JP2013530724A - バイオマスの加工 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
本出願は、2010年7月19日出願の米国仮特許出願第61/365,493号の優先権を主張する。本仮出願の完全な開示は、これにより、本明細書に参照により組み込まれる。
抽出物および鉱物がより少ない量で含まれる。セルロースおよびヘミセルロースのフラクションに含まれる複合炭水化物は発酵性糖に加工することができ、その後、バイオ加工によって、アルコールまたは有機酸などの種々の産生物に変換することができる。得られる産生物は活用する微生物およびバイオ加工が行われる条件に依存する。
古紙および古紙パルプをドロドロにするなどにより、加工した原料に特に当てはまる。結果として、このような原料を使用すると、発酵は一般に(起きるとしても)ゆっくりと進行し、高濃度のエタノールを得るのは困難になる可能性がある。市販のペプトンまたは酵母窒素原礎培地などの市販の栄養素パッケージを発酵培地に添加することができるが、このような材料は一般に高価であり、大規模な発酵工程の経済的な実行可能性に影響を及ぼす。
牛肉、鶏肉、豚肉またはその他の肉のストック、ブイヨン、抽出物またはレンダリングなどの肉の残留物を含んでもよい。食物を原料とする栄養源は、複数の穀物および/または野菜および/または肉の残留物の混合物を含んでもよい。利点として、このような材料は一般に低コストである。場合によっては、通常は廃棄物、例えば、通常は埋め立てなければならない食品または廃棄物と見なされる材料が使用される。
尿素、アンモニア、硫酸アンモニウム、およびこれらの混合物を含む。いくつかの実施形態では、窒素源は液体培地の容量に対して約1〜10、2〜8、または好ましくは3〜6g/Lの濃度で添加される。
いくつかの好ましい実施形態では、糖化ステップ(ステップ114)の最中にも存在することがあり得る。いくつかの実施形態では、食物を原料とする栄養源または栄養パッケージは、糖化、発酵および食物を原料とする栄養源からの栄養素の放出に適した酵素の組合せと一緒に、ステップ114の開始時に添加される。糖化は加工条件の第1のセット(例えば、温度およびpH)のもとで実施された後、糖化が所望の程度まで進行した後、工程条件を(例えば、pHを4または5に調節することにより)調節して、酵素が進行できるようにする。
原料を発酵性糖に変換するためには、原料中のセルロースを糖化剤、例えば、酵素により、糖化と呼ばれるプロセスで加水分解する。セルロースを含む材料を、例えば、材料および酵素を、溶媒、例えば、水溶液中で混合することにより、酵素で処理する。
セロビオヒドロラーゼ、およびセロビアーゼ(βグルコシダーゼ)が挙げられる。図5を参照すると、セルロース基質は、最初に、無作為な位置でエンドグルカナーゼによって加水分解され、オリゴマー中間体を産生する。これらの中間体は、続いて、セロビオヒドロラーゼなどの外部分割グルカナーゼの基質になり、セルロースポリマーの端部からセロビオースを産生する。セロビオースはグルコースの水溶性1,4−結合の二量体である。最後に、セロビアーゼがセロビオースを開裂して、グルコースを産生する。
,000,000Lの容量を有するタンク)で実行され、さらに/または輸送中、例えば、鉄道車、タンカートラック、または超大型タンカーもしくは船倉で実行することも可能である。完全な糖化のために必要な時間は、工程の条件および使用される原料および酵素に依存する。糖化を制御した条件下で、製造プラントで実施する場合、セルロースは約12〜96時間で、ほとんど全てがグルコースに変換され得る。糖化を部分的または完全に輸送中に行う場合は、糖化はより長時間を要する可能性がある。
ゲンタマイシン、ハイグロマイシンB、カナマイシン、ネオマイシン、ペニシリン, ピューロマイシン、ストレプトマイシンが挙げられる。抗生物質は輸送中および保管中の微生物の増殖を阻害し、例えば、15重量ppmから1000重量ppm、例えば、25ppmから500ppm、または50ppmから150ppmなど、適切な濃度で使用することができる。望ましい場合、糖濃度が比較的に高い場合でさえも、抗生物質を含めることができる。
微生物は、処理されたバイオマス材料を糖化することにより産生される低分子量の糖を発酵することにより、数多くの有用な中間体および産生物を産生することができる。例えば、発酵またはその他のバイオ加工は、アルコール、有機酸、炭化水素、水素、タンパク質またはこれらの材料のいずれの混合物も産生することができる。
発酵後、出来上がった液体を、例えば、「ビールカラム(beer column)」を使って蒸留し、エタノールおよびその他のアルコールを水分および残留固形物の大半から分離することができる。ビールカラムから抜ける蒸気は、例えば、35重量%のエタノールとすることができ、精留カラムに供給することができる。精留カラムからのほぼ共沸性(92.5%)のエタノールと水との混合物を、気相分子篩を使用して、純粋な(99.5%)エタノールに精製することができる。ビールカラムの底部は3効果蒸化器の第1効果に送ることができる。精留カラム還流冷却器は、この第1効果のために熱を供給できる。第1効果の後、固形物を遠心分離機を使って分離し、回転式乾燥機で乾燥することができる。遠心分離機の溶出液の一部(25%)は、発酵に再利用することができ、残りは第2および第3の蒸化器効果に送られる。蒸化器凝縮物のほとんどはかなり清潔な凝縮物として工程に戻すことができ、ほんの一部が分離されて、低沸点化合物の蓄積を防ぐために廃水処理に送られる。
本明細書で論じる工程および栄養素は、炭水化物含有材料、例えば、セルロース材料またはリグノセルロース材料を、エネルギー、燃料および材料などの1つまたは複数の産生物に変換する目的に使用することができる。産生物の具体的な例は、以下に限定されないが、水素、アルコール(例えば、一価アルコール、またはエタノールなどの二価アルコール、n−プロパノールまたはn−ブタノール)、水和または含水アルコール、例えば、10%、20%、30%または40%を超える水、糖、
バイオディーゼル、有機酸(例えば、酢酸および/または乳酸)、炭化水素、副産物(例えば、セルロール分解タンパク質(酵素) または単細胞タンパク質などのタンパク質)、および任意の組合せまたは相対濃度ならびに任意で、例えば、燃料添加剤などの任意の添加剤と組み合わせてこれらのいずれかの混合物を含む。他の例としては、酢酸または酪酸、カルボン酸の塩、カルボン酸とカルボン酸の塩との混合物、およびカルボン酸のエステル(例えば、メチル、エチルおよびn−プロピルエステル)などのカルボン酸、ケトン、アルデヒド、アルファ、ベータ不飽和酸、例えば、
アクリル酸およびオレフィン、例えばエチレンなどが含まれる。その他のアルコールおよびアルコール誘導体には、プロパノール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,3−プロパンジオール、これらのアルコールのいずれかのメチルまたはエチルエステルが含まれる。その他の産生物には、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル、乳酸、プロピオン酸、酪酸、コハク酸、3−ヒドロキシプロピオン酸、これらの酸のいずれかの塩およびこれらの酸のいずれかおよびそれぞれの塩との混合物が含まれる。
栄養パッケージの成分
上述したように、好ましい栄養パッケージは、食物を原料とする栄養源、窒素源、および場合によっては、その他の成分、例えば、リン酸塩を含む。適切な食物を原料とする栄養源は、上述したものおよびその他も含めて、穀物および野菜を含む。食物を原料とする栄養源は、複数の穀物および/または野菜の混合物を含んでもよい。
上述したように、糖化および/または発酵の混合物は、食物を原料とする栄養源から栄養素、例えば、窒素、アミノ酸および脂肪を放出するために選択した酵素系をさらに含むことが好ましい。例えば、酵素系は、アミラーゼ、プロテアーゼ、およびこれらの混合物から成る群から選択される酵素を1つまたは複数含むことができる。
バイオマスは、例えば、セルロース材料またはリグノセルロース材料とすることができる。このような材料としては、紙および紙製品(例えば、ポリエチレン塗装紙およびクラフト紙など)、木材、木材関連材料、例えば、パーティクルボード、草、もみ殻、バガス、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、アバカ、藁、スイッチグラス、アルファルファ、干草、トウモロコシの穂軸、トウモロコシの茎葉、ココナッツの毛;およびαセルロースの含有量が高い材料、例えば、綿が挙げられる。原料は未使用の断片の織物材料、例えば、端切れ、使用済みの廃棄物、例えば、ぼろ切れから得ることができる。紙製品を使用するとき、それらは未使用の材料、例えば、未使用材料の断片とすることも、使用済み廃棄物とすることもできる。未使用の原材料だけでなく、使用済みの工業廃棄物(例えば、廃物)および加工廃棄物(例えば、紙加工からの廃液)も繊維源として使用することもできる。バイオマス原料はヒト(例えば、下水)、動物または植物の廃棄物から得られることまたは誘導されることもできる。追加のセルロース材料およびリグノセルロース材料は、米国特許第6,448,307号、第6,258,876号、第6,207,729号、第5,973,035号、および第5,952,105号に記述されている。
適切な酵素としては、バイオマスを分解できるセロビアーゼおよびセルラーゼが挙げられる。
(525〜775 pNPG U/g)が含まれ、4.6から5.0のpHを有する。この酵素複合体のエンドグルカナーゼ活性は、カルボキシメチルセルロース活性単位(CMC U)で表されるのに対し、ベータ−グルコシダーゼ活性は、
pNP−グルコシド活性単位(pNPG U)で報告される。もう1つの適切な酵素複合体は、Accellerase(登録商標) Duet酵素複合体である。Accellerase(登録商標) Duet酵素複合体も、複数の酵素活性、主にエキソグルカナーゼ、エンドグルカナーゼ
(2400〜3000 CMC U/g)、ヘミセルラーゼ(> 3600 ABX U/gのキシラナーゼを含む)、およびベータ−グルコシダーゼ(>400 pNPG U/g)を含み、4.3から4.6のpHを有する。この酵素複合体のエンドグルカナーゼ活性は、カルボキシメチルセルロース活性単位
(CMC U)で表されるのに対し、ベータ−グルコシダーゼ活性はpNP−グルコシド活性単位(pNPG U)で報告され、キシラナーゼ活性は、酸バーチウッドキシラナーゼ単位(Acid Birchwood Xylanase Units)(ABXU)で報告される。いくつかの実施形態では, Accellerase(登録商標)1500複合体またはAccellerase(登録商標) Duet酵素複合体と1500NOVOZYME(商標)188セロビアーゼとのブレンドが使用される。
発酵に使われる微生物は、天然の微生物および/または遺伝子工学を利用して得た微生物とすることができる。例えば、微生物は細菌、例えば、セルロース分解細菌、真菌、例えば、酵母菌、植物または原生生物、例えば、藻、原虫または真菌様原生生物、例えば、粘菌とすることができる、微生物同士が両立できるときは、微生物の混合物を活用することができる。
原料(実施例2では「XP」と呼ぶ)を以下の手順を使って産生した。
4Lの脱イオン水を50℃に加熱し、4%容積重量の米ぬかミール、3.405g/Lの尿素、および10g/LのTween 80(登録商標)の界面活性剤を添加しながら、混合することで、培地を調製した。次に、以下の量で3種類の酵素を添加した:
ACCELLERASE(登録商標)酵素 XP原料の0.25mL/lg
STARGEN(登録商標)酵素 ぬかの1重量%
FERMGEN(登録商標)酵素 ぬかの1重量%
本発明の数多くの実施形態が記述された。しかし、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な改変を加えることができることを理解されるであろう。
Claims (25)
- セルロース材料もしくはリグノセルロース材料、および/または糖化セルロース材料もしくは糖化リグノセルロース材料を含む原料を、微生物および食物を原料とする栄養源と一緒に組み合わせて混合物を形成し、微生物が該原料を活用して、産生物または中間体を産生することを含む方法。
- 食物を原料とする栄養源が穀物、野菜、穀物の残留物、野菜の残留物、肉加工物の残留品、およびこれらの混合物から成る群から選択されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 産生物が水素、アルコール、有機酸、炭化水素, およびこれらの混合物から成る群から選択される燃料を含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
- 活用が発酵を含むことを特徴とする、請求項1、2または3に記載の方法。
- 微生物が酵母菌を含むことを特徴とする、請求項4に記載の方法。
- 発酵が約4.8から5.2のpHで行われることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
- 活用が糖化を含むことを特徴とする、上記の請求項のいずれか一項の方法。
- 微生物が酵素を含むことを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- 酵素がヘミセルラーゼまたはセルラーゼを含むことを特徴とする、請求項8に記載の方法。
- 糖化が約3.8から4.2のpHで行われることを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- 混合物が窒素源をさらに含むことを特徴とする、上記の請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 窒素源が尿素、アンモニア、硫酸アンモニウム、およびこれらの混合物から成る群から選択されることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
- 食物を原料とする栄養源が、小麦、オーツ麦、大麦、大豆、エンドウ豆、豆類、ジャガイモ、トウモロコシ、米ぬか、コーンミール、小麦ふすま、およびこれらの混合物から成る群から選択されることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
- 混合物が食物を原料とする栄養源から栄養素を放出するために選択された酵素系をさらに含むことを特徴とする、上記の請求項のいずれか一項に記載の方法。.
- 酵素系がアミラーゼ、プロテアーゼ、およびこれらの混合物から成る群から選択される1つまたは複数の酵素を含むことを特徴とする、請求項14に記載の方法。
- 酵素系がプロテアーゼおよびアミラーゼを含むことを特徴とする、請求項14に記載の方法。
- 酵素系がヘミセルラーゼまたはセルラーゼをさらに含むことを特徴とする、請求項16に記載の方法。
- 混合物が培地をさらに含むことを特徴とする、上記の請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 培地中の食物を原料とする栄養源の濃度が約0.1から10g/Lであることを特徴とする、請求項18に記載の方法。
- アルコールがメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、グリセリン、およびこれらの混合物から成る群から選択されることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
- 有機酸がギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、オレイン酸、リノール酸、グリコール酸、乳酸、γ−ヒドロキシ酪酸、およびこれらの混合物から成る群から選択されることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
- 炭化水素がメタン、エタン、プロパン、イソブタン、ペンタン、n−ヘキサン、およびこれらの混合物から成ることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
- セルロース材料またはリグノセルロース材料がその不応性を減少させるために加工されていることを特徴とする、上記の請求項のいずれか一項に記載の方法。
- セルロース材料またはリグノセルロース材料 が放射による処理を受けていることを特徴とする、請求項23に記載の方法。
- 放射が電子ビームを含むことを特徴とする、請求項24に記載の方法。
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