JP5822101B2 - セルロース溶液の製造方法、セルロース析出体の製造方法、及びセルロースの糖化方法 - Google Patents
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Description
また、銅アンモニア溶液に対してもセルロースは可溶である。これを酸性水溶液に押出すことによって、銅アンモニアレーヨンを紡糸することができる(特許文献2参照)。
本発明の請求項2に記載のセルロース溶液の製造方法は、前記セルロース水溶液が透明であることを特徴とする。
本発明の請求項3に記載のセルロース溶液の製造方法は、請求項1又は2において、前記オゾンの濃度が1〜300mg/Lであり、且つ前記オゾン処理の時間が1〜300分であることを特徴とする。
本発明の請求項4に記載のセルロース析出体の製造方法は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法によって前記セルロース溶液を得た後、当該セルロース溶液をpH7以下に調整して、前記重合度50〜50,000のセルロースを析出して得ることを特徴とする。
本発明の請求項5に記載のセルロースの糖化方法は、請求項4に記載の製造方法によって、前記重合度50〜50,000のセルロースが析出してなるセルロース析出体を得た後、当該セルロース析出体とセルロース分解酵素を含む水溶液とを接触させる酵素処理を行うことにより、水溶性オリゴ糖又はグルコースを含む水溶液を得ることを特徴とする。
本発明のセルロース析出体は、セルロースが一度溶解しているのでセルロースのミクロレベルでの繊維が、比較的ほぐれ易い状態となり得る。このため、セルロースの糖化方法の原料として好適であり、セルロースのグルコースへの転換率を向上することができる。
また、本発明のセルロース溶液をpH7以下の溶液に噴出することによって、紡糸された糸状のセルロース析出体や、フィルム状や球状のセルロース析出体を得ることも可能である。
<セルロース溶液の製造方法>
本発明のセルロース溶液の製造方法は、セルロース含有物とオゾンとを接触させるオゾン処理を行い、得られた処理物とアルカリ水溶液とを接触させるアルカリ処理を行って、前記セルロース含有物のうち、少なくともセルロースを、前記アルカリ水溶液に溶解させる方法である。
本発明のセルロース溶液の製造方法は、前記処理以外の、補助的な処理をさらに含んでいても良い。
本発明におけるセルロース含有物としては、本発明の効果が十分に得られることから、セルロース含有繊維が好ましく、綿を含有する繊維がより好ましい。
前記セルロース含有繊維としては、セルロースを含有する繊維状の物であれば特に限定されず、例えば、衣料品等の繊維として用いられている綿、麻(苧麻、亜麻、マニラ麻、ザイザル麻、ケナフ麻等)、テンセル、レーヨン、キュブラ等や、コピー紙や包装紙、段ボール等の紙製品等が好適なものとして挙げられる。また、前記衣料品等の繊維として、ポリエステル等の合成繊維やシルク等のセルロースを含有していない繊維と混紡された繊維であってもよい。
前記セルロース含有繊維の形態は特に制限されず、綿状、糸状、綱状、布状、平面・立体状等に加工されたものを用いることができる。
すなわち、本発明におけるオゾン溶液としては、オゾン水が好ましい。オゾン水は、水の電気分解等を利用した公知のオゾン水生成装置から供給できる。
上記範囲の下限値以上であると、セルロース含有物におけるセルロース中のセルロースの水素結合を弱めることができる。上記範囲の上限値以下であると、セルロース含有物中のセルロースのβ-(1,4)−グリコシド結合(主鎖)が分解されることを抑制できる。
上記範囲の下限値以上及び上限値以下であると、前記セルロース含有物におけるセルロース中のセルロース結晶の改質を充分に行い、後段のアルカリ処理をより効果的に行うことができる。
上記範囲の下限値以上及び上限値以下であると、前記セルロース含有物におけるセルロース中のセルロース結晶の改質を充分に行い、後段のアルカリ処理をより効果的に行うことができる。
前記オゾン処理によって得られる処理物に含まれるセルロース含有物の性状は、前記オゾン処理の前後で、若干白色を呈する場合もあるが、ほとんど変化しない。
前記乾燥処理を行うことによって、アルカリ処理時の処理物の溶解性を格段に高めることができる。この理由は、乾燥処理がセルロース含有物中のセルロース結晶の分解を促進するため、後段のアルカリ処理における溶解が促進できると推測される。
上記範囲の下限値未満であると、前記セルロース含有物が乾燥しにくく、乾燥時間が長くなり、製造工程のボトルネックとなる恐れがある。
上記範囲の上限値超であると、前記セルロース含有物が焦げが生じる恐れがある。
本発明のアルカリ処理におけるアルカリ水溶液としては、前記処理物(オゾン処理を経たセルロース含有物、又はオゾン処理および乾燥処理を経たセルロース含有物)のうち、少なくともセルロース(セルロース分子鎖)を溶解できるものであれば特に制限されない。例えば、水酸化ナトリウム、アンモニア水等が挙げられる。
これらのなかでも、水酸化ナトリウムが好ましい。水酸化ナトリウムを用いることにより、セルロースをNaイオンが吸着したセルロースNa塩とすることができる。その結果、当該セルロースの凝集や水素結合を抑制して、当該セルロースのアルカリ水溶液に対する溶解性を向上できる。
上記範囲の下限値以上及び上限値以下であると、前記処理物を充分に溶解することができる。
上記範囲の下限値以上及び上限値以下であると、前記処理物を充分に溶解することができる。
上記範囲の下限値以上及び上限値以下であると、前記処理物を充分に溶解することができる。
前記セルロース含有物中に、アルカリ水溶液に本来的に不溶な物質が含まれていた場合は、それらは前記アルカリ処理によっても溶解しない場合がある。これらの不溶成分は、フィルターろ過や遠心分離等の公知の方法によって、除去することが好ましい。
本発明のセルロース溶液は、セルロース又はセルロース塩が、前記アルカリ水溶液中に溶解したものである。
前記セルロース塩としては、セルロースのナトリウム塩、カリウム塩、リチウム塩等の一価カチオンの塩、セルロースのマグネシウム塩、カルシウム塩等の二価カチオンの塩が挙げられる。前記セルロース塩は、通常、前記アルカリ処理に用いたアルカリ水溶液中のカチオンがセルロースに吸着することによって形成される。また、前記セルロース含有物由来の塩類によって、セルロース塩が形成されてもよい。
・ セルロース分子鎖の重合度は、50〜50,000である。
・ アルカリ溶液(4N水酸化ナトリウム水溶液)を溶媒とした時の、前記処理物の溶解度は、1.0〜100質量%である。
・ 前記溶解度の範囲における、当該セルロース溶液の粘度は、0.001〜1000Pa・sである。
本発明のセルロース析出体の製造方法は、本発明のセルロース溶液をpH7以下に調整することによって、セルロースを析出して得る方法である。
・ 塩酸等の酸を、セルロース溶液に添加する。
・ 塩酸等の酸溶液中に、セルロース溶液を滴下、又は噴出する。
・ 塩酸等の酸溶液に対して、セルロース溶液を透析する。
前記酸性溶液としては、例えば4N塩酸が挙げられる。
前記セルロース溶液の濃度は特に制限されず、例えば1〜80質量%の範囲に調整すればよい。
これらのセルロース析出体は、押出し時の圧力やセルロース溶液濃度を適宜調整することによって、セルロース繊維が比較的ほぐれ易い又は吸水性が高いセルロース析出体として得ることも可能である。
例えば、セルロース溶液中のセルロースがカチオンとの塩を形成している場合、該塩は当該酸性水溶液中でセルロースから解離する。つまり、セルロース塩は、セルロースとして析出する。
本発明のセルロース析出体は、前述の本発明にかかるセルロース析出体の製造方法によって得られたものである。
当該セルロース析出体を構成するセルロースは、一度セルロース溶液中で溶解している。このため、水溶液中の分散性が高く、後述のセルロース糖化方法における原料として好適である。
本発明のセルロースの糖化方法は、本発明のセルロース析出体とセルロース分解酵素を含む水溶液とを接触させる酵素処理を行うことにより、水溶性オリゴ糖又はグルコースを含む水溶液を得る方法である。
一般のセルロースを基質とした場合、基質中のセルロース分子鎖の一部はセルロース結晶(結晶部分)を構成しているため、この結晶部分においては、セルロース酵素は所定の位置に吸着することが妨げられる。この結果、原料であるセルロースのうち、結晶部分を加水分解する効率が落ちてしまう。
前記酸性水溶液のpHの範囲は、後段の酵素反応を阻害しない範囲であればよく、pH2.0〜6.9が好ましく、pH3.0〜pH6.9がより好ましく、pH4.0〜pH6.0がさらに好ましい。
この範囲のpHであると、洗浄したセルロース析出体に含まれる水溶液のpHを、後段の酵素反応の至適pH(一般にpH4〜6)に合わせることができるので好ましい。
前記酸性水溶液の濃度は適宜調整すればよい。
セルロース含有物である綿糸100gに、50mg/Lのオゾン水を60分×3回接触させたのち、130℃で1時間の乾燥処理を行うことによって乾燥して、オゾンを除いた。
得られた処理物5gと、4Nの水酸化ナトリウム水溶液200gとをガラス製ビーカー(300mL)で混合して、25℃で30分間、接触させた。
実験の結果、前記処理物が完全に溶解したことを目視確認した。得られたセルロース溶液は透明な薄黄色であった。
セルロース含有物である綿糸100gに、200mg/Lのオゾンガス(空気との混合ガス)を10分間吹き込んで接触させたのち、130℃で1時間の乾燥処理を行うことによって乾燥して、オゾンを除いた。
得られた処理物5gと、4Nの水酸化ナトリウム水溶液200gとをガラス製ビーカー(300mL)で混合して、25℃で60分間、接触させた。
実験の結果、前記処理物が完全に溶解したことを目視確認した。得られたセルロース溶液は透明な薄黄色であった。
実施例2で得られたセルロース溶液を、シリンジ針先から、pH1.0の塩酸浴に、押し出したところ、φ0.1mm×長さ1m程度の糸状のセルロース析出体が得られた。
オゾン水をイオン交換水に変更した以外は、実施例1と同様に行った。つまり、オゾン処理は行わずに、アルカリ処理のみを行った。
実験の結果、セルロースは溶解しないことを目視確認した。アルカリ処理後の水酸化ナトリウム水溶液は白濁液であった。
実施例3で得られたセルロース析出体を 、脱イオン水に浸漬して8時間放置した。水で洗浄したセルロース析出体のうち乾燥重量換算で0.5gに相当する量を取り分けて、これに酢酸Na緩衝液(pH5.0)を加えて、試料A(pH5.0)とした。
つづいて、セルロース分解酵素であるセルラーゼSS(ナガセケムテック株式会社製;活性1600CUN/g以上)0.2mlを試料Aに添加してセルロース析出体と酵素とを接触させ、シェーカーによる振とうは行わずに静置して、40℃で維持した。
この酵素処理の開始後、所定日数経過後における反応液に含まれるグルコース量をHPLCにより測定し、「グルコース転換率(質量%)=生成したグルコースの質量/セルロース析出体の質量(0.5g)」の計算を行った。
実験の結果、グルコース転換率は1日後=32%、2日後=49%、3日後=72%となった 。その結果を図1において、「○」のプロットで示す。
比較例1の白濁液をフィルターろ過して得たろ過物を脱イオン水で充分に洗浄して、セルロース析出体の代わりに使用した他は、実施例4と同様に行った。
実験の結果、グルコース転換率は1日後=28%、2日後=44%、3日後=58%となった 。その結果を図1おいて、「□」のプロットで示す。
セルロース含有物である綿糸5gを、脱イオン水で充分に洗浄して、乾燥重量換算で0.5gに相当する量を取り分けて、これを基質として、実施例4と同様に酵素処理を行った。
実験の結果、グルコース転換率は1日後=11%、2日後=13%、3日後=28%となった 。その結果を図1おいて、「*」のプロットで示す。
Claims (5)
- セルロース含有物とオゾンとを接触させるオゾン処理を行い、
前記オゾンと接触した前記セルロース含有物の乾燥処理を50〜160℃で行い、
得られた乾燥物と、0.1〜10Nの水酸化ナトリウム水溶液とを、−10℃〜50℃の温度範囲で、0.1〜60分の時間範囲で接触させるアルカリ処理を行うことによって、前記オゾンと接触した前記セルロース含有物のうち少なくとも、重合度50〜50,000のセルロースを前記水酸化ナトリウム水溶液に溶解させた、セルロース水溶液を得ることを特徴とするセルロース溶液の製造方法。 - 前記セルロース水溶液が透明であることを特徴とする請求項1に記載のセルロース溶液の製造方法。
- 前記オゾンの濃度が1〜300mg/Lであり、且つ前記オゾン処理の時間が1〜300分であることを特徴とする請求項1又は2に記載のセルロース溶液の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法によって前記セルロース溶液を得た後、当該セルロース溶液をpH7以下に調整して、前記重合度50〜50,000のセルロースを析出して得ることを特徴とするセルロース析出体の製造方法。
- 請求項4に記載の製造方法によって、前記重合度50〜50,000のセルロースが析出してなるセルロース析出体を得た後、当該セルロース析出体とセルロース分解酵素を含む水溶液とを接触させる酵素処理を行うことにより、水溶性オリゴ糖又はグルコースを含む水溶液を得ることを特徴とするセルロースの糖化方法。
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