2019 Fiscal Year Annual Research Report
Catalytic process to selectively convert biomass polysaccharides to useful compounds
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19H02517
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| Research Institution | Kochi University |
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Principal Investigator |
恩田 歩武 高知大学, 教育研究部総合科学系複合領域科学部門, 講師 (80335918)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 多糖 / セルロース / ヘミセルロース / 海藻 / 固体酸触媒 / ソルボサーマル / 水熱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
セルロースなどの多糖類は代表的なバイオマス資源であり，地球上で最大量の有機化合物群である。そのため，多糖類を有用化合物に変換するプロセス開発は，持続型社会の実現に向けて重要である。資源量の多い多糖類としては，木質にセルロースと同程度含有されるヘミセルロースや，海藻の主成分である海藻多糖などもある。それら多糖の多くは，グルコース以外の単糖（ガラクトース，キシロース，ラムノース等）が構成単位である。特に，海藻多糖の化学構造は，酸性官能基や硫酸エステル部位等が修飾されている複数の種類の単糖単位から構成されるヘテロ多糖であることが多い。そのため，セルロース系とは異なる多様なオリゴ糖や単糖の供給源として化学原料・医薬品原料になりうることが期待される。さらに，海藻多糖の供給元である海藻（大型藻類）は，高い成長率，回収が容易，多糖が主な構成成分でリグニンを含まない，食料と競合しにくい等の点から，バイオマス資源としての利活用が望まれている。これまで当研究室では，連携研究者から供給されたクローン的に培養した再現性の高いアオサ類の海藻を溶液抽出・精製して海藻多糖ウルバンを得る方法の確立、強酸性イオン交換樹脂触媒を用いた触媒水熱法により構成単糖であるラムノースを高選択的に得ること，を達成した．しかしこの触媒反応プロセスでは，海藻多糖に含まれる金属イオンにより，触媒活性サイトのスルホ基が失活するため，繰り返し利用に課題があった．また，反応中の様々な多糖の変換挙動および固体触媒作用はほとんど未解明である。そこで，本研究では，多糖の選択的低分子化機構，固体触媒特性，および水溶媒だけでなく他の溶媒の効果の解明に取り組む。はじめに，再生処理を必要とせず繰り返し海藻多糖の加水分解に使用可能で，かつ，水熱安定性の高い固体酸触媒の開発を目的として，カルボキシ基を有する固体酸触媒の開発を検討する．
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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
カルボキシ基を有する固体酸として，樹脂構造材料と炭素材料をそれぞれ調製し，熱安定性，水熱安定性，酸量測定，および触媒活性評価を行った。その結果，炭素材料を基本構造とするシリーズ，樹脂材料を基本構造とするシリーズともに，高い水熱安定性を有し，1 mmol g-1以上のカルボキシ基を有する触媒が得られた。また，ウルバン，カラギーナン等の海藻多糖に対する触媒活性を評価し，スルホ基を有する強酸性イオン交換樹脂触媒より低いために比較的長い反応時間が必要であったが，構成単糖であるラムノースやガラクトースを高収率かつ高選択的に生成した．また，反応後に触媒から反応溶液への成分溶出はほとんどなく，5回の繰り返し実験において触媒活性を維持した。さらに，流通系触媒反応装置による触媒水熱反応の検討を行った。海藻多糖を含む反応溶液は粘性が高いことが難点であったが，ある程度の低濃度であれば運転可能な流通装置の試作機を作成し，その装置を用いて海藻多糖がほぼ100％転化することを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度の研究により，炭素材料にカルボキシ基修飾した触媒を用いることにより，海藻多糖を高選択的に低分子化およびモノマー化できること，および触媒寿命の改善を期待できることが示唆された．そこで今年度の研究では，これまでのカルボキシ基を有する活性炭素触媒を中心とした触媒開発と，流通系反応装置への適用，および水以外の有機溶媒を用いたソルボサーマル触媒変換へと研究を進めていく予定である．
１）バイオマス多糖から有用化合物への高選択的変換に有効な固体触媒の開発 本研究の固体触媒では，糖化酵素を模倣して吸着，2種の加水分解活性の部位をもたせる。水熱法およびソルボサーマル法の技術を基にして，触媒反応条件下で極めて溶出が少ない炭素材料触媒，担持触媒を触媒設計して調製する。触媒の表面特性評価として，分光法や滴定法などによる通常の物性評価，及びin-situに近い雰囲気下での等温吸着法およびTPD法/FTIR法などにより多角的に定量評価する。得られた知見をもとに，副反応抑制を優先した触媒改良を行う。また，炭素材料，樹脂材料とポリオキソメタレート，金属リン酸塩の各触媒を組み合わせることで，複合的な長所を有する触媒を調製する。
２）水以外の有機溶媒を用いたソルボサーマル触媒変換 昨年度の研究では，水溶媒における海藻多糖の触媒変換挙動を検討し，海藻多糖のキャラクタリゼーションおよび触媒の酸量や反応温度による反応制御において知見を得た。本年度は，海藻多糖以外のセルロース, キシラン系およびガラクタン系ヘミセルロース，硫酸化ラムナン等の粘質多糖に対して検討する。また，閉鎖系反応装置と流通系反応装置をあわせて用いる。
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Research Products
(7 results)
