(57)【要約】  セルロースを含む材料を、スルホン酸基含有炭素質材料を用いて加水分解し、ついで反応物を中和後、液体成分ならびに固形成分を酵素にて糖化することにより効率的に単糖類を製造する。
2009004951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物を炭化処理およびスルホン化処理して得られるスルホン酸基含有炭素質材料ならびに水の存在下、セルロースを含む材料を加水分解し、該加水分解により生成した単糖類および／または水溶性多糖類を含有する反応混合物を得る第１の工程と、
前記第１の工程で得られた前記反応混合物を中和する第２の工程と、
前記第２の工程で中和された前記反応混合物を酵素により糖化する第３の工程と、
前記第３の工程で糖化した前記反応混合物を、単糖類を含む液体成分と、未反応物およびスルホン酸基含有炭素質材料を含有する固形成分とに分離する第４の工程と、
を有することを特徴とする単糖類の製造方法。
【請求項２】
前記第１の工程において、前記スルホン酸基含有炭素質材料の少なくとも一部が、前記第４の工程から得られた固形成分の一部または全てを炭化処理およびスルホン化処理することにより得られたものであることを特徴とする、請求項１記載の単糖類の製造方法。
【請求項３】
前記セルロースを含む材料を前記第１の工程に供する前に粉砕することを特徴とする、請求項１または２記載の単糖類の製造方法。
【請求項４】
有機物を炭化処理およびスルホン化処理して得られるスルホン酸基含有炭素質材料ならびに水の存在下、セルロースを含む材料を加水分解し、該加水分解により生成した単糖類および／または水溶性多糖類を含有する反応混合物を得る第１の工程と、
前記第１の工程で得られた前記反応混合物を中和する第２の工程と、
前記第２の工程で中和された前記反応混合物を酵素により糖化する第３の工程と、
前記第３の工程で糖化した前記反応混合物を、単糖類を含む液体成分と、未反応物およびスルホン酸基含有炭素質材料を含有する固形成分とに分離する第４の工程と、
前記第４の工程で得られた前記固形成分の一部または全てについて、炭化処理およびスルホン化処理を行い、循環使用するためのスルホン酸基含有炭素質材料を製造する第５の工程と、
前記第５の工程で得られた循環使用するためのスルホン酸基含有炭素質材料の一部または全てを、前記セルロースを含む材料と混合して前記第１の工程に供する第６の工程と、
を有することを特徴とする単糖類の製造方法。
【請求項５】
前記セルロースを含む材料を前記第１の工程および／または前記第６の工程に供する前に粉砕する第７の工程をさらに有することを特徴とする、請求項４に記載の単糖類の製造方法。
【請求項６】
前記セルロースを含有する材料がリグノセルロースを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の単糖類の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロースを含む材料の加水分解および酵素糖化による単糖類の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の地球環境問題、特に二酸化炭素排出の削減等に関連して、再生可能資源であるバイオマスを活用する技術の開発が行われている。その中で、バイオマスを構成する主成分であるセルロース類を加水分解することにより単糖類を得、これを原料に発酵法によりエタノールあるいはＬ−乳酸等を製造する方法が提案されている。また水に不溶のセルロース等を加水分解して水溶性の物質に変えることは、化学的あるいは栄養学的に有用な物質を得る手段として重要であるのみならず、水溶性とすることにより酵素糖化による単糖類の生成が容易となり、その後発酵などにより「バイオエタノール」の製造が可能となるなど、産業上利用価値が高い。
これらの方法における第一の段階、即ちセルロース系原料から単糖類を得る工程については、セルラーゼ等のセルロース加水分解能を有する酵素を用いる方法、硫酸を触媒に用いる加水分解方法（例えば特許文献１）、リン酸を触媒に用いる加水分解方法（特許文献２）等が提案されている。
一方、硫酸を触媒に用いる方法はより実現性の高い方法として、精力的に技術開発が進められており（非特許文献１）、反応効率の点で酵素法に比較して優れるが、硫酸による装置の腐食のため高価な耐酸性材料を使用する必要があること、硫酸触媒の反応物からの分離、回収、精製、濃縮、再利用等の多くの工程を必要とし、これらの工程にはイオン交換樹脂等の高価な資材を使用し、また多くのエネルギーを要すること、木材を処理した場合未反応物にリグニンスルホン酸などの酸性廃棄物を多量に生成すること、などの問題があり、さらには排水処理、場合により硫酸の中和により発生する産業廃棄物等の問題もあり、実用化には至っていない。リン酸を触媒に用いる方法も硫酸を触媒に用いる場合と同様の問題がある。【０００３】
一般的に、化学反応に硫酸等の鉱酸触媒を使用する場合の上記のような問題点を解決する手段として固体酸触媒の利用があり、水を原料に使用する化学反応に使用される代表的な固体酸触媒として、強酸型陽イオン交換樹脂が挙げられる。しかしイオン交換樹脂は耐熱性に乏しいため使用可能な温度領域が狭い、高価である、反応によっては活性が十分でない等の問題があり、硫酸等の鉱酸触媒の代替手段として広く使用されてはいないのが現状である。
また、セルロース類の加水分解反応に対して固体酸触媒を用いる方法が提案されている（非特許文献４）。しかしながら、イオン交換樹脂等の固体酸触媒を用いた場合は、耐熱性が低いのみでなく、未反応のセルロース類を触媒から分離することが困難なため使用済み触媒は廃棄処理とせざるを得ず触媒コストの面で実用的でない、などの問題がある。【０００４】
一方、最近芳香族化合物や糖類などの有機物を出発原料とし、これを炭化およびスルホン化して得られるスルホン酸基含有炭素質材料が開発され、触媒として高活性であり、イオン交換樹脂に比較して耐熱性に優れ、また低コストである等の特徴から注目を集めている。このカーボン系固体酸を触媒に用いた化学反応としては、酢酸および高級脂肪酸のエタノールによるエステル化反応、酢酸シクロヘキシルの加水分解反応、２，３−ジメチル−２−ブテンの水和反応、アニソールおよびベンジルアルコールのアルキル化が開示されている（特許文献３、非特許文献２、非特許文献３）。しかしながら、これらの出願には前記炭素質材料が多糖類を加水分解することについては何も記載されておらず、製造プロセスについても全く言及されていない。
【特許文献１】特表平１１−５０６９３４号公報
【特許文献２】特開平１０−１１０００１号公報
【特許文献３】特開２００４−２３８３１１号公報
【非特許文献１】ＮＥＤＯ平成１３年度成果報告書、「バイオマスエネルギー高効率転換技術開発／セルロース系バイオマスを原料とする新規なエタノール発酵技術の開発／前処理・糖化・エタノール発酵技術の開発」
【非特許文献２】Ｔａｄａ，Ｍ．，Ｔａｋａｇａｋｉ，Ａ．，Ｏｋａｍｕｒａ，Ｍ．，Ｋｏｎｄｏ，Ｊ．，Ｈａｙａｓｈｉ，Ｓ．，Ｄｏｍｅｎ，Ｋ．，Ｈａｒａ，Ｍ．，Ｎａｔｕｒｅ，４８３，１７８（２００５）
【非特許文献３】高垣  敦，原  亨和，ＰＥＴＲＯＴＥＣＨ，２９，４１１（２００６）
【非特許文献４】柴田智弘，銭  衛華，國眼孝雄，２００７年度石油学会発表  Ａ１８「セルロース系バイオマスからの糖化反応」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、スルホン酸基含有炭素質材料による加水分解反応と酵素による糖化反応を組み合わせて用いることにより、従来の鉱酸、特に硫酸触媒による方法に必要な工程の大幅な省略あるいは簡略化さらには装置の腐食防止が可能であり、かつ従来の方法と同等の反応効率が得られる、セルロース類を含む材料の加水分解反応による単糖類の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記従来技術の問題点に鑑み、本発明者らは鋭意研究を行った結果、スルホン酸基含有炭素質材料による加水分解反応、反応物の中和、酵素による糖化という異なる技術を組み合わせることにより、従来の硫酸法技術のように、反応装置に耐酸性材料を大量に用いず、かつリグニンスルホン酸のような大量の酸性未反応物を生成しない、セルロースを含む材料の加水分解による単糖類の製造方法を見出した。
従来、木材などセルロースを含む材料を加水分解するためには、酸が糖同士の結合部分に存在しなければならず、硫酸のような液体の酸でなければ多糖類を効率よく加水分解できないと考えられており、固体酸で行うためには、高価な触媒を用いた高温・高圧下の厳しい条件が必要であることが知られていた。しかしながら、スルホン酸基含有炭素質材料を用いることにより、固体酸触媒を用いて加水分解反応を行った後に、さらに残留する多糖類を酵素糖化により単糖類に変換するという一連のプロセスにより、効率よくセルロースを含む材料を加水分解させ得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。【０００７】
すなわち本発明は、有機物を炭化処理およびスルホン化処理して得られるスルホン酸基含有炭素質材料ならびに水の存在下、セルロースを含む材料を加水分解し、該加水分解により生成した単糖類および／または水溶性多糖類を含有する反応混合物を得る第１の工程と、第１の工程で得られた反応混合物を中和する第２の工程と、第２の工程で中和された反応混合物を酵素により糖化する第３の工程と、第３の工程で糖化した反応混合物を、単糖類を含む液体成分と、未反応物およびスルホン酸基含有炭素質材料を含有する固形成分とに分離する第４の工程と、を有することを特徴とする単糖類の製造方法（以下、便宜的に「第１の製造方法」という。）を提供する。【０００８】
上記第１の製造方法に係る第１の工程において、スルホン酸基含有炭素質材料の少なくとも一部は、第４の工程から得られた固形成分の一部または全てを炭化処理およびスルホン化処理することにより得られたものであることが好ましい。【０００９】
また、上記第１の製造方法においては、セルロースを含む材料を第１の工程に供する前に粉砕することが好ましい。【００１０】
また、本発明は、有機物を炭化処理およびスルホン化処理して得られるスルホン酸基含有炭素質材料ならびに水の存在下、セルロースを含む材料を加水分解し、該加水分解により生成した単糖類および／または水溶性多糖類を含有する反応混合物を得る第１の工程と、第１の工程で得られた反応混合物を中和する第２の工程と、第２の工程で中和された反応混合物を酵素により糖化する第３の工程と、第３の工程で糖化した反応混合物を、単糖類を含む液体成分と、未反応物およびスルホン酸基含有炭素質材料を含有する固形成分とに分離する第４の工程と、第４の工程で得られた固形成分の一部または全てについて、炭化処理およびスルホン化処理を行い、循環使用するためのスルホン酸基含有炭素質材料を製造する第５の工程と、第５の工程で得られた循環使用するためのスルホン酸基含有炭素質材料の一部または全てを、セルロースを含む材料と混合して第１の工程に供する第６の工程と、を有することを特徴とする単糖類の製造方法（以下、便宜的に「第２の製造方法」という。）を提供する。【００１１】
上記第２の製造方法においては、セルロースを含む材料を第１の工程および／または第６の工程に供する前に粉砕する第７の工程をさらに有することが好ましい。【００１２】
上記第１または第２の製造方法において、セルロースを含む材料はリグノセルロースを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の単糖類の製造方法は、セルロースを含む材料を加水分解する際の触媒としてスルホン酸基含有炭素質材料を用いるので、従来の硫酸触媒を用いる方法に比較して、装置の腐食の懸念がなく、触媒の分離、回収、精製、濃縮、再利用、排水処理等の工程を大幅に省略あるいは簡略化可能であり、リグニンスルホン酸のような酸性廃棄物の生成を大幅に抑制可能であり、さらには、従来の固体酸触媒のように反応後の触媒と固体未反応物との分離が不要である。その上、スルホン酸基含有炭素質材料を用いた加水分解反応工程の後に酵素糖化を行うことにより、前段の反応で単糖類に至らなかった、多糖類からも単糖類が回収できることから、低コストかつ効率的にセルロース類の加水分解反応を行うことが可能である。【００１４】
本発明によって製造される単糖類はエタノールの製造用原料として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の単糖類および／または水溶性多糖類の製造方法の一例を示す工程図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、場合により図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。【００１７】
図１は本発明の単糖類の製造方法の一例を示す工程図である。以下では、本発明の製造方法に含まれる各工程について、順に説明する。【００１８】
＜第１の工程：反応工程＞
本工程は、粉砕された原料多糖類を、スルホン酸基含有炭素質材料および水の存在下、加水分解反応を行い、単糖類および／または水溶性多糖類を生成する工程である（図１中のＳ１）。この工程においては、さらに、結晶性の低下したセルロース、或いは構造が弱まったリグノセルロースが生成する場合もあるが、そのような結晶性の低下したセルロース、或いは構造が弱まったリグノセルロースも好ましい物である。第１の工程で用いるスルホン酸基含有炭素質材料は原料多糖類を加水分解する能力を有するものであれば特に制約は無く、後述する方法で製造されるものを用いることが出来る。スルホン酸基含有炭素質材料の一部または全ては、後述の第５の工程により製造されるものを使用することが可能である。第１の工程には粉砕された原料多糖類が供給されるとともに、スルホン酸基含有炭素質材料および水が供給される。スルホン酸基含有炭素質材料は図１中のラインＬ８で供給することが出来るが、その一部あるいは全部を第５の工程で製造されたスルホン酸基含有炭素質材料で置き換えることも可能である。第１の工程に供給するこれら原料多糖類、スルホン酸基含有炭素質材料、および水は第１の工程に供給する前に後述の第６の工程で混合した後に本工程に供給することも可能である。また工程図からもわかるように、第１の工程で使用する原料多糖類はその形状が第１の工程に供するには大きすぎる場合には、必要により後述する粉砕第７の工程であらかじめ粉砕したものを用いることが出来る。【００１９】
（触媒）
第１の工程にて触媒として用いるスルホン酸基含有炭素質材料は、有機物を出発原料とし、これを炭化およびスルホン化することにより得られるものであり、前記非特許文献３あるいは特許文献３等に開示されているものを使用することができる。【００２０】
前記スルホン酸基含有炭素質材料の出発原料となる有機物としては、炭化処理およびスルホン化処理できるものであればいずれも利用可能である。例えば、芳香族炭化水素等の有機低分子量化合物；重油、石油系ピッチ、タール等の石油系重質炭化水素混合物；グルコース、マルトース、セロビオースなどの糖類；デンプン、セルロース、アミロース、ヘミセルロース等の天然有機物；フェノール樹脂、フラン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂；リグニンなどの有機高分子化合物などが挙げられる。
中でもセルロース、ヘミセルロース、リグニン、リグノセルロースなど木質系材料は、本発明の加水分解反応の原料でもあり、また得られるスルホン酸基含有炭素質材料の熱安定性が高いことから好ましい。【００２１】
前記スルホン酸基含有炭素質材料の製造は、前記非特許文献３あるいは特許文献３等に開示されている方法により行うことができる。
即ち、出発原料の有機物の炭化処理は、窒素等の不活性気体雰囲気下で加熱処理することにより行われ、それによりアモルファス状の黒色固体（炭化物）が得られる。炭化物のスルホン化処理は濃硫酸または発煙硫酸中で加熱処理することにより行われ、それにより前記炭化物の骨格にスルホン基が導入される。【００２２】
炭化処理とスルホン化処理は、それぞれ独立して処理することも同時に１工程として行うことも可能である。各処理における処理温度などの条件は、出発原料として用いる有機物の種類により適宜選択される。
例えば出発原料として用いる有機物として多環式芳香族炭化水素類を用いる場合には、濃硫酸または発煙硫酸中、１００〜４５０℃、好ましくは２００〜３５０℃で加熱処理することにより、炭化およびスルホン化を同時に１工程にて行うことが好ましい。一方、糖類、高分子化合物類などは別工程で行った方が好ましいが、これに限定されうるものではない。炭化工程がプロセス的に多大なエネルギーを必要とすることを考慮すると、有機物が糖類或いは高分子化合物類である場合も、１工程にて行う場合が好ましい場合もある。以下、炭化処理とスルホン化処理を別工程にて行う場合について好ましい態様を以下に記載する。【００２３】
炭化処理のための加熱は、好ましくは窒素、アルゴン等の不活性気体雰囲気下、温度が３００〜６００℃で行われる。炭化処理の温度が前記範囲の下限に満たない場合には、これをスルホン化処理して得られるスルホン酸基含有炭素質材料の耐熱性が劣る、あるいは水又は有機物への溶解分が多いなどの問題を生じる傾向にある。一方、前記範囲の上限を超える温度の場合には、これをスルホン化処理する際に十分な量のスルホン酸基を付与することができず、得られるスルホン酸基含有炭素質材料の加水分解反応に対する触媒活性が不十分なものとなる傾向にある。【００２４】
炭化処理のための加熱時間は、１〜１００時間、好ましくは２〜３０時間である。炭化処理の時間が前記範囲の下限に満たない場合には、これをスルホン化処理して得られるスルホン酸基含有炭素質材料の耐熱性が劣る、あるいは水または有機物等への溶解分が多いなどの問題を生じる傾向にある。一方、前記範囲の上限の時間で必要な炭化は十分進行しており、それを超える時間をかけることは不要であると同時に余分なエネルギーを消費することとなり好ましくない。【００２５】
スルホン化処理に使用するスルホン化剤は濃硫酸又は発煙硫酸が一般的に用いられる。使用する濃硫酸又は発煙硫酸の量は特に限定されないが、スルホン化を行う炭化物の量の２〜１００倍（質量比）、好ましくは５〜８０倍である。この範囲の下限に満たない場合には、炭化物に十分な量のスルホン酸基を付与することができず、得られるスルホン酸基含有炭素質材料の加水分解反応に対する触媒活性が不十分なものとなる傾向にある。一方、この範囲の上限を超える場合には、必要以上の濃硫酸又は発煙硫酸を使用することとなり、使用済みの硫酸の処理を含めコスト上昇をもたらす。【００２６】
スルホン化処理の温度は、４０〜２５０℃、好ましくは８０〜２００℃である。スルホン化処理の温度がこの範囲の下限に満たない場合には、炭化物に十分な量のスルホン酸基を付与することができず、得られるスルホン酸基含有炭素質材料の加水分解反応に対する触媒活性が不十分なものとなる傾向にある。一方、この範囲の上限を超える温度の場合には、付加したスルホン酸基が分解する傾向となる。【００２７】
スルホン化処理の時間は５分〜３０時間で行うのが好ましい。スルホン化処理の時間がこの範囲の下限に満たない場合には、炭化物に十分なスルホン酸基を付与することができず、得られるスルホン酸基含有炭素質材料の加水分解反応に対する触媒活性が不十分なものとなる傾向にある。一方、この範囲の上限の時間で必要なスルホン化は十分進行しており、それを超える時間を掛けることは不要である。【００２８】
炭化処理およびスルホン化処理工程後には、好ましくは熱水で、洗浄することにより余剰の硫酸を除去し、さらに乾燥することによって、本発明で用いるスルホン酸基含有炭素質材料を得ることができる。熱水による洗浄は、例えばソックスレー抽出法等により、約１００℃での還流下で行うのが簡便であるが、必ずしも本法により行う必要はなく一般的な洗浄方法を用いることが可能である。加圧下にさらなる高温で洗浄することにより、洗浄時間を短縮することも可能である。【００２９】
本発明に用いるスルホン酸基含有炭素質材料の形状は特に限定されないが、加水分解反応時に原材料および水との接触機会を向上させる目的で、微細な粉体であることが好ましく、具体的には平均粒子径が０．１μｍ〜３０ｍｍであることが好ましい。平均粒子径が０．１μｍより小さい場合には、反応後のろ過工程での効率が低下し、３０ｍｍより大きい場合には加水分解反応の速度が十分でないため好ましくない。微粉体化手法もまた特に限定されないが、自動乳鉢、ボールミル、ハンマリング、裁断のような機械的粉砕手法が一般的に用いられる。【００３０】
本発明のスルホン酸基含有炭素質材料は、Ｘ線回折パターンからはいかなる構造も確認することができず、実質的に無定形である。
また、酸基含有量は、１ｍｍｏｌ／ｇ以上である。酸基の含有量が前記範囲の下限未満の場合には、加水分解反応に対する活性が不十分となる傾向にある。なおここでいう酸基含有量とは、スルホン酸基含有炭素質材料を逆滴定法により測定するものであり、スルホン化処理により生成するスルホン酸基と、炭化処理時及び／又はスルホン化処理時に生成するカルボン酸基及びフェノール性水酸基を併せたものの含有量を指す。
また酸基含有量としてはスルホン酸量として定義することも出来る。この場合スルホン酸量は塩化ナトリウムを用いたイオン交換容量を測定することにより求められる値である。好ましいスルホン酸量は、０．５ｍｍｏｌ／ｇ以上である。スルホン酸量が前記範囲の下限未満の場合には、加水分解反応に対する活性が不十分となる傾向にある。なお、スルホン酸量の上限は特に限定されない。
塩化ナトリウム溶液を用いたイオン交換容量測定法は下記のとおりである。すなわち所定量のスルホン酸基含有炭素質材料を塩化ナトリウム溶液に加え入れて一定時間撹拌し、スルホン酸基のプロトンとナトリウムイオンとを交換させる。イオン交換により生成したＨＣｌの量を中和滴定により定量することにより、スルホン酸量が求められる。イオン交換反応は下記式（１）で表される。
Ｒ−ＳＯ３Ｈ＋ＮａＣｌ→Ｒ−ＳＯ３Ｎａ＋ＨＣｌ    （１）
［式中、Ｒはスルホン酸基含有炭素質材料からスルホン酸基を除いた残基を示す。］
スルホン酸基含有炭素質材料の硫黄／炭素元子比（モル比）はスルホン化炭素質材料に付加、導入されたスルホン酸基含有量の尺度となる。本発明で用いるスルホン酸基含有炭素質材料の好ましい硫黄／炭素元子比（モル比）は１．５×１０−２以上である。この範囲の下限未満の場合には、加水分解反応に対する活性が不十分となる傾向にある。【００３１】
以上のようにして得られるスルホン酸基含有炭素質材料は、安価な出発原料、簡便な製造方法のため低コストでの製造が可能であり、触媒としての活性が高く、鉱酸触媒のように装置の腐食の問題がなく、また鉱酸触媒と比較して触媒の分離、回収、再生、再使用が簡単に行え、更には排水処理等の問題も発生し難いという特徴を有する。【００３２】
（反応方式）
本発明に係るセルロースを含む材料の加水分解反応の形態は特に限定されず、いわゆる回分式、半回分式、連続式の何れの形態を採用してもよい。また、前記スルホン酸基含有炭素質材料は、固定床、流動床、懸濁床の何れの形態で使用してもよい。【００３３】
セルロースを含む材料は一般的に固体であり、原料およびスルホン酸基含有炭素質材料が共に固体であることから、加水分解反応を効率的に進行させるためには、セルロースを含む材料および水とスルホン酸基含有炭素質材料との接触機会ならびに接触する際にかかる力を高めることが重要である。その方法に関しては、いずれの公知の方法をも利用可能であり、限定されうるものではないが、本発明の実施態様に関しては、攪拌装置を有する回分式の槽型反応装置を用いる場合について以下に記載する。【００３４】
（反応条件）
原料であるセルロースを含む材料と、スルホン酸基含有炭素質材料の比率は質量比として１：０．１〜１：１００（セルロースを含む材料：スルホン酸基含有炭素質材料）とし、好ましくは１：１〜１：３０である。触媒であるスルホン酸基含有炭素質材料が原料に対して１／１０未満であると、加水分解反応が十分な速度で進行せず、原料に対して１００倍を超えると、容量の大きな反応器他の設備を必要とするため設備コストが増大し、また加熱、冷却等に要するエネルギーコストも増大するので好ましくない。【００３５】
原料であるセルロースを含む材料と水との比は，加える触媒量にもよるため一概には規定できないが、１：０．１〜１：１０（セルロースを含む材料：水）が好ましい。水の量をセルロースを含む材料に対して１／１０未満とした場合、加水分解反応に十分な水の量が確保できないばかりか，反応器内での効率よい攪拌が困難となる。水の量がセルロースを含む材料に対して１０倍を超えると反応系内の酸濃度が低下し、加水分解反応効率が低下する。但し、スルホン酸基含有炭素質材料が原料に対して十分に多く供給されている場合に関してはこの限りではなく、実質的に酸量低下により反応速度が十分に得られなくなるまで使用可能である。しかし、そうした場合においてもスルホン酸基含有炭素質材料に対して１０倍以上の水を供給することは、反応速度の面からも、また加熱、冷却等に要するエネルギーコストが増大することからも好ましくない。【００３６】
第１の工程における加水分解反応の反応温度は２０〜２５０℃、好ましくは８０〜１５０℃である。２０℃より低い温度では加水分解反応が十分な速度で進行しない。また２５０℃より高い温度ではスルホン酸基含有炭素質材料の劣化あるいは生成した単糖類がさらに分解することから好ましくない。【００３７】
第１の工程における加水分解反応の反応圧力は特に指定はないが、１００℃以上の温度で反応を行う際には、水の蒸発を避けるため大気圧以上の圧力であることが好ましい。【００３８】
第１の工程における加水分解反応の反応時間は、撹拌装置を有する槽型反応器を用いる場合、５分〜１００時間、好ましくは５分〜４８時間である。５分より短い場合には、加水分解反応が十分に進行せず、１００時間より長い場合には、容積の大きな反応槽が必要となりエネルギーコストが大きくなることに加えて、滞留時間が長くなり生成した単糖類がさらに分解し単糖類の収率が低下して好ましくない。【００３９】
第１の工程における加水分解反応に使用する水は特に限定されないが、蒸留水（水蒸気発生装置の凝縮水を含む）、イオン交換水などが好ましく使用される。また加水分解反応工程の後の工程で、反応生成物を含む水溶液を濃縮する場合には、濃縮によって除去、回収された水を循環して使用してもよい。さらには原材料が多量の水を含有する場合は、それらの水を加水分解材料の一部として供することも可能である。【００４０】
＜第２の工程：中和工程＞
第１の工程より得られた反応混合物中には、単糖類のほかに、水溶性の多糖類および未反応のセルロースを含む材料が含まれ、さらに結晶性の低下したセルロース、構造が弱まったリグノセルロースを含む場合がある。第２の工程はこれらを酵素糖化に供することができるように、中和を行う工程である（図１中のＳ２）。【００４１】
第２の工程は、スルホン酸基含有炭素質材料もしくは第１の工程にてスルホン酸基含有炭素質材料から遊離したプロトン酸を中和することにより、酵素糖化に適した水素イオン濃度（ｐＨ）とする工程であり、そのｐＨは酵素が糖化能を有することができるｐＨであれば任意のｐＨにすることができる。その値は、一般にｐＨ４〜９、好ましくはｐＨ４−７の範囲である。中和方法は、一旦アルカリでアルカリ性反応物とした後に、酸を再度加え目的のｐＨにしても、アルカリのみで目的のｐＨにしても良い。その際、酸として弱酸を加えることにより、緩衝能を持たせた反応混合物とすることも可能である。【００４２】
本工程に用いることのできる中和剤は、一般に中和剤として用いるアルカリであればいずれも使用可能であるが、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、酢酸ナトリウム、クエン酸ナトリウム、石灰などの強アルカリもしくは弱アルカリや、クエン酸緩衝液、酢酸緩衝液などの各種緩衝液などが好ましい。【００４３】
＜第３の工程：酵素糖化工程＞
本工程は、第２の工程により得られた中和された反応混合物中の水溶性多糖類を、それに加えて結晶性の低下したセルロース、構造が弱まったリグノセルロースが含まれていればそれを含めて、酵素により糖化し、単糖類を得る工程である（図１中のＳ３）。なお第２の工程と第３の工程は同一設備にて実施することも可能である。【００４４】
第２の工程における原料は、第２の工程により得られた中和された反応物（液体，固形物ともに含む）であり、必要に応じてろ過、更なる中和などの工程を設けることが可能であり、中和・ろ過ともに一般的な手法を用いることが可能である。【００４５】
第２の工程に用いる酵素は、多糖類のグリコシド結合を切断できる酵素であれば、その種類は問わず用いることが可能である。一般的にはセルラーゼ等の酵素を適宜、単数または複数選択して用いることが可能である。【００４６】
第２の工程の温度は、酵素の活性を高めるという観点から、２５℃〜６０℃が好ましく、４５℃〜５５℃がより好ましい。温度が２５℃よりも低い場合は、酵素反応速度が遅いため糖を得るために長時間を要し、また、６０℃以上の場合は酵素の失活を招くため好ましくない。【００４７】
第２の工程においては、ｐＨを４．０〜８．５に調整することが好ましく、４．５〜６．０程度に調整することがより好ましく、１０〜７２時間反応させることによって行われる。
第２の工程の反応を促進するためには、攪拌などの手段により固形物を酵素と均一に接触させることが望ましい。【００４８】
＜第４の工程：分離工程＞
第４の工程は、第３の工程にて生成した単糖類を水溶液として回収し、他の成分と分離する工程である（図１中のＳ４）。未反応物およびスルホン酸基含有炭素質材料を含む固形分は回収されて後記の第５の工程と組み合わせることができる。【００４９】
第３の工程より得られた反応物中には、目的物である単糖類；中間体である水溶性多糖類；未反応物である未反応セルロース、リグノセルロース、ヘミセルロース、またはリグニン；触媒であるスルホン酸基含有炭素質材料；酵素および水が含まれる。本工程では、目的物である単糖類を水溶液として回収するが，水溶性多糖類並びに酵素もあわせて回収される。【００５０】
水溶液として目的物を回収するのに、水分が不足する場合には水を添加することができる。添加する水の量は、目的物が回収できる量であれば特に限定されないが、第３の工程から得られる単糖類１質量部に対して、０．１〜１００質量部が好ましい。０．１質量部未満では回収効率が向上せず、１００質量部を超える比率では、目的物の濃度が薄くなり後段の処理効率が低下する。回収された目的物を含む水溶液は、必要に応じて再度濃縮することも可能である。しかし、この場合においても、添加する水の量は上記質量部の範囲とすることが好ましく、１００質量部を超える比率とすると濃縮に必要なエネルギーが多くなり、工業的な有用性が損なわれる。【００５１】
目的物と水を接触させる場合、その接触方法は特に限定されないが、十分に目的物が水相に溶解できるようにすることが好ましい。具体的には、ライン中での水の添加、槽内での攪拌中の水の添加などが挙げられる。【００５２】
分離工程における温度は特に限定されない。熱回収の観点より第３の工程の反応温度以下にすることも可能であり、一方で回収効率を向上させるため、加温することも可能である。１００℃を超える場合は、液相を保持するため加圧することが好ましい。反対に必要に応じて、目的温度まで冷却することも可能であり、水を添加する場合は、その行為により温度が低下する。【００５３】
十分に水中に単糖類が溶解した後に、水相と未反応物およびスルホン酸基含有炭素質材料を含む固相を分離するが、その方法は特に限定されず実質的に両相が分離され、目的物を含む水溶液が回収されれば、静置、遠心分離、ろ過などの一般的手法を用いることが可能である。例えば、ろ過工程であれば、そのろ過方法は特に限定されず、常圧でのろ過、減圧ろ過などの方法を用いることができる。また、場合により水溶液を含む固形分を圧搾してもよい。ろ別された固形分は適宜水洗し、目的物の回収率を向上させることも可能である。【００５４】
目的物を回収した後の固形分の一部または全ては、後記の第５の工程により再度スルホン酸基含有炭素質材料の原料として供することが可能であるが、原料として用いられない固形分は、例えば焼却等により処分することが可能である。本固形分は、スルホン酸基含有炭素質材料は含まれているものの、従来の濃硫酸法等で生成するリグニンスルホン酸を主成分とする固形分と比較すると、その酸量含有量は大幅に少ない。また、この固形分を輸送するために水分が必要な場合は、分離時に水分を一部残すことも可能であり、新たに水分を添加することも可能である。【００５５】
以下の第５の工程、第６の工程、第７の工程は必要に応じて適宜組み合わせて実施することが可能である。【００５６】
＜第５の工程：循環触媒製造工程＞
第５の工程は、第４の工程より得られた固形分の一部または全てを炭化およびスルホン化することにより循環使用するスルホン酸基含有炭素質材料を製造する工程である（図１中のＳ５）。第４の工程から得られた固形分は使用済みのスルホン酸基含有炭素質材料と未反応のセルロースを含む材料など水に不溶な多糖類を含む。従って本工程は、未反応の多糖類からスルホン酸基含有炭素質材料を製造する工程であると同時に、使用により活性の低下したスルホン酸基含有炭素質材料の再活性化する工程でもある。
第５の工程は、スルホン酸基含有炭素質材料が、第４の工程から得られる固形分に含まれる未反応の多糖類を原料にして製造できるために成り立ちうる工程であり、一般の固体酸触媒ではその実現は困難である。そのため、使用済み固体酸触媒と未反応物の分離を必ずしも必要とせず、効率的なスルホン酸基含有炭素質材料の製造が可能となる。【００５７】
第４の工程より得られた固形分には、未反応物である未反応セルロース、リグノセルロース、ヘミセルロース、またはリグニン等；触媒であるスルホン酸基含有炭素質材料などが含まれる。前述したごとくこれらはスルホン酸基含有炭素質材料を製造するための好適な原料となる。【００５８】
第５の工程に供する原料は、第４の工程から得られた固形分であり、その一部もしくは全てを使用することができるが、必要に応じて第４の工程から得られた固形分とは別に、前述の触媒の製造法に示すようなスルホン酸基含有炭素質材料を製造するための原料を新たに加えることが可能である。【００５９】
第４の工程から得られた固形分が多量の水とともに第５の工程に供給される場合は、炭化処理を行う前に水分を除去することも可能である。しかし、炭化処理における加熱により水分を蒸発除去することも可能であることから、水分除去は必須ではない。【００６０】
第５の工程における循環触媒の製造方法は、原料が第４の工程から得られたものを含むことを除いて、前記非特許文献３あるいは特許文献３等に開示されているものを使用することができる。さらには、前述の触媒の製造法に示した製造条件にて製造することが可能である。【００６１】
＜第６の工程：混合工程＞
第６の工程は、セルロースを含む材料、スルホン酸基含有炭素質材料、水、を混合する工程である（図１中のＳ６）。反応装置の形式がこれら原料多糖類、スルホン酸基含有炭素質材料および水の混合に適しない形式である場合には、本第６の工程で予め混合しておくことが望ましい。混合した後に、第１の工程に供給する。反応装置の形式を選択することにより、第１の工程と第６の工程は同一の装置で実施することも可能である。原料多糖類は、必要に応じて後記の第７の工程で粉砕したものを利用することができる。また、スルホン酸基含有炭素質材料としては工程図に示すラインＬ９にて新たに供給されたスルホン酸基含有炭素質材料、あるいは第５の工程で製造された循環触媒を使用することが出来る。
本工程における混合方法は特に限定されず、混練機の使用等の一般的な混合手法が用いられる。【００６２】
＜第７の工程：粉砕工程＞
第７の工程は、原料となるセルロースを含む材料を粉砕し、その後の反応工程において効率的に加水分解を行うための処理をする工程である。また、粉砕後のセルロースを含む材料はスルホン酸基含有炭素質材料の製造原料である有機物として使用することもできる。
第７の工程に供される原料は、セルロースを含む材料であれば、特に制限されない。例えば、セルロース、ヘミセルロース、もしくはリグニンと結合したリグノセルロース、などである。これらの原料は植物バイオマスの主要部分を構成しており、セルロースは多くの場合植物体内でヘミセルロースおよびリグニンと密接に会合して存在している。本発明の原料としてセルロースを含む材料を例示すると、セルロースおよび／又はヘミセルロース、およびこれらとリグニンからなる植物由来の材料、具体的には、木材質（廃材を含む）、古紙、稲藁、麦藁、もみ殻、竹、バガス（さとうきび圧搾残）、とうもろこし穂軸、サゴヤシ（でんぷん搾りかす）、リンター、綿、パルプなどを原料として供することが可能である。【００６３】
セルロースを含む材料は一般に固体材料であるが、その形状は、後の加水分解反応工程を速やか効率的に進行させるために微細であることが好ましい。具体的には数平均粒子径が０．１μｍ〜３０ｍｍであることが好ましい。数平均粒子径が０．１μｍより小さい場合には、必要とする機械的エネルギーが大きく非実用的であり、３０ｍｍより大きい場合には加水分解反応の速度が十分でないため好ましくない。【００６４】
粉砕方法も特に限定されないが、自動乳鉢、ボールミル、ハンマリング、裁断のような公知の機械的粉砕手法が一般的に用いられる。また、本工程に、原料と合わせて反応に供するスルホン酸基含有炭素質材料を加え、原料と同時に粉砕することも可能である。【００６５】
以上のとおり、本発明においては、第１の工程〜第４の工程の組合せ、あるいはさらにこれらの工程と第５の工程〜第７の工程の組合せが採用される。なお。各工程を単独で実施しそれらを組み合わせることも可能であり、一方で全てをラインで連結し、一連の装置として目的物を製造することも可能である。【００６６】
本発明により、従来の硫酸法技術のように、反応装置に耐酸性材料を大量に用いる必要が無く、かつリグニンスルホン酸のような大量の酸性未反応物を生成させることのない手法が実現できる。またそれにより、セルロースを含む材料の加水分解および酵素糖化による単糖類の製造を効率的に行う方法が実現可能となる。
【実施例】
【００６７】
以下、実施例および比較例に基づき本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。【００６８】
［実施例１］
以下に各工程を順に説明する。
＜第７の工程＞
セルロースを含む材料としてユーカリ木片を用いた。このユーカリ木片の平均的な大きさは、Ｗ１５−３０ｍｍ×Ｌ２０−５５ｍｍ×ｔ４−７ｍｍであり、４８時間以上自然乾燥させて使用した。乾燥後のかさ密度は２００ｋｇ／ｍ３であり、水分含有率は約８．４０％であった。
このユーカリチップ５ｋｇを、自由粉砕機（奈良機械製作所製；Ｍ−４型）にて回転速度５５００ｒｐｍ、スクリーン１φｍｍの条件で処理し、かさ密度２９０ｋｇ／ｍ３の針状の微粉末を得た。この微粉末は６０ＭＥＳＨの篩を９８．５％以上通過し、１２０ＭＥＳＨの篩を７４．８％が通過することを確認した。
＜スルホン酸基含有炭素質材料の製造＞
以下の手法にてスルホン酸基含有炭素質材料を調製し、工程図に示すラインＬ９を通じて第６の工程に供した。
第７の工程で得られた粉末ユーカリ１００ｇを、容量１０００ｍｌのナス型フラスコ中に取り、窒素流通下に４００℃、４ｈｒ加熱処理して３３ｇの炭化物を得た。この黒色粉末状の炭化物３３ｇに濃硫酸１０００ｇを加え、窒素雰囲気下で１５０℃，２ｈｒ加熱処理してスルホン化を行った。スルホン化後、黒色固形物をガラスフィルターにてろ過し、ソックスレー抽出器を使用して還流下（約１００℃）で熱水による洗浄を繰り返し行い、洗浄液中に硫酸が検出されなくなることを確認した。これを乾燥し、黒色粉末のスルホン酸基含有炭素質材料（Ｉ）を得た。
本スルホン酸基含有炭素質材料（Ｉ）のＸ線回折分析をマックサイエンス社製Ｘ線回折装置（ＭＸＰ１８ＶＡＨＦ）により実施したところ、回折パターンからは構造を特定できるピークは検出されず、実質的にアモルファスであることが確認された。
また、酸量を逆滴定法により測定したところ３．１ｍｍｏｌ／ｇであった。イオン交換容量法により求めたスルホン酸量は０．８ｍｍｏｌ／ｇであった。スルホン酸基含有炭素質材料に付加、導入されたスルホン酸基含有量の尺度となる硫黄原子と炭素原子の比を、Ｅｌｅｍｅｎｔａｒ  Ｖａｒｉｏ  ＥＬを用いて元素分析にて測定したところ、１．７×１０−２であることが確認された。
＜第１の工程−１＞
上記、スルホン酸基含有炭素質材料（Ｉ）３０ｇに第７の工程で得られた粉末ユーカリ７．５ｇと水７０ｇを加え、よく混合したものを、２００ｍｌのステンレス製オートクレーブに充填し、１２０℃にて３時間処理した。
＜第２の工程−１＞
上記第１の工程−１より回収された反応混合物に、炭酸カルシウムを十分に加えて中和した後、第１の工程−１で使用した水と同質量の０．２Ｍ酢酸緩衝溶液および所定量の０．１Ｍ酢酸緩衝溶液を加えいれて液量２００ｇ、ｐＨ５．２とした。
＜第３の工程−１＞
上記第２の工程−１にて中和された反応混合物に、セルロース分解酵素としてセルラーゼ（明治製菓（株）メイセラーゼ）４．７ｇ（ユーカリ１．０００ｇあたりセルラーゼ０．６２５ｇ）を加え、５０℃にて４８時間旋回培養した。
＜第４の工程−１＞
５００ｍｌビーカー内に、上記第３の工程−１より回収された全ての反応混合物と、水２００ｇを加え、１時間攪拌した後ガラスフィルターにてろ過し、固形分と液体を分離した。得られた液体を液体クロマトグラフにて分析し、粉末ユーカリの４０％がαセルロースであるとの成分分析結果より、７６％の収率にてグルコースが生成していることが確認された。【００６９】
［実施例２］
＜第５の工程＞
第４の工程−１にて液体と分離することにより回収された固形分のうち２５ｇを、容量１０００ｍｌのナス型フラスコ中に取り、窒素流通下に４００℃、２ｈｒ加熱処理して２２ｇの炭化物を得た。この黒色粉末状の炭化物に発煙硫酸３００ｇを加え、窒素雰囲気下で１５０℃，２ｈｒ加熱処理してスルホン化を行った。スルホン化後、黒色固形物をガラスフィルターにてろ過し、ソックスレー抽出器を使用して還流下（約１００℃）で熱水による洗浄を繰り返し行い、洗浄液中に硫酸が検出されなくなることを確認した。これを乾燥し、黒色粉末のスルホン酸基含有炭素質材料（ＩＩ）を得た。
本スルホン酸基含有炭素質材料（ＩＩ）のＸ線回折分析をマックサイエンス社製Ｘ線回折装置（ＭＸＰ１８ＶＡＨＦ）により実施したところ、回折パターンからは構造を特定できるピークは検出されず、実質的にアモルファスであることが確認された。
また、酸量およびスルホン酸量を、それぞれ逆滴定法およびイオン交換容量測定により求めたところ、それぞれ１．８ｍｍｏｌ／ｇ、０．８ｍｍｏｌ／ｇであった。スルホン酸基含有炭素質材料に付加、導入されたスルホン酸基含有量の尺度となる硫黄原子と炭素原子の比（Ｓ／Ｃ比）を、Ｅｌｅｍｅｎｔａｒ  Ｖａｒｉｏ  ＥＬを用いて元素分析にて測定したところ、１．８×１０−２であることが確認された。
＜第６の工程＞
第５の工程より得られたスルホン酸基含有炭素質材料（II）２０ｇと、第１の工程−１で使用したスルホン酸基含有炭素質材料と同じ製法で調製したスルホン酸基含有炭素質材料１０ｇ、第７の工程で得られた粉末ユーカリ７．５ｇ、および水７０ｇとを、２００ｍｌオートクレーブ内に加え、十分に攪拌し混合した。
＜第１の工程−２＞
第６の工程にて、２００ｍｌオートクレーブ内で調製した混合物を、１２０℃にて３時間処理した。
＜第２の工程−２＞
上記第１の工程−２より回収された反応混合物に、炭酸カルシウムを十分に加えて中和した後、第１の工程−２で使用した水と同質量の０．２Ｍ酢酸緩衝溶液および所定量の０．１Ｍ酢酸緩衝溶液を加えいれて液量２００ｇ、ｐＨ５．３とした。
＜第３の工程−２＞
上記第２の工程−２にて中和された反応混合物に、セルロース分解酵素としてセルラーゼ（明治製菓（株）メイセラーゼ）４．７ｇ（ユーカリ１．０００ｇあたりセルラーゼ０．６２５ｇ）を加え、５０℃にて４８時間旋回培養した。
＜第４の工程−２＞
５００ｍｌビーカー内に、上記第３の工程−２より回収された全ての反応混合物と、水２００ｇを加え、１時間攪拌した後ガラスフィルターにてろ過し、固形分と液体を分離した。得られた液体を液体クロマトグラフにて分析し、粉末ユーカリの４０％がαセルロースであるとの成分分析結果より、７４％の収率にてグルコースが生成していることが確認された。【００７０】
［実施例３］
粉末ユーカリの炭化温度を５００℃とした以外は実施例１の＜スルホン酸基含有炭素質材料の製造＞工程と同様の方法で、黒色粉末のスルホン酸基含有炭素質材料（III）を調製した。スルホン酸基含有炭素質材料（III）の逆滴定法による酸量、イオン交換容量法によるスルホン酸量、および硫黄／炭素比はそれぞれ２．５ｍｍｏｌ／ｇ、０．６ｍｍｏｌ／ｇ、および１．６×１０−２であった。
スルホン酸基含有炭素質材料（Ｉ）の代わりにスルホン酸基含有炭素質材料（III）を用いたこと以外は実施例１および実施例２と同様にして各工程を実施したところ、第４の工程−１では２９％、第４の工程−２では２８％の収率にてグルコースが生成していることが確認された。【００７１】
［比較例１］
触媒としてスルホン酸基含有炭素質材料の代わりにイオン交換樹脂であるアンバーリスト１５（ローム＆ハース社製）を用いた他は、実施例１の＜第１の工程−１＞〜＜第４の工程−１＞と同じ条件で各工程の操作を実施した。その結果、第４の工程−１を実施した段階で５質量％の収率にてグルコースが生成していることが確認された。このことからも、一般的な強酸性イオン交換樹脂を用いるよりも、スルホン酸基含有炭素質材料を用いると高効率で、単糖類が生成されていることがわかる。【００７２】
［比較例２］
スルホン酸基含有炭素質材料を加えなかった他は、実施例１の＜第１の工程−１＞から＜第４の工程−１＞と同じ条件で各工程の操作を実施した。その結果、第４の工程−１を実施した段階で８質量％の収率にてグルコースが生成していることが確認された。このことからも、スルホン酸基含有炭素質材料を用いた処理工程が、非常に有用な処理工程であるがわかる。【００７３】
［比較例３］
スルホン酸基含有炭素質材料を加えずに、かつ原料のセルロースを含む材料としてを試薬セルロースを用いた他は、実施例１の＜第１の工程−１＞から＜第４の工程−１＞と同じ条件で各工程の操作を実施した。その結果、第４の工程−１を実施した段階で、粉末セルロースが全てαセルロースであるとの成分分析結果より、７５％の収率にてグルコースが生成していることが確認された。
原料がセルロースであることから、セルラーゼによりグルコースが生成することは極めて一般的なことであるが、そのグルコース生成率はリグノセルロースをスルホン酸基含有炭素質材料にて処理した実施例１とほぼ同等であることから、実施例１の処理によるリグノセルロース処理が、一般的なセルロース処理と同一速度にて実施されることが示された。このことからも、本法は、リグノセルロース処理に極めて有用であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
スルホン酸基含有炭素質材料は多糖類の加水分解活性を示すので、多糖類から単糖類および／または水溶性の多糖類を製造するための触媒として有効である。さらにスルホン酸基含有炭素質材料による多糖類の加水分解反応と、加水分解反応物の酵素による糖化反応を組み合わせることにより、効率よく多糖類から単糖類を製造することが可能になった。単糖類はバイオエタノールの原料として有効であるので、本発明により、多糖類からバイオエタノールを得る有効な手段が提供される。
【図１】
2009004951.tif 000003
【国際調査報告】
2009004951.tif 000004
2009004951.tif 000005
2009004951.tif 000006
2009004951.tif 000007