Способ гидролиза растительного волокнистого материала для получения и выделения сахарида, включающего глюкозу

Способ гидролиза растительного волокнистого материала для получения и выделения сахарида, включающего глюкозу

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу получения сахарида, включающего глюкозу, путем гликозилирования растительного волокнистого материала и выделения полученного сахарида.

Описание предшествующего уровня техники

Было предложено производить сахарид, включающий в основном глюкозу или ксилозу, из целлюлюзы или гемицеллюлозы разложением растительного материала, который представляет собой биомассу, такую как остатки после обжима сахарного тростника (багасса) или древесные стружки, и эффективно использовать полученный сахарид в качестве корма или топлива, и данный процесс был введен в действие на практике. В частности, технология, по которой моносахарид, полученный разложением растительных волокон, подвергали ферментации для изготовления спирта, а именно этанола в качестве топлива, привлекла внимание. До настоящего времени было предложено множество способов для получения сахарида, такого как глюкоза, разложением целлюлюзы или гемицеллюлозы (например, публикация японской патентной заявки № 8-299000 (JP-A-8-299000), публикация японской патентной заявки № 2006-149343 (JP-A-2006-149343), публикация японской патентной заявки № 2006-129735 (JP-A-2006-129735) и публикация японской патентной заявки № 2002-59118 (JP-A-2002-59118). Обычный способ включает фермент, гидролизующий целлюлозу, при использовании серной кислоты, а именно разбавленной серной кислоты или концентрированной серной кислоты или хлористоводородной кислоты (JP-A-8-299000). Также доступными являются способ, в котором использована целлюлаза (JP-A-2006-149343), способ, в котором использован твердый катализатор, такой как активированный уголь или цеолит (JP-A-2006-129735), и способ, в котором использована горячая вода под давлением (JP-A-2002-59118).

Однако проблема, связанная со способом, по которому целлюлоза разлагается при использовании кислоты, такой как серная кислота, состоит в том, что кислота, служащая в качестве катализатора, и произведенный сахарид трудны для выделения из гидролизной реакционной смеси, полученной в результате гидролиза. Причина состоит в том, что глюкоза, которая представляет собой основной компонент продукта гидролиза целлюлозы, и кислота, которая служит катализатором гидролиза, обе растворимы в воде. Удаление кислоты нейтрализацией или обменом ионов из гидролизной реакционной смеси представляет собой не только сложное и дорогое дело, но также трудно удалить кислоту полностью, и кислота часто остается в процессе ферментации для этанола. В результате этого, даже когда рН оптимизирован с точки зрения активности дрожжей в процессе ферментации для этанола, концентрация соли повышается, тем самым снижается активность дрожжей и уменьшается эффективность ферментации.

В частности, когда используют концентрированную серную кислоту, серная кислота очень трудна для удаления до такой степени, чтобы дрожжи не дезактивировались в процессе ферментации для этанола, и такое удаление требует значительной энергии. Напротив, когда используют разбавленную серную кислоту, серную кислоту относительно легко удалять. Однако существует необходимость разлагать целлюлозу в условиях высоких температур, что требует потребления энергии. Еще другая проблема, возникающая, когда используют концентрированную серную кислоту, возникает в том случае, когда реакцию проводят в течение длительного времени, при этом полученный сахарид дегидратируется и выход сахарида снижается. В результате этого, даже когда растительный волокнистый материал добавляют в реакционную систему в течение гидролиза, чтобы увеличить количество растительного волокнистого материала, подлежащего гидролизу, выход сахарида, относящегося к растительному волокнистому материалу, не повышается. Кроме того, кислота, такая как серная кислота и хлористоводородная кислота, очень трудна для того, чтобы отделять, собирать и повторно использовать. Таким образом, применение данных кислот в качестве катализатора для получения глюкозы является причиной повышенной стоимости биоэтанола.

В способе, в котором используют горячую воду под давлением, трудно регулировать условия и трудно производить глюкозу со стабильным выходом. Кроме того, по данному способу глюкоза еще и разлагается, тем самым снижая выход глюкозы. Более того, активность дрожжей снижается деградируемыми компонентами, и ферментация может быть подавлена. Другая проблема связана со стоимостью, так как реактор (аппарат для суперкритической обработки) является дорогим и имеет малый срок службы.

Сущность изобретения

Авторы изобретения провели всестороннее изучение гликозилирования целлюлозы и обнаружили, что кластерная кислота в псевдорасплавленном состоянии обладает отличной каталитической активностью в отношении гидролиза целлюлозы и может быть легко отделена от полученного сахарида. Патентные заявки, которые охватывают соответствующий способ, уже были зарегистрированы (японская патентная заявка № 2007-115407 и японская патентная заявка № 2007-230711). Согласно данному способу, в противоположность обычному способу с применением концентрированной серной или разбавленной серной кислоты, катализатор гидролиза может быть выделен и использован повторно, и эффективность энергии процесса, ведущего к выделению водного раствора сахарида и регенерации катализатора гидролиза от гидролиза целлюлозы, может быть повышена. Кроме того, в способе приведенных выше патентных заявок кластерная кислота в псевдорасплавленном состоянии действует в качестве катализатора гидролиза, а также действует в качестве растворителя реакционной среды.

Авторы данного изобретения далее провели исследование гликозилирования целлюлозы, используя кластерный кислотный катализатор, и удачно повысили обрабатываемое количество растительного волокнистого материала на единицу массы кластерного кислотного катализатора. Таким образом, настоящее изобретение основано на результатах, полученных в ходе данного исследования, и относится к способу гликозилирования и выделения растительного волокнистого материала с применением кластерного кислотного катализатора в псевдорасплавленном состоянии, в котором повышено обрабатываемое количество растительного волокнистого материала на единицу массы кластерного кислотного катализатора, понижено количество используемого кластерного кислотного катализатора и увеличена эффективность энергии.

Первый аспект изобретения относится к способу гидролиза растительного волокнистого материала и получения и выделения сахарида, включающего глюкозу. Данный способ включает процесс гидролиза при использовании кластерного кислотного катализатора в псевдорасплавленном состоянии, чтобы гидролизовать целлюлозу, содержащуюся в растительном волокнистом материале, и получить глюкозу. В процессе гидролиза кластерный кислотный катализатор и первое количество растительного волокнистого материала, которое повышает вязкость кластерного кислотного катализатора в псевдорасплавленном состоянии при добавлении к кластерному кислотному катализатору в псевдорасплавленном состоянии, нагревают и смешивают и затем добавляют второе количество растительного волокнистого материала, когда происходит снижение вязкости горячей смеси кластерного кислотного катализатора и первого количества растительного волокнистого материала. Первое количество и второе количество могут быть одинаковыми.

В японской патентной заявке № 2007-115407 и японской патентной заявке № 2007-230711 авторы раскрыли способ гликозилирования и выделения растительного волокнистого материала, в котором кластерную кислоту нагревают с получением псевдорасплавленного состояния и используют в качестве катализатора гидролиза для растительного волокнистого материала. В данном способе гликозилирования и выделения кластерная кислота в псевдорасплавленном состоянии действует в качестве катализатора гидролиза, а также в качестве растворителя реакционной среды для гидролиза. По этой причине соотношение в смеси кластерного кислотного катализатора и растительного волокнистого материала в процессе гидролиза определяется таким образом, чтобы гарантировать смешиваемость кластерного кислотного катализатора и растительного волокнистого материала. Иными словами, количество растительного волокнистого материала, которое может быть смешано в одном цикле с кластерным кислотным катализатором, ограничено, и обрабатываемое количество растительного волокнистого материала на единицу массы кластерного кислотного катализатора также ограничено.

Результаты исследования, проведенного авторами изобретения, показали, что в способе гликозилирования и выделения растительного волокнистого материала при использовании кластерного кислотного катализатора, где растительный волокнистый материал загружают во множество циклов, как описано в настоящем описании выше, когда кластерный кислотный катализатор и растительный волокнистый материал перемешивают при нагревании и растительный волокнистый материал гидролизуют, обрабатываемое количество растительного волокнистого материала на единицу массы кластерного кислотного катализатора повышается. Таким образом, сначала кластерный кислотный катализатор и количество растительного волокнистого материала, которое добавляют для повышения вязкости, нагревают и перемешивают, и гидролиз растительного волокнистого материала начинается. Затем, когда вязкость горячей смеси, в которой растительный волокнистый материал гидролизован, снижается, растительный волокнистый материал добавляют дополнительно. Таким образом, было обнаружено, что горячая смесь кластерного кислотного катализатора в псевдорасплавленном состоянии и растительного волокнистого материала имеет высокую вязкость на начальной стадии реакции гидролиза, но вязкость снижается по мере того, как происходит гидролиз растительного волокнистого материала. Кроме того, было обнаружено, что из-за сниженной вязкости горячей смеси, даже когда растительный волокнистый материал помещен снова в горячую смесь, горячая смесь еще может быть смешана и перемешана, и как в начале загруженный растительный волокнистый материал, так и дополнительно добавленный растительный волокнистый материал могут быть гидролизованы с одновременным обеспечением высокого выхода сахарида. Иными словами, согласно изобретению обработанное количество растительного волокнистого материала может быть увеличено за счет количества растительного волокнистого материала, которое добавлено дополнительно, по сравнению с традиционным количеством. В результате этого увеличивается обрабатываемое количество растительного волокнистого материала на единицу массы кластерного кислотного катализатора, и получен эффект снижения стоимости при производстве сахарида из-за снижения количества используемого кластерного кислотного катализатора. Кроме того, так как растительный волокнистый материал дополнительно добавлен в горячую смесь в каталитическом процессе, который включает кластерный кислотный катализатор в псевдорасплавленном состоянии, энергия, требуемая для нагревания, которое необходимо для получения псевдорасплавленного состояния кластерного кислотного катализатора, может быть снижена. Таким образом, эффективность энергии может быть увеличена. Степень снижения вязкости горячей смеси, при которой дополнительно добавляется растительный волокнистый материал, может быть определена в соответствии с количеством растительного волокнистого материала, который будет добавлен дополнительно. Таким образом, в случае, когда дополнительно должно быть добавлено небольшое количество, оно может быть загружено после относительно небольшого снижения вязкости, но в случае, когда должно быть добавлено большое количество, растительный волокнистый материал не добавляют до тех пор, пока реакция гидролиза происходит достаточно и вязкость снижается значительно. В любом случае предпочтительно, чтобы растительный волокнистый материал дополнительно добавляли таким образом, чтобы не превышать вязкость, достигнутую после первоначального добавления волокнистого материала.

Индикатор периода, когда следует еще добавлять второе количество растительного волокнистого материала, может, например, представлять собой время, когда вязкость горячей смеси уменьшается до или ниже 1500 сП (=1500 мПа.с).

Объемный показатель первого количества растительного волокнистого материала по отношению к кластерному кислотному катализатору может быть равен или быть больше 60%. Объемный показатель количества растительного волокнистого материала, который впоследствии добавляют к кластерному кислотному катализатору, может быть равен или быть больше 60%.

Согласно настоящему изобретению в способе гликозилирования и выделения растительного волокнистого материала с использованием кластерного кислотного катализатора в псевдорасплавленном состоянии возможно повышать гидролизуемое количество растительного волокнистого материала на единицу массы кластерного кислотного катализатора, снижать количество используемой кластерной кислоты и повышать эффективность энергии. Поэтому согласно настоящему изобретению стоимость и потребление энергии при производстве сахарида гидролизом растительного волокнистого материала могут быть снижены.

Второй аспект изобретения относится к способу гидролиза растительного волокнистого материала и получения и выделения сахарида, включающего глюкозу. Данный способ включает процесс гидролиза при использовании кластерного кислотного катализатора в псевдорасплавленном состоянии, чтобы гидролизовать целлюлозу, содержащуюся в растительном волокнистом материале, и получить глюкозу. В процессе гидролиза растительный волокнистый материал добавляют, когда вязкость смеси кластерного кислотного катализатора и растительного волокнистого материала становится первой заранее определенной величиной, и затем добавление растительного волокнистого материала останавливают, когда вязкость смеси становится второй заранее определенной величиной, которая больше, чем первая заранее определенная величина.

Краткое описание чертежей

Вышеизложенные и дополнительные объекты, особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего описания конкретных вариантов осуществления со ссылкой на сопутствующие графики, где использована одинаковая нумерация, чтобы изображать одинаковые элементы, и где:

на фиг.1 показана структура Кеггина гетерополикислоты;

на фиг.2 представлен график, показывающий зависимость между показателем кристаллизационной воды в кластерном кислотном катализаторе и кажущейся температурой плавления;

на фиг.3 представлена схематическая диаграмма, показывающая вариант осуществления устройства для реакции загрузочного типа, которое может быть использовано в процессе гидролиза; и

на фиг.4 представлена схематическая диаграмма поточного реакционного аппарата, который использован в процессе гидролиза примера 3.

Подробное описание вариантов осуществления

Способ гликозилирования и выделения растительного волокнистого материала, который представляет собой вариант осуществления изобретения, будет описан ниже. Сначала будет описан процесс гидролиза, в котором целлюлоза, содержащаяся в растительном волокнистом материале, подвергается гидролизу и получается сахарид, включающий в основном глюкозу. В объяснении ниже, изобретение сфокусировано на процессе, в котором глюкоза получена в основном из целлюлозы, но процесс, в который включена гемицеллюлоза в дополнение к целлюлозе в растительном волокнистом материале, и процесс, в котором продукт включает другие моносахариды, такие как ксилоза, в дополнение к глюкозе, также охватываются объемом настоящего изобретения.

Растительный волокнистый материал особенно не ограничивают при условии, что он включает целлюлозу или гемицеллюлозу, и его примеры включают биомассу на основе целлюлозы, а именно широколиственные деревья, бамбук, хвойные деревья, кенаф, древесные отходы от мебели, рисовую солому, солому пшеницы, рисовые отходы и остатки от обжима сахарного тростника (багасса). Растительный волокнистый материал может представлять собой целлюлозу или гемицеллюлозу, которая отделена от биомассы, или может представлять собой целлюлозу или гемицеллюлозу, которая синтезирована искусственно. Такие волокнистые материалы обычно используются в размельченной форме, чтобы улучшить диспергируемость в реакционной системе. Способ измельчения может представлять собой обычно применяемый способ. С точки зрения облегчения смешивания с кластерным кислотным катализатором и реакционной смесью предпочтительно, чтобы растительный волокнистый материал был размельчен в порошок с диаметром от примерно нескольких микрон до 200 мкм.

Лигнин, содержащийся в волокнистом материале, может быть растворен, если необходимо, путем проведения заранее пульпирующей обработки. Количество остатка в течение гликозилирования и выделения может быть уменьшено путем растворения и удаления лигнина, можно препятствовать смешиванию полученного сахарида или кластерной кислоты с остатком, и может быть проингибировано снижение выхода сахарида или показателя регенерации кластерной кислоты. В случае, где проведена пульпирующая обработка, степень измельчения растительного волокнистого материала может быть сравнительно небольшой (грубое измельчение). Полученный эффект состоит в том, что работа, стоимость и энергия для измельчения волокнистого материала могут быть уменьшены. Пульпирующая обработка может быть выполнена, например, путем введения в контакт растительного волокнистого материала (например, от нескольких сантиметров до нескольких миллиметров) со щелочью или солью, такой как NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Na₂SO₃, NaHCO₃, NaHSO₃, Mg(HSO₃)₂, Ca(HSO₃)₂, их водным раствором, их смесью с раствором SO₃ или газа, такого как NH₃ с водяным паром. Специфические условия включают температуру реакционной смеси от 120 до 160°С и время реакции от нескольких десятков минут до примерно 1 ч.

Согласно настоящему изобретению кластерная кислота, используемая в качестве катализатор для гидролиза растительного волокнистого материала, означает кислоту, в которой конденсированы многие оксокислоты, то есть так называемую поликислоту. В большинстве поликислот множество кислородных атомов присоединены к центральному элементу. В результате этого поликислоты, как известно, находятся, главным образом, в состоянии окисления до максимальной степени окисления, показывают отличные свойства в качестве катализатора окисления и являются сильными кислотами. Например, сила кислоты, а именно фосфовольфрамовой кислоты (рКа=-13,16), которая представляет собой гетерополикислоту, больше, чем сила кислоты, а именно серной кислоты (рКа=-11,93). Таким образом, даже в мягких температурных условиях, таких как температура 50°С, например, возможно разложить целлюлозу или гемицеллюлозу для получения моносахарида, такого как глюкоза или ксилоза.

Кластерная кислота, используемая в изобретении, может представлять собой либо гомополикислоту, либо гетерополикислоту, но предпочтительной является гетерополикислота, так как она имеет высокую окисляющую способность и высокую силу кислоты. Гетерополикислота, которая может быть использована, особенно не ограничена. Например, гетерополикислота может быть изображена общей формулой HwAxByOz (A означает гетероатом, В означает полиатом, который служит в качестве скелета поликислоты, w означает коэффициент атомов водорода в структуре, х означает коэффициент гетероатомов в структуре, y означает коэффициент полиатомов в структуре, и z означает коэффициент атомов кислорода в структуре). Примеры полиатома В включают атомы, такие как W, Mo, V и Nb, которые могут образовывать поликислоту. Примеры гетероатома А включают атомы, такие как P, Si, Ge, As и B, которые могут образовывать гетерополикислоту. Число видов полиатомов и гетероатомов, которые содержатся в одной молекуле гетерополикислоты, может составлять один или несколько видов.

Из-за хорошего баланса силы кислоты и окисляющей способности предпочтительно использовать фосфовольфрамовую кислоту H₃[PW₁₂O₄₀] или кремнефольфрамовую кислоту H₄[SiW₁₂O₄₀], которые представляют собой вольфраматы. Фосфомолибденовая кислота H₃[PMo₁₂O₄₀], которая находится в виде молибдата, также преимущественно может быть использована. Структура гетерополикислоты (фосфовольфрамовой кислоты) Кеггин-типа [Xⁿ⁺M₁₂O₄₀: X означает P, Si, Ge, As и т.д., М означает Мо, W и т.д.] показана на фиг.1. Четырехгранник ХО₄ присутствует в центре политетраэдра, составленного единицами МО₆ октаэдра, и большое количество кристаллизационной воды присутствует вокруг данной структуры. Структура кластерной кислоты особенно не ограничена и может быть не только Кеггин-типа, но также, например, Доусон-типа. В данном случае, вода, которая гидратирована или координирована с кластерным кислотным катализатором в кристаллическом состоянии или кластерным кислотным катализатором в кластерном состоянии, составленном несколькими молекулами кластерного кислотного катализатора, описана обычно применяемым термином “кристаллизационная вода”. Кристаллизационная вода включает анион воды, который через водород связан с анионом, составляющим кластерный кислотный катализатор, координационную воду, которая координирована с катионом, кристаллическую воду, которая не координирована с катионом или анионом, а также воду, которая заключена в форме ОН групп. Кластерный кислотный катализатор в кластерном состоянии представляет собой совокупность, составленную одной или несколькими молекулами кластерных кислот, и отличается от кристалла. Кластерный кислотный катализатор в кластерном состоянии может представлять собой форму твердого состояния, псевдорасплавленного состояния и растворенного состояния в растворителе (коллоидное состояние).

В гидролизном процессе гликозилирования и способе выделения согласно настоящему изобретению, растительный волокнистый материал разделяют и добавляют циклами. Поэтому моносахарид, который получался из растительного волокнистого материала, который был загружен в начале гидролизного процесса, нагревают и непрерывно перемешивают с кластерным кислотным катализатором вместе с дополнительно загруженным растительным волокнистым материалом. Поэтому наличие реакции дегидратации моносахарида (гиперреакция) заторможено, тем самым создается возможность для того, чтобы повышать выход моносахарида. С этой точки зрения предпочтительно, чтобы катализатор в кластерном состоянии, который имеет силу кислоты, подходящую для гидролиза целлюлозы, был использован в качестве кластерного кислотного катализатора. Так как кластерная кислота в кластерном состоянии почти не вызывает гиперреакцию моносахарида, выход моносахарида не снижается даже при длительном нагревании кластерной кислоты с моносахаридом. Способ получения кластерного кислотного катализатора в кластерном состоянии не особенно ограничен. Конкретный способ его получения будет описан ниже.

Вышеописанный кластерный кислотный катализатор находится в твердом состоянии при нормальной температуре, но становится псевдорасплавленным при более высокой температуре. Псевдорасплавленное состояние, указанное в настоящем описании, означает состояние, при котором кластерная кислота плавится кажущимся образом, но не полностью плавится в жидкое состояние; псевдорасплавленное состояние напоминает коллоидное (растворенное) состояние, в котором кластерная кислота диспергирована в жидкости, и представляет собой состояние, в котором кластерная кислота показывает текучесть. Находится ли кластерная кислота в псевдорасплавленном состоянии, можно подтвердить визуальными наблюдениями или, в случае гомогенной системы, при помощи DTG (дифференциальная сканирующая калориметрия). Псевдорасплавленное состояние кластерной кислоты изменяется в зависимости от температуры и количества кристаллизационной воды в кластерном кислотном катализаторе (см. фиг.2). Более конкретно, в случае, где количество кристаллизационной воды, содержащейся в фосфовольфрамовой кислоте, которая представляет собой кластерную кислоту, является высоким, температура, при которой данная кислота показывает псевдорасплавленное состояние, снижается. Таким образом, кластерный кислотный катализатор, содержащий большое количество кристаллизационной воды, показывает каталитический эффект на реакцию гидролиза целлюлозы при температуре, более низкой, чем температура кластерного кислотного катализатора с относительно небольшим количеством кристаллизационной воды. Иными словами, контролированием количества кристаллизационной воды, заключенной в кластерном кислотном катализаторе в реакционной системе гидролизного процесса, можно вводить кластерный кислотный катализатор в псевдорасплавленное состояние при целевой температуре реакции гидролиза. Например, когда фосфовольфрамовую кислоту используют в качестве кластерного кислотного катализатора, можно контролировать температуру реакции гидролиза в пределах интервала от 40 до 110°С за счет изменения количества кристаллизационной воды в кластерной кислоте (см. фиг.2).

Фиг.2 иллюстрирует зависимость между показателем кристаллизационной воды в гетерополикислоте (фосфовольфрамовая кислота), которая является типичным кластерным кислотным катализатором, и температурой (кажущаяся температурой плавления), при которой псевдорасплавленное состояние показано в начале. Кластерный кислотный катализатор находится в твердом состоянии в области под кривой и в псевдорасплавленном состоянии в области выше кривой. Кроме того, на фиг.2 соотношение кристаллизационной воды (%) представляет собой величину, полученную с предположением, что стандартное количество кристаллизационной воды n (n=30) в кластерной кислоте (фосфовольфрамовая кислота) составляет 100%. Поскольку нет компонента кластерного кислотного катализатора, который термически разлагается и улетучивается даже при высокой температуре, такой как 800°С, количество кристаллизационной воды может быть определено пиролитическим методом (термогравиметрические (TG) определения).

Стандартное количество кристаллизационной воды, указанной в настоящем описании, представляет собой количество (число молекул) кристаллизационной воды, содержащейся в молекуле кластерной кислоты в твердом состоянии при комнатной температуре, и стандартное количество изменяется в зависимости от вида кластерной кислоты. Например, стандартное количество кристаллизационной воды равно примерно 30 в фосфовольфрамовой кислоте (H₃[PW₁₂O₄₀].nH₂O (n≈30)), примерно 24 в кремнефольфрамовой кислоте (H₄[SiW₁₂O₄₀].nH₂O (n≈24)), и примерно 30 в фосфомолибденовой кислоте (H₃[PMo₁₂O₄₀].nH₂O (n≈30)).

Количество кристаллизационной воды, содержащейся в кластерном кислотном катализаторе, можно регулировать контролированием количества воды, присутствующей в системе реакции гидролиза. В частности, когда требуется увеличить количество кристаллизационной воды, содержащейся в кластерном кислотном катализаторе, то есть снизить температуру реакции, воду можно внести в систему реакции гидролиза путем добавления воды к смеси, содержащей растительный волокнистый материал и кластерный кислотный катализатор, или путем подъема относительной влажности атмосферы реакционной системы. В результате этого кластерная кислота берет в добавленной воде воду в виде кристаллизационной и кажущаяся температура плавления кластерного кислотного катализатора снижается.

Напротив, когда требуется уменьшить количество кристаллизационной воды, содержащейся в кластерном кислотном катализаторе, то есть поднять температуру реакции, можно снизить количество кристаллизационной воды, содержащейся в кластерном кислотном катализаторе, путем удаления воды из системы реакции гидролиза, например, нагреванием реакционной смеси для испарения воды или добавлением десиканта к смеси, содержащей растительный волокнистый материал и кластерный кислотный катализатор. В результате этого кажущаяся температура плавления кластерного кислотного катализатора поднимается. Как описано выше, можно легко контролировать количество кристаллизационной воды, содержащейся в кластерной кислоте, а также можно легко регулировать температуру реакции, при которой гидролизуется целлюлоза, путем контроля количества кристаллизационной воды.

Как описано выше, кластерная кислота проявляет высокую каталитическую активность в отношении гидролиза целлюлозы даже при низкой температуре из-за высокой кислотной силы кластерной кислоты. Поскольку диаметр молекулы кластерной кислоты составляет примерно от 1 до 2 нм, обычно несколько больше, чем 1 нм, кластерная кислота легко смешивается с растительным волокнистым материалом, который представляет собой необработанный материал, и поэтому эффективно способствует гидролизу целлюлозы. Таким образом, можно гидролизовать целлюлозу в мягких температурных условиях с высокой эффективностью энергии и малой нагрузкой для окружающей среды. Кроме того, в противоположность обычному способу гидролиза целлюлозы, который использует кислоту, такую как серная кислота, способ согласно настоящему изобретению использует кластерную кислоту в качестве катализатора, эффективность выделения сахарида и катализатора является высокой, и они могут быть легко разделены. Поскольку кластерная кислота находится в твердом состоянии при определенной температуре, она может быть отделена от сахарида, который является продуктом. Поэтому отделенная кластерная кислота может быть регенерирована и получена обратно. Кроме того, поскольку кластерный кислотный катализатор в псевдорасплавленном состоянии также функционирует как катализатор реакции, количество растворителя, используемого в качестве растворителя реакции, может быть сильно уменьшено по сравнению с количеством обычного способа. Это означает, что разделение кластерной кислоты и сахарида, который является продуктом, и выделение кластерной кислоты может быть проведено с повышенной эффективностью. Таким образом, изобретение, в котором кластерная кислота использована в качестве катализатора гидролиза целлюлозы, может уменьшать себестоимость и снижать нагрузку на окружающую среду.

Согласно настоящему изобретению в процессе гидролиза, в котором растительный волокнистый материал гидролизуют и сахарид получают при использовании кластерного кислотного катализатора в псевдорасплавленном состоянии, кластерный кислотный катализатор и количество растительного волокнистого материала, который увеличивает вязкость кластерного кислотного катализатора в псевдорасплавленном состоянии при добавлении к кластерному кислотному катализатору в псевдорасплавленном состоянии, нагревают и смешивают, тем самым происходит гидролиз растительного волокнистого материала, и растительный волокнистый материал затем дополнительно загружают после того, как вязкость горячей смеси снижена.

В данном случае количество растительного волокнистого материала, которое повышает вязкость кластерного кислотного катализатора в псевдорасплавленном состоянии при добавлении к кластерному кислотному катализатору в псевдорасплавленном состоянии, как указано в настоящем описании, представляет собой количество, которое повышает вязкость, когда кластерный кислотный катализатор, используемый в процессе гидролиза, находится в псевдорасплавленном состоянии, и растительный волокнистый материал добавлен к кластерному кислотному катализатору в псевдорасплавленном состоянии в пределах вязкости кластерного кислотного катализатора в псевдорасплавленном состоянии перед добавлением растительного волокнистого материала. Конкретное количество растительного волокнистого материала различается в зависимости от свойств используемого растительного волокнистого материала (размер, вид, пористая структура и тому подобное) и температуры нагревания, состояния перемешивания (растирания) и распределения температуры в течение смешивания кластерного кислотного катализатора растительного волокнистого материала в псевдорасплавленном состоянии и растительного волокнистого материала. Поэтому конкретное количество может быть определено заранее. Обычно, в случае, где объемный показатель растительного волокнистого материала по отношению к кластерному кислотному катализатору, используемому в процессе гидролиза, равен или больше 60%, вязкость увеличивается, когда растительный волокнистый материал добавлен к кластерному кислотному катализатору в псевдорасплавленном состоянии. В частности, с точки зрения эффективности обработки растительного волокнистого материала предпочтительно, что объемный показатель растительного волокнистого материала по отношению к кластерному кислотному катализатору, используемому в процессе гидролиза, равен или больше 50%, более предпочтительно равен или больше 65%.

Последовательность, с которой кластерный кислотный катализатор и растительный волокнистый материал загружают в реакционный контейнер, не особенно ограничена. Например, кластерный кислотный катализатор может быть загружен и нагрет с получением псевдорасплавленного состояния, и затем может быть загружен растительный волокнистый материал. В альтернативном случае кластерный кислотный катализатор и растительный волокнистый материал могут быть загружены вместе и затем нагреты, чтобы вносить кластерный кислотный катализатор в псевдорасплавленном состоянии. В случае, где кластерный кислотный катализатор и растительный волокнистый материал нагревают после загрузки, кластерный кислотный катализатор и растительный волокнистый материал предпочтительно смешивают и перемешивают заранее, перед нагреванием. Степень контакта между кластерной кислотой и растительным волокнистым материалом может быть увеличена при смешивании до определенной степени, перед тем как кластерные кислоты вводят в псевдорасплавленное состояние.

Как представлено в настоящем описании, поскольку кластерный кислотный катализатор находится в псевдорасплавленном состоянии и функционирует как катализатор реакции в процессе гидролиза, согласно настоящему изобретению можно не использовать воду или органический растворитель в качестве растворителя реакции в процессе гидролиза, но вода или органический растворитель могут потребоваться в зависимости от формы (размер, состояние волокон и т.д.) растительного волокнистого материала, соотношения смеси и объемного соотношения кластерного кислотного катализатора и растительного волокнистого материала и тому подобное. Однако вода необходима для гидролизуемой целлюлозы в процессе гидролиза. Более конкретно, (n-1) молекул воды требуются, чтобы разложить глюкозу, в которой (n) глюкоз было полимеризовано в (n) глюкозы (n является природным числом). Поэтому в случае, где общая сумма количества кристаллизационной воды, необходимого для приведения кластерной кислоты в псевдорасплавленное состояние при температуре реакции, и количества воды, необходимого для гидролиза всего загруженного количества целлюлозы в глюкозу, не представлена в реакционной системе, для гидролиза целлюлозы используют кристаллизационную воду кластерного кислотного катализатора, при этом количество кристаллизационной воды кластерного кислотного катализатора снижается, и кластерная кислота твердеет. Таким образом, степень контакта между кислотным катализатором и растительным волокнистым материалом или вязкость смеси растительного волокнистого материала и кластерного кислотного катализатора повышается и требуется продолжительное время, чтобы перемешать смесь в достаточной степени.

Поэтому, чтобы обеспечить каталитическое действие кластерного кислотного катализатора и его функцию как растворителя реакционной смеси при температуре реак