JP2017018112A - バイオマス処理 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2014年2月14日に出願された米国仮出願番号第61/442,781号明細書の利益を主張する。本仮出願の開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
セルロース及びリグノセルロース材料は、多数の用途で、大量に製造され、処理され、且つ、使用される。多くの場合そのような材料は、一度使用された後、廃棄物として廃棄されるか、又は単に、例えば、バガス、おがくず、及び茎葉などの廃棄物であると考えられている。いくつかの場合において、セルロース及びリグノセルロース材料は、植物を成長させ収穫することによって得られる。
一般に、本発明は、例えば、遺伝子組み換え植物などの野生型について組換えされた植物を含むセルロース及び/又はリグノセルロースなど供給原料材料の使用、並びに、そこから作られる中間体及び生成物に関する。本明細書中に記載される多くの方法は、例えば、エネルギー、燃料、食べ物又は材料などの有用な中間体及び生成物を製造するために、様々な微生物により、比較的容易に利用できる材料を提供する。
例えば、遺伝子組換え又は他の種類の改変により、野生型品種について改変された植物から得られた供給原料は、本明細書に記載のものなどの、有用な中間体及び生成物を製造するために処理することができる。システム及びプロセスは、容易に入手可能である例えばセルロース及び/又はリグノセルロース材料などの供給原料材料として使用することが可能であるが、発酵などのプロセスによって処理することが困難であり得るものとして、本明細書中で記載されている。本明細書に記載の多くのプロセスは、効果的に供給原料の不応性レベルを下げることができ、バイオ処理(例えば、ホモアセトゲン(homoacetogen)又はヘテロアセトゲン(heteroacetogen)などの本明細書に記載の任意の微生物、及び/又は、本明細書に記載の任意の酵素)、熱処理(例えば、気化又は熱分解)又は、化学的方法(例えば、酸加水分解又は酸化)により、容易に処理することを可能にする。供給原料は、機械的処理、化学処理、放射線、超音波処理、酸化、熱分解又は水蒸気爆砕などの本明細書に記載の一つ以上の任意の方法を使用して、処理又は加工することができる。様々な処理システム及び方法を、これらの技術又は本明細書及び別の場所に記載の別の方法のうちの、二つ、三つ又は四つ以上と組み合わせて、使用することができる。
図1は、供給原料、特に、組換え植物材料から少なくとも部分的に得られた供給原料を、有用な中間物質及び生成物へ変換するための、一つの特定のプロセスを示す。プロセス10は、最初に、例えば、供給原料110のサイズを小さくするために、供給原料(12)を機械的に処理することを含む。機械的に処理された供給原料を、次に、例えば、材料の結晶構造中の結合を弱めるか又は微小破砕することによって、その構造を改変するために、物理的処理(14)によって処理する。次に、構造的に改変した材料を、いくつかの場合において、更に機械的処理(16)へ供することができる。この機械的処理は、最初の機械的処理と同じから又は異なるものとすることができる。例えば、最初の処理はサイズ縮小(例えば、切断)工程の後にせん断工程とすることができ、一方、更なる処理は、研削又は粉砕工程とすることができる。
物理的処理プロセスは、機械的処理、化学的処理、照射、超音波処理、酸化、熱分解又は水蒸気爆発などの、本明細書に記載の一つ以上の任意のプロセスを含むことができる。処理方法は、これらの技術(任意の方法で)の内の、二つ、三つ、四つ又は全てと組み合わせて使用することができる。一つ以上の処理方法を使用する場合、その方法は、同時に又は異なる時間に適用することができる。単独で、又は、本明細書に開示のプロセスと組み合わせて、供給原料の分子構造を変化させる他のプロセスも使用することができる。
いくつかの場合において、方法は、供給原料を機械的に処理することを含む。機械的処理は、例えば、切断、粉砕、圧搾、研削、せん断及び細切を含む。粉砕は、例えば、ボールミリング、ハンマーミリング、ローター/ステーター乾式又は湿式ミリング、フリーザーミリング、ブレードミリング、ナイフミリング、ディスクミリング、ローラーミリング又は他の種類の粉砕を含む。他の機械的処理は、例えば、研削、クラッキング、機械的リッピング又はティアリング、ピン研削又は空気摩擦粉砕を含む。
一つ以上の放射線処理シーケンスを、供給原料を処理し、更なる処理工程及び/又はシーケンスへの入力として機能する、構造的に改変された材料を提供するために、使用することができる。照射は、例えば、供給原料の分子量及び/又は結晶化度を低減することができる。照射はまた、材料又は材料をバイオプロセスするために必要となる任意の媒体を殺菌することができる。
放射線の各形態は、放射線のエネルギーによって決定される特定の相互作用を介して、炭素含有物質をイオン化する。重荷電粒子は、主に、クローン散乱を介して物質をイオン化し;更に、これらの相互作用は、更に物質をイオン化する高エネルギー電子を生成する。α粒子は、ヘリウム原子の核と同一であり、ビスマス、ポロニウム、アスタチン、ラドン、フランシウム、ラジウム、並びに、アクチニウム、トリウム、ウラン、ネブツニウム、キュリウム、カリホルニウム、アメリシウム及びプルトニウムなどのアクチニドの同位体など様々な放射性核のα崩壊によって生成される。
電子よりも重い粒子を、例えば、セルロース系材料、リグノセルロース系材料、デンプン質材料などの炭水化物、又は、これら及び本明細書に記載の他のものの混合物を含む、炭水化物又は材料などの材料を照射するために、利用することができる。例えば、陽子、ヘリウム原子核、アルゴンイオン、ケイ素イオン、ネオンイオン炭素イオン、燐イオン、酸素イオン又は窒素イオンを利用することができる。いくつかの実施形態において、電子よりも重い粒子は、より多い量の鎖切断(軽い粒子に対して)を誘導することができる。いくつかの例において、正に帯電した粒子は、その酸性度により負に帯電した粒子よりも、鎖切断のより多い量を誘導することができる。
電磁放射を用いて照射を実施する実施形態において、電磁放射は、例えば、102eV以上、例えば、103、104、105、106又は107eV以上の光子当たりのエネルギーを有し得る。いくつかの実施形態において、電磁放射は、104〜107、例えば、105〜106eVの光子当たりのエネルギーを有する。電磁放射は、例えば、1016hz以上、1017hz以上、1018、1019、1020又は1021hz以上の周波数を有することができる。典型的な照射量は、1Mrad以上(例えば、1Mrad以上、2Mrad以上)の値を取り得る。いくつかの実施形態において、電磁波は、1018〜1022hz、例えば、1019〜1021hzの周波数を有する。いくつかの実施形態において、1〜100Mrad(例えば、2〜80Mrad、5〜50Mrad、5〜40Mrad、5〜30Mrad、又は5〜20Mrad)の照射量を使用することができる。
電離放射線による処理後、本明細書に記載の任意の材料又は混合物はイオン化し得る;つまり、処理された材料は、電子スピン共鳴分光装置で検出可能であるレベルでラジカルを含み得る。イオン化供給原料が大気中に残っている場合には、カルボン酸基が大気中の酸素と反応して生成される程度に酸化されるであろう。いくつかの材料のいくつかの例において、例えば、カルボン酸基は、場合によっては溶解性及び微生物の利用のために有用であるように、炭水化物含有バイオマス及び酸化基の分子量の更なる分解を補助することができるため、そのような酸化が望ましい。しかしながら、ラジカルは、照射後しばらくの間、例えば、1日以上、4日以上、30日以上、3ヶ月以上、6ヶ月以上又は1年以上残存することができ、材料特性は、いくつかの例では望ましくない可能性があるが、刑事的に変化し続ける可能性がある。従って、イオン化された材料をクエンチすることが望ましいことがある。
いくつかの例において、照射を、約0.25Mrad/秒以上の線量率で、例えば、約0.5以上、0.75以上、1.0以上、2.0以上又は約2.5Mrad/秒以上の線量率で実施する。いくつかの実施形態において、照射を、5.0〜1500.0krad/時の線量率で、例えば、10.0〜750.0krad/時又は、50.0〜350.0krad/時の線量率で実施する。いくつかの実施形態において、照射を、約0.25Mrad/秒以上の線量率以上、例えば、約0.5以上、0.75以上、1以上、1.5以上、2以上、5以上、7以上、10以上、12以上、15以上又は約20Mrad/秒以上、例えば、0.25〜2Mrad/秒の線量率で実施する。
音波処理は、例えば、セルロース又はリグノセルロース系材料又はデンプン材料などの一つ以上の炭水化物源のような本明細書に記載の、一つ以上の任意の材料などの、材料の分子量及び/又は結晶化度を減らすことができる。音波処理はまた、材料を殺菌するために使用することができる。放射線について上述したように、音波処理で使用するプロセスパラメータは、例えば、供給原料のリグニン含有量に依存するなど、様々な要因に依存して変化し得る。例えば、高いリグニンレベルを有する供給原料は、一般的に、比較的高い滞留時間及び/又はエネルギーレベルを必要とし、供給原料へ送達される比較的高い総エネルギーをもたらす。
一つ以上の熱分解処理シーケンスを、材料から有用な物質を抽出し、更なる処理工程及び/又はシーケンスへの入力として機能する、部分的に分解された材料を提供するために、多種多様な異なる供給源からの炭素含有材料を処理するために、使用することができる。熱分解はまた、材料を殺菌するために使用することができる。熱分解条件は、供給原料の特性及び/又は他の要因に依存して、変化し得る。例えば、比較的高いリグニンレベルの供給原料は、比較的高い温度、比較的長い滞留時間、及び/又は、熱分解時の酸素の比較的高いレベルの導入を必要とし得る。
一つ以上の酸化処理シーケンスを、材料から有用物質を抽出し、更なる処理工程及び/又はシーケンスへの入力として機能する、部分的に分解及び/又は変更された材料を提供するために、幅広い種類の異なる供給源からの炭素含有材料を処理するために使用することができる。酸化条件は、例えば、供給原料のリグニン含有量に依存して変化し得、より高い酸化度は、一般的により高いリグニン含有供給原料について所望される。
この段落の任意の方法は、本明細書に記載の任意のプロセスを用いずに単独で、又は、本明細書に記載の任意のプロセス:蒸気爆発、化学的処理(例えば、酸処理(濃縮並びに、硫酸、塩酸及び、トリフルオロ酢酸などの有機酸のような、鉱酸を用いた希釈処理を含む)、及び/又は、塩基処理(例えば、石灰又は水酸化ナトリウムを用いた処理))、UV処理、スクリュー押出処理(例えば、米国特許出願第13/099151号明細書参照)、溶媒処理(例えば、イオン液体を用いた処理)及び、凍結粉砕(例えば、米国特許出願第12/502,629号明細書、現在は、米国特許第7,900,857号明細書を参照)、と組み合わせて(任意の順番で)使用することが可能である。
植物から少なくとも部分的に得られた典型的な供給原料は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニン+比較的少量のタンパク質、抽出物及びミネラルを含む。上述の一つ以上の処理工程を供給材料へ実施した後、セルロース及びヘミセルロース画分へ含まれる複合炭水化物は、いくつかの場合において、必要に応じて、酸又は酵素加水分解を伴って、発酵性糖へ処理することができる。遊離した糖は、アルコール又は有機酸などの様々な生成物へ変換することができる。得られた生成物は、利用した微生物及びバイオ処理が生じた条件に依存する。他の実施形態において、処理した供給原料を、熱化学的変換又は他の処理へ供することができる。
処理した供給原料を、容易に発酵できる形態へ変換するために、いくつかの実施形態において、例えば、酵素などの糖化剤によって、供給原料中のセルロースを、糖などの低分子量炭水化物へ、最初に加水分解し、このプロセスは糖化と呼ばれる。いくつかの実施形態において、糖化剤は、例えば鉱酸などの酸を含む。酸を使用すると、共生成物は、微生物に対して毒性であるように生成され得、その場合、前記プロセスは、更にそのような共生成物の除去を含むことができる。除去は、例えば、活性炭などの活性化された炭素又は他の適切な技術を用いて、実施することができる。
微生物は、処理された供給原料を糖化することによって生成した低分子量糖を発酵することにより、多数の有用な中間体及び生成物を生成することができる。例えば、発酵又は他のバイオ処理は、アルコール、有機酸、炭化水素、水素、タンパク質又はこれらの材料のいずれかの混合物を生成することができる。
本明細書に記載された方法が糖溶液又は懸濁液を生成する場合、本溶液又は懸濁液を、その後燃料電池中で使用することができる。例えば、セルロース又はリグノセルロース材料由来の糖を利用する燃料電池は、2011年11月22日に出願された米国仮出願番号第61/579,568号明細書に開示され、その開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。
熱化学的変換は、一つ以上の所望の中間体及び/又は生成物を生成するために、処理された供給原料へ行うことができる。熱化学的変換プロセスは、高温で炭素含有材料の分子構造を変換することを含む。具体的な例は、気化、熱分解、改質、部分的な酸化及び(任意の順序での)これらの組み合わせを含む。
蒸留
発酵の後、水及び残留固体の大部分から、エタノール及び他のアルコールを分離するために、得られた流体を例えば、「ビールカラム」を用いて蒸留することができる。ビールカラムを出る蒸気は、例えば、35重量%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とんど共沸した(92.5%)エタノール及び水の混合物を、気相分子篩を用いて純粋な(99.5%)エタノールへ精製することができる。ビールカラムの底部は、三つのエフェクトの蒸発器の第一のエフェクトへ送ることができる。精留カラムの還流凝縮器は、この第一のエフェクトのための熱を提供することができる。第一のエフェクトの後、固体を、遠心分離機を用いて分離し、回転乾燥機で乾燥させることができる。遠近分離器の流出物の一部(25%)を、発酵へ再循環させ、残りの部分を、第二及び第三のエフェクトへ送ることができる。蒸発器濃縮物のほとんどは、低沸点化合物の蓄積を防ぐために、排水処理への少量の部分の分割を用いて、かなりきれいな濃縮物として処理するために、戻すことが可能である。
糖化の間又は後の処理は、例えば、擬似移動床クロマトグラフィーなどのクロマトグラフィー、沈殿、遠心分離、結晶化、溶媒蒸発及びそれらの組み合わせによる、糖の単離及び/又は濃縮を含み得る。更に又は必要に応じて、処理は、糖溶液又は懸濁液中の一つ以上の糖の異性化を含み得る。更に又は必要に応じて、糖溶液又は懸濁的は、例えば、グルコース及びキシロースをそれぞれソルビトール及びキシリトールへ水素化することができるように、化学的に処理することができる。水素化は、例えば、10〜12000usiなどの高圧下で、H2と組み合わせてΡt/γ−Αl203、Ru/Cラネーニッケルなどの触媒を使用することにより、行うことができる。
例えば、一次プロセス及び/又は後処理を用いて、処理されたバイオマスを、エネルギー、燃料、食品及び材料などの一つ以上の生成物へ変換することができる。生成物の具体例は、水素、糖(例えば、グルコース、キシロース、アラビノース、マンノース、ガラクトース、フルクトース、二糖類、オリゴ糖及び多糖類)、アルコール(例えば、エタノール、n−プロパノール、イソブタノール、sec−ブタノール、tert−ブタノール、n−ブタノールなどの一価アルコール又は二価アルコール)、例えば、10%以上、20%以上、30$以上又は40%以上の水を含む水和又は含水アルコール類、糖類、バイオディーゼル、有機酸(例えば、酢酸及び/又は乳酸)、炭化水素、副産物(例えば、セルロース分解タンパク質(酵素)又は単細胞タンパク質のようなタンパク質)、及び、任意の組み合わせ又は相対濃度、及び、必要に応じて、例えば燃料添加剤などの任意の添加剤と組み合わせた、これらの内の任意のものの混合物を含むが、それらに限定されない。他の例は、酢酸又は酪酸などのカルボン酸、カルボン酸の塩、カルボン酸及びカルボン酸の塩及びカルボン酸(例えば、メチル、エチル及びn−プロピルエステル)の混合物、ケトン、アルデヒド、アクリル酸などのα、β不飽和酸、エチレンなどのオレフィン、これらの任意の混合物を含む。他のアルコール及びアルコール誘導体は、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、糖アルコール(例えば、エリスリトール、グリコール、グリセロール、ソルビトールトレイトール、アラビトール、リビトール、マンニトール、ズルシトール、フシトール、イジトール、イソマルト、マルチトール、ラクチトール、キシリトール及び他のポリオール)、任意のこれらのアルコールのメチル又はエチルエステルを含む。他の生成物は、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、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、任意の酸の塩、及び、任意の酸の混合物、及びそれぞれの塩を含む。
改変した植物材料
植物供給材料は、本明細書で議論したように、少なくとも部分的に一種以上の組換え植物から得ることができる。いくつかの場合において、供給原料は、一種以上の植物、及び/又は、一部以上の植物、例えば、茎、果実及びトウモロコシ植物の穂を含む。植物は、例えば、トウモロコシ、大豆、ビート、綿、菜種、ジャガイモ、コメ、アルファルファ、又はサトウキビ植物であり得る。植物はまた、栽培されている多種の遺伝子組替え植物のいずれかであり得る。供給原料は、異なる種類の植物、異なる部分の特定の植物、及び/又は、例えば、バイオマス材料などの他の材料と植物材料の混合物を含み得る。
上述の組換え植物材料に加えて又は代わりに、供給原料は、例えば、遺伝子組換えされているか又はされていなくてもよいバイオマス材料などの、他の材料を含むことができる。バイオマスは、例えば、セルロース又はリグノセルロース材料であり得る。そのような材料は、紙及び紙製品(例えば、ポリコート紙及びクラフト紙)、木材、木材関連材料、例えば、パーティクルボード、草、籾殻、バガス、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、アバカ、わら、スイッチグラス、アルファルファ、乾草、トウモロコシ穂軸、トウモロコシ茎葉、ココナッツの毛;及び、例えば綿などの、セルロース含有量の高い材料を含む。供給原料は、売れ残りなどの未使用のクズとして捨てられる繊維材料、ボロ布などの消費者の廃棄物から得ることができる。紙製品を使用する場合、それらは未使用の材料、例えばクズとして捨てられる未使用の材料か、又は、消費者の使用済みの廃棄物であり得る。未使用の材料、消費者の使用済みの他に、工業用(例えば、端材)、及び処理廃棄物(例えば、紙加工からの流出物)もまた、繊維供給源として使用することができる。バイオマス供給原料はまた、ヒト(例えば、下水)、動物又は植物の廃棄物から得られるか又は由来であり得る。更なるセルロース及びリグノセルロース材料は、米国特許第6,448,307号明細書、第6,258,876号明細書、第6,207,729号明細書、第5,973,035号明細書及び第5,952,195号明細書に記載されている。
適切な酵素は、バイオマスを分解することが可能な、セロビアーゼ及びセルラーゼを含む。
発酵において使用される微生物(単数又は複数)は、天然の微生物及び/又は遺伝子操作された微生物とすることができる。例えば、微生物は、セルロース分解細菌などの細菌、酵母などの真菌、藻類などの植物又は原生生物、粘菌などの原虫又は菌状原生生物であり得る。生物に互換性がある場合には、生物の混合物を利用することができる。
本発明の多数の実施形態を記載してきた。それにもかかわらず、様々な改変が、本明細書の精神及び範囲から逸脱することなくなされ得ることが理解されるであろう。
Claims (27)
- 植物の野生型について改変された前記植物から少なくとも部分的に得られた供給原料の物理的処理を含む、生成物の製造方法。
- 前記供給原料が、リグノセルロース又はセルロース材料を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記植物が、遺伝子組換えされている、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記植物が、組換えDNAを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記植物が、一つ以上の組換え遺伝子を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記植物が、組換えタンパク質を発現する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記植物が、一つ以上の組換え材料を発現する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記組換え材料が、ポリマー又は巨大分子である、請求項7に記載の方法。
- 医薬品、栄養補助食品、タンパク質、脂肪、ビタミン類、油類、繊維、ミネラル類、糖類、炭水化物及びアルコールから成る群から選択された前記供給原料材料を得ることを更に含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 生成物を製造するために、有機体及び/又は酵素を用いて前記供給原料を処理することを更に含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記生成物が糖類を含む、請求項10に記載の方法。
- 前記物理的処理が、前記供給原料の照射を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記照射した供給原料を動物飼料として利用することを更に含む、請求項12に記載の方法。
- 照射が、一つ以上の電子ビーム装置を用いて行われる、請求項12に記載の方法。
- 照射が、供給原料の約5Mrad〜約50Mradの総量の放射線を適用することを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記供給原料が作物残渣を含む、請求項1〜15のいずれか一項に記載の方法。
- 前記供給原料が、トウモロコシ穂軸及び/又はトウモロコシ茎葉を含む、請求項16に記載の方法。
- 前記供給原料が麦ワラを含む、請求項16に記載の方法。
- 前記植物が遺伝子組換えトウモロコシ又はダイズ植物を含む、請求項1〜18のいずれか一項に記載の方法。
- 前記糖類の発酵を更に含む、請求項11に記載の方法。
- 前記植物が、昆虫、真菌性の病気、及び他の害虫及び病気を引き起こす薬剤への耐性の強化;除草剤に対する強化された耐性;干ばつに対する強化された耐性;拡張された温度範囲;貧しい土壌への強化された耐性;強化された安定性又は貯蔵寿命;より豊富な収量;より大きな果実の大きさ;より強い茎;粉砕への強化された耐性;短縮された作物の成熟までの時間;より均一な発芽回数;より高い又は改変されたデンプンの生産;強化された栄養素の生産;改変されたリグニン含有量;強化されたセルロース、ヘミセルロース及び/又はリグニン分解;低減された不応性及び強化されたフィチン酸塩代謝から成る群から選択された改変によって改変されている、請求項1〜20のいずれか一項に記載の方法。
- 前記植物が、遺伝子組換えアルファルファ、ジャガイモ、トウモロコシ、小麦、ビート、綿、菜種、コメ又はサトウキビ植物である、請求項1〜21のいずれか一項に記載の方法。
- 前記植物の野生型について組替えられた植物から少なくとも部分的に得られた供給原料からの糖類を含む、生成物。
- 前記植物の野生型について組替えられた植物から少なくとも部分的に得られた照射された供給原料を含む、生成物。
- 微生物及び/又は楮を更に含む、請求項24に記載の生成物。
- 液体媒体を更に含む、請求項24又は25に記載の生成物。
- 前記植物の野生型について組替えられた植物から少なくとも部分的に得られた、物理的に処理されたセルロース又はリグノセルロース供給原料を含む、生成物。
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