JPH02500990A - リグニン含有原料からセルロースを製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 リグニン含有原料からセルロースを製造する方法本発明は、リグノセルロースを 含む物質からリグニンを除去および／または転移するための方法および装置に係 るものである。

セルロースまたはセルロースに類似した物質を生産するためには、木材または一 年性植物のようなリグノセルロースを含む材料からリグニンを除去しなければな らない。除去することにより、セルロースから生産した紙の力学的および物理化 学的特性が相当に向上するからである。従来の方法は、環境を悪化する化学製品 を使用し、高圧および高温で行うものである。セルロース生産における既知の生 物学的方法は、微生物、特に菌類を用いるものである。例えば、ドイツ連邦共和 国特許出願公開第３１１０１１７号公報に記載されている既知の方法においては 、木材またはその他の植物繊維材料からセルロースを製造する際に、リグノセル ロースを白色腐敗菌類で分解する。しかし、微生物を働かせる方法はかなり不都 合である。例えば、これまでのところ、それぞれの微生物を同時に成長させるこ となく、リグニンをその付随ポリマー（セルロース）から分解して遊離せしめる ことは不可能である。菌類が同時に成長することにより、数週間にも及ぶような 非常に長い分解時間が生じる。

上述のように、微生物の使用は困難であるため、近年は単離した酵素系の使用の 可能性について盛んに研究されてきた。

特に、白色腐敗菌類ファネロカエテ・クリソスポリウム（Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａ ｅｔｅ　ｃｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｍ）の酵素が研究され、多くの詳細が解明さ れた。例えば、“Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｐｕ１ｐａｎｄ 　Ｐａｐｅｒ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ、３．　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎ ｆｅｒｅｎｃｅ。

Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ　１９８６”で既知のように、適切な酵素系を伴わないリグ ニンの分解においては、反応バランスが重合サイドにある。一方では、”　Ｐａ ｓｚｏｚｇｎｓｋｉ、Ａ、ｅｔ　ａｌ　：　Ｃｏｍｐａｒｉｓｉｏｎ　ｏｆＬｉ ｇｎｉｎａｓｅ−１ａｎｄ　Ｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ−Ｍ、　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　 Ｗｈｉｔｅ−ＲｏｔＢｉｏｐｈ、ｓ、Ｖｏｌ、　２４４．　Ｎａ　２　”によっ て、還元剤を添加すると、Ｍｎに依存性ペロキシダーゼがファネロカエタ・クリ ソスポリウム（Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔａ　Ｃｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｍ）で 抑制され、反対にジチオニットは活性化剤として働くことが公知である。

本発明の目的は、リグノセルロースを含む物質からリグニンを除去および／また は転移するための方法および装置について、上述した微生物、酵素および化学物 質の使用による不都合を回避するものを提案することにある。この目的を達成す るため、ひとつまたはいくつかの酸化剤および／または還元剤および／または塩 およびまたはフェノール化合物を、リグニンを含む原料の酸性水溶液に添加する ことにより、２００〜５００ｍＶ領域で酸化還元電位を調整し、引き続いて酵素 、微生物、動物性または植物性細胞を付加することにより、リグニン分解反応と 同時に漂白が始まり、そして一定の酸化還元電位値で変動する値、一定温度、一 定ＰＨ値を保ち、継続して攪拌するなかで数時間にわたり反応が持続する。

酸化還元電位は、主として２５０〜３５０ｍＶである。本発明の方法によれば、 酸化還元電位は、レドクス電極を介して継続的に確定し、また調整器および調整 体を介して、酸化剤および／または還元剤および／または塩および／またはフェ ノール化合物および／または有機酸を添加した反応全体の時間を通して一定に保 つことができる。酸化剤としては、主として過酸化水素、酸素およびオゾンを用 いる。還元剤としては、アスコルビン酸、ジオチニットおよび重亜硫酸ナトリウ ムを使用できる。塩としては、主としてＭｎ５Ｏ，および／またはＦｅＣＬが適 している。フェノール化合物にはベラトリルアルコールを用いることができる。

有機酸としては、例えば乳酸を挙げることができる。

本発明による方法においては、酵素として主にリグニン分解酵素を使用する。こ れには、主としてフェノールオキシダーゼ、ララーゼ（ｌａｌｌａｓｅ）および ベロキシダーゼが数えられる。本発明による方法の効果は、ペクチナーゼおよび ／またはへミセルラーゼの添加により高めることができる。本発明では、特に、 白色腐敗菌類ファネロカエテ・クリソスポリウム（Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔｅ 　ｃｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｍ）から得た酵素を用いることができる。場合によ っては、ファネロカエテ・クリソスポリウム（Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔｅ　ｃ ｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｍ）自体を分解プロセスに加えることもできる。

本発明の方法では、ｐＨ値は２から５の間である。ｐ）ｌ値は、３が特に有利で ある。温度は２０〜６０℃とし、反応は特に４０℃で行われる。

本発明の方法で提示した諸条件を遵守するならば、２５０〜３５０ｍＶの酸化還 元電位を調整することができる。このため、例えば麦わら（リグニン含有量的１ ８％）の場合、リグニン含有量は殆んど０％に分解することができる。トウヒの 砕木パルプ（リグニン含有量的２８〜３０％）も同様の最終値に分解する。これ らの結果は、意外なことに２〜６時間で得られ、多くの場合には２時間以内で達 成される。しかし、ここには特に木材または一年性植物の使用に際して必要とな る物理的および／または化学的予備処理が算入されていない。酸化還元電位は、 反応容器の中で添加する様々な物質の比率により調整する。酸化剤、還元剤、塩 およびフェノール化合物を適切に測定および調節することにより、反応過程の全 体を通して成る一定の酸化還元電位を保つことができる。かくして調整した酸化 還元系の働きは、リグニンの再重合を防ぐことを目的としている。この生物学分 解原理を用い、極めて短時間（２〜６時間）のうちに、生理温度（４０℃）で無 圧力かつ僅かな化学物質の添加により、低コストで、特に環境適合性のリグニン 除去方法の開発に初めて成功した。更に有利な点は、セルロースないしセルロー スに類似した物質の収量が多いことである。予備処理後の固形分に換算して、収 量は一年性植物で約８０％、木材では約７０％に達する。

本方法においては、分解−および／または転移反応と同時に相当な漂白作用が働 き、かかる作用のために、環境を汚染することが遥かに少ない漂白剤を使用する ことが可能となる。

したがって、本発明による方法は、漂白−または追加漂白方法としても各種のプ ロセスに適している。そのため、本方法はまた、バイオ漂白およびセルロース産 業廃水、その他の廃水のバイオ汚水処理にも使用することができる。特に、本方 法は、廃水の脱色および解毒が必要とされるすべてのところに応用可能である。

本発明による方法の更に有利な点は、連続した実施が可能であることである。使 用済の酵素を再処理して反応プロセスに還元する場合、本方法は特に経済的な実 施を可能とする。この目的は、アフィニティクロマトグラフィを用いて達成する ことができる。即ち、反応終了後、酵素を分離カラムへ導き、そこで洗浄して再 び反応プロセスへ還元する。酵素洗浄は、アフィニティクロマトグラフィを用い て分離カラムの中で行う。そのために、然るべき酵素工学のノウハウを共に利用 した新しい特殊なりガントタイプを開発した。こうしたリガンドは、特許出願Ｐ ＣＴ／ＥＰ８７１００２１４に記載されている。ここでは、フェノール化合物を 使用することができる。同様に、蛋白質に特有なリガンドも可能である。

例として、タンニンを挙げることができる。更に本方法では、リグニンまたはそ の分解生成物を、リグノセルロースを含む物質から除去および／または転移する ための装置も対象としている。かかる装置は、反応器、微生物または酵素を添加 するための装置、酸化剤、還元剤、塩またはフェノール化合物を添加するための 装置、転化した原料、使用した酸化剤、還元剤、塩、フェノール化合物、酵素お よび微生物の排出装置、溶解２．た物質および溶解していない物質を分解するた めの装置、リグニン分解反応のために酵素を再処理するアフィニティクロマトグ ラフィのカラム、および再処理した酵素を反応器に戻すだめの還流装置から構成 する。溶解した物質と溶解していない物質とを分離する装置として、例えばフィ ルタまたは濃縮器を用いることができる。

以下、図示した実施例につき本発明による装置を一層具体的に説明する。微生物 または酵素は、添加装置７を介して反応器へ入る。反応器の中では、場合によっ て微生物または酵素を固定化することができる。この固定化には、通常の充填材 および固定材を使用することができる。酸化剤、還元剤、塩またはフェノール化 合物は、添加装置４を介して加えることができる。添加する配量は、それぞれの 酸化還元電位に応じて調節可能である。そのために、反応器にはレドクス電極（ 図示していない）を取り付け、この電極によって酸化還元電位を常時確定する。

適当な制御装置を接続することにより、酸化還元電位は、反応過程の全体を通し て二定に保つことができる。更に原料も補給管７を介して加える。ここでの原料 は、リグニンを含むすべての物質であり、特に化学的および／または物理的に予 備処理したわらおよび木材が考えられる。

しかしまた、本発明による装置では、リグニンを含むスペント液および廃液も同 様に処理可能である。反応器の中で、リグニンは、リグニン分解酵素または微生 物を用いて分解する。

酵素としては、特に菌類ファネロヵエテ・クリソスポリウム（Ｐｈａｎｅｒｏｃ ｈａｅｔｅ　ｃｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｍ）から得たものが考えられる。微生物 では、特にセルラーゼおよびヘミセルラーゼを含まない突然変異体が適している 。特に、ファネロカエテ・クリソスポリウム（Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔｅ　ｃ ｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｍ）の突然変異体が使用可能である。リグニン分解の終 了後、転化した原料は、排出装置８を介して、使用済の化学物質、微生物ないし 酵素と共に反応器から流出する。混合物質は、例えばフィルタ３を通過し、そこ で溶解した物質と溶解していない物質に分離する。酵素を含む溶液は、クロマト グラフィカラム２を通過する。このカラムは、アフィニティクロマトグラフィの 原理に従って機能する。ここで再処理した酵素は、直ちに管５を通って再び反応 プロセスへ還流する。酵素から分離した物質は、管６を通って排出される。アフ ィニティクロマトグラフィには、特定の酵素に固有のリガンド、特にフェノール 化合物を使用する。同様に、蛋白質に固有のリガンド、特にタンニンも使用可能 である。以下、本発明による方法を実施例につき一層具体的に説明する： 実施例 長さ１０〜２０ｍｍに刻んだ２０ｇ（＝１１０℃で乾燥した）のわらを１〜２％ のＮａ０）１４００ｍｊ２で２４〜４８時間かけて処理する。次に、刻んだわら をフィルタにかけ、１２００ｍｆの熱湯で洗浄する。

濾過したわらは、Ｊｏｋｒｕ−ミルに入れ、次に２５０ｒｎＩ！の水を加えてか ら１５０ｒｐｍで５〜１０分間破砕する。次に、固形分に換算して１ｇのわらを ９０ｍｆの水に入れる。続けて攪拌しながら、０、２　Ｍ）ＩＣＵでｐ）Ｉ値３ に調整する。このｐＨ値に達したならば、および４ｒｎ１のＨ２Ｏ２を含む６０ ｒｎ１の溶液）。還元剤として等モル量のアスコルビン酸を加える。ファネロカ エテ・クリソスポリウム（Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔｅ　ｃｈｒｙｓｏｓｐｏｒ ｉｕｍ）から得た酵素を添加すると（７０００Ｕ、ＩＵ＝ベラトリルアルコール からベラトリルデヒド／への転換ＩＵＭｏｌ／分）反応が始まる。反応は４０℃ で行われ、２時間後には、リグニンの約３３％が分解されていた。

手続補正書（方式） ％式％：２７ １、事件の表示 ＰＣＴ／ＥＰ８７１００６３５ Ｚ　発明の名称 リグニン含有原料からセルロースを製造する方法３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 氏名　カル、ハンスーペーター ４、代理人 住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−丁目８番１０号６、補正の対象 （１）明細書及び請求の範囲の翻訳文 （２）委任状 ７、補正の内容 （１）明細書、請求の範囲の翻訳文の浄書（内容に変更なし） （２）別紙の通り ８、添付書類の目録 （１）明細書及び請求の範囲の翻訳文　各１通（２）委任状及びその翻訳文　各 １通 国際調査報告 □１□１１４　ＰＣＴ／ＥＰ　８７１００６３５国際調査報告

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. １．リグニンまたはその分解生成物を、リグノセルロースを含む物質から除去お よび／または転移するための方法において、 ａ）リグニンを含む原料の水溶液に、１種類又は複数種類の酸化剤および／また は還元剤および／または塩および／またはフェノール化合物を添加することによ り、２００〜５００ｍＶ領域で酸化還元電位を調節し、 ｂ）次に、酵素、微生物、動物細胞または植物細胞を添加することにより、リグ ニン分解反応と同時に漂白を行い、そして ｃ）一定の酸化還元電位値で変動する値、一定温度、一定ｐＨ値を保ち、継続し て撹拌するなかで数時間にわたり反応を持続することを特徴とする方法。
2. ２．酸化還元電位が２５０から３５０ｍＶの領域にあることを特徴とする請求項 １に記載の方法。
3. ３．酸化還元電位を、レドクス電極を介して継続的に確定し、そして調整器およ び調整体を介して、酸化剤および／または還元剤および／または塩および／また はフェノール化合物および／または有機酸を添加することにより反応全体を通し て一定に保つことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. ４．酸化剤としてＨ２Ｏ２、Ｏ２またはオゾンを使用することを特徴とする請求 項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. ５．還元剤としてアスコルピン酸、ジチオニットまたは重亜硫酸ナトリウムを使 用することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. ６．塩としてＭｎＳＯ４および／またはＦｅＣｌ２を使用することを特徴とする 請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. ７．フェノール化合物としてベラトリルアルコールを使用することを特徴とする 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. ８．リグニン分解酵素を使用することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項 に記載の方法。
9. ９．白色腐敗菌類ファネロカエテ・クリソスポリウム（Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅ ｔｅｃｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｍ）から得たリグニン分解酵素を使用することを 特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. １０．ペクチナーゼおよび／またはヘミセルラーゼを使用することを特徴とする 請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. １１．リグニン分解有機体としてのファネロカエテ・クリソスポリウム（Ｐｈａ ｎｅｒｏｃｈａｅｔｅｃｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｍ）を使用することを特徴とす る請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. １２．ｐＨ値が２から５の間であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか １項に記載の方法。
13. １３．ｐＨ値が３であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載 の方法。
14. １４．温度が２０から６０℃の間であることを特徴とする請求項１〜１３のいず れか１項に記載の方法。
15. １５．温度が４０℃であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記 載の方法。
16. １６．反応終了後に酵素を分離カラムに通し、そこで洗浄した後、再び反応プロ セスへ戻すことを特徴とする請求項１〜６又は１２〜１５のいずれか１項に記載 の方法。
17. １７．分離カラムの中でアフィニティクロマトグラフィを用いて酵素の精製を行 うことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. １８．アフィニティクロマトグラフィを、酵素固有のリガンド、特にフェノール 化合物を用いて行うことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. １９．アフィニティクロマトグラフィを、蛋白質個有のリガンド、特にタンニン を用いて行うことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. ２０．次亜塩素酸ナトリウム、塩素、オゾン、Ｏ２、二酸化塩素のような慣用の 漂白剤を用いて追加的に漂白することを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１ 項に記載の方法。
21. ２１．リグノセルロースを含む物質からのリグニンまたはその分解生成物の除去 および／または転移のための装置において、 ａ）反応器（１） ｂ）微生物または酵素を添加するための装置（７）ｃ）酸化剤、還元剤、塩また はフェノール化合物を添加するための装置（４） ｄ）転化した原料、使用した酸化剤、還元剤、塩、フェノール化合物、酵素およ び微生物の排出装置（８）ｅ）溶解した物質および溶解していない物質を分離す るための装置（３） ｆ）リグニン分解反応のために酵素を再処理するアフイニティクロマトグラフィ のカラム（２） ｇ）再処理した酵素を反応器に戻すための還流装置（５）を有する装置。