(57)【要約】      （修正有）【課題】非セルロース系バイオマスからのブタノールの製造方法の提供。【解決手段】非セルロース系バイオマスから得られた水性混合物を発酵槽Ｆ１に導入するステップと、前記水性混合物を発酵させて第１の発酵ブロス１３を与えるステップと、第１の多孔質膜を介した第１の液液抽出により、第１の溶媒抽出剤１５で第１の発酵ブロス１３からブタノールを部分的に抽出して、第１の抽出物１６及び第２の発酵ブロス１４を与えるステップとを含み、第１の液液抽出が第１のポリマー微多孔質膜と第１の流体入口及び第１の流体出口を有する、第１の流れ方向に配向された第１の流路層を有する複数の第１の層のペア並びに複数の第２の層のペアであって、第１の層のペアが第２の層のペアの間に配置されて積層体を形成し、それぞれの第２の層のペアが第２のポリマー微多孔質膜と第２の流体入口及び第２の流体出口を有する、第１の流れ方向と異なる第２の流路層と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブタノールを生産する方法であって、
非セルロース系バイオマスから得られた炭水化物を含む水性混合物を発酵槽に導入するステップと、
前記水性混合物を発酵させて、第１の発酵ブロスを与えるステップであって、前記第１の発酵ブロスが、
ブタノールを生産するための微生物、
前記非セルロース系バイオマス由来の炭水化物、及び
ブタノール、を含む、ステップと、
第１の多孔質膜を介した第１の液液抽出により、第１の溶媒抽出剤で前記第１の発酵ブロスから前記ブタノールを少なくとも部分的に抽出して、第１の抽出物及び第２の発酵ブロスを与えるステップと、を含み、
前記第１の溶媒抽出剤が、７〜１２個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含み、
前記第２の発酵ブロスが、前記第１の発酵ブロスよりも低い前記ブタノールの濃度を有し、
前記第１の液液抽出が、液液抽出要素において行われ、前記液液抽出要素が、
複数の第１の層のペアであって、それぞれの第１の層のペアが、
第１のポリマー微多孔質膜、及び
前記液液抽出要素の第１の対向する側面上に配置された第１の流体入口及び第１の流体出口を有する、第１の流れ方向に配向された第１の流路層、を有する、複数の第１の層のペア、並びに
複数の第２の層のペアであって、少なくとも１つの第２の層のペアが２つの第１の層のペアの間に配置され、少なくとも１つの第１の層のペアが２つの第２の層のペアの間に配置されて積層体を形成し、それぞれの第２の層のペアが、
第２のポリマー微多孔質膜、及び
前記抽出要素の第２の対向する側面上に配置された第２の流体入口及び第２の流体出口を有する、前記第１の流れ方向と異なる第２の流れ方向に配向された第２の流路層と、を有する、複数の第２の層のペア、を含む、方法。
【請求項２】
生産されるブタノールが、１−ブタノールである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の発酵ブロスを前記発酵槽に戻すことにより、非再利用法と比較してブタノール生産の速度を増大させるステップを更に含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の抽出剤が、生産されるブタノールよりも少なくとも３０℃高い沸点を有する、又は混合物が生産される場合には、生産されるより沸点の高いブタノールよりも３０℃高い沸点を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の抽出剤が、８〜１１個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の抽出剤が、２−オクタノール、２−エチル−１−ヘキサノール、１−ノナノール、２，６−ジメチル−４−ヘプタノール、１−デカノール、４−デカノール、２−プロピル−１−ヘプタノール、又はこれらの組み合わせを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ブタノールを生産するための微生物が、天然又は操作されたクロストリジウム・アセトブチリカム、クロストリジウム・ベイジェリンキ、酵母、大腸菌、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の抽出剤の一部が前記第２の発酵ブロス中に同伴され、前記方法が、第２の液液抽出により第２の抽出剤で、前記同伴された第１の抽出剤を前記第２の発酵ブロスから少なくとも部分的に抽出するステップを更に含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記第２の抽出剤が、ドデカンを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記非セルロース系バイオマスが、トウモロコシ、サトウキビ、テンサイ、キャッサバ、小麦、又はこれらの混合物を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
発酵ブロスからブタノールを回収する方法であって、
非セルロース系バイオマスから得られた炭水化物を含む水性混合物を発酵槽に導入するステップと、
前記水性混合物を発酵させて、第１の発酵ブロスを与えるステップであって、
ブタノールを生産するための微生物、
前記非セルロース系バイオマス由来の炭水化物、及び
ブタノール、を含むステップと、
第１の多孔質膜を介した第１の液液抽出により、第１の溶媒抽出剤で前記第１の発酵ブロスから前記ブタノールを少なくとも部分的に抽出して、第１の抽出物及び第２の発酵ブロスを与えるステップと、
前記ブタノールの少なくとも一部を前記第１の抽出物から回収するステップと、を含み、
前記第１の溶媒抽出剤が、７〜１２個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含み、
前記第２の発酵ブロスが、前記第１の発酵ブロスよりも低い前記ブタノールの濃度を有し、
前記第１の液液抽出が、液液抽出要素において行われ、前記液液抽出要素が、
複数の第１の層のペアであって、それぞれの第１の層のペアが、
第１のポリマー微多孔質膜、及び
前記液液抽出要素の第１の対向する側面上に配置された第１の流体入口及び第１の流体出口を有する、第１の流れ方向に配向された第１の流路層と、を有する、複数の第１の層のペア、並びに
複数の第２の層のペアであって、少なくとも１つの第２の層のペアが２つの第１の層のペアの間に配置され、少なくとも１つの第１の層のペアが２つの第２の層のペアの間に配置されて積層体を形成し、それぞれの第２の層のペアが、
第２のポリマー微多孔質膜、及び
前記抽出要素の第２の対向する側面上に配置された第２の流体入口及び第２の流体出口を有する、前記第１の流れ方向と異なる第２の流れ方向に配向された第２の流路層と、を有する、複数の第２の層のペア、を含む、方法。
【請求項１２】
前記ブタノールを回収するステップが、フラッシュ分離及び／又は真空蒸留により前記ブタノールを濃縮するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の抽出剤が、前記生産されるブタノールよりも少なくとも３０℃高い沸点を有する、又は混合物が生産される場合には、生産されるより沸点の高いブタノールよりも３０℃高い沸点を有する、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の抽出剤が、８〜１１個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含む、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の抽出剤が、２−オクタノール、２−エチル−１−ヘキサノール、１−ノナノール、２，６−ジメチル−４−ヘプタノール、１−デカノール、４−デカノール、２−プロピル−１−ヘプタノール、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ブタノールを生産するための微生物が、天然又は操作されたクロストリジウム・アセトブチリカム、クロストリジウム・ベイジェリンキ、酵母、大腸菌、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の抽出剤の一部が前記第２の発酵ブロス中に同伴され、前記方法が、第２の液液抽出により第２の抽出剤で、前記同伴された第１の抽出剤を前記第２の発酵ブロスから少なくとも部分的に抽出するステップを更に含む、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２の抽出剤が、ドデカンを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記非セルロース系バイオマスが、トウモロコシ、サトウキビ、テンサイ、キャッサバ、小麦、又はこれらの混合物を含む、請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
生産されるブタノールが、イソブタノールである、請求項１１〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、その開示内容の全体を本明細書に参照により援用する米国仮特許出願第６１／５７０６３９号（２０１１年１２月１４日出願）に基づく優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
非セルロース系バイオマスは、持続可能なエネルギーの開発の取り組みにおける燃料製造のますます重要な供給源となりつつある。ブタノールは、構成単位物質として、また将来性のある「ドロップイン」輸送燃料として高い価値を有する分子である。ブタノールは、その高いエネルギー密度及び低い水取り込み率のため、エタノールと比較して、輸送燃料として以下の追加的利点を有している。現在、２種類のブタノール（１−ブタノール及びイソブタノール）が原油から生産されているが、ブタノールは、トウモロコシ由来の糖類及び場合によりセルロース由来の糖類を使用した発酵によって生産することも可能である。しかしながら、大規模な発酵プロセスによるブタノール生産は、技術的及び経済的な課題による制限がある。
【０００３】
これらの課題の１つとして、発酵プロセスの終了時におけるブタノールの力価が低いことがある。ブタノールは、ブタノールを産生する微生物にとって非常に毒性が高い。その結果、最終的なブタノール濃度は、酵母発酵ブロス中のエタノールが１２〜２０重量％であるのと比べてしばしばわずかに１〜２重量％である。これにより、発酵ブロスからのブタノールの回収率は低下する。更に、ブタノールは、水（１００℃）よりも沸点が高く（１−ブタノールで１１７℃、イソブタノールで１０８℃）、蒸溜により経済的に分離することは困難である。クラエマーら（Ｋｒａｅｍｅｒ）による文献「Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｂｕｔａｎｏｌ  ｆｒｏｍ  ａｃｅｔｏｎｅ−ｂｕｔａｎｏｌ−ｅｔｈａｎｏｌ  ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｂｙ  ａ  ｈｙｂｒｉｄ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ−ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ」Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２８：７〜１２（２０１０）、リー（Ｌｅｅ）らによる文献「Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｖｅ  Ｂｕｔａｎｏｌ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉａ」Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１０１：２０９〜２２８（２００８）、及びエゼジ（Ｅｚｅｊｉ）らによる文献「Ｂｉｏｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂｕｔａｎｏｌ  ｆｒｏｍ  Ｂｉｏｍａｓｓ：ｆｒｏｍ  Ｇｅｎｅｓ  ｔｏ  Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ」Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｏｐｉｎｉｏｎ  ｉｎ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１８：２２０〜２２７（２００７）に述べられるように、ブタノールの低い発酵力価及び高い沸点は、ブタノールの回収に標準的な蒸溜プロセスが用いられる場合には大幅に高いエネルギーコストにつながる。バイオブタノールの生産を経済的に現実的なものとするため、コスト効率の高い回収プロセスが求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非セルロース系バイオマスから燃料を得るための効果的かつ効率的な方法が引き続き求められている。本開示は、ブタノールを回収する方法であって、好ましくは、非セルロース系バイオマスの消化により誘導される物質の発酵により、その生産の速度及び／又は収率を高める方法を提供する。より詳細には、特定の実施形態において、本開示は、膜溶媒抽出によるブタノールの濃縮を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、ブタノールを生産する方法は、非セルロース系バイオマスから得られた炭水化物を含む水性混合物を発酵槽に導入するステップと、水性混合物を発酵させて、第１の発酵ブロスを与えるステップであって、その第１の発酵ブロスは、ブタノールを生産するための微生物、非セルロース系バイオマス由来の炭水化物、及びブタノール、を含む、ステップと、第１の多孔質膜を介した第１の液液抽出により、第１の溶媒抽出剤で第１の発酵ブロスからブタノールを少なくとも部分的に抽出して、第１の抽出物及び第２の発酵ブロスを与えるステップと、を含む。この方法では、第１の溶媒抽出剤は７〜１２個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含む。この方法の結果、第２の発酵ブロスは、第１の発酵ブロスよりも低いブタノールの濃度を有する。第１の液液抽出は、液液抽出要素において行われ、液液抽出要素は、複数の第１の層のペアであって、それぞれの第１の層のペアが、第１のポリマー微多孔質膜、及び液液抽出要素の第１の対向する側面上に配置された第１の流体入口及び第１の流体出口を有する、第１の流れ方向に配向された第１の流路層、を有する、複数の第１の層のペア、並びに複数の第２の層のペアであって、少なくとも１つの第２の層のペアが２つの第１の層のペアの間に配置され、少なくとも１つの第１の層のペアが２つの第２の層のペアの間に配置されて積層体を形成し、それぞれの第２の層のペアが、第２のポリマー微多孔質膜、及び抽出要素の第２の対向する側面上に配置された第２の流体入口及び第２の流体出口を有する、第１の流れ方向と異なる第２の流れ方向に配向された第２の流路層と、を有する、複数の第２の層のペア、を含む。
【０００６】
この方法は、第２の発酵ブロスが発酵槽に戻される場合に（このような再利用を行わない方法と比較して）、２倍以上ブタノール生産の速度を増大させることができる。
【０００７】
一実施形態では、発酵ブロスからブタノールを回収する方法は、非セルロース系バイオマスから得られた炭水化物を含む水性混合物を発酵槽に導入するステップと、水性混合物を発酵させて、第１の発酵ブロスを与えるステップであって、ブタノールを生産するための微生物、非セルロース系バイオマス由来の炭水化物、及びブタノール、を含む、ステップと、第１の多孔質膜を介した第１の液液抽出により、第１の溶媒抽出剤で第１の発酵ブロスからブタノールを少なくとも部分的に抽出して、第１の抽出物及び第２の発酵ブロスを与えるステップと、ブタノールの少なくとも一部を第１の抽出物から回収するステップと、を含む。この方法では、第１の溶媒抽出剤は７〜１２個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含む。この方法の結果、第２の発酵ブロスは、第１の発酵ブロスよりも低いブタノールの濃度を有する。第１の液液抽出は、液液抽出要素において行われ、液液抽出要素は、複数の第１の層のペアであって、それぞれの第１の層のペアが、第１のポリマー微多孔質膜、及び液液抽出要素の第１の対向する側面上に配置された第１の流体入口及び第１の流体出口を有する、第１の流れ方向に配向された第１の流路層と、を有する複数の第１の層のペア、並びに複数の第２の層のペアであって、少なくとも１つの第２の層のペアが２つの第１の層のペアの間に配置され、少なくとも１つの第１の層のペアが２つの第２の層のペアの間に配置されて積層体を形成し、それぞれの第２の層のペアが、第２のポリマー微多孔質膜、及び抽出要素の第２の対向する側面上に配置された第２の流体入口及び第２の流体出口を有する、第１の流れ方向と異なる第２の流れ方向に配向された第２の流路層と、を有する、複数の第２の層のペア、を含む。好ましくは、ブタノールを回収するステップは、抽出溶媒からフラッシュ分離及び／又は真空蒸留によりブタノールを濃縮するステップを含む。
【０００８】
本出願において、「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」といった語は、１つの実体のみを指すことを意図したものではなく、その説明のために具体的な例が用いられ得る一般的な部類を含む。「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」なる語は、「少なくとも１つの」なる語と互換可能に使用される。「少なくとも１つの」なる語句及び「〜の少なくとも１つを含む」なる語句の後にリストが続く場合、そのリストの中の品目のいずれか１つ、及びリストの中の２つ以上の品目の任意の組み合わせのことを指す。すべての数値範囲は、特に断らないかぎり、その端点と、端点間の非整数値を含む。
【０００９】
本明細書において、内容によってそうでないことが明らかに示されないかぎり、「又は」なる語は、「及び／又は」を含むその通常の意味で使用される。「及び／又は」なる語は、リストに列記される要素のうちの１つ若しくはすべて、又はリストに列記される要素のうちの任意の２つ以上の組み合わせを意味する。
【００１０】
本開示では、「第１の」及び「第２の」なる語が使用される。特に明示されないかぎり、これらの語はその相対的な意味においてのみ使用されている点は理解されるであろう。詳細には、一部の実施形態では、特定の構成要素が、互換可能なかつ／又は同じ複数物（例えば、対）として存在し得る。これらの構成要素について、単に実施形態のうちの１つ以上を説明する便宜上、構成要素に「第１の」及び「第２の」という表記が適用される場合がある。
【００１１】
「水性」なる語は、水を含むことを指す。
【００１２】
「ブタノール」なる語は、発酵プロセスに使用される微生物に応じて１−ブタノール若しくはイソブタノールを、又は微生物の混合物が使用される場合には１−ブタノールとイソブタノールとの混合物のことを指す。
【００１３】
第１の抽出剤又は第２の抽出剤を含む「抽出剤」とは、１種の化合物又は化合物の混合物を含む。一般的に、抽出剤とは、有機溶媒又は有機溶媒の混合物のことを指す。
【００１４】
「液液抽出」とは、第１の液体に溶解された溶質を第２の液体に移動させるための方法である。
【００１５】
「同伴された」なる語には、第１の抽出剤が水性混合物中に浮遊、捕捉、又は溶解している場合が含まれる。
【００１６】
「非セルロース系バイオマス」とは、１重量パーセント（１重量％）よりも多いデンプン、デキストリン、糖類（例えばデキストロース、スクロース、キシロース、フルクトース、セロビオース、及びマルトース）、又は他の発酵性炭水化物を含有する炭水化物又は物質のことを意味する。供給源としては、例えば、トウモロコシ、サトウキビ、テンサイ、キャッサバ、小麦、特定の作物残渣及び食品廃棄物が挙げられる。以下のものは、発酵性炭水化物の含有量が１重量％未満である場合には非セルロース系バイオマスの範囲には含まれない。すなわち、乾燥穀物残渣、作物残渣、植物原料及び廃棄物質。これらは一般的にはセルロース系バイオマス材料と考えられている。セルロース系バイオマス材料は、農業廃棄物（例えば作物及びイネ科植物から発生するもの）、木材、廃材（例えば製紙工場、伐採残渣、枯木、森林低木伐採、果樹園、及びブドウ園から発生するもの）、並びに他の廃棄物（例えば都市ごみ）として大量に発生する。
【００１７】
本開示の上記の「課題を解決するための手段」は、本開示の開示される各実施形態又はすべての実現形態を説明することを目的としたものではない。以下の説明は、例示的な実施形態をより詳細に例示するものである。本出願の全体を通じて幾つかの箇所で、実施例のリストによって指針が与えられるが、これらの実施例は異なる組み合わせで使用することができる。いずれの場合も、記載されるリストは、あくまで代表的な群としてのみの役割を果たすものであって排他的なリストとして解釈するべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
以下の様々な実施形態の詳細な説明を添付の図面と併せて考慮することで本開示のより完全な理解を得ることができる。
【図１】本開示に基づく方法の例示的な一実施形態の概略フロー図である。
【図２】本開示に基づく方法の第２の例示的な実施形態の概略フロー図である。
【図３】本開示に基づく方法の第３の例示的な実施形態の概略フロー図である。
【図４】本開示に基づく方法の第４の例示的な実施形態の概略フロー図である。
【図５】本明細書に開示される方法を実施するうえで有用な例示的な膜溶媒抽出モジュールの概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本開示に基づく方法は、例えば、ブタノール（１−ブタノール又はイソブタノール）を回収し、好ましくは非セルロース系バイオマスからのその生産の速度及び／又は収率を高めるうえで有用である。「非セルロース系バイオマス」とは、１重量％よりも多いデンプン、デキストリン、糖類（例えばデキストロース、スクロース、キシロース、フルクトース、セロビオース、及びマルトース）、又は他の発酵性炭水化物を含有している。供給源としては、例えば、トウモロコシ、サトウキビ、テンサイ、キャッサバ、小麦、特定の作物残渣及び食品廃棄物が挙げられる。以下のものは、発酵性炭水化物の含有量が１重量％未満である場合には非セルロース系バイオマスの範囲には含まれない。すなわち、乾燥穀物残渣、作物残渣、植物原料及びセルロース系廃棄物質。これらは一般的にはセルロース系バイオマス材料と考えられている。代表的なセルロース系バイオマスの供給源としては、廃材若しくは樹皮、パルプ若しくは製紙工場から出る廃棄幹材チップ、森林廃棄物（例えば、根、枝、及び葉）、果樹園及びブドウ園の剪定材、ワタの木の茎及び葉（すなわち茎葉）、竹、米、小麦、及びトウモロコシ、廃棄農業製品（例えば、米、小麦、及びトウモロコシ）、農業副産物（例えば、バガス及び麻）、並びに廃棄紙（例えば、新聞紙、コンピュータ用紙、及び段ボール箱）が挙げられる。セルロース系バイオマスの一般的な供給源はトウモロコシ茎葉である。これらのセルロース系材料の一部のもの（例えば、軟材及び硬材、並びに作物）は、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材料である。
【００２０】
１−ブタノール及び／又はイソブタノールは、非セルロース系バイオマスの１種類以上の供給源に由来する炭水化物（例えば、トウモロコシ由来又はサトウキビ由来の糖類、又は場合により他のデンプン系糖類）を含有した水性混合物の発酵により生産することができる。非セルロース系バイオマスに由来する炭水化物を含む水性混合物は、非セルロース系バイオマスの公知の消化法により得ることができる。このような公知の消化法では、通常、高い温度でアミラーゼ及びグルコアミラーゼなどの酵素を使用する。
【００２１】
消化された非セルロース系バイオマスの発酵は、例えばクロストリジウム・アセトブチリカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ）、クロストリジウム・ベイジェリンキ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｂｅｉｊｅｒｉｎｃｋｉｉ）、酵母、又は大腸菌などの天然又は操作されたブタノール産生微生物を使用して行うことができる。一般的に、特定の微生物に応じて、１−ブタノール又はイソブタノールのいずれかが生産される。都合の悪いことに、ブタノールはそれを生産する微生物の強力なフィードバック阻害物質である。例えば、２重量％の低いブタノール濃度で発酵が停止し得る。例えば、本明細書に述べられるような膜溶媒抽出法を用いて発酵ブロスからブタノールを連続的に抽出する場合に、ブタノールによるこのようなフィードバック阻害を低減させることが可能であり、発酵速度の加速及び／又はブタノール収率の向上につながる。抽出後、例えばフラッシュ分離、真空蒸留、又は他の下流の濃縮プロセスによってブタノールと少量の水を回収することができる。重要な点として、これにより、従来の蒸留による分離と比較してブタノールの分離の全体のエネルギーが低くなり得る。
【００２２】
本明細書に述べられる方法における使用に適した発酵システムは、様々な発酵システムのいずれでもよい。これには、例えば、単槽回分発酵、複槽回分発酵、単槽流加発酵、複槽流加発酵、単槽連続培養、又は複槽連続培養が含まれ得る。
【００２３】
ブタノールの生産に非セルロース系バイオマスを使用する発酵システムにおいて使用するのに適した微生物としては、チュクエメカ（Ｃｈｋｗｕｅｍｅｋａ）らによる文献「Ｂｉｏｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂｕｔａｎｏｌ  ｆｒｏｍ  Ｂｉｏｍａｓｓ：ｆｒｏｍ  Ｇｅｎｅｓ  ｔｏ  Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ」Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｏｐｉｎｉｏｎ  ｉｎ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，１８：２２０〜２２７、及びリー（Ｌｅｅ）らによる文献「Ｆｅｒｍｅｎｔｉｖｅ  Ｂｕｔａｎｏｌ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉａ」Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，１０１：２０９〜２２８に述べられるもの、並びに以下のものが挙げられる。すなわち、天然及び操作されたクロストリジウム・アセトブチリカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ）、天然及び操作されたクロストリジウム・ベイジェリンキ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｂｅｉｊｅｒｉｎｃｋｉｉ）、操作された大腸菌、操作されたバチルス・サブティリス、及び操作されたサッカロマイセス・セレヴィシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ  ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）（酵母）。これらは、本明細書では、「ブタノール発酵微生物」又は「ブタノール産生微生物」と呼ばれる。好ましいこうした微生物としては、天然又は操作されたクロストリジウム・アセトブチリカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ）、クロストリジウム・ベイジェリンキ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｂｅｉｊｅｒｉｎｃｋｉｉ）、酵母、又は大腸菌が挙げられる。１−ブタノールとイソブタノールとの混合物が望ましい場合には、微生物の混合物を使用することができる。
【００２４】
本開示に基づく方法の代表的な一実施形態のプロセスフロー図１０が、図１に示されている。フロー図１０では、非セルロース系バイオマスより誘導された（例えば酵素的消化により）グルコース、他の糖類、及びそれらのオリゴマーなどの炭水化物を水中に他の栄養素（アンモニア、金属イオン、及びビタミン類など）とともに含む水性混合物が、線１１に沿って発酵槽Ｆ１に、発酵を行うための１種類以上の微生物とともに導入される。その後、ブタノールを含む発酵ブロス（第１の発酵ブロス）が、線１２に沿ってリザーバＲ１に輸送され、そこに回収される。この発酵ブロスは、通常、２重量％以下のブタノールを含んでいる。この後、この発酵ブロスは、線１３に沿って膜溶媒抽出ユニットＭＳＥ１に運ばれる。抽出装置ＭＳＥ１において、第１の発酵ブロス（線１３に沿って導入される）と溶媒抽出剤（線１５に沿って導入される）とが互いに密接に接触させられることにより、発酵ブロスと抽出剤との間でブタノールの分配が生じる。結果として生じる溶媒抽出剤と生成したブタノール（すなわち抽出物）との混合物は、この後、フラッシュ分離、真空蒸留、他の下流ブタノール濃縮プロセス、又はそれらの組み合わせなどによる回収のために線１６に沿って輸送される。このプロセスでは、ブタノールが抽出された発酵ブロス（すなわちこの第２の発酵ブロスは第１の発酵ブロスよりも低いブタノール濃度を有する）は、ＭＳＥ１を通過した後、線１４に沿って除去されるが、発酵槽中に戻されて再利用されることはない。この結果、発酵ブロス中のブタノールの最終的な力価に対してブタノールの濃縮が起きると予想される。例えば、２重量％〜最大で２０重量％の増大、又は更には５０重量％の高値までの増大が可能である。
【００２５】
本開示に基づく方法の代表的な一実施形態のプロセスフロー図２０が、図２に示されている。フロー図２０では、非セルロース系バイオマスより誘導された（例えば酵素的消化により）グルコース、他の糖類、及びそれらのオリゴマーなどの炭水化物を水中に他の栄養素（アンモニア、金属イオン、及びビタミン類など）とともに含む水性混合物が、線２１に沿って発酵槽Ｆ２に、発酵を行うための１種類以上の微生物とともに導入される。この後、ブタノールを含む（通常、２重量％以下）第１の発酵ブロスが、線２２に沿って膜溶媒抽出ユニットＭＳＥ２に直接輸送される（図１に示されるような貯蔵リザーバを使用しない）。抽出装置ＭＳＥ２において、発酵ブロス（線２２に沿って導入される）と溶媒抽出剤（線２４に沿って導入される）とが互いに密接に接触させられることにより、発酵ブロスと溶媒抽出剤との間でブタノールの分配が生じる。結果として生じる抽出剤とブタノール（すなわち抽出物）との混合物は、この後、フラッシュ分離、真空蒸留、他の下流ブタノール濃縮（すなわち、高濃度化）プロセス、又はそれらの組み合わせなどによる回収のために線２５に沿って輸送される。このプロセスでは、ブタノールが抽出された発酵ブロス（すなわち、この第２の発酵ブロスは第１の発酵ブロスよりも低いブタノール濃度を有する）は、ＭＳＥ２を通過した後、線２３に沿って除去されるが、再利用されることはない。この結果、図１に示されるプロセスフロー図１０と同様、ブタノールの濃縮が起きると予想される。
【００２６】
本開示に基づく方法の代表的な一実施形態のプロセスフロー図３０が、図３に示されている。フロー図３０では、非セルロース系バイオマスより誘導された（例えば酵素的消化により）グルコース、他の糖類、及びそれらのオリゴマーなどの炭水化物を水中に他の栄養素（アンモニア、金属イオン、及びビタミン類など）とともに含む水性混合物が、線３１に沿って発酵槽Ｆ３に、発酵を行うための１種類以上の微生物とともに導入される。その後、ブタノールを含む第１の発酵ブロスが、線３２に沿ってリザーバＲ３に輸送され、そこに回収される。第１の発酵ブロスは、通常、２重量％以下のブタノールを含んでいる。この後、この第１の発酵ブロスは、線３３に沿って膜溶媒抽出ユニットＭＳＥ３に運ばれる。抽出装置ＭＳＥ３において、第１の発酵ブロス（線３３に沿って導入される）と溶媒抽出剤（線３５に沿って導入される）とが互いに密接に接触させられることにより、発酵ブロスと抽出剤との間でブタノールの分配が生じる。結果として生じる溶媒抽出剤と生成したブタノール（すなわち抽出物）との混合物は、この後、フラッシュ分離、真空蒸留、他の下流ブタノール濃縮プロセス、又はそれらの組み合わせなどによる回収のために線３６に沿って輸送される。このプロセスでは、第２の発酵ブロス（ブタノールが抽出され、したがって第１の発酵ブロスよりも低いブタノール濃度を有するもの）は、ＭＳＥ３を通過した後、線３４に沿って除去され、発酵槽Ｆ３中に戻されて再利用される（線３４に沿って）。この結果、このプロセスを用いることで、ブタノール濃縮（通常、２重量％以下である、発酵ブロス中のブタノールの最終力価に対して）及び発酵の加速（発酵ブロスを再利用しない方法（すなわち非再利用法）に対して）が起きると予想される。例えば、２重量％〜最大で２０重量％、又は更には５０重量％の高値にまでの増大が可能であり、ブタノール生産の少なくとも２倍の加速が可能である。通常、線３１に沿って導入される供給流中の炭水化物開始物質（消化された非セルロース系バイオマス）の供給速度を増大させることで、この加速を持続させることができる。
【００２７】
本開示に基づく方法の代表的な一実施形態のプロセスフロー図４０が、図４に示されている。フロー図４０では、非セルロース系バイオマスより誘導された（例えば酵素的消化により）グルコース、他の糖類、及びそれらのオリゴマーなどの炭水化物を水中に他の栄養素（アンモニア、金属イオン、及びビタミン類など）とともに含む水性混合物が、線４１に沿って発酵槽Ｆ４に、発酵を行うための１種類以上の微生物とともに導入される。この後、ブタノールを含む（通常、２重量％以下）第１の発酵ブロスが、線４２に沿って膜溶媒抽出ユニットＭＳＥ４に直接輸送される。抽出装置ＭＳＥ４において、第１の発酵ブロス（線４２に沿って導入される）と溶媒抽出剤（線４４に沿って導入される）とが互いに密接に接触させられることにより、発酵ブロスと抽出剤との間でブタノールの分配が生じる。結果として生じる抽出物（溶媒抽出剤と生成したブタノールとの混合物）は、この後、フラッシュ分離、真空蒸留、他の下流ブタノール濃縮プロセス、又はそれらの組み合わせなどによる回収のために線４５に沿って輸送される。このプロセスでは、第２の発酵ブロス（ブタノールが抽出され、したがって第１の発酵ブロスよりも低いブタノール濃度を有するもの）は、ＭＳＥ４を通過した後、線４３に沿って除去され、発酵槽Ｆ４中に戻されて再利用される（線４３に沿って）。この結果、図３に示されるプロセスフロー図３０と同様、このプロセスを用いることで、ブタノール濃縮及び発酵の加速が起きると予想される。図３のプロセスフロー図３０と同様、通常、線４１に沿って導入される供給流中の炭水化物開始物質（非セルロース系バイオマスの酵素消化により得られる）の供給速度を増大させることで、この加速を持続させることができる。
【００２８】
第１の抽出剤は、７〜１２個（一部の実施形態では８〜１２個、又は８〜１１個）の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含む。好ましい実施形態では、抽出剤は、生産されるブタノールよりも少なくとも３０℃高い沸点を有する（又は混合物が生産される場合にはより高い沸点のブタノールが生産される）。これらの実施形態の一部では、直鎖又は分枝鎖アルコールは第一級アルコールである。一部の実施形態では、第１の抽出剤は、７〜１２個（一部の実施形態では８〜１２個、又は８〜１１個）の炭素原子を有する直鎖アルコールを含む。これらの実施形態の一部では、第１の抽出剤は、２−オクタノール、２−エチル−１−ヘキサノール、１−ノナノール、２，６−ジメチル−４−ヘプタノール、１−デカノール、４−デカノール、２−プロピル−１−ヘプタノール、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１種を含む。イソブタノールでは、好ましい第１の抽出剤としては、２−オクタノール、２−エチル−１−ヘキサノール、１−ノナノール、２，６−ジメチル−４−ヘプタノール、１−デカノール、４−デカノール、及び２−プロピル−１−ヘプタノールが挙げられる。１−ブタノールでは、好ましい第１の抽出剤としては、２−オクタノール、２−エチル−１−ヘキサノール、２，６−ジメチル−４−ヘプタノール、４−デカノール、及び２−プロピル−１−ヘプタノールが挙げられる。必要に応じて、これらのアルコールの異なる組み合わせを使用することができる。
【００２９】
図１〜４に関連して上記に述べた方法を含む、本明細書に開示される方法の一部の実施形態では、本方法は、ブタノール（例えばイソブタノール及び／又は１−ブタノール）の少なくとも一部を回収することを更に含み得る。上記に述べたように、ブタノールは、例えばフラッシュ分離及び／又は真空蒸留により濃縮することができる。
【００３０】
一部の実施形態では、第１の抽出剤の一部は、第２の発酵ブロス中に同伴され得る。このような実施形態では、本開示の方法は、同伴された第１の抽出剤を、膜抽出プロセスの使用によって行うことができる第２の液液抽出により、第２の抽出剤で第２の発酵ブロスから少なくとも部分的に抽出するステップを更に含み得る。代表的な第２の抽出剤としてはドデカン及びデカンが挙げられるが、ドデカンが一般的には好ましい。
【００３１】
様々な多孔質膜及び膜抽出装置が本開示を実施するうえで有用であり得る。一般的に抽出の速度は、液液界面の面積によって決まる。したがって、大きな膜表面積を有する膜抽出装置の設計が通常は望ましいが、比較的小さい膜表面積を有する設計も有用であり得る。
【００３２】
以下の多孔質膜及び装置の実施形態は、第１の液液抽出（すなわち、ブタノールの抽出）、又は必要に応じて行われる第２の液液抽出（すなわち、同伴された第１の抽出剤の抽出）に有用であり得る。膜抽出装置は、抽出剤と抽出される水溶液とが、多孔質膜の少なくとも１個の孔、通常は複数の孔の内部において液液界面を有するものであれば、どのような設計のものであってもよい。
【００３３】
多孔質膜内部における水溶液と抽出剤との間の界面の形成を促進するため、水溶液又は抽出剤のうちの膜をよく濡らさない方を、他方よりも高い圧力に維持することができる。例えば、疎水性の多孔質膜の場合では、水溶液が抽出剤よりも高い液圧を有し得る。この圧力差は、通常、水溶液と抽出剤との間の界面を実質的に不動化するうえで充分なものでなければならないが、多孔質膜を破損するほど大きくないことが好ましい。このような圧力差は、規制弁（例えば抽出出口ポートの背圧弁）、液面の高さの差などを含む様々な公知の方法によって実現することができる。水溶液と抽出剤との間の圧力差は、存在する場合、例えば、４℃で少なくとも１０ｃｍ水柱（１ｋＰａ）、少なくとも１ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）（６．９ｋＰａ）、最大で１１ｐｓｉ（７６ｋＰａ）であってよいが、これよりも高い圧力及び低い圧力も使用することができる。
【００３４】
本開示を実施するうえで有用な微多孔質膜は、膜の主面間に延びるマイクロメートルサイズの孔（すなわちマイクロ孔）を一般的に有する。マイクロ孔は、例えば隔離されているか、又は相互連結されていてよい。微多孔質膜は、例えば微多孔質の熱可塑性ポリマーなどの、貫通するマイクロ孔を有する任意の材料から形成することができる。微多孔質膜は、例えば可撓性又は剛性のものであってよい。本開示に基づく一部の実施形態では、有用な熱可塑性微多孔質膜は、それぞれが場合により異なる分子量分布を有する同様の、又は異なる熱可塑性ポリマーのブレンドを含み得る（例えば、超高分子量ポリエチレンと高分子量ポリエチレンとのブレンド）。
【００３５】
微多孔質膜のマイクロ孔径、厚さ、及び組成は、一般的に、本明細書に開示される方法における抽出の速度を決定する。微多孔質膜のマイクロ孔の孔径は、マイクロ孔内部における水溶液と抽出剤との接触を可能とするうえで（例えば、液液抽出界面を形成するうえで）充分に大きくなければならないが、微多孔質膜を通って抽出剤中に水溶液のフラッディングが生じるほど大きくてはならない。
【００３６】
本発明の実施に有用な微多孔質膜は、例えば親水性又は疎水性であってよい。微多孔質膜は当該技術分野では周知の方法によって調製することができ、こうした方法については、例えば、米国特許第３，８０１，４０４号（ドルイン（Ｄｒｕｉｎ）ら）、同第３，８３９，５１６号（ウイリアムズ（Ｗｉｌｌｉａｍｓ）ら）、同第３，８４３，７６１号（ビーレンバウム（Ｂｉｅｒｅｎｂａｕｍ）ら）、同第４，２５５，３７６号（ショーンゲン（Ｓｏｅｈｎｇｅｎ）ら）、同第４，２５７，９９７号（ショーンゲン（Ｓｏｅｈｎｇｅｎ）ら）、同第４，２７６，１７９号（ショーンゲン（Ｓｏｅｈｎｇｅｎ）、同第４，９７３，４３４号（シルカー（Ｓｉｒｋａｒ）ら）に述べられているか、かつ／又は例えばセルガード社（Ｃｅｌｇａｒｄ，  Ｉｎｃ．）（ノースカロライナ州、シャルロット）、テトラテック社（Ｔｅｔｒａｔｅｃ，  Ｉｎｃ．）（ペンシルベニア州アイビーランド）、ナディール・フィルトレーション社（Ｎａｄｉｒ  Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  ＧｍｂＨ）（ドイツ、ビースバーデン）、又はメンブラナ社（Ｍｅｍｂｒａｎａ，  ＧｍｂＨ）（ドイツ、ヴッパータール）などの供給業者より広く市販されている。代表的な親水性膜としては、微多孔質ポリアミド（例えば微多孔質ナイロン）、微多孔質ポリカーボネート、微多孔質エチレンビニルアルコールコポリマー、及び微多孔質親水性ポリプロピレンの膜が挙げられる。代表的な疎水性膜としては、微多孔質ポリエチレン、微多孔質ポリプロピレン（例えば、熱誘導された相分離微多孔質ポリプロピレン）、及び微多孔質ポリテトラフルオロエチレンが挙げられる。
【００３７】
一般的に、有用な微多孔質膜の平均孔径（例えばＡＳＴＭ  Ｅ１２９４−８９（１９９９）「自動液体多孔度計を使用した膜フィルターの孔径特性の標準的試験方法」（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｏｒｅ  Ｓｉｚｅ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｉｌｔｅｒｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｏｒｏｓｉｍｅｔｅｒ）に従って測定される）は、約０．０７マイクロメートルよりも大きくてよく（例えば０．１マイクロメートルよりも大きいか又は０．２５マイクロメートルよりも大きい）、かつ、１．４マイクロメートルよりも小さくてよい（例えば１．０マイクロメートルよりも小さい、０．４マイクロメートルよりも小さい、又は０．３マイクロメートルよりも小さい）が、これよりも大きいか又は小さい平均孔径を有する微多孔質膜を使用することもできる。エマルションの形成、及び／又は膜を通じたフラッディングを低減するには、微多孔質膜は、孔、裂け目、又は直径１００マイクロメートルを上回る他の孔を実質上有さないものとすることができる。
【００３８】
有用な微多孔質膜は、通常、微多孔質膜の体積に対して、少なくとも約２０％（例えば、少なくとも３０％又は少なくとも４０％）〜最大で８０％、８７％、又は更には９５％の範囲の多孔度を有する。通常、有用な微多孔質膜は、少なくとも約２５マイクロメートル（例えば少なくとも３５マイクロメートル又は少なくとも４０マイクロメートル）の厚さを有し、かつ／又は約８０マイクロメートルよりも小さい厚さ（例えば６０マイクロメートルよりも小さいか、又は更には５０マイクロメートルよりも小さい）を有し得るが、任意の厚さの膜を使用することができる。通常、微多孔質膜は、単独で、又は場合により用いられる多孔質支持部材との組み合わせとして、意図される動作条件下で微多孔質膜を挟んで作用させられ得る任意の圧力差に耐えるだけの機械的に充分な強度を有するものでなければならない。
【００３９】
本明細書に開示される液液抽出のいずれにおいても、複数の微多孔質膜を直列又は並列させて使用することができる。代表的な膜の形態としては、シート、バッグ、及びチューブが挙げられ、ほぼ平面状又は非平面状（例えば、襞状、螺旋状に巻かれたカートリッジ、プレート−フレーム、又は中空の繊維束）のものであってよい。本明細書に開示される方法の一部の実施形態では、微多孔質膜は、例えば米国特許第４，０５５，６９６号（カマダ（Ｋａｍａｄａ）ら）、同第４，４０５，６８８号（ローリー（Ｌｏｗｅｒｙ）ら）、及び同第５，４４９，４５７号（プラサド（Ｐｒａｓａｄ））に述べられるような微多孔質の中空繊維膜を含み得る。抽出装置の性状（例えば、形状、サイズ、構成部品）は、選択される膜の形態に応じて異なり得ることは無論である。
【００４０】
微多孔質膜は、少なくとも１種の疎水性（すなわち自然に水に濡れない）材料を含み得る。代表的な疎水性材料としては、ポリオレフィン類（例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブチレン、上記のもののいずれかのコポリマー、及び場合によりエチレン性不飽和モノマー）、及びこれらの組み合わせが挙げられる。微多孔質膜が疎水性である場合、抽出剤に対して水溶液に陽圧をかけることによって微多孔質膜の濡れを促進することができる。
【００４１】
本明細書に開示される方法の一部の実施形態では、微多孔質膜は親水性のもの、例えば、０．２〜０．４５マイクロメートルの範囲の公称平均孔径を有する親水性微多孔質ポリプロピレン膜（例えば、ポール・ライフ・サイエンシーズ社（Ｐａｌｌ  Ｌｉｆｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，  Ｉｎｃ．）（ミシガン州アナーバー）より「ＧＨ  ＰＯＬＹＰＲＯ  ＭＥＭＢＲＡＮＥ」の商品名で販売されるもの）であってよい。微多孔質膜が親水性である場合、水溶液に対して抽出剤に陽圧をかけることによって、膜内部における液液界面の不動化を促進することができる。代表的な膜としては、米国特許第３，８０１，４０４号（ドルイン（Ｄｒｕｉｎ）ら）、同第３，８３９，５１６号（ウイリアムズ（Ｗｉｌｌｉａｍｓ）ら）、同第３，８４３，７６１号（ビーレンバウム（Ｂｉｅｒｅｎｂａｕｍ）ら）、同第４，２５５，３７６号（ショーンゲン（Ｓｏｅｈｎｇｅｎ））、同第４，２５７，９９７号（ショーンゲン（Ｓｏｅｈｎｇｅｎ）ら）、同第４，２７６，１７９号（ショーンゲン（Ｓｏｅｈｎｇｅｎ））、同第４，７２６，９８９号（ムロジンスキー（Ｍｒｏｚｉｎｓｋｉ））、同第５，１２０，５９４号（ムロジンスキー（Ｍｒｏｚｉｎｓｋｉ））、及び同第５，２３８，６２３号（ムロジンスキー（Ｍｒｏｚｉｎｓｋｉ））に述べられる微多孔質膜が挙げられる。
【００４２】
本明細書に述べられる方法における使用に適した適当な膜溶媒抽出（ＭＳＥ）ユニットとしては、例えば、単一のＭＳＥモジュール又は複数のＭＳＥモジュールが挙げられる。幾つかの有用な微多孔質膜抽出装置が、例えば米国特許第７，１０５，０８９号（ファンセロー（Ｆａｎｓｅｌｏｗ）ら）、及び米国特許出願公開第２００７／０１１９７７１号（シュカール（Ｓｈｕｋａｒ）ら）に述べられている。本開示を実施するうえで有用な膜抽出装置の膜抽出要素（すなわち、膜溶媒抽出ユニット）の代表的な一実施形態が、図５に示されている。膜抽出要素３００は、第１の層のペア３１０及び第２の層のペア３２０を有している。第２の層のペア３２０は、第１の層のペア３１０に隣接して配置され、積層体３５０を形成している。積層体３５０は、図５に示されるようなｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を有している。ｚ軸は、積層体３５０の厚さ方向である。ｘ軸及びｙ軸はいずれも積層体３５０の平面内の軸であり、図の実施形態では互いに直交している。
【００４３】
第１の層のペア３１０は、第１のポリマー微多孔質膜３１２と、抽出要素３００の第１の対向する側面（図５のｙ軸に沿った）上に配置された流体入口３１６及び流体出口３１８を有する、第１の流れＦ１方向（図５のｘ軸に沿った）に配向された第１の流路層３１４とを有している。したがって、図５に示される例示的な実施形態では、第１の流れＦ１方向は、液液抽出要素３００の第１の対向する側面に直交している。
【００４４】
第２の層のペア３２０は、第２のポリマー微多孔質膜３２２と、第１の流れ方向Ｆ１とは異なる第２の流れ方向Ｆ２（図５のｙ軸に沿った）に配向され、膜抽出要素３００の第２の対向する側面（図５のｘ軸に沿った）上に配置された流体入口３２６及び流体出口３２８を有する第２の流路層３２４とを有している。したがって、図５に示される例示的な実施形態では、第２の流れＦ２方向は、膜抽出要素３００の第２の対向する側面に直交している。第１の微多孔質膜３１２は、第１の流路層３１４と第２の流路層３２４との間に配置されている様子が示されている。図の実施形態では、第１の流れ方向Ｆ１は第２の流れ方向Ｆ２に直交しているが、これは必須ではない。
【００４５】
多くの実施形態において、液液抽出要素３００は、複数（２以上）の交互に配された第１の層のペア３１０及び第２の層のペア３２０を有している。一部の実施形態では、膜抽出要素３００は、垂直方向に整合して（ｚ軸に沿って）積層され、第１の流れ方向Ｆ１（ｘ軸に沿った）が第２の流れ方向Ｆ２（ｙ軸に沿った）に直交した、１０〜２０００、又は２５〜１０００、又は５０〜５００の交互に配された第１の層のペア３１０及び第２の層のペア３２０を有する。
【００４６】
流路層３１４、３２４及び微多孔質膜３１２、３２２は、任意の有用な値の層の厚さ（ｚ軸に沿った）を有する。多くの実施形態において、第１の流路層３１４及び第２の流路層３２４はそれぞれ、１０〜２５０マイクロメートル、又は２５〜１５０マイクロメートルの範囲の厚さを有する。多くの実施形態において、第１のポリマー微多孔質膜３１２及び第２のポリマー微多孔質膜３２２はそれぞれ、１〜２００マイクロメートル、又は１０〜１００マイクロメートルの範囲の厚さを有する。抽出要素３００は、任意の有用な値の全体の厚さ（ｚ軸に沿った）を有する。一部の実施形態では、抽出要素３００は、５〜１００ｃｍ、又は１０〜５０ｃｍの範囲の全体の厚さ（ｚ軸に沿った）を有する。
【００４７】
膜抽出要素３００は、任意の有用な形状を有し得る（例えば直線形状）。抽出要素３００は、任意の有用な値の幅（ｙ軸に沿った）及び長さ（ｘ軸に沿った）を有する。一部の実施形態では、抽出要素３００は、１０〜３００ｃｍ、又は５０〜２５０ｃｍの範囲の全体の幅（ｙ軸に沿った）を有する。一部の実施形態では、抽出要素３００は、１０〜３００ｃｍ、又は５０〜２５０ｃｍの範囲の全体の長さ（ｘ軸に沿った）を有する。一実施形態では、抽出要素３００の長さは、その幅に等しいか又はほぼ等しい。
【００４８】
第１及び第２の流路層３１４、３２４は、必要に応じて同じか又は異なる材料で形成し、同じか又は異なる形態を取り得る。第１及び第２の流路層３１４、３２４は、第１の微多孔質膜３１２と第２の微多孔質膜３２２との間で液体が流れることを可能とし得る。多くの実施形態において、第１及び第２の流路層３１４、３２４は、第１の微多孔質膜３１２と第２の微多孔質膜３２２との間に第１及び第２の流路層３１４、３２４が流路を形成するような構造とすることができる。一部の実施形態では、第１及び第２の流路層３１４、３２４は非多孔質であり、ポリマー材料（例えばポリオレフィン）で形成される。
【００４９】
一部の実施形態では、第１及び第２の流路層３１４、３２４は、第１の微多孔質膜３１２と第２の微多孔質膜３２２との間に流路が形成されるように波状（平行な交互に配された山と谷を有する）に形成される。多くの実施形態では、波状形成部により、流れ方向と平行な流路が与えられる。これらの波状形成部は任意の有用なピッチ（隣接する山又は谷の間の距離）を有し得る。一部の実施形態では、波状形成部は、０．０５〜１ｃｍ、又は０．１〜０．７ｃｍの範囲のピッチを有する。波状形成部は、任意の有用な方法によって形成することができる（例えばエンボス加工又は型成形）。
【００５０】
図５に示されるように、抽出要素３００の代表的な一構成は、第１の平面状ポリマー微多孔質膜３１２と、第１のフローＦ１方向（図５のｘ軸に沿った）に配向された第１の波状流路層３１４とを有する第１の層のペア３１０を有している。したがって、図５に示される例示的な実施形態では、第１の流れＦ１方向は、第１の波状流路層３１４の波状形成部と平行である。第２の層のペア３２０は、第２の平面状ポリマー微多孔質膜３２２と、第１の流れ方向Ｆ１に直交し、第２の波状流路層３２４の波状形成部と平行な第２の流れ方向Ｆ２（図５のｙ軸に沿った）に配向された第２の波状流路層３２４とを有している。したがって、図に示される例示的な実施形態では、第１の流れ方向Ｆ１は第２の流れ方向Ｆ２に直交しており、第１の波状流路層３１４の波状形成部は、第２の波状流路層３２４の波状形成部に直交している。
【００５１】
抽出要素３００は、抽出要素３００の選択された縁部に沿って配置される層シール３３０、３４０を場合により含んでもよい。第１の層シール３３０は、液液抽出要素３００の対向する側面に沿って、１つの層の多孔質膜と、その下の流路層との間に（流路層の流れ方向に）形成することができる。第２の層シール３４０は、抽出要素３００の対向する側面に沿って、１つの層の多孔質膜と、その下の流路層との間に（流路層の流れ方向に）形成することができる。一部の実施形態では、第１の層シール３３０と第２の層シール３４０とは、図５に示されるように対向する側面上で交互に配される。
【００５２】
一部の実施形態では、各層の間の層シール３３０、３４０は、接着剤のビーズ、音響ヒール、又は熱シールとすることができる。したがって、第１の流体がモジュールを通って第１の方向に流れ、１つおきの層の波状スペーサ及び多孔質膜を通過し、一方の側において多孔質膜層と均一に接触するとともに、第２の流体が、第１の方向に（しばしば直交する）第２の方向に液液抽出モジュールを通って流れるように向けられ、第１の層と交互に配された層の波状スペーサを通過し、他方の側において膜層と均一に接触するような２方向の液液抽出流れモジュールが形成され得る。
【００５３】
一部の実施形態では、第１の多孔質不織布層（図に示されていない）が、第１のポリマー微多孔質膜３１２と第１の流路層３１４との間に配置され、第２の多孔質不織布層（図に示されていない）が、第２のポリマー微多孔質膜３２２と第２の流路層３２４との間に配置される。この多孔質不織布層は、微多孔質膜層及び／又は流路層を補強する助けとなり得る。多孔質不織布層は、例えばスパンボンド層などの任意の有用な材料とすることができる。この多孔質不織布層は、ポリマー微多孔質膜及び／又は流路層と場合により接着することができる（接着剤、超音波シール、熱シールなどにより）。
【００５４】
一部の実施形態では、一定量の発酵ブロスが入った第１の容器（図に示されていない）が、複数の第１の層のペア３１０と流体連通する。これらの実施形態の一部のものでは、一定量の第１の抽出剤が入った第２の容器（図に示されていない）が、複数の第２の層のペア３２０と流体連通する。第１の容器は、それぞれの第１の層のペア３１０の第１の流体入口３１６と流体連通する第１の入口マニホールド（図に示されていない）に接続することができる。発酵ブロスは、このマニホールドからすべての第１の層のペア３１０に流入することができる。本明細書に開示される膜抽出システムの一部の実施形態では、すべての第１の層のペア３１０から第２の発酵ブロスが流出する第１の出口マニホールドが、それぞれの第１の層のペア３１０の第１の流体出口３１８と流体連通する。本明細書に開示される膜抽出システムの一部の実施形態では、それぞれの第２の層のペア３２０の第２の流体入口３２６と流体連通する第２の入口マニホールド（図に示されていない）が第２の容器に接続され、第１の抽出剤がすべての第２の層のペア３２０に流入することができる。一部の実施形態では、抽出剤がすべての第２の層のペア３２０から流出する第２の出口マニホールド（図に示されていない）が、それぞれの第２の層のペア３２０の第２の流体出口３２８と流体連通する。
【００５５】
本開示に基づく方法は、ブタノール（例えばイソブタノール及び／又は１−ブタノール）を生産する発酵の速度を好ましくは増大させ、かつ／又は発酵プロセスで生産されるブタノールの収率を増大させる。すなわち、本開示に基づく方法が、発酵槽からブタノールを少なくとも部分的に除去するために使用される場合、ブタノールの生産は、発酵槽からブタノールの抽出を行わない非セルロース系バイオマスからの水性混合物で発酵が行われる場合と比較して、より高い速度で生じ得る。
【００５６】
開示の選択される実施形態
実施形態１は、ブタノールを生産する方法であって、
非セルロース系バイオマスから得られた炭水化物を含む水性混合物を発酵槽に導入するステップと、
水性混合物を発酵させて、第１の発酵ブロスを与えるステップであって、その第１の発酵ブロスが、
ブタノールを生産するための微生物、
非セルロース系バイオマス由来の炭水化物、及び
ブタノール、を含む、ステップと、
第１の多孔質膜を介した第１の液液抽出により、第１の溶媒抽出剤で第１の発酵ブロスからブタノールを少なくとも部分的に抽出して、第１の抽出物及び第２の発酵ブロスを与えるステップと、を含み、
第１の溶媒抽出剤が、７〜１２個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含み、
第２の発酵ブロスが、第１の発酵ブロスよりも低いブタノールの濃度を有し、
第１の液液抽出が、液液抽出要素において行われ、液液抽出要素が、
複数の第１の層のペアであって、それぞれの第１の層のペアが、
第１のポリマー微多孔質膜、及び
液液抽出要素の第１の対向する側面上に配置された第１の流体入口及び第１の流体出口を有する、第１の流れ方向に配向された第１の流路層、を有する、複数の第１の層のペア、並びに
複数の第２の層のペアであって、少なくとも１つの第２の層のペアが２つの第１の層のペアの間に配置され、少なくとも１つの第１の層のペアが２つの第２の層のペアの間に配置されて積層体を形成し、それぞれの第２の層のペアが、
第２のポリマー微多孔質膜、及び
抽出要素の第２の対向する側面上に配置された第２の流体入口及び第２の流体出口を有する、第１の流れ方向と異なる第２の流れ方向に配向された第２の流路層と、を有する、複数の第２の層のペア、を含む、方法である。
【００５７】
実施形態２は、生産されるブタノールが１−ブタノールである、実施形態１に記載の方法である。
【００５８】
実施形態３は、第２の発酵ブロスを発酵槽に戻すことにより、非再利用法と比較してブタノール生産の速度を増大させるステップを更に含む、実施形態１又は２に記載の方法である。
【００５９】
実施形態４は、第１の抽出剤が、生産されるブタノールよりも少なくとも３０℃高い沸点を有する、又は混合物が生産される場合には、生産されるより沸点の高いブタノールよりも３０℃高い沸点を有する、実施形態１〜３のいずれか１つに記載の方法である。
【００６０】
実施形態５は、第１の抽出剤が、８〜１１個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含む、実施形態１〜４のいずれか１つに記載の方法である。
【００６１】
実施形態６は、第１の抽出剤が、２−オクタノール、２−エチル−１−ヘキサノール、１−ノナノール、２，６−ジメチル−４−ヘプタノール、１−デカノール、４−デカノール、２−プロピル−１−ヘプタノール、又はこれらの組み合わせを含む、実施形態５に記載の方法である。
【００６２】
実施形態７は、ブタノールを生産するための微生物が、天然又は操作されたクロストリジウム・アセトブチリカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ）、クロストリジウム・ベイジェリンキ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｂｅｉｊｅｒｉｎｃｋｉｉ）、酵母、大腸菌、又はこれらの組み合わせを含む、実施形態１〜６のいずれか１つに記載の方法である。
【００６３】
実施形態８は、第１の抽出剤の一部が第２の発酵ブロス中に同伴され、方法が、第２の液液抽出により第２の抽出剤で、同伴された第１の抽出剤を第２の発酵ブロスから少なくとも部分的に抽出するステップを更に含む、実施形態１〜７のいずれか１つに記載の方法である。
【００６４】
実施形態９は、第２の抽出剤がドデカンを含む、実施形態８に記載の方法である。
【００６５】
実施形態１０は、非セルロース系バイオマスが、トウモロコシ、サトウキビ、テンサイ、キャッサバ、小麦、又はこれらの混合物を含む、実施形態１〜９のいずれか１つに記載の方法である。
【００６６】
実施形態１１は、発酵ブロスからブタノールを回収する方法であって、
非セルロース系バイオマスから得られた炭水化物を含む水性混合物を発酵槽に導入するステップと、
水性混合物を発酵させて、第１の発酵ブロスを与えるステップであって、
ブタノールを生産するための微生物、
非セルロース系バイオマス由来の炭水化物、及び
ブタノール、を含むステップと、
第１の多孔質膜を介した第１の液液抽出により、第１の溶媒抽出剤で第１の発酵ブロスからブタノールを少なくとも部分的に抽出して、第１の抽出物及び第２の発酵ブロスを与えるステップと、
ブタノールの少なくとも一部を第１の抽出物から回収するステップと、を含み、
第１の溶媒抽出剤が、７〜１２個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含み、
第２の発酵ブロスが、第１の発酵ブロスよりも低いブタノールの濃度を有し、
第１の液液抽出が、液液抽出要素において行われ、液液抽出要素が、
複数の第１の層のペアであって、それぞれの第１の層のペアが、
第１のポリマー微多孔質膜、及び
液液抽出要素の第１の対向する側面上に配置された第１の流体入口及び第１の流体出口を有する、第１の流れ方向に配向された第１の流路層と、を有する、複数の第１の層のペア、並びに
複数の第２の層のペアであって、少なくとも１つの第２の層のペアが２つの第１の層のペアの間に配置され、少なくとも１つの第１の層のペアが２つの第２の層のペアの間に配置されて積層体を形成し、それぞれの第２の層のペアが、
第２のポリマー微多孔質膜、及び
抽出要素の第２の対向する側面上に配置された第２の流体入口及び第２の流体出口を有する、第１の流れ方向と異なる第２の流れ方向に配向された第２の流路層と、を有する、複数の第２の層のペア、を含む、方法である。
【００６７】
実施形態１２は、ブタノールを回収するステップが、フラッシュ分離及び／又は真空蒸留によりブタノールを濃縮するステップを含む、実施形態１１に記載の方法である。
【００６８】
実施形態１３は、第１の抽出剤が、生産されるブタノールよりも少なくとも３０℃高い沸点を有する、又は混合物が生産される場合には、生産されるより沸点の高いブタノールよりも３０℃高い沸点を有する、実施形態１１又は１２に記載の方法である。
【００６９】
実施形態１４は、第１の抽出剤が、８〜１１個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含む、実施形態１１〜１３のいずれか１つに記載の方法である。
【００７０】
実施形態１５は、第１の抽出剤が、２−オクタノール、２−エチル−１−ヘキサノール、１−ノナノール、２，６−ジメチル−４−ヘプタノール、１−デカノール、４−デカノール、２−プロピル−１−ヘプタノール、又はこれらの組み合わせを含む、実施形態１４に記載の方法である。
【００７１】
実施形態１６は、ブタノールを生産するための微生物が、天然又は操作されたクロストリジウム・アセトブチリカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ）、クロストリジウム・ベイジェリンキ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｂｅｉｊｅｒｉｎｃｋｉｉ）、酵母、大腸菌、又はこれらの組み合わせを含む、実施形態１１〜１５のいずれか１つに記載の方法である。
【００７２】
実施形態１７は、第１の抽出剤の一部が第２の発酵ブロス中に同伴され、方法が、第２の液液抽出により第２の抽出剤で、同伴された第１の抽出剤を第２の発酵ブロスから少なくとも部分的に抽出するステップを更に含む、実施形態１１〜１６のいずれか１つに記載の方法である。
【００７３】
実施形態１８は、第２の抽出剤がドデカンを含む、実施形態１７に記載の方法である。
【００７４】
実施形態１９は、非セルロース系バイオマスが、トウモロコシ、サトウキビ、テンサイ、キャッサバ、小麦、又はこれらの混合物を含む、実施形態１１〜１８のいずれか１つに記載の方法である。
【００７５】
実施形態２０は、生産されるブタノールがイソブタノールである、実施形態１１〜１９のいずれか１つに記載の方法である。
【００７６】
以下の非限定的な実施例によって本開示の目的及び利点を更に例示するが、これらの実施例に記載する特定の材料及びその量、並びに他の条件及び詳細は、本開示を不当に限定するものとして解釈されるべきではない。
【実施例】
【００７７】
特に断らないかぎり、実施例及び本明細書の残りの部分におけるすべての部、比率（％）、及び比などは、重量基準である。以下の実施例では、これらの略語を使用する。すなわち、ｇ＝グラム、ｍｉｎ＝分、ｈｒ＝時間、ｍＬ＝ミリリットル、Ｌ＝リットル。下記の表において特に示されないかぎり、化学物質はミズーリ州、セントルイス所在のシグマ・アルドリッチ社（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）より入手した。
【００７８】
実施例１〜８：１−ブタノールに対して高い分配係数及び高い選択性を有する溶媒
方法：
オレイルアルコール、２−エチル−１−ヘキサノール及び４−デカノールをアルファ・エイサー社（Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ）（マサチューセッツ州ワードヒル）より入手した。メシチレン、デカン、２−オクタノール、１−ノナノール、２，６−ジメチル−４−ヘプタノール及び１−デカノールをシグマ・アルドリッチ社（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）（ミズーリ州セントルイス）より入手した。２−プロピル−１−ヘプタノールをビー・エー・エス・エフ社（ＢＡＳＦ）（ニュージャージー州フロハムパーク）より入手した。２重量％の１−ブタノール水溶液２ｍＬと、２ｍＬの各溶媒を６ｍＬのガラスバイアルに加え、充分に振盪した。振盪後、各試料を室温（２５℃）で一晩インキュベートした。各相からの試料を、熱伝導性検出器及びワックスカラム（ＤＢ−ＷＡＸ、アジレント・テクノロジーズ社（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ））を備えたガスクロマトグラフ（ＨＰ  ６８９０システム、アジレント・テクノロジーズ社（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）、カリフォルニア州サンタクララ）により分析して、両方の相における１−ブタノールと水の濃度を定量した。
【００７９】
分配係数：
１−ブタノールの分配係数ＫＤＢは、以下のように定義される。
【００８０】
【数１】
2018068301.tif 000003
式中、［ＢｕＯＨ］ＳＬＶは、溶媒相中の１−ブタノールの重量％であり、［ＢｕＯＨ］ＡＱＵは、水相中の１−ブタノールの重量％である。
【００８１】
同様にして、水の分配係数ＫＤＷは、以下のように定義される。
【００８２】
【数２】
2018068301.tif 000004
式中、［Ｈ２Ｏ］ＳＬＶは、溶媒相中の水の重量％であり、［Ｈ２Ｏ］ＡＱＵは、水相中の水の重量％である。
【００８３】
分離係数比（α）：
分離係数α（アルファ）は、水の分配係数に対する１−ブタノールの分配係数の比として定義される。
【００８４】
【数３】
2018068301.tif 000005
【００８５】
【表１】
2018068301.tif 000006
注：「ｎ．ｄ．」は、溶媒相中の水濃度が極めて低いことによる「未検」を意味する。
【００８６】
オレイルアルコールは、ブタノール抽出における基準溶媒であった。メシチレンは、クレーマー（Ｋｒａｅｍｅｒ）らによる「Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂｕｔａｎｏｌ  ｆｒｏｍ  Ａｃｅｔｏｎｅ−Ｂｕｔａｎｏｌ−Ｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｂｙ  ａ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ−Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ」Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，（２０１０）２８：７〜１２において参照された。メシチレン及びデカンは、溶媒相中の水濃度が検出限界以下であり、したがってα値は計算されなかった。表１の実験結果は、以下の５つの溶媒は、ＫＤＢ及び選択性の両方についてオレイルアルコールと同等か又はより高い性能を有したことを示している（比較例１）。すなわち、２−オクタノール、２−エチル−１−ヘキサノール、２，６−ジメチル−４−ヘプタノール、４−デカノール、及び２−プロピル−１−ヘプタノール。
【００８７】
実施例９〜１６：イソブタノールに対して高い分配係数及び高い選択性を有する溶媒
方法：
同じ溶媒をイソブタノール抽出溶媒として調べた。実施例１〜８において述べたものと同じ方法を用いた。イソブタノールの分配係数ＫＤＩは、ＫＤＢと同様にして定義される。
【００８８】
【表２】
2018068301.tif 000007
【００８９】
表２の実験結果は、以下の７つの溶媒は、ＫＤＩ及び選択性の両方においてオレイルアルコールと同等か又はより高い性能を示したことを示している（比較例３）。すなわち、２−オクタノール、２−エチル−１−ヘキサノール、１−ノナノール、２，６−ジメチル−４−ヘプタノール、１−デカノール、４−デカノール、及び２−プロピル−１−ヘプタノール。
【００９０】
実施例１７：１−ブタノールの膜溶媒抽出
方法：
８インチ（２０ｃｍ）×８インチ（２０ｃｍ）×２インチ（５ｃｍ）の交差流膜溶媒抽出（ＭＳＥ）モジュールを、モジュールハウジングユニット（米国特許出願公開第２００７／０１１９７７１号に述べられる）内で使用し、抽出溶媒として２，６−ジメチル−４−ヘプタノールを用いて１−ブタノールを抽出した。ＭＳＥモジュールは、１．００７ｍ２の膜表面積を有していた。熱誘導相分離プロセス（米国特許第４，７２６，９８９号及び同第５，１２０，５９４号に述べられる）により作製したポリプロピレン多孔質膜（平均孔径０．３５μｍ、平均多孔度３６．６％、厚さ７５μｍ）を、ＭＳＥモジュールに組み込んだ。２，０００ｇの１４ｇ／Ｌの１−ブタノール水溶液の試料を水リザーバに入れ、これをＭＳＥモジュールに、またＭＳＥモジュールからパイプにより接続して循環水ループを構成した。２，０００ｇの２，６−ジメチル−４−ヘプタノールを、溶媒リザーバに加え、これをＭＳＥモジュールの別の部分にパイプにより接続して循環溶媒ループを構成した。水リザーバ及び溶媒リザーバ内の各溶液を、それぞれ２５０ｍＬ／分及び１３００ｍＬ／分でギアポンプにより圧送した。膜横断圧力を約０．２ｐｓｉ（１．４ｋＰａ）（水相でより高い圧力）となるように制御した。溶液の温度を５０℃に設定した。ＭＳＥの動作の間、水相と溶媒相とは多孔質膜内部で互いに接触し、水相から溶媒相へのブタノールの溶媒抽出が起きた。水ループ及び溶媒ループからの試料を１０分毎に試料ポートより回収した。熱伝導性検出器及びワックスカラム（１９０９１−Ｎ−２１３、アジレント・テクノロジーズ社（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ））を備えたガスクロマトグラフ（ＨＰ  ５８９０Ａ、アジレント・テクノロジーズ社（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ））を使用して、両方の相における１−ブタノールと水の濃度を定量した。
【００９１】
結果：
膜溶媒抽出において、表３に示すように、１−ブタノールが水相から溶媒相（２，６−ジメチル−４−ヘプタノール）に連続的に抽出された。溶媒中の１−ブタノールの濃度［ＢｕＯＨ］ＳＬＶが、０分における０ｇ／Ｌから９０分における１１．７ｇ／Ｌに増大した一方で、溶媒中の水の濃度［Ｈ２Ｏ］ＳＬＶは、１０分における２．９ｇ／Ｌから９０分における７．２ｇ／Ｌに増大した。ＭＳＥの動作の間、エマルションの形成は認められなかった。これらの結果より、溶媒相のフラッシュ分離による予想される１−ブタノール濃度は、［ＢｕＯＨ］ＳＬＶ／（［ＢｕＯＨ］ＳＬＶ＋［Ｈ２Ｏ］ＳＬＶ）として計算される（表３）。予想されるブタノール濃度は５６〜６６％の範囲であり、最初の１．４重量％（１３．９ｇ／Ｌ）からの顕著な１−ブタノールの濃縮を示している。
【００９２】
【表３】
2018068301.tif 000008
【００９３】
実施例１８．イソブタノールの膜溶媒抽出
方法：
多層交差流ＭＳＥユニットを２，６−ジメチル−４−ヘプタノールとともに使用して、イソブタノールを抽出した。この方法は、１４ｇ／Ｌの１−ブタノール水溶液の代わりに１４ｇ／Ｌのイソブタノール水溶液を使用した以外は、実施例１７と同様であった。
【００９４】
結果：
ＭＳＥの動作の全体を通じて、表４に示すように、イソブタノールが水相から溶媒相（２，６−ジメチル−４−ヘプタノール）に連続的に抽出された。イソブタノールの抽出では、時間０をＭＳＥが流れ及び圧力の安定状態を確立した時点として定義したため、抽出は実際には時間０分よりも前に起こった。溶媒中のイソブタノールの濃度［Ｉｓｏ−ＢｕＯＨ］ＳＬＶが、０分における２．３７ｇ／Ｌから９０分における８．６３ｇ／Ｌに増大した一方で、溶媒中の水の濃度［Ｈ２Ｏ］ＳＬＶは、０分における３．３４ｇ／Ｌから９０分における６．０５ｇ／Ｌに増大した。ＭＳＥの動作の間、エマルションの形成は認められなかった。これらの結果より、溶媒相のフラッシュ分離による予想されるイソブタノール濃度は、［Ｉｓｏ−ＢｕＯＨ］ＳＬＶ／（［Ｉｓｏ−ＢｕＯＨ］ＳＬＶ＋［Ｈ２Ｏ］ＳＬＶ）として計算される（表４）。予想される濃度は４６〜５８％の範囲であり、最初の１．０重量％（１０．２ｇ／Ｌ）からの顕著なイソブタノールの濃縮を示している。
【００９５】
【表４】
2018068301.tif 000009
【００９６】
実施例１９．連続的ブタノール発酵及び膜溶媒抽出プロセス
１−ブタノール又はイソブタノールを、トウモロコシ由来又はサトウキビ由来の糖類又は場合により他のデンプン系糖類を使用して発酵により生産する。ブタノール産生微生物としては、天然又は操作されたクロストリジウム・アセトブチリカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ）、クロストリジウム・ベイジェリンキ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｂｅｉｊｅｒｉｎｃｋｉｉ）、酵母、又は大腸菌である。ブタノールは、それを生産する微生物の強力なフィードバック阻害物質である。２重量％の低いブタノール濃度で発酵が停止し得る。膜溶媒抽出を使用して発酵ブロスから連続的にブタノールが抽出されると、ブタノールによるこのようなフィードバック阻害は低減され、発酵及びブタノール生産速度の加速につながる。抽出後、フラッシュ分離、真空蒸留、又は他の下流の濃縮プロセスによって、ブタノールと少量の水が回収されるこれにより、従来の蒸留による分離と比較してブタノールの分離の全体のエネルギーが低くなる。
【００９７】
本明細書において引用した特許及び刊行物はすべて、それらの全容を参照により本明細書に援用するものである。本発明の種々の修正及び変更を本発明の範囲及び趣旨を逸脱せずに当業者によって行ってもよい。本発明は本明細書に記載された例示的な実施形態に不当に限定されるべきではないことは理解されるべきである。
【図１】
2018068301.tif 000010
【図２】
2018068301.tif 000011
【図３】
2018068301.tif 000012
【図４】
2018068301.tif 000013
【図５】
2018068301.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月16日(2017.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブタノールを生産する方法であって、
非セルロース系バイオマスから得られた炭水化物を含む水性混合物を発酵槽に導入するステップと、
前記水性混合物を発酵させて、第１の発酵ブロスを与えるステップであって、前記第１の発酵ブロスが、
ブタノールを生産するための微生物、
前記非セルロース系バイオマス由来の炭水化物、及び
ブタノール、を含む、ステップと、
第１の多孔質膜を介した第１の液液抽出により、第１の溶媒抽出剤で前記第１の発酵ブロスから前記ブタノールを少なくとも部分的に抽出して、第１の抽出物及び第２の発酵ブロスを与えるステップと、を含み、
前記第１の溶媒抽出剤が、２−オクタノール、２−エチルー１−ヘキサノールまたはこれらの混合物を含み、
前記第２の発酵ブロスが、前記第１の発酵ブロスよりも低いブタノールの濃度を有し、
前記第１の液液抽出が、液液抽出要素において行われ、前記液液抽出要素が、
複数の第１の層のペアであって、それぞれの第１の層のペアが、
第１のポリマー微多孔質膜、及び
前記液液抽出要素の第１の対向する側面上に配置された第１の流体入口及び第１の流体出口を有する、第１の流れ方向に配向された第１の流路層、を有する、複数の第１の層のペア、並びに
複数の第２の層のペアであって、少なくとも１つの第２の層のペアが２つの第１の層のペアの間に配置され、少なくとも１つの第１の層のペアが２つの第２の層のペアの間に配置されて積層体を形成し、それぞれの第２の層のペアが、
第２のポリマー微多孔質膜、及び
前記抽出要素の第２の対向する側面上に配置された第２の流体入口及び第２の流体出口を有する、前記第１の流れ方向と異なる第２の流れ方向に配向された第２の流路層と、を有する、複数の第２の層のペア、を含む、方法。
【請求項２】
発酵ブロスからブタノールを回収する方法であって、
非セルロース系バイオマスから得られた炭水化物を含む水性混合物を発酵槽に導入するステップと、
前記水性混合物を発酵させて、第１の発酵ブロスを与えるステップであって、
ブタノールを生産するための微生物、
前記非セルロース系バイオマス由来の炭水化物、及び
ブタノール、を含むステップと、
第１の多孔質膜を介した第１の液液抽出により、第１の溶媒抽出剤で前記第１の発酵ブロスから前記ブタノールを少なくとも部分的に抽出して、第１の抽出物及び第２の発酵ブロスを与えるステップと、
前記ブタノールの少なくとも一部を前記第１の抽出物から回収するステップと、を含み、
前記第１の溶媒抽出剤が、２−オクタノール、２−エチルー１−ヘキサノールまたはこれらの混合物を含み、
前記第２の発酵ブロスが、前記第１の発酵ブロスよりも低いブタノールの濃度を有し、
前記第１の液液抽出が、液液抽出要素において行われ、前記液液抽出要素が、
複数の第１の層のペアであって、それぞれの第１の層のペアが、
第１のポリマー微多孔質膜、及び
前記液液抽出要素の第１の対向する側面上に配置された第１の流体入口及び第１の流体出口を有する、第１の流れ方向に配向された第１の流路層と、を有する、複数の第１の層のペア、並びに
複数の第２の層のペアであって、少なくとも１つの第２の層のペアが２つの第１の層のペアの間に配置され、少なくとも１つの第１の層のペアが２つの第２の層のペアの間に配置されて積層体を形成し、それぞれの第２の層のペアが、
第２のポリマー微多孔質膜、及び
前記抽出要素の第２の対向する側面上に配置された第２の流体入口及び第２の流体出口を有する、前記第１の流れ方向と異なる第２の流れ方向に配向された第２の流路層と、を有する、複数の第２の層のペア、を含む、方法。
【請求項３】
第１の多孔質膜を介した第１の液液抽出による、第１の溶媒抽出剤での第１の発酵ブロスからのブタノールの抽出が連続的に行われる、請求項１ないし２に記載の方法。
【外国語明細書】
2018068301000001.pdf