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JP6137525B2 - Method for producing amorphous cellulose - Google Patents
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Description

本発明は、非晶化セルロースの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing amorphized cellulose.

近年、化石燃料の枯渇や環境問題の見地から、再生可能な有機資源である木質系バイオマス資源への関心が高まっている。   In recent years, from the viewpoint of depletion of fossil fuels and environmental problems, interest in woody biomass resources, which are renewable organic resources, has increased.

しかしながら、工業材料として考えた場合、木質系バイオマスの主要成分であるセルロースは非常に複雑で強固な結晶構造を有しているため、応用性に乏しい。そのため、バイオエタノールなどに利用する際には、事前に非晶化させる必要がある。   However, when considered as an industrial material, cellulose, which is a main component of woody biomass, has a very complex and strong crystal structure, and therefore has poor applicability. Therefore, when used for bioethanol or the like, it must be amorphized in advance.

この木質系バイオマス資源から得られる非晶性材料は、バイオエタノールの他にも、工業分野から食品分野まで幅広い応用が期待されている。   Amorphous materials obtained from these woody biomass resources are expected to have a wide range of applications from the industrial field to the food field in addition to bioethanol.

ところが、既存の非晶化技術には、高コスト、低生産性など多くの問題点がある。よって現在、簡便かつ短時間で効率的に非晶化できる技術の開発が求められている。   However, the existing amorphous technology has many problems such as high cost and low productivity. Therefore, development of a technique that can be easily and efficiently amorphized in a short time is currently required.

効率的な非晶化に関する従来技術として、特許文献1、2には、媒体式粉砕機などを用いてセルロース含有原料を非晶化する技術が提案されている。   As conventional techniques related to efficient amorphization, Patent Documents 1 and 2 propose a technique for amorphizing a cellulose-containing raw material using a medium pulverizer or the like.

また、本発明者らは、セルロース含有原料ではないが、加熱と剪断を同時に加えて粉砕することで、米澱粉を短時間で非晶化させることに成功した(特許文献3、4、5)。   Moreover, although the present inventors are not a cellulose containing raw material, they succeeded in making amorphous rice starch in a short time by adding heat and shear simultaneously and grinding (Patent Documents 3, 4, and 5). .

特許第4160108号公報Japanese Patent No. 4160108 特許第4160109号公報Japanese Patent No. 4160109 特許第4767128号公報Japanese Patent No. 4767128 特開2009−213472号公報JP 2009-213472 A 特開2010−215861号公報JP 2010-215861 A

しかしながら、上記のようにセルロースの結晶化度を低減させるに際してコスト、生産性、効率性を満足できる技術は少なく、簡便かつ短時間で効率的にセルロースを非晶化できる新規な技術が求められている。   However, as described above, there are few technologies that can satisfy the cost, productivity, and efficiency when reducing the crystallinity of cellulose, and there is a need for a new technology that can efficiently and easily amorphousize cellulose in a short time. Yes.

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、セルロース含有原料を簡便かつ短時間で効率的に非晶化することができる非晶化セルロースの製造方法を提供することを課題としている。   The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and it is an object of the present invention to provide a method for producing amorphous cellulose that can easily and efficiently amorphousize a cellulose-containing raw material in a short time. It is said.

上記の課題を解決するために、本発明の非晶化セルロースの製造方法は、セルロース含有原料を-5〜40℃の温度条件下で剪断力を与えて粉砕し、セルロースを非晶化する工程を含むことを特徴としている。   In order to solve the above-mentioned problems, the method for producing an amorphous cellulose of the present invention comprises a step of pulverizing a cellulose-containing raw material by applying a shearing force under a temperature condition of -5 to 40 ° C. to make the cellulose amorphous. It is characterized by including.

この非晶化セルロースの製造方法において、セルロース含有原料を-5〜25℃の温度条件下で剪断力を与えて粉砕し、セルロースを非晶化することが好ましい。   In this method for producing amorphous cellulose, it is preferable to pulverize the cellulose-containing raw material by applying a shearing force under a temperature condition of -5 to 25 ° C. to make the cellulose amorphous.

この非晶化セルロースの製造方法において、セルロース含有原料が木質片であることが好ましい。   In this method for producing amorphous cellulose, the cellulose-containing raw material is preferably a piece of wood.

この非晶化セルロースの製造方法において、水分含有量0.5〜20質量%のセルロース含有原料に剪断力を与えて粉砕することが好ましい。   In this method for producing amorphous cellulose, it is preferable to apply a shearing force to a cellulose-containing raw material having a water content of 0.5 to 20% by mass to grind it.

この非晶化セルロースの製造方法において、相対的に移動する2部材間のギャップを0.5mm以下にしてセルロース含有原料をギャップに投入し剪断力を与えて粉砕することが好ましい。   In this method for producing amorphous cellulose, it is preferable that the gap between two relatively moving members is 0.5 mm or less and a cellulose-containing raw material is introduced into the gap to give a shearing force and pulverize.

本発明によれば、セルロース含有原料を簡便かつ短時間で効率的に非晶化することができる。   According to the present invention, a cellulose-containing raw material can be amorphized simply and efficiently in a short time.

本発明の方法を実施するための装置構成の一例を示す概略図(上が上面図、下が側面図)である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the schematic (top is a top view, the bottom is a side view) which shows an example of the apparatus structure for enforcing the method of this invention. 図1の装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the apparatus of FIG. ヒノキを原料に用いて温度条件を変更して粉砕処理することにより得られた粉の広角X線回析グラフである。It is a wide-angle X-ray diffraction graph of the powder obtained by using hinoki as a raw material and changing the temperature conditions and crushing. 粉砕温度と粉砕後のヒノキの粒度分布との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a grinding | pulverization temperature and the particle size distribution of the hinoki after pulverization. ヒノキを原料に用いて水分含有量を変更して粉砕処理することにより得られた粉の広角X線回析グラフである。(a)は水分含有量約1重量%、(b)は水分含有量約20重量%の結果を示す。It is a wide-angle X-ray diffraction graph of the powder obtained by using hinoki as a raw material and changing the water content and crushing. (A) shows a result with a water content of about 1% by weight, and (b) shows a result with a water content of about 20% by weight. ヒノキを原料に用いて臼の回転数を変更して粉砕処理(除熱(15℃)および加熱(140℃))することにより得られた粉の広角X線回析グラフである。(a)は除熱粉砕(15℃)、(b)は加熱粉砕(140℃)の結果を示す。It is a wide-angle X-ray diffraction graph of the powder obtained by using hinoki as a raw material and changing the rotational speed of the mortar and grinding (heat removal (15 ° C.) and heating (140 ° C.)). (A) shows the result of heat removal pulverization (15 ° C.), and (b) shows the result of heat pulverization (140 ° C.). エタノールを浸透させたヒノキを原料に用いて温度条件を変更して粉砕処理することにより得られた粉の広角X線回析グラフである。It is the wide-angle X-ray diffraction graph of the powder obtained by changing the temperature conditions using the Japanese cypress infiltrated with ethanol as a raw material. 高純度結晶性セルロース繊維(市販品)を原料に用いて温度条件を変更して粉砕処理することにより得られた粉の広角X線回析グラフである。It is a wide-angle X-ray diffraction graph of the powder obtained by using high-purity crystalline cellulose fiber (commercially available product) as a raw material and changing the temperature conditions and pulverizing. 粉砕温度と粉砕処理物のセルロース結晶化度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a grinding | pulverization temperature and the cellulose crystallinity of a grinding | pulverization processed material. 粉砕温度別の粉砕後のセルロース単体の粒度分布の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the particle size distribution of the cellulose simple substance after grinding | pulverization according to grinding | pulverization temperature. 粉砕温度と粉砕後のセルロース単体の粒度分布との関係を示すグラフ(左)と写真(右)である。It is the graph (left) and photograph (right) which show the relationship between a grinding | pulverization temperature and the particle size distribution of the cellulose simple substance after a grinding | pulverization. 高純度結晶性セルロース繊維(市販品)を原料に用いて温度条件を変更して粉砕処理することにより得られた粉の広角X線回析グラフである。It is a wide-angle X-ray diffraction graph of the powder obtained by using high-purity crystalline cellulose fiber (commercially available product) as a raw material and changing the temperature conditions and pulverizing. 原料としてスギの木片を用いた場合における未処理、15℃粉砕、140℃粉砕の各条件での糖化特性を縦軸にグルコース濃度、横軸に時間で整理したグラフである。FIG. 5 is a graph in which saccharification characteristics under untreated, 15 ° C. pulverization, and 140 ° C. pulverization conditions in the case of using cedar wood chips as a raw material are arranged with glucose concentration on the vertical axis and time on the horizontal axis. 原料としてブナの木片を用いた場合における未処理、15℃粉砕、140℃粉砕の各条件での糖化特性を縦軸にグルコース濃度、横軸に時間で整理したグラフである。6 is a graph in which saccharification characteristics under untreated, 15 ° C. pulverization, and 140 ° C. pulverization conditions in the case of using beech wood pieces as a raw material are arranged with glucose concentration on the vertical axis and time on the horizontal axis.

以下に、本発明について詳細に説明する。   The present invention is described in detail below.

本発明者らは、米澱粉を非晶化する特許文献3、4、5の技術に基づいてセルロース含有原料の非晶化(アルファ化)を検討した。しかし、特許文献3、4のような米澱粉を非晶化するための加熱条件では全くセルロースの非晶化は起こらなかった。ところが、除熱条件の特定の温度範囲内で特異的にセルロースの非晶化が起こることを見出し、本発明を完成するに至った。   The inventors of the present invention studied the amorphization (alphalation) of a cellulose-containing raw material based on the techniques of Patent Documents 3, 4, and 5 for making rice starch amorphous. However, the cellulose did not become amorphous at all under the heating conditions for making the rice starch amorphous as in Patent Documents 3 and 4. However, the present inventors have found that the amorphousization of cellulose occurs specifically within a specific temperature range of the heat removal condition, and completed the present invention.

具体的には、セルロース含有原料を-5〜40℃(下限は好ましくは0℃以上)、好ましくは-5〜35℃(下限は好ましくは0℃以上)、より好ましくは-5〜30℃(下限は好ましくは0℃以上)、さらに好ましくは-5〜25℃(下限は好ましくは0℃以上)、特に好ましくは-5〜20℃(下限は好ましくは0℃以上)、最も好ましくは-5〜15℃(下限は好ましくは0℃以上)の温度条件下で剪断力を与えて粉砕することで、セルロースを非晶化(アルファ化)することができる(実施例図3以降、特に図12等を参照)。   Specifically, the cellulose-containing raw material is -5 to 40 ° C (lower limit is preferably 0 ° C or higher), preferably -5 to 35 ° C (lower limit is preferably 0 ° C or higher), more preferably -5 to 30 ° C ( The lower limit is preferably 0 ° C or higher), more preferably -5 to 25 ° C (lower limit is preferably 0 ° C or higher), particularly preferably -5 to 20 ° C (lower limit is preferably 0 ° C or higher), most preferably -5. Cellulose can be made amorphous (alpha-ized) by applying shearing force under a temperature condition of ˜15 ° C. (lower limit is preferably 0 ° C. or more) (Examples after FIG. 3 and particularly FIG. 12). Etc.).

本発明において、セルロース含有原料としては、ヒノキ、スギ、ブナ、竹などの木質材や、紙や草などのいわゆるソフトセルロースにも用いることができる。   In the present invention, the cellulose-containing raw material can be used for woody materials such as cypress, cedar, beech and bamboo, and so-called soft cellulose such as paper and grass.

また、セルロース含有原料としては、セルロース単体、例えば市販の結晶性セルロースも用いることができる。市販の結晶性セルロースのセルロースI型結晶化度(実施例を参照)は、通常80%以上である。   Moreover, as a cellulose containing raw material, a cellulose simple substance, for example, commercially available crystalline cellulose, can also be used. The cellulose I type crystallinity (see Examples) of commercially available crystalline cellulose is usually 80% or more.

本発明で用いるセルロース含有原料のセルロースI型結晶化度は、50%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましい。本発明によればこのような結晶性の高いセルロース含有原料の結晶化度を大幅に低減することができる。   The cellulose I-type crystallinity of the cellulose-containing raw material used in the present invention is preferably 50% or more, and more preferably 70% or more. According to the present invention, the crystallinity of the cellulose-containing raw material having such high crystallinity can be greatly reduced.

これらのセルロース含有原料の形態は、特に限定はなく、チップ状、繊維状、粒状、粉末状など各種形態のものが使用できる。セルロース含有原料として木質片を用いる場合、その大きさとしては、例えばチップ状のものの場合で2〜5mm角が好ましい。これにより粉砕を効率良く容易に行うことができる。   The form of these cellulose-containing raw materials is not particularly limited, and various forms such as chips, fibers, granules, and powders can be used. When using a wood piece as the cellulose-containing raw material, the size is preferably 2 to 5 mm square in the case of a chip-like material, for example. Thereby, grinding can be performed efficiently and easily.

本発明に用いられるセルロース含有原料は、水を除いた残余の成分中のセルロース含有量(セルロースおよびヘミセルロースの合計量)が好ましくは20質量%以上、より好ましくは40質量%以上である。このような範囲のものを用いると非晶化セルロールを効率良く製造することができる。   In the cellulose-containing raw material used in the present invention, the cellulose content (total amount of cellulose and hemicellulose) in the remaining components excluding water is preferably 20% by mass or more, more preferably 40% by mass or more. When a material in such a range is used, an amorphous cellulose roll can be produced efficiently.

セルロース含有原料中の水分含有量は、0.5〜20質量%が好ましい。セルロース含有原料中の水分含有量がこの範囲内であれば、容易に粉砕できるとともに、粉砕処理によりセルロース結晶化度を容易に低下させることができる。   The water content in the cellulose-containing raw material is preferably 0.5 to 20% by mass. If the water content in the cellulose-containing raw material is within this range, it can be easily pulverized and the crystallinity of cellulose can be easily reduced by pulverization.

なお、原料から水を除く方法としては、特に限定はなく、例えば、真空乾燥やドライエアーによる乾燥などを適用することができる。   In addition, there is no limitation in particular as a method of removing water from a raw material, For example, vacuum drying, drying by dry air, etc. are applicable.

図1は、本発明の方法を実施するための装置構成の一例を示す概略図である。   FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a device configuration for carrying out the method of the present invention.

この装置10は、固定設置される上臼11と、この上臼11との間に所定のギャップ13を介して回転可能に設けられる下臼12とを有する。   The apparatus 10 includes an upper mill 11 that is fixedly installed, and a lower mill 12 that is rotatably provided between the upper mill 11 via a predetermined gap 13.

上臼11は中心にセルロース含有原料を投入する原料投入口14を有してリング状に形成されている。投入口14は、上臼11の底面においてギャップ13に通じている。下臼12は上臼11と略同一外径を有する円盤形状に形成されている。   The upper mill 11 is formed in a ring shape having a raw material inlet 14 for introducing a cellulose-containing raw material in the center. The insertion port 14 communicates with the gap 13 on the bottom surface of the upper mill 11. The lower mill 12 is formed in a disk shape having substantially the same outer diameter as the upper mill 11.

下臼12はモータ15により所定速度で回転駆動される。上臼11と下臼12との間のギャップ13はギャップ調整部16の範囲内で調整可能であり、原料とされるセルロース含有原料や処理後に得るべき所望の粉体の大きさなどに応じて好ましくは0.5mm以下、より好ましくは0.1mm以下、さらに好ましくは0.005〜0.05mmの範囲内にすることができる。   The lower mill 12 is rotationally driven by a motor 15 at a predetermined speed. The gap 13 between the upper mill 11 and the lower mill 12 can be adjusted within the range of the gap adjusting section 16, depending on the cellulose-containing raw material used as a raw material, the size of a desired powder to be obtained after processing, and the like. Preferably it is 0.5 mm or less, More preferably, it is 0.1 mm or less, More preferably, it can be in the range of 0.005-0.05 mm.

上臼11の内部には、恒温槽29から不凍液を循環させ、不凍液によって冷却温度を制御している。   In the upper mill 11, an antifreeze liquid is circulated from the thermostatic bath 29, and the cooling temperature is controlled by the antifreeze liquid.

また上臼11にはヒータ17が設けられている。ヒータ17は上臼11と略同一の外径寸法を有すると共に原料投入口14と略同径の開口を有するリング状に形成されている。ヒータ17は、ヒータコード18を介して温度コントローラ19に接続されており、温度コントローラ19により設定された温度に加熱されることにより、上臼11を全面加熱する。さらに冷却時には臼内に恒温槽により温度制御された水または不凍液を循環させることで、粉砕時の臼温度を制御できるようになっている。また、臼部をより高精度に温度制御できるようにするために、上臼11に設けられたヒータ17に代えて、ほぼ同形状(リング状)のペルチェ素子17を設置することでペルチェ式の温度制御装置を構成することができ、これにより例えば-20℃から120℃まで高精度な温度制御が可能となる。   The upper mill 11 is provided with a heater 17. The heater 17 is formed in a ring shape having substantially the same outer diameter as the upper mill 11 and an opening having substantially the same diameter as the raw material inlet 14. The heater 17 is connected to a temperature controller 19 through a heater cord 18 and heats the upper die 11 by heating to a temperature set by the temperature controller 19. Furthermore, when cooling, the temperature of the mortar at the time of pulverization can be controlled by circulating water or antifreeze liquid whose temperature is controlled by a thermostat in the mortar. In addition, in order to control the temperature of the mortar part with higher accuracy, a Peltier type Peltier element 17 having substantially the same shape (ring shape) is installed instead of the heater 17 provided on the upper mortar 11. A temperature control device can be configured, and this enables high-precision temperature control from, for example, -20 ° C to 120 ° C.

コンピュータ22は、温度コントローラ19による設定温度(データケーブル23から入力)と、熱電対(図示せず)による測定温度(データケーブル21から入力)とを比較して、温度制御ケーブル24を介してヒータ制御信号を温度コントローラ19に与える。   The computer 22 compares the set temperature by the temperature controller 19 (input from the data cable 23) with the measured temperature by the thermocouple (not shown) (input from the data cable 21), and the heater via the temperature control cable 24. A control signal is supplied to the temperature controller 19.

また、コンピュータ22はモータ制御ケーブル25を介してモータ制御信号をモータ15に与えて、モータ15による下臼12の回転数を制御する。   Further, the computer 22 gives a motor control signal to the motor 15 via the motor control cable 25 to control the number of rotations of the lower mill 12 by the motor 15.

下臼12の回転数は、好ましくは80〜380rpm、より好ましくは80〜180rpmである。このような範囲内にすると、ギャップ13に投入されたセルロース含有原料が固定の上臼11と回転する下臼12との間で受ける剪断速度を適切なものとすることができる。   The rotation speed of the lower mill 12 is preferably 80 to 380 rpm, more preferably 80 to 180 rpm. If it is in such a range, the shear rate which the cellulose containing raw material thrown into the gap 13 receives between the fixed upper die 11 and the rotating lower die 12 can be made appropriate.

上臼11/下臼12の下方にはこれらの外径より十分に大きな内径を有する受け皿26が設けられる。受け皿26の底面には落下口27が開口しており、この装置10による処理後の非晶化セルロースを受け皿26から落下させ、さらに落下シュート28を経て所定の容器(図示せず)などに収容させるようにしている。   A tray 26 having an inner diameter sufficiently larger than these outer diameters is provided below the upper mill 11 / lower mill 12. A dropping port 27 is opened on the bottom surface of the tray 26. The amorphous cellulose after the processing by the apparatus 10 is dropped from the tray 26, and further stored in a predetermined container (not shown) through a dropping chute 28. I try to let them.

装置10の要部断面図である図2に示されるように、上臼11は、原料投入口14に臨む内面11aから底面11bに至る原料通路11cが断面視においてテーパー状、平面視においては螺旋状に形成されている。   As shown in FIG. 2, which is a cross-sectional view of the main part of the apparatus 10, the upper mill 11 has a raw material passage 11c from the inner surface 11a to the bottom surface 11b facing the raw material inlet 14, which is tapered in cross section and spiral in plan view. It is formed in a shape.

原料投入口14の下端部には、テーパー状通路11cによって拡大化された収容部20が形成されているので、原料投入口14に投入されたセルロース含有原料はギャップ13に入り込んで剪断粉砕される直前にこの収容部20に入り込み、上臼11の内部に恒温槽29から循環させた不凍液によって冷却された上臼11の内面11aからの放熱によって冷却され、あるいはヒータ17により加熱された上臼11の内面11aからの伝熱によって加熱される。また装置10での加熱・冷却は、上記の手法以外にも、前述したように上臼11にペルチェ素子17を設置することによっても可能なものとなっている。   Since the accommodating portion 20 enlarged by the tapered passage 11c is formed at the lower end portion of the raw material inlet 14, the cellulose-containing raw material introduced into the raw material inlet 14 enters the gap 13 and is sheared and crushed. Immediately before entering the housing portion 20, the upper die 11 is cooled by heat radiation from the inner surface 11 a of the upper die 11 cooled by the antifreeze liquid circulated from the thermostat 29 inside the upper die 11 or heated by the heater 17. It is heated by heat transfer from the inner surface 11a. In addition to the above method, the apparatus 10 can be heated and cooled by installing the Peltier element 17 on the upper mill 11 as described above.

前述の熱電対は、上臼11の側面から中心に向けて形成した穴に挿入され、上臼11と下臼12の間のギャップ13で剪断粉砕されているときの処理温度を近似的に示している。上臼11および下臼12の各ギャップ13に臨む面には、セルロース含有原料に対する剪断力を増大させるために円周方向と交わる方向に延長する多数条の凹溝が形成されている。   The above-described thermocouple is inserted into a hole formed from the side surface of the upper die 11 toward the center, and approximately shows the processing temperature when being sheared and ground in the gap 13 between the upper die 11 and the lower die 12. ing. On the surface facing the gaps 13 of the upper mill 11 and the lower mill 12, a plurality of concave grooves extending in the direction intersecting the circumferential direction are formed in order to increase the shearing force on the cellulose-containing raw material.

次に、この装置10を用いて行うセルロース非晶化処理について説明する。まず、ギャップ調整部16を介して上臼11と下臼12との間のギャップ13を、セルロース含有原料や処理後の粉砕物の大きさなどに応じて適宜に調整する。   Next, the cellulose amorphization process performed using this apparatus 10 will be described. First, the gap 13 between the upper mill 11 and the lower mill 12 is appropriately adjusted via the gap adjusting unit 16 according to the cellulose-containing raw material, the size of the pulverized material after the treatment, and the like.

また、所定温度の恒温槽29から不凍液を上臼11の内部に循環させ、その熱伝導によって上臼11を冷却する。あるいは、温度コントローラ19によりヒータ17を所定温度(たとえば80〜240℃の範囲内で10℃刻みで設定可能)に加熱し、その熱伝導によって上臼11を加熱する。   Further, an antifreeze liquid is circulated through the upper die 11 from a constant temperature bath 29 having a predetermined temperature, and the upper die 11 is cooled by heat conduction. Alternatively, the heater 17 is heated by the temperature controller 19 to a predetermined temperature (for example, can be set in increments of 10 ° C. within a range of 80 to 240 ° C.), and the upper die 11 is heated by the heat conduction.

また、コンピュータ22によって制御された回転数でモータ15が駆動され、所定の剪断速度を与えるように下臼12を回転させる。   Further, the motor 15 is driven at a rotation speed controlled by the computer 22 to rotate the lower mill 12 so as to give a predetermined shear rate.

以上で装置10の準備が完了するので、セルロース含有原料を投入口14に投入して処理を開始する。   Since the preparation of the apparatus 10 is completed as described above, the cellulose-containing raw material is charged into the charging port 14 and processing is started.

除熱粉砕の場合は、恒温槽29からの不凍液の循環によって上臼11は冷却されているので、セルロース含有原料は投入口14を通過し、さらにテーパー状通路11cないし収容部20を通過する間に不凍液の温度に対応した温度に冷却され、その直後に、下臼12との間のギャップ13に送り込まれ、固定の上臼11と回転する下臼12との間で剪断力を受けて粉砕される。   In the case of heat removal pulverization, since the upper mill 11 is cooled by the circulation of the antifreeze liquid from the thermostat 29, the cellulose-containing raw material passes through the inlet 14 and further passes through the tapered passage 11 c or the accommodating portion 20. Then, it is cooled to a temperature corresponding to the temperature of the antifreeze, and immediately thereafter, it is fed into the gap 13 between the lower die 12 and crushed by receiving a shearing force between the fixed upper die 11 and the rotating lower die 12. Is done.

加熱粉砕の場合は、ヒータ17は既に所定温度に加熱されており、これによって上臼11も加熱されているので、セルロース含有原料はヒータ17および投入口14を通過し、さらにテーパー状通路11cないし収容部20を通過する間に該ヒータ温度に対応した温度に加熱され、その直後に、下臼12との間のギャップ13に送り込まれ、固定の上臼11と回転する下臼12との間で剪断力を受けて粉砕される。   In the case of heat pulverization, the heater 17 has already been heated to a predetermined temperature, and thus the upper die 11 is also heated, so that the cellulose-containing raw material passes through the heater 17 and the inlet 14 and further tapers 11c through 11c. While passing through the housing portion 20, it is heated to a temperature corresponding to the heater temperature, and immediately after that, it is fed into the gap 13 between the lower die 12 and between the fixed upper die 11 and the rotating lower die 12. It is crushed by receiving shearing force.

剪断粉砕によって得られた非晶化セルロースを含む粉体はギャップ13の側方から放出されて受け皿26に収容され、落下口27および落下シュート28を経て所定の容器(図示せず)に回収される。   The powder containing amorphous cellulose obtained by shearing and pulverizing is discharged from the side of the gap 13 and accommodated in the receiving tray 26, and is collected in a predetermined container (not shown) through the dropping port 27 and the dropping chute 28. The

なお、図1および図2に示す装置は本発明の方法を実施するために使用し得る一例にすぎず、本発明の方法を実施することができるものであれば他のいかなる装置を使用しても良い。   The apparatus shown in FIGS. 1 and 2 is only an example that can be used for carrying out the method of the present invention, and any other apparatus can be used as long as it can carry out the method of the present invention. Also good.

本発明においてセルロース含有原料を「剪断力を与えて粉砕する」とは、次の(i)〜(iii)の条件を含む態様が挙げられる。
(i) 定常的に相対移動(主に定常的な相対回転、その他、定常的な平行移動等)する2つの部材。特に、「定常的に相対移動」とは、装置的に制御された回転数や移動速度での部材の相対移動を含む。
(ii) 2つの部材の間の微小なギャップ。
(iii) 2つの部材による定常的な面圧または線圧下での部材の摺動による、ギャップに導入したセルロース含有原料への剪断力の付与。
例えば、セルロース含有原料に剪断力を与えて粉砕するための装置としては、実施例で使用した図示の臼装置のほか、相対的に回転する2つのローラの間の微小ギャップに原料穀物を通過させる間に剪断粉砕する装置構成や、小径の円筒形または円柱形部材と大径の円筒形部材とを同心に配置させて相対回転させ、小径部材の外側と大径部材の内側との間の微小ギャップに原料穀物を通過させる間に剪断粉砕する装置構成などを用いることができる。
In the present invention, “pulverizing a cellulose-containing raw material by applying a shearing force” includes an embodiment including the following conditions (i) to (iii).
(i) Two members that steadily move relative to each other (mainly steady relative rotation, other parallel translation, etc.). In particular, “steady relative movement” includes relative movement of members at a rotational speed and movement speed controlled in an apparatus manner.
(ii) A minute gap between two members.
(iii) Application of shearing force to the cellulose-containing raw material introduced into the gap by sliding of the member under steady surface pressure or linear pressure by the two members.
For example, as a device for applying a shearing force to a cellulose-containing raw material and crushing, the raw material grain is passed through a fine gap between two relatively rotating rollers in addition to the illustrated mortar device used in the embodiment. An apparatus configuration that shears and pulverizes in between, a small-diameter cylindrical or columnar member and a large-diameter cylindrical member are concentrically arranged and rotated relative to each other so that a minute amount between the outside of the small-diameter member and the inside of the large-diameter member An apparatus configuration that shears and pulverizes the raw grain through the gap can be used.

これらの回転する部材(実施例で使用した臼や、上記のローラ、小径の円筒形または円柱形部材と大径の円筒形部材等)のギャップに臨む面には、セルロース含有原料に対する剪断力を増大させる点から、円周方向と交わる方向に延長する多数条の凹溝が形成されていることが好ましい。   The surface facing the gap between these rotating members (the mortar used in the examples, the above-mentioned roller, the small-diameter cylindrical or cylindrical member and the large-diameter cylindrical member, etc.) has a shearing force on the cellulose-containing raw material. From the point of increasing, it is preferable that a plurality of concave grooves extending in a direction intersecting the circumferential direction is formed.

これらの態様は、特許文献1、2には、媒体を用いた振動等によってセルロース含有原料を非晶化する技術とは区別され、後述の実施例に見られるように除熱粉砕によって結晶由来の回折ピークが著しく減少し低結晶性を示す。   These aspects are distinguished in Patent Documents 1 and 2 from the technique of amorphizing a cellulose-containing raw material by vibration using a medium or the like, and are derived from crystals by heat removal pulverization as seen in Examples described later. The diffraction peak is significantly reduced and low crystallinity is exhibited.

剪断処理の時間は、特に限定されないが、結晶化度を低下させる観点から、例えば0.01〜10hrで剪断処理を行うことができる。しかしながら、本発明では特許文献1、2のようなボールミルなどを用いた技術に比べても著しく短い処理時間で剪断処理を行うことができ、典型的には10〜60秒程度で行うことができる。   Although the time of a shearing process is not specifically limited, From a viewpoint of reducing a crystallinity degree, a shearing process can be performed in 0.01 to 10 hours, for example. However, in the present invention, the shearing process can be performed in a remarkably short processing time as compared with the technique using a ball mill or the like as in Patent Documents 1 and 2, and typically in about 10 to 60 seconds. .

本発明により得られる非晶化セルロースの結晶化度は、工業材料などの利用を考慮すると、50%未満が好ましく、45%以下がより好ましく、30%以下がさらに好ましく、20%以下が特に好ましい。   The degree of crystallinity of the amorphous cellulose obtained by the present invention is preferably less than 50%, more preferably 45% or less, even more preferably 30% or less, and particularly preferably 20% or less in consideration of utilization of industrial materials and the like. .

本発明により得られる非晶化セルロース含有の粉砕物の平均粒径は、例えば10〜40μmである。   The average particle size of the non-crystalline cellulose-containing pulverized product obtained by the present invention is, for example, 10 to 40 μm.

また本発明の粉砕処理を行った非晶化試料は、未処理や加熱粉砕の試料と比較し、明らかに糖化特性が向上する(図13、図14)。従って、本発明の粉砕処理を行った非晶化試料は、バイオエタノールを製造する上で重要な糖化特性にも優れている。従来の糖化はセルロースを有機溶媒などで処理することでセルロースの結晶化度を低減させ、糖化性を上げているが、本発明の非晶化技術は、温度制御された条件下で粉砕するだけで糖化性を向上させることもできる。   In addition, the non-crystallized sample subjected to the pulverization treatment of the present invention clearly has improved saccharification characteristics as compared with the untreated or heat-pulverized sample (FIGS. 13 and 14). Therefore, the non-crystallized sample which performed the grinding | pulverization process of this invention is excellent also in the saccharification characteristic important in manufacturing bioethanol. In conventional saccharification, cellulose is treated with an organic solvent to reduce the crystallinity of cellulose and increase saccharification, but the amorphous technology of the present invention only pulverizes under temperature-controlled conditions. It is possible to improve saccharification.

本発明により得られる非晶化セルロースは、バイオエタノール、食品、プラスチック添加剤など、幅広い産業分野においての利用が期待できる。   Amorphous cellulose obtained by the present invention can be expected to be used in a wide range of industrial fields such as bioethanol, food, and plastic additives.

以下に、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

セルロース含有原料または非晶化セルロースの結晶化度、水分含有量、および平均粒度は、次の方法で測定した。
(1)結晶化度
セルロースI型結晶化度は、X線回折法による回折強度値からSegal法により算出したもので、次式により定義される。
The crystallinity, water content, and average particle size of the cellulose-containing raw material or non-crystalline cellulose were measured by the following methods.
(1) Crystallinity Cellulose I type crystallinity is calculated by the Segal method from the diffraction intensity value by the X-ray diffraction method, and is defined by the following equation.

セルロースI型結晶化度(%)=〔(I 22.6−I 18.5)/I 22.6〕×100
〔I 22.6は、X線回折における格子面(002面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度、I 18.5は、アモルファス部(回折角2θ=18.5°)の回折強度を示す。〕
セルロースI型結晶化度は、サンプルのX線回折強度を、株式会社リガク製の「RINT2200」を用いて以下の条件で測定し、上記式により算出した。
X線源:Cu/Kα−radiation
管電圧:40kv
管電流:30mA
測定範囲:回折角2θ=5〜35°
X線のスキャンスピード:10°/min
(2)水分含有量
水分含有量は、水分計(Kett(ケット)社製、製品名:FD-720)
を用いて測定を行った。
(3)平均粒度
粉砕前後の試料の形状と粒度は、レーザー顕微鏡とレーザー回折式粒度分布測定機(マルバーン社製マスターサイザー2000)を用いて評価した。
<実施例1>
ヒノキの木片を原料として、図1および図2に示される構成の装置10を用いて剪断処理を行った。
Cellulose type I crystallinity (%) = [(I 22.6−I 18.5) / I 22.6] × 100
[I 22.6 indicates the diffraction intensity of the lattice plane (002 plane) (diffraction angle 2θ = 22.6 °) in X-ray diffraction, and I 18.5 indicates the diffraction intensity of the amorphous portion (diffraction angle 2θ = 18.5 °). ]
Cellulose type I crystallinity was calculated from the above equation by measuring the X-ray diffraction intensity of a sample using “RINT2200” manufactured by Rigaku Corporation under the following conditions.
X-ray source: Cu / Kα-radiation
Tube voltage: 40kv
Tube current: 30mA
Measurement range: Diffraction angle 2θ = 5-35 °
X-ray scanning speed: 10 ° / min
(2) Moisture content Moisture content is measured with a moisture meter (Kett, product name: FD-720).
Measurement was performed using
(3) Average particle size The shape and particle size of the sample before and after pulverization were evaluated using a laser microscope and a laser diffraction particle size distribution analyzer (Mastersizer 2000 manufactured by Malvern).
<Example 1>
Using a piece of cypress wood as a raw material, shearing was performed using the apparatus 10 having the configuration shown in FIGS. 1 and 2.

使用した装置10において、上臼11、下臼12およびヒータ17はいずれも外径寸法が50mm(半径25mm)であり、その中心に口径10mmの投入口14を有する。   In the apparatus 10 used, the upper mortar 11, the lower mortar 12 and the heater 17 all have an outer diameter of 50 mm (radius 25 mm), and have an inlet 14 having a diameter of 10 mm at the center.

上臼11のテーパー状原料通路11cは内面11aから5mmの範囲に亘って形成されている(図2)。臼間のギャップ13は0.01mmに設定し、粉砕温度(前述の熱電対による測定温度。以下の実施例においても同じ)-10〜240℃で剪断処理した。下臼12の回転数は80rpmとした。   The tapered raw material passage 11c of the upper mill 11 is formed over a range of 5 mm from the inner surface 11a (FIG. 2). The gap 13 between the mortars was set to 0.01 mm, and shearing was performed at a pulverization temperature (the above-described thermocouple measurement temperature; the same applies to the following examples) at −10 to 240 ° C. The rotational speed of the lower mill 12 was 80 rpm.

この剪断処理の結果を図3の広角X線回析グラフ示す。   The result of this shearing process is shown in the wide-angle X-ray diffraction graph of FIG.

このグラフから、加熱粉砕(80〜240℃)では、回折ピークに変化は見られず未処理と同様の高い結晶性を示した。また-10℃の冷却条件での粉砕においても回折ピークに変化は見られず未処理と同様の高い結晶性を示した。   From this graph, the heat pulverization (80 to 240 ° C.) showed no change in the diffraction peak and showed the same high crystallinity as that of the untreated. Also, even when pulverized under a cooling condition of −10 ° C., no change was observed in the diffraction peak, and the same high crystallinity as that in the untreated state was exhibited.

ところが、除熱粉砕(0〜15℃)を行うことで、回折ピークが著しく減少し低結晶性を示すことが分かった。   However, it was found that by performing heat removal pulverization (0 to 15 ° C.), the diffraction peak is remarkably reduced and low crystallinity is exhibited.

さらに除熱粉砕することで、他の粉砕条件よりも微粉砕化と低粒度化がより顕著に現れることが分かった(図4)。   Furthermore, it was found that fine pulverization and low particle size appeared more significantly than other pulverization conditions by heat removal pulverization (FIG. 4).

以上より、除熱粉砕することによりセルロースを微粉末化し、結晶化度を著しく減少できることが分かった。
<実施例2>
ヒノキ木片の水分含有量を変更し、それ以外は実施例1と同様の条件にて粉砕処理を行った。
From the above, it was found that by removing heat and pulverizing, cellulose can be made into a fine powder and the crystallinity can be remarkably reduced.
<Example 2>
The water content of the cypress wood pieces was changed, and the pulverization treatment was performed under the same conditions as in Example 1 except that.

その結果を図5の広角X線回析グラフに示す((a)は水分含有量約1重量%、(b)は水分含有量約20重量%)。乾燥状態のサンプル(水分含有量約1重量%)が結晶由来のピークの減少を示した。
<実施例3>
下臼12の回転数を80〜380rpmの範囲で変更し、それ以外は実施例1と同様の条件にて粉砕処理を行った。
The results are shown in the wide-angle X-ray diffraction graph of FIG. 5 ((a) has a water content of about 1% by weight and (b) has a water content of about 20% by weight). The dried sample (water content about 1% by weight) showed a decrease in the peak derived from the crystals.
<Example 3>
The rotational speed of the lower mill 12 was changed in the range of 80 to 380 rpm, and the pulverization treatment was performed under the same conditions as in Example 1 except that.

その結果を図6の広角X線回析グラフに示す((a)は除熱粉砕(15℃)、(b)は加熱粉砕(140℃))。除熱粉砕(15℃)かつ低回転数で粉砕処理されたサンプルに結晶由来の回折ピークの減少が見られた。
<実施例4>
ヒノキ木片にエタノールを24時間浸透させ、これを原料として用いた。それ以外は実施例1と同様の条件にて粉砕処理を行った。
The results are shown in the wide-angle X-ray diffraction graph of FIG. 6 ((a) is heat removal pulverization (15 ° C.), (b) is heat pulverization (140 ° C.)). In the sample subjected to heat removal grinding (15 ° C.) and ground at a low rotational speed, a decrease in the diffraction peak derived from the crystal was observed.
<Example 4>
Hinoki wood pieces were infiltrated with ethanol for 24 hours and used as raw materials. Otherwise, the pulverization treatment was performed under the same conditions as in Example 1.

その結果を図7の広角X線回析グラフに示す。図7の結果から、粉砕前にエタノールを含浸させたサンプルでも除熱粉砕(15℃)を行うことで、結晶由来の回折ピークが著しく減少し低結晶性を示すことが分かった。これに対し、加熱粉砕(80〜200℃)では、回折ピークに変化は見られず未処理と同様の高い結晶性を示した。
<実施例5>
原料として市販の高純度結晶性セルロース繊維(Whatman社製CF11、結晶化度85.7%)を用い、それ以外は実施例1と同様の条件にて粉砕処理を行った。この試料は実施例1〜4にて用いた木片とは異なり、リグニンをほぼ含まず、セルロース純度が高いものである。
The results are shown in the wide-angle X-ray diffraction graph of FIG. From the results shown in FIG. 7, it was found that even when the sample was impregnated with ethanol before pulverization, the heat-induced pulverization (15 ° C.) reduced the crystal-derived diffraction peak significantly and exhibited low crystallinity. On the other hand, in the heat pulverization (80 to 200 ° C.), no change was observed in the diffraction peak, and the same high crystallinity as that of the untreated was shown.
<Example 5>
A commercially available high-purity crystalline cellulose fiber (CF11 manufactured by Whatman, crystallinity 85.7%) was used as a raw material, and pulverization was performed under the same conditions as in Example 1. Unlike the wood pieces used in Examples 1 to 4, this sample does not substantially contain lignin and has high cellulose purity.

その結果を図8〜図11に示す。図8は広角X線回析グラフ、図9は粉砕温度と粉砕処理物のセルロース結晶化度との関係を示すグラフ、図10は粉砕温度別の粉砕後のセルロース単体の粒度分布の測定結果を示すグラフ、図11は粉砕温度と粉砕後のセルロース単体の粒度分布との関係を示すグラフ(左)と写真(右)である。グラフ(左)と写真(右)はそれぞれ(イ)、(ロ)、(ハ)が対応する試料を示している。   The results are shown in FIGS. FIG. 8 is a wide-angle X-ray diffraction graph, FIG. 9 is a graph showing the relationship between the pulverization temperature and the cellulose crystallinity of the pulverized product, and FIG. 10 is a measurement result of the particle size distribution of cellulose after pulverization according to the pulverization temperature. FIG. 11 is a graph (left) and a photograph (right) showing the relationship between the pulverization temperature and the particle size distribution of the cellulose after pulverization. The graph (left) and the photograph (right) show samples corresponding to (a), (b), and (c), respectively.

これらのグラフから、実施例1と同様に、除熱粉砕(15℃)を行うことで、セルロース純度の高い結晶性セルロース繊維でも、粉砕処理により結晶由来の回折ピークが著しく減少し低結晶性を示すことが分かった。結晶化度は85.7%から20.1%まで減少した。これに対して、加熱粉砕(80〜240℃)では、回折ピークに変化は見られず未処理と同様の高い結晶性を示した。図9より結晶化度は温度(加熱、除熱)に対して明瞭な相関を持つことがわかる。また木片でも純度の高い結晶性セルロースでも、除熱粉砕を行うことで、低結晶性セルロースが得られることが明らかになった。(図3、図8)
さらに除熱粉砕することで、他の粉砕条件よりも微粉砕化と低粒度化がより顕著に現れることが分かった(図10、図11)。
<実施例6>
原料として市販の高純度結晶性セルロース繊維(Whatman社製CF11、結晶化度85.7%)を用い、それ以外は実施例1と同様の条件にて粉砕処理を行った。この試料は実施例5と同様に、リグニンをほぼ含まず、セルロース純度が高いものである。
From these graphs, in the same manner as in Example 1, by carrying out heat removal pulverization (15 ° C.), even in crystalline cellulose fibers having a high cellulose purity, the diffraction peak derived from the crystals is remarkably reduced by the pulverization treatment, resulting in low crystallinity. I found out that The crystallinity decreased from 85.7% to 20.1%. On the other hand, in the heat pulverization (80 to 240 ° C.), no change was observed in the diffraction peak, and the same high crystallinity as that of the untreated was shown. FIG. 9 shows that the crystallinity has a clear correlation with temperature (heating, heat removal). In addition, it has been clarified that low crystalline cellulose can be obtained by removing heat from both wood chips and high purity crystalline cellulose. (Fig. 3, Fig. 8)
Furthermore, it was found that fine pulverization and low particle size appeared more significantly than other pulverization conditions by heat removal pulverization (FIGS. 10 and 11).
<Example 6>
A commercially available high-purity crystalline cellulose fiber (CF11 manufactured by Whatman, crystallinity 85.7%) was used as a raw material, and pulverization was performed under the same conditions as in Example 1. Similar to Example 5, this sample contains almost no lignin and has high cellulose purity.

この実施例では、実施例1〜5において加熱粉砕(80〜240℃)とは明瞭に異なり結晶由来の回折ピークが著しく減少し低結晶性を示した除熱粉砕の温度範囲の上側の周辺(10℃、15℃、20℃、30℃、40℃、60℃)で粉砕処理を行った。   In this example, the periphery around the upper side of the temperature range of the heat removal pulverization, which was clearly different from the heat pulverization (80 to 240 ° C.) in Examples 1 to 5 and the crystal-derived diffraction peak significantly decreased and showed low crystallinity ( (10 ° C, 15 ° C, 20 ° C, 30 ° C, 40 ° C, 60 ° C).

その結果を図3の広角X線回析グラフ示す。   The results are shown in the wide-angle X-ray diffraction graph of FIG.

このグラフから、40℃近傍を境としてそれ以下の温度条件では結晶由来の回折ピークが減少する傾向が現れ始め、ここを臨界として30℃以下、特に25℃以下では結晶由来の回折ピークが著しく減少し低結晶性を示すことが分かった。
<実施例7>
原料としてスギとブナの木片を用いて、それ以外は実施例1と同様の条件にて粉砕処理を行い、セルラーゼによる糖化特性を評価した。図13はスギの糖化特性、図14はブナの糖化特性を示す。それぞれ未処理、15℃粉砕、140℃粉砕の各条件におけるグルコース濃度の経時変化を示している。
From this graph, the crystal-derived diffraction peak tends to decrease when the temperature is below 40 ° C, and the critical peak is 30 ° C or less, especially at 25 ° C or less. It was found to show low crystallinity.
<Example 7>
Using cedar and beech wood as raw materials, pulverization was performed under the same conditions as in Example 1 except that the saccharification characteristics by cellulase were evaluated. FIG. 13 shows saccharification characteristics of cedar and FIG. 14 shows saccharification characteristics of beech. The graph shows the time course of the glucose concentration under each condition of untreated, 15 ° C. grinding, and 140 ° C. grinding.

除熱粉砕(15℃)による非晶化処理を行った試料は、未処理や加熱粉砕(140℃)の試料と比較し、明らかに糖化特性が向上している。このように、除熱粉砕による非晶化処理は、バイオエタノールを製造する上で重要な糖化特性にも優れている。   The sample subjected to the amorphization treatment by heat removal pulverization (15 ° C.) clearly has improved saccharification characteristics as compared with the untreated sample and the heat pulverization (140 ° C.) sample. Thus, the amorphous treatment by heat removal pulverization is also excellent in saccharification characteristics that are important in producing bioethanol.

10 製粉装置
11 上臼
11a 内面
11b 底面
11c テーパー状原料通路
12 下臼
13 ギャップ
14 原料投入口
15 モータ
16 ギャップ調整部
17 ヒータ(またはペルチェ素子)
18 ヒータコード
19 温度コントローラ
20 収容部
21 データケーブル
22 コンピュータ
23 データケーブル
24 温度制御ケーブル
25 モータ制御ケーブル
26 受け皿
27 落下口
28 落下シュート
29 恒温槽
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Milling device 11 Upper mill 11a Inner surface 11b Bottom surface 11c Tapered raw material path 12 Lower mill 13 Gap 14 Raw material inlet 15 Motor 16 Gap adjustment part 17 Heater (or Peltier element)
18 Heater code 19 Temperature controller 20 Housing part 21 Data cable 22 Computer 23 Data cable 24 Temperature control cable 25 Motor control cable 26 Receptacle 27 Drop port 28 Drop chute 29 Constant temperature bath

Claims (4)

セルロース含有原料を-5〜25℃の温度条件下で剪断力を与えて除熱粉砕し、セルロースを非晶化する工程を含むことを特徴とする非晶化セルロースの製造方法。 A process for producing amorphous cellulose, comprising a step of subjecting a cellulose-containing raw material to a heat removal pulverization by applying a shearing force under a temperature condition of -5 to 25 ° C. to make the cellulose amorphous. セルロース含有原料が木質片であることを特徴とする請求項1に記載の非晶化セルロースの製造方法。 The method for producing amorphous cellulose according to claim 1 , wherein the cellulose-containing raw material is a piece of wood. 水分含有量0.5〜20質量%のセルロース含有原料に剪断力を与えて除熱粉砕することを特徴とする請求項1または2に記載の非晶化セルロースの製造方法。 The method for producing amorphous cellulose according to claim 1 or 2 , wherein the cellulose-containing raw material having a water content of 0.5 to 20% by mass is subjected to shear removal by applying a shearing force. 相対的に移動する2部材間のギャップを0.5mm以下にしてセルロース含有原料をギャップに投入し剪断力を与えて除熱粉砕することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の非晶化セルロースの製造方法。 The non- heat pulverized product according to any one of claims 1 to 3, wherein the gap between two relatively moving members is set to 0.5 mm or less, and a cellulose-containing raw material is put into the gap to apply a shearing force to remove heat. A method for producing crystallized cellulose.
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