(57)【要約】【課題】リグノセルロース系原料を成分部分へオルガノソルブ分画し、更に成分部分を少なくとも燃料品質のエタノールと四種類のリグニン誘導体に処理するモジュラープロセスを提供する。【解決手段】モジュラープロセスは、リグノセルロース系原料を有機溶媒で物理化学的に蒸解させて、セルロース固体画分と液体画分とが得られるように構成される第一処理モジュール、セルロース固体画分から少なくとも燃料品質のエタノールと第一種類の新規なリグニン誘導体とを得るように構成される第二処理モジュール、液体画分から第二種類と第三種類のリグニン誘導体とを分離し、更に液体画分を処理して、留出物とアルコール蒸留廃液とを得るように構成される第三処理モジュール、アルコール蒸留廃液から第四種類のリグニン誘導体を分離し、更にアルコール蒸留廃液を処理して、シュガーシロップを得るように構成される第四処理モジュールを備える。【選択図】図２
2010527619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リグノセルロース系原料を成分部分にオルガノソルブ分画し、更に前記成分部分を処理するためのモジュラープロセスであって、
リグノセルロース系原料を収容し、物理的にスクリーニングし、それに別々に与えられる有機溶媒により、物理化学的に蒸解し、それによって、成分部分がそこから抽出され、前記成分部分をセルロース固体画分と、第一液体画分とに分離する第一系列の工程を備えた第一処理モジュール、
前記セルロース固体画分から少なくとも燃料品質のエタノールと、複数の第一種類のリグニン誘導体とを生産する第二系列の工程を備えた第二処理モジュール、
少なくとも第一液体画分を複数の第二種類のリグニン誘導体を含む第二固体画分と、第一ろ液とに分離する第一工程、第一ろ液を複数の第三種類のリグニン誘導体を含む第三固体画分と、第二ろ液とに分離する第二工程、前記ろ液からフルフラールを分離する第三工程、ろ液から蒸留によって有機溶媒の一部を回収し、それによって、第一アルコール蒸留廃液が得られる第四工程を含む第三系列の工程を備えた第三処理モジュール、及び
第一アルコール蒸留廃液を、少なくとも酢酸含有液体画分、複数の第四種類のリグニン誘導体、単糖シュガーシロップ、及び固体廃棄物に分離する第四系列の工程を備えた第四処理モジュール、
を備えることを特徴とするモジュラープロセス。
【請求項２】
少なくとも収集可能なバイオガスと、液体溶出液とに、第四処理モジュールにおいて分離された固体廃棄物を処理するように構成された嫌気性蒸解モジュールを備える第五処理モジュールを更に備えた、請求項1に記載のモジュラープロセス。
【請求項３】
第一処理モジュールが、リグノセルロース系原料を連続して収容し、物理的に処理し、物理化学的に蒸解し、それによって、セルロース固体画分と第一液体画分が連続して得られるように構成される、請求項1に記載のモジュラープロセス。
【請求項４】
第一処理モジュールが、リグノセルロース系原料のバッチを収容し、物理的に処理し、物理化学的に蒸解し、それによって、セルロース固体画分と、第一液体画分とが連続して得られるように構成される、請求項１に記載のモジュラープロセス。
【請求項５】
有機溶媒が、メタノール、エタノール、ブタノール及びプロパノールを含有する群より選ばれる少なくとも一つの溶媒を含む、請求項１に記載のモジュラープロセス。
【請求項６】
有機溶媒が、少なくともエタノールを含む、請求項１に記載のモジュラープロセス。
【請求項７】
第一系列の工程が、リグノセルロース系原料からの非リグノセルロース系材料を物理的に分離する工程、前記リグノセルロース系原料を、加熱可能な且つ加圧可能な蒸解容器、加熱加圧された前記容器の第一端に分配する工程、前記リグノセルロース系原料を蒸解容器の第二端の周りに運搬する工程、前記リグノセルロース系原料と前記有機溶媒とを混合する工程、及びそこからセルロース固体画分と第一液体画分とを得る工程、蒸解容器の第二端の周りから固体画分を排出する工程、及び蒸解容器の第一端の周りから第一液体画分を排出する工程を含む、請求項３に記載のモジュラープロセス。
【請求項８】
有機溶媒を蒸解容器の第二端の周りから第一端の周りに逆流させることによってリグノセルロース系原料を有機溶媒と混合させる、請求項7に記載のモジュラープロセス。
【請求項９】
有機溶媒を蒸解容器内とその周りに再循環させることによってリグノセルロース系原料を有機溶媒と混合させる、請求項7に記載のモジュラープロセス。
【請求項１０】
第一系列の工程が、更に、リグノセルロース系原料を加熱した有機溶媒で所定の時間制御可能に飽和させる工程、及びリグノセルロース系原料から加熱した有機溶媒を制御可能に除去した後に、前記リグノセルロース系原料を蒸解容器の第一端の周りに分配する工程を含む、請求項7に記載のモジュラープロセス。
【請求項１１】
第二系列の工程が、セルロース固体画分の粘度を制御可能に低下させる工程、低粘度セルロース固体画分を制御可能に蒸解して、少なくとも可溶性糖を含む第二液体画分を得る工程、第二液体画分を制御可能に発酵させて、そこからビールを得る工程、ビールを蒸留して、そこから燃料品質のエタノールと、第二アルコール蒸留廃液とを得る工程、及び第一種類のリグニン誘導体を前記第二アルコール蒸留廃液から分離する工程を含む、請求項1に記載のモジュラープロセス。
【請求項１２】
第二系列の工程が、低粘度セルロース固体画分を制御可能に蒸解するように構成される酵素調製品を添加する工程を含み、前記酵素調製品が、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ、β-グルコシダーゼ、β-キシロシダーゼ、キシラナーゼ、α-アミラーゼ、β-アミラーゼ、及びプルラーゼからなる群より選ばれる少なくとも一つの酵素を含む、請求項11に記載のモジュラープロセス。
【請求項１３】
第二系列の工程が、第二液体画分を制御可能に発酵させるように構成される種菌調製品を添加する工程を含み、種菌調製品が、酵母株、真菌株及び細菌株を含有する群より選ばれる少なくとも一つの微生物の菌株を含む、請求項11に記載のモジュラープロセス。
【請求項１４】
種菌調製品が、天然に存在し遺伝子操作されたサッカロミセス種の株及びピキア種の株を含有する群より選ばれる少なくとも一つの微生物の菌株を含む、請求項13に記載のモジュラープロセス。
【請求項１５】
種菌調製品が、天然に存在し遺伝子操作されたアスペルギルス種の株及びトリコデルマ種の株を含有する群より選ばれる少なくとも一つの微生物の菌株を含む、請求項13に記載のモジュラープロセス。
【請求項１６】
種菌調製品が、天然に存在し遺伝子操作されたエシェリキア・コリ株、ザイモモナス種の株、クロストリジウム種の株及びコリネバクテリウム種の株を含有する群より選ばれる少なくとも一つの微生物の菌株を含む、請求項11に記載のモジュラープロセス。
【請求項１７】
前記蒸解工程と前記発酵工程が、単一容器内で同時に行われる、請求項11に記載のモジュラープロセス。
【請求項１８】
前記脱リグニン化第二アルコール蒸留廃液を用いて、セルロース固体画分の粘度を制御可能に低下させる、請求項11に記載のモジュラープロセス。
【請求項１９】
第三系列の工程が、更に、有機溶媒の回収部分を第一処理モジュールに再循環する工程を含む、請求項1に記載のモジュラープロセス。
【請求項２０】
有機溶媒の回収部分が、第二処理モジュールによって生産される燃料品質のエタノールの一部と制御可能に混在する、請求項19に記載のモジュラープロセス。
【請求項２１】
嫌気性蒸解モジュールが、前記固体廃棄物を生物学的に液化し、それによって第三液体画分が得られる第一工程、第三液体画分を生物学的に酸性化し、それによって有機酸液体流がそこから得られる第二工程、有機液体流を生物学的に酢化し、それによって少なくとも酢酸が得られる第三工程、及び前記酢酸から少なくともバイオガスと液体溶出液を生物学的に生産させる第四工程を含む、請求項2に記載のモジュラープロセス。
【請求項２２】
第一工程が、更に、植菌工程を備え、ここで、少なくとも天然に存在し遺伝子操作されたエンテロバクター種を含有する群より選ばれる少なくとも一つの微生物の菌株を含む種菌が、前記固体廃棄物と制御可能に混合される、請求項21に記載のモジュラープロセス。
【請求項２３】
第二工程が、更に、植菌工程を備え、ここで、少なくとも天然に存在し遺伝子操作されたバシラス種、ラクトバシラス種及びストレプトコッカス種を含有する群より選ばれる少なくとも一つの微生物の菌株を含む種菌が、前記第三液体画分と制御可能に混合される、請求項21に記載のモジュラープロセス。
【請求項２４】
第三工程が、更に、植菌工程を備え、ここで、少なくとも天然に存在し遺伝子操作されたアセトバクター種、グルコノバクター種及びクロストリジウム種を含有する群より選ばれる少なくとも一つの微生物の菌株を含む種菌が、前記有機酸液体流と制御可能に混合される、請求項21に記載のモジュラープロセス。
【請求項２５】
第四工程が、更に、植菌工程を備え、ここで、少なくとも天然に存在し遺伝子操作されたメタノバクテリア種、メタノコッカス種、及びメタノピリ種を含有する群より選ばれる少なくとも一つの微生物の菌株を含む種菌が、前記少なくとも酢酸と制御可能に混合される、請求項21に記載のモジュラープロセス。
【請求項２６】
第四処理モジュールにおいて得られる液体単糖シュガーシロップの一部が、その中で酸性化するために嫌気性蒸解モジュールの第二工程に制御可能に分配される、請求項21に記載のモジュラープロセス。
【請求項２７】
前記単糖シュガーシロップをその中で収容し、発酵し、蒸留し、更にそこから留出物とアルコール蒸留廃液を分離するように構成される発酵モジュールを備える第六処理モジュールを更に備える、請求項1に記載のモジュラープロセス。
【請求項２８】
前記留出物が、少なくとも1,3-プロパンジオールを含む、請求項27に記載のモジュラープロセス。
【請求項２９】
前記留出物が、少なくとも乳酸を含む、請求項27に記載のモジュラープロセス。
【請求項３０】
リグノセルロース系原料を成分部分にオルガノソルブ分画し、更に前記成分部分を処理するためのモジュラーシステムであって、
リグノセルロース系原料とともに別々に供給された有機溶媒を収容し、物理的に処理し、物理化学的に蒸解し、それによって、前記原料成分から成分部分が抽出され、前記成分部分をセルロース固体画分と、第一液体画分とに分離するように構成される第一処理モジュール、
前記セルロース固体画分を収容し、そこから少なくとも燃料品質のエタノール、第一種類のリグニン誘導体、及び脱リグニン化アルコール蒸留廃液を得るように構成される第二処理モジュール、
第一液体画分を第二種類のリグニン誘導体、第三種類のリグニン誘導体及びろ液を含む固体画分に分離し、前記ろ液からフルフラールを分離し、蒸留によって有機溶媒の一部をろ液から回収し、それによって、第一アルコール蒸留廃液が得られるように構成される第三処理モジュール、及び
第一アルコール蒸留廃液を少なくとも酢酸含有液体画分、第四種類のリグニン誘導体、単糖シュガーシロップ、及び固体廃棄物に分離するように構成される第四処理モジュール
を含む、前記モジュラーシステム。
【請求項３１】
第四処理モジュールによって分離された固体廃棄物を、少なくとも収集可能なバイオガスと液体溶出液に嫌気性蒸解し処理するように構成される第五処理モジュールを更に備えた、請求項30に記載のモジュラーシステム。
【請求項３２】
第一処理モジュールが、
リグノセルロース系原料をその中に収容し、
非リグノセルロース系材料をそこから物理的に分離することによってリグノセルロース系原料を処理し、
少なくとも温度と圧力とをその中とその周りに制御可能に操作しつつ、前記原料と別々に供給された有機溶媒とを混合することによって処理されたリグノセルロース系原料を物理化学的に蒸解し、それによって、セルロース固体画分と第一液体画分が得られ、
セルロース固体画分と第一液体画分とを別々に且つ制御可能に排出させる、
ために制御可能に且つ操作可能に連通し協調するように選ばれ構成される複数の装置を備える、請求項30に記載のモジュラーシステム。
【請求項３３】
第一処理モジュールが、リグノセルロース系原料を連続して収容し、物理的に処理し、物理化学的に蒸解し、それによって、セルロース固体画分と第一液体画分とが連続して得られるように構成される、請求項30に記載のモジュラーシステム。
【請求項３４】
第一処理モジュールが、リグノセルロース系原料のバッチを収容し、物理的に処理し、物理化学的に蒸解し、それによって、セルロース固体画分と第一液体画分が得られるように構成される、請求項30に記載のモジュラーシステム。
【請求項３５】
第一処理モジュールが、
処理されたリグノセルロース系原料を第一端の周りでその中に収容するとともに前記原料をそれを通って第二端の周りに運搬し、
有機溶媒を第二端の周りでその中に収容するとともに前記有機溶媒をそれを通って第一端の周りに流し、
セルロース固体画分を第二端の近くにそのために設けられた出口を通って排出させ、
第一液体画分を第一端の近くにそのために設けられた出口を通って排出させる、
ように構成された温度制御可能な且つ圧力制御可能な蒸解容器を備える、請求項30に記載のモジュラーシステム。
【請求項３６】
温度制御可能な且つ圧力制御可能な蒸解容器が、
処理されたリグノセルロース系原料を第一端の周りでその中に収容するとともに前記原料をそれを通って第二端の周りに運搬し、
有機溶媒を第二端の周りでその中に収容するとともに前記有機溶媒をそれを通ってその周りに循環させ、
セルロース固体画分を第二端の近くにそのために設けられた出口を通って排出させ、
第一液体画分を第一端の近くにそのために設けられた出口を通って排出させる、
ように構成される、請求項35に記載のモジュラーシステム。
【請求項３７】
温度制御可能な且つ圧力制御可能な蒸解容器が、
処理されたリグノセルロース系原料を第一端の周りでその中に収容するとともに前記原料をそれを通って第二端の周りに運搬し、
第一端と第二端の間に配置される有機溶媒をその中に収容するとともに前記有機溶媒をそれを通ってその周りに循環させ、
セルロース固体画分を第二端の近くにそのために設けられた出口を通って排出させ、
第一液体画分を第一端の近くにそのために設けられた出口を通って排出させる、
ように構成される、請求項35に記載のモジュラーシステム。
【請求項３８】
第一処理モジュールが、更に、処理されたリグノセルロース系原料を順次飽和し不飽和化した後に、前記処理されたリグノセルロース系原料を物理化学的に蒸解するように構成される装置を備える、請求項30に記載のモジュラーシステム。
【請求項３９】
第二処理モジュールが、
第一処理モジュールから排出されるセルロース固体画分をその中に収容し、
セルロース固体画分の粘度を低下させ、
低粘度セルロース画分を酵素蒸解し、それによって、第二液体画分が得られ、
第二液体画分を発酵させ、それによって、ビールがそこから得られ、
ビールを蒸留し、それによって、燃料品質のエタノールと第二アルコール蒸留廃液がそこから得られ、
第一種類のリグニン誘導体を前記第二アルコール蒸留廃液から分離する、
のために制御可能に且つ操作可能に連通し協調するように選ばれ構成される複数の装置を備える、請求項30に記載のモジュラーシステム。
【請求項４０】
脱リグニン化第二アルコール蒸留廃液が、セルロース固体画分の粘度を低下させるのに循環可能である、請求項30に記載のモジュラーシステム。
【請求項４１】
第二処理モジュールが、低粘度セルロース固体画分の酵素蒸解とそこから得られる第二液体画分の発酵をその中に同時に含有する容器を備える、請求項30に記載のモジュラーシステム。
【請求項４２】
嫌気性蒸解モジュールが、
第四処理モジュールによって分離される固体廃棄物をその中に収容し生物学的に加水分解し、それによって、第三液体画分が得られ、
第三液体画分をその中に収容し生物学的に酸性化し、それによって、生物学的に酸性化した液体画分が得られ、
生物学的に酸性化した液体画分をその中に収容し生物学的に酢化し、それによって、少なくとも酢酸が得られ、
少なくとも酢酸を収容し、少なくともバイオガスと液体溶出液をそこから生物学的に生産する、
ように構成される複数の装置を備える、請求項30に記載のモジュラーシステム。
【請求項４３】
嫌気性蒸解モジュールが、更に、第四処理モジュールにおいて分離される前記単糖シュガーシロップの一部を第三液体画分と制御可能に収容し混合するように構成される、請求項42に記載のモジュラーシステム。
【請求項４４】
前記単糖シュガーシロップをその中に収容し、発酵させ、蒸留し、更に留出物とアルコール蒸留廃液をそこから分離するように構成される第六処理モジュールを更に備える、請求項30に記載のモジュラーシステム。
【請求項４５】
前記留出物が、少なくとも1,3-プロパンジオールを含む、請求項44に記載のモジュラーシステム。
【請求項４６】
前記留出物が、少なくとも乳酸を含む、請求項44に記載のモジュラーシステム。
【請求項４７】
以下の工程を含むプロセスによって得られた第一種類のリグニン誘導体。
セルロース固体材料を加水分解し、それによって、少なくとも可溶性単糖類を含有する液体流が得られることを含む第一工程、
少なくとも可溶性単糖類を含有する前記液体流を発酵させ、それによって、発酵ビールが得られることを含む第二工程、
前記ビールを蒸留して、エタノールとアルコール蒸留廃液をそこから得ることを含む第三工程、 及び
前記アルコール蒸留廃液からリグニン誘導体を沈殿させ分離する第四工程。
【請求項４８】
以下の工程を含むプロセスによって得られた第二種類のリグニン誘導体。
リグノセルロース系原料をセルロース系固体画分と加圧液体画分に分画し、前記画分を分離することを含む第一工程、
液体画分を減圧し冷却し、それによって、前記液体画分から複数のリグニン誘導体が沈殿することを含む第二工程、 及び
前記沈殿した複数のリグニン誘導体を前記液体画分から分離することを含む第三工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リグノセルロース系原料を成分に分画することに関する。特に、本発明は、制御可能な且つ操作可能な連続生成のためにリグノセルロース系材料を再循環可能にオルガノソルブ分画し、更にそこから誘導されるリグニン、単糖類、オリゴ糖類、多糖類及び他の産物を処理するプロセス、システム及び装置構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
収集された木材からセルロースを多く含んだパルプを生成する工業プロセスは、周知であり、典型的には、木材のより小さい部分や粒子に物理的に破壊し、続いて高温高圧下で化学蒸解して、成分のセルロース系繊維性バイオマスからリグニンを溶解し分離する工程を必要とする。蒸解が完了した後、セルロース系繊維パルプを含む固形物は、一般に黒液と呼ばれる使用済み蒸解液体から分離され、典型的には、有機溶媒、可溶化リグニン、固体及び微粒子の単糖類、オリゴ糖類、多糖類及び化学蒸解の間に木材から脱離する他の有機化合物を含む。セルロース系繊維パルプは、典型的には、製紙に用いられ、黒液は、通常は、可溶性リグニンを除去するために処理され、その後、有機溶媒が回収され、精製され、再循環される。黒液からのリグニン及び残りのアルコール蒸留廃液(stillage)は、典型的には、処理され、廃棄物の流れとして処分される。
【０００３】
過去二十年の間に、当業者は、裸子植物や被子植物の基質(即ち、木材)だけでなく、農作物や他の草本の繊維性バイオマス、古紙及び木材含有製品等を含むリグノセルロース系材料が、分離し得る複数の有効な成分に、オルガノソルブ蒸解系を組み込んでいる生物精製法を用いて潜在的に分画され、更に高価値製品、例えば、特に、燃料エタノール、リグニン、フルフラール、酢酸、単糖精製白糖に処理され得ることを確認した(Pan et al., 2005, Biotechnol. Bioeng. 90: 473-481; Pan et al., 2006, Biotechnol Bioeng. 94: 851-861; Berlin et al., 2007, Appl. Biochem. Biotechnol. 136-140:267-280; Berlin et al., 2007,J. Chem. Technol Biotechnol. 82: 767-774)。リグノセルロース系原料のためのオルガノソルブパルプ化プロセス及びシステムは、周知であり、米国特許第4,941,944号; 同第5,730,837号; 同第6,179,958号; 同第6,228,177号の開示内容によって例示されている。オルガノソルブ系を用いて生物精製することが大規模な燃料エタノール生産にかなり可能性があると思われるが、現在利用可能なプロセス及びシステムは、費用のかかる前処理工程を必要とし且つ現在低価値の副産物でしかないことから、経済的にまだ実行可能ではない(Pan et al., 2006, J. Agric. Food Chem. 54: 5806-5813; Berlin et al., 2007, Appl. Biochem. Biotechnol. 136-140:267-280; Berlin et al., 2007,J. Chem. Technol Biotechnol. 82: 767-774)。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の例示的実施態様は、リグノセルロース系原料を成分に分画するのに適切な温度と圧力の条件を与えつつ、リグノセルロース系原料と向流有機溶媒とを収容し制御可能に混合し、引き続き分離されるためのシステム、プロセス及び装置構成に関する。分離した成分は、更に選択的に、制御可能に且つ操作可能に処理される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一例示的実施態様によれば、リグノセルロース系原料をその中に収容し、成分に分画し、成分を少なくとも固体画分と液体画分に分離し、次に、固体画分と液体画分を別々に処理して、更にそこから有用な生成物を得るためのモジュラー処理システムが提供される。本発明の適切なモジュラー処理システムは、少なくとも以下を備えている。
(a)リグノセルロース系繊維原料を収容し処理し、次に(b)制御された温度と圧力条件下で処理された原料と、リグノセルロース系原料を、大部分はセルロースパルプを含む固体画分と、ヘミセルロースとセルロースと他の有機化合物を含む固形物を溶解し懸濁された、少なくともリグニン、リグニン含有化合物、単糖類、オリゴ糖類及び多糖類をその中に含有する使用済み溶媒を含む液体画分に物理化学的に分裂させるように構成される適切な溶媒とを混合し、(c)固体画分を含む第一生成流と液体画分を含む第二生成流を与えるように構成される複数の装置を備える第一モジュール、
【０００６】
(d)固体画分を収容し粘度を制御可能に調整し、(e)調整された粘度固体画分をセルロースパルプを単糖類及び/又はオリゴ糖類を含む液体流に糖化させるのに選ばれる適切な酵素と混合し、(f)単糖類及び/又はオリゴ糖類液体流を、そこからエタノール流を生成させる適切な発酵する微生物と混合し、(g)エタノールを精製して、少なくとも燃料品質のエタノール流と脱アルコール化した溶媒流を生成させ、(h)更に脱アルコール化した溶媒-アルコール蒸留廃液流を処理して、第一リグニン画分をそこから沈殿させ分離し、(i)第一モジュールの第一生成流から第二モジュールに流入する新鮮な固体画分の粘度を制御可能に調整するために、脱リグニン化脱アルコール化溶媒流を再循環するように構成される複数の装置を備える第二モジュール、
【０００７】
(j)第一モジュールから液体画分を収容し、水の供給量と液体画分とを制御可能に混在させ、それによって、第二リグニン画分がその中に沈殿し、(k)第二リグニン画分を液体画分から分離し、それによって、液体ろ液が得られ、(l)蒸留塔において液体ろ液を精製し、それによって、少なくとも最初に、第一モジュールにおいてリグノセルロース系原料と混合した適切な溶媒の一部、第二に、フルフラール画分、第三に、アルコール蒸留廃液画分が捕捉され、(m)適切な溶媒の捕捉された部分に第二モジュールにおいて得られた燃料エタノールの一部を制御可能に再装填するように構成される複数の装置を備える第三モジュール、 及び
【０００８】
第三モジュールからアルコール蒸留廃液画分を収容し、少なくとも酢酸凝縮物、シュガーシロップ、第三リグニン画分、及び半固体/固体廃棄物をそこから分離するように構成される複数の装置を備える第四モジュール。
一態様によれば、第一モジュールにおける複数の装置は、リグノセルロース系原料を連続して収容しそれを通って一方向に運搬し、セルロース固形物画分の排出で終わり、同時に選択された適切な溶媒をリグノセルロース系原料の運搬と反対方向に装置を逆流させ、使用済み溶媒液体画分の排出で終わるように構成されている。
他の態様によれば、第一モジュールにおける複数の装置は、リグノセルロース系原料のバッチを収容するとともに適切な固体画分がリグノセルロース系原料のバッチから得られるまでそれを通って選択された適切な溶媒を連続して循環させるように構成されている。
【０００９】
更に他の態様によれば、第二モジュールにおいて複数の装置が順次: (a)第一モジュールから排出されるセルロース固体画分を収容し粘度を低下させ、次に(b)セルロース固形物を懸濁固形物、溶解固形物、ヘミセルロース、多糖類、オリゴ糖類に漸次糖化し、それによって、主に単糖類を含む液体流が得られ、(c)液体流を発酵させ、(d)発酵ビールを蒸留し精製して、ビールを少なくとも燃料品質のエタノール及び/又は他の燃料アルコール、例えば、ブタノール、及びアルコール蒸留廃液流に分離し、(e)アルコール蒸留廃液流を脱リグニン化し、(f)第一モジュールから排出される新鮮な流入セルロース固体画分の粘度を低下させるためにリグニン化したアルコール蒸留廃液流を再循環させるように構成されている。
【００１０】
更に他の態様によれば、第二モジュールにおいて複数の装置は、必要により、順次: (a)第一モジュールから排出されるセルロース固体画分を収容し粘度を低下させ、次に(b)セルロース固形物を単糖類に糖化し、同時に同一容器内で単糖類を発酵させ、(c)発酵ビールを蒸留し精製して、ビールを少なくとも燃料品質のエタノールとアルコール蒸留廃液流に分離し、(d)アルコール蒸留廃液流を脱リグニン化し、(f)第一モジュールから排出される新鮮な流入セルロース固体画分の粘度を低下させるために脱リグニン化したアルコール蒸留廃液流を再循環させるように構成されていてもよい。
【００１１】
他の態様によれば、本システムのモジュラー処理システムは、更に、第四モジュールから半固体/固体廃棄物を収容し、次に、メタン、二酸化炭素、及び水を生産する廃棄物を液化しガス化するように構成される複数の装置を備えた嫌気性蒸解システムを備える第五モジュールを備えていてもよい。
本発明の他の例示的実施態様によれば、リグノセルロース系原料を成分に分画するプロセスが提供される。第一に、流入リグノセルロース系材料から、砂利と金属によって例示される異物を、適切な手段を用いて分離する。例示的な分離手段は、スクリーニングである。そのように所望される場合には、スクリーニングしたリグノセルロース系原料を更にスクリーニングして、微粒子と特大の材料を除去する。 第二に、スクリーニングしたリグノセルロース系原料を、例えば、スチーミングによって制御可能に加熱し、その後、加熱したリグノセルロース系原料を脱水し、次に、加圧する。第三に、加熱し脱水したリグ
【００１２】
ノセルロース系原料を混合し、次に適切な有機溶媒に含浸させる。第四に、混合したリグノセルロース系原料と有機溶媒を、制御可能に加圧され温度制御されたシステム内で所定の時間制御可能に蒸解する。蒸解プロセスの間に、混合し含浸したリグノセルロース系原料の中に含有するリグニン及びリグニン含有化合物は、有機溶媒に溶解し、それに付着した、また、それとともに付着したセルロース繊維性材料が解離し互いに分離することになる。蒸解プロセスは、また、リグノセルロース系材料から有機溶媒へ、溶質や粒状形態で、単糖類、オリゴ糖類、多糖類及び他の有機化合物、例えば、酢酸を遊離させる。当業者は、リグニン、リグニン含有化合物、単糖類、オリゴ糖類、多糖類及び他の有機化合物をその中に含有するこのような有機溶媒を“黒液”又は“廃液”と呼ぶ。
【００１３】
一態様によれば、蒸解の間、流入リグノセルロース系原料に対して有機溶媒を制御可能に逆流させると、リグノセルロース系原料由来のリグニン及びリグニン含有成分の溶解と及び分離を容易にし速度を上げる撹拌が生じる。しかしながら、代わりに、蒸解プロセスの間にリグノセルロース系原料の流れと同じ方向に送られる有機溶媒の制御可能な流れ、即ち、並流によって撹拌し、それによって、溶媒とリグノセルロース系原料が一緒に制御可能に混在することも本発明の範囲内である。また、蒸解プロセスの間に有機溶媒を制御可能に部分的に除去するとともにそれを新鮮な有機溶媒に置き換えることも本発明の範囲内である。
【００１４】
他の態様によれば、リグノセルロース系原料は、チップ、ソーダスト、チャンク、シュレッド等によって例示される物理的に分裂した被子植物、裸子植物、農作物の繊維性バイオマスセグメントの少なくとも一つを含んでもよい。物理的に分裂した被子植物、裸子植物、農作物の繊維性バイオマスセグメントの混合物を与えることは、本発明の範囲内である。
【００１５】
更に他の態様によれば、リグノセルロース系原料は、古紙、木材片、粉砕木質材料、木質複合材料等の少なくとも一つを含んでもよい。リグノセルロース系繊維性バイオマス材料を一つ以上の古紙、木材片、粉砕木質材料、木材複合材料等と混在させることは、本発明の範囲内である。
更に態様によれば、液比、操作温度、溶媒濃度及び反応時間を、制御可能に且つ選択的に調整して、選択可能な目標物理化学的性質及び特性を有するパルプ及び/又はリグニンを得ることができる。
【００１６】
本発明の他の例示的実施態様によれば、黒液から解離したセルロース繊維、即ち、パルプを分離するための、また、パルプと黒液を更に別々に処理するためのプロセス及びシステムが提供される。パルプ及び黒液の分離は、材料が蒸解プロセスから更に加圧される間に行われてもよく、或いは、圧力をほぼ周囲圧力に下げた後に、パルプと黒液を分離してもよい。
一態様によれば、セルロース繊維性パルプは、製紙や他のこのようなプロセスに用いるのに回収可能である。
他の態様によれば、本明細書に開示されるように得られたセルロースパルプを更に選択的に且つ制御可能に処理するプロセス及びシステムが提供される。回収されたパルプのpH及び/又は濃度は、セルロースの単糖類、即ち、加水分解物溶液中のグルコース部分への加水分解を容易にするのに適切であるように調整されてもよい。適切な例示的加水分解手段としては、酵素加水分解、微生物加水分解、化学加水分解及びこれらの組み合わせが挙げられる。
【００１７】
更に他の態様によれば、加水分解物溶液の発酵によって、セルロース繊維性パルプから加水分解された単糖類からエタノールを生産するプロセス及びシステムが提供される。サッカロミセス種(Saccharomyces spp.)の一つ以上の選択された菌株を含む種菌を制御可能に与えて、発酵速度及び/又は発酵効率及び/又は発酵収率を促進させ上げることは本発明の範囲内である。
更に態様によれば、本明細書に開示されるように得られたセルロースパルプを同時に糖化し発酵させるプロセス及びシステムが提供される。本明細書で得られた単糖類部分を同時に且つ制御可能に発酵させつつ、酵素加水分解、微生物加水分解、化学加水分解及びこれらの組み合わせによって例示される適切な加水分解手段を与えることによってセルロース繊維性パルプを単糖類に制御可能に加水分解することは本発明の範囲内である。サッカロミセス種の一つ以上の選択された菌株を含む種菌を制御可能に与えて、同時発酵速度及び/又は発酵効率及び/又は発酵収率を促進させ上げることは本発明の範囲内である。
【００１８】
更に態様によれば、加水分解物溶液の発酵から得られるエタノールを更に処理するプロセス及びシステムが提供される。例示的な方法としては、エタノールを蒸留によって濃縮し精製すること、及びエタノールを少なくとも一つのモレキュラーシーブに通過させることによる脱水或いは乾燥が挙げられる。
本発明の更に例示的実施態様によれば、黒液からリグニン及びリグニン含有化合物を回収するプロセス及びシステムが提供される。例示的方法は、セルロース繊維性パルプから分離した直後に黒液を複数の段階で冷却することを含み、各段階において、適切な熱-交換デバイスで熱が回収され、蒸発及び冷却のデバイスによって例示されるように適切な溶媒回収装置を用いて有機溶媒が回収される。次に、アルコール蒸留廃液、即ち、少なくとも一部の有機溶媒が回収された冷却された黒液を更に冷却し、pH調整し(例えば、酸性度を上げる)、次に、水で急速に希釈して、アルコール蒸留廃液からリグニン及びリグニン含有化合物を沈殿させる。沈殿したリグニンを、引き続き少なくとも一回洗浄し、次に乾燥する。
【００１９】
一態様によれば、脱リグニン化アルコール蒸留廃液を蒸留塔を通して処理して、残りの有機溶媒を蒸発させるとともにフルフラールを同時に分離し濃縮する。残りのアルコール蒸留廃液を蒸留塔の底から除去する。必要により、脱リグニン化アルコール蒸留廃液の少なくとも一部を蒸留塔導入流から、エタノールをそこから生産するエタノール生産流へ変えてもよいことは本発明の範囲内である。代わりに或いは必要により、蒸留塔の底から除去される残りのアルコール蒸留廃液の少なくとも一部を、エタノールをそこから生産するエタノール生産流に変えてもよい。
【００２０】
他の態様によれば、溶媒回収カラムの底から回収されるアルコール蒸留廃液は、以下によって更に処理される: (a)フィトステロール、油等によって例示される複雑な有機抽出物を傾瀉して回収する、次に、(b)傾瀉したアルコール蒸留廃液を蒸発させて、(c)酢酸を含むアルコール蒸留廃液蒸発物/凝縮物、及び(d)溶解した単糖類をその中に含有するアルコール蒸留廃液シロップを得る。アルコール蒸留廃液シロップを傾瀉して、(e)以前には未知の新規な低分子量リグニンを回収してもよい。傾瀉したアルコール蒸留廃液シロップは、必要により蒸発させて、溶解糖を回収してもよい。
回収された有機溶媒を精製工程と濃度工程によって更に処理して、回収された有機溶媒を連続流入リグノセルロース系原料に戻して再循環させるのに有効にすることは、本発明の範囲内である。
一態様によれば、有機溶媒をリグノセルロース系原料と所定の時間混在させ混合して、逆流(或いは、並流)有機溶媒と混合し含浸させる前にリグノセルロース系原料を前処理する。
以下の図面と共に本発明を記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図1は、リグノセルロース系原料を処理するためのモジュラー連続向流システムの本発明の例示的実施態様の図式的流れ図である。
【図２】図2は、必要により、シュガー生成流を(a)燃料エタノール生産モジュールと、(b)嫌気性蒸解モジュールに変えてもよいデバイスを更に備えた図1のシステムの図式的流れ図である。
【図３】図3は、単一容器内での同時糖化と発酵のための燃料エタノール生産モジュールの別の構成を示す図式的流れ図である。
【図４】図4は、リグノセルロース系原料を処理する本発明のモジュラー連続向流システムと協調するのに適した例示的嫌気性蒸解モジュールの図式的流れ図である。
【図５】図5は、バッチスループットシステムに再構成されるプロセスの連続向流処理システムの図式的流れ図である。
【図６】図6は、図5に示されるバッチスループットシステムのための別の構成を示す図式的流れ図である。
【図７】図7は、オルガノソルブ前処理アスペン(ポプラス・トレムロイデス Populus tremuloides)の同時糖化と発酵(SSF)を示すグラフである: (a)得られたアスペンパルプから生産される、時間に対する理論的エタノール収率%、(b)アスペンパルプのSSFの間に生産される、時間に対するビールのエタノール濃度。
【図８】図8は、オルガノソルブ前処理したブリティッシュコロンビアの甲虫で枯れたロッジポールパイン(ピヌス・コントルタ Pinus contorta)チップのSSFを示すグラフである: (a)得られた甲虫で枯れたロッジポールパインパルプから生産される、時間に対する理論的エタノール収率%、(b)得られた甲虫で枯れたロッジポールパインパルプのSSFの間に得られる、時間に対するビールのエタノール濃度。
【図９】図9は、オルガノソルブ前処理した麦わらとスイッチグラスのリグノセルロース系原料の同時糖化と発酵(SSF)を示すグラフである: (a)得られたセルロースパルプから生産される、時間に対する理論的エタノールの収率%、(b)セルロースパルプのSSFの間に得られる、時間に対するビールのエタノール濃度。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の例示的実施態様は、リグノセルロース系原料と向流有機溶媒とを収容し制御可能に混合し、それによって、リグノセルロース系原料が成分に分画され、引き続き分離されるためのシステム、プロセス及び装置構成に関する。分離した成分は、更に選択的に、制御可能に且つ操作可能に処理される。本発明の例示的実施態様は、他の成分を少なくとも燃料品質のエタノール、フルフラール、酢酸、及び単糖類、及び/又はオリゴ糖類の糖流に変換するプロセスを同時に与えつつ、リグノセルロース系原料から各種類が複数の誘導体リグニン化合物を含むリグニン成分の少なくとも四つの構造的に異なった種類を析出させるのに特に適する。
【００２３】
本発明の例示的モジュラー処理システムは、図1に示され、通常は四つのモジュールA-Dを備え、ここで、第一モジュールAは、リグノセルロース系原料を収容し、固体画分と液体画分に処理するように構成され、第二モジュールBは、第一モジュールAから排出される固体画分を収容し、少なくとも燃料エタノール生成流100と、以後中間分子量リグニン(即ち、MMWリグニン)と呼ばれる第一種類のリグニン誘導体120をそこから得るように構成され、第三モジュールCは、第一モジュールAからの液体画分を収容し、以後高分子量リグニン(即ち、HMWリグニン)と呼ばれる少なくとも第二種類のリグニン誘導体170を析出させ、その後、ろ液を少なくとも再循環可能な蒸留溶媒、フルフラール190、及びアルコール蒸留廃液に分離されるように構成され、第四モジュールDは、第三モジュールCからアルコール蒸留廃液を収容し、少なくとも酢酸210、以後低分子量リグニン(即ち、LMWリグニン)と呼ばれる第三種類のリグニン誘導体230、以後超低分子量のリグニン(即ち、VLMWリグニン)と呼ばれる第四種類のリグニン誘導体245を傾瀉し分離するシュガーシロップ流247、及び半固体/固体廃棄物226に分離するように構成されている。
【００２４】
図1に例示される第一モジュールAは、小石、砂利、金属及び他の破片を除去ように構成される分離デバイス20を備える搬送システムに原料を連続して排出しつつ、リグノセルロース系原料を収容し一時的に保存するように構成されるビン10を備える。適切な分離デバイスは、スクリーニング装置である。分離デバイス20は、必要により、リグノセルロース系原料の大きさを所望の画分にするように構成されてもよい。次に、処理されたリグノセルロース系原料は、蒸解/抽出容器40の第一端に、次に、蒸解/抽出容器40の第二端の方に第一オーガーフィーダ30によって運搬される。容器40は、適切な加熱蒸解/抽出溶媒の加圧流を収容する第二端に近い入口を備え、そのときに、容器40を通るリグノセルロース系原料の動きに対して逆流し、それによって、溶媒と原料とが撹拌し混合する。或いは、加熱蒸解/抽出溶媒の加圧流を収容する入口は、蒸解/抽出容器40の第一端の周りに設けられてもよく、或いは更に、蒸解/抽出容器40の第一端と第二端の間に配置されてもよい。本発明のプロセスに有機溶媒を用いることは適切である。適切な例示的有機溶媒としては、
【００２５】
メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、アセトン等が挙げられる。そのように所望される場合には、有機溶媒は、無機酸又は有機酸で更に制御可能に酸性化されてもよい。そのように所望される場合には、有機溶媒のpHは、更に無機塩基又は有機塩基で更に制御可能に操作されてもよい。容器40は、制御可能に加圧され温度制御されて、圧力と温度の操作を可能にし、目標蒸解条件を与えるとともに溶媒と原料とを混合する。例示的蒸解条件としては、約15-30バール(g)の範囲の圧力、約120-350℃の範囲の温度、及び約1.5-5.5の範囲のpHが挙げられる。蒸解プロセスの間に、混合し含浸したリグノセルロース系原料の中に含有されるリグニンとリグニン含有化合物を有機溶媒に溶解し、それに付着した、また、それとともに付着したセルロース繊維性材料が解離し互いに分離することになる。リグニンとリグニン含有ポリマーの溶解に加えて、蒸解プロセスは、リグノセルロース系材料から有機溶媒へ、単糖類、オリゴ糖及び多糖類及び他の有機化合物、例えば、酢酸、フルフラール、5-ヒドロキシメチルフルフラール(5HMF)、他の有機酸、例えば、ギ酸やレブリン酸を、溶質や粒状形態で遊離することは当業者に理解される。当業者は、リグノセルロース系原料から抽出されるリグニン、リグニン含有化合物、単糖類、オリゴ糖類、多糖類及び他の有機化合物を含有するこのような有機溶媒を“黒液”又は“廃液”と呼ぶ。原料から遊離した解離されたセルロース繊維性材料は、容器40の第二端に運搬され、そこで、セルロース繊維性材料を固体画分、即ち、パルプに圧縮され、次に第二モジュールBに運搬される第二オーガーフィーダ50を介して排出される。黒液は、蒸解/抽出容器40の第一端の周りから第三モジュールCに運搬するパイプライン47へ液体画分として排出される。
【００２６】
第二モジュールBは、混合容器60を備え、ここで、固体画分、即ち、第一モジュールAから排出されるパルプが、モジュールBの下流成分からパイプライン130によって分配された回収再循環溶媒と混合することによって、所定の目標粘度に制御可能に低下する。次に、低粘度パルプを蒸解容器70に移し、そこで、適切な酵素調製品がセルロース繊維、懸濁固形物及び溶解固形物をへミセルロース、多糖類、オリゴ糖類及び単糖類に漸次分解するパルプと混在し混合される。これらの蒸解産物を含む液体流は、蒸解容器70から発酵容器80へ移され、液体流におけるヘキソース単糖類とペントース単糖類の発酵に選ばれる適切な微生物の種菌と混合され、それによって、エタノール、残留沈降物及びおりによって例示される少なくとも短鎖アルコールを含む発酵ビールが得られる。発酵ビールは、揮発後に蒸留することによって精製する第一蒸留塔90に移され、蒸留塔90の最上部から移される少なくとも燃料品質のエタノールを別々に集め、適切な保持容器100に保存される。残りの液体アルコール蒸留廃液は、蒸留塔90の底からMMWリグニンを沈殿させ分離するように構成される装置110に除去され、次に、更に処理及び/又は出荷のための適切な容器120に集められ保存される。アルコール蒸留廃液を加熱し、冷水でフラッシングして、MMWリグニンの沈殿を容易にすることは、本発明の範囲内である。次に、脱リグニン化アルコール蒸留廃液は、パイプライン130を介して装置110から第一モジュールAからの新鮮な流入パルプの粘度を低下させる混合容器60に制御可能に再循環されてもよい。
【００２７】
セルロース繊維をヘミセルロース、多糖類、オリゴ糖及び単糖類に漸次分解する蒸解容器70に添加するのに適切な酵素調製品は、エンド-β-1,4-グルカナーゼ、セロビオヒドロラーゼ、β-グルコシダーゼ、β-キシロシダーゼ、キシラナーゼ、α-アミラーゼ、β-アミラーゼ、プルラーゼ、エステラーゼ、他のヘミセルラーゼ及びセルラーゼ等によって例示される酵素の一つ以上を含んでもよい。発酵容器80においてペントース及び/又はヘキソース単糖類を発酵させるのに適切な微生物の種菌は、酵母種、真菌種及び細菌種より選ばれる一つ以上の適切な菌株を含んでもよい。適切な酵母は、サッカロミセス種及びピキア種(Pichia spp.)によって例示される。適切なサッカロミセス種は、S.セレビシエ(cerevisiae)、例えば、菌株Sc Y-1528、Tembec-1等によって例示される。適切な真菌種は、アスペルギルス種(Aspergillus spp.)及びトリコデルマ種(Trichoderma spp)によって例示される。適切な細菌は、天然に存在し遺伝子操作されている、特にエシェリキア・コリ(Escherichia coli)、ザイモモナス種(Zymomonas spp.)、クロストリジウム種(Clostridium spp.)及びコリネバクテリウム種(Corynebacterium spp.)によって例示される。単一菌株を含む種菌、或いは、単一型の生物体由来の複数の菌株、或いは、複数の種や微生物のタイプ(即ち、酵母、真菌、細菌)由来の菌株を含む菌株の混合物を与えることは、本発明の範囲内である。
【００２８】
第三モジュールAの蒸解/抽出容器40から液体画分として排出される黒液は、モジュールCで処理されて、黒液を含む蒸解/抽出溶媒の少なくとも一部を回収し、且つ後に詳述されるようにリグノセルロース系原料から抽出される有用な成分を分離する。黒液は、パイプライン47によって加熱塔140に移され、ここで、まず、加熱され、次に、急速に混合され(即ち、“フラッシングされ”)、冷水の供給量と混合され、それによって、黒液からHMWリグニンが沈殿する。沈殿したHMWリグニンは、ろ過装置、液体サイクロン分離装置、遠心分離機及び他のこのような装置によって例示されるように適切な固体-液体分離装置150によって水希釈黒液から分離される。分離されたHMWリグニンは、過剰水分の制御された除去のためにリグニン乾燥機160に移され、その後、乾燥したHMWリグニンは、包装し出荷するために貯蔵ビン170に移される。
【００２９】
脱リグニン化ろ液画分は、分離装置150から、蒸発させ、蒸留し、エタノールによって例示される短鎖アルコールをそこから回収する第二蒸留塔180に移される。回収された短鎖アルコールは、タンク250を保持する蒸解/抽出溶媒に移され、そこで、そのように所望される場合には、モジュールBにおいて生産されパイプライン95から取り出される燃料品質のエタノールの一部と混合して、蒸解/抽出溶媒をパイプライン41を介してモジュールAの蒸解/抽出容器40に供給する前に蒸解/抽出溶媒の濃度及び組成を制御可能に調整する。第二蒸留塔内で蒸発プロセスと蒸留プロセスと同時に脱リグニン化ろ液画分からフルフラールを回収し、且つ回収されたフルフラールを貯蔵タンク190に移すことは、本発明の範囲内である。フルフラールを回収する適切な例示的プロセスは、加熱した脱リグニン化ろ液を酸性化し、それによって、フルフラールがそこから凝縮することである。適切な液体塩基又は酸を供給して、脱リグニン化ろ液画分のpHを制御可能に調整することは、本発明の範囲内である。適切な液体塩基は、水酸化ナトリウムによって例示される。適切な酸は、硫酸によって例示される。
【００３０】
第二蒸留塔からのアルコール蒸留廃液は、更に処理し有用な産物をそこから分離する第四モジュールDに移される。熱いアルコール蒸留廃液は、酢酸を含む凝縮物を集めるように構成される冷却塔200に移され、次に、適切な保持容器210に移される。脱酸したアルコール蒸留廃液は、次に、アルコール蒸留廃液を加熱するように構成されるアルコール蒸留廃液処理容器220に移され、続いて冷水でフラッシングし、それによって、LMWリグニンが沈殿し、次に、シュガーシロップ流と、廃棄物処分ビン226に排出される半固体/固体廃棄物から分離される。LMWリグニンは、更に処理及び/又は出荷に適切な保持容器230に移される。典型的には、キシロース、アラビノース、グルコース、マンノース及びガラクトースの少なくとも一つを含むシュガーシロップ流は、シュガーシロップ流からVLMWリグニンを分離するデカンタ240を通過させ、それによって、シュガーシロップ流が精製され、更に処理及び/又は出荷の前に適切な保持タンク247に移される。VLMWリグニンは、更に処理及び/又は出荷の前に適切な保持タンク245に移される。
図2は、本発明のモジュラーリグノセルロース系原料処理システムに適切である例示的な変更を示す図である。 
【００３１】
一例示的実施態様には、加熱した蒸解/抽出溶媒と適切な時間混合し飽和させることによって蒸解し抽出する前に前処理する分離デバイス20からの処理されたリグノセルロース系原料をその中に収容する前処理容器25の設備が含まれている。パイプライン41からの蒸解/抽出溶媒の適切な供給量は、バルブ42によって変え、パイプライン43によって前処理容器25に分配されてもよい。過剰量の蒸解/抽出溶媒は、原料の蒸解/抽出容器40への搬送の間に第一オーガーフィーダ30によって加えられる機械的圧力によって処理され前処理されたリグノセルロース系原料から圧搾される。抽出された蒸解/抽出溶媒は、パイプライン43によって分配される処理された流入リグノセルロース系原料と新鮮な流入蒸解/抽出溶媒を混合するもとの前処理容器25へパイプライン32を介して再循環可能である。蒸解/抽出容器40に分配する前の処理されたリグノセルロース系原料のこのような前処理は、混合蒸解プロセスにおける蒸解/抽出溶媒の急速な吸収を容易にし、リグノセルロース系原料の蒸解とそこからの成分の抽出を促進させる。
【００３２】
図2に示される他の例示的実施態様は、モジュールDにおいてデカンタ240から排出されるシュガーシロップ流の間に配置される第二誘導バルブ260を提供する。シュガー流をシュガー流保持タンク240に送ることに加えて、第二誘導バルブ260は、液体シュガー流の一部をモジュールBにおける発酵槽80へ分配するためのパイプライン270に制御可能に変えるように構成されている。モジュールDからの液体シュガー流の一部のこのような分配は、タンク80における発酵速度を向上させ増大させ、更に、モジュールAに分配されるリグノセルロース系原料から得られる燃料品質のエタノール容積を増加させる。
【００３３】
図2において示される他の例示的実施態様は、アルコール蒸留廃液処理容器220から半固体/固体廃棄物を収容するように構成され、必要により、アルコール蒸留廃液処理容器220から排出されるシュガーシロップ流の一部を収容するように構成されていてもよい嫌気性蒸解システムを備える選択できる第五モジュールEを提供する。本発明のモジュールEを備える例示的嫌気性蒸解システムは、図3に示され、通常は、スラッジタンク310、生物学的酸性化プロセスをその中に含有するように構成される容器320(以後、酸性化容器と呼ぶ)、生物学的酢酸生成プロセスをその中に含有するように構成される容器330(以後、酢酸生成容器と呼ぶ)、及び酢酸をバイオガスに変換するための生物学的プロセスをその中に含有するように構成される容器340(以後、バイオガス容器と呼ぶ)を備えている。モジュールCのアルコール蒸留廃液処理容器220において生成される半固体/固体廃棄物は、搬送装置225によってスラッジタンク310に移され、ここで、通性嫌気性微生物の嫌気性条件と適切な集団が維持される。通性微生物によって産生される酵素は、半固体/固体廃棄物を含む複雑有機分子を可溶性モノマー、例えば、単糖類、アミノ酸、脂肪酸に加水分解する。そのように所望される場合には、スラッジタンク310において半固体/固体廃棄物と混在させ混合する種菌組成物を与えて、その中に生じる加水分解を促進させることは、本発明の範囲内である。適切な加水分解種菌組成物は、少なくとも一つのエンテロバクター種(Enterobacter sp.)と共に与えられる。加水分解された可溶性モノマーをその中に含有する液体流は、酸性化容器320に移され、ここで、嫌気性条件と酸産生菌の集団が維持される。酸性化容器320によって収容される液体流に含有される単糖類、アミノ酸及び脂肪酸は、
【００３４】
酸産生菌によって揮発性酸に変換される。そのように所望される場合には、酸性化タンク320において可溶化揮発性脂肪酸の生産を容易にし促進させるように構成される酸性化種菌組成物を与えることは本発明の範囲内である。適切な酸性化種菌組成物は、バシラス種(Bacillus sp.)、ラクトバシラス種(Lactobacillus sp.)及びストレプトコッカス種(Streptococcus sp.)の少なくとも一つと共に与えられる。可溶化された揮発性脂肪酸をその中に含有する液体流は、酢酸生成容器330に移され、ここで、嫌気性条件と酢酸生成菌の集団が維持される。揮発性脂肪酸は、酢酸生成菌によって酢酸、二酸化炭素、及び水素に変換される。そのように所望される場合には、酢酸生成容器330において液体流に分配された揮発性脂肪酸からの酢酸の生産を容易にし促進させるように構成される種菌組成物を与えることは本発明の範囲内である。適切な酢化種菌組成物は、アセトバクター種(Acetobacter sp.)、グルコノバクター種(Gluconobacter sp.)及びクロストリジウム種(Clostridium sp.)の少なくとも一つと共に与えられる。次に、酢酸、二酸化炭素、及び水素が酢酸生成容器330からバイオガス容器340に移され、ここで、酢酸がメタン、二酸化炭素及び水に変換される。モジュールEのバイオガス容器330において産生されるバイオガスの組成は
【００３５】
、モジュールAに分配されるリグノセルロース系原料の化学組成によって幾分異なるが、典型的には、第一にメタン、第二にCO2、及び微量の窒素ガス、水素、酸素及び硫化水素を含む。そのように所望される場合には、酢酸のバイオガスへの変換を容易にし促進させるように構成されるメタン生成種菌組成物を与えることは、本発明の範囲内である。適切なメタン生成種菌組成物は、細菌によってメタノバクテリア種、メタノコッカス種、及びメタノピリ種由来の細菌の少なくとも一つと共に与えられる。バイオガスは、ガス燃焼タービンによって例示されるように、発電システムに直接送ることができる。バイオガスの燃焼は、タービンを回転させるにつれてバイオガスに含有されるメタンの分子の結合に保存されるエネルギーを機械的エネルギーに変換させる。バイオガス燃焼によって、例えば、エンジン又はマイクロタービンに生成される機械的エネルギーは、電子又は電気の流れを生じるタービンを回転させてもよい。更に、これらのエンジンから廃熱は、本発明のその他のモジュールに所望されるように用いられる施設の基盤のために及び/又は蒸気のために及び/又は熱水のために加熱することができる。
【００３６】
しかしながら、半固体/固体廃棄物の嫌気性蒸解による問題は、この方法における第一工程、即ち、半固体/固体廃棄物を含む複雑な有機分子の可溶性モノマー、例えば、単糖類、アミノ酸、脂肪酸を含有する液体流への加水分解が、典型的には長く且つ可変的であるが、続く工程、即ち、酸性化、酢化及びバイオガス生産が、第一工程と比較して比較的急速に進行することである。結果として、嫌気性第一工程におけるこのような長く可変的な加水分解は、発電及び/又は蒸気及び/又は熱水に対する施設の要求に相対して不充分な量のバイオガス生産になる可能性がある。従って、図2及び図3に示されるように、本発明の他の実施態様は、モジュールDのアルコール蒸留廃液処理容器220から排出されるシュガーシロップ流の一部をモジュールEの酸性化タンク320に制御可能に与えて、スラッジタンク310に分配された半固体/固体物質から加水分解される可溶性単糖類の供給量を補足する。従って、アルコール蒸留廃液処理容器220からのシュガーシロップ排出ラインの間に配置した第二ダイバータ260を設けて、シュガーシロップの一部を酸性化容器320に搬送するパイプライン275へ制御可能に変えることにより、本発明のモジュールEによって得られるバイオガス量を正確に処理し調節することができる。
【００３７】
本発明の他の例示的実施態様は、図4に示され、モジュールBに選択できる容器280が設けられ、ここで、容器280は、混合容器60(図2)から低粘度パルプを収容し、低粘度固体画分をその中で同時に、即ち、共糖化させ共発酵させるように構成されている。このような共糖化と共発酵のプロセスが、“同時糖化発酵”(SSF)プロセスと一般に呼ばれること、また、容器280(以後、SSF容器と呼ぶ)が、図2の蒸解容器70と発酵容器80を置き換えることができることを当業者は理解する。第二ダイバータバルブ260からパイプライン270を介してSSF容器280へのシュガーシロップの補助流を設けて(図2及び図4)、SSF容器280の発酵速度を制御可能に向上させ増大させることは適切である。
【００３８】
本発明の他の例示的実施態様は、図5に示され、モジュールBとモジュールCと連通し協調する別の第一モジュールAAが設けられ、ここで、別の第一モジュールAA(図5)は、リグノセルロース系原料を連続流入し、処理し、蒸解/抽出するように構成されるモジュールAと比較して(図1)、リグノセルロース系原料のバッチを収容し、処理し、蒸解/抽出するように構成されている。図5に示されるように、リグノセルロース系原料のバッチ蒸解/抽出のための一例示的実施態様は、蒸解/抽出溶媒再循環タンク410と溶媒ポンプ420と相互接続され連通しているバッチ蒸解/抽出容器400を備えている。リグノセルロース系原料のバッチは、収容ビン430に装填され、そこから、小石、砂利、金属及び他の破片を除去するように構成されるスクリーニングデバイス440を備えた運搬システムに制御可能に排出される。スクリーニングデバイス440は、必要により、リグノセルロース系原料の大きさを所望の画分にするように構成されてもよい。次に、処理されたリグノセルロース系原料は、バッチ蒸解/抽出容器400の第一端に第三オーガーフィーダ450によって運搬される。蒸解/抽出溶媒再循環タンク410は、モジュールBの蒸解/抽出溶媒保持タンク250から適切な蒸解/抽出溶媒をパイプライン41を介して収容するように構成される。蒸解/抽出溶媒は、バッチ蒸解/抽出容器400に溶媒ポンプ420を介してポンプで送られ、ここで、制御可能に
【００３９】
混合され、混在し、その中に含有されるリグノセルロース系原料のバッチによって循環される。バッチ蒸解/抽出容器400は、制御可能に加圧され温度制御されて、圧力と温度の操作を可能にし、目標蒸解条件を与えるとともに溶媒を原料と混合し混在させる。例示的蒸解条件としては、約15-30バール(g)の範囲の圧力、約120o-350oCの範囲の温度、及び約1.5-5.5の範囲のpHが挙げられる。蒸解プロセスの間に、混合し含浸したリグノセルロース系原料の中に含有されるリグニンとリグニン含有化合物を有機溶媒に溶解し、それに付着した、また、それとともに付着したセルロース繊維性材料が解離し互いに分離することになる。リグニンとリグニン含有ポリマーの溶解に加えて、蒸解プロセスは、リグノセルロース系材料から有機溶媒へ、単糖類、オリゴ糖及び多糖類及び他の有機化合物、例えば、酢酸を溶質や粒状形態で遊離することは当業者に理解される。リグノセルロース系原料が、解離されたセルロース繊維を含む粘性パルプ材料を含む固体画分と、使用済み有機溶媒中のリグノセルロース系材料から、溶質及び微粒子の形で可溶化リグニン及びリグニン含有ポリマー、ヘミセルロース、多糖類、オリゴ糖類、単糖類及び他の有機化合物を含む液
【００４０】
体画分、即ち、黒液に適切に蒸解され抽出されるまで、溶媒ポンプ420によってもとのバッチ蒸解/抽出容器400へ再循環するもとの蒸解/抽出溶媒再循環タンク410にパイプライン460を介して搬送する蒸解プロセスにおいてパイプライン460によってバッチ蒸解/抽出容器400からの蒸解/抽出溶媒を排出することは適切である。再循環蒸解/抽出溶媒の一部を溶媒再循環タンク410からモジュールCにおける加熱塔140に搬送するパイプライン465を介して取り出すこと、また、再循環蒸解/抽出溶媒の取り出した一部をモジュールBの蒸解/抽出溶媒保持タンク250からの新鮮な蒸解/抽出溶媒にパイプライン41を介して置き換え、それによって、バッチ蒸解/抽出容器400内の蒸解/抽出プロセスが促進することは本発明の範囲内である。リグノセルロース系原料の蒸解/抽出が完了した後、セルロース繊維パルプを含む固体画分は、バッチ蒸解/抽出容器400から排出され、モジュールBにおける混合容器60へ運搬され、ここで、固体画分、即ち、第一モジュールAAから排出されるパルプの粘度を、パイプライン130を介して分配される脱リグニン化アルコール蒸留廃液と混合し混在させることによって所定の目標粘度に制御可能に低下させ、次に、モジュールBの脱リグニン装置110から制御可能に再循環され、その後、低下した粘度パルプが前述したように糖化、発酵及び精製によって更に処理される。黒液は、前述したようにリグニンをそこから沈殿させ更に処理するために蒸解/抽出溶媒再循環タンク410からパイプライン465を介してモジュールCにおける加熱塔140に移される。
【００４１】
本発明のバッチ蒸解/抽出モジュール成分の適切な例示的変更は、図6に示され、蒸解/抽出溶媒と適切な時間混合し飽和させることによって、バッチ蒸解/抽出容器400に運搬する前に前処理するスクリーニングデバイス440からの処理されたリグノセルロース系原料をその中に収容する前処理容器445が設けられている。蒸解/抽出溶媒の適切な供給量は、バルブ42(図2に図示)によってパイプライン41から変えて、パイプライン43によって前処理容器445に分配されてもよい。過剰量の蒸解/抽出溶媒は、原料の蒸解/抽出容器400への搬送の間に第三オーガーフィーダ30によって加えられる機械的圧力によって処理され前処理されたリグノセルロース系原料から圧搾される。抽出された蒸解/抽出溶媒は、パイプライン43によって分配される処理された流入リグノセルロース系原料と新鮮な流入蒸解/抽出溶媒を混合するもとの前処理容器445へパイプライン455を介して再循環可能である。蒸解/抽出容器400に分配する前の処理されたリグノセルロース系原料のこのような前処理は、混合蒸解プロセスの間の蒸解/抽出溶媒の急速な吸収を容易にし、リグノセルロース系原料の蒸解とそこからの成分の抽出を促進させる。
リグノセルロース系原料を成分に分画し、次に引き続き分離される、システム、方法及びプロセスを、選択された広葉樹と選択された針葉樹の種類による以下の実施例において更に詳細に記載する。以下の実施例は、本発明を例示するものであり、限定するものではない。
【実施例１】
【００４２】
ブリティッシュコロンビアのアスペン(Populus tremuloides)(樹齢〜125年)の丸太全体の代表試料を集めた。収集した後、丸太の皮をはぎ、分割し、細かくし、ほぼ≦10mm×10mm×3mmのチップサイズに砕いた。チップを、室温で保存した(平衡状態の水分は〜10%であった)。アスペンチップを、2LのParr(登録商標)リアクタ(Parrは、the Parr Instrument Company、モリーン、イリノイ州、米国の登録商標である)において、外因性酸又は塩基を添加せずに、水性エタノール(50% w/wエタノール)中でオルガノソルブ前処理した。ASP1として示されるアスペンチップの二つの200g(ODW)試料を195oCで60分間蒸解させた。液:木材比は、質量に基づき5:1であった。蒸解後、リアクタを室温に冷却した。次に、固体と使用済み液をろ過によって分離した。固体を熱エタノール溶液(70oC)で徹底的に洗浄し、水道水洗浄工程を続けた。洗浄したパルプの水分を液圧プレスの援助によって約40%まで減少させた(或いは、スクリュープレスを用いることができる)。洗浄したパルプをホモ
【００４３】
ジナイズし、4oCの冷蔵庫に保存した。洗浄したパルプと洗浄していないパルプの化学組成(ヘキソース、ペントース、リグニン含量)を紙パルプ技術協会(TAPPI)標準法T222 om-88 (TAPPI法、CD-ROM、2004、TAPPI Press)に由来するKlasonリグニン変法に従って求めた。液体について、炭水化物分解生成物(フルフラール、5-ヒドロメチルフルフラール)、酸、及びオリゴ糖類及び単糖類を国立再生可能エネルギー研究所(NREL、ゴールデン、コロラド、米国)によって確立された標準手順に従って分析した。得られたデータを用いて、全体のリグニンと炭水化物の回収とプロセスの物質収支を算出した。原料のままのアスペンチップと前処理されたアスペンチップからの炭水化物組成と全体の炭水化物回収を、表1に示す。主にエタノールへの発酵可能な炭水化物を含有する400gのアスペン木材チップ(パルプ収率55.6%)のバッチオルガノソルブ処理後に、222.2g(炉乾燥質量、odw)ASP1パルプを回収した。ペントースとヘキソースが部分的に分解し、それぞれ、0.71gKg-1のフルフラールと0.06gKg-1の15-HMFが得られた。パルプと液体から回収される異なる種類のリグニンを表2に示す。
【００４４】
表1 原料のままのアスペンチップと前処理したアスペンチップ(ASP1前処理条件)の炭水化物含量及び全体の炭水化物回収
2010527619.tif 000003
【００４５】
表2: 原料アスペンチップのリグニン導入及びオルガノソルブ前処理(ASP1前処理条件)後に回収されたリグニン画分
2010527619.tif 000004
*水で沈殿させることによって液体から回収した; AIL-酸不溶性リグニン; ASL-酸可溶性リグニン
【００４６】
エタノール生産のための洗浄パルプの可能性を、100mL三角フラスコにおいて評価した。洗浄パルプのpHを、最初に、アンモニア水溶液でpH 5.50に調整し、次に、三角フラスコに入れ、蒸留水に全反応質量100g(酵母と酵素の質量を含む、最終反応容積は〜100mLにした)及び最終固形物濃度16%(w/w)に再懸濁した。エタノール生産プロセスを、すべてのヘキソースを発酵させることができる市販のβ-グルコシダーゼ調製品(30 CBUg-1グルカン)で補足した15 FPUg-1グルカンの市販のトリコデルマ・リーゼイ(Trichoderma reesei)真菌セルラーゼ調製品Celluclast(登録商標) 1.5L (Celluclastは、Novozymes A/S  Corp.、バウスヴェア、デンマークの登録商標である)及び10g/L乾燥細胞質量のエタノール生産酵母、サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)菌株Y-1528 (the Agricultural Research Service、アメリカ農務省、ピオリア、イリノイ州、米国から入手できる)を用いて同時糖化発酵スキーム(SSF)に従って行った。混合物を、36oC、150rpmで48時間インキューベートした。0、24、36、及び48時間におけるガスクロマトグラフィによるエタノール分析に試料を用いた。得られたエタノール収率は、最初のヘキソース導入に基づき39.40%の理論的エタノール収率であった。最終エタノールビール濃度は、3.26%(w/w)(図7a及び図7b)であった。
【実施例２】
【００４７】
ASP2として示される実施例1で調製した木材チップの二つの200g(ODW)試料をこの実験に用いた。アスペンチップを、2LのParr(登録商標)リアクタにおいて、外因性酸又は塩基を添加せずに、水性エタノール(50% w/wエタノール)中でオルガノソルブ前処理した。アスペンチップの二つの200g(ODW)試料を195oCで60分間蒸解させた。液:木材比は、5:1(w:w)であった。蒸解後、リアクタを室温に冷却した。次に、固体と液体をろ過によって分離した。固体を熱エタノール溶液(70oC)で徹底的に洗浄し、水道水洗浄工程を続けた。洗浄したパルプの水分を液圧プレスの援助によって約40%まで減少させた(或いは、スクリュープレスを用いることができる)。洗浄したパルプをホモジナイズし、4oCの冷蔵庫に保存した。原料のままのチップ、洗浄したパルプ及び洗浄していないパルプの化学組成(ヘキソース、ペントース、リグニン含量)を紙パルプ技術協会(TAPPI)標準法T222 om-88 (TAPPI法、CD-ROM、2004、TAPPI Press)に由来するKlasonリグニン変法に従って求めた。液体について、炭水化物分解生成物(フルフラール、5-ヒドロメチルフルフラール)、酸、及びオリゴ糖類及び単糖類を国立再生可能エネルギー研究所(NREL、ゴールデン、コロラド州、米国)によって確立された標準手順に従って分析した。得られたデータを用いて、全体の炭水化物とリグニンの回収とプロセスの物質収支を算出した。原料のままのアスペンチップと前処理されたアスペンチップからの炭水化物組成と全体の炭水化物回収を、表3に示す。400gのアスペン木材チップ(パルプ収率57.6%)のバッチオルガノソルブ処理後に230.2g(odw)のパルプを回収し、主にエタノールへの発酵可能な炭水化物を含んだ。ペントースとヘキソースが部分的に分解し、それぞれ、0.53gKg-1のフルフラールと0.05gKg-1の15-HMFが得られた。原料のままのアスペンチップと前処理後の全体のリグニン回収を表4に示す。
【００４８】
表3 原料のままのアスペンチップと前処理したアスペンチップ(ASP2前処理条件)の炭水化物含量及び全体の炭水化物回収
2010527619.tif 000005
【００４９】
表4 原料アスペンチップのリグニン導入及びオルガノソルブ前処理(ASP2前処理条件)後に回収されたリグニン画分
2010527619.tif 000006
*水で沈殿させることによって液体から回収した; AIL-酸不溶性リグニン; ASL-酸可溶性リグニン
洗浄パルプからのエタノール生産を、100mL三角フラスコにおいて評価した。三角フラスコにおける実験を以下の通り行った。洗浄パルプのpHを、アンモニア水溶液でpH 5.50に調整し、次に、三角フラスコに入れ、蒸留水に全反応質量100g(酵母と酵素の質量を含む、全反応容積は〜100mLにした)及び最終固形物濃度16%(w/w)に再懸濁した。エタノールプロセスを、すべてのヘキソースを発酵させることができる市販のβ-グルコシダーゼ調製品(30 CBUg-1グルカン)で補足した15 FPUg-1グルカンの市販のトリコデルマ・リーゼイ真菌セルラーゼ調製品Celluclast(登録商標) 1.5L及び10g/L乾燥細胞質量のエタノール生産酵母、サッカロミセス・セレビシエ菌株Y-1528を用いてSSFに従って行った。混合物を、36oC、150rpmで48時間インキューベートした。0、24、36、及び48時間におけるガスクロマトグラフィによるエタノール分析に試料を用いた。得られたエタノール収率は、最初のヘキソース導入に基づき79.30%の理論的エタノール収率であった。最終エタノールビール濃度は、6.33%(w/w)(図7a及び図7b)であった。
【実施例３】
【００５０】
ASP3として示される実施例1で調製した木材チップの二つの200g(ODW)試料をこの実験に用いた。アスペンチップを、2LのParr(登録商標)リアクタにおいて、外因性酸又は塩基を添加せずに、水性エタノール(50% w/wエタノール)中でオルガノソルブ前処理した。アスペンチップの二つの試料を195oCで120分間二回の実験で蒸解させた。液:木材比は、5:1(w:w)であった。蒸解後、リアクタを室温に冷却した。次に、固体と液体をろ過によって分離した。固体を熱エタノール溶液(70oC)で徹底的に洗浄し、水道水洗浄工程を続けた。洗浄したパルプの水分を液圧プレスの援助によって約40%まで減少させた(或いは、スクリュープレスを用いることができる)。洗浄したパルプをホモジナイズし、4oCの冷蔵庫に保存した。原料のままのチップ、洗浄したパルプ及び洗浄していないパルプの化学組成(ヘキソース、ペントース、リグニン含量)を紙パルプ技術協会(TAPPI)標準法T222 om-88に由来するKlasonリグニン変法に従って求めた。液体について、炭水化物分解生成物(フルフラール、5-ヒドロメチルフルフラール)、酸、及びオリゴ糖類及び単糖類を国立再生可能エネルギー研究所によって確立された標準手順に従って分析した。得られたデータを用いて、全体の炭水化物とリグニンの回収とプロセスの物質収支を算出した。原料のままのアスペンチップと前処理されたアスペンチップからの炭水化物組成と全体の炭水化物回収を、表5に示す。400gのアスペン木材チップ(パルプ収率54.98%)のバッチオルガノソルブ処理後に219.9g(odw)のパルプを回収し、主にエタノールへの発酵可能な炭水化物を含んだ。ペントースとヘキソースが部分的に分解し、それぞれ、0.92gKg-1のフルフラールと0.08gKg-1の15-HMFが得られた。原料のままのアスペンチップと前処理後の全体のリグニン回収を表6に示す。
【００５１】
洗浄パルプからのエタノール生産を、100mL三角フラスコにおいて評価した。三角フラスコにおける実験を以下の通り行った。洗浄パルプのpHを、アンモニア水溶液でpH 5.50に調整し、次に、三角フラスコに入れ、蒸留水に全反応質量100g(酵母と酵素の質量を含む、全反応容積は〜100mLにした)及び最終固形物濃度16%(w/w)に再懸濁した。エタノールプロセスを、すべてのヘキソースを発酵させることができる市販のβ-グルコシダーゼ調製品(30 CBUg-1グルカン)で補足した15 FPUg-1グルカンの市販のトリコデルマ・リーゼイ真菌セルラーゼ調製品Celluclast(登録商標) 1.5L及び10g/L乾燥細胞質量のエタノール生産酵母、サッカロミセス・セレビシエ菌株Y-1528を用いてSSFに従って行った。混合物を、36oC、150rpmで48時間インキューベートした。0、24、36、及び48時間におけるガスクロマトグラフィによるエタノール分析に試料を用いた。得られたエタノール収率は、最初のヘキソース導入に基づき79.00%の理論的エタノール収率であった。最終エタノールビール濃度は、6.60%(w/w)(図7a及び図7b)であった。
【００５２】
表5 原料のままのアスペンチップと前処理したアスペンチップ(ASP3前処理条件)の炭水化物含量及び全体の炭水化物回収
2010527619.tif 000007
【００５３】
表6 原料アスペンチップのリグニン導入及びオルガノソルブ前処理(ASP3前処理条件)後に回収されたリグニン画分
2010527619.tif 000008
*水で沈殿させることによって液体から回収した; AIL-酸不溶性リグニン; ASL-酸可溶性リグニン
【実施例４】
【００５４】
ブリティッシュコロンビアの甲虫で枯れたロッジポールパイン(ピヌス・コントルタ)白太(樹齢〜120年)の代表試料を集めた。収集した後、丸太の皮をはぎ、分割し、細かくし、ほぼ≦10mm×10mm×3mmのチップサイズに砕いた。チップを、室温で保存した(平衡状態の水分は〜10%であった)。BKLLP1として示されるこれらの木材チップの二つの200g(ODW)試料をこの実験に用いた。チップを、2LのParr(登録商標)リアクタにおいて、1.10%(w/w)硫酸を添加して水性エタノール(50% w/wエタノール)中でオルガノソルブ前処理した。チップを170oCで60分間二回の実験で蒸解させた。液:木材比は、5:1(w:w)であった。蒸解後、リアクタを室温に冷却した。次に、固体と液体をろ過によって分離した。固体を熱エタノール溶液(70oC)で徹底的に洗浄し、水道水洗浄工程を続けた。洗浄したパルプの水分を液圧プレスの援助によって約40%まで減少させた(或いは、スクリュープレスを用いることができる)。洗浄したパルプをホモジナイズし、4oCの冷蔵庫に保存した。原料のままのチップ、洗浄したパルプ及び洗浄していないパルプの化学組成(ヘキソース、ペントース、リグニン含量)を紙パルプ技術協会(TAPPI)標準法T222 om-88に由来するKlasonリグニン変法に従って求めた。液体について、炭水化物分解生成物(フルフラール、5-ヒドロメチルフルフラール)、酸、及びオリゴ糖類及び単糖類を国立再生可能エネルギー研究所によって確立された標準手順に従って分析した。得られたデータを用いて、全体の炭水化物とリグニンの回収とプロセスの物質収支を算出した。原料のままの甲虫で枯れたロッジポールパインチップと前処理された甲虫で枯れたロッジポールパインチップチップからの炭水化物組成と全体の炭水化物回収を、表7に示す。400gの木材チップ(パルプ収率44.30%)のバッチオルガノソルブ処理後に177.2g(odw)のパルプを回収し、主にエタノールへの発酵可能な炭水化物を含有した。ペントースとヘキソースが部分的に分解し、それぞれ、0.72gKg-1のフルフラールと1.78gKg-1の15-HMFが得られた。原料のままの甲虫で枯れたロッジポールパインチップと前処理後の全体のリグニン回収を表8に示す。
【００５５】
表7 原料のままの甲虫で枯れたロッジポールパインチップと前処理した甲虫で枯れたロッジポールパインチップ(BKLLP1前処理条件)の炭水化物含量及び全体の炭水化物回収
2010527619.tif 000009
【００５６】
表8 原料のままの甲虫で枯れたロッジポールパインチップのリグニン導入及びオルガノソルブ前処理(BKLLP1前処理条件)後に回収されたリグニン画分
2010527619.tif 000010
*水で沈殿させることによって液体から回収した; AIL-酸不溶性リグニン; ASL-酸可溶性リグニン
【００５７】
洗浄パルプからのエタノール生産を、100mL三角フラスコにおいて評価した。三角フラスコにおける実験を以下の通り行った。洗浄パルプのpHを、アンモニア水溶液でpH 5.50に調整し、次に、三角フラスコに入れ、蒸留水に全反応質量100g(酵母と酵素の質量を含む、全反応容積は〜100mLにした)及び最終固形物濃度16%(w/w)に再懸濁した。エタノールプロセスを、すべてのヘキソースを発酵させることができる市販のβ-グルコシダーゼ調製品(30 CBUg-1グルカン)で補足した15 FPUg-1グルカンの市販のトリコデルマ・リーゼイ真菌セルラーゼ調製品Celluclast(登録商標) 1.5Lを10g/L乾燥細胞質量のエタノール生産酵母、サッカロミセス・セレビシエ菌株Y-1528と共に用いて同時糖化発酵スキーム(SSF)に従って行った。混合物を、36oC、150rpmで48時間インキューベートした。0、24、36、及び48時間におけるガスクロマトグラフィによるエタノール分析に試料を用いた。得られたエタノール収率は、最初のヘキソース導入に基づき60.50%の理論的エタノール収率であった。最終エタノールビール濃度は、7.18%(w/w)(図8a及び図8b)であった。
【実施例５】
【００５８】
実施例4に記載した実験のために調製したチップのBKLLP2として示されるブリティッシュコロンビアの甲虫で枯れたロッジポールパイン(ピヌス・コントルタ)の二つの200g試料を、2LのParr(登録商標)リアクタにおいて、1.10%(w/w)硫酸を添加して水性エタノール(50% w/wエタノール)中でオルガノソルブ前処理した。チップの二つの200g(ODW)試料を、175oCで60分間蒸解させた。液:木材比は、5:1(w:w)であった。蒸解後、リアクタを室温に冷却した。次に、固体と液体をろ過によって分離した。固体を熱エタノール溶液(70oC)で徹底的に洗浄し、水道水洗浄工程を続けた。洗浄したパルプの水分を液圧プレスの援助によって約40%まで減少させた(或いは、スクリュープレスを用いることができる)。洗浄したパルプをホモジナイズし、4oCの冷蔵庫に保存した。原料のままのチップ、洗浄したパルプ及び洗浄していないパルプの化学組成(ヘキソース、ペントース、リグニン含量)を紙パルプ技術協会(TAPPI)標準法T222 om-88に由来するKlasonリグニン変法に従って求めた。液体について、炭水化物分解生成物(フルフラール、5-ヒドロメチルフルフラール)、酸、及びオリゴ糖類及び単糖類を国立再生可能エネルギー研究所によって確立された標準手順に従って分析した。得られたデータを用いて、全体の炭水化物とリグニンの回収とプロセスの物質収支を算出した。原料のままの甲虫で枯れたロッジポールパインチップと前処理された甲虫で枯れたロッジポールパインチップチップからの炭水化物組成と全体の炭水化物回収を、表9に示す。400gの木材チップ(パルプ収率36.10%)のバッチオルガノソルブ処理後に144.4g(odw)のパルプを回収し、主にエタノールへの発酵可能な炭水化物を含有した。ペントースとヘキソースが部分的に分解し、それぞれ、0.92gKg-1のフルフラールと1.87gKg-1の15-HMFが得られた。原料のままの甲虫で枯れたロッジポールパインチップと前処理後の全体のリグニン回収を表10に示す。
【００５９】
表9 原料のままの甲虫で枯れたロッジポールパインチップと前処理した甲虫で枯れたロッジポールパインチップ(BKLLP2前処理条件)の炭水化物含量及び全体の炭水化物回収
2010527619.tif 000011
【００６０】
表10 原料のままの甲虫で枯れたロッジポールパインチップのリグニン導入及びオルガノソルブ前処理(BKLLP2前処理条件)後に回収されたリグニン画分
2010527619.tif 000012
*水で沈殿させることによって液体から回収した; AIL-酸不溶性リグニン; ASL-酸可溶性リグニン
【００６１】
洗浄パルプからのエタノール生産を、100mL三角フラスコにおいて評価した。三角フラスコにおける実験を以下の通り行った。洗浄パルプのpHを、アンモニア水溶液でpH 5.50に調整し、次に、三角フラスコに入れ、蒸留水に全反応質量100g(酵母と酵素の質量を含む、全反応容積は〜100mLにした)及び最終固形物濃度16%(w/w)に再懸濁した。エタノールプロセスを、すべてのヘキソースを発酵させることができる市販のβ-グルコシダーゼ調製品(30 CBUg-1グルカン)で補足した15 FPUg-1グルカンの市販のトリコデルマ・リーゼイ真菌セルラーゼ調製品Celluclast(登録商標) 1.5Lと10g/L乾燥細胞質量のエタノール生産酵母、サッカロミセス・セレビシエ菌株Y-1528を用いて同時糖化発酵スキーム(SSF)に従って行った。混合物を、36oC、150rpmで48時間インキューベートした。0、24、36、及び48時間におけるガスクロマトグラフィによるエタノール分析に試料を用いた。得られたエタノール収率は、最初のヘキソース導入に基づき53.10%の理論的エタノール収率であった。最終エタノールビール濃度は、7.74%(w/w)(図8a及び図8b)であった。
【実施例６】
【００６２】
実施例4に記載した実験のために調製したチップのBKLLP3として示されるブリティッシュコロンビアの甲虫で枯れたロッジポールパイン(ピヌス・コントルタ)の二つの200g試料を、2LのParr(登録商標)リアクタにおいて、1.10%(w/w)硫酸を添加して水性エタノール(50% w/wエタノール)中でオルガノソルブ前処理した。チップを二回の実験において180oCで60分間蒸解させた。液:木材比は、5:1(w:w)であった。蒸解後、リアクタを室温に冷却した。次に、固体と液体をろ過によって分離した。固体を熱エタノール溶液(70oC)で徹底的に洗浄し、水道水洗浄工程を続けた。洗浄したパルプの水分を液圧プレスの援助によって約40%まで減少させた(或いは、スクリュープレスを用いることができる)。洗浄したパルプをホモジナイズし、4oCの冷蔵庫に保存した。原料のままのチップ、洗浄したパルプ及び洗浄していないパルプの化学組成(ヘキソース、ペントース、リグニン含量)を紙パルプ技術協会(TAPPI)標準法T222 om-88に由来するKlasonリグニン変法に従って求めた。液体について、炭水化物分解生成物(フルフラール、5-ヒドロメチルフルフラール)、酸、及び
【００６３】
オリゴ糖類及び単糖類を国立再生可能エネルギー研究所によって確立された標準手順に従って分析した。得られたデータを用いて、全体の炭水化物とリグニンの回収とプロセスの物質収支を算出した。原料のままの甲虫で枯れたロッジポールパインチップと前処理された甲虫で枯れたロッジポールパインチップチップからの炭水化物組成と全体の炭水化物回収を、表11に示す。400gの木材チップ(パルプ収率36.18%)のバッチオルガノソルブ処理後に120.7g(odw)のパルプを回収し、主にエタノールへの発酵可能な炭水化物を含有した。ペントースとヘキソースが部分的に分解し、それぞれ、1.47gKg-1のフルフラールと2.17gKg-1の15-HMFが得られた。原料のままの甲虫で枯れたロッジポールパインチップと前処理後の全体のリグニン回収を表12に示す。
【００６４】
表11 原料のままの甲虫で枯れたロッジポールパインチップと前処理した甲虫で枯れたロッジポールパインチップ(BKLLP3前処理条件)の炭水化物含量及び全体の炭水化物回収
2010527619.tif 000013
【００６５】
表12 原料のままの甲虫で枯れたロッジポールパインチップのリグニン導入及びオルガノソルブ前処理(BKLLP3前処理条件)後に回収されたリグニン画分
2010527619.tif 000014
*水で沈殿させることによって液体から回収した; AIL-酸不溶性リグニン; ASL-酸可溶性リグニン
【００６６】
洗浄パルプからのエタノール生産を、100mL三角フラスコにおいて評価した。三角フラスコにおける実験を以下の通り行った。洗浄パルプのpHを、アンモニア水溶液でpH 5.50に調整し、次に、三角フラスコに入れ、蒸留水に全反応質量100g(酵母と酵素の質量を含む、全反応容積は〜100mLにした)及び最終固形物濃度16%(w/w)に再懸濁した。エタノールプロセスを、すべてのヘキソースを発酵させることができる市販のβ-グルコシダーゼ調製品(30 CBUg-1グルカン)で補足した15 FPUg-1グルカンの市販のトリコデルマ・リーゼイ真菌セルラーゼ調製品Celluclast(登録商標) 1.5Lと10g/L乾燥細胞質量のエタノール生産酵母、サッカロミセス・セレビシエ菌株Y-1528を用いてSSFスキームに従って行った。混合物を、36oC、150rpmで48時間インキューベートした。0、24、36、及び48時間におけるガスクロマトグラフィによるエタノール分析に試料を用いた。得られたエタノール収率は、最初のヘキソース導入に基づき44.60%の理論的エタノール収率であった。最終エタノールビール濃度は、7.79%(w/w)(図8a及び図8b)であった。
【実施例７】
【００６７】
イースタンワシントン、米国から麦かん(トリチクム種 Triticum sp.)の代表試料を集めた。麦かんを〜5cmチップに切断し、室温で保存した(平衡状態の水分は〜10%であった)。麦かんを、2LのParr(登録商標)リアクタにおいて、外因性酸又は塩基を添加せずに水性エタノール(50% w/wエタノール)中でオルガノソルブ前処理した。WS-1として示される麦かんの二つの100g(ODW)試料を195oCで90分間二回の実験で蒸解させた。液:原材料比は、10:1(w:w)であった。蒸解後、リアクタを室温に冷却した。次に、固体と液体をろ過によって分離した。固体を熱エタノール溶液(70oC)で徹底的に洗浄し、水道水洗浄工程を続けた。洗浄したパルプの水分を液圧プレスの援助によって約40%まで減少させた(或いは、スクリュープレスを用いることができる)。洗浄したパルプをホモジナイズし、4oCの冷蔵庫に保存した。洗浄したパルプ及び洗浄していないパルプの化学組成(ヘキソース、ペントース、リグニン含量)を紙パルプ技術協会(TAPPI)標準法T222 om-88に由来するKlasonリグニン変法に従って求めた。液体について、炭水化物分解生成物(フルフラール、5-ヒドロメ
【００６８】
チルフルフラール)、酸、及びオリゴ糖類及び単糖類を国立再生可能エネルギー研究所によって確立された標準手順に従って分析した。得られたデータを用いて、全体の炭水化物とリグニンの回収とプロセスの物質収支を算出した。原料のままの麦かんと前処理された麦かんからの炭水化物組成と全体の炭水化物回収を、表13に示す。100gの麦かん(パルプ収率46.8%)のバッチオルガノソルブ処理後に46.8g(炉乾燥質量、odw)のパルプを回収し、主にエタノールへの発酵可能な炭水化物を含有した。ペントースとヘキソースが部分的に分解し、それぞれ、0.39gKg-1のフルフラールと0.03gKg-1の15-HMFが得られた。麦かんのリグニン含量と前処理後の全体のリグニン回収を表14に示す。
【００６９】
表13 原料のままの麦かんチップと前処理した麦かんチップ(WS-1前処理条件)の炭水化物含量及び全体の炭水化物回収
2010527619.tif 000015
【００７０】
表14 原料のままの麦かんチップのリグニン導入及びオルガノソルブ前処理(WS-1前処理条件)後に回収されたリグニン画分
2010527619.tif 000016
*水で沈殿させることによって液体から回収した; AIL-酸不溶性リグニン; ASL-酸可溶性リグニン
【００７１】
得られた洗浄麦かんのエタノール生産の可能性を、100mL三角フラスコにおいて評価した。三角フラスコにおける実験を以下の通り行った。洗浄パルプのpHを、アンモニア水溶液でpH 5.50に調整し、次に、三角フラスコに入れ、蒸留水に全反応質量100g(酵母と酵素の質量を含む、全反応容積は〜100mLにした)及び最終固形物濃度16%(w/w)に再懸濁した。エタノールプロセスを、すべてのヘキソースを発酵させることができる市販のβ-グルコシダーゼ調製品(30 CBUg-1グルカン)で補足した15 FPUg-1グルカンの市販のトリコデルマ・リーゼイ真菌セルラーゼ調製品Celluclast(登録商標) 1.5Lと10g/L乾燥細胞質量のエタノール生産酵母、サッカロミセス・セレビシエ菌株Y-1528を用いてSSFスキームに従って行った。混合物を、36oC、150rpmで48時間インキューベートした。0、24、36、及び48時間におけるガスクロマトグラフィによるエタノール分析に試料を用いた。得られたエタノール収率は、最初のヘキソース導入に基づき88.86%の理論的エタノール収率であった。最終エタノールビール濃度は、6.14%(w/w)(図9a及び図9b)であった。
【実施例８】
【００７２】
テネシー、米国からスイッチグラス(パニクム・ヴーガラタム Panicum virgatum)の代表試料を集めた。スイッチグラス試料を、約5cmの粒径に切断し、室温で保存した(平衡状態の水分は〜10%であった)。スイッチグラスチップを、2LのParr(登録商標)リアクタにおいて、外因性酸又は塩基を添加せずに水性エタノール(50% w/wエタノール)中でオルガノソルブ前処理した。SWG-1として示されるスイッチグラス試料の二つの100g(odw)を195oCで90分間蒸解させた。液:原材料比は、10:1(w:w)であった。蒸解後、リアクタを室温に冷却した。次に、固体と使用済み液体をろ過によって分離した。固体を熱エタノール溶液(70oC)で徹底的に洗浄し、水道水洗浄工程を続けた。洗浄したパルプの水分を液圧プレスの援助によって約40%まで減少させた(或いは、スクリュープレスを用いることができる)。洗浄したパルプをホモジナイズし、4oCの冷蔵庫に保存した。洗浄したパルプ及び洗浄していないパルプの化学組成(ヘキソース、ペントース、リグニン含量)を紙パルプ技術協会
【００７３】
(TAPPI)標準法T222 om-88に由来するKlasonリグニン変法に従って求めた。液体について、炭水化物分解生成物(フルフラール、5-ヒドロメチルフルフラール)、酸、及びオリゴ糖類及び単糖類を国立再生可能エネルギー研究所によって確立された標準手順に従って分析した。得られたデータを用いて、全体の炭水化物とリグニンの回収とプロセスの物質収支を算出した。原料のままのスイッチグラスと前処理されたスイッチグラスからの炭水化物組成と全体の炭水化物回収を、表15に示す。100gのスイッチグラス(45.2%のパルプ収率)のオルガノソルブ処理後に45.2g(炉乾燥質量、odw)のSWG-1パルプを回収し、主にエタノールへの発酵可能な炭水化物を含有した。ペントースとヘキソースが部分的に分解し、それぞれ、0.917gKg-1のフルフラールと0.917gKg-1の15-HMFが得られた。原料のスイッチグラスのリグニン含量と前処理後の全体のリグニン回収を表16に示す。
【００７４】
表15 原料のままのスイッチグラス粒子と前処理したスイッチグラス粒子(SWG-1前処理条件)の炭水化物含量及び全体の炭水化物回収
2010527619.tif 000017
【００７５】
表16 原料のままのスイッチグラス粒子のリグニン導入及びオルガノソルブ前処理(SWG-1前処理条件)後に回収されたリグニン画分
2010527619.tif 000018
*水で沈殿させることによって液体から回収した; AIL-酸不溶性リグニン; ASL-酸可溶性リグニン
【００７６】
得られた洗浄スイッチグラスパルプのエタノール生産の可能性を、100mL三角フラスコにおいて評価した。三角フラスコにおける実験を以下の通り行った。洗浄パルプのpHを、アンモニア水溶液でpH 5.50に調整し、次に、三角フラスコに入れ、蒸留水に全反応質量100g(酵母と酵素の質量を含む、全反応容積は〜100mLにした)及び最終固形物濃度16%(w/w)に再懸濁した。エタノールプロセスを、すべてのヘキソースを発酵させることができる市販のβ-グルコシダーゼ調製品(30 CBUg-1グルカン)で補足した15 FPUg-1グルカンの市販のトリコデルマ・リーゼイ真菌セルラーゼ調製品Celluclast(登録商標) 1.5Lと10g/L乾燥細胞質量のエタノール生産酵母、サッカロミセス・セレビシエ菌株Y-1528を用いてSSFスキームに従って行った。混合物を、36oC、150rpmで48時間インキューベートした。0、24、36、及び48時間におけるガスクロマトグラフィによるエタノール分析に試料を用いた。得られたエタノール収率は、最初のヘキソース導入に基づき82.51%の理論的エタノール収率であった。最終エタノールビール濃度は、5.97%(w/w)(図9a及び図9b)であった。
【００７７】
本発明を例示的実施態様について記載してきたが、当業者は、リグノセルロース系原料と向流有機溶媒とを連続して収容し制御可能に混合するための本明細書に開示されるシステム、プロセス及び装置構成をどのように変更し適合させるかを理解する。リグノセルロース系材料を成分に分離し、更にそれを処理するためにリグノセルロース系原料の流入連続流を向流流動或いは、並流流動有機溶媒で処理する本明細書に開示されるある種の新規な要素は、リグノセルロース系材料を処理するように構成されるバッチシステムに一体化するために変更され得る。例えば、バッチシステムで得られる黒液は、脱リグニン化され、次に、脱リグニン化黒液の一部を用いて、バッチオルガノソルブ蒸解の前にリグノセルロース系材料の新しい新鮮なバッチを前処置してもよく、脱リグニン化黒液の残りは、更に、本明細書に開示されるように成分に処理される。特に、リグノセルロース系材料のバッチを適切な有機溶媒と接触させ、混合し、含浸させる前に、リグノセルロース系材料の新鮮なバッチを脱リグニン化黒液の部分と所定の時間制御可能に混合してもよい。また、バッチ蒸解システム内で撹拌し、ここで、リグノセルロース系材料のバッチを蒸解容器内とその周りに有機溶媒の加圧流を与えることによって有機溶媒で蒸解させることは、本発明の範囲内である。蒸解時間の間に蒸解容器から有機溶媒/黒液の部分を制御可能に除去し、同時に新鮮な有機溶媒及び/又は脱リグニン化黒液を導入し、それによって、リグノセルロース系材料の脱リグニンが容易になり促進することは、選択できる。また、バッチリグノセルロース蒸解システムからの脱リグニン化黒液を更に処理して、特に、リグニン、フルフラール、酢酸、単糖類、オリゴ糖類、及びエタノールによって例示される成分を分離し更に処理することも、本発明の範囲内である。
【図１】
2010527619.tif 000019
【図２】
2010527619.tif 000020
【図３】
2010527619.tif 000021
【図４】
2010527619.tif 000022
【図５】
2010527619.tif 000023
【図６】
2010527619.tif 000024
【図７】
2010527619.tif 000025
【図８】
2010527619.tif 000026
【図９】
2010527619.tif 000027
【国際調査報告】
2010527619.tif 000028
2010527619.tif 000029