JP2019129771A - セルロース含有材料の製造方法およびバイオエタノールの製造方法、ならびに、リグニン含有グリセリンおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、パルプ製造の前処理として、木質チップ等の木質材料を硫酸ナトリウムと水酸化ナトリウムとを主成分とする水溶液に加えて170℃程度で加圧・加熱処理し、リグニンを溶出・分離するクラフトパルプ法が知られている。
特許文献1には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム及び水酸化カルシウムのうちいずれか一つの水酸化物を含み濃度を0.2重量%以上1重量%未満とする水酸化物水溶液によりアルカリ処理するアルカリ処理工程を有する草本系バイオマスの酵素加水分解の前処理方法が開示されている。
また、特許文献2には、リグノセルロース原料を酸処理する酸処理工程と、前記酸処理工程の反応物を固液分離する固液分離工程と、前記固液分離工程の残渣を湿式粉砕処理する粉砕処理工程とを含むリグノセルロースの前処理方法が開示されている。
また、特許文献3の方法においても、リグニンの分解効率が十分とは言えず、更なる改善の余地があった。
かかる状況下、環境負荷が少ないセルロース含有材料やバイオエタノールの新たな製造方法が求められていた。
本発明は、このような実情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、環境負荷が少ないセルロース含有材料の製造方法およびバイオエタノールの製造方法を提供することである。
<2> 前記溶媒が、グリセリン、ジエチレングリコール及びトリエチレングリコールからなる群から選択される1種以上を含む<1>に記載の製造方法。
<3> 前記混合液が、副生グリセリンと前記木質材料とを混合したものである<1>または<2>に記載の製造方法。
<4> 前記脱リグニン工程(A)を常圧で行う<1>から<3>のいずれかに記載の製造方法。
<5> 前記脱リグニン工程(A)において、230℃以上300℃以下で加熱を行う<1>から<4>のいずれかに記載の製造方法。
<6> 前記脂肪酸類が、下記式(M1)で表される脂肪酸塩である<1>から<5>のいずれかに記載の製造方法。
R−COO−M 式(M1)
(前記式(M1)中、Rは、炭素数2以上の一価の飽和炭化水素基または炭素数2以上の一価の不飽和炭化水素基を示し、Mは、金属原子を示す。)
<7> <1>から<6>のいずれかに記載の製造方法により得られたセルロース含有材料を用いてバイオエタノールを製造するバイオエタノールの製造方法。
<9> 脂肪酸類とグリセリンと木質原料とを含む混合液を加熱して、前記木質原料に含まれるリグニンを前記グリセリン中に抽出する脱リグニン工程(a)と、前記脱リグニン工程(a)後に、前記木質原料から抽出されたリグニンと前記脂肪酸類と前記グリセリンとを含むリグニン含有グリセリンと、セルロース含有材料とに分離する固液分離工程(b)とを有し、前記混合液が、前記溶媒100質量部に対して、前記脂肪酸類を10質量部以上100質量部以下含むものであるリグニン含有グリセリンの製造方法。
本発明は、脂肪酸類と溶媒と木質原料とを含む混合液を加熱して、前記木質原料に含まれるリグニンを前記溶媒中に抽出する脱リグニン工程(A)と、前記脱リグニン工程(A)後に、木質原料から抽出されたリグニンと脂肪酸類と溶媒とを含む溶液と、セルロース含有材料とに分離する固液分離工程(B)とを有し、前記混合液が、溶媒100質量部に対して、脂肪酸類を10質量部以上100質量部以下含む混合液であるセルロース含有材料の製造方法(以下、「本発明のセルロース含有材料の製造方法」と称する場合がある。)に関する。
また、加熱後、混合溶液中の液体成分は、抽出されたリグニンと脂肪酸類と溶媒とを含み、セルロース含有材料(脱リグニンされた木質原料)は固体成分となるため、固液分離することで、セルロース含有材料を得ることができる。
脂肪酸類を触媒とすることにより、水酸化ナトリウム(NaOH)や硫化ナトリウム(Na2S)のような毒性の高い触媒を用いる従来法に比べて、環境負荷の少ない製造方法とすることができる。また、強酸や強塩基を使用しないため、耐酸性や耐アルカリ性の容器を使用する必要がなく、特別な設備が必要ないという利点も有する。
本発明のセルロース含有材料の製造方法において、脱リグニン工程(A)は、脂肪酸類と溶媒と木質原料とを含む混合液を加熱して、前記木質原料に含まれるリグニンを前記溶媒中に抽出する工程である。また、脱リグニン工程(A)において加熱される混合液は、溶媒100質量部に対して、脂肪酸類を10質量部以上100質量部以下含むものである。
混合液中で木質原料を加熱することで木質原料に含まれるリグニンは抽出される。このとき、リグニンは高分子量を維持した状態で抽出されても、リグニン分解物として抽出されてもよい。
用いられる混合液は、上述の通り、脂肪酸類と溶媒と木質原料とを含む溶液であり、溶媒100質量部に対して、脂肪酸類を10質量部以上100質量部以下含むものである。
脂肪酸類の量は少なすぎると、木質原料からリグニンが抽出されず、多すぎると溶液の粘性が高くなり、木質原料と混合しにくく取り扱いも困難となる。溶媒100質量部に対する脂肪酸類の量の下限は、10質量部以上であり、15質量部以上であることがより好ましく、20質量部以上がさらに好ましい。また、その上限は、100質量部以下であり、粘性がより低い混合液とするためには、45質量部以下であることが好ましく、35質量部以下であることがより好ましく、30質量部以下であることがさらに好ましい。
木質原料は、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニンを主成分として含む、本発明のセルロース含有材料の原料となる木質の材料のことである。木質原料としては、木片や木チップ、おがくず、鉋屑、木粉等が挙げられる。また、木の種類は特に限定されず、針葉樹であっても、広葉樹であってもよく、例えば、スギ、ヒノキ等が挙げられる。
また、木質原料は、目的に応じてその形状等を適宜決定すればよく、例えば、得られるセルロース含有材料をパイプ原料として利用する場合は、木チップのように繊維長の長いセルロースが含まれる木質原料を選択すればよい。また、得られるセルロース含有材料をバイオエタノールの原料として利用する場合は、木粉等の含まれるセルロースの繊維長が短い木質原料を用いてもよい。
これらの木質原料は、木材を粉砕処理等することにより得ることができる。粉砕方法は従来公知の方法を使用できる。
脂肪酸類は、脂肪酸やその誘導体、脂肪酸塩のことである。なお、脂肪酸は、炭素数2以上の炭化水素基を有する一価のカルボン酸である。脂肪酸類は、加熱温度や溶媒種に応じて適宜選択される。例えば、本発明において用いられる脂肪酸類は、下記式(X1)で表される化合物である。
(前記式(X1)中、Rは、炭素数2以上の一価の飽和炭化水素基または炭素数2以上の一価の不飽和炭化水素基を示し、Xは、水素原子、金属原子、アンモニウムのいずれかを示す。)
一価の飽和炭化水素基または一価の不飽和炭化水素基は、直鎖であっても分岐していてもよい。また、一価の飽和炭化水素基または一価の不飽和炭化水素基は、無置換でも、一部の水素が水酸基によって置換されていてもよい。
(前記式(M1)中、Rは、炭素数2以上の一価の飽和炭化水素基または炭素数2以上の一価の不飽和炭化水素基を示し、Mは、金属原子を示す。)
これらの中でも、好適な脂肪酸類のひとつとしては、オレイン酸ナトリウムが挙げられる。
溶媒は、リグニンを抽出することができれば特に限定されないが、例えば、エチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール等の2価の脂肪族多価アルコール、グリセリン、1,2,3−ブタントリオール、1,2,4−ブタントリオール、1,2,3−ヘプタトリオール、1,2,4−ヘプタトリオール、1,2,5−ヘプタトリオール、2,3,4−ヘプタトリオール等の3価の脂肪族多価アルコール、ペンタエリスリトール、エリトリトール、キシリトール、ソルビトール等が挙げられる。これらの溶媒は、単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
なお、溶媒は、グリセリン、ジエチレングリコール及びトリエチレングリコールからなる群から選択される1種以上のみからなってもよい。
混合液として、脂肪酸類と溶媒とを含む溶液と、木質原料とを混合したものを用いる場合、脂肪酸類と溶媒とを含む溶液中の脂肪酸類の含有量は、例えば、10質量%〜50質量%や15〜25質量%とすることができる。
なお、「副生グリセリン(廃グリセリン)」とは、バイオディーゼルの生産や石ケンの生産において副生物として得られるグリセリンのことである。従来、脂肪酸類等の不純物が含まれる副生グリセリンは、廃棄またはサーマルリサイクルに利用される程度であった。このように、副生グリセリンを脱リグニンのために用いることは、副生グリセリンの新たな用途としても捉えることができる。
脱リグニン工程(A)において、木質原料から溶媒中へリグニンを抽出するためには、加熱処理を行う必要がある。木質原料からリグニンを完全に抽出することは困難であるので、通常、セルロース含有材料にはリグニンが残存するものであるが、リグニンの残存量は少ない方が好ましい。加熱温度や加熱時間は、セルロース含有材料中に残存するリグリンの量が少なくなるように、溶媒や木質原料の種類、セルロース含有材料の用途等に応じて適宜調整される。
なお、セルロース含有材料に含まれるリグニン量は、クラーソン法にて求めることができる。クラーソン法は、例えば、木材学会編「木質科学実験マニュアル」(文永堂出版株式会社)に記載された方法に基づき行うことができる。
本発明のセルロース含有材料の製造方法において、固液分離工程(B)は、前記脱リグニン工程(A)後に行われる工程であり、木質原料から抽出されたリグニンと脂肪酸類と溶媒を含む溶液とセルロース含有材料とに分離する工程である。
本発明のバイオエタノールの製造方法は、本発明のセルロース含有材料の製造方法により得られたセルロース含有材料を用いてバイオエタノールを製造する方法である。
上述のように、本発明のセルロース含有材料の製造方法により得られたセルロース含有材料は、バイオエタノールを製造するための原料として使用できる。バイオエタノールの製造方法は、特に限定されず従来公知の方法を用いることができる。
また、本発明は、脂肪酸類とリグニンとグリセリンとを含むリグニン含有グリセリン(以下、「本発明のリグニン含有グリセリン」と称する場合がある。)に関する。
本発明のリグニン含有グリセリンは、リグニン含有量を、2質量%以上や4質量%以上、6質量%以上とすることができる。
また、本発明のリグニン含有グリセリンは、発熱量が20MJ/kg以上や23MJ/kg以上、25MJ/kg以上とすることができる。また、その上限は、33MJ/kg以下や30MJ/kg以下、28MJ/kg以下とすることができる。
これは、上述した本発明のセルロース含有材料の製造方法において、溶媒をグリセリンとする製造方法であり、共通する構成を有し、本発明のリグニン含有グリセリンの製造方法における脱リグニン工程(a)は、本発明のセルロース含有材料の製造方法における脱リグニン工程(A)に対応し、本発明のリグニン含有グリセリンの製造方法における固液分離工程(b)は、本発明のセルロース含有材料の製造方法における固液分離工程(B)に対応するため、これらと同様に実施できる。
このようにすることで、リグニン含有グリセリン中のリグニン含有量が高くなり、より発熱量の高いリグニン含有グリセリンが得られる。
・脂肪酸ナトリウム:オレイン酸ナトリウム(和光純薬工業株式会社製、#194−02635)
・酢酸ナトリウム(和光純薬工業株式会社製、#190−01071)
・溶媒:グリセリン(和光純薬工業株式会社製、#075−00611)
・木質原料:スギ木粉(粒子径、177〜350μm)(九州産スギ)
なお、針葉樹であるスギは日本で最も生産量の多い樹種である。スギのリグニンは広葉樹のリグニンと比較して強固な結合を持つため、容易にリグニンを取り除くことは出来ない。このような、スギ材でのグリセリン処理に成功すれば、広葉樹などその他の木材にも容易に応用が可能となると考え、スギを試験対象として選定した。
以下のようにオレイン酸ナトリウムとグリセリンを混合したグリセリン溶液(1)〜グリセリン溶液(3)を、バイオディーゼルの副生グリセリンモデルとして用いて実験を行った。
・グリセリン100質量部に対してオレイン酸ナトリウムが25質量部となるように、オレイン酸ナトリウムとグリセリンを混合し、グリセリン溶液(1)を調整した。
・グリセリン100質量部に対してオレイン酸ナトリウムが11.1質量部となるように、オレイン酸ナトリウムとグリセリンを混合し、グリセリン溶液(2)を調整した。
・グリセリン100質量部に対してオレイン酸ナトリウムが5.3質量部となるように、オレイン酸ナトリウムとグリセリンを混合し、グリセリン溶液(3)を調整した。
(混合液の調整)
グリセリン溶液(1)100gにスギ木粉10gを投入し、混合液(1)(スギ木粉:グリセリン溶液(1)=1:10(wt/wt)の混合液)を調整した。
前記混合液(1)を250℃で、加熱時間0.5時間で加熱処理を行った。
反応後の混合液(1)を目開きが106μmの篩に投入し、遠心分離により固相(セルロース含有材料)と液相(リグニン含有グリセリン)とを分離した。
固相であるスギ木粉由来のセルロース含有材料をイオン交換水で3回洗浄し、105°Cで、恒量になるまで乾燥し、約5gのセルロース含有材料(1)を得た。
脱リグニン工程の加熱時間を表2のように変更した以外は実施例1−1と同様にして、実施例1−2〜実施例1−4を行った。
脱リグニン工程の加熱温度および加熱時間を表2のように変更した以外は実施例1−1と同様にして、実施例2−1〜実施例2−3を行った。
脱リグニン工程において用いる混合液および加熱時間を表2のように変更した以外は実施例1−1と同様にして、実施例3−1〜実施例3−3、実施例4−1および実施例4−2を行った。
脱リグニン工程において用いる混合液および加熱時間を表2のように変更した以外は実施例1−1と同様にして、比較例1〜比較例3を行った。
[脱リグニン挙動]
クラーソン法を用い、セルロース含有材料中に残留するリグニン量を測定した。クラーソン法は以下の手順でおこなった。
(手順1)得られたセルロース含有材料1gに72%硫酸を15ml加えた溶液(1)を、適宜撹拌しながら4時間放置した。
(手順2)4時間放置後の溶液(1)に560mlの蒸留水を加え硫酸濃度を約3%にした溶液(2)を、4時間還流させた。これによりセルロース分が加水分解されリグニンが残存する。
(手順3)4時間還流後の溶液(2)を、あらかじめ恒量としたガラスろ過器(1GP16)を用いて吸引ろ過する。
(手順4)ろ物を105℃で恒量になるまで乾燥し、ガラスろ過器ごと精秤することで、セルロース含有材料1gあたりのリグニン量((ろ物の質量(g)+ガラスろ過器の重さ(g))−(ガラスろ過器の重さ(g)))を算出した。
原料のスギ木粉には、リグニンは約35質量%含まれていた。実施例1−1〜実施例1−4の結果からわかるように、スギ木粉とグリセリン溶液(1)との混合液(1)を加熱処理した結果、30分ほどでリグニン含有量は急激に低下し、3時間でリグニン含有量が10質量%まで低下した。このことから、大部分のリグニンはグリセリンに可溶化していることになる。
一方で、比較例1、比較例2の結果からわかるように、スギ木粉とオレイン酸ナトリウムを含有していないグリセリン(試薬)との混合液(g)あるいはスギ木粉とグリセリン溶液(3)との混合液(3)を加熱処理した場合は、3時間加熱処理後に得られるセルロース含有材料でも35質量%ほどリグニンが残留しており、脱リグニンの効果は見られなかった。
また、比較例3のスギ木粉とグリセリン溶液(4)との混合液(4)を加熱処理した場合も、3時間加熱処理後に得られるセルロース含有材料には30質量%超のリグニンが残留していた。
脱リグニンに用いたグリセリンと得られたリグニン含有グリセリンの高位発熱量を、ボンベ式熱量計(IKA社製、C5000)を用いて測定した。
図2にリグニン含有グリセリンの高位発熱量(単に、「発熱量」と称する場合もある)を示す。
反応時間0hのサンプルは試薬のグリセリンで、発熱量は17.8MJ/kgであった。
比較例1のグリセリン(脂肪酸ナトリウムを混合せずにスギ木粉を加熱処理して得られたグリセリン)の発熱量は処理前より、1MJ/kgほど低下した。
一方で、グリセリン溶液(1)で3時間処理して得られたリグニン含有グリセリン(実施例1−4)の発熱量は3MJ上昇した。この段階では、オレイン酸ナトリウムが混合されたことと、リグニンが可溶してグリセリンに溶出されたことの両方の作用によるものだと考えられる。
次に、実施例1−3、実施例4−1、実施例4−2で得られたリグニン含有グリセリンそれぞれの発熱量を測定したところ、脱リグニン工程を行った回数に応じて発熱量が上昇することが確認された。これは、グリセリンに溶出したリグニンの蓄積量が増加したことに起因していると考えられる。
バイオエタノールの製造の前処理法である酵素糖化への脱リグニンの効果を検討した。実施例1−1〜実施例1−4により得られたセルロース含有材料1gに0.2gの酵素(セルロシンAC40)を用いて糖化した。pH4.5のクエン酸/クエン酸三ナトリウム緩衝液100mL中、50°C、1000rpmの攪拌速度の条件下で行った。グルコース濃度は酸素電極法を測定原理としたアントセンスIIIで定量した。
Claims (9)
- 脂肪酸類と溶媒と木質原料とを含む混合液を加熱して、前記木質原料に含まれるリグニンを前記溶媒中に抽出する脱リグニン工程(A)と、
前記脱リグニン工程(A)後に、前記木質原料から抽出されたリグニンと前記脂肪酸類と前記溶媒とを含む溶液と、セルロース含有材料とに分離する固液分離工程(B)とを有し、
前記混合液が、前記溶媒100質量部に対して、前記脂肪酸類を10質量部以上100質量部以下含むものであるセルロース含有材料の製造方法。 - 前記溶媒が、グリセリン、ジエチレングリコール及びトリエチレングリコールからなる群から選択される1種以上を含む請求項1に記載の製造方法。
- 前記混合液が、副生グリセリンと前記木質材料とを混合したものである請求項1または2に記載の製造方法。
- 前記脱リグニン工程(A)を常圧で行う請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 前記脱リグニン工程(A)において、230℃以上300℃以下で加熱を行う請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
- 前記脂肪酸類が、下記式(M1)で表される脂肪酸塩である請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。
R−COO−M 式(M1)
(前記式(M1)中、Rは、炭素数2以上の一価の飽和炭化水素基または炭素数2以上の一価の不飽和炭化水素基を示し、Mは、金属原子を示す。) - 請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法により得られたセルロース含有材料を用いてバイオエタノールを製造するバイオエタノールの製造方法。
- 脂肪酸類と、リグニンと、グリセリンとを含むリグニン含有グリセリン。
- 脂肪酸類とグリセリンと木質原料とを含む混合液を加熱して、前記木質原料に含まれるリグニンを前記グリセリン中に抽出する脱リグニン工程(a)と、
前記脱リグニン工程(a)後に、前記木質原料から抽出されたリグニンと前記脂肪酸類と前記グリセリンとを含むリグニン含有グリセリンと、セルロース含有材料とに分離する固液分離工程(b)とを有し、
前記混合液が、前記溶媒100質量部に対して、前記脂肪酸類を10質量部以上100質量部以下含むものであるリグニン含有グリセリンの製造方法。
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