JP2014092443A - Evaluation method of saccharification performance - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To quickly evaluate saccharification performance on cellulosic biomass on a cellulosic biomass processing using an alkali solution without actually saccharifying with enzyme.SOLUTION: In the middle of or after a pretreatment process in which cellulosic biomass is contacted to an alkali solution, pyrolysis temperature of the cellulosic biomass is measured, and saccharification performance on a cellulosic biomass processing is evaluated based on the measured pyrolysis temperature.

Description

本発明は、セルロース系バイオマスの糖化工程に先立って実施されるアルカリ処理について、糖化工程における糖化性能を事前に評価する糖化性能の評価方法に関する。   The present invention relates to a method for evaluating saccharification performance in which saccharification performance in a saccharification step is evaluated in advance with respect to an alkali treatment performed prior to the saccharification step of cellulosic biomass.

セルロース系バイオマスは、バイオ燃料や化学製品の原材料として検討されている。セルロース系バイオマスは、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンから主として構成されており、なかでもセルロースは、グルコース(単糖成分)が鎖状に連なった多糖類であり、酸や分解酵素(セルラーゼ)等で加水分解することにより単糖成分であるグルコースまで分解することができる。   Cellulosic biomass is being studied as a raw material for biofuels and chemical products. Cellulosic biomass is mainly composed of cellulose, hemicellulose, and lignin. Among them, cellulose is a polysaccharide in which glucose (monosaccharide component) is linked in a chain, and is hydrolyzed by acid, degrading enzyme (cellulase), etc. By doing so, it can be decomposed to glucose which is a monosaccharide component.

セルロース系バイオマスを分解して得られるグルコースは、アルコール発酵の原料として利用することができる。言い換えると、セルロース系バイオマスは、例えば、ガソリンの代替物であるバイオエタノールや、軽油の代替物であるバイオブタノールの原料としての用途が期待される。   Glucose obtained by decomposing cellulosic biomass can be used as a raw material for alcohol fermentation. In other words, cellulosic biomass is expected to be used as a raw material for bioethanol, which is an alternative to gasoline, and biobutanol, which is an alternative to light oil.

また、現在では、バイオリファイナリー技術の発展に伴い、化石資源由来合成高分子のうち95%をグルコースから作り出すことも可能と言われている(非特許文献1)。このように、バイオリファイナリーの多くはグルコースが出発原料であるため、植物資源からグルコースを効率的に生成すること、すなわち「糖化」がバイオリファイナリーの基本となる。   Moreover, at present, it is said that 95% of the fossil resource-derived synthetic polymer can be produced from glucose with the development of biorefinery technology (Non-patent Document 1). As described above, since most of the biorefinery has glucose as a starting material, efficient production of glucose from plant resources, that is, “saccharification” is the basis of biorefinery.

セルロース系バイオマスは木質系及び草本系に分類されるが、木質系は賦存量が多い上、草本系と比較してエネルギー密度が高く利用価値の高いバイオマスである。しかしながら、木質系バイオマスのセルロースは、分子間の水素結合によって分子鎖同士が強固に結合し高結晶となっている。また、セルロース分子鎖周辺をヘミセルロースとリグニンが複雑な三次元網目構造状で取り巻いており、セルロースの分解酵素であるセルラーゼを直接作用させても高い糖化性能が得られない。   Cellulosic biomass is classified into woody and herbaceous, but woody is a biomass that has a large amount of existence and has high energy density and high utility value compared to herbaceous. However, cellulose of woody biomass is highly crystalline with molecular chains firmly bonded by intermolecular hydrogen bonding. In addition, hemicellulose and lignin are surrounded by a complicated three-dimensional network structure around the cellulose molecular chain, and high saccharification performance cannot be obtained even when cellulase, which is a cellulose-degrading enzyme, is allowed to act directly.

近年、セルラーゼによる糖化性能を向上させる前処理方法が開発されている。特に、苛性ソーダ等のアルカリ溶液を用いた前処理方法は稲わら等の草本系バイオマスを中心に実用的段階となっている(特許文献1)。   In recent years, pretreatment methods for improving saccharification performance with cellulase have been developed. In particular, a pretreatment method using an alkaline solution such as caustic soda has become a practical stage centering on herbaceous biomass such as rice straw (Patent Document 1).

特開2009-125050号公報JP 2009-125050 A

寺本好邦ら「リグノセルロースからのバイオエタノール製造−木材糖化・バイオリファイナリーの歴史・現状・新展開−」 伝熱 2008 年1 月号Yoshikuni Teramoto et al. “Bioethanol Production from Lignocellulose: History, Current Status, and New Developments of Wood Saccharification and Biorefinery” January 2008

しかしながら、セルロース系バイオマスが木質系及び草本系に拘わらず、糖化工程における糖化性能を把握するには、アルカリ処理後のバイオマスをセルラーゼで反応させ、溶解した糖類を液体クロマトグラフィ等の機器分析で定量する必要があった。この方法は、確実な性能を把握できるが、結果を得るまでに長期間を要し、また酵素を使用するために高コストになるといった問題があった。   However, in order to grasp the saccharification performance in the saccharification process regardless of whether the cellulosic biomass is woody or herbaceous, the biomass after alkali treatment is reacted with cellulase, and the dissolved saccharide is quantified by instrumental analysis such as liquid chromatography. There was a need. This method can grasp reliable performance, but has a problem that it takes a long time to obtain a result, and the cost is high because of using an enzyme.

そこで、本発明は、上述した実情に鑑み、アルカリ溶液によりセルロース系バイオマスを処理したときのセルロース系バイオマスについて、実際に酵素を用いて糖化することなく、糖化性能を迅速に把握する評価方法を提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above-described circumstances, the present invention provides an evaluation method for quickly grasping saccharification performance without actually saccharifying the cellulose-based biomass when the cellulose-based biomass is treated with an alkaline solution. The purpose is to do.

上述した目的を達成した本発明は以下を包含する。
(1)セルロース系バイオマスをアルカリ溶液に接触させる前処理工程と、上記前処理工程後のセルロース系バイオマスを加水分解酵素により糖化する糖化工程とを含み、上記前処理工程の途中又は上記前処理工程の後のセルロース系バイオマスの熱分解温度を測定し、測定した熱分解温度に基づいて糖化工程における糖化性能を評価する、糖化性能の評価方法。
(2)上記熱分解温度は、示差熱-熱重量同時測定分析によるTG(Thermogravimetry)曲線に基づいて判断することを特徴とする(1)記載の糖化性能の評価方法。
(3)セルロース系バイオマスの熱分解温度を測定する前に、当該セルロース系バイオマスを中和及び洗浄することを特徴とする(1)記載の糖化性能の評価方法。
The present invention that has achieved the above-described object includes the following.
(1) A pretreatment step in which cellulosic biomass is brought into contact with an alkaline solution, and a saccharification step in which the cellulose biomass after the pretreatment step is saccharified with a hydrolase, and in the middle of the pretreatment step or the pretreatment step The evaluation method of saccharification performance which measures the thermal decomposition temperature of the cellulosic biomass after and evaluates the saccharification performance in a saccharification process based on the measured thermal decomposition temperature.
(2) The method for evaluating saccharification performance according to (1), wherein the thermal decomposition temperature is determined based on a TG (Thermogravimetry) curve by differential thermal-thermogravimetric simultaneous measurement analysis.
(3) The method for evaluating saccharification performance according to (1), wherein the cellulosic biomass is neutralized and washed before measuring the thermal decomposition temperature of the cellulosic biomass.

本発明に係る糖化性能の評価方法は、アルカリ溶液にセルロース系バイオマスを接触させた後の酵素による糖化処理について、糖化性能を迅速且つ低コストに評価することができる。したがって、本発明を適用することによって、セルロース系バイオマスを用いて構成単糖を製造するシステム、当該構成単糖を利用してバイオ燃料やバイオブタノールを製造するシステムにおける、アルカリ溶液を用いた前処理工程及び前処理工程の後のセルロース系バイオマスを用いた糖化工程を迅速且つ低コストに最適化することができる。   The saccharification performance evaluation method according to the present invention can evaluate the saccharification performance quickly and at low cost for the saccharification treatment with an enzyme after contacting the cellulosic biomass with an alkaline solution. Therefore, by applying the present invention, pretreatment using an alkaline solution in a system for producing a constituent monosaccharide using cellulosic biomass, and a system for producing biofuel or biobutanol using the constituent monosaccharide The saccharification process using the cellulosic biomass after the process and the pretreatment process can be optimized quickly and at low cost.

一例として示すエタノール製造方法の製造フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacture flow of the ethanol manufacturing method shown as an example. 実施例で調製したNo.1サンプルについてTG-DTA分析した結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of having analyzed TG-DTA about No. 1 sample prepared in the Example. 実施例で調製したNo.2サンプルについてTG-DTA分析した結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of having analyzed TG-DTA about No. 2 sample prepared in the Example. 実施例で調製したNo.3サンプルについてTG-DTA分析した結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of having analyzed TG-DTA about No. 3 sample prepared in the Example. 実施例で調製したNo.4サンプルについてTG-DTA分析した結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of having analyzed TG-DTA about No. 4 sample prepared in the Example. 一例として実施例で使用したセルロース系バイオマスについて、前処理後のセルロース系バイオマスの熱分解温度と、六炭糖の糖化率との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the thermal decomposition temperature of the cellulose biomass after a pre-processing, and the saccharification rate of hexose about the cellulosic biomass used in the Example as an example.

以下、本発明に係る糖化性能の評価方法をより詳細に説明する。
本発明に係る糖化性能の評価方法は、セルロース系バイオマスをアルカリ溶液に接触させる前処理工程と、上記前処理工程後のセルロース系バイオマスを加水分解酵素により糖化する糖化工程とを実施するに際し、糖化工程における糖化性能を事前に評価する方法である。本発明に係る糖化性能の評価方法は、特に、上記前処理工程の途中又は上記前処理工程の後のセルロース系バイオマスについて熱分解温度を測定する。本発明に係る糖化性能の評価方法は、このように測定した熱分解温度に基づいて糖化工程における糖化性能を評価する。
Hereinafter, the saccharification performance evaluation method according to the present invention will be described in more detail.
The saccharification performance evaluation method according to the present invention includes a saccharification when performing a pretreatment step of bringing a cellulosic biomass into contact with an alkaline solution and a saccharification step of saccharifying the cellulosic biomass after the pretreatment step with a hydrolase. This is a method for evaluating saccharification performance in the process in advance. The saccharification performance evaluation method according to the present invention particularly measures the pyrolysis temperature of the cellulosic biomass during the pretreatment step or after the pretreatment step. The saccharification performance evaluation method according to the present invention evaluates the saccharification performance in the saccharification step based on the thermal decomposition temperature thus measured.

ここで、セルロース系バイオマスとは、構成成分としてセルロースを含むバイオマスを含む意味である。セルロース系バイオマスとしては、草本系のバイオマス及び木質系のバイオマスの両方を含む意味である。   Here, the cellulosic biomass is meant to include biomass containing cellulose as a constituent component. Cellulosic biomass is meant to include both herbaceous biomass and woody biomass.

草本系バイオマスとは、原料として草本類を主成分とするものを意味する。草本系バイオマスとしては、特に限定されるものではなく、例えば、草本自体、草本の一部、草本の処理物、又は草本由来の生成物等を挙げることができる。より具体的に、草本系バイオマスとしては、稲わら、麦わら、バガス、竹、コーンストーバー、スイッチグラス、芝、籾殻、各種雑草、大豆皮等を挙げることができる。草本系バイオマスは、1種類の草本類からなるものであってもよいし、複数種の草本類からなるものであってもよい。なお、草本系バイオマスとしては、原料である草本類に対して所望の圧力を付加することで所定の形状に成形したペレットを使用しても良い。   Herbaceous biomass means a material mainly composed of herbs as a raw material. The herbaceous biomass is not particularly limited, and examples thereof include herbs themselves, a part of herbs, processed herbs, and herb-derived products. More specifically, examples of herbaceous biomass include rice straw, straw, bagasse, bamboo, corn stover, switchgrass, turf, rice husk, various weeds, soybean hulls, and the like. The herbaceous biomass may be composed of one kind of herb or a plurality of kinds of herb. In addition, as herbaceous biomass, you may use the pellet shape | molded by applying desired pressure with respect to the grass which is a raw material.

また、木質系バイオマスとは、木質系バイオマスは、木質資源であれば特に限定されるものではなく、例えば建設廃木材、廃梱包材、伐採材、おが屑、間伐材、木材チップ、稲わら、樹皮、林地残材、未利用樹、背板などが挙げられる。木質系バイオマスは、1種類の木質資源からなるものであってもよいし、複数種の木質資源からなるものであってもよい。   The woody biomass is not particularly limited as long as the woody biomass is a woody resource. For example, construction wood, waste packaging materials, logging materials, sawdust, thinned wood, wood chips, rice straw, bark Forest land remnants, unused trees, and backboard. The woody biomass may be composed of one kind of woody resource, or may be composed of a plurality of kinds of woody resources.

本発明に係る糖化性能の評価方法は、例えば、図1に示す、セルロース系バイオマスからのエタノール製造フローに適用することができる。すなわち、図1に示すエタノールの製造方法では、先ず、バイオマスを苛性ソーダ水溶液に混合し、撹拌、粉砕等の物理的処理を併用して酵素糖化の前処理を行う。次に、図1に示すエタノールの製造方法では、酸を用いてセルラーゼ及びエタノール生成菌の作用に適したpHに中和した後、固液分離を行う。そして、図1に示すエタノールの製造方法では、回収した固形分に対してセルラーゼ、事前増殖させたエタノール生成菌を同一槽内に仕込み、所定温度、pH下で反応させ糖化と発酵を進める(同時糖化発酵)。図1に示すエタノールの製造方法では、得られたエタノールを含む発酵液を蒸留し、その後脱水することで、最終的に99.5%の高濃度エタノールを製造することができる。本発明に係る糖化性能の評価方法は、上述した同時糖化発酵工程におけるセルラーゼによる糖化反応の反応効率を評価するものである。   The saccharification performance evaluation method according to the present invention can be applied to, for example, an ethanol production flow from cellulosic biomass shown in FIG. That is, in the ethanol production method shown in FIG. 1, first, biomass is mixed with an aqueous caustic soda solution, and a pretreatment for enzymatic saccharification is performed using physical treatment such as stirring and pulverization. Next, in the ethanol production method shown in FIG. 1, neutralization is performed using acid to a pH suitable for the action of cellulase and ethanol-producing bacteria, followed by solid-liquid separation. In the method for producing ethanol shown in FIG. 1, cellulase and pre-grown ethanol-producing bacteria are charged into the same tank and reacted at a predetermined temperature and pH to proceed with saccharification and fermentation (simultaneously). Saccharification and fermentation). In the ethanol production method shown in FIG. 1, 99.5% high-concentration ethanol can finally be produced by distilling the obtained fermentation broth containing ethanol and then dehydrating it. The saccharification performance evaluation method according to the present invention evaluates the reaction efficiency of a saccharification reaction by cellulase in the above-described simultaneous saccharification and fermentation step.

<前処理工程>
ここで前処理工程に使用されるアルカリ溶液とは、アルカリ金属やアルカリ土類金属(本発明においては第2族元素と同義)の水酸化物の水溶液を意味する。すなわち、アルカリ溶液に含まれる水酸化物としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、水酸化フランシウム、水酸化ベリリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、水酸化ラジウムを挙げることができる。これらのうち、後段の発酵工程における阻害の影響から水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウムを使用することが好ましい。特に、薬剤コストや水に対する溶解性の観点から水酸化ナトリウムを使用することが好ましい。
<Pretreatment process>
Here, the alkaline solution used in the pretreatment step means an aqueous solution of hydroxide of alkali metal or alkaline earth metal (synonymous with the Group 2 element in the present invention). That is, the hydroxide contained in the alkaline solution includes lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, rubidium hydroxide, cesium hydroxide, francium hydroxide, beryllium hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, water Examples include strontium oxide, barium hydroxide, and radium hydroxide. Among these, it is preferable to use sodium hydroxide, potassium hydroxide, or calcium hydroxide from the influence of inhibition in the subsequent fermentation process. In particular, sodium hydroxide is preferably used from the viewpoint of drug cost and solubility in water.

セルロース系バイオマスとして草本系バイオマスを使用する場合、アルカリ水溶液のpHは、9.5〜13.5とすることができ、10〜13とすることが好ましく、11〜12.5とすることがより好ましい。また、アルカリ溶液量に対する草本系バイオマス量(仕込量)は、特に限定されないが、例えば、草本系バイオマスの乾燥重量ベースで5〜20%、望ましくは10〜15%である。   When using herbaceous biomass as cellulosic biomass, the pH of the alkaline aqueous solution can be 9.5 to 13.5, preferably 10 to 13, and more preferably 11 to 12.5. preferable. The herbaceous biomass amount (feed amount) with respect to the alkaline solution amount is not particularly limited, but is, for example, 5 to 20%, desirably 10 to 15%, based on the dry weight of the herbaceous biomass.

草本系バイオマスをペレット化した場合には、ペレットをアルカリ溶液に投入した後、約1分程度で膨潤し、その後、軽度の撹拌により均一に分散する。これに対して、ペレット化していない草本系バイオマス、例えば、ロール状の草本系バイオマスでは、アルカリ溶液に浸漬し、十分に撹拌することで膨潤させることができる。したがって、草本系バイオマスをペレット化した場合には、アルカリ溶液に対する草本系バイオマスの仕込量を大幅に増加することができ、また、撹拌に要するエネルギーを低減できる。   When the herbaceous biomass is pelletized, the pellet is swelled in about 1 minute after being put into the alkaline solution, and then uniformly dispersed by mild agitation. In contrast, herbaceous biomass that has not been pelletized, for example, roll herbaceous biomass, can be swollen by being immersed in an alkaline solution and sufficiently stirred. Therefore, when the herbaceous biomass is pelletized, the amount of herbaceous biomass charged into the alkaline solution can be greatly increased, and the energy required for stirring can be reduced.

また、アルカリ処理の温度条件としては、例えば常温以上160℃以下、望ましくは常温以上121℃以下、一例として80℃とすることができる。保持時間は、アルカリ処理の温度や草本系バイオマスの形状により設定することができるが、草本系バイオマスをペレット化した場合にはアルカリ溶液が十分浸透すれば良く、概ね15分から24時間の範囲であり、例えば80℃のアルカリ溶液であれば6時間程度とする。   The temperature conditions for the alkali treatment may be, for example, from room temperature to 160 ° C., preferably from room temperature to 121 ° C., for example, 80 ° C. The retention time can be set depending on the temperature of the alkali treatment and the shape of the herbaceous biomass, but when the herbaceous biomass is pelletized, the alkali solution only needs to penetrate sufficiently, and is generally in the range of 15 minutes to 24 hours. For example, in the case of an alkaline solution at 80 ° C., the time is about 6 hours.

また、前処理工程では、草本系バイオマスをアルカリ溶液に浸透させた後、硫酸等の酸を添加することで中和する。アルカリ溶液に酸を添加した後のpHは、後述する酵素処理に適したpHとすることが好ましい。なお、酸による中和の前に固液分離処理によって、固体成分を回収し、その後、固体成分を酸性溶液に浸漬して、草本系バイオマスに含浸したアルカリを中和しても良い。   In the pretreatment step, the herbaceous biomass is infiltrated into the alkaline solution and then neutralized by adding an acid such as sulfuric acid. The pH after adding the acid to the alkaline solution is preferably a pH suitable for the enzyme treatment described later. Note that the solid component may be recovered by solid-liquid separation before neutralization with an acid, and then the alkali impregnated in the herbaceous biomass may be neutralized by immersing the solid component in an acidic solution.

一方、セルロース系バイオマスとして木質系バイオマスを使用する場合、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加する方法を採用することが好ましい。木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加するための手段としては、特に限定されないが、例えば多軸押出機を挙げることができる。多軸押出機とは、複数のスクリューがシリンダー内を回転することで、シリンダー内部(投入口から吐出口(押出口)までの間)にせん断力を発生する装置である。なお、多軸押出機としては、2本のスクリューを有する二軸押出機が代表的に知られているが、3本以上のスクリューを備える装置であっても良い。また、多軸押出機としては、複数のスクリューの軸が平行となるタイプでも良いし、コニカルタイプの複数のスクリュー軸を斜交させたタイプであっても良い。さらに、多軸押出機としては、複数のスクリューにおけるフライトがかみ合い型或いは非かみ合い型のいずれでもよいし、スクリュー回転方向が同方向或いは異方向のいずれでも良い。このとき、原料となる木質系バイオマスとしては、特に限定されないが、例えば2〜15mm程度に粗粉砕された木材チップを使用することができる。なお、ここで粒径とは、平均粒径を意味する。木質系バイオマスの粗粉砕は、特に限定されず、例えばリファイナー、木材粉砕機を用いて行うことができる。粗粉砕の後、例えば磁選機による釘等の金属除去や、比重差による砂分等の除去を実施することが好ましい。   On the other hand, when using woody biomass as the cellulosic biomass, it is preferable to employ a method of applying a shearing force to the woody biomass in an alkaline solution. The means for applying a shearing force to the woody biomass in an alkaline solution is not particularly limited, and examples thereof include a multi-screw extruder. A multi-screw extruder is a device that generates a shearing force inside a cylinder (between a charging port and a discharge port (extrusion port)) by rotating a plurality of screws in the cylinder. In addition, as a multi-screw extruder, although the twin-screw extruder which has two screws is typically known, the apparatus provided with three or more screws may be sufficient. The multi-screw extruder may be a type in which the axes of a plurality of screws are parallel, or may be a type in which a plurality of screw shafts of a conical type are obliquely crossed. Furthermore, as a multi-screw extruder, the flight in a plurality of screws may be either a meshing type or a non-meshing type, and the screw rotation direction may be either the same direction or a different direction. At this time, although it does not specifically limit as woody biomass used as a raw material, For example, the wood chip coarsely ground to about 2-15 mm can be used. Here, the particle size means an average particle size. The coarse pulverization of the woody biomass is not particularly limited, and can be performed using, for example, a refiner or a wood pulverizer. After coarse pulverization, it is preferable to remove metal such as nails using a magnetic separator or remove sand due to a difference in specific gravity.

セルロース系バイオマスとして木質系バイオマスを使用する場合、アルカリ水溶液のpHは、9.5〜13.5とすることができ、10〜13とすることが好ましく、pH11〜12.5とすることがより好ましい。なお、二軸押出機を使用する場合、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムを使用することが望ましい。アルカリ溶液として水酸化ナトリウムや水酸化カリウムを使用する場合には、二軸押出機内部でのスケール発生を抑制することができる。アルカリ溶液の添加量は、例えば乾燥木材重量当たり重量比で2〜30%であり、望ましくは5〜20%である。所定量のアルカリ剤を含む水溶液と乾燥木材との配合比は、溶液容積100に対して木材重量5〜50とすることが好ましい。   When using woody biomass as cellulosic biomass, the pH of the alkaline aqueous solution can be 9.5 to 13.5, preferably 10 to 13, and more preferably pH 11 to 12.5. preferable. In addition, when using a twin screw extruder, it is desirable to use sodium hydroxide or potassium hydroxide. When sodium hydroxide or potassium hydroxide is used as the alkaline solution, scale generation in the twin screw extruder can be suppressed. The addition amount of the alkaline solution is, for example, 2 to 30% by weight ratio per dry wood weight, and desirably 5 to 20%. The mixing ratio of the aqueous solution containing a predetermined amount of the alkali agent and the dry wood is preferably 5 to 50 wood weight with respect to 100 solution volume.

なお、木質系バイオマスとアルカリ溶液とは、各々独立して二軸押出機に投入しても良いし、事前に混合した後に二軸押出機に投入しても良い。すなわち、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加するとは、木質系バイオマスにせん断力を負荷しながらアルカリ溶液を投入する形態、アルカリ溶液に木質系バイオマスと投入した状態でせん断力を負荷する形態の両方を意味する。   Note that the woody biomass and the alkali solution may be independently fed into a twin-screw extruder, or may be fed into a twin-screw extruder after being mixed in advance. In other words, adding shear force to woody biomass in an alkaline solution means that an alkali solution is added while applying a shearing force to the woody biomass, and the shearing force is applied with woody biomass being added to the alkali solution. It means both forms of loading.

また、前処理工程では、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加した後に、液分と固形分に分離することが好ましい。具体的には、二軸押出機等から押し出されたペースト状の木質系バイオマスを水平ベルト等により固液分離と同時に水洗浄する。水洗浄した木質系バイオマスは、その後、含有したアルカリを中和するための中和工程に移行し、硫酸等の酸により所定のpHに調整される。なお、固液分離処理は、本技術分野で公知の任意の方法により行うことができる。なお、固液分離工程によって回収された液分は、排水処理してもよいし、あるいは再利用してもよい。   Moreover, it is preferable to isolate | separate into a liquid component and solid content, after adding a shear force in an alkaline solution with respect to wood type biomass at a pre-processing process. Specifically, the pasty woody biomass extruded from a twin screw extruder or the like is washed with water simultaneously with solid-liquid separation by a horizontal belt or the like. The woody biomass washed with water then moves to a neutralization step for neutralizing the contained alkali, and is adjusted to a predetermined pH with an acid such as sulfuric acid. The solid-liquid separation process can be performed by any method known in this technical field. In addition, the liquid component recovered by the solid-liquid separation process may be subjected to wastewater treatment or may be reused.

<糖化工程>
本工程では、上述した前処理工程の後のセルロース系バイオマスに対してセルラーゼ酵素処理を行うことにより、セルロース系バイオマスのセルロースをセルラーゼによりグルコースまで分解する。また、本工程では、セルロース系バイオマスに含まれるヘミセルロースをマンノース、ガラクトース、キシロース、アラビノース等の単糖まで糖化してもよい。使用するセルラーゼは、セルロースを六炭糖まで糖化できるものであれば特に限定されない。また、使用するセルラーゼとしては、好ましくは更にヘミセルロースを六炭糖及び五炭糖まで糖化できるものが好ましい。例えば、セルラーゼは、植物及び動物由来のいずれでもよく、化学修飾されたものであっても、遺伝子組換えにより生成されたものであってもよい。なお、セルラーゼを反応させる温度、時間及び量は、セルラーゼの種類によって異なるが、当業者であれば、使用するセルラーゼの種類に応じて適宜選択することができる。
<Saccharification process>
In this step, the cellulosic biomass after the pretreatment step described above is subjected to cellulase enzyme treatment, whereby cellulose in the cellulosic biomass is decomposed to glucose by cellulase. In this step, hemicellulose contained in cellulosic biomass may be saccharified to monosaccharides such as mannose, galactose, xylose, and arabinose. The cellulase used is not particularly limited as long as it can saccharify cellulose to hexose. The cellulase used is preferably one that can further saccharify hemicellulose to hexose and pentose. For example, the cellulase may be derived from plants or animals, and may be chemically modified or produced by genetic recombination. In addition, although the temperature, time, and quantity which make cellulase react depend on the kind of cellulase, those skilled in the art can select suitably according to the kind of cellulase to be used.

あるいは、アルカリ処理後に中和したセルロース系バイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌を発酵させることにより、バイオマス中のセルロースをセルラーゼにより単糖まで分解し、二次糖液を得ることも可能である。そのようなセルラーゼ生成菌は、当技術分野で公知であり、例えばAspergillus niger、A. foetidus、Alternaria alternata、Chaetomium thermophile、C. globosus、Fusarium solani、Irpex lacteus、Neurospora crassa、Cellulomonas fimi、C. uda、Erwinia chrysanthemi、Pseudomonas fluorescence、Streptmyces flavogriseusなどが挙げられ、例えば「セルロース資源−高度利用のための技術開発とその基礎」、越島哲夫編、(株)学会出版センター、1991年に記載されている。   Alternatively, by fermenting cellulase-producing bacteria using cellulosic biomass neutralized after alkali treatment as a raw material, it is possible to decompose cellulose in the biomass to monosaccharides by cellulase to obtain a secondary sugar solution. Such cellulase producing bacteria are known in the art, e.g. Aspergillus niger, A. foetidus, Alternaria alternata, Chaetomium thermophile, C. globosus, Fusarium solani, Irpex lacteus, Neurospora crassa, Cellulomonas fimi, C. uda, Erwinia chrysanthemi, Pseudomonas fluorescence, Streptmyces flavogriseus, etc. are mentioned, for example, "Cellulose resources-Technological development for advanced use and its basics", Tetsuo Koshijima, Japan Society for Publishing Press, 1991.

なお、上述のようにアルカリ処理後のセルロース系バイオマスをセルラーゼ酵素処理する以外に、アルカリ処理後のセルロース系バイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌とエタノール発酵菌の同時発酵を行い、エタノールを生成することも可能である。   In addition to the cellulosic enzyme treatment of the cellulosic biomass after alkali treatment as described above, the cellulosic biomass after the alkali treatment may be used as a raw material for simultaneous fermentation of cellulase-producing bacteria and ethanol-fermenting bacteria to produce ethanol. Is possible.

本工程で生成した単糖は、エタノール生成可能な微生物の発酵原料、ブタノールやその他の化学原料としてのバイオリファイナリーとして利用できる。また、セルロース系バイオマスを糖化して得られたグルコースを更に酵素処理することにより、清涼剤であるD-ソルビトール、甘味料であるD-フルクトース、浸透圧調整剤であるマンニトール、飼料添加剤であるマンノース等、食品や医薬品等の有用物質を製造することもできる。   The monosaccharides produced in this step can be used as a biorefinery as a fermentation raw material for microorganisms capable of producing ethanol, butanol and other chemical raw materials. In addition, by further enzymatic treatment of glucose obtained by saccharification of cellulosic biomass, it is a refreshing agent D-sorbitol, a sweetener D-fructose, an osmotic pressure regulator mannitol, a feed additive Useful substances such as mannose and other foods and pharmaceuticals can also be produced.

<エタノールの製造工程>
上述の糖化工程において得られる糖を原料として用いてエタノール発酵を行い、エタノールを製造することができる。上述の糖化工程にて得られた糖成分はセルロース由来の糖及びヘミセルロース由来の糖の両者を含んでいても良い。ヘミセルロース由来の糖としては、キシロース、アラビノースなどの五炭糖と、グルコース、ガラクトース、マンノースなどの六炭糖を挙げることができる。セルロース由来の糖はグルコースの六炭糖である。特に、六炭糖は酵母などによって容易にエタノールに変換することができ、五炭糖は、当技術分野で公知のエタノール生成方法に従ってエタノールに変換することができる。
<Ethanol production process>
Ethanol can be produced by performing ethanol fermentation using the sugar obtained in the above saccharification step as a raw material. The sugar component obtained in the above saccharification step may contain both cellulose-derived sugar and hemicellulose-derived sugar. Examples of saccharides derived from hemicellulose include pentoses such as xylose and arabinose and hexoses such as glucose, galactose and mannose. The sugar derived from cellulose is glucose hexose. In particular, hexose can be easily converted to ethanol by yeast or the like, and pentose can be converted to ethanol according to an ethanol production method known in the art.

六炭糖のエタノール発酵は、当技術分野で公知のエタノール製造方法に従って、酵母、又は遺伝子組換えによりエタノール生成に必要な遺伝子を有する細菌を用いて行うことができる。五炭糖のエタノール発酵は、例えば五炭糖及び六炭糖の両方を資化するが、エタノールを生成しない大腸菌に、エタノールを生成する微生物由来の遺伝子を導入した遺伝子組換え大腸菌や、エタノール発酵性のザイモモナス属(Zymomonas)細菌に五炭糖の代謝遺伝子を導入した遺伝子組換え細菌などを用いて行うことができる(例えば、特表平5−502366号公報及び特表平6−504436号公報)。あるいは、五炭糖及び六炭糖をエタノール発酵させてエタノール及び二酸化炭素を回収する方法を利用してもよい(特開2006−111593号公報)。   Ethanol fermentation of hexose can be carried out using yeast or bacteria having a gene necessary for ethanol production by genetic recombination according to an ethanol production method known in the art. Ethanol fermentation of pentoses, for example, genetically modified Escherichia coli in which both pentose and hexoses are assimilated, but that does not produce ethanol, a gene derived from a microorganism that produces ethanol, and ethanol fermentation It can be carried out by using a genetically modified bacterium in which a pentose metabolic gene is introduced into a sexual Zymomonas bacterium (for example, JP-T-5-502366 and JP-A-6-504436) ). Alternatively, a method in which pentose and hexose are fermented with ethanol to recover ethanol and carbon dioxide may be used (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-111593).

エタノール発酵の条件は、当業者であれば、原料となる糖の種類、使用するエタノール発酵菌の種類などに応じて、適宜設定することができる。エタノール発酵は、一次糖液及び二次糖液の各々に対して別々に行ってもよいし、あるいは両者を混合して行ってもよい。   Those skilled in the art can appropriately set conditions for ethanol fermentation according to the type of sugar used as a raw material, the type of ethanol-fermenting bacteria used, and the like. Ethanol fermentation may be performed separately for each of the primary sugar solution and the secondary sugar solution, or a mixture of both.

<評価工程>
上述した糖化工程における糖化性能は、糖化率の高低によって評価することができる。すなわち、投入したセルロース系バイオマス量に対して糖化工程により得られた単糖量が高ければ(すなわち、糖化率が高ければ)、糖化性能に優れた糖化工程であると評価することができる。逆に、投入したセルロース系バイオマス量に対して糖化工程により得られた単糖量が低ければ(すなわち、効果率が低ければ)、糖化性能に劣る糖化工程であると評価することができる。ここで、糖化率は、特に限定されないが、バイオマス中のセルロースやヘミセルロースがセルラーゼの作用によって単糖まで変換される割合として示すことができ、100×(糖化後における溶液中の単糖の総量)/(糖化前におけるバイオマス中の構成される単糖の総量)に従って計算することができる。
<Evaluation process>
The saccharification performance in the saccharification process described above can be evaluated by the level of saccharification rate. That is, if the amount of monosaccharide obtained by the saccharification process is high with respect to the amount of the cellulose-based biomass added (that is, if the saccharification rate is high), it can be evaluated that the saccharification process has excellent saccharification performance. Conversely, if the amount of monosaccharide obtained by the saccharification process is low with respect to the amount of cellulosic biomass input (that is, if the effect rate is low), it can be evaluated that the saccharification process is inferior in saccharification performance. Here, the saccharification rate is not particularly limited, but can be shown as a ratio of cellulose or hemicellulose in the biomass converted to monosaccharides by the action of cellulase, 100 × (total amount of monosaccharides in the solution after saccharification) / (Total amount of monosaccharides comprised in the biomass before saccharification).

上述した前処理工程は、糖化工程における糖化性能を高めるための工程ということができる。すなわち、前処理工程における各種条件、例えばアルカリ溶液のpH、処理時間、処理温度、撹拌条件、せん断力の条件等については、糖化性能を向上するために設定することとなる。   It can be said that the pre-processing process mentioned above is a process for improving the saccharification performance in a saccharification process. That is, various conditions in the pretreatment process, such as pH of the alkaline solution, treatment time, treatment temperature, stirring conditions, shearing force conditions, etc., are set to improve saccharification performance.

本評価工程では、前処理工程による糖化性能の向上効果を、糖化工程を経ることなく予測的に評価することができる。具体的に、本評価工程では、前処理工程の後のセルロース系バイオマスの熱分解温度を測定し、測定した熱分解温度に基づいて糖化性能を評価する。より具体的に、前処理工程後のセルロース系バイオマスにおける熱分解温度と糖化率との間に負の相関があるため、上記熱分解温度が低ければ糖化性能が高いと評価し、逆に上記熱分解温度が高ければ糖化性能が悪いと評価できる。   In this evaluation process, the improvement effect of the saccharification performance by the pretreatment process can be evaluated predictively without going through the saccharification process. Specifically, in this evaluation process, the thermal decomposition temperature of the cellulosic biomass after the pretreatment process is measured, and the saccharification performance is evaluated based on the measured thermal decomposition temperature. More specifically, since there is a negative correlation between the pyrolysis temperature and the saccharification rate in the cellulosic biomass after the pretreatment step, it is evaluated that the saccharification performance is high if the pyrolysis temperature is low, and conversely the above heat It can be evaluated that the saccharification performance is poor if the decomposition temperature is high.

ここで、セルロース系バイオマスの熱分解温度を測定するには、特に限定されないが、例えば、示差熱-熱重量同時測定分析(TG-DTA分析)熱重量ガスクロマト質量同時分析(TG−GC/MS)などによるTG(Thermogravimetry)曲線に基づいて測定することができる。   Here, the pyrolysis temperature of the cellulosic biomass is not particularly limited. For example, differential thermal-thermogravimetric simultaneous analysis (TG-DTA analysis) thermogravimetric gas chromatographic mass analysis (TG-GC / MS) ) Etc., and can be measured based on a TG (Thermogravimetry) curve.

本発明を適用することによって、前処理工程による酵素糖化促進効果を迅速に予測することができ、糖化工程や同時糖化発酵工程を実施する判断に資する情報を提供することができる。これにより、セルロース系バイオマスを原料とした糖製造プラントやエタノール製造プラント等の年間稼働率を向上させ、ひいては排水・廃棄物発生量を抑制することとなり、安定した製造量の確保とコスト削減に効果が期待できる。   By applying the present invention, it is possible to quickly predict the enzyme saccharification promoting effect of the pretreatment process, and to provide information that contributes to the determination of performing the saccharification process and the simultaneous saccharification and fermentation process. As a result, the annual operating rate of sugar production plants and ethanol production plants using cellulosic biomass as raw materials will be improved, and as a result, the amount of wastewater and waste generated will be reduced, which will ensure stable production and cost reduction. Can be expected.

従来、前処理工程による糖化性能の向上効果を確認するには、前処理工程後のサンプルの一部を回収し、回収したサンプル(固形分)にセルラーゼを実際に作用させ酵素糖化を進め、所定時間経過後に糖化液を回収しろ過した後、液体クロマトグラフィで糖化液中の単糖類を定量分析する必要があった。この一連の評価手順を進めるには、少なくとも4日程度を要するため、製造プラント規模では特に糖化工程や同時糖化発酵工程に着手する前に性能予測することは困難な状況であった。   Conventionally, in order to confirm the effect of improving the saccharification performance by the pretreatment process, a part of the sample after the pretreatment process is collected, and cellulase is actually acted on the collected sample (solid content) to advance the enzymatic saccharification. After the passage of time, the saccharified solution was collected and filtered, and then it was necessary to quantitatively analyze the monosaccharides in the saccharified solution by liquid chromatography. Since it takes at least about 4 days to proceed with this series of evaluation procedures, it was difficult to predict the performance before starting the saccharification process and the simultaneous saccharification and fermentation process at the scale of the manufacturing plant.

ここで、前処理工程による酵素糖化促進効果が低い場合、同時糖化発酵がうまく行かず、高価な薬剤であるセルラーゼ、事前培養したエタノール生成菌が無駄になる。また、プラント立ち上げのためにスラリーの引き抜き、タンク内・配管内清掃及び滅菌等をやり直すことにより、プラント全体の稼働率が低下し、年間のエタノール製造量が低下すると言った問題を引き起こすこととなる。特に、廃棄物系である建設廃木材や剪定材を原料とする場合、バージン木材と比較して品質が一定でないため、上記のような問題が生じる可能性が高い。   Here, when the enzyme saccharification promoting effect by the pretreatment step is low, simultaneous saccharification and fermentation is not successful, and cellulase, which is an expensive drug, and pre-cultured ethanol-producing bacteria are wasted. In addition, by pulling out slurry, cleaning tanks and piping, and sterilizing to start up the plant, the operation rate of the entire plant decreases, and the annual ethanol production volume decreases. Become. In particular, when construction waste wood or pruned wood, which is a waste system, is used as a raw material, since the quality is not constant as compared with virgin wood, the above problems are likely to occur.

本発明に係る評価方法によれば、糖化工程を実施する前に糖化工程における糖化性能を評価できるため、セルラーゼやエタノール生成菌を無駄にすることを回避できる。さらに、本発明に係る評価方法によれば、糖化工程を実施する前に糖化工程における糖化性能を評価できるため、製造プラント全体の稼働率を低下させることなく、優れた生産性を達成することができる。さらに、本発明に係る評価方法によれば、原料として使用するセルロース系バイオマスの種類(例えば、建設廃木材や剪定材といった廃棄物系であるか、バージン木材であるか)に拘わらず予測的に糖化性能を評価できるため、上述のような問題を確実に回避することができる。   According to the evaluation method of the present invention, since saccharification performance in the saccharification step can be evaluated before the saccharification step is performed, it is possible to avoid wasting cellulase and ethanol-producing bacteria. Furthermore, according to the evaluation method according to the present invention, since the saccharification performance in the saccharification step can be evaluated before the saccharification step is performed, it is possible to achieve excellent productivity without reducing the operation rate of the entire manufacturing plant. it can. Furthermore, according to the evaluation method according to the present invention, it is predictive regardless of the type of cellulosic biomass used as a raw material (for example, waste type such as construction waste wood or pruned wood or virgin wood). Since the saccharification performance can be evaluated, the above problems can be reliably avoided.

一例として、上記前処理工程の後、セルロース系バイオマスの熱分解温度をTG-DTA分析によるTG曲線に基づいて測定する。測定した熱分解温度が閾値以下の場合、その後の糖化工程における糖化性能が優れると判断できる。ここで、閾値としては、特に限定されるものではないが、セルロース系バイオマスに含まれるセルロース量と生成したグルコース量とから算出される糖化率と、前処理後のセルロース系バイオマスの熱分解温度とから相関図を作製し、当該相関図に基づいて目的の糖化率となる熱分解温度を決定して閾値とすることができる。一例としては、前処理後のセルロース系バイオマスの熱分解温度が320℃以下であるときには六炭糖の糖化率が50%以上となる。また、前処理後のセルロース系バイオマスの熱分解温度が262℃以下であるときには六炭糖の糖化率が70%以上となる。したがって、糖化率の目標値を50%とした時には熱分解温度の閾値を320℃とすることができ、糖化率の目標値を70%とした時には熱分解温度の閾値を262℃と設定することができる。   As an example, after the pretreatment step, the pyrolysis temperature of the cellulosic biomass is measured based on a TG curve by TG-DTA analysis. When the measured thermal decomposition temperature is below a threshold value, it can be judged that the saccharification performance in the subsequent saccharification process is excellent. Here, the threshold is not particularly limited, but the saccharification rate calculated from the amount of cellulose contained in the cellulosic biomass and the amount of glucose produced, and the thermal decomposition temperature of the cellulosic biomass after pretreatment, From this, a correlation diagram can be prepared, and based on the correlation diagram, the thermal decomposition temperature at which the target saccharification rate is obtained can be determined as a threshold value. As an example, when the pyrolysis temperature of the cellulosic biomass after pretreatment is 320 ° C. or less, the saccharification rate of hexose is 50% or more. Moreover, when the thermal decomposition temperature of the cellulosic biomass after pretreatment is 262 ° C. or lower, the saccharification rate of hexose is 70% or higher. Therefore, when the target value of the saccharification rate is 50%, the threshold value of the thermal decomposition temperature can be 320 ° C., and when the target value of the saccharification rate is 70%, the threshold value of the thermal decomposition temperature is set to 262 ° C. Can do.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, the technical scope of this invention is not limited to a following example.

〔実施例1〕
本実施例では、先ず、二軸押出機として東芝機械株式会社製TEM-58SS-10(スクリュー径57.2mm、L/D41.4、スクリューとシリンダー間のクリアランス0.4mm)を用い、建設廃木材のアルカリ処理を行った。二軸押出機は、二軸押出機のシリンダー内部には二本のスクリューが内臓されており、スクリューの軸方向に混練や剪断、戻し等の機構を持たせるため、ニーデイングやリバースといったユニットでスクリューを自由に構成することができる。また、軸方向に設置したスクリュー外部のバレルによって反応温度をユニット毎に200℃まで設定可能である。シリンダー内部では2本のスクリューが同一方向に回転することにより,投入原料に剪断力を連続的に与えることができる。
[Example 1]
In this example, first, Toshiba Machine Co., Ltd. TEM-58SS-10 (screw diameter 57.2mm, L / D41.4, clearance between screw and cylinder 0.4mm) was used as a twin screw extruder, An alkali treatment was performed. In the twin screw extruder, two screws are built in the cylinder of the twin screw extruder, and in order to provide a mechanism such as kneading, shearing, and returning in the axial direction of the screw, the screw is used in units such as kneeling and reverse. Can be configured freely. The reaction temperature can be set up to 200 ° C. for each unit by a barrel outside the screw installed in the axial direction. Inside the cylinder, the two screws rotate in the same direction, so that a shearing force can be continuously applied to the input raw material.

本実施例では、NaOH水溶液に2mmアンダーに事前粉砕した建設廃木材を混合してスラリーとした。これを最大設定温度110℃とした二軸押出機に連続的に導入した。表1に二軸押出機による建設廃木材のアルカリ処理条件を示す。   In this example, construction waste wood preliminarily ground to 2 mm under NaOH aqueous solution was mixed to form a slurry. This was continuously introduced into a twin screw extruder having a maximum set temperature of 110 ° C. Table 1 shows the alkali treatment conditions for construction waste wood using a twin-screw extruder.

Figure 2014092443
Figure 2014092443

各実験条件でアルカリ処理した建設廃木材スラリーの一部を蒸留水及び200mMクエン酸緩衝液(pH4.4)にて十分洗浄し,固液分離で固体分を回収した後、以下に示す酵素糖化試験を実施した。   A portion of construction waste wood slurry treated with alkali under each experimental condition was thoroughly washed with distilled water and 200 mM citrate buffer (pH 4.4), and the solid content was recovered by solid-liquid separation. The test was conducted.

すなわち、アルカリ処理後の固形分を用いてセルラーゼによる酵素糖化を表2に示す条件に基づいて行った。   That is, enzymatic saccharification with cellulase was performed based on the conditions shown in Table 2 using the solid content after alkali treatment.

Figure 2014092443
Figure 2014092443

本実施例で使用したセルラーゼは、ダニスコ社製アクセレラーゼDuetであり、添加量は乾燥固形重量当たり15FPU/g(1FPUとはセルロースから1μmol/minの還元糖を生成に要する酵素量)に統一した。酵素糖化後のスラリーをフィルターろ過し、得られたろ過液中に含まれる各単糖をHPLCで定量することにより、C6糖(グルコース、マンノース及びガラクトース)及びC5糖(キシロース及びアラビノース)量を求めた。   The cellulase used in this example was Accelerase Duet manufactured by Danisco, and the amount added was unified to 15 FPU / g per dry solid weight (1FPU is the amount of enzyme required to produce 1 μmol / min reducing sugar from cellulose). The amount of C6 sugar (glucose, mannose and galactose) and C5 sugar (xylose and arabinose) is determined by filtering the slurry after enzymatic saccharification and quantifying each monosaccharide contained in the obtained filtrate by HPLC. It was.

以上のアルカリ処理、酵素糖化で得られた酵素糖化率を表3に示す。その結果、各アルカリ処理条件で得られた酵素糖化率は、C5糖糖化率がいずれも89%以上と高い値を示したが、C6糖糖化率は54〜70%まで変動する結果となった。   Table 3 shows enzyme saccharification rates obtained by the above alkali treatment and enzyme saccharification. As a result, the enzymatic saccharification rate obtained under each alkali treatment condition showed a high C5 saccharification rate of 89% or more, but the C6 saccharification rate varied from 54 to 70%. .

Figure 2014092443
Figure 2014092443

本実施例では、表1に示した条件でアルカリ処理したスラリーについて熱分解温度を測定した。具体的には、アルカリ処理した後のスラリーを乾燥重量当たりおよそ5g-dryになるように分取し、200mMクエン酸緩衝液(pH4.4)100mLと混合した、その後、吸引濾過器を用いて固形分を回収した後、さらに蒸留水を逐次添加しながら洗浄・濾過を行い、得られた固形分をTG-DTA分析に用いた。TG-DTA分析には、熱分析装置TG-DTA8120(Rigaku)を用いた。測定は、N2雰囲気下(150mL/min)にて20℃/minの速度で常温から510℃まで昇温する条件で行った。No.1〜4のサンプルについてのTG-DTAチャートをそれぞれ図2〜5に示す。図2〜5においてTG曲線は、分析開始直後から100℃超まで低下し続け、およそ150℃付近では一旦定常状態となる。これは、分析に用いたサンプルが水分を含んでいたため、水分の蒸発による重量減少である。さらに、150℃から350℃においてもTG曲線の低下が確認された。これは、試料の一部が熱分解を受けることによって、その重量減少しているものと考えられる。ここでの熱分解温度を、分析装置の解析ソフトにて求めたところ、No.1〜No.4のサンプルについて熱分解温度は、293.2℃、262.0℃、262.4℃及び321.2℃であった。 In this example, the thermal decomposition temperature was measured for the slurry treated with alkali under the conditions shown in Table 1. Specifically, the slurry after the alkali treatment was separated so as to be about 5 g-dry per dry weight, mixed with 100 mL of 200 mM citrate buffer (pH 4.4), and then used with a suction filter. After recovering the solid content, washing and filtration were further performed while successively adding distilled water, and the obtained solid content was used for TG-DTA analysis. A thermal analyzer TG-DTA8120 (Rigaku) was used for the TG-DTA analysis. The measurement was performed under the condition of raising the temperature from room temperature to 510 ° C. at a rate of 20 ° C./min in an N 2 atmosphere (150 mL / min). The TG-DTA charts for the samples No. 1 to 4 are shown in FIGS. 2 to 5, the TG curve continues to decrease to over 100 ° C. immediately after the start of analysis, and once reaches a steady state at about 150 ° C. This is a decrease in weight due to evaporation of moisture because the sample used for analysis contained moisture. Furthermore, a decrease in the TG curve was also observed at 150 ° C to 350 ° C. This is thought to be due to a decrease in the weight of a part of the sample due to thermal decomposition. When the thermal decomposition temperature here was calculated | required with the analysis software of the analyzer, the thermal decomposition temperature was 293.2 degreeC, 262.0 degreeC, 262.4 degreeC, and 321.2 degreeC about the sample of No.1-No.4.

熱分解温度を測定した結果と、表3に示したC6糖糖化率との関係を図6に示す。図6に示すように、アルカリ処理後のセルロース系バイオマスの熱分解温度と六炭糖の糖化率との間には高い負の相関があることがわかった(R2=0.9514)。本実施例の結果から、セルロース系バイオマスをアルカリ処理した後、当該セルロース系バイオマスの熱分解温度に基づいて、アルカリ処理後の糖化工程における糖化性能を高精度に評価できることが明らかとなった。   FIG. 6 shows the relationship between the result of measuring the thermal decomposition temperature and the C6 saccharification rate shown in Table 3. As shown in FIG. 6, it was found that there is a high negative correlation between the thermal decomposition temperature of the cellulosic biomass after alkali treatment and the saccharification rate of hexose (R2 = 0.9514). From the results of this Example, it was revealed that saccharification performance in the saccharification step after alkali treatment can be evaluated with high accuracy based on the thermal decomposition temperature of the cellulose biomass after the alkali treatment of the cellulosic biomass.

以上の知見については、セルロース系バイオマスがリグニン、ヘミセルロース及びセルロースで構成されるところ、アルカリ処理によってリグニンの一部が脱離するとともに、高結晶のセルロースが低分子化、低結晶化することにより熱的特性が大きく変化したものと考えられる。   Regarding the above findings, when cellulosic biomass is composed of lignin, hemicellulose, and cellulose, part of the lignin is eliminated by alkali treatment, and high-crystalline cellulose is reduced in molecular weight and low crystallization. It is thought that the physical characteristics have changed greatly.

Claims (3)

セルロース系バイオマスをアルカリ溶液に接触させる前処理工程と、上記前処理工程後のセルロース系バイオマスを加水分解酵素により糖化する糖化工程とを含み、
上記前処理工程の途中又は上記前処理工程の後のセルロース系バイオマスの熱分解温度を測定し、測定した熱分解温度に基づいて糖化工程における糖化性能を評価する、糖化性能の評価方法。
A pretreatment step of bringing the cellulosic biomass into contact with an alkaline solution, and a saccharification step of saccharifying the cellulosic biomass after the pretreatment step with a hydrolase,
The evaluation method of saccharification performance which measures the thermal decomposition temperature of the cellulosic biomass in the middle of the said pretreatment process or after the said pretreatment process, and evaluates the saccharification performance in a saccharification process based on the measured thermal decomposition temperature.
上記熱分解温度は、示差熱-熱重量同時測定分析によるTG(Thermogravimetry)曲線に基づいて判断することを特徴とする請求項1記載の糖化性能の評価方法。   2. The method for evaluating saccharification performance according to claim 1, wherein the thermal decomposition temperature is determined based on a TG (Thermogravimetry) curve by differential thermal-thermogravimetric simultaneous measurement analysis. セルロース系バイオマスの熱分解温度を測定する前に、当該セルロース系バイオマスを中和及び洗浄することを特徴とする請求項1記載の糖化性能の評価方法。   The method for evaluating saccharification performance according to claim 1, wherein the cellulosic biomass is neutralized and washed before measuring the thermal decomposition temperature of the cellulosic biomass.
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