JP5563313B2 - バイオマス前処理 - Google Patents
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Description
[BMIM+][Cl−]+[BMIM+][PF6 −]+[EMIM+][Cl−]+[EMIM+][PF6 −]+[EMIM+][BF4 −]
が考えられる。イオン性液体の最終混合物は、様々な官能化カチオン及びアニオンのモルパーセントによって定義できるとおり、絶対組成が変動することになる。従って、該混合物は、式1によって定義されるとおり、様々な重量百分率の各利用成分で構成されることになろう。
グルカン及びキシランのそれらの単糖類への最適な変換を達成するために、インキュベーションの時間と温度を体系的に変動させた。コーンストーバーをBMIMCl中で10分間、1又は3時間、及び130℃又は150℃でインキュベートした。
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムアセテート(EMIMアセテート)は、結晶性セルロースの水素結合構造を破壊する高い能力を有しているほか、室温で液体であり、BMIMClより低い融点を有している。こうした特質は、BMIMClと比べた場合、EMIMアセテートをプロセスの観点からより好都合な代表的ILにしている。本実施例では、EMIMアセテートを用いた前処理実験を記載する。
ポプラを粉砕し、篩分けして同じサイズに分離し、EMIMアセテートとインキュベートした後、水で洗浄した。サンプルをILと混合して様々な重量%バイオマスのバイオマス/IL混合物を形成させ、ミキシングせずに120℃で1時間インキュベートした。図4から分かるように、高い重量分率のバイオマス対ILで、IL取込み後にバイオマスの著しい膨潤が見られる。
高い重量分率のバイオマスを処理できる室温IL(RTIL)は、本発明で提案しているIL前処理技術の商業的実施にとって特に有用である。RTILは室温又は室温付近で液体なので、前処理技術の異なるステップ(フロー、ミキシングなど)の容易及び経済的な実施を可能にする物理的性質を有する。さらに、RTILがセルロースの結晶化度を破壊する高い能力も有していれば、理想的な前処理溶媒であろう。“新規IL”であるEMIM−プロピオネート(我々によって合成された)及びEMIMアセテートはこれらの要件を満たす代表的ILである。本実施例では、これら二つのILの、高いバイオマス装填量での前処理(33%)及び糖化ステップ(10%)における性能を報告する。
ポプラをEMIMAc中でインキュベートした後、水で洗浄した。サンプルをILと混合してIL中5重量%バイオマスのバイオマス/IL混合物を形成させ、ミキシングしながら120℃で30分間インキュベートした。
ポプラ又はコーンストーバーバイオマスを粉砕し、異なるシーブカット(篩分け)画分に分離した。すなわち、
・シーブカット+20(850μm)の大きいサイズの粒子;
・シーブカット−20+80(粒径850μm未満及び180μmより大)の幅広いサイズの粒子;及び
・シーブカット−40+60(粒径425μm未満及び250μmより大)の粒子。
セルロース鎖をその隣接鎖に結合させているすべての水素結合の完全切断が、セルロースを(半結晶性)固体セルロースマトリックスから溶解するのに必要な最初のステップである。IL中における相当量の溶解水の存在は、セルロースを溶解させるILの能力を妨害することがよく知られている。水は、セルロースに結晶性を付与している鎖間及び鎖内水素結合を切断するILの能力を低下させる。我々の前処理法は、バイオマスのセルロース部分をIL中に溶解させることを必要としないが、その膨潤に影響を行使するために、セルロース水素結合のいくつかは破壊されねばならない。そこで、我々は、溶解水がバイオマス前処理溶媒としてのILの性能に影響を及ぼしていると予想する。
イオン性液体はバイオマス上に非可逆的に吸着しないので、インキュベーションステップで使用されるあらゆる(低〜高)バイオマス装填量(バイオマス対イオン性液体の重量分率)で洗浄溶媒中に完全回収できる。本実施例では、バイオマスの前処理後に洗浄溶媒中に回収されるILの量を確立するために行われた実験について記載する。
ポプラをEMIMAcと混合して、IL中5重量%バイオマスのバイオマス/IL混合物を形成させた。これをミキシングしながら120℃で30分間インキュベートし、次いでエタノールで3回洗浄した後、水で2回洗浄した。エタノール及び水の洗液からのILは、極めて低揮発性のILからエタノール及び水を蒸発させることによって回収された。次に、回収されたILを次のバイオマス前処理サイクルにおいて一定の前処理条件で使用した。ILの含水量は、回収されたILから取り出したサンプルのカールフィッシャー滴定によってモニターし、含水量が許容レベル未満であることを確認した(実施例VIII参照)。各サイクル後に補給ILを追加して(総ILの5〜10%)、水分析用のサンプル採取による損失分を補った(サンプル採取に伴うこのIL損失は、我々の実験で使用された総ILが少量であることのために発生したもので、大規模リサイクリングでは問題にならないであろう)。バイオマスの前処理におけるリサイクルILの性能を新鮮ILのそれと比較して、ILがその有効性を保持し、追加のクリーニングステップなしに再使用できる最小のサイクル数を確立する。ILの性能は以下の二つの手順の一つによって定量化できる。すなわち、(1)前処理されたバイオマスの酵素的加水分解(前の実施例で行われたような)又は(2)前処理されたバイオマスのX線粉末回折(XRD)。より簡単で迅速に実施できる後者の手順では、バイオマスの結晶化指数CrIの見積りが可能になる(Segal,L.ら、Text.Res.J.,1959.29:p.786−94)。我々は、前処理後のバイオマスの結晶化度の喪失は、前処理されたバイオマスの酵素的消化性(糖化速度論)と相関していることを観察した。
我々は、バイオマス(ポプラ)の固体部分のNREL推奨LAPS分析を実施し、そのセルロース、ヘミセルロース及びリグニンの割合を我々の前処理プロセス中の三つの段階で確認した。すなわち、(1)インキュベーション前の新鮮バイオマス、(2)洗浄溶媒でILを抽出した後の前処理バイオマス、及び(3)前処理バイオマスの糖化(酵素加水分解)後に残された固体残渣の三段階である。これらの各段階で固体のリグニン含有量を比較することにより、我々は、ポプラのIL前処理においてリグニンは主にバイオマス表面に再分配され、IL中には何ら感知できるほど溶解されないと結論付けた。この再分配のおかげでILはバイオマスのヘミセルロース及びセルロース部分に接近でき、それらを膨潤させることができる。糖化後、残留固体は主にリグニンであるので、加水分解物のろ過によってリグニンの容易な回収手段が提供され、リグニンは様々なバイオ製品の前駆体となる(図3参照)。
本実施例で、IL前処理ポプラの酵素的加水分解後に得られた加水分解物の発酵について調べた。我々は、発酵前に加水分解物を潜在的発酵阻害化合物を除去するための何らかの“コンディショニング”に付すことはしなかった。ほとんど水を含まない環境中でバイオマスをILとインキュベーションすることを含む我々のバイオマスのIL前処理は、水をベースとした他の前処理法でよく見られる、その後の糖からアルコールへの発酵を阻害するヒドロキシメチルフルフラール(HMF)及びフルフラールのような化合物を生じないと考える。また、これらの発酵運転で、加水分解物中に存在する何らかの微量のILは発酵プロセスに全く悪影響を及ぼさないことが確認された。我々は、新鮮なILのほか、リサイクルされたILも用いて製造された加水分解物に対して発酵を試みた。原則的に、各リサイクルステップの間で水分除去以外の追加のクリーニングステップを使用しない場合、バイオマスからの一部の不揮発性抽出物が数回リサイクルされたILに蓄積することもある。目標はこれらの蓄積化合物が何らかの様式で発酵を妨害するかどうかを検証することである。
ポプラをEMIMアセテート中でインキュベートした。サンプルをILと混合して、IL中30wt%バイオマスのバイオマス/IL混合物を形成させ、ミキシングせずに120℃で1時間インキュベートした。前処理されたバイオマスを水で洗浄し、すべてのILを除去した。
検討された特定の組成物、方法、又は態様は、本明細書によって開示された発明を説明することだけを意図したものである。これらの組成物、方法、又は態様に関する変形は、本明細書の教示を基にすれば当業者には容易に明らかであり、従ってそれらも本明細書中に開示された発明の一部として包含されるものとする。
以下に、出願時の特許請求の範囲の記載を示す。
[請求項1] リグノセルロース系バイオマスを糖に変換する方法であって、
主成分としてリグニン、セルロース、及びヘミセルロースを含むリグノセルロース系バイオマスを用意するステップと;
当該バイオマスをイオン性液体(IL)中で、ILがヘミセルロースのほかヘミセルロース中に包埋された結晶性セルロースにも浸透し、これらの構造を著しく膨潤できるように、リグニンの相当部分を除去又は再分配するのに十分な時間、適温でインキュベートするステップと;
ILとインキュベートされたバイオマスを、当該IL及び水と混和性がありセルロースの非溶剤(non-solvent)である液体で洗浄することによって、すべて又は大部分のILをバイオマスから置換するステップと;
上記洗浄されたバイオマスを、セルロース及びヘミセルロースの両方を加水分解でき、これらの多糖類の相当部分をヘキソース及びペントース糖に変換できる酵素を含有する水性緩衝化環境に接触させるステップと
を含む方法。
[請求項2] リグノセルロース系バイオマスの構造を破壊し、セルロース及びヘミセルロース部分を膨潤させるための方法であって、
バイオマスをイオン性液体(IL)中で、ILがヘミセルロースのほかヘミセルロース中に包埋された結晶性セルロースにも浸透し、これらの構造を著しく膨潤できるように、リグニンの相当部分を除去又は再分配するのに十分な時間、適温でインキュベートするステップと;
ILとインキュベートされたバイオマスを、当該IL及び水と混和性がありセルロースの非溶剤である液体で洗浄することによって、すべて又は大部分のILをバイオマスから置換するステップと;
上記洗浄されたバイオマスを適切な化学及び生化学試薬で処理して、膨潤バイオマスの有用な化成品への変換に効率的に影響を及ぼすステップと
を含む方法。
[請求項3] 糖化後の固体残渣が主にリグニンであり、従ってその分離法を提供する、請求項2に記載の方法。
[請求項4] 加水分解から得られた糖が、燃料、化成品、ポリマー及びその他の材料に変換できる、請求項1に記載の方法。
[請求項5] リグニンが、燃料、化成品、ポリマー及びその他の材料に変換できる、請求項3に記載の方法。
[請求項6] バイオマスのILインキュベーションステップ中の時間及び温度が、バイオマスのヘミセルロース及びセルロース部分のIL中への溶解を最小限化するように最適化される一方、これらのマトリックスを加水分解ステップ中に加水分解酵素及び水の浸透を増進するのに十分に膨潤させる、請求項1に記載の方法。
[請求項7] 前処理されたバイオマスを、バイオマスの糖への変換ステップ前に、当該ILと混和性があるセルロースの非溶剤で洗浄するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
[請求項8] セルロース及びヘミセルロースを糖に加水分解するために、洗浄されたバイオマスにセルラーゼを加えるステップをさらに含む、請求項3に記載の方法。
[請求項9] 前処理のステップが、バイオマスを5分〜8時間の範囲の時間、50℃〜200℃の範囲の温度でインキュベートする、請求項1に記載の方法。
[請求項10] イオン性液体がインキュベーション中溶融している、請求項1に記載の方法。
[請求項11] ILが、イミダゾリウム、ピロリジニウム、ピリジニウム、ホスホニウム、又はアンモニウム及びそれらのすべての官能化類似体を含むカチオン構造によって表される、セルロース又はヘミセルロースの水素結合構造を破壊できるイオン性液体である、請求項1に記載の方法。
[請求項12] ILが、構造:
[請求項13] ILが、構造:
[請求項14] ハライドが、クロリド、フルオリド、ブロミド又はヨージドである、請求項12及び13に記載の方法。
[請求項15] ILが、1−n−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド、1−アリル−3−メチルイミダゾリウムクロリド、3−メチル−N−ブチルピリジニウムクロリド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムアセテート、又は1−エチル−3−メチルイミダゾリウムプロピオネートである、請求項1に記載の方法。
[請求項16] 洗浄溶媒が、水、アルコール又はアセトニトリルであるか、又は前記ILを溶解し、それによってバイオマスから当該ILを抽出する任意の溶媒である、請求項3に記載の方法。
[請求項17] アルコールがエタノール又はメタノール又はブタノール又はプロパノールであり、
ILが、洗浄ステップ由来の洗浄溶媒及び溶解されたバイオマス成分から、下記の、すなわち、活性炭処理、蒸留、膜分離、電気化学的分離技術、固相抽出、及び液−液抽出の内の一つ又は複数を含む適切な分離法を通じて回収できる、請求項16に記載の方法。
[請求項18] 回収されたILが更なるバイオマスの前処理に再使用される、請求項17に記載の方法。
[請求項19] セルラーゼが、エンド−グルコナーゼ、エキソ−グルカナーゼ、及びβ−グルコシダーゼのミックスであり、
該酵素混合物が、IL処理バイオマスの加水分解を達成するために、キシラナーゼ、アラビナーゼのようなその他の酵素を含むように変更できる、又は従来のセルラーゼ系から単純化できる、請求項4に記載の方法。
[請求項20] セルラーゼがβ−グルコシダーゼを追加された、請求項4に記載の方法。
[請求項21] 改良された加水分解速度が低い酵素装填量での糖化を可能にする、請求項4に記載の方法。
[請求項22] 酵素がバイオマス加水分解物から回収できる、請求項4に記載の方法。
[請求項23] セルロースが六炭糖に変換される、請求項1に記載の方法。
[請求項24] ヘミセルロースが五及び六炭糖に変換される、請求項1に記載の方法。
[請求項25] ILインキュベーションステップ中の最適な接触時間及び温度が、インキュベーション中の加熱手段に依存しうる、請求項1に記載の方法。
[請求項26] ILインキュベーションステップ中の最適な接触時間及び温度が、使用されるバイオマス粒子のサイズ及び性質に応じて変化し、
広いサイズ分布の大粒子がイオン性液体で効果的に前処理できる、請求項1に記載の方法。
[請求項27] 完全な酵素的加水分解に要する時間が、二つの代表的バイオマスサンプルであるコーンストーバー、ポプラについて、16〜36時間以内である、請求項1に記載の方法。
[請求項28] バイオマスのイオン性液体とのインキュベーションが、少なくとも10%の溶解水を耐容できる、請求項1に記載の方法。
[請求項29] 膨潤が少なくとも30%である、請求項1に記載の方法。
[請求項30] 膨潤が少なくとも30%である、請求項2に記載の方法。
[請求項31] 最適条件が、混合物を、撹拌を伴う従来式加熱に付したか、それとも断続的撹拌を伴うマイクロ波照射に付したかに応じて変動しうる、請求項25に記載の方法。
[請求項32] 式1:
[BMIM+][Cl−]+[BMIM+][PF6 −]+[EMIM+][Cl−]+[EMIM+][PF6 −]+[EMIM+][BF4 −]が考えられる、請求項1に記載の方法。
Claims (29)
- リグノセルロース系バイオマスを処理する方法であって、
リグニン、セルロース及びヘミセルロースを含むリグノセルロース系バイオマスを、イオン性液体(IL)中で十分な時間及び温度でインキュベートして、当該セルロース及びヘミセルロースを、当該バイオマスを当該IL中に完全に溶解させることなく膨潤させるステップと、ここで、当該時間は5分から8時間であり、当該温度は50℃から200℃であり;
リグニン、セルロース及びヘミセルロースを含む、ILとインキュベートされた当該バイオマスを、当該IL及び水と混和性がある、セルロースの液体非溶剤(non-solvent)であって、水、アルコール又はアセトニトリルであるか、又は前記ILを溶解し、それによってバイオマスから当該ILを抽出する任意の溶媒である液体非溶剤で洗浄するステップと;
リグニン、セルロース及びヘミセルロースを含む、上記の膨潤され、洗浄されたバイオマスを、セルロース及びヘミセルロースの両方を加水分解でき、これらの多糖類の相当部分をヘキソース及びペントース糖に変換できる酵素を含有する水性緩衝液に接触させるステップと
を含む方法。 - 前記接触ステップが、リグニンを含む、糖化後の固体残渣を形成する、請求項1に記載の方法。
- リグニンが、燃料、化成品、又はポリマーに変換できる、請求項2に記載の方法。
- 前記ヘキソース糖及びペントース糖を、燃料、化成品、又はポリマーに変換することをさらに含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 24時間後に前記セルロースの75%から97%がグルコースに変換される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記インキュベーションステップが、バイオマスを5分〜8時間の範囲の時間、50℃〜200℃の範囲の温度でインキュベートすることを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
- イオン性液体がインキュベーション中溶融している、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
- ILが、セルロース又はヘミセルロースの水素結合構造を破壊できるイオン性液体であって、イミダゾリウム、ピロリジニウム、ピリジニウム、ホスホニウム、又はアンモニウムの内の少なくとも一つから選択されるカチオンを含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
- ILが、構造:
[式中、R1、R2、R3、R4、及びR5はそれぞれ、水素、1〜15個の炭素原子を有するアルキル基又は2〜10個の炭素原子を有するアルケン基であり、前記アルキル基はスルホン、スルホキシド、チオエーテル、エーテル、アミド、ヒドロキシル、又はアミンで置換されていてもよく、そして式中、A−は、ハライド、ヒドロキシド、ホルメート、アセテート、プロパノエート、ブチレート、合計10個までの炭素原子を有するモノ−又はジ−カルボン酸、スクシネート、ラクテート、アスパルテート、オキサレート、トリクロロアセテート、トリフルオロアセテート、ジシアナミド、又はカルボキシレートである]によって表される、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。 - ILが、構造:
[式中、R1、R2、R3、R4、R5、及びR6はそれぞれ、水素、1〜15個の炭素原子を有するアルキル基又は2〜10個の炭素原子を有するアルケン基であり、前記アルキル基はスルホン、スルホキシド、チオエーテル、エーテル、アミド、ヒドロキシル、又はアミンで置換されていてもよく、そして式中、A−は、ハライド、ヒドロキシド、ホルメート、アセテート、プロパノエート、ブチレート、合計10個までの炭素原子を有するモノ−又はジ−カルボン酸、スクシネート、ラクテート、アスパルテート、オキサレート、トリクロロアセテート、トリフルオロアセテート、ジシアナミド、又はカルボキシレートである]によって表される、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。 - ハライドが、クロリド、フルオリド、ブロミド又はヨージドである、請求項9又は10に記載の方法。
- ILが、1−n−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド、1−アリル−3−メチルイミダゾリウムクロリド、3−メチル−N−ブチルピリジニウムクロリド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムアセテート、又は1−エチル−3−メチルイミダゾリウムプロピオネートである、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
- 洗浄に用いられる前記セルロースの液体非溶剤が、水、アルコール又はアセトニトリルであるか、又は前記ILを溶解し、それによってバイオマスから当該ILを抽出する溶媒である、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
- アルコールがエタノール又はメタノール又はブタノール又はプロパノールであり、
ILが、前記液体非溶剤から回収される、請求項13に記載の方法。 - 回収されたILを更なるバイオマスの処理に再使用するさらなる工程を含む、請求項13に記載の方法。
- ILを、液体非溶剤から、下記の、すなわち、活性炭処理、蒸留、膜分離、電気化学的分離技術、固相抽出、及び液−液抽出の内の一つ又は複数から選択される方法を通じて回収するステップをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- バイオマスがコーンストーバー又はポプラであり、について、完全な酵素的加水分解に要する時間が16〜36時間以内である、請求項1〜16のいずれか1項に記載の方法。
- イオン性液体が、10%を超えない水含有量を有する、請求項1〜17のいずれか1項に記載の方法。
- インキュベーション温度が、混合物を、撹拌を伴う従来式加熱又は断続的撹拌を伴うマイクロ波照射によって達成される、請求項1〜18のいずれか1項に記載の方法。
- イオン性液体が、式1:
- 下記のILの5成分混合物を含む、請求項20に記載の方法:1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド([BMIM+][Cl−])+1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホルフェート([BMIM+][PF6 −])+1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド([EMIM+][Cl−])+1−エチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート([EMIM+][PF6 −])+1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート([EMIM+][BF4 −])。
- ILを前記洗浄ステップの後に回収するステップをさらに含む、請求項1〜21のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ILの99%以上が回収される、請求項22に記載の方法。
- リグニン、セルロース及びヘミセルロースを含むリグノセルロース系バイオマスの構造を破壊し、当該破壊されたバイオマスを処理するための方法であって、
当該バイオマスをイオン性液体(IL)中で十分な時間及び温度でインキュベートして、当該セルロース及びヘミセルロースを、当該バイオマスを当該IL中に完全に溶解することなく膨潤させるステップと、ここで、当該時間は5分から8時間であり、当該温度は50℃から200℃であり;
ILとインキュベートされ、膨潤されたリグノセルロース系バイオマスを、当該IL及び水と混和性がある、セルロースの液体非溶剤(non-solvent)であって、水、アルコール又はアセトニトリルであるか、又は前記ILを溶解し、それによってバイオマスから当該ILを抽出する任意の溶媒である非溶剤で洗浄するステップと;
上記のインキュベートされ、洗浄されたリグノセルロース系バイオマスを化学及び生化学試薬で処理して、膨潤バイオマスの有用な化成品への変換するステップと
を含み、
前記処理ステップが、セルロース及びヘミセルロースの両方を加水分解できる酵素を含有する緩衝液を、インキュベートされ洗浄された前記バイオマスに添加して、当該セルロース及びヘミセルロースを糖に加水分解することをさらに含む、前記方法。 - 前記洗浄されたバイオマスを変換するために用いられる生化学試薬が、添加された酵素である、請求項24に記載の方法。
- 前記緩衝液が、セルラーゼ、エンド−グルカナーゼ、エキソ−グルカナーゼ、及びβ−グルコシダーゼの酵素混合物を含む、請求項1又は24に記載の方法。
- 前記加水分解されたバイオマスから酵素を回収するさらなるステップを含む、請求項26に記載の方法。
- 前記酵素混合物が、さらにキシラナーゼ及びアラビナーゼを含む、請求項26又は27に記載の方法。
- 前記バイオマス中のセルロース及びヘミセルロース構造が、前記インキュベーションステップの前と比較して少なくとも30容量%膨潤される、請求項1〜28のいずれか1項に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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