2019 Fiscal Year Research-status Report

Extracting condition of useful components from biomass by high hydrostatic pressure treatment and ionic liquid and its mechanism

Research Project

Project/Area Number	19K12405
Research Institution	Soka University
Principal Investigator	清水昭夫創価大学, 理工学部, 教授 (20235641)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	イオン液体 / バイオマス / 抽出 / クロレラ / セルロース / 温度
Outline of Annual Research Achievements	バイオマスを溶解するために必要な1-Ethyl-3-methylimidazolium acetate ([Emim][OAc})をまず合成し、NMRで純度確認して十分な純度のものを得ることができた。本年度は木粉の溶解実験の前段階として主成分であるセルロースを溶かすための溶液組成および温度、さらに溶解したセルロースの状態を詳細に調べた。また、2021年度後半から開始する予定であった藻類からの脂質抽出実験をおこなった。（１）セルロースの溶解度に対する [EMIm][OAc]-DMSO混合液濃度・温度の影響を調べた。その結果、50 wt% 付近の[EMIm][OAc]-DMSOで溶解度が最大値を示した。また、これまでよく用いられてきた100℃以上では溶液が黒色化および分解率が10 wt% [EMIm][OAc] -DMSOで極大を示す事がわかった。以上の結果、50 wt% 付近の[EMIm][OAc]-DMSO混合液は室温でもセルロースをよく溶かし,セルロースを分解することなく, 黒色化も起こさず非常に有用なセルロース溶解溶液であることを示すことができた。（２）クロレラを100％[EMIm][OAc]で処理するときの至適抽出時間・抽出温度を調べた。室温において溶解時間1, 6, 12, 24hで抽出したところ脂質量の溶解時間による差は10ポイント以下で溶解時間は1時間で十分である事がわかった。次に溶解時間1時間で温度の影響を調べた結果, 室温に対し120℃まで上げても10ポイント以下の増加にとどまった。最後に室温で1時間の抽出をイオン液体濃度を変えて行った結果, 60 wt%[EMIm][OAc]/DMSO混合溶液を用いる事で一般的に藻類中の脂質量を決定するソックスレー抽出で得られたクロレラに含まれる脂質量の約90％と高い抽出量が得られることが明らかとなった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason イオン液体1-Ethyl-3-methylimidazolium acetate（[EMIm][OAc]）の合成が順調にいったため、早い段階から実験に取り掛かる事ができた。さらに、イオン液体は比較高価なため少量での実験を余儀なくされていたが大量に合成する事ができるようになったためデータの再現性が上がったため有意なデータが得られるまでの時間が短縮された。最も強固な構造を持つバイオマスの代表として木粉の溶解を試みた。まず、イオン液体濃度および処理静水圧を変えて予備実験を行ったところイオン液体濃度に依存して溶解量が増加する傾向は見られた。しかし、溶解量は低い可能性が示唆された。そこで、まず木粉の主成分であり藻類の細胞膜の主成分であるセルロースで至適温度、至適イオン液体濃度、さらに溶解後のセルロースの状態を詳しく調べ、その至適条件をもとに木粉やバガス等の溶解および藻類からの脂質抽出実験を行うことにした。その結果、セルロースの至適溶解条件および溶解状態（色の変化や分解量）の詳細を明らかにでき、今後の木粉やバガスの溶解実験の基礎を築く事ができた。さらに、2020年度後半から行う予定であった藻類からの脂質抽出実験を前倒しで行う事ができた。また、当初予定していた2020年から2021年に行う予定であったKTパラメータ関しては予定以上に早く測定する事ができ本課題が開始される2018年度末にはデータを得る事ができた。以上のように一部当初の計画から順番は変わったものの予定より前倒しで進んだ部分も多くあり、全体の進捗状況としては予知通りあるいは少し予定より進んでいると判断する。
Strategy for Future Research Activity	1-Ethyl-3-methylimidazolium acetate（[EMIm][OAc]）-DMSO混合液を用いてバガス（とうもろこしの搾かす）および木粉の溶解実験を行う。2019年度にセルロースに対する至適条件を決定している。そこでその条件をもとにどれくらいバガスおよび木粉溶解できるか2020年度と2021年度で調べる。さらに、2020年度は静水圧処理の影響を調べることを開始する予定である。圧力は当初の予定通り最大400 MPaまで調べる。静水圧処理においては溶解どの程度促進されるかを調べる。また、溶解が促進されるとこまでは行かなくても構造緩和まではできる可能性がこれまでの予備実験および先行実験から示唆される。従って、静水圧処理を前処理をして捉え、処理した木粉あるいはバガスを回収し、それをセルラーゼで処理し、糖への分解効率が最も高い条件を見つける。糖を容易に得る事ができるようになればバイオマスからバイオエタノールを容易に得る事ができることが期待される。また、2019年度にセルロースの溶解条件を調べたが黒色化および分解率の速度論的な解析を行う。さらにGC-MSで脂質成分の分析を行い、1-Ethyl-3-methylimidazolium acetate（[EMIm][OAc]）-DMSO混合液で抽出された脂質がどのような成分なのか明らかにする。2020年度はこれら２点を調べイオン液体を用いたセルロースの可溶化およびクロレラからの脂質抽出に関する研究をまとめる予定である。
Causes of Carryover	当初予定してイオン液体の合成に関して、原料の試薬の価格が安価なものが見つかった。さらに実験が比較的スムーズに進んだため予備実験的な条件決定を行う回数が比較的少なく済んだため合成したイオン液体の使用量が当初の予定より少なく済んだためによる。差額分いついてはデータの信頼度をより上げるために実験回数を増やして統計的な議論が十分できるようにするため主にイオン液体の購入に充てる予定である。また、同時に様々な溶液条件で溶解実験行うためにはスターラーを増やすと効果的で行うことができるためにその購入にあてる予定である。