2017 Fiscal Year Annual Research Report
Catalytic conversion of all components of biomass into valuable chemicals
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17H00803
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
山口 有朋 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究グループ長 (90339119)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 修 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (20357148)
三村 直樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (50358115)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | バイオマス利活用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、非可食性バイオマスであるリグノセルロース（木質バイオマス）のセルロース・ヘミセルロース・リグニンをすべて有用化学物質に変換する技術開発を行う。木質バイオマスを反応物として担持金属触媒を用い、低い反応温度でセルロース・ヘミセルロースの水素化分解による糖アルコールへの変換、続いて、より高い反応温度でリグニンの分解反応による芳香族化合物への変換を行う。リグニン分解反応後には、担持金属触媒のみを固体として回収し、触媒を再利用する。本研究では、両反応に高い活性を示す新規触媒の開発と全体のプロセス設計を行う。本研究の実現により、木質バイオマスの全成分を効率的に化学品原料へと変換可能となり、炭素循環社会の実現に貢献できる。
以下により具体的に説明する。セルロース・ヘミセルロースは、多糖類であり、加水分解（糖化）による糖を経由した有用化学物質への変換反応が可能である。一方、リグニンは芳香族化合物がランダムに重合した高分子であるが、分解による有用化合物製造は現状では非常に難度が高い。本研究では木質バイオマスの成分を分離する前処理過程を省き、固体触媒（担持金属触媒）を用い木質バイオマスを反応物として反応条件を逐次的に変えて変換反応を行い、すべての成分を有用物質へ変換する。セルロース・ヘミセルロースの水素化分解反応により糖アルコール、さらにリグニンの分解反応により芳香族化合物への変換反応を多段階の反応条件で行い、木質バイオマスを有用物質へ変換する触媒反応技術の開発を検討する。さらにリグニン分解反応後には、固体触媒のみを固体として回収し、触媒の再利用を行う。
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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
木質バイオマスを反応物として、まず木質バイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースを糖アルコールに変換することを検討し、スギに炭素担持白金触媒（Pt/C）と水素を加え、反応温度190 ℃で反応させることにより、ソルビトールやキシリトールなどの糖アルコールに変換可能であることをいままでに明らかにしている。固体残渣として、担持金属触媒とリグニンが残存する。その固体残渣（主に担持金属触媒とリグニン）を400 ℃で処理することにより、リグニンの分解反応が進行し、ベンゼン、フェノール、トルエン、エチルベンゼンなどが得られた。本年度は高性能バイメタル触媒の開発を行い、白金とルテニウムのバイメタル触媒を用いると、木質バイオマスのセルロース・ヘミセルロースから高い収率で糖アルコールが得られることを明らかにした。また、セルロースから別の有用化合物として乳酸が直接合成可能であることを見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、セルロース・ヘミセルロース水素化反応およびリグニン分解による芳香族化合物製造の両方に高い活性を示す新規バイメタル触媒の開発を行う。いままでに得られたバイメタル触媒の活性点構造を、XRD（合金を形成しているか）、XAFS（それぞれの金属種の周りの局所構造解明）、XPS（表面に多く露出している金属種の同定）などの手法を用いて詳細に解明し、最適な触媒調製の指針を得る。
また、バイオマスの前処理条件の検討を行う。木粉（木質バイオマス）は、ヘミセルロース・セルロース・リグニンが強固に絡み合って、柔軟かつ強靭な性質を示す。化学的な変換のためには、あらかじめヘミセルロース・セルロース・リグニンをほぐしておく必要がある。また、セルロースの触媒化学変換のためにはセルロースの結晶性の低下も必要である。木質バイオマスをカッターミルで3 mm程度の大きさにした後、種々の前処理を行い、各処理条件におけるセルロースの結晶性や木質バイオマスの比表面積と反応活性を比較することにより最適な前処理を明らかにする。
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