JP2014208809A - Method of producing amorphous cellulose - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非晶化セルロースの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing amorphized cellulose.
近年、化石燃料の枯渇や環境問題の見地から、再生可能な有機資源である木質系バイオマス資源への関心が高まっている。 In recent years, from the viewpoint of depletion of fossil fuels and environmental problems, interest in woody biomass resources, which are renewable organic resources, has increased.
しかしながら、工業材料として考えた場合、木質系バイオマスの主要成分であるセルロースは非常に複雑で強固な結晶構造を有しているため、応用性に乏しい。そのため、バイオエタノールなどに利用する際には、事前に非晶化させる必要がある。 However, when considered as an industrial material, cellulose, which is a main component of woody biomass, has a very complex and strong crystal structure, and therefore has poor applicability. Therefore, when used for bioethanol or the like, it must be amorphized in advance.
この木質系バイオマス資源から得られる非晶性材料は、バイオエタノールの他にも、工業分野から食品分野まで幅広い応用が期待されている。 Amorphous materials obtained from these woody biomass resources are expected to have a wide range of applications from the industrial field to the food field in addition to bioethanol.
セルロースの非晶化に関する従来技術として、例えば特許文献1、2には、媒体式粉砕機などを用いてセルロース含有原料を非晶化することが提案されている。
As conventional techniques related to cellulose amorphization, for example,
ところが、既存の非晶化技術には、更なる低コスト化と生産性の向上が望まれており、簡便かつ短時間で効率的にセルロースを非晶化できる新規な技術が求められている。 However, the existing amorphization technology is desired to further reduce the cost and improve the productivity, and a new technology capable of efficiently amorphizing cellulose in a short time is required.
このような背景において、本発明者らは、上臼と下臼の間のギャップにセルロース含有原料を投入し、上臼と下臼の相対回転によって剪断力を与えて粉砕することで、セルロースを短時間で非晶化させることに成功した(非特許文献1)。 In such a background, the present inventors put a cellulose-containing raw material into the gap between the upper die and the lower die, and pulverize the cellulose by applying a shearing force by the relative rotation of the upper die and the lower die. It succeeded in making it amorphous in a short time (nonpatent literature 1).
しかしながら、この本発明者らが開発した非特許文献1の技術は、非晶化できる条件が限られ、単にギャップ間でセルロース含有原料を剪断粉砕しても、多くの場合には非晶化できない。非特許文献1では主に温度条件を検討しているが、ギャップを形成する面の構造の詳細や、臼を回転駆動するパワー等の因子との相関については明らかにされていなかった。
However, in the technique of Non-Patent
このように、非特許文献1では非晶化を達成したものの、条件によっては全くセルロースの非晶化は起こらず、セルロースを再現性良く非晶化することができる技術の確立が望まれていた。
As described above, although Non-Patent
本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、セルロース含有原料を簡便かつ短時間で効率的に非晶化することができる非晶化セルロースの製造方法を提供することを課題としている。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and it is an object of the present invention to provide a method for producing amorphous cellulose that can easily and efficiently amorphousize a cellulose-containing raw material in a short time. It is said.
上記の課題を解決するために、本発明の非晶化セルロースの製造方法は、ギャップを介して相対回転する一方の部材と他方の部材とを用いて、セルロース含有原料をギャップに投入し剪断力を与えて粉砕し、セルロースを非晶化する非晶化セルロースの製造方法であって、一方の部材と他方の部材は、ギャップを形成する面に、相対回転の円周方向と交わる方向にピッチPの間隔で平行に延びる多条の歯が設けられ、一方の部材と他方の部材の歯はギャップを形成する面において互いに交差してピッチPの格子を形成し、一方の部材と他方の部材の少なくとも一方にトルクを伝達して回転させるモータを駆動して、ギャップを介してこれらを相対回転させ、このギャップにセルロース含有原料を投入し、次式のスケールパラメータSp1: In order to solve the above-described problems, the method for producing amorphous cellulose according to the present invention uses one member and the other member, which rotate relative to each other through a gap, to introduce a cellulose-containing raw material into the gap and to apply a shear force. Is produced by pulverizing and amorphizing the cellulose, wherein one member and the other member are pitched in a direction intersecting the circumferential direction of the relative rotation on the surface forming the gap. Plural teeth extending in parallel at intervals of P are provided, and the teeth of one member and the other member intersect with each other on the plane forming the gap to form a lattice of pitch P, and one member and the other member A motor that rotates by transmitting torque to at least one of them is driven to rotate them relative to each other through a gap, and a cellulose-containing raw material is introduced into this gap. A scale parameter S p1 of the following formula:
(ここでW*はモータの消費電力(W)、Pは格子のピッチ(mm)、ωは相対回転の回転数(rpm)を示す。)が2以上、かつギャップ10μm以下の条件で剪断力を与えて粉砕し、セルロースを非晶化することを特徴としている。 (W * is the motor power consumption (W), P is the pitch of the grid (mm), and ω is the relative rotation speed (rpm).) Shear force under the condition of 2 or more and a gap of 10 μm or less It is characterized in that it is pulverized to render the cellulose amorphous.
また本発明の非晶化セルロースの製造方法は、ギャップを介して相対回転する一方の部材と他方の部材とを用いて、セルロース含有原料をギャップに投入し剪断力を与えて粉砕し、セルロースを非晶化する非晶化セルロースの製造方法であって、一方の部材と他方の部材は、ギャップを形成する面に、相対回転の円周方向と交わる方向にピッチPの間隔で平行に延びる多条の歯が設けられ、一方の部材と他方の部材の歯はギャップを形成する面において互いに交差してピッチPの格子を形成し、一方の部材と他方の部材の少なくとも一方にトルクを伝達して回転させるモータを駆動して、ギャップを介してこれらを相対回転させ、このギャップにセルロース含有原料を投入し、次式のスケールパラメータSp2: Further, the method for producing amorphous cellulose according to the present invention uses one member and the other member that rotate relative to each other through a gap, and puts a cellulose-containing raw material into the gap and applies a shearing force to pulverize the cellulose. A method for producing non-crystalline cellulose, wherein one member and the other member are parallel to each other at a pitch P in a direction intersecting a circumferential direction of relative rotation on a surface forming a gap. The teeth of the strips are provided, and the teeth of one member and the other member intersect each other on the surface forming the gap to form a lattice of pitch P, and transmit torque to at least one of the one member and the other member. And rotating them relative to each other through a gap. A cellulose-containing raw material is introduced into the gap, and a scale parameter S p2 of the following formula:
(ここでW*はモータの消費電力(W)、R2は粉砕部の外半径(m)、R1は相対回転の中心から粉砕部までの内半径(m)、ωは相対回転の回転数(rpm)を示す。)が300以上、かつギャップ10μm以下の条件で剪断力を与えて粉砕し、セルロースを非晶化することを特徴としている。 (W * is the motor power consumption (W), R 2 is the outer radius (m) of the grinding part, R 1 is the inner radius (m) from the center of the relative rotation to the grinding part, and ω is the rotation of the relative rotation. The number (rpm) is 300 or more and a gap is 10 μm or less.
本発明によれば、セルロース含有原料を簡便かつ短時間で効率的に非晶化することができる。 According to the present invention, a cellulose-containing raw material can be amorphized simply and efficiently in a short time.
以下に、本発明を詳細に説明する。 The present invention is described in detail below.
本発明者らは、上臼と下臼の間のギャップにセルロース含有原料を投入し、これらの相対回転によって剪断力を与えて粉砕することで、セルロースを短時間で非晶化(アルファ化)させる非特許文献1の技術を詳細に検討した。単にギャップを設けて剪断粉砕しても、非晶化は起こりにくい。ところが、ギャップを形成する面の構造の詳細や、回転駆動するパワー等の因子との相関について検討を進めたところ、非晶化が起こるのに適した条件を見出し本発明を完成するに至った。
The inventors put a cellulose-containing raw material into the gap between the upper die and the lower die, and pulverized the cellulose by applying a shearing force by the relative rotation thereof, thereby making the cellulose amorphous (alpha-ized) in a short time. The technique of Non-Patent
本発明において、セルロース含有原料としては、ヒノキ、スギ、ブナ、竹などの木質材などを用いることができ、紙や草などのいわゆるソフトセルロースも用いることができる。 In the present invention, as the cellulose-containing raw material, wood materials such as cypress, cedar, beech and bamboo can be used, and so-called soft cellulose such as paper and grass can also be used.
また、セルロース含有原料としては、セルロース単体、例えば市販の結晶性セルロースも用いることができる。市販の結晶性セルロースのセルロースI型結晶化度は、通常80%以上である。なお、ここでセルロースI型結晶化度は、X線回折法による回折強度値からSegal法により算出したもので、次式により定義される。
セルロースI型結晶化度(%)=〔(I 22.6−I 18.5)/I 22.6〕×100
ここでI 22.6は、X線回折における格子面(002面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度、I 18.5は、アモルファス部(回折角2θ=18.5°)の回折強度を示す。
Moreover, as a cellulose containing raw material, a cellulose simple substance, for example, commercially available crystalline cellulose, can also be used. The cellulose I type crystallinity of commercially available crystalline cellulose is usually 80% or more. Here, the cellulose I-type crystallinity is calculated by the Segal method from the diffraction intensity value by the X-ray diffraction method, and is defined by the following equation.
Cellulose type I crystallinity (%) = [(I 22.6−I 18.5) / I 22.6] × 100
Here, I 22.6 represents the diffraction intensity of the lattice plane (002 plane) (diffraction angle 2θ = 22.6 °) in X-ray diffraction, and I 18.5 represents the diffraction intensity of the amorphous portion (diffraction angle 2θ = 18.5 °).
本発明で用いるセルロース含有原料のセルロースI型結晶化度は、50%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましい。本発明によればこのような結晶性の高いセルロース含有原料の結晶化度を大幅に低減することができる。 The cellulose I-type crystallinity of the cellulose-containing raw material used in the present invention is preferably 50% or more, and more preferably 70% or more. According to the present invention, the crystallinity of the cellulose-containing raw material having such high crystallinity can be greatly reduced.
これらのセルロース含有原料の形態は、特に限定はなく、チップ状、繊維状、粒状、粉末状など各種形態のものが使用できる。セルロース含有原料として木質片を用いる場合、その大きさとしては、例えばチップ状のものの場合で2〜5mm角が好ましい。これにより粉砕を効率良く容易に行うことができる。 The form of these cellulose-containing raw materials is not particularly limited, and various forms such as chips, fibers, granules, and powders can be used. When using a wood piece as the cellulose-containing raw material, the size is preferably 2 to 5 mm square in the case of a chip-like material, for example. Thereby, grinding can be performed efficiently and easily.
本発明に用いられるセルロース含有原料は、水を除いた残余の成分中のセルロース含有量(セルロースおよびヘミセルロースの合計量)が好ましくは20質量%以上、より好ましくは40質量%以上である。このような範囲のものを用いると非晶化セルロールを効率良く製造することができる。 In the cellulose-containing raw material used in the present invention, the cellulose content (total amount of cellulose and hemicellulose) in the remaining components excluding water is preferably 20% by mass or more, more preferably 40% by mass or more. When a material in such a range is used, an amorphous cellulose roll can be produced efficiently.
セルロース含有原料中の水分含有量は、0.5〜20質量%が好ましい。セルロース含有原料中の水分含有量がこの範囲内であれば、容易に粉砕できるとともに、粉砕処理によりセルロース結晶化度を容易に低下させることができる。 The water content in the cellulose-containing raw material is preferably 0.5 to 20% by mass. If the water content in the cellulose-containing raw material is within this range, it can be easily pulverized and the crystallinity of cellulose can be easily reduced by pulverization.
なお、原料から水を除く方法としては、特に限定はなく、例えば、真空乾燥やドライエアーによる乾燥などを適用することができる。 In addition, there is no limitation in particular as a method of removing water from a raw material, For example, vacuum drying, drying by dry air, etc. are applicable.
本発明では、ギャップを介して相対回転する一方の部材と他方の部材とを用いて、セルロース含有原料をギャップに投入し剪断力を与えて粉砕し、セルロースを非晶化する。 In the present invention, using one member and the other member that rotate relative to each other through the gap, the cellulose-containing raw material is put into the gap and is pulverized by applying a shearing force to make the cellulose amorphous.
図1は、本発明の方法に用いられる一方の部材と他方の部材の一部を模式的に示した図であり、(a)は縦断面図、(b)はギャップを形成する面において一方の部材と他方の部材の歯が交差して格子を形成した状態を示した図である。図2は、粉砕部とその内半径R1および外半径R2を説明する図である。 1A and 1B are diagrams schematically showing one member and a part of the other member used in the method of the present invention, wherein FIG. 1A is a longitudinal sectional view, and FIG. It is the figure which showed the state which the tooth | gear of the member and the other member cross | intersected, and formed the grating | lattice. FIG. 2 is a diagram for explaining the pulverized portion and its inner radius R 1 and outer radius R 2 .
この例では一方の部材Aとして上臼2、他方の部材Bとして下臼3を用いている。後述のように一方の部材Aは固定され、他方の部材Bはモータによる駆動によって回転するようになっている。
In this example, an
図1(a)に示すように、一方の部材Aは、間隔Δのギャップ4を形成する面21に、一方の部材Aと他方の部材Bとの相対回転の円周方向と交わる方向にピッチPの間隔で平行に延びる多条の歯24が溝25を介して設けられている。
As shown in FIG. 1 (a), one member A has a pitch in a direction intersecting the circumferential direction of relative rotation between one member A and the other member B on a
他方の部材Bも、ギャップ4を形成する面31に、一方の部材Aと他方の部材Bとの相対回転の円周方向と交わる方向にピッチPの間隔で平行に延びる多条の歯34が溝35を介して設けられている。
The other member B also has a plurality of
図1(b)に示すように、一方の部材Aの歯24と他方の部材Bの歯34は、ギャップ4を形成する面において交差してピッチPの格子を形成している。
As shown in FIG. 1B, the
このピッチPの格子は、例えば、平行四辺形であり、平行四辺形の角度は、鋭角が好ましくは45度以上90度未満、より好ましくは50〜80度の範囲内である。 The lattice of the pitch P is, for example, a parallelogram, and the angle of the parallelogram is preferably an acute angle of 45 degrees or more and less than 90 degrees, more preferably 50 to 80 degrees.
格子のピッチPは、好ましくは0.5〜5mmの範囲内である。ここで一方の部材Aと他方の部材BのピッチPは、次のように定義される。一方の部材Aと他方の部材Bのピッチが等しい場合はこれをピッチPとし、異なる場合は、短い方をピッチP1とし、長い方のピッチP2とし、P=(P1P2)1/2とする。ピッチP2は、ピッチP1の1.5倍以内、好ましくは1.2倍以内、より好ましくは1.1倍以内である。 The pitch P of the grating is preferably in the range of 0.5 to 5 mm. Here, the pitch P between one member A and the other member B is defined as follows. When the pitch of one member A and the other member B is equal, this is set as the pitch P, and when they are different, the shorter one is set as the pitch P 1 and the longer pitch P 2 is set, P = (P 1 P 2 ) 1 / 2 . The pitch P 2 is within 1.5 times the pitch P 1 , preferably within 1.2 times, more preferably within 1.1 times.
そして他方の部材Bにトルクを伝達して回転させるモータを駆動して、ギャップ4を介してこれらを相対回転させ、このギャップ4にセルロース含有原料を投入する。
Then, a motor for transmitting and rotating the torque to the other member B is driven to rotate them relative to each other through the
ギャップ4に投入されたセルロース含有原料は、図2の粉砕部20、すなわち一方の部材Aと他方の部材Bとの相対回転によって剪断が行われる領域にて粉砕される。
(実施形態1:スケールパラメータSp1)
そして次のスケールパラメータSp1が2以上、かつギャップ4が10μm以下の条件で剪断力を与えて粉砕すると、セルロースの結晶化度を大幅に低減することができる。
The cellulose-containing raw material charged into the
(Embodiment 1: Scale parameter S p1 )
When the next scale parameter S p1 is 2 or more and the
ここでW*はモータの消費電力(W)、Pは格子のピッチ(mm)、ωは相対回転の回転数(rpm)を示す。 Here, W * is the power consumption (W) of the motor, P is the pitch of the grid (mm), and ω is the rotational speed (rpm) of the relative rotation.
スケールパラメータSp1におけるセルロースの非晶化との技術的な相関について以下に説明する。 A technical correlation with cellulose amorphization at the scale parameter S p1 will be described below.
粉(セルロース含有原料)の粘性に対してなされる単位時間あたりの仕事量をWとする。このWに、上臼2の歯24と下臼3の歯34が形成する格子模様の格子の密度を積算したものが、実際に必要とされ測定されるパワーW*であると仮定する。格子の密度をP-2で評価することにより、次のようになる。
The amount of work per unit time that is performed on the viscosity of the powder (cellulose-containing raw material) is defined as W. It is assumed that the power W * that is actually required and measured is obtained by integrating the density of the lattice pattern formed by the
ただしC1は比例定数である。 C 1 is a proportionality constant.
そしてセルロースの非晶化は、粉になされる総仕事量Wtotが因子になると推定される。この総仕事量Wtotは、パワーW*と粉の滞留時間tとの積に比例する。 And it is presumed that the amorphous work of cellulose is caused by the total work W tot made into the powder. This total work W tot is proportional to the product of the power W * and the powder residence time t.
粉の滞留時間tはピッチPを短くすると大きくなり、これがP-2に比例すると仮定する。さらに、tは回転数ωにも依存する。その依存性をω-1とすると、粉になされるトータルの仕事、すなわち、非晶化のために粉になされる総仕事量Wtotは、次のようになる。 It is assumed that the powder residence time t increases as the pitch P is shortened and is proportional to P −2 . Furthermore, t also depends on the rotational speed ω. Assuming that dependency is ω −1 , the total work to be performed on the powder, that is, the total work W tot to be performed on the powder for non-crystallization is as follows.
ただしC2は比例定数である。 However C 2 is a proportionality constant.
このように、未知の比例定数C2が装置によって大きく変動しないと仮定すると、前記のスケールパラメータSp1は非晶化の制御と相関している。 Thus, assuming that the unknown proportionality constant C 2 is not changed significantly by the apparatus, the scale parameter S p1 of the correlates with control of the amorphized.
そしてギャップが10μm以下であると、粉砕中に消費電力による負荷が十分に掛かり、非晶化することができる。 When the gap is 10 μm or less, the load due to power consumption is sufficiently applied during pulverization, and the amorphous state can be obtained.
スケールパラメータSp1は、2以上で上限は特に限定されないが、電力消費を抑える点などを考慮すると、2〜20の範囲内が好ましい。 The scale parameter Sp1 is 2 or more and the upper limit is not particularly limited, but it is preferably in the range of 2 to 20 in consideration of the point of suppressing power consumption.
(実施形態2:スケールパラメータSp2)
また次のスケールパラメータSp2が300以上、かつギャップ4が10μm以下の条件で剪断力を与えて粉砕すると、セルロースの結晶化度を大幅に低減することができる。
(Embodiment 2: Scale parameter Sp2 )
Further, when pulverizing by applying a shearing force under the condition that the next scale parameter Sp2 is 300 or more and the
ここでW*はモータの消費電力(W)、R2は粉砕部の外半径(m)、R1は相対回転の中心から粉砕部までの内半径(m)、ωは相対回転の回転数(rpm)を示す。 Where W * is the motor power consumption (W), R 2 is the outer radius (m) of the grinding part, R 1 is the inner radius (m) from the center of the relative rotation to the grinding part, and ω is the rotational speed of the relative rotation. (Rpm).
スケールパラメータSp2におけるセルロースの非晶化との技術的な相関について以下に説明する。 A technical correlation with cellulose amorphization at the scale parameter S p2 will be described below.
粉砕部(臼)の面積要素dS を占める粉(セルロース含有原料)が受ける力dsが、 The force ds received by the powder (cellulose-containing raw material) occupying the area element dS of the pulverized part (mortar)
で与えられると仮定する。ただし、hは見かけの粘度、rは極座標表示における原点からの距離である。極座標表示における角度をqとすると、dS=r dq dr である。hはピッチPを短くすると大きくなり、hがP-2に比例すると仮定すれば、面積要素 dS を占める粉が単位時間に受ける仕事 dW は、 Suppose that Here, h is the apparent viscosity, and r is the distance from the origin in polar coordinate display. If the angle in the polar coordinate display is q, dS = r dq dr. Assuming that h becomes larger when pitch P is shortened and h is proportional to P -2 , the work dW that the powder occupying area element dS receives per unit time is
となる。ただし、C3は比例定数である。単位時間に臼がする仕事W*は臼上でdWを積分することにより、 It becomes. However, C 3 is a proportional constant. The work W * that the mortar performs per unit time is obtained by integrating dW on the mortar.
となる。これが実際に必要とされ測定されるパワーW*であると仮定する。 It becomes. Suppose this is the power W * that is actually needed and measured.
そしてセルロースの非晶化は、臼上の面積要素dSを占める粉が臼の内周から外周に向けて移動する際になされる総仕事量Wtotが因子になると推定される。Wtotは、粉が受ける力と、移動する距離の積となるため、 Then, it is estimated that the amorphous work of cellulose is caused by the total work W tot that is performed when the powder occupying the area element dS on the die moves from the inner periphery to the outer periphery of the die. W tot is the product of the force received by the powder and the distance traveled.
となる。これらの式を比較すると、総仕事量Wtot は、実際に測定されるパワーW*によって、 It becomes. Comparing these equations, the total work W tot is calculated by the actual measured power W *
で表される。ただしC4は比例定数である。 It is represented by C 4 is a proportionality constant.
このように、未知の比例定数C4が装置によって大きく変動しないと仮定すると、前記のスケールパラメータSp2は非晶化の制御と相関している。 As described above, assuming that the unknown proportionality constant C 4 does not vary greatly depending on the apparatus, the scale parameter S p2 correlates with the control of the amorphization.
そしてギャップが10μm以下であると、粉砕中に消費電力による負荷が十分に掛かり、非晶化することができる。 When the gap is 10 μm or less, the load due to power consumption is sufficiently applied during pulverization, and the amorphous state can be obtained.
スケールパラメータSp2は、300以上で上限は特に限定されないが、電力消費を抑える点などを考慮すると、300〜3000の範囲内が好ましい。 The scale parameter Sp2 is 300 or more and the upper limit is not particularly limited, but it is preferably in the range of 300 to 3000 in view of the point of suppressing power consumption.
上記の実施形態1および実施形態2において、相対回転の回転数ωは、好ましくは50〜380rpm、より好ましくは50〜190rpmである。このような範囲内にすると、ギャップ4に投入されたセルロース含有原料が固定の上臼2と回転する下臼3との間で受ける剪断速度を適切なものとすることができる。
In
剪断処理の時間は、特に限定されないが、結晶化度を低下させる観点から、例えば0.01〜10hrで剪断処理を行うことができる。しかしながら、本発明では特許文献1、2のようなボールミルなどを用いた技術に比べても著しく短い処理時間で剪断処理を行うことができ、典型的には10〜60秒程度で行うことができる。
Although the time of a shearing process is not specifically limited, From a viewpoint of reducing a crystallinity degree, a shearing process can be performed in 0.01 to 10 hours, for example. However, in the present invention, the shearing process can be performed in a remarkably short processing time as compared with the technique using a ball mill or the like as in
本発明により得られる非晶化セルロースの結晶化度は、工業材料などの利用を考慮すると、50%未満が好ましく、45%以下がより好ましく、30%以下がさらに好ましく、20%以下が特に好ましい。 The degree of crystallinity of the amorphous cellulose obtained by the present invention is preferably less than 50%, more preferably 45% or less, even more preferably 30% or less, and particularly preferably 20% or less in consideration of utilization of industrial materials and the like. .
本発明により得られる非晶化セルロース含有の粉砕物の平均粒径は、例えば10〜40μmである。 The average particle size of the non-crystalline cellulose-containing pulverized product obtained by the present invention is, for example, 10 to 40 μm.
また本発明の粉砕処理を行った非晶化試料は、未処理や加熱粉砕の試料と比較し、明らかに糖化特性が向上する。従って、本発明の粉砕処理を行った非晶化試料は、バイオエタノールを製造する上で重要な糖化特性にも優れている。従来の糖化はセルロースを有機溶媒などで処理することでセルロースの結晶化度を低減させ、糖化性を上げているが、本発明の非晶化技術は、温度制御された条件下で粉砕するだけで糖化性を向上させることもできる。 In addition, the non-crystallized sample subjected to the pulverization treatment of the present invention clearly improves the saccharification characteristics as compared with the untreated sample and the heat pulverized sample. Therefore, the non-crystallized sample which performed the grinding | pulverization process of this invention is excellent also in the saccharification characteristic important in manufacturing bioethanol. In conventional saccharification, cellulose is treated with an organic solvent to reduce the crystallinity of cellulose and increase saccharification, but the amorphous technology of the present invention only pulverizes under temperature-controlled conditions. It is possible to improve saccharification.
本発明により得られる非晶化セルロースは、バイオエタノール、食品、プラスチック添加剤など、幅広い産業分野においての利用が期待できる。 Amorphous cellulose obtained by the present invention can be expected to be used in a wide range of industrial fields such as bioethanol, food, and plastic additives.
図3は、本発明の方法を実施するためのセルロース非晶化装置の一例を模式的に示した図(上が上面図、下が側面図)、図4は、図3のセルロース非晶化装置の臼の部分の縦断面図である。 FIG. 3 is a diagram schematically showing an example of a cellulose amorphization apparatus for carrying out the method of the present invention (the top is a top view and the bottom is a side view), and FIG. 4 is the cellulose amorphization of FIG. It is a longitudinal cross-sectional view of the mortar part of an apparatus.
このセルロース非晶化装置1は、固定設置される上臼2(一方の部材A)と、この上臼2との間に所定のギャップ4を介して回転可能に設けられる下臼3(他方の部材B)とを有する。これらの上臼2と下臼3は、図1の一方の部材Aと他方の部材Bに相当する。
The
上臼2は中心にセルロース含有原料を投入する原料投入口5を有してリング状に形成されている。原料投入口5は、上臼2の底面においてギャップ4に通じている。下臼3は上臼2と略同一の外径を有する円盤形状に形成されている。
The
下臼3はモータ40により所定速度で回転駆動される。コンピュータ60はモータ制御ケーブル41を介してモータ制御信号をモータ40に与え、モータ40による下臼3の回転数を制御する。上臼2と下臼3との間のギャップ4はギャップ調整部7によって調整可能であり、セルロース含有原料や処理後に得るべき所望の粉体の大きさなどに応じて10μm以下の範囲内で設定することができる。
The
上臼2と下臼3の材料は、特に限定されないが、金属などの熱伝導性の良い材料を用いると温度制御が容易になる。
The material of the
図4に示すように、上臼2は、原料投入口5に臨む内面22から底面(図1のギャップ4を形成する面)21に至る原料通路23が断面視においてテーパ状、平面視においては螺旋状に形成されている。
As shown in FIG. 4, the
原料投入口5の下端部には、テーパ状の原料通路23によって拡大された収容部6が形成されているので、原料投入口5に投入されたセルロース含有原料はギャップ4に入り込んで剪断粉砕される直前にこの収容部6に入り込み、上臼2からの伝熱によって加熱または冷却される。
Since the
なお、粉砕部20の外半径R2および相対回転の中心から粉砕部20までの内半径R1は図4に示す範囲が相当する。
The outer radius R 2 of the pulverizing part 20 and the inner radius R 1 from the center of relative rotation to the pulverizing
図1(a)に示すように、上臼2の底面である間隔Δのギャップ4を形成する面21には、一方の部材Aと他方の部材Bとの相対回転の円周方向と交わる方向にピッチPの間隔で平行に延びる多条の歯24が溝25を介して設けられている。
As shown in FIG. 1A, the
下臼3の上面であるギャップ4を形成する面31には、一方の部材Aと他方の部材Bとの相対回転の円周方向と交わる方向にピッチPの間隔で平行に延びる多条の歯34が溝35を介して設けられている。
On the
図1(b)に示すように、一方の部材Aの歯24と他方の部材Bの歯34は、ギャップ4を形成する面において交差してピッチPの格子を形成している。
As shown in FIG. 1B, the
なお、上臼2のギャップ4を形成する面21と下臼3のギャップ4を形成する面31は、剪断粉砕により得られた非晶化セルロースを含む粉体をギャップ4の側方から容易に回収することなどを目的として、中心からギャップ4の側方に向けてやや下方に傾斜していてもよい。
In addition, the
上臼2と下臼3の下方には、これらの外径より十分に大きな内径を有する受け皿8が設けられている。受け皿8の底面には落下口9が開口しており、このセルロース非晶化装置1による処理後の非晶化セルロースを受け皿8から落下させ、さらに落下シュート10を経て所定の容器(図示せず)などに収容させるようにしている。
Below the
このセルロース非晶化装置1による剪断粉砕時の温度は、次のような温度制御手段によって制御することができる。例えば、上臼2と略同一の外径寸法を有すると共に原料投入口5と略同径の開口を有するリング状に形成されたヒータ50を用いて、温度コントローラにより設定された温度に上臼2を加熱することができる。また、臼内に不図示の恒温槽により温度制御された水または不凍液を循環させることで、上臼2を除熱または冷却することができる。
The temperature at the time of shear pulverization by the
また、臼部を高精度に温度制御するために、上臼2に設けられたヒータ50に代えて、ほぼ同形状(リング状)のペルチェ素子を設置することでペルチェ式の温度制御装置を構成することができ、これにより例えば-20℃から120℃まで高精度な温度制御が可能となる。
In addition, in order to control the temperature of the mortar portion with high accuracy, a Peltier temperature control device is configured by installing a Peltier element having substantially the same shape (ring shape) instead of the
次に、このセルロース非晶化装置1を用いて行うセルロース非晶化処理について説明する。まず、ギャップ調整部7を介して上臼2と下臼3との間のギャップ4を、セルロース含有原料や処理後の粉砕物の大きさなどに応じて適宜に調整する。
Next, the cellulose amorphization process performed using this
また、前記したような温度制御手段によって、その熱伝導によって上臼2を温度制御する。例えば、セルロース含有原料を-5〜40℃の温度条件下で剪断力を与えて粉砕することで、セルロースを非晶化(アルファ化)することができる。
Further, the temperature control means as described above controls the temperature of the
そしてコンピュータ60によって制御された回転数で、電力によりモータ40が駆動され、所定の剪断速度を与えるように下臼3を回転させる。
Then, the
次に、セルロース含有原料を原料投入口5に投入して処理を開始する。セルロース含有原料は原料投入口5を通過し、さらに原料通路23から収容部6までを通過する間に前記したような温度制御手段による設定温度に制御され、その直後に、下臼3との間のギャップ4に送り込まれ、固定した上臼2と回転する下臼3との間で剪断力を受けて粉砕される。
Next, the cellulose-containing raw material is charged into the raw
剪断粉砕によって得られた非晶化セルロースを含む粉体は、ギャップ4の側方から放出されて受け皿8に収容され、落下口9および落下シュート10を経て所定の容器(図示せず)に回収される。
The powder containing amorphous cellulose obtained by shear pulverization is discharged from the side of the
以上に、実施形態に基づき本発明について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。 Although the present invention has been described above based on the embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
例えば、図3および図4の実施形態では、一方の部材と他方の部材が、ギャップを形成する面として平面を有する上臼と下臼であり、ギャップに通じる原料投入口からセルロース含有原料をギャップに投入して剪断力を与えて粉砕し、得られた非晶化セルロースを含む粉体をギャップの側方から回収する装置構成を示したが、図3および図4に示す装置構成は本発明の方法を実施するために使用し得る一例にすぎず、本発明の方法を実施することができるものであれば他のいかなる装置を使用してもよい。 For example, in the embodiment of FIGS. 3 and 4, one member and the other member are an upper die and a lower die having a plane as a surface forming the gap, and the cellulose-containing raw material is gapd from the raw material input port leading to the gap. The apparatus configuration in which the obtained powder containing amorphous cellulose is collected from the side of the gap is shown in FIG. 3 and FIG. It is only an example that can be used to implement the method of the present invention, and any other device that can perform the method of the present invention may be used.
例えば、装置的に制御された回転数で定常的に相対回転する一方の部材と他方の部材を用いて、ギャップを形成する面に、ピッチPの格子を形成する多条の歯を設け、これらの部材の間のギャップに導入したセルロース含有原料に剪断力を付与する構成であれば、スケールパラメータSp1、Sp2とギャップを特定の範囲内にすることで効率の良い非晶化が可能となる。例えば、一方の部材と他方の部材として、図3および図4の実施形態で使用した臼の他、同心で配置した小径の円筒形または円柱形部材と大径の円筒形部材等を用いることができる。 For example, by using one member and the other member that constantly rotate relative to each other at the rotational speed controlled by the apparatus, a plurality of teeth that form a lattice with a pitch P are provided on the surface on which the gap is formed. If the cellulose-containing raw material introduced into the gap between the members is configured to give a shearing force, it is possible to achieve efficient amorphousization by setting the scale parameters S p1 and S p2 and the gap within a specific range. Become. For example, as one member and the other member, in addition to the mortar used in the embodiment of FIGS. 3 and 4, a small-diameter cylindrical or columnar member and a large-diameter cylindrical member that are concentrically arranged may be used. it can.
以下に、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
<実施例1〜3、比較例1〜3>
セルロースの非晶化については、剪断粉砕後のサンプルの広角X線回折の測定結果を指標として評価し、図5に示すように、結晶に由来する複数の回折ピークが現れない場合は○、結晶に由来する複数の回折ピークが現れる場合は×として評価した。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
<Examples 1-3, Comparative Examples 1-3>
Regarding the amorphization of cellulose, the measurement result of the wide-angle X-ray diffraction of the sample after shear pulverization was evaluated as an index. As shown in FIG. 5, when a plurality of diffraction peaks derived from crystals do not appear, In the case where a plurality of diffraction peaks derived from 現 れ る appeared, it was evaluated as x.
剪断粉砕後のサンプルのX線回折強度は、株式会社リガク製の「RINTRAPID」を用いて以下の条件で測定した。
X線源:Cu/Kα-radiation
管電圧:40kV
管電流:30mA
照射時間:1200s
ヒノキの木片や、市販の高純度結晶性セルロース繊維(レッテンマイヤー社製B600、結晶化度85〜87%)を原料に用いて、図1〜図4に示した構成のセルロース非晶化装置1を用いて剪断処理を行った。
The X-ray diffraction intensity of the sample after shear pulverization was measured under the following conditions using “RINTRAPID” manufactured by Rigaku Corporation.
X-ray source: Cu / Kα-radiation
Tube voltage: 40kV
Tube current: 30mA
Irradiation time: 1200s
使用したセルロース非晶化装置1において、上臼2、下臼3はいずれも外径寸法が90mm(半径45mm)であり、その中心に口径34mmの原料投入口5を有する。
In the
上臼2のテーパ状の原料通路23は内面22から30mmの範囲に亘って形成されている(図4)。
The tapered
臼間のギャップ4は10μmに設定し、粉砕温度10℃で剪断処理を行った。下臼3の回転数はモータ電力に応じて50〜400rpmとし、上臼2と下臼3のピッチPは2mmとした。
The
モータの電力W*は、電圧Vと電流Iより次式から算出した。 The motor power W * was calculated from the voltage V and current I using the following equation.
なお、力率cosθは、80%(0.8)として計算した。ここでVは3相モータの1つのリード線の電圧を交流電圧計またはそれと同等のものにて測定した値、Iは3相モータの1つのリード線の電流を交流電圧計またはそれと同等のものにて測定した値である。各電圧および電流の測定には、GOOD WILL INSTRUMENT社製GDN8255Aを用いた。 The power factor cos θ was calculated as 80% (0.8). Where V is the voltage measured on one lead wire of a three-phase motor with an AC voltmeter or equivalent, and I is the current of one lead wire of a three-phase motor on an AC voltmeter or equivalent. It is the value measured by. GDN8255A manufactured by GOOD WILL INSTRUMENT was used for measurement of each voltage and current.
原料投入口より1回で投入するセルロース含有原料の量を0.6〜0.7g程度、1分当たりの投入回数を6〜7回とし、これにより1時間当たりの投入量を216g〜294gとした。 The amount of cellulose-containing raw material introduced at one time from the raw material introduction port was about 0.6 to 0.7 g, and the number of times of introduction per minute was 6 to 7 times, whereby the amount of introduction per hour was 216 g to 294 g.
スケールパラメータSp1と非晶化の程度の結果を表1に示す。 Table 1 shows the results of the scale parameter S p1 and the degree of amorphization.
表1より、スケールパラメータSp1が2未満の条件で剪断粉砕を行った比較例1〜3では、回折ピークに大きな変化は見られず未処理の場合と同様の高い結晶性を示した。ところが、スケールパラメータSp1が2以上の条件で剪断粉砕を行った実施例1〜3の条件では、回折ピークが著しく減少し低結晶性を示すことが分かった。 From Table 1, in Comparative Examples 1 to 3 in which the shear pulverization was performed under the condition where the scale parameter Sp1 was less than 2, no significant change was observed in the diffraction peak, and the same high crystallinity as in the case of untreated was shown. However, it was found that, under the conditions of Examples 1 to 3 in which the shear pulverization was performed under the condition where the scale parameter Sp1 was 2 or more, the diffraction peak was remarkably reduced and low crystallinity was exhibited.
以上より、スケールパラメータSp1が2以上で粉砕することによりセルロース結晶化度を著しく減少できることが分かった。
<実施例4、5、比較例4〜7>
下臼の回転数を実施例3と同様に180rpmに設定し、臼間のギャップは0〜50μmの範囲で設定した。それ以外は実施例3と同様の条件にて粉砕処理を行った。
From the above, it was found that cellulose crystallinity can be remarkably reduced by grinding with a scale parameter Sp1 of 2 or more.
<Examples 4 and 5 and Comparative Examples 4 to 7>
The rotational speed of the lower die was set to 180 rpm as in Example 3, and the gap between the dies was set in the range of 0 to 50 μm. Otherwise, the pulverization was performed under the same conditions as in Example 3.
スケールパラメータSp1と非晶化の程度の結果を表2に示す。 Table 2 shows the results of the scale parameter S p1 and the degree of amorphization.
表2において、ギャップが0、10μm、50μmのものについては、前記の広角X線回析の測定結果から非晶化の程度を確認している。その他、すなわち20〜40μmについては、見た目で粉砕中に負荷が掛からず排出されていると判断されたため、非晶化の程度は、未処理のものと同じ×とした。 In Table 2, for the gaps of 0, 10 μm, and 50 μm, the degree of amorphization was confirmed from the measurement results of the wide-angle X-ray diffraction. In other cases, that is, about 20 to 40 μm, it was judged that it was discharged without applying a load during pulverization. Therefore, the degree of non-crystallization was the same as that of the untreated one.
表2より、ギャップを10μm以下にすることでセルロース含有原料に十分な負荷が掛かるようになり、スケールパラメータSp1を2以上とした条件においてセルロース結晶化度を著しく減少できることが分かった。 From Table 2, it was found that by setting the gap to 10 μm or less, a sufficient load is applied to the cellulose-containing raw material, and the crystallinity of cellulose can be remarkably reduced under the condition where the scale parameter Sp1 is 2 or more.
以上のように、ギャップを形成する面に、相対回転の円周方向と交わる方向に平行に延びる多条の歯を設け、ギャップを形成する面において上臼と下臼の歯を互いに交差させてピッチPの格子を形成するようにし、そして粉の粘性に対してなされる仕事量と相関するスケールパラメータSp1と、粉に負荷を与えるためのギャップを特定の範囲内にすることで、セルロースの非晶化が可能になることが分かった。
<実施例6〜9、比較例8〜9>
セルロースの非晶化については、剪断粉砕後のサンプルの広角X線回折の測定結果を指標として評価し、図5に示すように、結晶に由来する複数の回折ピークが現れない場合は○、結晶に由来する複数の回折ピークが現れる場合は×として評価した。
As described above, multiple teeth extending parallel to the direction intersecting the circumferential direction of the relative rotation are provided on the surface forming the gap, and the teeth of the upper and lower dies are crossed with each other on the surface forming the gap. By forming a grid of pitch P, and by setting the scale parameter S p1 that correlates with the work done on the viscosity of the powder and the gap for loading the powder within a certain range, It was found that amorphousization becomes possible.
<Examples 6-9, Comparative Examples 8-9>
Regarding the amorphization of cellulose, the measurement result of the wide-angle X-ray diffraction of the sample after shear pulverization was evaluated as an index. As shown in FIG. 5, when a plurality of diffraction peaks derived from crystals do not appear, In the case where a plurality of diffraction peaks derived from 現 れ る appeared, it was evaluated as x.
剪断粉砕後のサンプルのX線回折強度は、株式会社リガク製の「RINTRAPID」を用いて以下の条件で測定した。
X線源:Cu/Kα-radiation
管電圧:40kV
管電流:30mA
照射時間:1200s
ヒノキの木片や、市販の高純度結晶性セルロース繊維(レッテンマイヤー社製B600、結晶化度85〜87%)を原料に用いて、図1〜図4に示した構成のセルロース非晶化装置1を用いて剪断処理を行った。
The X-ray diffraction intensity of the sample after shear pulverization was measured under the following conditions using “RINTRAPID” manufactured by Rigaku Corporation.
X-ray source: Cu / Kα-radiation
Tube voltage: 40kV
Tube current: 30mA
Irradiation time: 1200s
使用したセルロース非晶化装置1において、上臼2、下臼3はいずれも外径寸法が90mm(半径45mm)であり、その中心に口径34mmの原料投入口5を有する。
In the
上臼2のテーパ状の原料通路23は内面22から30mmの範囲に亘って形成されている(図4)。
The tapered
粉砕部20の外半径R2は45mm、相対回転の中心から粉砕部20までの内半径R1は20mmである。
The outer radius R 2 of the grinding
臼間のギャップ4は10μmに設定し、粉砕温度10℃で剪断処理を行った。下臼3の回転数はモータ電力に応じて50〜400rpmとし、上臼2と下臼3のピッチPは2mmとした。
The
ここで、W*は、3相モータに対し日置電機株式会社製 パワーメータ PW-3337を直接測定ラインに接続して測定した。 Here, W * was measured by connecting a power meter PW-3337 manufactured by Hioki Electric Co., Ltd. directly to a measurement line for a three-phase motor.
原料投入口より1回で投入するセルロース含有原料の量を0.6〜0.7g程度、1分当たりの投入回数を6〜7回とし、これにより1時間当たりの投入量を216g〜294gとした。 The amount of cellulose-containing raw material introduced at one time from the raw material introduction port was about 0.6 to 0.7 g, and the number of times of introduction per minute was 6 to 7 times, whereby the amount of introduction per hour was 216 g to 294 g.
スケールパラメータSp2と非晶化の程度の結果を表3に示す。 The results of the degree of scale parameter S p2 and amorphized shown in Table 3.
表3より、スケールパラメータSp2が300未満の条件で剪断粉砕を行った比較例1〜3では、回折ピークに大きな変化は見られず未処理の場合と同様の高い結晶性を示した。ところが、スケールパラメータSp2が300以上の条件で剪断粉砕を行った実施例1〜3の条件では、回折ピークが著しく減少し低結晶性を示すことが分かった。 From Table 3, in Comparative Examples 1 to 3 in which the shear pulverization was performed under the condition where the scale parameter Sp2 was less than 300, a large change was not observed in the diffraction peak, and the same high crystallinity as that in the untreated case was shown. However, it was found that, under the conditions of Examples 1 to 3 in which the shear pulverization was performed under the condition where the scale parameter Sp2 was 300 or more, the diffraction peak was significantly reduced and low crystallinity was exhibited.
以上より、スケールパラメータSp2が300以上で粉砕することによりセルロース結晶化度を著しく減少できることが分かった。
<実施例10、比較例10〜13>
下臼の回転数を実施例8と同様に180rpmに設定し、臼間のギャップは0〜50μmの範囲で設定した。それ以外は実施例8と同様の条件にて粉砕処理を行った。
From the above, it was found that the cellulose crystallinity can be remarkably reduced by grinding with a scale parameter Sp2 of 300 or more.
<Example 10, Comparative Examples 10-13>
The rotational speed of the lower die was set to 180 rpm as in Example 8, and the gap between the dies was set in the range of 0 to 50 μm. Otherwise, the pulverization was performed under the same conditions as in Example 8.
スケールパラメータSp2と非晶化の程度の結果を表4に示す。 The results of the degree of scale parameter S p2 and amorphized shown in Table 4.
表4において、ギャップが10μmまたはそれ以下の臼目盛りのものについては、前記の広角X線回析の測定結果から非晶化の程度を確認している。その他、すなわち20〜50μmについては、見た目で粉砕中に負荷が掛からず排出されていると判断されたため、非晶化の程度は、未処理のものと同じ×とした。 In Table 4, the degree of amorphization was confirmed from the measurement results of the wide-angle X-ray diffraction for those with a graduated scale having a gap of 10 μm or less. In other cases, that is, about 20 to 50 μm, it was judged that it was discharged without applying a load during pulverization. Therefore, the degree of non-crystallization was the same as that of untreated.
表4より、ギャップを10μm以下にすることでセルロース含有原料に十分な負荷が掛かるようになり、スケールパラメータSpを300以上とした条件においてセルロース結晶化度を著しく減少できることが分かった。 From Table 4, it was found that by setting the gap to 10 μm or less, a sufficient load is applied to the cellulose-containing raw material, and the crystallinity of cellulose can be remarkably reduced under the condition where the scale parameter Sp is 300 or more.
以上のように、ギャップを形成する面に、相対回転の円周方向と交わる方向に平行に延びる多条の歯を設け、ギャップを形成する面において上臼と下臼の歯を互いに交差させてピッチPの格子を形成するようにし、そして粉の粘性に対してなされる仕事量と相関するスケールパラメータSp2と、粉に負荷を与えるためのギャップを特定の範囲内にすることで、セルロースの非晶化が可能になることが分かった。 As described above, multiple teeth extending parallel to the direction intersecting the circumferential direction of the relative rotation are provided on the surface forming the gap, and the teeth of the upper and lower dies are crossed with each other on the surface forming the gap. By forming a grid of pitch P and making the gap for loading the powder within a certain range, the scale parameter S p2 correlates with the work done on the viscosity of the powder, It was found that amorphousization becomes possible.
1 セルロース非晶化装置
A 一方の部材
2 上臼
B 他方の部材
3 下臼
4 ギャップ
5 原料投入口
6 収容部
7 ギャップ調整部
8 受け皿
9 落下口
10 落下シュート
20 粉砕部
21 ギャップを形成する面(底面)
22 内面
23 原料通路
24 歯
25 溝
31 ギャップを形成する面(上面)
34 歯
35 溝
40 モータ
41 モータ制御ケーブル
50 ヒータ
60 コンピュータ
DESCRIPTION OF
22
34
Claims (7)
一方の部材と他方の部材は、ギャップを形成する面に、相対回転の円周方向と交わる方向にピッチPの間隔で平行に延びる多条の歯が設けられ、一方の部材と他方の部材の歯はギャップを形成する面において互いに交差してピッチPの格子を形成し、
一方の部材と他方の部材の少なくとも一方にトルクを伝達して回転させるモータを駆動して、ギャップを介してこれらを相対回転させ、このギャップにセルロース含有原料を投入し、次式のスケールパラメータSp1:
One member and the other member are provided with a plurality of teeth extending parallel to each other at a pitch P in the direction intersecting the circumferential direction of the relative rotation on the surface forming the gap. The teeth intersect each other on the surface forming the gap to form a grid with a pitch P,
A motor that transmits and rotates torque to at least one of the one member and the other member is driven to rotate them relative to each other through a gap, and a cellulose-containing raw material is charged into the gap. p1 :
一方の部材と他方の部材は、ギャップを形成する面に、相対回転の円周方向と交わる方向にピッチPの間隔で平行に延びる多条の歯が設けられ、一方の部材と他方の部材の歯はギャップを形成する面において互いに交差してピッチPの格子を形成し、
一方の部材と他方の部材の少なくとも一方にトルクを伝達して回転させるモータを駆動して、ギャップを介してこれらを相対回転させ、このギャップにセルロース含有原料を投入し、次式のスケールパラメータSp2:
One member and the other member are provided with a plurality of teeth extending parallel to each other at a pitch P in the direction intersecting the circumferential direction of the relative rotation on the surface forming the gap. The teeth intersect each other on the surface forming the gap to form a grid with a pitch P,
A motor that transmits and rotates torque to at least one of the one member and the other member is driven to rotate them relative to each other through a gap, and a cellulose-containing raw material is charged into the gap. p2 :
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