СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА РАСТВОРА САХАРА
METHOD FOR SUGAR SOLUTION PRODUCTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу производства сахарной жидкости из целлюлозосодержащей биомассы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Способ ферментационного производства химических продуктов с применением сахаров в качестве сырьевых материалов был использован для производства различных промышленных материалов. В настоящее время в качестве сахаров, применяющихся в качестве исходного сырья для ферментации, промышленно используются сахара, полученные из пищевого сырья, такого как сахарный тростник, крахмал и сахарная свекла. Однако в связи с тем, что ожидается рост цен на продовольственное сырье за счет будущего увеличения численности населения мира, или в соответствии с этическими представлениями о том, что сахара для промышленного сырья могут конкурировать с сахарами для продовольствия, в будущем должен быть разработан способ для эффективного производства сахарной жидкости из возобновляемого непродовольственного источника, а именно целлюлозосодержащей биомассы, или способ применения полученной сахарной жидкости в качестве исходного сырья для ферментации, чтобы эффективно преобразовать ее в промышленный материал.
В предшествующем уровне техники для получения сахара из биомассы в основном известны способы, в которых концентрированную серную кислоту используют для гидролиза целлюлозы и гемицеллюлозы, содержащихся в биомассе, в моносахариды, представленные глюкозой и ксилозой (Патентные Документы 1 и 2), а также способы, в которых предварительная обработка осуществляется для улучшения реакционной способности биомассы с последующим гидролизом биомассы путем ферментативной реакции (Патентные Документы 3 и 4). В таких случаях при гидролизе целлюлозосодержащей биомассы происходит разложение компонентов целлюлозы, гемицеллюлозы и подобных, одновременно протекает реакция разложения полученных сахаров, таких как глюкоза и ксилоза, что ведет к образованию побочных продуктов, таких как фурановые соединения, включая фурфурол и гидроксиметилфурфурол, и органические кислоты, включая муравьиную кислоту и уксусную кислоту, что является проблематичным. Эти соединения проявляют ингибирующие действия на стадии ферментации с использованием микроорганизмов и являются причиной ингибирования роста микроорганизмов, что ведет к снижению выхода продукта ферментации. Таким образом, эти соединения называют ингибиторами ферментации, и они были очень проблематичными, когда сахарная жидкость, извлеченная из целлюлозосодержащей биомассы, применялась в качестве исходного сырья для ферментации. В качестве способа удаления таких ингибиторов ферментации в процессе производства сахарной жидкости известен способ удаления ингибиторов ферментации с помощью нанофильтрационной мембраны или мембраны обратного осмоса (Патентный Документ 5).
ДОКУМЕНТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Патентные Документы
Патентный Документ 1: Переведенная с японского языка опубликованная PCT заявка на патент № 11-506934
Патентный Документ 2: JP 2005-229821 A
Патентный Документ 3: JP 2001-95594 A
Патентный Документ 4: JP 3041380 B
Патентный Документ 5: W02010/067785.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что, как описано выше, операция по удалению ингибиторов ферментации, содержащихся в сахарной жидкости, извлеченной из целлюлозосодержащей биомассы с применением нанофильтрационной мембраны или мембраны обратного осмоса, иногда приводит к неполному удалению ингибиторов ферментации, и предположили, что это происходит потому, что неопределенные ингибиторы ферментации, которые почти не могут быть удалены нанофильтрационной мембраной или мембраной обратного осмоса, могут содержаться в сахарной жидкости, извлеченной из целлюлозосодержащей биомассы. Настоящее изобретение направлено на создание способа производства сахарной жидкости, содержащей только очень небольшое количество ингибиторов ферментации, путем удаления ингибиторов ферментации, которые было трудно удалить обычными методами из сахарной жидкости, извлеченной из целлюлозосодержащей биомассы.
СРЕДСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ
В результате интенсивных исследований авторы настоящего изобретения недавно установили, что ингибиторы ферментации, производимые на стадии производства сахарной жидкости из целлюлозосодержащей биомассы, содержат вещества, имеющие молекулярные массы, которые эквивалентны или выше, чем у моносахаридов, такие как кумаровая кислота, феруловая кислота, конифериловый альдегид и 2,3-дигидробензофуран, и обнаружили, что они могут быть эффективно удалены с ультрафильтрационной мембраной, тем самым выполняя настоящее изобретение.
Таким образом, настоящее изобретение состоит из нижеописанных пунктов 1-6.
1. Способ производства сахарной жидкости с применением целлюлозосодержащей биомассы в качестве сырья, причем способ содержит следующие стадии:
(1) гидролизация целлюлозосодержащей биомассы для получения водного раствора сахара; и
(2) фильтрование водного раствора сахара, полученного на стадии (1), через ультрафильтрационную мембрану, имеющую порог отсечения молекулярной массы от 600 до 2000, чтобы удалить ингибитор(ы) ферментации на сторону пермеата и собрать сахарную жидкость со стороны подачи.
2. Способ производства сахарной жидкости по п.1, в котором ингибитор(ы) ферментации содержи(а)т одно или более веществ, выбранных из группы, состоящей из кумаровой кислоты, феруловой кислоты и 2,3-дигидробензофурана.
3. Способ производства сахарной жидкости по п.1 или 2, в котором на стадии (2) водный раствор сахара фильтруют после доведения рН до не более 5.
4. Способ производства сахарной жидкости по любому из п.п.1-3, в котором материалом функционального слоя ультрафильтрационной мембраны, применяемой на стадии (2), является полиэфирсульфон.
5. Способ производства сахарной жидкости по любому из п.п.1-4, способ включает фильтрацию пермеата, полученного на стадии (2), содержащего сахарную жидкость и/или ингибитор ферментации, через нанофильтрационную мембрану и/или мембрану обратного осмоса, чтобы собрать концентрированную сахарную жидкость со стороны подачи.
6. Способ производства химического продукта, способ включает применение в качестве исходного сырья для ферментации сахарной жидкости, полученной по способу производства сахарной жидкости по любому из п.п.1-5.
ЭФФЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
По настоящему изобретению сахарная жидкость, содержащая сахара, такие как глюкоза и ксилоза, может быть произведена с высокой степенью чистоты и высоким выходом. В результате, при применении очищенной сахарной жидкости, полученной по настоящему изобретению, в качестве исходного сырья для ферментации эффективность ферментационного производства различных химических продуктов может быть улучшена.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 показывает результаты испытания для ферментации с сахарной жидкостью, произведенной путем концентрирования применяя ультрафильтрационную мембрану или нанофильтрационную мембрану водного раствора сахара, полученного путем обработки разбавленной серной кислотой целлюлозосодержащей биомассы, данное испытание проводили с использованием в качестве показателя скорость потребления глюкозы.
Фиг.2 показывает результаты испытания для ферментации с сахарной жидкостью, произведенной путем концентрирования применяя ультрафильтрационную мембрану или нанофильтрационную мембрану водного раствора сахара, полученного путем обработки паровым взрывом целлюлозосодержащей биомассы, данное испытание проводили с использованием в качестве показателя скорость потребления глюкозы.
Фиг.3 показывает результаты улучшения ферментируемости путем подвергания целлюлозосодержащей биомассы гидротермическому воздействию для получения водного раствора сахара, фильтрованием полученного раствора через ультрафильтрационную мембрану, а затем подвергая полученный пермеат мембранной концентрации, данную ферментируемость оценивали с использованием в качестве показателя скорость потребления ксилозы.
Фиг.4 показывает результаты улучшения ферментируемости путем подвергания целлюлозосодержащей биомассы обработке разбавленной серной кислотой для получения водного раствора серной кислоты, фильтрованием полученного раствора через ультрафильтрационную мембрану, а затем подвергая полученный пермеат мембранной концентрации, данную ферментируемость оценивали с использованием в качестве показателя скорость потребления ксилозы.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Стадия (1)
Целлюлозосодержащая биомасса в настоящем изобретении означает ресурс, который извлечен из организма и содержит не менее чем 5% по массе целлюлозы. Конкретные примеры целлюлозосодержащей биомассы включают травянистые биомассы, такие как жмых, просо, слоновую траву, Erianthus, стебли кукурузы, рисовую солому и пшеничную солому; и древесные биомассы, такие как деревья и отходы строительных материалов. Поскольку такие целлюлозосодержащие биомассы имеют в составе лигнин в качестве ароматических макромолекул в дополнение к целлюлозе/гемицеллюлозе, они также называются лигноцеллюлозы. Путем гидролиза целлюлозы и гемицеллюлозы, которые представляют собой полисахаридные компоненты, содержащиеся в целлюлозосодержащей биомассе, может быть получена сахарная жидкость, содержащая моносахариды, которые могут быть использованы в качестве исходного сырья для ферментации для производства химического продукта, более конкретно сахарная жидкость, содержащая в качестве основных компонентов ксилозу и глюкозу.
Конкретные примеры гидролитической обработки целлюлозосодержащей биомассы включают химическую обработку, например, кислотную обработку, при которой обработку проводят разбавленной серной кислотой, сульфитом или подобными при высокой температуре и высоком давлении; щелочную обработку, при которой обработку проводят водным раствором щелочи, такой как гидроксид кальция или гидроксид натрия; аммонийную обработку, при которой обработку проводят жидким аммиаком, газообразным аммиаком или водным раствором аммиака; и гидротермическую обработку, при которой обработку проводят горячей водой под давлением. Эти гидролитические обработки могут быть дополнительно объединены с гидролитической обработкой сахарифицирующим ферментом.
Обычно лигнин растворяется при кислотной обработке. Кроме того, компонент гемицеллюлозы, который имеет низкую степень кристалличности, гидролизуется первым с последующим разложением компонента целлюлозы, который имеет высокую степень кристалличности. Таким образом, может быть получена жидкость, содержащая большее количество ксилозы, полученной из гемицеллюлозы. Число раз обработки не ограничивается, и, путем установки двух или более стадий процесса кислотной обработки, могут быть установлены селективно условия гидролиза, подходящие для гемицеллюлозы или целлюлозы, и в результате могут быть достигнуты повышенные эффективность разложения и выход сахара. Кислота, применяемая при кислотной обработке, не ограничивается при условии, что кислота вызывает гидролиз, серная кислота является предпочтительной с экономической точки зрения. Концентрация кислоты составляет предпочтительно от 0,1 до 100% по массе, более предпочтительно от 0,5 до 15% по массе. Температура реакции может быть установлена в диапазоне от 100 до 300°С, и время реакции может быть установлено в диапазоне от 1 секунды до 60 минут. Жидкий компонент, полученный после кислотной обработки, включает в себя большое количество моносахаридов и их олигосахаридов, полученных при гидролизе, преимущественно содержит компоненты, извлеченные из гемицеллюлозы. В частности, гидролиз может быть проведен в одну стадию под действием концентрированной серной кислоты при концентрации не менее 50%, более предпочтительно не менее 80%, чтобы гидролизовать как гемицеллюлозу, так и целлюлозу. В случаях, когда за кислотной обработкой следует гидролиз сахарифицирующим ферментом, твердое содержимое и жидкий компонент, полученный после кислотной обработки, могут быть по отдельности подвергнуты гидролизу сахарифицирующим ферментом, или смесь твердого содержимого и жидкого компонента может быть подвергнута гидролизу без разделения. Поскольку твердое содержимое и жидкий компонент, полученный с помощью кислотной обработки, содержат используемую кислоту, продукт кислотной обработки предпочтительно нейтрализовать перед выполнением реакции гидролиза с использованием сахарифицирующего фермента.
Щелочная обработка представляет собой способ обработки, в котором целлюлозосодержащую биомассу подвергают реакции в водном щелочном растворе, более конкретно в водном растворе гидроксида соли (за исключением гидроксида аммония). При щелочной обработке лигнин, который главным образом ингибирует реакцию целлюлозы/гемицеллюлозы, вызванную сахарифицирующим ферментом, может быть удален. В качестве гидроксида соли предпочтительными для применения являются гидроксид натрия или гидроксид кальция. Концентрация щелочи в водном растворе составляет предпочтительно в диапазоне от 0,1 до 60% по массе. Этот раствор добавляют к целлюлозосодержащей биомассе, и обработку проводят обычно при температуре в диапазоне от 100 до 200°С, предпочтительно в диапазоне от 110 до 180°С. Количество раз обработки не ограничивается, и обработка может проводиться один или более раз. В случаях, когда обработка осуществляется 2 или более раз, условия для множества раз обработки могут отличаться друг от друга. Поскольку предварительно обработанный продукт, полученный путем щелочной обработки, содержит щелочь, предварительно обработанный продукт предпочтительно нейтрализовать перед гидролизом сахарифицирующим ферментом.
Аммонийная обработка представляет собой способ обработки, в котором водный раствор аммиака или 100%-й аммиак (жидкий или газообразный) подвергают реакции с целлюлозосодержащей биомассой, и может быть использован, например, способ, описанный в JP 2008-161125 А или JP 2008-535664 А. Как там указано, при аммонийной обработке аммиак реагирует с компонентом целлюлозы, чтобы разрушить кристалличность целлюлозы, что приводит к значительному увеличению эффективности реакции с сахарифицирующим ферментом. Аммиак обычно добавляют к целлюлозосодержащей биомассе таким образом, что концентрация аммиака находится в диапазоне от 0,1 до 15% по массе по отношению к целлюлозосодержащей биомассе, и обработку проводят при 4-200°С, предпочтительно от 60°С до 150°С. Количество раз обработки не ограничивается, и обработка может проводиться один или более раз. В случаях, когда предварительно обработанный продукт, полученный путем аммонийной обработки, дополнительно подвергают гидролизу с использованием сахарифицирующего фермента, предпочтительно проводить нейтрализацию аммиака или удаление аммиака заранее.
Гидротермическая обработка представляет собой способ обработки, в котором извлеченную из целлюлозы биомассу обрабатывают горячей водой под давлением при температуре от 100 до 400°С в течение от 1 секунды до 60 минут. Обработка обычно проводится таким образом, что целлюлозосодержащая биомасса после обработки, которая нерастворима в воде при нормальной температуре 25°С, содержится в концентрации от 0,1 до 50% по массе по отношению к общей массе целлюлозосодержащей биомассы и воды. Давление не ограничивается, поскольку оно зависит от температуры обработки и предпочтительно составляет от 0,01 до 10 МПа. При гидротермической обработке компоненты, элюированные в горячую воду, варьируются в зависимости от температуры горячей воды, находящейся под давлением. Обычно при увеличении температуры горячей воды, находящейся под давлением, сначала происходит элюирование из целлюлозосодержащей биомассы танина и лигнина в качестве первой группы, и затем происходит элюирование гемицеллюлозы в качестве второй группы при температуре не менее чем 140-150°C, далее следует элюирование целлюлозы в качестве третьей группы при температуре выше, чем примерно 230°С. Кроме того, в то же время, что и элюирование, может произойти гидролиз гемицеллюлозы и целлюлозы. Разница в элюированных компонентах в зависимости от температуры горячей воды под давлением может быть использована для увеличения эффективности реакции сахарифицирующего фермента с целлюлозой и гемицеллюлозой, путем проведения многоступенчатой обработки при различных температурах. В данном описании, среди фракций, полученных путем гидротермической обработки, водорастворимое вещество, содержащее компоненты, элюированные в горячую воду, находящуюся под давлением, называют растворимым в горячей воде веществом, а другие компоненты, отличные от растворимых в горячей воде веществ, называют нерастворимым в горячей воде веществом.
Нерастворимое в горячей воде вещество представляет собой твердое вещество, полученное в результате элюирования больших количеств лигнина и компонента гемицеллюлозы, и главным образом содержит ди- и более высшие сахариды как компоненты (C6) целлюлозы. В дополнение к целлюлозе в качестве основного компонента нерастворимое в горячей воде вещество может содержать компонент гемицеллюлозы и компонент лигнина. Соотношения содержания этих компонентов могут меняться в зависимости от температуры горячей воды под давлением в течение гидротермической обработки и от типа биомассы, подвергаемой обработке. Содержание воды в нерастворимом в горячей воде веществе составляет от 10% до 90%, более предпочтительно от 20% до 80%.
Растворимое в горячей воде вещество представляет собой водорастворимое вещество в жидком состоянии или в суспензионном состоянии и имеет в составе гемицеллюлозу, лигнин, танин и часть компонента целлюлозы, элюированного в горячую воду под давлением, в жидком состоянии или суспензионном состоянии. Растворимое в горячей воде вещество содержит большое количество полисахаридов, олигосахаридов и моносахаридов, полученных в результате гидролиза. Они могут быть применены, как они есть, или после дополнительного гидролиза с сахарифицирующим ферментом, как водный раствор сахара.
Предварительная(ые) обработка(и) может быть проведена перед осуществлением способа гидролитической обработки, и примеры предварительной(ых) обработки(ок) включают обработку для измельчения, при которой волокна механически разрезают, применяя ножевую мельницу, молотковую мельницу или подобное устройство; тонкое измельчение, при котором применяют шаровую мельницу или струйную мельницу; влажную обработку, при которой применяют дробилку; механохимическую обработку и обработку паровым взрывом, при которой целлюлозосодержащую биомассу обрабатывают водяным паром в течение короткого времени, а давление затем мгновенно сбрасывают, чтобы вызвать измельчение за счет увеличения объема. Это потому, что измельчение увеличивает доступную площадь целлюлозы/гемицеллюлозы и, следовательно, повышает эффективность гидролиза сахарифицирующим ферментом.
Сахарифицирующий фермент не ограничен при условии, что фермент обладает целлюлозо- или гемицеллюлозодеградирующей активностью, и является предпочтительно сахарифицирующим ферментом, производимым мицелиальными грибами, принадлежащими к роду Trichoderma. Мицелиальные грибы рода Trichoderma представляют собой микроорганизмы, которые внеклеточно секретируют много видов сахарифицирующих ферментов, и сахарифицирующий фермент предпочтительно извлекают из Trichoderma reesei. Кроме того, в дополнение к ферменту, обладающему целлюлозо- или гемицеллюлозодеградирующей активностью, также предпочтительно содержится фермент, который поддерживает разложение целлюлозы или гемицеллюлозы. Примеры фермента, который поддерживает деградацию целлюлозы или гемицеллюлозы, включают целлобиогидролазу, эндоглюканазу, экзоглюканазу, β-глюкозидазу, ксиланазу и ксилозидазу, и ферменты, вызывающие набухание биомассы. Реакцию гидролиза с применением сахарифицирующего фермента предпочтительно осуществляют при рН приблизительно от 3 до 7, более предпочтительно при рН около 5. Температура реакции составляет предпочтительно от 40 до 70°С. Далее, гидролиз ферментом предпочтителен с последующим твердо-жидкостным разделением, чтобы удалить неразложившиеся твердые вещества. Примеры способа удаления твердых веществ включают, но не ограничиваются ими, центрифугирование и мембранное разделение. Множество этих способов твердо-жидкостного разделения может быть использовано в комбинации.
Для предотвращения засорения или загрязнения ультрафильтрационной мембраны на стадии (2) водный раствор сахара, полученный на стадии (1), предпочтительно подвергать удалению твердых частиц и водорастворимых макромолекул, таких как олигосахариды, полисахариды, танин, сахарифицирующий фермент и извлеченные из биомассы белковые компоненты, перед подачей раствора на стадию (2). Способ удаления этих компонентов не ограничен, и предпочтительные примеры способа удаления включают способ, в котором водный раствор сахара фильтруют через микрофильтрационную мембрану и/или ультрафильтрационную мембрану, имеющую порог отсечения молекулярной массы более чем 2000, чтобы удалить твердые вещества и водорастворимые макромолекулы на стороне подачи. Примеры способа фильтрования включают, но не ограничиваются ими, фильтрование под давлением, вакуумное фильтрование и центробежное фильтрование. Операция фильтрования не ограничена и может быть условно разделена на фильтрование при постоянном давлении, фильтрование при постоянном расходе и фильтрование при переменном давления/переменном расходе. Операция фильтрования может быть многоступенчатым фильтрованием, в котором микрофильтрационная мембрана(ы) и/или ультрафильтрационная мембраны(ы), имеющая порог отсечения молекулярной массы более 2000, используют(ет)ся два или более раза для эффективного удаления твердых частиц.
Микрофильтрационная мембрана представляет собой мембрану, имеющую средний размер пор от 0,01 мкм до 5 мм, которая называется МФ-мембрана или подобно для краткости, и мембрану предпочтительно используют, когда твердые частицы, содержащиеся в водном растворе сахара, должны быть удалены. Микрофильтрационная мембрана, применяемая здесь, может быть как неорганической мембраной, так и органической мембраной, и примеры материала мембраны включают органические материалы, такие как целлюлоза, сложный эфир целлюлозы, полисульфон, полиэфирсульфон, хлорированный полиэтилен, полипропилен, полиолефин, поливиниловый спирт, полиметилметакрилат, поливинилиденфторид и политетрафторэтилен; и неорганические материалы, такие как металлы, включая нержавеющую сталь, и керамика.
Ультрафильтрационная мембрана подробно описана ниже в стадии (2), и применение ультрафильтрационной мембраны, имеющей порог отсечения молекулярной массы более 2000, является предпочтительным, чтобы удалить водорастворимые макромолекулы, особенно сахарифицирующий фермент, содержащиеся в водном растворе сахара.
Стадия (2)
Известно, что когда целлюлозосодержащую биомассу подвергают гидролизу на стадии (1), в дополнение к сахарам образуются ингибиторы ферментации. Ингибиторами ферментации являются соединения, полученные при гидролизе целлюлозосодержащей биомассы, и это вещества, обладающие действием вызывать уменьшение количества химического продукта, произведенного или накопленного, или скорость продуцирования в процессе ферментации для производства химического продукта с использованием сахарной жидкости в качестве сырья. Степень ингибирования ферментации ингибиторами ферментации не ограничивается в настоящем изобретении, так как степень ингибирования микроорганизма изменяется в зависимости от типов и количеств ингибиторов ферментации, присутствующих в водном растворе сахара, от вида используемого микроорганизма и от типа химического продукта, который должен быть произведен.
Органические кислоты, такие как уксусная кислота и муравьиная кислота; фурановые соединения, такие как фурфурол и гидроксиметилфурфурол (ГМФ); а также фенольные соединения, такие как ванилин и 4-гидроксибензойная кислота, были известны в качестве ингибиторов ферментации до сих пор, но авторы настоящего изобретения обнаружили, что кумаровая кислота, феруловая кислота, 2,3-дигидробензофуран и тому подобные могут быть ингибиторами ферментации в дополнение к тем известным ингибиторам ферментации. На стадии (2) водный раствор сахара, полученный на стадии (1), фильтруют через ультрафильтрационную мембрану, имеющую конкретный порог отсечения молекулярной массы, чтобы удалить ингибиторы ферментации на стороне пермеата, тогда как сахарную жидкость извлекают со стороны подачи.
Ультрафильтрационная мембрана в настоящем описании представляет собой разделительную мембрану, имеющую порог отсечения молекулярной массы от 600 до 200000, которую также называют УФ-мембраной или подобно для краткости. Порог отсечения молекулярной массы хорошо известен специалистам в данной области техники в качестве индекса, указывающего на производительность ультрафильтрационной мембраны, как описано на с. 92 The Membrane Society of Japan ed., Membrane Experiment Series, Vol. III, Artificial Membrane, editorial committee members: Shoji Kimura, Shin-ichi Nakao, Haruhiko Ohya and Tsutomu Nakagawa (1993, Kyoritsu Shuppan Co., Ltd), «Кривая, полученная путем построения данных молекулярной массы растворенного вещества по оси абсцисс и скорости блокирования по оси ординат, называется кривой порога отсечения молекулярной массы. Молекулярная масса, при которой скорость блокирования достигает 90%, называется порогом отсечения молекулярной массы». В области техники разделительных мембран, разделительная мембрана, имеющая порог отсечения молекулярной массы в диапазоне от 600 до 1000, определяется как мембрана на границе между нанофильтрационной мембраной и ультрафильтрационной мембраной. Таким образом, разделительная мембрана, имеющая порог отсечения молекулярной массы в диапазоне от 600 до 1000, называется нанофильтрационной мембраной или ультрафильтрационной мембраной в зависимости от литературы. В настоящем описании разделительная мембрана, имеющая порог отсечения молекулярной массы в диапазоне от 600 до 200000, называется ультрафильтрационной мембраной, а разделительная мембрана, которая имеет порог отсечения молекулярной массы менее 600 и соответствует мембране, которую обычно определяют как «мембрану, которая позволяет проникновение одновалентных ионов, но блокирует двухвалентные ионы», называется нанофильтрационной мембраной.
Настоящее изобретение характеризуется тем, что применяют ультрафильтрационную мембрану, имеющую порог отсечения молекулярной массы от 600 до 2000. Применение ультрафильтрационной мембраны, имеющей порог отсечения молекулярной массы более 2000, не является предпочтительным, поскольку она вызывает проникновение как большинства сахаров, так и ингибиторов ферментации на сторону пермеата, и применение мембраны, имеющей порог отсечения молекулярной массы менее 600, не является предпочтительным, так как это приводит к низкой производительности по удалению недавно выявленных ингибиторов ферментации, то есть кумаровой кислоты, феруловой кислоты и 2,3-дигидробензофурана, на сторону пермеата.
Примеры материала ультрафильтрационной мембраны включают, но не ограничиваются ими, органические материалы, такие как целлюлоза, сложный эфир целлюлозы, полисульфон, сульфированный полисульфон, полиэфирсульфон, сульфированный полиэфирсульфон, хлорированный полиэтилен, полипропилен, полиолефин, поливиниловый спирт, полиметилметакрилат, поливинилиденфторид и политетрафторэтилен; металлы, такие как нержавеющая сталь; и неорганические материалы, такие как керамика. Органическая мембрана является особенно предпочтительной с точки зрения производительности по удалению гидрофобных веществ. В частности, полиэфирсульфон является предпочтительным. Потому что было обнаружено, что полиэфирсульфоновая мембрана имеет хорошую производительность по разделению сахаров, представляющих интерес, от ингибиторов ферментации. Более предпочтительным материалом является сульфированный полиэфирсульфон. Потому что сульфированный полиэфирсульфон имеет более высокую скорость блокирования для сахара, чем несульфированный полиэфирсульфон.
Форма ультрафильтрационной мембраны не ограничена и может быть любой спирального типа, типа полого волокна, трубчатого типа и мембраны плоского типа.
Конкретные примеры ультрафильтрационной мембраны, применяемой в настоящем изобретении, включают тип G-5, тип GH и тип GK, производимые DESAL; SPE1, производимые Synder; PM1000, PM2000, MPS-36 и SR2, производимые KOCH; GR95Pp и ETNA01PP, производимые Alfa-Laval; и NTR-7450 (порог отсечения молекулярной массы 600-800; см. WaterResearch 37(2003) 864-872) и NTR-7410 (порог отсечения молекулярной массы 1000-2000; см. Collection of Papers for Sanitary Engineering Symposium, 5:246-251 (1997)), производимые Nitto Denko l S Corporation.
Фильтрационное давление при фильтрационной обработке с ультрафильтрационной мембраной составляет предпочтительно в пределах от 0,1 МПа до 8 МПа, хотя фильтрационное давление варьируется в зависимости от концентрации водного раствора сахара. В случаях, когда фильтрационное давление ниже, чем 0,1 МПа, скорость проникновения через мембрану является низкой, в то время как в случае, когда фильтрационное давление выше, чем 8 МПа, мембрана может быть повреждена. В случаях, когда фильтрационное давление составляет от 0,5 МПа до 6 МПа, поток, проникающий через мембрану, является высоким, и поэтому возможно эффективное проникновение раствора сахара, что является более предпочтительным.
Поток, проникающий через мембрану, при фильтрационной обработке с ультрафильтрационной мембраной составляет предпочтительно от 0,2 м/д до 2,0 м/д. Это потому, что поток, проникающий через мембрану, не более 0,2 м/д не позволяет концентрировать с помощью ультрафильтрационной мембраны, а поток, проникающий через мембрану, не менее 2,0 м/д вызывает заметное засорение мембраны. Поток, проникающий через мембрану, от 0,5 м/д до 2,0 м/д легко позволяет фильтровать через ультрафильтрационную мембрану, что является более предпочтительным.
рН водного раствора сахара при фильтрационной обработке с применением ультрафильтрационной мембраны не ограничен, и, ввиду проницаемости для ингибиторов ферментации, рН составляет предпочтительно не более 5, более предпочтительно не более 4. Так, в тех случаях, когда значение рН составляет не более 1, необходимо большое количество кислоты для корректировки рН, с экономической точки зрения нижний предел рН составляет предпочтительно 1. Эффект от корректировки рН водного раствора сахара особенно заметен в тех случаях, когда в качестве ингибитора ферментации содержится вещество, такое как кумаровая кислота или феруловая кислота, которое представляет собой ароматическое соединение, имеющее карбоксильную группу.
Сахарная жидкость, собранная со стороны подачи при фильтрационной обработке с применением ультрафильтрационной мембраны, может быть применена в качестве сырья в описанной далее стадии ферментации, или раствор сахара может быть далее подвергнут фильтрационной обработке, описанной в WO2010/067785 с применением нанофильтрационной мембраны и/или мембраны обратного осмоса, чтобы концентрировать сахара на стороне подачи, с последующим применением полученной концентрированной сахарной жидкости в описанной далее стадии ферментации.
При фильтрационной обработке с применением ультрафильтрационной мембраны сахара могут быть частично пропущены на сторону пермеата, и, в таком случае, фильтрат, извлеченный со стороны пермеата, содержащий ингибиторы ферментации, может быть подвергнут фильтрационной обработке, описанной в WO2010/067785, с применением нанофильтрационной мембраны и/или мембраны обратного осмоса для восстановления концентрированной сахарной жидкости на стороне ультраконцентрата. Концентрированную сахарную жидкость, полученную в этом процессе, также применяют в качестве сырья в описанной далее стадии ферментации. Следует отметить, что концентрированная сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки с применением нанофильтрационной мембраны и/или мембраны обратного осмоса, как было также обнаружено, показывает тенденцию иметь более высокую ферментационную производительность в описанной далее стадии ферментации в случаях, когда фильтрационную обработку проводят с применением ультрафильтрационной мембраны, имеющей порог отсечения молекулярной массы от 600 до 2000, по сравнению со случаями, когда фильтрационную обработку не проводят, или случаями, когда фильтрационную обработку проводят с применением ультрафильтрационной мембраны, имеющей порог отсечения молекулярной массы более 2000. Считается, что это происходит потому, что водный раствор сахара, извлеченный из целлюлозосодержащей биомассы, содержит небольшое количество неизвестных ингибиторов ферментации, имеющих молекулярные массы приблизительно 2000, и что такие ингибиторы концентрируют с помощью нанофильтрационной мембраны и/или мембраны обратного осмоса.
Стадия ферментации
Сахарная жидкость, полученная на стадии 2, содержит в составе глюкозу и/или ксилозу в качестве источника(ов) углерода для роста микроорганизмов и культивируемых клеток, которые могут продуцировать химические продукты как метаболиты, в то время как содержание ингибиторов ферментации, таких как кумаровая кислота, феруловая кислота и 2,3-дигидробензофуран очень мало, таким образом, сахарная жидкость может быть эффективно применена в качестве исходного сырья для ферментации, особенно в качестве источника углерода для производства химического продукта. Стадия ферментации может быть проведена в соответствии со стадией ферментации, описанной в WO2010/067785.
Химический продукт, производимый на стадии ферментации, не ограничен, пока вещество продуцируют в культуральной жидкости вышеуказанные микроорганизм или клетки. Конкретные примеры химического продукта включают спирты, органические кислоты, аминокислоты и нуклеиновые кислоты, которые являются веществами массового производства в ферментативной промышленности. Примеры спиртов включают этанол, бутанол, 1,3-пропандиол, 2,3-бутандиол, 1,4-бутандиол и глицерин; примеры органических кислот включают уксусную кислоту, молочную кислоту, пировиноградную кислоту, янтарную кислоту, яблочную кислоту, итаконовую кислоту и лимонную кислоту; примеры нуклеиновых кислот включают нуклеозиды, такие как инозин и гуанозин, и нуклеотиды, такие как инозиновая кислота и гуаниловая кислота; и диаминовые соединения, такие как кадаверин. Кроме того, настоящее изобретение также может быть применено к производству таких веществ, как ферменты, антибиотики и рекомбинантные белки.
ПРИМЕРЫ
Ссылочный пример 1. Способ измерения концентраций моносахарида
Концентрации моносахаридов (концентрация глюкозы и концентрация ксилозы), содержащихся в сахарной жидкости, полученной в каждом из примеров и сравнительных примеров, были проанализированы с помощью ВЭЖХ при следующих условиях и определены количественно на основе сравнения со стандартными образцами.
Колонка: Luna NH; (производства Phenomenex, Inc.)
Подвижная фаза: Ультрачистая вода: ацетонитрил = 25:75 (скорость потока 0,6 мл/мин)
Реакционная жидкость: Нет
Метод детектирования: RI (дифференциальный показатель преломления)
Температура: 30°C
Ссылочный пример 2. Способ измерения концентраций ингибиторов ферментации
Концентрации ингибиторов ферментации на основе фурана (ГМФ и фурфурол) и ингибиторов ферментации на основе фенола (кумаровая кислота, феруловая кислота и 2,3-дигидробензофуран) среди ингибиторов ферментации, содержащихся в сахарной жидкости, были проанализированы с помощью ВЭЖХ при следующих условиях и определены количественно на основе сравнения со стандартными образцами.
Колонка: Synergi HidroRP 4,6 мм × 250 мм (производства Phenomenex, Inc.)
Подвижная фаза: Ацетонитрил - 0,1 масс.% H3PO4 (скорость потока 1,0 мл/мин)
Метод детектирования: УФ (283 нм)
Температура: 40°C
Органические кислоты (уксусная кислота и муравьиная кислота) среди ингибиторов ферментации, имеющихся в составе сахарной жидкости, были проанализированы с помощью ВЭЖХ при следующих условиях и определены количественно на основе сравнения со стандартными образцами.
Колонка: Shim-Pack SPR-H и Shim-Pack SCRl0lH (производства Shimadzu Corporation), которые были расположены последовательно
Подвижная фаза: 5 мМ п-толуолсульфокислота (скорость потока 0,8 мл/мин)
Реакционная жидкость: 5 мМ п-толуолсульфокислота, 20 мМ Bis-Tris, 0,1 мМ ЭДТА-2Na (скорость потока 0,8 мл/мин)
Метод детектирования: Электропроводность
Температура: 45°C
Ссылочный пример 3. Стадия гидролиза целлюлозосодержащей биомассы путем обработки разбавленной серной кислотой/ферментативной обработки
В качестве целлюлозосодержащей биомассы была использована рисовая солома. Целлюлозосодержащую биомассу замачивали в 1%-м водном растворе серной кислоты и обрабатывали, применяя автоклав (производства Nitto Koatsu Co, Ltd) при 150°С в течение 30 минут. После этого проводили твердо-жидкостное разделение, чтобы отделить обработанную серной кислотой целлюлозу от водного раствора серной кислоты. Впоследствии обработанную серной кислотой целлюлозу смешивали с жидкостью для обработки из разбавленной серной кислоты при перемешивании таким образом, чтобы концентрация твердых вещества составляла 10% по массе, и рН был доведен до примерно 5 гидроксидом натрия. К этой смеси в качестве сахарифицирующего фермента был добавлен «Accellerase Duet» (производства Danisco Japan), являющийся сахарифицирующим ферментом, извлеченным из Trichoderma reesei. Полученную смесь перемешивали при 50°С в течение 1-го дня для осуществления реакции гидролиза. Затем осуществляли центрифугирование (3000 G), чтобы отделить и удалить неразложившиеся целлюлозу и лигнин, для получения обработанного разбавленной серной кислотой водного раствора сахара. Составы ингибиторов ферментации и моносахаридов, содержащихся в обработанном разбавленной серной кислотой водном растворе сахара, были такими, как показано в таблицах 1-3.
Таблица 1
Количественное определение ингибиторов ферментации 1Ед. изм. (г/л)
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
ГМФ
Фурфурол
Обработанный разбавленной серной кислотой водный раствор сахара
0,1
2,4
0,125
0,875
Таблица 2
Количественное определение ингибиторов ферментации 2Ед. изм. (г/л)
Кумаровая кислота
Феруловая кислота
2,3-дигидробензофуран
Обработанный разбавленной серной кислотой водный раствор сахара
0,15
0,075
0,01
Таблица 3
Количественное определение моносахаридовЕд. изм. (г/л)
Глюкоза
Ксилоза
Обработанный разбавленной серной кислотой водный раствор сахара
25
12
Ссылочный пример 4. Стадия гидролиза целлюлозосодержащей биомассы путем обработки паровым взрывом/ферментативной обработки
В качестве целлюлозосодержащей биомассы была применена рисовая солома. В 2-литровый испытательный прибор парового взрыва (Nihon Dennetsu Co., Ltd.) добавили 100 г целлюлозосодержащей биомассы и затем в него вводили пар. Давление поддерживали на уровне 2,5 МПа в течение 2,5 мин, а затем атмосферу в контейнере сразу же сбрасывали, чтобы осуществить обработку взрывом, за которым следовало извлечение образца. Температура внутри контейнера составляла 225°C в то время. Содержание воды в обрабатываемом продукте составило 84,4%. Воду добавили к продукту таким образом, чтобы концентрация твердого вещества составляла 10% по массе, а 1н водный раствор гидроксида натрия добавляли к полученной смеси, чтобы довести рН до 5,0. После того, как сахарифицирующий фермент «Accellerase Duet» был добавлен к смеси, полученную смесь оставили стоять при 50°С в течение 1-го дня, чтобы позволить реакции пройти. Состав полученного водного раствора сахара показан в таблицах 4-6.
Таблица 4
Количественное определение ингибиторов ферментации 1Ед. изм. (г/л)
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
ГМФ
Фурфурол
Обработанный паровым взрывом водный раствор сахара
1,7
2,3
0,29
0,24
Таблица 5
Количественное определение ингибиторов ферментации 2Ед. изм. (г/л)
Кумаровая кислота
Феруловая кислота
2,3-дигидробензофуран
Обработанный паровым взрывом водный раствор сахара
0,15
0,11
0,08
Таблица 6
Количественное определение моносахаридовЕд. изм. (г/л)
Глюкоза
Ксилоза
Обработанный паровым взрывом водный раствор сахара
34
5
Ссылочный пример 5. Стадия гидролиза целлюлозосодержащей биомассы путем аммонийной обработки/ферментативной обработки
В качестве целлюлозосодержащей биомассы была использована рисовая солома. Целлюлозосодержащая биомасса была помещена в компактный реактор (производства Taiatsu Techno Corporation, TVS-N2 30 мл) и охлаждена жидким азотом. В этот реактор пустили газообразный аммиак с концентрацией 100%, и образец полностью пропитали 100%-ным жидким аммиаком. Крышку реактора закрыли, и реактор оставили стоять при комнатной температуре в течение примерно 15 минут. После этого реактор обрабатывали на масляной бане при 150°С в течение 1-го часа. Далее реактор удалили из масляной бани, и аммиачный газ сразу же выпустили в вытяжном шкафу, затем последовало вакуумирование внутри реактора до 10 Па с помощью вакуумного насоса, тем самым высушивая целлюлозосодержащую биомассу. Обработанная целлюлозосодержащая биомасса была смешана с чистой водой при перемешивании таким образом, чтобы концентрация твердого вещества составляла 15% по массе, и рН довели до 5,0 серной кислотой. К этой смеси добавили «Accellerase Duet» в качестве сахарифицирующего фермента, и реакцию гидролиза проводили при перемешивании при 50°С в течение 3-х дней. Затем осуществляли центрифугирование (3000 G), чтобы отделить и удалить неразложившиеся целлюлозу и лигнин, для получения водного раствора сахара, из которого были удалены неразложившиеся целлюлоза и лигнин. Составы ингибиторов ферментации и моносахаридов, содержащихся в водном растворе сахара, были такими, как показано в таблицах 7-9.
Таблица 7
Количественное определение ингибиторов ферментации 1Ед. изм. (г/л)
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
ГМФ
Фурфурол
Обработанный аммиаком водный раствор сахара
1,1
0,5
0,012
0,005
Таблица 8
Количественное определение ингибиторов ферментации 2Ед. изм. (г/л)
Кумаровая кислота
Феруловая кислота
2,3-дигидробензофуран
Обработанный аммиаком водный раствор сахара
0,03
0,008
0,005
Таблица 9
Количественное определение моносахаридовЕд. изм. (г/л)
Глюкоза
Ксилоза
Обработанный аммиаком водный раствор сахара
40
24
Ссылочный пример 6. Стадия гидролиза целлюлозосодержащей биомассы путем гидротермической обработки/ферментативной обработки
В качестве целлюлозосодержащей биомассы была использована рисовая солома. Целлюлозосодержащую биомассу пропитали водой и обрабатывали, применяя автоклав (изготовленный Nitto Koatsu Co., Ltd.) при 180°C в течение 20 минут. Давление в это время составляло 10 МПа. Затем проводили центрифугирование (3000 G) компонента раствора и компонента обрабатываемой биомассы, чтобы осуществить твердо-жидкостное разделение. рН компонента раствора составлял 4,0. Затем рН компонента раствора довели до 5,0 гидроксидом натрия. В качестве сахарифицирующего фермента к смеси добавили «Accellerase Duet», и полученную смесь перемешивали при 50°С в течение 1-го дня для осуществления реакции гидролиза, чтобы получить гидротермически обработанную жидкость. Составы ингибиторов ферментации и моносахаридов, содержащихся в гидротермически обработанной жидкости, были такими, как показано в таблицах 10-12.
Таблица 10
Количественное определение ингибиторов ферментации 1Ед. изм. (г/л)
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
ГМФ
Фурфурол
Гидротермически обработанная жидкость
1,1
2,2
0,12
0,5
Таблица 11
Количественное определение ингибиторов ферментации 2Ед. изм. (г/л)
Кумаровая кислота
Феруловая кислота
2,3-дигидробензофуран
Гидротермически обработанная жидкость
0,2
0,13
0,03
Таблица 12
Количественное определение моносахаридовЕд. изм. (г/л)
Глюкоза
Ксилоза
Гидротермически обработанная жидкость
7
15
Ссылочный пример 7. Способ оценки ферментации
Применяя штамм дрожжей Pichia stipitis (NBRCl687), было проведено ферментационное испытание. Среда, которая применялась для ферментации, была приготовлена путем разбавления до концентрации глюкозы 25 г/л и добавления добавок в получившийся раствор таким образом, что был получен состав, показанный в таблице 13, с последующей стерилизующей фильтрацией (Millipore, Stericup 0,22 мкм). Культивирование было осуществлено путем внесения посевного материала дрожжей в количестве 0,5% и встряхивания колбы при 150 об/мин при 28°C в течение 72-х часов. Степень ингибирования ферментации оценивали на основе скорости потребления глюкозы штаммом дрожжей. Способ оценки скорости потребления глюкозы штаммом дрожжей был следующим: компонент среды отбирали в чистую пробирку в стерильных условиях через 16, 24, 40, 48, 64 и 72 часа после начала культивирования, и среду центрифугировали и фильтровали с последующим количественным определением концентрации глюкозы методом ВЭЖХ в соответствии со ссылочным примером 1.
Таблица 13
Состав
Концентрация состава
Глюкоза
25 г/л
Дрожжевой экстракт Bacto
10 г/л
Пептон
20 г/л
Пример 1
Обработанный разбавленной серной кислотой водный раствор сахара, описанный в ссылочном примере 3, фильтровали через микрофильтрационную мембрану с размером пор 0,08 мкм, и пермеат после микрофильтрационной мембраны фильтровали через ультрафильтрационную мембрану. В качестве ультрафильтрационной мембраны применялись «NTR-7450» (производства Nitto Denko Corporation; материал: сульфированный полиэфирсульфон, порог отсечения молекулярной массы: 600-800), «NTR-7410» (производства Nitto Denko Corporation; материал: сульфированный полиэфирсульфон, порог отсечения молекулярной массы: 1000), «SPE1» (производства Synder; материал: полиэфирсульфон; порог отсечения молекулярной массы: 1000), серий GH производства GE Osmonics (материал: полиэтиленгликоль; порог отсечения молекулярной массы: 1000), «GR95Pp» (производства Alfa-Laval; материал: полиэфирсульфон; порог отсечения молекулярной массы: 2000) или серий GK производства GE Osmonics (материал: полиэтиленгликоль; порог отсечения молекулярной массы: 2000). Для каждой мембраны было пропущено 1,5 л пермеата, полученного путем фильтрации обработанной разбавленной серной кислотой осахаренной жидкости через микрофильтрационную мембрану, фильтрационную обработку проводили с применением плоскомембранного фильтрационного блока «SEPA-II» (производства GE Osmonics) при линейной скорости над поверхностью мембраны 20 см/сек и фильтрационном давлении 3 МПа до тех пор, пока объем жидкости, собранной со стороны подачи, не был 0,5 л. Результаты показаны в таблице 14. В результате было обнаружено, что моносахариды сконцентрированы путем обработки с применением ультрафильтрационной мембраны, а муравьиная кислота, уксусная кислота, ГМФ и фурфурол, которые являются низкомолекулярными веществами, не сконцентрированы, и, кроме того, что кумаровая кислота, феруловая кислота и 2,3-дигидробензофуран почти не сконцентрированы. Некоторые из сахарных жидкостей, собранных со стороны подачи ультрафильтрационных мембран, отобрали (А-С) и подвергли ферментационному испытанию при условиях Ссылочного примера 7. Результаты показаны на фиг.1.
Сравнительный пример 1
Ту же самую фильтрационную обработку, что и в примере 1, провели с применением ультрафильтрационной мембраны, имеющей более высокий порог отсечения молекулярной массы, «SPE3» (производства Synder; материал: полиэфирсульфон; порог отсечения молекулярной массы: 3000) или нанофильтрационной мембраны «UTC-60» (производства Toray Industries, Inc; материал: пиперазинполиамид), серий HL (производства GE Osmonics, материал: композитная мембрана) или серий DK (производства GE Osmonics; материал: композитная мембрана). Результаты показаны в таблице 14. Было обнаружено, что использование ультрафильтрационной мембраны с порогом отсечения молекулярной массы 3000 приводит к крайнему уменьшению скорости концентрации моносахаридов. С точки зрения концентрации с нанофильтрационной мембраной кумаровая кислота, феруловая кислота и 2,3-дигидробензофуран были сконцентрированы, хотя концентрация концентрата отчасти варьировалась, и также в ферментационном испытании (D) скорость потребления глюкозы была ниже, чем в случаях примера 1, в котором были применены ультрафильтрационные мембраны (А-С).
Таблица 14
Фильтрационная обработка обработанного разбавленной серной кислотой водного раствораЕд. изм. (г/л)
Тип мембраны
Материал
Порог отсечения молекулярной массы
Глюкоза
Ксилоза
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
ГМФ
Фурфурол
Кумаровая кислота
Феру-ловая кислота
2,3-дигидро-бензо-фуран
Пример 1(ферментационное испытание А)
NTR-7450
s-PES
600~800
73
30
0,1
2,4
0,12
0,75
0,2
0,09
0,015
Пример 1
NTR-7410
s-PES
1000
65
25
0,1
2,4
0,12
0,75
0,18
0,08
0,01
Пример 1(ферментационное испытание B)
SPE1 (Synder)
PES
1000
66
25
0,1
2,4
0,12
0,75
0,18
0,08
0,01
Пример 1
GH(GE)
PEG
1000
65
25
0,1
2,4
0,12
0,75
0,2
0,085
0,012
Пример 1(ферментационное испытание C)
GR95Pp (Alfa)
PES
2000
50
20
0,1
2,4
0,12
0,75
0,15
0,075
0,01
Пример 1
GK(GE)
PEG
2000
48
20
0,1
2,4
0,12
0,75
0,18
0,08
0,01
Сравнительный пример 1
SPE3 (Synder)
PES
3000
27
12
0,1
2,4
0,12
0,75
0,15
0,075
0,01
Сравнительный пример 1 (ферментационное испытание D)
UTC-60
PPA
Менее 600 (НФ мембрана)
75
35
0,1
2,6
0,13
0,78
0,45
0,235
0,025
Сравнительный пример 1
HL
Композитная мембрана
Менее 600 (НФ мембрана)
74
33
0,1
2,4
0,12
0,765
0,43
0,23
0,025
Сравнительный пример 1
DK
Композитная мембрана
Менее 600 (НФ мембрана)
75
36
0,1
2,8
0,15
0,82
0,45
0,235
0,025
Пример 2
Ту же самую фильтрационную обработку, что и в Примере 1, провели для пермеата, полученного фильтрацией обработанного паровым взрывом водного раствора сахара, описанного в ссылочном примере 4, через микрофильтрационную мембрану. Результаты показаны в таблице 15. Кроме того, результаты ферментации, проведенной по способу Ссылочного примера 7 (E-G), показаны на фиг.2.
Сравнительный пример 2
Пермеат, полученный фильтрацией обработанной паровым взрывом сахарифицированной жидкости через микрофильтрационную мембрану, подвергли фильтрационной обработке с применением тех же мембран, что и в сравнительном примере 1. Результаты по составу жидкости показаны в таблице 15, а результаты ферментационного испытания показаны на фиг.2. Аналогично результатам сравнения примера 1 и сравнительного примера 1 применение ультрафильтрационной мембраны с порогом отсечения молекулярной массы 3000 привело к крайнему уменьшению скорости концентрации моносахаридов. С точки зрения концентрации с применением нанофильтрационной мембраны кумаровая кислота, феруловая кислота и 2,3-дигидробензофуран были сконцентрированы, хотя концентрация концентрата отчасти варьировалась, и также при ферментационном испытании (H) скорость потребления глюкозы была ниже, чем в случае примера 2, в котором применяли ультрафильтрационные мембраны.
Таблица 15
Фильтрационная обработка обработанного паровым взрывом водного раствора сахараЕд. изм. (г/л)
Тип мембраны
Материал
Порог отсечения молекулярной массы
Глюкоза
Ксилоза
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
ГМФ
Фурфурол
Кумаровая кислота
Феру-ловая кислота
2,3-дигидро-бензо-фуран
Пример 2(ферментационное испытание E)
NTR-7450
s-PES
600-800
98
10
1,7
2,3
0,28
0,22
0,04
0,025
0,008
Пример 2
NTR-7410
s-PES
1000-2000
90
8
1,7
2,3
0,28
0,22
0,03
0,023
0,008
Пример 2(ферментационное испытание F)
SPEl (Synder)
PES
1000
92
9
1,7
2,3
0,28
0,22
0,03
0,022
0,008
Пример 2
GH(GE)
PEG
1000
90
8
1,7
2,3
0,28
0,22
0,03
0,022
0,008
Пример 2(ферментационное испытание G)
GR95Pp (Alfa)
PES
2000
84
7
1,7
2,3
0,28
0,22
0,03
0,022
0,008
Пример 2
GK (GE)
PEG
2000
80
7
1,7
2,3
0,28
0,22
0,03
0,022
0,008
Сравнительный пример 2
SPE3 (Synder)
PES
3000
40
5
1,7
2,3
0,28
0,22
0,03
0,022
0,008
Сравнительный пример 2 (ферментационное испытание H)
UTC-60
PPA
Менее 600 (НФ мембрана)
102
14
1,7
2,4
0,29
0,22
0,08
0,062
0,024
Сравнительный пример 2
HL
Композитная мембрана
Менее 600 (НФ мембрана)
100
14
1,7
2,3
0,28
0,22
0,07
0,06
0,022
Сравнительный пример 2
DK
Композитная мембрана
Менее 600 (НФ мембрана)
102
15
1,7
2,6
0,31
0,24
0,08
0,064
0,024
Пример 3
То же концентрационное испытание, что и в примере 1, провели для пермеата, полученного фильтрацией обработанного аммиаком водного раствора сахара, описанного в ссылочном примере 5, через микрофильтрационную мембрану. Результаты показаны в таблице 16.
Сравнительный пример 3
Пермеат, полученный фильтрацией обработанного аммиаком водного раствора сахара через микрофильтрационную мембрану, подвергли фильтрационной обработке с применением тех же мембран, что и в сравнительном примере 1. Результаты по составу жидкости показаны в таблице 16. Аналогично результатам сравнения примера 1 и сравнительного примера 1 применение ультрафильтрационной мембраны с порогом отсечения молекулярной массы 3000 привело к крайнему уменьшению скорости концентрации моносахаридов. С точки зрения концентрации с применением нанофильтрационной мембраны кумаровая кислота, феруловая кислота и 2,3-дигидробензофуран были сконцентрированы, хотя концентрация концентрата отчасти варьировалась.
Таблица 16
Фильтрационная обработка обработанного аммиаком водного раствора сахараЕд. изм. (г/л)
Тип мембраны
Материал
Порог отсечения молекулярной массы
Глюкоза
Ксилоза
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
ГМФ
Фурфурол
Кумаровая кислота
Феруловая кислота
2,3-дигидро-бензо-фуран
Пример 3
NTR-7450
s-PES
600~800
110
58
1,1
0,5
0,012
0,004
0,04
0,008
0,005
Пример 3
NTR-7410
s-PES
1000-2000
106
52
1,1
0,5
0,012
0,004
0,03
0,008
0,005
Пример 3
SPEl (Synder)
PES
1000
105
51
1,1
0,5
0,012
0,004
0,03
0,008
0,005
Пример 3
GH GE)
PEG
1000
100
48
1,1
0,5
0,012
0,004
0,03
0,008
0,005
Пример 3
GR95Pp (Alfa)
PES
2000
82
42
1,1
0,5
0,012
0,004
0,03
0,008
0,005
Пример 3
GK (GE)
PEG
2000
80
40
1,1
0,5
0,012
0,004
0,03
0,008
0,005
Сравнительный пример 3
SPE3 (Synder)
PES
3000
60
30
1,1
0,5
0,012
0,004
0,03
0,008
0,005
Сравнительный пример 3
UTC-60
PPA
Менее 600 (НФ мембрана)
119
70
1,1
0,6
0,014
0,005
0,088
0,024
0,007
Сравнительный пример 3
HL
Композитная мембрана
Менее 600 (НФ мембрана)
118
68
1,1
0,5
0,013
0,005
0,078
0,022
0,006
Сравнительный пример 3
DK
Композитная мембрана
Менее 600 (НФ мембрана)
120
71
1,1
0,6
0,015
0,005
0,089
0,024
0,008
Пример 4
Сравнили случай, когда перед фильтрационной обработкой гидротермически обработанного водного раствора сахара, приготовленного в ссылочном примере 1, с применением ультрафильтрационной мембраны «NTR-7450» или «NTR-7410» проводили фильтрационную обработку с применением в качестве второй ультрафильтрационной мембраны ультрафильтрационную мембрану, имеющую порог отсечения молекулярной массы 10000 (производства Applied Membranes, lnc.; материал: полиэфирсульфон), и случай, когда фильтрационную обработку с применением второй ультрафильтрационной мембраны не проводили. Результаты показаны в таблице 17. Было обнаружено, что в случаях, когда обработку со второй ультрафильтрационной мембраной проводили, поток, проникающий через мембрану в ходе обработки с применением ультрафильтрационной мембраны «NTR-7450» или «NTR-7410» (с точки зрения среднего за время процесса), значительно увеличился, и скорость концентрации моносахаридов на стороне подачи была улучшена.
Таблица 17
Сравнение между составами концентратов, приготовленных с/без обработки с применением второй ультрафильтрационной мембраныЕд. изм (г/л)
Тип мембраны
Предварительная обработка мембраны
Поток, проходящий через мембрану
Глюкоза
Ксилоза
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
ГМФ
Фурфурол
Кумаровая кислота
Феруловая кислота
2,3-дигидро-бензофуран
Пример 4
NTR-7450
Нет
0,5 м/д
18
30
1,1
2,2
0,12
0,48
0,22
0,15
0,03
Пример 4
NTR-7450
Да
1,5 м/д
21
40
1,2
2,4
0,15
0,5
0,23
0,15
0,03
Пример 4
NTR-7410
Нет
0,64 м/д
14
25
1,1
2,2
0,12
0,47
0,19
0,13
0,03
Пример 4
NTR-7410
Да
2,0 м/д
17
30
1,1
2,3
0,13
0,48
0,2
0,13
0,03
Пример 5
Таким же образом, как в примере 1, 1,5 л пермеата, полученного фильтрацией гидротермически обработанного водного раствора сахара, приготовленного в Ссылочном примере 6 с применением микрофильтрационной мембраны, подвергли фильтрационной обработке с применением ультрафильтрационной мембраны «NTR-7410» (производства Nitto Denko Corporation; материал: сульфированный полиэфирсульфон; порог отсечения молекулярной массы: 1000). Составы ингибиторов ферментации и моносахаридов в концентрате на стороне подачи (0,5 л) и фильтрате на стороне пермеата (0,1 л), которые были получены, показаны в таблице 18. После этого фильтрат отфильтровывали через нанофильтрационную мембрану «UTC-60» (производства Toray Industries, Inc; материал: пиперазинполиамид). Составы ингибиторов ферментации и моносахаридов в концентрате на стороне подачи (0,33 л) показаны в таблице 19. К этому концентрату реагенты добавили таким образом, чтобы был получен состав, показанный в таблице 20. Такое же ферментационной испытание, что и в ссылочном примере 7, провели и измерили скорость потребления ксилозы. Результаты показаны на фиг.3 (см. J на фиг.3).
Сравнительный пример 4
Таблица 19 показывает составы ингибиторов ферментации и моносахаридов в 0,75 л концентрата на стороне подачи, полученного путем фильтрационной обработки с применением нанофильтрационной мембраны «UTC-60» 1,5 л пермеата, полученного фильтрацией гидротермически обработанного водного раствора сахара, приготовленного в Ссылочном примере 6, через микрофильтрационную мембрану. Таким же образом, как в примере 5, реагенты добавили к этому концентрату таким образом, что был получен состав, показанный в таблице 20, и полученную смесь подвергли ферментационному испытанию. Результаты (скорость потребления ксилозы) показаны на фиг.3 (см. J на фиг.3).
Было обнаружено, что хотя сахарная жидкость, полученная в примере 5, содержала несколько более высокие концентрации кумаровой кислоты, феруловой кислоты и 2,3-дигидробензофурана, ферментируемость сахарной жидкости была лучше, чем в сравнительном примере 4, с точки зрения скорости потребления ксилозы. Было предположено, что это происходит из-за наличия в водном растворе сахара неопределенных ингибиторов ферментации, для которых ультрафильтрационная мембрана, имеющая порог отсечения молекулярной массы от 600 до 2000, непроницаема. Кроме того, из примера 5 было обнаружено, что не только сахарная жидкость на стороне подачи ультрафильтрационной мембраны, имеющей порог отсечения молекулярной массы от 600 до 2000, но и вторично концентрированная сахарная жидкость, полученная путем фильтрации фильтрата на сторону пермеата через нанофильтрационную мембрану и/или мембрану обратного осмоса и сбора сахарной жидкости со стороны подачи, являются сахарными жидкостями, имеющими хорошую ферментируемость.
Таблица 18
Составы концентрированной гидротермически обработанной жидкости и фильтрата, полученного с применением ультрафильтрационной мембраныЕд. изм (г/л)
Тип мембраны
Жидкость, подвергнутая обработке
Глюкоза
Ксилоза
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
ГМФ
Фурфурол
Кумаровая кислота
Феруловая кислота
2,3-дигидро-бензофуран
Пример 5
NTR-7410
Концентрат
14
25
1,1
2,2
0,12
0,47
0,2
0,13
0,03
Пример 5
NTR-7410
Фильтрат
3,5
10
1,1
2,2
0,12
0,51
0,18
0,11
0,03
Таблица 19
Сравнение между концентратом, полученным путем обработки с применением нанофильтрационной мембраны сырьевой гидротермически обработанной жидкости и концентратом, полученным путем обработкис применением ультрафильтрационной мембраны сырьевой гидротермически обработанной жидкостис последующей обработкой с применением нанофильтрационной мембраны полученного фильтратаЕд. изм (г/л)
Тип мембраны
Жидкость, подвергнутая обработке
Скорость концентрации
Глюкоза
Ксилоза
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
ГМФ
Фурфурол
Кумаровая кислота
Феруловая кислота
2,3-дигидро-бензофуран
Пример 4 (ферментационное испытание I)
UTC-60
Сырьевая жидкость
2-кратная
14
30
1,1
2,4
0,12
0,49
0,4
0,26
0,06
Пример 5 (ферментационное испытание J)
UTC-60
Сырьевой фильтрацион-ный материал
3-кратная
10
30
1,1
2,5
0,12
0,5
0,54
0,33
0,09
Таблица 20
Состав
Концентрация состава
Глюкоза
15 г/л
Ксилоза
25 г/л
Дрожжевой экстракт Bacto
10 г/л
Пептон
20 г/л
Ссылочный пример 8. Оценка способностей к удалению ингибиторов ферментации из водного раствора сахара при разных рН
Применяя гидротермически обработанную жидкость, описанную в Ссылочном примере 6, после доведения рН до различных значений, скорости проникновения ингибиторов ферментации, содержавшихся в водном раствора сахара, через ультрафильтрационную мембрану сравнили и изучили. Скорость проникновения каждого из ингибиторов ферментации представили как соотношение (%), вычисленное путем деления концентрации компонента на стороне фильтрата на концентрацию компонента на стороне подачи при применении мембранной обработки и умножением полученного значения на 100. Поскольку добавление разбавленной серной кислоты или гидроксида натрия к гидротермически обработанной жидкости вызывает образование осадков, после этого проводили центрифугирование и последующую обработку микрофильтрационной мембраной. Затем ультрафильтрационную мембрану «NTR-7410» (производства Nitto Denko Corporation; материал: сульфированный полиэфирсульфон; порог отсечения молекулярной массы: 1000) поместили в плоскомембранный фильтрационный блок «SEPA-II» (производства GE Osmonics) и фильтрационную обработку проводили при линейной скорости над мембранной поверхностью 20 см/сек при давлении фильтрации 2 МПа. Поскольку концентрация на стороне фильтрата не становится стабильной в течение короткого времени, фильтрат, полученный после 20 минут фильтрации вернули на сторону подачи, и образец стабильного фильтрата отобрали через 20 минут. В результате расчета скоростей проникновения было обнаружено, как показано в таблице 21, что, доводя рН до не более 5, способность к удалению кумаровой кислоты и феруловой кислоты, которые являются ароматическими ингибиторами ферментации, имеющими карбоксильную группу, значительно возрастает.
Таблица 21
Скорости проникновения водного раствора сахара (гидротермически обработанная жидкость) через ультрафильтрационную мембрану при различных значениях рН (ед. изм.: %)
Глюкоза
Ксилоза
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
ГМФ
Фурфурол
Кумаровая кислота
Феруловая кислота
2,3-дигидро-бензофуран
pH3
9
30
110
105
100
105
100
100
95
pH4
15
37
110
105
100
110
89
75
95
pH5
17
42
100
100
102
110
68
49
100
pH6
18
45
90
84
104
110
15
7
100
pH7
17
43
88
80
110
115
10
5
100
pH9
17
46
85
78
105
115
10
5
100
Пример 6
Водный раствор серной кислоты, полученный в ссылочном примере 3, нейтрализовали до рН 4,0 аммиаком и подвергли обработке с применением микрофильтрационной мембраны. Таким же образом, как в примере 1, 1,5 л полученного пермеата фильтровали через ультрафильтрационную мембрану «NTR-7450» (производства Nitto Denko Corporation; материал: сульфированный полиэфирсульфон; порог отсечения молекулярной массы: 600-800). Составы ингибиторов ферментации и моносахаридов, содержавшихся в концентрате на стороне подачи (0,5 л) и фильтрате на стороне пермеата (1,0 л), были такими, как показано в таблице 22. Фильтрат фильтровали через нанофильтрационную мембрану «UTC-60» (производства Toray Industries, Inc; материал: пиперазин полиамид). Составы ингибиторов ферментации и моносахаридов в концентрате на стороне подачи (0,33 л) показаны в таблице 23. Реагенты добавили к этому концентрату таким образом, что был получен состав, показанный в таблице 24, и полученную смесь подвергли тому же ферментационному испытанию, что и в Ссылочном примере 7. Результаты измерения скорости потребления ксилозы показаны на фиг.4 (см. L на фиг.4).
Сравнительный пример 5
Водный раствор серной кислоты, полученный в ссылочном примере 3, нейтрализовали до рН 4,0 аммиаком и подвергли обработке с применением микрофильтрационной мембраны. Фильтрационную обработку 1,5 л полученного пермеата проводили с применением нанофильтрационной мембраны «UTC-60». Составы ингибиторов ферментации и моносахаридов, содержавшихся в 0,75 л концентрата на стороне подачи, были такими, как показано в Таблице 22. Таким же образом, как в примере 6, реагенты добавили к этому концентрату таким образом, что был получен состав, показанный в таблице 24, и полученную смесь подвергли ферментационному испытанию. Результаты (скорости потребления ксилозы) показаны на фиг.4 (см. K на фиг.4).
Было обнаружено, что хотя сахарная жидкость, полученная в примере 6, содержала несколько более высокие концентрации кумаровой кислоты, феруловой кислоты и 2,3-дигидробензофурана, сахарная жидкость имела более высокую ферментируемость, чем в сравнительном примере 5, с точки зрения скорости потребления ксилозы. Было предположено, что это происходит из-за наличия в водном растворе сахара неопределенных ингибиторов ферментации, для которых ультрафильтрационная мембрана, имеющая порог отсечения молекулярной массы от 600 до 2000, непроницаема. Кроме того, из примера 6 было обнаружено, что не только сахарная жидкость на стороне подачи ультрафильтрационной мембраны, имеющей порог отсечения молекулярной массы от 600 до 2000, но и вторично концентрированная сахарная жидкость, полученная путем фильтрации фильтрата на стороне пермеата через нанофильтрационную мембрану и/или мембрану обратного осмоса и сбора сахарной жидкости со стороны подачи, являются сахарными жидкостями, имеющими хорошую ферментируемость.
Таблица 22
Составы концентрата и фильтрата, полученных путем обработки с применением ультрафильтрационной мембраны водного раствора серной кислотыЕд. изм (г/л)
Тип мембраны
Жидкость, подвергнутая обработке
Глюкоза
Ксилоза
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
ГМФ
Фурфурол
Кумаровая кислота
Феруловая кислота
2,3-дигидро-бензофуран
Пример 6
NTR-7450
концентрат
5
36
0,6
3,4
0,08
0,2
0,15
0,1
0,03
Пример 6
NTR-7450
фильтрат
1
12
0,6
3,4
0,08
0,2
0,13
0,09
0,03
Таблица 23
Сравнение между концентратом, полученным путем обработки с применением нанофильтрационной мембраны сырьевого водного раствора серной кислоты и концентратом, полученным путем обработки с применением ультрафильтрационной мембраны сырьевого водного раствора серной кислоты с последующей обработкой полученного фильтрата с применением нанофильтрационной мембраныЕд. изм (г/л)
Тип мембраны
Жидкость, подвергнутая обработке
Скорость концентрации
Глюкоза
Ксилоза
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
ГМФ
Фурфурол
Кумаровая кислота
Феруловая кислота
2,3-дигидро-бензофуран
Сравнительный пример 6 (ферментацион-ное испытание K)
UTC-60
Сырьевая жидкость
2-кратная
6
40
0,6
3,4
0,08
0,2
0,15
0,1
0,03
Сравнительный пример 6 (ферментационное испытание L
UTC-60
Сырьевой фильтра-ционный материал
3,3-кратная
2,7
40
0,7
3,6
0,1
0,25
0,16
0,11
0,04
Таблица 24
Состав
Концентрация состава
Глюкоза
6 г/л
Ксилоза
40 г/л
Дрожжевой экстракт Bacto
10 г/л
Пептон
20 г/л
рН
6,5
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Согласно настоящему изобретению ингибиторы ферментации могут быть эффективно удалены из водного раствора сахара, извлеченного из целлюлозосодержащей биомассы, и, с другой стороны, очищенная сахарная жидкость, содержащая моносахариды, такие как глюкоза и ксилоза, может быть получена с высокой степенью чистоты и высоким выходом, так что применение очищенной сахарной жидкости в качестве исходного сырья для ферментации позволяет повысить эффективности ферментативного производства различных химических продуктов.
ОПИСАНИЕ СИМВОЛОВ
A Сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки обработанного разбавленной серной кислотой водного раствора сахара с применением ультрафильтрационной мембраны «NPR-7450».
B Сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки обработанного разбавленной серной кислотой водного раствора сахара с применением ультрафильтрационной мембраный «SPEl».
C Сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки обработанного разбавленной серной кислотой водного раствора сахара с применением ультрафильтрационной мембраны «GR95Pp».
D Сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки обработанного разбавленной серной кислотой водного раствора сахара с применением нанофильтрационной мембраный «UTC-60».
E Сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки обработанного паровым взрывом водного раствора сахара с применением ультрафильтрационной мембраны «NTR-7450».
F Сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки обработанного паровым взрывом водного раствора сахара с применением ультрафильтрационной мембраны «SPE1».
G Сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки обработанного паровым взрывом водного раствора сахара с применением ультрафильтрационной мембраны «GR95Pp».
H Сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки обработанного паровым взрывом водного раствора сахара с применением нанофильтрационной мембраны «UTC-60».
I Концентрированная сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки гидротермически обработанного водного раствора сахара с применением нанофильтрационной мембраны «UTC-60».
J Концентрированная сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки гидротермически обработанного водного раствора сахара с применением ультрафильтрационной мембраны «NTR-7410» с последующей фильтрационной обработкой полученного пермеата с применением нанофильтрационной мембраны «UTC-60».
K Концентрированная сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки водного раствора серной кислоты с применением нанофильтрационной мембраны «UTC-60».
L Концентрированная сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки водного раствора серной кислоты с применением ультрафильтрационной мембраны «NTR-7450» с последующей фильтрационной обработкой полученного пермеата с применением нанофильтрационной мембраны «UTC-60».