JP2012504936A - ディスクリファイニングおよび酵素加水分解を利用するリグノセルロース材料の処理 - Google Patents

Abstract

糖に富んだプロセスストリームを生成するための、リグノセルロース供給原料を処理する方法が開示される。より具体的には、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニンを含んでなるリグノセルロース供給原料が、ディスクリファイニングに付され、それに続いて、真空下で行われる酵素加水分解に付されて、前記の糖に富んだプロセスストリームを生成する。次いで、糖に富んだプロセスストリームは、発酵に付されて、エタノールなどのバイオ燃料および他の化学製品を生成しうる。

Description

本願は、発酵性糖類を放出するために植物材料を処理する方法に関する。より具体的に、本願は、ディスクリファイナーを通し、それに次いで材料を酵素加水分解プロセスに付することによる、リグノセルロース材料の前処理に関する。このプロセスは、のちに発酵に付され、バイオ燃料および化学製品を生産しうる、糖に富んだプロセスストリームを生成する。

長年、バイオマスは燃料エネルギーの再生可能資源として有望視されてきたが、依然として、バイオマスを適切なバイオ燃料に転換するより効率的な手段が必要とされている。植物材料は、バイオ燃料に転換できるグルコースのような発酵性糖類の重要な供給源である。しかし、植物材料中の糖類は、セルロースおよびヘミセルロースの長いポリマー鎖に含有されている。現在の発酵プロセスを利用するには、発酵工程の前にこれらのポリマー鎖を単糖類に分解することが必要とされる。

植物性のバイオマスを発酵性糖類へ転換する方法は、当分野で公知であり、一般に、２つの主な工程：植物構造を緩める前処理工程、ならびにセルロースおよびヘミセルロースのポリマー鎖を単糖類に転換する酵素加水分解または化学的加水分解工程、を含んでなる。いくつかのアプローチが、前処理工程に用いられてきた。例えば、自動加水分解、酸加水分解、アンモニア活性化、クラフト蒸解、有機溶媒蒸解、熱水前処理、アンモニアパーコレーション、石灰前処理、腐食性溶媒蒸解、またはアルカリ過酸化物前処理である。各々の前処理技術は、物理的および／または化学的改質を含む、植物構造に対する異なる作用機構を有する。しかし、前処理の主たる目的は、植物材料を酵素へアクセスしやすくすることである。自動加水分解プロセスでは、例えば酢酸などの有機酸を放出する蒸気および圧力によって、ヘミセルロースに付加されたアセチル基を分解し、弱酸加水分解プロセスに対する条件を付与する。簡単なプロセスではあるが、発酵性糖類の収率は悪く、加えてこのプロセスは多大な量のエネルギーを要する。

本願は、供給原料が、供給原料がディスクリファイナーを通される前処理段階に付される、植物材料由来の供給原料から糖に富んだプロセスストリームを調製する酵素プロセス、好ましくは２段階酵素プロセスに関する。そのプロセスおよび装置は、少なくとも約６０％、好ましくは約７５％を超える、およびより好ましくは約９０％を超えるセルロースおよびヘミセルロースの単糖類への転換をもたらしうる。それに続いて、糖に富んだプロセスストリームは、発酵に付され、アルコールストリームを生成する。発酵段階からのアルコールストリーム（すなわち、未加工アルコールストリーム）は、約３〜約２２体積％のエタノール含有量を有しうる。所望の操作範囲としては、約５〜約１５％および好ましくは約５〜約２２％、並びに約８〜約１２％、好ましくは約８〜約１５％、およびより好ましくは約８〜約２２％（ｖ／ｖ）が挙げられる。そのようなアルコール濃度は、供給原料としてトウモロコシを用いることなくして得られうる。

セルロースエタノールプロセス、すなわち、非トウモロコシ植物繊維（すなわち、トウモロコシ穀粒を除く植物繊維）からのセルロースおよび／またはヘミセルロースを分解することによって得られる糖類からエタノールを生成するプロセスは、典型的に、約２〜６体積％のエタノール含有量を有する未加工アルコールストリームを生成する。本願に記載のプロセスおよび装置によって、セルロースエタノールプラントは、トウモロコシに基づいたエタノールプラント、すなわちトウモロコシ中のデンプンから得られる糖類からエタノールを生成するプラントによって得られるアルコール濃度に匹敵するアルコール濃度を有する未加工アルコールストリームを生成しうる。それゆえに、本発明のプロセスおよび装置の有利な点の１つは、トウモロコシに基づいたエタノールプラントからの生産物ストリームの濃度に匹敵する濃度を有する燃料エタノールストリームを生成するために未加工アルコールストリームから除去される水の量が、現在のセルロースエタノールプラント技術と比較して、実質的に削減されることである。燃料エタノールストリームは、典型的に、蒸留によって生産されるため、本明細書に記載のプロセスおよび装置は、現在のセルロースエタノールプラント技術と比較して、蒸留プロセスに要するエネルギーの実質的な減少をもたらし、場合によっては蒸留カラムのサイズ（すなわち直径）の実質的な減少をもたらす。さらに、本発明のプロセスは、酵素プロセスにおいて、より高い固体濃度（リグノセルロース供給原料）で開始することを可能にする。よって、固体濃度が増加するため糖濃度もまた増加し、その結果、発酵容量が減り、現在のセルロースエタノールプラント技術と比較して、２〜３倍の減少を示す。

供給原料または少なくともその一部は、ディスクリファイナーを通され、それは、供給原料の著しい圧搾および／または混合をもたらす。理論に制限されるものではないが、供給原料を圧搾および／または混合するためのディスクリファイナーの使用は、供給原料の表面積の著しい増加をもたらし、供給原料が酵素に、よりアクセスしやすくなると考えられる。当分野で公知の任意のディスクリファイナーが用いられうる。

１つの実施形態において、供給原料は、酵素プロセスに付される。好ましい代りの実施形態において、供給原料は、二段階酵素加水分解プロセスに付される。従って、第１の酵素加水分解プロセスは、供給原料の粘度を減少させ、低粘度流出ストリームを生成する。ある実施形態において、低粘度流出ストリームの粘度は、供給原料スラリーと比べて、少なくとも約１５％低い、好ましくは少なくとも約２０％低い、より好ましくは少なくとも約５０％低い、および最も好ましくは少なくとも約９０％低い。第１の酵素加水分解の際、ヘミセルロースおよびセルロースは分解されて、好ましくは糖類の可溶性オリゴ糖類に分解される。この工程の際、セルロースの代わりに、ヘミセルロースを優先的に加水分解（例えば、供給原料において、セロビオースと比べてヘミセルロースに優先的に作用）することが好ましい。例えば、このプロセス工程はヘミセルラーゼおよびセルラーゼ活性を含んでなる酵素調製物を利用しうる。適切な酵素調製物が、典型的に、セルロースに作用しうる酵素を含むであろうことは理解されるであろうが、ヘミセルロースの一部のみが転換されるであろうことが好ましい。

次いで、２段階プロセスが用いられる場合、低粘度を有する第１の酵素加水分解プロセスからの生産物ストリームは、第２の酵素加水分解プロセスに付される。第２の酵素加水分解プロセスは、好ましくは、セルロースを加水分解する酵素、およびオリゴ糖類を発酵に適した単糖類に転換する酵素を利用する。好ましくは、この第２の酵素調製物は、ベータ−グルコシダーゼ活性を含んでなる。例えば、第２の酵素調製物は、セルロースおよびセロビオースを単量体およびセルロオリゴ糖類に転換する活性を有しうる。この第２の酵素加水分解プロセスにおいて、残りのセルロースおよびヘミセルロースならびにそれらのオリゴ糖類のすべて（例えば、好ましくは少なくとも６０、より好ましくは少なくとも７５、および最も好ましくは少なくとも９０％）または本質的にすべてが、所望の程度に、好ましくは商業的に適した程度に、単糖類に転換されることが好ましい。

理論に制限されるものではないが、オリゴ糖類、特にセロビオースは、セルラーゼ酵素、特にエンドグルカナーゼおよびセロビオヒドロラーゼに対して阻害効果を有する。従って、第１の工程において、ヘミセルロースおよび所望によりセルロースは、酵素で処理されて可溶性糖類を生成する。しかし、そのプロセスは、セルロースの大部分を単量体またはセロビオースなどの二量体にしないように行われる。酵素加水分解は、いくつかの単量体およびセロビオースの生成をもたらすであろうことは理解されるであろうが、そのプロセスは、酵素の著しい阻害を妨げるように行われる。次いで、第２の酵素プロセスにおいて、オリゴ糖類は、酵素加水分解に付されて、発酵性糖類（好ましくは、単量体）を生成する。

好ましくは、第１の酵素調製物は、優先的にヘミセルロースに作用する。理論に制限されるものではないが、この実施形態に従って、ヘミセルロースはそのような第１の酵素プロセスにおいて、水性媒体（好ましくは、水）中に可溶性化合物として繊維から除去されるオリゴマーおよび単量体に分解されると考えられる。この標的（ｔａｒｇｅｔｅｄ）酵素プロセスは、ヘミセルロースの分解および低分子量化合物の除去によって、繊維構造を開く。本願において、優先的に加水分解するという用語は、用いられる酵素の大部分が、セルロースに代わってヘミセルロースを標的とする（存在する酵素には依然としてセルロースを標的としうるものがある）ことを意味する。第１の段階での好ましい優先的加水分解は、約６０％以上、および好ましくは約８５％以上のヘミセルロースを加水分解し、一方で、好ましくは約２５％未満、およびより好ましくは約１５％未満のセルロースを加水分解することを含む。結果として生じる、より開いた繊維構造は、セルラーゼなどの酵素がより容易に繊維構造に入り込み、セルロースを加水分解することを可能にする。よって、第２の酵素加水分解工程は、供給原料中のヘミセルロースに比べてセルロースを優先的に標的とする酵素を用いる（例えば、第２の酵素調製物は、供給原料中のキシランに比べセルロースおよびセロビオースに優先的に作用する）。第２の酵素加水分解工程が、ヘミセルロースを標的とする酵素を含む酵素調製物を用いうることは理解されるであろう。しかし、ほとんどのヘミセルロースが、既に第１の段階で処理されている可能性があるので、相対的に大きな割合のそのような酵素が、第２の酵素調製物において必要とされない可能性がある。

理論に制限されるものではないが、第１の酵素加水分解段階の間、キシランは、可溶性キシラン（可溶性オリゴマー）に、またある程度はキシロースに転換され、ならびにマンナンは、マンノースに転換されると考えられる。第１の酵素調製物は、キシランのキシロース残基のβ−１，４結合、およびマンナンのマンノース残基のβ−１，４結合に、優先的に作用する。これらの反応速度は、この段階で生じた粘度減少に強く対応している。従って、ヘミセルロースの酵素加水分解は、少なくとも部分的に粘度の減少をもたらし、粘度減少の主な要因でありうると考えられる。

しかし、多くの商業的ヘミセルラーゼ酵素調製物は、セルラーゼ活性も有し、これもまた粘度の減少に貢献しうる。特に、ヘミセルロースが加水分解されるにつれて、オリゴ糖類および単糖類の生成に加えて、水が繊維から放出される。さらに、この加水分解は、ヘミセルロースおよびセルロースポリマー鎖の長さの減少をもたらす。水の放出および分子の鎖長の減少はまた、第１の段階の酵素加水分解中の反応器における混合物の粘度の急速な減少における要因、または重要な要因でありうる。

酵素加水分解プロセスの際、アセチル基がヘミセルロースから取り除かれる。水性媒体において、これらは酢酸を形成する。酢酸は、反応器中の混合物のｐＨを、例えば、約４．９〜約４．４に減少させる。このｐＨの減少は、第１の段階の酵素調製物に対して阻害的な効果をもつ。よって、好ましい実施形態に従って、酢酸および他の阻害化合物は処理されるか、または、プロセスから除去される。例えば、一部の酢酸は、中和剤（例えば、尿素、無水アンモニア、アンモニア水、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム）の付加により中和されうる、および／または、酢酸は、例えば真空下で操作することなどによって、プロセスから除去されうる。好ましくは、少なくとも一部の酢酸および／またはフルフラールなどの他の阻害化合物は、揮発し、プロセスから取り除かれる。酢酸は、比較的揮発性があるので、それが生じる際真空によって取り出されうる。さらに、第１の段階の酵素プロセスが反応器内の混合物の粘度を減少させるにつれて、混合物は、例えば攪拌によって、流れがより容易に誘発されやすくなり、酢酸は混合物表面に達し蒸発する可能性がより大きくなる。

本明細書に記載の実施形態のさらなる態様および利点が、添付の図とともに以下で説明される。

本明細書に記載の実施形態のより良い理解のため、およびそれらがどのように実行に移されうるかをより明確に示すために、少なくとも１つの例示の実施形態を示す添付の図を例示のためにのみ参照する。

図１は、所望の工程を含む好ましい実施形態による方法のフローチャートである。 図２は、特定のプロセス工程に関する追加的詳細を示す１つの実施形態による方法のフローチャートである。

本願は、一般に、供給原料中のセルロースおよびヘミセルロースを、発酵してアルコールを生成しうるグルコースのような単糖類に分解するための、リグノセルロース供給原料を処理する方法に関する。特に、本願は、一般に、供給原料を酵素加水分解に付する前に供給原料をディスクリファイナーに通すことによって、供給原料の少なくとも一部を前処理することを組み合わせた、酵素加水分解の使用に関する。出願人らは、驚くべきことに、酵素加水分解プロセスの前に、供給原料を活性化すること、および物理的に改質することが、プロセスストリーム中の発酵性糖類の増加した収率および／またはより速い反応速度をもたらすことを知見した。

所望の実施形態において、出願人らは、リグノセルロース供給原料を真空下で酵素加水分解プロセスに付して、供給原料から揮発性の成分ストリームを除去することが、発酵性糖類の収率および得られる糖に富んだプロセスストリームの純度を向上することを知見した。

図１は、本発明の１つの実施形態の概略図を例示する。リグノセルロース供給原料１０は、所望により、最初に自動加水分解によってなど、活性化、抽出、加水分解、および／または物理化学改質工程１２に付されて、活性化された供給原料ストリーム１４を生成する。次いで、好ましくは、活性化された供給原料ストリーム１４である、全てまたは一部の供給原料は、ディスクリファイナー１６に送り込まれて、微粒子のストリーム１８を生成する。

その後、微粒子のストリーム１８は、それ自体で、または所望によりディスクリファイナー１６を通らない供給原料とともに、所望の二段階の酵素加水分解プロセスに例示される酵素加水分解に付される。第１の酵素加水分解段階２０は、低粘度流出ストリーム２２および所望の揮発性の成分ストリーム２４を生成し、それは好ましくは第１の段階反応器２０において大気圧未満で回収される。次に、低粘度流出ストリーム２２は、第２の酵素加水分解段階２６に付されて、糖に富んだプロセスストリーム２８を生成する。

第１の酵素加水分解工程に付される材料のすべてまたは一部は、好ましくは、リサイクルストリーム３０によって再処理され、好ましくは、第１の酵素加水分解段階２０に再導入される前に、少なくとも一部および好ましくはすべてのリサイクルストリームがディスクリファイナー１６を経ることによって、反応器２０に返送される。リサイクルストリームは、例えば、ディスクリファイナー１６に導入される前に、新鮮なリグノセルロース供給原料と混合されうる。リサイクルストリームの一部またはすべては、反応器２０に直接送り込まれうることは理解されるであろう。

また、第２の酵素加水分解工程２６に付される材料のすべてまたは一部は、好ましくは、リサイクルストリーム３２によって取り除かれ、反応器２６に返送されることは理解されるであろう。

片方または両方の酵素加水分解段階は、真空下で行われうる。真空の利用は、揮発性の成分ストリーム２４の生成を可能にし、それは、例えば反応器２０などの反応器から除去できる。次に、糖に富んだプロセスストリーム２８は、好ましくは、エタノールを生成する発酵工程３４を含むさらなるプロセスに付されうる。もしくは、それは保存され、または他の化学プロセスで用いられうる。

投入供給原料
リグノセルロース供給原料は、植物材料に由来する。本明細書において、「リグノセルロース供給原料」は、セルロース、ヘミセルロース、およびリグニンを含有する植物繊維を指す。出願人らは、リグノセルロース供給原料の抽出に用いる、セルロース、ヘミセルロース、およびリグニンを含んでなる植物材料の他の供給源を検討し、それらのいずれかが用いられうる。いくつかの実施形態においては、供給原料は、木、好ましくは、ポプラなどの落葉樹（例えば木材チップ）などから抽出されうる。その代わりにまたは加えて、供給原料はまた、トウモロコシ茎葉、麦わら、大麦わら、稲わら、スイッチグラス、ソルガム、サトウキビバガス、もみ殻、および／またはトウモロコシ穂軸などの農業残渣から抽出されうる。好ましくは、リグノセルロース供給原料は、農業残渣、および木材バイオマス、より好ましくは、木材バイオマス、ならびに最も好ましくは、落葉樹を含んでなる。従って、供給原料は食用の農産物を含有しない任意の供給原料でありうるが、そのような材料は用いられうる。

リグノセルロース供給原料は、好ましくは洗浄され、例えば、灰、シリカ、（例えば、農産物から）金属紐、石、および泥を取り除く。リグノセルロース供給原料の構成物のサイズはまた、減らされうる。供給原料の構成物のサイズは、長さ約０．１２７ｃｍ（０．０５インチ）〜約５．０８ｃｍ（２インチ）、好ましくは約０．２５４ｃｍ（０．１インチ）〜約２．５４ｃｍ（１インチ）、およびより好ましくは約０．３１８ｃｍ（０．１２５インチ）〜約１．２７ｃｍ（０．５インチ）であるのがよい。

所望の活性化、抽出、加水分解、または物理的な改質が利用されない場合、供給原料は、さらに圧搾、粉砕され、またはそうでなければ、ディスクリファイナーに送り込まれる供給原料において、平均粒子サイズを減らし、材料の表面積を増加するように改質されうることは、理解されるであろう。従って、供給原料のサイズは、約０．１５９ｃｍ（０．０６２５インチ）〜約５．０８ｃｍ（２インチ）、好ましくは約０．３１８ｃｍ（０．１２５インチ）〜約２．５４ｃｍ（１インチ）、およびより好ましくは約０．３１８ｃｍ（０．１２５インチ）〜約１．２７ｃｍ（０．５インチ）であるのがよい。圧搾、粉砕、またはそうでなければ粒子サイズを減らすことができる任意の加工機械が、利用されうる。ディスクリファイナーに送り込まれる供給原料は、好ましくは、１〜６０重量％の全固体（ｔｏｔａｌ ｓｏｌｉｄｓ）を含んでなる。

活性化
リグノセルロース供給原料は、供給原料が酵素加水分解に付される前に、活性化工程として、ディスクリファイナーへの通過に付される。 追加的な活性化工程が、所望によりディスクリファイナーの上流に用いられうる。本明細書において、「活性化された」供給原料は、供給原料中のセルロースおよびヘミセルロースの、後に続く酵素加水分解に対する感受性が増加するように処理されてきた供給原料を指す。さらに、リグノセルロース供給原料はまた、化学的もしくは物理的改質前処理、抽出、または加水分解に付されうる。

出願人らは、リグノセルロース供給原料を処理する、ある種のプロセスが、供給原料を酵素加水分解のために調製するにあたって、驚くほど有益であることを知見した。理論に制限されるものではないが、出願人らは、活性化は、ヘミセルロースおよびセルロースポリマー鎖中の水素結合部位の化学的活性化に係ると考えている。

活性化、抽出、加水分解、および化学的または物理的改質の、所望のさらなる方法としては、自動加水分解、酸加水分解、アンモニア活性化、クラフト蒸解、有機溶媒蒸解、熱水前処理、アンモニアパーコレーション、石灰前処理、腐食性溶媒蒸解、およびアルカリ過酸化物前処理が挙げられるが、これらに限定はされない。当分野で公知の任意の加工装置が用いられうる。好ましくは、自動加水分解は、ディスクリファイナーの上流で用いられる。好ましくは、自動加水分解は、当分野で公知である蒸気爆発蒸解釜で行われる。

いくつかの実施形態において、供給原料はディスクリファイナー１６に送り込まれる前に自動加水分解に付される。自動加水分解は、ヘミセルロースおよびセルロースを、高温、蒸気、および圧力にさらすことによって、好ましくは硫酸などの化学剤の存在下で、分解するプロセスである。酸の存在下で行われる場合、自動加水分解プロセスは酸加水分解として知られる。自動加水分解は、しばしば、アセチル化ヘミセルロースの分解による酢酸の放出をもたらし、それは加水分解プロセスをさらに促進する。

好ましくは、自動加水分解は、当分野で公知である蒸気爆発蒸解釜中で行われる。例えば、好ましくは約４５重量％〜約５５重量％の含水量を有する供給原料が、自動加水分解蒸解釜に送り込まれるのがよく、そこで、バイオマスは高圧（例えば、１００〜４００ｐｓｉｇ）および高温（例えば、１５０〜２５０℃）の蒸気のもと、所望により硫酸などの触媒の存在下で加水分解される。自動加水分解において、アセチル基は、酢酸を生成する植物構造から加水分解される。酢酸の放出は、蒸解釜内の反応混合物のｐＨを、例えば、中性から酸性（例えば、３．０〜４．０）に減らし、弱酸加水分解反応に対して酸条件を供与する。自動加水分解工程の際、ヘミセルロースは、部分的に、キシロース、可溶性キシロオリゴ糖類、および他のペントサン類に加水分解される。収率は、最大約７５％になりうる。

自動加水分解の間、セルロースおよびヘミセルロースの重合度は、約１０，０００から約１，５００〜１，０００に減少されうる。このプロセスは、好ましくは、リグニンのガラス転移温度（１２０〜１６０℃）より高い温度で行われる。反応の程度（ｓｅｖｅｒｉｔｙ）に依って、フルフラール、ヒドロキシメチルフルフラール、ギ酸、レブリン酸、およびその他有機化合物などの分解産物がさらに生成されうる。

蒸解釜（蒸気爆発）から放出の瞬間に、バイオマスが、高温、高圧加水分解装置から、低減された圧、好ましくは大気圧、および、より好ましくは、真空に排出する。蒸解釜の圧力は、突発的、例えば１秒未満で、好ましくは瞬時に放出される。圧力の急激な低下により、バイオマスが個々の繊維または繊維の束へ分離する。この工程は、繊維構造を開き、その表面積を増加させる。リグニンは、セルロースおよび残留ヘミセルロースとともに繊維に残り、その後、この残留セルロースおよびヘミセルロースから発酵性糖類の回収のための酵素加水分解に付される。

図２は、自動加水分解を用いる供給原料の活性化に係る本発明の１つの実施形態を例示する。図２を参照すると、リグノセルロース供給原料１００は、水および熱含浸器１２０に送り込まれ、そこで水および／または触媒が供給原料に加えられうる。水の添加は、水分のランダムおよび制御不能な付加を避けるために、好ましくは蒸気添加無しに行われる。供給原料は、加えられた水の量を注意深く制御するために、含水量に関して分析されうる。好ましい実施形態においては、供給原料の含水量は、自動加水分解の開始前、約４５重量％〜約５５重量％である。次に、水分を含んだ供給原料１３０は、加水分解装置１４０中で、自動加水分解に付される。いくつかの実施形態において、水および熱含浸工程は、加水分解装置と同じ容器で行われることができる。

結果として生じる自動加水分解された供給原料１５０は、固／気分離ユニット１６０に入り、気体ストリーム１６５および固体ストリーム１８０を生成しうる。分離ユニット１６０は、酢酸、フルフラールおよび他の揮発性化合物を除去するために真空で操作されうる。気体ストリーム１６５は、水を含む揮発性生成物を除去するため洗浄装置１７０に通され、その一部は、リサイクルされうる。

さらに図２を参照すると、次に、一部または好ましくはすべての、結果として生じる自動加水分解された固体ストリーム１８０は、酵素加水分解２００および発酵２１０の前にディスクリファイニング１９０に付される。当分野で公知の任意のディスクリファイナーが用いられうる。出願人らは、化学的に加水分解されたリグノセルロース供給原料をディスクリファイナーに通すことは、供給原料をさらに活性化し、供給原料の酵素加水分解に対する感受性を増加することを知見した。ディスクリファイナーの使用はまた、供給原料中の粒子のサイズを減らし、供給原料中の粒子の全利用可能表面積を増加する。

ディスクリファイナーの温度は、好ましくは、約６５℃未満に維持される。この温度を超えると、材料中で糖含有量を減少させる糖分解が起こりうる。好ましくは、ディスクリファイナーを通る繊維の含水量は約５０〜約９９重量％である。

出願人らは、ディスクリファイナーは、幅広く様々な粒子サイズのリグノセルロース供給原料で用いられることができることを知見した。好ましくは、ディスクリファイナーに送り込まれる粒子のサイズは、約０．１５９ｃｍ（０．０６２５インチ）〜約５．０８ｃｍ（２インチ）、より好ましくは約０．３１８ｃｍ（０．１２５インチ）〜約２．５４ｃｍ（１インチ）、および、最も好ましくは約０．３１８ｃｍ（０．１２５インチ）〜約１．２７ｃｍ（０．５インチ）である。

酵素加水分解前のディスクリファイナーの使用は、セルロースのグルコースへの転換、およびキシランのキシロースへの転換を増強する。酵素加水分解前の自動加水分解された供給原料にパルプディスクリファイナーを使用することにより、セルロースのグルコースに対する収量比およびキシランのキシロースに対する収量比は、ディスクリファイナー未使用時に約６０％〜約８０％からディスクリファイナー使用時に約８０％〜約９５％へ増加する。

第１酵素加水分解工程
供給原料は、ディスクリファイニングに付された後に、酵素加水分解に付される。当分野で公知の任意の酵素加水分解プロセスが、用いられうる。

出願人らは、本明細書において、リグノセルロース供給原料を発酵性糖類に効率的に分解する好ましい方法を記載する。しかし、任意の酵素加水分解プロセスが用いられうることは理解されるであろう。

リグノセルロース供給原料は、一般にセルロース、ヘミセルロース、およびリグニンを含んでなり、高い重合度を有する。ヘミセルロースは、リグニンに共有結合で連結され、それが、順次セルロースなどの他の多糖類に架橋結合され、リグノセルロース材料のマトリックスをもたらす。リグニンは、疎水性の架橋結合された芳香族ポリマーであり、植物の細胞壁の主要構成物のひとつであり、木の乾燥質量の約４分の１〜３分の１を相当する。

ヘミセルロースは、キシロースおよびアラビノースなどの多くの異なる糖分子を含む、ランダムで非晶質な構造を有する分岐したヘテロポリマーである。キシロースは、ヘミセルロースに存在する最も一般的な糖分子である。キシロースおよびアラビノースは、ともにペントサンであり、それらは、植物材料に存在するポリマー５−炭素糖類である。

ヘミセルラーゼ酵素は、ヘミセルロース構造を分解する。ヘミセルラーゼ酵素を使用することにより、キシラン骨格および側鎖の、キシロースおよびアラビノースなどのペントサンならびに他の糖類および多糖類への分解がもたらされる。たいていの商業的なヘミセルラーゼ酵素の調製物が、セルラーゼ活性をも有することは、当業者に明らかであろう。従って、本開示において用いられる第１の酵素調製物（すなわち、ヘミセルラーゼ酵素調製物）は、約１０％〜９０％のヘミセルラーゼ活性、好ましくは約３０％〜約９０％のヘミセルラーゼ活性、およびより好ましくは約５０％以上（例えば約９０％まで）のヘミセルラーゼ活性を持ちうる。ある実施形態において、ヘミセルラーゼは、キシランのキシロース残基のβ−１，４結合、およびマンナンのマンノース残基のβ−１，４結合に、優先的に作用する。

セルロースは、グルコース残基が、ベータ（１→４）グリコシド結合によって結合されている、グルコースの直線状ポリマーである。セルラーゼ酵素は、ベータ−グリコシド結合を切ることによる、セルロースのより小さいポリマー単位への加水分解を触媒する。エンド−セルラーゼ酵素は、一般に、セルロース中の内部グリコシド結合を切断し、より小さい多糖鎖を作り、一方、エキソ−セルラーゼ酵素は、セルロース鎖の末端から２〜４単位のグルコースを切断することができる。セルラーゼ酵素は、一般に、セルロースを個々のグルコース分子に切断することはできない。

対照的に、セロビアーゼまたはベータ−グルコシダーゼ酵素は、少なくとも１つのグルコース分子の放出をもたらすベータ−グリコシド結合の加水分解を触媒する。従って、ベータ−グルコシダーゼは、ベータ−グリコシド結合によって、連結された２分子のグルコースからなるセロビオースを切断することができる。

当業者は、酵素が異なる基質に幅広く異なる活性を示しうることを理解するであろう。本明細書において、ある基質に対する酵素の相対的な活性が、他の基質となる可能性のあるものに対する活性よりも大きい場合、酵素調製物はその基質に「優先的に作用する」ことが好ましい。例えば、ヘミセルラーゼは、セルロースに対するグルコースを生成する活性に比べて、ヘミセルロースに優先的に作用してペントサンを生成するであろう。

酵素調製物は、単一の酵素または複数の酵素の組み合わせでありうる。酵素調製物は、細菌、酵母または真菌の天然の培養物などの多くの供給源から単離されうるが、当業者は、組換え技術を用いて作られた酵素を用いることを理解するであろう。

いくつかの実施形態において、出願人らは、本願に記載の２段階酵素加水分解プロセスは、結果として生じるプロセスストリームの糖含有量を増加することができることを知見しており、それは、２段階酵素加水分解における高い全固体含有量での開始を意味する。

本明細書において、「全固体含有量」は、供給原料中における可溶性および不溶性の材料の総量を指す。例えばリグノセルロース供給原料において、可溶性材料としては、自動加水分解から生じる単糖類、数種のオリゴ糖類、有機酸、抽出物、および低分子量化合物が挙げられるであろう。不溶性材料としては、セルロース、リグニン、およびヘミセルロースが挙げられるであろう。高含有量の不溶性原材料を有する懸濁液は、その高い粘度のため、一般に処理するのが難しい。さらに、高粘度混合物は、不可能ではないにしても、従来のポンピングプロセスを通した混合または取り扱いが難しい。いくつかの実施形態において、本願に記載の糖に富んだプロセスストリームは、約１５％を超える全固体含有量を有する。さらなる実施形態において、糖に富んだプロセスストリームは、約１５〜約３０％の全固体含有量を有する。さらなる実施形態において、糖に富んだプロセスストリームは、最大約５０％まで（例えば、約１５〜約５０％、好ましくは約３０〜約５０％）の全固体含有量を有する。

特定の理論に制限されるものではないが、出願人らは、２段階で酵素加水分解を行うことによって、ヘミセルラーゼ酵素、特にキシラナーゼが、第２の酵素加水分解段階の間に生成される、糖単量体および二量体、特にグルコースおよびセロビオースの阻害濃度にさらされないことに注目する。

第１の酵素加水分解段階は、好ましくは、ヘミセルラーゼを含んでなる第１の酵素調製物を用いる。当業者に公知であるように、ヘミセルラーゼ調製物はセルラーゼ活性をも有するであろう。１つの実施形態において、第１の酵素調製物は、Ｄｙａｄｉｃ ＸＢＰ（商標）などのキシラナーゼ酵素カクテルである。さらなる実施形態において、第１の酵素調製物は、ＡｌｔｅｒｎａＦｕｅｌ １００Ｌ（商標）などの酵素カクテルである。酵素調製物が組み合わせて用いられうることは、当業者に理解されるであろう。ある実施形態において、第１の酵素調製物は、約１０％〜約９０％のヘミセルラーゼ活性、および約９０％〜約１０％のセルラーゼ活性を有するであろう。ある実施形態において、ヘミセルラーゼ活性は約３０％〜約９０％で、セルラーゼ活性は、約７０％〜約１０％であろう。さらなる実施形態において、ヘミセルラーゼ活性は、約５０％〜約９０％で、セルラーゼ活性は約５０〜約１０％であろう。

１つの実施形態において、プロセスのｐＨは、供給原料のｐＨが酵素活性に適した範囲にあるように、酸ストリームまたは塩基ストリームを用いて調整される。好ましい実施形態において、ｐＨは約４．５〜約６．０に調整される。

また、第１の酵素プロセスの温度は制御されうる。１つの実施形態において、そのプロセスの温度は、約３０〜約７０℃に調整される。さらなる実施形態において、第１の酵素プロセスは、約２０〜約７０℃で行われる。そのプロセスは、間接的な冷却水を用いて冷却されるか、または間接的な蒸気加熱もしくは当分野で公知の他の方法を用いて温められうる。

供給原料上への第１の酵素プロセスの結果は、キシラン、セロビオース、グルコース、キシロース、リグニン、灰、および有機酸を含んでなりうる低粘度流出ストリームである。低粘度流出ストリームは、供給原料スラリーの粘度より少なくとも約１５％低い、好ましくは少なくとも約２０％低い、より好ましくは少なくとも約５０％低い、および最も好ましくは、少なくとも約９０％低い粘度を有しうる。一般に、第１の酵素調製物の作用は、セロビオースなどの短鎖多糖類（オリゴ糖類）の生成をもたらすが、多量の個々のグルコース分子の生成はもたらさない。理論に束縛されるものではないが、これは第１の酵素調製物中のヘミセルラーゼ酵素がグルコース分子によって阻害されるのを妨げると考えられる。

１つの所望の実施形態において、第１の酵素プロセスは、真空下で行われ、低粘度流出ストリームから除去できる揮発性の成分ストリームをもたらす。１つの実施形態において、揮発性の成分ストリームは、第１の酵素加水分解プロセスの際に存在する、酵母、真菌、細菌または酵素阻害化合物の少なくとも１つを含み、取り出される揮発性の成分ストリームは、少なくとも１つの阻害化合物を含む。別の実施形態において、揮発性の成分ストリーム中の阻害化合物は、水、酢酸、フルフラール、ギ酸、およびその他の任意の揮発性有機化合物を含有してもよい。

第１のリサイクルストリーム
１つの実施形態において、第１の酵素加水分解プロセスからの材料を含んでなるリサイクルストリームが得られ、そのリサイクルストリームの少なくとも一部は、好ましくは、供給原料を物理的に改質（例えばサイズ縮小）するディスクリファイナーを通り、第１の酵素加水分解プロセスに再導入される。ある実施形態において、リファイナーを通されるリサイクルストリーム部分は、リサイクルストリームの量の約１０％〜約９０％である。別の実施形態において、第１の酵素プロセスタンクの底からのすべてのリサイクルストリームが取り出され、第１の酵素プロセスタンクの上部に再導入される前に、ディスクリファイナーに通される。リサイクルストリームは、ディスクリファイナー中で、または第１の酵素プロセスタンクに再導入される前に、新鮮な供給原料と混合できる。好ましくは各供給原料およびリサイクルストリームの少なくとも一部が、ディスクリファイナーを通って送り込まれ、より好ましくは、すべての供給原料およびリサイクルストリームの少なくとも一部が、ディスクリファイナーを通って送り込まれる。

第２の酵素加水分解工程
２段階酵素プロセスが用いられる場合、第２の酵素加水分解プロセスにおいて、低粘度流出ストリームは、第２の酵素調製物で処理され、グルコースなどの発酵性糖類を多く含む、糖に富んだプロセスストリームを生成する。

第２の酵素調製物は、好ましくは、セルラーゼ活性を主として含む。別の実施形態において、第２の酵素調製物は、グルコースの二糖類および他の小さいポリマーを、単量体のグルコースに転換するベータ−グルコシダーゼ活性を含んでなる。１つの実施形態において、第２の酵素調製物は、Ｎｏｖｏｚｙｍｅｓ（商標）から入手可能なＮｏｖｏｚｙｍｅ １８８（商標）である。別の実施形態において、第２の酵素調製物はＮＳ５００７３（商標）を含んでなる。酵素調製物が組み合わせて用いられうることは、理解されるであろう。

ある実施形態において、第２の加水分解プロセスのｐＨは、供給原料スラリーのｐＨが酵素活性に適した範囲にあるように、酸ストリームまたは塩基ストリームを用いて調整される。好ましい実施形態において、ｐＨは約４．５〜約５．４に調整される。ある実施形態において、酸ストリームは、任意の鉱酸を含んでなる。別の実施形態において、酸ストリームは、硝酸、硫酸、リン酸、酢酸、および／または塩酸を含んでなる。１つの実施形態において、塩基ストリームは、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化アンモニウム、尿素、および／またはアンモニアを含んでなる。

また、第２の酵素プロセスの温度は制御されうる。１つの実施形態において、そのプロセスの温度は、約２０〜約７０℃に調整される。さらなる実施形態において、第２の酵素プロセスは、約３０〜約７０℃で行われる。そのプロセスは、間接的な冷却水を用いて冷却されるか、または間接的な蒸気加熱もしくは当分野で公知の他の方法を用いて温められうる。

結果として生じる糖に富んだプロセスストリームは、約５〜約４５重量％の発酵性糖類を含有する。所望の範囲としては、約５〜約３０％、好ましくは約１０〜約３０％、および、より好ましくは約１５〜約２５％、ならびに、約１０〜約４５％、好ましくは約１５〜約４５％および、より好ましくは約２５〜約４５％が挙げられる。糖に富んだプロセスストリームはまた、所望により、約１０％〜約６０％の全固体含有量を含有する。

真空
出願人らによって、リグノセルロース供給原料中におけるある種の化合物の存在が、酵素加水分解および得られる糖ストリームの発酵に対する阻害効果を有することが知見された。従って、少なくとも一部の酵素加水分解は、真空下で行われることが好ましい。本明細書において、「阻害化合物」は、酵素加水分解プロセス、酵母発酵、またはリグノセルロース供給原料からのアルコールの回収に対して阻害効果を有する化合物である。阻害化合物の例としては、フルフラール、ヒドロキシメチルフルフラール、有機酸、およびフェノール化合物が挙げられる。さらなる実施形態において、阻害化合物は、酢酸またはギ酸である。他の取り除かれもする化合物および／または分子として、窒素、酸素、アルゴン、および二酸化炭素が挙げられる。

出願人らは、真空下でリグノセルロース供給原料の酵素加水分解を行うことが、供給原料からの阻害化合物、または酵素加水分解中に生成される阻害化合物の少なくとも一部の除去を可能にすることを知見した。１段階の酵素加水分解プロセスが用いられる場合、この１つの段階は、真空下で行われうる。代わりに、多段階の酵素加水分解プロセスが用いられる場合、任意の１つ以上、および好ましくはすべての段階が真空下で行われる。酵素加水分解工程は、糖に富んだプロセスストリームおよび揮発性の成分ストリームを得るように真空下で行われる。別の実施形態において、揮発性の成分ストリームは、少なくとも１つの阻害化合物を含む。１つの実施形態において、揮発性の成分ストリームは、第１の酵素加水分解プロセスから、連続して除去される。好ましい実施形態において、揮発性の成分ストリームは、真空圧力下で酵素加水分解を行うことによって除去される。

本開示の実施形態において、酵素加水分解は、わずかな減圧（ｓｌｉｇｈｔ ｖａｃｕｕｍ）下で行われる。真空は、７００〜５０ｍｍＨｇでありうる（すなわち、容器内の圧力が、７００〜５０ｍｍＨｇでありうる）。好ましくは、真空は、約６００ｍｍＨｇ未満、より好ましくは、約１００ｍｍＨｇ未満、および、最も好ましくは、約５０ｍｍＨｇ未満である。好ましくは、適用される最大真空は、約４ｍｍＨｇである。

他の実施形態
いくつかの実施形態において、糖に富んだプロセスストリームは、他の糖由来の生成物を生成するために用いられる。本発明の１つの実施形態において、糖に富んだプロセスストリームは、発酵を通してアルコールを生成するために用いられる。グルコースおよびキシロースなどの発酵性糖類は、酵母付加の後に、アルコールに発酵されうる。ある実施形態において、生成されたアルコールは、メタノール、エタノール、および／またはブタノールである。

明確にするために別個の実施形態または別個の態様において記載された本発明のいくつかの特徴はまた、単一の実施形態中に組み合わせて提供されうることは理解されるであろう。逆に、簡潔のために単一の実施形態または態様において記載された本発明の様々な特徴はまた、個別にまたは任意の適切な部分的な組み合わせで提供されうる。

本発明が、その具体的な実施形態とともに記載されてきたが、多くの代替、修正および変形は当業者に自明であろうことは明らかある。よって、添付した特許請求の範囲の精神および広義の範囲にはいる、そのような代替、修正、および変形をすべて包含することが意図される。さらに、本願におけるいずれの参照の引用または識別を、そのような参照が本発明の先行技術として利用可能であることを認めるものとして解釈してはならない。

本開示の実施形態において、酵素加水分解は、わずかな減圧（ｓｌｉｇｈｔ ｖａｃｕｕｍ）下で行われる。真空は、７００〜４ｍｍＨｇでありうる（すなわち、容器内の圧力が、７００〜４ｍｍＨｇでありうる）。好ましくは、真空は、約６００ｍｍＨｇ未満、より好ましくは、約１００ｍｍＨｇ未満、および、最も好ましくは、約５０ｍｍＨｇ未満である。好ましくは、適用される最大真空は、約４ｍｍＨｇである。

Claims (30)

1. 糖に富んだプロセスストリームを生成するための、セルロース、ヘミセルロース、およびリグニンを含んでなるリグノセルロース供給原料を処理する方法であって、
   （ａ）該供給原料をディスクリファイナーに通すこと、および
   （ｂ）真空下で該供給原料を酵素加水分解に付して、揮発性の成分ストリームおよび糖に富んだプロセスストリームを得ること
   を含んでなる方法。
2. 前記供給原料が約１重量％〜約６０重量％の全固体を含んでなる、請求項１に記載の方法。
3. 前記酵素加水分解が、第１および第２の酵素加水分解プロセスを含んでなる、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１の酵素加水分解プロセスが第１の酵素調製物を用い、揮発性の成分ストリームおよび低粘度流出ストリームを生成し、該低粘度流出ストリームが第２の酵素調製物を用いる前記第２の酵素加水分解プロセスに付され、糖に富んだプロセスストリームを生成する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第１の酵素調製物が、前記供給原料中のセロビオースに比べて前記ヘミセルロースに優先的に作用する、請求項４に記載の方法。
6. 前記第１の酵素調製物がヘミセルラーゼ活性およびセルラーゼ活性を有する、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１の酵素調製物が、約１０％〜約９０％のヘミセルラーゼ活性および９０％〜１０％のセルラーゼ活性を有する、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の酵素調製物が、約３０％〜約９０％のヘミセルラーゼ活性および約７０％〜約１０％のセルラーゼ活性を有する、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の酵素調製物が、約５０％〜約９０％のヘミセルラーゼ活性および約５０％〜１０％のセルラーゼ活性を有する、請求項８に記載の方法。
10. 前記ヘミセルラーゼ酵素が、キシランのキシロース残基のβ−１，４結合、およびマンナンのマンノース残基のβ−１，４結合に優先的に作用する、請求項９に記載の方法。
11. 前記第２の酵素調製物が、前記供給原料中のキシランに比べて、前記セルロースおよびセロビオースに優先的に作用する、請求項４〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第２の酵素調製物が、β−グルコシダーゼおよびセルラーゼ酵素を含んでなり、該β−グルコシダーゼおよびセルラーゼ酵素が、セロビオースおよびセルロースのβ−１，４結合に優先的に作用する、請求項４に記載の方法。
13. 前記β−グルコシダーゼおよびセルラーゼ酵素が、前記第１の酵素加水分解で生成されたセルロースおよびオリゴ糖類を単糖類に完全に転換する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の酵素加水分解プロセスからリサイクルストリームを得ること、および該リサイクルストリームを前記第１の酵素加水分解プロセスに再導入することをさらに含んでなる、請求項４〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記リサイクルストリームを前記第１の酵素加水分解プロセスに再導入する前に、少なくとも一部の前記リサイクルストリームが、前記ディスクリファイナーに通ることを含んでなる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ディスクリファイナーに通される前記リサイクルストリームの部分が、約１０〜約９０％である、請求項１５に記載の方法。
17. 糖に富んだプロセスストリームを生成するための、セルロース、ヘミセルロース、およびリグニンを含んでなるリグノセルロース供給原料を処理する方法であって、
    （ａ）該供給原料を真空下で酵素加水分解に付して、揮発性の成分ストリームおよび糖に富んだプロセスストリームを得ること、
    （ｂ）該酵素加水分解からリサイクルストリームを得て、該リサイクルストリームを該酵素加水分解に再導入する前に、該リサイクルストリームの少なくとも一部をディスクリファイナーに通すこと
    を含んでなる方法。
18. 前記供給原料が約１〜約６０重量％の全固体を含んでなる、請求項１７に記載の方法。
19. 前記酵素加水分解が、第１および第２の酵素加水分解プロセスを含んでなる、請求項１７または１８に記載の方法。
20. 前記第１の酵素加水分解プロセスが第１の酵素調製物を用い、揮発性の成分ストリームおよび低粘度流出ストリームを生成し、該低粘度流出ストリームが第２の酵素調製物を用いる前記第２の酵素加水分解プロセスに付され、前記糖に富んだプロセスストリームを生成する、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第１の酵素調製物が、前記供給原料中のセロビオースに比べて前記ヘミセルロースに優先的に作用する、請求項２０に記載の方法。
22. 前記第１の酵素調製物がヘミセルラーゼ活性およびセルラーゼ活性を有する、請求項２１に記載の方法。
23. 前記第１の酵素調製物が、約１０％〜約９０％のヘミセルラーゼ活性および約９０％〜約１０％のセルラーゼ活性を有する、請求項２２に記載の方法。
24. 前記第１の酵素調製物が、約３０％〜約９０％のヘミセルラーゼ活性および約７０％〜約１０％のセルラーゼ活性を有する、請求項２２に記載の方法。
25. 前記第１の酵素調製物が、約５０％〜約９０％のヘミセルラーゼ活性および約５０％〜１０％のセルラーゼ活性を有する、請求項２４に記載の方法。
26. 前記ヘミセルラーゼ酵素が、キシランのキシロース残基のβ−１，４結合、およびマンナンのマンノース残基のβ−１，４結合に優先的に作用する、請求項２２〜２５のいずれか一項に記載の方法。
27. 前記第２の酵素調製物が、前記供給原料中の、キシランに比べて、前記セルロースおよびセロビオースに優先的に作用する、請求項２０〜２６のいずれか一項に記載の方法。
28. 前記第２の酵素調製物が、β−グルコシダーゼおよびセルラーゼ酵素を含んでなり、該β−グルコシダーゼおよびセルラーゼ酵素が、セロビオースおよびセルロースのβ−１，４結合に優先的に作用する、請求項２７に記載の方法。
29. 前記β−グルコシダーゼおよびセルラーゼ酵素が、前記第１の酵素加水分解で生成されたセルロースおよびオリゴ糖類を単糖類に完全に転換する、請求項２８に記載の方法。
30. 前記ディスクリファイナーに通される前記リサイクルストリームの部分が、約１０〜約９０％である、請求項１７〜２９のいずれか一項に記載の方法。

Images