JP2014097012A - Pretreatment method of biomass containing cellulose - Google Patents

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悠 酒井
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伸幸 植村
Tenho Kamiya
典穂 神谷
Uju
ウジュ
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for simply obtaining cellulose with low cost and energy saving, in pretreatment for regenerating cellulose from biomass such as lignocellulose in which the regeneration of cellulose is difficult by conventional methods.SOLUTION: In a set of processes that biomass such as lignocellulose containing cellulose is dispersed in an ion liquid, and cellulose regenerated by adding water is acted on an enzyme to saccharify cellulose, a pretreatment method of biomass containing cellulose comprises the steps of: heating an aqueous solution containing low concentration of peroxide; freeze-drying the heated biomass; and agitating and mixing the dried biomass in an ion liquid, and depositing cellulose from the ion liquid containing the biomass, thereby regenerating cellulose.

Description

本発明は、セルロースを含むバイオマスの前処理方法、特に、セルラーゼによりセルロースを効率的に酵素分解するためのセルロースの糖化前処理方法に関するものである。   The present invention relates to a pretreatment method for biomass containing cellulose, and more particularly to a saccharification pretreatment method for cellulose for efficiently enzymatically degrading cellulose with cellulase.

地球温暖化対策として、カーボンニュートラル、石油(燃料・基礎化学品)代替の観点から、バイオエタノールの利用が考案されている。現状、バイオエタノールはトウモロコシやさとうきび等の可食部バイオマスを原料として生産されており、原料と食糧が競合する従来の生産方法には限界がある。そこで、その競合を解消するべく、バガスやベイマツ、木粉等の非可食部バイオマスを原料としたバイオエタノールの製造プロセスが検討されている。非可食部バイオマスを原料として用いることができれば、単位耕作面積に対するバイオエタノールの生産量を増やすことができるなど多くの利点がある。しかしながら、先述したバガスやベイマツ、木粉等の非可食部バイオマスのほとんどが、リグノセルロースと呼ばれるセルロースにリグニン(フェノール化合物が複雑な3次元状網目構造を形成した高分子化合物)やヘミセルロース(植物の細胞壁を構成する高分子多糖化合物)が結着したセルロースの複合体であり、リグニンやヘミセルロースとの結着性が強固なことから、リグノセルロース中のセルロースが効率的に利用できないことが懸念されている。   As a measure against global warming, the use of bioethanol has been devised from the perspective of carbon neutral and petroleum (fuel and basic chemicals) substitution. At present, bioethanol is produced using edible biomass such as corn and sugarcane as a raw material, and there is a limit to conventional production methods in which raw materials and food compete. Therefore, in order to eliminate the competition, a bioethanol production process using non-edible biomass such as bagasse, bay pine, and wood flour as a raw material has been studied. If non-edible part biomass can be used as a raw material, there are many advantages, such as the amount of bioethanol produced per unit cultivation area can be increased. However, most of the non-edible biomass such as bagasse, pine, and wood flour described above is lignin (a polymer compound in which a phenol compound forms a complex three-dimensional network structure) or hemicellulose (plant). Is a cellulose complex bound with a high molecular weight polysaccharide compound that constitutes the cell wall of the cell, and because of its strong binding property with lignin and hemicellulose, there is a concern that the cellulose in lignocellulose cannot be used efficiently. ing.

また、酵素による糖化は、温和な反応条件と高い反応選択性の観点から、セルロース系バイオマスにおける望ましい糖化法の一つとして考えられているが、リグノセルロースを基質とする酵素糖化反応には、次に示す2つの大きな課題がある。それは、リグノセルロース中のセルロースがリグニンやヘミセルロースと結着しているため、その結着した状態のままでは酵素反応の基質として効率的に利用できないこと、そしてリグノセルロース中のセルロースが結晶性セルロースであるため、セルラーゼによる酵素反応が非常に遅いことである。そこで、リグノセルロースの酵素による糖化プロセスの実用化に向けて、酵素による糖化反応の前にリグノセルロースを何らかの方法で処理する、すなわち糖化前処理に関する様々な検討がなされてきた。   Enzymatic saccharification is considered as one of the desirable saccharification methods for cellulosic biomass from the viewpoint of mild reaction conditions and high reaction selectivity. There are two major issues. This is because the cellulose in lignocellulose is bound to lignin and hemicellulose, so that it cannot be efficiently used as a substrate for enzyme reaction in the bound state, and the cellulose in lignocellulose is crystalline cellulose. For some reason, the enzymatic reaction by cellulase is very slow. Therefore, various studies have been made on the treatment of lignocellulose by some method before the enzymatic saccharification reaction, that is, pre-saccharification pretreatment, for practical application of the lignocellulose enzymatic saccharification process.

例えば、特許文献1では、もみ殻等のリグノセルロースを凍結させた後、機械的に粉砕し、その後アルカリで処理することでリグニンを除去する前処理方法が開示されている。この方法では、機械を用いた粉砕を行うため大量の電気エネルギーが必要なほか、粉砕後のリグノセルロースをアルカリ溶液で処理しリグニンを除去するため、煩雑な操作が必須となる。さらに、酵素による糖化反応の前にアルカリを酸で中和する必要があるため、高コストな前処理方法であると言わざるを得ない。   For example, Patent Document 1 discloses a pretreatment method in which lignocellulose such as rice husk is frozen, mechanically pulverized, and then treated with alkali to remove lignin. In this method, a large amount of electric energy is required to perform pulverization using a machine, and complicated operation is essential because lignocellulose after pulverization is treated with an alkaline solution to remove lignin. Furthermore, since it is necessary to neutralize the alkali with an acid before the enzymatic saccharification reaction, it must be said that this is an expensive pretreatment method.

また、特許文献2では、もみ殻等のリグノセルロースを加圧下にて熱水で処理した後、機械的に粉砕する前処理方法が開示されている。この方法では、リグニンの除去工程は必要ないものの、特許文献1で公開されている方法と同様に大量のエネルギーを必要とするため、高コストな前処理方法であると言わざるを得ない。   Patent Document 2 discloses a pretreatment method in which lignocellulose such as rice husk is treated with hot water under pressure and then mechanically pulverized. Although this method does not require a lignin removal step, it requires a large amount of energy in the same manner as the method disclosed in Patent Document 1, and must be said to be a high-cost pretreatment method.

一方、特許文献3では、スギチップ等のリグノセルロースをアルカリ蒸解した後、酸素等で漂白しリグニンを除去する前処理方法が開示されている。この方法では、蒸解に高濃度のアルカリを用いるため、その後の中和洗浄が容易でないことや、蒸解に150℃以上の温度が必要であることからも、実用的な酵素反応の前処理方法であるとは言い難い。   On the other hand, Patent Document 3 discloses a pretreatment method in which lignocellulose such as cedar chips is digested with alkali and then bleached with oxygen or the like to remove lignin. In this method, since a high concentration of alkali is used for cooking, the subsequent neutralization washing is not easy, and a temperature of 150 ° C. or higher is required for cooking. It is hard to say that there is.

以上で例に挙げた前処理方法は、リグノセルロース中でセルロースに結着しているリグニンやヘミセルロースを除去することに主眼を置いている。これは、先述した課題の1つである、リグノセルロース中のセルロースがリグニンやヘミセルロースと結着しているため、その結着した状態のままでは酵素反応の基質として効率的に利用できないことを解決するために他ならない。リグノセルロースからリグニンやヘミセルロースを分解、除去、抽出する方法は、パルプの漂白分野においてこれまでに多くの検討がなされている。実際、特許文献4や5では、過酸化物によるリグニンの除去方法が開示されており、特許文献6や7では、アルカリによるヘミセルロースの抽出方法が開示されている。また、特許文献8では、加圧スチームを用いたリグニンの分解方法が、さらに、特許文献9では熱水を用いたヘミセルロースの抽出方法が開示されている。しかし、いずれの方法も、高濃度な薬品や高温度での処理が必要であり、中和処理の煩雑さや使用するエネルギーの大きさを考えると、酵素反応の前処理方法として実用的であるとは言い難い。すなわち、リグノセルロースを酵素反応の基質として実用的に用いるためには、簡単かつ省エネルギーな方法でリグノセルロースからリグニンやヘミセルロースを除去、抽出する方法が必要である。   The pretreatment methods exemplified above focus on removing lignin and hemicellulose bound to cellulose in lignocellulose. This is one of the problems mentioned above, because the cellulose in lignocellulose is bound to lignin and hemicellulose, so that it cannot be efficiently used as a substrate for enzyme reaction in the bound state. It is none other than to do. Many studies have been made so far in the field of pulp bleaching to decompose, remove and extract lignin and hemicellulose from lignocellulose. In fact, Patent Documents 4 and 5 disclose a method for removing lignin using a peroxide, and Patent Documents 6 and 7 disclose a method for extracting hemicellulose using an alkali. Patent Document 8 discloses a method for decomposing lignin using pressurized steam, and Patent Document 9 discloses a method for extracting hemicellulose using hot water. However, both methods require treatment at a high concentration and high temperature, and considering the complexity of the neutralization treatment and the amount of energy used, it is practical as a pretreatment method for the enzyme reaction. Is hard to say. That is, in order to use lignocellulose practically as a substrate for enzyme reaction, a method for removing and extracting lignin and hemicellulose from lignocellulose by a simple and energy-saving method is required.

さて、セルロースを酵素で分解、具体的にはセルラーゼで効率的に糖化するには、セルロースの強固で密な結晶構造を緩和して、セルラーゼが作用しやすい構造にすることが有効である。特許文献10および非特許文献1には、その手段として、セルロースをイオン液体に溶解する方法が開示、報告されている。イオン液体に溶解することで、イオン液体の強い水素結合能がセルロース内外の水素結合を緩和もしくは切断するため、セルラーゼが作用しやすい結晶構造に変換されると考えられている。実際は、セルロースをイオン液体に一旦溶解し、溶解が確認された後にセルロースに対する貧溶媒である水等を加えてセルロースを析出させる。この手法は、一般的にセルロースの再生と称され、再生されたセルロースは元のセルロースの結晶性が緩和され、セルラーゼが作用しやすい結晶構造に変化しているとされる。   In order to decompose cellulose with an enzyme, specifically, to efficiently saccharify with cellulase, it is effective to relax the strong and dense crystal structure of cellulose so that cellulase can act easily. Patent Document 10 and Non-Patent Document 1 disclose and report a method for dissolving cellulose in an ionic liquid as the means. It is believed that by dissolving in an ionic liquid, the strong hydrogen bonding ability of the ionic liquid relaxes or breaks the hydrogen bonds inside and outside the cellulose, so that it is converted into a crystal structure in which cellulase is likely to act. Actually, cellulose is once dissolved in an ionic liquid, and after dissolution is confirmed, water, which is a poor solvent for cellulose, is added to precipitate cellulose. This technique is generally referred to as cellulose regeneration, and the regenerated cellulose is said to have a crystal structure in which the crystallinity of the original cellulose is relaxed and cellulase is likely to act.

特許文献11には、リグノセルロースに疎水性イオン液体を浸透させるように接触させる工程を備える前処理方法が開示されているが、疎水性イオン液体を浸透させるだけではセルロースとリグニンやヘミセルロースとの結着を解くまでには至らない。この方法では、結果的にセルロースの結晶緩和が進まないため、糖化反応促進効果が十分とは言えず、リグノセルロース系バイオマスの有効利用が十分に果たされているとは言えない。また、特許文献12には、木質系バイオマス、いわゆるリグノセルロースをイオン液体に浸漬し、そこに超音波を照射することでリグノセルロースからリグニンやヘミセルロースを除去するとともに、セルロースの結晶性を緩和する前処理方法が開示されているが、超音波を発生させる装置を別途設けなければならないことや超音波照射に大量の電気エネルギーが必要となることから、この方法も実用的な酵素反応の前処理方法であるとは言えない。   Patent Document 11 discloses a pretreatment method including a step of bringing a hydrophobic ionic liquid into contact with lignocellulose. However, the cellulose lignin and hemicellulose are combined only by allowing the hydrophobic ionic liquid to permeate. It does not lead to undressing. In this method, since the crystal relaxation of cellulose does not proceed as a result, it cannot be said that the effect of promoting saccharification reaction is sufficient, and it cannot be said that the effective use of lignocellulosic biomass is sufficiently achieved. Patent Document 12 discloses a method in which woody biomass, so-called lignocellulose, is immersed in an ionic liquid and irradiated with ultrasonic waves to remove lignin and hemicellulose from lignocellulose and relax the crystallinity of cellulose. Although a treatment method is disclosed, since a device for generating ultrasonic waves must be provided separately and a large amount of electric energy is required for ultrasonic irradiation, this method is also a practical pretreatment method for enzyme reaction I can't say that.

以上で例に挙げたように、イオン液体を用いてセルロースの結晶性を緩和する方法は有効であるが、除去困難な不純物を含むバイオマスであるリグノセルロース等を基質とする場合、簡単、低コスト、省エネルギー的かつ実用的な前処理方法とは、リグノセルロース等からリグニンやヘミセルロース等の不純物を除去、抽出する工程と、それによって得られたセルロースの結晶性をイオン液体で緩和し、セルラーゼが作用しやすい結晶構造に変化させる工程とを有する方法であると考えられる。   As mentioned above, the method of reducing the crystallinity of cellulose using an ionic liquid is effective. However, when lignocellulose, which is a biomass containing impurities that are difficult to remove, is used as a substrate, it is simple and low cost. The energy-saving and practical pretreatment method is a process of removing and extracting impurities such as lignin and hemicellulose from lignocellulose, etc., and the crystallinity of cellulose obtained thereby is relaxed with ionic liquid, and cellulase works It is considered that the method has a step of changing to a crystal structure that is easy to form.

しかしながら、そのような簡単、低コスト、省エネルギーかつ実用的な前処理方法について開示、報告された例はほとんどなく、先述した通り、リグノセルロースからリグニンやヘミセルロースを除去、抽出する工程に高濃度の薬品や高温度での処理を用いるなど、高コスト、高エネルギーな手法になっているのが現状である。言い換えれば、簡単、低コスト、省エネルギー的にリグノセルロース等のバイオマスからリグニンやヘミセルロース等の不純物を除去、抽出できる方法があれば、リグノセルロース等を基質とした有用な糖化前処理方法を構築することが可能となり、リグノセルロース等を含む非可食部のバイオマスからバイオエタノールを生産する極めて有益なプロセスを構築することができる。   However, few examples have been disclosed or reported on such a simple, low-cost, energy-saving and practical pretreatment method. As described above, a high concentration chemical is used in the process of removing and extracting lignin and hemicellulose from lignocellulose. At present, it is a high-cost, high-energy method such as using a process at a high temperature. In other words, if there is a method that can remove and extract impurities such as lignin and hemicellulose from biomass such as lignocellulose in a simple, low-cost and energy-saving manner, construct a useful saccharification pretreatment method using lignocellulose as a substrate. And a very useful process for producing bioethanol from non-edible biomass including lignocellulose and the like can be constructed.

特開昭55−045306号JP 55-045306 特開2006−136263号JP 2006-136263 A 特開2010−136702号JP 2010-136702 A 特開平1−221587号Japanese Patent Laid-Open No. 1-222187 特開平8−503749号JP-A-8-503749 特開昭64−040502号JP-A 64-040502 特開平2−001701号JP-A-2-001701 特開平4−146281号JP-A-4-146281 特開昭64−062303号JP-A 64-063033 特表2005−506401号Special table 2005-506401 特開2010−220490号JP 2010-220490 A 特開2012−086154号JP 2012-086154 A 特開2009−201394号JP 2009-201394 A 特開2011−149124号JP 2011-149124 A 特開2012−005359号JP 2012-005359 A

R.D.Rogersら、J.Am.Chem.Soc.,124(18),4974−4975,2002.R. D. Rogers et al. Am. Chem. Soc., 124 (18), 4974-4975, 2002. R.D.Rogersら、Green Chem.,5,443−447,2003.R. D. Rogers et al., Green Chem. 5,443-447, 2003. C.A.Schallら、Biotechnol.Bioeng.,95(5),904−910,2006.C. A. Schall et al., Biotechnol. Bioeng. 95 (5), 904-910, 2006. Yasunoら、Biosci.Biotech.Biochem.,61(11),1944−1946,1997.Yasuno et al., Biosci. Biotech. Biochem. , 61 (11), 1944-1946, 1997. K.Shillら、Biotechnol.Bioeng., 108(3),511−520,2011.K. Shill et al., Biotechnol. Bioeng., 108 (3), 511-520, 2011.

本発明は、リグノセルロース等のバイオマスに含まれるセルロースを、セルラーゼにより簡単、低コスト、省エネルギー的かつ効率的に糖化するための、セルロースを含むバイオマスの前処理方法の提供を目的とする。   An object of the present invention is to provide a pretreatment method for biomass containing cellulose in order to saccharify cellulose contained in biomass such as lignocellulose with cellulase in a simple, low-cost, energy-saving and efficient manner.

本発明者らは、リグノセルロースを始めとするバイオマスをイオン液体中に分散させ、そこに水等の貧溶媒を加えてセルロースを再生し、その再生したセルロースに酵素を作用させることでセルロースを糖化する一連のプロセスにおいて、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、低濃度の過酸化物を含む水溶液中でリグノセルロース等のセルロースを含むバイオマスを加熱処理する第1の工程と、加熱処理後の水溶液を凍結乾燥等により乾燥する第2の工程と、乾燥させたバイオマス、すなわち乾燥により得られたセルロース混合物をイオン液体に分散させ攪拌混合した後、水等の貧溶媒を加えることでセルロースを析出させてセルロースを再生する第3の工程とを含む前処理方法において、第1の工程の後に第2の工程を行うことでリグノセルロースを主成分とするバイオマスからリグニンおよびヘミセルロースを簡単、低コスト、省エネルギー的に除去することが可能となり、次いで第3の工程を、第2の工程の後で行うことで、バイオマスから取り出されたセルロースが効率的に再生され、その結果、その後に行う酵素によるセルロースの糖化効率が改善することを見出し、本発明をなすに至った。   The present inventors disperse biomass such as lignocellulose in an ionic liquid, add a poor solvent such as water to regenerate cellulose, and saccharify cellulose by allowing the enzyme to act on the regenerated cellulose. In a series of processes, we conducted intensive studies to solve the above problems. As a result, a first step of heat-treating biomass containing cellulose such as lignocellulose in an aqueous solution containing a low-concentration peroxide, a second step of drying the heat-treated aqueous solution by freeze-drying or the like, Before including a third step of regenerating cellulose by dispersing the dried biomass, that is, the cellulose mixture obtained by drying in an ionic liquid, stirring and mixing, and then adding a poor solvent such as water to precipitate the cellulose. In the treatment method, by performing the second step after the first step, it becomes possible to remove lignin and hemicellulose from the biomass mainly composed of lignocellulose in an easy, low-cost and energy-saving manner, and then the third step. By performing the process after the second process, the cellulose taken out from the biomass is efficiently regenerated, and as a result, Found to improve the saccharification efficiency of cellulose by enzymes performed after, the present invention has been accomplished.

すなわち、本発明は、以下の通りである。
<1> セルロースを含むバイオマスを処理する方法であって、過酸化物を含む水溶液中で前記バイオマスを加熱処理する第1の工程と、その加熱処理した水溶液を乾燥する第2の工程と、乾燥させたバイオマスをイオン液体中で撹拌混合し、バイオマスを含むイオン液体からセルロースを析出させてセルロースを再生する第3の工程とを有し、セルロースを含むバイオマスを、第1の工程、第2の工程、および第3の工程の順番で処理する、セルロースを含むバイオマスの前処理方法である。
<2> 前記第1の工程において加熱処理した前記バイオマスおよび過酸化物を含む水溶液を、第2の工程においてそのまま直接乾燥する、上記<1>に記載の前処理方法である。
<3> 前記第2の工程において、前記水溶液を乾燥する方法が真空凍結乾燥法である、上記<1>または上記<2>に記載の前処理方法である。
<4> 前記第3の工程において、前記バイオマスを攪拌混合したイオン液体に、水を加えてセルロースを析出させる、上記<1>に記載の前処理方法である。
<5> 前記バイオマスが、リグニンおよび/またはヘミセルロースをさらに含むリグノセルロースであることを特徴とする、上記<1>に記載の前処理方法である。
<6> 前記リグノセルロースが、木材、稲わら、麦わら、もみ殻、ベイマツ、および/または、その粉末であることを特徴とする、上記<5>に記載の前処理方法である。
<7> 前記イオン液体のカチオン部位が、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン、および/またはアンモニウムカチオンであることを特徴とする、上記<1>に記載の前処理方法である。
<8> 前記イミダゾリウムカチオンが、1−ethyl−3−methylimidazolium ionであることを特徴とする、上記<7>に記載の前処理方法である。
<9> 前記イオン液体のアニオン部位が、塩化物イオン、リン酸イオン、ギ酸イオン、酢酸イオン、および/またはパーフルオロアルキル基を含むイオンであることを特徴とする、上記<1>に記載の前処理方法である。
<10> 前記イオン液体が、1−ethyl−3−methylimidazolium acetateであることを特徴とする、上記<1>に記載の前処理方法である。
<11> 前記第1の工程において、前記過酸化物が、過酸化水素、および/または過酢酸であることを特徴とする、上記<1>に記載の前処理方法である。
<12> 前記第1の工程において、前記水溶液中の前記過酸化物の濃度が、1重量%から8重量%であることを特徴とする、上記<1>に記載の前処理方法である。
また、本発明は、
<13> 上記<1>に記載の前処理方法を経て、再生したセルロースをセルラーゼにより酵素分解するセルロース分解工程を含む、単糖、二糖、および/またはオリゴ糖の製造方法である。
That is, the present invention is as follows.
<1> A method for treating biomass containing cellulose, the first step of heat-treating the biomass in an aqueous solution containing peroxide, the second step of drying the heat-treated aqueous solution, and drying And a third step of regenerating the cellulose by precipitating the cellulose from the ionic liquid containing the biomass and mixing the biomass containing the biomass with the first step, the second step This is a pretreatment method for biomass containing cellulose, which is processed in the order of the step and the third step.
<2> The pretreatment method according to <1>, wherein the aqueous solution containing the biomass and the peroxide heat-treated in the first step is directly dried in the second step.
<3> The pretreatment method according to <1> or <2>, wherein in the second step, the method of drying the aqueous solution is a vacuum freeze-drying method.
<4> The pretreatment method according to <1>, wherein in the third step, cellulose is precipitated by adding water to the ionic liquid obtained by stirring and mixing the biomass.
<5> The pretreatment method according to <1>, wherein the biomass is lignocellulose further containing lignin and / or hemicellulose.
<6> The pretreatment method according to <5>, wherein the lignocellulose is wood, rice straw, wheat straw, rice husk, bay pine, and / or powder thereof.
<7> The pretreatment method according to <1>, wherein the cation portion of the ionic liquid is an imidazolium cation, a pyridinium cation, and / or an ammonium cation.
<8> The pretreatment method according to <7>, wherein the imidazolium cation is 1-ethyl-3-methylimidazolium ion.
<9> The anion site of the ionic liquid is an ion containing a chloride ion, a phosphate ion, a formate ion, an acetate ion, and / or a perfluoroalkyl group. This is a pre-processing method.
<10> The pretreatment method according to <1>, wherein the ionic liquid is 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate.
<11> The pretreatment method according to <1>, wherein in the first step, the peroxide is hydrogen peroxide and / or peracetic acid.
<12> The pretreatment method according to <1>, wherein in the first step, the concentration of the peroxide in the aqueous solution is 1% by weight to 8% by weight.
The present invention also provides:
<13> A method for producing monosaccharides, disaccharides, and / or oligosaccharides, which includes a cellulose decomposing step of enzymatically decomposing regenerated cellulose with cellulase through the pretreatment method described in <1> above.

<バイオマス>
本発明の前処理方法等においては、セルロースを含むバイオマスを用いる。具体的には、セルロースの抽出が可能である限り特に限定はされないが、バイオマスは、例えば、セルロース単体と、リグニンおよび/またはヘミセルロースをさらに含むリグノセルロースである。セルロース単体としては、例えば、天然のセルロースであるI型セルロース、天然のセルロースを一度溶解後、溶剤を水洗し、乾燥させて得られるII型セルロース、および非結晶性の非晶質セルロースが挙げられ、バイオマス中のセルロースとしては、これらを複数含んでいても良い。また、リグノセルロースとしては、リグニンおよび/またはヘミセルロースを含有する木質系または草本系のバイオマス、例えば、木材、稲わら、麦わら、もみ殻、バガス、ベイマツおよび/または、それらの粉末等が挙げられる。本発明においては、これらのバイオマスを単独で、あるいは2種類以上組み合わせて、用いることができる。
<Biomass>
In the pretreatment method and the like of the present invention, biomass containing cellulose is used. Specifically, the biomass is, for example, lignocellulose further containing cellulose alone and lignin and / or hemicellulose as long as cellulose can be extracted. Examples of the cellulose alone include type I cellulose which is natural cellulose, type II cellulose obtained by dissolving natural cellulose once, then washing the solvent with water and drying, and amorphous amorphous cellulose. The cellulose in the biomass may contain a plurality of these. Examples of lignocellulose include woody or herbaceous biomass containing lignin and / or hemicellulose, such as wood, rice straw, wheat straw, rice husk, bagasse, bay pine and / or powders thereof. In the present invention, these biomasses can be used alone or in combination of two or more.

<前処理方法>
本発明の前処理方法は、セルロースを含むバイオマスを、低濃度の過酸化物の水溶液中で加熱処理する第1の工程と、第1の工程の処理により得られたセルロースを含むバイオマスの水溶液を乾燥する第2の工程と、第3の工程とを含む。第3の工程においては、乾燥して得られたセルロースを含むバイオマスをイオン液体中で撹拌する混合工程と、そこで得られたセルロースを含むバイオマスおよびイオン液体を含む混合液からセルロースを析出させて、セルロースを再生するセルロース再生工程とを有する。以下、これらの工程において使用される成分、および各工程について説明する。
<Pretreatment method>
The pretreatment method of the present invention includes a first step of heat-treating biomass containing cellulose in a low-concentration peroxide aqueous solution, and an aqueous solution of biomass containing cellulose obtained by the treatment of the first step. A second step of drying and a third step are included. In the third step, the cellulose containing the biomass obtained by drying is stirred in the ionic liquid, and the cellulose is precipitated from the mixed solution containing the biomass containing the cellulose and the ionic liquid obtained there, A cellulose regeneration step for regenerating cellulose. Hereinafter, components used in these steps and each step will be described.

<過酸化物>
本発明に使用する過酸化物は、特に限定されないが、過酸化水素、過酢酸、有機過酸化物、モノ過硫酸、過酸化塩素等が挙げられる。中でも好ましい過酸化物は過酸化水素、過酢酸であり、特に好ましい過酸化物は過酢酸である。また、本発明において、過酸化物は単独でも2種類以上組み合わせて用いてもよい。さらに、過酸化物以外にも、二酸化塩素等が使用できる。
<Peroxide>
The peroxide used in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include hydrogen peroxide, peracetic acid, organic peroxide, monopersulfuric acid, and chlorine peroxide. Among them, preferred peroxides are hydrogen peroxide and peracetic acid, and particularly preferred peroxides are peracetic acid. Moreover, in this invention, you may use a peroxide individually or in combination of 2 or more types. Furthermore, chlorine dioxide etc. can be used besides a peroxide.

<過酸化物添加濃度>
第1の工程において、セルロースを含むバイオマスを加熱処理する水溶液中の過酸化物添加濃度は、1重量%から8重量%であることが好ましい。より好ましくは1重量%から5重量%であり、最も好ましくは1重量%から3重量%である。過酸化物添加濃度が1重量%以下では、過酸化物添加によるセルロースを含むバイオマスからのリグニンを始めとする不純物の除去効果がみられない。また、8重量%以上では高濃度の過酸化物を用いることによる高コスト化が懸念されるほか、過酸化物添加による水溶液pHの低下が顕著となるため、新たに中和工程を組み込まなければならず、結果的に高コストな手法となり好ましくない。さらに、本発明はセルロースを含むバイオマスを過酸化物水溶液中で加熱処理し、その水溶液を乾燥させる第2の工程を含むが、高濃度の過酸化物水溶液を乾燥させる場合、特に、後述するように急速に凍結乾燥させる場合においては、過酸化物が急激に分解する恐れがあるため、高濃度の過酸化物を用いずに、安全性を確保する必要がある。
<Peroxide addition concentration>
In the first step, the peroxide addition concentration in the aqueous solution in which the biomass containing cellulose is heat-treated is preferably 1% by weight to 8% by weight. More preferably, it is 1 to 5% by weight, and most preferably 1 to 3% by weight. When the peroxide addition concentration is 1% by weight or less, the effect of removing impurities such as lignin from biomass containing cellulose by addition of peroxide is not observed. In addition, if it is 8% by weight or more, there is a concern about cost increase due to the use of a high concentration of peroxide, and a decrease in aqueous solution pH due to the addition of peroxide becomes remarkable, so a new neutralization step must be incorporated. As a result, the method becomes expensive and is not preferable. Furthermore, the present invention includes a second step of heat-treating biomass containing cellulose in an aqueous peroxide solution and drying the aqueous solution. In the case of drying a high-concentration peroxide aqueous solution, in particular, as described later. In the case of rapid freeze-drying, it is necessary to ensure safety without using a high concentration of peroxide because the peroxide may be rapidly decomposed.

<乾燥工程>
本発明の第2の工程においては、第1の工程で加熱処理した水溶液を乾燥させる。この工程においては、処理された水溶液をそのままの状態で直接乾燥させることが好ましい。「そのままの状態で直接乾燥させる」とは、第1の工程の終了後、水溶液に何ら添加することなく、また、水溶液中から水等の揮発性成分以外を除去することなく、乾燥させることをいう。乾燥方法は、特に限定されず、加温や温風による一般的な乾燥や凍結乾燥を適用することができるが、より好ましい乾燥方法は凍結乾燥である。これは、凍結乾燥では乾燥対象物を一旦凍結させるため、引火性を有し、化学的に不安定で分解しやすい物質、例えば本願で取り扱う過酸化物等を、安全に乾燥できることによる。
<Drying process>
In the second step of the present invention, the aqueous solution heat-treated in the first step is dried. In this step, it is preferable to directly dry the treated aqueous solution as it is. “Drying directly as it is” means to dry without adding any volatile components such as water from the aqueous solution without adding anything to the aqueous solution after completion of the first step. Say. The drying method is not particularly limited, and general drying or lyophilization by heating or warm air can be applied, but a more preferable drying method is lyophilization. This is because, in lyophilization, the object to be dried is once frozen, so that a substance that is flammable, chemically unstable and easily decomposed, for example, a peroxide handled in the present application, can be safely dried.

本発明においては、例えば温風やホットプレートなどを用いて、乾燥対象物の引火点未満で水溶液を加熱することが好ましい。このような乾燥方法によれば、水溶液を凍結させることなしに、安全性を確保できる。凍結乾燥以外の手法で乾燥させる場合、水溶液は、40〜90℃、好ましくは40〜60℃程度に加熱する。また、本発明においては、乾燥時間を短縮するために、第1の工程で加熱処理した水溶液の上澄みを取り除いた後で、種々の方法を用いて乾燥することもできる。   In the present invention, it is preferable to heat the aqueous solution below the flash point of the object to be dried using, for example, warm air or a hot plate. According to such a drying method, safety can be secured without freezing the aqueous solution. When drying by techniques other than freeze-drying, the aqueous solution is heated to 40 to 90 ° C, preferably about 40 to 60 ° C. Moreover, in this invention, in order to shorten drying time, after removing the supernatant of the aqueous solution heat-processed at the 1st process, it can also dry using various methods.

<凍結乾燥>
凍結乾燥とは、いわゆる一般的な真空凍結乾燥技術により行われるものを指す。すなわち、対象物をマイナス30℃以下まで、より好ましくはマイナス40℃程度まで冷却して凍らせ、真空中に置き、水分を昇華させて除去、乾燥させる方法である。マイナス30℃以下まで冷却する方法は、特に限定されないが、急速に冷却し凍結させることが好ましいため、一般的には液体窒素等の冷媒が用いられる。このように、熱を加えずに急速に乾燥させることにより、過酸化物を水溶液中から安全に除去することができる。
<Freeze drying>
Freeze-drying refers to what is performed by a so-called general vacuum freeze-drying technique. That is, it is a method of cooling an object to minus 30 ° C. or lower, more preferably about minus 40 ° C., freezing it, placing it in a vacuum, sublimating moisture, and removing and drying. Although the method of cooling to minus 30 ° C. or lower is not particularly limited, a refrigerant such as liquid nitrogen is generally used because it is preferable to rapidly cool and freeze. In this way, the peroxide can be safely removed from the aqueous solution by rapidly drying without applying heat.

<イオン液体>
本発明の第3の工程(混合工程)において使用するイオン液体は、特に限定されないが、親水性イオン液体、疎水性イオン液体を用いることができる。
<Ionic liquid>
Although the ionic liquid used in the 3rd process (mixing process) of this invention is not specifically limited, A hydrophilic ionic liquid and a hydrophobic ionic liquid can be used.

<イオン液体のカチオン部位>
本発明に使用する親水性イオン液体および疎水性イオン液体を構成するカチオン部位は、特に限定されないが、ヘテロ環オニウムカチオンおよびアンモニウムカチオンが好ましい。中でも好ましいカチオン部位は、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオンであり、最も好ましいカチオン部位は、イミダゾリウムカチオンである。
イミダゾリウムカチオンとしては、例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−ペンチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−ヘプチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−オクチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−ノネチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−デカチル−3−メチルイミダゾリウムイオン等のジアルキルイミダゾリウムカチオン、1−(1,2または3−ヒドロキシプロピル)−3−メチルイミダゾリウムイオン、1,2,3−トリメチルイミダゾリウムイオン、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムイオン等のトリアルキルイミダゾリウムカチオンが挙げられる。
ピリジニウムカチオンとしては、例えば、N−プロピルピリジニウムイオン、N−ブチルピリジニウムイオン、1−ブチル−4−メチルピリジニウムイオン、1−ブチル−2,4−ジメチルピリジニウムイオン等が挙げられる。
また、アンモニウムカチオンとしては、例えば、トリメチルプロピルアンモニウムイオン、トリメチルヘキシリルアンモニウムイオン、テトラペンチルアンモニウムイオン、ジエチルトリメチル(2−メトキシエチル)アンモニウムイオン等の脂肪族4級アンモニウムイオン、N−ブチル−N−メチルピロリジニウムイオン等の脂環式4級アンモニウムイオン等が挙げられる。
<Cation site of ionic liquid>
Although the cation site | part which comprises the hydrophilic ionic liquid and hydrophobic ionic liquid used for this invention is not specifically limited, A heterocyclic onium cation and an ammonium cation are preferable. Among them, preferred cation sites are imidazolium cations and pyridinium cations, and the most preferred cation sites are imidazolium cations.
Examples of the imidazolium cation include 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, 1-butyl-3-methylimidazolium ion, 1-propyl-3-methylimidazolium ion, 1-pentyl-3-methylimidazolium. Ion, 1-hexyl-3-methylimidazolium ion, 1-heptyl-3-methylimidazolium ion, 1-octyl-3-methylimidazolium ion, 1-nonethyl-3-methylimidazolium ion, 1-decyl- Dialkylimidazolium cations such as 3-methylimidazolium ion, 1- (1,2 or 3-hydroxypropyl) -3-methylimidazolium ion, 1,2,3-trimethylimidazolium ion, 1,2-dimethyl- 3-propylimidazolium ion, 1-buty 2,3-dimethyl-imidazolium trialkyl imidazolium cation ions, and the like.
Examples of the pyridinium cation include N-propylpyridinium ion, N-butylpyridinium ion, 1-butyl-4-methylpyridinium ion, 1-butyl-2,4-dimethylpyridinium ion, and the like.
Examples of the ammonium cation include aliphatic quaternary ammonium ions such as trimethylpropylammonium ion, trimethylhexylammonium ion, tetrapentylammonium ion, diethyltrimethyl (2-methoxyethyl) ammonium ion, N-butyl-N- And alicyclic quaternary ammonium ions such as methylpyrrolidinium ion.

<イオン液体のアニオン部位>
本発明に使用する親水性イオン液体および疎水性イオン液体を構成するアニオン部位は、特に限定されないが、親水性イオン液体を構成するアニオン部位は、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオンといったハロゲンアニオン、ギ酸イオン、酢酸イオン、プロピオン酸イオンといったカルボン酸アニオン、硫酸イオン、およびリン酸イオンが好ましい。中でも好ましいアニオン部位は、塩化物イオン、ギ酸イオン、酢酸イオン、リン酸イオンであり、最も好ましいアニオン部位は、酢酸イオンである。また、疎水性イオン液体を構成するアニオン部位は、フッ化アルキル基含有アニオンが好ましく、中でもパーフルオロアルキル基を含むアニオン部位が好ましい。
<Anion site of ionic liquid>
The anion site constituting the hydrophilic ionic liquid and the hydrophobic ionic liquid used in the present invention is not particularly limited, but the anion site constituting the hydrophilic ionic liquid is a halogen anion such as chloride ion, bromide ion or iodide ion. Carboxylic acid anions such as formate ion, acetate ion and propionate ion, sulfate ion and phosphate ion are preferred. Among them, preferred anion sites are chloride ion, formate ion, acetate ion, and phosphate ion, and the most preferred anion site is acetate ion. In addition, the anion site constituting the hydrophobic ionic liquid is preferably a fluorinated alkyl group-containing anion, and more preferably an anion site containing a perfluoroalkyl group.

<アニオンとカチオンの組み合わせについて>
イオン液体は、カチオンとアニオンの組み合わせであり、上述したカチオン部位やアニオン部位を含む従来公知のカチオンおよびアニオンを適宜組み合わせて用いることができる。イオン液体は、商業的に入手できるものの他に、公知の方法で合成したものも用いることができる。合成方法は特に限定されず、カチオンをいったん塩とし、その後、得ようとするイオン液体のアニオンと反応させる、もしくはいったん水酸化物とした上で、アニオンを含む酸で中和してもよい。
<Combination of anion and cation>
The ionic liquid is a combination of a cation and an anion, and a conventionally known cation and anion containing the above-described cation moiety or anion moiety can be used in appropriate combination. In addition to commercially available ionic liquids, those synthesized by known methods can also be used. The synthesis method is not particularly limited, and the cation may be once converted into a salt and then reacted with the anion of the ionic liquid to be obtained, or once converted into a hydroxide and then neutralized with an acid containing an anion.

<イオン液体の使用について>
本発明に使用する上記イオン液体は、単独でも2種類以上組み合わせて用いてもよい。また本発明に使用するイオン液体の融点は、100℃以下であることが好ましく、80℃以下がより好ましい。さらに好ましくは40℃以下であり、最も好ましくは20℃以下である。これは、より低い温度下でセルロースを再生することができ、セルロースの再生工程で使用するエネルギーを低減し、かつ加熱による糖の過分解を防ぐことができるためである。
<Use of ionic liquid>
The said ionic liquid used for this invention may be used individually or in combination of 2 or more types. Moreover, it is preferable that melting | fusing point of the ionic liquid used for this invention is 100 degrees C or less, and 80 degrees C or less is more preferable. More preferably, it is 40 degrees C or less, Most preferably, it is 20 degrees C or less. This is because cellulose can be regenerated at a lower temperature, energy used in the cellulose regeneration process can be reduced, and sugar excessive decomposition due to heating can be prevented.

<バイオマス濃度>
本発明に使用するセルロースを含むバイオマスの濃度は、特に限定されないが、イオン液体にセルロースを添加していくと現実的にはイオン液体の粘性が増加するため、イオン液体中のセルロースを含むバイオマスの濃度は適宜調節することが好ましい。例えばバイオマスとして、過酸化物の水溶液で加熱処理し、その水溶液のまま凍結乾燥して得られたベイマツを用い、イオン液体として1−ethyl−3−methylimidazolium acetate(1−エチル−3−メチルイミダゾリウムアセテート)を用いた場合には、120℃に加熱したイオン液体に対してベイマツ濃度を10重量%以下にすることが好ましく、イオン液体の粘性の増加により撹拌等の操作が困難となる場合にはさらに希釈することが好ましい。
<Biomass concentration>
The concentration of biomass containing cellulose used in the present invention is not particularly limited. However, when cellulose is added to the ionic liquid, the viscosity of the ionic liquid actually increases. It is preferable to adjust the concentration appropriately. For example, as biomass, a pine pine obtained by heat treatment with an aqueous peroxide solution and freeze-drying the aqueous solution is used, and 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (1-ethyl-3-methylimidazolium) is used as an ionic liquid. In the case of using acetate), it is preferable that the concentration of bay pine is 10% by weight or less with respect to the ionic liquid heated to 120 ° C., and when the operation such as stirring becomes difficult due to the increase in viscosity of the ionic liquid Further dilution is preferred.

<第1の工程>
本発明の第1の工程において、バイオマスと過酸化物とを含む水溶液の加熱温度は、好ましくは70〜90℃、より好ましくは70〜80℃である。これは、バイオマスと過酸化物との反応を考慮すると、加熱温度は高温であることが好ましいが、媒体の大部分は水であるため、水の沸点以上まで加熱することは、安全面およびコスト面で好ましくないことによる。また、加熱処理時間は、好ましくは5〜8時間、より好ましくは6〜7時間である。これは、バイオマスと過酸化物との反応を考慮すると、加熱処理時間は長時間であることが好ましいが、高温下での長時間処理は過酸化物の分解を促進するため、安全面で好ましくないことによる。
<First step>
In the first step of the present invention, the heating temperature of the aqueous solution containing biomass and peroxide is preferably 70 to 90 ° C, more preferably 70 to 80 ° C. In consideration of the reaction between biomass and peroxide, it is preferable that the heating temperature is high. However, since most of the medium is water, heating above the boiling point of water is a safety and cost. This is because it is not preferable in terms of the aspect. The heat treatment time is preferably 5 to 8 hours, more preferably 6 to 7 hours. In consideration of the reaction between biomass and peroxide, it is preferable that the heat treatment time is long, but long-time treatment at a high temperature promotes decomposition of the peroxide, which is preferable in terms of safety. By not.

<第2の工程>
本発明の第2の工程において、加熱処理した水溶液を、先述のように、マイナス30℃以下で冷却させる場合、冷却時間は凍結させる対象物の量や物性に応じて適宜調節することが好ましい。また、乾燥時間についても、乾燥させる対象物の量や含水量等の状態に応じて適宜調節することが好ましい。
<Second step>
In the second step of the present invention, when the heat-treated aqueous solution is cooled at −30 ° C. or lower as described above, the cooling time is preferably adjusted appropriately according to the amount and physical properties of the object to be frozen. Moreover, it is preferable to adjust suitably also according to states, such as the quantity of the target object to dry and water content, also about drying time.

<混合工程>
本発明の第3の工程の前段階である混合工程においては、乾燥させたバイオマスをイオン液体中で、好ましくは100〜130℃、より好ましくは、110〜120℃で撹拌する。これは、撹拌時の温度を水の沸点以上にすることで、イオン液体に対するバイオマスの溶解性を向上させることによるが、高温下での撹拌処理は、イオン液体の分解を促進するため、安全面およびコスト面で好ましくないことによる。また、撹拌時間は、イオン液体の温度に応じて調節されるが、好ましくは1〜3時間、より好ましくは、1〜2時間である。これは、バイオマスの溶解を考慮すると、撹拌処理時間は長時間であることが好ましいが、高温下での長時間処理は、イオン液体の分解を促進するため、安全面およびコスト面で好ましくないことによる。なお、混合工程におけるバイオマス濃度については上述のように適宜調節されるが、概ね1〜10重量%、より好ましくは、3〜7重量%である。
<Mixing process>
In the mixing step, which is the previous stage of the third step of the present invention, the dried biomass is stirred in the ionic liquid, preferably at 100 to 130 ° C, more preferably at 110 to 120 ° C. This is because the temperature at the time of stirring is made higher than the boiling point of water to improve the solubility of biomass in the ionic liquid, but the stirring treatment at high temperature promotes the decomposition of the ionic liquid, Further, this is not preferable in terms of cost. Moreover, although stirring time is adjusted according to the temperature of an ionic liquid, Preferably it is 1-3 hours, More preferably, it is 1-2 hours. In consideration of the dissolution of biomass, it is preferable that the agitation treatment time is long, but long-time treatment at a high temperature is not preferable in terms of safety and cost because it promotes decomposition of the ionic liquid. by. In addition, although it adjusts suitably as mentioned above about the biomass concentration in a mixing process, it is 1 to 10 weight% in general, More preferably, it is 3 to 7 weight%.

<セルロース再生工程>
本発明の第3の工程の後段階であるセルロース再生工程においては、イオン液体とバイオマスの混合液からセルロースを析出、再生させる。このセルロース再生工程では、混合液にセルロースの貧溶媒、例えば、水、プロトン性極性溶媒であるメタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、非プロトン性溶媒であるジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、アセトン、酢酸エチル、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、非極性溶媒であるジクロロメタン、クロロホルム、ベンゼン等を加えることが好ましい。より好ましくは、混合液に貧溶媒として水を加える。なお、セルロースを再生する際に使用する水等の温度は、溶解液温度と同程度に加熱されていることが好ましい。例えば、セルロース再生時に水を投入する場合、投入する水と溶解液の温度差が20℃以下、より好ましくは10℃以下であれば、溶解液と水の混合時にゲルが形成されにくい。一方、温度差が30℃以上であれば、再生時にセルロースゲルが形成され、その後の酵素反応において酵素が作用しにくくなり反応速度が遅くなる可能性がある。
<Cellulose regeneration process>
In the cellulose regeneration process, which is the latter stage of the third process of the present invention, cellulose is precipitated and regenerated from the mixed liquid of ionic liquid and biomass. In this cellulose regeneration step, the poor solution of cellulose, for example, water, methanol, ethanol, propanol, ethylene glycol, aprotic solvent dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, aprotic polar solvent, It is preferable to add acetone, ethyl acetate, diethyl ether, tetrahydrofuran, nonpolar solvents such as dichloromethane, chloroform, and benzene. More preferably, water is added to the mixture as a poor solvent. In addition, it is preferable that the temperature of water etc. used when regenerating cellulose is heated to the same level as the solution temperature. For example, when water is added at the time of cellulose regeneration, if the temperature difference between the water to be added and the solution is 20 ° C. or less, more preferably 10 ° C. or less, a gel is hardly formed when the solution and water are mixed. On the other hand, if the temperature difference is 30 ° C. or more, a cellulose gel is formed at the time of regeneration, and it is difficult for the enzyme to act in the subsequent enzyme reaction, which may slow the reaction rate.

<イオン液体除去工程>
イオン液体中に可溶化したセルロースをセルラーゼで糖化する試みもなされているが、非特許文献2では、イオン液体中でセルラーゼが不活性化されるという報告がなされている。また、非特許文献3では、イオン液体にセルロースを溶解し、水等の貧溶剤を加え再生した後、再生後のセルロースをさらに水等で洗浄してイオン液体を取り除いた結果、再生したセルロースは水中でセルラーゼにより容易に分解されることが報告されている。すなわち、酵素反応前のセルロース材料においては、イオン液体を少なくとも10重量%以下、好ましくは5重量%以下、より好ましくは1重量%未満まで除去することが好ましい。
<Ionic liquid removal process>
Although attempts have been made to saccharify cellulose solubilized in ionic liquid with cellulase, Non-Patent Document 2 reports that cellulase is inactivated in ionic liquid. In Non-Patent Document 3, cellulose is dissolved in an ionic liquid, regenerated by adding a poor solvent such as water, and then the regenerated cellulose is further washed with water to remove the ionic liquid. It has been reported that it is easily degraded by cellulase in water. That is, in the cellulose material before the enzyme reaction, it is preferable to remove the ionic liquid to at least 10 wt% or less, preferably 5 wt% or less, more preferably less than 1 wt%.

また、再生された酵素反応前のセルロース材料は、完全に脱水された状態ではなく、ウエットな状態であることが望まれる。再生された酵素反応前のセルロース材料中の水を主とする溶媒の濃度は、好ましくは10重量%以下、より好ましくは3重量%以下である。イオン液体とバイオマスの混合液に、水を加えて得られたスラリーから、固体成分(セルロースおよび水に不溶な生成物等)と液体成分(イオン液体、水等)を分離する方法としては、例えば、一般的な固液分離方法である遠心沈降や濾過(重力濾過、真空濾過、加圧濾過、遠心濾過、圧搾濾過)、透析等が挙げられる。その他にも、特許文献13で開示されるようなイオン交換樹脂を用いて分離することもできる。前記した固液分離方法は組み合わせて用いることもでき、例えば、特許文献14で開示されるような紙の製造で通常に使用している脱水方法が挙げられるが、長網、円網、傾斜ワイヤー等で液体成分を除いた後、ロールプレスで分離することもできる。   In addition, it is desired that the regenerated cellulose material before the enzyme reaction is not completely dehydrated but wet. The concentration of the solvent mainly composed of water in the regenerated cellulose material before the enzyme reaction is preferably 10% by weight or less, more preferably 3% by weight or less. As a method for separating a solid component (such as a product insoluble in cellulose and water) and a liquid component (such as an ionic liquid or water) from a slurry obtained by adding water to a mixed liquid of ionic liquid and biomass, for example, , Centrifugal precipitation and filtration (gravity filtration, vacuum filtration, pressure filtration, centrifugal filtration, squeezing filtration), dialysis, and the like, which are general solid-liquid separation methods. In addition, it can also be separated using an ion exchange resin as disclosed in Patent Document 13. The above-mentioned solid-liquid separation methods can also be used in combination, for example, the dehydration method normally used in the production of paper as disclosed in Patent Document 14 can be mentioned. The liquid component can be removed with a roll press after removing the liquid component.

<糖の製造方法およびセルロース分解工程>
本発明は、単糖、二糖、および/またはオリゴ糖の製造方法を含む。この本発明における糖の製造方法は、上述の前処理方法を経て、再生させたセルロースをセルラーゼにより酵素分解させるセルロース分解工程を含む。この方法によれば、前処理の各工程により再生セルロースの加水分解(糖化)が促進されるため、従来法よりも簡単、低コスト、省エネルギーかつ効率的に、セルロース分解物である単糖、二糖、および/またはオリゴ糖を製造することが可能である。
<Sugar production method and cellulose decomposition step>
The present invention includes methods for producing monosaccharides, disaccharides, and / or oligosaccharides. The sugar production method of the present invention includes a cellulose decomposition step in which cellulose regenerated through the above-mentioned pretreatment method is enzymatically decomposed with cellulase. According to this method, hydrolysis (saccharification) of the regenerated cellulose is promoted by each step of the pretreatment. Therefore, simpler, lower cost, energy saving and more efficient than the conventional method, the monosaccharide that is a cellulose degradation product, It is possible to produce sugars and / or oligosaccharides.

<セルラーゼ>
セルラーゼは、セルロースをグルコースにまで加水分解するのに作用する各種酵素の総称である。本発明に使用されるセルラーゼは、特に限定されないが、β−1,4−エンドグルカナーゼ、グルカン1,4−β−グルコシダーゼ、セルロース1,4−β−セロビオシダーゼ、β−グルコシダーゼが挙げられる。また、セルラーゼは天然由来であっても人工的に改変されたものであってもよい。天然由来のものとしては、特に限定されないが、Trichoderma属又はAspergillus属由来のセルラーゼ等を用いることが好ましい。本発明においては、上記したセルラーゼを1種類または2種類以上を組み合わせて用いることもできる。また、由来の異なるセルラーゼを組み合わせて用いることもできる。
<Cellulase>
Cellulase is a general term for various enzymes that act to hydrolyze cellulose to glucose. The cellulase used in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include β-1,4-endoglucanase, glucan 1,4-β-glucosidase, cellulose 1,4-β-cellobiosidase, and β-glucosidase. The cellulase may be naturally derived or artificially modified. Although it does not specifically limit as a thing of natural origin, It is preferable to use the cellulase etc. which are derived from the genus Trichoderma or Aspergillus. In the present invention, the above-mentioned cellulases can be used alone or in combination of two or more. In addition, cellulases having different origins can be used in combination.

<緩衝液>
酵素反応に用いる緩衝液は、特に限定されないが、用いるセルラーゼの至適pHを含む、酵素活性に適したpH域と一致する範囲に緩衝能を有するものを用いることが好ましい。一般的なセルラーゼの好適なpHは4から6程度であるため、例えばクエン酸緩衝液(クエン酸およびクエン酸ナトリウム)、酢酸緩衝液(酢酸および酢酸ナトリウム)、クエン酸 −リン酸緩衝液(クエン酸およびリン酸二水素ナトリウム)等を用いて、緩衝液の濃度やpHを適宜調節し、セルラーゼ作用環境のpHを4以上8以下に設定することが好ましく、pH5以上6以下に設定することがより好ましい。
<Buffer solution>
The buffer solution used for the enzyme reaction is not particularly limited, but it is preferable to use a buffer solution having a buffer capacity in a range that matches the pH range suitable for the enzyme activity, including the optimum pH of the cellulase to be used. Since the preferred pH of general cellulase is about 4 to 6, for example, citrate buffer (citrate and sodium citrate), acetate buffer (acetic acid and sodium acetate), citrate-phosphate buffer (citrate) The pH and pH of the cellulase working environment are preferably set to 4 or more and 8 or less, and preferably set to pH 5 or more and 6 or less by adjusting the concentration and pH of the buffer solution appropriately using acid and sodium dihydrogen phosphate). More preferred.

<酵素反応時の温度>
酵素反応時の温度は、特に限定されないが、用いるセルラーゼの至適温度に合わせて選択することが好ましい。一般的なセルラーゼの好適な温度は35℃から60℃程度である。
<Temperature during enzyme reaction>
The temperature during the enzyme reaction is not particularly limited, but is preferably selected according to the optimum temperature of the cellulase used. A suitable temperature for a general cellulase is about 35 ° C to 60 ° C.

<セルロース分解生成物の定量方法>
セルロースの分解生成物量は、セルロースの分解によって生じる還元糖の量や、セル ロース分解生成物量そのものを測定することにより評価することができる。還元糖の定量法としては、Somogyi−Nelson法やPark−Johnson法が知られており、これらの方法を用いてセルロースから分解生成した還元糖を定量することでセルロースの分解率(糖化率)を評価することができる。また、セルロース分解生成物量そのものを測定する方法として、特許文献15には、セルロース分解生成物である水溶性の糖をHPLC(高速液体クロマトグラフィー)で定量する方法が開示されており、非特許文献4には、糖を誘導体化した後にHPLCにて定量する方法が報告されているが、これらの方法を用いてセルロース分解生成物を定量することでセルロースの分解率(糖化率)を評価することもできる。
<Method for quantifying cellulose degradation product>
The amount of cellulose degradation products can be evaluated by measuring the amount of reducing sugar produced by cellulose degradation and the amount of cellulose degradation products themselves. As the quantification method of reducing sugar, the Somogyi-Nelson method and the Park-Johnson method are known, and the degradation rate (saccharification rate) of cellulose is determined by quantifying the reducing sugar decomposed from cellulose using these methods. Can be evaluated. As a method for measuring the amount of cellulose degradation product itself, Patent Document 15 discloses a method for quantifying water-soluble sugar, which is a cellulose degradation product, by HPLC (high performance liquid chromatography). Although methods for quantifying by HPLC after derivatizing sugar have been reported in No. 4, the degradation rate (saccharification rate) of cellulose is evaluated by quantifying cellulose degradation products using these methods. You can also.

<リグニンの定量方法>
リグニンは、フェノール化合物が複雑な3次元状の網目構造を形成した高分子化合物である。したがって、リグニン量は芳香族化合物のUV−Vis(紫外−可視)領域における吸光度を測定することで定量することができる。非特許文献5には、クラーソンリグニンを標準物質として、水溶液中のリグニン濃度を280nmにおける紫外吸光度から定量する方法が報告されており、この方法を用いることで水溶液中のリグニン濃度を評価することができる。
<Quantification method of lignin>
Lignin is a polymer compound in which a phenol compound forms a complex three-dimensional network structure. Therefore, the amount of lignin can be quantified by measuring the absorbance of the aromatic compound in the UV-Vis (ultraviolet-visible) region. Non-Patent Document 5 reports a method for quantifying the lignin concentration in an aqueous solution from ultraviolet absorbance at 280 nm using Klarson lignin as a standard substance. By using this method, the lignin concentration in an aqueous solution is evaluated. Can do.

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

リグノセルロースであるベイマツ(セルロース含有率50重量%)50mgに水1.0gを加え、そこに40重量%過酢酸(以下、PAAと略記。三菱ガス化学(株)社製)50μLを添加し、80℃、6時間加熱攪拌した(過酢酸の濃度は約1.9重量%)。加熱攪拌終了後、ベイマツおよびPAAを含む水溶液を液体窒素にて急速に凍結させ、真空凍結乾燥を行った。続いて、その凍結乾燥物に、イオン液体である1−ethyl−3−methylimidazolium acetate(以下、[EMIm][OAc]と略記。Sigma−Aldrich社製)1.0gを加え、120℃、1時間加熱撹拌した。得られた反応液に、90℃に加熱した水5.0mLを加えて、セルロースを析出、再生させた後、4000rpmにて20分間遠心分離を行い、上澄み(水、イオン液体、水溶性糖およびPAAの混合物)と沈殿物(リグノセルロース、再生セルロースおよびその他の難溶性物質)に分離した。上澄みを抜き取り、残った沈殿物に水5.0mLを加えて、先述と同条件下にて遠心分離を行う操作を3回繰り返し、最後に上澄みを取り除いた。先の操作で合計4回抜き取った上澄み中のリグニン量をUV−Vis分光光度計を用いて定量し、ベイマツから除去されたリグニン濃度、すなわち、4回抜き取った上澄みの合計量である約20mL中のリグニンの濃度を算出した。その結果、除去されたリグニン濃度は0.98mg/mLだった(後述する表1参照)。   1.0 g of water was added to 50 mg of lignocellulose bay pine (cellulose content 50% by weight), and 50 μL of 40% by weight peracetic acid (hereinafter abbreviated as PAA, manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.) was added. The mixture was heated and stirred at 80 ° C. for 6 hours (peracetic acid concentration was about 1.9% by weight). After completion of heating and stirring, the aqueous solution containing bay pine and PAA was rapidly frozen in liquid nitrogen and vacuum lyophilized. Subsequently, 1.0 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (hereinafter abbreviated as [EMIm] [OAc]; manufactured by Sigma-Aldrich), which is an ionic liquid, was added to the lyophilized product, and 120 ° C. for 1 hour. Stir with heating. To the obtained reaction liquid, 5.0 mL of water heated to 90 ° C. was added to precipitate and regenerate cellulose, and then centrifuged at 4000 rpm for 20 minutes, and the supernatant (water, ionic liquid, water-soluble sugar and PAA mixture) and precipitates (lignocellulose, regenerated cellulose and other poorly soluble substances). The supernatant was extracted, 5.0 mL of water was added to the remaining precipitate, and centrifugation was repeated three times under the same conditions as described above, and finally the supernatant was removed. The amount of lignin in the supernatant extracted four times in the previous operation was quantified using a UV-Vis spectrophotometer, and the concentration of lignin removed from bay pine, that is, about 20 mL, which is the total amount of supernatant extracted four times. The concentration of lignin was calculated. As a result, the removed lignin concentration was 0.98 mg / mL (see Table 1 described later).

続いて、先の操作で得られた沈殿物に、10mMクエン酸−クエン酸ナトリウム緩衝液(pH:5.0)を10mL、Trichoderma reeseiATCC 26921由来のセルラーゼC8546(Sigma−Aldrich社製)を20mg加えて、セルラーゼ濃度が2mg/mL(4unit/mL)になるように調製した。40℃、200rpmでインキュベートし、セルラーゼ添加1時間後、および25時間後のスラリーを採取し、100℃下、20分間ブロックヒーターにて加熱して酵素を失活させた。得られたそれぞれの採取液中におけるグルコースおよびセロビオース濃度をHPLCにて定量し、グルコース変換率ならびにセロビオース変換率を式(1)ならびに(2)に従い算出して、その和を糖化率と定義した(後述する表2参照)。その結果、本操作におけるグルコース変換率は、セルラーゼ添加1時間後で37.7%、25時間後で85.7%だった。また、本操作におけるセロビオース変換率は、セルラーゼ添加1時間後で41.1%、25時間後で0%(全て分解されてグルコースに変換された)だった。したがって、糖化率は、セルラーゼ添加1時間後で78.8%、25時間後で85.7%だった(後述する表2参照)。
Subsequently, 10 mg of 10 mM citrate-sodium citrate buffer (pH: 5.0) and 20 mg of cellulase C8546 (manufactured by Sigma-Aldrich) derived from Trichoderma reesei ATCC 26921 were added to the precipitate obtained in the previous operation. The cellulase concentration was adjusted to 2 mg / mL (4 units / mL). The mixture was incubated at 40 ° C. and 200 rpm, and the slurry was collected 1 hour and 25 hours after addition of cellulase, and heated with a block heater at 100 ° C. for 20 minutes to inactivate the enzyme. The glucose and cellobiose concentrations in each of the obtained collected liquids were quantified by HPLC, the glucose conversion rate and the cellobiose conversion rate were calculated according to formulas (1) and (2), and the sum was defined as the saccharification rate ( See Table 2 below). As a result, the glucose conversion rate in this operation was 37.7% 1 hour after the addition of cellulase and 85.7% after 25 hours. The cellobiose conversion rate in this operation was 41.1% 1 hour after addition of cellulase and 0% after 25 hours (all decomposed and converted to glucose). Therefore, the saccharification rate was 78.8% 1 hour after addition of cellulase and 85.7% after 25 hours (see Table 2 described later).

実施例1における凍結乾燥を温風乾燥に変更した以外は、実施例1と同様の操作を行った。具体的には、ベイマツ50mgに水1.0gを加え、そこに40重量%過酢酸50μLを添加し、80℃、6時間加熱攪拌した。加熱攪拌終了後、ベイマツおよびPAAを含む水溶液から上澄みだけを慎重に取り除き、残渣を送風定温乾燥器(庫内温度:50℃)内で24時間乾燥した。続いて、その乾燥物に、[EMIm][OAc]1.0gを加え、120℃、1時間加熱撹拌した。得られた反応液に、90℃に加熱した水5.0mLを加えて、セルロースを析出、再生させた後、4000rpmにて20分間遠心分離を行い、上澄み(水、イオン液体、水溶性糖およびPAAの混合物)と沈殿物(リグノセルロース、再生セルロースおよびその他の難溶性物質)に分離した。上澄みを抜き取り、残った沈殿物に水5.0mLを加えて、先述と同条件下にて遠心分離を行う操作を3回繰り返し、最後に上澄みを取り除いた。なお、本実施例2では、第2工程の乾燥を行う前に水溶液から上澄みを取り除いたため、ベイマツから除去されたリグニンを厳密に定量することができないと推察し、UV−Vis分光光度計を用いたリグニンの定量は行わなかった(後述する表1参照)。   The same operation as in Example 1 was performed except that freeze-drying in Example 1 was changed to hot-air drying. Specifically, 1.0 g of water was added to 50 mg of bay pine, 50 μL of 40 wt% peracetic acid was added thereto, and the mixture was heated and stirred at 80 ° C. for 6 hours. After the heating and stirring, only the supernatant was carefully removed from the aqueous solution containing bay pine and PAA, and the residue was dried for 24 hours in a blast constant temperature dryer (internal temperature: 50 ° C.). Subsequently, 1.0 g of [EMIm] [OAc] was added to the dried product, and the mixture was heated and stirred at 120 ° C. for 1 hour. To the obtained reaction liquid, 5.0 mL of water heated to 90 ° C. was added to precipitate and regenerate cellulose, and then centrifuged at 4000 rpm for 20 minutes, and the supernatant (water, ionic liquid, water-soluble sugar and PAA mixture) and precipitates (lignocellulose, regenerated cellulose and other poorly soluble substances). The supernatant was extracted, 5.0 mL of water was added to the remaining precipitate, and centrifugation was repeated three times under the same conditions as described above, and finally the supernatant was removed. In Example 2, since the supernatant was removed from the aqueous solution before drying in the second step, it was assumed that lignin removed from bay pine could not be quantified accurately, and a UV-Vis spectrophotometer was used. The lignin was not quantified (see Table 1 described later).

続いて、先の操作で得られた沈殿物に、10mMクエン酸−クエン酸ナトリウム緩衝液(pH:5.0)を10mL、Trichoderma reeseiATCC 26921由来のセルラーゼC8546を20mg加えて、セルラーゼ濃度が2mg/mL(4unit/mL)になるように調製した。40℃、200rpmでインキュベートし、セルラーゼ添加1時間後、および25時間後のスラリーを採取し、100℃下、20分間ブロックヒーターにて加熱して酵素を失活させた。得られたそれぞれの採取液中におけるグルコースおよびセロビオース濃度をHPLCにて定量し、グルコース変換率、セロビオース変換率およびその和である糖化率を算出した。その結果、本操作におけるグルコース変換率は、セルラーゼ添加1時間後で55.8%、25時間後で89.2%だった。また、本操作におけるセロビオース変換率は、セルラーゼ添加1時間後で16.6%、25時間後で0%(全て分解されてグルコースに変換された)だった。したがって、糖化率は、セルラーゼ添加1時間後で72.4%、25時間後で89.2%だった(後述する表2参照)。   Subsequently, 10 mL of 10 mM citrate-sodium citrate buffer (pH: 5.0) and 20 mg of cellulase C8546 derived from Trichoderma reesei ATCC 26921 were added to the precipitate obtained in the previous operation, so that the cellulase concentration was 2 mg / It prepared so that it might become mL (4unit / mL). The mixture was incubated at 40 ° C. and 200 rpm, and the slurry was collected 1 hour and 25 hours after addition of cellulase, and heated with a block heater at 100 ° C. for 20 minutes to inactivate the enzyme. The glucose and cellobiose concentrations in each of the collected liquids were quantified by HPLC, and the glucose conversion rate, the cellobiose conversion rate, and the saccharification rate that was the sum thereof were calculated. As a result, the glucose conversion rate in this operation was 55.8% 1 hour after the addition of cellulase and 89.2% after 25 hours. The cellobiose conversion rate in this operation was 16.6% 1 hour after addition of cellulase and 0% after 25 hours (all were decomposed and converted to glucose). Therefore, the saccharification rate was 72.4% 1 hour after addition of cellulase and 89.2% after 25 hours (see Table 2 described later).

比較例1Comparative Example 1

実施例1におけるPAA水溶液による加熱攪拌処理と、[EMIm][OAc]による加熱攪拌処理の順番を入れ替え、凍結乾燥を行わない以外は、実施例1とほぼ同様の操作を行った。具体的には、ベイマツ50mgに[EMIm][OAc]を1.0g加え、120℃、1時間加熱撹拌した。そこに、40重量%PAAを50μL添加し、さらに80℃、6時間加熱攪拌した。加熱攪拌終了後、ベイマツ、イオン液体およびPAAを含む水溶液に、90℃に加熱した水5.0mLを加えて、セルロースを析出、再生させた後、4000rpmにて20分間遠心分離を行い、上澄み(水、イオン液体、水溶性糖およびPAAの混合物)と沈殿物(リグノセルロース、再生セルロースおよびその他の難溶性物質)に分離した。上澄みを抜き取り、残った沈殿物に水5.0mLを加えて、先述と同条件下にて遠心分離を行う操作を3回繰り返し、最後に上澄みを取り除いた。先の操作で合計4回抜き取った約20mLの上澄み中のリグニン量をUV−Vis分光光度計を用いて定量し、ベイマツから除去されたリグニン濃度を算出した。その結果、除去されたリグニン濃度は0.47mg/mLだった(後述する表1参照)。   Substantially the same operation as in Example 1 was performed, except that the order of the heating and stirring treatment with the PAA aqueous solution in Example 1 and the heating and stirring treatment with [EMIm] [OAc] were reversed and lyophilization was not performed. Specifically, 1.0 g of [EMIm] [OAc] was added to 50 mg of bay pine, and the mixture was heated and stirred at 120 ° C. for 1 hour. Thereto, 50 μL of 40 wt% PAA was added, and the mixture was further heated and stirred at 80 ° C. for 6 hours. After completion of heating and stirring, 5.0 mL of water heated to 90 ° C. is added to an aqueous solution containing bay pine, ionic liquid and PAA to precipitate and regenerate cellulose, and then centrifuged at 4000 rpm for 20 minutes to obtain a supernatant ( Water, ionic liquid, water-soluble sugar and PAA mixture) and precipitates (lignocellulose, regenerated cellulose and other poorly soluble substances). The supernatant was extracted, 5.0 mL of water was added to the remaining precipitate, and centrifugation was repeated three times under the same conditions as described above, and finally the supernatant was removed. The amount of lignin in about 20 mL of the supernatant extracted four times in the previous operation was quantified using a UV-Vis spectrophotometer, and the concentration of lignin removed from bay pine was calculated. As a result, the removed lignin concentration was 0.47 mg / mL (see Table 1 described later).

続いて、先の操作で得られた沈殿物に、10mMクエン酸−クエン酸ナトリウム緩衝液(pH:5.0)を10mL、Trichoderma reeseiATCC 26921由来のセルラーゼC8546を20mg加えて、セルラーゼ濃度が2mg/mL(4unit/mL)になるように調製した。40℃、200rpmでインキュベートし、セルラーゼ添加1時間後、および25時間後のスラリーを採取し、100℃下、20分間ブロックヒーターにて加熱して酵素を失活させた。得られたそれぞれの採取液中におけるグルコースおよびセロビオース濃度をHPLCにて定量し、グルコース変換率、セロビオース変換率およびその和である糖化率を算出した。その結果、本操作におけるグルコース変換率は、セルラーゼ添加1時間後で18.2%、25時間後で68.2%だった。また、本操作におけるセロビオース変換率は、セルラーゼ添加1時間後で28.6%、25時間後で0%(全て分解されてグルコースに変換された)だった。したがって、糖化率は、セルラーゼ添加1時間後で46.8%、25時間後で68.2%だった(後述する表2参照)。   Subsequently, 10 mL of 10 mM citrate-sodium citrate buffer (pH: 5.0) and 20 mg of cellulase C8546 derived from Trichoderma reesei ATCC 26921 were added to the precipitate obtained in the previous operation, so that the cellulase concentration was 2 mg / It prepared so that it might become mL (4unit / mL). The mixture was incubated at 40 ° C. and 200 rpm, and the slurry was collected 1 hour and 25 hours after addition of cellulase, and heated with a block heater at 100 ° C. for 20 minutes to inactivate the enzyme. The glucose and cellobiose concentrations in each of the collected liquids were quantified by HPLC, and the glucose conversion rate, the cellobiose conversion rate, and the saccharification rate that was the sum thereof were calculated. As a result, the glucose conversion rate in this operation was 18.2% 1 hour after the addition of cellulase and 68.2% after 25 hours. The cellobiose conversion rate in this operation was 28.6% 1 hour after addition of cellulase and 0% after 25 hours (all were decomposed and converted to glucose). Therefore, the saccharification rate was 46.8% 1 hour after the addition of cellulase and 68.2% after 25 hours (see Table 2 described later).

比較例2Comparative Example 2

実施例1におけるPAA水溶液を水に変更した(PAAを添加しない)以外は、実施例1と同様の操作を行った。具体的には、ベイマツ50mgに水1.0gを加え、80℃、6時間加熱攪拌した。加熱攪拌終了後、ベイマツの水溶液を液体窒素にて急速に凍結させ、真空凍結乾燥を行った。続いて、その凍結乾燥物に[EMIm][OAc]を1.0g加え、120℃、1時間加熱撹拌した。得られた反応液に、90℃に加熱した水5.0mLを加えて、セルロースを析出、再生させた後、4000rpmにて20分間遠心分離を行い、上澄み(水、イオン液体、水溶性糖の混合物)と沈殿物(リグノセルロース、再生セルロースおよびその他の難溶性物質)に分離した。上澄みを抜き取り、残った沈殿物に水5.0mLを加えて、先述と同条件下にて遠心分離を行う操作を3回繰り返し、最後に上澄みを取り除いた。先の操作で合計4回抜き取った約20mLの上澄み中のリグニン量をUV−Vis分光光度計を用いて定量し、ベイマツから除去されたリグニン濃度を算出した。その結果、除去されたリグニン濃度は0.30mg/mLだった(後述する表1参照)。   The same operation as in Example 1 was performed except that the PAA aqueous solution in Example 1 was changed to water (no PAA was added). Specifically, 1.0 g of water was added to 50 mg of bay pine, and the mixture was heated and stirred at 80 ° C. for 6 hours. After completion of heating and stirring, an aqueous solution of bay pine was rapidly frozen with liquid nitrogen and vacuum lyophilized. Subsequently, 1.0 g of [EMIm] [OAc] was added to the lyophilized product, and the mixture was heated and stirred at 120 ° C. for 1 hour. To the obtained reaction solution, 5.0 mL of water heated to 90 ° C. was added to precipitate and regenerate cellulose, and then centrifuged at 4000 rpm for 20 minutes to obtain a supernatant (water, ionic liquid, water-soluble sugar). Mixture) and precipitates (lignocellulose, regenerated cellulose and other poorly soluble substances). The supernatant was extracted, 5.0 mL of water was added to the remaining precipitate, and centrifugation was repeated three times under the same conditions as described above, and finally the supernatant was removed. The amount of lignin in about 20 mL of the supernatant extracted four times in the previous operation was quantified using a UV-Vis spectrophotometer, and the concentration of lignin removed from bay pine was calculated. As a result, the removed lignin concentration was 0.30 mg / mL (see Table 1 described later).

続いて、先の操作で得られた沈殿物に、10mMクエン酸−クエン酸ナトリウム緩衝液(pH:5.0)を10mL、Trichoderma reeseiATCC 26921由来のセルラーゼC8546を20mg加えて、セルラーゼ濃度が2mg/mL(4unit/mL)になるように調製した。40℃、200rpmでインキュベートし、セルラーゼ添加1時間後、および25時間後のスラリーを採取し、100℃下、20分間ブロックヒーターにて加熱して酵素を失活させた。得られたそれぞれの採取液中におけるグルコースおよびセロビオース濃度をHPLCにて定量し、グルコース変換率、セロビオース変換率およびその和である糖化率を算出した。その結果、本操作におけるグルコース変換率は、セルラーゼ添加1時間後で5.8%、25時間後で69.0%だった。また、本操作におけるセロビオース変換率は、セルラーゼ添加1時間後で20.7%、25時間後で0%(全て分解されてグルコースに変換された)だった。したがって、糖化率は、セルラーゼ添加1時間後で26.5%、25時間後で69.0%だった(後述する表2参照)。   Subsequently, 10 mL of 10 mM citrate-sodium citrate buffer (pH: 5.0) and 20 mg of cellulase C8546 derived from Trichoderma reesei ATCC 26921 were added to the precipitate obtained in the previous operation, so that the cellulase concentration was 2 mg / It prepared so that it might become mL (4unit / mL). The mixture was incubated at 40 ° C. and 200 rpm, and the slurry was collected 1 hour and 25 hours after addition of cellulase, and heated with a block heater at 100 ° C. for 20 minutes to inactivate the enzyme. The glucose and cellobiose concentrations in each of the collected liquids were quantified by HPLC, and the glucose conversion rate, the cellobiose conversion rate, and the saccharification rate that was the sum thereof were calculated. As a result, the glucose conversion rate in this operation was 5.8% 1 hour after the addition of cellulase and 69.0% after 25 hours. The cellobiose conversion rate in this operation was 20.7% 1 hour after the addition of cellulase and 0% after 25 hours (all were decomposed and converted to glucose). Therefore, the saccharification rate was 26.5% 1 hour after addition of cellulase and 69.0% after 25 hours (see Table 2 described later).

上述の実施例および比較例において、ベイマツから除去されたリグニンの濃度を表1にまとめた。
Table 1 summarizes the concentrations of lignin removed from bay pine in the above examples and comparative examples.

この表1からも明らかであるように、実施例1においては、効率的にベイマツからリグニンが除去されたと言える。実施例1のリグニン除去濃度が0.98mg/mLであったのに対し、比較例1および2では、同量(約20mL)の上澄み中のリグニン除去濃度が実施例1の半分以下であったためである。すなわち、表1より、実施例1では、比較例よりも効率的に、ベイマツからリグニンが除去されていることが確認された。   As apparent from Table 1, in Example 1, it can be said that lignin was efficiently removed from bay pine. The lignin removal concentration in Example 1 was 0.98 mg / mL, whereas in Comparative Examples 1 and 2, the lignin removal concentration in the supernatant of the same amount (about 20 mL) was less than half that in Example 1. It is. That is, from Table 1, it was confirmed that lignin was removed from bay pine more efficiently in Example 1 than in Comparative Example.

さらに、上述の実施例および比較例における糖化率の結果を、表2にまとめた。
Furthermore, the results of saccharification rates in the above-mentioned Examples and Comparative Examples are summarized in Table 2.

この表2からも明らかであるように、実施例1および2では、セルラーゼ添加1時間後、および25時間後のいずれにおいても、比較例に比べて糖化率が高いと言える。実施例1および2のセルラーゼ添加1時間後の糖化率がそれぞれ78.8%、72.4%であったのに対し、比較例1および2では、それぞれ46.8%、26.5%であったためである。また同様に、実施例1および2のセルラーゼ添加25時間後の糖化率がそれぞれ85.7%、89.2%であったのに対し、比較例1および2では、それぞれ68.2%、69.0%であったためである。   As is clear from Table 2, in Examples 1 and 2, it can be said that the saccharification rate is higher than that of the comparative example at 1 hour after addition of cellulase and at 25 hours. The saccharification rates one hour after addition of the cellulase in Examples 1 and 2 were 78.8% and 72.4%, respectively, whereas in Comparative Examples 1 and 2, 46.8% and 26.5%, respectively. Because there was. Similarly, the saccharification rates 25 hours after addition of the cellulase of Examples 1 and 2 were 85.7% and 89.2%, respectively, while those of Comparative Examples 1 and 2 were 68.2% and 69, respectively. This is because it was 0.0%.

また、表1および表2から、実施例1および2では、比較例よりもセルロースの酵素分解反応が効率的に行われ、糖化率が向上していることが確認された。本願実施例において、温風乾燥または凍結乾燥のいずれの乾燥方法を適用しても、セルロースの糖化率が向上することが示唆されたが、引火性を有し、化学的に不安定で分解しやすい物質をより安全に乾燥できる点においては、凍結乾燥がより有効な乾燥方法であると言える。ただし、温風乾燥を採用した実施例2においても、安全上の問題は生じず、安全性は確保されていた。 Moreover, from Table 1 and Table 2, in Examples 1 and 2, it was confirmed that the enzymatic degradation reaction of cellulose was performed more efficiently than the comparative example, and the saccharification rate was improved. In the Examples of the present application, it was suggested that the saccharification rate of cellulose is improved by applying any drying method such as hot air drying or freeze drying, but it has flammability, is chemically unstable and decomposes. From the viewpoint that safe substances can be dried more safely, freeze-drying can be said to be a more effective drying method. However, even in Example 2 adopting hot air drying, no safety problem occurred, and safety was ensured.

以上の結果から、糖化率を向上させる手法として、PAA水溶液等の過酸化物による加熱攪拌処理の有用性に加え、過酸化物、および[EMIm][OAc]等のイオン液体の順番で加熱攪拌処理する工程や、セルロースを含むバイオマスと過酸化物とを含有する加熱処理された水溶液を、例えば真空凍結乾燥法を用いて乾燥させる工程等の有用性が確認された。そしてこれらの有用な工程を含む本願発明の前処理方法によれば、セルロースを含むバイオマスから不純物を効率的に除去し、簡便に、かつ低コストで省エネルギー的に、セルロースを再生、糖化させることが可能である。   From the above results, as a technique for improving the saccharification rate, in addition to the usefulness of the heating and stirring treatment with peroxide such as PAA aqueous solution, heating and stirring in the order of peroxide and ionic liquid such as [EMIm] [OAc] The usefulness of the process to process, the process of drying the heat-processed aqueous solution containing the biomass containing a cellulose and a peroxide, for example using a vacuum freeze-drying method was confirmed. And according to the pretreatment method of the present invention including these useful steps, impurities can be efficiently removed from biomass containing cellulose, and cellulose can be regenerated and saccharified easily and at low cost with energy saving. Is possible.

Claims (13)

セルロースを含むバイオマスを処理する方法であって、過酸化物を含む水溶液中で前記バイオマスを加熱処理する第1の工程と、その加熱処理した水溶液を乾燥する第2の工程と、乾燥させたバイオマスをイオン液体中で撹拌混合し、バイオマスを含むイオン液体からセルロースを析出させてセルロースを再生する第3の工程とを有し、セルロースを含むバイオマスを、前記第1の工程、前記第2の工程、および前記第3の工程の順番で処理する、セルロースを含むバイオマスの前処理方法。   A method for treating biomass containing cellulose, the first step of heat-treating the biomass in an aqueous solution containing peroxide, the second step of drying the heat-treated aqueous solution, and the dried biomass And the third step of regenerating cellulose by precipitating cellulose from the ionic liquid containing biomass, and mixing the biomass containing cellulose with the first step and the second step. And the pre-processing method of the biomass containing a cellulose processed in order of the said 3rd process. 前記第1の工程において加熱処理した前記バイオマスおよび過酸化物を含む水溶液を、前記第2の工程においてそのまま直接乾燥する、請求項1記載の前処理方法。   The pretreatment method according to claim 1, wherein the aqueous solution containing the biomass and the peroxide heat-treated in the first step is directly dried as it is in the second step. 前記第2の工程において、前記水溶液を乾燥する方法が真空凍結乾燥法である、請求項1または請求項2記載の前処理方法。   The pretreatment method according to claim 1 or 2, wherein in the second step, the method for drying the aqueous solution is a vacuum freeze-drying method. 前記第3の工程において、前記バイオマスを攪拌混合したイオン液体に、水を加えてセルロースを析出させる、請求項1記載の前処理方法。   The pretreatment method according to claim 1, wherein in the third step, water is added to the ionic liquid obtained by stirring and mixing the biomass to precipitate cellulose. 前記バイオマスが、リグニンおよび/またはヘミセルロースをさらに含むリグノセルロースであることを特徴とする、請求項1記載の前処理方法。   The pretreatment method according to claim 1, wherein the biomass is lignocellulose further containing lignin and / or hemicellulose. 前記リグノセルロースが、木材、稲わら、麦わら、もみ殻、ベイマツ、および/または、その粉末であることを特徴とする、請求項5に記載の前処理方法。   The pretreatment method according to claim 5, wherein the lignocellulose is wood, rice straw, wheat straw, rice husk, bay pine, and / or powder thereof. 前記イオン液体のカチオン部位が、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン、および/またはアンモニウムカチオンであることを特徴とする、請求項1記載の前処理方法。   The pretreatment method according to claim 1, wherein the cation portion of the ionic liquid is an imidazolium cation, a pyridinium cation, and / or an ammonium cation. 前記イミダゾリウムカチオンが、1−ethyl−3−methylimidazolium ionであることを特徴とする、請求項7記載の前処理方法。   The pretreatment method according to claim 7, wherein the imidazolium cation is 1-ethyl-3-methylimidazolium ion. 前記イオン液体のアニオン部位が、塩化物イオン、リン酸イオン、ギ酸イオン、酢酸イオン、および/またはパーフルオロアルキル基を含むイオンであることを特徴とする、請求項1記載の前処理方法。   The pretreatment method according to claim 1, wherein the anion portion of the ionic liquid is a chloride ion, a phosphate ion, a formate ion, an acetate ion, and / or an ion containing a perfluoroalkyl group. 前記イオン液体が、1−ethyl−3−methylimidazolium acetateであることを特徴とする、請求項1記載の前処理方法。   The pretreatment method according to claim 1, wherein the ionic liquid is 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate. 前記第1の工程において、前記過酸化物が、過酸化水素、および/または過酢酸であることを特徴とする、請求項1記載の前処理方法。   The pretreatment method according to claim 1, wherein in the first step, the peroxide is hydrogen peroxide and / or peracetic acid. 前記第1の工程において、前記水溶液中の前記過酸化物の濃度が、1重量%から8重量%であることを特徴とする、請求項1記載の前処理方法。   2. The pretreatment method according to claim 1, wherein, in the first step, the concentration of the peroxide in the aqueous solution is 1 wt% to 8 wt%. 請求項1に記載の前処理方法を経て、再生したセルロースをセルラーゼにより酵素分解するセルロース分解工程を含む、単糖、二糖、および/またはオリゴ糖の製造方法。   A method for producing monosaccharides, disaccharides and / or oligosaccharides, comprising a cellulose decomposing step of enzymatically decomposing regenerated cellulose with cellulase through the pretreatment method according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105368468A (en) * 2015-12-07 2016-03-02 安徽工业大学 Method for raising yield and quality of lignin pyrolysis tar by acidic ionic liquid pretreatment
CN108603211A (en) * 2016-02-08 2018-09-28 川崎重工业株式会社 Using cellulose-based biomass as the enzyme process saccharified liquid manufacturing method of raw material
JP2022121550A (en) * 2018-05-28 2022-08-19 ピアソン キャピタル エンバイロメンタル (ベイジン) リミテッド Efficient methods and compositions for recovery of products from organic acid pretreatment of plant materials

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