(57)【要約】【課題】  バイオエタノールを製造開発するうえでバイオマスを酸で糖化した後の酸糖分離方法を提供する。【解決手段】  セルロースおよびヘミセルロースから選択された少なくとも１つを含む原料を酸により糖化し、その糖化液をクロマト分離法により酸画分と糖画分に分離して２０ｗｔ％以上の酸画分を得る酸糖分離を行う方法とする。例えば、擬似移動床クロマト分離の分離モードが、脱着、濃縮、吸着、および精製の順であり、脱着、濃縮、吸着、および精製の比が、１：２：２：１である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロースおよびヘミセルロースから選択された少なくとも１つを含む原料を酸により糖化し、その糖化した液をクロマト分離法により酸画分と糖画分に分離して、２０ｗｔ％以上の酸画分を得る酸糖分離を行う方法。
【請求項２】
擬似移動床クロマト分離法において、４個から６個の単位充填床からなる装置を用いて、注入量および抜き出し量を設定して行う請求項１記載の方法。
【請求項３】
擬似移動床クロマト分離の分離モードが、脱着、濃縮、吸着、および精製の順である請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
分離モードにおける、脱着、濃縮、吸着、および精製の比が、１：２：２：１である請求項３記載の方法。
【請求項５】
酸画分と糖画分に分離するクロマト分離が、両性イオン交換体による請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
両性イオン交換体が、蛇籠型構造である請求項５に記載の方法。
【請求項７】
蛇籠型構造が、式（１）で表される構造である請求項６に記載の方法。
式（１）
2017074010.tif 000015
ｎは、１〜１０００の整数である。
【請求項８】
糖化に用いる酸が硫酸である請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスを酸により糖化してから、糖と酸を分離して糖液を作る方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスの糖化のひとつに硫酸などの酸による糖化方法が用いられている。酸加水分解液を擬似移動層クロマト分離装置に送り、ここで糖を主体とする流出液と酸を主体とする流出液とに分離することが開示されている。擬似移動層クロマト分離装置を用いると、床内に形成されている濃度分布の下流への移動に合せて、流体の供給口及び抜出口を下流のそれに切替える。しかし、濃度分布の移動は連続的であるにもかかわらず供給口および抜出口の切り替えは間欠的であるので、一作業時間内に一つの抜出口から抜出される液の組成は経時的に変化してしまう。良好な分離成績を達成するためには、抜出液の経時変化はできるだけ小さい方が好ましい。この経時変化を少なくするためには、一組の供給口−抜出口の作業時間を短くして、供給口及び抜出口を順次下流のそれに頻繁に切替えることが必要である。しかし、そのためには多数の単位充填床から成る床を必要とし、装置が複雑かつ高価となる。通常は装置の価格と達成される分離効率とを考慮して、６〜２４個の単位充填床からなる装置が用いられている。従来の擬似移動床法では分離性能をよくするためには単位充填床数を増やす必要があり、逆に床数を少なくすると分離効率が低下する欠点があったため、その欠点を補うべく改良擬似移動床法が開発された（特許文献２）。この方法であれば単位床数が４〜６本で酸画分と糖画分の抜き出し幅を狭くするために通常、供給・抜出を行うときの精製帯域の循環流量をゼロにして良好な分離が得られる。しかし、脱着・濃縮・吸着・精製のそれぞれの帯域の流量を比較すると、流量バランスの相関から濃縮帯域の流量が最小となり、脱着帯域の流量もしくは吸着帯域の流量が最大となり、それぞれ異なる流量値を示す。この流量の差が、あまりにも大きい場合には、濃縮帯域において充分なピストンフローが形成されず、分離性能が他の帯域に比べて、著しく低下してしまうことが考えられる。分割式改良型擬似移動床法はこのような極端な流量バランスとなる場合に懸念される改良型擬似移動床法の弱点を補うべく開発された。分割操作を行うことによって各帯域の流量を等しく設定できるため、低負荷運転にも対応が可能となり、運転負荷の調節範囲が設定できるようになる。
【０００３】
分割型改良擬似移動床法により、バイオマスを酸で糖化後、酸糖分離を検討された。濃硫酸による糖化法でバイオマスを糖化後に酸糖分離をすると硫酸のテーリングが起こり、糖画分に硫酸が混入する。硫酸のテーリングを考慮して脱着・濃縮・吸着・精製の領域に３：１：１：１になるように単位床数を分けて分離精製し、しかも酸糖分離樹脂を基体樹脂ダウエックス１×４で両性イオン交換体にしたものを用いて酸糖分離ができ、硫酸画分の濃度も１８ｗｔ％になった（非特許文献１）。しかし、脱着・濃縮・吸着・精製を３：１：１：１でスケールアップすると酸糖分離が不良になり、酸画分に糖が混入したため後工程の硫酸濃縮工程においてゲル化するトラブルが発生する。また基体樹脂ダウエックス１×４で両性イオン交換体にしたものは基体樹脂自体の値段が高く、安価なものが必要であるという課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−０４０１０６号公報
【特許文献２】特開平０２−０４９１５９号公報
【特許文献３】特開平０７−００３４８５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】平成２４年度環境省委託事業  成果報告書、ｐ１４１−１４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明では、バイオマスを酸で糖化した後の酸糖分離方法を提供することを目的とする。より具体的には改良型擬似移動床法により、酸画分と糖画分に分離し、さらに酸のテーリングを抑制する両性イオン交換体を合成して、それを用いることで酸画分を高濃度にして、後工程の濃縮工程でのエネルギーコスト低減化と濃縮装置の減容化を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
バイオマスからバイオエタノールを製造開発するうえで本発明者らはバイオマスの酸糖化後の酸糖分離方法の開発に想到した。バイオマスを濃硫酸で糖化して改良擬似移動床法により、脱着・濃縮・吸着・精製を１：２：２：１に変えて酸画分と糖画分がうまく分離でき、さらに単位床に充填する樹脂として蛇籠型の両性イオン交換体を開発し、硫酸のテーリングを抑制することに成功して、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は以下の通りである。
［１］  セルロースおよびヘミセルロースから選択された少なくとも１つを含
む原料を酸により糖化し、その糖化した液をクロマト分離法により酸画分と糖画分に分離して20ｗｔ％以上の酸画分を得る酸糖分離を行う方法。
［２］  ［１］に記載の方法が擬似移動床クロマト分離法において、４個から６
個の単位充填床からなる装置を用いて、注入量および抜き出し量を設定して行う方法。
［３］  ［１］または［２］に記載の擬似移動床クロマト分離の分離モードが、
脱着、濃縮、吸着、および精製の順である方法。
［４］  ［３］に記載の分離モードにおける、脱着、濃縮、吸着、および精製の
比が、１：２：２：１である方法。
［５］  ［１］〜［４］のいすれか１項に記載の酸画分と糖画分に分離するクロ
マト分離が、両性イオン交換体による方法。
［６］  ［５］に記載の両性イオン交換体が、蛇籠型構造である方法。
［７］  ［６］に記載の蛇籠型構造が、式（１）で表される構造である記載の方
法。
式（１）
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ｎは〜１０００の整数である。
［８］  ［１］〜［７］のいずれか１項に記載の糖化に用いる酸が硫酸である方法。  
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、バイオマスの酸糖化液を改良型擬似移動床法により、酸画分と糖画分の分離をして高濃度の酸画分を得ることに成功し、さらに酸のテーリングを抑制するために、蛇籠型の両性イオン交換体を開発して、酸のテーリングを抑えることに成功した。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は酸糖分離パルステストの結果であり、横軸ＢＶ（Ｂｅｄ Ｖｏｌｕｍｅ：ｍＬ／ｍＬ−ｒｅｓｉｎ）である。Ｇｌｃ：グルコース、Ｘｙｌ：キシロース。
【図２】図２は実験室規模での擬似移動床法による層内分布図である。
【図３】図３は実証設備での擬似移動床法による層内分布図である。
【図４】図４は、Ｑ．ＦＴ−ＩＲによるｐ−スチレンスルホン酸の吸収スペクトルである。ＵＭＡ１５０ＳＳ Ｒｕｎ１：ｐ−スチレンスルホン酸３倍当量、ＵＭＡ１５０ＳＳ Ｒｕｎ２：ｐ−スチレンスルホン酸４倍当量、ＵＭＡ１５０ＳＳ Ｒｕｎ３：ｐ−スチレンスルホン酸５倍当量。ＵＭＡ１５０ＳＳはＵＭＡ１５０の蛇籠型の略称。
【図５】図５は、ＵＭＡ１５０充填カラムを用いた硫酸とグルコースのクロマト分離である。上図は、下図の横軸を０から２．５ＢＶまでを拡大した図である。
【図６】図６は、ＵＭＡ１５０ＳＳ（ｐ−スチレンスルホン酸３倍当量）充填カラムを用いた硫酸とグルコースのクロマト分離である。上図は、下図の横軸を０から２．５ＢＶまでを拡大した図である。ＵＭＡ１５０ＳＳはＵＭＡ１５０の蛇籠型の略称。
【図７】図７は、ＵＭＡ１５０ＳＳ（ｐ−スチレンスルホン酸４倍当量）充填カラムを用いた硫酸とグルコースのクロマト分離である。上図は、下図の横軸を０から２．５ＢＶまでを拡大した図である。ＵＭＡ１５０ＳＳはＵＭＡ１５０の蛇籠型の略称。
【図８】図８は、ＵＭＡ１５０ＳＳ（ｐ−スチレンスルホン酸５倍当量）充填カラムを用いた硫酸とグルコースのクロマト分離である。上図は、下図の横軸を０から２．５ＢＶまでを拡大した図である。ＵＭＡ１５０ＳＳはＵＭＡ１５０の蛇籠型の略称。
【図９】図９は、ＵＭＡ１５０を使用した場合の１Ｍ ｐ−スチレンスルホン酸の破過曲線である。Ｃ：カラム出口の吸光度（２８３ｎｍ）、Ｃ０：カラム入り口の吸光度（２８３ｎｍ）。
【図１０】図１０は、ＵＭＡ１３０Ｊ、Ｍｕｒｏｍａｃ ＸＳＡ−２１２３を使用した場合の１Ｍ  ｐ−スチレンスルホン酸の破過曲線である。Ａ：カラム出口の吸光度（２８３ｎｍ）、Ａ０：カラム入り口の吸光度（２８３ｎｍ）。
【図１１】図１１は、ＵＭＡ１３０ＪＳＳ充填カラムを用いた硫酸とグルコースのクロマトグラフ分離である。上図は、下図の横軸を０から２．５ＢＶまでを拡大した図である。ＵＭＡ１３０ＪＳＳはＵＭＡ１３０Ｊの蛇籠型の略称。
【図１２】図１２は、ＵＭＡ１３０Ｊ充填カラムを用いた硫酸とグルコースのクロマトグラフ分離である。上図は、下図の横軸を０から２．５ＢＶまでを拡大した図である。
【図１３】図１３は、Ｍｕｒｏｍａｃ ＸＳＡ−２１２３充填カラムを用いた硫酸とグルコースのクロマトグラフ分離である。上図は、下図の横軸を０から２．５ＢＶまでを拡大した図である。
【図１４】図１４は、Ｍｕｒｏｍａｃ ＸＳＡ−２１２３ＳＳ充填カラムを用いた硫酸とグルコースのクロマトグラフ分離である。上図は、下図の横軸を０から２．５ＢＶまでを拡大した図である。Ｍｕｒｏｍａｃ ＸＳＡ−２１２３ＳＳはＭｕｒｏｍａｃ ＸＳＡ−２１２３の蛇籠型の略称。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のバイオマスは、セルロース系バイオマスでバガス、スイッチグラス、ネピアグラス、エリアンサス、コーンストーバー、ビートパルプ、綿実殻、パーム空殻房、稲わら、麦わら、竹、笹、などの草本系バイオマス、あるいはシラカバ、ブナなどの樹木、廃建材などの木質系バイオマスであり、これらのバイオマスを酸で糖化して糖化液を作成し、酸糖分離法により酸画分と糖画分に分離する。
【００１１】
本発明の酸糖分離法では、前述セルロース系バイオマスを原料としてまず７５％硫酸などの酸で、セルロース、ヘミセルロースを加水分解し、ろ過により残渣と分離して、ろ液である糖化液を作成する。そして、活性炭により脱色し、酸糖分離法により酸画分と糖画分に分離する。また、セルロース系バイオマスを３０％硫酸のような中程度の濃度の酸でヘミセルロースを加水分解して、ろ過により残渣とろ液である糖化液とに分離する。そして、糖化液を活性炭により脱色し、酸糖分離法により酸画分と糖画分に分離する。
【００１２】
まず、バイオマスの糖化に関して説明する。
以下にバイオマスの糖化方法の一例を挙げるが、これに限定されない。
細かく粉砕したモウソウチクに７５％硫酸を混合してニーダーで混錬しながら６０℃で可溶化し、加水して８０℃に１時間加熱する。
吸引ろ過またはフィルタープレスによるろ過を行い、ろ液（糖化液）を得る。
ろ液を活性炭カラムに通液して脱色する。
【００１３】
本発明の酸糖分離方法は、擬似移動床法による酸と糖の分離であるが、分割式改良型擬似移動床法による酸糖分離法を検討した。この方法であればカラム数が最低４〜６本であっても分離性能がよい。カラムに充填する樹脂は強塩基性陰イオン交換樹脂であれば何でもよい。しかし、強塩基性陰イオン交換樹脂であると硫酸と糖を分離する場合には硫酸のテーリング挙動が見られる。よって強塩基性陰イオン交換樹脂に強酸性陽イオン交換基を持つポリマーを被覆させた蛇籠型樹脂を用いることにより硫酸のテーリングを抑制して高濃度の酸画分を得ることができた。
【００１４】
分離モードが、脱着・濃縮・吸着・精製であり、分離モードにおける、脱着、濃縮、吸着、および精製の比は、３：１：１：１、１：２：２：１、１：２：１：２、１：１：１：３、１：３：１：１、１：１：２：２、２：２：１：１、２：１：１：２、１：１：３：１、または２：１：２：１が挙げられる。硫酸のテーリングを考慮する場合は、３：１：１：１が好ましい。また、糖と硫酸の分離度向上のためには、１：２：２：１がより好ましい。
【００１５】
蛇籠型構造をつくるのに用いる母体樹脂は、強塩基性陰イオン交換樹脂であれば何でもよい。強塩基性陰イオン交換樹脂は、スチレン−ジビニルベンゼンの共重合体にトリメチルアンモニウム基、もしくはジメチルエタノールアンモニウム基を導入したものである。蛇籠樹脂合成の際に、重合反応時の立体障害を考えると、架強度４〜６、イオン交換容量が１．０〜１．３ｍｅｑ／ｍＬが好ましい。
【００１６】
強塩基性陰イオン交換樹脂の粒径はとくに限定されないが、酸画分と糖画分の分離度を考慮すると、通常１μｍ以上、好ましくは７５〜１５０μｍ、２００〜３００μｍである。
【００１７】
蛇籠型構造をつくるのに用いるモノマーは、ｐ−スチレンスルホン酸、ビニルスルホン酸、アクリル酸などが挙げられるが、強塩基性陰イオン交換樹脂と静電的相互作用をもつものとしては、ｐ−スチレンスルホン酸、ビニルスルホン酸が好ましく、重合時の安全性を考慮すると、ｐ−スチレンスルホン酸がより好ましい。
【００１８】
糖化に用いる酸は、硫酸、塩酸などの酸が挙げられる。セルロース、ヘミセルロースを同時に温和な条件で加水分解するには硫酸のほうが好ましい。塩酸の場合は５０〜７０℃であるとセルロース系バイオマスのヘミセルロースのみを加水分解する。
【実施例】
【００１９】
［実施例１］
（バイオマスの糖化）
長径２．００−３．３５ｍｍに粉砕した乾燥済みモウソウチクをフィーダー（マイクロンフィーダーＴＦ−７０−ＣＴ アイシンナノテクノロジーズ製）でニーダー（Ｓ１ＫＲＣニーダー 栗本鐵工所製）へ５．５３ｇ／ｍｉｎでフィードし、７５％硫酸を７．４４ｇ／ｍｉｎでニーダーへフィードして混錬させて可溶化させた。可溶化物は排出させ、加水量に相当する水を張ったバケツに氷水で冷却しながら回収した。１日で４．６７ｋｇの可溶化物を作り、これに水を３．０８ｋｇ加えた。これを２日行い、可溶化物９．３４ｋｇに対し水は６．１６ｋｇを加えるようにした。これらを２０Ｌの糖化機（吉野製作所製）に仕込んで８０℃、１時間、１００．８ｒｐｍで糖化反応させた。反応後、糖化機から液を抜き出してブフナーロート（桐山製作所製）とφ２４０ｍｍのＮｏ５Ｃのろ紙（桐山製作所製）を用いて吸引ろ過により固液分離した。糖回収率はグルコースが７７％、キシロースが７５％であった。
【００２０】
（活性炭による糖化液の脱色）
カラム（内径：９．１ｃｍ、高さ：５２．４ｃｍ：ａｍｉｃｏｎ製）に超純水を予め張り、ミリＱ水と粒状活性炭（ＦＧ−３：日本エンバイロケミカルズ製）のスラリーを充填して３．４Ｌまで充填した。空間速度０．３ｈ−１で糖化液を連続通液して脱色した。脱色は色彩色差計（ＣＴ−２１０ ＫＯＮＩＣＡ ＭＩＮＯＬＴＡ製）を用いて、彩度（Ｃ）を測定することで判定した。Ｃが１以下になれば脱色できていると判断した。
【００２１】
［実施例２］
（実験室規模での酸糖分離試験）
酸糖分離装置Ｌａｂｏ−２ＬＴ（三菱レイヨンウォーターソリューションズ製）を用いて酸糖分離試験を実施した。カラムは６本で強塩基性陰イオン交換樹脂ＵＭＡ１５０（三菱化学製）を計２４５４ｍＬ充填し、まずパルステストで硫酸と糖の分離を調べた（図１）。その結果、糖（グルコース）の保持容量は０．８ＢＶ、硫酸の保持容量は１．０ＢＶで、糖と硫酸の保持容量から連続で酸糖分離運転をするときのカラム切り替え周期ＢＶ＝０．９を決定した。
条件
原液量：６４０ｍＬ
原液：オリゴ分解前Ｇｌｃ ５０．６３１ｇ／ｋｇ、Ｘｙｌ ３３．９２１ｇ／ｋｇ
オリゴ分解後Ｇｌｃ ６３．３５１ｇ／ｋｇ、Ｘｙｌ ３７．７４２ｇ／ｋｇ
オリゴ率：Ｇｌｃ ２０．０８％、Ｘｙｌ １０．１１％
硫酸濃度：２９．８１％
ＳＴＥＰ−１：９６０ｓｅｃ、ＳＴＥＰ−２：５ｓｅｃ、ＳＴＥＰ−３：６０００ｓｅｃ、ＳＴＥＰ−１およびＳＴＥＰ−２は原料フィード、ＳＴＥＰ−３は溶離水フィード
ポンプ流量：４０．０ｍＬ／ｍｉｎ、温水槽温度：５０℃、溶離液：超純水
【００２２】
表１．パルステストデータ（保持体積、半値幅、極大濃度）
2017074010.tif 000004
【００２３】
（改良擬似移動床法による酸糖分離）
パルステストの結果をもとにカラム切り替え周期を０．９ＢＶ、Ｐ画分（酸画分）とＲ画分（糖画分）の抜き出し比（Ｐ／Ｒ＝１．５５２）、溶離水と原料の比（Ｗ／Ｆ）＝１．９９６、負荷量（ＳＶ）を０．３ＢＶに設定して改良擬似移動床による酸糖分離を１０サイクル実施した。６サイクルのＳＴＥＰ−４Ｄから，７サイクルのＳＴＥＰ−３Ｄまでの層内分布を調べた（図２）。その結果、糖画分、酸画分とも濃度が極大でないところに位置していたが硫酸画分の硫酸濃度は約２０ｗｔ％にあがった。サンプリングにより層内に乱れが発生したためその後、酸糖分離に関してモードは「１２２１」（脱着，濃縮，吸着，精製）で負荷量（ＳＶ）を０．３ＢＶ、Ｐ／Ｒ＝１．３、Ｗ／Ｆ＝１．９に変更して酸糖分離を４１サイクル運転して物質収支を計算した。その結果、糖画分の糖回収率は８７．１％、硫酸画分の硫酸回収率は８８．１％であった（ＭＢは硫酸、糖ともに０．９５）。しかし、糖画分の硫酸濃度が３．７ｗｔ％であることから硫酸のテーリングを抑制する両性イオン交換体を要する結果となった。
○層内分布条件
ＳＴＥＰ−Ａ：２４７ｓｅｃ、ＳＴＥＰ−Ｂ：４５１ｓｅｃ、ＳＴＥＰ−Ｃ：４４ｓｅｃ、ＳＴＥＰ−Ｄ：４５０ｓｅｃ
ポンプ流量２９．８ｍＬ／ｍｉｎ、樹脂量：２４５４ｍＬ、温水槽温度：５０℃
分離剤：ＵＭＡ１５０
原液：オリゴ分解前Ｇｌｃ ４６．６２ｇ／ｋｇ、Ｘｙｌ ３２．１６ｇ／ｋｇ
オリゴ分解後Ｇｌｃ ５８．７１ｇ／ｋｇ、Ｘｙｌ ３５．８８ｇ／ｋｇ
オリゴ率：Ｇｌｃ ２０．５９％、Ｘｙｌ １０．３７％
【００２４】
表２．擬似移動床法での糖、硫酸の回収率と物質収支（実験室規模）
2017074010.tif 000005
【００２５】
［比較例］
（実証設備での酸糖分離試験）
はじめ硫酸のテーリングを考慮した３：１：１：１モードで酸糖分離試験を実施したが、硫酸と糖の分離がうまく出来ず硫酸画分を硫酸濃縮工程で濃縮したら発泡現象が生じ、ゲル化物ができた。３：１：１：１モードであると吸着、精製の領域が狭く、理論段数が小さいと判断し、１：２：２：１モードで酸糖分離試験を実施した（図３）。その結果、硫酸と糖がうまく分離でき、糖の回収率が９８．６％、硫酸の回収率が９３．４％になったが硫酸画分の濃度が１５ｗｔ％であり硫酸のテーリング現象は見られる。
よって実験室規模、実証設備での酸糖分離試験で酸糖分離ができ、課題は硫酸のテーリング抑制となった。
樹脂容量：１６２．８Ｌ、流速：１．４Ｌ／ｍｉｎ
ＳＴＥＰ−Ａ：３７７ｓｅｃ（ＳＶ０．３２）、ＳＴＥＰ−Ｂ：６９０ｓｅｃ（３１３ｓｅｃ）、ＳＴＥＰ−Ｃ：６５ｓｅｃ、ＳＴＥＰ−Ｄ：５５０ｓｅｃ
小計：１６８２ｓｅｃ（１３０５ｓｅｃ）
カラム容積：１６２．８Ｌ：φ１９．８ｃｍ×ｈ９０ｃｍ×６本
分離剤：ＭＡ０３ＳＳ、流速：１．４Ｌ／ｍｉｎ
溶離液：上水（活性炭フィルター処理）
【００２６】
表３．擬似移動床法での糖、硫酸の回収率と物質収支（実証試験）
2017074010.tif 000006
【００２７】
[実施例３]
（蛇籠型両性イオン交換体の合成）
（母体樹脂のコンディショニング）
新しい樹脂を使用するときは混入している有機物や鉄その他無機物を除き、かつ樹脂を液になじませるため予備処理（コンディショニング）を行った。ベース樹脂は強塩基性陰イオン交換樹脂ＵＭＡ１５０（三菱化学製、塩化物イオン形、イオン交換容量１．５８ｍｅｑ／ｍｌ，粒径２００〜２４０μｍ、架強度８）を用い、カラム（内径１４ｃｍ、高さ５０ｃｍ ａｍｉｃｏｎ製）に５０００．４５ｍＬ充填した。１Ｍ ＮａＣｌ、超純水、１Ｍ ＮａＯＨ、超純水、１Ｎ ＨＣｌ、超純水の順に上向流により空間速度０．９９７ｈ−１で通液した。
【００２８】
表４．コンディショニングの結果
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【００２９】
（蛇籠型両性イオン交換体の合成）
（１Ｍ ｐ−スチレンスルホン酸水溶液の通液）
内径２．６cm、高さ４８．５cmのカラム（旭製作所製）を３本用意してコンディショニングした
陰イオン交換樹脂ＵＭＡ１５０をそれぞれのカラムに１００ｍＬずつ充填した。樹脂１００ｍＬでイオン交換容量が１５８ｍｅｑであるので３倍当量（４９５ｍｅｑ、Ｒｕｎ１）、４倍当量（６４８ｍｅｑ、Ｒｕｎ２）、５倍当量（７７７ｍｅｑ、Ｒｕｎ３）とｐ−スチレンスルホン酸（和光純薬製）の量を３点にふって１Ｍ ｐ−スチレンスルホン酸を通液した（Ｒｕｎ１；流速２．８１ｍＬ／ｍｉｎ，Ｒｕｎ２；流速２．３９ｍＬ／ｍｉｎ，Ｒｕｎ３；流速２．１２ｍＬ／ｍｉｎ）。超純水で樹脂を洗浄してカラム流出液にスチレンスルホン酸が検出されなくなるまで洗浄した。スチレンスルホン酸の検出はＵＶスペクトルで２００−４００ｎｍのスペクトルをとって確認。（極大の波長は２８３ｎｍ）
【００３０】
（重合）
ｐ−スチレンスルホン酸イオン形ＵＭＡ１５０（１００ｍＬ）とミリＱ水３００ｍＬを、撹拌装置と温度計，球入りアリーン冷却器を取り付けた５００ｍＬセパラブル四ツ口フラスコに入れた。
さらに水溶性重合開始剤（２，２’−ａｚｏｂｉｓ［Ｎ−（２−ｃａｒｂｏｘｙｅｔｈｙｌ）−２−ｍｅｔｈｙｌｐｒｏｐｉｏｎａｍｉｄｉｎｅ］ｈｙｄｒａｔｅ：ＷＡＫＯ）６ｇを入れ、２５〜２６℃、２２時間１２分２００ｒｐｍで攪拌した。２００ｒｐｍで撹拌しながら水浴を加温させて温度を７０℃まで上昇させ、７０〜７３．５℃に３時間保った。
その後、温度を８０℃まで上昇させ、８０〜８３℃に３時間保った。温度が４３℃まで低下した後撹拌を停止して放置冷却した。
【００３１】
（後処理）
まずセパラブルフラスコ内に樹脂を沈降させ、上層の水をサイホンで除去した。次に５００ｍＬビーカーに樹脂を移してミリＱ水を５００ｍＬまで加えた。攪拌機（セリガノモーター；回転数２００ｒｐｍ）で２０分攪拌し、４０分静置させてから上層の水をサイホンで除去した。この操作を４回繰り返した。カラム（内径；２．６ｃｍ、高さ４８．５ｃｍ；旭製作所製）に合成した樹脂１００ｍＬ充填し、ミリＱ水を２Ｌ通液した。その後、１Ｍ ＮａＣＬを３Ｌ通液した。通液方法は自然流下法で実施した。（ミリＱ水の通液：２１７ｍＬ／ｈｒ（空間速度２．０ｈ−１）、１Ｍ ＮａＣｌの通液：２０７ｍＬ／ｈｒ（空間速度２．０ｈ−１））
【００３２】
（元素分析、ＦＴ−ＩＲ測定）
１Ｍ ＮａＣＬを３Ｌ通液後、ミリＱ水を１Ｌ通液して水洗した。そして樹脂をカラムから取り出した。樹脂を適量紙の上に置いて一晩風乾した。風乾後、五酸化リンを入れた真空乾燥器で一晩真空乾燥した。
【００３３】
（酸糖分離パルステスト）
各樹脂５２〜５３ｍＬを内径１５ｍｍの恒温水循環用ジャケット付カラム（ジャケット部長さ３０ｃｍ）に充填し、３．７３Ｍ 硫酸２５ｍＬをＳＶ２ｈ−１で通液してコンディショニングを行い、超純水でカラム内を洗浄した（カラムからの流出液のｐＨをｐＨ試験紙により確認し、中性になるまで洗浄した）。次に、カラム内温度を５０℃に保ち、サンプル溶液（３２６ｇ／Ｌ（３．３２Ｍ）硫酸，１５０ｇ／Ｌ（０．８３２Ｍ）グルコース）０．３０ＢＶを樹脂充填カラムに負荷し、脱気超純水をＳＶ２ｈ−１で通液し、クロマトグラフ分離した。カラムからの流出液はフラクションコレクターを用いて分画採取した（分画量は、ＪＮＣ株式会社合成樹脂４のＲｕｎ１，Ｒｕｎ２、および樹脂５のＲｕｎ２では２．５ｍＬとした。それ以外は５ｍＬずつ分画した）。分画終了後、超純水を通液しカラム内を洗浄した。各分画液中の硫酸およびグルコースの濃度は、それぞれ０．１Ｎ ＮａＯＨを用いる酸塩基滴定ならびにＴＯＡ−ＤＫＫ製糖分析計ＳＵ−３００により求めた（図５、図６、図７、図８）。
【００３４】
元素分析結果からＵＭＡ１５０ＳＳ（Ｒｕｎ１〜Ｒｕｎ３）は硫黄と窒素のモル比（Ｓ／Ｎ）が０．４３〜０．４５であった。ＦＴ−ＩＲによりＵＭＡ１５０ＳＳ（Ｒｕｎ１〜３）ではｐ−スチレンスルホン酸の吸収（１１８０ｃｍ−１）が観測された（図４）。一方、Ｄｏｗｅｘ１×４ＳＳはＳ／Ｎ＝０．７２、Ｄｏｗｅｘ１×８ＳＳは０．７０である。
この原因として以下のことが考えられた。
ＵＭＡ１５０へのｐ−スチレンスルホン酸の吸着率が低い
ＵＭＡ１５０にｐ−スチレンスルホン酸が吸着されても基体樹脂の架強度、イオン交換容量が大きいために重合反応が進まない。
そこで、まずＵＭＡ１５０へのｐ−スチレンスルホン酸吸着試験を行い、吸着度を測定した。
【００３５】
（蛇籠樹脂合成における母体樹脂へのｐ−スチレンスルホン酸吸着試験）
樹脂（ＵＭＡ１５０）１２０ｍＬをカラム（内径２．２ｃｍ，高さ５０ｃｍ）に充填し、３倍当量の１Ｍ ｐ−スチレンスルホン酸ナトリウム水溶液を通液速度５４．５ｍＬ／ｈｒ（空間速度０．４５ｈ−１）で通液した。分画体積１０ｍＬとしてフラクションコレクターで５７本（計５７０ｍＬ）分取し、各フラクションの吸光度（２８３ｎｍ）を２０００倍希釈で測定した（図９）。
超純水１．７２Ｌを７０．３ｍＬ／ｈｒ（空間速度０．５９ｈ−１）でカラムへ通液して樹脂を洗浄した。そしてさらに超純水を通液し、フラクションコレクターで１０ｍＬずつ分取してサンプリングしてスチレンスルホン酸が検出されなくなるまで続けた。スチレンスルホン酸の吸収は２００−４００ｎｍのスペクトルをとって確認した。
結果は９２％のｐ−スチレンスルホン酸がＵＭＡ１５０に吸着されていた。このことから重合反応後のｐ−スチレンスルホン酸導入率が低下するのは重合反応が進まないことによるものと考えられる。水で膨潤したイオン交換樹脂においてイオン交換基の対立イオンは併進運動によって動くことができる。この併進運動が樹脂の網目構造が密になる、すなわち架強度が大きくなるほど網目に衝突するので併進運動に対する抵抗が大きくなり、併進運動が遅くなる。また、イオン交換容量が高くなると膨潤樹脂単位体積あたりのイオン交換基と対立イオンの濃度が高くなり、混み合って対立イオンの併進運動が遅くなる。よってＵＭＡ１５０ＳＳのＳ／Ｎ比が小さいのはイオン交換容量が大きいことや橋かけ度が高いことで立体障害が大きくなっているためラジカルの連鎖移動がおこりにくく重合反応が進まないからだと思われる。酸糖分離パルステストの結果から、以前のＤｏｗｅｘ１×４ＳＳに比べて硫酸のテーリング抑制は小さかった。これはｐ−スチレンスルホン酸導入量が関係していると思われる。よって蛇籠樹脂のＳ／ＮをＤｏｗｅｘ１×４ＳＳと同様に０．７０まであげる必要性がある。
【００３６】
表５．元素分析結果と酸糖分離パルステストのまとめ
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ＵＭＡ１５０ＳＳ３：３倍当量、ＵＭＡ１５０ＳＳ４：４倍当量、ＵＭＡ１５０ＳＳ５：５倍当量
【００３７】
（酸糖分離パルステスト）
表６．カラム流出液０〜２ＢＶおよび２〜１０ＢＶにおける硫酸の溶出量
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【００３８】
（酸糖分離パルステスト）
表７．グルコースと硫酸のクロマトグラフ分離における保持容積、半値幅、極大濃度
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ＵＭＡ１５０ＳＳ３：３倍当量、ＵＭＡ１５０ＳＳ４：４倍当量、ＵＭＡ１５０ＳＳ５：５倍当量
【００３９】
表８．母体樹脂へのｐ−スチレンスルホン酸吸着試験結果
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ＵＭＡ１５０−ＳＳＳ：ＵＭＡ１５０とｐ−スチレンスルホン酸の吸着体
【００４０】
[実施例４]
（母体樹脂を変更した蛇籠型両性イオン交換体の合成）
（樹脂のコンディショニング）
塩化物イオン形の各樹脂２００ｍＬを内径４６ｍｍのガラスカラムに充填し、１Ｍ ＮａＣｌ（７Ｌ）、超純水（７Ｌ）、１Ｍ ＮａＯＨ（１０Ｌ）、超純水（１０Ｌ）、１Ｍ ＨＣｌ（７Ｌ）、超純水（７Ｌ）の順に通液し、樹脂のコンディショニングを行った。各溶液と超純水の通液速度はＳＶ０．５ｈ−１とした。
ＵＭＡ１３０Ｊ：塩化物イオン形、架強度６、イオン交換容量１．４ｍｅｑ／ｍＬ、粒径：平均２９８μｍ
Ｍｕｒｏｍａｃ ＸＳＡ−２１２３：塩化物イオン形、架強度６、イオン交換容量１．３ｍｅｑ／ｍＬ、粒径：５７５±５０μｍ
【００４１】
（樹脂の塩化物イオン形からｐ−スチレンスルホン酸イオン形への変換）
１Ｍ ｐ−スチレンスルホン酸ナトリウム水溶液をＳＶ＝０．５ｈ−１で１．５Ｌ通液した。その後、カラム流出液にスチレンスルホン酸が検出されなくなるまでカラムを超純水で洗浄した（図１０）。
【００４２】
（重合）
まずｐ−スチレンスルホン酸イオン形の樹脂２５ｍＬを用いた重合を行い、その後１２０ｍＬを用いた重合を行った。それぞれの重合操作を以下に示す。
【００４３】
（ｐ−スチレンスルホン酸イオン形の樹脂２５ｍＬを用いた重合）
ｐ−スチレンスルホン酸イオン形の樹脂（２５ｍＬ）と超純水７５ｍＬ、および水溶性重合開始剤（２，２’−ａｚｏｂｉｓ［Ｎ−（２−ｃａｒｂｏｘｙｅｔｈｙｌ）−２−ｍｅｔｈｙｌｐｒｏｐｉｏｎａｍｉｄｉｎｅ］ｈｙｄｒａｔｅ）１．５ｇを、簡易型耐圧反応装置（耐圧硝子工業株式会社、ハイパーグラスターＴＥＭ−Ｖ２００）の反応容器（内径３７ｍｍ、高さ２４６ｍｍの丸底型容器、容積２００ｍＬ）に入れ、開始剤の樹脂相への分配を促進するために時々１００ｒｐｍで撹拌しながら（撹拌にはＩ型撹拌翼を使用。以下も同様。）、２５℃で２日間放置した。
反応容器の内容物を撹拌下、約３０分で温度を７０℃まで上昇させた後７０℃で３時間保った。その後約３０分かけて温度を８０℃まで上昇させた後８０℃で３時間保った。
以上の反応操作を終了後、反応混合物の温度を室温まで下げるために、反応装置の電源を切った状態で一夜放置した。樹脂をバッチ法で軽く水洗した後、内径２０ｍｍのガラスカラムに充填した。先ず超純水を３００ｍＬ通液後、つづいて１Ｍ ＮａＣｌを２０００ｍＬ通液した。カラム流出液のＵＶ吸収スペクトルを測定したが、ｐ−スチレンスルホン酸イオンの吸収はほとんど観測されなかった。さらに超純水をカラム流出液に塩化物イオンが検出されなくなるまで通液した。通液速度は２５ｍＬ／ｈとした。
【００４４】
（ｐ−スチレンスルホン酸イオン形の樹脂１２０ｍＬを用いた重合）
ｐ−スチレンスルホン酸イオン形の樹脂（１２０ｍＬ）と超純水５００ｍＬを、撹拌装置と温度計を取り付けた１Ｌセパラブル四ツ口フラスコに入れた後、水溶性重合開始剤（２，２’−ａｚｏｂｉｓ［Ｎ−（２−ｃａｒｂｏｘｙｅｔｈｙｌ）−２−ｍｅｔｈｙｌｐｒｏｐｉｏｎａｍｉｄｉｎｅ］ｈｙｄｒａｔｅ）７．２ｇを加えて、開始剤の樹脂相への分配を促進するために時々１００ｒｐｍで撹拌しながら２５℃で２日間放置した。
反応容器の内容物を撹拌下、約３０分で温度を７０℃まで上昇させた後７０〜７３℃で３時間保った。その後約３０分かけて温度を８０〜８３℃まで上昇させた後８０℃で３時間保った。
樹脂をバッチ法で軽く水洗した後、内径４６ｍｍのガラスカラムに充填した。先ず超純水を２Ｌ通液後、つづいて１Ｍ ＮａＣｌを４Ｌ通液した。カラム流出液のＵＶ吸収スペクトルを測定したが、ｐ−スチレンスルホン酸イオンの吸収はほとんど観測されなかった。さらに超純水をカラム流出液に塩化物イオンが検出されなくなるまで通液した。通液速度は１００ｍＬ／ｈとした。
【００４５】
（酸糖分離パルステスト）
各樹脂約５３ｍＬを内径１５ｍｍの恒温水循環用ジャケット付カラム（ジャケット部長さ＝樹脂床高さ３０ｃｍ）に充填し、３．７３Ｍ 硫酸２５ｍＬをＳＶ２ｈ−１で通液してコンディショニングを行い、超純水でカラム内を洗浄した（カラムからの流出液のｐＨをｐＨ試験紙により確認し、中性になるまで洗浄した）。次に、カラム内温度を５０℃に保ち、サンプル溶液（３２６ｇ／Ｌ（３．３２Ｍ）硫酸，１５０ｇ／Ｌ（０．８３２Ｍ）グルコース）０．３０ＢＶを樹脂充填カラムに負荷し、超純水をＳＶ２ｈ−１で通液し、クロマトグラフ分離した。カラムからの流出液はフラクションコレクターを用いて分画採取した。分画量は２．６ｍＬ（０．０５ＢＶ）とした。分画終了後、超純水を通液しカラム内を洗浄した。各分画液中の硫酸およびグルコースの濃度は、それぞれ０．１Ｎ ＮａＯＨを用いる酸塩基滴定ならびにＴＯＡ−ＤＫＫ製糖分析計ＳＵ−３００により求めた（図１１，図１２，図１３，図１４)。
【００４６】
表９．蛇籠型両性イオン交換体合成結果と酸糖分離のまとめ
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【００４７】
（酸糖分離パルステスト）
表１０．カラム流出液０〜２ＢＶおよび２〜１０ＢＶにおける硫酸の溶出量
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【００４８】
（酸糖分離パルステスト）
表１１．グルコースと硫酸のクロマトグラフ分離における保持容積、半値幅、極大濃度
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表１１よりＵＭＡ１３０Ｊを用いて合成した両性イオン交換体がＤｏｗｅｘ１×４の両性イオン交換体に代わり安価になり、硫酸のテーリングが抑制され、酸糖分離性能も良好であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の酸糖分離法はバイオマスからのバイオエタノールの製造のみならず、バイオマスから糖、糖誘導体、生体高分子などの有用物質を製造するうえでの前処理法として適用できる。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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