2016 Fiscal Year Research-status Report
新規ヘミセルロース変換プロセス開発によるバイオマスカスケード利用モデルの構築
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15K00648
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
佐藤 修 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 化学プロセス研究部門, 主任研究員 (20357148)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
増田 善雄 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 化学プロセス研究部門, 部門付 (10358004)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | キシロース / フルフラール / 固体酸触媒 / 高温水 / 超臨界二酸化炭素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、水‐超臨界二酸化炭素の二相反応系内で実バイオマスを固体酸処理する、環境調和型のヘミセルロース‐フルフラール変換プロセスの開発を最終目的としている。2年目となる平成28年度は、昨年度からの継続となる、１）反応温度、反応圧力等の反応条件が、キシロース‐フルフラール変換反応に及ぼす影響（収率、選択率）と、２）実バイオマスを用いたヘミセルロース成分のフルフラール変換反応の検討を行った。更に、セルロース変換用前処理としての可能性を探るべく、処理残渣に対する水素化分解反応を行い、糖アルコール生成に対する効果の検討も開始した。
1)キシロース‐フルフラール変換反応については、昨年度に引き続き“Amberlyst70”を用いて種々検討を行った。反応温度については、バイオマス成分中のセルロースの分解が進行しないと思われる150～170℃で検討したところ、いずれの温度においても反応初期段階では、触媒添加による反応促進効果が見られるものの、水のみの反応系では反応時間の経過とともに促進効果は減少、やがてフルフラール収率・選択率とも無触媒の場合より低い結果となった。これに対し、20MP水‐二酸化炭素二相系（20MPa)では、時間経過に伴い収率低下は見られず、170℃、8時間の処理で、フルフラール収率は55.2％（4時間49％）に達した。一方、同条件で系内圧力を10MPa、5MPaと下げたところ、フルフラール収率も48.4％、32.7％と低下した。これについては、フルフラールの二酸化炭素への分配比が、0.383→0.146→0.0835と大きく低下した結果と思われる。
2)CHA型ゼオライトを用いて170℃、6時間の水熱処理した竹残渣について、白金担持触媒による水素化分解を行ったところ、キシロース由来のキシリトールは生成せず、分離工程の簡略化につながる有益な結果を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究実績概要に示したように、研究はおおむね順調に進んでいる。水‐二酸化炭素二相系でのキシロースからのフルフラール変換法についての検討は、ほぼ終了することができた。ただし実バイオマスサンプルである、とうもろこし、杉、ユーカリの各構成糖の、LCによる定量方法が確立できなかったため、実サンプルでの検討が遅れている。
そこで外部連携機関に依頼することのできた竹を活用し、バイオマスの前処理プロセスとしての評価を先行して行い、ほぼ予想どおりの結果を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
1)実バイオマスを用いたヘミセルロース変換の検討・・・まずキシラン (トウモロコシ芯由来・含有キシロース75％ ) を用い、キシロース変換処理と同様の条件で、加水分解と、それに続くフルフラール変換が進行するこを確認。得られた最適条件で、各バイオマス（ユーカリ、杉、竹、とうもろこし）を処理し、フルフラール変換のデータを蓄積するとともに、酵素処理用のサンプルを調製する。生成する糖類については、繰り越し予算を活用して購入するUV分析装置による全糖分析を行うことで、精度の低いLCによる定量分析を補完する。
2)処理残渣に対するセルラーゼ処理・・・水‐二酸化炭素二相系で処理したバイオマス残渣に対し、昨年度購入した振盪恒温槽を利用したセルラーゼ処理を行い、バイオマス前処理プロセスとしての評価を進める。
3)1)、2)の実験データを基に、ヘミセルロース変換プロセスの基本モデル設計を行い、プロセスフローや使用エネルギー計算などのプロセスシミュレーションを、コンピューターソフト（VMG Sim）を用いて行う。
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| Causes of Carryover |
実験に使用する実バイオマスサンプルについて、関連研究者から郵送による提供を受けることができ、収集関連の旅費を大幅に節約した。また、酵素反応用に購入予定であった振盪恒温水槽に代わり、より扱いやすい恒温チャンバーと振盪機の組み合わせに変更したが、恒温チャンバーについては別予算で導入することができたため、当初の計画に比べ予算を節約できた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度は、検討する反応基質を単糖であるキシロースから、実バイオマスに展開するが、実験上、複数生成する糖類の同定・定量が非常に重要なデータとなる。当初、LCカラム選定による定量が可能と判断したが、分離精度の問題で定量性に問題が生じていた。そこで繰り越し予算を活用し、当初予算のみでは導入できないUV測定装置を年度前半に導入、全糖定量分析を新たに加えることで、各生成糖の測定値を補完、取集データの精度の向上を図る予定である。
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