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Molecular mechanisms of wood cell wall focusing on the nano-composite feature of the components

Research Project

Project/Area Number 19H03019
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 40020:Wood science-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

Kawamoto Haruo  京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (80224864)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2019: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000)
Keywordsバイオマス / 熱分解 / 分子機構 / 細胞壁 / ナノ集積構造 / ウロン酸 / 針葉樹と広葉樹の違い / リグニンの作用
Outline of Research at the Start

木材や草などの木質バイオマスは、地球上に最も多量に存在するバイオマス資源であり、1年間に生産される量はエネルギーベースで世界の一次エネルギー需要の5-6 倍に達する。したがって、将来、化石資源に替わるエネルギーおよびケミカルス・材料源として極めて重要である。本研究では、そのような目的で注目されている熱化学変換技術の高度化を目指し、細胞壁においてナノレベルで集積した構成成分が高温度域においてどのように分解するかを分子レベルで解明する。

Outline of Final Research Achievements

Wood cell wall has a nano-composite structure in which crystalline cellulose microfibrils penetrate in the fiber direction and hemicellulose and lignin (both are collectively called a matrix) surround it. In this study, we found that the reactivity of cellulose and hemicellulose in the cell wall was changed compared to the isolated component, and the effect was different between Japanese cedar (softwood) and Japanese beech (hardwood). Furthermore, due to the difference in pyrolysis reactivity, different nano-composite structures have been newly proposed for these two-wood species.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

熱処理は木材の一つの加工技術である。また、化石資源の代替を目指した木質バイオマスの熱分解やガス化技術が注目されている。本研究により、細胞壁のナノ集積構造が構成成分の熱分解反応性に大きく影響していることが明らかになり、熱分解反応性の視点から細胞壁のナノ集積構造を提案できることも示された。これらの知見は、木材科学の分野に新たな視点を提供するとともに、社会的には木材の利用促進による将来の持続可能な低炭素社会の構築に寄与する。

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (29 results)

All 2022 2021 2020 2019 Other

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 6 results) Presentation (22 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 5 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Thermal degradation of hemicellulose and cellulose in ball-milled cedar and beech wood2021

    • Author(s)
      Wang Jiawei、Minami Eiji、Asmadi Mohd、Kawamoto Haruo
    • Journal Title

      Journal of Wood Science

      Volume: 67 Issue: 1 Pages: 32-32

    • DOI

      10.1186/s10086-021-01962-y

    • Related Report
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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Hydroxymethylfurfural as an Intermediate of Cellulose Carbonization2021

    • Author(s)
      Nomura Takashi、Minami Eiji、Kawamoto Haruo
    • Journal Title

      ChemistryOpen

      Volume: 10 Issue: 6 Pages: 610-617

    • DOI

      10.1002/open.202000314

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Location of uronic acid group in Japanese cedar and Japanese beech wood cell walls as evaluated by the influences of minerals on thermal reactivity2021

    • Author(s)
      Wang Jiawei、Minami Eiji、Kawamoto Haruo
    • Journal Title

      Journal of Wood Science

      Volume: 67 Issue: 1 Pages: 3-3

    • DOI

      10.1186/s10086-020-01936-6

    • NAID

      120006951696

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effect of delignification on thermal degradation reactivities of hemicellulose and cellulose in wood cell walls2021

    • Author(s)
      Wang Jiawei、Minami Eiji、Asmadi Mohd、Kawamoto Haruo
    • Journal Title

      Journal of Wood Science

      Volume: 67 Issue: 1 Pages: 19-19

    • DOI

      10.1186/s10086-021-01952-0

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Thermal reactivity of hemicellulose and cellulose in cedar and beech wood cell walls2020

    • Author(s)
      Wang Jiawei、Minami Eji、Kawamoto Haruo
    • Journal Title

      Journal of Wood Science

      Volume: 66 Issue: 1 Pages: 41-41

    • DOI

      10.1186/s10086-020-01888-x

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Carbonization of cellulose cell wall evaluated with ultraviolet microscopy2020

    • Author(s)
      Nomura Takashi、Minami Eiji、Kawamoto Haruo
    • Journal Title

      RSC Advances

      Volume: 10 Issue: 13 Pages: 7460-7467

    • DOI

      10.1039/c9ra09435k

    • NAID

      120006813313

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] JST俯瞰ワークショップ「バイオエコノミーに資する基盤技術開発:真のサスティナビリティ―を実現するバイオ技術の最適化」2022

    • Author(s)
      河本 晴雄
    • Organizer
      バイオマスからのコアケミカルズ:熱化学変換と木質科学の威力
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  • [Presentation] セルロースの急速熱分解糖化と乳酸発酵性2022

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      丸一 泰子、野村 高志、南 英治、河本 晴雄
    • Organizer
      第72回日本木材学会大会
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  • [Presentation] Role of pyrolysis in thermocatalytical hydrogenolysis of lignin2022

    • Author(s)
      Jiaqi Wang、南 英治、河本 晴雄
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      第72回日本木材学会大会
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  • [Presentation] Thermal degradation behaviors of pulps focusing on the metal cation effects2022

    • Author(s)
      Resi Ginting、野村 高志、南 英治、河本 晴雄
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      第72回日本木材学会大会
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  • [Presentation] 木材中のセルロース及びヘミセルロースの熱分解反応性 ―細胞壁のナノ凝集構造へのアプローチ―2022

    • Author(s)
      Jiawei Wang、南 英治、河本 晴雄
    • Organizer
      第72回日本木材学会大会
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  • [Presentation] 熱化学変換による木質バイオリファイナリー -紙パルプ産業への期待-2021

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      河本 晴雄
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      第88回紙パルプ研究発表会
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  • [Presentation] スギ及びブナ木材中のセルロース/ヘミセルロースの熱分解反応性2021

    • Author(s)
      Jiawei Wang、南 英治、河本 晴雄
    • Organizer
      第30回日本エネルギー学会大会
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  • [Presentation] 1000℃以下の温度域における木材構成成分の気相中でのタール、コーク生成挙動2021

    • Author(s)
      木村 友紀、Qiming Jin、南 英治、河本 晴雄
    • Organizer
      第30回日本エネルギー学会大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] TG分析とin situ IR測定によるセルロース熱分解挙動の検討2021

    • Author(s)
      笛木 睦紘、南 英治、河本 晴雄
    • Organizer
      セルロース学会第28回年次大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Catalytic pyrolysis of softwood lignin in solvent at elevated temperatures to cleave condensed linkages for high-yield monomer preparation2021

    • Author(s)
      Jiaqi Wang、南 英治、河本 晴雄
    • Organizer
      第66回リグニン討論会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 木材中及び単離リグニンの熱分解挙動2021

    • Author(s)
      中村 滉佑、南 英治、河本 晴雄
    • Organizer
      第66回リグニン討論会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 熱分解反応制御による木質バイオマスからのケミカルス・燃料生産2021

    • Author(s)
      河本 晴雄
    • Organizer
      Roadmap to 2050 カーボン・ニュートラル推進連続セミナー 第2回「バイオマス研究の新展開①」
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      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Molecular-based mechanism for developing thermochemical biomass conversion technology2021

    • Author(s)
      Haruo Kawamoto
    • Organizer
      The 4th Kyoto-Bordeaux International Symposium 2021, Energy Science, Topics on Materials Design for Sustainable Energy and Environment
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Cell wall effects in pyrolysis of lignin in cedar wood2021

    • Author(s)
      Jiaqi Wang、河本 晴雄、南 英治
    • Organizer
      第71回日本木材学会大会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Fundamental characteristics of biomass pyrolysis to improve pyrolysisbased technologies2020

    • Author(s)
      Haruo Kawamoto
    • Organizer
      The 11th International Symposium of Advanced Energy Science -Research Activities on Zero-Emission Energy during the COVID-19 Peril- (第11回エネルギー理工学研究所国際シンポジウム)
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Influences of delignification and ball milling on thermal reactivity of hemicellulose and cellulose2020

    • Author(s)
      Jiawei Wang、Mohd Asmadi、南 英治、河本 晴雄
    • Organizer
      第70回日本木材学会大会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Solid carbonized product formation via 5-HMF during cellulose pyrolysis2019

    • Author(s)
      Takashi Nomura, Eiji Minami, Haruo Kawamoto
    • Organizer
      The 20th International Symposium on Wood, Fiber, and Pulping Chemistry (The 20th ISWFPC)
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Influences of wood cell wall ultrastructure on thermal reactivities of polysaccharides2019

    • Author(s)
      Jiawei Wang, Mohd Asmadi, Eiji Minami, Haruo Kawamoto
    • Organizer
      The 20th International Symposium on Wood, Fiber, and Pulping Chemistry (The 20th ISWFPC)
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] セルロース炭化における5-HMFからのベンゼン環形成挙動(Benzene ring formation via 5-HMF in cellulose carbonization)2019

    • Author(s)
      野村 高志、南 英治、河本 晴雄
    • Organizer
      セルロース学会第26回年次大会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Thermal reactivities of polysaccharides in beech and cedar wood cell wall2019

    • Author(s)
      Jiawei Wang、南 英治、Mohd Asmadi、河本 晴雄
    • Organizer
      セルロース学会第26回年次大会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Thermal reactivities of hemicellulose and cellulose in beech and cedar wood cell wall(ブナ及びスギ細胞壁のヘミセルロースとセルロースの熱分解反応性)2019

    • Author(s)
      Jiawei Wang、Mohd Asmadi、南 英治、河本 晴雄
    • Organizer
      第28回日本エネルギー学会大会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] セルロース炭化における5-HMFからのベンゼン環形成挙動(Benzene ring formation via 5-HMF in cellulose carbonization)2019

    • Author(s)
      野村 高志、南 英治、河本 晴雄
    • Organizer
      第28回日本エネルギー学会大会
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  • [Remarks] 第15回日本木材学会論文賞

    • URL

      https://www.energy.kyoto-u.ac.jp/jp/2022/04/01/%e7%ac%ac15%e5%9b%9e%e6%97%a5%e6%9c%ac%e6%9c%a8%e6%9d%90%e5%ad%a6%e4%bc%9a%e8%ab%96%e6%96%87%e8%b3%9e/

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      2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2023-01-30  

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