(57)【要約】【課題】木材片等の天然の植物系繊維材料であっても、短時間で糖化することが可能であり、且つ、糖化率向上が可能な植物系繊維材料の糖化の前処理方法及び糖化方法を提供する。【解決手段】植物系繊維材料を加水分解し単糖を生成する植物系繊維材料の糖化において、前記植物系繊維材料に含まれるセルロースを糖化する糖化工程の前に、クラスター酸と該クラスター酸が可溶な有機溶媒とを少なくとも含有するクラスター酸有機溶媒溶液中に、前記植物系繊維材料を浸漬する、浸漬工程と、前記浸漬工程後、前記有機溶媒を蒸留除去し、前記クラスター酸と前処理済み植物系繊維材料とを少なくとも含有する前処理済み混合物を得る、蒸留工程と、を行うことを特徴とする、植物系繊維材料の糖化の前処理方法、並びに、前処理方法によって得られた前記前処理済み混合物を、前記植物系繊維材料に含まれるセルロースを糖化する糖化工程に投入し、該前処理済み混合物中の前処理済み植物系繊維材料を、該前処理済み混合物中のクラスター酸によって糖化することを特徴とする、植物系繊維材料の糖化方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物系繊維材料を加水分解し単糖を生成する植物系繊維材料の糖化において、
前記植物系繊維材料に含まれるセルロースを糖化する糖化工程の前に、
クラスター酸と該クラスター酸が可溶な有機溶媒とを少なくとも含有するクラスター酸有機溶媒溶液中に、前記植物系繊維材料を浸漬することで前処理する、浸漬工程と、
前記浸漬工程後、前記有機溶媒を蒸留除去し、前記クラスター酸と前処理済み植物系繊維材料とを少なくとも含有する前処理済み混合物を得る、蒸留工程と、
を行うことを特徴とする、植物系繊維材料の糖化の前処理方法。
【請求項２】
前記浸漬工程を、室温〜４０℃以下の温度条件下で行う、請求項１に記載の前処理方法。
【請求項３】
前記有機溶媒に対する前記クラスター酸の溶解度が１００ｇ／１００ｍｌ以上であり、且つ、前記有機溶媒の沸点が５０〜１００℃である、請求項１又は２に記載の前処理方法。
【請求項４】
前記有機溶媒がエタノールである、請求項１乃至３のいずれかに記載の前処理方法。
【請求項５】
植物系繊維材料を加水分解し単糖を生成する植物系繊維材料の糖化において、
請求項１乃至４のいずれかに記載の前処理方法によって得られた前記前処理済み混合物を、前記植物系繊維材料に含まれるセルロースを糖化する糖化工程に投入し、該前処理済み混合物中の前処理済み植物系繊維材料を、該前処理済み混合物中のクラスター酸によって糖化することを特徴とする、植物系繊維材料の糖化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植物系繊維材料を加水分解し、単糖を生成する植物系繊維材料の糖化における植物系繊維材料の糖化の前処理方法及び糖化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスである植物繊維、例えば、サトウキビの絞りかす（バガス）や木材片等を分解してセルロースやヘミセルロースからグルコースやキシロースを主とする糖を生成し、得られた糖を食料又は燃料として有効利用することが提案され、実用化されている。特に、植物繊維を分解することにより得られた単糖を発酵させ、燃料となるエタノール等のアルコールを生成させる技術が注目されている。
従来、セルロースやヘミセルロースを分解してグルコース等の糖を生成する種々の方法が提案されており、一般的な方法としては、希硫酸や濃硫酸等の硫酸、塩酸を用いてセルロースを加水分解する方法が挙げられる。また、セルラーゼ酵素を用いる方法、活性炭やゼオライト等の固体触媒を用いる方法、加圧熱水を用いる方法もある。
【０００３】
しかしながら、硫酸等の酸を用いてセルロースを加水分解する方法は、加水分解によって得られる糖化反応混合物から、触媒である酸と生成した糖とを分離することが難しいという問題がある。セルロースの加水分解生成物の主成分であるグルコースと加水分解の触媒である酸が共に水溶性であるためである。中和やイオン交換などによる糖化反応混合物からの酸除去は、手間とコストがかかるだけでなく、完全に酸を除去することが難しく、エタノール発酵工程にも酸が残留してしまうことが多い。その結果、エタノール発酵工程において、酵母の活性に最適なｐＨに調整しても、塩の濃度が高くなることで酵母の活性が低下し、発酵効率の低下を招いていた。
【０００４】
特に濃硫酸を用いる場合には、エタノール発酵工程において酵母を失活させない程度まで硫酸を除去するのが非常に困難であり、多大なエネルギーを要する。これに対して、希硫酸を用いる場合には、比較的容易に硫酸を除去することができるが、高温条件下でセルロースを分解させなければならず、エネルギーを要する。
さらに、硫酸や塩酸等の酸は、分離、回収して再利用することが非常に困難である。そのため、これら酸をグルコース生成の触媒として用いることは、バイオエタノールのコストを引き上げる原因の一つとなっている。
【０００５】
また、加圧熱水を用いた方法では、条件調整が難しく、安定した収率でグルコースを生成することが困難である。グルコースまでも分解し、グルコース収率が低下するだけでなく、分解成分により酵母の働きが低下し、発酵が抑制されることも懸念されている。しかも、反応装置（超臨界装置）が高価であり、且つ、耐久性も低いため、コスト面での問題もある。
【０００６】
本発明者らは、セルロースの糖化について鋭意検討した結果、擬融解状態又は溶解状態のクラスター酸が、セルロースの加水分解に対して優れた触媒活性を有すると共に、生成した糖との分離が容易であることを見出し、既に特許出願を行っている（特許文献１及び特願２００８−１４５７４１）。本方法によれば、従来の濃硫酸法や希硫酸法と異なり、加水分解触媒を回収、再利用することが可能であると共に、セルロースの加水分解から糖水溶液の回収、加水分解触媒の回収に至るプロセスのエネルギー効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２７１７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
木材片やバガス等の天然の植物系繊維材料は、セルロースやヘミセルロースのほか、リグニンを含有しており、これらが複雑に混在している。リグニンは、セルロースやヘミセルロースと触媒との接触性を低下させ、その糖化反応を妨げる。従って、植物系繊維材料の糖化反応性を高めるためには、リグニンの間に存在するセルロース等が反応しやすくなるように、予め前処理を施す必要がある。
また、木質系の植物系繊維は、撥水性を有するペクチンが表面に存在しているために、触媒や水とのなじみが悪い。そのため、木質系の植物系繊維材料の内部には、クラスター酸や水が浸透しにくく、植物系繊維材料内部のセルロースやヘミセルロースの糖化反応性が低くなる。
以上のように、リグニンやペクチンに起因するセルロースやヘミセルロースの反応性低下により、天然の植物系繊維材料、特に木質系の植物系繊維材料では、糖化率の低下が生じやすい。
【０００９】
本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、木材片等の天然の植物系繊維材料であっても、短時間で糖化することが可能であり、且つ、糖化率向上が可能な、植物系繊維材料の糖化の前処理方法及び糖化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の植物系繊維材料の糖化の前処理方法は、植物系繊維材料を加水分解し単糖を生成する植物系繊維材料の糖化において、
前記植物系繊維材料に含まれるセルロースを糖化する糖化工程の前に、
クラスター酸と該クラスター酸が可溶な有機溶媒とを少なくとも含有するクラスター酸有機溶媒溶液中に、前記植物系繊維材料を浸漬することで前処理する、浸漬工程と、
前記浸漬工程後、前記有機溶媒を蒸留除去し、前記クラスター酸と前処理済み植物系繊維材料とを少なくとも含有する前処理済み混合物を得る、蒸留工程と、
を行うことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の前処理方法は、植物系繊維材料中のセルロース等を加水分解することにより、グルコースを主とする単糖を生成する、糖化工程の前に行うものである。本発明の前処理方法によれば、糖化工程の前に予め、クラスター酸が溶解した有機溶媒溶液中に植物系繊維材料を浸漬する（浸漬工程）ことによって、溶解状態のクラスター酸の作用により、植物系繊維材料に含まれるペクチンが分解される。ペクチンは、植物系繊維材料の内部に存在するセルロースやヘミセルロースと、クラスター酸等の糖化触媒との接触を阻害する。そのため、ペクチンが分解除去されることによって、糖化工程における植物系繊維材料内部への糖化触媒の浸透が促進され、糖化触媒とセルロース等との接触性が向上する。すなわち、糖化工程におけるセルロースやヘミセルロースの糖化反応が促進される。
また、上記浸漬工程におけるクラスター酸の作用によって、植物系繊維材料中のセルロースの結晶性が低下する。セルロースの結晶性が低下することにより、セルロースの糖化反応性が高まるため、植物系繊維材料の糖化率が向上する。しかも、溶解状態のクラスター酸によって、植物系繊維材料のアモルファスのセルロースの一部は、浸漬工程において加水分解され、糖化する。
以上のように、前処理方法における浸漬工程によって、後続の糖化工程における植物系繊維材料の糖化反応を促進することが可能である。ゆえに、本発明の前処理方法によれば、植物系繊維材料の糖化工程の短縮化及び糖化率向上が可能であり、さらには、糖化工程温度の低温化も期待できる。
【００１２】
浸漬工程後、クラスター酸を溶解するために用いた有機溶媒を蒸留除去する（蒸留工程）ことによって得られる前処理済み混合物は、そのまま、或いは、必要に応じて、糖化工程に必要な成分を添加、又は、クラスター酸を除去し、糖化工程に投入することができる。
【００１３】
前記浸漬工程は、室温〜４０℃以下の温度条件下で行うことができる。
【００１４】
前記クラスター酸を可溶な前記有機溶媒としては、該有機溶媒に対する前記クラスター酸の溶解度が１００ｇ／１００ｍｌ以上であり、且つ、該有機溶媒の沸点が５０〜１００℃であるものが好適である。
前記有機溶媒の具体例としては、エタノールが挙げられる。
【００１５】
本発明の植物系繊維材料の糖化方法は、植物系繊維材料を加水分解し単糖を生成する植物系繊維材料の糖化において、上記前処理方法によって得られた前記前処理済み混合物を、前記植物系繊維材料に含まれるセルロースを糖化する糖化工程に投入し、該前処理済み混合物中の前処理済み植物系繊維材料を、該前処理済み混合物中のクラスター酸によって糖化することを特徴とするものである。
本発明の糖化方法によれば、上記前処理方法によって得られた前処理済み混合物を、糖化工程に投入し、該前処理済み混合物に含まれるクラスター酸を糖化触媒として、引き続き、植物系繊維材料の糖化を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、木材片等の天然の植物系繊維材料であっても、短時間で糖化することが可能であり、また、糖化率の向上も可能である。さらには、糖化反応温度の低温化も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ヘテロポリ酸のケギン構造を示す図である。
【図２】クラスター酸の結晶水率と見かけの融解温度の関係を示すグラフである。
【図３】実施例におけるＸＲＤ測定の結果を示すものである。
【図４】本発明の実施例２における前処理及び糖化工程のフローチャートである。
【図５】本発明の実施例２における糖化分離工程のフローチャートである。
【図６】本発明の実施例３における前処理及び糖化工程のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の植物系繊維材料の糖化の前処理方法は、植物系繊維材料を加水分解し単糖を生成する植物系繊維材料の糖化において、前記植物系繊維材料に含まれるセルロースを糖化する糖化工程の前に、（１）クラスター酸と該クラスター酸が可溶な有機溶媒とを少なくとも含有するクラスター酸有機溶媒溶液中に、前記植物系繊維材料を浸漬することで前処理する、浸漬工程と、（２）前記浸漬工程後、前記有機溶媒を蒸留除去し、前記クラスター酸と前処理済み植物系繊維材料とを少なくとも含有する前処理済み混合物を得る、蒸留工程と、を行うことを特徴とする。
【００１９】
代表的なクラスター酸であるヘテロポリ酸は、径が１〜２ｎｍ程度、典型的には１ｎｍ強であり、植物系繊維材料内を拡散可能な分子サイズを有しているが、天然の植物系繊維材料には、セルロースやヘミセルロース、リグニンが複雑に混在しており、これらによりクラスター酸の拡散が妨げられている。また、植物系繊維材料に含まれる撥水性のペクチンによって、植物系繊維材料内部へのクラスター酸や水等の浸透が阻害されている。
【００２０】
本発明者らは、セルロースやヘミセルロースの加水分解（糖化）に対して優れた触媒作用を発現するクラスター酸を用い、上記浸漬工程（１）を実施することによって、以下のように植物系繊維材料の糖化率向上及び糖化反応時間の短縮化が可能であることを見出した。
本発明の前処理方法において、クラスター酸は有機溶媒に溶解されることにより、セルロースやヘミセルロースの糖化促進作用の他、結晶性セルロースの結晶性低下作用、ペクチンの分解促進作用を発現すると共に、植物系繊維材料中への浸透性が高まっている。このような溶解状態のクラスター酸を含有するクラスター酸有機溶媒溶液に、植物系繊維材料を浸漬することによって、溶解状態のクラスター酸により、植物系繊維材料の表面のペクチン等の撥水性成分が分解され、植物系繊維材料の撥水性が低下する。また、溶解状態のクラスター酸が、植物系繊維材料内のリグニンの間に浸透する。その結果、植物系繊維材料は、水や、溶解状態又は擬融解状態のクラスター酸等の糖化触媒となじみやすくなる。
【００２１】
これにより、溶解状態のクラスター酸の植物系繊維材料内部への浸透性が向上し、植物系繊維材料に含有されるセルロース、ヘミセルロースとの接触性が向上する。また、ペクチンの分解により、植物系繊維材料の水や糖化触媒とのなじみが向上すると共に、糖化工程におけるセルロースやヘミセルロースと水及び糖化触媒との接触機会が向上するため、糖化工程における糖化反応が促進される。
【００２２】
さらに、本発明者らは、浸漬工程において、溶解状態のクラスター酸の作用により、植物系繊維材料中のセルロースの結晶性が低下することを見出した。結晶性が低下することにより、セルロースの糖化反応性は高まる。また、本発明者らは、アモルファスのセルロースの一部は、浸漬工程において、加水分解され、糖化することも見出した。
以上のように、本発明の前処理方法によれば、ペクチンの分解除去、並びにセルロースの結晶性低下により、糖化工程における、植物系繊維材料と糖化触媒や水との接触性を大きく向上させることができる。また、セルロース、ヘミセルロースを可溶化、すなわち、セロオリゴ糖（グルコースが１０個以下程度結合したもの）に変えることができる。さらに、本発明の前処理方法によれば、糖化工程の前に、セルロースの一部を糖化することができる。従って、本発明によれば、糖化工程の短縮化、反応温度の低温化等の反応条件の緩和が可能であり、また、糖化率を向上させることもできる。
【００２３】
浸漬工程に続く蒸留工程において、クラスター酸を溶解するために用いた有機溶媒を蒸留除去することによって、得られる前処理済み混合物は、そのまま、或いは、必要に応じて、糖化工程に必要な成分を添加、又は、クラスター酸を除去し、糖化工程に投入することができる。
【００２４】
以下、本発明の植物系繊維材料の糖化の前処理方法及び糖化方法について詳しく説明していく。尚、ここでは、糖化工程において、クラスター酸を糖化触媒として用いる糖化方法について説明する。
本発明の前処理方法は、少なくとも浸漬工程と蒸留工程とを備える。
まず、植物系繊維材料を、クラスター酸と該クラスター酸を可溶な有機溶媒とを少なくとも含有するクラスター酸有機溶媒溶液に浸漬する工程（浸漬工程）について説明する。
【００２５】
植物系繊維材料としては、セルロースやヘミセルロースを含むものであれば特に限定されず、例えば、広葉樹、竹、針葉樹、ケナフ、家具の廃材、稲わら、麦わら、籾殻、バガス、サトウキビの絞りかす等のセルロース系バイオマスが挙げられる。また、上記バイオマスから分離されたセルロースやヘミセルロース或いは人工的に合成されたセルロースやヘミセルロースそのものでもよい。本発明においては、セルロース系バイオマスとして上記に例示した天然の植物系繊維であっても、高い糖化率及び糖化工程の短縮が可能である。
これら植物系繊維材料は、反応系における分散性の観点から、通常、粉末状のものを用いる。粉末状にする方法としては、一般的な方法に準じればよい。本発明においては、前処理工程により、糖化工程におけるクラスター酸と植物系繊維材料の反応機会が向上しているため、５０μｍ以上の直径を有する植物系繊維材料であっても、高い反応率を確保することができる。クラスター酸との混合性、反応機会向上の観点から、特に数μｍ〜１ｍｍ程度の直径を有する粉末状であることが好ましい。
【００２６】
また、植物系繊維材料は必要に応じて、予め蒸解処理を施すことによって、含有されるリグニンを溶解しておいてもよい。リグニンを溶解除去しておくことによって、糖化工程におけるクラスター酸とセルロースとの接触機会の向上が可能である同時に、糖化反応混合物に含まれる残渣量を低減することができ、残渣中に生成した糖やクラスター酸が混入することによる、糖収率低下やクラスター酸回収率低下の抑制が可能である。蒸解処理を施す場合には、植物系繊維材料の粉砕度を比較的小さくする（粉砕が荒い）ことができるため、繊維材料を粉末状にするための手間、コスト、エネルギーを削減できるという効果もある。
蒸解処理としては、例えば、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）2、Ｎａ2ＳＯ3、ＮａＨＣＯ3、ＮａＨＳＯ3、Ｍｇ（ＨＳＯ3）2、Ｃａ（ＨＳＯ3）2などのアルカリや塩及びその水溶液、これらにさらにＳＯ2溶液を混合したもの、ＮＨ3等のガスと、植物系繊維材料（例えば、数ｃｍ〜数ｍｍ）を、水蒸気下で接触させる方法が挙げられる。具体的な条件として、反応温度は１２０〜１６０℃、反応時間は数十分から１時間程度でよい。
【００２７】
本発明において用いるクラスター酸としては、ホモポリ酸でも、ヘテロポリ酸でもよいが、ヘテロポリ酸が好ましい。ヘテロポリ酸としては特に限定されず、ＨwＡxＢyＯz（Ａ：ヘテロ原子、Ｂ：ポリ酸の骨格となるポリ原子、ｗ：水素原子の組成比、ｘ：ヘテロ原子の組成比、ｙ：ポリ原子の組成比、ｚ：酸素原子の組成比）の一般式で表されるものが挙げられる。ポリ原子Ｂとしては、ポリ酸を形成することができるＷ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ等の原子が挙げられる。ヘテロ原子Ａとしては、ヘテロポリ酸を形成することができるＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｂ等の原子が挙げられる。ヘテロポリ酸一分子内に含有されるポリ原子及びヘテロ原子は１種でもあっても２種以上であってもよい。
【００２８】
中でもタングステン酸塩であるリンタングステン酸  Ｈ3［ＰＷ12Ｏ40］、珪タングステン酸  Ｈ4［ＳｉＷ12Ｏ40］が好ましい。次いで、モリブデン酸塩であるリンモリブデン酸  Ｈ3［ＰＭｏ12Ｏ40］、珪モリブデン酸  Ｈ4［ＳｉＭｏ12Ｏ40］等を好適に用いることができる。また、水素の一部又は全部を置換した置換体も用いることができる。
【００２９】
ここで、ケギン型［Ｘn+Ｍ12Ｏ40：Ｘ＝Ｐ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ等、Ｍ＝Ｍｏ、Ｗ等］のヘテロポリ酸（リンタングステン酸）の構造を図１に示す。八面体ＭＯ6単位からなる多面体の中心に四面体ＸＯ4が存在し、この構造の周囲に結晶水を多くもつ。尚、クラスター酸の構造は特に限定されず、上記ケギン型の他、例えば、ドーソン型等でもよい。
尚、ここでは結晶状態のクラスター酸、及び、数分子のクラスター酸で構成されるクラスター状態のクラスター酸と水和又は配位する水を、一般的に使用される「結晶水」という用語で代用する。この結晶水にはクラスター酸を構成するアニオンと水素結合したアニオン水、カチオンに配位した配位水、カチオン及びアニオンと配位しない格子水の他、ＯＨ基の形で含まれているものも含まれる。
また、クラスター状態のクラスター酸とは、１〜数分子程度のクラスター酸から構成される集合体であり、結晶とは異なる。固体状態、擬融解状態、溶媒中に溶解（コロイド状も含む）した状態でもクラスター状態とすることができる。
【００３０】
上記したようなクラスター酸は、常温では固体状であるが、加熱し、温度が上がると擬融解状態となり、セルロースやヘミセルロースの糖化反応（加水分解反応）に対して触媒活性を発現する糖化触媒として作用すると共に、反応溶媒としても作用する。ここで、擬融解状態とは、見かけ上、融解しているようであるが、完全に融解した液体状態ではなく、クラスター酸が液中に分散しているコロイド（ゾル）に近い状態であり、流動性を示している状態である。クラスター酸が擬融解状態であるかどうかは、目視により確認したり、或いは、均一系の場合、ＤＴＧ（示差熱量計）等でも確認することができる。
クラスター酸の擬融解状態は、温度と、クラスター酸が含有する結晶水の量によって変わってくる（図２参照）。具体的には、クラスター酸であるリンタングステン酸は、含有する結晶水が多くなると擬融解状態を発現する温度が低下する。すなわち、結晶水を多く含むクラスター酸は、相対的に結晶水量が少ないクラスター酸よりも低い温度でセルロースの糖化反応に対する触媒作用を発現する。つまり、糖化工程の反応系におけるクラスター酸が含有する結晶水の量をコントロールすることで、擬融解温度においてクラスター酸を擬融解状態とすることができる。例えば、リンタグステン酸を用いる場合は、結晶水量によって糖化反応温度を１１０℃〜４０℃の範囲内で制御可能である（図２参照）。
【００３１】
尚、図２は、代表的なクラスター酸であるヘテロポリ酸（リンタングステン酸）の結晶水率と、擬融解状態を発現し始める温度（見かけ上の融解温度）との関係を示すものであり、クラスター酸は、曲線より下の領域では凝固状態であり、曲線より上の領域では擬融解状態である。また、図２において、結晶水率（％）とは、クラスター酸（リンタングステン酸）の標準結晶水量ｎ（ｎ＝３０）を１００％とした値である。結晶水の量は、クラスター酸が８００℃のような高温であっても熱分解して揮発する成分がないため、熱分解法（ＴＧ測定）によって特定することができる。
【００３２】
ここで、標準結晶水量とは、室温で固体状態のクラスター酸１分子が含有する結晶水の量（分子数）であり、クラスター酸の種類によって異なる。例えば、リンタングステン酸は約３０〔Ｈ3［ＰＷ12Ｏ40］・ｎＨ2Ｏ（ｎ≒３０）〕、珪タングステン酸は約２４〔Ｈ4［ＳｉＷ12Ｏ40］・ｎＨ2Ｏ（ｎ≒２４）〕、リンモリブデン酸は約３０〔Ｈ3［ＰＭｏ12Ｏ40］・ｎＨ2Ｏ（ｎ≒３０）〕である。
【００３３】
クラスター酸が含有する結晶水量は、糖化反応系内に存在する水分量をコントロールすることで調節することができる。具体的には、クラスター酸の結晶水量を多くしたい、つまり、糖化反応温度を低くしたい場合には、例えば、植物系繊維材料とクラスター酸を含む混合物に水を添加したり、反応系の雰囲気の相対湿度を高くする等して、加水分解の反応系に水を追加すればよい。その結果、クラスター酸が結晶水として追加された水を取り込み、クラスター酸の見かけ上の融解温度は低下する。
【００３４】
一方、クラスター酸の結晶水量を少なくしたい場合、つまり、糖化反応温度を高くしたい場合には、糖化反応系から水を除去、例えば、反応系を加熱して水を蒸発させたり、植物系繊維材料とクラスター酸を含む混合物に乾燥剤を添加する等することで、クラスター酸の結晶水を減少させることができる。その結果、クラスター酸の見かけ上の融解温度は高くなる。
以上のように、クラスター酸の結晶水量は容易にコントロールが可能であり、結晶水量の制御によりセルロースの糖化反応温度も容易に調整可能である。
【００３５】
また、クラスター酸は、擬融解状態に限らず、有機溶媒に溶解した状態でも、セルロースやヘミセルロースの糖化反応に対して触媒活性を示す。このように、溶解状態のクラスター酸を用いる場合、クラスター酸と植物系繊維材料の混合性、接触性が高いために、植物系繊維材料に含まれるセルロースの糖化反応性を保持しつつ、擬融解状態のクラスター酸を用いる場合と比較して、クラスター酸の使用量を低減できる。すなわち、生成する糖単位重量あたりのクラスター酸使用量を低減することができ、糖の製造コスト削減が可能である。
【００３６】
本発明では、上記のようにセルロースやヘミセルロースの糖化反応に対して触媒活性を示すクラスター酸を、糖化原料である植物系繊維材料の前処理に用いる。具体的には、クラスター酸とクラスター酸を溶解可能な有機溶媒とを少なくとも含有する、クラスター酸有機溶媒溶液に、植物系繊維材料を浸漬する（浸漬工程）。
植物系繊維材料を浸漬する、クラスター酸を溶解可能な有機溶媒（以下、浸漬用溶媒ということがある）としては、クラスター酸を溶解し、且つ、後続の蒸留工程において、蒸留除去可能であればよく、特に限定されない。
具体的には、浸漬用溶媒に対するクラスター酸の溶解度が１００ｇ／１００ｍｌ以上、特に２００ｇ／１００ｍｌ以上であるものが好ましい。
また、蒸留工程における蒸留効率の観点から、浸漬用溶媒の沸点は、１００℃以下、特に８０℃以下であることが好ましい。一方、処理時の安全性の観点から、浸漬用溶媒の沸点は、３０℃以上、特に５０℃以上であることが好ましい。以上の観点から、浸漬用溶媒の沸点は、５０〜１００℃であることが好ましい。
【００３７】
浸漬用溶媒として特に好ましく用いられるものとして、エタノールが挙げられる。エタノールは、代表的なクラスター酸であるヘテロポリ酸の溶解性が非常に高く、且つ、沸点が７８℃と、５０〜１００℃の範囲内であるからである。浸漬用溶媒としては、エタノールの他、メタノール、ｎ−プロパノール等のアルコール類、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル等のエーテル類、等を用いることもできる。
【００３８】
浸漬用溶媒中のクラスター酸濃度は、特に限定されず、用いるクラスター酸及び浸漬用溶媒にもよるが、反応速度の観点から、通常、５０ｇ／１００ｍｌ以上、特に１００ｇ／１００ｍｌ以上、さらに、２００ｇ／ｍｌ以上とすることが好ましい。一方、コスト性、分離の容易性の観点から、通常、４００ｇ／１００ｍｌ以下、さらに、２００ｇ／ｍｌ以下とすることが好ましい。
また、浸漬工程における、植物系繊維材料とクラスター酸の比率は、特に限定されず、適宜決定することができる。具体的には、用いる植物系繊維材料の性状（例えば、サイズ等）や種類、クラスター酸の種類等によっても異なるが、クラスター酸：植物系繊維材料（重量比）＝１：２〜３：１、特に１：２〜２：１の範囲内であることが好ましい。
【００３９】
クラスター酸を浸漬用溶媒に溶解したクラスター酸有機溶媒溶液には、必要に応じて、クラスター酸及び浸漬用溶媒以外の成分を添加してもよい。例えば、糖化工程において植物系繊維材料の糖化に必要な加水分解用の水の全量又一部を、クラスター酸有機溶媒溶液中に添加しておいてもよい。このとき、蒸留工程において、浸漬用溶媒と共に加水分解用の水が除去されないように、浸漬用溶媒としては、水より沸点の低いものを用いることになる。浸漬工程においては、上記したように、セルロースのアモルファス部分の糖化反応も起こるため、クラスター酸有機溶媒溶液中に水を含有させておくことによって、浸漬工程におけるセルロース等の糖化反応を促進することができる。
添加する加水分解用の水の量は、特に限定されないが、過剰量添加すると、糖化工程におけるエネルギー効率が低下することから、糖化工程に投入する植物系繊維材料中のセルロースやヘミセルロースの糖化及びクラスター酸の擬融解状態に必要な量を超えない量とすることが好ましい。
【００４０】
浸漬工程は、室温（目安１５〜２５℃）〜４０℃の範囲で行うことができる。上記したような、溶解状態のクラスター酸の浸漬工程における植物系繊維材料に対する作用は、このような比較的低温条件下でも充分に強いために、特に加熱しなくても、充分な効果が得られるからである。エネルギー効率等の観点から、浸漬工程は、室温近傍の温度条件下行うことが好ましい。ここで、浸漬工程の温度とは、クラスター酸有機溶媒溶液の温度である。
また、植物系繊維材料のクラスター酸有機溶媒溶液中への浸漬時間は、特に限定されないが、通常、２日〜２ヶ月程度でよく、２日〜７日程度でもよい。
【００４１】
浸漬工程は、典型的には、クラスター酸有機溶媒溶液中に、植物系繊維材料を浸漬し、適宜１０〜６０分間程度攪拌した後、上記浸漬時間、放置すればよい。浸漬工程中、攪拌を続けてもよいが、浸漬用溶媒として、エタノール等のクラスター酸の溶解性に非常に優れた有機溶媒を用いる場合には、放置しても充分な効果があり、エネルギー効率もよい。
【００４２】
浸漬工程が終了後、浸漬用溶媒を蒸留除去する（蒸留工程）。蒸留工程において、浸漬用溶媒の蒸留方法としては、公知の方法を採用することができ、例えば、常圧蒸留、減圧蒸留等が挙げられ、好ましくは減圧蒸留である。
浸漬用溶媒を蒸留除去して得られる前処理済み混合物には、少なくとも、クラスター酸、クラスター酸処理された植物系繊維材料が含まれる。浸漬工程において、セルロースのアモルファス部分の糖化が生じた場合、前処理済み混合物には生成した糖が含まれる。また、加水分解用の水を添加した場合、水も前処理済み混合物に含まれる。
【００４３】
蒸留工程後、得られた前処理済み混合物は、糖化工程においてクラスター酸を糖化触媒として用いる場合には、糖化工程の原料として糖化工程に投入することができる。また、糖化工程においてクラスター酸以外の糖化触媒を用いる場合には、クラスター酸を除去することで、糖化工程の原料として用いることができる。クラスター酸の除去方法は、後述の分離工程と同様の方法を採用することができる。具体的には、クラスター酸触媒にとって良溶媒であるが糖にとって貧溶媒である溶媒を添加し、固液分離することで、クラスター酸を溶解含有する溶液と、前処理済み植物系繊維材料や生成した糖等を含む固体分とに分離することができる。
以下、クラスター酸を糖化触媒として用いる糖化工程について説明する。
【００４４】
尚、ここでは、主としてセルロースからグルコースを生成させる工程を中心に説明しているが、植物系繊維材料にはセルロース以外にヘミセルロースも含まれ、また、生成物もグルコース以外にキシロース等のその他の単糖もあり、これらの場合も本発明の範囲に含まれる。
【００４５】
本発明の糖化方法では、糖化工程において、上記前処理方法によって得られた前処理済み混合物を投入し、前処理済み混合物中の前処理済み植物系繊維材料に含まれるセルロースを加水分解し、単糖を生成させる。前処理済み混合物には、新たに植物系繊維材料やクラスター酸を追加してもよい。
【００４６】
上記したように、クラスター酸は、擬融解状態でも溶解状態でも、セルロースの糖化反応に対する触媒活性を発現する。
クラスター酸を擬融解状態で使用する場合、植物系繊維材料とクラスター酸との比率は、用いる植物系繊維材料の性状（例えば、サイズ等）や種類、糖化工程における攪拌方法や混合方法等によって異なる。そのため、糖化工程の実施条件に応じて、適宜決定すればよいが、クラスター酸：植物系繊維材料（重量比）＝１：１〜４：１の範囲内であることが好ましく、通常は、１：１〜３：１程度でよい。但し、この割合は、混合方法によって変化するが、エネルギーコストを考慮すると、クラスター酸はできるだけ少ない方がよい。
また、ここで、クラスター酸と植物系繊維材料の比率における各重量は、糖化工程において、前処理済み混合物に新たに植物系繊維材料やクラスター酸を追加する場合には、前処理を施した植物系繊維材料と追加した植物系繊維材料の仕込み量の総量を植物系材料の重量、前処理に用いたクラスター酸と追加したクラスター酸の総量をクラスター酸の重量とし、前処理済み混合物のみを用いた場合には、前処理を施した植物系繊維材料の重量、前処理に用いたクラスター酸の重量とする。
【００４７】
擬融解状態のクラスター酸は、反応溶媒としても機能するため、植物系繊維材料の形態（大きさ、繊維の状態等）、クラスター酸と植物系繊維材料の混合比及び体積比等にもよるが、糖化工程において、反応溶媒としての水や有機溶剤等を用いなくてよい。
【００４８】
一方、クラスター酸を溶解状態で使用する場合、すなわち、クラスター酸を溶解可能な有機溶媒を反応溶媒とし、該有機溶媒にクラスター酸を溶解して使用する場合、該有機溶媒（以下、反応溶媒ということがある）としては、少なくとも糖化反応（加水分解）の反応温度において、クラスター酸を可溶であればよいが、通常は、糖化反応の反応温度以下の温度、典型的には、室温においても、クラスター酸を可溶であるものを用いる。具体的には、クラスター酸の溶解度が、５０ｇ／１００ｍｌ以上、特に２５０ｇ／１００ｍｌ以上、さらに５００ｇ／１００ｍｌ以上のものが好ましい。
糖化工程における反応溶媒の蒸発を抑制する観点からは、反応溶媒は、糖化工程における反応温度よりも沸点が高いことが好ましい。具体的には、反応溶媒の沸点が、９０℃以上、特に１２５℃以上、さらに１５０℃以上であることが好ましい。
【００４９】
また、糖化工程の後工程である、糖の分離工程において、糖の分離効率を高めるためには、反応溶媒は、グルコースなどの糖が難溶であることが好ましい。反応溶媒に対して糖が難溶である場合、糖化工程において、生成した糖は反応溶媒中で析出するため、糖化工程後に得られる糖化反応混合物（生成した糖、クラスター酸、反応溶媒、場合によっては残渣等を含む）を、濾過などにより固液分離することで、クラスター酸及び反応溶媒を含有する液体分と、糖を含む固体分とに分離することができる。
ここで、糖が難溶な有機溶媒とは、有機溶媒に対する糖の溶解度が、１ｇ／１００ｍｌ以下である有機溶媒を指し、好ましくは、０．２ｇ／１００ｍｌ以下、さらに好ましくは０．１ｇ／１００ｍｌ以下である。最も好ましいのは、糖が反応溶媒に不溶（溶解度が０ｇ／１００ｍｌ）であることである。
【００５０】
上記のようなクラスター酸可溶性及び糖難溶性を有する有機溶媒としては、例えば、極性有機溶媒、具体的には、比誘電率が８以上の極性有機溶媒、さらに具体的には比誘電率が８〜１８の極性有機溶媒が挙げられる。
上記観点から、反応溶媒としては、糖化工程温度よりも高い沸点を有し、且つ、糖が難溶である極性有機溶媒が好適である。具体的には、沸点が９０℃以上、且つ、比誘電率が８〜１８の極性有機溶媒が好適である。
【００５１】
反応溶媒として好適なものは、特に限定されないが、具体的には、炭素数６〜炭素数１０のアルコール（直鎖状でも分岐構造を有していてもよい）が挙げられ、中でも引火性の観点から、炭素数８〜炭素数１０のアルコールが好ましい。具体的には、１−ヘキサノール、１−ヘプタノール、２−ヘプタノール、１−オクタノール、２−オクタノール、１−デカノール、１−ノナノール等が挙げられ、中でも、１−オクタノール、２−オクタノール、１−デカノール、１−ノナノールが好ましく、特に１−オクタノール、２−オクタノールが好ましい。
【００５２】
糖化工程において、クラスター酸を反応溶媒に溶解して使用する場合、植物系繊維材料とクラスター酸との好ましい比率は、用いる植物系繊維材料の性状（例えば、サイズ、繊維材料の種類等）、糖化工程における攪拌方法、反応溶媒の使用量等によって異なる。そのため、糖化工程の実施条件に応じて、適宜決定すればよい。例えば、具体的には、クラスター酸：植物系繊維材料（重量比）＝１：４〜１：１の範囲内であることが好ましく、特に、１：４〜１：２とすることもできる。但し、この割合は、混合方法によって変化するが、エネルギーコストを考慮すると、クラスター酸はできるだけ少ない方がよい。また、クラスター酸と植物系繊維材料の比率における重量は、クラスター酸を擬溶融状態で用いる場合と同様とする。
また、クラスター酸を反応溶媒に溶解して用いる場合には、予め、前処理済み反応物と反応溶媒とを混合し、クラスター酸を反応溶媒に溶解させておくことが好ましい。
【００５３】
クラスター酸は、上記したように、その酸強度の強さから低温でもセルロースやヘミセルロースの糖化反応に対して高い触媒活性を示す。また、クラスター酸分子の大きさは、径が１〜２ｎｍ程度であるため、原料である植物系繊維材料との混合性にも優れ、効率よくセルロースの糖化反応を促進することができる。従って、温和な条件でのセルロースの糖化が可能であり、エネルギー効率が高く、環境負荷が小さい。
さらに、クラスター酸を触媒として用いる場合、糖と触媒の分離効率が高く、容易に分離可能である。クラスター酸は温度によっては固形状態となるため、生成物である糖類との分離が可能である。従って、分離したクラスター酸を回収し、再利用することも可能である。すなわち、クラスター酸をセルロースの糖化触媒として利用する本発明は、植物系繊維材料の糖化分離におけるコスト削減が可能であり、且つ、環境負荷も小さい。
【００５４】
糖化工程においては、セルロースが加水分解されるための水が必要である。具体的には、ｎ個のグルコースが重合したセルロースをｎ個のグルコースに分解するためには、（ｎ−１）個の水分子が必要である。従って、糖化反応系内には、少なくとも、植物系繊維材料に含まれるセルロース全量がグルコースに加水分解されるのに必要な水分を添加する。好ましくは、植物系繊維材料として仕込まれたセルロース全量がグルコースに加水分解されるのに必要最低限の水分を添加する。過度の水分を添加すると、生成した糖及びクラスター酸が余剰の水分に溶解し、糖分離工程が煩雑となるからである。
一方、クラスター酸を擬融解状態で使用する場合には、反応系内に、クラスター酸が反応温度において擬融解状態となるのに必要な結晶水量分の水分と、仕込まれたセルロース全量がグルコースに加水分解されるのに必要な水分の合計量が存在しない場合、クラスター酸の結晶水がセルロースの加水分解に使用され、クラスター酸の結晶水が減少し、クラスター酸が凝固状態となってしまう。すなわち、クラスター酸と植物系繊維材料との接触性が低下するばかりか、植物系繊維材料とクラスター酸の混合物の粘度が増加し、該混合物を充分に混合するのに時間がかかってしまう。
【００５５】
水分の添加時期は特に限定されない。例えば、上記したように、前処理の時点でクラスター酸有機溶媒溶液中に一部又は全部を添加してもよいし、糖化工程において、前処理済み混合物に一部又は全部を添加してもよい。尚、糖化工程において、加熱により反応系の相対湿度が低下しても、グルコースの糖化に要する水分が確保できるようにしておくことが好ましい。具体的には、予定の反応温度で反応系の雰囲気が飽和蒸気圧となるように、例えば、予め密閉された反応容器内で、糖化反応温度で飽和蒸気圧状態を作り、密閉状態を保持したまま温度を下げて蒸気を凝縮させておく方法が挙げられる。
【００５６】
糖化工程における反応温度の低下は、エネルギー効率を向上させることができるという利点がある。また、糖化工程の温度によって、植物系繊維材料に含まれるセルロースの加水分解のグルコース生成の選択性が変化する。反応温度が高くなると反応率が高くなることは一般的なことであり、例えば、特開２００８−２７１７８７にて報告したように、結晶水率１６０％のリンタングステン酸を用いたセルロースの糖化反応においても、５０℃〜９０℃における反応率Ｒは温度が高くになるにつれて上昇し、８０℃位ではほぼ全てのセルロースが反応する。一方、グルコースの収率は、５０℃〜６０℃にかけてはセルロースの反応率と同様の増加傾向を示すが、７０℃をピークに減少する。すなわち、５０〜６０℃において高選択的にグルコースが生成するのに対して、７０〜９０℃においてグルコース生成以外の反応、例えば、キシロース等のその他の糖生成や分解物生成等が進行する。
従って、糖化反応温度は、セルロースの反応率とグルコース生成の選択性を左右する重要な要素であり、エネルギー効率の観点から糖化反応の温度は低いことが好ましい旨を述べたが、セルロースの反応率やグルコース生成の選択性等も考慮して糖化反応の温度を決定することが好ましい。
【００５７】
糖化工程における温度条件は、上記したようにいくつかの要素（例えば、反応選択率、エネルギー効率、セルロースの反応率、等）を考慮して適宜決定すればよいが、エネルギー効率、セルロースの反応率、グルコース収率のバランスから、通常、１４０℃以下とすることが好ましく、特に１２０℃以下とすることが好ましく、植物系繊維材料の形態によっては、１００℃以下のような低温でも可能である。さらに、本発明においては、前処理によって、植物系繊維材料中のセルロースの糖化反応性、セルロースとクラスター酸の接触機会が高められているため、７０〜９０℃、さらには、５０〜９０℃のような反応温度の低温化も可能である。
【００５８】
また、糖化工程における圧力は、特に限定されないが、クラスター酸のセルロースの糖化反応に対する触媒活性が高いことから、常圧（大気圧）〜１ＭＰａのような温和な圧力条件下でも効率よくセルロースの加水分解を進行させることができる。
【００５９】
糖化工程におけるクラスター酸と植物系繊維材料を含む混合物は粘度が高いため、その攪拌方法は、例えば、加熱ボールミル等が有利であるが、一般的な攪拌器でもよい。
【００６０】
糖化工程の時間は特に限定されず、用いる植物系繊維材料の形状、植物系繊維材料とクラスター酸の比率、クラスター酸の触媒能、反応温度、反応圧力等によって、適宜設定すればよい。本発明の糖化方法においては、前処理によって、植物系繊維材料中のセルロースの糖化反応性、セルロースとクラスター酸の接触機会が高められているため、反応時間を短縮化することができる。具体的には、植物系繊維材料を本発明の前処理方法による前処理を行わずに用いた場合と比較して、糖化工程時間を半分に短縮化することも可能である。
【００６１】
糖化工程終了後、反応系の温度を下げると、糖化工程において生成した糖は、糖化反応混合物中、糖を溶解する水が存在する場合には糖水溶液として、溶解する水がない場合には析出して固体状態で含有される。生成した糖のうち一部は糖水溶液、残りは固体状態で糖化反応混合物中に含有されることもある。一方、クラスター酸も温度低下により固体状態（擬融解状態で使用した場合）となっているか、或いは、反応溶媒に溶解（反応溶媒に溶解して使用した場合）している。
尚、クラスター酸もまた、水溶性を有するため、糖化工程後の混合物の含水量によってはクラスター酸も水に溶解している。また、前処理の条件や糖化工程の条件、使用する植物系繊維材料によっては、糖化反応混合物には、残渣（未反応セルロース、リグニンなど）も固体分として含まれる。
【００６２】
得られた糖化反応混合物は、以下のような糖分離工程によって、生成した糖（主にグルコース）と、クラスター酸とを分離することができる。尚、ここでは、糖化工程において、クラスター酸を擬融解状態にして用いた場合と、反応溶媒に溶解して用いた場合とにわけて、糖分離工程を説明する。尚、糖とクラスター酸を分離する方法は、以下の方法に限定されない。
【００６３】
まず、擬融解状態にして用いた場合について説明する。クラスター酸は、グルコースを主とする糖が難溶乃至不溶である有機溶媒に溶解性を示す。ゆえに、糖にとっては貧溶媒であり、且つ、クラスター酸にとっては良溶媒である有機溶媒（以下、分離用溶媒とする）を、糖化反応混合物に添加、攪拌し、クラスター酸を該有機溶媒に選択的に溶解させた後、固液分離することによって、クラスター酸を溶解含有する有機溶媒溶液（液体分）と、糖を含む固体分とに分離することができる。糖を含む固体分には、使用する植物系繊維材料、糖化工程及び前処理の条件によっては残渣等も含まれる。有機溶媒溶液と固体分とに分離する方法は、特に限定されず、デカンテーション、濾過等の一般的な固液分離方法を採用することができる。
【００６４】
分離用溶媒としては、クラスター酸にとっては良溶媒であるが、糖にとっては貧溶媒であるという溶解特性を有するものであれば特に限定されないが、分離用溶媒への糖の溶解を抑えるためには、分離用溶媒に対する糖の溶解度が０．６ｇ／１００ｍｌ以下であることが好ましく、特に、０．０６ｇ／１００ｍｌ以下であることが好ましい。このとき、クラスター酸の回収率を高めるためには、分離用溶媒に対するクラスター酸の溶解度が２０ｇ／１００ｍｌ以上、特に、４０ｇ／１００ｍｌ以上であることが好ましい。
【００６５】
分離用溶媒として、具体的には、例えば、エタノール、メタノール、ｎ−プロパノール、オクタノール等のアルコール類、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル等のエーテル類などが挙げられる。アルコール類及びエーテル類は好適に用いることができ、中でも、溶解性及び沸点の観点から、エタノール及びジエチルエーテルが好適である。ジエチルエーテルは、グルコース等の糖が不溶であり、且つ、クラスター酸の溶解性が高いため、糖とクラスター酸を分離する溶媒として最適なものの一つである。一方、エタノールもグルコース等の糖が難溶であり、且つ、クラスター酸の溶解性が高いため最適な溶媒の一つである。ジエチルエーテルはエタノールと比較して蒸留において有利であり、エタノールは、ジエチルエーテルよりも入手しやすいという利点を有している。
【００６６】
分離用溶媒の使用量は、その有機溶媒の糖及びクラスター酸に対する溶解特性や、糖化反応混合物に含有される水分の量などによって異なってくるため、適宜適当な量を決定すればよい。
糖化反応混合物と分離用溶媒との攪拌は、分離用溶媒の沸点等にもよるが、通常は、室温〜６０℃の範囲で行うことが好ましい。また、糖化反応混合物と分離用溶媒との攪拌方法等は特に限定されず、一般的な方法でよい。クラスター酸の回収効率の観点から、攪拌方法としては、ボールミル等による攪拌・粉砕が好適である。
【００６７】
固液分離により得られる固体分は、蒸留水等の水を添加し、攪拌することで、糖が水に溶解するため、さらに固液分離することによって、糖水溶液と、残渣等を含む固体分とを分離することができる。糖及びクラスター酸の回収率を向上させ、且つ、得られる糖の純度を高めるためには、さらに固体分に、分離用溶媒を添加、攪拌し、分離用溶媒による洗浄を行うことが好ましい（図５参照）。固体分に混入したクラスター酸を除去、回収することができるためである。固体分に分離用溶媒を添加した混合物は、糖化反応混合物同様、固液分離することにより固体分とクラスター酸有機溶媒溶液とに分離することができる。分離用溶媒による固体分の洗浄は、必要に応じて、複数回行うことができる（図５参照）。
【００６８】
一方、上記固液分離により得られる液体分（分離用溶媒にクラスター酸が溶解したもの）は、分離用溶媒を除去することによって、クラスター酸と分離用溶媒を分離し、クラスター酸を回収することができる。分離用溶媒の除去方法としては、特に限定されず、減圧蒸留、凍結乾燥等が挙げられ、中でも減圧蒸留が好ましい。回収されたクラスター酸は、再び、植物系繊維材料の糖化触媒として利用することができる。固体分の洗浄後、回収された分離用有機溶媒（クラスター酸を溶解含有）は、再び、固体分の洗浄に使用することもできる。
或いは、上記固液分離により得られる液体分（分離用溶媒にクラスター酸が溶解したもの）は、分離用溶媒が上記浸漬用溶媒としても利用可能なものである場合、本発明の前処理方法における、クラスター酸有機溶媒溶液として利用することも可能である。この場合、上記クラスター酸と分離用溶媒の分離が不要であり、植物系繊維材料の糖化のさらなる効率化が可能である。
【００６９】
尚、糖化工程における水分量によっては、糖化反応混合物中に、糖やクラスター酸を溶解含有する水溶液が含まれる場合がある。この場合、例えば、糖化反応混合物から水分を除去することで溶解している糖及びクラスター酸を析出させた後、分離用有機溶媒を添加、攪拌し、固液分離することで、糖を含む固体分と、クラスター酸を溶解含有する有機溶媒とに分離することができる。
特に好ましくは、糖化反応混合物中に含まれる全てのクラスター酸の結晶水率が１００％未満となるように、糖化反応混合物の水分量を調節することが好ましい。クラスター酸が多くの結晶水、典型的には、標準結晶水量以上の結晶水を有する場合、過剰な水分に生成物である糖が溶解し、クラスター酸有機溶媒溶液側に糖が混入することによって糖の回収率が低下してしまう。クラスター酸の結晶水率を１００％未満とすることで、このようにクラスター酸に糖が混入することを抑制することができる。
【００７０】
糖化反応混合物に含まれるクラスター酸の結晶水率を低下させる方法としては、糖化反応混合物の水分量を低下させることが可能な方法であればよく、例えば、反応系の密閉状態を解放し、加熱することで、加水分解混合物中の水分を蒸発させる方法や、加水分解混合物中に、乾燥剤等を添加し、加水分解混合物中の水分を除去する方法等が挙げられる。
【００７１】
次に、クラスター酸を反応溶媒に溶解して用いる場合について、説明する。
反応溶媒として、糖を難溶な有機溶媒を用いることによって、生成した糖は糖化反応混合物中において析出する。一方、クラスター酸は、反応溶媒に溶解しているため、糖化反応混合物を固液分離することによって、生成した糖を含む固体分と、クラスター酸と反応溶媒を含有する液体分とに分離することができる。生成した糖を含む固体分には、使用する植物系繊維材料によっては残渣等も含まれる。糖化反応混合物を固体分と液体分とに分離する方法は、特に限定されず、デカンテーション、濾過等の一般的な固液分離方法を採用することができる。
【００７２】
固液分離により得られる固体分は、蒸留水等の水を添加し、攪拌することで、糖が水に溶解するため、さらに固液分離することによって、糖水溶液と、残渣等を含む固形分とを分離することができる。
一方、固液分離により得られる液体分は、クラスター酸が反応溶媒に溶解したクラスター酸有機溶媒溶液として、再び、植物系繊維材料の糖化触媒及び反応溶媒として利用することができる。
【００７３】
糖分離工程において、糖化反応混合物に、反応溶媒と相溶性があると共に、該反応溶媒と比較して、クラスター酸の溶解性が高く、且つ、沸点が低い有機溶媒（以下、洗浄用溶媒という）を添加、攪拌し、濾過等の手段によりクラスター酸、反応溶媒及び洗浄用溶媒を含む液体分と、糖を含む固体分と、に固液分離することで、クラスター酸の回収率を高めると共に、得られる糖の純度を高めることができる。
まず、反応溶媒と相溶性があると共に、該反応溶媒よりもクラスター酸の溶解性が高い、洗浄用溶媒を添加することで、より多くのクラスター酸を反応溶媒と洗浄用溶媒を含む有機相（液相）に溶解させることができる。その結果、クラスター酸の回収率及び糖の純度を向上させることができる。
また、洗浄用溶媒の沸点が、反応溶媒よりも低いことによって、糖化反応混合物から分離回収した、クラスター酸及び有機溶媒（反応溶媒及び洗浄用溶媒）を含有する液体分を蒸留することで、洗浄用溶媒と、反応溶媒にクラスター酸が溶解したクラスター酸有機溶媒溶液とを分離することができる。このとき、蒸留方法としては、減圧蒸留、凍結乾燥等、一般的な方法を採用することができ、中でも減圧蒸留が好ましい。
【００７４】
洗浄用溶媒としては、上記特性を有するものであれば特に限定されないが、特に好ましく用いられるものとして、エタノールが挙げられる。エタノールは、代表的なクラスター酸であるヘテロポリ酸の溶解性が非常に高く、ヘテロポリ酸の回収率向上及び糖の純度向上効果が高い。洗浄用溶媒としては、エタノールの他、メタノール、ｎ−プロパノール等のアルコール類、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル等のエーテル類、等を用いることができる。
【００７５】
洗浄用溶媒を添加した糖化反応混合物を、固液分離することにより得られる固体分は、再度、洗浄用溶媒を添加、混合して洗浄し、固液分離することにより、該固体分に含まれるクラスター酸を溶解して含有する洗浄用溶媒と、糖を含む固体分とに分離することが好ましい。尚、洗浄用溶媒による固体分の洗浄は、必要に応じて、複数回行うことができる。固体分の洗浄後、回収された洗浄用溶媒は、再び、固体分の洗浄に使用することもできる。
反応溶媒にクラスター酸を溶解して用いた場合においても、糖化反応混合物中に含まれる全てのクラスター酸の結晶水率が１００％未満となるように、糖化反応混合物の水分量を調節することが好ましい。具体的な方法は、擬融解状態で用いる場合と同様である。
【実施例】
【００７６】
［実施例１］
予め吸水と乾燥により、結晶水３０となるように水分量を調節しておいたリンタングステン酸（ヘテロポリ酸）を準備した。このリンタングステン酸を、特級エタノールに濃度が２３６ｇ／１００ｍｌ−エタノールとなるように溶解した溶液を調製した。
次に、植物系繊維材料として、杉粉砕品（１５０μｍ以下、含水率４％）１ｋｇを、攪拌付き反応器に入れた。さらに事前に用意したリンタングステン酸エタノール溶液を約１Ｌ加え、約１０分間混練した。全体に湿り気が行き渡るのを確認した。室温で２日間及び７日間放置した。
２日後及び７日後、上記混合物から減圧蒸留（４５〜５０℃）にて、エタノールを除去し、前処理済み混合物Ａ（２日後）及び前処理済み混合物Ｂ（７日後）を得た。
【００７７】
得られた前処理済み混合物Ａ及びＢそれぞれについて、室温乾燥後、ＸＲＤ分析を行った。また、前処理前の乾燥状態の杉材（１５０μｍ以下の粉砕物、含水量約４ｗｔ％）についても、ＸＲＤ分析を行った。結果をあわせて図３に示す。尚、ＸＲＤ測定は、ＣｕＫα線平行ビームによる回折測定により行った。
【００７８】
図３より、前処理前の杉材と比較して、２日間、ヘテロポリ酸エタノール溶液に杉材を浸漬させて得られた前処理済み混合物Ａは、ＸＲＤ強度は低下したが、セルロース結晶の（200）面のピークが確認され、見かけ上の結晶性が増加した。すなわち、セルロースのアモルファス部分が可溶化して、結晶化したセルロース部分が残ったと考えられる。
一方、前処理前の状態から２日後（前処理済み混合物Ａ）の状態までの変化と比較して、２日後の状態から７日後の状態（前処理済み混合物Ｂ）までの変化は、少なかった。しかし、結晶性セルロースのピークが再びなだらかになったことから、セルロースの結晶部分が徐々にアモルファス状に変化していることが観察できる。
以上より、植物系繊維材料をクラスター酸有機溶媒溶液に浸漬しておくだけで、セルロースが可溶化し、結晶性が低下することが明確に確認された。
【００７９】
［実施例２］
前処理及び糖化工程を図４に示す。
予め吸水と乾燥により、結晶水３０となるように水分量を調節しておいたリンタングステン酸（ヘテロポリ酸）を準備した。このリンタングステン酸を、特級エタノールに濃度が２３６ｇ／１００ｍｌ−エタノールとなるように溶解した溶液を調製した。
次に、植物系繊維材料として、杉粉砕品（１５０μｍ以下、含水率４％）１ｋｇを、攪拌付き反応器に入れた。この反応器内に加水分解に必要な水約３５ｇを添加した。さらに事前に用意したリンタングステン酸エタノール溶液を約１Ｌ加え、約１０分間混練した。全体に湿り気が行き渡るのを確認した。その後、室温で７日間放置し、前処理を行った。エタノールを減圧下、４０〜５０℃程度で蒸留し除去し、前処理済み混合物を得た。
【００８０】
次に、糖化反応を行うために、リンタングステン酸：植物繊維の重量比が３：１になるように、結晶水３０のリンタングステン酸を約１．４ｋｇ追加した。反応器の内部を水蒸気で飽和させるために、水約１２ｇを添加した。ゆっくりとした（数ｒｐｍの）攪拌を行いながら加熱を行い、リンタングステン酸が擬融解状態になるのを待った。その後、１０分間はそのまま加熱を強めにして、約９０℃で反応させた。次に温度を約７０℃まで低下させて、攪拌速度を３０ｒｐｍとして１時間攪拌した。さらに、回転速度を７０ｒｐｍに上げ、さらに２０分間反応させた。このように、合計反応時間は、リンタングステン酸が擬融解状態となってから１．５時間とした。
【００８１】
次に、図５に示すように、容器内の糖化反応混合物に１．５Ｌのエタノールを添加して３０分間攪拌した後、濾過し、濾液１及び濾過物１を得た。濾液１（ヘテロポリ酸エタノール溶液）は回収した。一方、濾過物１には、さらに、１．５Ｌのエタノールを添加し、３０分間攪拌した後、濾過し、濾液２及び濾過物２を得た。濾過物２に、１．５Ｌのエタノールを添加し、３０分間攪拌した後、濾過し、濾液３及び濾過物３を得た。得られた濾過物３には蒸留水を添加し、１０分攪拌した。得られた水溶液を濾過し、糖水溶液と残渣を得た。
【００８２】
（可溶化率と単糖化率の算出）
上記前処理済み混合物（糖化反応時間０時間）における可溶化率及び単糖化率、並びに、上記糖化反応後（糖化反応時間１．５時間）における可溶化率及び単糖化率を算出した。結果を表１に示す。尚、各可溶化率及び単糖化率は以下のようにして算出した。
【００８３】
＜前処理済み混合物＞
まず、前処理済み混合物の一部を取り出し、上記糖化反応混合物同様、エタノールで３回洗浄し、濾過物３を得た。濾過物３に蒸留水を添加、１０分間攪拌した。得られた水溶液を濾過し、糖水溶液と残渣を得た。
【００８４】
（１）可溶化率
まず、得られた残渣を、電磁誘導加熱及び酸素導入により完全に酸化し、生成したＣＯ２をＮＤＩＲ（NonDispersive InfraRed）分析装置を用いて定量し、残渣中の炭素含有率を求めた。
一方、前処理前の植物系繊維材料の炭素含有率を、上記残渣同様、ＮＤＩＲを用いて算出した。さらに、ホロセルロース（セルロース＋ヘミセルロース）中の炭素含有率が４４．５ｗｔ％、リグニンその他の炭素含有率が７１．０ｗｔ％であると想定し、植物系繊維材料（原料）中の炭素含有率から、該植物系繊維材料中のホロセルロースとリグニンその他の比率を求め、該植物系繊維材料（原料）に含まれるホロセルロースとリグニンその他の重量を算出した。
次に、残渣の重量及び上記にて求めた炭素含有率から、残渣中に残っているホロセルロース量を計算し、可溶化率＝［１−（残渣中のホロセルロース量）／（原料中のホロセルロース量）］×１００％として求めた。
【００８５】
（２）単糖化率
得られた糖水溶液から、高速液体クロマトグラフ（ＨＰＣＬ）ポストラベル傾向検出法により、Ｄ−（＋）−グルコース、Ｄ−（＋）−キシロース、Ｌ−（＋）−アラビノース、Ｄ−（＋）−マンノース、Ｄ−（＋）−ガラクトース、Ｄ−（−）−フルクトース等の単糖類を定量し、その合計量を算出した。単糖類の合計量から、以下のようにして糖化率を算出した。
単糖の収率（％）  ：  ［（実際に回収された単糖類の合計量）／（植物系繊維材料中のセルロース全量が単糖化したときに生成する理論単糖生成量）］×１００％
【００８６】
＜糖化反応後＞
上記糖分離工程において得られた残渣及び糖水溶液を用いて、上記前処理済み混合物の（１）可溶化率及び（２）単糖化率同様、可溶化率および単糖化率を算出した。結果を表１に示す。
【００８７】
【表１】
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【００８８】
［実施例３］
予め吸水と乾燥により、結晶水３０となるように水分量を調節しておいたリンタングステン酸（ヘテロポリ酸）を準備した。このリンタングステン酸を、特級エタノールに濃度が２３６ｇ／１００ｍｌ−エタノールとなるように溶解した溶液を調製した。
次に、植物系繊維材料として、杉粉砕品（１５０μｍ以下、含水率４％）１ｋｇを、攪拌付き反応器に入れ、さらに事前に用意したリンタングステン酸エタノール溶液を約１Ｌ加え、約１０分間混練した。全体に湿り気が行き渡るのを確認した。その後、室温で７日間放置し、前処理を行った。エタノールを減圧下、４０℃〜５０℃程度で蒸留し除去した。
【００８９】
次に、糖化反応を行うために、リンタングステン酸：植物繊維の重量比が３：１になるように、結晶水３０のリンタングステン酸を約１．４ｋｇ追加した。さらに、加水分解に必要な水約３５ｇを添加すると共に、反応器の内部を水蒸気で飽和させるための水約１２ｇを添加した。ゆっくりとした（数ｒｐｍの）攪拌を行いながら加熱を行い、リンタングステン酸が擬融解状態になるのを待った。その後、１０分間はそのまま加熱を強めにして、約９０℃で反応させた。次に温度を約７０℃まで低下させて、攪拌速度を３０ｒｐｍとして１時間攪拌した。さらに、回転速度を７０ｒｐｍに上げ、さらに２０分間反応させた。このように、合計反応時間は、リンタングステン酸が擬融解状態となってから１．５時間とした。
尚、実施例２と実施例３の違いは、加水分解用の水の添加時期が前処理時か糖化反応前かだけである。
次に、実施例２と同様にして、容器内の糖化反応混合物から水溶液と残渣を得た。
【００９０】
（可溶化率と単糖化率の算出）
実施例２と同様にして、上記前処理済み混合物（糖化反応時間０時間）における可溶化率及び単糖化率、並びに、上記糖化反応後（糖化反応時間１．５時間）における可溶化率及び単糖化率を算出した。結果を表１に示す。
【００９１】
［比較例１］
水分が蒸発し外部へ放出されないようにした反応容器に、予め蒸留水を入れ、予定の反応温度（７０℃）まで昇温し、容器内を飽和蒸気圧状態とし、容器内面に水蒸気を付着させた。
次に、該反応容器内に、予め吸水と乾燥により結晶水３０となるように水分量を調節しておいたリンタングステン酸（ヘテロポリ酸）３ｋｇと、下記の杉材（１５０μｍ以下の粉砕物、含水量約４ｗｔ％）中のセルロースが加水分解してグルコースになるのに必要な水分（７５ｇ。上記水蒸気分を除く）との合計量からの不足分の蒸留水（３５ｇ）と、を投入し、７０℃まで加熱攪拌した。
ここに、乾燥状態の杉材（植物系繊維材料、１５０μｍ以下の粉砕物、含水量約４ｗｔ％）１ｋｇ（ヘテロポリ酸：植物系繊維材料＝３：１）添加し、７０℃で２時間攪拌を続けた。
その後、加熱を停止し、容器の密閉を開放し余分な水蒸気を排出させながら、室温まで冷却した。
次に、実施例２と同様にして、容器内の糖化反応混合物から水溶液と残渣を得た。
【００９２】
（可溶化率と単糖化率の算出）
実施例２と同様にして、上記糖化反応後（糖化反応時間２時間）における可溶化率及び単糖化率を算出した。結果を表１に示す。
【００９３】
［比較例２］
比較例１において、７０℃で５時間攪拌を続けること以外は同様にして可溶化率及び単糖化率（糖化反応時間５時間）を算出した。結果を表１に示す。
【００９４】
［結果］
表１より、植物系繊維材料の前処理を行っていない比較例１では、糖化反応時間２時間では可溶化率が５０％に満たなく、また、単糖化率も７．８％と非常に低かった。また、植物系繊維材料に前処理を行わず、糖化反応時間を５時間にした比較例２では、可溶化率が１００％となったが、単糖化率は５０％に満たなかった。
これに対して、本発明の前処理を行った実施例２及び実施例３では、糖化工程前の前処理済み混合物（糖化反応時間０時間）において、既に、可溶化が進んでおり、且つ、一部単糖化も進んでいた。さらに、糖化反応時間が１．５時間という短時間にもかかわらず、７０％を超える単糖化率が得られた。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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