JP4277603B2 - Method for hydrolysis of polysaccharide substances - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地球上に大量に存在する多糖類含有物質を単糖類のような有用物質に短時間で高収率で変換する方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、亜臨界状態または超臨界状態の水を溶媒として用い、セルロースなどの多糖類物質を選択的しかも効率よく加水分解し、グルコースおよび/またはオリゴ糖類を高収率で製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
化石資源の枯渇や地球温暖化によるエネルギー・環境問題は21世紀における最も重大な問題である。これらの問題を解決するためには、環境にやさしく且つ石油のように豊富な資源を見つけることが必要である。その中で最も期待されているものの一つにバイオマス資源がある。このバイオマス資源を構成し地球上で最大量を誇るものはセルロースであり、セルロースに対して、これまで以上に大きな期待が寄せられている。すなわち、セルロースの化学工業原料としての利用に加えて、エネルギー資源としての利用を目的とした様々な技術開発が注目されている。その中でも、セルロースからのグルコースの製造はセルロースの有効利用に対して極めて重要である。例えば、グルコースからのエタノール生産や乳酸への発酵、さらにポリ乳酸などの生分解性高分子への変換が最近注目されている。セルロースからグルコースを生成する方法として基本的には、酸加水分解法、酵素加水分解法、そして最近開発された超臨界水による加水分解法の三つの方法が知られているが、いずれの方法も後述するように、グルコースを効率よく且つ大量に生産する方法として有効な方法とは言い難いのが実情である。
【0003】
酸加水分解法は酸の濃度によって、希酸法と濃酸法に分別される。希酸法では、温度、圧力とも高く、添加する酸による装置腐食や生成物からの酸除去等の問題があり、またこのような不都合を回避するために酸の濃度を抑制するとグルコースの生成率が低くなるという欠点がある。また、濃酸法では、温度および圧力が低いので、安価な反応装置材料、例えば、グラスファイバーFRPが利用でき、かつグルコースの収率も高いが、反応時間が長く、経済的に有効な酸回収方法がないという欠点がある。
【0004】
酵素加水分解法は、反応速度が遅く、酵素の価格が高いので、工業的な生産技術としては利用されてない。
【0005】
一方、最近、上記問題点を解決するため、亜臨界状態または超臨界状態の水を用いてセルロースを加水分解し、オリゴ糖類や単糖類のグルコースを生産する方法が提案された(特許文献1および2参照)。この技術は、超臨界水の特徴を利用し、秒以下の処理時間でセルロースを完全にオリゴ糖類や単糖類に分解することが可能である。しかし、有用なグルコースの収率は僅かに20%前後でしかなかった。この原因は、加水分解により生成したオリゴ糖類や単糖類は高温の反応条件下で様々な熱分解反応による二次的生成物に変化するからである。本発明者らの実験によると、反応温度が350℃以上になると水のイオン積が低下するため、熱分解などのフリーラジカル反応が増大する。その結果、オリゴ糖類の還元末端やグルコースが分解してグリコールアルデヒドなどの断片化生成物に変換し、グルコースの収率が低下する。これらの副反応を抑える方法としては、圧力を高めることが提案されたが、装置のコストが増加するとともに、グルコースの収率は僅かしか増大しなかった(特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開平5−31000号公報
【0007】
【特許文献2】
特開平10−327900号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況のもとになされたものであって、多糖類の加水分解反応を促進すると共に副反応を抑え、セルロースなどの多糖類を含有する物質からグルコースなどの有用糖類を効率よく製造する方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成すべくなされたもので、亜臨界状態または超臨界状態の水により多糖類物質の加水分解を行うに当たり、反応系にキノン類化合物を共存させることを特徴とする多糖類物質の加水分解方法に関する。
【0010】
本発明の多糖類物質の加水分解方法によれば、キノン類化合物の存在により、多糖類の加水分解をさらに促進し、オリゴ糖類の還元末端やグルコースの分解断片化などの副反応を有効に抑え、グルコースなどの糖類の収率を著しく高めることができる。
【0011】
本発明で対象とする多糖類物質は、多糖類の代表例であるセルロースはもちろん、リグノセルロース資源および、ヘミセルロース、デンプン、キチン、キトサン等の多糖類を含む有機化合物およびそれらの廃棄物をも含む。これらの多糖類は2以上の組み合わせであってもよい。
【0012】
本発明の多糖類物質の加水分解方法により、オリゴ糖類および/または単糖類を製造することができるが、単糖類、特にグルコースを製造することが好ましい。本発明によるとグルコースを50%以上、条件を選べば80%近くまでの収率で得ることができる。さらにセロビオースやオリゴ糖類をも入れると97%もの収率で糖類製品が得られる。
【0013】
本発明で用いるキノン類化合物の中では、ベンゾキノンが大きな効果を発揮し、特に好ましい。
【0014】
加水分解の反応温度は、好ましくは150〜500℃、より好ましくは180〜350℃の範囲である。加水分解の反応圧力は、好ましくは1.0〜100MPa、より好ましくは2〜50MPaの範囲である。
【0015】
反応系にキノン類化合物と共に酸を共存させることも好ましい。酸の共存により、キノン添加量を低減できると共に反応を一層速やかに進めることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明は、キノン類化合物の存在下、セルロースなどの多糖類物質を、亜臨界状態または超臨界状態の水を用いて加水分解し、オリゴ糖類または/および単糖類に変換する方法を提供するものである。
【0017】
亜臨界状態または超臨界状態の水におけるキノンの作用・効果における理論的根拠は、まだ解明されてないが、次のように考えることができる。亜臨界状態または超臨界状態の水は、温度および圧力を制御することによって、誘電率およびイオン積(Kw)を容易且つ大幅に変化させることができる。図1は水のイオン積(Kw)の各圧力における温度依存性を示すグラフであり、圧力が高い程高温領域までイオン積(Kw)の高い状態が保たれており、かなりの高温下においても良好なイオン的反応(加水分解反応)のための領域を形成するものと期待できる。しかし一方、圧力が一定である場合、イオン積は温度の上昇とともに小さくなる。圧力が40MPaである場合には、温度が350℃以上になるとイオン積が急激に小さくなることが分る(図2参照)。その結果、熱分解などの副反応が激しくなるとともに、グルコシド結合の開裂の選択性が低下する。図3は圧力を40MPaに固定して、グルコース、セロビオースおよび微結晶セルロース(アビセル)をモデル化合物としてセルロースの可溶化反応、グルコシド結合の開裂反応、オリゴ糖還元末端およびグルコースの分解反応をそれぞれ調べた結果を示す。図3から分かるように、温度が350℃になると、単糖(グルコース)やオリゴ糖類の分解反応はグルコシドの開裂反応よりも大きな反応速度定数を示すようになった。これはグルコースの収率が低下する原因と考えられる。したがって、通常の超臨界水条件下では、セルロースの加水分解も大きいが、同時に熱分解などの副反応も急速に進むので、加水分解生成物であるグルコース等の収率は高くなかった。そこでキノン類化合物の存在により、これらの熱分解などの副反応を抑え、加水分解の選択性を高められることが本発明で明らかになった。
【0018】
本発明に使用できる多糖類物質としては、特に限定されるものではないが、自然界に存在する多糖類、例えば、セルロース、ヘミセルロース、デンプン、キチン、キトサンなど、これらの多糖類を含有する有機物資源、例えばリグノセルロース系資源である木材、竹、ケナフ、バガス、稲わらなど、およびこれらから由来する木材繊維、木材チップや単板くず、パルプ類、古紙等の紙など、米、小麦、トウモロコシ等の穀類やジャガイモ、サツマイモ等の芋類、さらには一般家庭ごみに含まれるバイオマス物質などが挙げられる。その中では、セルロースおよびセルロースを含有する物質である木材、パルプ、古紙などが原料の豊富さの面から、より好ましい。セルロースは、反応生成物中にリグニンなどの非糖成分由来の副生成物を生じることが少なく、分離工程を省略できる点でも好ましい。
【0019】
本発明の方法により、セルロースなどの多糖類を短時間でかつ選択性よくオリゴ糖類および/または単糖類に変換することができるが、その中で、グルコースを生産する方法は、グルコースが多くの化学薬品、高分子材料およびバイオエネルギーなどの原料であるので、特に好ましい。
【0020】
キノン類化合物としては、特に限定するものではなく、例えばp−ベンゾキノン、o―ベンゾキノン、2−メソシ―6−メシル―1,4−ベンゾキノン、プラストキノンなどが挙げられる。その中で、p−ベンゾキノンが加水分解反応促進および熱分解反応抑制効果が特に大きいので、より好ましい。
【0021】
キノン化合物の添加量は、全反応系に対して好ましくは0.001〜5wt%、より好ましくは0.01〜2wt%、さらに好ましくは0.05〜1wt%の範囲である。添加量が0.001wt%未満であると、熱分解抑制効果が不十分で、5wt%を超えても効果の変化がないので不必要である。
【0022】
本発明においては、多糖類または多糖類含有物質を、キノン類化合物の存在下で、亜臨界状態または超臨界状態の水を用いて加水分解し、オリゴ糖類または/および単糖類に変換するに際し、その方法および装置は特に制限はなく、公知の方法や装置が適用できる。例えばオートクレイブ式反応装置に多糖類物質、水およびキノン類を入れて加熱反応させるバッチ式反応方法、固定床型反応器に多糖類物質を充填し、これに所定量のキノン類化合物を含む加圧熱水を連続的に通水して、多糖類を加水分解し、生成した反応物を熱水と共に系外へ流出させる固定床式反応方法、多糖類物質やキノン類化合物や水などからなるスラリーを連続的に反応器に流通させる流通式反応方法などが挙げられる。その中で、流通式反応方法は反応時間の制御が容易である点、より好ましい。
【0023】
本発明において使用する亜臨界状態または超臨界状態の水は、温度150〜500℃、圧力1.0〜100MPaの範囲のものである。温度:180〜350℃、圧力:2〜50MPaの範囲の水がより好ましい。温度および圧力が低過ぎると多糖類の加水分解反応速度が小さく生産能率は低い。温度および圧力が高過ぎると反応制御が困難で収率が低下する傾向がある。
【0024】
本発明は、亜臨界状態または超臨界状態の水に、硫酸、塩酸、シュウ酸などの酸、硫酸銅、塩化アルミニウム等の酸性塩類物質を1%以下の濃度となる範囲で添加することができる。それにより、キノン化合物の必要添加量の低減および加水分解反応速度の向上に有効である。設備の腐蝕、添加効果および後処理等を考慮すれば、0.01%以下の濃度がより好ましい。
【0025】
多糖類物質の亜臨界状態または超臨界状態の水との反応時間は、反応装置、反応温度および多糖類物質の分子量や結晶化度あるいは使用するキノンの種類や添加量によって異なるが、流通型の場合には、通常加圧熱水が250〜350℃の範囲であれば0.3〜300秒程度である。ただし、熱水を流通させる固定床型反応器を用いる場合、水可溶性成分を反応系外に追い出すために、さらに数分間の通水が必要になる。またバッチ型の反応器を用いた場合には、所定温度までの加熱時間は反応器の大きさ次第であるため、反応時間がもっと長い場合もある。
【0026】
反応器から流出した熱水は、その中に含まれるグルコースやオリゴ糖類などの水可溶性成分の二次分解を抑制するため、直ちに冷却するのが望ましい。
【0027】
図4は本発明を実施するために構成される装置例を示す概略説明図である。蒸留水を貯えた蒸留水タンク(10)には、高圧フィードポンプ(12)の吸込み側が接続されている。高圧フィードポンプ(12)の吐出口は、ヒータ(16)を経て反応管(18)に至る導管に接続されている。ヒータ (16)によって所定の温度にまで加熱された高圧の熱水は反応管(18)に導入される。
【0028】
一方、スラリータンク(20)では、蒸留水、セルロースなどの多糖類物質およびベンゾキノンなどを所定量で混合し、攪拌によりスラリー状とする。得られたスラリーはスラリーポンプ(22a)によって循環ラインに送入される。循環ライン内のスラリーは2基の循環ポンプ(22c)により循環される。この循環によりライン内部のスラリーの沈殿を防止して、スラリーを均一状態に保持する。循環ラインはスラリーフィードポンプ(22b)を有し、同ポンプ(22b)内に導入されたスラリーをピストンの移動により所定圧力で押し出す。
【0029】
このように、反応管(18)入口では、ヒータ(16)を通過した高温高圧の熱水とスラリーフィードポンプ(22b)からのスラリーが合流する。
【0030】
反応管(18)の内部を加圧熱水とスラリーの混合物が通過する際に高温高圧状態での反応が生起される。これにより多糖類が加水分解され、グルコースなどの水可溶生成物が得られる。
【0031】
反応管(18)から出た高温の反応液は、蒸留水タンク(30)から3基の高圧フィードポンプ(32)により送給した常温蒸留水と合流し、さらに冷却器(19)を通過することによって迅速に冷却される。冷却器(19)は、反応管(18)からの反応液が流通する導管を覆うジャケットに冷却水を循環する熱交換器で構成されたものである。
【0032】
冷却器(19)から出た反応液は背圧調整バルブ(38)を経てサンプル貯留部(40)に導かれ、背圧調整バルブ(38)の調整によって、反応系統の圧力が調整される。
【0033】
この装置には、ヒータ(16)の入口部、スラリー循環ライン、冷却水フィードラインの圧力をそれぞれ計測する圧力計(P)、反応管(18)の入口部および出口部、冷却器(19)の出口部の温度をそれぞれ計測する温度計(T)が設けられており、これらの計測データはマイクロコンピュータなどで形成される制御部(図示省略)に送られ、制御部はこれら計測結果に応じて反応温度と反応圧力をそれぞれ制御する。
【0034】
上述の流量および加熱水の温度を調整することによって、反応管(18)内の温度は180〜500℃に維持され、背圧調整バルブ(38)を調整することによって、圧力は1〜50MPaに維持される。反応管(18)内の滞在時間は、同管(18)の容積を変更したり、流量を変更したりすることによって、任意に調整することができる。
【0035】
反応管(18)の出口において反応液は常温の蒸留水と混合されるだけでなく、冷却器(19)において熱交換により冷却される。反応液に混合される蒸留水の量は反応液に対して2〜5倍の範囲である。反応器(18)から排出された反応液の温度は100℃程度までに急速に低下することが好ましい。
【0036】
なお、反応管(18)内のスラリー滞留時間τは、反応管(18)の容量をV、室温での質量流量をF、反応温度・反応圧力での水密度をρ(T,P)とした場合に、
τ=V・ρ(T,P)/F
なる式で与えられる。
【0037】
ここで、本実施形態によるグルコースの生成方法について、図5のフローチャートを用いて説明をする。原料である微結晶セルロース(アビセル)や添加剤であるベンゾキノンを所定の濃度で蒸留水に混合し、スラリーを調製する。このスラリーを反応管内で超臨界状態または亜臨界状態の水と所定時間接触させることによって、セルロースの水素結合が部分的に解け、超臨界または亜臨界状態の水中に結晶が崩壊するとともに、加水分解反応が進む。
【0038】
ベンゾキノンの存在下で、生成したオリゴ糖類およびグルコースの熱分解などの副反応を抑えるとともに、加水分解反応を加速させることによって、短時間で且つ高収率にグルコースを製造することが可能である。
【0039】
所定の反応時間の経過後、得られた反応液を反応管から排出し、冷却水と合流させるとともに、冷却管によって外部冷却することで反応を停止した後、背圧調整バルブを経て排出させて常圧に戻す。
【0040】
この反応液を所定時間、常温またはそれ以下の温度で常圧で静置する。白色の沈殿物が生じた場合は、この沈殿物をろ過などにより分離し、乾燥させた後、その収率を求める。
【0041】
一方、水可溶部は高速液体クロマトグラフ(HPLC)によって生成物を同定・定量分析する。これによって、各生成物の収率を求める。
【0042】
【実施例】
次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。以下、図4の装置により、実際に処理を行った結果について説明をする。反応管(18)(内径0.2cm、長さ1.9cm)の容積は0.238cm であり、スラリーの流量Qに対して、加圧熱水の流量は5×Q、冷却水の流量は25×Qとする。
【0043】
実施例1
微結晶セルロース(25g)とベンゾキノン(5g)と蒸留水(800ml)からなるスラリーと、5倍の加圧熱水を混合し、温度350℃、圧力40MPaの条件で、滞留時間を0.3、0.4、0.5、0.6、0.7秒と変化させて処理を行った。処理時間の異なった5つの処理液を得た。処理液を分析した結果を図6および表1に示す。図6の横軸は処理時間(秒)、縦軸は微結晶セルロースの開始量に基づく生成物の収率(%)である。図6から明らかなように、温度350℃、圧力40MPaの処理条件下では、0.6秒の処理時間で最高のグルコース収率(80.2%)が得られた。また、セルロースは0.3秒の短時間で殆どなくなることも確認された。
【0044】
比較例1
ベンゾキノンを使用しない以外は、実施例1と全く同じ条件で処理を行った。得られた分析結果を図7および表2に示す。実施例1と比べると、ベンゾキノン無添加の場合、処理温度や時間の変化に関わらず、グルコースの生成量が15%以下しか得られなかった。また、セルロースは0.5秒の処理時間まで反応していないものが見いだされた。
【0045】
実施例2
処理温度を327℃とし、処理時間を1.0秒とした以外は、実施例1と全く同じ条件で処理を行った。得られた分析結果を表1に示す。処理温度を下げることで処理速度が遅くなったが、時間を延長することで同様に高いグルコース収率を得た。
【0046】
図8は、実施例1と比較例1で得られた水可溶分の高速液体クロマトグラムである。この図で示されるように、水可溶部はオリゴ糖類、グルコースおよびレボグルコサンや5−ヒドロシメチルフルフラール(5−HMF)などの二次分解物から構成されている。同じ処理条件で、ベンゾキノンを添加しない場合にはオリゴ糖類と断片化生成物がかなり多く生成した。以上の結果より、ベンゾキノンの存在は、オリゴ糖類やグルコースの二次分解を抑えるとともに、加水分解を加速させ、その結果グルコースが高収率で得られることが明らかとなった。
【0047】
【表1】

Figure 0004277603
【表2】
Figure 0004277603
【0048】
【発明の効果】
本発明の多糖類物質の加水分解方法によれば、キノン類化合物の存在により、多糖類の加水分解を促進し、オリゴ糖類の還元末端やグルコースの分解断片化などの副反応を有効に抑え、短時間で効率よく、また、酸加水分解の場合に見られる反応器の腐食なしに、グルコースなどの糖類を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 異なる圧力における水のイオン積(Kw)の温度依存性を示すグラフである。
【図2】 40MPaの圧力における水のイオン積(Kw)の温度依存性を示すグラフである。
【図3】 超臨界水および亜臨界水処理における微結晶セルロース(アビセル)、セロビオースおよびグルコースの分解速度定数のアレニウスプロット(圧力は40MPa)である。
【図4】 本発明を実施するために構成される装置例を示す概略説明図である。
【図5】 本発明の実施の実験フローチャートである。
【図6】 ベンゾキノン存在下でのセルロースの反応生成物の収率に対する反応時間および反応温度の影響を示すグラフである。
【図7】 ベンゾキノン無添加でのセルロースの反応生成物の収率に対する反応時間の影響を示すグラフである。
【図8】 実施例1および比較例1における水可溶分の高速液体クロマトグラムである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for converting a polysaccharide-containing substance existing in large quantities on the earth into a useful substance such as a monosaccharide in a high yield in a short time. More specifically, the present invention uses glucose in the subcritical state or supercritical state as a solvent, and selectively and efficiently hydrolyzes a polysaccharide substance such as cellulose to produce glucose and / or oligosaccharides in a high yield. On how to do.
[0002]
[Prior art]
Energy and environmental problems due to fossil resource depletion and global warming are the most serious problems in the 21st century. In order to solve these problems, it is necessary to find abundant resources that are environmentally friendly and oily. One of the most promising of these is biomass resources. Cellulose is the one that constitutes this biomass resource and boasts the largest amount on the earth, and there is greater expectation than ever for cellulose. That is, in addition to the use of cellulose as a chemical industrial raw material, various technological developments aimed at use as an energy resource have attracted attention. Among them, production of glucose from cellulose is extremely important for effective utilization of cellulose. For example, ethanol production from glucose, fermentation to lactic acid, and conversion to biodegradable polymers such as polylactic acid have recently attracted attention. There are basically three known methods for producing glucose from cellulose: acid hydrolysis, enzymatic hydrolysis, and recently developed hydrolysis using supercritical water. As will be described later, it is difficult to say that the method is effective as a method for efficiently and mass-producing glucose.
[0003]
The acid hydrolysis method is divided into a dilute acid method and a concentrated acid method depending on the acid concentration. In the dilute acid method, both the temperature and pressure are high, and there are problems such as equipment corrosion due to the added acid and removal of acid from the product. In order to avoid such inconvenience, if the acid concentration is suppressed, the glucose production rate Has the disadvantage of becoming lower. In the concentrated acid method, since the temperature and pressure are low, an inexpensive reactor material such as glass fiber FRP can be used and the yield of glucose is high, but the reaction time is long and economically effective acid recovery. There is a disadvantage that there is no method.
[0004]
The enzymatic hydrolysis method is not used as an industrial production technique because the reaction rate is slow and the price of the enzyme is high.
[0005]
On the other hand, recently, in order to solve the above problems, a method has been proposed in which cellulose is hydrolyzed using subcritical or supercritical water to produce oligosaccharide or monosaccharide glucose (Patent Document 1 and 2). This technology utilizes the characteristics of supercritical water, and can completely decompose cellulose into oligosaccharides and monosaccharides in a treatment time of seconds or less. However, the yield of useful glucose was only around 20%. This is because the oligosaccharides and monosaccharides produced by hydrolysis change into secondary products by various thermal decomposition reactions under high temperature reaction conditions. According to the experiments by the present inventors, when the reaction temperature is 350 ° C. or higher, the ionic product of water decreases, so that free radical reactions such as thermal decomposition increase. As a result, the reducing end of the oligosaccharide and glucose are decomposed and converted into a fragmented product such as glycol aldehyde, and the yield of glucose decreases. As a method for suppressing these side reactions, it was proposed to increase the pressure, but the cost of the apparatus increased, and the yield of glucose increased only slightly (see Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-31000
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-327900
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made under these circumstances, and promotes the hydrolysis reaction of polysaccharides and suppresses side reactions, and efficiently produces useful sugars such as glucose from substances containing polysaccharides such as cellulose. It aims to provide a way to do.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to achieve the above object, and is characterized in that a quinone compound is allowed to coexist in a reaction system in hydrolyzing a polysaccharide substance with subcritical or supercritical water. It relates to a method for the hydrolysis of substances.
[0010]
According to the method for hydrolyzing a polysaccharide substance of the present invention, the presence of a quinone compound further promotes the hydrolysis of the polysaccharide, and effectively suppresses side reactions such as the reducing end of the oligosaccharide and the degradation fragmentation of glucose. The yield of sugars such as glucose can be significantly increased.
[0011]
The polysaccharide substances targeted by the present invention include not only cellulose, which is a representative example of polysaccharides, but also lignocellulose resources and organic compounds containing polysaccharides such as hemicellulose, starch, chitin and chitosan, and wastes thereof. . These polysaccharides may be a combination of two or more.
[0012]
Oligosaccharides and / or monosaccharides can be produced by the polysaccharide substance hydrolysis method of the present invention, but it is preferable to produce monosaccharides, particularly glucose. According to the present invention, glucose can be obtained in a yield of up to 50% or more and close to 80% if conditions are selected. Furthermore, when cellobiose and oligosaccharides are also added, a saccharide product can be obtained with a yield of 97%.
[0013]
Among the quinone compounds used in the present invention, benzoquinone exhibits a great effect and is particularly preferable.
[0014]
The reaction temperature for the hydrolysis is preferably in the range of 150 to 500 ° C, more preferably 180 to 350 ° C. The reaction pressure for hydrolysis is preferably 1.0 to 100 MPa, more preferably 2 to 50 MPa.
[0015]
It is also preferred that an acid is allowed to coexist with the quinone compound in the reaction system. The coexistence of the acid can reduce the amount of quinone added and allows the reaction to proceed more rapidly.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention provides a method for hydrolyzing a polysaccharide substance such as cellulose in the presence of a quinone compound with water in a subcritical state or a supercritical state to convert it into oligosaccharides and / or monosaccharides. It is.
[0017]
The theoretical basis for the action and effect of quinone in subcritical or supercritical water has not yet been elucidated, but can be considered as follows. Subcritical or supercritical water can easily and significantly change its dielectric constant and ionic product (Kw) by controlling temperature and pressure. FIG. 1 is a graph showing the temperature dependence of water ion product (Kw) at various pressures. The higher the pressure, the higher the ion product (Kw) is maintained up to a higher temperature region, and even at a considerably high temperature. It can be expected to form a region for good ionic reaction (hydrolysis reaction). However, if the pressure is constant, the ion product decreases with increasing temperature. When the pressure is 40 MPa, it can be seen that the ion product decreases rapidly when the temperature is 350 ° C. or higher (see FIG. 2). As a result, side reactions such as thermal decomposition become violent, and selectivity of glucoside bond cleavage is reduced. In FIG. 3, the pressure was fixed at 40 MPa, and glucose, cellobiose and microcrystalline cellulose (Avicel) were used as model compounds to examine cellulose solubilization reaction, glucoside bond cleavage reaction, oligosaccharide reducing end and glucose decomposition reaction, respectively. Results are shown. As can be seen from FIG. 3, when the temperature reached 350 ° C., the decomposition reaction of monosaccharide (glucose) or oligosaccharide showed a larger reaction rate constant than the cleavage reaction of glucoside. This is considered to be a cause of a decrease in glucose yield. Therefore, under normal supercritical water conditions, cellulose is greatly hydrolyzed, but at the same time, side reactions such as thermal decomposition proceed rapidly, so the yield of hydrolysis products such as glucose is not high. Therefore, it has been clarified in the present invention that the presence of a quinone compound can suppress side reactions such as thermal decomposition and increase the selectivity of hydrolysis.
[0018]
Polysaccharide substances that can be used in the present invention are not particularly limited, but polysaccharides that exist in nature, such as cellulose, hemicellulose, starch, chitin, chitosan, and other organic resources containing these polysaccharides, For example, wood, bamboo, kenaf, bagasse, rice straw, etc., which are lignocellulosic resources, and wood fibers, wood chips, veneer scraps, pulp, waste paper, etc., rice, wheat, corn, etc. Examples include cereals, potatoes, sweet potatoes such as sweet potatoes, and biomass materials contained in general household waste. Among them, cellulose and cellulose-containing materials such as wood, pulp, and waste paper are more preferable from the viewpoint of the abundance of raw materials. Cellulose is preferable in that it hardly causes by-products derived from non-sugar components such as lignin in the reaction product, and the separation step can be omitted.
[0019]
According to the method of the present invention, polysaccharides such as cellulose can be converted into oligosaccharides and / or monosaccharides in a short time and with good selectivity. It is particularly preferable because it is a raw material for chemicals, polymer materials and bioenergy.
[0020]
The quinone compound is not particularly limited, and examples thereof include p-benzoquinone, o-benzoquinone, 2-meso-6-mesyl-1,4-benzoquinone, and plastoquinone. Among them, p-benzoquinone is more preferable because it has particularly large effects of promoting hydrolysis reaction and suppressing thermal decomposition reaction.
[0021]
The addition amount of the quinone compound is preferably 0.001 to 5 wt%, more preferably 0.01 to 2 wt%, and still more preferably 0.05 to 1 wt% with respect to the total reaction system. If the amount added is less than 0.001 wt%, the effect of suppressing thermal decomposition is insufficient, and even if it exceeds 5 wt%, there is no change in effect, which is unnecessary.
[0022]
In the present invention, when a polysaccharide or a polysaccharide-containing substance is hydrolyzed with water in a subcritical state or a supercritical state in the presence of a quinone compound, and converted to an oligosaccharide or / and a monosaccharide, The method and apparatus are not particularly limited, and known methods and apparatuses can be applied. For example, a batch-type reaction method in which a polysaccharide substance, water and quinones are put into an autoclave reactor and heated, and a fixed-bed reactor is filled with a polysaccharide substance, which contains a predetermined amount of a quinone compound. It consists of a fixed-bed type reaction method in which pressurized hot water is continuously passed through to hydrolyze the polysaccharide, and the resulting reaction product flows out of the system together with hot water, including a polysaccharide substance, a quinone compound, and water. Examples include a flow reaction method in which the slurry is continuously passed through the reactor. Among them, the flow-type reaction method is more preferable because the reaction time can be easily controlled.
[0023]
The subcritical or supercritical water used in the present invention has a temperature of 150 to 500 ° C. and a pressure of 1.0 to 100 MPa. Water in the range of temperature: 180 to 350 ° C. and pressure: 2 to 50 MPa is more preferable. If the temperature and pressure are too low, the polysaccharide hydrolysis reaction rate is low and the production efficiency is low. If the temperature and pressure are too high, reaction control is difficult and the yield tends to decrease.
[0024]
In the present invention, an acid such as sulfuric acid, hydrochloric acid or oxalic acid, or an acidic salt substance such as copper sulfate or aluminum chloride can be added to subcritical or supercritical water in a concentration range of 1% or less. . This is effective in reducing the required amount of quinone compound and improving the hydrolysis reaction rate. Considering the corrosion of the equipment, the effect of addition, post-treatment, etc., a concentration of 0.01% or less is more preferable.
[0025]
The reaction time of the polysaccharide material with water in the subcritical or supercritical state varies depending on the reactor, reaction temperature, molecular weight and crystallinity of the polysaccharide material, and the type and amount of quinone used, In some cases, if the pressurized hot water is in the range of 250 to 350 ° C., it is about 0.3 to 300 seconds. However, when using a fixed bed reactor through which hot water is circulated, it is necessary to pass water for several minutes in order to drive out the water-soluble component out of the reaction system. When a batch type reactor is used, the reaction time may be longer because the heating time to a predetermined temperature depends on the size of the reactor.
[0026]
The hot water flowing out from the reactor is desirably cooled immediately in order to suppress secondary decomposition of water-soluble components such as glucose and oligosaccharides contained therein.
[0027]
FIG. 4 is a schematic explanatory diagram showing an example of an apparatus configured to carry out the present invention. The suction side of the high-pressure feed pump (12) is connected to the distilled water tank (10) that stores distilled water. The discharge port of the high-pressure feed pump (12) is connected to a conduit that reaches the reaction tube (18) through the heater (16). High-pressure hot water heated to a predetermined temperature by the heater (16) is introduced into the reaction tube (18).
[0028]
On the other hand, in the slurry tank (20), distilled water, a polysaccharide substance such as cellulose, benzoquinone, and the like are mixed in a predetermined amount and made into a slurry by stirring. The obtained slurry is sent to a circulation line by a slurry pump (22a). The slurry in the circulation line is circulated by two circulation pumps (22c). This circulation prevents sedimentation of the slurry inside the line and keeps the slurry in a uniform state. The circulation line has a slurry feed pump (22b), and extrudes the slurry introduced into the pump (22b) at a predetermined pressure by moving the piston.
[0029]
Thus, at the inlet of the reaction tube (18), the high-temperature and high-pressure hot water that has passed through the heater (16) and the slurry from the slurry feed pump (22b) merge.
[0030]
When the mixture of pressurized hot water and slurry passes through the inside of the reaction tube (18), a reaction in a high temperature and high pressure state occurs. As a result, the polysaccharide is hydrolyzed and a water-soluble product such as glucose is obtained.
[0031]
The high-temperature reaction solution coming out of the reaction tube (18) is combined with the room-temperature distilled water fed from the distilled water tank (30) by the three high-pressure feed pumps (32), and further passes through the cooler (19). Is cooled quickly. The cooler (19) is composed of a heat exchanger that circulates cooling water through a jacket covering a conduit through which the reaction liquid from the reaction tube (18) flows.
[0032]
The reaction solution coming out of the cooler (19) is guided to the sample reservoir (40) through the back pressure adjusting valve (38), and the pressure of the reaction system is adjusted by adjusting the back pressure adjusting valve (38).
[0033]
This device includes a pressure gauge (P) for measuring the pressure of the inlet of the heater (16), the slurry circulation line, and the cooling water feed line, the inlet and outlet of the reaction tube (18), and the cooler (19). Thermometers (T) are provided to measure the temperature at the outlet of each, and these measurement data are sent to a control unit (not shown) formed by a microcomputer, etc., and the control unit responds to these measurement results To control the reaction temperature and the reaction pressure, respectively.
[0034]
By adjusting the flow rate and the temperature of the heated water, the temperature in the reaction tube (18) is maintained at 180 to 500 ° C., and the pressure is adjusted to 1 to 50 MPa by adjusting the back pressure adjustment valve (38). Maintained. The residence time in the reaction tube (18) can be arbitrarily adjusted by changing the volume of the tube (18) or changing the flow rate.
[0035]
The reaction solution is not only mixed with distilled water at room temperature at the outlet of the reaction tube (18) but also cooled by heat exchange in the cooler (19). The amount of distilled water mixed with the reaction solution is in the range of 2 to 5 times that of the reaction solution. It is preferable that the temperature of the reaction liquid discharged from the reactor (18) rapidly decreases to about 100 ° C.
[0036]
The slurry residence time τ in the reaction tube (18) is expressed as follows: the capacity of the reaction tube (18) is V, the mass flow rate at room temperature is F, the water density at the reaction temperature / reaction pressure is ρ (T, P). If
τ = V · ρ (T, P) / F
It is given by
[0037]
Here, the method for producing glucose according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. A slurry is prepared by mixing microcrystalline cellulose (Avicel) as a raw material and benzoquinone as an additive in distilled water at a predetermined concentration. By bringing this slurry into contact with supercritical or subcritical water in a reaction tube for a predetermined time, cellulose hydrogen bonds are partially broken, crystals break down in supercritical or subcritical water, and hydrolysis occurs. The reaction proceeds.
[0038]
In the presence of benzoquinone, it is possible to produce glucose in a short time and in a high yield by suppressing side reactions such as thermal decomposition of the generated oligosaccharide and glucose and accelerating the hydrolysis reaction.
[0039]
After a predetermined reaction time has elapsed, the obtained reaction solution is discharged from the reaction tube, combined with cooling water, and stopped by external cooling through the cooling tube, and then discharged through a back pressure adjustment valve. Return to normal pressure.
[0040]
The reaction solution is allowed to stand at normal pressure at room temperature or lower for a predetermined time. When a white precipitate is formed, the precipitate is separated by filtration or the like and dried, and then the yield is obtained.
[0041]
On the other hand, the water-soluble part identifies and quantitatively analyzes the product by high performance liquid chromatography (HPLC). Thereby, the yield of each product is determined.
[0042]
【Example】
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these examples. Hereinafter, the results of actual processing performed by the apparatus shown in FIG. 4 will be described. The volume of the reaction tube 18 (inner diameter 0.2 cm, length 1.9 cm) is 0.238 cm 3 , the flow rate of pressurized hot water is 5 × Q, and the flow rate of cooling water with respect to the flow rate Q of slurry. Is 25 × Q.
[0043]
Example 1
A slurry composed of microcrystalline cellulose (25 g), benzoquinone (5 g) and distilled water (800 ml) and 5 times pressurized hot water were mixed, and the residence time was 0.3 under the conditions of a temperature of 350 ° C. and a pressure of 40 MPa. The treatment was performed while changing the time from 0.4, 0.5, 0.6, and 0.7 seconds. Five treatment liquids having different treatment times were obtained. The results of analyzing the treatment liquid are shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 6 is the treatment time (seconds), and the vertical axis is the product yield (%) based on the starting amount of microcrystalline cellulose. As apparent from FIG. 6, under the processing conditions of a temperature of 350 ° C. and a pressure of 40 MPa, the highest glucose yield (80.2%) was obtained with a processing time of 0.6 seconds. It was also confirmed that the cellulose almost disappeared in a short time of 0.3 seconds.
[0044]
Comparative Example 1
The treatment was performed under exactly the same conditions as in Example 1 except that benzoquinone was not used. The obtained analysis results are shown in FIG. Compared to Example 1, when benzoquinone was not added, the amount of glucose produced was only 15% or less regardless of changes in treatment temperature and time. In addition, cellulose was found not to react until a treatment time of 0.5 seconds.
[0045]
Example 2
The treatment was performed under exactly the same conditions as in Example 1 except that the treatment temperature was 327 ° C. and the treatment time was 1.0 second. The obtained analysis results are shown in Table 1. Although the treatment speed was reduced by lowering the treatment temperature, a high glucose yield was obtained by extending the time.
[0046]
FIG. 8 is a high-performance liquid chromatogram of water-soluble components obtained in Example 1 and Comparative Example 1. As shown in this figure, the water-soluble part is composed of secondary decomposition products such as oligosaccharides, glucose, levoglucosan and 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF). Under the same processing conditions, when benzoquinone was not added, oligosaccharides and fragmentation products were considerably increased. From the above results, it has been clarified that the presence of benzoquinone suppresses secondary decomposition of oligosaccharides and glucose and accelerates hydrolysis, and as a result, glucose can be obtained in high yield.
[0047]
[Table 1]
Figure 0004277603
[Table 2]
Figure 0004277603
[0048]
【The invention's effect】
According to the method for hydrolyzing a polysaccharide substance of the present invention, the presence of a quinone compound promotes the hydrolysis of the polysaccharide, and effectively suppresses side reactions such as the reducing end of the oligosaccharide and the degradation fragmentation of glucose, Sugars such as glucose can be obtained efficiently in a short time and without the corrosion of the reactor seen in the case of acid hydrolysis.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the temperature dependence of the ionic product (Kw) of water at different pressures.
FIG. 2 is a graph showing the temperature dependence of the ion product (Kw) of water at a pressure of 40 MPa.
FIG. 3 is an Arrhenius plot (pressure is 40 MPa) of decomposition rate constants of microcrystalline cellulose (Avicel), cellobiose and glucose in supercritical water and subcritical water treatment.
FIG. 4 is a schematic explanatory diagram showing an example of an apparatus configured to carry out the present invention.
FIG. 5 is a flowchart of an experiment for carrying out the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the influence of reaction time and reaction temperature on the yield of a reaction product of cellulose in the presence of benzoquinone.
FIG. 7 is a graph showing the effect of reaction time on the yield of a reaction product of cellulose without addition of benzoquinone.
8 is a high-performance liquid chromatogram of a water-soluble component in Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

Claims (8)

亜臨界状態または超臨界状態の水により多糖類物質の加水分解を行うに当たり、反応系にキノン類化合物を共存させることを特徴とする多糖類物質の加水分解方法。A method for hydrolyzing a polysaccharide substance, comprising causing a quinone compound to coexist in a reaction system when hydrolyzing a polysaccharide substance with water in a subcritical state or a supercritical state. 多糖類物質がセルロース、ヘミセルロース、デンプン、キチンまたはこれらの少なくとも1つを含有する物質である請求項1記載の多糖類物質の加水分解方法。The method for hydrolyzing a polysaccharide substance according to claim 1, wherein the polysaccharide substance is cellulose, hemicellulose, starch, chitin or a substance containing at least one of them. 加水分解によりオリゴ糖類および/または単糖類を製造する請求項1または2記載の多糖類物質の加水分解方法。The method for hydrolyzing a polysaccharide substance according to claim 1 or 2, wherein the oligosaccharide and / or monosaccharide is produced by hydrolysis. 単糖類がグルコースである請求項3記載の多糖類物質の加水分解方法。The method for hydrolyzing a polysaccharide substance according to claim 3, wherein the monosaccharide is glucose. キノン類化合物がベンゾキノンである請求項1から4のいずれかに記載の多糖類物質の加水分解方法。The method for hydrolyzing a polysaccharide substance according to any one of claims 1 to 4, wherein the quinone compound is benzoquinone. 反応温度が150〜500℃の範囲である請求項1から5のいずれかに記載の多糖類物質の加水分解方法。The method for hydrolyzing a polysaccharide substance according to any one of claims 1 to 5, wherein the reaction temperature is in the range of 150 to 500 ° C. 反応圧力が1.0〜100MPaの範囲である請求項1から6のいずれかに記載の多糖類物質の加水分解方法。The method for hydrolyzing a polysaccharide substance according to any one of claims 1 to 6, wherein the reaction pressure is in the range of 1.0 to 100 MPa. 酸を共存させる請求項1から7のいずれかに記載の多糖類物質の加水分解方法。The method for hydrolyzing a polysaccharide substance according to any one of claims 1 to 7, wherein an acid is allowed to coexist.
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