JP2011505128A - 真核細胞バイオマスの処理方法 - Google Patents

Abstract

本発明は真核細胞由来バイオマスを含有する流れを処理することを課題とする。
本願は、真核細胞由来バイオマス含有流を処理するプロセスであって、（ｉ）流れにチャンバーを通過させる工程；（ｉｉ）流れを加圧する工程；（ｉｉｉ）真核細胞由来バイオマスに可溶性であるガスを、加圧流中に導入する工程；及び（ｉｖ）流れを減圧して溶解したガスを膨張させ、真核細胞由来バイオマスを破裂させる工程、を含むプロセスを記載する。バイオマスは植物又は動物材料に由来してよい。

Description

本発明は、真核細胞バイオマス及び派生物、例えば木材又は動物に由来する材料等を処理するプロセス及び装置並びにエタノール又はメタノール等の再生可能生成物の製造におけるそのようなプロセスの使用に関する。

木材チップや紙等の廃棄物材料、又はその他の廃棄物材料から燃料又はその他の製品を製造することへの関心が高まっている。そのような材料に関する問題の１つは、材料を分解して糖等の化合物を効率良く放出させる必要があることであり、そうした後、これらは発酵プロセス等のその他のプロセスに用いることができる。その後、これらを用いてメタン、水素、エタノール、又は乳酸、酪酸、若しくはアセトン等のその他の発酵生成物を初めとする有用な生成物を製造することができる。一度分解されたバイオマスは食品用の真菌等の生物を成育するための栄養源としても使用することができる。

特許文献１は、微生物を含有する流れを加圧し、微生物に可溶性であるフィードガスを導入し、減圧することで溶解ガスを微生物内で膨張させて微生物を破裂させることによる、微生物を含有する流れの処理プロセスを開示している。必要に応じて、スルファミン酸、硝酸、リン酸、シュウ酸、塩酸、又は硫酸等の酸を微生物に添加してｐＨを６．５未満に低下させてもよい。このプロセスの目的は、下水汚泥を滅菌して脱水することである。

特許文献２は、廃棄物汚泥を酸化物及びスルファミン酸と混合し、汚泥を加圧し、加圧された汚泥を排出することを開示している。この酸化物及び酸が反応することで汚泥の温度は５０〜４５０℃に昇温する。

病原菌含有汚泥を処理するために、ｐＨを少なくとも９．８に上昇させることも行われた（特許文献３参照）。これは、酸化カルシウム、アンモニア、及び二酸化炭素を利用しており、ここでも圧力が用いられている。同様に、特許文献４は、酸、酸化物、及び圧力を利用して生物学的固形分の廃棄物汚泥を処理している。

この廃棄物汚泥は下水汚泥及び動物糞便であるとして示されているので、病原菌を含み、病原菌は上記文献で示されるプロセスにより滅菌される。

下水汚泥を用いて燃料製品が製造されている。下水汚泥を酸及び酸化物と混合して加圧した後、これを石炭微粉と混合して固化することで燃料材料が製造される。

国際公開第２００７／０５９４８７号 米国特許第５，６３５，０６９号 米国特許第５，８６８，９４２号 米国特許第６，０５６，８８０号

本発明者らは、先行技術に示されている微生物細胞を破壊開放するための原理が、木材又は動物細胞等の多細胞構造の分解を支援するためにも用いることができることを見出した。これは、そのような生成物に由来する材料、例えば紙、コットン等の分解にも用いることができる。

したがって、本発明の第１の態様は、真核細胞由来バイオマス含有流の処理プロセスを提供し、このプロセスは、
（ｉ）流れをチャンバーに通過させる工程；
（ｉｉ）流れを加圧する工程；
（ｉｉｉ）真核細胞由来バイオマスに可溶性であるガスを、加圧した流れに導入する工程；及び
（ｉｖ）流れを減圧して、溶解したガスを膨張させて真核細胞由来バイオマスを崩壊させる工程
を含む。

好ましくは、流れ及びガスはチャンバー中又はその後の滞留チャンバー中に、ガス及び流れが平衡化するのに十分な時間維持される。通常、これは１〜６０分又は１〜３０分である。

真核細胞由来バイオマスは、木材、草本材料、刈芝、又はウシ、ブタ、ヒツジ、ヤギ、ウマ、若しくは魚類等の動物、組織等、真核細胞を含んだままの材料であってよく、更に、かかる細胞に由来する材料、例えばコットン、セルロース、及びコラーゲンも含む。かかるバイオマスは、食品廃棄物等、植物及び動物の両方を起源とする種々の材料の混合物を含んでもよい。

好ましくは、真核細胞由来バイオマスは植物由来材料を含む。好ましくは、そのような植物材料は、セルロース、リグニン、及び／又はヘミセルロースを含む。好ましくは、植物由来材料は、木材チップ、おがくず、紙；雑草等の草本材料、又は食用及び非食用の植物収穫物に由来するその他の植物材料、刈芝、コットン、麻、及び／又は亜麻を含む。コットン、麻、及び／又は亜麻は、コットン含有衣類又はリネン等のリサイクル衣類の形態であってよい。

あるいは、又はそれに加えて、真核細胞由来バイオマスは、動物材料から得てもよく、コラーゲン、肉、及び／又は脊髄組織等のタンパク質性動物材料を含んでもよい。

真核生物由来バイオマス含有流は一般廃棄物に由来してもよい。そのような一般廃棄物は、プラスチック又は金属等のその他の材料を含んでいることがあり、これらは、チャンバーを通過させる前に、例えば篩、手による仕分け等の当該技術分野で公知の技術で除去するか、例えば流動力学的分離により分離することができる。真核生物由来バイオマスは食品廃棄物を含んでもよい。

好ましくは、バイオマスは例えば細かく刻むか、粉砕するか、解離させて、粒子へと分解される。材料の物理的分解は、周囲の溶媒に曝される表面積の増加を支援する。

バイオマス流の含水量を、例えば流れ又は水、又は下流プロセスの液体等の別の水性液体を添加することで調節してよい。通常、バイオマスの固体含有量は２〜５０重量％乾燥固体の範囲内に調節される。これは、例えば流れで１分間処理するか、例えば最大で通常４時間水中に浸漬することで達成してよい。水性液体は、真水であってもよいし、リサイクルされた水であってもよく、チャンバーを通過させる前の物理的なバイオマス分解の前又は後に添加してよい。

好ましくは、バイオマス流は下水、下水汚泥、又は糞便材料でない。

好ましくは、バイオマス材料は、少なくとも２重量％、好ましくは少なくとも５重量％乾燥固体、又は少なくとも１０重量％乾燥固体を含むように水分が添加されている。

バイオマス流にチャンバーを通過させ、チャンバーを大気圧より大きな圧力に加圧する。通常、チャンバー中の大気圧は最大２５ｂａｒｇ（ｂａｒゲージ圧）であるが、通常は０．５〜１２ｂａｒｇ、又は最大１０ｂａｒｇ、又は最大６ｂａｒｇである。

このプロセスは、圧力を徐々に又は急激に上昇させ、バッチベース又は連続ベースで行うことができる。

加圧流中にガスを添加する。圧力下で、ガスは真核生物由来バイオマスの水分中に溶解する。

流れを急激に減圧して、溶解したガスを膨張させる。この急激な膨張で溶解ガスが膨張して気泡になる。ガスは減圧により１８００％も膨張する。減圧は、例えばチャンバー内より圧力の低いフラッシュチャンバー中で行ってよい。

溶解ガスが膨張すると、真核細胞由来バイオマスが崩壊し、下流プロセスで利用可能な材料の表面積及び例えば流れ中の糖又はタンパク質の利用可能性の両方が増加する。

加圧に用いられるガスは二酸化炭素が好ましい。これは、流れの酸性化を支援し、それによりバイオマスの加水分解が支援され得る。ガスは、１〜１００体積％ＣＯ₂、最も好ましくは２５〜１００体積％の形態で存在してよい。代替的なガスとしては、空気、窒素、メタン、及び混合ガスが含まれる。例えば、ガスは、バイオリアクター中での減圧流の嫌気性消化により形成されるメタンと二酸化炭素の混合物であってよい。

減圧工程で放出されたガスはリサイクルして再利用してもよい。

加圧工程の前及び／又は最中に１又は複数の物理的、化学的、又は生物学的処理で流れを処理することでバイオマスの分解を更に高めることができる。

例えば、化学的処理としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化アンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウムスルフェート、塩化亜鉛、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、二酸化硫黄、硫酸、又はリン酸等の湿潤剤によるバイオマスの処理が含まれ得る。その他の化学物質としては、過酸化水素又は酸化カルシウムが含まれる。メタノール等の有機溶媒を含めてもよい。更に、洗浄剤を含めてもよい。

米国特許第４，３０４，６４９号は、リグノセルロース材料の可溶化において上記の物質の多くを開示している。

アルカリ又は酸によるリグノセルロース材料等の材料の処理を用いてもよい（米国特許第５，５１５，８１６号参照）。水酸化ナトリウム等のアルカリを用いることが好ましく、硫酸、アルカリ金属水酸化物等の鉱酸を用いてもよい。

二酸化炭素は特に好ましいガスであり、酸性条件下でより多く溶解する。更に、二酸化炭素自体が水中で酸を形成し、プロセスを支援する。

通常、アルカリ又は酸による処理を含む化学物質は流れと１〜６０分間接触させる。これらは通常、適宜、溶解塩として供給原料バイオマス材料に添加される。

酸処理は、米国特許第４，５１５，８１６号に開示されているように、より長時間用いてもよく、上記特許は、リグノセルロース材料をｐＨ２〜３の希釈した酸性水溶液で５〜２１日間処理して穏やかな加水分解を誘導できることを示している。

生物学的材料を、微生物全体又は微生物抽出物の形態で用いて分解し、生成プロセスへの炭素含有供給材料を放出させてもよい。そのような処理は、ペルオキシダーゼ、キチナーゼ等の細胞内酵素若しくは細胞外酵素、又は鉱石からの金属のバイオリーチングに用いられるような生微生物により生成された有機酸を用いる。農業用サイレージ製造に用いられるものの如きラクトバチルス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ）種等の生微生物を用いてもよい。

物理的処理としては、例えば高剪断ミキサー又はマセレーターによる粒子サイズの縮小及び加熱が含まれる。最も好ましくは、物理的加熱は蒸気の使用を含む。蒸気は、１５０℃を超える温度で物理的な破砕方法と共に以前にも使用されている。本発明で説明する加圧した二酸化炭素の添加の前又はそれと同時の加熱処理を用いることで、蒸気処理に必要な温度、圧力、及び滞留時間を低減することができる。熱と二酸化炭素の同時処理を考慮に入れる場合、４０〜１８０℃の温度が好ましい。

減圧流は、好ましくはバイオリアクター、例えば嫌気性又は好気性のバイオリアクターに送られる。その後、例えば好適な細菌又は酵素を用いて流れを消化し、メタン、水素、エタノール、乳酸、酪酸、又はアセトン等の生成物を生成する。材料の嫌気性発酵又は好気性発酵は当該技術分野で一般的に知られている。流れの残留生成物を、例えば真菌、植物、又は微生物の、例えば生育培地として用いてもよい。流れの内容物は、例えば植物廃棄物を動物廃棄物と混合して最終生成物中で利用可能な炭水化物及びタンパク質の量を調節するなどして変更してよい。

減圧工程で放出されるガスはリサイクルされて加圧した流れの中に再度供給されることが好ましい。

減圧流がその後バイオリアクター中で発酵されるかその他の方法で利用される場合、そのようなプロセスはしばしば固体生成物を生成する。この固体生成物自体を乾燥及び燃焼させて、加圧工程の前又は最中に、熱を発生させて直接又は間接的に流れを加熱するか、蒸気を発生させて流れを処理してよい。

本発明はまた、真核細胞由来バイオマスを含有する流れを受容するための入口ポート；流れに水性液体を添加するためのポート；加圧流にガスを導入するためのポートを備えた、流れを加圧するためのチャンバー；チャンバーから出る流れを減圧するための減圧チャンバー；及び減圧した流れを受容するためのバイオリアクターを含む装置を提供する。

チャンバーの後ろに、減圧前に流れとガスを平衡化させることのできる滞留チャンバーを設けてもよい。

本発明のプロセスで使用するための装置も提供する。

本発明の別の態様では、本発明に係るプロセスで使用される際の本発明に係る装置が提供される。

この装置の好ましい用途及び特徴は上記に記載した通りであってよい。

添付の図面を参照して、本発明を例としてのみ説明する。

本発明に係るプロセスを要約したフローダイアグラムである。

図１は、真核細胞由来バイオマス含有流を示し、この流れは入口ポートからプロセスに入る。バイオマスは、例えば木材チップ、紙、おがくず、草本材料、刈芝、藻類、食品原料混合物、コットン、麻、及び／又は亜麻等のセルロース系材料であってよい。コラーゲン、肉、及び／又は脊髄組織等のタンパク質性動物材料を用いてもよい。後者の材料に関して、本プロセスの利点は、材料がプロセスにより少なくとも部分的に滅菌されるので材料に病原菌が含まれる可能性が低くなることである。バイオマスをマセレーターに送って材料をより小さな成分に分解する。必要であれば、材料の含水量を典型的には２〜５０重量％乾燥材料に増加させるため、水又は別の水系液体を材料に添加する。蒸気を用いて材料の含水量を増加させてもよい。

次いで、材料は通常、保持タンクに送られ、そこで熱処理されるか、あるいは、又はそれに加えて、前述したように酸若しくはその他の生物学的処理により前処理されてよい。通常、材料がリグノセルロース材料の場合、水酸化ナトリウム等の湿潤剤を用いて材料を可溶化する。保持タンクは、材料を加圧するチャンバーと別であってよい。あるいは、プロセスに用いられる装置で加圧保持タンクが同じ要素であってよい。チャンバーは通常０．５〜２５ｂａｒｇ、具体的には０．５〜１２ｂａｒｇ、０．５〜１０ｂａｒｇ、又は０．５〜６ｂａｒｇに加圧される。ガスをチャンバーに導入する。このガスは通常二酸化炭素含有ガスである。ガスは、流れ中の水分中に溶解する。

流れとガスを平衡化させることができる滞留チャンバーを設けてもよい。

加圧流は、チャンバー又は滞留チャンバーを出るとすぐに、例えばフラッシュチャンバー中に送られることで、減圧される。これにより、溶解ガスが膨張し、流れ中のバイオマスが分解される。バイオマスから放出されたガスは、回収及びリサイクルし、加圧チャンバー内で再利用してよい。

次いで、減圧材料をバイオリアクターに送り、更に処理する。材料は、メタン及びエタノールの生成を含む複数の異なる目的に用いてよい。種々の微生物及び種々の条件、例えば嫌気性条件又は好気性条件の選択により、バイオマスから種々の生成物を生成することができる。最終生成物の生成に用いられる生物又は酵素のバイオリアクター中での生育条件を改善するために、微量元素、消泡剤、炭酸カルシウム等の緩衝剤、又はチアミン等の成長因子といった更なる材料をバイオリアクター自体に添加してもよい。その他の更なる材料としては、例えば金属イオンの沈殿を回避するためのキレート化剤が含まれる。

エタノール又はメタン等の生成物は、通常、バイオリアクターから回収される。その結果、通常、固体廃棄物が残る。これを乾燥させた後、燃焼させ、加圧工程の前又は最中にバイオマス流を加熱するための熱又は蒸気を発生させてもよい。バイオリアクターで生成した二酸化炭素及び／又はメタン又はその他のガスは、加圧工程で用いるガスとして使用してもよい。

本発明のプロセスは、バイオマス流から糖のような化合物を放出させることでバイオリアクターの効率を改善する。本プロセスは幅広い多種多様な用途に用いることができ、廃棄物材料を利用して商業的に有用な生成物に変換するために特に有用である。

Claims (21)

1. 真核細胞由来バイオマスを含有する流れを処理するプロセスであって、
   （ｉ）チャンバーに前記流れを通過させる工程；
   （ｉｉ）前記流れを加圧する工程；
   （ｉｉｉ）前記真核細胞由来バイオマスに可溶性であるガスを、前記加圧した流れの中に導入する工程；及び
   （ｉｖ）前記流れを減圧して溶解したガスを膨張させ、前記真核細胞由来バイオマスを崩壊させる工程
   を含む、プロセス。
2. 前記ガスが二酸化炭素を含む、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記真核細胞由来バイオマスが植物由来材料を含む、請求項１又は２に記載のプロセス。
4. 前記真核細胞由来バイオマスが、セルロース、リグニン及び／又はヘミセルロースを含む、請求項３に記載のプロセス。
5. 前記真核細胞由来バイオマスが、木材チップ、紙、おがくず、草本材料、刈芝、藻類、食品原料混合物、コットン、麻、及び／又は亜麻を含む、請求項３又は４に記載のプロセス。
6. 前記真核細胞由来バイオマスがタンパク質性動物材料を含む、請求項１又は２に記載のプロセス。
7. 前記タンパク質性動物材料が、コラーゲン、肉、及び／又は脊髄組織を含む、請求項６に記載のプロセス。
8. 前記真核細胞由来バイオマスが一般廃棄物中のものである、請求項１〜７のいずれかに記載のプロセス。
9. 前記真核細胞由来バイオマスが食品廃棄物を含む、請求項１〜８のいずれかに記載のプロセス。
10. 加圧工程（ｉｉ）の前及び／又は最中に１又は複数の化学的処理、物理的処理、又は生物学的処理で前記流れを処理する工程を含む、請求項１〜９のいずれかに記載のプロセス。
11. 前記化学的処理が、湿潤剤、酸、塩基、界面活性剤、及び／又は酸化剤の少なくとも１つでの処理を含む、請求項１０に記載のプロセス。
12. 前記流れを蒸気で加熱する工程を含む、請求項１０に記載のプロセス。
13. 前記生物学的処理が、１又は複数の酵素及び／又は微生物の使用を含む、請求項１０に記載のプロセス。
14. （ｖ）前記減圧した流れを嫌気性又は好気性のバイオリアクター中に送る工程；を含む、請求項１〜１３のいずれかに記載のプロセス。
15. 前記流れを用いてメタノール、エタノール、又はメタンが生成される、請求項１４に記載のプロセス。
16. 前記バイオリアクターから得られるガスを回収して、（ｉｉｉ）前記加圧した流れの中に導入する、請求項１４に記載のプロセス。
17. 前記バイオリアクターから出た前記廃棄物材料を乾燥及び燃焼させて、直接又は間接的に前記流れを加熱する、請求項１４〜１６に記載のプロセス。
18. 前記流れに前記チャンバーを通過させる前に前記真核細胞由来バイオマスに水性液体を添加する工程を含む、請求項１〜１７のいずれかに記載のプロセス。
19. 真核細胞由来バイオマスを含有する流れを受容するための入口ポート；前記流れに水性液体を添加するためのポート；加圧した流れの中にガスを導入するためのポートを備えた、前記流れを加圧するためのチャンバー；前記チャンバーから出た前記流れを減圧するための減圧チャンバー；及び減圧した流れを受容するためのバイオリアクター；を含む装置。
20. 請求項１〜１８のいずれか一項に記載のプロセスで使用するための装置。
21. 請求項１〜１８のいずれか一項に記載のプロセスで使用される際の、請求項１９又は２０に記載の装置。

Images