JP2014500021A - 充填床反応器のためのバイオマス前処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
a)少なくとも約60%の乾物含量を有するバイオマスを準備するステップ、
b)(a)のバイオマスを静止形前処理槽に装入するステップ、
c)槽内の総含水量が40重量%未満(槽内の総質量の関数として測定される)残存する条件下で、バイオマスを少なくとも約4%の無水アンモニア(槽内のバイオマスの乾燥重量の関数として測定される)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)槽の排気孔を開いて蒸気を除去するステップ
を含み、
そこで槽中のバイオマスが前処理される、
バイオマスの処理方法を提供する。
本発明の方法は、比較的乾燥した封じ込められた系中で、槽内のバイオマスを無水アンモニアで処理することに関する。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。
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。
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。
一般に、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。
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。
糖化酵素
Accellerase(登録商標)1500(A1500)を、Danisco U.S.Inc.,Genencor,International(Rochester,NY)から得た。
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、頂部装入または底部装入液体、蒸気、および/またはガスの通過を可能にした。
・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。
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。
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。
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。
Claims (16)
- バイオマスの処理方法であって、
a)少なくとも約60%の乾物含量を有するバイオマスを準備するステップ、
b)(a)の前記バイオマスを静止形前処理槽に装入するステップ、
c)前記槽内の総含水率が40重量%未満(前記槽内の総質量の関数として測定される)残存する条件下で、前記バイオマスを、少なくとも約4%の無水アンモニア(前記槽内の前記バイオマスの乾燥重量の関数として測定される)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)前記槽の排気孔を開いて蒸気を排出するステップ
を含み、
そこで前記槽内の前記バイオマスが前処理される、方法。 - ステップ(b)後に前記槽が不完全真空まで排気される、請求項1に記載の方法。
- ステップ(d)後に前記前処理済みバイオマスが回収される、請求項1に記載の方法。
- ステップ(c)において前記無水アンモニアを前記バイオマスと少なくとも約2分間接触させる、請求項1に記載の方法。
- 前記無水アンモニアを前記バイオマスと約24時間未満のあいだ接触させる、請求項4に記載の方法。
- 前記槽内の前記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。
- 前記槽の前記温度を、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。
- ステップ(b)前の前記温度が、約70℃から約190℃の間である、請求項7に記載の方法。
- 前記温度を、高温ガスを注入することによって直接に、または前記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7に記載の方法。
- アンモニアがステップ(d)で回収され、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1に記載の方法。
- アンモニアが無水状態で再利用される、請求項10に記載の方法。
- ステップ(c)における無水アンモニアの濃度が、約20%未満(前記槽内の前記バイオマスの乾燥重量の関数として測定される)である、請求項1に記載の方法。
- 前記槽内の圧力が、ステップ(b)から(d)にわたって0.1絶対気圧から20ゲージ圧の間である、請求項1に記載の方法。
- (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。
- 前記バイオマスが、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。
- 前記バイオマスが、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。
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