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JP2012044880A - Method for saccharifying cellulose - Google Patents

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JP2012044880A
JP2012044880A JP2010187278A JP2010187278A JP2012044880A JP 2012044880 A JP2012044880 A JP 2012044880A JP 2010187278 A JP2010187278 A JP 2010187278A JP 2010187278 A JP2010187278 A JP 2010187278A JP 2012044880 A JP2012044880 A JP 2012044880A
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treatment
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water
saccharification
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JP2010187278A
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Kazuyoshi Iwane
和良 岩根
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Sekisui Chemical Co Ltd
Original Assignee
Sekisui Chemical Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for saccharifying cellulose which is capable of increasing a conversion ratio of the cellulose, yield of the saccharides and selectivity of the saccharides, and further, enhancing content ratio of glucose in the saccharides, while suppressing excessive decomposition of the saccharides due to a pressurized hydrothermal treatment.SOLUTION: The method of saccharifying cellulose by hydrolyzation includes: performing an alkali treatment of bringing a cellulose-containing material into contact with an alkaline solution; bringing the cellulose-containing material into contact with an aqueous solvent after cleaning the cellulose-containing material with water and/or an acid solution; applying a heating treatment and pressurizing treatment to the mixture; and obtaining an aqueous solution containing water-soluble oligosaccharide or glucose.

Description

本発明は、セルロース糖化方法に関する。より詳しくは、バイオマスとして有望なセルロース系多糖類を加水分解することにより、過分解物をほとんど生成させずにセルロースを糖化する方法に関する。   The present invention relates to a cellulose saccharification method. More specifically, the present invention relates to a method for saccharifying cellulose by hardly hydrolyzing a cellulosic polysaccharide that is promising as biomass and generating almost no excessively decomposed product.

近年、エタノールやポリ乳酸等の有用物質を製造するための原料として、木質系バイオマスを糖化することにより得られる糖類が注目を集めている。木質系バイオマスに含まれるセルロースは、1000個以上のグルコースがβ−グリコシド結合でつながった多糖類である。セルロースを加水分解することにより、単糖であるグルコースのほか、グルコースが2〜6個つながった水溶性のオリゴ糖類(セロオリゴ糖)を得ることができる。これらの水溶性糖類の中でもグルコースは、微生物を用いた発酵法によるエタノールや乳酸の生産に有用であることから、セルロースからグルコースを効率よく製造できる糖化技術が望まれている。   In recent years, saccharides obtained by saccharifying woody biomass have attracted attention as raw materials for producing useful substances such as ethanol and polylactic acid. Cellulose contained in woody biomass is a polysaccharide in which 1000 or more glucoses are connected by β-glycoside bonds. By hydrolyzing cellulose, in addition to glucose, which is a monosaccharide, water-soluble oligosaccharides (cellooligosaccharides) in which 2 to 6 glucoses are connected can be obtained. Among these water-soluble saccharides, glucose is useful for production of ethanol and lactic acid by fermentation using microorganisms, and therefore, a saccharification technique capable of efficiently producing glucose from cellulose is desired.

セルロースを糖化する従来の方法としては、熱分解法、硫酸等を触媒とする酸触媒法(例えばアルケノール法)、酵素反応によって加水分解する酵素反応法、超臨界または亜臨界状態の水溶液で加水分解する加圧熱水法(例えば、特許文献1)等が知られている。
従来の熱分解法は、熱エネルギーによりセルロース分子鎖を切断する方法であり、セルロースを低分子化することが出来る。しかし、熱反応であるが故に反応の選択性が乏しく、グルコースの収率は低い。
酸触媒法は高濃度の硫酸でセルロースを加水分解処理した後に希硫酸で後処理をしてグルコースを得るものであるが、酸による設備腐食の問題と共に硫酸含有残渣処理・硫酸回収等の工程が必要となる。そのため、現在では実用性が低下している。
Conventional methods for saccharifying cellulose include thermal decomposition, acid catalysis using sulfuric acid as a catalyst (for example, alkenol method), enzymatic reaction using hydrolysis by enzymatic reaction, hydrolysis in supercritical or subcritical aqueous solution. A pressurized hot water method (for example, Patent Document 1) is known.
The conventional thermal decomposition method is a method of cleaving cellulose molecular chains with thermal energy, and can reduce the molecular weight of cellulose. However, since it is a thermal reaction, the selectivity of the reaction is poor and the yield of glucose is low.
In the acid catalyst method, cellulose is hydrolyzed with high-concentration sulfuric acid and then post-treated with dilute sulfuric acid to obtain glucose. However, there are processes such as sulfuric acid-containing residue treatment and sulfuric acid recovery along with the problem of equipment corrosion due to acid. Necessary. For this reason, practicality is currently reduced.

酵素反応法はセルラーゼと呼ばれるセルロース加水分解酵素により処理する方法であり、穏和な反応条件(室温〜50℃)で処理できることが特徴である。近年、国内外の多くのメーカーが遺伝子操作技術を駆使して新規なセルラーゼ開発に力を入れている。しかし、一般にセルラーゼ自身が高価であることに加え、原料である高分子量のセルロースをグルコースまで完全に加水分解してしまうには数日から1週間程度の長時間が必要であり、生産性に劣る。これは、セルロースが固体状態でありかつ結晶性であるが故にセルラーゼとの反応は固液反応となり反応速度が小さいためと考えられる。これらの理由から、セルロース原料から酵素反応法で得たグルコース溶液を、次いで発酵によりエタノール変換するルートはコスト面で大きな課題を抱えている。   The enzyme reaction method is a method of treating with cellulose hydrolase called cellulase, and is characterized by being able to be treated under mild reaction conditions (room temperature to 50 ° C.). In recent years, many domestic and overseas manufacturers have made efforts to develop new cellulases using gene manipulation technology. However, in general, cellulase itself is expensive, and it takes a long time of several days to one week to completely hydrolyze high molecular weight cellulose, which is a raw material, to glucose, resulting in poor productivity. . This is presumably because the reaction with cellulase becomes a solid-liquid reaction because the cellulose is in a solid state and is crystalline, and the reaction rate is low. For these reasons, a route for converting a glucose solution obtained from a cellulose raw material by an enzyme reaction method to ethanol by fermentation then has a significant problem in terms of cost.

これらに対し、超臨界水・亜臨界水の利用は下記の点で優位性がある。すなわち、亜臨界状態にある水はそのイオン積が増大しあたかも酸性水溶液として挙動することが知られている。従って、これを利用すれば酸触媒を添加しなくても効率よくしかも速やかにセルロースを加水分解する事が出来る。例えば上記特許文献1によると、超臨界水又は亜臨界水を用いることでセルロースからグルコースが20%以上の収率で得られる。さらに、温度・圧力条件を制御し微量の酸の添加により収率はある程度は向上する。しかし、加水分解条件をあまり高めすぎると生成したグルコースが熱分解反応し、収率が返って低下する。さらには、エタノール発酵工程の阻害物質であるフルフラール類の生成も増すことが知られている。   On the other hand, the use of supercritical water and subcritical water has the following advantages. That is, it is known that water in a subcritical state behaves as an acidic aqueous solution as its ionic product increases. Therefore, if this is used, cellulose can be efficiently and rapidly hydrolyzed without adding an acid catalyst. For example, according to Patent Document 1, glucose can be obtained from cellulose in a yield of 20% or more by using supercritical water or subcritical water. Furthermore, the yield is improved to some extent by controlling the temperature and pressure conditions and adding a small amount of acid. However, if the hydrolysis conditions are too high, the produced glucose undergoes a thermal decomposition reaction, and the yield decreases. Furthermore, it is known that the production of furfurals that are inhibitors of the ethanol fermentation process is also increased.

特許文献2には、上記2方法の長所を併せた方法が提案されている。すなわち、セルロースを超臨界水又は亜臨界水で一時的に可溶化し、反応物が溶液中に溶解している間にセルラーゼで加水分解処理を行なう方法である。これにより、最高収率で74.3%のグルコース生成が報告されている。しかし、本収率は酵素処理時間5日間(50℃)での実績であり、必ずしも酵素糖化時間の短縮には繋がっていない。また、前処理である超臨界水処理がスラリーの流通式であるという点と反応条件が320〜500℃で圧力が20〜50MPaと極めて厳しい条件であることを考えると、装置コストとエネルギーコストがかかると予想され、量産装置としては現実性がうすいと思われる。   Patent Document 2 proposes a method that combines the advantages of the above two methods. That is, this is a method in which cellulose is temporarily solubilized with supercritical water or subcritical water, and hydrolysis is performed with cellulase while the reaction product is dissolved in the solution. This reports the highest yield of 74.3% glucose production. However, this yield is a record of an enzyme treatment time of 5 days (50 ° C.) and does not necessarily lead to a reduction in enzyme saccharification time. Moreover, considering that the supercritical water treatment, which is a pretreatment, is a flow type of slurry, and that the reaction conditions are 320 to 500 ° C. and the pressure is 20 to 50 MPa, the equipment cost and energy cost are low. This is expected, and it seems that the reality is low as a mass production device.

このように、セルロースを加水分解してグルコースを得る従来の方法では、反応収率面、コスト面、製造設備面からの制約が大きく実用化に向けて抜本的な改善が求められて来た。   As described above, in the conventional method for obtaining glucose by hydrolyzing cellulose, restrictions on the reaction yield, cost, and production equipment are large, and drastic improvement has been demanded for practical use.

近年、セルロースの加水分解反応を酸化剤共存下で行なう試みが提案されている。
例えば、特許文献3では、セルロースを低分子化するために、まず酸化性物質を含む酸化水で50〜150℃で前処理し、その後に溶液を酸性に調整して100〜200℃の条件下で加水分解を行なう方法が示されている。これは、上記前処理によりセルロースの水酸基を部分的に酸化してセルロース鎖間の凝集力を弱めセルロースを可溶化する点にポイントがあり、この処理を施すことによりその後の希酸での加水分解が促進されるとしている。確かに、酸化剤を用いない系ではセルロースは0.9%しか可溶化されていないが、本法を用いると、最高で66.7%の可溶化率が達成されている。しかし、グルコース収率は最高でも30.3%と低く、実用レベルには至っていない。
In recent years, attempts have been made to conduct a hydrolysis reaction of cellulose in the presence of an oxidizing agent.
For example, in Patent Document 3, in order to lower the molecular weight of cellulose, first, pretreatment is performed at 50 to 150 ° C. with oxidized water containing an oxidizing substance, and then the solution is adjusted to be acidic and the conditions are 100 to 200 ° C. Shows how to perform the hydrolysis. This is because the hydroxyl group of cellulose is partially oxidized by the above pretreatment to weaken the cohesive force between the cellulose chains and solubilize the cellulose. By applying this treatment, subsequent hydrolysis with dilute acid Is going to be promoted. Certainly, only 0.9% of cellulose is solubilized in a system that does not use an oxidizing agent, but a maximum solubilization rate of 66.7% is achieved using this method. However, the glucose yield is as low as 30.3% at the maximum, and has not reached the practical level.

また、特許文献4では、セルロースなどの多糖類を金属塩等の酸化剤の存在下で加圧熱水と接触させることにより加水分解が促進され、速やかにオリゴ糖や単糖に変換出来ることが示されている。本法によると、反応温度250℃で結晶性セルロースからグルコースが30〜40%の収率で生成した。しかし、糖の過分解物であり発酵の阻害物質となる5−HMF(5−ヒドロキシメチルフルフラール)が5〜9%程度の収率で生成するという課題を有している。   Moreover, in patent document 4, hydrolysis is accelerated | stimulated by making polysaccharides, such as a cellulose, contact with pressurized hot water in presence of oxidizing agents, such as a metal salt, and it can convert rapidly into an oligosaccharide or a monosaccharide. It is shown. According to this method, glucose was produced from crystalline cellulose in a yield of 30 to 40% at a reaction temperature of 250 ° C. However, there is a problem that 5-HMF (5-hydroxymethylfurfural), which is a sugar decomposition product and an inhibitor of fermentation, is produced in a yield of about 5 to 9%.

特開平5−31000号公報JP-A-5-31000 特開2001−95594号公報JP 2001-95594 A 特開2006−320261号公報JP 2006-320261 A 特開2007−20555号公報JP 2007-20555 A

このように、前記従来方法の酵素反応法以外の糖化方法では、セルロースから糖類への転化が低く、転化された糖類におけるグルコース含量はさらに低いという問題がある。また、非水溶性凝集物や糖類の過分解物が副生成物として生成される問題がある。一方、酵素反応法では、酵素のコストの問題に加え、適切な前処理を用いないと酵素糖化に長時間かかるという本質的な課題を有す。前処理として超臨界水・亜臨界水処理を施せば最終的なグルコース収率は70%を超す例もあるが、前処理としての反応条件が厳しい上に装置上の工夫が必要であり製造コストが高くなるという問題がある。   Thus, in the saccharification methods other than the enzyme reaction method of the conventional method, there is a problem that the conversion from cellulose to saccharide is low and the glucose content in the converted saccharide is further low. In addition, there is a problem in that water-insoluble aggregates and saccharide hyperdegradation products are generated as by-products. On the other hand, in addition to the problem of enzyme cost, the enzyme reaction method has an essential problem that it takes a long time for enzyme saccharification unless an appropriate pretreatment is used. If supercritical water / subcritical water treatment is applied as a pretreatment, the final glucose yield may exceed 70%. However, the reaction conditions for pretreatment are severe and the device must be devised. There is a problem that becomes high.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、加圧熱水処理による糖類の過分解を抑制しつつ、セルロースの転化率、糖類の収率、及び糖類の選択率を高めることができ、さらに、該糖類におけるグルコース含有率を高めることができるセルロース糖化方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, while suppressing the excessive decomposition of saccharides by pressurized hot water treatment, it is possible to increase the conversion rate of cellulose, the yield of saccharides, and the selectivity of saccharides, Furthermore, it aims at providing the cellulose saccharification method which can raise the glucose content rate in this saccharide | sugar.

本発明の請求項1に記載のセルロース糖化方法は、セルロース含有物とアルカリ水溶液とを接触させるアルカリ処理を行い、該セルロース含有物を水及び/又は酸性水溶液で洗浄した後、該セルロース含有物と水系溶媒とを接触させ、加熱処理及び加圧処理して、水溶性オリゴ糖又はグルコースを含む水溶液を得ることを特徴とする。
本発明の請求項2に記載のセルロース糖化方法は、請求項1において、前記加熱処理が、100℃〜300℃の温度範囲であることを特徴とする。
本発明の請求項3に記載のセルロース糖化方法は、請求項1又は2において、前記加圧処理が、0.1MPa〜30MPaの圧力範囲であることを特徴とする。
本発明の請求項4に記載のセルロース糖化方法は、請求項1〜3のいずれか一項において、−10℃〜50℃の温度範囲で、0.1〜20Nの前記アルカリ水溶液に、前記セルロース含有物を、0.1〜120分の時間範囲で接触させることを特徴とする。
本発明の請求項5に記載のセルロース糖化方法は、請求項1〜4のいずれか一項において、前記セルロース含有物と前記水系溶媒とを接触させる操作、前記加熱処理及び加圧処理、並びに前記水溶性オリゴ糖又はグルコースを含む水溶液を得る操作を、同時・連続的に行うことを特徴とする。
本発明の請求項6に記載のセルロース糖化方法は、請求項1〜5のいずれか一項において、前記セルロース含有物中のセルロースが、綿又は紙を構成することを特徴とする。
本発明の請求項7に記載のセルロース糖化方法は、請求項1〜6のいずれか一項において、前記アルカリ処理を、糖化処理反応器内で行うことを特徴とするセルロース糖化方法。
本発明の請求項8に記載のセルロース糖化方法は、請求項1〜7のいずれか一項において、前記セルロース含有物をベルトコンベヤーに積載して運搬しながら、前記アルカリ処理、脱水処理、及び前記洗浄を行うことを特徴とする。
In the cellulose saccharification method according to claim 1 of the present invention, an alkali treatment in which a cellulose-containing material and an alkaline aqueous solution are brought into contact is performed, and the cellulose-containing material is washed with water and / or an acidic aqueous solution, An aqueous solution containing a water-soluble oligosaccharide or glucose is obtained by contacting with an aqueous solvent, heat treatment and pressure treatment.
The cellulose saccharification method according to claim 2 of the present invention is characterized in that, in claim 1, the heat treatment is in a temperature range of 100 ° C to 300 ° C.
The cellulose saccharification method according to claim 3 of the present invention is characterized in that, in claim 1 or 2, the pressure treatment is in a pressure range of 0.1 MPa to 30 MPa.
The cellulose saccharification method according to claim 4 of the present invention is the cellulose saccharification method according to any one of claims 1 to 3, wherein the cellulose aqueous solution is 0.1 to 20 N in a temperature range of -10 ° C to 50 ° C. The inclusion is contacted for a time range of 0.1 to 120 minutes.
The cellulose saccharification method according to a fifth aspect of the present invention is the method according to any one of the first to fourth aspects, in which the cellulose-containing material and the aqueous solvent are brought into contact with each other, the heat treatment and the pressure treatment, and the The operation for obtaining an aqueous solution containing a water-soluble oligosaccharide or glucose is carried out simultaneously and continuously.
The cellulose saccharification method according to claim 6 of the present invention is characterized in that, in any one of claims 1 to 5, cellulose in the cellulose-containing material constitutes cotton or paper.
The cellulose saccharification method according to claim 7 of the present invention is the cellulose saccharification method according to any one of claims 1 to 6, wherein the alkali treatment is performed in a saccharification treatment reactor.
The cellulose saccharification method according to claim 8 of the present invention is the cellulose saccharification method according to any one of claims 1 to 7, wherein the alkali treatment, the dehydration treatment, and the It is characterized by performing washing.

本発明のセルロース糖化方法によれば、加圧熱水処理による糖類の過分解を抑制しつつ、セルロースの転化率、糖類の収率、及び糖類の選択率を高めることができ、さらに、該糖類におけるグルコース含有率を高めることができる。得られた高純度のグルコースは、エタノール発酵や乳酸発酵等の原料として有用である。   According to the cellulose saccharification method of the present invention, it is possible to increase the conversion rate of cellulose, the yield of saccharides, and the selectivity of saccharides while suppressing the excessive decomposition of saccharides by pressurized hot water treatment. The glucose content in can be increased. The obtained high-purity glucose is useful as a raw material for ethanol fermentation or lactic acid fermentation.

本発明のセルロース糖化方法に用いることのできる装置の一例である。It is an example of the apparatus which can be used for the cellulose saccharification method of this invention. 本発明のセルロース糖化方法に用いることのできるベルトコンベヤーの模式図である。It is a schematic diagram of the belt conveyor which can be used for the cellulose saccharification method of this invention.

以下、本発明について詳しく説明する。
本発明のセルロース糖化方法は、セルロースを加水分解して糖化する方法であり、前処理ステップ、反応ステップ、の順に行われる。
前記前処理ステップでは、セルロース含有物(原料)とアルカリ水溶液とを接触させるアルカリ処理を行い、該セルロース含有物を水及び/又は酸性水溶液で洗浄する洗浄処理を行う。
前記反応ステップでは、前記前処理ステップを経たセルロース含有物と水系溶媒とを接触させ、加熱処理及び加圧処理して、水溶性オリゴ糖又はグルコースを含む水溶液を得る。
The present invention will be described in detail below.
The cellulose saccharification method of the present invention is a method of hydrolyzing cellulose to saccharify, and is performed in the order of a pretreatment step and a reaction step.
In the pretreatment step, an alkali treatment is performed in which the cellulose-containing material (raw material) is brought into contact with an alkaline aqueous solution, and a washing treatment is performed in which the cellulose-containing material is washed with water and / or an acidic aqueous solution.
In the reaction step, the cellulose-containing material that has undergone the pretreatment step and an aqueous solvent are brought into contact with each other, and heat treatment and pressure treatment are performed to obtain an aqueous solution containing a water-soluble oligosaccharide or glucose.

前記反応ステップにおいては、前記前処理ステップを経たセルロース含有物と前記水系溶媒とを接触させる操作(操作A)、加熱処理及び加圧処理(操作B)、水溶性オリゴ糖又はグルコースを含む水溶液を得る操作(操作C)の順に、必ずしも行わなければならないものではない。操作A、操作B、操作Cの順に行ってもよく、操作A、操作B、及び操作Cを同時・連続的に行ってもよい。   In the reaction step, an operation (operation A) for bringing the cellulose-containing material that has undergone the pretreatment step into contact with the aqueous solvent, a heat treatment and a pressure treatment (operation B), an aqueous solution containing a water-soluble oligosaccharide or glucose. The operations to be obtained (operation C) are not necessarily performed in this order. Operation A, operation B, and operation C may be performed in this order, and operation A, operation B, and operation C may be performed simultaneously and continuously.

本発明のセルロース糖化方法は、前記前処理ステップ及び前記反応ステップに含まれる以外の操作又は処理を有するものであってもよい。   The cellulose saccharification method of the present invention may have operations or treatments other than those included in the pretreatment step and the reaction step.

<前処理ステップ>
前記前処理ステップにおいて、前記セルロース含有物と前記アルカリ水溶液とを接触させる方法は特に制限されない。例えば、前記セルロース含有物を前記アルカリ水溶液に浸漬して接触させる方法を採用しても良いし、前記セルロース含有物を静置したところに、前記アルカリ水溶液を通液させて接触させても良い。
<Preprocessing step>
In the pretreatment step, the method for bringing the cellulose-containing material into contact with the alkaline aqueous solution is not particularly limited. For example, a method of immersing the cellulose-containing material in the alkaline aqueous solution and bringing the cellulose-containing material into contact may be adopted, or the cellulose-containing material may be left in contact with the alkaline aqueous solution.

本発明におけるセルロース含有物としては、本発明の効果が十分に得られることから、セルロース含有繊維が好ましく、綿を含有する繊維がより好ましい。
前記セルロース含有繊維としては、セルロースを含有する繊維状の物であれば特に限定されず、例えば、衣料品等の繊維として用いられている綿、麻(苧麻、亜麻、マニラ麻、ザイザル麻、ケナフ麻等)、テンセル、レーヨン、キュプラ等や、コピー紙や包装紙、段ボール等の紙製品等が好適なものとして挙げられる。また、前記衣料品等の繊維として、ポリエステル等の合成繊維やシルク等のセルロースを含有していない繊維と混紡された繊維であってもよい。
前記セルロース含有繊維の形態は特に制限されず、綿状、糸状、綱状、布状、平面・立体状等に加工されたものを用いることができる。
The cellulose-containing material in the present invention is preferably a cellulose-containing fiber and more preferably a fiber containing cotton because the effects of the present invention can be sufficiently obtained.
The cellulose-containing fiber is not particularly limited as long as it is a fibrous material containing cellulose. For example, cotton, hemp (linax, flax, manila hemp, zaiza hemp, kenaf hemp used as a fiber for clothing, etc. Etc.), Tencel, rayon, cupra, and the like, and paper products such as copy paper, wrapping paper, and cardboard are preferred. Further, the fiber of the clothing or the like may be a fiber blended with a synthetic fiber such as polyester or a fiber not containing cellulose such as silk.
The form of the cellulose-containing fiber is not particularly limited, and those processed into a cotton shape, a thread shape, a rope shape, a cloth shape, a flat surface, a solid shape, or the like can be used.

また、前記セルロース含有繊維の長さは、1mm以上1m以下が好ましく、5mm以上50cm以下がより好ましく、1cm以上30cm以下がさらに好ましい。
この範囲の長さであると、セルロース含有繊維の取り扱いが容易となる。
The length of the cellulose-containing fiber is preferably 1 mm or more and 1 m or less, more preferably 5 mm or more and 50 cm or less, and further preferably 1 cm or more and 30 cm or less.
When the length is within this range, the cellulose-containing fiber can be easily handled.

セルロースから糖類への転化率を高める観点から、該セルロース含有物には糖化反応を阻害するような不純物はなるべく含まれていない方が好ましい。すなわち、本発明において用いられるセルロース含有物のセルロース含有率は高いほど好ましい。   From the viewpoint of increasing the conversion rate from cellulose to saccharide, it is preferable that the cellulose-containing product contains as little impurities as possible to inhibit the saccharification reaction. That is, the higher the cellulose content of the cellulose-containing material used in the present invention, the better.

前記前処理ステップにおけるアルカリ水溶液としては、前記セルロース含有物の吸水量を高めて膨潤させることができるものであれば特に制限されず、水酸化ナトリウム、アンモニア水等が挙げられる。   The aqueous alkali solution in the pretreatment step is not particularly limited as long as it can swell by increasing the water absorption of the cellulose-containing material, and examples thereof include sodium hydroxide and aqueous ammonia.

綿繊維等のセルロース含有繊維を、水酸化ナトリウム等でアルカリ処理することによって、該セルロース含有繊維が膨潤してセルロースの非晶領域が3倍以上増加しうる。さらに、X線回折によって測定される該セルロースの結晶格子の大きさも変化することから、セルロースの分子間相互作用が当該アルカリ処理によって変化させられると考えられる。その要因として、例えば、Naイオンの吸着によってセルロースの水酸基間の水素結合が切れて分子間の結合力が低下することが考えられる。   By subjecting cellulose-containing fibers such as cotton fibers to an alkali treatment with sodium hydroxide or the like, the cellulose-containing fibers can swell and the amorphous region of cellulose can increase three times or more. Further, since the size of the crystal lattice of cellulose measured by X-ray diffraction also changes, it is considered that the intermolecular interaction of cellulose is changed by the alkali treatment. As the factor, for example, it is conceivable that the hydrogen bond between the hydroxyl groups of cellulose is broken by the adsorption of Na ions, and the bonding force between molecules is reduced.

このように、アルカリ処理によって膨潤して吸水量が増加した綿繊維等のセルロース含有物は、後段の反応ステップにおいて、水分子が前記セルロース含有物のセルロースのβ−1,4グリコシド結合にアタックし易くなっているため、セルロースの加水分解反応の効率を著しく向上させることができると考えられる。   As described above, in the cellulose-containing material such as cotton fiber that has been swollen by the alkali treatment and increased in water absorption, water molecules attack the β-1,4 glycoside bond of cellulose in the cellulose-containing material in the subsequent reaction step. Since it becomes easy, it is thought that the efficiency of the hydrolysis reaction of cellulose can be remarkably improved.

前記前処理ステップにおいて、アルカリ水溶液が水酸化ナトリウム水溶液である場合には、その濃度(規定度)は、0.1〜20Nが好ましく、0.5〜10Nがより好ましく、1〜5Nがさらに好ましい。
上記範囲の下限値以上及び上限値以下であると、前記セルロース含有物におけるセルロース(セルロース結晶)の膨潤及び吸水量を高めて、後段の加水分解反応をより効率良く行うことができる。
一方、上記範囲の下限値未満及び上限値超であると、前記セルロース含有物におけるセルロースの膨潤及び吸水量が低下してしまう傾向がある。
In the pretreatment step, when the alkaline aqueous solution is a sodium hydroxide aqueous solution, the concentration (normality) is preferably 0.1 to 20N, more preferably 0.5 to 10N, and further preferably 1 to 5N. .
When the amount is not less than the lower limit and not more than the upper limit of the above range, the swelling and water absorption of cellulose (cellulose crystals) in the cellulose-containing material can be increased, and the subsequent hydrolysis reaction can be performed more efficiently.
On the other hand, when the amount is less than the lower limit and exceeds the upper limit of the above range, the cellulose swelling and water absorption in the cellulose-containing material tend to decrease.

前記前処理ステップにおいて、前記セルロース含有物と前記アルカリ水溶液とを接触させる際の温度は、−10〜50℃が好ましく、−5〜30℃がさらに好ましい。
上記範囲の下限値以上及び上限値以下であると、前記セルロース含有物におけるセルロースの膨潤及び吸水量を高めて、後段の加水分解反応をより効率良く行うことができる。
一方、上記範囲の下限値未満及び上限値超であると、前記セルロース含有物におけるセルロースの膨潤及び吸水量が低下してしまう傾向がある。
In the pretreatment step, the temperature at which the cellulose-containing material and the alkaline aqueous solution are brought into contact is preferably −10 to 50 ° C., more preferably −5 to 30 ° C.
When the amount is not less than the lower limit and not more than the upper limit of the above range, the cellulose swelling and water absorption in the cellulose-containing material can be increased, and the subsequent hydrolysis reaction can be performed more efficiently.
On the other hand, when the amount is less than the lower limit and exceeds the upper limit of the above range, the cellulose swelling and water absorption in the cellulose-containing material tend to decrease.

前記前処理ステップにおいて、前記セルロース含有物と前記アルカリ水溶液とを接触させる際の処理時間の範囲は、0.1~120分行うことができ、0.1分〜60分が好ましく、1分〜30分がさらに好ましい。
上記範囲の下限値以上及び上限値以下であると、前記セルロース含有物におけるセルロースの膨潤及び吸水量を高めて、後段の加水分解反応をより効率良く行うことができる。
一方、上記範囲の下限値未満であると、前記セルロース含有物におけるセルロースの膨潤及び吸水量が低下してしまう傾向がある。また、120分を超えてアルカリ処理を行った場合には、アルカリ濃度にもよるが、概して変化の程度が少なくなり、膨潤及び吸水量は頭打ちとなる傾向がある。
In the pretreatment step, the treatment time when contacting the cellulose-containing material and the alkaline aqueous solution can be 0.1 to 120 minutes, preferably 0.1 to 60 minutes, preferably 1 minute to 30 minutes is more preferable.
When the amount is not less than the lower limit and not more than the upper limit of the above range, the cellulose swelling and water absorption in the cellulose-containing material can be increased, and the subsequent hydrolysis reaction can be performed more efficiently.
On the other hand, when the amount is less than the lower limit of the above range, the cellulose swelling and water absorption in the cellulose-containing material tend to decrease. In addition, when the alkali treatment is performed for more than 120 minutes, although depending on the alkali concentration, the degree of change generally decreases, and the swelling and water absorption tend to reach a peak.

本発明では、前記アルカリ処理及び/又は前記洗浄処理を、糖化処理反応器内で行うことが好ましい。ここで、「糖化処理反応器」とは、後述する反応ステップにおいて、前記前処理ステップを経たセルロース含有物と水系溶媒とを入れて接触させる容器をいう。該容器としては、例えば後述するセルロース糖化装置1における反応槽2が挙げられる。
糖化処理反応器内で前記アルカリ処理及び/又は前記洗浄処理を行うことによって、当該処理後のセルロース含有物を移動せずに、同一の糖化処理反応器内において引き続き後述する反応ステップを行うことができるので、セルロース糖化の工程を短縮できる。
In the present invention, the alkali treatment and / or the washing treatment is preferably performed in a saccharification treatment reactor. Here, the “saccharification treatment reactor” refers to a container in which the cellulose-containing material that has undergone the pretreatment step and the aqueous solvent are put into contact in the reaction step described later. As this container, the reaction tank 2 in the cellulose saccharification apparatus 1 mentioned later is mentioned, for example.
By performing the alkali treatment and / or the washing treatment in the saccharification treatment reactor, the reaction step described later can be continuously performed in the same saccharification treatment reactor without moving the cellulose-containing material after the treatment. Therefore, the cellulose saccharification process can be shortened.

前記前処理ステップにおいて、前記アルカリ処理を行った前記セルロース含有物を水及び/又は酸性水溶液で洗浄する方法としては、該セルロース含有物からアルカリを水及び/又は酸性水溶液で洗い流すことができるものであれば特に制限されない。例えば、該セルロース含有物を脱イオン水及び/又は酸性水溶液に浸漬して洗浄する方法を採用しても良いし、該セルロース含有物を静置したところに、脱イオン水及び/又は酸性水溶液を通液させて洗浄しても良い。   In the pretreatment step, as the method for washing the cellulose-containing material subjected to the alkali treatment with water and / or an acidic aqueous solution, alkali can be washed out from the cellulose-containing material with water and / or an acidic aqueous solution. If there is no particular limitation. For example, a method of washing the cellulose-containing material by immersing it in deionized water and / or an acidic aqueous solution may be adopted, or the cellulose-containing material may be allowed to stand, and deionized water and / or acidic aqueous solution may be used. You may let it pass and wash.

前記酸性水溶液は、後段の加水分解反応を阻害しないものであれば特に制限されず、例えば硫酸等が好適に用いられる。
なお、前記酸性水溶液の濃度は、前記アルカリ処理におけるアルカリの濃度によって適宜調整される。
The acidic aqueous solution is not particularly limited as long as it does not inhibit the subsequent hydrolysis reaction. For example, sulfuric acid or the like is preferably used.
The concentration of the acidic aqueous solution is appropriately adjusted depending on the concentration of alkali in the alkali treatment.

前記水及び/又は酸性水溶液で洗浄した後の前記セルロース含有物に残存するアルカリは、該セルロース含有物に含まれる水又は酸性水溶液のpHが酸性〜中性付近となるように、できる限り少ない量であることが望ましい。しかし、後段の加水分解反応において、水系溶媒としてアルカリ水溶液を使用する場合には、該アルカリが残存していてもよい。   The alkali remaining in the cellulose-containing material after washing with the water and / or acidic aqueous solution is as small as possible so that the pH of the water or acidic aqueous solution contained in the cellulose-containing material is in the vicinity of acidic to neutral. It is desirable that However, when an aqueous alkali solution is used as the aqueous solvent in the subsequent hydrolysis reaction, the alkali may remain.

より具体的な前処理ステップとして、次の操作が例示できる。
まず、アルカリ耐性の容器(チーズ染色機)内において、木綿1kgに水を含ませてから脱水し、4N(15.8質量%)の水酸化ナトリウム水溶液9Lを投入して、前記アルカリ処理を所定時間行った後、該水酸化ナトリウム水溶液を排水する。次に、脱イオン水を加え、8時間水洗を行う。
The following operation can be illustrated as a more specific preprocessing step.
First, in an alkali-resistant container (cheese dyeing machine), 1 kg of cotton is mixed with water and then dehydrated, and 9 L of 4N (15.8 mass%) aqueous sodium hydroxide solution is added to perform the alkali treatment. After a period of time, the aqueous sodium hydroxide solution is drained. Next, deionized water is added and washed with water for 8 hours.

また、前処理ステップとして、ベルトコンベヤーを使用する方法が挙げられる。すなわち、本発明のセルロース糖化方法では、前記セルロース含有物をベルトコンベヤーに積載して運搬しながら、前記アルカリ処理、脱水処理、及び前記洗浄処理を行うことが好ましい。
これを図2を用いて説明する。まず、前記セルロース含有物30をベルトコンベヤー31に積載し、前記アルカリ溶液32が入った第一の処理槽33に潜らせることによって、前記アルカリ処理を行った後、該セルロース含有物30を引き上げてローラー34及びローラー35の間で圧搾することによって、該セルロース含有物30を脱水処理し、その後、該セルロース含有物30を前記水又は酸性水溶液36が入った第二の処理槽37に潜らせることによって、前記洗浄処理を行い、該セルロース含有物30を引き上げてローラー38及びローラー39の間で圧搾することによって、前記アルカリ処理及び前記洗浄処理を経たセルロース含有物40を得る。
Moreover, the method of using a belt conveyor is mentioned as a pre-processing step. That is, in the cellulose saccharification method of the present invention, it is preferable to perform the alkali treatment, the dehydration treatment, and the washing treatment while loading and transporting the cellulose-containing material on a belt conveyor.
This will be described with reference to FIG. First, the cellulose-containing material 30 is loaded on a belt conveyor 31 and submerged in a first treatment tank 33 containing the alkaline solution 32 to perform the alkali treatment, and then the cellulose-containing material 30 is pulled up. The cellulose-containing material 30 is dehydrated by squeezing between the roller 34 and the roller 35, and then the cellulose-containing material 30 is submerged in the second treatment tank 37 containing the water or the acidic aqueous solution 36. The cellulose-containing material 40 that has undergone the alkali treatment and the washing treatment is obtained by pulling up the cellulose-containing material 30 and squeezing between the roller 38 and the roller 39.

この前処理ステップの方法によれば、セルロース含有物をスムーズに運搬しながら前記アルカリ処理及び前記洗浄処理を一連の流れ作業として行うことができる。また、前記アルカリ処理を経たセルロース含有物をローラーで脱水することによって、アルカリ溶液を洗浄用溶液へ持ち込む量を減らすことができ、効率の良い洗浄処理を行うことができる。この際、洗浄用溶液(前記水又は酸性水溶液)の組成が変化しづらいので、第二の処理槽における洗浄用溶液を交換する頻度を少なくできる。また、脱水したアルカリ溶液は、前記第一の処理槽に戻して再利用すれば、環境負荷を低減できる。
同様に、前記洗浄処理を経たセルロース含有物をローラーで脱水することによって、洗浄用溶液を後段の反応ステップにおける水系溶媒へ持ち込む量を減らすことができる。また、脱水した洗浄用溶液は、前記第二の処理槽に戻して再利用すれば、環境負荷を低減できる。
According to the method of this pretreatment step, the alkali treatment and the washing treatment can be performed as a series of flow operations while smoothly transporting the cellulose-containing material. Further, by dehydrating the cellulose-containing material that has undergone the alkali treatment with a roller, the amount of the alkaline solution brought into the washing solution can be reduced, and an efficient washing treatment can be performed. At this time, since the composition of the cleaning solution (the water or the acidic aqueous solution) is difficult to change, the frequency of replacing the cleaning solution in the second treatment tank can be reduced. Moreover, if the dehydrated alkaline solution is returned to the first treatment tank and reused, the environmental load can be reduced.
Similarly, by dehydrating the cellulose-containing material that has undergone the washing treatment with a roller, the amount of the washing solution brought into the aqueous solvent in the subsequent reaction step can be reduced. Moreover, if the dehydrated cleaning solution is returned to the second treatment tank and reused, the environmental load can be reduced.

前処理ステップを経たセルロース含有物40は、後段の反応ステップで使用される。
なお、図2では、ベルトコンベヤーによって二つの処理槽を連結した場合を示したが、前記アルカリ処理及び前記洗浄処理において、複数種類の溶液を使用する場合には、それぞれの溶液について処理槽を準備すればよい。上記のベルトコンベヤー方式によれば、必要な数の処理槽を連結できる。そのため、一連の流れ作業として効率よく、セルロース含有物を各処理槽に運搬して処理できる。
The cellulose-containing material 40 that has undergone the pretreatment step is used in the subsequent reaction step.
In addition, in FIG. 2, although the case where two processing tanks were connected by the belt conveyor was shown, when using multiple types of solutions in the said alkali treatment and the said washing | cleaning process, a processing tank is prepared about each solution. do it. According to the belt conveyor system, a necessary number of processing tanks can be connected. Therefore, the cellulose-containing material can be transported to each treatment tank and processed efficiently as a series of flow operations.

<反応ステップ>
前記反応ステップにおける水系溶媒としては、純水又はpH7以下の水溶液が好ましい。前記pH7以下の水溶液としては、オゾン水、及び過酸化水素水や低濃度の硫酸、塩酸など、更に炭酸水やクエン酸水溶液等の弱酸が例示できる。
前記オゾン水及び過酸化水素水は、最終的には水と酸素に分解されるので、これらの溶液を廃棄する場合にも環境負荷が少ないので好ましい。
<Reaction step>
The aqueous solvent in the reaction step is preferably pure water or an aqueous solution having a pH of 7 or less. Examples of the aqueous solution having a pH of 7 or less include ozone water, hydrogen peroxide solution, low-concentration sulfuric acid, hydrochloric acid, and weak acids such as carbonated water and citric acid aqueous solution.
The ozone water and the hydrogen peroxide solution are finally decomposed into water and oxygen, and therefore, when these solutions are discarded, the environmental load is small, which is preferable.

また、前記水系溶媒としては、低濃度のアルカリ水溶液であってもよい。
前記アルカリ水溶液の種類は特に制限されず、例えば水酸化ナトリウム、アンモニア水等が挙げられる。
反応ステップにおける酸やアルカリ水溶液の濃度としては、0.001〜1.0Nが好ましく、0.005〜0.3Nがより好ましく、0.01〜0.1Nがさらに好ましい。
上記範囲内の濃度であると、セルロースの加水分解を効率よく行うことができる。上記範囲の上限値超であると、セルロースや生成物であるグルコースが過分解する恐れがある。
Further, the aqueous solvent may be a low concentration alkaline aqueous solution.
The kind of the alkaline aqueous solution is not particularly limited, and examples thereof include sodium hydroxide and aqueous ammonia.
The concentration of the acid or aqueous alkali solution in the reaction step is preferably 0.001 to 1.0N, more preferably 0.005 to 0.3N, and still more preferably 0.01 to 0.1N.
When the concentration is in the above range, cellulose can be efficiently hydrolyzed. If it exceeds the upper limit of the above range, cellulose or glucose as a product may be excessively decomposed.

前記オゾン水の濃度としては、1.0ppm〜200ppmが好ましく、5.0〜100ppmがより好ましく、10〜50ppmがさらに好ましい。
上記範囲であると、セルロースの加水分解を効率良く行うことができる。上記範囲の上限値超であると、セルロースや生成物であるグルコースが過分解する恐れがある。
The concentration of the ozone water is preferably 1.0 ppm to 200 ppm, more preferably 5.0 to 100 ppm, and even more preferably 10 to 50 ppm.
Within the above range, cellulose can be efficiently hydrolyzed. If it exceeds the upper limit of the above range, cellulose or glucose as a product may be excessively decomposed.

前記過酸化水素水の濃度としては、0.1wt%〜30wt%(質量%)が好ましく、0.5wt%〜20wt%がより好ましく、1.0wt%〜10wt%がさらに好ましい。
上記範囲であると、セルロースの加水分解を効率良く行うことができる。上記範囲の上限値超であると、セルロースや生成物であるグルコースが過分解する恐れがある。
The concentration of the hydrogen peroxide solution is preferably 0.1 wt% to 30 wt% (mass%), more preferably 0.5 wt% to 20 wt%, and even more preferably 1.0 wt% to 10 wt%.
Within the above range, cellulose can be efficiently hydrolyzed. If it exceeds the upper limit of the above range, cellulose or glucose as a product may be excessively decomposed.

前記前処理ステップを経たセルロース含有物(前処理済みセルロース含有物)と前記水系溶媒とを接触させる方法(操作A)としては特に制限されない。前処理済みセルロース含有物と前記水系溶媒とを攪拌して混合物を得る方法を採用しても良いし、前処理済みセルロース含有物を静置したところに、前記水系溶媒を通液させて接触させても良い。例えば図1に示すセルロース糖化装置を用いた場合、反応槽2に前処理済みセルロース含有物を適量投入し、貯留槽4に投入した水系溶媒5をポンプ6及び送液管7を介して汲み上げて反応槽2へ送液することによって、反応槽2において前処理済みセルロース含有物と水系溶媒5とを混ぜて混合物8を得ることができる。   The method (operation A) for bringing the cellulose-containing material (pretreated cellulose-containing material) that has undergone the pretreatment step into contact with the aqueous solvent is not particularly limited. A method of stirring the pretreated cellulose-containing material and the aqueous solvent to obtain a mixture may be adopted, or the pretreated cellulose-containing material is allowed to stand, and the aqueous solvent is allowed to flow through and contact. May be. For example, when the cellulose saccharification apparatus shown in FIG. 1 is used, an appropriate amount of the pretreated cellulose-containing material is charged into the reaction tank 2, and the aqueous solvent 5 charged into the storage tank 4 is pumped up via the pump 6 and the liquid feeding pipe 7. By sending the solution to the reaction tank 2, the pretreated cellulose-containing material and the aqueous solvent 5 can be mixed in the reaction tank 2 to obtain a mixture 8.

前記加熱処理及び加圧処理(操作B)において、前処理済みセルロース含有物と水系溶媒とを加熱処理する方法は特に制限されない。例えば図1に示すセルロース糖化装置1を用いた場合、反応槽2全体を加熱するように設けられた加熱部10によって反応槽2内の混合物8を所定の温度で加熱処理することができる。
また、送液管7の途中に設けられた予熱部11において、予め所定の温度に加温した水系溶媒5を反応槽2に送液して、前処理済みセルロース含有物又は混合物8に加えることによって、混合物8を加熱処理することも可能である。
加熱部10や予熱部11における熱源としては、ヒーター(電熱器)やボイラーを利用した公知のものを用いることができる。
In the heat treatment and pressure treatment (operation B), the method for heat-treating the pretreated cellulose-containing material and the aqueous solvent is not particularly limited. For example, when the cellulose saccharification apparatus 1 shown in FIG. 1 is used, the mixture 8 in the reaction tank 2 can be heat-treated at a predetermined temperature by the heating unit 10 provided to heat the entire reaction tank 2.
Moreover, in the preheating part 11 provided in the middle of the liquid feeding pipe 7, the aqueous solvent 5 previously heated to a predetermined temperature is fed to the reaction tank 2 and added to the pretreated cellulose-containing material or mixture 8. Thus, the mixture 8 can be heat-treated.
As a heat source in the heating part 10 or the preheating part 11, a well-known thing using a heater (electric heater) or a boiler can be used.

前記加熱処理の温度範囲としては、100〜300℃が好ましく、120〜250℃がより好ましく、140〜200℃がさらに好ましい。
上記範囲の下限値以上であると、セルロースから糖類への転化を高めることができ、さらに、該糖類におけるグルコース含有率を高めることができる。
上記範囲の上限値以下であると、糖類の過分解を低減又は抑制することができる。また、原料のセルロースの焦げやタール状物質の生成を低減又は抑制することができるので、反応槽2の洗浄をすることなく、前処理済みセルロース含有物を順次添加して糖化反応を連続的に行うことができる。
As a temperature range of the said heat processing, 100-300 degreeC is preferable, 120-250 degreeC is more preferable, 140-200 degreeC is further more preferable.
When it is at least the lower limit of the above range, the conversion from cellulose to saccharide can be increased, and the glucose content in the saccharide can be increased.
When the amount is not more than the upper limit of the above range, excessive decomposition of saccharides can be reduced or suppressed. Moreover, since the burning of the raw material cellulose and the generation of tar-like substances can be reduced or suppressed, the saccharification reaction is continuously performed by sequentially adding the pretreated cellulose-containing material without washing the reaction tank 2. It can be carried out.

ここで、本発明の明細書において、セルロースの転化率とは、原料に含まれるセルロースの質量に対する、反応したセルロースの質量の割合をいう。また、糖類の収率とは、原料に含まれるセルロースの質量に対する、糖化反応により得られた糖類の質量の割合をいう。また、糖類の選択率とは、前記反応したセルロースの質量に対する、糖化反応により得られた糖類の質量の割合をいう。
本発明のセルロース糖化方法により、水溶性オリゴ糖及び/又はグルコースが生成する。また、本発明において、セルロースを加水分解して得られる水溶性オリゴ糖は、2〜20分子程度のグルコースが縮合してつながった分子構造を有する水溶性のセロオリゴ糖をいう。また、本発明で得られる反応物にセルラーゼを加えても良い。
Here, in the specification of the present invention, the conversion rate of cellulose refers to the ratio of the mass of reacted cellulose to the mass of cellulose contained in the raw material. Moreover, the yield of saccharide means the ratio of the mass of the saccharide obtained by saccharification reaction with respect to the mass of the cellulose contained in a raw material. Moreover, the selectivity of saccharide means the ratio of the mass of the saccharide obtained by saccharification reaction with respect to the mass of the said reacted cellulose.
The cellulose saccharification method of the present invention produces water-soluble oligosaccharide and / or glucose. In the present invention, the water-soluble oligosaccharide obtained by hydrolyzing cellulose refers to a water-soluble cellooligosaccharide having a molecular structure in which about 2 to 20 molecules of glucose are condensed and connected. Cellulase may be added to the reaction product obtained in the present invention.

前記加熱処理及び加圧処理(操作B)において、前処理済みセルロース含有物と水系溶媒とを加圧処理する方法は特に制限されない。例えば図1に示すセルロース糖化装置1を用いた場合、反応槽2の下流側の送液管12に背圧弁13を備えているので、ポンプ6及び送液管7を介して水系溶媒5を反応槽2に送液することによって、反応槽2内を所定の圧力にまで高めることができる。
また、反応槽2を密封した状態で加熱部10によって加熱処理することによって、反応槽2を水系溶媒5の蒸気圧にまで高める加圧処理を行うこともできる。
In the heat treatment and pressure treatment (operation B), the method for pressure treating the pretreated cellulose-containing material and the aqueous solvent is not particularly limited. For example, when the cellulose saccharification apparatus 1 shown in FIG. 1 is used, since the back pressure valve 13 is provided in the liquid feeding pipe 12 on the downstream side of the reaction tank 2, the aqueous solvent 5 is reacted via the pump 6 and the liquid feeding pipe 7. By sending the liquid to the tank 2, the inside of the reaction tank 2 can be increased to a predetermined pressure.
In addition, a pressure treatment for increasing the reaction tank 2 to the vapor pressure of the aqueous solvent 5 can be performed by performing a heat treatment with the heating unit 10 in a state where the reaction tank 2 is sealed.

前記加圧処理の圧力範囲としては、0.1MPa〜30MPaが好ましく、0.5MPa〜20MPaがより好ましく、1.0MPa〜10MPaがさらに好ましい。
上記範囲の下限値以上であると、セルロースから糖類への転化を高めることができ、さらに、該糖類におけるグルコース含有率を高めることができる。
また、上記範囲の上限値以下であると、糖類の過分解を低減又は抑制することができる。
The pressure range of the pressure treatment is preferably 0.1 MPa to 30 MPa, more preferably 0.5 MPa to 20 MPa, and further preferably 1.0 MPa to 10 MPa.
When it is at least the lower limit of the above range, the conversion from cellulose to saccharide can be increased, and the glucose content in the saccharide can be increased.
Moreover, the excessive decomposition of saccharide | sugar can be reduced or suppressed as it is below the upper limit of the said range.

上記のように、前処理済みセルロース含有物と水系溶媒とを接触させたもの(混合物)を加熱処理及び加圧処理することによって、前記混合物中のセルロースの糖化反応が促進されて、効率的にセルロースから糖類への転化が起きて、水溶性オリゴ糖及び/又はグルコースが生成される。
該加熱処理及び加圧処理の時間としては、前処理済みセルロース含有物と水系溶媒との量比、加熱処理の温度、及び加圧処理の温度の組み合わせによっても変わるが、前記温度範囲及び前記圧力範囲であれば、おおよそ0.5分〜300分で、原料に含まれるセルロースを効率よく糖化することができる。
As described above, by subjecting the pre-treated cellulose-containing material and the aqueous solvent to contact (mixture) by heat treatment and pressure treatment, the saccharification reaction of cellulose in the mixture is promoted and efficiently performed. Conversion from cellulose to sugar occurs to produce water-soluble oligosaccharides and / or glucose.
The time of the heat treatment and the pressure treatment varies depending on the combination of the amount ratio of the pretreated cellulose-containing material and the aqueous solvent, the temperature of the heat treatment, and the temperature of the pressure treatment, but the temperature range and the pressure If it is in the range, the cellulose contained in the raw material can be efficiently saccharified in about 0.5 minutes to 300 minutes.

水溶性オリゴ糖又はグルコースを含む水溶液を得る操作(操作C)の方法は特に制限されない。例えば図1に示すセルロース糖化装置1を用いた場合、前記操作A及び前記操作Bを経た反応槽2内には未反応のセルロース含有物と生成された水溶性オリゴ糖及び/又はグルコースが含まれた水溶液が存在しうる。このとき、貯留槽4からポンプ6及び送液管7を介して前記水系溶媒5を反応槽2に送液すると、反応槽2の下流に設けられた背圧弁13により反応槽2内の圧力を所定に維持しつつ、反応槽2内の生成物を含む水溶液を未反応のセルロース含有物から分離して、排出口14から回収槽15へ抽出して得ることができる。このとき、未反応のセルロース含有物は反応槽2の下流側に設けられたフィルタ16によって排出口14へ流出することが防がれている。同様に反応槽2の上流側にもフィルタ16が設けられており、未反応のセルロース含有物や混合物8が逆流することを防いでいる。また、反応槽2の下流側のフィルタ16を介して抽出された生成物を含む水溶液は、冷却部18により冷却される。これにより、生成物が不要に高温で保たれて過分解されてしまうことを防ぐことができる。該冷却の方法は特に制限されず、レシプロ圧縮機等を用いる公知の方法を適用できる。   The method of operation (operation C) for obtaining an aqueous solution containing a water-soluble oligosaccharide or glucose is not particularly limited. For example, when the cellulose saccharification apparatus 1 shown in FIG. 1 is used, unreacted cellulose-containing material and produced water-soluble oligosaccharide and / or glucose are contained in the reaction tank 2 that has undergone the operations A and B. Aqueous solutions may be present. At this time, when the aqueous solvent 5 is fed from the storage tank 4 to the reaction tank 2 via the pump 6 and the liquid feeding pipe 7, the pressure in the reaction tank 2 is controlled by the back pressure valve 13 provided downstream of the reaction tank 2. The aqueous solution containing the product in the reaction tank 2 can be separated from the unreacted cellulose-containing material and extracted from the discharge port 14 to the recovery tank 15 while maintaining a predetermined value. At this time, the unreacted cellulose-containing material is prevented from flowing out to the discharge port 14 by the filter 16 provided on the downstream side of the reaction tank 2. Similarly, a filter 16 is provided on the upstream side of the reaction tank 2 to prevent the unreacted cellulose-containing material or the mixture 8 from flowing backward. The aqueous solution containing the product extracted through the filter 16 on the downstream side of the reaction tank 2 is cooled by the cooling unit 18. Thereby, it can prevent that a product is kept at high temperature unnecessarily and is overdecomposed. The cooling method is not particularly limited, and a known method using a reciprocating compressor or the like can be applied.

図1に示すようなセルロース糖化装置1を用いた場合、前処理済みセルロース含有物と水系溶媒5とが混合され、前記加熱処理及び前記加圧処理が行われている反応槽2に対して、更に水系溶媒5を導入しつつフィルタを介して流出させることによって、前記水溶性オリゴ糖又はグルコースを含む水溶液17を反応槽2から得ることができる。すなわち、例えば図1に示すセルロース糖化装置1を用いることにより、前記操作A、前記操作B、及び前記操作Cを同時・連続的に行う連続方式のセルロース糖化方法を行うことができる。   When the cellulose saccharification apparatus 1 as shown in FIG. 1 is used, the pretreated cellulose-containing material and the aqueous solvent 5 are mixed, and for the reaction tank 2 in which the heat treatment and the pressure treatment are performed, Furthermore, the aqueous solution 17 containing the water-soluble oligosaccharide or glucose can be obtained from the reaction tank 2 by flowing out through the filter while introducing the aqueous solvent 5. That is, for example, by using the cellulose saccharification apparatus 1 shown in FIG. 1, a continuous cellulose saccharification method in which the operation A, the operation B, and the operation C are performed simultaneously and continuously can be performed.

より具体的に説明すると、貯留槽4から水系溶媒5をポンプ6で汲み上げて、予熱部11で加温してから反応槽2に送液して加圧処理を行いつつ、加熱部10による加熱処理を行う。これらと同時に、背圧弁13を制御して反応槽2内の圧力を所定に維持しつつ、反応槽2からフィルター16を介して、セルロースが加水分解された生成物を含む水溶液17を流出させることにより、排出口14から回収することができる。   More specifically, the aqueous solvent 5 is pumped from the storage tank 4 by the pump 6, heated by the preheating part 11, then sent to the reaction tank 2 and subjected to pressure treatment, and heated by the heating part 10. Process. At the same time, the aqueous solution 17 containing the product obtained by hydrolyzing cellulose is discharged from the reaction tank 2 through the filter 16 while controlling the back pressure valve 13 to maintain the pressure in the reaction tank 2 at a predetermined level. Thus, it can be recovered from the discharge port 14.

また、図1では反応槽2は一つだけであるが、予熱部11の下流に反応槽2,2’を並列に2つ設けることにより、片方の反応槽2でセルロース糖化反応を行っている際に、他方の反応槽2’をバルブ切り替え等により一時的にラインから外して前処理済みセルロース含有物を再充填し、再び該反応槽2’をラインにつなぐことにより、反応槽2’に前処理済みセルロース含有物を充填する際にもセルロース糖化装置1におけるセルロース糖化反応を継続することができる。この連続方式によれば、前記操作A、前記操作B、及び前記操作Cを同時・連続的に行うことができる。   Further, in FIG. 1, only one reaction tank 2 is provided, but by providing two reaction tanks 2 and 2 ′ in parallel downstream of the preheating unit 11, the cellulose saccharification reaction is performed in one reaction tank 2. In this case, the other reaction tank 2 ′ is temporarily removed from the line by switching the valve, etc., and re-filled with the pretreated cellulose-containing material, and the reaction tank 2 ′ is connected to the line again. The cellulose saccharification reaction in the cellulose saccharification apparatus 1 can be continued even when the pretreated cellulose-containing material is filled. According to this continuous method, the operation A, the operation B, and the operation C can be performed simultaneously and continuously.

上記のような連続方式であると、反応槽2内に生成物が長時間(例えば1時間を超える)にわたり滞留することがないので、生成物が過分解することを低減又は抑制することができる。一方、連続方式ではなく所謂バッチ式であると、前記操作A、前記操作B、及び前記操作Cをこの順に行うため、前記加熱処理及び加圧処理における昇温昇圧に要する時間が長くなり、糖化反応の初期で生成された糖類が、必要以上の加熱処理及び加圧処理に晒されて、過分解する割合が高くなることがある。該過分解によって生じる副産物としては、例えば5−ヒドロキシメチルフルフラール(5−HMF)が挙げられる。
よって、本発明のセルロース糖化方法は、生成物である糖類の過分解を低減又は抑制する観点から、前記連続方式であることが好ましい。
When the continuous system is used as described above, the product does not stay in the reaction tank 2 for a long time (for example, more than 1 hour), so that it is possible to reduce or suppress the product from being excessively decomposed. . On the other hand, in the case of a so-called batch system instead of a continuous system, the operation A, the operation B, and the operation C are performed in this order. The saccharide produced at the initial stage of the reaction may be exposed to excessive heat treatment and pressure treatment, and the rate of overdecomposition may increase. As a by-product generated by the excessive decomposition, for example, 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF) can be mentioned.
Therefore, the cellulose saccharification method of the present invention is preferably the continuous method from the viewpoint of reducing or suppressing the excessive decomposition of the product saccharide.

次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited by these examples.

[実施例1]
セルロース含有物である綿50gと、4N(15.8質量%)の水酸化ナトリウム水溶液2kgとをガラス製ビーカー(3L)で混合して、20℃で30分間、接触させた。
つづいて、ビーカーから前記水酸化ナトリウム水溶液を除去して、脱イオン水を加えアルカリ処理した前記セルロース含有物を水洗し8時間放置した。
つぎに、図1に示すセルロース糖化装置を用いて、綿に含まれるセルロースの糖化を連続方式にて行った。まず、反応槽2に前記アルカリ処理した綿を10.0g投入し、貯留槽4に準備した純水を装置経路内及び反応槽2に充填した後、送液管7を介して純水を、ポンプ6によって20ml/分で、反応槽2に送液し、背圧弁13を制御して反応槽2内の圧力を5MPaとした。その後、反応槽2内が220℃になるように加熱器10及び予熱部11を制御し加熱を開始した。
設定温度(220℃)に到達後、背圧弁13を調整して反応槽2の圧力を保ったまま、ポンプ6によって3ml/分で反応槽2に純水を送液しつつ、排出口14から生成物を含む水溶液を300分間回収した。
[Example 1]
50 g of cotton containing cellulose and 2 kg of 4N (15.8 mass%) sodium hydroxide aqueous solution were mixed in a glass beaker (3 L) and contacted at 20 ° C. for 30 minutes.
Subsequently, the sodium hydroxide aqueous solution was removed from the beaker, the deionized water was added and the alkali-treated cellulose-containing material was washed with water and allowed to stand for 8 hours.
Next, the cellulose saccharification apparatus shown in FIG. 1 was used to continuously saccharify the cellulose contained in the cotton. First, 10.0 g of the alkali-treated cotton was put into the reaction tank 2, and the pure water prepared in the storage tank 4 was filled in the apparatus path and the reaction tank 2, and then pure water was supplied through the liquid feeding pipe 7. The liquid was fed into the reaction tank 2 by the pump 6 at a rate of 20 ml / min, and the back pressure valve 13 was controlled to adjust the pressure in the reaction tank 2 to 5 MPa. Then, the heater 10 and the preheating part 11 were controlled so that the inside of the reaction tank 2 might be 220 degreeC, and the heating was started.
After reaching the set temperature (220 ° C.), while adjusting the back pressure valve 13 and maintaining the pressure in the reaction tank 2, pure water is sent to the reaction tank 2 at 3 ml / min by the pump 6, while being discharged from the outlet 14. An aqueous solution containing the product was collected for 300 minutes.

実験の結果、糖化反応後に残った綿は1.0gであった(糖化反応後に残った綿の質量は1.0gであった)。つまり、セルロースの転化率(セルロースの転化率(質量%)=反応したセルロースの質量/原料のセルロースの質量)は90%であった。また、得られた試料溶液に含まれる生成物の分析をHPLCで行った。
表1に糖類、アルデヒド類、フラン類、有機酸の各収率(原料と生成物の重量比%)を示す。
As a result of the experiment, 1.0 g of cotton remained after the saccharification reaction (the mass of cotton remaining after the saccharification reaction was 1.0 g). That is, the conversion rate of cellulose (conversion rate of cellulose (mass%) = reacted cellulose mass / raw material cellulose mass) was 90%. Moreover, the product contained in the obtained sample solution was analyzed by HPLC.
Table 1 shows the yields of saccharides, aldehydes, furans, and organic acids (weight ratio of raw material to product).

Figure 2012044880
Figure 2012044880

HPLC分析の結果、得られた糖類のうち、90%がグルコースであった。つまり、糖類の選択率は90%であった。   As a result of HPLC analysis, 90% of the obtained saccharides were glucose. That is, the selectivity for saccharides was 90%.

[比較例1]
実施例1におけるアルカリ処理を行わず、未処理の綿10.0gを原料とした以外は、実施例1と同様に実験を行った。
[Comparative Example 1]
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the alkali treatment in Example 1 was not performed and 10.0 g of untreated cotton was used as a raw material.

実験の結果、糖化反応後に残った綿は9.0gであった。つまり、セルロースの転化率は10%であった。また、得られた試料溶液に含まれる生成物の分析をHPLCで行った。
表2に糖類、アルデヒド類、フラン類、有機酸の各収率(原料と生成物の重量比%)を示す。
As a result of the experiment, 9.0 g of cotton remained after the saccharification reaction. That is, the conversion rate of cellulose was 10%. Moreover, the product contained in the obtained sample solution was analyzed by HPLC.
Table 2 shows the yields of saccharides, aldehydes, furans, and organic acids (raw material to product weight ratio%).

Figure 2012044880
Figure 2012044880

アルカリ処理を行わなかった場合、セルロースの転化率が極めて低いことが明らかである。
なお、HPLC分析の結果、得られた糖類のほとんどがグルコースであった。また、糖類の選択率は100%であった。
It is clear that the cellulose conversion is very low when the alkali treatment is not performed.
As a result of HPLC analysis, most of the obtained saccharides were glucose. Moreover, the selectivity of saccharides was 100%.

以上の結果から、本発明に係るセルロース糖化方法は比較例1の方法よりも、セルロースの転化率、糖類(グルコース)の収率、糖類の選択率が高く、さらに、該糖類におけるグルコース含有率が極めて高いことが確認された。   From the above results, the cellulose saccharification method according to the present invention has a higher cellulose conversion rate, saccharide (glucose) yield, and saccharide selectivity than the method of Comparative Example 1, and the glucose content in the saccharide is higher. It was confirmed that it was extremely high.

本発明のセルロース糖化方法は、セルロースを含む原料から糖類を製造するために広く利用することが可能である。   The cellulose saccharification method of the present invention can be widely used for producing saccharides from raw materials containing cellulose.

1…セルロース糖化装置、2…反応槽、4…貯留槽、5…水溶液、6…ポンプ、7…送液管、8…混合物、10…加熱部、11…予熱部、12…送液管、13…背圧弁、14…排出口、15…回収槽、16…フィルタ、17…生成物を含む水溶液、18…冷却部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cellulose saccharification apparatus, 2 ... Reaction tank, 4 ... Storage tank, 5 ... Aqueous solution, 6 ... Pump, 7 ... Liquid feeding pipe, 8 ... Mixture, 10 ... Heating part, 11 ... Preheating part, 12 ... Liquid feeding pipe, DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Back pressure valve, 14 ... Discharge port, 15 ... Collection tank, 16 ... Filter, 17 ... Aqueous solution containing a product, 18 ... Cooling part.

Claims (8)

セルロースを加水分解して糖化する方法であって、
セルロース含有物とアルカリ水溶液とを接触させるアルカリ処理を行い、該セルロース含有物を水及び/又は酸性水溶液で洗浄した後、該セルロース含有物と水系溶媒とを接触させ、加熱処理及び加圧処理して、水溶性オリゴ糖又はグルコースを含む水溶液を得ることを特徴とするセルロース糖化方法。
A method of hydrolyzing cellulose to saccharify,
An alkali treatment is performed in which the cellulose-containing material is brought into contact with an aqueous alkali solution, and the cellulose-containing material is washed with water and / or an acidic aqueous solution, and then the cellulose-containing material is brought into contact with an aqueous solvent, followed by heat treatment and pressure treatment. A cellulose saccharification method comprising obtaining an aqueous solution containing a water-soluble oligosaccharide or glucose.
前記加熱処理が、100℃〜300℃の温度範囲であることを特徴とする請求項1に記載のセルロース糖化方法。   The cellulose saccharification method according to claim 1, wherein the heat treatment is in a temperature range of 100C to 300C. 前記加圧処理が、0.1MPa〜30MPaの圧力範囲であることを特徴とする請求項1又は2に記載のセルロース糖化方法。   The cellulose saccharification method according to claim 1 or 2, wherein the pressure treatment is in a pressure range of 0.1 MPa to 30 MPa. 前記アルカリ処理において、−10℃〜50℃の温度範囲で、0.1〜20Nの前記アルカリ水溶液に、前記セルロース含有物を、0.1〜120分の時間範囲で接触させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のセルロース糖化方法。   In the alkali treatment, the cellulose-containing material is brought into contact with the alkaline aqueous solution of 0.1 to 20 N in a temperature range of −10 ° C. to 50 ° C. for a time range of 0.1 to 120 minutes. The cellulose saccharification method as described in any one of Claims 1-3. 前記セルロース含有物と前記水系溶媒とを接触させる操作、前記加熱処理及び加圧処理、並びに前記水溶性オリゴ糖又はグルコースを含む水溶液を得る操作を、同時・連続的に行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のセルロース糖化方法。   The operation of bringing the cellulose-containing material into contact with the aqueous solvent, the heat treatment and pressure treatment, and the operation of obtaining an aqueous solution containing the water-soluble oligosaccharide or glucose are performed simultaneously and continuously. The cellulose saccharification method as described in any one of claim | item 1 -4. 前記セルロース含有物中のセルロースが、綿又は紙を構成することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のセルロース糖化方法。   The cellulose saccharification method according to any one of claims 1 to 5, wherein cellulose in the cellulose-containing material constitutes cotton or paper. 前記アルカリ処理を、糖化処理反応器内で行うことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のセルロース糖化方法。   The cellulose saccharification method according to any one of claims 1 to 6, wherein the alkali treatment is performed in a saccharification treatment reactor. 前記セルロース含有物をベルトコンベヤーに積載して運搬しながら、前記アルカリ処理、脱水処理、及び前記洗浄を行うことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のセルロース糖化方法。

The cellulose saccharification method according to any one of claims 1 to 7, wherein the alkali treatment, the dehydration treatment, and the washing are performed while the cellulose-containing material is loaded and transported on a belt conveyor.

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