JP2013544099A - Continuous feed biomass pretreatment method for packed bed reactors - Google Patents

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Abstract

無水アンモニアを使用するバイオマス前処理は、アンモニアが蒸気状態でバイオマス粒子または破片を貫通することができる場合、およびバイオマスが連続的に供給され、反応器を通って移動する場合に、静止形反応器において効果的である。この条件を達成するために系全体の含水率を、系中の総質量を基準にして40質量%未満に維持される。この前処理済みバイオマス生産物は効果的に糖化されて、生産物の生体触媒生産のための発酵可能な糖を生産する。  Biomass pretreatment using anhydrous ammonia is a stationary reactor where ammonia can penetrate biomass particles or debris in the vapor state and when the biomass is continuously fed and moves through the reactor. Is effective. In order to achieve this condition, the water content of the entire system is kept below 40% by weight, based on the total weight in the system. This pretreated biomass product is effectively saccharified to produce fermentable sugar for biocatalytic production of the product.

Description

本願は、その全体が参照により本明細書中に組み込まれる2010年11月23日出願の米国仮特許出願第61/416484号に関する特典を請求するものである。   This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 61 / 416,484, filed Nov. 23, 2010, which is incorporated herein by reference in its entirety.

本発明は、バイオマスを処理して発酵可能な糖を得るための方法に関する。具体的には、容易に糖化可能な材料を生産するために無水アンモニアを用いた充填床反応器中でのバイオマスの連続供給前処理方法を提供する。   The present invention relates to a method for treating biomass to obtain fermentable sugars. Specifically, the present invention provides a continuous supply pretreatment method of biomass in a packed bed reactor using anhydrous ammonia to produce a material that can be easily saccharified.

リグノセルロース系原料および廃棄物、例えば農作物残渣、木材、林業廃棄物、製紙汚泥、ならびに都市および産業廃棄物は、化学薬品、プラスチック、燃料、および飼料の生産用の潜在的に大きな再生可能な原料を提供する。炭水化物ポリマー、セルロースとヘミセルロース、およびリグニンを含有するリグノセルロース系原料および廃棄物は、一般に、様々な化学的、機械的、および酵素的手段によって処理されて、主としてヘキソース糖およびペントース糖を放出し、次いで発酵させて有用な製品にすることができる。   Lignocellulosic raw materials and waste, such as crop residues, wood, forestry waste, paper sludge, and municipal and industrial waste are potentially large renewable raw materials for the production of chemicals, plastics, fuels, and feed I will provide a. Lignocellulosic raw materials and waste containing carbohydrate polymers, cellulose and hemicellulose, and lignin are generally treated by various chemical, mechanical, and enzymatic means to release mainly hexose and pentose sugars, It can then be fermented into a useful product.

前処理法は、リグノセルロース系バイオマスの炭水化物ポリマー、すなわち多糖類を、糖化に使用されるセルロース分解酵素の影響をより容易に受け易くするために使用される。バイオマスのアンモニア前処理法を含めて様々な前処理法が知られている。一般にアンモニアは、バイマオスを糖化に向けて処理しているあいだ水性状態で使用されてきた。   The pretreatment method is used to make lignocellulosic biomass carbohydrate polymers, ie polysaccharides, more easily susceptible to cellulolytic enzymes used for saccharification. Various pretreatment methods are known, including an ammonia pretreatment method for biomass. In general, ammonia has been used in an aqueous state during the treatment of Baymaos for saccharification.

例えば、本出願の所有者が所有する米国特許第7,932,063号明細書は、高い固形分かつ低いアンモニア水濃度の条件下でバイオマスを前処理する方法を開示している。使用されるアンモニアの濃度は、そのバイオマス−アンモニア水混合物のpHをアルカリ性に保つのに十分な最低限の濃度であり、バイオマスの乾燥質量を基準にして最高で約12質量%未満である。バイオマスの乾燥質量は、バイオマス−アンモニア水混合物の質量の少なくとも約15%、最大で約80%までの初期濃度である。   For example, US Pat. No. 7,932,063, owned by the owner of this application, discloses a method for pretreating biomass under conditions of high solids and low aqueous ammonia concentration. The concentration of ammonia used is the minimum concentration sufficient to keep the pH of the biomass-ammonia water mixture alkaline and is at most less than about 12% by weight based on the dry weight of the biomass. The dry mass of the biomass is an initial concentration of at least about 15% and up to about 80% of the mass of the biomass-ammonia water mixture.

米国特許第4,064,276号明細書には、麦わらおよび他の植物性材料の処理のために無水アンモニアを使用してその材料の栄養的価値を向上させることが開示されている。少なくとも60質量%の乾物含量を有する麦わらを、1トンの乾燥麦わらにつき15〜40kgの無水アンモニアで、周囲温度、大気圧において少なくとも10日間処理する。   US Pat. No. 4,064,276 discloses the use of anhydrous ammonia for the treatment of straw and other plant materials to improve the nutritional value of the material. Straw having a dry matter content of at least 60% by weight is treated with 15-40 kg of anhydrous ammonia per ton of dry straw at ambient temperature and atmospheric pressure for at least 10 days.

米国特許第7,915,017号明細書には、バイオマスを液体または蒸気状態の無水アンモニアで、かつ/または液体または蒸気状態の高濃度アンモニア:水混合物で前処理して、アンモニア対乾燥バイオマスの比が約0.2対1から1.2対1であり、かつ水対乾燥バイオマスの比が約0.2対1.0から1.5対1である混合物を得る工程が開示されている。これら方法は、液相状態にある総アンモニアの分率を高めるために使用される。温度を約50℃から140℃に保ち、槽からアンモニアを放出することによって圧力を急速に開放して処理済みバイオマスを形成する。   US Pat. No. 7,915,017 describes pretreatment of biomass with liquid or vaporous anhydrous ammonia and / or with a liquid or vaporous high concentration ammonia: water mixture to give a mixture of ammonia versus dry biomass. Disclosed is a process for obtaining a mixture having a ratio of about 0.2 to 1 to 1.2 to 1 and a water to dry biomass ratio of about 0.2 to 1.0 to 1.5 to 1. . These methods are used to increase the fraction of total ammonia in the liquid phase. The temperature is maintained at about 50 ° C. to 140 ° C. and the pressure is rapidly released by releasing ammonia from the tank to form the treated biomass.

バイオマスの前処理のためのアンモニア再利用パーコレーション法では充填床フロースルー反応器が使用される(Yoonらの論文(1995年)、Applied Biochemistry and Biotechnology 51/52:5〜19)。この方法ではアンモニア水をバイオマスの床を通して連続的に再循環させる。   A packed bed flow-through reactor is used in the ammonia reuse percolation method for pretreatment of biomass (Yoon et al. (1995), Applied Biochemistry and Biotechnology 51/52: 5-19). In this method, ammonia water is continuously recirculated through the biomass bed.

効率的にバイオマスをアンモニアで前処理し、反応器のコストを低減させる容易に糖化可能な材料を生産する方法の必要性が残っている。   There remains a need for a method for efficiently pretreating biomass with ammonia and producing an easily saccharifiable material that reduces the cost of the reactor.

本発明は、静止形槽内で連続的なやり方でバイオマスを無水アンモニアにより前処理して、容易に糖化可能な材料を生産するための方法を提供する。   The present invention provides a method for pretreating biomass with anhydrous ammonia in a continuous manner in a static bath to produce a material that can be easily saccharified.

したがって本発明は、バイオマスを処理して前処理済みバイオマス生産物を生産するための方法を提供し、この方法は、
a)少なくとも約60%の乾物含量を有するバイオマスを提供するステップ、
b)(a)のバイオマスを、連続的に供給することによって静止形前処理槽に装荷し、それによって槽内の装荷バイオマスが槽を通って進むステップ、
c)(b)の装荷バイオマスを、槽内の総含水率が40質量%未満(槽内の総質量を規準に測定される)残存する条件下で、少なくとも約4%(槽内の総質量を規準に測定される)の無水アンモニアと接触させ、それによってバイオマスの大部分にアンモニア蒸気を浸透させるステップ、および
d)前処理槽からバイオマスを退出させるステップ
を含み、
この槽から排出されるバイオマスが前処理済みバイオマス生産物である。
Accordingly, the present invention provides a method for treating biomass to produce a pretreated biomass product, the method comprising:
a) providing biomass having a dry matter content of at least about 60%;
b) loading the biomass of (a) into a stationary pretreatment tank by continuously feeding it so that the loaded biomass in the tank travels through the tank;
c) At least about 4% (total mass in the tank) of the loaded biomass of (b) under conditions where the total moisture content in the tank remains below 40% by mass (measured based on the total mass in the tank). Contacting with the anhydrous ammonia of) and thereby allowing ammonia vapor to penetrate most of the biomass, and d) withdrawing the biomass from the pretreatment tank,
Biomass discharged from this tank is a pretreated biomass product.

バイオマスを前処理槽中に連続的に供給するための前処理システムを示す図である。It is a figure which shows the pre-processing system for supplying biomass continuously in a pre-processing tank.

バイオマスをアンモニアで処理する場合、そのバイオマス全体にわたるアンモニアの接触は、糖化用のバイオマスの効果的な調製にとって重要である。一般には機械的撹拌を用いてアンモニアとバイオマスを混合し、接触を最大にする。本明細書中で述べる条件下では、前処理は、バイオマスを反応器に連続的に供給し、機械的混合を伴わずに反応器を通ってバイオマスを移動させることによって行われ、それによって、アンモニアが反応物である混合反応器に付随するエネルギーコストおよびメンテナンスコストを取り除く。   When treating biomass with ammonia, ammonia contact throughout the biomass is important for the effective preparation of biomass for saccharification. In general, mechanical agitation is used to mix ammonia and biomass to maximize contact. Under the conditions described herein, pretreatment is performed by continuously feeding biomass to the reactor and moving the biomass through the reactor without mechanical mixing, thereby providing ammonia. Eliminates the energy and maintenance costs associated with mixing reactors where is a reactant.

特許請求の範囲および明細書の解釈のために下記の定義および省略形が使用されることになる。   The following definitions and abbreviations will be used for the interpretation of the claims and specification.

本明細書中で使用される用語「(本質的に全部として)含む(“comprise”、“comprising”)」、「含む(“include”、“including”)」、「有する(“has”、“having”)」、「含有する(“contain”、“containing”)」、またはこれらの任意の他の語尾変化は、非排他的に包含されるものを対象として含む。例えば、構成要素の一覧表を含む組成物、混合物、工程、方法、物品、または装置は、必ずしもこれらの構成要素のみに限定されず、はっきりとは列挙されていない構成要素、あるいはこのような組成物、混合物、工程、方法、物品、または装置に固有な他の構成要素も含むことができる。さらに、相反するものと明記されない限り、「または」は、包含的なまたはを意味し、排他的なまたはを意味しない。例えば、条件AまたはBは、Aが真であり、(あるいは存在し)かつBが偽である(あるいは存在しない)、Aが偽であり(あるいは存在せず)かつBが真である(あるいは存在する)、およびAとBの両方が真である(あるいは存在する)のうちのいずれか一つによって満たされる。   As used herein, the terms “include” (“essentially” as “all”), “include”, “including” ”,“ has ”,“ having ")", "containing", "containing" ", or any other ending change thereof is intended to include non-exclusively included ones. For example, a composition, mixture, process, method, article, or device that includes a list of components is not necessarily limited to only those components, and components that are not explicitly listed, or such compositions An article, mixture, process, method, article, or other component specific to an apparatus can also be included. Further, unless stated to the contrary, “or” means inclusive or not, exclusive or not. For example, condition A or B is such that A is true (or exists) and B is false (or does not exist), A is false (or does not exist), and B is true (or Present) and both A and B are true (or present).

また、本発明の構成要素または成分の前に置かれる不定冠詞「或る(“a”、“an”)」は、構成要素または成分のそれら事例(すなわち出来事)の数に関して非制限的であることを意図している。したがって「或る(“a”、“an”)」は、1つまたは少なくとも1つを含むものと解釈されるべきであり、また構成要素または成分の単数形の単語は、その数がはっきり単数であることを意味しない限り、複数もまた含む。   Also, the indefinite article “an” (“a”, “an”) preceding a component or component of the invention is non-limiting with respect to the number of those instances (ie, occurrences) of the component or component. Is intended. Thus, “an” (“a”, “an”) should be construed as including one or at least one, and a singular word of a component or component is clearly singular in number. The plural is also included unless it means.

本明細書中で使用される用語「発明」または「本発明」は、非限定的用語であり、その特定の発明の任意の単一の実施形態を指すことを意図するものではなく、この明細書および特許請求の範囲中で記述されるすべてのあり得る実施形態を包含する。   The term “invention” or “invention” as used herein is a non-limiting term, and is not intended to refer to any single embodiment of that particular invention. All possible embodiments described in the description and in the claims are included.

本明細書中で用いられ、本発明の成分または反応物の使用量を修飾する用語「約」は、例えば、濃縮物または使用液を作製するために現実の世界で使用される一般的な測定手順および液体取扱手順を通じて、またこれらの手順における不注意による誤りを通じて、また組成物を製造するためにまたはそれら方法を実施するために使用される成分の製造、供給源、または純度の違いなどを通じて起こり得る数量の変動を指す。用語「約」はまた、ある特定の初期混合物からもたらされる組成物の異なる平衡条件のせいで相違する量を包含する。用語「約」によって修飾されていてもいなくても特許請求の範囲には、それらの量の等価物が含まれる。一実施形態では用語「約」は、その報告された数値の10%以内、好ましくはその報告された数値の5%以内を意味する。   As used herein, the term “about”, which modifies the amount used of a component or reactant of the invention, is a common measurement used in the real world, for example, to make concentrates or working solutions Through procedures and liquid handling procedures, through inadvertent errors in these procedures, and through the manufacture, sources, or differences in purity of ingredients used to make compositions or perform those methods, etc. Refers to a possible quantity change. The term “about” also encompasses amounts that differ due to different equilibrium conditions of the composition resulting from a particular initial mixture. The claims, whether modified or not by the term “about,” include equivalents of those amounts. In one embodiment, the term “about” means within 10% of the reported numerical value, preferably within 5% of the reported numerical value.

用語「発酵可能な糖」とは、発酵過程で微生物が炭素源として使用することができるオリゴ糖類および単糖類を指す。   The term “fermentable sugar” refers to oligosaccharides and monosaccharides that microorganisms can use as a carbon source during the fermentation process.

用語「リグノセルロース系」は、リグニンとセルロースの両方を含む組成物を指す。リグノセルロース系材料はまた、ヘミセルロースを含むことができる。   The term “lignocellulosic” refers to a composition comprising both lignin and cellulose. The lignocellulosic material can also include hemicellulose.

用語「セルロース系」は、セルロースと、ヘミセルロースを含めた追加の成分とを含む組成物を指す。   The term “cellulosic” refers to a composition comprising cellulose and additional ingredients including hemicellulose.

用語「糖化」とは、多糖類からの発酵可能な糖の生産を指す。   The term “saccharification” refers to the production of fermentable sugars from polysaccharides.

用語「前処理済みバイオマス」は、糖化に先立って前処理を施されたバイオマスを意味する。   The term “pretreated biomass” means biomass that has been pretreated prior to saccharification.

用語「ブタノール」とは、イソブタノール、1−ブタノール、2−ブタノール、またはこれらの組合せを指す。   The term “butanol” refers to isobutanol, 1-butanol, 2-butanol, or combinations thereof.

用語「リグノセルロース系バイオマス」は任意のリグノセルロース系材料を指し、これにはセルロース、ヘミセルロース、リグニン、デンプン、オリゴ糖、および/または単糖を含む材料が含まれる。バイオマスはまた、タンパク質および/または脂質などの追加の成分を含むことができる。バイオマスは単一供給源から得ることもでき、またバイオマスは1種類以上の供給源から得られる混合物を含むこともできる。例えばバイオマスは、トウモロコシの穂軸とトウモロコシの茎葉の混合物、または草と葉の混合物を含むことができる。リグノセルロース系バイオマスには、これらに限定されないが、生物燃料エネルギー作物、農作物残渣、都市ごみ、産業廃棄物、製紙汚泥、庭ごみ、木材、および林業廃棄物が挙げられる。バイオマスの例には、これらに限定されないが、トウモロコシの穂軸、トウモロコシの皮等の作物の残留物、トウモロコシの茎葉、草、小麦わら、大麦わら、干し草、稲わら、スイッチグラス、紙くず、サトウキビの絞りかす、モロコシ属植物材料、大豆植物材料、穀物の製粉から得られる成分、樹木、枝、根、葉、木材チップ、おがくず、低木と灌木、野菜、果実、および花が挙げられる。   The term “lignocellulosic biomass” refers to any lignocellulosic material, including materials comprising cellulose, hemicellulose, lignin, starch, oligosaccharides, and / or monosaccharides. Biomass can also include additional components such as proteins and / or lipids. Biomass can be obtained from a single source or the biomass can include a mixture obtained from one or more sources. For example, the biomass can include a mixture of corn cobs and corn stover, or a mixture of grass and leaves. Lignocellulosic biomass includes, but is not limited to, biofuel energy crops, agricultural residue, municipal waste, industrial waste, paper sludge, garden waste, wood, and forestry waste. Examples of biomass include, but are not limited to, corn cobs, crop residues such as corn hulls, corn stover, grass, wheat straw, barley straw, hay, rice straw, switchgrass, waste paper, sugar cane Sorghum, sorghum plant material, soybean plant material, ingredients derived from cereal milling, trees, branches, roots, leaves, wood chips, sawdust, shrubs and shrubs, vegetables, fruits and flowers.

用語「乾物含量」とは、対象材料の液体内容物を除去した後に存在するその材料の質量単位の量を指す。   The term “dry matter content” refers to the amount of material mass units present after removal of the liquid content of the subject material.

用語「バイオマス水解物」とは、バイオマスの糖化により生ずる生産物を指す。このバイオマスもまた、糖化に先立って前処理または予備加工することができる。   The term “biomass hydrolyzate” refers to the product produced by saccharification of biomass. This biomass can also be pretreated or pre-processed prior to saccharification.

用語「バイオマス水解物発酵ブロス」とは、バイオマス水解物を含む培地中での生体触媒の成長および生産の結果生ずる生産物を含有するブロスである。このブロスは、生体触媒によって消費されないバイオマス水解物の成分、ならびにこの生体触媒自体およびその生体触媒によって作られる生産物を含む。   The term “biomass hydrolyzate fermentation broth” is a broth containing a product resulting from the growth and production of a biocatalyst in a medium containing biomass hydrolyzate. The broth contains the components of biomass hydrolyzate that are not consumed by the biocatalyst, as well as the biocatalyst itself and the product made by the biocatalyst.

用語「スラリー」とは、不溶性材料と液体の混合物を指す。スラリーはまた、高レベルの溶解性固形物を含有することもできる。スラリーの例には、糖化ブロス、発酵ブロス、および蒸留廃液が挙げられる。   The term “slurry” refers to a mixture of an insoluble material and a liquid. The slurry can also contain high levels of soluble solids. Examples of slurries include saccharification broth, fermentation broth, and distillation waste.

用語「目的生産物」とは、発酵中に微生物生産宿主細胞によって生産される任意の生産物を指す。これら目的生産物は、宿主細胞中での遺伝子操作された酵素経路の結果であってもよく、また内在性経路によって生産されてもよい。典型的な目的生産物には、これらに限定されないが、酸、アルコール、アルカン、アルケン、芳香族化合物、アルデヒド、ケトン、バイオポリマー、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、ビタミン類、抗生物質、および医薬品が挙げられる。   The term “target product” refers to any product produced by a microbial production host cell during fermentation. These target products may be the result of a genetically engineered enzyme pathway in the host cell or may be produced by an endogenous pathway. Typical target products include, but are not limited to, acids, alcohols, alkanes, alkenes, aromatics, aldehydes, ketones, biopolymers, proteins, peptides, amino acids, vitamins, antibiotics, and pharmaceuticals. It is done.

用語「静止形の槽」とは、装荷材料の混合のための手段を含まない槽を指す。充填床反応器は静止形の槽を採用する。   The term “static tank” refers to a tank that does not include a means for mixing the loading material. The packed bed reactor employs a stationary tank.

用語「静止形前処理槽」とは、前処理のために使用することができる静止形の槽を指す。この槽は、本発明の方法に使用されるアンモニアなどの装荷材料に耐えるように建造される。   The term “stationary pretreatment tank” refers to a stationary tank that can be used for pretreatment. This tank is constructed to withstand loading materials such as ammonia used in the method of the present invention.

用語「ベント」とは、閉じ込められたガスを爆発による影響を伴わずに逃がすことを可能にすることを指す。   The term “vent” refers to allowing trapped gas to escape without the effects of an explosion.

用語「ガス」とは、その臨界温度未満の凝縮性低密度相、例えば水蒸気を含めたガスおよび蒸気の両方を指す。   The term “gas” refers to both condensable low density phases below its critical temperature, for example both gas and steam, including water vapor.

用語「槽内の総質量」とは、槽に加えられた成分の全体を合わせた質量を指す。   The term “total mass in the tank” refers to the total mass of the ingredients added to the tank.

用語「大多数」とは50%超を指す。大多数とは50%を超す任意の整数を指すことができる。   The term “majority” refers to more than 50%. The majority can refer to any integer greater than 50%.

静止形の槽中でのバイオマスの連続的前処理
本発明の方法では、バイオマスを前処理用の静止形槽中に連続的に供給して前処理済みバイオマス生産物を生産する。連続供給静止形槽前処理方法の一実施形態を図1に示す。下記に述べる方法の態様を図1に例示し、それらは図1に示す下記付番を有する。
Continuous pretreatment of biomass in a stationary tank In the method of the present invention, biomass is continuously fed into a stationary tank for pretreatment to produce a pretreated biomass product. One embodiment of the continuous feed stationary tank pretreatment method is shown in FIG. The method embodiment described below is illustrated in FIG. 1, which has the following numbering as shown in FIG.

バイオマスは、槽の第一の端部すなわち入口(10)に供給され、槽(11)を通って槽の第二の反対側の端部すなわち出口(12)に向かって進む。バイオマスは、連続供給装置(13)、例えば押出機、工業用ベーラー、またはコンクリートポンプを使用して槽に供給される。バイオマスは、重力流によって、または供給原料を連続供給装置中に追い込むオーガーによるなどのエネルギー入力法によって、連続供給装置に装荷するためのフィードビン中に入る。   Biomass is fed to the first end or inlet (10) of the tank and travels through the tank (11) towards the second opposite end or outlet (12) of the tank. Biomass is supplied to the tank using a continuous supply device (13), such as an extruder, an industrial baler, or a concrete pump. Biomass enters a feed bin for loading into a continuous feed device, such as by gravity flow or by an energy input method such as by an auger driving the feed into the continuous feed device.

静止形前処理槽中に連続的に供給されるバイオマスは、供給装置によって加えられる力の結果として槽の入口から槽の出口へ移動する。槽は、幅の寸法よりも大きい入口−出口軸の寸法を有する。例えば槽は、円筒すなわち管路(図1の場合のように)であることができる。バイオマス原料引込位置の下流で蒸気シールを使用して、アンモニアおよび水蒸気を含めた前処理剤が入口から上流に向かって脱出するのを妨げる。これは、入口からの蒸気の脱出を遮断するために、例えばバイオマス引込位置とアンモニアおよび水蒸気の注入位置の間でバイオマスの十分な膨潤を実現することによって達成することができる。一実施形態では2種類の異なるバイオマス原料、すなわち主としてスイッチグラスまたはトウモロコシの穂軸と、熱水分を受けた時に膨潤し塞ぐ微粉砕トウモロコシ穀粒またはデンプンのゾーンを交互に積み重ねた状態で連続的に加える。   Biomass continuously fed into the static pretreatment tank moves from the tank inlet to the tank outlet as a result of the force applied by the feeder. The vessel has an inlet-outlet shaft dimension that is larger than the width dimension. For example, the tub can be a cylinder or conduit (as in FIG. 1). A steam seal is used downstream of the biomass feed-in position to prevent pretreatment agents including ammonia and water vapor from escaping upstream from the inlet. This can be accomplished, for example, by providing sufficient swelling of the biomass between the biomass draw-in position and the ammonia and water vapor injection positions to block steam escape from the inlet. In one embodiment, two different biomass feedstocks, namely primarily switchgrass or corn cobs, and a continuous stack of pulverized corn kernels or starch zones that swell and plug when subjected to hot water are alternately stacked. Add to.

管路槽は、前処理にとって十分な滞留時間を与えると同時に全体の槽の長さを短くするために、入口端部の径を超える管径の拡大を可能にする1個または複数個のすそ広がりに拡がった部分(14)を含む。径の拡大は、より長い一定の径の管路と比べて全体の摩擦力を減少させることになる。径の拡大はまた、供給されたバイオマスの供給口への逆流を制限することにもなる。   The pipe tank provides one or more skirts that allow the pipe diameter to be expanded beyond the diameter of the inlet end to provide sufficient residence time for pretreatment while at the same time reducing the overall tank length. It includes a portion (14) that has been expanded. An increase in diameter will reduce the overall frictional force compared to a longer constant diameter conduit. The increase in diameter also limits the back flow of the supplied biomass to the supply port.

工程の全体寸法を小さくするために槽中に1つまたは複数の方向転換部(15)を含むことができる。槽は、前処理されたバイオマス生産物が下流の受け槽(17)(これは糖化装置(18)であってもよい)の引込位置またはその近くで出て行くように、バイオマスを持ち上げるためにその長さの全体または一部の上方に高所(16)を有することができる。これは、前処理済みバイオマス生産物を糖化装置または他の受け槽に送るためのバケット、オーガー、エレベーター、または他の装置の必要性を回避する。   One or more turning sections (15) can be included in the bath to reduce the overall dimensions of the process. The tank is used to lift the biomass so that the pretreated biomass product exits at or near the withdrawal position of the downstream receiving tank (17) (which may be a saccharification device (18)). It can have a height (16) over all or part of its length. This avoids the need for buckets, augers, elevators, or other equipment to send the pretreated biomass product to a saccharification equipment or other receiving vessel.

無水アンモニアおよび水蒸気を含めた前処理剤を供給するために、槽の長さに沿って1ヶ所または複数ヶ所の場所で入口(19)が使用される。上記で示したようにこれらの入口は、バイオマス供給口の下流で、かつ前処理剤がバイオマス供給口を通って流出するのを減らす距離にある。前処理剤は、前処理を受けるバイオマスと連通して、下記に述べるように装荷バイオマスを前処理するのに十分な割合で槽中に供給される。さらに、槽に水蒸気を直接注入することによって、あるいは水蒸気または加熱油などの加熱媒体を含有し、槽を取り巻くジャケットを用いて槽を加熱することによってバイオマスに熱が与えられる。   An inlet (19) is used at one or more locations along the length of the tank to supply pretreatment agents including anhydrous ammonia and water vapor. As indicated above, these inlets are at a distance downstream of the biomass feed and reducing the pretreatment agent from flowing out through the biomass feed. The pretreatment agent communicates with the biomass undergoing pretreatment and is fed into the tank at a rate sufficient to pretreat the loaded biomass as described below. Furthermore, heat is applied to the biomass by directly injecting water vapor into the tank or by heating the tank using a jacket that contains a heating medium such as water vapor or heated oil and surrounds the tank.

槽の末端部分(20)は、非絶縁でもよく、また、例えば反応器ジャケットを使用することにより積極的に冷却してバイオマスが槽を出て行く前に温度の低下を可能にしてもよい。滅菌水を工程に直接注入して冷却を早めてもよい。   The end portion (20) of the vessel may be non-insulated, or may be actively cooled, for example by using a reactor jacket, to allow the temperature to drop before the biomass exits the vessel. Sterile water may be injected directly into the process to accelerate cooling.

前処理されたバイオマス生産物は出口で槽を出て行く。出口は、スウィング型逆止弁で使用されるような蝶番式プレート(21)などの出口弁であることができる。流れに対抗する制御された力を加えることを利用して吐出圧力を調節することができる。   The pretreated biomass product leaves the tank at the exit. The outlet can be an outlet valve such as a hinged plate (21) as used in a swing check valve. The discharge pressure can be adjusted by applying a controlled force against the flow.

過剰な試薬、例えばアンモニアは、前処理工程中で捕獲し再利用することができる。アンモニアおよび水蒸気の蒸気類は、前処理槽の排気孔から放出することもできるが、一般にはこれらの蒸気は前処理済みバイオマスと一緒に排出され、受け槽(17)またはホッパーの中へと入る。受け槽中では蒸気は、膨張し蒸発して前処理済みバイオマスから分離するようになり、一般には排気孔(22)からベントされ、再利用のために前処理工程に導かれる。   Excess reagent, such as ammonia, can be captured and reused in the pretreatment step. Ammonia and steam vapors can also be released from the pretreatment tank exhaust, but generally these vapors are discharged with the pretreated biomass and enter the receiving tank (17) or hopper. . In the receiving tank, the steam expands and evaporates to separate from the pretreated biomass, and is generally vented from the exhaust hole (22) and led to a pretreatment process for reuse.

別法では、加えられるアンモニアは、過剰な試薬を捕獲し再利用する必要性を回避するために、必須の化学量論量のアンモニア、プラス許容できるアンモニア残留物に限定することもできる。   Alternatively, the added ammonia can be limited to the required stoichiometric amount of ammonia plus an acceptable ammonia residue to avoid the need to capture and reuse excess reagent.

アンモニア蒸気を使用する前処理法
本発明の方法では、静止形槽に装荷された連続供給バイオマスが、槽を通って進むにつれて無水アンモニアにより比較的乾燥した系中で処理される。系が比較的乾燥している場合、アンモニアは、機械的混合を必要としないような蒸気の状態でバイオマス全体にわたって拡がることができる。蒸気状アンモニアが通過するようなバイオマス粒子間または破片間の開いた隙間空間は、反応器内の含水量を低く保つことによって維持され、その結果、反応器中に存在する水分はバイオマスと結び付き、隙間空間に充満しない。したがって、水分はバイオマス粒子または破片の界面ではより高く、バイオマス粒子間または破片間の隙間空間中ではより低いので、槽内の含水率は一定でない。
Pretreatment Method Using Ammonia Vapor In the method of the present invention, continuously fed biomass loaded in a stationary tank is treated in a relatively dry system with anhydrous ammonia as it travels through the tank. If the system is relatively dry, ammonia can spread throughout the biomass in a vapor state that does not require mechanical mixing. An open interstitial space between biomass particles or debris through which vaporous ammonia passes is maintained by keeping the water content in the reactor low, so that the water present in the reactor is associated with the biomass, The gap is not filled. Therefore, the moisture content in the tank is not constant because the moisture is higher at the interface of biomass particles or debris and lower in the interstitial space between biomass particles or debris.

槽内の全体的な総含水率は、バイオマスと、無水アンモニアと、水蒸気などの槽に加えられる任意の他の成分とを含めた槽内の総質量に対して測定される40質量%未満残存する。本発明の方法においては、後続の糖化で生産される糖の収率によって判定される容易に糖化可能なバイオマス生産物を生産するための効果的な前処理に向けて、機械的混合を伴わずにアンモニア蒸気をバイオマスに浸透させることができることを本明細書中で示す。アンモニア装荷点からの様々な距離で採取した試料によれば、糖化の間に高レベルの糖を生産することができた。本明細書の実施例において生産される糖は、キシロースモノマーが理論上の収率の57〜68%の範囲、またグルコースモノマーが理論上の収率の80〜90%の範囲であった。   The overall total moisture content in the tank is less than 40% by weight measured relative to the total mass in the tank including biomass, anhydrous ammonia, and any other components added to the tank, such as steam. To do. In the method of the present invention, without mechanical mixing, an effective pretreatment to produce a readily saccharifiable biomass product as determined by the yield of sugar produced in subsequent saccharification. It is shown herein that ammonia vapor can penetrate biomass. Samples taken at various distances from the ammonia loading point were able to produce high levels of sugar during saccharification. The sugars produced in the examples herein had xylose monomer in the range of 57-68% theoretical yield and glucose monomer in the range of 80-90% theoretical yield.

本発明の前処理方法に使用される槽では混合機構は必要でなく、それは静止形の槽である。槽は、円筒などの任意の形状であることができ、また水平または垂直の向きに置くことも、水平部分と垂直部分を含むこともできる。槽は、バイオマス、アンモニア、および水蒸気の導入のための1つまたは複数の出入口を有する。槽は、大気圧(0ゲージ圧)から20ゲージ圧の圧力で稼働するように建造することができる。槽は、その温度を直接に上昇させるための手段、例えば加熱ジャケットを有することができる。槽は、アンモニア蒸気に耐えるように設計された材料のものであり、充填床型の反応器であることができる。   The tank used in the pretreatment method of the present invention does not require a mixing mechanism and is a stationary tank. The tank can be any shape, such as a cylinder, and can be placed in a horizontal or vertical orientation, or it can include horizontal and vertical portions. The tank has one or more inlets / outlets for the introduction of biomass, ammonia, and water vapor. The tank can be constructed to operate from atmospheric pressure (0 gauge pressure) to 20 gauge pressure. The vessel can have means for raising its temperature directly, for example a heating jacket. The tank is of a material designed to withstand ammonia vapor and can be a packed bed reactor.

槽に装荷されるバイオマスは、典型的にはリグノセルロース系バイオマスであり、少なくとも約60%の乾物含量を有する。バイオマスの乾燥質量の割合は、約60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、またはそれ以上であることができる。例えば、新たに収穫されたトウモロコシの茎葉が、一般には乾燥質量約70%であるのに対し、バイオマスは、例えば空気乾燥により乾燥してより高い割合の乾物にすることができる。さらにバイオマスは、槽に装荷する前にサイズを小さくすることもできる。一般にはバイオマスを槽に装荷するに先立って機械的に、例えば細断、裁断、または粉砕によってそのサイズを小さくする。   The biomass loaded into the tank is typically lignocellulosic biomass and has a dry matter content of at least about 60%. The percentage of dry mass of the biomass can be about 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, or more. For example, freshly harvested corn stover is typically about 70% dry mass, whereas biomass can be dried to a higher percentage of dry matter, for example by air drying. In addition, the biomass can be reduced in size before loading into the tank. In general, prior to loading the biomass into the tank, the size is reduced mechanically, for example, by chopping, cutting or grinding.

バイオマスの入っている槽に無水アンモニアを装荷し、それをバイオマスに浸透させることによって槽内のバイオマスを無水アンモニアと接触させる。本発明の方法では槽内のバイオマスの大部分が無水アンモニアと接触する。一般には50%を超えるバイオマスが無水アンモニアと接触する。バイオマスの少なくとも約50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、または95%が無水アンモニアと接触する。   The tank containing the biomass is loaded with anhydrous ammonia, and the biomass in the tank is brought into contact with the anhydrous ammonia by allowing the biomass to permeate the biomass. In the method of the present invention, most of the biomass in the tank comes into contact with anhydrous ammonia. In general, more than 50% of biomass is in contact with anhydrous ammonia. At least about 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, or 95% of the biomass is in contact with anhydrous ammonia.

無水アンモニアは、槽内のバイオマスの乾燥質量を基準にして少なくとも約4%の量で加えられる。使用される無水アンモニアの濃度範囲は約4%から約20%である。6%のアンモニアを使用することにより、3%の無水アンモニアの効果と比較して、本明細書中の実施例3に示すようにその得られる無水アンモニア浸透バイオマスの糖化によるキシロースの収率は増大した。無水アンモニアの導入は、その入れられる槽内のバイオマスの温度を上昇させる。   Anhydrous ammonia is added in an amount of at least about 4% based on the dry mass of biomass in the tank. The concentration range of anhydrous ammonia used is about 4% to about 20%. By using 6% ammonia, the yield of xylose is increased by saccharification of the resulting anhydrous ammonia permeation biomass as shown in Example 3 herein, compared to the effect of 3% anhydrous ammonia. did. The introduction of anhydrous ammonia raises the temperature of the biomass in the tank in which it is put.

無水アンモニアを加える前に反応器および/またはバイオマスの温度を上げてもよい。温度は、例えば加熱ジャケットまたは加熱コイルを用いて槽に熱を加えることによる方法、あるいは反応器の槽内に高温のガスまたは蒸気、例えば水蒸気を導入することによる方法を含めて任意の方法によって間接的にまたは直接に上昇させることができる。水蒸気は、槽内の総含水量を槽内の総質量の40質量%未満に保つために過熱蒸気または乾燥蒸気として注入して水分の導入を避けることができる。槽内の水分は、主としてバイオマスおよび加えられるガスから来てもよい。非常に乾燥したバイオマス、例えば約15%未満の含水率を有するバイオマスを処理する場合、低い40%の総含水率を維持するためにその水蒸気は乾燥している必要はない。しかしながらバイオマスが、より高い含水率、例えば約35%を有する場合には乾燥蒸気が使用される。望ましい温度は、一般には約70℃から190℃の範囲である。典型的には温度は、約90℃から150℃の範囲である。   The reactor and / or biomass temperature may be raised before adding anhydrous ammonia. The temperature can be indirectly measured by any method including, for example, a method by applying heat to the vessel using a heating jacket or heating coil, or a method by introducing a hot gas or vapor, such as water vapor, into the reactor vessel. Can be raised manually or directly. Water vapor can be injected as superheated steam or dry steam to avoid the introduction of moisture in order to keep the total water content in the tank below 40% by mass of the total mass in the tank. The water in the tank may come primarily from biomass and added gas. When processing very dry biomass, such as biomass having a moisture content of less than about 15%, the steam need not be dry to maintain a low total moisture content of 40%. However, dry steam is used when the biomass has a higher moisture content, for example about 35%. The desired temperature is generally in the range of about 70 ° C to 190 ° C. Typically the temperature is in the range of about 90 ° C to 150 ° C.

また、槽内部の圧力を増すこともできる。圧力を増すためには水蒸気の注入を使用することができる。前処理の間、その圧力は0ゲージ圧から20ゲージ圧未満に保たれる。バイオマスが前処理槽を通って移動する際の滞留時間は、約10分間から5時間である。この滞留時間には、バイオマスが槽に入ってから水蒸気およびアンモニアなどの前処理剤注入用の入口に出会うまでのバイオマス装荷後の第一区分を含めることができる。典型的には滞留時間の第二区分において水蒸気およびアンモニアが注入されてバイオマスと接触し、前処理が起こる。この第二区分は、約5分間から数時間であることができる。この時間の間、アンモニアが蒸気状態でバイオマス粒子間または破片間の隙間空間を通って浸透し続ける条件を与える圧力および温度が槽内に維持される。バイオマスが、前述のように温度が下がる出口に近づく際の滞留時間の第三区分が存在してもよい。   It is also possible to increase the pressure inside the tank. Steam injection can be used to increase the pressure. During pretreatment, the pressure is maintained from 0 gauge pressure to less than 20 gauge pressure. The residence time when the biomass moves through the pretreatment tank is about 10 minutes to 5 hours. This residence time can include the first section after biomass loading from when the biomass enters the tank until it meets an inlet for injecting pretreatment agents such as steam and ammonia. Typically, steam and ammonia are injected in the second section of the residence time to contact the biomass and pretreatment occurs. This second section can be from about 5 minutes to several hours. During this time, pressure and temperature are maintained in the vessel that gives the condition that ammonia continues to permeate through the interstitial spaces between biomass particles or debris in the vapor state. There may be a third segment of residence time as the biomass approaches the outlet where the temperature decreases as described above.

所望の滞留時間の終わりに、前処理されたバイオマスは、前述のような供給装置によって加えられる力により押し出されるに従って出口を通って槽から排出される。この前処理されたバイオマス生産物は乾燥状態である。これを機械的方法によって、または重力によって次の槽に装荷することができる。   At the end of the desired residence time, the pretreated biomass is discharged from the tank through the outlet as it is pushed out by the force applied by the feeder as described above. This pretreated biomass product is in a dry state. This can be loaded into the next tank by mechanical methods or by gravity.

関連した前処理剤蒸気は、上記で言及したように再利用することができる。商業的に採算の合う方法でアンモニアを再利用することが好ましい。アンモニア蒸気は、アンモニア蒸気取扱システムを用いた、当業者に知られている方法によって再利用することができる。例えば、アンモニア蒸気を凝縮し、アンモニア水として再利用することができる。別法ではアンモニア蒸気を、主として無水状態で再利用することもできる。   The associated pretreatment vapor can be reused as mentioned above. It is preferred to recycle ammonia in a commercially viable manner. Ammonia vapor can be recycled by methods known to those skilled in the art using an ammonia vapor handling system. For example, ammonia vapor can be condensed and reused as ammonia water. Alternatively, ammonia vapor can be reused primarily in the anhydrous state.

リグノセルロース系バイオマス
本発明の方法で使用されるバイオマスはリグノセルロース系であり、これはセルロースおよびヘミセルロースなどの多糖類と、リグニンとを含有する。バイオマスの多糖類はまた、グルカンおよびキシランと呼ぶこともできる。使用することができるバイオマスの種類には、これらに限定されないが、生物燃料エネルギー作物、農作物残渣、都市ごみ、産業廃棄物、製紙汚泥、庭ごみ、木材、および林業廃棄物が挙げられる。バイオマスの例には、これらに限定されないが、トウモロコシの穂軸、トウモロコシの皮、トウモロコシの茎葉、草、小麦わら、大麦わら、カラスムギわら、菜種わら、干し草、稲わら、スイッチグラス、ススキ、コードグラス、クサヨシ、紙くず、サトウキビの絞りかす、モロコシの絞りかすまたはわら、大豆わら、穀物の製粉から得られる成分、樹木、枝、根、葉、木材チップ、おがくず、低木および灌木、野菜、果実、花、および動物厩肥が挙げられる。バイオマスには、他の穀物残渣、ハコヤナギ材、他の広葉樹材、針葉樹材、およびおがくずなどの林業廃棄物、消費者使用後の古紙製品、トウモロコシ繊維、ビートパルプ、パルプ工場微細繊維および不良品などの繊維プロセス残渣、および他の十分な量で存在するリグノセルロース系材料を挙げることができる。
Lignocellulosic biomass The biomass used in the method of the present invention is lignocellulosic, which contains polysaccharides such as cellulose and hemicellulose, and lignin. Biomass polysaccharides can also be referred to as glucans and xylans. The types of biomass that can be used include, but are not limited to, biofuel energy crops, crop residues, municipal waste, industrial waste, paper sludge, garden waste, wood, and forestry waste. Examples of biomass include, but are not limited to, corn cob, corn peel, corn stover, grass, wheat straw, barley straw, oat straw, rapeseed straw, hay, rice straw, switchgrass, Japanese pampas grass, cord Ingredients obtained from glass, ragweed, waste paper, sugar cane pomace, sorghum pomace or straw, soy straw, cereal milling, trees, branches, roots, leaves, wood chips, sawdust, shrubs and shrubs, vegetables, fruits, Examples include flowers and animal manure. Biomass includes other grain residues, forest willows, other hardwoods, conifers, and sawdust and other waste products, used paper products after consumer use, corn fiber, beet pulp, pulp mill fines and defective products Fiber process residues, and other lignocellulosic materials present in sufficient amounts.

本発明にとって特に有用なバイオマスには、比較的高い炭水化物含有率を有し、比較的高密度であり、かつ/または収集、運搬、貯蔵、および/または操作が比較的容易なバイオマスが挙げられる。   Particularly useful biomass for the present invention includes biomass that has a relatively high carbohydrate content, is relatively dense, and / or is relatively easy to collect, transport, store, and / or manipulate.

リグノセルロース系バイオマスは単一供給源から得ることもでき、またバイオマスは1種類以上の供給源から得られる混合物を含むこともできる。例えばバイオマスは、トウモロコシの穂軸とトウモロコシの茎葉の混合物、あるいは茎または柄と葉の混合物を含むことができる。   Lignocellulosic biomass can also be obtained from a single source, and the biomass can also include a mixture obtained from one or more sources. For example, the biomass can include a mixture of corn cobs and corn stover, or a mixture of stems or stems and leaves.

供給源から得られるバイオマスを直接使用することもでき、またそれを何らかの予備加工にかけることもできる。例えばサイズを小さくするまたは水分を減らすためにバイオマスにエネルギーを加えることができる。粒径減少は、その得られるサイズが0.1mmを超える粒の粗い小型の材料を生産する方法を用いて行うことができる。使用することができる方法には、ナイフミリング、粗砕、細断、チョッピング、ディスク精砕、および粗ハンマーミル粉砕などの機械的方法が挙げられる。この種の粒径減少は、無水アンモニアによる処理の前または後に行うことができるが、一般には前である。乾燥は、任意の通常の手段、例えば乾燥炉、回転乾燥機、フラッシュ乾燥機、または過熱蒸気乾燥機の使用によることができる。さらに、約40%未満の望ましいバイオマス含水率に到達するには空気乾燥で十分であろう。本発明の方法に使用する場合、バイオマスは、少なくとも約60、65、70、75、80、85、90、または93質量%の乾物含量を有することが望ましい。   The biomass obtained from the source can be used directly or it can be subjected to some pre-processing. For example, energy can be added to the biomass to reduce size or reduce moisture. The particle size reduction can be performed by using a method for producing a small and coarse material having a grain size exceeding 0.1 mm. Methods that can be used include mechanical methods such as knife milling, roughing, shredding, chopping, disc refining, and rough hammer milling. This type of particle size reduction can be done before or after treatment with anhydrous ammonia, but is generally before. Drying can be by any conventional means such as using a drying oven, rotary dryer, flash dryer, or superheated steam dryer. Furthermore, air drying may be sufficient to reach the desired biomass moisture content of less than about 40%. When used in the method of the present invention, the biomass desirably has a dry matter content of at least about 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, or 93% by weight.

前処理済みバイオマス生産物
本発明の方法により得られる前処理済みバイオマス生産物を糖化に使用して、所望の製品を生産するための生体触媒による発酵用の糖を生産する。
Pretreated biomass product The pretreated biomass product obtained by the method of the present invention is used for saccharification to produce a saccharide for fermentation with a biocatalyst for producing a desired product.

糖化
典型的には、酵素による糖化は、グルコース、キシロース、およびアラビノースを含めた糖を含有する水解物を生産するために、少なくとも1種類の糖化酵素と、多くの場合セルロースおよびヘミセルロースを分解するための酵素共同体とを利用する。糖化酵素は、Lynd,L.R.らの論文(Microbiol.Mol.Biol.Rev.,66:506〜577,2002年)中で概説されている。
Saccharification Typically, enzymatic saccharification degrades at least one saccharifying enzyme and often cellulose and hemicellulose to produce hydrolysates containing sugars including glucose, xylose, and arabinose. With the enzyme community. Saccharification enzymes are described in Lynd, L. et al. R. (Microbiol. Mol. Biol. Rev., 66: 506-577, 2002).

この酵素は、一般には1種類または複数種類のグリコシダーゼを含む。グリコシダーゼは、二糖、オリゴ糖、および多糖のエーテル結合を加水分解する。これらグリコシダーゼは、一般群「ヒドラーゼ」(EC 3)の酵素分類EC 3.2.1x(Enzyme Nomenclature 1992年,Academic Press,San Diego,CA、補遺1(1993年)、補遺2(1994年)、補遺3(1995年)、補遺4(1997年)、および補遺5(それぞれ、Eur.J.Biochem.,223:1〜5,1994年、Eur.J.Biochem.,232:1〜6,1995年、Eur.J.Biochem.,237:1〜5,1996年、Eur.J.Biochem.,250:1〜6,1997年、およびEur.J.Biochem.,264:610〜650,1999年に記載されている))中に見出される。本発明の方法において有用なグリコシダーゼは、それらが加水分解するバイオマス成分によって分類することができる。本発明の方法において有用なグリコシダーゼには、セルロース加水分解グリコシダーゼ(例えば、セルラーゼ、エンドグルカナーゼ、エキソグルカナーゼ、セロビオヒドロラーゼ、β−グリコシダーゼ)、ヘミセルロース加水分解グリコシダーゼ(例えば、キシラナーゼ、エンドキシラナーゼ、エキソキシラナーゼ、β−キシロシダーゼ、アラビノキシラナーゼ、マンナーゼ、ガラクターゼ、ペクチナーゼ、グルクロニダーゼ)、およびデンプン加水分解グリコシダーゼ(例えば、アミラーゼ、α−アミラーゼ、β−アミラーゼ、グルコアミラーゼ、α−グルコシダーゼ、イソアミラーゼ)が挙げられる。さらに、ペプチダーゼ(EC 3.4.x.y)、リパーゼ(EC 3.1.1.xおよび3.1.4.x)、リグニナーゼ(EC 1.11.1.x)、およびフェルロイルエステラーゼ(EC 3.1.1.73)などの糖化酵素共同体に他の活性を加えて、バイオマスの他の成分からの多糖の遊離を促進させることが役立つこともある。多糖加水分解酵素を生産する微生物は、多くの場合、異なる基質特異性を有する数種類の酵素または一群の酵素が触媒する活性、例えばセルロースの分解を示すことが当業界でよく知られている。したがって微生物由来の「セルラーゼ」は、そのすべてがセルロース分解活性に寄与する一群の酵素を含むことができる。市販または非市販の酵素製剤、例えばセルラーゼは、その酵素を得るために利用させる精製スキームに応じて非常に多種類の酵素を含む可能性がある。   This enzyme generally includes one or more types of glycosidases. Glycosidases hydrolyze the ether linkages of disaccharides, oligosaccharides, and polysaccharides. These glycosidases are classified according to the enzyme group EC 3.2.1x of the general group “hydrase” (EC 3) (Enzyme Nomenclature 1992, Academic Press, San Diego, CA, Addendum 1 (1993), Addendum 2 (1994), Addendum 3 (1995), Addendum 4 (1997), and Addendum 5 (Eur. J. Biochem., 223: 1-5, 1994, Eur. J. Biochem., 232: 1-6, 1995, respectively. Eur. J. Biochem., 237: 1-5, 1996, Eur. J. Biochem., 250: 1, 6, 1997, and Eur. J. Biochem., 264: 610-650, 1999. ))). Glycosidases useful in the methods of the present invention can be classified by the biomass components that they hydrolyze. Glycosidases useful in the methods of the invention include cellulose hydrolyzing glycosidases (eg, cellulase, endoglucanase, exoglucanase, cellobiohydrolase, β-glycosidase), hemicellulose hydrolyzing glycosidases (eg, xylanase, endoxylanase, exoxylanase, β-xylosidase, arabinoxylanase, mannase, galactase, pectinase, glucuronidase), and starch hydrolyzing glycosidase (eg, amylase, α-amylase, β-amylase, glucoamylase, α-glucosidase, isoamylase). In addition, peptidases (EC 3.4.x.y), lipases (EC 3.1.1.x and 3.1.4.x), ligninases (EC 1.11.1.x), and feruloyl esterases It may be useful to add other activities to the saccharifying enzyme consortium such as (EC 3.1.1.13) to promote the release of polysaccharides from other components of the biomass. It is well known in the art that microorganisms that produce polysaccharide hydrolases often exhibit activity catalyzed by several enzymes or groups of enzymes with different substrate specificities, such as cellulose degradation. Thus, microbial-derived “cellulases” can include a group of enzymes, all of which contribute to cellulolytic activity. Commercial or non-commercial enzyme preparations, such as cellulases, can contain a great variety of enzymes, depending on the purification scheme utilized to obtain the enzyme.

糖化酵素、例えばSpezyme(登録商標)CPセルラーゼ、Multifect(登録商標)キシラナーゼ、Accelerase(登録商標)1500、およびAccellerase(登録商標)DUET(Danisco U.S.Inc.,Genencor International,Rochester,NY.)を市場で入手することができる。さらに、糖化酵素は未精製であることも、一種類の細胞抽出物またはホールセル製剤として供給することもできる。酵素は、複数種の糖化用酵素を発現させるように遺伝子工学で作られた組換え微生物を用いて生産することもできる。   Saccharification enzymes such as Spezyme® CP cellulase, Multifect® xylanase, Accelerase® 1500, and Accelerase® DUET (Danisco US Inc., Genencor International, Rochester, NY). Can be obtained on the market. Furthermore, the saccharifying enzyme can be unpurified or supplied as a single cell extract or whole cell preparation. Enzymes can also be produced using recombinant microorganisms that have been genetically engineered to express multiple types of saccharifying enzymes.

グリコシドヒドロラーゼ(GH)の種類は、本発明においては特定の等級のもの、例えばファミリーGH3、GH39、GH43、GH55、GH10、およびGH11である。これらGHは、2種類以上の炭水化物間、または炭水化物部分と非炭水化物部分の間のグリコシド結合を加水分解する酵素の一群である。これらGHのファミリーは、配列類似性に基づいて分類されており、Carbohydrate−Active enzyme(CAZy)データベース(Cantarelら(2009年)、Nucleic Acids Res.37(Database発行):D233〜238)中で入手できる。これらの酵素は、複数種の基質に対して作用することができ、本発明の糖化方法において有効である。グリコシドヒドロラーゼファミリー3(「GH3」)酵素は、複数種類の既知の活性、すなわち −グルコシダーゼ(EC:3.2.1.21)、β−キシロシダーゼ(EC:3.2.1.37)、N−アセチル −グルコサミニダーゼ(EC:3.2.1.52)、グルカン β−1,3−グルコシダーゼ(EC:3.2.1.58)、セロデキストリナーゼ(EC:3.2.1.74)、エキソ−1,3〜1,4−グルカナーゼ(EC:3.2.1)、およびβ−ガラクトシダーゼ(EC:3.2.1.23)を有する。グリコシドヒドロラーゼファミリー39(「GH39」)酵素は、α−L−イズロニダーゼ(EC:3.2.1.76)またはβ−キシロシダーゼ(EC:3.2.1.37)活性を有する。グリコシドヒドロラーゼファミリー43(「GH43」)酵素は、L−α−アラビノフラノシダーゼ(EC:3.2.1.55)、 −キシロシダーゼ(EC:3.2.1.37)、エンドアラビナナーゼ(EC:3.2.1.99)、およびガラクタン 1,3− −ガラクトシダーゼ(EC:3.2.1.145)活性を有する。グリコシドヒドロラーゼファミリー51(「GH51」)酵素は、L−α−アラビノフラノシダーゼ(EC:3.2.1.55)またはエンドグルカナーゼ(EC:3.2.1.4)活性を有する。グリコシドヒドロラーゼファミリー10(「GH10」)酵素については、Schmidtらの論文(1999年,Biochemistry 38:2403〜2412)およびLo Leggioらの論文(2001年,FEBS Lett 509:303〜308)中により完全に記載されている。グリコシドヒドロラーゼファミリー11(「GH11」)酵素については、Hakouvainenらの論文(1996年,Biochemistry 35:9617〜24)中により完全に記載されている。   The type of glycoside hydrolase (GH) is of the specific grade in the present invention, for example the families GH3, GH39, GH43, GH55, GH10 and GH11. These GHs are a group of enzymes that hydrolyze glycosidic bonds between two or more carbohydrates, or between carbohydrate and non-carbohydrate moieties. These families of GH are classified based on sequence similarity and are available in the Carbohydrate-Active enzyme (CAZy) database (Cantarel et al. (2009), Nucleic Acids Res. 37 (Database) published: D233-238). it can. These enzymes can act on multiple types of substrates, and are effective in the saccharification method of the present invention. Glycoside hydrolase family 3 (“GH3”) enzymes have several known activities: -Glucosidase (EC: 3.2.1.21), β-xylosidase (EC: 3.2.1.37), N -Acetyl-glucosaminidase (EC: 3.2.1.52), glucan β-1,3-glucosidase (EC: 3.2.1.58), cellodextrinase (EC: 3.2.1.74) ), Exo-1,3-1,4-glucanase (EC: 3.2.1), and β-galactosidase (EC: 3.2.1.23). Glycoside hydrolase family 39 (“GH39”) enzymes have α-L-iduronidase (EC: 3.2.1.76) or β-xylosidase (EC: 3.2.1.37) activity. Glycoside hydrolase family 43 (“GH43”) enzymes include L-α-arabinofuranosidase (EC: 3.2.1.55), xylosidase (EC: 3.2.1.37), endoarabinanase ( EC: 3.2.1.99), and galactan 1,3-galactosidase (EC: 3.2.1.145) activity. Glycoside hydrolase family 51 (“GH51”) enzymes have L-α-arabinofuranosidase (EC: 3.2.1.55) or endoglucanase (EC: 3.2.1.4) activity. Glycoside hydrolase family 10 (“GH10”) enzymes are more fully described in Schmidt et al. (1999, Biochemistry 38: 2403-2412) and Lo Leggio et al. (2001, FEBS Lett 509: 303-308). Have been described. The glycoside hydrolase family 11 (“GH11”) enzymes are more fully described in the paper by Hakuvainen et al. (1996, Biochemistry 35: 9617-24).

これらの酵素は、それらの自然宿主生物から単離することも、あるいは生産用に遺伝子工学で作られた宿主生物中で発現させることもできる。例えば、標的発現宿主細胞中で作用するプロモーターと、上記で与えられるGHをコードする配列と、終止シグナルとを含有するキメラ遺伝子は、プラスミドベクターから発現させるか、または当業者に知られている標準的な方法を用いて標的発現宿主細胞のゲノム中に組み込まれる。使用されるコード配列は、発現用に使用される特異的宿主に関して最適化されたコドンであることができる。一般に使用される発現宿主細胞には、細菌、例えばエスケリキア属(Escherichia)、バチルス属(Bacillus)、ラクトバシラス属(Lactobacillus)、シュードモナス属(Pseudomonas)、およびストレプトミセス属(Streptomyces)と、酵母菌、例えばサッカロミセス属(Saccharomyces)、シゾサッカロミセス属(Schizosaccharomyces)、カンジダ属(Candida)、ハンセヌラ属(Hansenula)、ピキア属(Pichia)、クルイベロミセス属(Kluyveromyces)、およびファフィア属(Phaffia)と、糸状菌、例えばアクレモニウム属(Acremonium)、アスペルギルス属(Aspergillus)、アウレオバシジウム属(Aureobasidium)、ブィエルカンデラ属(Bjerkandera)、セリポリオプシス属(Ceriporiopsis)、クリソスポリウム属(Chrysoporium)、コプリナス属(Copurinus)、コリオラス属(Coriolus)、コリナスクス属(Corynascus)、ケトミウム属(Chaertomium)、クリプトコッカス属(Cryptococcus)、フィロバシディウム属(Filobasidium)、フザリウム属(Fusarium)、ジベレラ属(Gibberella)、ヒューミコラ属(Humicola)、マグナポルテ属(Magnaporthe)、ムコール属(Mucor)、ミセリオフトラ属(Myceliophthora)、ムコール属(Mucor)、ネオカリマスティクス属(Neocallimastix)、ニューロスポラ属(Neurospora)、ペシロミセス属(Paecilomyces)、ペニシリウム属(Penicillium)、ファネロカエテ属(Phanerochaete)、フレビア属(Phlebia)、ピロミセス属(Piromyces)、プレウロツス属(Pleurotus)、シタリジウム属(Scytaldium)、シゾフィラム属(Schizophyllum)、スポロトリクム属(Sporotrichum)、タラロミセス属(Talaromyces)、サーモアスカス属(Thermoascus)、チエラビア属(Thielavia)、トリポクラジウム属(Tolypocladium)、トラメテス属(Trametes)、およびトリコデルマ属(Trichoderma)とが挙げられる。   These enzymes can be isolated from their natural host organisms or expressed in host organisms that have been genetically engineered for production. For example, a chimeric gene containing a promoter acting in a target expression host cell, the GH encoding sequence given above, and a termination signal can be expressed from a plasmid vector or standard known to those of skill in the art. Are integrated into the genome of the target expression host cell using standard methods. The coding sequence used can be codon optimized for the specific host used for expression. Commonly used expression host cells include bacteria such as Escherichia, Bacillus, Lactobacillus, Pseudomonas, and Streptomyces, and yeasts such as Saccharomyces, Schizosaccharomyces, Candida, Hansenula, Pichia, Pichia, Kluyveromyces, Kluyveromyces, Kluyveromyces For example, Acremonium, Aspergillus us), Aureobasidium, Bjerkanda, Seripoliopsis, Chrysoporum, Copurinus, Coriolus, Coriolus Corynascus, Chertomium, Cryptococcus, Filobasidium, Fusarium, Gibberella, Humicolap, Humikol (Mucor), Mycelioft ora), Mucor, Neocallimastix, Neurospora, Paecilomyces, Penicillium, Phanerochaete, Phanerochaete, Phanerochaete (Pyromyces), Pleurotus, Scytaldium, Schizophyllum, Sporotrichum, Talaromyces genus, Tararomys Radium (Tolypoclad) ium), Trametes, and Trichoderma.

当業者であれば、共同体中で使用する各酵素の有効量の決め方、および最適な酵素活性のための条件の調整の仕方を知っているはずである。当業者であれば、選択された条件下で所与の前処理生産物の最適な糖化を得るために共同体内で必要とされる酵素活性の種類の最適化の仕方もまた知っているはずである。糖化の例は、米国特許第7,932,063号明細書中に記載されている。   Those skilled in the art will know how to determine the effective amount of each enzyme to use in the community and how to adjust the conditions for optimal enzyme activity. Those skilled in the art will also know how to optimize the type of enzyme activity required in the community to obtain optimal saccharification of a given pretreatment product under selected conditions. is there. Examples of saccharification are described in US Pat. No. 7,932,063.

糖化は、約数分〜約200時間、一般には約24時間〜約72時間行うことができる。反応の時間は、酵素の濃度および比活性、ならびに使用される基質および環境条件、例えば温度およびpHによって決まることになる。当業者は、特定の基質および糖化酵素共同体で使用される温度、pH、および時間の最適条件を容易に決めることができる。   Saccharification can be performed for about a few minutes to about 200 hours, generally about 24 hours to about 72 hours. The duration of the reaction will depend on the concentration and specific activity of the enzyme, as well as the substrate used and environmental conditions such as temperature and pH. One skilled in the art can readily determine the optimum temperature, pH, and time conditions to be used with a particular substrate and saccharifying enzyme consortium.

糖化は、単一バッチで、流加回分式(fed−batch)で、または連続工程として行うことができる。糖化はまた、ワンステップで、または複数ステップで行うことができる。例えば、糖化に必要な異なる酵素は、異なるpHまたは温度の最適条件を示すことがある。或る温度およびpHで酵素(または酵素群)を用いて一次処理を行い、続いて異なる温度および/またはpHで異なる酵素(または酵素群)を用いて二次または三次(またはそれ以上の)処理を行うことができる。さらに、逐次ステップにおける異なる酵素による処理は、同一のpHおよび/または温度であってもよく、あるいはより高いpHおよび温度において安定かつより活性であるヘミセルラーゼを使用し、続いてより低いpHおよび温度において活性であるセルラーゼを使用するなどの異なるpHおよび温度であってもよい。   Saccharification can be performed in a single batch, fed-batch, or as a continuous process. Saccharification can also be performed in one step or in multiple steps. For example, different enzymes required for saccharification may exhibit optimal conditions of different pH or temperature. Primary treatment with enzyme (or group of enzymes) at a certain temperature and pH followed by secondary or tertiary (or more) treatment with different enzyme (or group of enzymes) at different temperature and / or pH It can be performed. Furthermore, treatment with different enzymes in sequential steps may be the same pH and / or temperature, or use hemicellulase that is stable and more active at higher pH and temperature, followed by lower pH and temperature. Different pHs and temperatures may be used, such as using cellulases that are active in

発酵に先立って糖化混合物を、例えばそれら発酵可能な糖の濃度を増すために蒸発によって濃縮することができる。任意選択的に、その糖化生産物中の液体をバッチ法または連続法で固体から分離することもできる。任意選択的に、その液体またはその糖化生産物全体を発酵に先立って滅菌することもできる。発酵の間に使用される生体触媒および糖化の間に使用されるpHに応じて、pHを発酵に適したものに調整することができる。   Prior to fermentation, the saccharified mixture can be concentrated, for example, by evaporation to increase the concentration of those fermentable sugars. Optionally, the liquid in the saccharification product can be separated from the solids in a batch or continuous process. Optionally, the liquid or the entire saccharified product can be sterilized prior to fermentation. Depending on the biocatalyst used during fermentation and the pH used during saccharification, the pH can be adjusted to be suitable for fermentation.

発酵可能な糖を含有するバイオマス水解物は、一般に発酵培地の或る割合として培地中に含まれ、生体触媒の成長および生産物の生産用の炭素供給源の全体または一部を形成する。発酵培地中の水解物は、一般には発酵培地の約40%〜90%である。発酵培地の40%または80%として使用される水解物の例が、米国特許第7,932,063号明細書の実施例9に示されている。水解物中の発酵可能な糖の濃度によっては追加の糖を培地に加えることができる。例えば、約80g/Lのグルコースと約50g/Lのキシロースを含有する水解物が発酵培地の40%で含まれる場合、追加のグルコースおよびキシロースを加えて所望の最終糖濃度にすることができる。水解物に加えて、発酵培地は、当業者によく知られている、他の栄養分、塩、ならびに生産物の生産に使用されるその特異的生体触媒が成長および生産のために必要とする要素とを含有することができる。それら栄養補助剤には、例えば酵母抽出物、特異アミノ酸、リン酸塩、窒素源、塩、および微量元素を挙げることができる。特異的生体触媒によって作られる特異的生産物の生産に必要な成分にはまた、例えばプラスミドを維持するための抗生物質、または酵素触媒反応において必要な補因子を挙げることができる。   Biomass hydrolyzate containing fermentable sugars is generally included in the medium as a proportion of the fermentation medium and forms all or part of the carbon source for biocatalyst growth and product production. The hydrolyzate in the fermentation medium is generally about 40% to 90% of the fermentation medium. Examples of hydrolysates used as 40% or 80% of the fermentation medium are shown in Example 9 of US Pat. No. 7,932,063. Depending on the fermentable sugar concentration in the hydrolyzate, additional sugar can be added to the medium. For example, if hydrolyzate containing about 80 g / L glucose and about 50 g / L xylose is included in 40% of the fermentation medium, additional glucose and xylose can be added to achieve the desired final sugar concentration. In addition to hydrolysates, the fermentation medium is a well-known element for those skilled in the art, other nutrients, salts, and elements that its specific biocatalysts used in the production of the product require for growth and production. And can be contained. These nutritional supplements can include, for example, yeast extract, specific amino acids, phosphates, nitrogen sources, salts, and trace elements. Components necessary for the production of specific products made by specific biocatalysts can also include, for example, antibiotics for maintaining plasmids, or cofactors required in enzyme-catalyzed reactions.

水解物を調製し、それを発酵培地に加え、次いで発酵を行う代わりとして、同時糖化発酵(SSF)法を用いてバイオマス水解物発酵ブロスを生産することもできる。この方法では糖は、それらが生産生体触媒によって代謝されるにつれてバイオマスから生産される。   As an alternative to preparing hydrolyzate, adding it to the fermentation medium, and then performing the fermentation, a biomass hydrolyzate fermentation broth can also be produced using the simultaneous saccharification and fermentation (SSF) method. In this method, sugars are produced from biomass as they are metabolized by the production biocatalyst.

生体触媒の発酵および目的生産物
発酵培地中の発酵可能な糖を適切な生体触媒によって代謝して目的生産物を生産する。発酵過程で糖を生体触媒と接触させる。そこで生体触媒は、その生体触媒によって作られる目的生産物が生産される条件下で成長する。温度および/または頭隙ガスは、使用中の特定の生体触媒に役立つ条件に応じて発酵に合わせて調整することができる。発酵は、好気性でも嫌気性でもよい。温度およびpHを含めたこれらのおよび他の条件は、使用される特定の生体触媒に合わせて調整される。
Fermentation of biocatalyst and target product The fermentable sugar in the fermentation medium is metabolized by an appropriate biocatalyst to produce the target product. The sugar is brought into contact with the biocatalyst during the fermentation process. The biocatalyst then grows under conditions that produce the desired product made by the biocatalyst. The temperature and / or head space gas can be tailored to the fermentation depending on the conditions useful for the particular biocatalyst in use. Fermentation may be aerobic or anaerobic. These and other conditions, including temperature and pH, are tailored to the particular biocatalyst used.

生体触媒によって生産される目的生産物の例には、1,3−プロパンジオール、ブタノール(イソブタノール、2−ブタノール、および1−ブタノール)、およびエタノールが挙げられる。1,3−プロパンジオールを生産する組換え微生物が、米国特許第7,504,250号明細書中に開示されている。遺伝子組換え酵母菌によるブタノールの生産は、例えば米国特許第7,851,188号明細書中に開示されている。大腸菌(E.coli)の遺伝子組換え株もまた、エタノール生産のための生体触媒として使用されてきた(Underwoodらの論文(2002年)、Appl.Environ.Microbiol.68:6263〜6272)。エタノールは、リグノセルロース系バイオマス水解物発酵培地中で遺伝子組換えザイモモナス属(Zymomonas)によって生産されている(米国特許第7,932,063号明細書)。エタノールの生産を向上させる使用することができるザイモモナス・モビリス(Zymomonas mobilis)の遺伝子組換え株が、米国特許第7,223,575号明細書および米国特許第7,998,722号明細書中に記載されている。   Examples of target products produced by the biocatalyst include 1,3-propanediol, butanol (isobutanol, 2-butanol, and 1-butanol), and ethanol. A recombinant microorganism that produces 1,3-propanediol is disclosed in US Pat. No. 7,504,250. The production of butanol by genetically modified yeast is disclosed, for example, in US Pat. No. 7,851,188. Genetically modified strains of E. coli have also been used as biocatalysts for ethanol production (Underwood et al. (2002), Appl. Environ. Microbiol. 68: 6263-6272). Ethanol is produced by genetically modified Zymomonas in lignocellulosic biomass hydrolyzate fermentation medium (US Pat. No. 7,932,063). A genetically modified strain of Zymomonas mobilis that can be used to improve ethanol production is disclosed in US Pat. No. 7,223,575 and US Pat. No. 7,998,722. Have been described.

下記実施例において本発明をさらに明確にする。これらの実施例は、本発明の好ましい実施形態を示すが、例示の目的でのみ与えられることを理解されたい。前述の考察およびこれらの実施例から、当業者は本発明の本質的な特徴を突き止めることができ、そして本発明を様々な用途および条件に適合させるために、本発明の精神および範囲から逸脱することなくその様々な変形形態および修正形態を作り出すことができる。   The invention will be further clarified in the following examples. While these examples illustrate preferred embodiments of the present invention, it should be understood that they are given for illustrative purposes only. From the foregoing discussion and these examples, those skilled in the art can ascertain the essential features of the present invention and depart from the spirit and scope of the present invention in order to adapt the present invention to various applications and conditions. Various variations and modifications can be made without it.

使用される省略形の意味は下記の通りである。「s」は秒であり、「min」は分を意味し、「h」または「hr」は時間を意味し、「μL」はマイクロリットルを意味し、「mL」はミリリットルを意味し、「L」はリットルを意味し、「m」はメートルであり、「nm」はナノメートルを意味し、「mm」はミリメートルを意味し、「cm」はセンチメートルを意味し、「μm」はマイクロメートルを意味し、「mM」はミリモルを意味し、「M」はモルを意味し、「mmol」はミリモルを意味し、「μmole」はマイクロモルを意味し、「g」はグラムを意味し、「μg」はマイクログラムを意味し、「mg」はミリグラムを意味し、「kg」はキログラムであり、「rpm」は1分当たり回転数を意味し、「C」は摂氏であり、「ppm」は100万分の1を意味し、「psi」は平方インチ当たりポンドである。   The meanings of the abbreviations used are as follows: “S” is seconds, “min” means minutes, “h” or “hr” means hours, “μL” means microliters, “mL” means milliliters, “ “L” means liter, “m” means meter, “nm” means nanometer, “mm” means millimeter, “cm” means centimeter, “μm” means micrometer "M" means millimole, "M" means mole, "mmol" means millimole, "μmole" means micromole, "g" means gram , “Μg” means microgram, “mg” means milligram, “kg” is kilogram, “rpm” means revolutions per minute, “C” is Celsius, “ppm” means parts per million and “psi” Is the pounds per square inch.

一般的方法
糖化酵素
Accellerase(登録商標)1500(A1500)を、Danisco U.S.Inc.,Genencor,International(Rochester,NY)から得た。
General Methods Saccharification Accelerase® 1500 (A1500) was obtained from Danisco US S. Inc. , Genencor, International (Rochester, NY).

充填床反応器
垂直向きステンレス鋼製フィルターハウジング圧力槽からなり、取外し可能な蓋を有する充填床前処理反応器を使用した。この圧力槽は、上部が開いたステンレス鋼製の取出し可能な円筒状バスケット、固体壁、および穴のあいた基底部を収容する。バスケットは、バイオマスを充填床に静的に取り入れることを可能にし、かつバイオマス粒子間の間隙体積全体にわたる、頂部充填または底部充填液体、蒸気、および/またはガスの通過を可能にした。
Packed bed reactor A packed bed pretreatment reactor consisting of a vertically oriented stainless steel filter housing pressure tank and having a removable lid was used. The pressure vessel contains a stainless steel removable cylindrical basket with an open top, a solid wall, and a perforated base. The basket allowed the biomass to be statically introduced into the packed bed and allowed the passage of top-filled or bottom-filled liquids, vapors and / or gases throughout the interstitial volume between the biomass particles.

フィルターハウジングは、8インチ(20.3cm)の内径および29インチ(73.7cm)の室内長を有した。円筒状バスケットは、6.5インチ(16.5cm)の径、29インチ(73.7cm)の深さ、および約15.8リットルの容積を有した。   The filter housing had an inner diameter of 8 inches (20.3 cm) and a chamber length of 29 inches (73.7 cm). The cylindrical basket had a diameter of 6.5 inches (16.5 cm), a depth of 29 inches (73.7 cm), and a volume of about 15.8 liters.

可撓性の銅管が、フィルターハウジングの外面領域の約30%を取り囲む。槽の外側を加熱するために使用されるこの銅管は、164.7psia(1135.6キロパスカル)の水蒸気供給源に連結された。   A flexible copper tube surrounds approximately 30% of the outer surface area of the filter housing. This copper tube used to heat the outside of the bath was connected to a steam source of 164.7 psia (1135.6 kilopascals).

充填床反応器に合わせて、
・完全または不完全真空を作り出すために空気を排出すること、
・84.7psia(584キロパスカル)で動作するボイラーからの飽和蒸気を加えること、
・無水アンモニアを加えること、
・反応後、プロセス蒸気を排出すること、
・反応後、真空を破るために空気を加えること
を可能する管接合部が作られた。
To suit the packed bed reactor,
Exhausting air to create a complete or incomplete vacuum,
Adding saturated steam from a boiler operating at 84.7 psia (584 kilopascals);
Adding anhydrous ammonia,
・ Exhaust process steam after reaction,
• After the reaction, a tube joint was made that allowed air to be added to break the vacuum.

実施例1
糖化準備におけるバイオマスの充填床前処理
4.07kgのトウモロコシ穂軸を細断し分類して、1/4インチ(0.64cm)を超え、かつ3/8インチ(0.375cm)未満の粒径を有する穂軸画分を得た。このトウモロコシ穂軸をバスケットに入れ、次いで一般的方法で述べた前処理反応器に入れた。このトウモロコシ穂軸は、8.6%の含水率および227.5g/Lのかさ密度を有した。予備反応充填床は約29インチ(73.7cm)の深さであった。
Example 1
Pre-treatment of packed bed of biomass in saccharification preparation 4.07 kg corn cob is shredded and classified to a particle size greater than 1/4 inch (0.64 cm) and less than 3/8 inch (0.375 cm) A COB fraction with The corn cobs were placed in a basket and then placed in the pretreatment reactor described in the general method. The corn cobs had a moisture content of 8.6% and a bulk density of 227.5 g / L. The pre-reacted packed bed was approximately 29 inches (73.7 cm) deep.

空気を反応器から排気し、0.1バール(10キロパスカル)の不完全真空を達成した。絶乾バイオマスの質量を基準にして8質量%の無水アンモニアが、297.6gのアンモニアを約60分の時間をかけて装荷することによって加えられた。次いで、84.7psia(584キロパスカル)の圧力の飽和蒸気を加えて、反応器の温度を約70℃に至らせた。この時点で、40分の保持時間の間に反応器の温度を70℃から90℃へ上昇するに任せた。反応器中の圧力は、この保持時間の間ずっと約85psia(584キロパスカル)であった。この保持時間の後に、その加圧されたガスおよび蒸気を放出し、冷却した外部取り込み槽内に閉じ込めた。反応器が大気圧に達したとき、真空ポンプを用いて反応器を約0.1バール(10キロパスカル)まで排気し、その圧力で5分間保った。次いで反応器の排気口を開いて真空を解放して大気圧にした。工程が大気圧に達した後に、前処理反応器を開いた。   Air was evacuated from the reactor and an incomplete vacuum of 0.1 bar (10 kilopascals) was achieved. 8% by weight of anhydrous ammonia, based on the weight of the absolutely dry biomass, was added by loading 297.6 g of ammonia over a period of about 60 minutes. Saturated steam at a pressure of 84.7 psia (584 kilopascals) was then added to bring the reactor temperature to about 70 ° C. At this point, the reactor temperature was allowed to rise from 70 ° C. to 90 ° C. during a 40 minute hold time. The pressure in the reactor was approximately 85 psia (584 kilopascals) throughout this hold time. After this holding time, the pressurized gas and vapor were released and trapped in a cooled external uptake tank. When the reactor reached atmospheric pressure, the reactor was evacuated to about 0.1 bar (10 kilopascals) using a vacuum pump and held at that pressure for 5 minutes. The reactor was then opened and the vacuum was released to atmospheric pressure. After the process reached atmospheric pressure, the pretreatment reactor was opened.

前処理されたバイオマスを、充填床の頂部から底部までの四分画した各分画、すなわち表1の場合のように第一四半画分(頂部)、第二四半画分、第三四半画分、第四四半画分(底部)から取り出した。これらの画分を含水率および残留アンモニアについて分析し、結果を表2に示す。残留アンモニアは、既知量の前処理済み固体を水中で1時間抽出し、次いで0.1N HClによる滴定を用いてpH5.3に達するための酸の当量を求めることによって決定した。次いでその当量を正規化して抽出系中の乾物の量にした。さらにその後、等質量の各画分を一緒にし、次いで分析して、前処理済みバイオマスのミキシングカップ組成を決定した。   The pretreated biomass was divided into four fractions from the top to the bottom of the packed bed, ie the first quarter fraction (top), the second quarter fraction, the third as in Table 1. Removed from the quarter fraction, the fourth quarter fraction (bottom). These fractions were analyzed for moisture content and residual ammonia and the results are shown in Table 2. Residual ammonia was determined by extracting a known amount of pretreated solid in water for 1 hour and then determining the equivalent of acid to reach pH 5.3 using titration with 0.1N HCl. The equivalent weight was then normalized to the amount of dry matter in the extraction system. Further thereafter, equal-mass fractions were combined and then analyzed to determine the mixing cup composition of the pretreated biomass.

表1.29インチ(73.7 cm)深さの反応器床中の4つの離れた層から回収した試料

Figure 2013544099
Table 1. Samples recovered from four separate layers in a 29 inch (73.7 cm) deep reactor bed
Figure 2013544099

表2.前処理された材料の分析

Figure 2013544099
*DMは乾物 Table 2. Analysis of pretreated materials
Figure 2013544099
* DM is dry matter

各前処理済みバイオマス画分の試料を酵素により糖化して、グルカンおよびキシランの単糖およびオリゴ糖の収率を決定した。   Samples of each pretreated biomass fraction were saccharified enzymatically to determine the yield of glucan and xylan monosaccharides and oligosaccharides.

糖化手順
各画分の0.56gを計量して、個々の20mLシンチレーション用バイアルに入れた。適量の50mM(pH5)酢酸緩衝液を加えて、1バイアル当たり18.6%の固形物を得た。1N H2SO4を加えることによってpHを5に調整した。この酢酸緩衝液は、インキュベーション中の原料内の細菌の成長を抑制するために0.005%アジ化ナトリウムを含有した。
Saccharification Procedure 0.56 g of each fraction was weighed into individual 20 mL scintillation vials. An appropriate amount of 50 mM (pH 5) acetate buffer was added to obtain 18.6% solids per vial. The pH was adjusted to 5 by adding 1N H 2 SO 4 . This acetate buffer contained 0.005% sodium azide to inhibit bacterial growth in the raw material during incubation.

酵素による糖化は、グルカン+キシラン7.2mg/g、またはグルカン+キシラン21.7mg/gのいずれかでヘミセルラーゼ(Xyn3、Fv3A、Fv51A、およびFv43D)の反応混液と組み合わせたAccellerase(登録商標)1500を使用して行った。酵素を各バイアルに加え、続いてインキュベーション中の原料の十分な摩砕を実現するために1.1/2インチ(1.3cm)の鋼球を加えた。   Enzymatic saccharification can be achieved using Accelerase® combined with a reaction mixture of hemicellulases (Xyn3, Fv3A, Fv51A, and Fv43D) at either glucan + xylan 7.2 mg / g or glucan + xylan 21.7 mg / g 1500 was used. Enzyme was added to each vial, followed by a 1.1 / 2 inch (1.3 cm) steel ball to achieve sufficient attrition of the raw material during the incubation.

バイアルにしっかり蓋をかぶせ、回転式ふりまぜ機中で180rpmの回転式ふりまぜ機上に72時間放置して約48℃において糖化した。   The vial was covered tightly and left in a rotary shaker at 180 rpm on a rotary shaker for 72 hours for saccharification at about 48 ° C.

インキュベーション後、試料を水で希釈してから濾過し、HPLCによって分析した。これら試料を、移動相として0.01N H2SO4を0.6mL/分の流量で使用する60℃でのHPX−87Hカラム(BioRad)流出を用いたHPLC分析にかけた。 After incubation, the sample was diluted with water and then filtered and analyzed by HPLC. These samples were subjected to HPLC analysis using an HPX-87H column (BioRad) effluent at 60 ° C. using 0.01N H 2 SO 4 as the mobile phase at a flow rate of 0.6 mL / min.

総糖値を、硫酸の添加による酸加水分解、オートクレーブ処理、濾過、およびHPLCによる分析によって得た。オリゴマーの値は、各試料について総糖濃度からそのモノマーを引くことによって求めた。結果を表3に示す。   Total sugar values were obtained by acid hydrolysis by addition of sulfuric acid, autoclaving, filtration, and analysis by HPLC. The oligomer value was determined by subtracting the monomer from the total sugar concentration for each sample. The results are shown in Table 3.

表3.処理済みバイオマスの四分画した各画分の加水分解から生産された糖

Figure 2013544099
Table 3. Sugar produced from hydrolysis of each of the four fractions of treated biomass
Figure 2013544099

実施例2
糖化準備における高温度で短時間によるバイオマスの充填床前処理
実施例1の場合と同様に3.74kgの粉砕トウモロコシ穂軸を、一般的方法で述べた反応器のバスケットに入れた。このバスケットを前処理反応器に入れた。トウモロコシ穂軸は、8.6%の含水率および227.5g/Lのかさ密度を有した。予備反応の充填床は約29インチ(73.7cm)の深さであった。
Example 2
Pretreatment of packed bed of biomass at high temperature and short time in preparation for saccharification As in Example 1, 3.74 kg of ground corn cobs were placed in the reactor basket described in the general method. This basket was placed in a pretreatment reactor. The corn cobs had a moisture content of 8.6% and a bulk density of 227.5 g / L. The pre-reacted packed bed was approximately 29 inches (73.7 cm) deep.

150psig(1034.2キロパスカル)の水蒸気を予熱器の銅コイルに当てた。予熱器の蓋が145℃に達した時、0.6psiaの不完全真空が達成されるまで空気を排気した。水蒸気は工程に直接注入され、17psia(4.14キロパスカル)の圧力に達した。次いで、底弁を開いて系中で形成された凝縮物を放出することによって予熱器をベントした。すべての凝縮物が系からパージされたことを確実にするために、開いた底弁から乾燥蒸気が出るのが観察されるまで水蒸気を予熱器の頂部に注入した。この時点で反応器中の温度は約100℃であった。水蒸気の流れを止め、次いで排水弁を閉じた。バイオマス中への熱吸収のせいで反応器の温度は80℃に降下し、8psiaの不完全真空を生じさせた。この時点で工程に190.3gの無水アンモニアを加えて、反応器中に装荷した乾物を基準にして6質量%のアンモニア負荷を達成した。アンモニアの添加後に、工程に150℃の反応温度および70psia(482.6キロパスカル)の圧力に至らせるのに十分な水蒸気を加えた。30分後、加圧されたガスおよび蒸気を放出し、冷却した外部取り入れ槽内に捕獲した。反応器が大気圧に達したら、次にバイオマスから残留アンモニアをさらに減少させるために、真空ポンプを用いて反応器を約0.1バール(10キロパスカル)まで排気し、その圧力に5分間保った。次いで反応器の排気口を開いて真空を解放して大気圧にした。工程が大気圧に達した後、前処理反応器を開いた。   150 psig (1034.2 kilopascals) of steam was applied to the copper coil of the preheater. When the preheater lid reached 145 ° C, the air was evacuated until an incomplete vacuum of 0.6 psia was achieved. Steam was injected directly into the process, reaching a pressure of 17 psia (4.14 kilopascals). The preheater was then vented by opening the bottom valve and releasing the condensate formed in the system. To ensure that all condensate was purged from the system, steam was injected into the top of the preheater until dry steam was observed exiting the open bottom valve. At this point, the temperature in the reactor was about 100 ° C. The flow of water vapor was stopped and then the drain valve was closed. Due to heat absorption into the biomass, the reactor temperature dropped to 80 ° C., creating an incomplete vacuum of 8 psia. At this point, 190.3 g of anhydrous ammonia was added to the process to achieve an ammonia load of 6% by weight, based on the dry matter loaded in the reactor. After the ammonia addition, enough steam was added to bring the process to a reaction temperature of 150 ° C. and a pressure of 70 psia (482.6 kPa). After 30 minutes, pressurized gas and vapor were released and captured in a cooled external intake vessel. When the reactor reaches atmospheric pressure, the reactor is then evacuated to about 0.1 bar (10 kilopascals) using a vacuum pump to further reduce residual ammonia from the biomass and held at that pressure for 5 minutes. It was. The reactor was then opened and the vacuum was released to atmospheric pressure. After the process reached atmospheric pressure, the pretreatment reactor was opened.

表4の場合のように、前処理されたバイオマスを充填床の頂部から底部まで四つに分画した各画分から取り出した。これらの画分を含水率および残留アンモニアについて分析し、結果を表5に示す。さらにその後、等質量の各画分を一緒にし、次いで分析して、前処理済みバイオマスのミキシングカップ組成を決定した。   As in Table 4, the pretreated biomass was removed from each fraction that was fractionated into four from the top to the bottom of the packed bed. These fractions were analyzed for moisture content and residual ammonia and the results are shown in Table 5. Further thereafter, equal-mass fractions were combined and then analyzed to determine the mixing cup composition of the pretreated biomass.

表4.30-inch深さの反応器床中の反応器床の4つの離れた層から回収した試料

Figure 2013544099
Table 4. Samples recovered from four separate layers of reactor bed in a 30-inch deep reactor bed
Figure 2013544099

表5.前処理された材料の分析

Figure 2013544099
*DM は乾物 Table 5. Analysis of pretreated materials
Figure 2013544099
* DM is dry matter

各前処理済みバイオマス画分の試料を酵素により糖化して、実施例1で述べたと同様にグルカンおよびキシランの単糖およびオリゴ糖の収率を決定した。   Samples of each pretreated biomass fraction were saccharified with enzymes and the yields of glucan and xylan monosaccharides and oligosaccharides were determined as described in Example 1.

表6.処理済みバイオマスの四分画した各画分の加水分解から生産された糖

Figure 2013544099
Table 6. Sugar produced from hydrolysis of each of the four fractions of treated biomass
Figure 2013544099

Claims (15)

バイオマスを処理して前処理済みバイオマスを生産する方法であって、
a)少なくとも約60%の乾物含量を有するバイオマスを提供するステップ、
b)連続的に供給することによって(a)の前記バイオマスを静止形前処理槽に装荷し、それによって前記槽中の前記装荷バイオマスが、前記槽を通って移動するステップ、
c)前記槽内の総含水量が40質量%未満(前記槽内の総質量に対して測定される)残存する条件下で、(b)の前記装荷バイオマスを、それが前記前処理槽を通って移動している最中に、少なくとも約4%(前記槽内の前記バイオマスの乾燥質量に対して測定される)の無水アンモニアと接触させ、それによって前記バイオマスの大部分にアンモニア蒸気を浸透させるステップ、および
d)前記バイオマスを前記前処理槽から排出させるステップ
を含み、
前記槽から排出される前記バイオマスが前処理済みバイオマス生産物である、方法。
A method of processing biomass to produce pretreated biomass,
a) providing biomass having a dry matter content of at least about 60%;
b) loading the biomass of (a) into a stationary pretreatment tank by continuously feeding, whereby the loaded biomass in the tank moves through the tank;
c) Under the condition that the total water content in the tank remains below 40% by mass (measured with respect to the total mass in the tank), the loaded biomass of (b) is treated with the pretreatment tank. While moving through, it is contacted with at least about 4% anhydrous ammonia (measured with respect to the dry mass of the biomass in the vessel), thereby penetrating the majority of the biomass with ammonia vapor. And d) discharging the biomass from the pretreatment tank,
The method wherein the biomass discharged from the tank is a pretreated biomass product.
(d)の排出のステップ後に、蒸気が前処理済みバイオマス生産物から分離される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein after the discharging step of (d), the steam is separated from the pretreated biomass product. 蒸気がアンモニア蒸気を含み、それが回収されて前処理槽またはアンモニア蒸気取扱システムに再利用される、請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein the vapor comprises ammonia vapor, which is recovered and reused in a pretreatment tank or ammonia vapor handling system. ステップ(d)後に、前処理済みバイオマス生産物が回収される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein after step (d), the pretreated biomass product is recovered. ステップ(c)後に、装荷バイオマスが、約10分間から約5時間の滞留時間で前処理槽を通って進む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein after step (c), the loaded biomass proceeds through the pretreatment tank with a residence time of about 10 minutes to about 5 hours. 無水アンモニアをバイオマスと約5時間未満のあいだ接触させる、請求項1に記載の方法。   2. The method of claim 1, wherein anhydrous ammonia is contacted with the biomass for less than about 5 hours. 槽内のバイオマスの温度が少なくとも約70℃である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the temperature of the biomass in the tank is at least about 70 ° C. 槽の温度を、ステップ(b)の前に少なくとも約70℃まで上昇させる、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the temperature of the vessel is increased to at least about 70 ° C. prior to step (b). ステップ(b)前の温度が、約70℃から約190℃である、請求項8に記載の方法。   The method of claim 8, wherein the temperature before step (b) is from about 70 ° C to about 190 ° C. 温度を、高温ガスを注入することによって直接に、または槽に熱を加えることによって間接的に上昇させる、請求項8に記載の方法。   9. The method of claim 8, wherein the temperature is increased directly by injecting hot gas or indirectly by applying heat to the bath. ステップ(c)における無水アンモニアの濃度が、約20%未満(槽内のバイオマスの乾燥質量に対して測定される)である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the concentration of anhydrous ammonia in step (c) is less than about 20% (measured relative to the dry mass of biomass in the tank). 槽内の圧力が、ステップ(b)〜(d)にわたって約0から20ゲージ圧である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the pressure in the bath is about 0 to 20 gauge pressure over steps (b)-(d). (a)の前記バイオマスが、機械的にサイズを小さくしたバイオマスである、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the biomass in (a) is biomass that has been mechanically reduced in size. バイオマスが、セルロース、ヘミセルロース、およびリグニンを含むセルロース系バイオマスである、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the biomass is a cellulosic biomass comprising cellulose, hemicellulose, and lignin. バイオマスが、トウモロコシの穂軸、トウモロコシの皮、トウモロコシの茎葉、草、小麦わら、大麦わら、カラスムギわら、菜種わら、干し草、稲わら、スイッチグラス、ススキ、コードグラス、クサヨシ、紙くず、サトウキビの絞りかす、モロコシの絞りかすまたはわら、大豆わら、穀物の製粉から得られる成分、樹木、枝、根、葉、木材チップ、おがくず、低木および灌木、野菜、果実、花、および動物厩肥からなる群から選択される、請求項14に記載の方法。   Biomass, corn cob, corn peel, corn stover, grass, wheat straw, barley straw, oat straw, rapeseed straw, hay, rice straw, switchgrass, Japanese pampas grass, cordgrass, scallop, waste paper, sugarcane squeezed Ingredients from dregs, sorghum dregs or straw, soy straw, cereal milling, trees, branches, roots, leaves, wood chips, sawdust, shrubs and shrubs, vegetables, fruits, flowers, and animal manure 15. A method according to claim 14, wherein the method is selected.
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