JPS5898093A - セルロ−ス材料の糖化の前処理法 - Google Patents

セルロ−ス材料の糖化の前処理法

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JPS5898093A
JPS5898093A JP19709481A JP19709481A JPS5898093A JP S5898093 A JPS5898093 A JP S5898093A JP 19709481 A JP19709481 A JP 19709481A JP 19709481 A JP19709481 A JP 19709481A JP S5898093 A JPS5898093 A JP S5898093A
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JP
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oxygen
bagasse
pretreatment
cellulose
cellulosic material
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JP19709481A
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Jisuke Hayashi
林 治助
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/02Monosaccharides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/14Preparation of compounds containing saccharide radicals produced by the action of a carbohydrase (EC 3.2.x), e.g. by alpha-amylase, e.g. by cellulase, hemicellulase
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P2201/00Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis

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】 本発明はセルロース材料を酵素糖化する際の前処理法に
関するものである、 石油ショックを機にエネルギーおよび合成化学原料源の
多角化が進められているが、その一つとして木材や貴産
物またはこれらの廃物を麿化し、更にこれをアルコール
発酵させて燃料や合成化学原料を得る方法が世界的に開
発されつツアル。これらセルロース性バ、イオマスの酵
素による糖化け、化学的糖化に較べ低温で反応が進み、
二次的分解や副成物を殆んど生じない反面、反応速度や
分解率が低く何等かの前処理を必要とする。従って安価
で有効な前処理法の開発が酵素糖化プロセスの工業化へ
の鍵を握っている。
セルロース性バイオマスの酵素糖化において分解を阻害
する亀のは、原料中に含まれるリグニンの存在と、酵素
の進入を防げるセルロースの結晶構造だといわれている
。この観点に立ってずでに多くの前処理法が提案、報告
されて来た。たとえば木材を亜塩素酸で処理し脱リグニ
ンを行なうと50〜60%以上の脱リグニン段階から脱
すグニン度に比例的に酵素分解が進むと報告されている
。その他1%NaOH処理とこれに続く過酢酸処理、S
o!処理、通常の゛化学パルプ化法、塩酸を触媒とする
メタノール−水溶液処理、オゾン処理などによる脱リグ
ニン法が報告されている。しかしこれらはいずれもコス
ト的に高すぎで実用性がないか、S02処理のように比
較的低コストの方法では酵素−化分解率がせいぜい60
%と効果が低い。オゾン処理線条件にもよるが分解率は
80〜50%に過ぎない。また構造の破壊または弛緩を
目的とした方法も多数報告がある。ポールミ°ルによる
微粉砕化は結晶化度の減少に比例して酵素分解率は向上
するが、多糖類の70%以上を糖化するにはlO〜80
mμの粒子に!で粉砕する必要があシ粉砕エネルギーが
あまりにもか\シすぎる。
r線照射法も分解率の向上が得られるには少なくとも6
 X 10’radは必要であシ、コスト的にも大量処
理の上からも問題がある。木材を240″′C近辺、約
40気圧の水蒸気で処理し、急速に大気圧に放出爆砕す
る方法もある。この方法による酵素分解率の向上は著し
いが高圧装置と多量の熱エネルギーを必要とする。Na
OHやNH4OHによる膨潤処理も十分な効果を得るに
はかなりの高濃度を必要とし、コスト的に無理がある。
白色腐朽菌による脱リグニンも実用化には種々の困難が
ある。
とのよ、うな現況に鑑み鋭意実用性のある有効な前処理
法を探索した結果、アルカリ媒質下で酸素酸化を行なう
前処理法を見出した。すなわち、本発明の目的は、セル
ロース材料のリグニン除去能力がすぐれている実用性の
ある酵素糖化の前処理法を提供することにある。
本発明のセルロース材料の酵素糖化の前処理法は、リグ
ニンを含有するセルロース材料をアルカリ溶液で接触せ
しめ、該材料を酸素もしくは空気の存在下、加熱下で酸
化処理を施すことを特徴とする。
本発明に供せられるセルロース材料は、特に限定はしな
いがリグニン40%以下含有するものが適当であり、た
とえば、バガス、稲わら、麦わらなどの禾本科植物が特
に有効なものとしてあげられる。その他、故紙、チモシ
ー・竹、木材などの材料も使用できる。
アルカリ溶液は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、
炭酸ナトリウム、アンモニウム、などの溶液であり、通
常水溶液が使用され、その濃度は10%以下である。
酸化処理を施す方法としては、(&)アルカリ溶液で濡
れたセルロース材料を空気もしくは酸素の常圧下もしく
は加圧下に置いて加熱する方法。
(b)セルロース材料をアルカリ溶液に浸漬し、皺液に
酸素もしくは空気を吹き込む方法などがある。加圧は特
に限定しないが通常1G#/dG以下であり、温度は1
60°C以下、好ましくは140〜40℃、より好まし
くは120℃〜70°Cである。処理するセルロース材
料は、酸化処理中は常に濡れた状態がよく、上記(&)
の方法の場合は、酸化処理系内に常に水蒸気がある状態
であるのが好ましい。
本発明の処理法では、セルロース材料に対して2.0〜
6.0%の比較的少量のアルカリ、常圧より6#/d程
度の低圧の酸素または空気、60〜120℃の比較的低
温で1時間酸化することによ〕酵素分解率を80〜96
%にすることができる。バガスについて具体例をあげれ
ば、バガスに対して5.0%のNaOH,5#/dの酸
素・ 80℃、1時間の酸化で酵素仕事率は原料におけ
る19.8%から94.8%へ向上する。
このような比較的弱い条件でのat素酸酸化は脱リグニ
ンは不十分で、単繊維への解離すなわちパルプ化も起ら
ず、多くの場合原料形態は酸化後も殆んどそのま\維持
されている。それにもかかわらず酵素分解に対しては十
分な効果を示すようになる。
リグニンはセルロースおよびヘミセルロースの膠着物質
として、物理的に酵素の進入を阻害しているために有害
であって、化学物質として酵素分解に有害性を示すもの
ではない。このことは純セルロースに別に単離したリグ
ニンおよびリグニン誘導体を機械的に混合して酵素分解
を行なっても、分解率はセルロース単独の場合と全く変
らないことから実験的に確められた。
リグニンは細胞間のみならずセルロース層本体である二
次膜中にも多量に存在している。このリグニンが多量に
溶出する時は大きなサイズを持つ酵素が進入できるよう
な多孔構造が生じ、これが酵素分解を上げることになる
。したがって脱リグニンそのものが重要なのではなく、
多孔構造を発達させるような脱リグニン法が重要である
。事実通常の化学蒸解により殆んど完全に脱リグニンを
行った木材パルプの酵素分解率は、25〜40%程度で
高くない。本発明の場合は75%の脱リグニン率で87
%の酵素分解率を得ることができる。
ま九本発明の前処理では、セルロースの結晶化度は殆ん
ど変化しない。それにもか\わらず酵素分解率は著しく
向上する。一般にセルロース物質の反応は反応試薬の浸
透律速である。いわゆる非晶領域も強い分子間水素結合
を形成しているので、適当な前処理剤であらかじめ非晶
領域の水素結合を緩和しておかないと反応試薬はこの非
晶領域にさえ容易には浸透できずフィブリルあるいはそ
れ以上の大きな構造単位の表面から反応を開始すること
になる。この場合反応表面積は著しく小さく、浸透すべ
き内部へのパスは非常に長くなシ反応速度は低下する。
有効な前処理があれに試薬はすぐに 200X40X40人1根度のセルロース微結晶表面に
到達E7、微結晶表面からの不均一反応になる。この場
合反応表面積は著しく増し、何よシも反応パスが極めて
短くなるため、局所的反応速度は結晶域の方が非晶域の
場合よりおそくても、全体としての速度は前処理によっ
て著しく向上する結果となる。
酵素分解の場合もこれと同じことがいえるものと考えら
れ、酸累酸化によって効果的な多孔構造が生じ、酵素が
微結晶表面に到達できるようにすれは、微結晶そのもの
の非晶化までは必要ないものと思われる。多孔構造が発
達し酵素の進入が容易になってiる限す、外見的KJi
料と変らぬ繊維結束状態を保っていても、細片または粒
子化されていなくても酵素分解には殆んど影響ないこと
がいえる。
ある。
酸化収率 脱リグニン率 氷解率 基質濃度 酵素濃度 酵素糖化液Cd> 実施例A バガス(沖縄量、リグニン22−8%含有、未ふるい)
1(lを0.8〜7.0%の水酸化ナトリウム水溶液1
000s/中に室温で1時間浸漬して後、これをしぼっ
て濡れたバガス80fとする。このバガスをよくほぐし
てガーゼを敷いた皿に入れ、この皿を、底に約100−
の水を入れであるたて型加圧反応器(内容積41)の中
間部に置き、密封した後、5#/dGまで酸素加圧する
。その後加熱して80分で所定の温度として後、一時間
放置して、酸化処理を施し九。
処理後、バガス、を水洗、乾燥、酸化処理を施したバガ
ス(以下酸化バガスと略す)を得、この酸化収率とリグ
ニン除去率を測定した。その結果を表IK示す。酸化バ
ガスの基質濃度を6%とし、酵素(近畿ヤクルト製セル
ロースオノズカ)濃度を0.6%とし、クエン酸緩衝液
でpHをbに調節した酵素糖化液を使用した。これで5
0°Cで60時間の振とうを行ない氷解率を求めた。そ
の結果を表1に示す。
表 1 (そのl) 表 1 (その2) 表 1 (その3) 比較例A 実施例Aに使用したバガスを酸化処理を施さなかった場
合の氷解率は19.8%であった。
表1の結果から酵素分解の前処理として有効な酸素酸化
条件は対バガスアルカリ濃度として0.6〜10%(ア
ルカリ液濃度0.8〜・5%)温度として室温よfi1
40℃であシ、よシ好ましくは60〜120℃の酸化で
バガスに対するアルカリ濃度として2〜7%、室温から
60℃までの低温酸化で、対バガスアルカリ濃度5−1
0%であるといえる。
実施例B 実施例Aに用いたバガス10Fを1時間室温で水中に浸
漬し九後、これをしぼって20Fとし、これをほぐした
後所定濃度の水酸化ナトリウム水溶液10fをふ夛かけ
て1時間室温で放置して、濡れたバガスとする。以下は
実施例Aと同じ方法で、温度120℃で酸化処理を行な
い酸化バガスを得た。その結果を表2に示す。
表  2 *噴霧状 実施例C 51M!障例BのRun 46 において、水酸化ナト
リワム水溶箪のふヤかけを噴霧状で行ない、また、放置
時間を一2時間とり以外は、同様に行なつ九。結果を表
2のRun C−1に示す。
実施例り 実施例Aにおいて、水酸化ナトリウム2.6%水溶液を
用いた場合について、他の条件をかえることなく、圧力
条件をかえて、80”Cと120℃で酸化処理を行ない
酸化バガスを得た。その結果を表8に示す。
表8の結果から、酸素初圧はゲージ圧でlo#/d以下
であり、最も好ましくはb幻/d前後といえる。
/ / 表  8 林空気 実施例E 実施例Aにおいて、2.0および8.0%水酸化ナトリ
ウムの代りに、2.0および8.0%の水酸化カリウム
もしくは炭酸ナトリウムを用い、温[80°Cまたは1
20”Cとする以外は、実施ガAと同様に酸化処理を行
なった。その結果を表4に示す。
表  4 実施例F、比較例 実施例AKおけるバガスの代シに稲わら、チモシー、お
よび脱墨新聞古紙を用いて、温度120″C1水酸化ナ
トリウム水溶液濃度は1〜8%で同様に酸化処理を行つ
fc。その結果を表5に示す。
酸化しない場合の結果を同じく表5に比較例として示し
た。
/ / 表  5 実施例G”’− バガス101を所定濃度の水酸化ナトリクム水溶液80
0 we中に入れ、空気または酸素t11/分の割合で
液中に送入しながら、100℃で1時間酸化処理を行っ
た。その結果を表6に示す。
表  6 以上

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)リグニンを含有するセルロース材料をアルカリ溶
    液で接触せしめ、該材料を酸素もしくは空気の存在下、
    加熱下で酸化処理を施すことを特徴とするセルロース材
    料の酵素糖化の前処理法。
  2. (2)セルロース材料100重量部に対して、アルカリ
    0.6〜10重量部を水溶液で接触させた後、濡れたセ
    ルロース材料を使用し0〜1゜kg/dGの圧力下で行
    う特許請求の範囲第(1)項記載の前処理法。
  3. (3)セルロース材料を0.5〜10%アルカリ水溶液
    中に浸漬し・該液に酸素もしくは空気を送入する特許請
    求の範囲第(1)項記載の前処理法。
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