(57)【要約】  本発明は、リグノセルロース系バイオマスの前処理のためのプロセスを提供する。本発明は、リグノセルロース系バイオマスを、ジコリンのフタル酸塩からなるイオン液と接触させる工程を含み、バイオマス：イオン液の重量比が１：１〜１：１００である、リグノセルロース系バイオマスの前処理のためのプロセスについて記載しており、前記工程は、０．４〜４８時間までの期間、及び６０〜２００℃までの温度範囲で行われる。更に、本発明はまた、酵素加水分解プロセスにおける前処理されたリグノセルロース系バイオマスの使用に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リグノセルロース系バイオマスを、ジコリンのフタル酸塩からなるイオン液と接触させる工程を含み、バイオマス：イオン液の重量比が１：１〜１：１００であることを特徴とする、リグノセルロース系バイオマスの前処理のためのプロセス。
【請求項２】
前記工程が、０．４〜４８時間までの期間、及び６０〜２００℃までの温度範囲で行われることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記イオン液が、フタル酸ジコリン、イソフタル酸ジコリン、及びテレフタル酸ジコリンの塩から選択されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記プロセスが、１００から４００ｒｐｍの範囲で、好ましくは２５０ｒｐｍで撹拌する工程を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項５】
遠心分離、濾過、及びデカンテーションから選択される後続の工程を含み、液体及び固体画分が得られることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項６】
前記固体画分を洗浄及び乾燥させる工程を更に含むことと、前記洗浄工程は水、エタノール又はそれらの混合物で１〜１０サイクル行われ、乾燥工程は６０〜２００℃、好ましくは８０℃の温度で行われることとを特徴とする、請求項５に記載のプロセス。
【請求項７】
前記リグノセルロース系バイオマスが、廃棄物、広葉樹、針葉樹、セルロース系廃棄物、草本バイオマス、及び都市固形廃棄物から選択されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項８】
前記バイオマスがサトウキビバガスであることを特徴とする、請求項７に記載のプロセス。
【請求項９】
酵素加水分解による処理のプロセスであることを特徴とする、請求項１に記載のプロセスによって前処理されたリグノセルロース系バイオマスの使用。
【請求項１０】
セルラーゼ酵素を使用することを特徴とする、請求項９に記載の前処理されたリグノセルロース系バイオマスの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フタル酸塩からなるイオン液を使用するリグノセルロース系バイオマスの前処理のためのプロセス、及び酵素加水分解プロセスにおける前処理済みバイオマスの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油誘導体に代わる持続可能な代替物を探す上で、原料又はエネルギー源としてのリグノセルロース系バイオマスの使用は、その優れた入手可能性と低コスト故に、魅力的な資源である。
【０００３】
リグノセルロース系材料としては、サトウキビバガスやトウモロコシわら等の廃棄物、ヤマナラシやポプラ等の広葉樹、松やモミ等の針葉樹、再生紙パルプや新聞用紙等のセルロース廃棄物、アルファルファ干し草やクサヨシ等の草本バイオマス、都市固形廃棄物等が挙げられる。
【０００４】
例えば、この種のバイオマス由来の糖を発酵させることにより、エタノール、コハク酸、乳酸、２，３−ブタンジオール、クエン酸、酢酸、イタコン酸、フマル酸、ｎ−ブタノール等、幅広いバイオ製品を提供することが可能である。
【０００５】
しかし、リグノセルロース材料は、基本的にセルロース（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）ｘ、ヘミセルロース（Ｃ５Ｈ８Ｏ４）ｍ、及びリグニン（Ｃ９Ｈ１０Ｏ３（ＯＣＨ３））ｎからなる複雑な炭水化物のポリマーであるため、その化学組成故に、誘導体を発酵によって直接製造することは困難となる。
【０００６】
生物学的変換のためにバイオマス中の炭水化物へのアクセスを容易にし、したがって糖の発酵を最大化するために、バイオマスにある前処理を適用して、その成分のうちの１つ以上、特にリグニンを可溶化及び分離する必要がある。
【０００７】
バイオマスの前処理には、次の目的がある。セルロース分子の重合度を低下させること、それらを加水分解プロセスに利用できるようにすること、加水分解及び発酵のプロセスの阻害剤である副産物の形成を回避すること、そして主に、経済的に実行可能にすることである。
【０００８】
現在、前処理には様々な方法があり、物理的、化学的、又は物理化学的である場合がある。
【０００９】
化学的前処理は、通常、酸、塩基、又は有機溶媒を採用する、有機又は無機化合物を採用することができる。
【００１０】
イオン液は、バイオマスの化学的前処理における溶媒としても有望な代替物である。
【００１１】
Ｂｒａｎｄｔらは、”Ｄｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｉｃ  ｂｉｏｍａｓｓ  ｗｉｔｈ  ｉｏｎｉｃ  ｌｉｑｕｉｄｓ”−Ｇｒｅｅｎ  Ｃｈｅｍ．，２０１３，１５，５５０−５８３（非特許文献１）で、イオン液を溶媒として使用するバイオマス前処理について説明している。記載されているイオン液は、イミダゾール、ピリジン、ピペリジン、ピロリジン、アンモニウム、スルホン酸塩及びホスホニウムから選択される陽イオン、並びに硫酸塩、スルホン酸塩、臭化物、塩化物、ヨウ化物、酢酸塩、リン酸塩及びシアンアミドから選択される陰イオンを含む。
【００１２】
Ｐｅｒｅｚ−Ｐｉｍｉｅｎｔａらによる調査”Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｉｍｐａｃｔ  ｏｆ  ｉｏｎｉｃ  ｌｉｑｕｉｄ  ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ｏｎ  ｒｅｃａｌｃｉｔｒａｎｃｅ  ｏｆ  ａｇａｖｅ  ｂａｇａｓｓｅ  ａｎｄ  ｓｗｉｔｃｈｇｒａｓｓ”−Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  １２７（２０１３）１８−２４（非特許文献２）では、イオン液がリグノセルロース系バイオマスの前処理に優れた溶媒であるとの説明がある。この研究で評価されたイオン液は、様々な濃度の１−エチル−３−メチルイミダゾールアセテートであった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｂｒａｎｄｔ，ｅｔ  ａｌ，”Ｄｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｉｃ  ｂｉｏｍａｓｓ  ｗｉｔｈ  ｉｏｎｉｃ  ｌｉｑｕｉｄｓ”−Ｇｒｅｅｎ  Ｃｈｅｍ．，２０１３，１５，５５０−５８３
【非特許文献２】Ｐｅｒｅｚ−Ｐｉｍｉｅｎｔａ，ｅｔ  ａｌ，”Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｉｍｐａｃｔ  ｏｆ  ｉｏｎｉｃ  ｌｉｑｕｉｄ  ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ｏｎ  ｒｅｃａｌｃｉｔｒａｎｃｅ  ｏｆ  ａｇａｖｅ  ｂａｇａｓｓｅ  ａｎｄ  ｓｗｉｔｃｈｇｒａｓｓ”−Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  １２７（２０１３）１８−２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、イミダゾールに基づく溶媒は、実験室プロセス及び工業プロセスの両方において、分解の並行反応が発生するという欠点を有することに加えて、反応の操作上の安全性に関するリスクを提示する。
【００１５】
したがって、本発明の目的は、先行技術で特定された欠点を有さないリグノセルロース系バイオマスの代替的な化学的前処理を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、溶媒として、ジコリンのフタル酸塩からなるイオン液を使用するリグノセルロース系バイオマスの化学的前処理のためのプロセスに関する。
【００１７】
前記プロセスは、０．４〜４８時間までの期間、及び６０℃〜２００℃までの温度範囲で、ジコリンのフタル酸塩からなるイオン液を、バイオマス：イオン液が１：１〜１：１００の重量比でリグノセルロース系バイオマスと接触させる工程を含む。
【００１８】
更に、本発明はまた、酵素加水分解プロセスにおいてフタル酸塩で前処理したリグノセルロース系バイオマスの使用を対象とする。
【００１９】
以下に示す詳細な説明は、添付の図を参照している。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、バイオマスをイソフタル酸ジコリンイオン液で前処理した後に得られた液体画分について、対照サンプルと比較して行った走査型分光光度分析の結果を示す。
【図２】図２は、サトウキビバガスを、イソフタル酸ジコリンと１：１００の比率（左側のサンプル）で、及びテレフタル酸ジコリンと１：２０の比率（右側のサンプル）で前処理を行った溶液の写真を示す。
【図３】図３は、天然サトウキビバガス（ａ）と、バガスをテレフタル酸ジコリンで１：１０（ｂ）及び１：２０（ｃ）の比率で前処理したものとのサンプルの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）撮影で得られた画像を示す。
【図４】図４は、サトウキビバガスをイソフタル酸ジコリンで１：５（ａ，ｂ）及び１：１０（ｃ，ｄ）の比率で前処理したサンプルの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）撮影で得られた画像を示す。
【図５】図５は、サトウキビバガスをイソフタル酸ジコリンで１：２０（ａ，ｂ）、１：５０（ｃ，ｄ）及び１：１００（ｅ，ｆ）の比率で前処理したサンプルの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）撮影で得られた画像を示す。
【図６】図６は、イソフタル酸ジコリンイオン液で前処理した後に得られた固体サンプルの写真を示す。
【図６】図６は、前処理したサンプルと、サトウキビバガスを前処理していないサンプルとを酵素加水分解している際のグルコース濃度を示す。
【図７】図７は、前処理したサンプルと、サトウキビバガスを前処理していないサンプルとを酵素加水分解している際のキシロースの濃度を示す。
【図８】図８は、前処理したサンプルと、サトウキビバガスを前処理していないサンプルとを酵素加水分解している際のグルコース濃度を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、ジコリンのフタル酸塩からなるイオン液を採用したリグノセルロース系バイオマスの化学的前処理のためのプロセスに関する。
【００２２】
前記プロセスは、リグノセルロース系バイオマスを、バイオマス：イオン液が１：１〜１：１００の重量比でジコリンのフタル酸塩からなるイオン液と接触させる工程を含む。
【００２３】
前記接触させる工程は、０．４〜４８時間までの期間、及び６０℃〜２００℃までの温度で行われる。
【００２４】
好ましい実施形態では、イオン液は、フタル酸ジコリン、イソフタル酸ジコリン、及びテレフタル酸ジコリンの塩から選択される。好ましくは、採用するイオン液は、イソフタル酸ジコリン及びテレフタル酸ジコリンから選択される。
【００２５】
本発明に記載のジコリンのフタル酸塩は、これらの塩が操作温度で液体形態であることが確認されたので、イオン液であると定義される。
【００２６】
例えば、塩イソフタル酸ジコリン［Ｃｈ］２［Ｉｓｏ］は、１００℃未満の温度で流動性があることが証明された。１００℃以下の様々な温度でのこの塩の動粘度と絶対粘度を以下の表１に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
次に、塩テレフタル酸ジコリン［Ｃｈ］２［Ｔｅｒ］は、１００℃以下の温度では溶融せず、流動性が証明されなかった。
【００２９】
したがって、操作温度の定義は使用する塩に依存し、塩がイオン液として分類されることを保証するのに十分な高さである必要があることは確かである。
【００３０】
本明細書に開示されるプロセスにおいて、撹拌は、１００〜４００ｒｐｍの範囲で採用され得る。好ましくは、採用される撹拌は約２５０ｒｐｍのものである。
【００３１】
好ましい実施形態では、プロセスは、遠心分離、濾過、及びデカンテーションから選択される相分離の後続の工程を含む。この工程では、固体画分と液体画分の形成がある。
【００３２】
液体画分には、抽出リグニン、遊離糖、酢酸、並びにフルフラール及び５−ヒドロキシメチルフルフラール（５−ＨＭＦ）等の前処理を行った溶液が含まれる。
【００３３】
固体画分には、リグニン含有量の少ない前処理済みバイオマスと、使用した過剰のフタル酸塩が含まれている。
【００３４】
本明細書に記載の本発明のプロセスはまた、使用される過剰のフタル酸塩を除去し、残留リグニン等の固体画分に物理的に付着している可能性のある成分を抽出することを目的として、前記固体画分を洗浄及び乾燥させる工程を含んでもよい。
【００３５】
洗浄工程では、水、エタノール又はそれらの混合物を使用し、１〜１０回の洗浄サイクルを実施してもよい。
【００３６】
乾燥工程は、６０〜２００℃までの温度で、好ましくは約８０℃の温度で行われる。
【００３７】
本明細書に開示の前処理プロセスで採用するリグノセルロース系バイオマスは、廃棄物、広葉樹、針葉樹、セルロース系廃棄物、草本バイオマス、及び都市固形廃棄物から選択してもよい。好ましくは、サトウキビバガスが使用される。
【００３８】
本発明はまた、酵素加水分解の処理プロセスにおけるフタル酸塩からなるイオン液で前処理されたリグノセルロース系バイオマスの使用に関する。
【００３９】
好ましい実施形態では、セルラーゼ酵素が加水分解プロセスに採用され、これによりグルコース、キシロース、及びセロビオース等の糖が得られる。
【００４０】
これらの糖は、エタノール、２，３−ブタンジオール、ｎ−ブタノール、乳酸、コハク酸、クエン酸、酢酸、イタコン酸、フマル酸等のバイオ製品を形成するための工業発酵プロセスで非常に重要である。
【００４１】
以下に与える説明は、本発明の好ましい実施形態に基づく。当業者には明らかであるように、本発明はこれらの特定の実施形態に限定されない。
【００４２】
［実施例］
実施例１−前処理プロセス
バイオマス：イオン液の重量比が１：５〜１：１００となるように、イオン液イソフタル酸ジコリン［Ｃｈ］２［Ｉｓｏ］及びテレフタル酸ジコリン［Ｃｈ］２［Ｔｅｒ］を使用して、サトウキビバガスの前処理のプロセスの効果を評価した。
【００４３】
加熱及び磁気撹拌用のＩＫＡ(Ｃ)ＲＥＴベーシックプレートとコントローラシステム（モデルＩＫＡ(Ｃ)ＥＴＳ−Ｄ４ファジーコントローラ）に接続されており、炭化ケイ素ブロック上に配置された６つのガラス容器からなる反応器（モデルＭｅｔｔｌｅｒ−Ｔｏｌｅｄｏ  ＸＴ  Ｐｌｕｓ（登録商標））を採用した。
【００４４】
このプロセスは、９０℃の温度で２４時間実施した。採用した磁気撹拌は２５０ｒｐｍであった。
【００４５】
イオン液をバイオマスと接触させる工程の後、サンプルを遠心分離し、液体画分（前処理溶液）と固体画分を得た。
【００４６】
固体画分をフタル酸塩が除去されるまで蒸留水で徹底的に洗浄し、次に低水分含有量が確認されるまで８０℃で乾燥させた。
【００４７】
実施例１ａ−前処理を行った溶液の特性評価
前処理後に得られた溶液は、遊離糖、並びにフルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール（５−ＨＭＦ）、及び酢酸の存在の可能性を特定することを目的として、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）により、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ製のＵｌｔｉｍａｔｅ３０００モデルを用いて分析した。使用したクロマトグラフィー条件は次の通りである。
・ＢｉｏＲａｄ  ＨＰＸ−８７Ｈカラム
・移動相：Ｈ２ＳＯ４  ５ｍＭ、流速：０．７ｍＬ／ｍｉｎ
・サンプル注入量：２０μＬ
・カラム温度：６５℃
・検出器：３５℃でのＲＩＤ
・分析時間：２５分。
【００４８】
更に、液体画分は、リグニンの存在を調査するために、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ製の分光光度計モデルＭｕｌｔｉｓｋａｎ  ＧＯを用いた、波長範囲２００〜５００ｎｍでの走査型分光光度分析にも供した。
【００４９】
図１に示す広い波長範囲での走査型分光光度分析では、前処理を行った溶液の吸光度の最大値が約２２８〜２３０ｎｍであることが観察できた。
【００５０】
上記の範囲は、サトウキビバガスのサンプル（ＮＩＳＴ標準サンプル）中のリグニン（酸可溶性）の分析のために、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｎｒｅｌ．ｇｏｖ／ｄｏｃｓ／ｇｅｎ／ｆｙ１３／４２６１８．ｐｄｆで入手可能な２０１２年の文献”Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅｓ  ｉｎ  ｌｉｇｎｉｎ  ｉｎ  ｂｉｏｍａｓｓ”においてＳｌｕｉｔｅｒらによって提案された波長に非常に近い。
【００５１】
それらを対照サンプルと比較すると、図１に示されている曲線は、サトウキビバガスとのインキュベーションにかけられたサンプルの溶液中の吸光度の値が高いことが分かる。
【００５２】
したがって、前処理中のリグニン（酸可溶性）の抽出が検証される。
【００５３】
また、図２に示す溶液を目視観察したところ、走査型分光光度測定の結果が確認された。［Ｃｈ］２［Ｉｓｏ］で前処理した後、目に見えて暗くなる溶液を確認することができ、したがってリグニンの除去が差別化されていることが示される。
【００５４】
実施例１ｂ−前処理されたサンプルの特性評価
イオン液との接触、遠心分離、洗浄及び乾燥の工程の後のバガスのサンプルの固体画分は、メタライザーのモデルＱｕｏｒｕｍ  Ｑ１５０ＴＥＳでＡｕ／Ｐｄにより金属化され、Ｚｅｉｓｓ  ＥＶＯ−ＬＳ１５顕微鏡で２０ｋＶの電圧で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって分析された。
【００５５】
ＳＥＭ分析の結果を図３、図４、図５に示す。
【００５６】
これらの図は、空洞とトンネルが形成された非常に無秩序なバガス繊維を示しており、前処理で使用された［Ｃｈ］２［Ｉｓｏ］の割合が高いことと一致している（４及び５）。
【００５７】
塩［Ｃｈ］２［Ｔｅｒ］とインキュベートしたサンプルも観察され、形態が少し硬くコンパクトで、影響の度合いがいささか少ない繊維が示された。
【００５８】
固体サンプルは、組成（炭水化物とリグニン）を決定する目的で、熱重量分析ＴＧＡ／ＤＴＡにも供した。使用した装置はＳＤＴＱ６００であった。加熱速度は２０℃・ｍｉｎ−１、Ｎ２の流量は１００ｍＬ・ｍｉｎ−１とし、温度範囲は２５〜５００℃で、その後３０分の等温線が続いた。次に、１００ｍＬ・ｍｉｎ−１の気流で１０００℃まで再加熱した。
【００５９】
以下の表２は、フタル酸塩で前処理したサンプル中のリグニンとセルロースの含有量の変化率を示す。
【表２】
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【００６０】
前処理されていないサトウキビバガスのこれらの成分の含有量と比較して、セルロースの含有量は実質的にすべてのサンプルで増加し、リグニンの含有量はすべてのサンプルで減少したことが分かる。
【００６１】
図６では、前処理済みバイオマスの外観を確認することができるが、材料の色調に顕著な違いがある。一般に、前処理に採用される［Ｃｈ］２［Ｉｓｏ］の割合が高いほど、サンプルが透明であることが分かる。
【００６２】
したがって、リグニンはバイオマスの琥珀色の原因となる主成分であるため、リグニンの除去は塩［Ｃｈ］２［Ｉｓｏ］の割合が高いほど大きいと結論付けられた。
【００６３】
実施例２−酵素加水分解プロセスにおける前処理済みバイオマスの使用
イオン液との接触、遠心分離、洗浄、及び乾燥の工程の後のバガスのサンプルの固体画分は、ここで提案された前処理の利益を測定するために、酵素加水分解プロセスに供した。
【００６４】
ハイブリダイゼーションタイプの装置（モデルＣｏｍｂｉ−Ｄ２４、ＦＩＮＥＰＣＲ）で、５０℃にて２５ｒｐｍで撹拌しながら反応を行った。
【００６５】
反応培地は、ｐＨ５．０の１００ｍＭクエン酸ナトリウムバッファーと市販の酵素Ｃｅｌｌｉｃ  ＣＴｅｃ３(Ｃ)（Ｎｏｖｏｚｙｍｅｓが提供）で構成され、４．２％（調製量／サンプル重量）の負荷で添加された。
【００６６】
反応で前処理されたバガスの初期含有量はわずか１％（ｗ／ｖ）であり、サンプルは反応の２４〜９６時間の間に収集された。
【００６７】
図７と図８に見られるように、加水分解によって放出されるグルコースの濃度は、イオン液による前処理を受けていないバガスのサンプルによって放出されるグルコースと比較して、最大８．１倍増加した。濃度は、乾燥した前処理済みバイオマスあたりの糖の重量分率に基づいて表される。
【００６８】
ここまでに与えられた本発明の主題の説明は、１つの可能な実施形態又は可能な実施形態に過ぎないと見なされるべきであり、そこに導入された特定の特徴は、理解を容易にするために書かれたものとしてのみ理解されるべきである。したがって、それらは、本発明を限定するものとは決して見なされるべきではなく、以下の特許請求の範囲に限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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