JP5634410B2 - 酵素糖化を促進させるためのバイオマスの有機溶剤前処理 - Google Patents
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Description
本出願は、2008年12月19日に出願された米国仮特許出願第61/139179号明細書の利益を主張し、その開示は、全体が参照により援用される。
(a)リグニン、セルロースおよびヘミセルロースを含むリグノセルロースバイオマスを提供するステップ;
(b)水、乾燥バイオマスの重量を基準として約2%〜約20%の量のアンモニア、および、1種以上の求核剤を含む有機溶剤溶液中に(a)のバイオマスを懸濁させて、アルカリ条件下にバイオマス−溶剤懸濁液を形成するステップ;
(c)バイオマス−溶剤懸濁液を約5分間〜約5時間、約100〜220℃の温度に加熱して、リグニンを断片化させて、懸濁液中に溶解させるステップ;ならびに
(d)(c)における懸濁液を加熱した後に自由液体を加圧下にろ過して、溶解リグニンを除去し、ヘミセルロースが高度に保存された炭水化物富化バイオマスを生成するステップ
を含む、ヘミセルロースが高度に保存された炭水化物富化バイオマスを生成する方法を提供する。
(a)
1)リグニンおよび炭水化物を含む一定量のリグノセルロースバイオマス;
2)約40%〜約70%エタノールを水中に含む多成分溶剤溶液;
3)2%〜約20%の量のアンモニア
4)および、1種以上の求核剤
を提供するステップ;
(b)前記バイオマスに(a)の多成分溶剤溶液を接触させて溶剤−バイオマス混合物を形成するステップ;
(c)密閉圧力容器中に溶剤−バイオマス混合物を入れ、(b)の混合物を約100℃〜約220℃の温度で約5分間〜約5時間加熱して、リグニンを断片化させて、溶剤中に溶解させるステップ
(d)(c)の溶解リグニンをろ過により除去するステップ;ならびに
(e)残留物を有機溶剤で洗浄することにより、実質的にリグニンを含まないバイオマスを生成するステップ
を含む、実質的にリグニンを含まないバイオマスを生成するためのリグノセルロースバイオマスからリグニンを同時に断片化および選択的抽出する方法を提供する。
以下の定義が本開示において用いられている。
温度に関して用いられる場合、「室温」および「周囲」とは、約15℃〜約25℃の任意の温度を指す。
本明細書に記載の方法は、バイオマスの前処理であって、具体的には、リグニンの断片化および抽出のための有機溶剤溶液の使用を含む。本方法において有用な溶剤は、技術分野においてオルガノソルブとして頻繁に言及されている(例えば、E.Muurinen(2000年)Organosolv Pulping,A review and distillation study related to peroxyacid pulping Thesis,University of Oulu,314ページ;S.Aziz,K.Sarkanen,Tappi J.,72/73:169〜175ページ,1989年;A.K.VarshenyおよびD.Patel,J.Sci.Ind.Res.,47:315〜319ページ,1988年;A.A.ShatalovおよびH.Pereira,BioResources 1:45〜61ページ,2006年;T.N.Kleinert,Tappi J.,57:99〜102ページ,1979年;EtOH/H2Oを用いるパイロットスケールにまで進行したKleinertによるバイオ燃料用のオルガノソルブテクノロジーの実施が記載されている(国際公開第20071051269号パンフレット)、およびX.Pan,N.Gilkes,J.Kadla,K.Pye,S.Saka,D.Gregg,K.Ehara,D.Xie,D.LamおよびJ.Saddler,Biotechnol.Bioeng.,94:851〜861ページ,2006年。実験規模ではあるが、アセトン/H2Oの使用が米国特許第4,470,851号明細書に記載されている。前処理技術に関するさらなる詳細は溶剤の使用に関すると共に、他の前処理は、Wymanら(Bioresource Tech.,96:1959,2005年);Wymanら、(Bioresource Tech.,96:2026,2005年);Hsu,(「Pretreatment of biomass」,Handbook on Bioethanol:Production and Utilization,Wyman,TaylorおよびFrancis編,179〜212ページ,1996年);ならびに、Mosierら,(Bioresource Tech.,96:673,2005年)に見出されることが可能である。本明細書においては溶剤がリグニンを除去するバイオマスの前処理のために用いられる。脱リグニン化は、典型的には、165〜225℃の温度、4:1〜20:1の液体対バイオマス比、50%有機溶剤(v/v)の液体組成物、および、0.5〜12時間の反応時間で実施される。多数のモノ−およびポリヒドロキシ−アルコールが溶剤としてテストされた。エタノール、ブタノールおよびフェノールがこれらの反応に用いられている(Park,J.K.およびPhillips,J.A.,Chem.Eng.Comm.,65:187〜205ページ,1988年)。
アンモニアは低価格の試薬であり、それ故、バイオマス前処理に対する経済的な手段を提供する。アンモニアはまた、前処理の最中または前処理の後に前処理反応器に再利用されることが可能であり、それ故、追加の経済的な有益性を可能とする。アンモニアは液体相と気相とに分割されると共に、気体のアンモニアは、液体塩基よりも容易にバイオマス中に拡散することが可能であり、より低い濃度でより有効な前処理をもたらす。例えば、前処理の後、温度が糖化に好適な温度に下がるに伴って、アンモニアガスが任意により減圧下に遊離され得ると共に、再利用され得る。連続プロセスにおいて、アンモニアは連続的に再利用され得る。
一実施形態において、NaOHは溶剤溶液の追加の成分として採用され得る。NaOHは、特に、H2O溶剤溶液中のEtOHにおいて用いられ得、および、NaOHの使用は、さらなるリグニン断片化のためのアントラキノンなどの触媒の溶剤溶液への添加を含み得る。
本明細書において前処理されるリグノセルロースバイオマスとしては、特に限定されないが、バイオエネルギー作物、農業残渣、都市固体廃棄物、産業固体廃棄物、製紙由来のスラッジ、庭園廃棄物、木材および林業廃棄物が挙げられる。バイオマスの例としては、これらに限定されないが、コーン穂軸、コーン包葉などの作物残渣、コーン葉茎、草、コムギ、コムギわら、オオムギ、オオムギわら、干草、稲わら、スイッチグラス、古紙、サトウキビバガス、サトウキビわら、ユリノキ、モロコシ、大豆、穀粒の粉砕から得られる構成要素、高木、枝、根、葉、木片、おがくず、低木および潅木、野菜、果実、花、ならびに、動物堆肥が挙げられる。
アンモニアと、1種以上の求核剤とを含む有機溶剤溶液でのバイオマスの前処理は、アルカリ条件下で、任意の好適な容器中で実施される。典型的には、容器は、圧力に耐えることが可能であり、加熱のためのメカニズムを有し、および、内容物を混合するためのメカニズムを有するものである。市販されている容器としては、例えば、Zipperclave(登録商標)反応器(Autoclave Engineers,Erie,PA)、Jaygo反応器(Jaygo Manufacturing,Inc.,Mahwah,NJ)、ならびに、スチームガン反応器(General Methods Autoclave Engineers,Erie,PAに記載されている)が挙げられる。同様の機能を有するより大規模の反応器が用いられ得る。あるいは、バイオマスおよびオルガノソルブ溶液を1つの容器中に組み合わせ、次いで、他の反応器に移してもよい。また、バイオマスは、1つの容器中で前処理され得、次いで、さらに、スチームガン反応器(General Methods;Autoclave Engineers,Erie,PAに記載されている)などの他の反応器中でプロセスされ得る。
糖化
前処理の後、容易に糖化可能な炭水化物富化バイオマスは、有機溶剤の混合物、アンモニア、求核剤、断片化および抽出されたリグニン、ならびに、多糖類を含む。さらなる加工ステップに先立って、アンモニア、求核剤およびリグニン断片は、サンプルのろ過およびH2O中のEtOH(0%〜100%EtOH v/v)での洗浄により、前処理済バイオマスから除去され得る。バイオマスは、水で洗浄されてEtOHが除去されるか、または、乾燥されて炭水化物富化された、容易に糖化可能なバイオマスがもたらされてもよく、また、前記バイオマスのグルカン、キシランおよび酸不溶性リグニン含有物の濃度が技術分野において周知である分析手段を用いて測定されてもよい。これは、前処理済バイオマスは水で洗浄されるか、または、糖化のために乾燥されることが可能であるという、本発明の現実的な有益性である。ヘミセルロースが高度に保存された容易に糖化可能な炭水化物富化バイオマスは、次いで、糖化酵素共同体の存在下でさらに加水分解されて加水分解物中のオリゴ糖および/または単糖が遊離され得る。
本方法によって生成される、ヘミセルロースが高度に保存された容易に糖化可能な炭水化物富化バイオマスは、上記のとおり、酵素によって加水分解されて発酵可能な糖質を生成し得、次いで、これが、目標生成物に発酵されることが可能である。「発酵」とは、任意の発酵プロセスまたは発酵ステップを含む任意のプロセスを指す。目標生成物としては、特に限定されないが、アルコール(例えば、アラビニトール、ブタノール、エタノール、グリセロール、メタノール、1,3−プロパンジオール、ソルビトール、およびキシリトール);有機酸(例えば、酢酸、アセトン酸、アジピン酸、アスコルビン酸、クエン酸、2,5−ジケト−D−グルコン酸、ギ酸、フマル酸、グルカル酸、グルコン酸、グルクロン酸、グルタル酸、3−ヒドロキシプロピオン酸、イタコン酸、乳酸、リンゴ酸、マロン酸、シュウ酸、プロピオン酸、コハク酸、およびキシロン酸);ケトン(例えば、アセトン);アミノ酸(例えば、アスパラギン酸、グルタミン酸、グリシン、リシン、セリン、およびスレオニン);ガス(例えば、メタン、水素(H2)、二酸化炭素(CO2)、および一酸化炭素(CO))が挙げられる。
低濃度から中程度の濃度のアンモニアと組み合わされる、高温、アルカリ条件下でのリグニンの断片化および選択的抽出を用いるリグノセルロースバイオマスの前処理のための本発明に記載の方法は、顕著に向上したリグニン断片化、および、特にヘミセルロースといった炭水化物の高度の保存をもたらし、それ故、酵素糖化のための炭水化物富化バイオマスを得る経済的なプロセスを提供する。次いで、このようなバイオマスは、付加価値化学薬品および燃料への生物変換のための、発酵可能な糖質(グルコース、ならびに、キシロース)のきわめて高い収率をもたらす。
以下に記載の実験研究の目標は、前処理におけるリグニン抽出および糖質保存が最大化されたリグノセルロースのための経済的な前処理プロセスを開発すること、および、ヘミセルロースが高度に保存されており、さらにプロセスされて酵素糖化の後に最大の単糖収率が達成され得る容易に糖化可能な炭水化物富化バイオマスを生成することであった。採用したアプローチは、固形分残渣中の糖質を保存しつつリグニンを好適な溶剤に選択的に断片化および抽出することである。以下の実験は、リグニンの選択的抽出のためのNH3のような求核試薬の存在が組み合わされる有機溶剤溶液の開発を示す。有機溶剤および低濃度から中程度の濃度のNH3および、任意により、追加の塩基の組み合わされた存在は、バイオマスのリグニン成分を選択的に断片化および可溶化して、特にヘミセルロースといった炭水化物を高レベルで含有する前処理済バイオマスを生成させる。
硫酸、水酸化アンモニウム、酢酸、アセトアミド、イースト菌抽出物、2−モルホリノエタンスルホン酸(MES)、リン酸カリウム、グルコース、キシロース、トリプトン、塩化ナトリウム、クエン酸、モノメチルおよびジメチルアミンは、Sigma−Aldrich(St.Louis,MO)から得た。Spezyme CPおよびMultifect CX12LはGenecor(Genencor International,Palo Alto,CA)製であると共に、Novozyme 188はNovozyme(Bagsvaerd,Denmark)製であった。
有効なエタノール濃度
この実施例の目的は、pH制御の不在下での、炭水化物の回収およびリグニンの可溶化/抽出に対する水中の溶剤(例えば、エタノール)の濃度の影響を試験することであった。バガス(0.2g、95.78%乾燥物質)を、種々の濃度(0〜80%)のEtOHを含有する1.56mLのEtOH/水溶液中に懸濁させた。この懸濁液をタイプ316ステンレス鋼管(1/4インチID、3/8インチOD、4インチ長)に仕込み、Swagelock取付け部品(Penn Fluid System Technologies,Huntingdon Valley,PA)でキャップをした。これらを流動砂浴(Techne Model SBS−4,Techne Inc.,Burlington,NJ)に入れ、180℃で2時間加熱し、および、室温の水浴へのプランジングにより急速に冷却した。サンプルをチューブから取り出し、Spin−Xフィルタ(Costar,Corning Inc.,Corning NY)を用いて、室温で、卓上遠心機(Spectrifuge 16M,Labnet International Inc.,Edison,NJ)中で14,000rpmで遠心分離することによりろ過して溶解リグニンを除去した。各サンプルの濃縮水を、180℃処理(0〜80%H2O中のEtOH)で用いたものと同一のEtOH濃度を用いて、0.5mLのEtOH/H2Oで洗浄した(4×)。次いで、サンプルを室温で空気乾燥させる(約92%乾燥物質以下)と共に、残渣のグルカン、キシランおよび酸不溶性リグニン内容物をNational Renewable Energy Laboratory(NREL)手法(Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass−2006年度版,Amie Sluiterら、NRELウェブサイトから入手可能)を用いて測定した。
上記で調製した空気乾燥されたサンプルを、50mmクエン酸緩衝剤に、pH4.6、約14%固形分仕込み量で懸濁させた。糖化酵素、例えばSpezyme CP、Multifect CX12LおよびNovozyme188を、それぞれ6:3:6mg/gセルロースの濃度で添加した。また、1%(w/v)ツイン20および0.01%(w/v)NaN3を添加し、ここで、後者は微生物性の増殖を防止するためである。サンプル(約0.4mL)を2個の5mmガラスビーズを含むスクリューキャップバイアル中に入れると共に、250rpmで操作した回転振盪機で46℃でインキュベートした。分析のために開始から4時間で、および、24時間間隔毎にアリコートを採ると共に、0.01 N H2SO4で41.25倍に希釈した。次いで、サンプルをSpin−Xフィルタを通してろ過し、濾液をHPLC(Agilent series 1100/1200,Agilent Technologies, Wilmington, DE)により分析した。BioRad HPX−87H Aminexカラム(Bio−Rad Laboratories,Hercules CA 94547を用いて、0.01N H2SO4を移動相として用い、0.6mL/minの流量で遊離化された糖質を分割した。カラムは60℃に維持した。示差屈折計を用いて溶出した糖質を検出し、これを55℃に維持した。グルコース、キシロースおよびアラビノースの滞留時間は、それぞれ、9.05、9.72および10.63分であった。表1Aは、0%〜80%のEtOH濃度での前処理後の、グルカンおよびキシラン回収割合、ならびに、酸不溶性(AI)リグニン含有量の割合変化を概説している。バガスの濃度は(0.2g/1.56mM)であり、様々な濃度のEtOHを180℃で2時間用いた。
リグニン抽出に対するアルカリ有機溶剤溶液前処理の効果
この実施例の目的は、炭水化物保存およびリグニン抽出、ならびに、その後の酵素糖化の最中の単糖に関して、異なるH2O中のEtOH比での有機溶剤溶液前処理に対するpHを上げた影響を試験することであった。自己加水分解がpHを低下させ、キシランを加水分解し、および、キシロースの損失を促進させる場合、前処理のpHをNaOHの添加によって高めた。より高いpHのキシロース回収率に対する影響が以下に実証されている。サトウキビバガス(0.25g、95.78%乾燥物質)を、EtOH(水中に20〜80%)および8%NaOH(w/wバイオマス)+1mgアントラキノン(AQ、リグニン断片化用の触媒)を含有する1.75mLの溶剤に懸濁させた。この溶液の初期のpHは約13.7であった。この懸濁液をタイプ316ステンレス鋼管に仕込み、キャップをし、168℃で140分間処理し、および、室温の水中で冷却した。サンプルを圧力容器から取り出し、ろ過し、洗浄し、空気乾燥し、および、実施例1に上述されているとおりすべてを分析した。グルカン、キシラン、アラビナン含有量および前処理後のリグニン含有量の変化が表2Aに示されている。
アンモニアの存在下での前処理後の糖化収率のさらなる増加
本実施例の目的は、前処理後の炭水化物収率およびリグニン含有量、ならびに、糖化後の単糖収率に対する有機溶剤溶液中におけるアンモニアの存在の影響を研究することである。pHの上昇によりキシラン回収率が実質的に向上したが、実施例2に概説されているアルカリ前処理プロセスにおいては依然相当な糖質の損失が生じていた。これらの損失は、「ピーリング」、すなわち、多糖鎖の還元末端からの糖質のストリッピングによる可能性が高い。アルカリ条件下では自己加水分解と比してより効果的に加水分解されるが、リグニンは、再重合および還元糖との反応が可能であるキノンメチドを形成することも可能である。従って、NH3の有機溶剤溶液への添加の影響は、これらの現象の両方を防ぐ意図をもって試験した。
アンモニアを含有する有機溶剤溶液前処理に対するメチルアミンおよび元素硫黄の添加の影響
アンモニアでの前処理を、添加した求核試薬と、メチルアミンと、前処理のアルカリ条件下では不均衡化を起こして多硫化物および硫化物を形成する元素硫黄との存在下で試験した。前処理を、バガスが1%元素硫黄(w/wバイオマス)を含有し、14%MA(メチルアミン)、7%NH3+7%MA、10%NH3+4%MA、または、14%NH3(すべてw/wバイオマス)のいずれかを+H2O中の70%EtOH(v/v)の中に懸濁させたこと以外は実施例3のとおり実施した。サンプルを、187℃で1時間、圧力容器中で加熱し、次いで、水浴中にて室温に急速に冷却した。既述のとおり、残渣をろ過し、洗浄し、および、乾燥させた。酵素糖化を、実施例5のとおりであるが、0.5%PEG2000(w/wバイオマス)の存在下および不在下で実施した。
1.(a)リグニン、セルロースおよびヘミセルロースを含むリグノセルロースバイオマスを備えるステップ;
(b)(a)のバイオマスを水、乾燥バイオマスの質量に対して約2%〜約20%の量のアンモニア、および1つまたはそれ以上の求核剤を含む有機溶剤溶液に懸濁させ、それによりアルカリ条件下にバイオマス−溶剤懸濁液を形成させるステップ;
(c)バイオマス−溶剤懸濁液を約100〜220℃の温度に約5分間〜約5時間、加熱し、それによりリグニンを断片化させて、懸濁液に溶解させるステップ;ならびに
(d)(c)における懸濁液を加熱した後に自由液体を加圧下にろ過し、それにより溶解リグニンを除去し、高保持率のヘミセルロースを有する炭水化物富化バイオマスを生成させるステップ
を含む、高保持率のヘミセルロースを有する炭水化物富化バイオマスを生産する方法。
2.(e)ステップ(d)で生産されたバイオマスを溶剤溶液で洗浄するステップをさらに含む、上記1に記載の方法。
3.(f)ステップ(e)後に生産されたバイオマスを水で洗浄し、それにより容易に糖化可能な炭水化物富化バイオマスを生産させるステップをさらに含む、上記2に記載の方法。
4.ステップ(e)で生産されたバイオマスを乾燥させ、それにより容易に糖化可能な炭水化物富化バイオマスを生産させるステップをさらに含む、上記2に記載の方法。
5.ステップ(e)および(f)を1回またはそれ以上反復するステップをさらに含む、上記2または3に記載の方法。
6.1つまたはそれ以上の求核剤が、NaOH、1つまたはそれ以上のアルキルアミン、硫化物、水硫化物、多硫化物、ヒドロポリスルフィド、チオール試薬、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、上記1に記載の方法。
7.1つまたはそれ以上のアルキルアミンが、R−NH2、R2−NH、R3N、(H2N−R−NH2)、(H2N−R(NH2)2)、(HO−R−NH2)、((HO)2−R−NH2)、(HO−R−(NH2)2)、(HS−R−NH2)、((HS)2−R−NH2)、(HS−R−(NH2)2)および(H2N−R(OH)(SH)、およびこれらの組み合わせからなる群から選択され、式中、Rは、独立して、一価、二価または三価の1〜6個の炭素を有する、直鎖、環式または分岐アルカン、アルケンまたはアルキンである、上記1に記載の方法。
8.Rが、独立して、メチル、エチル、プロピルまたはブチルである、上記7に記載の方法。
9.アルキルアミンがメチルアミンである、上記7に記載の方法。
10.ステップ(b)における溶剤溶液:バイオマスが、約10:1〜0.5:1の質量比を有する、上記1に記載の方法。
11.ステップ(c)の加熱された懸濁液がステップ(d)のろ過ステップの前に室温に冷却される、上記1に記載の方法。
12.ステップ(e)後の、ろ過されて洗浄されたバイオマスの溶剤を減圧下で蒸発させるステップをさらに含む、上記2に記載の方法。
13.バイオマスを酵素集合体で糖化し、それにより発酵可能な糖類を生産させるステップをさらに含む、上記3、4または12に記載の方法。
14.ステップ(f)における水での洗浄の後にバイオマスを酵素集合体と接触させることによりバイオマスを乾燥させることなく糖化し、それにより発酵可能な糖類を生産させるステップをさらに含む、上記3に記載の方法。
15.糖類を発酵させて標的生産物を生産するステップをさらに含む、上記13または14に記載の方法。
16.標的生産物が、エタノール、ブタノールまたは1,3−プロパンジオールからなる
群から選択される、上記15に記載の方法。
17.バイオマスが、スイッチグラス、古紙、製紙由来のスラッジ、トウモロコシ繊維、コーン穂軸、コーン包葉、コーン葉茎、草、コムギ、コムギわら、干草、オオムギ、オオムギわら、稲わら、サトウキビバガス、サトウキビわら、ユリノキ、モロコシ、大豆、穀粒の加工から得られる成分、高木、枝、根、葉、木片、おがくず、低木および潅木、野菜、果実、花、動物堆肥、ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される、上記1に記載の方法。
18.(a)
1)リグニンおよび炭水化物を含む一定の量のリグノセルロースバイオマス;
2)約40%〜約70%エタノールを水中に含む多成分溶剤溶液;
3)2%〜約20%の量のアンモニア
4)および1つまたはそれ以上の求核剤
を備えるステップ;
(b)バイオマスを(a)の多成分溶剤溶液と接触させて溶剤−バイオマス混合物を形成させるステップ;
(c)溶剤−バイオマス混合物を密閉圧力容器中に入れ、それにより(b)の混合物を約100℃〜約220℃の温度で約5分間〜約5時間加熱し、それによりリグニンを断片化させて、溶剤に溶解させるステップ
(d)(c)の溶解リグニンをろ過により除去するステップ;ならびに
(e)残留物を有機溶剤で洗浄し、それにより実質的にリグニンを含まないバイオマスを生産させるステップ
を含む、実質的にリグニンを含まないバイオマスを生産するためにリグノセルロースバイオマスからリグニンを同時に断片化および選択的抽出する方法。
19.実質的にリグニンを含まないバイオマスが、バイオマスの元々の質量の約60%〜約100%である、上記18に記載の方法。
20.有機溶剤溶液が、アルカリもしくはアルカリ土類水酸化物もしくは炭酸塩、アンモニア、チオール、硫化物、水硫化物、多硫化物、ヒドロポリスルフィド、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される1つまたはさらなる成分をさらに含む、上記1または18に記載の方法。
21.溶剤溶液、および任意のアンモニアまたは他の未反応成分が再生利用可能である、上記1または18に記載の方法。
22.有機溶剤溶液が、アルコール、ジオールおよび非プロトン性溶剤からなる群から選択される溶剤を含む、上記1または18に記載の方法。
23.有機溶剤溶液が、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノールおよびヘキサノール、その異性体およびそのジオールからなる群から選択される溶剤を含む、上記22に記載の方法。
Claims (12)
- (a)リグニン、セルロースおよびヘミセルロースを含むリグノセルロースバイオマスを備えるステップ;
(b)(a)のバイオマスを水、乾燥バイオマスの質量に対して2%〜20%の量のアンモニア、および1つまたはそれ以上の求核剤を含む有機溶剤溶液に懸濁させ、それによりアルカリ条件下にバイオマス−溶剤懸濁液を形成させるステップ;
(c)バイオマス−溶剤懸濁液を100〜220℃の温度に5分間〜5時間、加熱し、それによりリグニンを断片化させて、懸濁液に溶解させるステップ;ならびに
(d)(c)における懸濁液を加熱した後に自由液体を加圧下にろ過し、それにより溶解リグニンを除去し、高保持率のヘミセルロースを有する炭水化物富化バイオマスを生成させるステップ
を含む、高保持率のヘミセルロースを有する炭水化物富化バイオマスを生産する方法。 - 1つまたはそれ以上の求核剤が、NaOH、1つまたはそれ以上のアルキルアミン、硫化物、水硫化物、多硫化物、ヒドロポリスルフィド、チオール試薬、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 1つまたはそれ以上のアルキルアミンが、R−NH2、R2−NH、R3N、(H2N−R−NH2)、(H2N−R(NH2)2)、(HO−R−NH2)、((HO)2−R−NH2)、(HO−R−(NH2)2)、(HS−R−NH2)、((HS)2−R−NH2)、(HS−R−(NH2)2)および(H2N−R(OH)(SH)、およびこれらの組み合わせからなる群から選択され、式中、Rは、独立して、一価、二価または三価の1〜6個の炭素を有する、直鎖、環式または分岐アルカン、アルケンまたはアルキンである、請求項2に記載の方法。
- Rが、独立して、メチル、エチル、プロピルまたはブチルである、請求項3に記載の方法。
- アルキルアミンがメチルアミンである、請求項3に記載の方法。
- ステップ(b)における溶剤溶液:バイオマスが、10:1〜0.5:1の質量比を有する、請求項1に記載の方法。
- (a)
1)リグニンおよび炭水化物を含む一定の量のリグノセルロースバイオマス;
2)40%〜70%エタノールを水中に含む多成分溶剤溶液;
3)乾燥バイオマスの質量に対して2%〜20%の量のアンモニア
4)および1つまたはそれ以上の求核剤
を備えるステップ;
(b)バイオマスを(a)の多成分溶剤溶液と接触させて溶剤−バイオマス混合物を形成させるステップ;
(c)溶剤−バイオマス混合物を密閉圧力容器中に入れ、それにより(b)の混合物を100℃〜220℃の温度で5分間〜5時間加熱し、それによりリグニンを断片化させて、溶剤に溶解させるステップ
(d)(c)の溶解リグニンをろ過により除去するステップ;ならびに
(e)残留物を有機溶剤で洗浄し、それにより実質的にリグニンを含まないバイオマスを生産させるステップ
を含む、実質的にリグニンを含まないバイオマスを生産するためにリグノセルロースバイオマスからリグニンを同時に断片化および選択的抽出する方法。 - 実質的にリグニンを含まないバイオマスが、バイオマスの元々の質量の60%〜100%である、請求項7に記載の方法。
- 有機溶剤溶液が、アルカリもしくはアルカリ土類水酸化物もしくは炭酸塩、アンモニア、チオール、硫化物、水硫化物、多硫化物、ヒドロポリスルフィド、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される1つまたはさらなる成分をさらに含む、請求項1または7に記載の方法。
- 溶剤溶液、および任意のアンモニアまたは他の未反応成分が再生利用可能である、請求項1または7に記載の方法。
- 有機溶剤溶液が、アルコール、ジオールおよび非プロトン性溶剤からなる群から選択される溶剤を含む、請求項1または7に記載の方法。
- 有機溶剤溶液が、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノールおよびヘキサノール、その異性体およびそのジオールからなる群から選択される溶剤を含む、請求項11に記載の方法。
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