Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
次に、草木質バイオマスの反応性の差異を考察する。まず、それぞれのバイオマス中のリグニンの量との関連性を考察した。Fig. 32 に示したように、反応温度が低い時、リグニン量が多い原料（木質系バイオマス）からはほとんど C6 糖が生成されていないことが分かる。一方、210℃では、ユーカリの場合、C6 糖収率は40％以上にも達した。これはリグニンの含有量が多い木質系バイオマスでは210℃のような高温で、一部のリグニン構造が破壊され、セルロースが露出し、反応しやすくなったと考えられる。ただし、低温での結果は、両者の間の関係がはっきりしなかった。これは、セルロースの反応性がヘミセルロースより低く、より高温が必要であると考えられる。また、Fig. 2 に示したように、リグニンと同様にヘミセルロースもセルロースを囲み、ヘミセルロースが分解すると、セルロースが露出し、反応しやすくなると考えられる。そこで、反応時間 5min での水熱糖化反応前後ユーカリの組成を分析した。その結果を Table 9 及び Fig. 33 に示した。170℃では、キシランの含有量はわずかに 0.6％がしかなく、ほとんど分解した。このことから、170℃以上では、ヘミセルロースはほとんど分解したと推測できる。これより、ヘミセルロース中のキシラン由来 C5 の収率が最

Table 9 Compositions of eucalyptus before and after saccharification

Xylan	Glucan	Lignin	Liquefaction Ratio
Acid-insoluble	Acid-soluble	Total
Feed	9.5	30.3	34.2	8.3	42.5
Sample after reaction
160 $ ^{\circ} $ C, 5min	1.7	23.0	31.3	4.3	35.6	33.6
170 $ ^{\circ} $ C, 5min	0.6	24.8	30.4	3.1	33.5	34.3
190 $ ^{\circ} $ C, 5min	0	19.5	29.0	2.5	31.5	42.9
210 $ ^{\circ} $ C, 5min	0	12.6	27.0	2.6	29.6	52.9

Fig. 33 Changes in various compositions in eucalyptus after saccharification at several temperatures
大に達し、その後、過分解より C5 糖が有機酸類やフルフラールに転化され、減少した。このとき、生成した少量の C6 糖はヘミセルロース由来のグルカンと考えられる。一方、ユーカリのセルロース含有量は約 23.4% であり、また 170℃ 反応後の残渣中のグルカン含有量は 24.8% であったため、170℃ まではセルロース成分はほとんど分解しないと考えられる。その後、反応温度がさらに高くなると、ヘミセルロースがすべて分解し、さらにリグニンの一部も分解し始めたため、セルロースも分解するようになった。Table 9 に示したように、セルロース由来のグルカンの含有量が 210℃ で 12.6% まで減少した。このとき、セルロース由来の C6 糖の生成が顕著になり、その収率が高くなった。

稲わらにはヘミセルロースやセルロースに加え、デンプンも含まれている。デンプンは分解しやすく、低温でも簡単にC6糖に変換できる。そのため、Fig.31に示したように、低いC5糖収率、つまりヘミセルロースがあまり分解していないことにもかかわらず、木質系バイオマスより高いC6糖収率が得られた。一方、ススキも同じ草本系バイオマスであるが、デンプンを含んでいないため、C5糖もC6糖もあまり生成されなかった。

以上のことから、ヘミセルロースの分解性は、ユーカリ＞アカマツ＞イネ＞ススキの順で分解し難しくなることが分かった。

## 3 ．3 各種の草木質バイオマスの2段階固体酸糖化法の開発

#### 3.3.1 ユーカリの水熱糖化

## 3 ．3．1．1　ユーカリの1段目水熱糖化

広葉樹であるユーカリの1段目の水熱糖化反応における固体酸触媒や糖化の最適条件の探索を行った。最初に固体酸触媒の種類の影響を検討した。反応温度は170℃、反応時間は30分であった。反応後生成物中のキシロース、グルコース、オリゴ糖、フルフラール、5-HMF、及び有機酸類をそれぞれHPLCで定性・定量した。その際、C5糖、C6糖（グルコースと少量のフルクトース）、オリゴ糖、フルフラール、5-HMF及び有機酸類の収量（原料ユーカリ1kg当たりの生成量）をそれぞれ算出した。4種類の固体酸触媒（SA-J1、SA-J2、SA-K1、SA-K2）を用いた結果をFig.34に示した。

Fig. 34 Changes in yields of various products in first stage saccharification of eucalyptus using several solid acid catalysts
また、比較のため、無触媒（ブランク実験、Blank）の結果も示した。SA-K2-5触媒では最も高いC5糖収量を得たが、4つの触媒の間に大きな差が見られなかった。すでに報告されているように(8,9)、固体酸水熱糖化反応は3段式反応メカニズムで進行すると考えられる。特に第1段目での固体酸水熱糖化反応においては、固体酸触媒の細孔内の酸サイトを充分に固体バイオマス原料と接触させる必要があるため、細孔のサイズが大きく、かつ大きな表面積をもつ固体酸触媒が有利であることから触媒の細孔構造は重要であると考えられる。Table 10に各触媒のBET表面積や細孔分布から算出した平均細孔径等の測定結果を示した。SA-K及びSA-Jの4つの触媒の中で、SA-K2-5触媒は大きな表面積と大きな細孔径を持ち、そして水熱糖化反応でもオリゴ糖の収量がやや低く、C5糖の収量が高かった。このことから、ユーカリの1段目の水熱糖化反応にSA-K2系列触媒が適していると考え、さらにこの系列の触媒を検討した。

SA-K2 系列について、ジルコニア量を変化させ、異なる酸量を持つ触媒を調製した。Table 10 にはこの系列触媒の表面積や細孔径等の測定結果も併せて示した。この系列はいずれの触媒も $ 250 ~m^{2} / g $ 以上の高い表面積を持ち、かつ 12 nm 以上の大きな平均細孔径を持つことが分かった。そして、これらの触媒を用いた水熱糖化結果を Fig. 35 に示した。図からジルコニアの量が大きいほど水熱糖化反応における活性が高く、単糖類の全収量が増加することがわかる。以上より、ジルコニア担持量が一番多い SA-K2-15 触媒を一段目水熱糖化に使用することを決定した。

ユーカリの最適な1段目水熱糖化反応条件の探索のために、SA-K2-15触媒を用いて、反応時間を30minに一定にし、水熱糖化温度を160～190℃に変化させ、水熱糖化温度の影響を検討した。Fig. 36に示したように、温度の増加に伴い、C6糖の収量が増加し、C5糖の収量は一旦増加し、その後減少したが、オリゴ糖の生成量や過分解物質であるフルフラールや有機酸類等の副生成物の収量が一方的に増加した。

次に反応温度を $ 170^{\circ}C $ に一定し、反応時間の影響を調べた結果を Fig. 37 に示した。30 分で C5 単糖及びオリゴ糖の収量等は最大となり、それぞれの値は、C5 糖: 73.6g/kg、C6 糖: 14.0g/kg、オリゴ糖: 47.2g/kg であった。一方、反応時間がさらに長くなると、糖収量は減少し、過分解物質の生成量が増加した。この結果より 30 分の反応時間が最適といえる。

以上の結果よりユーカリの最適な1段目水熱糖化条件をSA-K2-15触媒、170℃、30分に決定した。

Table 10 Surface area and average porous diameters of several solid acid catalysts

Catalyst	Surface area [m2/g]	Average pore diameter [nm]	Pore volume [ml/g]
SA-K1	652.8	3.9	ND
SA-K2-5	262.9	14.6	ND
SA-J1	49.2	16.8	0.20
SA-J2	39.8	18.7	ND
SA-K2-10	283.5	12.9	ND
SA-K2-15	256.0	12.2	ND
MC	169	16.6	0.86
Fig. 35 Effect of loadings of zirconia on SA-K2 series catalysts on yields of various products in first-stage

$$ (170^{\circ}C, $$

Fig. 36 Effect of reaction temperature on yields of various products in first-stage saccharification of eucalyptus using SA-K2-15 catalyst (Reaction time: 30min)
Fig. 37 Effect of reaction time on yields of various products in first-stage saccharification of eucalyptus using SA-K2-15 catalyst (Reaction temperature: 170°C)

Fig. 38 Changes in yields of various products in first-step saccharification of eucalyptus in reuse of SA-K2-15 catalyst
170℃、30分でSA-K2-15触媒の再利用実験も行った。反応後、固形物の10倍量(体積)の蒸留水によりの洗浄を3回行った。固形物を真空乾燥(60℃)し、篩を用いて残渣と触媒を分離し、触媒を回収した。触媒の回収率はほぼ100%であった。回収触媒を用いて5回水熱糖化反応を行った。その結果をFig.38に示した。図より、5回の実験で糖収量は134.8(g/kg)から119(g/kg)に、フルフラールは4.06(g/kg)から1.2(g/kg)、そして有機酸は15.31(g/kg)から10.81(g/kg)に変化した。このことから、本触媒は5回の繰り返し利用しても初期活性の約90%を維持することが明らかになった。

次に $ 170^{\circ}C $ 、30 分で反応後の残渣の組成分析を行った。30 分反応後の残渣にはヘミセルロース由来キシランはほとんど検出されなかった。またこの反応においてユーカリの液化率もユーカリ中の

Fig. 39 Changes in compositions of eucalyptus in first-stage saccharification

Fig. 40 Changes in yields of various products in second stage saccharification of eucalyptus using several solid acid catalysts
ヘミセルロースの含有量を上回った。すなわち、この水熱糖化条件でヘミセルロースは完全に分解されたものと考えられる。

以上の実験結果から、SA-K2-15 触媒の1段目の水熱糖化反応前後のユーカリ原料と反応後残渣中の組成変化は、Fig. 39 のようにまとめられる。1段目の反応により、ユーカリ中のセルロースとリグニンの含有量がわずかに減少し、ほとんど分解されていないことが確認された。また、ヘミセルロースはほぼすべて分解し、約62％が単糖類に転換されたことが分かった。

##### 3.3.1.2 ユーカリの2段目水熱糖化

続いて、2段目の水熱糖化反応を検討した。2段目の水熱等反応では、未処理のユーカリ原料を前述のようにAC300オートクレーブを用いて、SA-K2-15触媒、170℃、30分で反応させた後、触媒と分離した残渣を洗浄、乾燥したものを2段目の反応原料として使用した。まず2段目に最適な触媒の探索のために、210℃、5分の反応条件でSA-K2-5、SA-K1及びMCを用いて糖化反応を行い、各生成物の収量を調べた（Fig.40）。しかし、1段目の水熱糖化反応で高活性を示したルイス酸型触媒であるSA-K2-5及びSA-K1触媒の活性は低かった。これに対して、初年度に開発したブレンステッド酸型触媒であるMC触媒は、高い活性を示した。このことから、2段目の水熱糖化では最も加

Fig. 41 Effect of reaction temperature on yields of various products in second stage saccharification of eucalyptus using MC solid acid catalyst (Reaction time: 5 min)
Fig. 42 Effect of reaction time on yields of various products in second stage saccharification of eucalyptus using MC solid acid catalyst (Reaction temperature: 210°C)

水分解性の低いセルロースを分解するには、より酸性の強い固体酸触媒が必要であることが示唆された。

そこで MC 触媒を用いて最適な 2 段目の水熱糖化反応条件を探索した(Fig. 41, Fig. 42)。まずは、反応時間 5 分における 1 段目水熱糖化反応の結果から、190℃以上でセルロースの分解が起こりやすくなると考えられたので、200℃～220℃まで変化させたときの各生成物の収量を調べた(Fig. 41)。い

Fig. 43 Changes in yields of various products in second stage saccharification of eucalyptus in reuse of MC catalyst (190 $ ^{\circ} $ C, 30 min)
Fig. 44 Changes in compositions of eucalyptus in two-stage saccharification

ずれの温度でも C5 糖が検出されず、C6 糖のみが検出された。これは 1 段目の水熱糖化反応でヘミセルロースがすべて分解されたためである。また、C6 糖の収量が 210℃で最大に達した。一方、オリゴ糖の生成量は少なく、糖化反応温度の上昇に伴い減少した。さらに、反応温度 220℃のとき有機酸の生成量が大きく増えたが、フルフラール及び HMF の生成量はほぼ横ばいになった。これは、グルコースから HMF やフルフラールといったアルデヒド類へ分解する反応と同時に、アルデヒド類から有機酸へ分解する反応も起こっていたためと考えられる。これらの結果より、210℃の条件がセルロースの分解に適した温度であると考えられた。

次に、水熱糖化温度を $ 210^{\circ}C $ に固定し、反応時間の影響を検討した（Fig. 42）。反応時間が長くなると、C6 糖、オリゴ糖の収量ともに減少し、過分解生成物である HMF 及び有機酸類が急増した。 $ 210^{\circ}C $ 、5 分で、C6 糖の収量が最大に達し、その収量が $ 158.7 \, g/kg $ 、オリゴ糖の収量が $ 25.1 \, g/kg $ となった。以上の結果より、ユーカリの最適な 2 段目水熱糖化条件を MC 触媒、 $ 210^{\circ}C $ 、5 分に決定した。

1 段目に選定触媒と同様に 2 段目の水熱糖化反応においても触媒の再利用性を確認した。水熱糖化反応は 190℃、30 分で、AC300 オートクレーブを用いて行なった。反応後固形物の 10 倍量(体積)の蒸留水により固形物を 3 回洗浄し、真空乾燥(60℃)後、篩を用いて残渣と MC 触媒を分離し、5 回繰り返し実験を行なった。再利用実験の結果を Fig. 43 に示した。反応後、触媒の形状は維持されたままで分離を容易に行うことができ、ほぼ 100% 回収できた。また、フレッシュ触媒（1 回目）と比べて、若干活性は低下するものの 80～90% 程度の活性を 5 回の再利用実験において維持することができた。

最後に、SA-K2-15 触媒、170℃、30 分での1 段目水熱糖化と、MC 触媒、210℃、5 分での2 段目水熱糖化で得られた単糖やフルフラール類の収量をそれぞれ合計し、さらに2 段目水熱糖化の反応
後回収した未反応の残渣の組成分析結果と合わせて、Fig. 44 にまとめた。2 段水熱糖化反応より、リグニンはほとんど反応せず、ヘミセルロースがすべて分解し、セルロースの一部が分解したことが分かった。2 段水熱反応を経て、ユーカリ中のホロセルロースの約 60.5%が単糖類に転換されたことが分かった。また、2 段反応後でも、ユーカリ原料中のセルロースの約 10.8%がまだ残ったまま、分解しなかったことから、2 段目の水熱反応でセルロースの分解率を向上すれば、全体の単糖収率をさらに向上する可能があると考えられた。

#### 3.3.2 稲わらの水熱糖化

##### 3.3.2.1 稲わらの1段目水熱糖化

まず、一段目水熱糖化触媒を検討した。AC120（容積120 ml）反応装置を用いて、稲わら：触媒：蒸留水=15:5:150、150℃/30minで、ルイス酸・ブレンステッド酸型の各触媒における稲わらの水熱糖化反応を行なった。その結果をFig.45に示した。ルイス酸型触媒(触媒A～D)の場合、表面積・

Oligosaccharide; C6 monosaccharide; C5 monosaccharide; HMF; Furfural; Organic acid; Liquefaction Ratio

Fig. 45 Yields of monosaccharide and byproducts in saccharification of rice straw in presence of different catalysts ( $ 150^{\circ} $ C/30min).
Fig. 46 Effect of reaction temperature on saccharification of rice straw using MC-D catalyst (F) and AM5D catalyst (G) ( $ 150^{\circ} $ C/30min)

酸量が増加するに従って、単糖収量が緩やかに増加していることが分かる。一方で、ブレンステッド酸型触媒(触媒E～G)の場合、触媒の酸量が増加するに従って、単糖収量が増加しているのに対し、表面積と単糖収量に関連性は見られなかった。このことから、稲わら固体酸水熱糖化反応において、触媒の酸量が活性に重要な役割を果たすと考えられる。また、触媒AM5及びMC-D触媒の場合、単糖収率は高かった。さらに、触媒AM5は、MC触媒よりも水熱糖化活性が高く、最も高いC5及びC6単糖収率が得られることがわかった。

次に、MC-D 触媒及び AM5 触媒を用いて、稲わらの1段目水熱糖化反応（120～190℃、反応時間5～45min）を行い、反応温度や反応時間の最適化を行った（Fig.46）。図より、AM5D 触媒を用いた場合、130℃の時最大のC6 糖収率(28%)が得られ、C5 糖収率は150℃の時最大で8.9%が得られた。一方、MC 触媒を用いた場合、C5 糖・C6 糖ともに170℃の時に最大となり、それぞれC6 糖は17%、C5 糖は7.5%が得られた。AM5D 触媒は、MC-D 触媒より表面積が小さいものの、高い酸量及び大きな平均細孔径を持つため、比較的低温でも分子サイズの大きなオリゴ糖分子でも細孔内に引き入れることができるので細孔内の酸性サイトを効率的に活用することができ、低温でも高い単糖収量を得ることができたと考えられる。一方で、MC-D 触媒は細孔径が小さく酸量も低いため、ある程度高
い温度にならないとオリゴ糖が細孔の中に入り込めず、150℃～170℃と高い温度範囲で反応が進んだと考えられる。

これらの結果より、C5 糖の最大収率が得られた AM5D 触媒を 1 段目反応における最適な触媒に、そして 150℃ を最適な反応温度に決めた。

次に AM5D 触媒を用いて、反応温度を 150℃ に固定し、反応時間を変化させ、その影響を検討した。その結果を Fig. 47 に示した。反応時間の増加に伴い、オリゴ糖の生成量が減少した。これは水熱分解反応が進み、ヘミセルロースが分解し、オリゴ糖に転化されるが、オリゴ糖がさらに容易に単糖類に転換されたものと考えられる。一方、液化率が 10min 以降ほぼ変わらず一定であった。そして、C5 糖や C6 の生成量が 10min まで増加し、その後減少した。また、過分解生成物質は、反応時間が高くなるにつれ増加した。過分解生成物質うち、HMF の生成量がフルフラールより高かった。Fig. 18 に示したようにフルフラールは主にキシロースの脱水により生成し、HMF はグルコースが異性化し、フルクトースになった後脱水反応で生成すると考えられる。

水熱糖化反応後未反応の残渣を回収し、NREL 法を用いて分析し、反応後残渣中にどの程度グルカン及びキシランが残っているかを調べた。Fig. 48 に稲わら中の糖化可能部の反応前後の組成の変化を示す。原料組成と比べると、反応時間 10min 以降では、反応残渣中のグルカンやキシラン含有

☐ Oligosaccharide; ☐ C₆ monosaccharide; ☐ C₅ monosaccharide; ☐ HMF; ☐ Furfural; ☐ Organic acid; ☑ Liquefaction Ratio

Fig. 47 Effect of reaction time on saccharification of rice straw using AM5D catalyst (Reaction temperature $ 150^{\circ} $ C).
Fig. 48 Change in Composition of rice straw before and after saccharification

Table 11 Conversion of Glucan and Xylan in saccharification of rice straw for different reaction time

Conversion
Reaction time	Xylan	Glucan
0 min	20.8	29.3
5 min	59.8	46.3
10 min	78.4	52.2
15 min	72.3	50.9
30 min	75.3	48.1

量にほぼ変化がないことが分かる。また、Fig. 47 に示したように、稲わらの液化率も 10min 以降ほぼ一定であることから、150℃の反応においては、ヘミセルロースの液化が 10min ですでにほとんど終了し、その以降ではほとんど進行していないと考えられる。つまり、10min 以降では糖化反応よりも単糖類の過分解が進み、単糖収量が減少したと考えられる。なお、30min の反応でも約 18% のグルカンが残っていた。また稲わらには約 23.3% のセルロースが含まれているため、150℃の反応においては、セルロースがほとんど分解しないことが示唆された。以上の結果から、150℃では、セルロースの水熱分解がほとんど進行せず、グルコースは主に稲わら原料中のデンプンやヘミセルロース由来と考えられる。一方、キシロースは稲わら原料中のヘミセルロースにのみ存在するため、その生成量が少なくなると予想できる。

以上の結果より、稲わらの1段目水熱糖化条件は、AM5D触媒、 $ 150^{\circ}C/10min $ に決定した。この条
件でキシランの78%、グルカンの52%が単糖に転換された（Table 11）。

## 3 ．3．2．2　稲わらの2段目水熱糖化

次に稲わらの2段水熱糖化プロセスにおける最適な触媒及び反応条件を検討した。最適条件で稲わらの1段目水熱糖化を行った後の残渣を洗浄し、触媒との分離・回収した未反応物を2段目の水熱糖化反応の原料とした。

まず、SA-K2-15 触媒を用いて、反応時間を 5min に固定し、セルロースの分解に必要なより高い温度範囲（190～230℃）で 1 段水熱糖化反応温度の影響を検討した。Fig. 49 に示したように温度の増加に伴い、オリゴ糖の生成量が減少し、210℃以上で C6 糖収量が一定になることがわかった。また、いずれの温度でも少量の C5 糖が検出された。これは 1 段目の水熱反応において、ヘミセルロースが完全に分解されず、2 段目の水熱反応で分解され、キシロースが生成されると考えられる。一方、過分解物質の生成量が温度の上昇に伴って増加した。次に、反応温度を 210℃に固定し、反応時間の影響を検討した。Fig. 50 に示したように、反応時間が長くなると、オリゴ糖の収量が減少し、

Fig. 49 Effect of reaction temperature on yields of various products in second stage saccharification of rice straw using SA-K2-15 solid acid catalyst
HMF(g/kg) ☐ Furfural(g/kg) ◇ organic acid(g/kg)

Fig. 50 Effect of reaction time on yields of various products in second stage saccharification of rice straw using SA-K2-15 solid acid catalyst

Fig. 51 Changes in compositions of rice straw in two-stage saccharification
C5 糖と C6 糖の収量が 15 分で最大になった。この時 C5 糖の収量は 5.31 g/kg、C6 糖の収量は 82.7 g/kg、オリゴ糖の収量は 23.5 g/kg であった。以上の結果より、稲らの最適な 2 段目水熱糖化条件を SA-K2-15 触媒、210℃、15 分に決定した。

最後に各段での水熱糖化後の未反応残渣の組成分析結果と、各段の反応で生成した単糖やフルフラール類の収量を合わせて、Fig. 51 にまとめた。すなわち、1 段目（MC 触媒、150℃/15min）及び2 段目（SA-K2-15 触媒、210/15min）の2 段水熱糖化反応によって、稲わら中のホロセルロースの単糖収率は約61.7%に達した。

#### 3.3.3 赤松の水熱糖化

針葉樹である赤松の2段水熱糖化反応における固体酸触媒や糖化の最適条件の探索を行った。ユーカリと同様に固体酸触媒SA-K2-15を用いて、1段目の水熱糖化反応条件の探索を行った。Fig. 52には反応時間を30分に固定して反応温度の影響を、Fig. 53には反応温度を180℃に固定して反応時間の影響を調べた結果を示した。いずれの場合においても、オリゴ糖の収量が高く、単糖類の収量が低かった。全糖類の収量は傾向性として、ユーカリの反応結果と類似しているが、全体的に赤松の水熱糖化反応におけるC5糖やC6糖の収量が低かった。現段階では、1段目（SA-K2-15触媒、170℃/15min）でC5糖の収量は9.3g/kg、C6糖の収量は22.4g/kg、オリゴ糖の収量は156g/kgであった。この時、オリゴ糖が高い収量で得られるが、C5糖やC6糖収量がわずかであった。この原因について、針葉樹である赤松は、広葉樹であるユーカリより、水熱反応性が低いと考えられる。

Furfural (g/kg) △HMF (g/kg) ◇Organic acid (g/kg)

Fig. 52 Effect of reaction temperature on yields of various products in first stage saccharification of red pine using SA-K2-15 solid acid catalyst
Organic acid (g/kg)

Fig. 53 Effect of reaction time on yields of various products in first stage saccharification of red pine using SA-K2-15 solid acid catalyst

## 3 ．4 各種の草木質バイオマスの固体酸水熱糖化における前処理の影響の検討

草木質系バイオマは様々な形状や大きさを有していることから水熱糖化の原料にするには一定の大きさ以下に細かくする等の前処理が必要である。その場合環境への影響をなるべく避けるため、薬品等を使用しないことが望ましい。一般的に粉砕という方法がある。その場合、消費されるエネルギーを考えると粉砕後粒径の大きなものが望ましい。そこで粉砕後の稲わらや赤松を用いて、固体酸水熱糖化におけるバイオマスの粒径の影響を検討した。また、近年報告されているマイクロ波を用いた前処理法も検討した。

#### 3.4.1 バイオマス原料粒径の影響

草本系バイオマスである稲わら及び河川敷で採集したススキを、カッターミルで粉砕したもの（14mesh以下）及びさらにボールミルを用いて24hで粉砕したもの（微粉砕、100 mesh以下）の2種類の原料をそれぞれ調製した。これらを用いて、固体酸触媒SA-J1、160～210℃の範囲で、5minの水熱糖化反応を行なった。Fig. 54にC5糖及びC6糖の収率を示した。2種類のバイオマス原料ともに微粉砕によるC5糖の収率が向上した。また、C5糖の生成に最も効果がある水熱糖化温度は190℃であった。一方、C6糖の生成には微粉砕の効果はほとんど観察されなかった。これは、バイオマスの種類に対する固体酸触媒の対応性に問題があるかと考えている。
Yield of C6 Monosaccharide

Fig. 54 Effect of particle sizes of rice straw and grass (susuki) on yields of C5 and C6 monosaccharides in first stage saccharification using MC solid acid catalyst

Fig. 55 Effect of particle size of eucalyptus on products yield
Fig. 56 Effect of particle sizes of red pine on yields of C5 and C6 monosaccharides in first stage saccharification using SA-K2-15 solid acid catalyst

Fig. 57 Effect of irradiation time of microwave for red pine on yields of various products in first stage saccharification using SA-K2-15 solid acid catalyst
次に、粒径の異なる木質系バイオマスであるユーカリのボールミル粉砕物（3種類）を固体酸触媒SA-K2-15を用い、170℃、30minで水熱糖化反応を行った。各種の糖類収量をFig. 56に示した。図より粒径が小さくなるにしたがってオリゴ糖収量は減少するが、C5やC6糖収量は増加することが示された。

#### 3.4.2 マイクロ波処理の影響

近年、酵素糖化法においては、マイクロ波照射による草木質系バイオマスの前処理によって単糖収率が向上することが報告されている。そこでここでは、マイクロ波で照射処理を行った赤松の固体酸水熱糖化反応を行ない、固体酸水熱糖化反応への影響を検討した。マイクロ波照射条件は、パワー：150W、照射時間：1～5min とした。水熱糖化反応条件は、SA-K2-15 触媒、170℃、30min であった。その結果を Fig.57 に示した。マイクロ波の照射時間が短かったためと思われるが、照射後の水熱糖化反応における各生成物の収量への影響がほとんど観察されなかった。さらに、マイクロ波照射の有無にかかわらず、オリゴ糖を除き、すべての水熱糖化反応の生成物の収量が低かった。以上のことから短時間のマイクロ波照射では赤松の水熱糖化性が低く、前処理効果を正確に評価できないことがわかった。

### 3.5 ベンチスケール反応装置を用いた稲わらの固体酸水熱糖化反応

実用化に向けて、ベンチスケール回分式反応装置（1.5 L）を試作・運転し、ベンチスケール装置

Organic acid; ▲ Liquefaction Ratio

Fig. 58 Effect of reaction time on saccharification of rice straw using AC300 reactor
Fig. 59 Change in Composition of rice straw before and after saccharification using AC300 reactor

Table 12 Conversion of Glucan and Xylan in saccharification of rice straw for different reaction time

Conversion
Reaction time	Xylan	Glucan
0 min	46.1	34.7
5 min	64.5	36.9
10 min	80.3	38.5
15 min	73.7	33.1
30 min	46.1	34.7

用触媒の調製法の確立及びスケールアップした装置での稲わらの2段階固体酸水熱糖化反応の検討を行った。具体的には、1段目及び2段目の水熱反応用触媒及びそれぞれの最適な反応条件の選定、及び生産性を向上するための反応器に仕込む固形物濃度の検討を行った。

## 3 ．5．1　1段目の水熱糖化触媒及び反応条件の探索

前述のように、稲わらの1段目水熱糖化触媒がAM5D、反応条件150℃/10minに決定したが、スケールアップの場合、加熱速度や反応器内の温度分布の影響があることが予想される。そこでまずAC300（容積300ml）反応装置を用いて、5倍にスケールアップして反応時間を変化させ、稲わらの水熱糖化反応を150℃/5～20min(稲わら：触媒：蒸留水=15:5:150)で行ない、最適反応時間を求めた。結果をFig.58に示した。主ねAC120反応装置を用いた場合と同じ傾向であったが、C5糖とC6糖
の最大収率はともに15minで得られ、5minの遅れが生じた。これは反応装置が大きくなることによって反応器内の温度分布等の影響が生じたものと考えられる。

同様に水熱糖化反応後未反応の残渣を回収し、NREL 法を用いて反応後残渣中にどの程度グルカン及びキシランが残っているかを調べた。Fig. 59 に稲中の糖化可能部の反応前後の組成の変化を示す。原料組成と比べると、反応時間 15min 以降では、ほぼ反応残渣中のグルカン含有量に変化がないことが分かった。

Table 12 より、AC300 反応器を用いた場合、150℃/15min で最大の転化率が得られ、この時、稲わら中の Xylan の 80.3%、Glucan の 38.5% が単糖に転換されることがわかった。

以上の結果より、ヘミセルロースを分解することができた $ 150^{\circ}C/15min $ の反応条件を 1 段目の最適条件と決定した。

次に、スケールをさらにアップして、AC1500（容積1.5L）水熱反応装置を試作し、30倍にスケールアップして、ルイス酸・ブレンステッド酸型の各触媒における稲わらの水熱糖化反応を行った。バイオエタノールをバイオマスから作る際には、通常、なるべく糖化液の濃度を高くし、その後の発酵アルコール濃度を高くする必要がある。そうすることによって、エタノールの蒸留・濃縮の際エネルギーを節約することができる。したがって、生産性の向上や蒸留エネルギーの削減のため、反応器に仕込む固形物（稲わら）の濃度をできるだけ高くする必要がある。そこで、稲わらと触媒の比を90g：30gに固定し、水の量を600～900mlの範囲に変えることによって、原料固形物（稲わら）の濃度を10、12、15％に変化させ、触媒AM5、150℃/15minで、水熱糖化反応を行った。その

Fig. 60 Influence of the concentration of rice straw on yield using AC1500 reactor (150 $ ^{\circ} $ C/15min)
Table 13 Influence of the concentration of rice straw on Glucan and Xylan conversion using AC1500

reactor

Concentration of rice straw
10%	12%	15%
Glucan	41.7	38.9	38.1
Xylan	83.8	81.7	71.8

Fig. 61 Effect of reaction time on saccharification of rice straw using AC1500 reactor (Reaction temperature 150 $ ^{\circ} $ C).

Table 14 Conversion of Glucan and Xylan in saccharification of rice straw using AC1500 reactor for different reaction time

Conversion
Reaction Time	Xylan	Glucan
5 min	71.2	44.6
15 min	83.5	39.6
25 min	81.7	38.9

結果を Fig.60 に示すが、固形物分濃度増えると糖収率は減少した。これらの結果より、固形物濃度がある程度高く、80%以上の Xylan 転化率が得られた 12% の固形物濃度を用いて、反応時間の探索を行った (Fig.61)。図より、C6 糖は $ 150^{\circ}C/5min $ で最大となり、この時 21.3% の糖収率が得られた。一方で、C5 糖は $ 150^{\circ}C/15min $ で糖収量が最大となり、この時 9.8% の C5 糖収率が得られた。C6 糖
Fig. 62 Change in Composition of holocellulose of rice straw before and after saccharification (AC1500 reactor)

Fig. 63 Effect of surface area of $ ZrO_{2}/SO_{4}^{2-} $ on saccharification of rice straw (230℃)

が C5 糖と比べて、早い段階から高い単糖収率が得られた原因として、稲わら中に含まれるデンプンが影響しているものと考えられる。

また、Fig. 62 に示した反応後残渣分析結果を見ると、150℃/5min では、グルカンが 28.8%、キシランが 2.4% 残っている。このことから、原料中にセルロース（23.3%）が完全に残っていると仮定
Oligosaccharide; C6 monosaccharide; C5 monosaccharide; HMF; Furfural; Organic acid; Liquefaction Ratio

Fig. 64 Yield of monosaccharide and byproducts in saccharification of rice straw in presence of different catalysts ( $ 220^{\circ}C/0 min $ )

♦Oligosaccharide ; ▪ C6 monosaccharide; ▪ C5 monosaccharide; ✗ HMF; ✗ Furfural;

Organic acid; ☑ Liquefaction

Fig. 65 Effect of reaction temperature on saccharification of rice straw using MC Catalyst
## (Reaction time: 0 min)

すると、150℃5min の時、残渣中にヘミセルロースは約7.9%存在していると推算できる。このことより、5min の反応時間ではヘミセルロースはまだ十分に分解されていないと考えられる。一方、反応時間が15min になると、残渣中のグルカン含有率は23.8%となっている。このグルカン含有率は反応前稲から原料のセルロース含有率とほぼ等しいこと、さらには15min 反応後残渣中のキシランがほぼ分解されていることから、150℃/15min では稲わら中のヘミセルロースはほぼ分解されたものと推察される。なおこのとき、Table 14 に示したようにキシランの83.5%、グルカンの39.6%(原料中に含まれるセルロース以外のC6糖への糖化可能部の77%)が単糖に転換された。以上の結果より、AC1500 反応器を使った場合、150℃/15min を1段目の最適な反応条件と結論づけた。この条件は、AC300 反応装置（300ml）とほぼ同じになり、120ml の反応装置 AC120 と比べて、約5min 程反応時間が長くなった。これは反応装置の容量が大きくなったため、反応器内部温度分布や昇温速度等の影響が出てきたものと思われる。

## 3 ．5．2　2段目の水熱糖化触媒及び反応条件の探索

2 段目の反応は 1 段目の反応後残渣中に残っているセルロースの分解が目的である。したがって、一段目と比べると、使用する固体酸触媒により高い水熱安定性が必要となる。そこで $ ZrO_{2} $ や $ TiO_{2} $ を導入したメソポーラスシリカ担体（SBA-15）にさらに硫酸化した SA-K2—16 や SA-K2-15 等のルイス型固体酸触媒と、炭素を導入した同じ担体にさらにスルホ基を導入した MC-D や MC-Si 等のブレンステッド酸型触媒を調製した。

まず AC120（120CC）の反応装置を用いて、未反応残渣の水熱糖化反応を 210℃～230℃/0min（稲わら：触媒：蒸留水=3:1:30）で2段目の最適な触媒の探索を行った。なお、回分式反応器内の温度が所定反応温度までに達した時点を反応時間 0min と指定した。表面積の異なる硫酸化ジルコニアを用いて 230℃/0min で反応を行い、反応後生成物の収量を比較したものを Fig. 63 に示した。この結果から、1 段目と同様に酸量及び表面積の大きな硫酸化ジルコニア触媒の活性が高くなった。

次に、スルホン化したブレンステッド触媒 MC-D、表面積の異なる MC-Si 触媒、ルイス型固体酸触媒 SA-K2-15 を用いて、220℃/0min(稲わら：触媒：蒸留水=3:1:30)での活性を比較した (Fig.64)。図より触媒の活性は、MC-D＞MC-Si＞SA-K2-15 となった。

以上の結果より AC1500 装置での 2 段目反応の最適な触媒として MC-D 触媒を選定した。

次に MC−D 触媒を用いて、残渣の2段目水熱糖化反応における反応温度、反応時間の最適化を検討した。その結果を Fig. 65 に示した。図よりいずれの反応時間でも 210℃~220℃ にかけて単糖収量が増加し、その後減少することがわかる。これは、反応温度が 230℃ になると過分解生成物量が急激に増加する一方で生成した単糖の過分解が促進されるため、単糖収量が減少したものと考えられる。すなわち MC−D 触媒を用いた水熱糖化反応においては、230℃ では過分解が促進されるため 2 段目の反応には反応温度が高すぎると考えられる。そこで、230℃ より低温域で反応時間を変えて、最適な糖化条件の探索を行った。200℃～220℃/5min 及び、210℃～230℃/0min で反応させた場合の各生成分の収量を Fig. 66 示す。図より反応時間 0min の場合は 220℃ で最大の C6 糖収量 23.6%が得られ、反応時間 5min の場合は 210℃ で最大の C6 糖収量 24.0%が得られた。また、220℃/0min と 210℃/5min の過分解生成物量を比べた場合、220℃/0min がより少なかった。したがって、この条件を 2 段目の最適反応条件とした。
☑ Oligosaccharide ; ☑ C6 monosaccharide; ☑ Byproduct; Solid line: 0 min; Dotted line: 5 min Fig. 66 Effect of reaction temperature and time on saccharification of rice straw at each reaction time

Fig. 67 Changes in compositions of e holocellulose of rice straw during two-step treatment
また、これらの結果より、2段階糖化プロセス全体では、稲原料中Xylanの83%、Glucanの66%が単糖に転換された(ホロセルロース(稲からに含まれる糖化可能部)の69.8%を単糖に転換)。次に稲からを用いて、2段階糖化プロセスにおける各段での最適な触媒及び反応温度時間を探索した。その結果、1段目はAM5D触媒を用いて150℃/15min、2段目ではMC触媒を用いて220℃/0minが最適な反応条件となった。ここで、「0min」は、試料等をAC1500反応装置に仕込んでから、昇温し、所定反応温度に達した直後（約15min）、直ちに加熱を止め、素早く内部冷却コイルに冷却水を流すと同時に反応器全体を氷水に入れて冷却し、水熱糖化反応を終了するという操作を指す。各段での稲から中の糖化可能部の組成の変化をまとめたものを、Fig.67に示す。図より、1段目の反応を150℃/15minで行うことにより、28.8%の単糖が得られた。これは、稲から中に含まれるヘミセルロースの77%を単糖に糖化したことを示している。一方、2段目では12.9%の単糖収率が得られている。これは、稲から原料中に含まれるセルロース分(23.3%)のうち、約55%を単糖に糖化したことを示している。これらの結果より、1段目150℃/15min、2段目220℃/0minの反応を行うことにより、2段階プロセス合計で稲から中に含まれるホロセルロースの約70%を単糖に転換した。

## 3 ．6 固体酸水熱糖化法の経済性評価

世界のエタノール生産量（燃料用以外も含む）は2006年で約5000万キロリットル（kL）と前年比で約400万kL増加しているが、米国とブラジル2国で約7割を占めている(22)。この2国とは桁が違うが、世界第3位が中国（約400万kL）、第4位がインド(約200万kL)である。現在では、ほとんどコーンやサトウキビから製造されている。これらに限界があると指摘されている。エタノー

Fig. 68 Production of bioethanol from lignocellulosic biomass waste
ル原料として食料と競合しない木質、農産廃棄物などの利用が期待されている。これらは資源量も多く、廃棄物を使用すれば原料コストも抑えられる。しかし、これらの原料からのエタノール生産には、まだいくつかの技術課題が残っている。

日本では、木質系バイオマスの資源量が多いことから、木質を原料とするエタノール生産の研究開発が活発であり、NEDOの委託研究または補助金の利用により、濃硫酸糖化、希硫酸糖化、酵素糖化の異なる方式でのパイロットプラントによる生産研究が行われてきた(13-17)。国レベルの動きでは、2005年末時点の日本のバイオ燃料の年間生産量は、ガソリン代替であるバイオエタノールが30kL、軽油代替のバイオディーゼルが4000-5000kL程度と実証段階に過ぎないが、目標値は2010年までにエタノール76万kL/yearを掲げている(23)。また、2007年2月2007年2月にバイオマス・ニッポン総合戦略推進会議から「国産バイオ燃料の生産拡大工程表」が発表され、2030年ごろまでに草木質系バイオマスや資源作物からの高効率製造技術を開発して600万kl/year程度のエタノールを生産する目標が示された。さらに11月には「バイオ燃料技術革新協議会」が設立され、草木質系バイオマスからバイオ燃料等を効率的に生産するための「バイオ燃料技術革新計画」が2008年3月に発表された。2010年エネルギー基本計画では、2020年に全国のガソリンの3%相当以上のバイオエタノール（約180万kl/year）を大規模に生産するという目標とした(23)。一方、現状（2014年）では、約21万klが流通し、その内の約19万klがブラジル産で、国内の生産量がわずかの2.2万klであった(23,24)。その主な原因はやはりバイオエタノールの製造コストが高いである。セルロース系バイオエタノール生産コスト40円/Lの水準になれば、現在流通している第1世代バイオエタノール（トウモロコシ由来）と十分競合できる。

以上の背景から、各国では、セルロース系バイオエタノールへの商業化に大いに取り組んでいる。しかし、セルロース系エタノール生産が大幅に伸びるためには、糖化・発酵技術・原料調達コスト、エネルギー作物の作付け技術に関する研究の飛躍的な進展が不可欠である。セルロース系バイオエタノールの商業化へのキーポイントの一つはセルロースを糖に変えることである。

草木質系バイオマスからエタノールの製造法では(Fig.68)、まずバイオマス中の糖化できるヘミセルロースやセルロースを前処理及び加水分解糖化を経て、C5糖やC6糖の単糖類に分解し、つぎに、酒造りと同様にアルコール発酵によりバイオエタノールを製造する。これらのプロセス中、前処理・糖化はバイオエタノールの製造コストの大きな割合を占めると考えられる。

様々な糖化技術が研究・開発されているが、既存糖化技術中で、もっと有望といわれているバイオマスを前処理した後、酵素分解という糖化法でも、バイオエタノールの生産コストは高く、150～200円/リットルとなっている。そのコストの3割以上が糖化に使用した酵素、約2割が糖化後の廃水処理、そして3割が原料のコストと見積もられている $ ^{(25)} $ 。したがって、草木質系バイオマス廃棄物を原料として用いることに加えて、革新的な糖化技術の開発ができれば、草木質系バイオマス廃棄物からバイオエタノールの製造は可能である。次に本研究で開発した固体酸水熱糖化法を用いた稲わらからバイオエタノールの生産コストを試算した。

セルロース系バイオマスからエタノールの商用生産はまだ行われていないため、数多くの経済性評価が行われているにもかかわらず、その評価結果は非常に限定的なものである。例えば、一部の評価結果を見ても、エタノール1 L当たりのコストは13円～81円（1ドル=100円換算）で、大き
く異なっている。その主な理由としては、それぞれの評価に所要プロセスの違いや技術・経済性の評価のための異なる仮定の使用等が挙げられる。しかし、原料のコストやプラントの規模がエタノール製造の最終コストに大きく影響することに間違いがない(25)。

日本では、セルロース系バイオエタノールの原料としては廃材・間伐材等の木質バイオマス、及び稲わら等の農作物の廃棄物が現実的に挙げられる。特に、日本では畜産業の輸入飼料の削減や休耕地の有効利用のため作られている飼料稲は、日本での持続生産可能なエネルギー作物の将来性のある候補作物の一つとして考えられているそこで、稲わらからのバイオエタノール生産コストを試算し、経済性評価を行った。

まず、稲わらを用いた酸分解糖化法によるバイオエタノール生産コストを原料費用、設備費用、人件費、運転費、そして保守費の5つの費用項目に分けて試算した。原料費用について、朝野らの研究結果(26)より環境的・経済的に最適な輸送距離を半径50kmとし、稲わらの年間利用可能な量と原料費用（資源コスト、収集コスト、輸送コストの合算）は、それぞれ約11.3万トン（乾燥ベース）と3635円/トンになっている。これらの稲わらに含まれているセルロースとヘミセルロースの量が約60％として、またそのすべて糖化して、アルコールに変換されると、年間最大約4.4万kLのエタノールの生産が可能である。糖化効率及びアルコール発酵効率を考慮し、約50％のアルコール収率を仮定すると、年間1.5－2.5万kLのエタノールの生産規模と予想できる。現状では、これからの計算では、年間2万kLのエタノールの生産規模で検討する。この場合では、エタノール生産1Lあたりの原料費は20.5円となる。

次に、設備費は、山田らの研究(27)より年産2万kLのエタノール生産プランの設備費用が38億円で、このエタノールプラントの耐用年数は通常の公共事業と同様に15年間、金利4％として、エタノール1L生産あたりの設備費用は22.8円となる。また、朝野らの研究結果より、2万kLのエタノール生産1Lあたりの人件費と運転費を算出し、それぞれ5.5円、12.9円（計18.4円）となる。そして保守費を建設費の3％として、エタノール生産1Lあたりの保守費が0.7円となる。したがって、日本における現状ではバイオエタノール1Lあたりの生産コストは62.4円となる。

一方、現状では、廃材（2000 円／トン）を用いた硫酸法でのエタノールの製造コストが約 140～150 円／L となっており、木材の糖化率とアルコール発酵率がかなり低く、アルコール収率がかなり低いため、原料費が高くなったと考えられる(27)。これを考えると、稲わらからのバイオエタノール 1 L 当たりのコストが同じく 100－150 円と推測できる。

ところで、酵素分解糖化法では、トウモロコシ由来セルロース系バイオマスからバイオエタノールの製造について、現状では、バイオエタノール1 Lあたりの生産コストは約100－110円である。その内訳をみると、原料費（35.5%：35.5円）、酵素（16%：12.3円）、設備投資（19.4%：15円）、人件費や運転費用等（29.1%：22.5円）(28)になっている。コーンの芯等の価格が約6400円/トン $ ^{5)} $ であることを考慮し、同様に酵素分解糖化法を用いて、稲からからのバイオエタノール1 L当たりのコストが55－65円程度となる。この結果から稲わらのようなソフトバイオマスの原料については、酵素分解糖化法が酸分解糖化法より有利であることが示唆された。

本研究で開発した2段階固体酸水熱糖化法においては、前処理と酵素分解糖化の代わりに水熱糖化反応のみによって稲わらの糖化を行う。この方法では、従来の酵素分解糖化法より、設備投資や運転費用等の削減及び反応時間の短縮によって生産性の向上につながり、最終的にアルコールコス