JPS5858079B2 - Cellulose saccharification method - Google Patents

Cellulose saccharification method

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JPS5858079B2
JPS5858079B2 JP19986381A JP19986381A JPS5858079B2 JP S5858079 B2 JPS5858079 B2 JP S5858079B2 JP 19986381 A JP19986381 A JP 19986381A JP 19986381 A JP19986381 A JP 19986381A JP S5858079 B2 JPS5858079 B2 JP S5858079B2
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JP
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cellulose
cellulase
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foaming
sugar
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義幸 高崎
安 三石
倫 山辺
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はセルロース含有物からセルラーゼにより糖を製
造するためのセルロース含有物の処理方法に関するもの
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for treating a cellulose-containing material to produce sugar from the cellulose-containing material using cellulase.

代替燃料としてのアリコールの生産と食糧資源の確保の
ために、セルロースを糖化してブドウ糖を製造しようと
する研究が、近年、盛んに行なわれるようになった。
In recent years, research has been actively conducted to produce glucose by saccharifying cellulose in order to produce alcohols as an alternative fuel and to secure food resources.

セルロースは天然では、リグニン、ヘミセルロースと強
固に結合して存在しているため、そのままではセルラー
ゼによる分解を受けにくい。
In nature, cellulose exists tightly bound to lignin and hemicellulose, so it is difficult to be degraded by cellulases as it is.

このため、セルラーゼによる分解を受けやすくするため
、リグニン、ヘミセルロースの除去やセルロースの結晶
構造を破壊する種々の方法が考案されてきた。
Therefore, various methods have been devised to remove lignin and hemicellulose or to destroy the crystal structure of cellulose in order to make it more susceptible to decomposition by cellulase.

例えば、セルロース含有物を酸またはアルカリで脱リグ
ニン、脱ヘミセルロースすると共に、セルロースの結晶
構造を破壊する化学的方法やセルラーゼによる分解がで
きるようになるまで微粉砕する物理的方法などが知られ
ている。
For example, chemical methods that delignify and dehemicellulose cellulose-containing materials with acids or alkalis, destroy the crystal structure of cellulose, and physical methods that pulverize cells until they can be decomposed by cellulase are known. .

本発明者は、セルロース含有物からセルラーゼにより糖
質を製造することを目的として、セルロース含有物の前
処理方法について種々検討してきた結果、セルロース含
有物を発泡剤の存在下で発泡温度に加熱処理すると、セ
ルラーゼによる糖化性が著しく改善されること、且つ、
グルコース含有割合の高い糖化物が得られることがわか
り、本発明を完成するに至った。
The present inventor has conducted various studies on pretreatment methods for cellulose-containing materials with the aim of producing carbohydrates from cellulose-containing materials using cellulase. As a result, the present inventors have discovered that cellulose-containing materials are heated to a foaming temperature in the presence of a foaming agent. Then, the saccharification by cellulase is significantly improved, and
It was found that a saccharified product with a high glucose content can be obtained, and the present invention was completed.

すなわち、本発明の方法によるセルロース含有物の前処
理方法は、pHが弱酸性〜弱アルカリ性の比較的緩和な
条件で行われるため、ヘミセルロースやリグニンの分解
、抽出が少ない。
That is, since the pretreatment method for cellulose-containing materials according to the method of the present invention is carried out under relatively mild conditions where the pH is weakly acidic to weakly alkaline, there is little decomposition and extraction of hemicellulose and lignin.

従って、本発明による処理物をセルラーゼで糖化するこ
とにより得られる糖は、従来、苛性ソーダや酸を使用し
強アリカリ性又は強酸性下で処理していた場合に比べ、
糖化物中のグリコースの含有割合が多い。
Therefore, the sugar obtained by saccharifying the processed product according to the present invention with cellulase is lower than that obtained by conventionally processing using caustic soda or acid under strongly alkaline or strongly acidic conditions.
The content of glycose in the saccharide is high.

すなわち、キシロースなどヘミセルロースから派生する
構成糖の混在割合を低く抑えることができることがわか
ったのである。
In other words, it was found that the proportion of constituent sugars derived from hemicellulose such as xylose can be kept low.

本発明はこのような知見にもとすいてなされたものであ
る。
The present invention has been made based on this knowledge.

すなわち、本発明はセルロース含有物をセルラーゼで糖
化して糖を製造するに際し、該セルロース含有物を発泡
剤の存在下で発泡温度に加熱処理することを特徴とする
セルロース含有物の処理方法に関するものである。
That is, the present invention relates to a method for treating a cellulose-containing material, which comprises heating the cellulose-containing material to a foaming temperature in the presence of a foaming agent when producing sugar by saccharifying the cellulose-containing material with cellulase. It is.

本発明を適用できるセルロース含有物とは、木質系又は
非木質系(草木類)の植物体又はその派生物であって、
例えば、稲ワラ、麦ワラ、モミガラ、バガスなどの農産
廃棄物、そしてナビャ、コゴンなどの雑草類、木材、パ
ルプ、古紙、センイ性廃棄物などが挙げられる。
Cellulose-containing substances to which the present invention can be applied are woody or non-woody (plants) plants or derivatives thereof,
Examples include agricultural waste such as rice straw, wheat straw, rice husk, and bagasse, weeds such as navy and cogon, wood, pulp, waste paper, and senile waste.

これらは完全に脱リグニンされたものである必要はない
が、セルロース含有物の種類によっては、軽度の化学処
理あるいは、発泡剤の浸透が可能である程度に粉砕され
たものであることが望ましい。
These do not need to be completely delignified, but depending on the type of cellulose-containing material, it is desirable that they be lightly chemically treated or pulverized to the extent that they can be penetrated by a blowing agent.

また、発泡剤の浸透性をよくするため、セルロース含有
物は含水量を50%以下、望ましくは20%以下に乾燥
されたものが望ましい。
Further, in order to improve the permeability of the blowing agent, the cellulose-containing material is desirably dried to a water content of 50% or less, preferably 20% or less.

本発明で使用する発泡剤とは、例えば、無機系のものと
しては、重炭酸ナトリウムや炭酸アンモニウム、あるい
はこれらを含むものが挙げられ、有機系の発泡剤として
は、例えば、スルホヒドラジド系の発泡剤として、ベン
ゼンスルホニルヒドラジド(BSH)、P−トルエンス
ルホニルヒドラジド(TSH)、P−P’−オキシベン
ゼンスルホニルヒドラジドなどが挙げられ、ニトロソ系
発泡剤としては、ジニトロソペンタメチレンテトラミン
(DPT又はDNPT)、N、N’−ジメチルN、N’
ジニトロソテレフタールアミド等が挙げられ、アブ系発
泡剤としては、アゾビスイソブチロニトリル(ABN)
、アブジカルボンアミド(AC)などを挙げることがで
きるが、特に、水溶性又はアルコールなど有機溶剤に溶
性のものが望ましい。
The blowing agents used in the present invention include, for example, inorganic ones such as sodium bicarbonate, ammonium carbonate, or those containing these, and examples of organic blowing agents such as sulfohydrazide foaming agents. Examples of the blowing agent include benzenesulfonylhydrazide (BSH), P-toluenesulfonylhydrazide (TSH), and P-P'-oxybenzenesulfonylhydrazide, and examples of the nitroso blowing agent include dinitrosopentamethylenetetramine (DPT or DNPT). , N, N'-dimethyl N, N'
Examples include dinitrosoterephthalamide, etc. Ab-based blowing agents include azobisisobutyronitrile (ABN).
, abdicarbonamide (AC), etc., but those that are water-soluble or soluble in organic solvents such as alcohol are particularly desirable.

発泡剤は水又は有機溶剤に溶解させるか、あるいは乳化
懸濁させてのち、セルロース含有物に浸漬、浸透させる
The blowing agent is dissolved in water or an organic solvent, or is emulsified and suspended, and then immersed in and permeated into the cellulose-containing material.

発泡剤は発泡温度に加熱されたとき、炭酸ガス、窒素ガ
ス、一酸化炭素ガスなどを発生し、この発生時の圧力に
よりセルロース含有物の組織が、セルラーゼが反応しや
すいように処理される。
When the foaming agent is heated to the foaming temperature, it generates carbon dioxide gas, nitrogen gas, carbon monoxide gas, etc., and the pressure generated during this generation treats the structure of the cellulose-containing material so that cellulase is more likely to react with it.

発泡温度は、発泡剤の種類によってもことなるが、通常
50〜200℃にある。
The foaming temperature varies depending on the type of foaming agent, but is usually 50 to 200°C.

しかし、尿素、有機酸や金属塩を存在させて発泡温度を
低下させることができ、通常50〜150℃で行われる
However, the foaming temperature can be lowered by the presence of urea, an organic acid, or a metal salt, and is usually carried out at a temperature of 50 to 150°C.

発泡剤をセルラーゼ含有物に浸透させるに際して、各種
表面活性剤を使用すると、発泡剤の浸透性がよくなり、
従って、短時間に浸透させることができる。
Using various surfactants to infiltrate the foaming agent into the cellulase-containing material improves the permeability of the foaming agent.
Therefore, it can be penetrated in a short time.

且つ、表面活性剤により、その後のセルラーゼによる反
応性も向上する。
In addition, the surfactant also improves the subsequent reactivity with cellulase.

表面活性剤としては、特に、ポリエチレングリコールの
誘導体、例えば、トリトンx−ioo1トリトンX−4
05(いずれもアメリカ ローム・アンド・ハース社製
、ポリオキシエチレングリコール P−インオクチルフ
ェニルエーテルの商品名)、ツイーン20(ポリオキシ
エチレン(2町ノルビタン モノラウレート)、ツイー
ン40(ポリオキシエチレン(20)ソルビタン モノ
パルミテート)、ツイーン60(ポリオキシエチレン(
20)ソルビタンモノステアレート)、ツイーン80(
ポリオキシエチレン(20)ソルビタン モノオレエー
ト)、ツイーン85(ポリオキシエチレン(20)ソル
ビタン トリオレエート)(以上、いずれもアメリカ、
アトラスパウダー社製非イオン表面活性剤)が使用され
、これら表面活性剤は、通常、0.01〜1%程度使用
される。
As surfactants, in particular derivatives of polyethylene glycol, such as Triton x-ioo1 Triton X-4
05 (all manufactured by Rohm and Haas, USA, trade name of polyoxyethylene glycol P-inoctylphenyl ether), Tween 20 (polyoxyethylene (2-cho norbitan monolaurate), Tween 40 (polyoxyethylene (2-cho norbitan monolaurate)), 20) Sorbitan monopalmitate), Tween 60 (polyoxyethylene (
20) Sorbitan monostearate), Tween 80 (
polyoxyethylene (20) sorbitan monooleate), Tween 85 (polyoxyethylene (20) sorbitan trioleate) (all of the above are American,
A nonionic surfactant manufactured by Atlas Powder Co., Ltd.) is used, and these surfactants are usually used in an amount of about 0.01 to 1%.

セルロース含有物の発泡剤による処理は、通常発泡剤の
溶液又は乳化懸濁液にセルロース含有物を浸漬させて、
組織内部までよく浸透させてのち、このま\発泡温度に
加熱する回分式方法によっても行うことができるが、押
出射出式の連続加熱発泡処理装置を使用すれば、大量の
セルロース含有物の処理が可能であるばかりでなく、セ
ルロース含有物を短時間に、且つ急激に発泡温度に到達
させることができるため、組織の破壊効果が著しい。
Treatment of cellulose-containing materials with a blowing agent usually involves immersing the cellulose-containing material in a solution or emulsified suspension of the blowing agent.
It can also be carried out by a batch method in which the cellulose-containing material is thoroughly penetrated into the tissue and then heated to the foaming temperature, but if an extrusion type continuous heating foaming treatment device is used, a large amount of cellulose-containing materials can be treated. Not only is this possible, but the cellulose-containing material can reach the foaming temperature rapidly and in a short period of time, resulting in a remarkable tissue destruction effect.

従って、セルラーゼによる分解性の優れた処理物を得る
ことができる。
Therefore, it is possible to obtain a treated product that is highly degradable by cellulase.

セルロース含有物を発泡剤で処理後、そのま\セルラー
ゼにより糖化してもよいが、処理物を、水アルカリ性液
又はアルコールなどで洗滌後便用すれば夾雑物の少ない
糖化液を得ることができる。
After treating a cellulose-containing material with a foaming agent, it may be directly saccharified with cellulase, but a saccharified solution with fewer impurities can be obtained by washing the treated material with an aqueous alkaline solution or alcohol, and then using it. .

次に実施例により本発明の詳細な説明する。Next, the present invention will be explained in detail with reference to Examples.

実施例 1 バガス(0,5m 7m )各50mgを、蒸溜水1
rnlO15%重炭酸ナトリウム液0.5TLl又は1
%重炭酸ナトリウム液1mlに入れ、それぞれに、トリ
トンX−405を0.1%量添加して、充分に浸透させ
たのち、120℃で20分間加熱した。
Example 1 50 mg each of bagasse (0.5 m 7 m ) was added to 1 liter of distilled water.
rnlO 15% sodium bicarbonate solution 0.5 TLl or 1
% sodium bicarbonate solution, 0.1% amount of Triton

この処理物を冷却後、0.2M酢酸緩衝液0.5 ru
lを加え、pH約5 ニ調iし、トリコデルマ属のセル
ラーゼ酵素剤(ヤクルト生化学株式会社製造販売、セル
ラーゼ、オノズカR−10)とアスペルギルス属のセル
ラーゼ酵素剤(ナガセ生化学製造販売)の、それぞれ5
:1の混合酵素液12単位を添加し、全量を21rLl
として、45℃で反応させた。
After cooling this treated material, add 0.5 ru of 0.2M acetate buffer.
1, adjust the pH to about 5, and add Trichoderma cellulase enzyme preparation (manufactured and sold by Yakult Biochemical Co., Ltd., Cellulase, Onozuka R-10) and Aspergillus cellulase enzyme preparation (manufactured and sold by Nagase Biochemical Co., Ltd.). 5 each
: Add 12 units of mixed enzyme solution of 1 to bring the total volume to 21 rLl.
The reaction was carried out at 45°C.

糖化終了後、濾過した上澄液について、還元糖をソモギ
ーネルソン法により、可溶性糖(全糖)をフエノール硫
酸法により、そして、グルコース量をグルコースオキシ
ダーゼ法により定量した。
After the completion of saccharification, the filtered supernatant was quantified for reducing sugars by the Somogyy-Nelson method, soluble sugars (total sugars) by the phenol sulfuric acid method, and glucose amount by the glucose oxidase method.

得られた結果を第1表に示す。The results obtained are shown in Table 1.

表から明らかなように、バガスを重炭酸ナトリウムで処
理することにより、可溶性糖として約50〜約60%の
収量で回収することができた。
As is clear from the table, by treating bagasse with sodium bicarbonate, it was possible to recover soluble sugars with a yield of about 50 to about 60%.

実施例 2 バガス(0,5m/m )各5077fを、蒸溜水1m
l又は1%のP−トルエンスルホニルヒドラジド(TS
H)1mに入れ、それぞれにトリトンX−405を0.
1%量添加し、充分浸透させたのち、オートクレーブ中
で120℃で20分間加熱処理した。
Example 2 5077f each of bagasse (0.5m/m2) and 1m of distilled water
l or 1% P-toluenesulfonyl hydrazide (TS
H) Place 0.1 m of Triton X-405 in each.
After adding 1% amount and allowing sufficient penetration, heat treatment was performed at 120° C. for 20 minutes in an autoclave.

処理物を冷却後、0.2M酢酸緩衝液0.5−を加えp
Hを約5に調整し、実施例1で使用したと同じ酵素液を
加え、45℃で反応させた。
After cooling the treated material, add 0.2M acetate buffer 0.5-p
H was adjusted to about 5, the same enzyme solution used in Example 1 was added, and the reaction was carried out at 45°C.

反応後、濾過した上澄液について、還元糖、全糖とグル
コース量を定量した。
After the reaction, the reducing sugar, total sugar, and glucose amounts of the filtered supernatant were determined.

得られた結果を第2表に示す。The results obtained are shown in Table 2.

表から明らかなように、TSHの存在下で処理すること
により、還元糖、可溶性糖、グルコースのいずれの生成
量も顕著に増加した。
As is clear from the table, by treatment in the presence of TSH, the production amounts of reducing sugars, soluble sugars, and glucose significantly increased.

実施例 3 バガス(約0.5m/m)500m&に、1%P− トルエンスルホニルヒドラジド(TSH)5mlと1%
トリトンX −4050,5mlを入れ、よく浸透させ
て後、乾熱米中で120℃で30分間加熱処理、乾燥さ
せた、このもの50■について、実施例1と同様にして
セルラーゼで糖化した。
Example 3 To 500 m of bagasse (approximately 0.5 m/m), 5 ml of 1% P-toluenesulfonyl hydrazide (TSH) and 1%
5 ml of Triton

得られた結果を第3表に示す。The results obtained are shown in Table 3.

表から明らかなように、TSHで処理したものは未処理
のものに比べ、還元糖、可溶性糖及びグルコースのいず
れも著しく増加した。
As is clear from the table, reducing sugars, soluble sugars, and glucose all increased significantly in the TSH-treated samples compared to the untreated samples.

実施例 4 実施例1において、重炭酸ナトリウムの代りに1%、2
.5%又は5%の炭酸アンモニウムを使用して同様に加
熱処理を行ったのち、セルラーゼで45℃で2日間糖化
した。
Example 4 In Example 1, instead of sodium bicarbonate, 1%, 2
.. After heat treatment was performed in the same manner using 5% or 5% ammonium carbonate, the mixture was saccharified with cellulase at 45° C. for 2 days.

糖化後、済過した液について還元糖、可溶性糖を定量し
た。
After saccharification, reducing sugars and soluble sugars were quantified in the filtrate.

得られた結果を第4表に示す。The results obtained are shown in Table 4.

炭酸アンモニウムの存在下で加熱処理することにより、
30〜40%程度糖の収量が増加した。
By heat treatment in the presence of ammonium carbonate,
The yield of sugar increased by about 30-40%.

実施例 5 実施例1において、バガスの代りに約0.5 m 7m
に粉砕したワラ各50即を使用し、1%重炭酸ナトIJ
ウムで処理した。
Example 5 In Example 1, instead of bagasse, about 0.5 m 7 m
Using 50 pieces of crushed straw, 1% sodium bicarbonate IJ
treated with um.

得られた結果を第5表に示す。The results obtained are shown in Table 5.

実施例 6 実施例1において、バガスの代りにリグニンを約5%含
むNKPパルプ(ダグラスファー)ヲ使用し丸得られた
結果を第6表に示す。
Example 6 Table 6 shows the results obtained by using NKP pulp (Douglas fir) containing about 5% lignin in place of bagasse in Example 1.

表から明らかなように、炭酸アンモニウム又は重炭酸ナ
トリウムで加熱処理することにより、還元糖、可溶性糖
のいずれも著しく増加した。
As is clear from the table, both reducing sugar and soluble sugar significantly increased by heat treatment with ammonium carbonate or sodium bicarbonate.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 セルロース含有物をセルラーゼで糖化して糖を製造
するに際し、該セルロース含有物を発泡剤の存在下で発
泡温度に加熱処理することを特徴とするセルロース含有
物の処理方法。
1. A method for treating a cellulose-containing material, which comprises heating the cellulose-containing material to a foaming temperature in the presence of a foaming agent when producing sugar by saccharifying the cellulose-containing material with cellulase.
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