JP5136984B2 - Method for producing sugar - Google Patents
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- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
Description
本発明は、糖の製造方法に関する。更に詳しくは、リグニン、セルロース及びヘミセルロースを含む木質系バイオマスから糖を製造する糖の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing sugar. More specifically, the present invention relates to a sugar production method for producing sugar from woody biomass containing lignin, cellulose and hemicellulose.
セルロース、ヘミセルロース及びリグニンからなる木質系バイオマスを酵素分解することにより、セルロース及びヘミセルロースを糖化できることが知られている。こうして得られる糖類は、燃料や化成品原料の出発物質等として有用である。 It is known that cellulose and hemicellulose can be saccharified by enzymatic degradation of woody biomass composed of cellulose, hemicellulose and lignin. The saccharide thus obtained is useful as a starting material for fuels and chemical raw materials.
ところが、木質系バイオマスは、リグニンを含有しているため、このリグニンとセルロース及びヘミセルロースとが交絡し、セルロース及びヘミセルロースの酵素分解を阻害する傾向にある。 However, since woody biomass contains lignin, the lignin and cellulose and hemicellulose are entangled and tend to inhibit enzymatic degradation of cellulose and hemicellulose.
これに対し、近年、木質系バイオマスを酵素分解する前に、何らかの処理を行い、リグニンとセルロース及びヘミセルロースとの交絡を解く方法が研究されている。
例えば、木材を微粉砕してから、それを酵素分解する方法(例えば、特許文献1又は2参照)、リグノセルロース含有植物体を加水分解して、それを酵素分解する方法(例えば、特許文献3参照〕、セルロース含有物質を窒素酸化物を含むジメチルホルムアミド溶液で処理した後、酵素分解する方法(例えば、特許文献4参照)、リグノセルロース系バイオマスを加圧熱水で処理し、機械的粉砕してから酵素分解する方法(例えば、特許文献5参照)等が開示されている。
On the other hand, in recent years, a method for performing some kind of treatment before enzymatic decomposition of woody biomass to untangling lignin with cellulose and hemicellulose has been studied.
For example, after pulverizing wood, a method of enzymatically decomposing it (see, for example, Patent Document 1 or 2), a method of hydrolyzing a lignocellulose-containing plant and decomposing it (for example, Patent Document 3) See], a method in which a cellulose-containing substance is treated with a dimethylformamide solution containing nitrogen oxides, and then enzymatically decomposed (see, for example, Patent Document 4), lignocellulosic biomass is treated with pressurized hot water and mechanically pulverized. And the like (for example, refer to Patent Document 5) and the like.
一方、本願発明者等は、木質系バイオマスを、水、水溶性有機溶剤及び有機酸を含む薬液に浸漬させることにより、木質系バイオマスを軟化させ、可溶成分と不溶成分とを分離し、不溶成分を粉砕してから酵素に接触させる糖の製造方法を出願している(特許文献6参照)。
しかしながら、上述した特許文献1及び2に記載の方法では、リグニンとセルロース及びヘミセルロースとの交絡を十分に解くことは困難である。
特許文献3及び5に記載の方法では、比熱の高い水を高温で用いているので、セルロース及びヘミセルロースが過分解してしまう虞がある。
特許文献4記載の方法では、環境基準が定められている大気汚染物質である二酸化窒素等の窒素酸化物の使用が不可欠であるという点で問題がある。
特許文献6記載の方法では、粉砕が、蒸煮工程後の不溶成分に対して行われるので、大きなエネルギーが必要である。特に糖化率を向上させるためには、木質系バイオマスを数十μm程度とする必要があるので、粉砕に要するエネルギーの浪費が大きい。
However, in the methods described in Patent Documents 1 and 2 described above, it is difficult to sufficiently untangling lignin with cellulose and hemicellulose.
In the methods described in Patent Documents 3 and 5, since water having a high specific heat is used at a high temperature, cellulose and hemicellulose may be excessively decomposed.
The method described in Patent Document 4 has a problem in that it is indispensable to use nitrogen oxides such as nitrogen dioxide, which is an air pollutant with environmental standards.
In the method described in Patent Document 6, pulverization is performed on the insoluble components after the cooking step, and thus a large amount of energy is required. In particular, in order to improve the saccharification rate, it is necessary to make the woody biomass about several tens of μm.
したがって、上記特許文献1〜6記載の方法では、これらの欠点があるために、低コスト且つ低環境負荷型のプロセスで高い糖化率を得ることが困難である。 Therefore, in the methods described in Patent Documents 1 to 6, it is difficult to obtain a high saccharification rate by a low cost and low environmental load type process because of these drawbacks.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、木質系バイオマスを原料とし、比較的温和な条件で、十分高い糖化率で糖を製造することが可能な糖の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for producing sugar that can produce sugar at a sufficiently high saccharification rate under relatively mild conditions using woody biomass as a raw material. With the goal.
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討したところ、本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討したところ、木質系バイオマスを粉砕し、それから薬液で処理して糖化させることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 When the present inventors diligently studied to solve the above problems, the present inventors diligently studied to solve the above problems, and pulverized the woody biomass and then processed it with a chemical solution for saccharification. Thus, the inventors have found that the above-described problems can be solved, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、(1)リグニン、セルロース及びヘミセルロースを含む木質系バイオマスから糖を製造する方法であって、木質系バイオマスを粉砕し、直径10mm以下の粉砕バイオマスとする粉砕工程と、粉砕バイオマスを、水、水溶性有機溶剤及び有機酸を含む薬液に浸漬させ、粉砕バイオマスを蒸煮させることにより微細孔を生成させる蒸煮工程と、薬液に溶解した粉砕バイオマス中の可溶成分と、薬液に不溶な粉砕バイオマス中の不溶成分とを分離する分離工程と、可溶成分から糖を抽出する糖抽出工程と、不溶成分を酵素に接触させることにより糖化させる糖化工程と、を備え、蒸煮工程が不活性ガス雰囲気下、温度160〜220℃、圧力0.1〜5MPaの条件で行われ、水溶性有機溶剤がアルコール類である糖の製造方法に存する。 That is, the present invention is (1) a method for producing sugar from a woody biomass containing lignin, cellulose and hemicellulose, wherein the woody biomass is pulverized to obtain a pulverized biomass having a diameter of 10 mm or less; Is immersed in a chemical solution containing water, a water-soluble organic solvent and an organic acid, and the pulverized biomass is cooked to produce micropores, the soluble components in the pulverized biomass dissolved in the chemical solution, and the insoluble in the chemical solution comprising a separation step of separating the insoluble component Do pulverized biomass, and sugar extraction step of extracting sugar from the soluble components, the saccharification step of saccharification by contacting the insoluble component to an enzyme, a cooking stage is not under inert gas atmosphere at a temperature 160 to 220 ° C., carried out under a pressure of 0.1 to 5 MPa, production water-soluble organic solvent is an alcohol der Ru sugar It resides in the law.
本発明は、(2)蒸煮工程が耐圧容器内で行われ、該耐圧容器内が、蒸気で飽和されており、該耐圧容器内の圧力が飽和蒸気圧の1〜5倍である上記(1)記載の糖の製造方法に存する。 The present invention, (2) cooking stage is conducted in a pressure vessel, the pressure vessel is, are saturated with steam, the pressure of the pressure vessel is Ru 1-5 Baidea saturated vapor pressure above ( 1) It exists in the manufacturing method of the saccharide | sugar as described.
本発明は、(3)水と水溶性有機溶剤と有機酸との配合割合が(水:水溶性有機溶剤:有機酸)、2〜79.8質量%:20〜97.8質量%:0.2〜5質量%である上記(1)記載の糖の製造方法に存する。 In the present invention, (3) the mixing ratio of water, water-soluble organic solvent and organic acid is (water: water-soluble organic solvent: organic acid), 2-79.8 mass%: 20-97.8 mass%: 0 .2~5% by mass Ru (1) consists in the manufacturing method described sugar.
本発明は、(4)粉砕バイオマスと、薬液との配合割合が質量比で、1:1〜10である上記(1)記載の糖の製造方法に存する。 This invention exists in the manufacturing method of the saccharide | sugar as described in said (1) whose compounding ratio of (4) grinding | pulverization biomass and a chemical | medical solution is 1: 1-10 by mass ratio .
本発明は、(5)薬液全量中の有機酸の含有割合が、0.1質量%以上である上記(1)記載の糖の製造方法に存する。 This invention exists in the manufacturing method of the saccharide | sugar as described in said (1) whose content rate of the organic acid in (5) chemical | medical solution whole quantity is 0.1 mass% or more.
なお、本発明の目的に添ったものであれば、上記(1)〜(5)を適宜組み合わせた構成も採用可能である。 In addition, as long as the objective of this invention is met, the structure which combined said (1)-(5) suitably is also employable.
本発明の糖の製造方法においては、木質系バイオマスを直径10mm以下の粉砕バイオマスに粉砕してから、水、水溶性有機溶剤及び有機酸を含む薬液に浸漬させることにより、リグニンとセルロース及びヘミセルロースとの交絡が十分に解け、繊維状となる。また、粉砕バイオマスに数十nmオーダーの微細孔が生成する。
このため、粉砕バイオマスの表面積が増大し、酵素が接触しやすくなる。
そして、蒸煮した粉砕バイオマスを酵素に接触させることにより、十分に高い糖化率で糖が得られる。
In the method for producing sugar of the present invention, lignin, cellulose, and hemicellulose are obtained by pulverizing woody biomass into pulverized biomass having a diameter of 10 mm or less and then immersing it in a chemical solution containing water, a water-soluble organic solvent, and an organic acid. Is sufficiently untangled and becomes fibrous. Moreover, micropores on the order of several tens of nm are generated in the pulverized biomass.
For this reason, the surface area of the pulverized biomass is increased, and the enzyme is easily contacted.
Then, sugar is obtained at a sufficiently high saccharification rate by bringing the cooked ground biomass into contact with the enzyme.
また、上記糖の製造方法においては、水溶性有機溶剤及び有機酸を用いるため、水のみ、又は、希硫酸や希塩酸等の鉱酸と水溶性有機溶剤とを用いた場合と比較して温和な条件で木質系バイオマスが処理される。
これにより、低コスト且つ低環境負荷型のプロセスで高い糖化率を得ることができる。
Further, in the above sugar production method, since a water-soluble organic solvent and an organic acid are used, it is mild compared to the case of using only water or a mineral acid such as dilute sulfuric acid or dilute hydrochloric acid and a water-soluble organic solvent. Woody biomass is treated under certain conditions.
Thereby, a high saccharification rate can be obtained by a low-cost and low environmental load type process.
よって、本発明の糖の製造方法によれば、木質系バイオマスを原料とし、比較的温和な条件であっても、十分高い糖化率で糖を製造することが可能となる。 Therefore, according to the sugar production method of the present invention, it is possible to produce sugar at a sufficiently high saccharification rate even under relatively mild conditions using woody biomass as a raw material.
上記糖の製造方法においては、可溶成分にも僅かな量の糖が含まれるため、可溶成分から糖を抽出する糖抽出工程を更に備えると、より得られる糖の量を増加させることができる。
また、かかる工程によれば、リグニンを抽出することも可能である。
In the above sugar production method, since the soluble component contains a small amount of sugar, further provision of a sugar extraction step for extracting the sugar from the soluble component may increase the amount of sugar obtained. it can.
Moreover, according to this process, it is also possible to extract lignin.
上記糖の製造方法において、蒸煮工程が不活性ガス雰囲気下、温度160〜220℃、圧力0.1〜5MPaの条件で行われると、木質系バイオマスがより十分に繊維状となり、粉砕バイオマスに数十nmオーダーの微細孔が生成する。
このため、より高い糖化率で糖を製造することができる。
In the above sugar production method, when the steaming step is performed in an inert gas atmosphere at a temperature of 160 to 220 ° C. and a pressure of 0.1 to 5 MPa, the woody biomass becomes more fibrous, and the number of ground biomass is several. Micropores on the order of 10 nm are generated.
For this reason, sugar can be manufactured with a higher saccharification rate.
上記糖の製造方法においては、水溶性有機溶剤がアルコール類であると、リグニンとセルロース及びヘミセルロースとの交絡をより一層解くことができる。
なお、アルコール類は人体にも無害であるため、安全性に優れる。
In the sugar production method, when the water-soluble organic solvent is an alcohol, the entanglement between lignin, cellulose, and hemicellulose can be further solved.
In addition, since alcohol is harmless to a human body, it is excellent in safety.
上記糖の製造方法においては、薬液全量中の有機酸の含有割合が、0.1質量%以上であると、リグニンとセルロース及びヘミセルロースとの交絡を確実に解くことができる。 In the sugar production method, the entanglement of lignin with cellulose and hemicellulose can be reliably solved when the content ratio of the organic acid in the total amount of the chemical solution is 0.1% by mass or more.
本実施形態に係る糖の製造方法は、木質系バイオマスを粉砕し、直径10mm以下の粉砕バイオマスとする粉砕工程と、粉砕バイオマスを、水、水溶性有機溶剤及び有機酸を含む薬液に浸漬させ、粉砕バイオマスを蒸煮させる蒸煮工程と、薬液に溶解した粉砕バイオマス中の可溶成分と、薬液に不溶な粉砕バイオマス中の不溶成分とを分離する分離工程と、不溶成分を酵素に接触させることにより糖化させる糖化工程と、を備える。
ここで、上記木質系バイオマスには、リグニン、セルロース及びヘミセルロースが含まれる。
The sugar production method according to the present embodiment includes a pulverizing step of pulverizing woody biomass to obtain a pulverized biomass having a diameter of 10 mm or less, and immersing the pulverized biomass in a chemical solution containing water, a water-soluble organic solvent, and an organic acid, Steaming the ground biomass, separating the soluble components in the ground biomass dissolved in the chemical and the insoluble components in the ground insoluble in the chemical, and saccharification by contacting the insoluble components with the enzyme A saccharification step.
Here, the woody biomass includes lignin, cellulose, and hemicellulose.
本実施形態に係る糖の製造方法においては、木質系バイオマスを直径10mm以下の粉砕バイオマスに粉砕してから、水、水溶性有機溶剤及び有機酸を含む薬液に浸漬させることにより、リグニンとセルロース及びヘミセルロースとの交絡が十分に解け、繊維状となる。また、粉砕バイオマスに数十nmオーダーの微細孔が生成する。
このため、粉砕バイオマスの表面積が増大し、酵素が接触しやすくなる。
そして、蒸煮した粉砕バイオマスを酵素に接触させることにより、十分に高い糖化率で糖が得られる。
In the method for producing sugar according to the present embodiment, lignin and cellulose are obtained by pulverizing woody biomass into pulverized biomass having a diameter of 10 mm or less and then immersing it in a chemical solution containing water, a water-soluble organic solvent and an organic acid. Entangling with hemicellulose is sufficiently unwound and becomes fibrous. Moreover, micropores on the order of several tens of nm are generated in the pulverized biomass.
For this reason, the surface area of the pulverized biomass is increased, and the enzyme is easily contacted.
Then, sugar is obtained at a sufficiently high saccharification rate by bringing the cooked ground biomass into contact with the enzyme.
また、上記糖の製造方法においては、水溶性有機溶剤及び有機酸を用いるため、水のみ、又は、希硫酸や希塩酸等の鉱酸と水溶性有機溶剤とを用いた場合と比較して温和な条件で木質系バイオマスが処理される。
これにより、低コスト且つ低環境負荷型のプロセスで高い糖化率を得ることができる。
Further, in the above sugar production method, since a water-soluble organic solvent and an organic acid are used, it is mild compared to the case of using only water or a mineral acid such as dilute sulfuric acid or dilute hydrochloric acid and a water-soluble organic solvent. Woody biomass is treated under certain conditions.
Thereby, a high saccharification rate can be obtained by a low-cost and low environmental load type process.
よって、本発明の糖の製造方法によれば、木質系バイオマスを原料とし、比較的温和な条件であっても、十分高い糖化率で糖を製造することが可能となる。 Therefore, according to the sugar production method of the present invention, it is possible to produce sugar at a sufficiently high saccharification rate even under relatively mild conditions using woody biomass as a raw material.
以下、粉砕工程、蒸煮工程、分離工程及び糖化工程についてさらに詳細に説明する。
[粉砕工程]
粉砕工程は、木質系バイオマスを粉砕し、直径10mm以下の粉砕バイオマスとする工程である。
このように、粉砕工程において、木質系バイオマスを粉砕することにより、木質系バイオマスの表面積を大きくする。
そうすると、後述する蒸煮工程において、粉砕バイオマスが薬液に浸漬させやすくなり、ひいては後述する糖化工程において、不溶成分が酵素に接触しやすくなる。
Hereinafter, the grinding process, the steaming process, the separation process, and the saccharification process will be described in more detail.
[Crushing process]
The pulverization step is a step of pulverizing the woody biomass to obtain a pulverized biomass having a diameter of 10 mm or less.
Thus, in the crushing step, the surface area of the woody biomass is increased by crushing the woody biomass.
If it does so, it will become easy to pulverize biomass in a chemical | medical solution in the steaming process mentioned later, and an insoluble component will become easy to contact an enzyme in the saccharification process mentioned later by extension.
ここで、上記木質系バイオマスとは、木質由来の有機資源をいい、具体的には、木材、稲わら、麦わら、バガス、竹、パルプ等やこれらから生じる古紙等をいう。なお、粉砕バイオマスは乾燥物であっても、湿潤物であってもよい。 Here, the above-mentioned woody biomass refers to an organic resource derived from wood, and specifically refers to wood, rice straw, straw, bagasse, bamboo, pulp, etc. and waste paper generated from these. The pulverized biomass may be a dried product or a wet product.
上記木質系バイオマスの大きさは、5cm角以下であることが好ましい。この場合、容易に木質系バイオマスを直径10mm以下に粉砕することができ、かつ直径の分布のバラツキが小さくなる。 The size of the woody biomass is preferably 5 cm square or less. In this case, the woody biomass can be easily pulverized to a diameter of 10 mm or less, and the variation in the diameter distribution is reduced.
上記粉砕工程は、粉砕機械を用いて行われる(機械的粉砕)。
かかる粉砕機械としては、例えば、カッターミル、振動ボールミル、回転ボールミル、遊星型ボールミル、ロールミル、ディスクミル、高速回転羽根型ミキサー、ホモミキサー等が挙げられる。
このとき、得られる粉砕バイオマスの直径は10mm以下とする。なお、かかる直径は、5mm以下とすることが好ましい。
The pulverization step is performed using a pulverizer (mechanical pulverization).
Examples of such a pulverizing machine include a cutter mill, a vibration ball mill, a rotating ball mill, a planetary ball mill, a roll mill, a disk mill, a high-speed rotating blade type mixer, and a homomixer.
At this time, the diameter of the pulverized biomass obtained is 10 mm or less. In addition, it is preferable that this diameter shall be 5 mm or less.
上記粉砕は、木質系バイオマスに対して直接行われる。なお、木質系バイオマスが水等の媒体を含んだ状態で行われてもよい。 The pulverization is performed directly on the woody biomass. The woody biomass may be carried out in a state containing a medium such as water.
[蒸煮工程]
蒸煮工程は、粉砕工程で得られた粉砕バイオマスを、水、水溶性有機溶剤及び有機酸を含む薬液に浸漬させ、粉砕バイオマスを蒸煮させる工程である。
[Steaming process]
The steaming step is a step in which the pulverized biomass obtained in the pulverization step is immersed in a chemical solution containing water, a water-soluble organic solvent, and an organic acid, and the pulverized biomass is steamed.
このように、蒸煮工程においては、粉砕バイオマスを水、水溶性有機溶剤及び有機酸を含む薬液に浸漬させることにより、リグニンとセルロース及びヘミセルロースとの交絡が解れ、繊維状となる。また、粉砕バイオマスに数十nmオーダーの微細孔が生成する。 As described above, in the steaming step, the pulverized biomass is immersed in a chemical solution containing water, a water-soluble organic solvent, and an organic acid, so that the entanglement between lignin, cellulose, and hemicellulose is released to form a fiber. Moreover, micropores on the order of several tens of nm are generated in the pulverized biomass.
なお、同時に粉砕バイオマスの一部が薬液に溶解する。また、かかる粉砕バイオマスの一部には、リグニン、微量のセルロース及びヘミセルロースの分解物が含まれる。 At the same time, a part of the pulverized biomass is dissolved in the chemical solution. In addition, some of the pulverized biomass includes lignin, a trace amount of cellulose, and a degradation product of hemicellulose.
このように、上記蒸煮工程においては、水溶性有機溶剤及び有機酸を用いるため、水のみ、又は、希硫酸や希塩酸等の鉱酸と水溶性有機溶剤とを用いた場合と比較して温和な条件で粉砕バイオマスを蒸煮させることができる。
よって、セルロースやヘミセルロースの分解を抑制でき、エネルギーコストも少なくすることができる。
Thus, in the above-mentioned cooking step, since a water-soluble organic solvent and an organic acid are used, it is mild compared to the case of using only water or a mineral acid such as dilute sulfuric acid or dilute hydrochloric acid and a water-soluble organic solvent. The ground biomass can be steamed under certain conditions.
Therefore, decomposition of cellulose and hemicellulose can be suppressed, and the energy cost can be reduced.
水溶性有機溶剤としては、メタノール、エタノール等のアルコール類、グリセリン、エチレングリコール等の多価アルコール類、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の非プロトン性極性溶剤等の水よりも比熱の低い水溶性有機溶剤が挙げられる。 Water-soluble organic solvents include alcohols such as methanol and ethanol, polyhydric alcohols such as glycerin and ethylene glycol, and water such as aprotic polar solvents such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and N, N-dimethylacetamide. A water-soluble organic solvent having a low specific heat may be mentioned.
これらの中でも、水溶性有機溶剤がアルコール類であることが好ましい。
この場合、リグニンとセルロース及びヘミセルロースとの交絡をより一層解くことができる。また、アルコール類は人体にも無害であるため、安全性にも優れる。
Among these, it is preferable that the water-soluble organic solvent is an alcohol.
In this case, the entanglement of lignin with cellulose and hemicellulose can be further solved. Moreover, since alcohols are harmless to the human body, they are excellent in safety.
有機酸としては、酢酸、シュウ酸、蟻酸、コハク酸、乳酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸等が挙げられる。
これらの中でも、酢酸、シュウ酸、ギ酸等であることが好ましい。これらの有機酸は沸点が低いため、煮沸により容易に除去できる。
なお、有機酸は後述する糖化工程の際に残存していても問題がない。
Examples of the organic acid include acetic acid, oxalic acid, formic acid, succinic acid, lactic acid, malic acid, tartaric acid, and citric acid.
Among these, acetic acid, oxalic acid, formic acid and the like are preferable. Since these organic acids have a low boiling point, they can be easily removed by boiling.
In addition, there is no problem even if the organic acid remains in the saccharification step described later.
本実施形態に係る薬液は、水、水溶性有機溶剤及び有機酸を混合して製造される。
このとき、水と水溶性有機溶剤と有機酸との配合割合が(水:水溶性有機溶剤:有機酸)、2〜79.8質量%:20〜97.8質量%:0.2〜5質量%であることが好ましい。
The chemical solution according to this embodiment is produced by mixing water, a water-soluble organic solvent, and an organic acid.
At this time, the mixing ratio of water, the water-soluble organic solvent and the organic acid is (water: water-soluble organic solvent: organic acid), 2-79.8% by mass: 20-97.8% by mass: 0.2-5. It is preferable that it is mass%.
有機酸の配合割合が、5質量%を超えると、有機酸の配合割合が上記範囲内にある場合と比較して、ヘミセルロース成分の過分解が起こる虞がある。
また、水の配合割合が、30質量%を超えると、水の配合割合が上記範囲内にある場合と比較して、ヘミセルロース成分の過分解が起こる虞がある。
When the blending ratio of the organic acid exceeds 5% by mass, the hemicellulose component may be excessively decomposed as compared with the case where the blending ratio of the organic acid is within the above range.
Moreover, when the mixing ratio of water exceeds 30% by mass, the hemicellulose component may be excessively decomposed as compared with the case where the mixing ratio of water is within the above range.
粉砕バイオマスと、薬液との配合割合は質量比で、1:1〜10であることが好ましい。
この場合、より確実にリグニンとセルロース及びヘミセルロースとの交絡を解くことができる。
Pulverized biomass, the proportions mass ratio of the drug solution, 1: preferably 1-10.
In this case, the entanglement of lignin with cellulose and hemicellulose can be more reliably solved.
粉砕バイオマスを薬液に浸漬させるときの温度は、160〜220℃であることが好ましい。
温度が160℃未満であると、温度が上記範囲内にある場合と比較して、粉砕バイオマスの蒸煮が不十分であるため、高い糖化率で糖が得られない傾向にあり、温度が220℃を超えると、温度が上記範囲内にある場合と比較して、一部の糖が分解してしまうため、高い糖化率で糖が得られなくなる傾向にある。
The temperature at which the pulverized biomass is immersed in the chemical solution is preferably 160 to 220 ° C.
When the temperature is lower than 160 ° C., compared to the case where the temperature is within the above range, steaming of the pulverized biomass is insufficient, so sugar tends not to be obtained at a high saccharification rate, and the temperature is 220 ° C. If the temperature exceeds the range, some sugars are decomposed as compared with the case where the temperature is within the above range, so that there is a tendency that sugars cannot be obtained at a high saccharification rate.
蒸煮工程は、耐圧容器内で行うことが好ましい。このときの耐圧容器内は、蒸気で飽和させることが好ましく、圧力が飽和蒸気圧の1〜5倍であることがより好ましい。
具体的には、耐圧容器内の圧力が、0.1〜5MPaであることが好ましい。
The steaming step is preferably performed in a pressure resistant container. The inside of the pressure vessel at this time is preferably saturated with steam, and the pressure is more preferably 1 to 5 times the saturated vapor pressure.
Specifically, the pressure in the pressure vessel is preferably 0.1 to 5 MPa.
また、上記耐圧容器内は予め、不活性ガス雰囲気下としておくことが好ましい。かかる不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウム等が挙げられる。
この場合、酸化等による粉砕バイオマスの分解が抑制される。
Moreover, it is preferable that the inside of the pressure vessel is previously set in an inert gas atmosphere. Examples of the inert gas include nitrogen, argon, helium and the like.
In this case, decomposition of the pulverized biomass due to oxidation or the like is suppressed.
[分離工程]
分離工程は、上述した蒸煮工程において、薬液に浸漬させた粉砕バイオマスを、薬液に溶解した粉砕バイオマス中の可溶成分と、薬液に不溶な粉砕バイオマス中の不溶成分とに分離する工程である。
[Separation process]
The separation step is a step of separating the pulverized biomass soaked in the chemical solution into a soluble component in the pulverized biomass dissolved in the chemical solution and an insoluble component in the pulverized biomass insoluble in the chemical solution in the above-described cooking step.
ここで、可溶成分は、薬液と粉砕バイオマスの溶解したものとからなり、不溶成分は、粉砕バイオマスの薬液に不溶のものからなる。なお、不溶成分には、薬液が含まれていてもよい。
これにより、粉砕バイオマスの一部が薬液に溶解するため、リグニンの一部を除去できる。
Here, a soluble component consists of what melt | dissolved the chemical | medical solution and pulverized biomass, and an insoluble component consists of a thing insoluble in the chemical | medical solution of pulverized biomass. The insoluble component may contain a chemical solution.
Thereby, since a part of ground biomass is melt | dissolved in a chemical | medical solution, a part of lignin can be removed.
上記分離工程において、上記可溶成分と、上記不溶成分との分離方法は、特に限定されないが、例えば、ろ過やデカンテーション等で行われる。 In the separation step, a method for separating the soluble component and the insoluble component is not particularly limited, and for example, filtration or decantation is performed.
[糖化工程]
糖化工程は、分離工程により得られる不溶成分を酵素に接触させることにより糖化させる工程である。
[Saccharification process]
The saccharification step is a step of saccharification by bringing an insoluble component obtained in the separation step into contact with an enzyme.
上記酵素としては、セルラーゼが挙げられる。酵素としてセルラーゼを用いることにより、セルロースが分解され、グルコースとなる。 An example of the enzyme is cellulase. By using cellulase as an enzyme, cellulose is decomposed into glucose.
上記糖化工程は、緩衝剤でpH3.5〜5.5に調整した緩衝液に不溶成分とセルラーゼを加えた反応液を、温度45〜55℃で1〜50時間処理することによって行われる。
かかる糖化工程は、回分式で行ってもよいし、また固定化酵素を含むバイオリアクターを用いる連続式で行ってもよい。
The saccharification step is performed by treating a reaction solution obtained by adding an insoluble component and cellulase to a buffer solution adjusted to pH 3.5 to 5.5 with a buffering agent at a temperature of 45 to 55 ° C. for 1 to 50 hours.
Such a saccharification step may be carried out batchwise or continuously using a bioreactor containing an immobilized enzyme.
このとき、異なった微生物由来のセルラーゼを混合して用いることが好ましい。この場合、それらの相乗効果により、セルロースの糖化を促進させることができる。 At this time, it is preferable to use a mixture of cellulases derived from different microorganisms. In this case, saccharification of cellulose can be promoted by their synergistic effect.
以上より、本実施形態に係る糖の製造方法により得られる糖は、発酵法によりエタノールに変換できる。
得られるエタノールを精製することにより、化成品原料、溶媒あるいは自動車用燃料に用いることができる。また、エタノールを含む水溶液は、アルコール系飲料とすることもできる。
糖化液はバイオ技術による有用物資生産のための培地原料あるいは炭素源として用いることができる。また、糖化液中の糖類を化学的に、化成品や高分子原料、生理活性物質等
の有用物質に変換して用いることもできる。
As mentioned above, the saccharide | sugar obtained by the manufacturing method of the saccharide | sugar which concerns on this embodiment can be converted into ethanol by a fermentation method.
By purifying the obtained ethanol, it can be used as a raw material for chemical products, a solvent, or an automobile fuel. Moreover, the aqueous solution containing ethanol can also be used as an alcoholic beverage.
The saccharified solution can be used as a medium raw material or a carbon source for producing useful materials by biotechnology. In addition, the saccharides in the saccharified solution can be chemically converted into useful substances such as chemical products, polymer raw materials, and physiologically active substances.
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment.
例えば、上述した分離工程で得られた可溶成分から糖を抽出する糖抽出工程を備えていてもよい。
この場合、可溶成分からも糖が得られることになるので、得られる糖の量が増加する。
For example, you may provide the saccharide | sugar extraction process which extracts saccharide | sugar from the soluble component obtained at the isolation | separation process mentioned above.
In this case, sugar is also obtained from the soluble component, so that the amount of sugar obtained is increased.
上記糖を抽出する方法は、特に限定されないが、例えば、可溶成分を乾固させ、乾固した成分を水で抽出することにより得られる。
こうして得られる糖には、ヘミセルロースの加水分解により得られる五単糖からなるオリゴ糖が含まれる。
なお、このオリゴ糖は精製後、機能性食品素材として利用可能である。
The method for extracting the sugar is not particularly limited, and can be obtained, for example, by drying a soluble component and extracting the dried component with water.
The sugars thus obtained include oligosaccharides composed of pentoses obtained by hydrolysis of hemicellulose.
This oligosaccharide can be used as a functional food material after purification.
また、上記糖抽出工程によれば、リグニンを抽出することも可能となる。
すなわち、かかる工程では、粉砕バイオマス中でセルロース又はヘミセルロースと強固な結合を伴っていないリグニンを分離回収することができる。
Moreover, according to the said sugar extraction process, it becomes possible to extract lignin.
That is, in this step, lignin that does not have a strong bond with cellulose or hemicellulose in the pulverized biomass can be separated and recovered.
かかるリグニンは、例えば、ろ過や遠心分離により、分離され、水洗により精製することができる。こうして得られるリグニンは、例えば、繊維や合成高分子との複合化により、フィルムや繊維板として利用できる。 Such lignin can be separated, for example, by filtration or centrifugation, and purified by washing with water. The lignin thus obtained can be used as a film or a fiber board by, for example, compounding with a fiber or a synthetic polymer.
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより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 this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.
(実施例1)
[粉砕工程]
製紙用ユーカリチップ(縦2−3cm、横1−2cm、厚さ0.5−1cm)(木質系バイオマス)を出発原料として、ユニバーサルカッティングミルP−19(フリッチュ社製)により2mmパスのユーカリ木粉に粉砕し、更にロータースピードミルP−14(フリッチュ社製)により0.2mmパス(直径0.2mm)の粉砕バイオマスとした。
図1に粉砕バイオマスの電界放射型操作型電子顕微鏡の写真を示す。
Example 1
[Crushing process]
Eucalyptus wood for papermaking (2-3cm in length, 1-2cm in width, 0.5-1cm in thickness) (woody biomass) as a starting material, 2mm pass eucalyptus wood by universal cutting mill P-19 (Fritsch) This was pulverized into powder, and further pulverized biomass of 0.2 mm pass (diameter 0.2 mm) was obtained by a rotor speed mill P-14 (manufactured by Fritsch).
FIG. 1 shows a photograph of a field emission type operation electron microscope of pulverized biomass.
[蒸煮工程]
耐圧容器として、ステンレス(SUS316)製の内容積57mlのオートクレーブ(日東高圧製)を用い、この中に粉砕バイオマス(含水率9重量%)2.19g(乾燥重量2g)と、エタノール(水溶性有機溶剤)7.5g、水2.31g及び酢酸(有機酸)0.1gからなる薬液とを混合した混合物を入れ、蓋をして密封した。
[Steaming process]
An autoclave (manufactured by Nitto Koatsu) made of stainless steel (SUS316) was used as the pressure vessel, and 2.19 g (dry weight 2 g) of pulverized biomass (water content 9% by weight) and ethanol (water-soluble organic) Solvent) 7.5 g, water 2.31 g, and a mixture of chemicals consisting of 0.1 g of acetic acid (organic acid) were added and sealed with a lid.
次いで、耐圧容器内に窒素を注入して耐圧容器内の圧力を5MPaに調整し、混合物を攪拌しながら20分かけて200℃まで昇温した。
そして、耐圧容器内の温度を200℃に維持した状態で更に混合物を1時間攪拌した。
Next, nitrogen was injected into the pressure vessel to adjust the pressure in the pressure vessel to 5 MPa, and the mixture was heated to 200 ° C. over 20 minutes with stirring.
And the mixture was further stirred for 1 hour in the state which maintained the temperature in a pressure-resistant container at 200 degreeC.
[分離工程]
その後、蓋を開け、混合物をろ過して固形物(不溶成分)とろ液(可溶成分)とに分離した。得られた固形物は3mlのエタノールを用いて洗浄した。
図2に得られた固形物の電界放射型操作型電子顕微鏡の写真を示す。
得られた固形物の乾燥重量は1.41gで、21%のリグニン(72%硫酸に不溶性の成分として求められるKlasonリグニン)が含まれていた。
得られたろ液を乾固させた乾固物の乾燥重量は0.58gであった。
[Separation process]
Thereafter, the lid was opened, and the mixture was filtered to separate into a solid (insoluble component) and a filtrate (soluble component). The obtained solid was washed with 3 ml of ethanol.
FIG. 2 shows a photograph of a field emission type operation electron microscope of the solid matter obtained.
The obtained solid had a dry weight of 1.41 g and contained 21% lignin (Klason lignin required as a component insoluble in 72% sulfuric acid).
The dry weight of the dried product obtained by drying the obtained filtrate was 0.58 g.
[糖化工程]
得られた固形物の粉末60mg(乾燥重量にして50mg)を20ml容量のサンプル瓶に秤りとり、50mM酢酸―酢酸ナトリウム緩衝液(pH5.0)17mlとセルラーゼ(明治製菓製メイセラーゼ)2mgとを加えた。そして、反応温度45℃で18時間糖化反応を行うことにより、糖含有溶液を得た。
図3に糖含有溶液中の固体残渣の電界放射型操作型電子顕微鏡の写真を示す。
[Saccharification process]
60 mg (50 mg in dry weight) of the obtained solid powder was weighed into a 20 ml sample bottle, and 17 ml of 50 mM acetic acid-sodium acetate buffer (pH 5.0) and 2 mg of cellulase (Meiselase from Meiji Seika) were added. added. Then, a saccharification reaction was performed at a reaction temperature of 45 ° C. for 18 hours to obtain a saccharide-containing solution.
FIG. 3 shows a photograph of a field emission type operation electron microscope of the solid residue in the sugar-containing solution.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。リグニンに由来する成分は、0.35gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.23gであった。なお、ヘミセルロース由来の糖は水溶性オリゴ糖であった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して0.4%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The component derived from lignin was 0.35 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.23 g. The hemicellulose-derived sugar was a water-soluble oligosaccharide. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 0.4% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(実施例2)
粉砕工程において、製紙用ユーカリチップをユニバーサルカッティングミルP−19により、2mmパス(直径2mm)の粉砕バイオマスとし、これを用いたこと以外は実施例1と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.33gで22%のリグニンが含まれていた。
(Example 2)
In the pulverization step, a sugar-containing solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that the eucalyptus chips for papermaking were converted into pulverized biomass of 2 mm pass (diameter 2 mm) by the universal cutting mill P-19. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 1.33 g and contained 22% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.66gであり、リグニンに由来する成分は、0.40gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.25gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して0.3%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.66 g, the component derived from lignin was 0.40 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.25 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 0.3% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(実施例3)
出発原料を製紙用ベイマツチップ(縦2−3cm、横1−2cm、厚さ0.5−1cm)としたこと以外は実施例1と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.80gで21%のリグニンが含まれていた。
(Example 3)
A sugar-containing solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that the starting raw material was paper-made bay pine chips (length: 2-3 cm, width: 1-2 cm, thickness: 0.5-1 cm). In the separation step, the dry weight of the obtained solid was 1.80 g and contained 21% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.20gであり、リグニンに由来する成分は、0.14gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.06gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるベイマツチップの乾燥重量に対して1.5%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.20 g, the component derived from lignin was 0.14 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.06 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 1.5% with respect to the dry weight of the starting bay pine chip.
(実施例4)
出発原料を沖縄県産バガス(サトウキビから砂糖を搾った後の残りかす;長さ1−2cm、直径2−5mm)とし、2mmパス(直径2mm)の粉砕バイオマスとしたこと以外は実施例1と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.31gで21%のリグニンが含まれていた。
Example 4
Example 1 except that the starting material is bagasse produced in Okinawa (residue after squeezing sugar from sugarcane; length 1-2 cm, diameter 2-5 mm) and ground biomass of 2 mm path (diameter 2 mm) Similarly, a sugar-containing solution was obtained. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 1.31 g and contained 21% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.69gであり、リグニンに由来する成分は、0.46gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.23gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるバガスの乾燥重量に対して0.3%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.69 g, the component derived from lignin was 0.46 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.23 g. The amount of furfural, which is a hemicellulose overdecomposition product, was 0.3% with respect to the dry weight of the bagasse as the starting material.
(実施例5)
粉砕工程において、製紙用ユーカリチップをユニバーサルカッティングミルP−19により、10mmパス(直径10mm)の粉砕バイオマスとし、これを用いたこと以外は実施例1と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.87gで31%のリグニンが含まれていた。
(Example 5)
In the pulverization step, a sugar-containing solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that the eucalyptus chip for papermaking was pulverized biomass of 10 mm path (diameter 10 mm) by the universal cutting mill P-19. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 1.87 g and contained 31% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.13gであり、リグニンに由来する成分は、0.08gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.05gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して0.2%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.13 g, the component derived from lignin was 0.08 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.05 g. The amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 0.2% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(実施例6)
蒸煮工程において、エタノールの代わりにエチレングリコール(水溶性有機溶剤)を用いたこと以外は実施例1と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.27gで23%のリグニンが含まれていた。
(Example 6)
In the steaming step, a sugar-containing solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that ethylene glycol (water-soluble organic solvent) was used instead of ethanol. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 1.27 g and contained 23% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.73gであり、リグニンに由来する成分は、0.45gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.28gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して0.5%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.73 g, the component derived from lignin was 0.45 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.28 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 0.5% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(実施例7)
蒸煮工程において、エタノール(水溶性有機溶剤)5g、水4.81g及び酢酸(有機酸)0.1gからなる混合物を用い、耐圧容器内の圧力を2MPaに調整したこと以外は実施例1と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.27gで26%のリグニンが含まれていた。
(Example 7)
Same as Example 1 except that in the steaming process, a mixture consisting of 5 g of ethanol (water-soluble organic solvent), 4.81 g of water and 0.1 g of acetic acid (organic acid) was used, and the pressure in the pressure vessel was adjusted to 2 MPa. Thus, a sugar-containing solution was obtained. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 1.27 g and contained 26% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.73gであり、リグニンに由来する成分は、0.49gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.24gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して1.4%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.73 g, the component derived from lignin was 0.49 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.24 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 1.4% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(実施例8)
蒸煮工程において、耐圧容器内の圧力を0.5MPaに調整したこと以外は実施例7と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.28gで39%のリグニンが含まれていた。
(Example 8)
In the steaming step, a sugar-containing solution was obtained in the same manner as in Example 7 except that the pressure in the pressure vessel was adjusted to 0.5 MPa. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 1.28 g and contained 39% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.50gであり、リグニンに由来する成分は、0.29gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.20gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して1.2%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.50 g, the component derived from lignin was 0.29 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.20 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 1.2% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(実施例9)
蒸煮工程において、エタノール(水溶性有機溶剤)2.5g、水7.31g及び酢酸(有機酸)0.1gからなる混合物を用い、耐圧容器内の圧力を2MPaに調整したこと以外は実施例1と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.68gで28%のリグニンが含まれていた。
Example 9
Example 1 except that in the steaming step, a mixture of 2.5 g of ethanol (water-soluble organic solvent), 7.31 g of water and 0.1 g of acetic acid (organic acid) was used, and the pressure in the pressure vessel was adjusted to 2 MPa. In the same manner as above, a sugar-containing solution was obtained. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 1.68 g and contained 28% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.32gであり、リグニンに由来する成分は、0.09gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.23gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して3.7%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.32 g, the component derived from lignin was 0.09 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.23 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 3.7% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(実施例10)
蒸煮工程において、耐圧容器内の圧力を0.5MPaに調整したこと以外は実施例9と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.69gで29%のリグニンが含まれていた。
(Example 10)
In the steaming step, a sugar-containing solution was obtained in the same manner as in Example 9 except that the pressure in the pressure vessel was adjusted to 0.5 MPa. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 1.69 g and contained 29% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.31gであり、リグニンに由来する成分は、0.10gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.21gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して0.9%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.31 g, the component derived from lignin was 0.10 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.21 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 0.9% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(実施例11)
蒸煮工程において、耐圧容器内の温度を180℃に調整したこと以外は実施例10と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.70gで29%のリグニンが含まれていた。
(Example 11)
In the steaming step, a sugar-containing solution was obtained in the same manner as in Example 10 except that the temperature in the pressure vessel was adjusted to 180 ° C. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 1.70 g and contained 29% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.30gであり、リグニンに由来する成分は、0.08gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.22gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して3.7%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.30 g, the component derived from lignin was 0.08 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.22 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 3.7% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(実施例12)
蒸煮工程において、粉砕バイオマス(含水率9重量%)5.48g(乾燥重量5g)と、エタノール(水溶性有機溶剤)2.5g、水7.03g及び酢酸(有機酸)0.1gからなる薬液とを混合した混合物を用いたこと以外は実施例10と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は4.59gで28%のリグニンが含まれていた。
(Example 12)
In the steaming step, a chemical solution consisting of 5.48 g (dry weight 5 g) of pulverized biomass (water content 9% by weight), 2.5 g of ethanol (water-soluble organic solvent), 7.03 g of water and 0.1 g of acetic acid (organic acid) A sugar-containing solution was obtained in the same manner as in Example 10 except that a mixture obtained by mixing with was used. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 4.59 g and contained 28% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.41gであり、リグニンに由来する成分は、0.03gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.39gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して0.98%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.41 g, the component derived from lignin was 0.03 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.39 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 0.98% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(実施例13)
粉砕工程において、製紙用ユーカリチップをユニバーサルカッティングミルP−19により、5mmパス(直径5mm)の粉砕バイオマスとし、蒸煮工程において、粉砕バイオマス(含水率9重量%)3.65g(乾燥重量3.3g)と、エタノール(水溶性有機溶剤)2.5g、水7.18g及び酢酸(有機酸)0.1gからなる薬液とを混合した混合物を用いたこと以外は実施例10と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は3.14gで29%のリグニンが含まれていた。
(Example 13)
In the pulverization step, the eucalyptus chips for papermaking are converted into pulverized biomass of 5 mm pass (diameter 5 mm) by the universal cutting mill P-19, and in the steaming step, 3.65 g of pulverized biomass (water content 9% by weight) (dry weight 3.3 g) ), 2.5 g of ethanol (water-soluble organic solvent), 7.18 g of water and 0.1 g of acetic acid (organic acid) 0.1 g. A containing solution was obtained. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 3.14 g and contained 29% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.19gであり、リグニンに由来する成分は、0.19gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.01gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して1.63%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.19 g, the component derived from lignin was 0.19 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.01 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 1.63% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(実施例14)
出発原料を製紙用ベイマツチップ(縦2−3cm、横1−2cm、厚さ0.5−1cm)とし、エタノール(水溶性有機溶剤)5g、水4.81g及び酢酸(有機酸)0.1gからなる混合物を用いたこと以外は実施例1と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.35gで26%のリグニンが含まれていた。
(Example 14)
The starting material is a bay pine chip for papermaking (length 2-3 cm, width 1-2 cm, thickness 0.5-1 cm), ethanol (water-soluble organic solvent) 5 g, water 4.81 g and acetic acid (organic acid) 0.1 g A sugar-containing solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mixture consisting of In the separation step, the dry weight of the obtained solid was 1.35 g and contained 26% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.65gであり、リグニンに由来する成分は、0.37gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.28gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して1.6%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.65 g, the component derived from lignin was 0.37 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.28 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 1.6% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(実施例15)
出発原料を製紙用ベイマツチップ(縦2−3cm、横1−2cm、厚さ0.5−1cm)とし、エタノール(水溶性有機溶剤)2.5g、水7.31g及び酢酸(有機酸)0.1gからなる混合物を用いたこと以外は実施例1と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.66gで33%のリグニンが含まれていた。
(Example 15)
The starting material is a bay pine chip for papermaking (length 2-3 cm, width 1-2 cm, thickness 0.5-1 cm), ethanol (water-soluble organic solvent) 2.5 g, water 7.31 g and acetic acid (organic acid) 0 A sugar-containing solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that a mixture consisting of 0.1 g was used. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 1.66 g and contained 33% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.34gであり、リグニンに由来する成分は、0.08gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.26gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して1.2%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.34 g, the component derived from lignin was 0.08 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.26 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 1.2% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(実施例16)
粉砕工程において、ヒノキチップをユニバーサルカッティングミルP−19により、2mmパス(直径2mm)の粉砕バイオマスとし、これを出発原料とした以外は実施例14と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.57gで33%のリグニンが含まれていた。
(Example 16)
In the pulverization step, a saccharide-containing solution was obtained in the same manner as in Example 14 except that the hinoki chips were pulverized biomass of 2 mm path (diameter 2 mm) by the universal cutting mill P-19, and this was used as a starting material. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 1.57 g and contained 33% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.43gであり、リグニンに由来する成分は、0.30gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.13gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して0.5%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.43 g, the component derived from lignin was 0.30 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.13 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 0.5% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(比較例1)
粉砕工程において、製紙用ユーカリチップをユニバーサルカッティングミルP−19により、15mmパス(直径15mm)の粉砕バイオマスとし、これを用いたこと以外は実施例1と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.87gで32%のリグニンが含まれていた。
(Comparative Example 1)
In the pulverization step, a sugar-containing solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that the eucalyptus chips for papermaking were converted into pulverized biomass of 15 mm path (diameter 15 mm) by the universal cutting mill P-19. In the separation step, the dry weight of the obtained solid was 1.87 g and contained 32% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.13gであり、リグニンに由来する成分は、0.03gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.1gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して0.3%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.13 g, the component derived from lignin was 0.03 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.1 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 0.3% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(比較例2)
蒸煮工程において、エタノール(水溶性有機溶剤)を用いなかったこと以外は実施例1と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は0.64gで72%硫酸に不溶性の成分が69%含まれていた。これは固形物が焦げたためである。
(Comparative Example 2)
In the steaming step, a sugar-containing solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that ethanol (water-soluble organic solvent) was not used. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 0.64 g and contained 69% of a component insoluble in 72% sulfuric acid. This is because the solid was burnt.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は1.40gであり、リグニンに由来する成分は、0.47gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.93gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して1.8%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 1.40 g, the component derived from lignin was 0.47 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.93 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 1.8% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(比較例3)
蒸煮工程において、酢酸(有機酸)を用いなかったこと以外は実施例1と同様にして、糖含有溶液を得た。なお、分離工程において、得られた固形物の乾燥重量は1.52gで31%のリグニンが含まれていた。
(Comparative Example 3)
In the steaming step, a sugar-containing solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that acetic acid (organic acid) was not used. In the separation step, the obtained solid had a dry weight of 1.52 g and contained 31% lignin.
一方、分離工程で得られたろ液を乾固させ分析した(糖抽出工程)。乾固物の乾燥重量は0.47gであり、リグニンに由来する成分は、0.28gであり、ヘミセルロース由来の糖は0.19gであった。また、ヘミセルロースの過分解物であるフルフラールの生成量は、出発物質であるユーカリチップの乾燥重量に対して0.3%であった。 On the other hand, the filtrate obtained in the separation step was dried and analyzed (sugar extraction step). The dry weight of the dried product was 0.47 g, the component derived from lignin was 0.28 g, and the sugar derived from hemicellulose was 0.19 g. In addition, the amount of furfural, which is a hemicellulose hyperdegradation product, was 0.3% with respect to the dry weight of the eucalyptus chip that was the starting material.
(比較例4)
製紙用ユーカリチップ(縦2−3cm、横1−2cm、厚さ0.5−1cm)(木質系バイオマス)を出発原料として、ユニバーサルカッティングミルP−19(フリッチュ社製)により2mmパスのユーカリ木粉に粉砕し、更にロータースピードミルP−14(フリッチュ社製)により0.2mm(直径0.2mm)パスの粉砕バイオマスとした。
(Comparative Example 4)
Eucalyptus wood for papermaking (2-3 cm in length, 1-2 cm in width, 0.5-1 cm in thickness) (woody biomass) as a starting material, 2 mm pass eucalyptus wood by universal cutting mill P-19 (Fritsch) The powder was pulverized, and further pulverized biomass of 0.2 mm (diameter 0.2 mm) pass was obtained by a rotor speed mill P-14 (manufactured by Fritsch).
この粉砕バイオマス60mgを20ml容量のサンプル瓶に秤りとり、50mM酢酸―酢酸ナトリウム緩衝液(pH5.0)17mlとセルラーゼ(明治製菓製メイセラーゼ)2mgとを加えた。そして、反応温度45℃で18時間糖化反応を行うことにより、糖含有溶液を得た。 60 mg of this pulverized biomass was weighed into a 20-ml sample bottle, and 17 ml of 50 mM acetic acid-sodium acetate buffer (pH 5.0) and 2 mg of cellulase (Meiji Seika Mecellase) were added. Then, a saccharification reaction was performed at a reaction temperature of 45 ° C. for 18 hours to obtain a saccharide-containing solution.
(比較例5)
出発原料を製紙用ベイマツチップ(縦2−3cm、横1−2cm、厚さ0.5−1cm)とし、0.2mmパス(直径0.2mm)の粉砕バイオマスとしたこと以外は比較例4と同様にして、糖含有溶液を得た。
(Comparative Example 5)
Comparative Example 4 with the exception that the starting material was paper-made bay pine chips (length: 2-3 cm, width: 1-2 cm, thickness: 0.5-1 cm), and ground biomass of 0.2 mm path (diameter: 0.2 mm) Similarly, a sugar-containing solution was obtained.
(比較例6)
出発原料を沖縄県産バガス(サトウキビから砂糖を搾った後の残りかす;長さ1−2cm、直径2−5mm)とし、2mmパス(直径2mm)の粉砕バイオマスとしたこと以外は比較例4と同様にして、糖含有溶液を得た。
(Comparative Example 6)
Comparative Example 4 with the exception that the starting material was bagasse produced in Okinawa (residue after squeezing sugar from sugarcane; length 1-2 cm, diameter 2-5 mm) and crushed biomass of 2 mm path (diameter 2 mm) Similarly, a sugar-containing solution was obtained.
[評価方法]
実施例1〜16及び比較例1〜6それぞれにおいて、得られる糖含有溶液を経時的に取り出し、それを遠心分離(2500rpm、10分間)により固液分離し、液中に含まれるグルコース量をAminex HPX−87Pカラム(バイオラッド社製)を取り付けた日本分光製高速液体クロマトグラフィーLC−2000Plusで測定し、糖化率を算出した。
得られた結果(糖化率)を表1に示す。なお、糖化率は、原料(木質系バイオマス)中のセルロース成分の含有量に対する糖化した成分(グルコース量)の割合を意味する。
[Evaluation method]
In each of Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 to 6, the resulting sugar-containing solution was taken out over time, and it was subjected to solid-liquid separation by centrifugation (2500 rpm, 10 minutes), and the amount of glucose contained in the solution was determined as Aminex. The saccharification rate was calculated by measurement with a high-performance liquid chromatography LC-2000Plus manufactured by JASCO Corporation equipped with an HPX-87P column (manufactured by Bio-Rad).
The obtained results (saccharification rate) are shown in Table 1. The saccharification rate means the ratio of the saccharified component (glucose amount) to the content of the cellulose component in the raw material (woody biomass).
表1に示した結果から明らかなように、実施例1〜16の糖の製造方法によれば、比較例1〜6の方法と比較して、十分に高い糖化率で粉砕バイオマスを糖化できることがわかった。 As is clear from the results shown in Table 1, according to the method for producing sugars of Examples 1 to 16, compared with the methods of Comparative Examples 1 to 6, the pulverized biomass can be saccharified at a sufficiently high saccharification rate. all right.
また、図1に示すように、カッターミルしたユーカリの粉砕バイオマスの表面は平滑であるが、蒸煮工程を経ると、図2に示すように、数十nmオーダーの微細孔が表面に生成し、さらに、酵素糖化後は、図3に示すように、数百nmオーダーの微細孔が生成していることがわかった。 In addition, as shown in FIG. 1, the surface of the pulverized biomass of eucalyptus that has been milled by the cutter is smooth, but after passing through the steaming step, micropores on the order of several tens of nm are generated on the surface, as shown in FIG. Furthermore, after enzymatic saccharification, as shown in FIG. 3, it was found that micropores on the order of several hundred nm were generated.
このことにより、蒸煮によってバイオマス中のリグニンとヘミセルロース成分が脱離して、数十nmオーダーの微細孔が生成し、そのため、表面積が増大し、酵素が接触しやすくなると考えられる。また、酵素糖化によってセルロース成分がグルコースに変換され水溶性となり脱離するため、微細孔の径が増大すると考えられる。 By this, the lignin and hemicellulose components in the biomass are desorbed by steaming, and micropores on the order of several tens of nanometers are generated. Therefore, the surface area is increased and the enzyme is likely to come into contact. In addition, the cellulose component is converted to glucose by enzymatic saccharification, becomes water-soluble, and is desorbed. Therefore, it is considered that the diameter of the micropores increases.
以上より、本発明によれば、木質系バイオマスを原料とし、比較的温和な条件であっても、十分高い糖化率で糖を製造できることが確認された。 From the above, according to the present invention, it was confirmed that sugar can be produced at a sufficiently high saccharification rate even under relatively mild conditions using woody biomass as a raw material.
Claims (5)
前記木質系バイオマスを粉砕し、直径10mm以下の粉砕バイオマスとする粉砕工程と、
前記粉砕バイオマスを、水、水溶性有機溶剤及び有機酸を含む薬液に浸漬させ、前記粉砕バイオマスを蒸煮させることにより微細孔を生成させる蒸煮工程と、
前記薬液に溶解した前記粉砕バイオマス中の可溶成分と、前記薬液に不溶な前記粉砕バイオマス中の不溶成分とを分離する分離工程と、
前記可溶成分から糖を抽出する糖抽出工程と、
前記不溶成分を酵素に接触させることにより糖化させる糖化工程と、
を備え、
前記蒸煮工程が不活性ガス雰囲気下、温度160〜220℃、圧力0.1〜5MPaの条件で行われ、
前記水溶性有機溶剤がアルコール類であることを特徴とする糖の製造方法。 A method for producing sugar from woody biomass containing lignin, cellulose and hemicellulose,
Crushing the woody biomass to a pulverized biomass having a diameter of 10 mm or less;
A steaming step in which the pulverized biomass is immersed in a chemical solution containing water, a water-soluble organic solvent and an organic acid, and the pulverized biomass is steamed to generate micropores ;
A separation step of separating a soluble component in the pulverized biomass dissolved in the chemical liquid and an insoluble component in the pulverized biomass insoluble in the chemical liquid;
A sugar extraction step of extracting sugar from the soluble component;
A saccharification step in which the insoluble component is saccharified by contacting with an enzyme;
Equipped with a,
The steaming step is performed under an inert gas atmosphere at a temperature of 160 to 220 ° C. and a pressure of 0.1 to 5 MPa.
Method for producing a sugar wherein the water-soluble organic solvent, wherein the alcohol der Rukoto.
該耐圧容器内が、蒸気で飽和されており、
該耐圧容器内の圧力が飽和蒸気圧の1〜5倍であることを特徴とする請求項1記載の糖の製造方法。 The steaming process is performed in a pressure vessel,
The inside of the pressure vessel is saturated with steam,
The process according to claim 1, wherein sugars pressure of the pressure vessel is characterized by 1-5 Baidea Rukoto saturated vapor pressure.
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