JP7141707B2 - Method for producing sugar-containing cellulose hydrolyzate - Google Patents

Method for producing sugar-containing cellulose hydrolyzate Download PDF

Info

Publication number
JP7141707B2
JP7141707B2 JP2018561448A JP2018561448A JP7141707B2 JP 7141707 B2 JP7141707 B2 JP 7141707B2 JP 2018561448 A JP2018561448 A JP 2018561448A JP 2018561448 A JP2018561448 A JP 2018561448A JP 7141707 B2 JP7141707 B2 JP 7141707B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cellulose
acid
solid catalyst
aqueous solution
production method
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018561448A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPWO2018131711A1 (en
Inventor
淳 福岡
アビジット シュロトリ
広和 小林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hokkaido University NUC
Original Assignee
Hokkaido University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hokkaido University NUC filed Critical Hokkaido University NUC
Publication of JPWO2018131711A1 publication Critical patent/JPWO2018131711A1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7141707B2 publication Critical patent/JP7141707B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/18Carbon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07HSUGARS; DERIVATIVES THEREOF; NUCLEOSIDES; NUCLEOTIDES; NUCLEIC ACIDS
    • C07H1/00Processes for the preparation of sugar derivatives
    • C07H1/06Separation; Purification
    • C07H1/08Separation; Purification from natural products
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07HSUGARS; DERIVATIVES THEREOF; NUCLEOSIDES; NUCLEOTIDES; NUCLEIC ACIDS
    • C07H3/00Compounds containing only hydrogen atoms and saccharide radicals having only carbon, hydrogen, and oxygen atoms
    • C07H3/02Monosaccharides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C13SUGAR INDUSTRY
    • C13KSACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K1/00Glucose; Glucose-containing syrups
    • C13K1/02Glucose; Glucose-containing syrups obtained by saccharification of cellulosic materials

Description

本発明は、糖類含有セルロース加水分解物の製造方法に関する。より具体的には、グルコース含有セルロース加水分解物やソルビトール含有セルロース加水分解物の製造方法に関する。
関連出願の相互参照
本出願は、2017年1月16日出願の日本特願2017-004847号の優先権を主張し、その全記載は、ここに特に開示として援用される。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a saccharide-containing cellulose hydrolyzate. More specifically, it relates to a method for producing a glucose-containing cellulose hydrolyzate or a sorbitol-containing cellulose hydrolyzate.
Cross-reference to Related Applications This application claims priority from Japanese Patent Application No. 2017-004847 filed on January 16, 2017, the entire description of which is specifically incorporated herein by reference as disclosure.

セルロースまたはヘミセルロースを、固体触媒を用いて加水分解して糖含有液を製造する方法が知られている(特許文献1及び2)。セルロースやバイオマスの分解のためには、前処理としてセルロースの非晶質化のためにボールミル法(非特許文献1)が用いられる。しかし、この前処理に大きなエネルギーが必要であり、これが実用化の障害となっていた。また、セルロースを溶解し非晶質化させるため安価なリン酸を用いる方法が知られている(非特許文献2)。しかし、セルロース溶解液は高い粘度を持つため操作性が悪く、さらにセルロースをリン酸中から取り出すためには大量の水を添加してセルロースを析出させなければならないため、希リン酸の再濃縮に多大なエネルギーを要するという問題がある。 A method for producing a sugar-containing liquid by hydrolyzing cellulose or hemicellulose using a solid catalyst is known (Patent Documents 1 and 2). For the decomposition of cellulose and biomass, a ball mill method (Non-Patent Document 1) is used as a pretreatment for amorphization of cellulose. However, this pretreatment requires a large amount of energy, which is an obstacle to practical use. A method using inexpensive phosphoric acid is also known for dissolving cellulose and making it amorphous (Non-Patent Document 2). However, since the cellulose solution has a high viscosity, it is difficult to handle, and in order to extract the cellulose from the phosphoric acid, a large amount of water must be added to precipitate the cellulose. There is a problem that a large amount of energy is required.

最近、我々はボールミル法を用いてセルロースを固体触媒により分解する方法を報告した(非特許文献3)。 Recently, we reported a method for decomposing cellulose with a solid catalyst using a ball mill method (Non-Patent Document 3).

特許文献1:WO2011/036955
特許文献2:WO2014/007295
Patent Document 1: WO2011/036955
Patent Document 2: WO2014/007295

非特許文献1:Energy Fuels., 2006, 20, 807
非特許文献2:Biomacromolecules, 2006, 7, 644
非特許文献3:ACS Catal., 2013, 3, 581
特許文献1、2および非特許文献1、2、3の全記載は、それぞれ、ここに特に開示として援用される。
Non-Patent Document 1: Energy Fuels., 2006, 20, 807
Non-Patent Document 2: Biomacromolecules, 2006, 7, 644
Non-Patent Document 3: ACS Catal., 2013, 3, 581
The entire disclosures of Patent Documents 1, 2 and Non-Patent Documents 1, 2, 3, respectively, are specifically incorporated herein by reference.

非特許文献3に記載の方法では、弱酸点を持つ炭素材料からなる固体触媒はセルロースを加水分解する能力を持つが、高収率でグルコースを合成するためには、炭素材料とセルロースを一緒にボールミル処理する必要があり、上述の問題は克服されていない。 In the method described in Non-Patent Document 3, a solid catalyst composed of a carbon material with a weak acid site has the ability to hydrolyze cellulose, but in order to synthesize glucose in a high yield, the carbon material and cellulose must be combined. It needs to be ball milled and the above problems have not been overcome.

この前処理の目的は、セルロースの非晶質化ならびに炭素材料とセルロースの接触形成であり、同等の効果が得られる低エネルギーの前処理法の開発とこの前処理法を用いたセルロースを加水分解して高収率でグルコースを合成する方法が望まれている。 The purpose of this pretreatment is the amorphization of cellulose and the contact formation of carbon materials and cellulose, and the development of a low-energy pretreatment method that achieves the same effect and the hydrolysis of cellulose using this pretreatment method. Therefore, a method for synthesizing glucose with high yield is desired.

本発明の目的は、固体触媒を用い、セルロースを加水分解してグルコースを合成する新たな方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a new method for hydrolyzing cellulose to synthesize glucose using a solid catalyst.

本発明者らは、リン酸によりセルロースを溶解させた後、さらに溶液中に炭素材料からなる固体触媒を添加するとセルロースと炭素の相互作用のため、部分加水分解セルロースを含む可溶化したセルロース及び非晶質セルロースの吸着が起こり、その後、少量の水の存在下での加熱により、セルロースの加水分解を促進することができることを見出した。 The present inventors have found that after dissolving cellulose with phosphoric acid, adding a solid catalyst composed of a carbon material to the solution further causes the interaction between cellulose and carbon to produce solubilized cellulose containing partially hydrolyzed cellulose and non-soluble cellulose. It has been found that adsorption of crystalloid cellulose occurs, followed by heating in the presence of a small amount of water, which can accelerate hydrolysis of the cellulose.

特に、リン酸中でセルロースを部分加水分解しておくと、炭素材料に対してより吸着しやすくなるとともに、溶液の粘度が劇的に低下し、溶液中での炭素材料に対する可溶化したセルロース及び非晶質セルロースの吸着と溶液からの吸着後の炭素材料の分離のプロセスにおける水の使用量を一層抑制することができることを見出した。
これらの知見に基づいて本発明を完成させた。
In particular, when cellulose is partially hydrolyzed in phosphoric acid, it becomes easier to adsorb to the carbon material, and the viscosity of the solution is dramatically reduced, so that the solubilized cellulose and the carbon material in the solution. It has been found that the amount of water used in the process of adsorbing amorphous cellulose and separating the carbon material after adsorption from the solution can be further reduced.
The present invention was completed based on these findings.

本発明は以下の通りである。
[1]
セルロースを酸水溶液に溶解させる工程(1)、
セルロースを溶解した酸水溶液にセルロース加水分解固体触媒を混合する工程(2)、
固体触媒上にセルロースの少なくとも一部を吸着させる工程(3)、及び
セルロースを吸着させた固体触媒を水の存在下で加熱してセルロースを加水分解して、糖類を含有する加水分解物を得る工程(4)、
を含む糖類含有セルロース加水分解物の製造方法。
[2]
工程(1)中及び/又は後に、酸水溶液中で少なくとも一部のセルロースを少なくとも部分的に加水分解し、溶解させた後の生成物を工程(2)に供する、[1]に記載の製造方法。
[3]
部分加水分解は、40~80℃の温度で行う、[2]に記載の製造方法。
[4]
工程(1)で用いるセルロースの少なくとも一部は、I型の結晶構造を有する[1]~[3]のいずれかに記載の製造方法。
[5]
工程(1)で用いる酸水溶液の酸がリン酸、硫酸及び塩酸から成る群から選ばれる少なくとも1種の酸である[1]~[4]のいずれかに記載の製造方法。
[6]
工程(1)で用いる酸水溶液は、オルトリン酸水溶液である、[5]に記載の製造方法。
[7]
工程(1)で用いるオルトリン酸水溶液のリン酸濃度は75%以上である、[6]に記載の製造方法。
[8]
工程(3)における固体触媒上へのセルロースの吸着は、酸水溶液に水を添加することで行う[1]~[7]のいずれかに記載の製造方法。
[9]
工程(3)で得られたセルロースを吸着させた固体触媒を酸水溶液から分離し、かつ酸を除去した後に、工程(4)に供する、[1]~[8]のいずれかに記載の製造方法。
[10]
工程(3)において固体触媒上に吸着したセルロースは、部分加水分解セルロース、非晶質セルロース及びセルロースIIから成る群から選ばれる少なくとも1種を含む、[1]~[9]のいずれかに記載の製造方法。
[11]
セルロース加水分解固体触媒は、炭素触媒、窒化ホウ素及び遷移金属担持触媒から成る群から選ばれる少なくとも1種の触媒である[1]~[10]のいずれかに記載の製造方法。
[12]
炭素触媒は、多孔質炭素材料であり、多孔質炭素材料は、活性炭又はカーボンブラックであることができる[11]に記載の製造方法。
[13]
遷移金属担持触媒は、固体担体に遷移金属を担持した触媒であり、固体担体は、炭素系材料及び窒化ホウ素から成る群から選ばれる少なくとも1種の材料である、[11]に記載の製造方法。
[14]
セルロースを吸着させた固体触媒における、触媒に対するセルロースの質量比は、100:1~10000の範囲である、[1]~[13]のいずれかに記載の製造方法。
[15]
工程(1)で用いるセルロースは植物性バイオマスである、[1]~[14]のいずれかに記載の製造方法。
The present invention is as follows.
[1]
a step of dissolving cellulose in an acid aqueous solution (1);
step (2) of mixing a cellulose hydrolysis solid catalyst with an acid aqueous solution in which cellulose is dissolved;
Step (3) of adsorbing at least part of cellulose on a solid catalyst, and heating the solid catalyst with adsorbed cellulose in the presence of water to hydrolyze cellulose to obtain a hydrolyzate containing sugars. step (4),
A method for producing a saccharide-containing cellulose hydrolyzate containing.
[2]
The production according to [1], wherein during and/or after step (1), at least part of the cellulose is at least partially hydrolyzed in an acid aqueous solution, and the product after dissolution is subjected to step (2). Method.
[3]
The production method according to [2], wherein the partial hydrolysis is performed at a temperature of 40 to 80°C.
[4]
The production method according to any one of [1] to [3], wherein at least part of the cellulose used in step (1) has a type I crystal structure.
[5]
The production method according to any one of [1] to [4], wherein the acid in the aqueous acid solution used in step (1) is at least one acid selected from the group consisting of phosphoric acid, sulfuric acid and hydrochloric acid.
[6]
The production method according to [5], wherein the acid aqueous solution used in step (1) is an orthophosphoric acid aqueous solution.
[7]
The production method according to [6], wherein the orthophosphoric acid aqueous solution used in step (1) has a phosphoric acid concentration of 75% or more.
[8]
The production method according to any one of [1] to [7], wherein the adsorption of cellulose onto the solid catalyst in step (3) is performed by adding water to the acid aqueous solution.
[9]
The production according to any one of [1] to [8], wherein the cellulose-adsorbed solid catalyst obtained in step (3) is separated from the acid aqueous solution and subjected to step (4) after removing the acid. Method.
[10]
The cellulose adsorbed on the solid catalyst in step (3) includes at least one selected from the group consisting of partially hydrolyzed cellulose, amorphous cellulose and cellulose II according to any one of [1] to [9]. manufacturing method.
[11]
The production method according to any one of [1] to [10], wherein the cellulose hydrolysis solid catalyst is at least one catalyst selected from the group consisting of carbon catalysts, boron nitride and transition metal-supported catalysts.
[12]
The production method according to [11], wherein the carbon catalyst is a porous carbon material, and the porous carbon material can be activated carbon or carbon black.
[13]
The production method according to [11], wherein the transition metal-supported catalyst is a catalyst in which a transition metal is supported on a solid support, and the solid support is at least one material selected from the group consisting of carbonaceous materials and boron nitride. .
[14]
The production method according to any one of [1] to [13], wherein the mass ratio of cellulose to catalyst in the cellulose-adsorbed solid catalyst is in the range of 100:1 to 10,000.
[15]
The production method according to any one of [1] to [14], wherein the cellulose used in step (1) is plant biomass.

本発明によれば、ボールミル法を使わず、加えて従来のリン酸法(非特許文献2)よりもエネルギーを低減した前処理により、非晶質セルロース等が炭素材料等からなる固体触媒に強く接触した状態を形成することができ、この試料に対して加熱による加水分解条件を適用するとグルコースが高収率で得られる。 According to the present invention, amorphous cellulose or the like is resistant to solid catalysts made of carbon materials and the like by pretreatment that uses less energy than the conventional phosphoric acid method (Non-Patent Document 2) without using the ball mill method. A contact state can be formed, and glucose can be obtained in high yield when hydrolysis conditions by heating are applied to this sample.

図1は、リン酸前処理したセルロースの加水分解反応の結果を示す。FIG. 1 shows the results of the hydrolysis reaction of cellulose pretreated with phosphoric acid. 図2は、セルロースの部分加水分解のための攪拌開始後0日、3日、7日及び9日後の溶液のサイズ排除クロマトグラフィーの結果を示す。Figure 2 shows the results of size exclusion chromatography of the solution 0, 3, 7 and 9 days after initiation of stirring for partial hydrolysis of cellulose. 図3は、加水分解反応における、液化セルロースの吸着の有無の影響を示す。FIG. 3 shows the effect of the presence or absence of adsorption of liquefied cellulose on the hydrolysis reaction. 図4は、セルロース溶解液の部分加水分解を60℃で行った場合のセルロースの加水分解反応の結果を示す。FIG. 4 shows the results of the hydrolysis reaction of cellulose when partial hydrolysis of the cellulose solution was carried out at 60°C. 図5は、活性炭の種類を替えた場合のセルロースの加水分解反応の結果を示す。FIG. 5 shows the results of hydrolysis reaction of cellulose when the type of activated carbon is changed. 図6は、活性炭とセルロースの量比を替えて行った場合のセルロースの加水分解反応の結果を示す。FIG. 6 shows the results of hydrolysis reaction of cellulose when the quantitative ratio of activated carbon and cellulose is changed. 図7は、部分加水分解セルロースの析出(吸着)に用いる溶媒を替えて行った場合のセルロースの加水分解反応の結果を示す。FIG. 7 shows the results of hydrolysis reaction of cellulose when the solvent used for precipitation (adsorption) of partially hydrolyzed cellulose was changed.

本発明は、以下の工程(1)~(4)を含む、糖類含有セルロース加水分解物の製造方法に関する。
工程(1):セルロースを酸水溶液に溶解させる、
工程(2):セルロースを溶解した酸水溶液にセルロース加水分解固体触媒を混合する、
工程(3):固体触媒上にセルロースの少なくとも一部を吸着させる、
工程(4):セルロースを吸着させた固体触媒を水の存在下で加熱してセルロースを加水分解して、糖類を含有する加水分解物を得る。
The present invention relates to a method for producing a sugar-containing cellulose hydrolyzate, comprising the following steps (1) to (4).
Step (1): dissolving cellulose in an acid aqueous solution,
Step (2): mixing a cellulose hydrolysis solid catalyst with an acid aqueous solution in which cellulose is dissolved;
Step (3): adsorbing at least a portion of the cellulose on the solid catalyst;
Step (4): The cellulose-adsorbed solid catalyst is heated in the presence of water to hydrolyze the cellulose to obtain a saccharide-containing hydrolyzate.

工程(1)
工程(1)は、セルロースを酸水溶液に溶解させる工程である。
工程(1)で用いるセルロースは、例えば、植物性バイオマスであることができ、植物性バイオマスの主成分であるセルロースは、2本またはそれ以上のセルロース分子が水素結合により結合して結晶性を示すI型の結晶構造を有する。工程(1)では、そのような結晶性を有するセルロースを原料としてそのまま用いることができる。但し、セルロースは、酸水溶液への溶解前に、結晶性低下及び/又は部分加水分解の処理を施したものであることもできる。しかし、結晶性を有するセルロースをそのまま用いても、酸水溶液の種類や濃度によるが、比較的容易に溶解させることができるので、結晶性を有するセルロースをそのまま用いることが、余計な工程やエネルギーが不要となり好ましい。
Step (1)
Step (1) is a step of dissolving cellulose in an acid aqueous solution.
Cellulose used in step (1) can be, for example, plant biomass, and cellulose, which is the main component of plant biomass, exhibits crystallinity when two or more cellulose molecules are bound by hydrogen bonding. It has a type I crystal structure. In step (1), cellulose having such crystallinity can be used as it is as a raw material. However, the cellulose can also be one that has undergone crystallinity reduction and/or partial hydrolysis treatment before dissolution in the acid aqueous solution. However, even if crystalline cellulose is used as it is, it can be dissolved relatively easily, depending on the type and concentration of the acid aqueous solution. This is unnecessary and preferable.

結晶性を低下させたセルロースは、結晶性を部分的に低下させたものでも、完全にまたはほぼ完全に消失させたものでもよい。結晶性低下処理の種類には特に制限はないが、上記水素結合を切断して、1本鎖のセルロース分子を少なくとも部分的に生成できる結晶性低下処理であることができる。少なくとも部分的に1本鎖のセルロース分子を含むセルロースを原料とすることで、酸水溶液への溶解を加速することができる。 The cellulose with reduced crystallinity may be one in which crystallinity has been partially reduced, or crystallinity has been completely or almost completely eliminated. The type of crystallinity-reducing treatment is not particularly limited, but it may be a crystallinity-reducing treatment capable of breaking the hydrogen bonds and at least partially generating single-stranded cellulose molecules. Dissolution in an acid aqueous solution can be accelerated by using cellulose as a raw material that contains at least partially single-stranded cellulose molecules.

物理的にセルロース分子間の水素結合を切断する方法は、例えば粉砕処理が挙げられる。粉砕手段は微粉化できる機能を備えているものであれば特に限定されない。例えば、装置の方式は乾式と湿式のいずれであってもよく、また装置の粉砕システムは回分式と連続式いずれであってもよい。さらに、装置の粉砕力は、衝撃、圧縮、せん断、摩擦などのいかなるものでも用いることができる。 Examples of methods for physically breaking hydrogen bonds between cellulose molecules include pulverization. The pulverizing means is not particularly limited as long as it has a function of pulverizing. For example, the system of the equipment may be either dry or wet, and the grinding system of the equipment may be either batchwise or continuous. Additionally, the comminution force of the device can be anything from impact, compression, shear, friction, and the like.

工程(1)で用いる酸水溶液の酸は、セルロースを水溶液中で溶解できる酸であれば、特に制限はなく、無機酸であることができ、好ましくは、例えば、リン酸、硫酸及び塩酸から成る群から選ばれる少なくとも1種の酸である。リン酸水溶液は、例えば、オルトリン酸水溶液であることができる。工程(1)で用いる酸水溶液の酸濃度は、セルロースを溶解できる濃度であれば、特に制限はなく、セルロースを溶解できる濃度は、酸の種類により異なる。例えば、オルトリン酸水溶液の場合、リン酸濃度が75%以上であればセルロースを溶解できる。セルロースの溶解がより容易であるという観点からは、80%以上、より好ましくは85%以上である。硫酸の場合は60%以上であり、塩酸の場合には30%以上で、セルロースを溶解することができる。 The acid of the aqueous acid solution used in step (1) is not particularly limited as long as it is an acid capable of dissolving cellulose in an aqueous solution, and may be an inorganic acid, preferably phosphoric acid, sulfuric acid and hydrochloric acid. At least one acid selected from the group. The aqueous phosphoric acid solution can be, for example, an aqueous orthophosphoric acid solution. The acid concentration of the acid aqueous solution used in step (1) is not particularly limited as long as it is a concentration capable of dissolving cellulose, and the concentration capable of dissolving cellulose varies depending on the type of acid. For example, in the case of an orthophosphoric acid aqueous solution, cellulose can be dissolved if the phosphoric acid concentration is 75% or more. From the viewpoint of facilitating the dissolution of cellulose, it is 80% or more, more preferably 85% or more. In the case of sulfuric acid, it is 60% or more, and in the case of hydrochloric acid, it is 30% or more, and cellulose can be dissolved.

酸水溶液に溶解したセルロースは、酸及び水の作用により加水分解が進行する。工程(1)では、セルロースの溶解中(セルロースの溶解と並行して)及び/又はセルロースの溶解後に、酸水溶液中で少なくとも一部のセルロースを少なくとも部分的に加水分解し、低分子化して水溶液の粘度を低下させることが好ましい。酸水溶液中で溶解したセルロースは、加水分解を受けない場合であっても、工程(2)及び(3)において固体触媒に吸着はするが、加水分解を受け、部分加水分解したセルロースとなることで、固体触媒への吸着が容易になり、かつその後の工程(4)における加熱加水分解による糖の収率を向上させることができる。尚、酸水溶液中での酸によるセルロースの加水分解によって、条件にもよるが、少量ではあるが、糖(グルコース)が生成する場合があり得る。 Cellulose dissolved in an acid aqueous solution undergoes hydrolysis under the action of acid and water. In step (1), during dissolution of cellulose (in parallel with dissolution of cellulose) and/or after dissolution of cellulose, at least a portion of cellulose is at least partially hydrolyzed in an acid aqueous solution to reduce the molecular weight of the aqueous solution. It is preferred to reduce the viscosity of Even if the cellulose dissolved in the aqueous acid solution is not hydrolyzed, it will be adsorbed by the solid catalyst in steps (2) and (3), but will undergo hydrolysis to become partially hydrolyzed cellulose. , the adsorption on the solid catalyst becomes easier, and the yield of saccharides by thermal hydrolysis in the subsequent step (4) can be improved. Depending on the conditions, the hydrolysis of cellulose by the acid in the acid aqueous solution may produce a small amount of sugar (glucose).

酸水溶液に対してセルロースを溶解させた後、さらに、例えば、1分間~10日間セルロースを溶解した酸水溶液を保持することで、セルロースの少なくとも部分加水分解を進行させることが好ましい。この段階でのセルロースの加水分解の時間は、酸の種類及び濃度、セルロースの濃度、処理温度、セルロースの所望の加水分解の程度などを考慮して適宜決定することができ、上記1分間~10日間は、あくまでも例示であり、この範囲に限定される意図ではない。処理温度は、例えば、常温(0~40℃)の範囲であることができ、加熱することで、溶解及び加水分解を促進させることもできる。加熱温度には特に制限はないが、例えば、30℃~100℃の範囲、好ましくは40~80℃の範囲である。常温では、1日以上保持することが好ましく、より好ましくは3日以上保持する。一方で保持する時間が長すぎると、溶解したセルロースの沈殿や固体副生成物が生じ、グルコースの収量が減少することがある。常温では、9日以下に保持することが好ましい。40~80℃の範囲の場合には、温度にもよるが、1分間~240分間の範囲であることができ、60℃の場合には、10~120分間の範囲であることができる。いずれの場合にも、最終的な加水分解によるグルコースの収量を考慮して適宜決定することができる。 After dissolving the cellulose in the acid aqueous solution, it is preferable to allow at least partial hydrolysis of the cellulose to proceed by maintaining the acid aqueous solution in which the cellulose is dissolved, for example, for 1 minute to 10 days. The cellulose hydrolysis time at this stage can be appropriately determined in consideration of the type and concentration of the acid, the concentration of the cellulose, the treatment temperature, the desired degree of hydrolysis of the cellulose, and the like. The number of days is only an example and is not intended to be limited to this range. The treatment temperature can be, for example, normal temperature (0 to 40° C.), and heating can also promote dissolution and hydrolysis. Although the heating temperature is not particularly limited, it is, for example, in the range of 30°C to 100°C, preferably in the range of 40°C to 80°C. At room temperature, it is preferably kept for 1 day or more, more preferably 3 days or more. On the other hand, holding for too long may result in precipitation of dissolved cellulose and solid by-products, which may reduce the yield of glucose. At room temperature, it is preferable to keep the temperature for 9 days or less. In the range of 40 to 80° C., depending on the temperature, it can be in the range of 1 minute to 240 minutes, and in the case of 60° C., it can be in the range of 10 to 120 minutes. In any case, it can be appropriately determined in consideration of the final yield of glucose by hydrolysis.

セルロースを溶解させた酸水溶液におけるセルロースの濃度は、工程(3)における固体触媒上へのセルロースの吸着量や状態、その後の工程(4)におけるセルロースの加熱加水分解の進行具合等を考慮して適宜決定できる。このセルロースの濃度は、例えば、5~500g/Lの範囲、好ましくは10~200g/Lの範囲、より好ましくは15~100g/Lの範囲とすることができる。但し、これらの数値範囲は、例示であり、制限されるものではない。 The concentration of cellulose in the acid aqueous solution in which cellulose is dissolved takes into account the amount and state of cellulose adsorbed onto the solid catalyst in step (3), the progress of thermal hydrolysis of cellulose in subsequent step (4), and the like. can be determined as appropriate. The concentration of this cellulose can be, for example, in the range of 5-500 g/L, preferably in the range of 10-200 g/L, more preferably in the range of 15-100 g/L. However, these numerical ranges are examples and are not intended to be limiting.

工程(2)
工程(1)でセルロースを溶解した酸水溶液にセルロース加水分解固体触媒を混合する。セルロース加水分解固体触媒については後述する。本発明においては、固体触媒を、セルロースを溶解した酸水溶液に混合する。具体的には、セルロースを溶解した酸水溶液に固体触媒を添加し、さらに攪拌することで混合する。攪拌は、酸水溶液に固体触媒がほぼ均一に分散するように行うことが好ましい。酸水溶液に対する固体触媒の添加量は、固体触媒の種類、酸水溶液におけるセルロースの濃度、工程(3)における固体触媒上へのセルロースの吸着量や状態、その後の工程(4)におけるセルロースの加熱加水分解の進行具合等を考慮して適宜決定できる。酸水溶液に対する固体触媒の添加量は、例えば、2~500g/Lの範囲、好ましくは5~200g/Lの範囲、より好ましくは10~100g/Lの範囲とすることができる。但し、これらの数値範囲は、例示であり、制限されるものではない。
Step (2)
A cellulose hydrolysis solid catalyst is mixed with the acid aqueous solution in which cellulose is dissolved in step (1). A cellulose hydrolysis solid catalyst will be described later. In the present invention, a solid catalyst is mixed with an acid aqueous solution in which cellulose is dissolved. Specifically, a solid catalyst is added to an acid aqueous solution in which cellulose is dissolved, and the mixture is further stirred to mix. Stirring is preferably carried out so that the solid catalyst is substantially uniformly dispersed in the acid aqueous solution. The amount of solid catalyst added to the aqueous acid solution depends on the type of solid catalyst, the concentration of cellulose in the aqueous acid solution, the amount and state of adsorption of cellulose on the solid catalyst in step (3), and the heating and hydration of cellulose in subsequent step (4). It can be determined as appropriate in consideration of the progress of decomposition. The amount of the solid catalyst added to the aqueous acid solution can be, for example, in the range of 2-500 g/L, preferably in the range of 5-200 g/L, and more preferably in the range of 10-100 g/L. However, these numerical ranges are examples and are not intended to be limiting.

工程(3)
工程(2)で酸水溶液と混合した固体触媒上にセルロースの少なくとも一部を吸着させる。固体触媒上へのセルロースの吸着は、酸がリン酸の場合、工程2で固体触媒を添加すると一部が吸着するが、酸水溶液に水を添加することでさらに促進させることができる。リン酸水溶液においては、リン酸濃度が低下するとセルロースの溶解度が低下し、その結果、水溶液中のセルロース(部分加水分解セルロースを含む)は、固体触媒上に吸着される。セルロース(部分加水分解セルロースを含む)を吸着した固体触媒を酸水溶液から分離し、かつ必要により酸を除去することで、セルロース(部分加水分解セルロースを含む)を吸着した固体触媒を得ることができる。硫酸及び塩酸の場合も、リン酸と同様とすることができる。
Step (3)
At least part of the cellulose is adsorbed onto the solid catalyst mixed with the aqueous acid solution in step (2). Adsorption of cellulose onto the solid catalyst, when the acid is phosphoric acid, is partially adsorbed when the solid catalyst is added in step 2, but can be further accelerated by adding water to the acid aqueous solution. In an aqueous solution of phosphoric acid, the solubility of cellulose decreases as the concentration of phosphoric acid decreases, and as a result, cellulose (including partially hydrolyzed cellulose) in the aqueous solution is adsorbed onto the solid catalyst. A solid catalyst adsorbing cellulose (including partially hydrolyzed cellulose) can be obtained by separating the solid catalyst adsorbing cellulose (including partially hydrolyzed cellulose) from the acid aqueous solution and optionally removing the acid. . Sulfuric acid and hydrochloric acid can also be used in the same manner as phosphoric acid.

工程(3)において固体触媒上に吸着したセルロースは、部分加水分解セルロース、非晶質セルロース及びセルロースIIから成る群から選ばれる少なくとも1種を含むことができる。セルロースを吸着させた固体触媒における、触媒に対するセルロースの質量比は、特に制限はないが、例えば、100:1~10000の範囲であることができる。工程(4)における加熱加水分解の条件を考慮すると、例えば、100:10~1000の範囲であることができる。 The cellulose adsorbed on the solid catalyst in step (3) can contain at least one selected from the group consisting of partially hydrolyzed cellulose, amorphous cellulose and cellulose II. The mass ratio of cellulose to catalyst in the cellulose-adsorbed solid catalyst is not particularly limited, but can range, for example, from 100:1 to 10,000. Considering the conditions of thermal hydrolysis in step (4), it can be, for example, in the range of 100:10 to 1000.

セルロースを吸着した固体触媒は、酸を除去するために例えば、水洗することができる。水洗により酸は除去されるが一部の酸は残存しても良く、残存する酸は、工程(4)における加熱加水分解の時に、固体触媒とともにセルロースの加水分解を促進するものと考えられる。但し、残存する酸は、工程(4)において得られる糖を含有する加水分解物に混入する虞があり、過剰に多くの酸の残存は好ましくない。工程(3)における固体触媒に対する酸の残存は、この点を考慮して適宜調整することができる。 The solid catalyst with adsorbed cellulose can be washed with water, for example, to remove the acid. Although the acid is removed by water washing, a part of the acid may remain, and it is believed that the remaining acid promotes the hydrolysis of cellulose together with the solid catalyst during the thermal hydrolysis in step (4). However, the residual acid may contaminate the sugar-containing hydrolyzate obtained in step (4), and an excessive amount of residual acid is not preferable. The amount of acid remaining on the solid catalyst in step (3) can be appropriately adjusted in consideration of this point.

<セルロース加水分解固体触媒>
セルロース加水分解固体触媒は、植物性バイオマスの加水分解を触媒できるものであれば特に限定されるものではないが、主成分であるセルロースを形成しているグルコース間のβ-1,4グリコシド結合に代表されるような、グリコシド結合を加水分解する活性を有することが好ましい。さらに、本発明で用いるセルロース加水分解触媒は、工程(3)において、非晶質セルロースを含む溶解したセルロースに対する吸着能を有するものであることが適当である。工程(3)において非晶質セルロースを含む再生セルロースを吸着した触媒は、工程(4)において、水の存在下での加熱により、吸着したセルロースを効率的に加水分解して、糖類を含有する加水分解物を得ることができる。詳細は後述する。
<Cellulose hydrolysis solid catalyst>
The cellulose hydrolysis solid catalyst is not particularly limited as long as it can catalyze the hydrolysis of plant biomass. It preferably has the activity of hydrolyzing a glycosidic bond, as represented. Furthermore, it is suitable that the cellulose hydrolysis catalyst used in the present invention has adsorption ability for dissolved cellulose including amorphous cellulose in step (3). The catalyst adsorbing the regenerated cellulose containing amorphous cellulose in the step (3) is heated in the presence of water in the step (4) to efficiently hydrolyze the adsorbed cellulose to contain sugars. A hydrolyzate can be obtained. Details will be described later.

グリコシド結合を加水分解する活性及び非晶質セルロースを含む溶解したセルロースに対する吸着能を有する触媒は、例えば炭素材料、窒化ホウ素(六方晶のh-BN)や遷移金属担持触媒などが挙げられる。炭素材料及び窒化ホウ素は、触媒活性と吸着能を併せ持つのに対して、遷移金属担持触媒は、遷移金属が主に触媒活性に寄与し触媒担体が吸着能に寄与する。これらの触媒は、単独でまたは2種類以上を併用して用いることができる。 Catalysts having activity to hydrolyze glycosidic bonds and adsorbability to dissolved cellulose including amorphous cellulose include, for example, carbon materials, boron nitride (hexagonal h-BN), transition metal-supported catalysts, and the like. Carbon materials and boron nitride have both catalytic activity and adsorptive capacity, whereas in transition metal-supported catalysts, the transition metal mainly contributes to the catalytic activity and the catalyst carrier contributes to the adsorptive capacity. These catalysts can be used alone or in combination of two or more.

「炭素材料」としては、例えば活性炭、カーボンブラック、グラファイトなどが挙げられる。これら炭素材料は、単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。炭素材料の形状は、基質との接触面積の拡大により反応性を向上させるという点で、多孔性及び/または微粒子であることが好ましく、酸点を発現して加水分解を促進させるという点で、その表面にフェノール性水酸基、カルボキシル基、ラクトン(COOR)基、スルホ基、リン酸基などの官能基をもつことが好ましい。官能基を表面に有する多孔性炭素材としては、ヤシガラ、竹、松、くるみガラ、バガスなどの木質材料や、コークス、フェノールなどを、水蒸気、二酸化炭素、空気などのガスを用いて高温で処理する物理法や、アルカリ、塩化亜鉛などの化学薬品を用いて高温で処理する化学法などにより調製された活性炭が挙げられる。「炭素材料」の具体例としては、後述の炭素系担体の具体例を参照することができる。 Examples of "carbon material" include activated carbon, carbon black, and graphite. These carbon materials may be used alone or in combination of two or more. The shape of the carbon material is preferably porous and/or fine particles in terms of improving reactivity by increasing the contact area with the substrate, and in terms of promoting hydrolysis by developing acid sites. It preferably has functional groups such as phenolic hydroxyl groups, carboxyl groups, lactone (COOR) groups, sulfo groups, and phosphoric acid groups on its surface. Porous carbon materials having functional groups on the surface include woody materials such as coconut shells, bamboo, pine, walnut shells, and bagasse, as well as coke, phenol, etc., which are processed at high temperatures using gases such as water vapor, carbon dioxide, and air. Examples include activated carbon prepared by a physical method that treats carbon dioxide, or a chemical method that uses chemicals such as alkalis and zinc chloride to treat at high temperatures. As specific examples of the “carbon material”, specific examples of the carbon-based support described later can be referred to.

炭素材料が表面に有する官能基として、フェノール性水酸基、カルボキシル基、ラクトン(COOR)基を有する場合、ベーム滴定(Boehm titration)で特定することができる。ベーム滴定による炭素材料が表面に有するフェノール性水酸基、カルボキシル基、及びラクトン(COOR)基の合計は、例えば、0.1~10mmol/gの範囲であることができる。さらに、カルボキシル基の量は、0.01~5 mmol/gの範囲、フェノール性水酸基とラクトン(COOR)基の合計は、例えば、0.01~5 mmol/gの範囲であることができる。 When the carbon material has a phenolic hydroxyl group, a carboxyl group, or a lactone (COOR) group as functional groups on the surface, it can be specified by Boehm titration. The total amount of phenolic hydroxyl groups, carboxyl groups and lactone (COOR) groups on the surface of the carbon material determined by Boehm titration can range, for example, from 0.1 to 10 mmol/g. Furthermore, the amount of carboxyl groups can range from 0.01 to 5 mmol/g, and the sum of phenolic hydroxyl groups and lactone (COOR) groups can range, for example, from 0.01 to 5 mmol/g.

「遷移金属担持触媒」に用いられる担体は、例えば、炭素系担体及び無機材料担体を挙げることができる。炭素系担体とは、遷移金属が担持される部分が炭素からなる担体であり、その少なくとも一部が多孔質材料からなるものが適当である。すなわち、本発明の触媒に用いられる炭素系担体は、少なくとも遷移金属が担持される部分の表面が多孔質炭素材料からなることが適当であり、担体全体が多孔質炭素材料からなっていても、あるいは非多孔質炭素材料からなる支持体の表面が多孔質炭素材料で被覆されたものであってもよい。担体の支持体は炭素以外の材料からなっていてもよく、また、多孔質または非多孔質のいずれであってもよい。 Examples of the carrier used for the "supported transition metal catalyst" include carbon-based carriers and inorganic material carriers. The carbon-based support is a support whose part on which the transition metal is supported is made of carbon, and at least a part of which is suitably made of a porous material. That is, the carbon-based support used in the catalyst of the present invention is suitably made of a porous carbon material at least on the surface of the portion where the transition metal is supported. Alternatively, the surface of a support made of a nonporous carbon material may be coated with a porous carbon material. The carrier support may consist of materials other than carbon and may be either porous or non-porous.

炭素系の固体担体の具体例としては活性炭またはカーボンブラックを挙げることができる。活性炭としては、例えば、和光純薬工業(株)製活性炭素(クロマトグラフ用,破砕状0.2~1mm,破砕状2~5mm,顆粒状,粉末,粉末酸洗浄,粉末アルカリ性,粉末中性,棒状)、関東化学(株)製活性炭素(粒状、粉末)、東京化成(株)製活性炭(酸化触媒用)、シグマアルドリッチジャパン(株)製Activated carbon granule 4-14 mesh、日本ノリット(株)製PK, PKDA 10x30 MESH (MRK), ELORIT, AZO, DARCO, HYDRODARCO 3000/4000, DARCO LI, PETRODARCO, DARCO MRX, GAC, GAC PLUS, DARCO VAPURE, GCN, C GRAN, ROW/ROY, RO, ROX, RB/W, R, R.EXTRA, SORBONORIT, GF 40/45, CNR, ROZ, RBAA, RBHG, RZN, RGM, SX, SX Ultra, SA, D 10, VETERINAIR, PN, ZN, SA-SW, W, GL, SAM, HB PLUS, A/B/C EUR/USP, CA, CN, CG, GB, CAP/CGP SUPER, S-51, S-51 A, S-51 HF, S-51 FF, DARCO GFP, HDB/HDC/HDR/HDW, GRO SAFE, DARCO INSUL, FM-1, DARCO TRS, DARCO FGD/FGL/Hg/Hg-LH, PAC 20/200、日本エンバイロケミカルズ(株)製白鷺(A、C、DO-2、DO-5、DO-11、FAC-10、M、P、PHC、エレメントDC)、アルデナイト、カルボラフィン、カルボラフィンDC、ハニカムカーボ白鷺、モルシーボン、強力白鷺、精製白鷺、特製白鷺、X-7000/X-7100、X-7000-3/X-7100-3、LPM006、LPM007、粒状白鷺(APRC、C2c、C2x、DC、G2c、G2x、GAAx、GH2x、GHxUG、GM2x、GOC、GOHx、GOX、GS1x、GS2x、GS3x、GTx、GTsx、KL、LGK-100、LGK-400、LGK-700、LH2c、MAC、MAC-W、NCC、S2x、SRCX、TAC、WH2c/W2c、WH2x、WH5c/W5c、WHA、X2M(モルシーボン5A)、XRC)、球状白鷺(X7000H/X7100H、X7000H-3/X7100H-3、DX7-3)、クラレケミカル(株)製気相用粒状活性炭GG/GS/GA、気相用活性炭GW/GL/GLC/KW/GWC、粉末活性炭PW/PK/PDX、カルゴンカーボンジャパン(株)製ダイヤホープ(006, 006S, 007, 008, 008B, 008S, 106, 6D, 6MD, 6MW, 6W, S60, C, DX, MM, MZ, PX, S60S, S61, S70, S80, S80A, S80J, S80S, S81, ZGA4, ZGB4, ZGN4, ZGR3, ZGR4, ZS, ZX-4, ZX-7)、ダイヤソープ(F, G4-8, W 8-32, W 10-30, XCA-C, XCA-AS, ZGR4-C)、カルゴン(AG 40, AGR, APA, AP3-60, AP4-60, APC, ASC, BPL, BPL 4x10, CAL, CENTAUR 4x6, CENTAUR 8x30, CENTAUR 12x40, CENTAUR HSV, CPG 8x30, CPG 12x40, F-AG 5, Filtrasorb 300, Filtrasorb 400, GRC 20, GRC 20 12x40, GRC 22, HGR, HGR-LH, HGR-P, IVP 4x6, OL 20x50, OLC 20x50, PCB, PCB 4x10, RVG, SGL, STL 820, URC, WS 460, WS 465, WS 480, WS490, WSC 470)、味の素ファインテクノ(株)製BA, BA-H, CL-H, CL-K, F-17, GS-A, GS-B, HF, HG, HG-S, HN, HP, SD, Y-180C, Y-4, Y-4S, Y-10S, Y-10SF, YF-4, YN-4, YP, ZN、(株)キャタラー製Aシリーズ、BC-9、BFGシリーズ、CTシリーズ、DSWシリーズ、FM-150、FW、FYシリーズ、GA、PGシリーズ 、WAシリーズ等が挙げられる。また、カーボンブラックとしては、例えば、キャボットコーポレーション(Cabot corporation)社製CRX 1444, CRX 4210, CRX 1346, REGAL 300, STERLING NS, STERLING NS-1, STERLING SO, STERLING VH, STERLING V, SPHERON 5000, SPHERON 6000, Black Pearls 2000, VULCAN 10H, VULCAN 1391, VULCAN 3, VULCAN 3H, VULCAN 6, VULCAN 7H, VULCAN 9, VULCAN J, VULCAN M, VULCAN XC72, VULCAN XC72R, VULCAN XC500, VULCAN XC200, VULCAN XC605, VULCAN XC305等が挙げられる。 Specific examples of carbon-based solid supports include activated carbon and carbon black. As the activated carbon, for example, activated carbon manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. (for chromatography, crushed 0.2 to 1 mm, crushed 2 to 5 mm, granular, powder, powder acid wash, powder alkaline, powder neutral , rod), activated carbon (granular, powder) manufactured by Kanto Kagaku Co., Ltd., activated carbon manufactured by Tokyo Kasei Co., Ltd. (for oxidation catalyst), activated carbon granule 4-14 mesh manufactured by Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd., Norit Japan Co., Ltd. ) PK, PKDA 10x30 MESH (MRK), ELORIT, AZO, DARCO, HYDRODARCO 3000/4000, DARCO LI, PETRODARCO, DARCO MRX, GAC, GAC PLUS, DARCO VAPURE, GCN, C GRAN, ROW/ROY, RO, ROX , RB/W, R, R.EXTRA, SORBONORIT, GF 40/45, CNR, ROZ, RBAA, RBHG, RZN, RGM, SX, SX Ultra, SA, D10, VETERINAIR, PN, ZN, SA-SW, W, GL, SAM, HB PLUS, A/B/C EUR/USP, CA, CN, CG, GB, CAP/CGP SUPER, S-51, S-51A, S-51HF, S-51FF, DARCO GFP, HDB/HDC/HDR/HDW, GRO SAFE, DARCO INSUL, FM-1, DARCO TRS, DARCO FGD/FGL/Hg/Hg-LH, PAC 20/200, Shirasagi (A , C, DO-2, DO-5, DO-11, FAC-10, M, P, PHC, Element DC), Ardenite, Carborafin, Carborafin DC, Honeycomb Carb Shirasagi, Morcebon, Strong Shirasagi, Purified Shirasagi , Special Egret, X-7000/X-7100, X-7000-3/X-7100-3, LPM006, LPM007, Granular Egret (APRC, C2c, C2x, DC, G2c, G2x, GAAx, GH2x, GHxUG, GM2x , GOC, GOHx, GOX, GS1x, GS2x, GS3x, GTx, GTsx, KL, LGK-100, LGK-400, LGK-700, LH2c, MAC, MAC-W, NCC, S2x, SRCX, TAC, WH2c/W2c , WH2x, WH5c/W5c, WHA, X2M (Morcivon 5A, XRC), Spherical Shirasagi (X7000H/X7100H, X7000H-3/X7100H-3, DX7-3), Kuraray Chemical Co., Ltd. GG/GS/ GA, gas-phase activated carbon GW/GL/GLC/KW/GWC, powdered activated carbon PW/PK/PDX, Diahope manufactured by Calgon Carbon Japan (006, 006S, 007, 008, 008B, 008S, 106, 6D, 6MD, 6MW, 6W, S60, C, DX, MM, MZ, PX, S60S, S61, S70, S80, S80A, S80J, S80S, S81, ZGA4, ZGB4, ZGN4, ZGR3, ZGR4, ZS, ZX-4, ZX-7), Diasoap (F, G4-8, W 8-32, W 10-30, XCA-C, XCA-AS, ZGR4-C), Calgon (AG 40, AGR, APA, AP3-60, AP4-60, APC, ASC, BPL, BPL 4x10, CAL, CENTAUR 4x6, CENTAUR 8x30, CENTAUR 12x40, CENTAUR HSV, CPG 8x30, CPG 12x40, F-AG 5, Filtrasorb 300, Filtrasorb 400, GRC 20, GRC 20 12x40 , GRC 22, HGR, HGR-LH, HGR-P, IVP 4x6, OL 20x50, OLC 20x50, PCB, PCB 4x10, RVG, SGL, STL 820, URC, WS 460, WS 465, WS 480, WS490, WSC 470 ), Ajinomoto Fine-Techno Co., Inc. BA, BA-H, CL-H, CL-K, F-17, GS-A, GS-B, HF, HG, HG-S, HN, HP, SD, Y -180C, Y-4, Y-4S, Y-10S, Y-10SF, YF-4, YN-4, YP, ZN, Cataler A series, BC-9, BFG series, CT series, DSW series, FM-150, FW, FY series, GA, PG series, WA series, etc. Examples of carbon black include CRX 1444, CRX 4210, CRX 1346, REGAL 300, STERLING NS, STERLING NS-1, STERLING SO, STERLING VH, STERLING V, SPHERON 5000, and SPHERON manufactured by Cabot Corporation. 6000, Black Pearls 2000, VULCAN 10H, VULCAN 1391, VULCAN 3, VULCAN 3H, VULCAN 6, VULCAN 7H, VULCAN 9, VULCAN J, VULCAN M, VULCAN XC72, VULCAN XC72R, VULCAN XC500, VULCAN XC200, VULCAN XC605, VULCAN XC305 etc.

また、メソポーラスシリカを鋳型として作製されるCMKに代表されるメソポーラスカーボンや、コークス、フェノール、あるいはヤシガラを熱処理し、アルカリまたは水蒸気により賦活して得られる多孔性炭素材料を用いることができる。これらの多孔性炭素材料の比表面積は300~2500m2/gが好ましく、500~2000m2/gがより好ましい。In addition, mesoporous carbon typified by CMK produced using mesoporous silica as a template, and porous carbon materials obtained by heat-treating coke, phenol, or coconut shell and activating with alkali or water vapor can be used. The specific surface area of these porous carbon materials is preferably 300-2500 m 2 /g, more preferably 500-2000 m 2 /g.

固体担体の形状、形態は、特に制限されないが、例えば、粉体状、粒子状、顆粒状、ペレット状、ハニカム状、リング状、円柱状、リブ押出し型、リブリング状のものが挙げられる。粉体状、粒子状、顆粒状、ペレット状の担体は、例えば、前記の多孔性炭素材料のみからなることができる。それに対してハニカム構造の担体は、非多孔質材料、例えば、コージエライト等からなる支持体の表面に前記の多孔性炭素材料が被覆されたものでもよい。また、前述のように支持体は、別の多孔質材料からなるものでもよい。 The shape and form of the solid carrier are not particularly limited, but examples thereof include powder, particles, granules, pellets, honeycombs, rings, cylinders, extruded ribs, and rib rings. The powdery, particulate, granular, or pellet-like carrier can consist of, for example, the above porous carbon material alone. On the other hand, the honeycomb-structured support may be obtained by coating the surface of a support made of a non-porous material, such as cordierite, with the aforementioned porous carbon material. Also, as mentioned above, the support may be made of another porous material.

遷移金属としては、例えば、ルテニウム、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、ニッケル、コバルト、鉄、銅、銀、金などが挙げられる。これら遷移金属は、単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。触媒活性が高いという観点からは、ルテニウム、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウムの白金族金属から選ばれるものが好ましい。さらに、セルロース転化率とグルコース選択率が高いという観点から、遷移金属は、ルテニウム、白金、パラジウム及びロジウムから選ばれるものが特に好ましい。触媒活性が高いという観点からは、ルテニウムが最も好ましい。 Examples of transition metals include ruthenium, platinum, rhodium, palladium, iridium, nickel, cobalt, iron, copper, silver, and gold. These transition metals may be used alone or in combination of two or more. From the viewpoint of high catalytic activity, it is preferably selected from platinum group metals such as ruthenium, platinum, rhodium, palladium and iridium. Furthermore, the transition metal selected from ruthenium, platinum, palladium and rhodium is particularly preferred from the viewpoint of high cellulose conversion rate and glucose selectivity. Ruthenium is most preferable from the viewpoint of high catalytic activity.

遷移金属の固体担体への担持量は、遷移金属の種類による活性の差異を考慮して適宜決定されるが、例えば、触媒の0.01~50質量%、好ましくは0.01~30質量%、より好ましくは0.01~10質量%であることが適当である。 The amount of the transition metal supported on the solid support is appropriately determined in consideration of the difference in activity depending on the type of transition metal. , more preferably 0.01 to 10% by mass.

本発明で用いられる炭素系担体に遷移金属を担持した固体触媒は、通常の金属担持固体触媒の製造方法を参照して、例えば、含浸法により次のように調製することができる。炭素系担体を150℃で1時間、真空乾燥する。次に水を加えて分散させ、ここに所定量の金属塩を含む水溶液を加えて15時間撹拌する。その後、減圧で水を留去して得られた固体を水素気流下、400℃で2時間還元して得られた固体を触媒とする。金属塩の具体例としては、市販の塩化ルテニウム(RuCl3・3H2O)、ニトロシル硝酸ルテニウムRu(NO)(NO、塩化白金酸(H2PtCl6・6H2O)、ジアンミンジニトロ白金Pt(NH(NO、塩化パラジウム(PdCl2)、塩化ロジウム(RhCl3・3H2O)、塩化イリジウム(IrCl3・3H2O)、塩化金酸(HAuCl4・4H2O)、硝酸コバルト(Co(NO32・6H2O)等が挙げられる。但し、これらに限定される意図ではない。なお、PdCl2は水に不溶性なので、Pdに対し4等量の塩酸を添加してH2PdCl4水溶液として用いることができる。また同様にIrCl3・3H2Oは、塩酸に溶解させて用いることができる。A solid catalyst in which a transition metal is supported on a carbon-based carrier used in the present invention can be prepared as follows, for example, by an impregnation method, with reference to a conventional method for producing a metal-supported solid catalyst. The carbon-based support is vacuum dried at 150° C. for 1 hour. Next, water is added and dispersed, and an aqueous solution containing a predetermined amount of metal salt is added thereto and stirred for 15 hours. After that, water is distilled off under reduced pressure, and the obtained solid is reduced at 400° C. for 2 hours under a hydrogen stream, and the resulting solid is used as a catalyst. Specific examples of metal salts include commercially available ruthenium chloride (RuCl 3 .3H 2 O), ruthenium nitrosyl nitrate Ru(NO)(NO 3 ) 3 , chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 .6H 2 O), diammine dinitro. platinum Pt( NH3 ) 2 (NO2) 2 , palladium chloride ( PdCl2 ), rhodium chloride ( RhCl3.3H2O ), iridium chloride ( IrCl3.3H2O ), chloroauric acid ( HAuCl4.4H 2 O), cobalt nitrate (Co(NO 3 ) 2.6H 2 O ), and the like. However, it is not intended to be limited to these. Since PdCl 2 is insoluble in water, it can be used as an H 2 PdCl 4 aqueous solution by adding 4 equivalents of hydrochloric acid to Pd. Similarly, IrCl 3 .3H 2 O can be used by dissolving it in hydrochloric acid.

工程(4)
工程(4)における加水分解は、セルロースを吸着した固体触媒を水の存在下、好ましくは加圧状態となる温度で加熱して行う。加圧状態となる加熱の温度は、例えば、110~380℃の範囲が適当である。セルロースの加水分解を迅速に行い、かつ生成物であるグルコースの他の糖への転化を抑制するという観点から、比較的高い温度が好ましく、例えば、最高加熱(反応)温度は、170~320℃、より好ましくは170~200℃、さらに好ましくは170~190℃の範囲とすることが適当である。また、当該温度における保持時間は、0~120分であることが好ましい。
Step (4)
The hydrolysis in the step (4) is carried out by heating the cellulose-adsorbed solid catalyst in the presence of water, preferably at a temperature at which pressure is applied. A suitable heating temperature for the pressurized state is, for example, a range of 110 to 380.degree. A relatively high temperature is preferred from the viewpoint of rapid hydrolysis of cellulose and suppression of conversion of the product glucose to other sugars. For example, the maximum heating (reaction) temperature is 170 to 320°C. , more preferably 170 to 200°C, more preferably 170 to 190°C. Moreover, the holding time at the temperature is preferably 0 to 120 minutes.

セルロースの加水分解は、通常はオートクレーブ等の密閉容器内で実施されるため、反応開始時は常圧であっても、上記温度で反応系が加熱されると加圧状態となる。さらに、反応前または反応中に密閉容器内を加圧し、反応することもできる。加圧する圧力は、例えば0.1~30MPa、好ましくは1~20MPa、さらに好ましくは2~10MPaである。また密閉容器中以外に、高圧ポンプにより反応液を流通させながら加熱、加圧して反応することもできる。 Since the hydrolysis of cellulose is usually carried out in a closed vessel such as an autoclave, even if the pressure is normal at the start of the reaction, the reaction system will be pressurized when heated at the above temperature. Furthermore, the reaction can be carried out by pressurizing the closed container before or during the reaction. The applied pressure is, for example, 0.1 to 30 MPa, preferably 1 to 20 MPa, more preferably 2 to 10 MPa. Alternatively, the reaction can be carried out by heating and pressurizing while circulating the reaction solution with a high-pressure pump, other than in a sealed container.

加水分解のための水の存在量は、少なくともセルロースを全量加水分解できる量であり、反応混合物の流動性や撹拌性等を考慮して、セルロースの質量に対して、1~500倍の量、好ましくは2~200倍の量とすることができる。 The amount of water present for hydrolysis is at least an amount that can hydrolyze the entire amount of cellulose. Preferably, the amount can be 2 to 200 times higher.

前記加水分解の雰囲気は特に限定されない。工業上は空気雰囲気下で行うことが好ましいが、空気以外の気体、例えば、酸素、窒素、水素またはそれらの混合物の雰囲気下で行ってもよい。 The hydrolysis atmosphere is not particularly limited. Although it is industrially preferable to conduct the reaction in an air atmosphere, it may be conducted in an atmosphere of a gas other than air, such as oxygen, nitrogen, hydrogen, or a mixture thereof.

前記加水分解のための加熱は、セルロースの加水分解による転化率が10~100%の間で、グルコースの選択率が20~90%の間にある時点で終了することが、グルコースの収率を高める上で好ましい。セルロースの加水分解による転化率が10~100%の間で、グルコースの選択率が20~90%の間にある時点は、加熱温度、使用する固体触媒の種類や量、水の量(セルロースに対する割合)、セルロースの種類、撹拌方法や条件等により変化するので、これらの条件を決めた上で、実験的に決定することができる。加熱時間は、通常の条件では加水分解反応のための加熱開始から、例えば、5~60分の範囲であり、好ましくは5~30分の範囲であるが、この範囲に限定されるものではない。また、加水分解のための加熱は、セルロースの加水分解による転化率が、好ましくは30~100%の範囲、より好ましくは40~100%の範囲、さらに好ましくは50~100%の範囲、最も好ましくは55~100%の範囲であり、グルコースの選択率が、好ましくは25~90%の範囲、より好ましくは30~90%の範囲、最も好ましくは40~90%の範囲である時点で終了することが適当である。 The heating for the hydrolysis is terminated when the conversion by hydrolysis of cellulose is between 10% and 100% and the selectivity for glucose is between 20% and 90%. It is preferable in terms of enhancement. When the conversion rate by hydrolysis of cellulose is between 10% and 100% and the selectivity for glucose is between 20% and 90%, the heating temperature, the type and amount of solid catalyst used, and the amount of water (relative to cellulose ratio), the type of cellulose, the stirring method and conditions, etc., so it can be determined experimentally after determining these conditions. The heating time is, under normal conditions, from the start of heating for the hydrolysis reaction, for example, in the range of 5 to 60 minutes, preferably in the range of 5 to 30 minutes, but is not limited to this range. . In addition, the heating for hydrolysis is such that the conversion rate by hydrolysis of cellulose is preferably in the range of 30 to 100%, more preferably in the range of 40 to 100%, still more preferably in the range of 50 to 100%, and most preferably in the range of 30 to 100%. is in the range 55-100% and the selectivity for glucose is preferably in the range 25-90%, more preferably in the range 30-90%, most preferably in the range 40-90% is appropriate.

加水分解反応の形式は、バッチ式または連続式等のいずれでもよい。反応は、反応混合物を撹拌しながら行うことが好ましい。 The type of hydrolysis reaction may be batch type or continuous type. The reaction is preferably carried out while stirring the reaction mixture.

本発明においては、比較的高温で比較的短時間の加水分解反応により、グルコースを主成分とし、5-ヒドロキシメチルフルフラールなどの過分解物が少ない糖含有液を製造することができる。 In the present invention, a sugar-containing liquid containing glucose as a main component and containing less overlysates such as 5-hydroxymethylfurfural can be produced by a hydrolysis reaction at a relatively high temperature for a relatively short period of time.

加熱の終了後は、グルコースの他の糖への転化を抑制して、グルコース収率を高めるという観点から反応液を冷却することが好ましい。グルコース収率を高めるという観点から、反応液の冷却は、グルコースの選択率が20~90%の範囲を維持する条件で行うことが好ましく、25~90%の範囲がさらに好ましく、30~90%の範囲がより好ましく、40~90%の範囲が最も好ましい。 After heating, it is preferable to cool the reaction solution from the viewpoint of suppressing the conversion of glucose to other sugars and increasing the yield of glucose. From the viewpoint of increasing the glucose yield, the cooling of the reaction solution is preferably carried out under conditions that maintain the glucose selectivity in the range of 20 to 90%, more preferably 25 to 90%, and 30 to 90%. is more preferred, and the range of 40-90% is most preferred.

グルコース収率を高めるという観点から、前記反応液の冷却は、グルコースの他の糖への転化が事実上生じない温度までできるだけ速く行うことが好ましく、例えば、1~200℃/分の範囲の速度で行うことができ、好ましくは10~150℃/分の範囲の速度である。グルコースの他の糖への転化が事実上生じない温度は、例えば、150℃以下、好ましくは110℃以下である。すなわち、反応液の冷却は、150℃以下の温度まで、1~200℃/分の範囲、好ましくは10~150℃/分の範囲で行うことが適当であり、110℃以下の温度まで、1~200℃/分の範囲、好ましくは10~150℃/分の範囲で行うことがより適当である。 From the viewpoint of increasing the yield of glucose, the reaction solution is preferably cooled as quickly as possible to a temperature at which conversion of glucose to other sugars does not occur. at a rate preferably in the range of 10-150° C./min. A temperature at which conversion of glucose to other sugars does not occur is, for example, 150° C. or lower, preferably 110° C. or lower. That is, the reaction solution is cooled to a temperature of 150° C. or less at a rate of 1 to 200° C./min, preferably 10 to 150° C./min. It is more suitable to carry out in the range of -200°C/min, preferably in the range of 10-150°C/min.

本発明の製造方法においては、セルロース加水分解固体触媒は、炭素触媒、窒化ホウ素又は遷移金属担持固体触媒であり、糖類含有セルロース加水分解物が、グルコース含有セルロース加水分解物であることができる。本発明において、固体触媒として、例えば、活性炭を用いたセルロースの加水分解の反応機構は、この機構に拘泥する意図ではないが、以下のように考えられる。 In the production method of the present invention, the cellulose hydrolysis solid catalyst can be a carbon catalyst, boron nitride or transition metal-supported solid catalyst, and the sugar-containing cellulose hydrolyzate can be a glucose-containing cellulose hydrolyzate. In the present invention, the reaction mechanism of hydrolysis of cellulose using, for example, activated carbon as a solid catalyst is not intended to be limited to this mechanism, but is considered as follows.

活性炭などの炭素材料は、以下に示すように表面に存在する芳香環に、CH-π相互作用により、セルロースの疎水性基(-CH)が吸着すると考えられる。 Carbon materials such as activated carbon are considered to adsorb hydrophobic groups (-CH) of cellulose to aromatic rings present on the surface thereof due to CH-π interaction, as shown below.

Figure 0007141707000001
Figure 0007141707000001

さらに、カルボキシル基のような酸点が活性サイトとなって、加水分解を促進するものと推察される。 Furthermore, it is presumed that an acid site such as a carboxyl group becomes an active site and promotes hydrolysis.

Figure 0007141707000002
Figure 0007141707000002

そのため、固体触媒は、芳香環を有する活性炭のような炭素材料であって、前述のように、その表面にカルボキシル基のような酸点を有することが好ましい。 Therefore, it is preferable that the solid catalyst is a carbon material such as activated carbon having an aromatic ring, and has acid sites such as carboxyl groups on its surface as described above.

本発明の方法により、セルロースからグルコースを効率的にかつ優先的に製造できれば、グルコースを燃料や化学品に転化することもできる。

Figure 0007141707000003
If the method of the present invention can efficiently and preferentially produce glucose from cellulose, it can also be converted into fuels and chemicals.
Figure 0007141707000003

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。但し、実施例は本発明の例示であって、本発明は実施例に限定される意図ではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not intended to be limited to the examples.

実施例1
粉砕していない微結晶性セルロース(324 mg, Avicel PH101)に蒸留水(0.9 mL)を加え湿らせた後、85 %リン酸(16.2 mL, 和光純薬)を加え、撹拌しセルロースを溶解させた。セルロースは10分ほどで完全に溶解した。この溶解液を室温(約22℃)で数日間(0-9日間)撹拌し、セルロースを部分的に加水分解した。固体触媒として活性炭(BA-Air, BA(味の素ファインテクノ(株)、比表面積 1230 m2/g)を電気炉で425℃,10時間空気酸化した炭素(表面に弱酸点となるカルボキシル基などの含酸素官能基を導入))を324 mg加え、10分間撹拌した。蒸留水30 mLを加え、部分加水分解したセルロースが炭素とよく接触した状態(炭素上にセルロースが吸着した状態)で、部分加水分解したセルロースを吸着させた。これを、メンブレンフィルター(孔径:0.1 μm)を用いろ過し、水洗(300ml)により固体中のリン酸を除いた。このサンプルに水40 mLを加えてオートクレーブで、180℃で20分間反応を行い、セルロースを加水分解した。尚、上記サンプルに水40mLを加えた段階でのpHは 2.0~2.2であった。このことから、サンプルにはリン酸が残存し、残存したリン酸も加水分解の触媒となった可能性がある。反応後、溶液をHPLCで分析した。
Example 1
After moistening unground microcrystalline cellulose (324 mg, Avicel PH101) with distilled water (0.9 mL), add 85% phosphoric acid (16.2 mL, Wako Pure Chemical Industries) and stir to dissolve the cellulose. rice field. Cellulose was completely dissolved in about 10 minutes. The solution was stirred at room temperature (approximately 22° C.) for several days (0-9 days) to partially hydrolyze the cellulose. As a solid catalyst, activated carbon (BA-Air, BA (Ajinomoto Fine-Techno Co., Ltd., specific surface area: 1230 m 2 /g)) was air-oxidized in an electric furnace at 425°C for 10 hours (Carboxyl groups, etc., which act as weak acid sites on the surface). 324 mg of Oxygen-containing functional group introduced)) was added and stirred for 10 minutes. 30 mL of distilled water was added, and the partially hydrolyzed cellulose was adsorbed in a state in which the partially hydrolyzed cellulose was in good contact with the carbon (a state in which the cellulose was adsorbed on the carbon). This was filtered using a membrane filter (pore size: 0.1 μm) and washed with water (300 ml) to remove phosphoric acid in the solid. 40 mL of water was added to this sample, and the mixture was reacted in an autoclave at 180° C. for 20 minutes to hydrolyze cellulose. Incidentally, the pH was 2.0 to 2.2 when 40 mL of water was added to the above sample. From this, it is possible that phosphoric acid remained in the sample and that the remaining phosphoric acid also acted as a catalyst for hydrolysis. After reaction, the solution was analyzed by HPLC.

比較例1
実施例1におけるリン酸処理の効果を確かめるために、リン酸処理を行わないセルロースを用いて、実施例1と同条件で加水分解反応を行った。
Comparative example 1
In order to confirm the effect of the phosphoric acid treatment in Example 1, a hydrolysis reaction was performed under the same conditions as in Example 1 using cellulose not subjected to phosphoric acid treatment.

実施例1及び比較例1の加水分解反応の結果を図1に示す。リン酸処理していないセルロースを加水分解してもグルコース収率がわずか3 %であるのに対し、リン酸前処理を行ったセルロースを用いると、グルコース収率はリン酸処理日数に応じて伸び、最高で70 %に向上した。この結果から、リン酸処理の有効性が分かる。セルロースの部分加水分解のための攪拌開始後0日、3日、7日及び9日後の溶液のサイズ排除クロマトグラフィーの結果(攪拌開始後0日は、部分加水分解0日という意味であり、セルロースをリン酸に溶解させて、すぐに水を入れてセルロースを析出させたものである)を、原料である微結晶性セルロース(Avicel PH101)の水分散液のサイズ排除クロマトグラフィーの結果と共に図2に示す。攪拌開始後7日及び9日後には部分加水分解よりセルロースの分子量は約1/2に低下したことが分かる。 The results of the hydrolysis reaction of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. Hydrolysis of non-phosphatized cellulose yields only 3% glucose, whereas with phosphate-pretreated cellulose, glucose yield increases with the number of days of phosphatization. , up to 70%. This result shows the effectiveness of the phosphoric acid treatment. Results of size exclusion chromatography of the solution 0 days, 3 days, 7 days and 9 days after the start of stirring for partial hydrolysis of cellulose (0 days after the start of stirring means 0 days of partial hydrolysis, cellulose was dissolved in phosphoric acid and water was immediately added to precipitate cellulose), along with the results of size exclusion chromatography of the aqueous dispersion of microcrystalline cellulose (Avicel PH101), which is the raw material, are shown in Fig. 2 shown in It can be seen that the molecular weight of cellulose decreased to about 1/2 due to partial hydrolysis 7 days and 9 days after the start of stirring.

実施例2
液状のセルロースの炭素触媒への吸着が有効であることを明らかにするための実験も行った。実施例1と同様の方法で、セルロースのリン酸処理日数を6日間としてセルロースを炭素表面上に吸着させた場合の結果を得た。
Example 2
Experiments were also conducted to clarify the effectiveness of the adsorption of liquid cellulose on the carbon catalyst. The results were obtained when cellulose was adsorbed on the carbon surface in the same manner as in Example 1, with the cellulose being treated with phosphoric acid for 6 days.

比較例2
実施例1と同様の方法で、セルロースをリン酸に溶解させた後、室温で6日間撹拌を続けた。そこに蒸留水30 mLを加え、セルロースを析出させた後ろ過し、水洗でリン酸を除いた。このセルロースに実施例1で用いたと同様の活性炭を加え、実施例1と同条件で加水分解反応を行った。(液状のセルロースが活性炭に吸着する段階がない方法である。)
Comparative example 2
After dissolving cellulose in phosphoric acid in the same manner as in Example 1, stirring was continued at room temperature for 6 days. Distilled water (30 mL) was added thereto to precipitate cellulose, followed by filtration and washing with water to remove phosphoric acid. Activated carbon similar to that used in Example 1 was added to this cellulose, and a hydrolysis reaction was carried out under the same conditions as in Example 1. (This is a method without the step of liquid cellulose being adsorbed on activated carbon.)

液状のセルロースを活性炭表面上に吸着させた場合(実施例2)と、させていない場合(比較例2)の加水分解の結果を図3に示す。 FIG. 3 shows the results of hydrolysis with and without liquid cellulose adsorbed on the activated carbon surface (Example 2) (Comparative Example 2).

図3に示した結果から、液状のセルロース(部分加水分解セルロースを含む可溶化したセルロース及び非晶質セルロース)が炭素触媒に吸着することが加水分解反応性を上昇させることが明らかになった。 From the results shown in FIG. 3, it was clarified that adsorption of liquid cellulose (solubilized cellulose including partially hydrolyzed cellulose and amorphous cellulose) to the carbon catalyst increases the hydrolysis reactivity.

以上の結果から、リン酸によりセルロースを溶解し、液状のセルロースを炭素触媒上に吸着させた状態で加水分解反応を行うことが、効果的であるということが言える。 From the above results, it can be said that it is effective to dissolve the cellulose with phosphoric acid and perform the hydrolysis reaction in a state where the liquid cellulose is adsorbed on the carbon catalyst.

実施例3
セルロース溶解液を室温に替えて60℃で60分間撹拌してセルロースの部分加水分解を行ったこと以外は、実施例1と同様の方法でセルロースの加水分解を行った。結果を図4に示す(図中の60分間の結果)。セルロースの部分加水分解を60℃で行うことで、より短時間(60分)で、室温(約25℃)で行う場合(図1のDAY7(7日間))とほぼ同等のセルロース加水分解結果が得られた。
Example 3
Cellulose was hydrolyzed in the same manner as in Example 1, except that the cellulose solution was changed to room temperature and stirred at 60°C for 60 minutes to partially hydrolyze cellulose. The results are shown in FIG. 4 (results for 60 minutes in the figure). By performing the partial hydrolysis of cellulose at 60°C, the cellulose hydrolysis result is almost the same as when it is performed at room temperature (about 25°C) (DAY 7 (7 days) in Fig. 1) in a shorter time (60 minutes). Got.

実施例4
セルロース溶解液の60℃での攪拌を0、30、又は90分間に替えて行ったこと以外は、実施例3と同様の方法でセルロースの加水分解を行った。結果を図4に示す。セルロースの部分加水分解を60℃で行うことで、30、90分でも、室温(約25℃)で行う場合(7日間)とほぼ同等のセルロース加水分解結果が得られた。
Example 4
Cellulose was hydrolyzed in the same manner as in Example 3, except that the cellulose solution was stirred at 60° C. for 0, 30, or 90 minutes. The results are shown in FIG. By carrying out partial hydrolysis of cellulose at 60°C, almost the same cellulose hydrolysis results as those carried out at room temperature (approximately 25°C) (for 7 days) were obtained even for 30 and 90 minutes.

実施例5
固体触媒としての活性炭をBA-Airに替えて、BA((味の素ファインテクノ(株)、比表面積1230 m2/g))、Norit(キャボット社、比表面積1210 m2/g))、Air oxi. Norit (Noritaを電気炉で425℃、10時間空気酸化した炭素)に替えたこと以外は、実施例3と同様の方法でセルロースの加水分解を行った。結果を図5に示す。図5には参照例(Blank)として、セルロースをリン酸溶液にし、固体触媒を加えずに水25 mLを加えセルロースを沈殿させ、このセルロースを300 mLの水で洗浄し、水40 mLを加えてオートクレーブで、180℃で20分間反応を行い、セルロースを加水分解した結果も示す。各活性炭のベーム滴定(Boehm titration)の結果を表1に示す。尚、ベーム滴定は常法により行った。
Example 5
BA ((Ajinomoto Fine-Techno Co., Inc., specific surface area: 1230 m 2 /g)), Norit (Cabot Corporation, specific surface area: 1210 m 2 /g)), Air oxi Cellulose was hydrolyzed in the same manner as in Example 3, except that Norita was replaced with Norit (carbon air-oxidized in an electric furnace at 425°C for 10 hours). The results are shown in FIG. As a reference example (blank) in FIG. 5, cellulose was made into a phosphoric acid solution, 25 mL of water was added without adding a solid catalyst to precipitate the cellulose, the cellulose was washed with 300 mL of water, and 40 mL of water was added. The results of hydrolyzing cellulose by reacting in an autoclave at 180°C for 20 minutes are also shown. Table 1 shows the results of Boehm titration of each activated carbon. Boehm titration was performed by a conventional method.

Figure 0007141707000004
Figure 0007141707000004

COORはラクトンを示し、例えば、下記化学式の左下部分の構造を想定している。

Figure 0007141707000005
COOR indicates a lactone, and assumes, for example, the structure of the lower left portion of the following chemical formula.
Figure 0007141707000005

実施例5
固体触媒としての活性炭BA-Air量を324 mgから、218mg、109mgに替えた以外は、実施例3と同様の方法でセルロースの加水分解を行った。結果を図6に示す。
Example 5
Cellulose was hydrolyzed in the same manner as in Example 3, except that the amount of activated carbon BA-Air as a solid catalyst was changed from 324 mg to 218 mg and 109 mg. The results are shown in FIG.

実施例6
部分加水分解したセルロースに活性炭(BA-Air)を加え、10分間攪拌した後に蒸留水25 mLを加える代わりに、エタノール、アセトン又は1-プロパノール(いずれも25mL)を用いることにより部分加水分解セルロースの活性炭への析出、吸着を行った以外は実施例3と同様の方法でセルロースの加水分解を行った。結果を図7に示す。部分加水分解セルロースの析出、吸着には、水を用いる場合がグルコースの収量が高かった。
Example 6
Activated charcoal (BA-Air) was added to the partially hydrolyzed cellulose, and after stirring for 10 minutes, instead of adding 25 mL of distilled water, ethanol, acetone, or 1-propanol (both 25 mL) was used to partially hydrolyze the cellulose. Cellulose was hydrolyzed in the same manner as in Example 3, except that precipitation on activated carbon and adsorption were performed. The results are shown in FIG. The yield of glucose was high when water was used for precipitation and adsorption of partially hydrolyzed cellulose.

本発明は、セルロースの加水分解によるグルコース等の糖類の製造に関する分野に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful in the field of production of sugars such as glucose by hydrolysis of cellulose.

Claims (14)

セルロースを酸水溶液に溶解させる工程(1)、
セルロースを溶解した酸水溶液を保持して、セルロースを少なくとも部分的に加水分解する工程(1B)、
セルロースを溶解し、少なくとも部分的に加水分解した酸水溶液にセルロース加水分解固体触媒を混合する工程(2)、
固体触媒上にセルロースの少なくとも一部を吸着させる工程(3)、及び
セルロースを吸着させた固体触媒を水の存在下で加熱してセルロースを加水分解して、グルコースを含有する加水分解物を得る工程(4)、
を含むグルコースの製造方法。
a step of dissolving cellulose in an acid aqueous solution (1 A );
a step (1B) of holding an acid aqueous solution in which cellulose is dissolved and at least partially hydrolyzing the cellulose;
dissolving the cellulose and mixing the at least partially hydrolyzed acid aqueous solution with a cellulose hydrolysis solid catalyst (2);
Step (3) of adsorbing at least part of cellulose onto the solid catalyst, and heating the solid catalyst with adsorbed cellulose in the presence of water to hydrolyze the cellulose to obtain a hydrolyzate containing glucose . step (4),
A method for producing glucose, comprising:
工程(1B)における部分加水分解は、40~80℃の温度で行う、請求項に記載の製造方法。 The production method according to claim 1 , wherein the partial hydrolysis in step (1B) is performed at a temperature of 40 to 80°C. 工程(1)で用いるセルロースの少なくとも一部は、I型の結晶構造を有する請求項1~のいずれかに記載の製造方法。 3. The production method according to any one of claims 1 to 2 , wherein at least part of the cellulose used in step ( 1A ) has a type I crystal structure. 工程(1)で用いる酸水溶液の酸がリン酸、硫酸及び塩酸から成る群から選ばれる少なくとも1種の酸である請求項1~のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 3 , wherein the acid in the aqueous acid solution used in step ( 1A ) is at least one acid selected from the group consisting of phosphoric acid, sulfuric acid and hydrochloric acid. 工程(1)で用いる酸水溶液は、オルトリン酸水溶液である、請求項に記載の製造方法。 The production method according to claim 4 , wherein the acid aqueous solution used in step ( 1A ) is an orthophosphoric acid aqueous solution. 工程(1)で用いるオルトリン酸水溶液のリン酸濃度は75%以上である、請求項に記載の製造方法。 The production method according to claim 5 , wherein the orthophosphoric acid aqueous solution used in step ( 1A ) has a phosphoric acid concentration of 75% or more. 工程(3)における固体触媒上へのセルロースの吸着は、酸水溶液に水又は水溶性有機溶媒を添加することで行う請求項1~のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 6 , wherein the adsorption of cellulose onto the solid catalyst in step (3) is performed by adding water or a water-soluble organic solvent to the acid aqueous solution. 工程(3)で得られたセルロースを吸着させた固体触媒を酸水溶液から分離し、かつ酸を除去した後に、工程(4)に供する、請求項1~のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 7 , wherein the cellulose-adsorbed solid catalyst obtained in step (3) is separated from the acid aqueous solution and subjected to step (4) after the acid is removed. 工程(3)において固体触媒上に吸着したセルロースは、部分加水分解セルロース、非晶質セルロース及びセルロースIIから成る群から選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1~のいずれかに記載の製造方法。 The production according to any one of claims 1 to 8 , wherein the cellulose adsorbed on the solid catalyst in step (3) contains at least one selected from the group consisting of partially hydrolyzed cellulose, amorphous cellulose and cellulose II. Method. セルロース加水分解固体触媒は、炭素触媒、窒化ホウ素及び遷移金属担持触媒から成る群から選ばれる少なくとも1種の触媒である請求項1~のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 9 , wherein the cellulose hydrolysis solid catalyst is at least one catalyst selected from the group consisting of carbon catalysts, boron nitride and transition metal-supported catalysts. 炭素触媒は、多孔質炭素材料であり、多孔質炭素材料は活性炭又はカーボンブラックであることができる請求項10に記載の製造方法。 11. The manufacturing method according to claim 10 , wherein the carbon catalyst is a porous carbon material, and the porous carbon material can be activated carbon or carbon black. 遷移金属担持触媒は、固体担体に遷移金属を担持した触媒であり、固体担体は、炭素系材料及び窒化ホウ素から成る群から選ばれる少なくとも1種の材料である、請求項10に記載の製造方法。 The production method according to claim 10 , wherein the transition metal-supported catalyst is a catalyst in which a transition metal is supported on a solid support, and the solid support is at least one material selected from the group consisting of carbonaceous materials and boron nitride. . セルロースを吸着させた固体触媒における、触媒に対するセルロースの質量比は、100:1~10000の範囲である、請求項1~12のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 12 , wherein the mass ratio of cellulose to catalyst in the cellulose-adsorbed solid catalyst is in the range of 100:1 to 10,000. 工程(1)で用いるセルロースは植物性バイオマスである、請求項1~13のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 13 , wherein the cellulose used in step (1) is plant biomass.
JP2018561448A 2017-01-16 2018-01-16 Method for producing sugar-containing cellulose hydrolyzate Active JP7141707B2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017004847 2017-01-16
JP2017004847 2017-01-16
PCT/JP2018/000975 WO2018131711A1 (en) 2017-01-16 2018-01-16 Method for manufacturing sugar-containing cellulose hydrolyzate

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2018131711A1 JPWO2018131711A1 (en) 2019-11-07
JP7141707B2 true JP7141707B2 (en) 2022-09-26

Family

ID=62840181

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018561448A Active JP7141707B2 (en) 2017-01-16 2018-01-16 Method for producing sugar-containing cellulose hydrolyzate

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7141707B2 (en)
WO (1) WO2018131711A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010067593A1 (en) 2008-12-09 2010-06-17 国立大学法人 北海道大学 Method for producing a sugar-containing liquid in which the primary ingredient is glucose
WO2014007295A1 (en) 2012-07-03 2014-01-09 昭和電工株式会社 Method for decomposing plant biomass, and method for producing glucose
WO2014097801A1 (en) 2012-12-18 2014-06-26 昭和電工株式会社 Plant-biomass hydrolysis method

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011036955A1 (en) * 2009-09-25 2011-03-31 国立大学法人北海道大学 Catalyst for hydrolysis of cellulose or hemicellulose, and process for production of sugar-containing solution using the catalyst

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010067593A1 (en) 2008-12-09 2010-06-17 国立大学法人 北海道大学 Method for producing a sugar-containing liquid in which the primary ingredient is glucose
WO2014007295A1 (en) 2012-07-03 2014-01-09 昭和電工株式会社 Method for decomposing plant biomass, and method for producing glucose
WO2014097801A1 (en) 2012-12-18 2014-06-26 昭和電工株式会社 Plant-biomass hydrolysis method

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIU, X. et al.,Adsorption of lignocellulosic materials dissolved in pre-hydrolysis liquor of kraft-based dissolving,J. Sci. Technol. For. Prod. Process.,2011年,1 (1),p.46-54,47頁中央欄2段落目、47頁右欄3段落目の1-5行、図5、表2
ZHANG, Y.-H. P. et al.,A transition from cellulose swelling to cellulose dissolution by o-phosphoric acid: evidence from en,Biomacromolecules,2006年,7,p.644-648,644頁右欄2段落目、4段落目
小林広和,固体触媒法による木質バイオマスの選択的な分解,触媒,2016年,58 (3),p.159-162,159頁右欄-160頁左欄2段落目

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2018131711A1 (en) 2019-11-07
WO2018131711A1 (en) 2018-07-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4604194B2 (en) Method for hydrolysis of cellulose using catalyst and method for producing glucose using catalyst
JP5013531B2 (en) Method for producing glucose and method for producing sulfonated activated carbon
US11820725B2 (en) Process for catalytic hydrogenation of halonitroaromatics
JP5641504B2 (en) Method for producing a sugar-containing liquid mainly composed of glucose
US6992037B2 (en) Precious metal catalyst for debenzylation
CN104549254B (en) Catalyst for preparing 1,6-hexanediol through direct reduction of adipic acid
CN109174088B (en) Heterogeneous catalyst for selective hydrogenation reaction of acetylene compounds and application thereof
JP6212564B2 (en) Process for obtaining sugar alcohols having 5 to 6 carbon atoms
Lucas et al. Valorization of oceanic waste biomass: a catalytic perspective
JP5823756B2 (en) Method for producing sugar alcohol
US7659225B2 (en) Precious metal catalyst for debenzylation
JP6057376B2 (en) Method for reducing hydroxymethylfurfural and / or furfural
CN109331814B (en) Composite carbon-noble metal catalyst, preparation method thereof and application thereof in synthesis of 2-tetrahydrofurfuryl acid
JP7141707B2 (en) Method for producing sugar-containing cellulose hydrolyzate
CN101565356A (en) Method of low-temperature catalytic dechlorination of chlorophenol
JP5894387B2 (en) Method for producing sugar alcohol
CN101565357A (en) Method of low-temperature catalytic dechlorination of chlorophenol
WO2019131270A1 (en) Activated carbon, metal-carrying activated carbon using same and hydrogenation reaction catalyst
CN106423150B (en) Catalyst for hydrogenation and purification of crude terephthalic acid
JP2006335663A5 (en) Method for producing unsaturated carboxylic acid ester and method for producing catalyst therefor
Chen et al. Cycloaddition of allylic chlorides, aryl alkynes, and carbon dioxide using nanoclusters of polyoxomolybdate buckyball supported by ionic liquid on dendritic fibrous nanosilica
Kaco et al. Detoxification of lignocellulosic hydrolysates by in situ formation of Fe (0) nanoparticles on activated carbon
Lucas et al. Marine waste derived chitin biopolymer for N-containing supports, catalysts and chemicals
CA2285828A1 (en) Process for preparing catalysts comprising noble metals on carbon-containing support materials
JP2016079169A (en) Producing method of sugar alcohol, and sugar solution

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190731

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210114

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220105

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20220303

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220428

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220809

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220905

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7141707

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150