JP2015507473A - 非セルロース系バイオマスからのブタノールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、その開示内容の全体を本明細書に参照により援用する米国仮特許出願第61/570639号(2011年12月14日出願)に基づく優先権を主張するものである。
実施形態1は、ブタノールを生産する方法であって、
非セルロース系バイオマスから得られた炭水化物を含む水性混合物を発酵槽に導入するステップと、
水性混合物を発酵させて、第1の発酵ブロスを与えるステップであって、その第1の発酵ブロスが、
ブタノールを生産するための微生物、
非セルロース系バイオマス由来の炭水化物、及び
ブタノール、を含む、ステップと、
第1の多孔質膜を介した第1の液液抽出により、第1の溶媒抽出剤で第1の発酵ブロスからブタノールを少なくとも部分的に抽出して、第1の抽出物及び第2の発酵ブロスを与えるステップと、を含み、
第1の溶媒抽出剤が、7〜12個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含み、
第2の発酵ブロスが、第1の発酵ブロスよりも低いブタノールの濃度を有し、
第1の液液抽出が、液液抽出要素において行われ、液液抽出要素が、
複数の第1の層のペアであって、それぞれの第1の層のペアが、
第1のポリマー微多孔質膜、及び
液液抽出要素の第1の対向する側面上に配置された第1の流体入口及び第1の流体出口を有する、第1の流れ方向に配向された第1の流路層、を有する、複数の第1の層のペア、並びに
複数の第2の層のペアであって、少なくとも1つの第2の層のペアが2つの第1の層のペアの間に配置され、少なくとも1つの第1の層のペアが2つの第2の層のペアの間に配置されて積層体を形成し、それぞれの第2の層のペアが、
第2のポリマー微多孔質膜、及び
抽出要素の第2の対向する側面上に配置された第2の流体入口及び第2の流体出口を有する、第1の流れ方向と異なる第2の流れ方向に配向された第2の流路層と、を有する、複数の第2の層のペア、を含む、方法である。
非セルロース系バイオマスから得られた炭水化物を含む水性混合物を発酵槽に導入するステップと、
水性混合物を発酵させて、第1の発酵ブロスを与えるステップであって、
ブタノールを生産するための微生物、
非セルロース系バイオマス由来の炭水化物、及び
ブタノール、を含むステップと、
第1の多孔質膜を介した第1の液液抽出により、第1の溶媒抽出剤で第1の発酵ブロスからブタノールを少なくとも部分的に抽出して、第1の抽出物及び第2の発酵ブロスを与えるステップと、
ブタノールの少なくとも一部を第1の抽出物から回収するステップと、を含み、
第1の溶媒抽出剤が、7〜12個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含み、
第2の発酵ブロスが、第1の発酵ブロスよりも低いブタノールの濃度を有し、
第1の液液抽出が、液液抽出要素において行われ、液液抽出要素が、
複数の第1の層のペアであって、それぞれの第1の層のペアが、
第1のポリマー微多孔質膜、及び
液液抽出要素の第1の対向する側面上に配置された第1の流体入口及び第1の流体出口を有する、第1の流れ方向に配向された第1の流路層と、を有する、複数の第1の層のペア、並びに
複数の第2の層のペアであって、少なくとも1つの第2の層のペアが2つの第1の層のペアの間に配置され、少なくとも1つの第1の層のペアが2つの第2の層のペアの間に配置されて積層体を形成し、それぞれの第2の層のペアが、
第2のポリマー微多孔質膜、及び
抽出要素の第2の対向する側面上に配置された第2の流体入口及び第2の流体出口を有する、第1の流れ方向と異なる第2の流れ方向に配向された第2の流路層と、を有する、複数の第2の層のペア、を含む、方法である。
方法:
オレイルアルコール、2−エチル−1−ヘキサノール及び4−デカノールをアルファ・エイサー社(Alfa Aesar)(マサチューセッツ州ワードヒル)より入手した。メシチレン、デカン、2−オクタノール、1−ノナノール、2,6−ジメチル−4−ヘプタノール及び1−デカノールをシグマ・アルドリッチ社(Sigma−Aldrich)(ミズーリ州セントルイス)より入手した。2−プロピル−1−ヘプタノールをビー・エー・エス・エフ社(BASF)(ニュージャージー州フロハムパーク)より入手した。2重量%の1−ブタノール水溶液2mLと、2mLの各溶媒を6mLのガラスバイアルに加え、充分に振盪した。振盪後、各試料を室温(25℃)で一晩インキュベートした。各相からの試料を、熱伝導性検出器及びワックスカラム(DB−WAX、アジレント・テクノロジーズ社(Agilent Technologies))を備えたガスクロマトグラフ(HP 6890システム、アジレント・テクノロジーズ社(Agilent Technologies)、カリフォルニア州サンタクララ)により分析して、両方の相における1−ブタノールと水の濃度を定量した。
1−ブタノールの分配係数KDBは、以下のように定義される。
分離係数α(アルファ)は、水の分配係数に対する1−ブタノールの分配係数の比として定義される。
方法:
同じ溶媒をイソブタノール抽出溶媒として調べた。実施例1〜8において述べたものと同じ方法を用いた。イソブタノールの分配係数KDIは、KDBと同様にして定義される。
方法:
8インチ(20cm)×8インチ(20cm)×2インチ(5cm)の交差流膜溶媒抽出(MSE)モジュールを、モジュールハウジングユニット(米国特許出願公開第2007/0119771号に述べられる)内で使用し、抽出溶媒として2,6−ジメチル−4−ヘプタノールを用いて1−ブタノールを抽出した。MSEモジュールは、1.007m2の膜表面積を有していた。熱誘導相分離プロセス(米国特許第4,726,989号及び同第5,120,594号に述べられる)により作製したポリプロピレン多孔質膜(平均孔径0.35μm、平均多孔度36.6%、厚さ75μm)を、MSEモジュールに組み込んだ。2,000gの14g/Lの1−ブタノール水溶液の試料を水リザーバに入れ、これをMSEモジュールに、またMSEモジュールからパイプにより接続して循環水ループを構成した。2,000gの2,6−ジメチル−4−ヘプタノールを、溶媒リザーバに加え、これをMSEモジュールの別の部分にパイプにより接続して循環溶媒ループを構成した。水リザーバ及び溶媒リザーバ内の各溶液を、それぞれ250mL/分及び1300mL/分でギアポンプにより圧送した。膜横断圧力を約0.2psi(1.4kPa)(水相でより高い圧力)となるように制御した。溶液の温度を50℃に設定した。MSEの動作の間、水相と溶媒相とは多孔質膜内部で互いに接触し、水相から溶媒相へのブタノールの溶媒抽出が起きた。水ループ及び溶媒ループからの試料を10分毎に試料ポートより回収した。熱伝導性検出器及びワックスカラム(19091−N−213、アジレント・テクノロジーズ社(Agilent Technologies))を備えたガスクロマトグラフ(HP 5890A、アジレント・テクノロジーズ社(Agilent Technologies))を使用して、両方の相における1−ブタノールと水の濃度を定量した。
膜溶媒抽出において、表3に示すように、1−ブタノールが水相から溶媒相(2,6−ジメチル−4−ヘプタノール)に連続的に抽出された。溶媒中の1−ブタノールの濃度[BuOH]SLVが、0分における0g/Lから90分における11.7g/Lに増大した一方で、溶媒中の水の濃度[H2O]SLVは、10分における2.9g/Lから90分における7.2g/Lに増大した。MSEの動作の間、エマルションの形成は認められなかった。これらの結果より、溶媒相のフラッシュ分離による予想される1−ブタノール濃度は、[BuOH]SLV/([BuOH]SLV+[H2O]SLV)として計算される(表3)。予想されるブタノール濃度は56〜66%の範囲であり、最初の1.4重量%(13.9g/L)からの顕著な1−ブタノールの濃縮を示している。
方法:
多層交差流MSEユニットを2,6−ジメチル−4−ヘプタノールとともに使用して、イソブタノールを抽出した。この方法は、14g/Lの1−ブタノール水溶液の代わりに14g/Lのイソブタノール水溶液を使用した以外は、実施例17と同様であった。
MSEの動作の全体を通じて、表4に示すように、イソブタノールが水相から溶媒相(2,6−ジメチル−4−ヘプタノール)に連続的に抽出された。イソブタノールの抽出では、時間0をMSEが流れ及び圧力の安定状態を確立した時点として定義したため、抽出は実際には時間0分よりも前に起こった。溶媒中のイソブタノールの濃度[Iso−BuOH]SLVが、0分における2.37g/Lから90分における8.63g/Lに増大した一方で、溶媒中の水の濃度[H2O]SLVは、0分における3.34g/Lから90分における6.05g/Lに増大した。MSEの動作の間、エマルションの形成は認められなかった。これらの結果より、溶媒相のフラッシュ分離による予想されるイソブタノール濃度は、[Iso−BuOH]SLV/([Iso−BuOH]SLV+[H2O]SLV)として計算される(表4)。予想される濃度は46〜58%の範囲であり、最初の1.0重量%(10.2g/L)からの顕著なイソブタノールの濃縮を示している。
1−ブタノール又はイソブタノールを、トウモロコシ由来又はサトウキビ由来の糖類又は場合により他のデンプン系糖類を使用して発酵により生産する。ブタノール産生微生物としては、天然又は操作されたクロストリジウム・アセトブチリカム(Clostridium acetobutylicum)、クロストリジウム・ベイジェリンキ(Clostridium beijerinckii)、酵母、又は大腸菌である。ブタノールは、それを生産する微生物の強力なフィードバック阻害物質である。2重量%の低いブタノール濃度で発酵が停止し得る。膜溶媒抽出を使用して発酵ブロスから連続的にブタノールが抽出されると、ブタノールによるこのようなフィードバック阻害は低減され、発酵及びブタノール生産速度の加速につながる。抽出後、フラッシュ分離、真空蒸留、又は他の下流の濃縮プロセスによって、ブタノールと少量の水が回収されるこれにより、従来の蒸留による分離と比較してブタノールの分離の全体のエネルギーが低くなる。
Claims (20)
- ブタノールを生産する方法であって、
非セルロース系バイオマスから得られた炭水化物を含む水性混合物を発酵槽に導入するステップと、
前記水性混合物を発酵させて、第1の発酵ブロスを与えるステップであって、前記第1の発酵ブロスが、
ブタノールを生産するための微生物、
前記非セルロース系バイオマス由来の炭水化物、及び
ブタノール、を含む、ステップと、
第1の多孔質膜を介した第1の液液抽出により、第1の溶媒抽出剤で前記第1の発酵ブロスから前記ブタノールを少なくとも部分的に抽出して、第1の抽出物及び第2の発酵ブロスを与えるステップと、を含み、
前記第1の溶媒抽出剤が、7〜12個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含み、
前記第2の発酵ブロスが、前記第1の発酵ブロスよりも低い前記ブタノールの濃度を有し、
前記第1の液液抽出が、液液抽出要素において行われ、前記液液抽出要素が、
複数の第1の層のペアであって、それぞれの第1の層のペアが、
第1のポリマー微多孔質膜、及び
前記液液抽出要素の第1の対向する側面上に配置された第1の流体入口及び第1の流体出口を有する、第1の流れ方向に配向された第1の流路層、を有する、複数の第1の層のペア、並びに
複数の第2の層のペアであって、少なくとも1つの第2の層のペアが2つの第1の層のペアの間に配置され、少なくとも1つの第1の層のペアが2つの第2の層のペアの間に配置されて積層体を形成し、それぞれの第2の層のペアが、
第2のポリマー微多孔質膜、及び
前記抽出要素の第2の対向する側面上に配置された第2の流体入口及び第2の流体出口を有する、前記第1の流れ方向と異なる第2の流れ方向に配向された第2の流路層と、を有する、複数の第2の層のペア、を含む、方法。 - 生産されるブタノールが、1−ブタノールである、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の発酵ブロスを前記発酵槽に戻すことにより、非再利用法と比較してブタノール生産の速度を増大させるステップを更に含む、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記第1の抽出剤が、生産されるブタノールよりも少なくとも30℃高い沸点を有する、又は混合物が生産される場合には、生産されるより沸点の高いブタノールよりも30℃高い沸点を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の抽出剤が、8〜11個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の抽出剤が、2−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、1−ノナノール、2,6−ジメチル−4−ヘプタノール、1−デカノール、4−デカノール、2−プロピル−1−ヘプタノール、又はこれらの組み合わせを含む、請求項5に記載の方法。
- 前記ブタノールを生産するための微生物が、天然又は操作されたクロストリジウム・アセトブチリカム、クロストリジウム・ベイジェリンキ、酵母、大腸菌、又はこれらの組み合わせを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の抽出剤の一部が前記第2の発酵ブロス中に同伴され、前記方法が、第2の液液抽出により第2の抽出剤で、前記同伴された第1の抽出剤を前記第2の発酵ブロスから少なくとも部分的に抽出するステップを更に含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2の抽出剤が、ドデカンを含む、請求項8に記載の方法。
- 前記非セルロース系バイオマスが、トウモロコシ、サトウキビ、テンサイ、キャッサバ、小麦、又はこれらの混合物を含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
- 発酵ブロスからブタノールを回収する方法であって、
非セルロース系バイオマスから得られた炭水化物を含む水性混合物を発酵槽に導入するステップと、
前記水性混合物を発酵させて、第1の発酵ブロスを与えるステップであって、
ブタノールを生産するための微生物、
前記非セルロース系バイオマス由来の炭水化物、及び
ブタノール、を含むステップと、
第1の多孔質膜を介した第1の液液抽出により、第1の溶媒抽出剤で前記第1の発酵ブロスから前記ブタノールを少なくとも部分的に抽出して、第1の抽出物及び第2の発酵ブロスを与えるステップと、
前記ブタノールの少なくとも一部を前記第1の抽出物から回収するステップと、を含み、
前記第1の溶媒抽出剤が、7〜12個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含み、
前記第2の発酵ブロスが、前記第1の発酵ブロスよりも低い前記ブタノールの濃度を有し、
前記第1の液液抽出が、液液抽出要素において行われ、前記液液抽出要素が、
複数の第1の層のペアであって、それぞれの第1の層のペアが、
第1のポリマー微多孔質膜、及び
前記液液抽出要素の第1の対向する側面上に配置された第1の流体入口及び第1の流体出口を有する、第1の流れ方向に配向された第1の流路層と、を有する、複数の第1の層のペア、並びに
複数の第2の層のペアであって、少なくとも1つの第2の層のペアが2つの第1の層のペアの間に配置され、少なくとも1つの第1の層のペアが2つの第2の層のペアの間に配置されて積層体を形成し、それぞれの第2の層のペアが、
第2のポリマー微多孔質膜、及び
前記抽出要素の第2の対向する側面上に配置された第2の流体入口及び第2の流体出口を有する、前記第1の流れ方向と異なる第2の流れ方向に配向された第2の流路層と、を有する、複数の第2の層のペア、を含む、方法。 - 前記ブタノールを回収するステップが、フラッシュ分離及び/又は真空蒸留により前記ブタノールを濃縮するステップを含む、請求項11に記載の方法。
- 前記第1の抽出剤が、前記生産されるブタノールよりも少なくとも30℃高い沸点を有する、又は混合物が生産される場合には、生産されるより沸点の高いブタノールよりも30℃高い沸点を有する、請求項11又は12に記載の方法。
- 前記第1の抽出剤が、8〜11個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖アルコールを含む、請求項11〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の抽出剤が、2−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、1−ノナノール、2,6−ジメチル−4−ヘプタノール、1−デカノール、4−デカノール、2−プロピル−1−ヘプタノール、又はこれらの組み合わせを含む、請求項14に記載の方法。
- 前記ブタノールを生産するための微生物が、天然又は操作されたクロストリジウム・アセトブチリカム、クロストリジウム・ベイジェリンキ、酵母、大腸菌、又はこれらの組み合わせを含む、請求項11〜15のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の抽出剤の一部が前記第2の発酵ブロス中に同伴され、前記方法が、第2の液液抽出により第2の抽出剤で、前記同伴された第1の抽出剤を前記第2の発酵ブロスから少なくとも部分的に抽出するステップを更に含む、請求項11〜16のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2の抽出剤が、ドデカンを含む、請求項17に記載の方法。
- 前記非セルロース系バイオマスが、トウモロコシ、サトウキビ、テンサイ、キャッサバ、小麦、又はこれらの混合物を含む、請求項11〜18のいずれか一項に記載の方法。
- 生産されるブタノールが、イソブタノールである、請求項11〜19のいずれか一項に記載の方法。
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