JP2012521778A - 高固体バイオマスの迅速な加水分解のための改良方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】A)乾燥含有物と水とを有するバイオマスを含むリグノセルロース原料を、水溶性加水分解種を含む溶媒の少なくとも一部分と接触させるステップであって、水溶性加水分解種の少なくともいくらかが、原料中のバイオマスの加水分解から得ることができる水溶性加水分解種と同じであるステップと、B)原料流れの原料と溶媒との接触を、20℃〜200℃の範囲の温度に5分〜72時間の範囲の時間維持して、原料中のバイオマスから加水分解生成物を創出するステップとを含む、リグノセルロースバイオマスを加水分解する方法。
【選択図】なし
Description
本特許出願は、2009年3月31日出願のPCT/IT2009/000124、2009年3月31日出願のPCT/IT2009/000127、2009年12月14日出願のPCT/IB2009/055736および2009年12月14日出願のPCT/IB2009/055737の特許出願の優先権を主張する。
熱水抽出
阻害性物質が形成される前に、可溶化された物質を除去する多段希酸加水分解
比較的低い厳しさの条件での希酸加水分解
アルカリ湿潤酸化
水蒸気爆砕
無毒化が後に続くほぼ全ての前処理
前処理温度:110〜250℃、好ましくは120〜240℃、より好ましくは130〜230℃、より好ましくは140〜220℃、より好ましくは150〜210℃、より好ましくは160〜200℃、さらにより好ましくは170〜200℃または最も好ましくは180〜200℃。
前処理時間:1〜60分、好ましくは2〜55分、より好ましくは3〜50分、より好ましくは4〜45分、より好ましくは5〜40分、より好ましくは5〜35分、より好ましくは5〜30分、より好ましくは5〜25分、より好ましくは5〜20分および最も好ましくは5〜15分。
実験装置
以下の寸法的特徴を有する2つの同一のガラス反応器(図6を参照されたい):
・T(反応器直径)=0.15m
・Z(反応器高さ)=0.30m
・4cmの幅の、側方表面および底の全てを取り囲む熱交換流体のためのジャケット;
・半球形の底;
・5つの開口部(撹拌機シャフト用の1つの中央の穴;物質を加えるかまたはサンプリングのための4つの側方の穴、これらは、試験中にキャップで閉じられる)を有するガスケットおよびシールを有するカバー。
配置A:
D(「翼幅」)=0.136m
S(羽根幅)=0.01m
H(アンカー高さ)=0.12cm
C(クリアランス、羽根−壁間の距離)=0.007m
D/T=0.907
D/S=13.6
T/S=15
この配置において、羽根は、壁をよりよくこするように45度傾斜している
D(「翼幅」)=0.145m
LS(羽根幅)=0.0141m
S(突出羽根幅)=0.01m
H(アンカー高さ)=0.145cm
C(クリアランス、羽根−壁間の距離)=0.0025m
D/T=0.967
D/S=14.5
T/S=15
用いた出発物質は、前処理したサトウモロコシおよびアルンド・ドナックスである。物質は、−18℃に貯蔵して分解を防いだ。
バイオマス中の構造炭水化物およびリグニンの決定
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:2008年4月25日
Technical Report NREL/TP−510−42618 2008年4月改訂
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:2005年7月17日
Technical Report NREL/TP−510−42619 2008年1月
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:2005年9月28日
Technical Report NREL/TP−510−42620 2008年1月
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:2008年3月31日
Technical Report NREL/TP−510−42621 2008年3月改訂
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:2005年7月17日
Technical Report NREL/TP−510−42622 2008年1月
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:2006年12月8日
Technical Report NREL/TP−510−42623 2008年1月
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:2008年3月21日
Technical Report NREL/TP−510−42627 2008年3月
Cは、標準曲線から読み取った酵素活性(FXU/ml)であり、
Fは、試料の容量(ml)であり、
Dは、試料のさらなる希釈(例えば第2または第3希釈)であり、
Wは、試料の重量(g)である。
・試料は、0.02〜0.10FBG/mlの活性を得るように希釈される
・基質:0.5%ベータグルカン
・温度:30℃
・pH:5.0
・反応時間:30分
物質:モロコシ(上記)。
・グルカン(液相中のセロビオースおよびグルコオリゴマーと、固相中のグルカンの合計としてのグルカンを意味する)1gあたり20FPUのセルラーゼ複合体の活性を提供し、その他の活性が結果として提供されるように決定された、上記の組成を有する酵素カクテル29.4ml。このグルカン1gあたり20FPUは、原料の含有セルロースに基づいて算出して、全乾物1gあたりおよそ9FPUである。
・全物質の約1%となるように決定された上記のような緩衝液(クエン酸塩)16.5グラム。
・酵素溶液を希釈し、その分散を改善するための48.5グラムのH2O。加える水の量は、加える溶液の合計(H2O+カクテル+クエン酸塩)が、初期の前処理された物質の乾燥含量の約30%に等しくなるように決定される。
物質:モロコシ(上記)。
物質:アルンド・ドナックス(上記)。
・グルカン(液相中のセロビオースおよびグルコオリゴマーと、固相中のグルカンの合計としてのグルカンを意味する)1gあたり20FPUのセルラーゼ複合体の活性を提供し、その他の活性が結果として提供されるように決定された、上記の組成を有する酵素カクテル44.1ml。
・全物質の約1%となるように決定された上記のような緩衝液(クエン酸塩)17.3グラム。
・酵素溶液を希釈し、その分散を改善するための78.4グラムのH2O。加える水の量は、加える溶液の合計(H2O+カクテル+クエン酸塩)が、初期の前処理された物質の乾燥含量の約30%に等しくなるように決定される。
物質:アルンド・ドナックス(上記)。
物質:アルンド・ドナックス(上記)。
・グルカン(液相中のセロビオースおよびグルコオリゴマーと、固相中のグルカンの合計としてのグルカンを意味する)1gあたり20FPUのセルラーゼ複合体の活性を提供し、その他の活性が結果として提供されるように決定された、上記の組成を有する酵素カクテル14.7ml。
・全物質の約5%となるように決定された上記のような緩衝液(クエン酸塩)28.8グラム。
・酵素溶液を希釈し、その分散を改善するための3.1グラムのH2O。加える水の量は、加える溶液の合計(H2O+カクテル+クエン酸塩)が、初期の前処理された物質の乾燥含量の約30%に等しくなるように決定される。
物質:モロコシ(上記)。
・グルカン(液相中のセロビオースおよびグルコオリゴマーと、固相中のグルカンの合計としてのグルカンを意味する)1gあたり40FPUのセルラーゼ複合体の活性を提供し、その他の活性が結果として提供されるように決定された、上記の組成を有する酵素カクテル29.4ml。このグルカン1gあたり40FPUは、原料の含有セルロースに基づいて算出して、全乾物1gあたりおよそ18FPUである。
・全物質の約2%となるように決定された上記のような緩衝液(クエン酸塩)16.5グラム。
・酵素溶液を希釈し、その分散を改善するための48.5グラムのH2O。加える水の量は、加える溶液の合計(H2O+カクテル+クエン酸塩)が、初期の前処理された物質の乾燥含量の約60%に等しくなるように決定される。
物質:アルンド・ドナックス(上記)。
・グルカン(液相中のセロビオースおよびグルコオリゴマーと、固相中のグルカンの合計としてのグルカンを意味する)1gあたり40FPUのセルラーゼ複合体の活性を提供し、その他の活性が結果として提供されるように決定された、上記の組成を有する酵素カクテル44.1ml。
・全物質の約2%となるように決定された上記のような緩衝液(クエン酸塩)17.3グラム。
・酵素溶液を希釈し、その分散を改善するための78.4グラムのH2O。加える水の量は、加える溶液の合計(H2O+カクテル+クエン酸塩)が、初期の前処理された物質の乾燥含量の約60%に等しくなるように決定される。
物質:アルンド・ドナックス(上記)。
Claims (45)
- A)乾燥含有物と水とを有するバイオマスを含むリグノセルロース原料を、水溶性加水分解種を含む溶媒の少なくとも一部分と接触させるステップであって、水溶性加水分解種の少なくともいくらかが、原料中のバイオマスの加水分解から得ることができる水溶性加水分解種と同じであるステップと、
B)原料流れの原料と溶媒との接触を、20℃〜200℃の範囲の温度に5分〜72時間の範囲の時間維持して、原料中のバイオマスから加水分解生成物を創出するステップと
を含む、リグノセルロースバイオマスを加水分解する方法。 - 乾燥含有物が、セルロース、ヘミセルロースを含み、乾燥含有物中のセルロースの重量パーセントが、乾燥含有物の5重量パーセントより大きく、水溶性加水分解種の少なくともいくらかが、原料中のセルロースの加水分解から得ることができる水溶性加水分解種と同じであり、原料と溶媒との接触が、セルロースの加水分解のための触媒の存在下にある、請求項1に記載の方法。
- 原料と接触させる溶媒の重量と原料の重量の比率が、1:99〜99:1の範囲にある、請求項1または2に記載の方法。
- 原料と接触させる溶媒の重量と原料の重量の比率が、10:90〜90:10の範囲にある、請求項1または2に記載の方法。
- 原料と接触させる溶媒の重量と原料の重量の比率が、20:80〜90:10の範囲にある、請求項1または2に記載の方法。
- 原料と接触させる溶媒の重量と原料の重量の比率が、30:70〜90:10の範囲にある、請求項1または2に記載の方法。
- 原料と接触させる溶媒の重量と原料の重量の比率が、40:60〜90:10の範囲にある、請求項1または2に記載の方法。
- 原料と接触させる溶媒の重量と原料の重量の比率が、50:50〜90:10の範囲にある、請求項1または2に記載の方法。
- 原料と接触させる溶媒の重量と原料の重量の比率が、60:40〜90:10の範囲にある、請求項1または2に記載の方法。
- 原料と接触させる溶媒の重量と原料の重量の比率が、0.8:1より大きい請求項2に記載の方法。
- 溶媒中のセルロース+セルロースの加水分解生成物の重量とリグノセルロース原料中のセルロースの重量の比率が、1:1より大きい、請求項2に記載の方法。
- 溶媒中のセルロース+セルロースの加水分解生成物の重量とリグノセルロース原料中のセルロースの重量の比率が、1.5:1より大きい、請求項2に記載の方法。
- 溶媒中のセルロース+セルロースの加水分解生成物の重量とリグノセルロース原料中のセルロースの重量の比率が、2:1より大きい、請求項2に記載の方法。
- 溶媒中のセルロース+セルロースの加水分解生成物の重量とリグノセルロース原料中のセルロースの重量の比率が、3:1より大きい、請求項2に記載の方法。
- 溶媒中のセルロース+セルロースの加水分解生成物の重量とリグノセルロース原料中のセルロースの重量の比率が、4:1より大きい、請求項2に記載の方法。
- 溶媒中のセルロース+セルロースの加水分解生成物の重量とリグノセルロース原料中のセルロースの重量の比率が、5:1より大きい、請求項2に記載の方法。
- 原料を溶媒の少なくとも一部分と接触させる前に、触媒組成物の少なくとも一部分を原料と接触させる、請求項2から16のいずれかに記載の方法。
- 原料を溶媒の少なくとも一部分と接触させた後に、触媒組成物の少なくとも一部分を原料と接触させる、請求項2から16のいずれかに記載の方法。
- 原料を溶媒の少なくとも一部分と接触させるのと同時に、触媒組成物の少なくとも一部分を原料と接触させる、請求項2から16のいずれかに記載の方法。
- バイオマスと原料の水の比率が、1:4より大きい、請求項1から16のいずれかに記載の方法。
- バイオマスと原料の水の比率が、1:3より大きい、請求項1から16のいずれかに記載の方法。
- バイオマスと原料の水の比率が、1:2より大きい、請求項1から16のいずれかに記載の方法。
- バイオマスと原料の水の比率が、1:1.5より大きい、請求項1から16のいずれかに記載の方法。
- バイオマスと原料の水の比率が、1:1より大きい、請求項1から16のいずれかに記載の方法。
- バイオマスと原料の水の比率が、1:0.9より大きい、請求項1から16のいずれかに記載の方法。
- 触媒組成物が、酵素を含む、請求項2から25のいずれかに記載の方法。
- 温度が、20〜105℃の範囲にある、請求項1から26のいずれかに記載の方法。
- 温度が、20〜95℃の範囲にある、請求項1から26のいずれかに記載の方法。
- 時間が、5分〜48時間の範囲にある、請求項1から28のいずれかに記載の方法。
- 時間が、5分〜36時間の範囲にある、請求項1から28のいずれかに記載の方法。
- 時間が、5分〜24時間の範囲にある、請求項1から28のいずれかに記載の方法。
- 時間が、5分〜12時間の範囲にある、請求項1から28のいずれかに記載の方法。
- 時間が、5分〜8時間の範囲にある、請求項1から28のいずれかに記載の方法。
- A)溶媒の少なくとも一部分を既に含有する容器中に原料を導入するステップと、
B)原料を容器に導入する前、導入するのと同時または導入した後に触媒組成物を容器に導入するステップと、
C)原料と溶媒と触媒組成物とを容器中に、20℃〜200℃の前記温度範囲にて5分〜72時間の範囲の時間維持するステップと、
D)加水分解生成物を容器から除去するステップと
を含むバッチプロセスである、請求項1から33のいずれかに記載の方法。 - 加水分解生成物の全てが、さらなる原料と水溶性加水分解種を含有する溶媒とを導入する前に、容器から除去される、請求項34に記載の方法。
- 加水分解生成物の一部分、すなわち残留分が、容器中に残される、請求項34に記載の方法。
- A)溶媒の少なくとも一部分を既に含有する容器中に原料を連続的に導入するステップと、
B)触媒組成物を容器に導入するステップと、
C)ある重量の加水分解生成物を容器から連続的に除去するステップと
を含む連続プロセスである、請求項1から33のいずれかに記載の方法。 - プラグ流れプロセスである、請求項37に記載の方法。
- 連続撹拌反応器を用いる、請求項37に記載の方法。
- 溶媒流れの一部分が、容器に導入される前に原料と混合され、溶媒と原料流れの比率が、容器中の溶媒の量+原料流れに伴う溶媒の量に基づく、請求項34から39のいずれかに記載の方法。
- リグノセルロース原料を溶媒と接触させる前に、ある量の原料を、少なくとも第1原料流れに分配して、触媒を第1原料流れに加えて第1原料流れの原料を加水分解することにより第1溶媒流れを創出し、触媒の量が、全ての原料の乾燥含有物1gあたり0.1〜150FPUの範囲にあり、加水分解が、20℃〜95℃の範囲の温度にて5分〜72時間の範囲の時間行われ、リグノセルロース原料と溶媒と第1溶媒流れの溶媒とが、互いに接触され、接触が、前記温度範囲に前記時間範囲の時間維持される、請求項1から40のいずれかに記載の方法。
- 第1溶媒流れの一部分が、第1原料流れではない原料と、容器に導入する前に混合され、溶媒流れと原料流れの比率全てが、第1溶媒流れおよび容器中の溶媒の量である溶媒流れの全量に基づく、請求項41に記載の方法。
- 加水分解生成物中の固体の少なくとも一部分が、加水分解生成物から分離される、請求項1から42のいずれかに記載の方法。
- 固体の少なくとも一部分が、加水分解生成物から分離され、当該プロセスに再循環される、請求項1から43のいずれかに記載の方法。
- 加水分解生成物流れからの固体の少なくとも一部分の分離が、液体サイクロンおよび遠心分離機からなる群より選択される装置により行われる、請求項1から43のいずれかに記載の方法。
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