然放冷させた後、100ｍｌの水で抽出を行い、可溶化液とした。

（比較例３）
・粉砕処理
比較例３では、実施例１で用いた遊星型ボールミルを用い、加熱を行うことなく常温下において、その他の条件は実施例１と同様にして１時間の粉砕処理を行った。
・加熱処理及び水抽出処理
次に、こうして得られた粉砕物１５ｍｇを秤取り、２重構造の蓋付きの耐圧ＰＴＦＥ容器（内側容器は容積２８ｃｍ^３のＰＴＦＥ容器、外側容器はステンレス製容器）に入れ蓋をした。そして、試料を入れた耐圧ＰＴＦＥ容器を電気加熱炉に入れ、２００℃で所定時間の加熱を行った後、内容物を４．７５ｍｌの水で抽出し、フィルターでろ過し、水抽出液を得た。

（比較例４）
比較例４では、遊星型ボールミルによる常温下での粉砕処理時間を３時間とし、
その他については比較例３と同様にして粉砕処理、加熱処理及び水抽出処理を行った。

＜結果＞
セルロースの仕込み重量、及び水抽出において得られた可溶化液を全有機炭素計（TOC計）による測定値から、可溶化率を求めた。その結果を図６に示す。加熱と粉砕を同時並行で行った参考例３では、３時間の加熱粉砕によってセルロースの可溶化率が約９０％に達した。
一方、粉砕を行ってから加熱処理を行った比較例３においては、処理時間を４時間（すなわち粉砕１時間＋加熱３時間）行っても可溶化率は４３％程度であり、処理時間を７時間（すなわち粉砕１時間＋加熱６時間）としても３８％程度となり、かえって低下した。
また、粉砕を３時間行ってから加熱処理を行った比較例４では、処理時間を４時間（すなわち粉砕３時間＋加熱１時間）行っても可溶化率は２４％程度であり、処理時間を６時間（すなわち粉砕３時間＋加熱３時間）としても４８％程度までしか上がらず、処理時間を９時間（すなわち粉砕３時間＋加熱６時間）とした場合、３３％程度となり、かえって低下した。
以上の結果から、加熱と粉砕を同時に行うことにより、短時間で極めて高い可溶化率を達成できることが分かった。

（参考例４）
参考例４ではセルロースを含有する原料として試薬のセルロース（MERCK社製アビセル）を用い、その他については参考例３と同様にして可溶化を行った。

（比較例５）
比較例５ではセルロースを含有する原料として試薬のセルロース（MERCK社製アビセル）を用い、その他については比較例３と同様にして可溶化を行った。

＜結果＞
参考例４及び比較例５の結果を表１に示す。この表から、参考例４では９０％程度という高い可溶化率を達成でき、しかも粉砕と加熱とを同時並行して行うため、処理時間も大幅に短縮できることが分かる。これに対して、比較例５では、３時間の粉砕と３時間の加熱(比較例５-３)を行っても、７５％の可溶化率に留まった。

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

Claims

セルロースを含有するバイオマス原料を結晶化度を低減してから、または同時に水の存在下で圧力と温度を制御して、酸と水に可溶な成分とを含んだ可溶化混合物とする可溶化工程と、
該可溶化混合物から水で抽出した可溶化液を酸触媒で加水分解することにより糖化液を得る糖化工程と、を有するセルロース系バイオマス原料の糖化方法であって、
該酸触媒としてカルボン酸を用いるセルロース系バイオマス原料の糖化方法。
前記カルボン酸はシュウ酸である請求項１に記載のセルロース系バイオマス原料の糖化方法。
前記可溶化工程の前に前記セルロースを含有するバイオマス原料を水酸化カルシウム水溶液によって易分解化処理を行う請求項２に記載するセルロース系バイオマス原料の糖化方法。