2021 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 | セルロース / 多糖 / 固体酸 / 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。そこで，本年度は，海藻多糖の選択的な加水分解およびセルロースのソルボサーマル変換に対する固体酸の触媒作用機構解明を目的とした。その結果、海藻多糖の固体酸触媒の作用機構を明らかにするとともに、海藻多糖を分子量選択的に解重合することに成功した。また、セルロース変換においてプロトン型ゼオライトを中心に水熱条件下及びソルボサーマル条件下で触媒反応挙動を検討した。200℃のソルボサーマル条件下で微結晶性セルロースから約50％収率てレブリン酸を得た。
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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
本研究では、固体酸触媒の適度な基質特異性を活かして、セルロース、ヘミセルロース、海藻多糖など様々な多糖の解重合を選択的および高収率で達成するための、水熱条件およびソルボサーマル条件での化学プロセスの開発を目指している。本年度は、海藻多糖の解重合できる反応条件、触媒の種類を明らかにし、特に分子量選択的な加水分解の条件を明らかとした。また、セルロースからソルボサーマル条件下で約50％収率てレブリン酸を得た。これらの結果は、次年度に実施予定のヘミセルロース変換を合わせて、統合的な化学プロセスにおける多糖解重合の反応機構の理解に、十分に寄与すると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
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，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を、ヘミセルロースに対しても適用し、様々な多糖の解重合の統合的な理解を深め、効率的な触媒化学プロセスを提示する．
１）ヘミセルロース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）様々な多糖の解重合に対する触媒変換の統合的な理解 昨年度までの研究では，海藻多糖およびセルロースの触媒変換挙動を検討し，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。次年度は，ヘミセルロース変換に対して検討する。
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