単糖およびエタノールの製造方法
【課題】セルロースなどの糖ポリマーから簡便かつ効率的に単糖類を製造する方法および得られた単糖類からバイオエタノールを製造する方法を提供すること。
【解決手段】４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、例えば、セルロース等の糖ポリマーとを、水、並びに酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種の存在下、または水の存在下、かつ、ｐＨ７以下の酸性条件下で接触させ、糖ポリマーを分解させてグルコース等の単糖を得、この単糖を、イオン交換法によりイオン液体から分離した後、発酵させてエタノールを得る。
【解決手段】４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、例えば、セルロース等の糖ポリマーとを、水、並びに酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種の存在下、または水の存在下、かつ、ｐＨ７以下の酸性条件下で接触させ、糖ポリマーを分解させてグルコース等の単糖を得、この単糖を、イオン交換法によりイオン液体から分離した後、発酵させてエタノールを得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単糖およびエタノールの製造方法に関し、さらに詳述すると、糖ポリマーからの単糖製造方法およびこの単糖を原料としたバイオエタノールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バイオエタノールは、さとうきびや、とうもろこしなどを原料として製造されている。しかし、将来的な食料問題を考慮した場合、食料として利用されないその他のバイオマスを有効利用してバイオエタノールを製造することが望まれる。
この点に鑑み、近年、セルロースなどの木質系糖ポリマーから水溶性オリゴ糖や、エタノールなどの製造原料となるグルコースを製造することが試みられている。
【０００３】
例えば、特許文献１（特開２００２−８５１００号公報）には、ランタノイドイオン触媒の存在下、セルロースを加圧熱水で処理して加水分解する手法が開示され、これにより、水溶性オリゴ糖類および少量の単糖を含むドープが得られることが示されている。
特許文献２（特開２００５−２２９８２２号公報）には、セルロース系バイオマスを段階的に硫酸で処理して糖化させて単糖を製造する手法が開示されている。
特許文献３（特開２００６−１４９３４３号公報）には、木質系バイオマスを、微粉化および脱リグニン化した後、セルラーゼ酵素で処理してグルコースを製造する手法が開示されている。
【０００４】
しかし、上記特許文献１の手法は、高温の加圧熱水を使用するため、多大なエネルギーを必要とする。これは、ＣＯ2削減というバイオマス利用の目的と矛盾している。また、セルロースの加水分解を促進するための加熱温度が２２０〜２７０℃と非常に高く、水の沸点以上の温度における処理となるため、圧力釜などの大型設備が必要となる。
特許文献２の手法は、セルロースを６５〜８５質量％硫酸中において処理する必要があるため、酸の取扱いに危険が伴い、また廃棄処分が大変である。また、硫酸処理を２段階に分けて行う必要があるため、手間がかかる。
特許文献３の手法は、微粉化および脱リグニン化処理が必要であるうえに、酵素反応であるため長時間を要し、温度やｐＨ等の種々の条件が限られる。また、酵素自体が高価である。
【０００５】
さらに、最近、イオン液体中でセルロースを分解する際に各種添加剤を用いる手法が報告されている。
例えば、特許文献４（国際公開第２００７／１０１８１１号パンフレット）には、酸添加によるセルロース分解法が、特許文献５（国際公開第２００７／１０１８１２号パンフレット）には、水添加によるセルロース分解法が、特許文献６（国際公開第２００７／１０１８１３号パンフレット）には、求核剤添加によるセルロース分解法が開示されている。
【０００６】
これらの文献には、クロマトグラム測定により低分子量組成が確認され、セルロースが完全に分解されたことが記載されているが、実際に糖質（グルコースなど）を単離・同定した実施例は皆無であるうえに、この糖質を原料としたバイオエタノールの製造方法については開示されていない。
また、これらの文献ではグルコースを回収する際にエタノールを添加しているが、エタノール添加法を用いた場合、イオン液体を実質的に除去することは難しいため、バイオエタノールを製造する上で問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−８５１００号公報
【特許文献２】特開２００５−２２９８２２号公報
【特許文献３】特開２００６−１４９３４３号公報
【特許文献４】国際公開第２００７／１０１８１１号パンフレット
【特許文献５】国際公開第２００７／１０１８１２号パンフレット
【特許文献６】国際公開第２００７／１０１８１３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、セルロースなどの糖ポリマーから簡便かつ効率的に単糖類を製造する方法および得られた単糖類からバイオエタノールを製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオン（Ｃｌ-）からなるイオン液体と糖ポリマーとを、水の存在下、かつ、所定の添加剤の存在下または酸性条件下で接触させることで、糖ポリマーが分解し、単糖類が効率的に得られることを見出すとともに、イオン交換法を用いてイオン液体を除去することで、これらの単糖類からバイオエタノールを効率的に製造し得ることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明は、
１． ４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、糖ポリマーとを、水、並びに酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種の存在下で接触させ、前記糖ポリマーを分解させて単糖を得ることを特徴とする単糖製造方法、
２． ４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、糖ポリマーとを、水の存在下、かつ、ｐＨ７未満の酸性下で接触させ、前記糖ポリマーを分解させて単糖を得ることを特徴とする単糖製造方法、
３． 前記イオン液体と糖ポリマーとを接触させた後、加熱する１または２の単糖製造方法、
４． 前記カチオンが、下記式（１）で示される１〜３のいずれかの単糖製造方法、
Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｒ4Ｎ+ ・・・（１）
〔式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜１２の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示し、これらＲ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4のいずれか２個の基が窒素原子とともに環を形成していてもよい。〕
５． 前記Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4の少なくとも１つが、前記アルコキシアルキル基である４の単糖製造方法、
６． 前記カチオンが、式（２）で示される５の単糖製造方法、
【化１】
（式中、Ｒ5は、炭素数１〜８の直鎖アルキル基または炭素数３〜５のアルケニル基を、Ｒは、メチル基またはエチル基を示し、ｎは１または２である。）
７． 前記カチオンが、式（３）で示される１〜３のいずれかの単糖製造方法、
【化２】
〔式中、Ｒ6およびＲ7は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜８の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示す。〕
８． 前記Ｒ6が、前記アルコキシアルキル基である７の単糖製造方法、
９． 酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種が、前記イオン液体に対して０質量％超１０質量％以下存在する１の単糖製造方法、
１０． 前記水が、糖ポリマー全量中に存在する無水単糖ユニット数以上のモル数である１〜９のいずれかの単糖製造方法、
１１． 前記糖ポリマーが、セルロースである１〜１０のいずれかの単糖製造方法、
１２． ４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、セルロースとを、水、並びに酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種の存在下で接触させ、前記セルロースを分解させてなるグルコース含有ドープ、
１３． ４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、セルロースとを、水の存在下、かつ、ｐＨ７未満の酸性下で接触させ、前記セルロースを分解させてなるグルコース含有ドープ、
１４． 前記カチオンが、下記式（１）で示される１２または１３のグルコース含有ドープ、
Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｒ4Ｎ+ ・・・（１）
〔式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜１２の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示し、これらＲ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4のいずれか２個の基が窒素原子とともに環を形成していてもよい。〕
１５． 前記Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4の少なくとも１つが、前記アルコキシアルキル基である１４のグルコース含有ドープ、
１６． 前記カチオンが、式（２）で示される１５のグルコース含有ドープ、
【化３】
（式中、Ｒ5は、炭素数１〜８の直鎖アルキル基または炭素数３〜５のアルケニル基を、Ｒは、メチル基またはエチル基を示し、ｎは１または２である。）
１７． 前記カチオンが、式（３）で示される１２または１３のグルコース含有ドープ、
【化４】
〔式中、Ｒ6およびＲ7は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜８の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示す。〕
１８． 前記Ｒ6が、前記アルコキシアルキル基である１７のグルコース含有ドープ、
１９． １１の単糖製造方法により得られた前記単糖を、イオン交換法により前記イオン液体から分離した後、発酵させることを特徴とするエタノールの製造方法、
２０． １２〜１８のいずれかのドープからイオン交換法により前記イオン液体を除去した後、酵母を加えて発酵させることを特徴とするエタノールの製造方法、
２１． １２〜１８のいずれかのドープに水を加えて水不溶分を析出させ、この水不溶分をろ過し、さらに、イオン交換法により前記イオン液体を除去してグルコース含有水溶液とし、この水溶液に酵母を加えて発酵させる２０のエタノールの製造方法、
２２． 前記イオン交換法が、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の混合物を用いて行われる１９〜２１のいずれかのエタノールの製造方法、
２３． 前記イオン交換法が、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の等交換容量混合物が充填されたカラムに、前記ドープを通すことにより行われる２２のエタノールの製造方法
を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、糖ポリマーから単糖を簡便かつ効率的に製造することができる。この製造方法は、加熱温度が比較的低いため、エネルギーコストを削減することができる。
また、本発明の製造方法で添加剤として酸を用いる場合においては、比較的少量の添加量で済むため取扱いや作業の面で安全性が高い。
さらに、イオン液体は、回収が容易であるだけでなく、繰り返し使用できるため、コスト的に有利であり、環境にも優しい。
本発明のイオン液体と糖ポリマーとから得られたグルコース含有ドープに酵母を作用させて発酵させることでエタノールに変換できることから、木質系バイオマスを主とするセルロース系バイオマスを利用した新たなバイオエタノールの製造法をも提供し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明に係る第１の単糖製造方法は、４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、糖ポリマーとを、水、並びに酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種の存在下で接触させ、糖ポリマーを分解させて単糖を得るものである。
また、本発明に係る第２の単糖製造方法は、４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、糖ポリマーとを、水の存在下、かつ、ｐＨ７未満の酸性下で接触させ、糖ポリマーを分解させて単糖を得るものである。
【００１３】
ここで、イオン液体とは、１００℃以下で流動性があり、完全にイオンから成る液体をいうが、９０℃以下、好ましくは８０℃以下、より好ましくは７０℃以下で流動性があるものが好適である。
イオン液体のうち、セルロース等の糖ポリマーを膨潤や溶解させるものはいくつか知られており、このような膨潤挙動や溶解挙動によって糖ポリマーの分子量低下、すなわち分子鎖の切断が多少なりとも生じ得ることを本発明者らは既に見出している（ＰＣＴ／ＪＰ２００６／３２０６９５号）が、本発明では、所定の条件で処理することで、糖ポリマーを単糖まで分解するものである。
【００１４】
本発明において、イオン液体を構成する４級窒素原子を有するカチオンとしては、例えば、下記式（１）で示されるものが挙げられる。
Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｒ4Ｎ+ ・・・（１）
〔式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜１２の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示し、これらＲ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4のいずれか２個の基が窒素原子とともに環を形成していてもよい。〕
【００１５】
ここで、炭素数１〜１２の直鎖または分岐のアルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｉ−プロピル基、ｎ−ブチル基、ｓ−ブチル基、ｔ−ブチル基、２−メチルプロピル基、１，１−ジメチルエチル基、ｎ−ペンチル基、ｓ−ペンチル基、ｔ−ペンチル基、１−メチルブチル基、２−メチルブチル基、３−メチルブチル基、２，２−ジメチルプロピル基、ｎ−ヘキシル基、ｎ−ヘプチル基、ｎ−オクチル基、ｎ−ノニル基、ｎ−デシル基、ｎ−ウンデシル基、ｎ−ドデシル基等が挙げられる。
これらの中でも、糖ポリマーの分解能向上を図るためには、炭素数１〜８の直鎖アルキル基が好ましく、特に、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基等の炭素数１〜４の直鎖アルキル基が好適である。
炭素数３〜５のアルケニル基としては、１−プロペニル基、２−プロペニル基（アリル基）、イソプロペニル基、１−ブテニル基、２−ブテニル基（クロチル基）、３−ブテニル基、イソクロチル基、２−メチルアリル基（メタリル基）等が挙げられるが、これらの中でも、アリル基、メタリル基が好適である。
【００１６】
また、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4のいずれか２個の基が窒素原子とともに形成する環としては、アジリジン環、アゼチジン環、ピロリジン環、ピペリジン環などが挙げられるが、本発明においては、これらの中でも、糖ポリマーの分解能に優れるピロリジン環が好適である。
ＲＯ−（ＣＨ2）n−で表されるアルコキシアルキル基としては、メトキシまたはエトキシメチル基、メトキシまたはエトキシエチル基が挙げられる。
特に、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4の少なくとも１つが、−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒおよびｎは上記と同じ。）であることがアルコキシアルキル基のないものに比べ融点の低下が顕著にみられ好適である。このとき、特にメトキシエチル基、エトキシエチル基が化合物の安定性の面から好ましい。
【００１７】
上記式（１）で示される環状カチオンの中でも、式（２）で示されるピロリジニウムカチオンが、糖ポリマーの分解能に優れているため、好適である。
【００１８】
【化５】
（式中、Ｒ5は、炭素数１〜８の直鎖アルキル基または炭素数３〜５のアルケニル基を、Ｒは、メチル基またはエチル基を示し、ｎは１または２である。）
【００１９】
式（２）で示されるカチオンの中でも、糖ポリマーの溶解能、低分子化能に優れていることから、Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシエチルピロリジニウムカチオン、Ｎ−エチル−Ｎ−２−メトキシエチルピロリジニウムカチオン、Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシメチルピロリジニウムカチオン、Ｎ−エチル−Ｎ−２−メトキシメチルピロリジニウムカチオンなどが好適である。
【００２０】
また、下記式（４）で示されるカチオンも好適に用いることができ、中でも、比較的低融点になること、糖ポリマーの溶解・膨潤能に優れていることから、Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシエチルアンモニウムカチオン、Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシメチルアンモニウムカチオン、Ｎ−エチル−Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｎ−２−メトキシエチルアンモニウムカチオン、Ｎ−エチル−Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｎ−２−メトキシメチルアンモニウムカチオンなどが好適である。
【００２１】
【化６】
（式中、Ｒ1〜Ｒ3、Ｒおよびｎは上記と同じ意味を示す。）
【００２２】
また、４級窒素原子を有するカチオンとしては、下記式（３）で示されるものを用いることもできる。
【００２３】
【化７】
〔式中、Ｒ6およびＲ7は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜８の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示す。〕
【００２４】
ここで、Ｒ6およびＲ7としては、炭素数１〜８の直鎖アルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または上記アルコキシアルキル基が好適である。特に、Ｒ7としては、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基が好適であり、Ｒ6としては、−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基、特に、メトキシメチル基、メトキシエチル基が好適である。
なお、炭素数１〜８の直鎖または分岐アルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、アルコキシアルキル基の具体例としては、上記と同様のものが挙げられる。
【００２５】
式（３）で示されるカチオンにおいては、化合物の融点を低くし、糖ポリマー溶解時の操作性に優れるという観点から、カチオンとして非対称な形状であること、すなわち、Ｒ6およびＲ7が異なるアルキル基であることが好ましい。この場合、原料の入手が容易であり、合成も簡便であることから、Ｒ6およびＲ7のどちらか一方がメチル基またはエチル基であることが、特に好適であり、これらの例としては１−メチル−３−(ｎ−ペンチル)イミダゾリウムカチオン、１−ｎ−ブチル−３−メチルイミダゾリウムカチオン、１−メチル−３−ｎ−プロピルイミダゾリウムカチオン、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムカチオン等が挙げられる。
【００２６】
さらに、４級窒素原子を有する環状カチオンとしては、下記式（５）で示されるものを用いることもできる。
【００２７】
【化８】
〔式中、Ｒ8は、炭素数１〜８の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示し、Ｒ9は、水素原子または炭素数１〜４の直鎖もしくは分岐のアルキル基を示す。〕
【００２８】
ここで、Ｒ8としては、炭素数１〜４の直鎖アルキル基、または上記アルコキシアルキル基が好ましく、中でもアルコキシアルキル基がより好ましく、特に、メトキシメチル基、メトキシエチル基が好適である。
Ｒ9としては、水素原子または炭素数１〜４の直鎖アルキル基が好ましく、特に、水素原子、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基が好適である。
なお、炭素数１〜８の直鎖または分岐アルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、アルコキシアルキル基の具体例としては、上記と同様のものが挙げられる。
中でも、３−メチル−Ｎ−ノルマルブチルピリジニウムカチオン、Ｎ−ノルマルブチルピリジニウムカチオン、Ｎ−２−メトキシエチルピリジニウムカチオン、Ｎ−２−メトキシメチルピリジニウムカチオンなどが好適である。
【００２９】
以上説明したカチオンの中でも、糖ポリマーの分解能に優れていることから、ピロリジニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオンなどの平面構造を有する環状カチオンが好適である。
なお、本発明における平面構造とは、環を構成する全ての原子が同一平面上に存在するものに加え、ピロリジン環の封筒形配座などのように、１つの原子だけが、その他の原子で構成される平面上にないものも包含する。
【００３０】
本発明において、イオン液体を構成するアニオンとしては、セルロースなどの糖ポリマーの溶解性および分解能に特に優れたイオン液体を与える、塩化物イオン（Ｃｌ-）を用いる。
【００３１】
本発明の単糖の製造方法の原料となる糖ポリマーとしては、例えば、セルロース、ヘミセルロース、グリコーゲン、デンプン、キチン、アガロース、カラギーナン等が挙げられるが、木質系バイオマスであるということから、セルロース、ヘミセルロース、デンプンなどが好ましく、特にセルロースが好適である。
セルロースとしては、公知のセルロース材料から適宜選択して用いればよく、例えば、植物由来セルロース、動物由来セルロース、バクテリア由来セルロース、再生セルロース等を用いることができる。
植物由来セルロースとしては、コットンリント、コットンリンター、針葉樹セルロース、広葉樹セルロース、靭皮セルロース、葉脈セルロース、麻セルロース、ケナフセルロース、バナナ繊維セルロース、竹繊維セルロース等が挙げられる。
動物由来セルロースとしては、尾索動物由来のセルロース等が挙げられ、特にホヤセルロースが挙げられる。
バクテリア由来セルロースとしては、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒ属、Ａｇｒｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ属、Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ属等のバクテリアに由来するセルロースが挙げられる。
再生セルロースとしては、ザンテート法、銅アンモニア法、Ｎ2Ｏ4／ＤＭＦ法、（ＣＨ2Ｏ）x／ＤＭＳＯ法、ＮＭＭＯ法、ＬｉＣｌ／ＤＭＡｃ法、水蒸気爆砕アルカリ水溶液法、イオン液体法などにより溶解した後に再生したセルロースが挙げられる。
これらの中でも木質系バイオマスであることから、植物由来セルロースが好適である。
【００３２】
セルロースの形態としては、特に制限はなく、糸状、布状、紙状、フィルム状、綿状、粉状、粒状、棒状など、種々の形態のセルロースを採用できる。
セルロースの結晶構造も特に限定されるものではなく、Ｉ型、ＩＩ型、ＩＩＩ型、ＩＶ型、非晶のいずれか一つの構造またはそれらの組合せからなる構造を有するセルロースを採用できる。また、セルロースの結晶化度にも大きく影響されない。
セルロースの分子量（重合度）は任意であるが、本発明の方法では、重量平均分子量２００万〜４万、特に２００万〜２０万程度の比較的大きな分子量のセルロースも容易に溶解し、分解することができる。
なお、セルロースは、単離されたセルロースでも、バイオマス中に他の生体成分と共に含まれるセルロースでもよい。
【００３３】
本発明の製造方法において、所定のイオン液体と、糖ポリマーとを接触させる手法は特に限定されるものではなく、糖ポリマー中にイオン液体を添加してもよく、イオン液体に糖ポリマーを添加してもよい。また、イオン液体が室温で固体の場合、固体のまま糖ポリマーと混合してもよく、一旦加熱溶融した後に糖ポリマーと混合してもよい。
イオン液体に対する糖ポリマーの混合割合は、イオン液体や糖ポリマーの種類によって異なるため一概には規定できないが、使用するイオン液体への糖ポリマーの溶解度未満であることが好ましい。
ただし、このことは、使用するイオン液体中に糖ポリマーが均一に溶解していることを本発明の必須要件とするという意味ではない。糖ポリマーは当該イオン液体と接触していればよい。
なお、イオン液体は２種以上混合して用いてもよい。
【００３４】
また、イオン液体の粘度を低減させる観点から、糖ポリマーを加水分解できる程度であれば、例えば、非プロトン溶媒などのその他の溶媒をイオン液体に混合してもよい。
非プロトン溶媒の具体例としては、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、アセトニトリル、ピリジンなどが挙げられ、これらは１種単独で用いても、２種以上混合して用いてもよい。
【００３５】
本発明の第１の製造方法において、添加剤として用いられる酸としては、例えば、塩酸，硫酸，リン酸等の無機酸類、ｐ−トルエンスルホン酸，トリフルオロ酢酸等の有機酸類が挙げられる。
求核剤としては、例えば、２，４−ジニトロフェニルヒドラジン、４−ニトロアニリン等が挙げられる。
アミン４級塩としては、例えば、Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−２−メトキシエチルアミン塩酸塩、Ｎ−２−メトキシエチルピロリジン塩酸塩等が挙げられる。
これら添加剤の添加量は、糖ポリマーの分解が進行する範囲であれば任意であるが、本発明においては、イオン液体に対して２０質量％以下とすることが好ましく、特に、０．０１〜５質量％が好適である。
添加剤の添加のタイミングは任意であるが、予めイオン液体中に添加剤を添加した後に、イオン液体と糖ポリマーとを接触させることが好ましい。
【００３６】
本発明の第２の製造方法において、イオン液体と糖ポリマーとを接触させる際のｐＨは、ｐＨ７未満の酸性条件下であれば特に限定されるものではないが、糖ポリマーの分解をより促進させて単糖の収率を向上させることを考慮すると、ｐＨ１〜５が好ましく、ｐＨ１〜４がより好ましい。
ｐＨの調整法は特に限定はないが、従来公知の酸や塩基を用いて所望の範囲とすればよい。なお、第１の製造方法と併用することも可能である。
【００３７】
本発明の製造方法において、イオン液体と糖ポリマーとの接触処理温度は、イオン液体が液状を示すとともに、糖ポリマーの分解および単糖への転化が生じる温度であればよい。この温度は、使用する添加剤の種類や添加量、または系のｐＨなどによって最適範囲は異なるため一概には規定できないが、一般的に糖ポリマーの分解および単糖への転化を促進し、単糖の収率向上を図るためには、１００℃以上が好ましく、１１０℃以上がより好ましく、１２０℃以上がより一層好ましい。また、その上限は任意であるが、エネルギー効率等を考慮すると２００℃以下が好ましく、１８０℃以下がより好ましく、１５０℃以下がより一層好ましい。
【００３８】
加熱をする場合、その手段は任意であるが、オーブンによる加熱、水浴や油浴による加熱、マイクロ波による加熱などの一般的な加熱手段を用いればよい。
また、加熱にあたっては、糖ポリマーの溶解を促進するために、撹拌を行うことが好ましい。撹拌手段も任意であり、撹拌子や撹拌羽根による機械的撹拌、容器の振盪による撹拌、超音波照射による撹拌などに代表される公知の撹拌法の中から、スケール等に応じて適宜な手段を採用すればよい。
【００３９】
接触処理時間は、通常、１〜５０時間程度であり、１〜２０時間程度がより好ましく、１〜１５時間がより好ましい。
ただし、イオン液体の種類やイオン液体中の含水率などによって好適な加熱時間は異なり、長時間加熱し過ぎると生成した単糖が分解されるためか収率が減少する場合もあるため、単糖への転化率を追跡しながら、適宜な時間に設定することが好ましい。
【００４０】
本発明においては、イオン液体中の含水率を変化させることで、糖ポリマーの分解速度を適宜制御し、単位時間あたりの単糖の生成量を制御することができる。
すなわち、含水率が少ないと糖ポリマーの分解が遅くなって単位時間あたりに生成する単糖の量が少なくなり、反対に含水率が多いと糖ポリマーの分解が速くなって単位時間あたりに生成する単糖の量が多くなる。
一方、イオン液体の含水率は、用いるイオン液体の種類とそれに溶解させようとする糖ポリマーの種類によりその溶解度が異なるため、特に数値として限定することは困難であるが、あまり多量に存在すると糖ポリマーの溶解能が落ちるため、通常は１０質量％以下が好ましい。
また、その下限は、処理する糖ポリマー中の無水単糖ユニット数の１．０倍以上のモル数とすることが好ましく、無水単糖ユニット数の１．５倍以上のモル数とすることがより好ましい。
イオン液体の含水率の調整は水を適宜添加して行えばよい。
【００４１】
なお、本発明の単糖製造方法は、単糖が生成する限りにおいて、ランタノイドイオン供給物質等の触媒作用物質、活性炭、ゼオライト、金属酸化物等を配合して行うこともできる。
【００４２】
以上説明した一連の処理により、糖ポリマーは、イオン液体中で分解されて単糖となり、これにより、単糖がイオン液体中に溶解した単糖含有ドープが得られる。
得られたドープにグルコースが含まれる場合、これを酵母などで発酵させてエタノールを製造することができる。
具体的には、得られたグルコース含有ドープから、イオン液体を除去した後、必要に応じて水や有機溶媒を加え、これに酵母を添加して、嫌気条件下、加温して発酵させてエタノールを得ることができる。
この場合、酵母としては、従来公知のものから適宜選択して用いることができ、例えば、ドライイースト、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ Ｔａｉｋｅｎ ３９６、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ発研１号、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ Ｆ−５などが挙げられる。
【００４３】
グルコース含有ドープからイオン液体を除去する手法としては、イオン交換法を用いることが好ましい。イオン交換法は、公知のイオン交換樹脂やイオン交換膜を用いて行うことができる。
イオン交換樹脂を用いる場合、イオン液体を構成するカチオン成分およびアニオン成分を効率良く除去するために陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とを併用することが好ましい。
この際、いずれか一方で処理した後、他方で処理してもよいが、処理の効率を高めるとともに、ｐＨが極度に酸性側あるいは塩基性側に偏ることを防止するために、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂との混合物を用いることが好ましく、特に、これらの等交換容量混合物を用いることが最適である。このような混合物としては市販品を用いることもでき、例えば、Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ ＭＳＰＳ２−１・ＤＲＹ（オルガノ社製）などを用いることができる。
グルコース含有ドープをイオン交換樹脂で処理する手法としては、ドープ中にイオン交換樹脂を添加する方法、イオン交換樹脂を充填したカラムにドープを通液する方法のどちらでもよいが、連続的に処理し得る後者の方法を用いることが好ましい。
【００４４】
イオン交換膜を用いる場合も、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜を併用することが好ましく、さらに、電場をかけてイオンの移動を促進させることが好ましい。
この場合、グルコース含有ドープ中に、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜、正負電極を配設して処理すればよい。
【００４５】
イオン液体は、発酵工程に用いる酵母にとって悪影響を及ぼすことがあるため、上記イオン交換法によりドープ中からイオン液体は少なくとも１０％以下程度まで除去することが好ましく、好適には５％以下、特に好ましくは１％未満まで除去することが好ましい。
このとき、イオン交換処理にイオン交換樹脂を用いる場合は、グルコース含有ドープの処理量に応じ、イオン交換樹脂の充填量やカラムへの通液回数を適宜変えることができる。グルコース含有ドープの処理量が少量の場合には、除去するイオン液体の量より大過剰の交換能を有する量のイオン交換樹脂を充填したカラムに通液して処理することが好ましい。一方、グルコース含有ドープの処理量が多量の場合には、除去するイオン液体に対し交換容量以上のイオン交換樹脂を充填することが好ましいが、処理するイオン液体に対し交換容量より少ない量のイオン交換樹脂充填カラムである場合には複数回繰り返しカラムに通液してイオン液体を除去することが好ましい。残留イオン液体は、薄層クロマトグラフィー（ＴＬＣ）で確認することができるため、ＴＬＣでイオン液体が検出されなくなるまで、イオン交換処理を繰り返し、イオン液体を除去することが可能である。
【００４６】
なお、本発明においては、イオン交換法によってイオン液体を除去する前に、グルコース含有ドープ中に水を加える処理を行うことが好ましい。
この水添加処理により、ドープ中に存在する水不溶分が析出するため、これをろ過などによって除去することができる。またこのろ過の際、もともとドープ中に存在した不溶分も除去することができる。
【００４７】
発酵時の温度は、発酵が進む範囲であれば特に限定されるものではないが、２５〜５０℃程度が好適である。
発酵終了後は、蒸留にて生じたエタノールを回収すればよい。
【実施例】
【００４８】
以下、合成例、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。
なお、イオン液体の含水率はカールフィッシャー水分計（ＭＫＣ−５１０Ｎ，京都電子工業（株）製）により測定した。使用したイオン液体は全て室温で固体であったため、イオン液体とアセトニトリルとを質量比１：１で混合し、完全に溶解した後に側定した含水率から、以下の式により算出した。
室温固体のイオン液体の含水率＝混合溶液（アセトニトリル：イオン液体＝１：１（質量比））の含水率×２−使用したアセトニトリルの含水率
【００４９】
グルコース量は、反応液中のグルコース濃度をＨＰＬＣにより求め、算出した。ＨＰＬＣ分析装置および分析条件は以下のとおりである。
装置：２６９５ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ（Ｗａｔｅｒｓ社製）
検出器： ２４１４ ＲＩ 検出器（Ｗａｔｅｒｓ社製）
カラム： Ａｔｌａｎｔｉｓ Ｔ３ ５μｍ ４．６×１５０ｍｍ ｃｏｌｕｍｎ（Ｗａｔｅｒｓ社製）
移動相：水
流速：１ｍｌ／ｍｉｎ
注入量：１０μｌ
【００５０】
ｐＨは、反応液の一部をピペットで採取し、これに水を加えたものをＭＡＣＨＥＲＥＹ−ＮＡＧＥＬ社製のｐＨ試験紙上にたらし、その色の変化により求めた。
バナナ藁は、バナナ収穫時に地上１ｍ位の所で茎を伐採し、外皮を剥がして内部の柔らかい繊維状の部分を取り出し、乾燥したものを用いた。
【００５１】
［合成例１］Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシエチルピロリジニウムクロライド（ＭＥＭＰＣｌ）の合成
【化９】
【００５２】
ピロリジン（関東化学（株）製）５４０ｍｌと２−メトキシエチルクロライド（関東化学（株）製）３００ｍｌとを混合し、１００℃で２−メトキシエチルクロライドが還流しなくなるまで反応させた。反応後、析出した結晶を、テトラヒドロフラン（和光純薬工業（株）製）を用いて洗浄して濾別した。濾液を減圧蒸留し、４０ｍｍＨｇで沸点７５℃付近の留分を１９３ｇ得た。この化合物が２−メトキシエチルピロリジンであることを核磁気共鳴スペクトル（以下、ＮＭＲという）により確認した。
続いて、オートクレーブ中にてトルエン（和光純薬工業（株）製）３９０質量部に２−メトキシエチルピロリジン１９３質量部を溶解し、攪拌を行いつつ、窒素中１５％塩化メチルガス（日本特殊化学工業（株）製）１５０質量部を導入した。この時、内圧は０．２８ＭＰａであった。塩化メチルガスを加えた後、４０℃まで昇温した。２３時間攪拌した後、放冷し、析出した結晶を濾別した。この結晶を減圧下乾燥し、目的物であるＮ−メチル−Ｎ−２−メトキシエチルピロリジニウムクロライド（以下、ＭＥＭＰＣｌという）を２３０質量部得た（含水率４００ｐｐｍ）。
【００５３】
［合成例２］Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシエチルアンモニウムクロライド（ＤＥＭＥＣｌ）の合成
【化１０】
【００５４】
ジエチルアミン（関東化学（株）製）７１質量部と２−メトキシエチルクロライド（関東化学（株）製）８８質量部とを混合し、オートクレーブ中、１２０℃で２４時間反応させた。この時、最高到達内圧は４．５ｋｇｆ／ｃｍ2（０．４４ＭＰａ）であった。２４時間後、析出した結晶を、テトラヒドロフラン（和光純薬工業（株）製）を用いて洗浄して濾別した。濾液を常圧蒸留し、沸点１３５℃付近の留分を８１質量部得た。この化合物が２−メトキシエチルジエチルアミンであることをＮＭＲにより確認した。
続いて、オートクレーブ中にてテトラヒドロフラン（和光純薬工業（株）製）８０質量部に２−メトキシエチルジエチルアミン９．０質量部を溶解し、攪拌を行いつつ、窒素中１５％塩化メチルガス（日本特殊化学工業（株）製）を導入した。内圧が４ｋｇｆ／ｃｍ2（０．３９ＭＰａ）になるまで塩化メチルガスを加えた後、３時間かけて徐々に６０℃まで昇温した。この時、最高到達内圧は５．４ｋｇｆ／ｃｍ2（０．５３ＭＰａ）であった。この後、攪拌を続けながら放冷し、析出した結晶を濾別した。この結晶を減圧下乾燥し、目的物であるＮ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシエチルアンモニウムクロライド（以下、ＤＥＭＥＣｌという）を１２質量部得た（含水率２００ｐｐｍ）。
【００５５】
［実施例１］
（１）グルコース含有ドープの製造
合成例１で得られたＭＥＭＰＣｌ５．１１８ｇにリン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．２０７ｇ、超純水（ミリポア社製超純水製造装置で製造した水、以下同様）０．２６９ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、バナナ藁０．２８０ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、５時間反応させ、グルコース含有ドープを得た。ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は０．０８７ｇであった。
【００５６】
（２）イオン液体の除去
上記工程で得られたグルコース含有ドープに、超純水を約５質量倍量加え、反応液中の不溶分および析出した沈殿物を濾別した。イオン交換樹脂（オルガノ社製、製品名：Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ ＭＳＰＳ２−１・ＤＲＹ：カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を等交換容量含む）１０ｇを充填した内径２０ｍｍ×高さ３３０ｍｍのカラム（移動相：超純水）に濾液を通し、ＭＥＭＰＣｌを除去し、グルコース含有水溶液を得た。この際、濾液全量をカラムにかけ、流出分全量を分取し、この流出分を薄層クロマトグラフィ（ＴＬＣ）で分析し、ＭＥＭＰＣｌのスポットがアニスアルデヒド発色法で検出されなくなるまで上記操作を繰り返した（５回）。ＴＬＣは（ＲＰ−１８Ｆ254S，ＭＥＲＣＫ社製）を用い、展開溶媒はテトラヒドロフラン：メタノール＝１：１（ｖ／ｖ）を用いた。なお、グルコースのＲｆ値は０（原点）、ＭＥＭＰＣのＲｆ値はｌ０．８であった。
【００５７】
（３）エタノールの製造
上記工程で得られたグルコース含有水溶液を、エバポレーターにて４．９７８ｇ（ＨＰＬＣより求めた液中の総グルコース量：１２ｍｇ）まで濃縮した後、グルコースと同質量のドライイースト（１２ｍｇ）を添加して、４０℃で２４時間攪拌した。ドライイースト添加前、添加直後および添加２４時間後の溶液について、それぞれＨＰＬＣにて分析した結果を図１に示す。
図１に示されるように、ドライイースト添加前および添加直後に観られるグルコースのピーク（２．３ｍｉｎ．）が、添加２４時間後には大きく減少し、代わりにエタノールのピーク（４．７ｍｉｎ．）が現れていることが分かる。この結果より求めたエタノールの量は２．４ｍｇであった（グルコースからの収率４１％）。
【００５８】
［実施例２］
（１）グルコース含有ドープの製造
合成例１で得られたＭＥＭＰＣｌ５．０２３ｇに、濃塩酸（和光純薬工業（株）製）０．０２３ｇおよび超純水０．１０３ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、バナナ藁０．２６１ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝３）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、１時間反応させ、グルコース含有ドープを得た。ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は０．０９５ｇであった。
（２）イオン液体の除去
超純水を約３質量倍量に変えた以外は、実施例１（２）と同様にしてイオン液体を除去し、グルコース含有水溶液を得た。
（３）エタノールの製造
上記工程で得られたグルコース含有水溶液を、エバポレーターにて４．０２５ｇ（ＨＰＬＣより求めた液中の総グルコース量：２２ｍｇ）まで濃縮し、その後は、実施例１（３）と同様にして反応を行った。ドライイースト添加前、添加直後、添加２４時間後の溶液について、それぞれＨＰＬＣにて分析した結果を図２に示す。
実施例１と同様、ドライイースト添加前および添加直後に観られるグルコースのピーク（２．３ｍｉｎ．）が添加２４時間後には大きく減少し、代わりにエタノールのピーク（４．７ｍｉｎ．）が現れていることが分かる。この結果より求めた反応液中のエタノールの量は８．１ｍｇであった（グルコースからの収率７４％）。
【００５９】
［実施例３］
（１）グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含む１−エチル−３−メチルイミダゾリウムクロライド（以下、ＥＭＩＭＣｌという、東京化成工業（株）製）（含水率１６３００ｐｐｍ）４．６２５ｇに、リン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．１７８ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．２４３ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝３）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、７時間反応させ、グルコース含有ドープを得た。ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は０．０２４ｇであった。
（２）イオン液体の除去
上記工程で得られたグルコース含有ドープに、超純水を約５質量倍量加え、反応液中の不溶分および析出した沈殿物を濾別した。イオン交換樹脂（オルガノ社製、製品名：Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ ＭＳＰＳ２−１・ＤＲＹ：カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を等交換容量含む）２５ｇを充填した内径２５ｍｍ×高さ５００ｍｍのカラム（移動相：超純水）に濾液を通し、ＥＭＩＭＣｌを除去し、グルコース含有水溶液を得た。
（３）エタノールの製造
上記工程で得られたグルコース含有水溶液を、エバポレーターにて４．９２０ｇ（ＨＰＬＣより求めた液中の総グルコース量：１０ｍｇ）まで濃縮し、その後は、実施例１（３）と同様にして反応を行った。ドライイースト添加前、添加直後、添加２４時間後の溶液について、それぞれＨＰＬＣにて分析した結果を図３に示す。
実施例１と同様、ドライイースト添加前および添加直後に観られるグルコースのピーク（２．３ｍｉｎ．）が添加２４時間後には大きく減少し、代わりにエタノールのピーク（４．６ｍｉｎ．）が現れていることが分かる。この結果より求めた反応液中のエタノールの量は３．７ｍｇであった（グルコースからの収率７３％）。
【００６０】
［実施例４］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＭＥＭＰＣｌ（含水率１１３００ｐｐｍ）３．０３３ｇにトリフルオロ酢酸（和光純薬工業（株）製）０．０１６ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９４ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝３）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、５時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は２時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は３４％であった（図４）。
【００６１】
［実施例５］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含む１−ｎ−ブチル−３−メチルイミダゾリウムクロライド（以下、ＢＭＩＭＣｌという、関東化学（株）製）（含水率１１８００ｐｐｍ）３．０１７ｇにトリフルオロ酢酸（和光純薬工業（株）製）０．０１６ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９４ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝３）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、５時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は２時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は２１％であった（図４）。
【００６２】
［実施例６］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＥＭＩＭＣｌ（東京化成工業（株）製）（含水率１７６００ｐｐｍ）２．９８５ｇにトリフルオロ酢酸（和光純薬工業（株）製）０．０１６ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９３ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝３）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、５時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は２時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は１８％であった（図４）。
【００６３】
［実施例７］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＤＥＭＥＣｌ（含水率１０２００ｐｐｍ）２．９２９ｇにトリフルオロ酢酸（和光純薬工業（株）製）０．０１７ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９１ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、５時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングした結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は２時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は２４％であった（図４）。
【００６４】
［実施例８］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＭＥＭＰＣｌ（含水率１１３００ｐｐｍ）２．８０８ｇにリン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．１０３ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９０ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、１０時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は１０時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は５２％であった（図４）。
【００６５】
［実施例９］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＢＭＩＭＣｌ（関東化学（株）製）（含水率１１８００ｐｐｍ）３．０５４ｇにリン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．１３２ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９９ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、１０時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は１０時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は１７％であった（図４）。
【００６６】
［実施例１０］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＥＭＩＭＣｌ（東京化成工業（株）製）（含水率１７６００ｐｐｍ）３．０１１ｇにリン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．１１５ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９７ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、１０時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は１０時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は１７％であった（図４）。
【００６７】
［実施例１１］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＤＥＭＥＣｌ（含水率１０２００ｐｐｍ）２．９１２ｇにリン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．１０８ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９４ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、１０時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は９時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は１１％であった（図４）。
【００６８】
［比較例１］
（１）グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＭＥＭＰＣｌ（含水率６００００ｐｐｍ）３．５６１ｇにリン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．１２９ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．１８７ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、１０時間反応させた。これを１２５℃の乾燥器中で１０時間加熱してグルコース含有ドープを得た。ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は０．０６９ｇであった。
（２）イオン液体の除去
国際公開第２００７／１０１８１２号パンフレット記載のエタノールを用いたグルコース沈澱方法に従って、グルコースを回収するため、上記工程で得られたグルコース含有ドープ１．０４２ｇ（ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量：０．０１９ｇ）に５０質量倍量のエタノールを添加したが、グルコースはほとんど沈殿せず、発酵工程を行うことができなかった。
【００６９】
［比較例２］
ＭＥＭＰＣｌをＢＭＩＭＣｌ（関東化学（株）製）（含水率１１８００ｐｐｍ）に変更した以外は比較例１と同様に行った結果、グルコースはほとんど沈殿せず、発酵工程を行うことができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】実施例１のエタノール製造工程において、ドライイースト添加前、添加直後および添加２４時間後の溶液をＨＰＬＣにて分析した結果を示す図である。
【図２】実施例２のエタノール製造工程において、ドライイースト添加前、添加直後および添加２４時間後の溶液をＨＰＬＣにて分析した結果を示す図である。
【図３】実施例３のエタノール製造工程において、ドライイースト添加前、添加直後および添加２４時間後の溶液をＨＰＬＣにて分析した結果を示す図である。
【図４】実施例４〜１１で得られたグルコース含有ドープ中のグルコース量の経時変化を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単糖およびエタノールの製造方法に関し、さらに詳述すると、糖ポリマーからの単糖製造方法およびこの単糖を原料としたバイオエタノールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バイオエタノールは、さとうきびや、とうもろこしなどを原料として製造されている。しかし、将来的な食料問題を考慮した場合、食料として利用されないその他のバイオマスを有効利用してバイオエタノールを製造することが望まれる。
この点に鑑み、近年、セルロースなどの木質系糖ポリマーから水溶性オリゴ糖や、エタノールなどの製造原料となるグルコースを製造することが試みられている。
【０００３】
例えば、特許文献１（特開２００２−８５１００号公報）には、ランタノイドイオン触媒の存在下、セルロースを加圧熱水で処理して加水分解する手法が開示され、これにより、水溶性オリゴ糖類および少量の単糖を含むドープが得られることが示されている。
特許文献２（特開２００５−２２９８２２号公報）には、セルロース系バイオマスを段階的に硫酸で処理して糖化させて単糖を製造する手法が開示されている。
特許文献３（特開２００６−１４９３４３号公報）には、木質系バイオマスを、微粉化および脱リグニン化した後、セルラーゼ酵素で処理してグルコースを製造する手法が開示されている。
【０００４】
しかし、上記特許文献１の手法は、高温の加圧熱水を使用するため、多大なエネルギーを必要とする。これは、ＣＯ2削減というバイオマス利用の目的と矛盾している。また、セルロースの加水分解を促進するための加熱温度が２２０〜２７０℃と非常に高く、水の沸点以上の温度における処理となるため、圧力釜などの大型設備が必要となる。
特許文献２の手法は、セルロースを６５〜８５質量％硫酸中において処理する必要があるため、酸の取扱いに危険が伴い、また廃棄処分が大変である。また、硫酸処理を２段階に分けて行う必要があるため、手間がかかる。
特許文献３の手法は、微粉化および脱リグニン化処理が必要であるうえに、酵素反応であるため長時間を要し、温度やｐＨ等の種々の条件が限られる。また、酵素自体が高価である。
【０００５】
さらに、最近、イオン液体中でセルロースを分解する際に各種添加剤を用いる手法が報告されている。
例えば、特許文献４（国際公開第２００７／１０１８１１号パンフレット）には、酸添加によるセルロース分解法が、特許文献５（国際公開第２００７／１０１８１２号パンフレット）には、水添加によるセルロース分解法が、特許文献６（国際公開第２００７／１０１８１３号パンフレット）には、求核剤添加によるセルロース分解法が開示されている。
【０００６】
これらの文献には、クロマトグラム測定により低分子量組成が確認され、セルロースが完全に分解されたことが記載されているが、実際に糖質（グルコースなど）を単離・同定した実施例は皆無であるうえに、この糖質を原料としたバイオエタノールの製造方法については開示されていない。
また、これらの文献ではグルコースを回収する際にエタノールを添加しているが、エタノール添加法を用いた場合、イオン液体を実質的に除去することは難しいため、バイオエタノールを製造する上で問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−８５１００号公報
【特許文献２】特開２００５−２２９８２２号公報
【特許文献３】特開２００６−１４９３４３号公報
【特許文献４】国際公開第２００７／１０１８１１号パンフレット
【特許文献５】国際公開第２００７／１０１８１２号パンフレット
【特許文献６】国際公開第２００７／１０１８１３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、セルロースなどの糖ポリマーから簡便かつ効率的に単糖類を製造する方法および得られた単糖類からバイオエタノールを製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオン（Ｃｌ-）からなるイオン液体と糖ポリマーとを、水の存在下、かつ、所定の添加剤の存在下または酸性条件下で接触させることで、糖ポリマーが分解し、単糖類が効率的に得られることを見出すとともに、イオン交換法を用いてイオン液体を除去することで、これらの単糖類からバイオエタノールを効率的に製造し得ることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明は、
１． ４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、糖ポリマーとを、水、並びに酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種の存在下で接触させ、前記糖ポリマーを分解させて単糖を得ることを特徴とする単糖製造方法、
２． ４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、糖ポリマーとを、水の存在下、かつ、ｐＨ７未満の酸性下で接触させ、前記糖ポリマーを分解させて単糖を得ることを特徴とする単糖製造方法、
３． 前記イオン液体と糖ポリマーとを接触させた後、加熱する１または２の単糖製造方法、
４． 前記カチオンが、下記式（１）で示される１〜３のいずれかの単糖製造方法、
Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｒ4Ｎ+ ・・・（１）
〔式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜１２の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示し、これらＲ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4のいずれか２個の基が窒素原子とともに環を形成していてもよい。〕
５． 前記Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4の少なくとも１つが、前記アルコキシアルキル基である４の単糖製造方法、
６． 前記カチオンが、式（２）で示される５の単糖製造方法、
【化１】
（式中、Ｒ5は、炭素数１〜８の直鎖アルキル基または炭素数３〜５のアルケニル基を、Ｒは、メチル基またはエチル基を示し、ｎは１または２である。）
７． 前記カチオンが、式（３）で示される１〜３のいずれかの単糖製造方法、
【化２】
〔式中、Ｒ6およびＲ7は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜８の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示す。〕
８． 前記Ｒ6が、前記アルコキシアルキル基である７の単糖製造方法、
９． 酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種が、前記イオン液体に対して０質量％超１０質量％以下存在する１の単糖製造方法、
１０． 前記水が、糖ポリマー全量中に存在する無水単糖ユニット数以上のモル数である１〜９のいずれかの単糖製造方法、
１１． 前記糖ポリマーが、セルロースである１〜１０のいずれかの単糖製造方法、
１２． ４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、セルロースとを、水、並びに酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種の存在下で接触させ、前記セルロースを分解させてなるグルコース含有ドープ、
１３． ４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、セルロースとを、水の存在下、かつ、ｐＨ７未満の酸性下で接触させ、前記セルロースを分解させてなるグルコース含有ドープ、
１４． 前記カチオンが、下記式（１）で示される１２または１３のグルコース含有ドープ、
Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｒ4Ｎ+ ・・・（１）
〔式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜１２の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示し、これらＲ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4のいずれか２個の基が窒素原子とともに環を形成していてもよい。〕
１５． 前記Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4の少なくとも１つが、前記アルコキシアルキル基である１４のグルコース含有ドープ、
１６． 前記カチオンが、式（２）で示される１５のグルコース含有ドープ、
【化３】
（式中、Ｒ5は、炭素数１〜８の直鎖アルキル基または炭素数３〜５のアルケニル基を、Ｒは、メチル基またはエチル基を示し、ｎは１または２である。）
１７． 前記カチオンが、式（３）で示される１２または１３のグルコース含有ドープ、
【化４】
〔式中、Ｒ6およびＲ7は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜８の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示す。〕
１８． 前記Ｒ6が、前記アルコキシアルキル基である１７のグルコース含有ドープ、
１９． １１の単糖製造方法により得られた前記単糖を、イオン交換法により前記イオン液体から分離した後、発酵させることを特徴とするエタノールの製造方法、
２０． １２〜１８のいずれかのドープからイオン交換法により前記イオン液体を除去した後、酵母を加えて発酵させることを特徴とするエタノールの製造方法、
２１． １２〜１８のいずれかのドープに水を加えて水不溶分を析出させ、この水不溶分をろ過し、さらに、イオン交換法により前記イオン液体を除去してグルコース含有水溶液とし、この水溶液に酵母を加えて発酵させる２０のエタノールの製造方法、
２２． 前記イオン交換法が、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の混合物を用いて行われる１９〜２１のいずれかのエタノールの製造方法、
２３． 前記イオン交換法が、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の等交換容量混合物が充填されたカラムに、前記ドープを通すことにより行われる２２のエタノールの製造方法
を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、糖ポリマーから単糖を簡便かつ効率的に製造することができる。この製造方法は、加熱温度が比較的低いため、エネルギーコストを削減することができる。
また、本発明の製造方法で添加剤として酸を用いる場合においては、比較的少量の添加量で済むため取扱いや作業の面で安全性が高い。
さらに、イオン液体は、回収が容易であるだけでなく、繰り返し使用できるため、コスト的に有利であり、環境にも優しい。
本発明のイオン液体と糖ポリマーとから得られたグルコース含有ドープに酵母を作用させて発酵させることでエタノールに変換できることから、木質系バイオマスを主とするセルロース系バイオマスを利用した新たなバイオエタノールの製造法をも提供し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明に係る第１の単糖製造方法は、４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、糖ポリマーとを、水、並びに酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種の存在下で接触させ、糖ポリマーを分解させて単糖を得るものである。
また、本発明に係る第２の単糖製造方法は、４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、糖ポリマーとを、水の存在下、かつ、ｐＨ７未満の酸性下で接触させ、糖ポリマーを分解させて単糖を得るものである。
【００１３】
ここで、イオン液体とは、１００℃以下で流動性があり、完全にイオンから成る液体をいうが、９０℃以下、好ましくは８０℃以下、より好ましくは７０℃以下で流動性があるものが好適である。
イオン液体のうち、セルロース等の糖ポリマーを膨潤や溶解させるものはいくつか知られており、このような膨潤挙動や溶解挙動によって糖ポリマーの分子量低下、すなわち分子鎖の切断が多少なりとも生じ得ることを本発明者らは既に見出している（ＰＣＴ／ＪＰ２００６／３２０６９５号）が、本発明では、所定の条件で処理することで、糖ポリマーを単糖まで分解するものである。
【００１４】
本発明において、イオン液体を構成する４級窒素原子を有するカチオンとしては、例えば、下記式（１）で示されるものが挙げられる。
Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｒ4Ｎ+ ・・・（１）
〔式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜１２の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示し、これらＲ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4のいずれか２個の基が窒素原子とともに環を形成していてもよい。〕
【００１５】
ここで、炭素数１〜１２の直鎖または分岐のアルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｉ−プロピル基、ｎ−ブチル基、ｓ−ブチル基、ｔ−ブチル基、２−メチルプロピル基、１，１−ジメチルエチル基、ｎ−ペンチル基、ｓ−ペンチル基、ｔ−ペンチル基、１−メチルブチル基、２−メチルブチル基、３−メチルブチル基、２，２−ジメチルプロピル基、ｎ−ヘキシル基、ｎ−ヘプチル基、ｎ−オクチル基、ｎ−ノニル基、ｎ−デシル基、ｎ−ウンデシル基、ｎ−ドデシル基等が挙げられる。
これらの中でも、糖ポリマーの分解能向上を図るためには、炭素数１〜８の直鎖アルキル基が好ましく、特に、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基等の炭素数１〜４の直鎖アルキル基が好適である。
炭素数３〜５のアルケニル基としては、１−プロペニル基、２−プロペニル基（アリル基）、イソプロペニル基、１−ブテニル基、２−ブテニル基（クロチル基）、３−ブテニル基、イソクロチル基、２−メチルアリル基（メタリル基）等が挙げられるが、これらの中でも、アリル基、メタリル基が好適である。
【００１６】
また、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4のいずれか２個の基が窒素原子とともに形成する環としては、アジリジン環、アゼチジン環、ピロリジン環、ピペリジン環などが挙げられるが、本発明においては、これらの中でも、糖ポリマーの分解能に優れるピロリジン環が好適である。
ＲＯ−（ＣＨ2）n−で表されるアルコキシアルキル基としては、メトキシまたはエトキシメチル基、メトキシまたはエトキシエチル基が挙げられる。
特に、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4の少なくとも１つが、−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒおよびｎは上記と同じ。）であることがアルコキシアルキル基のないものに比べ融点の低下が顕著にみられ好適である。このとき、特にメトキシエチル基、エトキシエチル基が化合物の安定性の面から好ましい。
【００１７】
上記式（１）で示される環状カチオンの中でも、式（２）で示されるピロリジニウムカチオンが、糖ポリマーの分解能に優れているため、好適である。
【００１８】
【化５】
（式中、Ｒ5は、炭素数１〜８の直鎖アルキル基または炭素数３〜５のアルケニル基を、Ｒは、メチル基またはエチル基を示し、ｎは１または２である。）
【００１９】
式（２）で示されるカチオンの中でも、糖ポリマーの溶解能、低分子化能に優れていることから、Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシエチルピロリジニウムカチオン、Ｎ−エチル−Ｎ−２−メトキシエチルピロリジニウムカチオン、Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシメチルピロリジニウムカチオン、Ｎ−エチル−Ｎ−２−メトキシメチルピロリジニウムカチオンなどが好適である。
【００２０】
また、下記式（４）で示されるカチオンも好適に用いることができ、中でも、比較的低融点になること、糖ポリマーの溶解・膨潤能に優れていることから、Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシエチルアンモニウムカチオン、Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシメチルアンモニウムカチオン、Ｎ−エチル−Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｎ−２−メトキシエチルアンモニウムカチオン、Ｎ−エチル−Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｎ−２−メトキシメチルアンモニウムカチオンなどが好適である。
【００２１】
【化６】
（式中、Ｒ1〜Ｒ3、Ｒおよびｎは上記と同じ意味を示す。）
【００２２】
また、４級窒素原子を有するカチオンとしては、下記式（３）で示されるものを用いることもできる。
【００２３】
【化７】
〔式中、Ｒ6およびＲ7は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜８の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示す。〕
【００２４】
ここで、Ｒ6およびＲ7としては、炭素数１〜８の直鎖アルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または上記アルコキシアルキル基が好適である。特に、Ｒ7としては、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基が好適であり、Ｒ6としては、−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基、特に、メトキシメチル基、メトキシエチル基が好適である。
なお、炭素数１〜８の直鎖または分岐アルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、アルコキシアルキル基の具体例としては、上記と同様のものが挙げられる。
【００２５】
式（３）で示されるカチオンにおいては、化合物の融点を低くし、糖ポリマー溶解時の操作性に優れるという観点から、カチオンとして非対称な形状であること、すなわち、Ｒ6およびＲ7が異なるアルキル基であることが好ましい。この場合、原料の入手が容易であり、合成も簡便であることから、Ｒ6およびＲ7のどちらか一方がメチル基またはエチル基であることが、特に好適であり、これらの例としては１−メチル−３−(ｎ−ペンチル)イミダゾリウムカチオン、１−ｎ−ブチル−３−メチルイミダゾリウムカチオン、１−メチル−３−ｎ−プロピルイミダゾリウムカチオン、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムカチオン等が挙げられる。
【００２６】
さらに、４級窒素原子を有する環状カチオンとしては、下記式（５）で示されるものを用いることもできる。
【００２７】
【化８】
〔式中、Ｒ8は、炭素数１〜８の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示し、Ｒ9は、水素原子または炭素数１〜４の直鎖もしくは分岐のアルキル基を示す。〕
【００２８】
ここで、Ｒ8としては、炭素数１〜４の直鎖アルキル基、または上記アルコキシアルキル基が好ましく、中でもアルコキシアルキル基がより好ましく、特に、メトキシメチル基、メトキシエチル基が好適である。
Ｒ9としては、水素原子または炭素数１〜４の直鎖アルキル基が好ましく、特に、水素原子、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、ｎ−ブチル基が好適である。
なお、炭素数１〜８の直鎖または分岐アルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、アルコキシアルキル基の具体例としては、上記と同様のものが挙げられる。
中でも、３−メチル−Ｎ−ノルマルブチルピリジニウムカチオン、Ｎ−ノルマルブチルピリジニウムカチオン、Ｎ−２−メトキシエチルピリジニウムカチオン、Ｎ−２−メトキシメチルピリジニウムカチオンなどが好適である。
【００２９】
以上説明したカチオンの中でも、糖ポリマーの分解能に優れていることから、ピロリジニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオンなどの平面構造を有する環状カチオンが好適である。
なお、本発明における平面構造とは、環を構成する全ての原子が同一平面上に存在するものに加え、ピロリジン環の封筒形配座などのように、１つの原子だけが、その他の原子で構成される平面上にないものも包含する。
【００３０】
本発明において、イオン液体を構成するアニオンとしては、セルロースなどの糖ポリマーの溶解性および分解能に特に優れたイオン液体を与える、塩化物イオン（Ｃｌ-）を用いる。
【００３１】
本発明の単糖の製造方法の原料となる糖ポリマーとしては、例えば、セルロース、ヘミセルロース、グリコーゲン、デンプン、キチン、アガロース、カラギーナン等が挙げられるが、木質系バイオマスであるということから、セルロース、ヘミセルロース、デンプンなどが好ましく、特にセルロースが好適である。
セルロースとしては、公知のセルロース材料から適宜選択して用いればよく、例えば、植物由来セルロース、動物由来セルロース、バクテリア由来セルロース、再生セルロース等を用いることができる。
植物由来セルロースとしては、コットンリント、コットンリンター、針葉樹セルロース、広葉樹セルロース、靭皮セルロース、葉脈セルロース、麻セルロース、ケナフセルロース、バナナ繊維セルロース、竹繊維セルロース等が挙げられる。
動物由来セルロースとしては、尾索動物由来のセルロース等が挙げられ、特にホヤセルロースが挙げられる。
バクテリア由来セルロースとしては、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒ属、Ａｇｒｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ属、Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ属等のバクテリアに由来するセルロースが挙げられる。
再生セルロースとしては、ザンテート法、銅アンモニア法、Ｎ2Ｏ4／ＤＭＦ法、（ＣＨ2Ｏ）x／ＤＭＳＯ法、ＮＭＭＯ法、ＬｉＣｌ／ＤＭＡｃ法、水蒸気爆砕アルカリ水溶液法、イオン液体法などにより溶解した後に再生したセルロースが挙げられる。
これらの中でも木質系バイオマスであることから、植物由来セルロースが好適である。
【００３２】
セルロースの形態としては、特に制限はなく、糸状、布状、紙状、フィルム状、綿状、粉状、粒状、棒状など、種々の形態のセルロースを採用できる。
セルロースの結晶構造も特に限定されるものではなく、Ｉ型、ＩＩ型、ＩＩＩ型、ＩＶ型、非晶のいずれか一つの構造またはそれらの組合せからなる構造を有するセルロースを採用できる。また、セルロースの結晶化度にも大きく影響されない。
セルロースの分子量（重合度）は任意であるが、本発明の方法では、重量平均分子量２００万〜４万、特に２００万〜２０万程度の比較的大きな分子量のセルロースも容易に溶解し、分解することができる。
なお、セルロースは、単離されたセルロースでも、バイオマス中に他の生体成分と共に含まれるセルロースでもよい。
【００３３】
本発明の製造方法において、所定のイオン液体と、糖ポリマーとを接触させる手法は特に限定されるものではなく、糖ポリマー中にイオン液体を添加してもよく、イオン液体に糖ポリマーを添加してもよい。また、イオン液体が室温で固体の場合、固体のまま糖ポリマーと混合してもよく、一旦加熱溶融した後に糖ポリマーと混合してもよい。
イオン液体に対する糖ポリマーの混合割合は、イオン液体や糖ポリマーの種類によって異なるため一概には規定できないが、使用するイオン液体への糖ポリマーの溶解度未満であることが好ましい。
ただし、このことは、使用するイオン液体中に糖ポリマーが均一に溶解していることを本発明の必須要件とするという意味ではない。糖ポリマーは当該イオン液体と接触していればよい。
なお、イオン液体は２種以上混合して用いてもよい。
【００３４】
また、イオン液体の粘度を低減させる観点から、糖ポリマーを加水分解できる程度であれば、例えば、非プロトン溶媒などのその他の溶媒をイオン液体に混合してもよい。
非プロトン溶媒の具体例としては、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、アセトニトリル、ピリジンなどが挙げられ、これらは１種単独で用いても、２種以上混合して用いてもよい。
【００３５】
本発明の第１の製造方法において、添加剤として用いられる酸としては、例えば、塩酸，硫酸，リン酸等の無機酸類、ｐ−トルエンスルホン酸，トリフルオロ酢酸等の有機酸類が挙げられる。
求核剤としては、例えば、２，４−ジニトロフェニルヒドラジン、４−ニトロアニリン等が挙げられる。
アミン４級塩としては、例えば、Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−２−メトキシエチルアミン塩酸塩、Ｎ−２−メトキシエチルピロリジン塩酸塩等が挙げられる。
これら添加剤の添加量は、糖ポリマーの分解が進行する範囲であれば任意であるが、本発明においては、イオン液体に対して２０質量％以下とすることが好ましく、特に、０．０１〜５質量％が好適である。
添加剤の添加のタイミングは任意であるが、予めイオン液体中に添加剤を添加した後に、イオン液体と糖ポリマーとを接触させることが好ましい。
【００３６】
本発明の第２の製造方法において、イオン液体と糖ポリマーとを接触させる際のｐＨは、ｐＨ７未満の酸性条件下であれば特に限定されるものではないが、糖ポリマーの分解をより促進させて単糖の収率を向上させることを考慮すると、ｐＨ１〜５が好ましく、ｐＨ１〜４がより好ましい。
ｐＨの調整法は特に限定はないが、従来公知の酸や塩基を用いて所望の範囲とすればよい。なお、第１の製造方法と併用することも可能である。
【００３７】
本発明の製造方法において、イオン液体と糖ポリマーとの接触処理温度は、イオン液体が液状を示すとともに、糖ポリマーの分解および単糖への転化が生じる温度であればよい。この温度は、使用する添加剤の種類や添加量、または系のｐＨなどによって最適範囲は異なるため一概には規定できないが、一般的に糖ポリマーの分解および単糖への転化を促進し、単糖の収率向上を図るためには、１００℃以上が好ましく、１１０℃以上がより好ましく、１２０℃以上がより一層好ましい。また、その上限は任意であるが、エネルギー効率等を考慮すると２００℃以下が好ましく、１８０℃以下がより好ましく、１５０℃以下がより一層好ましい。
【００３８】
加熱をする場合、その手段は任意であるが、オーブンによる加熱、水浴や油浴による加熱、マイクロ波による加熱などの一般的な加熱手段を用いればよい。
また、加熱にあたっては、糖ポリマーの溶解を促進するために、撹拌を行うことが好ましい。撹拌手段も任意であり、撹拌子や撹拌羽根による機械的撹拌、容器の振盪による撹拌、超音波照射による撹拌などに代表される公知の撹拌法の中から、スケール等に応じて適宜な手段を採用すればよい。
【００３９】
接触処理時間は、通常、１〜５０時間程度であり、１〜２０時間程度がより好ましく、１〜１５時間がより好ましい。
ただし、イオン液体の種類やイオン液体中の含水率などによって好適な加熱時間は異なり、長時間加熱し過ぎると生成した単糖が分解されるためか収率が減少する場合もあるため、単糖への転化率を追跡しながら、適宜な時間に設定することが好ましい。
【００４０】
本発明においては、イオン液体中の含水率を変化させることで、糖ポリマーの分解速度を適宜制御し、単位時間あたりの単糖の生成量を制御することができる。
すなわち、含水率が少ないと糖ポリマーの分解が遅くなって単位時間あたりに生成する単糖の量が少なくなり、反対に含水率が多いと糖ポリマーの分解が速くなって単位時間あたりに生成する単糖の量が多くなる。
一方、イオン液体の含水率は、用いるイオン液体の種類とそれに溶解させようとする糖ポリマーの種類によりその溶解度が異なるため、特に数値として限定することは困難であるが、あまり多量に存在すると糖ポリマーの溶解能が落ちるため、通常は１０質量％以下が好ましい。
また、その下限は、処理する糖ポリマー中の無水単糖ユニット数の１．０倍以上のモル数とすることが好ましく、無水単糖ユニット数の１．５倍以上のモル数とすることがより好ましい。
イオン液体の含水率の調整は水を適宜添加して行えばよい。
【００４１】
なお、本発明の単糖製造方法は、単糖が生成する限りにおいて、ランタノイドイオン供給物質等の触媒作用物質、活性炭、ゼオライト、金属酸化物等を配合して行うこともできる。
【００４２】
以上説明した一連の処理により、糖ポリマーは、イオン液体中で分解されて単糖となり、これにより、単糖がイオン液体中に溶解した単糖含有ドープが得られる。
得られたドープにグルコースが含まれる場合、これを酵母などで発酵させてエタノールを製造することができる。
具体的には、得られたグルコース含有ドープから、イオン液体を除去した後、必要に応じて水や有機溶媒を加え、これに酵母を添加して、嫌気条件下、加温して発酵させてエタノールを得ることができる。
この場合、酵母としては、従来公知のものから適宜選択して用いることができ、例えば、ドライイースト、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ Ｔａｉｋｅｎ ３９６、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ発研１号、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ Ｆ−５などが挙げられる。
【００４３】
グルコース含有ドープからイオン液体を除去する手法としては、イオン交換法を用いることが好ましい。イオン交換法は、公知のイオン交換樹脂やイオン交換膜を用いて行うことができる。
イオン交換樹脂を用いる場合、イオン液体を構成するカチオン成分およびアニオン成分を効率良く除去するために陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とを併用することが好ましい。
この際、いずれか一方で処理した後、他方で処理してもよいが、処理の効率を高めるとともに、ｐＨが極度に酸性側あるいは塩基性側に偏ることを防止するために、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂との混合物を用いることが好ましく、特に、これらの等交換容量混合物を用いることが最適である。このような混合物としては市販品を用いることもでき、例えば、Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ ＭＳＰＳ２−１・ＤＲＹ（オルガノ社製）などを用いることができる。
グルコース含有ドープをイオン交換樹脂で処理する手法としては、ドープ中にイオン交換樹脂を添加する方法、イオン交換樹脂を充填したカラムにドープを通液する方法のどちらでもよいが、連続的に処理し得る後者の方法を用いることが好ましい。
【００４４】
イオン交換膜を用いる場合も、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜を併用することが好ましく、さらに、電場をかけてイオンの移動を促進させることが好ましい。
この場合、グルコース含有ドープ中に、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜、正負電極を配設して処理すればよい。
【００４５】
イオン液体は、発酵工程に用いる酵母にとって悪影響を及ぼすことがあるため、上記イオン交換法によりドープ中からイオン液体は少なくとも１０％以下程度まで除去することが好ましく、好適には５％以下、特に好ましくは１％未満まで除去することが好ましい。
このとき、イオン交換処理にイオン交換樹脂を用いる場合は、グルコース含有ドープの処理量に応じ、イオン交換樹脂の充填量やカラムへの通液回数を適宜変えることができる。グルコース含有ドープの処理量が少量の場合には、除去するイオン液体の量より大過剰の交換能を有する量のイオン交換樹脂を充填したカラムに通液して処理することが好ましい。一方、グルコース含有ドープの処理量が多量の場合には、除去するイオン液体に対し交換容量以上のイオン交換樹脂を充填することが好ましいが、処理するイオン液体に対し交換容量より少ない量のイオン交換樹脂充填カラムである場合には複数回繰り返しカラムに通液してイオン液体を除去することが好ましい。残留イオン液体は、薄層クロマトグラフィー（ＴＬＣ）で確認することができるため、ＴＬＣでイオン液体が検出されなくなるまで、イオン交換処理を繰り返し、イオン液体を除去することが可能である。
【００４６】
なお、本発明においては、イオン交換法によってイオン液体を除去する前に、グルコース含有ドープ中に水を加える処理を行うことが好ましい。
この水添加処理により、ドープ中に存在する水不溶分が析出するため、これをろ過などによって除去することができる。またこのろ過の際、もともとドープ中に存在した不溶分も除去することができる。
【００４７】
発酵時の温度は、発酵が進む範囲であれば特に限定されるものではないが、２５〜５０℃程度が好適である。
発酵終了後は、蒸留にて生じたエタノールを回収すればよい。
【実施例】
【００４８】
以下、合成例、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。
なお、イオン液体の含水率はカールフィッシャー水分計（ＭＫＣ−５１０Ｎ，京都電子工業（株）製）により測定した。使用したイオン液体は全て室温で固体であったため、イオン液体とアセトニトリルとを質量比１：１で混合し、完全に溶解した後に側定した含水率から、以下の式により算出した。
室温固体のイオン液体の含水率＝混合溶液（アセトニトリル：イオン液体＝１：１（質量比））の含水率×２−使用したアセトニトリルの含水率
【００４９】
グルコース量は、反応液中のグルコース濃度をＨＰＬＣにより求め、算出した。ＨＰＬＣ分析装置および分析条件は以下のとおりである。
装置：２６９５ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ（Ｗａｔｅｒｓ社製）
検出器： ２４１４ ＲＩ 検出器（Ｗａｔｅｒｓ社製）
カラム： Ａｔｌａｎｔｉｓ Ｔ３ ５μｍ ４．６×１５０ｍｍ ｃｏｌｕｍｎ（Ｗａｔｅｒｓ社製）
移動相：水
流速：１ｍｌ／ｍｉｎ
注入量：１０μｌ
【００５０】
ｐＨは、反応液の一部をピペットで採取し、これに水を加えたものをＭＡＣＨＥＲＥＹ−ＮＡＧＥＬ社製のｐＨ試験紙上にたらし、その色の変化により求めた。
バナナ藁は、バナナ収穫時に地上１ｍ位の所で茎を伐採し、外皮を剥がして内部の柔らかい繊維状の部分を取り出し、乾燥したものを用いた。
【００５１】
［合成例１］Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシエチルピロリジニウムクロライド（ＭＥＭＰＣｌ）の合成
【化９】
【００５２】
ピロリジン（関東化学（株）製）５４０ｍｌと２−メトキシエチルクロライド（関東化学（株）製）３００ｍｌとを混合し、１００℃で２−メトキシエチルクロライドが還流しなくなるまで反応させた。反応後、析出した結晶を、テトラヒドロフラン（和光純薬工業（株）製）を用いて洗浄して濾別した。濾液を減圧蒸留し、４０ｍｍＨｇで沸点７５℃付近の留分を１９３ｇ得た。この化合物が２−メトキシエチルピロリジンであることを核磁気共鳴スペクトル（以下、ＮＭＲという）により確認した。
続いて、オートクレーブ中にてトルエン（和光純薬工業（株）製）３９０質量部に２−メトキシエチルピロリジン１９３質量部を溶解し、攪拌を行いつつ、窒素中１５％塩化メチルガス（日本特殊化学工業（株）製）１５０質量部を導入した。この時、内圧は０．２８ＭＰａであった。塩化メチルガスを加えた後、４０℃まで昇温した。２３時間攪拌した後、放冷し、析出した結晶を濾別した。この結晶を減圧下乾燥し、目的物であるＮ−メチル−Ｎ−２−メトキシエチルピロリジニウムクロライド（以下、ＭＥＭＰＣｌという）を２３０質量部得た（含水率４００ｐｐｍ）。
【００５３】
［合成例２］Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシエチルアンモニウムクロライド（ＤＥＭＥＣｌ）の合成
【化１０】
【００５４】
ジエチルアミン（関東化学（株）製）７１質量部と２−メトキシエチルクロライド（関東化学（株）製）８８質量部とを混合し、オートクレーブ中、１２０℃で２４時間反応させた。この時、最高到達内圧は４．５ｋｇｆ／ｃｍ2（０．４４ＭＰａ）であった。２４時間後、析出した結晶を、テトラヒドロフラン（和光純薬工業（株）製）を用いて洗浄して濾別した。濾液を常圧蒸留し、沸点１３５℃付近の留分を８１質量部得た。この化合物が２−メトキシエチルジエチルアミンであることをＮＭＲにより確認した。
続いて、オートクレーブ中にてテトラヒドロフラン（和光純薬工業（株）製）８０質量部に２−メトキシエチルジエチルアミン９．０質量部を溶解し、攪拌を行いつつ、窒素中１５％塩化メチルガス（日本特殊化学工業（株）製）を導入した。内圧が４ｋｇｆ／ｃｍ2（０．３９ＭＰａ）になるまで塩化メチルガスを加えた後、３時間かけて徐々に６０℃まで昇温した。この時、最高到達内圧は５．４ｋｇｆ／ｃｍ2（０．５３ＭＰａ）であった。この後、攪拌を続けながら放冷し、析出した結晶を濾別した。この結晶を減圧下乾燥し、目的物であるＮ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−２−メトキシエチルアンモニウムクロライド（以下、ＤＥＭＥＣｌという）を１２質量部得た（含水率２００ｐｐｍ）。
【００５５】
［実施例１］
（１）グルコース含有ドープの製造
合成例１で得られたＭＥＭＰＣｌ５．１１８ｇにリン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．２０７ｇ、超純水（ミリポア社製超純水製造装置で製造した水、以下同様）０．２６９ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、バナナ藁０．２８０ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、５時間反応させ、グルコース含有ドープを得た。ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は０．０８７ｇであった。
【００５６】
（２）イオン液体の除去
上記工程で得られたグルコース含有ドープに、超純水を約５質量倍量加え、反応液中の不溶分および析出した沈殿物を濾別した。イオン交換樹脂（オルガノ社製、製品名：Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ ＭＳＰＳ２−１・ＤＲＹ：カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を等交換容量含む）１０ｇを充填した内径２０ｍｍ×高さ３３０ｍｍのカラム（移動相：超純水）に濾液を通し、ＭＥＭＰＣｌを除去し、グルコース含有水溶液を得た。この際、濾液全量をカラムにかけ、流出分全量を分取し、この流出分を薄層クロマトグラフィ（ＴＬＣ）で分析し、ＭＥＭＰＣｌのスポットがアニスアルデヒド発色法で検出されなくなるまで上記操作を繰り返した（５回）。ＴＬＣは（ＲＰ−１８Ｆ254S，ＭＥＲＣＫ社製）を用い、展開溶媒はテトラヒドロフラン：メタノール＝１：１（ｖ／ｖ）を用いた。なお、グルコースのＲｆ値は０（原点）、ＭＥＭＰＣのＲｆ値はｌ０．８であった。
【００５７】
（３）エタノールの製造
上記工程で得られたグルコース含有水溶液を、エバポレーターにて４．９７８ｇ（ＨＰＬＣより求めた液中の総グルコース量：１２ｍｇ）まで濃縮した後、グルコースと同質量のドライイースト（１２ｍｇ）を添加して、４０℃で２４時間攪拌した。ドライイースト添加前、添加直後および添加２４時間後の溶液について、それぞれＨＰＬＣにて分析した結果を図１に示す。
図１に示されるように、ドライイースト添加前および添加直後に観られるグルコースのピーク（２．３ｍｉｎ．）が、添加２４時間後には大きく減少し、代わりにエタノールのピーク（４．７ｍｉｎ．）が現れていることが分かる。この結果より求めたエタノールの量は２．４ｍｇであった（グルコースからの収率４１％）。
【００５８】
［実施例２］
（１）グルコース含有ドープの製造
合成例１で得られたＭＥＭＰＣｌ５．０２３ｇに、濃塩酸（和光純薬工業（株）製）０．０２３ｇおよび超純水０．１０３ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、バナナ藁０．２６１ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝３）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、１時間反応させ、グルコース含有ドープを得た。ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は０．０９５ｇであった。
（２）イオン液体の除去
超純水を約３質量倍量に変えた以外は、実施例１（２）と同様にしてイオン液体を除去し、グルコース含有水溶液を得た。
（３）エタノールの製造
上記工程で得られたグルコース含有水溶液を、エバポレーターにて４．０２５ｇ（ＨＰＬＣより求めた液中の総グルコース量：２２ｍｇ）まで濃縮し、その後は、実施例１（３）と同様にして反応を行った。ドライイースト添加前、添加直後、添加２４時間後の溶液について、それぞれＨＰＬＣにて分析した結果を図２に示す。
実施例１と同様、ドライイースト添加前および添加直後に観られるグルコースのピーク（２．３ｍｉｎ．）が添加２４時間後には大きく減少し、代わりにエタノールのピーク（４．７ｍｉｎ．）が現れていることが分かる。この結果より求めた反応液中のエタノールの量は８．１ｍｇであった（グルコースからの収率７４％）。
【００５９】
［実施例３］
（１）グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含む１−エチル−３−メチルイミダゾリウムクロライド（以下、ＥＭＩＭＣｌという、東京化成工業（株）製）（含水率１６３００ｐｐｍ）４．６２５ｇに、リン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．１７８ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．２４３ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝３）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、７時間反応させ、グルコース含有ドープを得た。ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は０．０２４ｇであった。
（２）イオン液体の除去
上記工程で得られたグルコース含有ドープに、超純水を約５質量倍量加え、反応液中の不溶分および析出した沈殿物を濾別した。イオン交換樹脂（オルガノ社製、製品名：Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ ＭＳＰＳ２−１・ＤＲＹ：カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を等交換容量含む）２５ｇを充填した内径２５ｍｍ×高さ５００ｍｍのカラム（移動相：超純水）に濾液を通し、ＥＭＩＭＣｌを除去し、グルコース含有水溶液を得た。
（３）エタノールの製造
上記工程で得られたグルコース含有水溶液を、エバポレーターにて４．９２０ｇ（ＨＰＬＣより求めた液中の総グルコース量：１０ｍｇ）まで濃縮し、その後は、実施例１（３）と同様にして反応を行った。ドライイースト添加前、添加直後、添加２４時間後の溶液について、それぞれＨＰＬＣにて分析した結果を図３に示す。
実施例１と同様、ドライイースト添加前および添加直後に観られるグルコースのピーク（２．３ｍｉｎ．）が添加２４時間後には大きく減少し、代わりにエタノールのピーク（４．６ｍｉｎ．）が現れていることが分かる。この結果より求めた反応液中のエタノールの量は３．７ｍｇであった（グルコースからの収率７３％）。
【００６０】
［実施例４］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＭＥＭＰＣｌ（含水率１１３００ｐｐｍ）３．０３３ｇにトリフルオロ酢酸（和光純薬工業（株）製）０．０１６ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９４ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝３）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、５時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は２時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は３４％であった（図４）。
【００６１】
［実施例５］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含む１−ｎ−ブチル−３−メチルイミダゾリウムクロライド（以下、ＢＭＩＭＣｌという、関東化学（株）製）（含水率１１８００ｐｐｍ）３．０１７ｇにトリフルオロ酢酸（和光純薬工業（株）製）０．０１６ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９４ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝３）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、５時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は２時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は２１％であった（図４）。
【００６２】
［実施例６］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＥＭＩＭＣｌ（東京化成工業（株）製）（含水率１７６００ｐｐｍ）２．９８５ｇにトリフルオロ酢酸（和光純薬工業（株）製）０．０１６ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９３ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝３）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、５時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は２時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は１８％であった（図４）。
【００６３】
［実施例７］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＤＥＭＥＣｌ（含水率１０２００ｐｐｍ）２．９２９ｇにトリフルオロ酢酸（和光純薬工業（株）製）０．０１７ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９１ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、５時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングした結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は２時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は２４％であった（図４）。
【００６４】
［実施例８］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＭＥＭＰＣｌ（含水率１１３００ｐｐｍ）２．８０８ｇにリン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．１０３ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９０ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、１０時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は１０時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は５２％であった（図４）。
【００６５】
［実施例９］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＢＭＩＭＣｌ（関東化学（株）製）（含水率１１８００ｐｐｍ）３．０５４ｇにリン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．１３２ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９９ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、１０時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は１０時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は１７％であった（図４）。
【００６６】
［実施例１０］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＥＭＩＭＣｌ（東京化成工業（株）製）（含水率１７６００ｐｐｍ）３．０１１ｇにリン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．１１５ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９７ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、１０時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は１０時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は１７％であった（図４）。
【００６７】
［実施例１１］グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＤＥＭＥＣｌ（含水率１０２００ｐｐｍ）２．９１２ｇにリン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．１０８ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．０９４ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、１０時間反応させた。１時間毎に溶液をサンプリングおよびＨＰＬＣ分析した結果、ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は９時間後に最大となり、グルコース収量（％）（グルコース生成量（ｇ）／セルロース仕込み量（ｇ）×１００）は１１％であった（図４）。
【００６８】
［比較例１］
（１）グルコース含有ドープの製造
水分を多量に含むＭＥＭＰＣｌ（含水率６００００ｐｐｍ）３．５６１ｇにリン酸（８５％）（和光純薬工業（株）製）０．１２９ｇを添加、攪拌し、均一溶液にした後に、微結晶セルロース（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）０．１８７ｇを添加した。混合物を１分程度攪拌した後（このときのｐＨ＝２）、１２５℃の乾燥器中に容器を移し、１０時間反応させた。これを１２５℃の乾燥器中で１０時間加熱してグルコース含有ドープを得た。ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量は０．０６９ｇであった。
（２）イオン液体の除去
国際公開第２００７／１０１８１２号パンフレット記載のエタノールを用いたグルコース沈澱方法に従って、グルコースを回収するため、上記工程で得られたグルコース含有ドープ１．０４２ｇ（ＨＰＬＣより求めた溶液中のグルコース量：０．０１９ｇ）に５０質量倍量のエタノールを添加したが、グルコースはほとんど沈殿せず、発酵工程を行うことができなかった。
【００６９】
［比較例２］
ＭＥＭＰＣｌをＢＭＩＭＣｌ（関東化学（株）製）（含水率１１８００ｐｐｍ）に変更した以外は比較例１と同様に行った結果、グルコースはほとんど沈殿せず、発酵工程を行うことができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】実施例１のエタノール製造工程において、ドライイースト添加前、添加直後および添加２４時間後の溶液をＨＰＬＣにて分析した結果を示す図である。
【図２】実施例２のエタノール製造工程において、ドライイースト添加前、添加直後および添加２４時間後の溶液をＨＰＬＣにて分析した結果を示す図である。
【図３】実施例３のエタノール製造工程において、ドライイースト添加前、添加直後および添加２４時間後の溶液をＨＰＬＣにて分析した結果を示す図である。
【図４】実施例４〜１１で得られたグルコース含有ドープ中のグルコース量の経時変化を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、糖ポリマーとを、水、並びに酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種の存在下で接触させ、前記糖ポリマーを分解させて単糖を得ることを特徴とする単糖製造方法。
【請求項２】
４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、糖ポリマーとを、水の存在下、かつ、ｐＨ７未満の酸性下で接触させ、前記糖ポリマーを分解させて単糖を得ることを特徴とする単糖製造方法。
【請求項３】
前記イオン液体と糖ポリマーとを接触させた後、加熱する請求項１または２記載の単糖製造方法。
【請求項４】
前記カチオンが、下記式（１）で示される請求項１〜３のいずれか１項記載の単糖製造方法。
Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｒ4Ｎ+ ・・・（１）
〔式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜１２の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示し、これらＲ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4のいずれか２個の基が窒素原子とともに環を形成していてもよい。〕
【請求項５】
前記Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4の少なくとも１つが、前記アルコキシアルキル基である請求項４記載の単糖製造方法。
【請求項６】
前記カチオンが、式（２）で示される請求項５記載の単糖製造方法。
【化１】
（式中、Ｒ5は、炭素数１〜８の直鎖アルキル基または炭素数３〜５のアルケニル基を、Ｒは、メチル基またはエチル基を示し、ｎは１または２である。）
【請求項７】
前記カチオンが、式（３）で示される請求項１〜３のいずれか１項記載の単糖製造方法。
【化２】
〔式中、Ｒ6およびＲ7は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜８の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示す。〕
【請求項８】
前記Ｒ6が、前記アルコキシアルキル基である請求項７記載の単糖製造方法。
【請求項９】
酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種が、前記イオン液体に対して０質量％超１０質量％以下存在する請求項１記載の単糖製造方法。
【請求項１０】
前記水が、糖ポリマー全量中に存在する無水単糖ユニット数以上のモル数である請求項１〜９のいずれか１項記載の単糖製造方法。
【請求項１１】
前記糖ポリマーが、セルロースである請求項１〜１０のいずれか１項記載の単糖製造方法。
【請求項１２】
４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、セルロースとを、水、並びに酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種の存在下で接触させ、前記セルロースを分解させてなるグルコース含有ドープ。
【請求項１３】
４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、セルロースとを、水の存在下、かつ、ｐＨ７未満の酸性下で接触させ、前記セルロースを分解させてなるグルコース含有ドープ。
【請求項１４】
前記カチオンが、下記式（１）で示される請求項１２または１３記載のグルコース含有ドープ。
Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｒ4Ｎ+ ・・・（１）
〔式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜１２の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示し、これらＲ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4のいずれか２個の基が窒素原子とともに環を形成していてもよい。〕
【請求項１５】
前記Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4の少なくとも１つが、前記アルコキシアルキル基である請求項１４記載のグルコース含有ドープ。
【請求項１６】
前記カチオンが、式（２）で示される請求項１５記載のグルコース含有ドープ。
【化３】
（式中、Ｒ5は、炭素数１〜８の直鎖アルキル基または炭素数３〜５のアルケニル基を、Ｒは、メチル基またはエチル基を示し、ｎは１または２である。）
【請求項１７】
前記カチオンが、式（３）で示される請求項１２または１３記載のグルコース含有ドープ。
【化４】
〔式中、Ｒ6およびＲ7は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜８の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示す。〕
【請求項１８】
前記Ｒ6が、前記アルコキシアルキル基である請求項１７記載のグルコース含有ドープ。
【請求項１９】
請求項１１記載の単糖製造方法により得られた前記単糖を、イオン交換法により前記イオン液体から分離した後、発酵させることを特徴とするエタノールの製造方法。
【請求項２０】
請求項１２〜１８のいずれか１項記載のドープからイオン交換法により前記イオン液体を除去した後、酵母を加えて発酵させることを特徴とするエタノールの製造方法。
【請求項２１】
請求項１２〜１８のいずれか１項記載のドープに水を加えて水不溶分を析出させ、この水不溶分をろ過し、さらに、イオン交換法により前記イオン液体を除去してグルコース含有水溶液とし、この水溶液に酵母を加えて発酵させる請求項２０記載のエタノールの製造方法。
【請求項２２】
前記イオン交換法が、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の混合物を用いて行われる請求項１９〜２１のいずれか１項記載のエタノールの製造方法。
【請求項２３】
前記イオン交換法が、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の等交換容量混合物が充填されたカラムに、前記ドープを通すことにより行われる請求項２２記載のエタノールの製造方法。
【請求項１】
４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、糖ポリマーとを、水、並びに酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種の存在下で接触させ、前記糖ポリマーを分解させて単糖を得ることを特徴とする単糖製造方法。
【請求項２】
４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、糖ポリマーとを、水の存在下、かつ、ｐＨ７未満の酸性下で接触させ、前記糖ポリマーを分解させて単糖を得ることを特徴とする単糖製造方法。
【請求項３】
前記イオン液体と糖ポリマーとを接触させた後、加熱する請求項１または２記載の単糖製造方法。
【請求項４】
前記カチオンが、下記式（１）で示される請求項１〜３のいずれか１項記載の単糖製造方法。
Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｒ4Ｎ+ ・・・（１）
〔式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜１２の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示し、これらＲ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4のいずれか２個の基が窒素原子とともに環を形成していてもよい。〕
【請求項５】
前記Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4の少なくとも１つが、前記アルコキシアルキル基である請求項４記載の単糖製造方法。
【請求項６】
前記カチオンが、式（２）で示される請求項５記載の単糖製造方法。
【化１】
（式中、Ｒ5は、炭素数１〜８の直鎖アルキル基または炭素数３〜５のアルケニル基を、Ｒは、メチル基またはエチル基を示し、ｎは１または２である。）
【請求項７】
前記カチオンが、式（３）で示される請求項１〜３のいずれか１項記載の単糖製造方法。
【化２】
〔式中、Ｒ6およびＲ7は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜８の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示す。〕
【請求項８】
前記Ｒ6が、前記アルコキシアルキル基である請求項７記載の単糖製造方法。
【請求項９】
酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種が、前記イオン液体に対して０質量％超１０質量％以下存在する請求項１記載の単糖製造方法。
【請求項１０】
前記水が、糖ポリマー全量中に存在する無水単糖ユニット数以上のモル数である請求項１〜９のいずれか１項記載の単糖製造方法。
【請求項１１】
前記糖ポリマーが、セルロースである請求項１〜１０のいずれか１項記載の単糖製造方法。
【請求項１２】
４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、セルロースとを、水、並びに酸、求核剤およびアミン４級塩から選ばれる少なくとも１種の存在下で接触させ、前記セルロースを分解させてなるグルコース含有ドープ。
【請求項１３】
４級窒素原子を有するカチオンおよび塩化物イオンからなるイオン液体と、セルロースとを、水の存在下、かつ、ｐＨ７未満の酸性下で接触させ、前記セルロースを分解させてなるグルコース含有ドープ。
【請求項１４】
前記カチオンが、下記式（１）で示される請求項１２または１３記載のグルコース含有ドープ。
Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｒ4Ｎ+ ・・・（１）
〔式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜１２の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示し、これらＲ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4のいずれか２個の基が窒素原子とともに環を形成していてもよい。〕
【請求項１５】
前記Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4の少なくとも１つが、前記アルコキシアルキル基である請求項１４記載のグルコース含有ドープ。
【請求項１６】
前記カチオンが、式（２）で示される請求項１５記載のグルコース含有ドープ。
【化３】
（式中、Ｒ5は、炭素数１〜８の直鎖アルキル基または炭素数３〜５のアルケニル基を、Ｒは、メチル基またはエチル基を示し、ｎは１または２である。）
【請求項１７】
前記カチオンが、式（３）で示される請求項１２または１３記載のグルコース含有ドープ。
【化４】
〔式中、Ｒ6およびＲ7は互いに同一でも異なっていてもよい、炭素数１〜８の直鎖もしくは分岐のアルキル基、炭素数３〜５のアルケニル基、または−（ＣＨ2）n−ＯＲで示されるアルコキシアルキル基（Ｒはメチル基またはエチル基を示し、ｎ＝１または２である。）を示す。〕
【請求項１８】
前記Ｒ6が、前記アルコキシアルキル基である請求項１７記載のグルコース含有ドープ。
【請求項１９】
請求項１１記載の単糖製造方法により得られた前記単糖を、イオン交換法により前記イオン液体から分離した後、発酵させることを特徴とするエタノールの製造方法。
【請求項２０】
請求項１２〜１８のいずれか１項記載のドープからイオン交換法により前記イオン液体を除去した後、酵母を加えて発酵させることを特徴とするエタノールの製造方法。
【請求項２１】
請求項１２〜１８のいずれか１項記載のドープに水を加えて水不溶分を析出させ、この水不溶分をろ過し、さらに、イオン交換法により前記イオン液体を除去してグルコース含有水溶液とし、この水溶液に酵母を加えて発酵させる請求項２０記載のエタノールの製造方法。
【請求項２２】
前記イオン交換法が、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の混合物を用いて行われる請求項１９〜２１のいずれか１項記載のエタノールの製造方法。
【請求項２３】
前記イオン交換法が、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の等交換容量混合物が充填されたカラムに、前記ドープを通すことにより行われる請求項２２記載のエタノールの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２０１３９４（Ｐ２００９−２０１３９４Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４５８１４（Ｐ２００８−４５８１４）
【出願日】平成２０年２月２７日（２００８．２．２７）
【出願人】（０００００４３７４）日清紡ホールディングス株式会社 (370)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２７日（２００８．２．２７）
【出願人】（０００００４３７４）日清紡ホールディングス株式会社 (370)
【Ｆターム（参考）】
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