セルロースの熱分解反応制御による有用ケミカルス生産

通过控制纤维素的热分解反应生产有用的化学品

基本信息

批准号：
20J12367
负责人：
野村高志
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

地球温暖化等の環境問題や化石資源の枯渇によるエネルギー及びケミカルス源の確保が困難になる将来を見据えると、木材に代表される再生産可能なセルロース系バイオマス資源の変換によるケミカルス生産は重要な意義を持つ。熱分解は化学的・物理的に安定なバイオマス資源を効率的に分解できる手法であり、2020年度の検討において赤外線加熱を用いたセルロースの急速熱分解がプラスチックや医薬品の原料となるレボグルコサンの生産に有用であることを見い出した。2021年度ではこのような背景から、セルロースの赤外線加熱の特徴について更に検討し、分解メカニズムについて明らかにする検討を行った。具体的な検討として高速カメラを用いた赤外線照射中のセルロース熱分解挙動の直接的な観察を行った。その結果、電熱炉等を用いた加熱とは異なる赤外線照射特有の熱分解挙動が観察された。具体的には、薄いシート状のセルロース試料では、反応初期において赤外線を吸収しやすい着色物質が生成し、その部分が赤外線をより吸収し易いため高温となり、その部分を中心として同心円状に熱分解が進行することが分かった。一方、粉末セルロースを容器に入れてある程度厚みをもたせた場合では表面の極一部において熱分解物の液滴が生じ、厚さ方向へ順次分解が進行することが分かった。これは通常の伝熱による加熱では認められない赤外線加熱に独自の特徴であり、赤外線加熱ではセルロースの試料量によらず一定の収率でレボグルコサンを得られる。これはセルロース系バイオマス資源の変換における重要な知見であり、多量のセルロース系バイオマス資源を一度に処理できるという点で工業的似も意義のある発見である。このような成果については学会において発表している。

展望未来，当环境问题（例如全球变暖和化石资源的耗尽）时，很难通过转化可再现的纤维素生物量资源（例如木材）来确保能源和化学源的生产，而化学生产具有重要意义。热解是一种可以有效地分解化学和物理稳定的生物量资源的方法，在2020年，人们发现，使用红外加热对纤维素的快速热解可用于生产左旋葡聚糖，这是一种用于塑料和药品的原料。在2021财年，我们进一步研究了纤维素红外加热的特征，并研究了分解机制。作为一项具体研究，我们直接观察到使用高速摄像头在红外照射期间的纤维素热解行为。结果，观察到红外照射独有的热解行为，与使用电加热炉加热的热解行为不同。具体而言，发现在反应开始时会产生轻松吸收红外射线的薄薄纤维素样品中，并且该部分更有可能吸收红外射线，从而导致高温，并且热解会在该部分周围进行同心圆。另一方面，当将粉末状纤维素放在容器中并且其厚度在一定程度上增加时，热解材料的液滴出现在表面的很小一部分中，并且分解沿厚度方向连续发展。这是红外加热的独特特征，在正常的传热加热时未观察到，红外加热允许左旋葡萄糖以恒定的产量获得左旋葡萄糖，而不管纤维素样品的量如何。这是纤维素生物量资源转化的重要发现，也是一个有意义的发现，因为可以立即处理大量纤维素生物量资源。这些结果已在会议上提出。