JP4615126B2 - エタノール生産方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、炭水化物をあらゆる多数の供給源から燃料、又は化学反応に使用されるエタノールに変換させる方法に関する。本発明は、従来技術と比較して、炭水化物からのエタノールの収率を大幅に増加させるべく、発酵及び化学反応の組合せを使用する。さらに、動物飼料として使用される高価値副産物が生産されてもよい。
【０００２】
（発明の背景）
エタノールは、人間の飲食物や、工業化学薬品や、燃料或いは自動車からの排気を減少させる組成変更ガソリンのような燃料中の成分として使用される主要な化学薬品である。本発明は主に、化学薬品、又は燃料用途のエタノールの生産に関する。
【０００３】
炭水化物の発酵に基づく、様々な従来のエタノールプロセスがある。最も典型的なプロセスにおいては、穀物から得られた炭水化物がその構成成分の糖に加水分解され、エタノールを生産するべく酵母により発酵される。酵母の代謝による炭水化物の分解の過程で二酸化炭素が生成される。二酸化炭素の生成は酵母による代謝に内在するものである。この酵母によるＣＯ₂の生成は、酵母からのエタノールの収率を、重量を基準として最大約５２％に限定する。ＣＯ₂の価値が低く、典型的には大気へ浪費されて環境上負担になるため、このことはエタノールの経済生産における主な制約となる。
【０００４】
さらに、酵母は、グルコース以外の糖類を利用する能力に乏しい。グルコースが穀物からのデンプンの加水分解により生成される主要な糖である一方、炭水化物一般において生成される唯一の糖ではない。バイオマスをエタノールに反応させる可能性に対して多大な研究努力がされた。農業からの廃棄物の形態のバイオマス、例えばトウモロコシの秣、稲の藁、肥料等や、バイオマスの作物、例えばスイッチ草、或いはポプラ、また、新聞のような都市廃棄物さえも、全てエタノールに変換可能である。しかし、これらのプロセスの主な制約は、発酵媒体を生産するためのバイオマスの処理に起因する水解物の複雑さである。水解物は典型的にグルコースを含有するが、酵母による代謝が不可能な、例えばキシロースのような他の糖類も大量に含有する。これは酵母ベースのエタノールプロセスに対する別の潜在的な収率の制約である。
【０００５】
酵母とは対照的に、バイオマスの加水分解に由来する大部分とまではいかなくても多数の糖類を消費する、酵母以外の有機体の使用が研究されてきた。この例には、キシロースを利用するために遺伝子的操作がなされた、ジモモナス菌（Ｚｉｍｏｍｏｎａｓ ｓｐ. ｂａｃｔｅｒｉａ）及びイーコリ菌（Ｅ．ｃｏｌｉ ｂａｃｔｅｒｉａ）が含まれる。これにより、エタノールに変換可能な基質糖類として可能な選択肢が増加した。エタノール生成用に提案された有機体の類が、典型的にはクロストリジウム菌にある。これらの好熱菌は、酢酸及びエタノールの双方を通常生成する。しかし、これらの有機体は限られた収率のエタノールを生成するものと考えられている。この収率の制限は、今日までにエタノール生産のために提案されてきた、好熱菌を含む全ての有機体においてエタノールが生産される、エムデン−マイヤーホフ経路と呼ばれる生化学経路により定められるものと、エタノール発酵に関する文献で一般的に考えられている。
【０００６】
従って、有機体によるＣＯ₂副生成物に基づく、糖類からのエタノールの収率についての固有の問題に取り組んでいる開発はない。
エタノールを生産するための工業的プロセスの重要な部分は、主として動物飼料あるいは食物に使用される、価値のある副産物の生産である。トウモロコシ乾式粉砕プロセスにおいて、副産物には、蒸留器により乾燥されたグレイン及び可溶物（ＤＤＧ，ＤＤＧＳ）が含まれる。トウモロコシ湿式粉砕プロセスにおいて、副産物には、細菌、グルテンミール及び繊維が含まれる。これらの副産物は動物試料ビジネスに大きな市場がある。しかし、どちらのプロセスにおいても非常に大きな程度まで、炭水化物の部分は大部分がエタノールに変換されている一方、元の穀物中の成分、即ち油、タンパク質、及び繊維の部分は、組成が変化されないままプロセスを通過する。従って、これらの副産物の数値は、植物成分の固有の組成に基づく。
【０００７】
エタノールの他にも、炭水化物から工業的な発酵によって生産可能な他の化学薬品がある。主な例は酢酸と乳酸である。酢酸は酢の形態において主な食物材料であり、主な工業化学薬品である。食用酢は、典型的には、大気の酸素を使用してエタノールを酢酸に酸化させるアセトバクター菌の作用によって、飲用エタノールから生産される。
【０００８】
酢酸の主な工業的利用法は、溶剤として、酢酸ビニルのような他の化学薬品の合成における中間体として、及び酢酸セルロースの生産においてである。酢酸の主要な新用途には、例えば塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）の代わりに道路の除氷剤として使用するための、酢酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡ）の生産が提案されている。腐食性が大幅に小さく、また生物分解性であるため、ＣＭＡはＮａＣｌと比較して、環境に対する影響が大幅に減少されている。
【０００９】
研究者は、炭水化物からの発酵による工業レベルの酢酸の生産を提案している。しかし、発酵による生産は、現在、主として希薄な発酵ブロスからの酢酸の回収に関する経済的要因により存在しない。酢酸は典型的に、発酵ブロスとして水中に約５％以下の低濃度で生成される。酢酸が水よりも高い沸点を有するため、酸を回収するためには、ブロスの約９５％である水の全量を酢酸から蒸留するか、或いは酢酸を回収するためにより複雑なプロセスを使用する必要がある。
【００１０】
酢酸生産の分野に関連するのは、１００％の炭素収率において糖類から酢酸を生産するための独特な生化学経路を使用するバクテリアの１つの類である、いわゆる酢酸生成菌（Ａｃｅｔｏｇｅｎｓ）の使用である。例えば、１モルのグルコースは、クロストリジウムサーモアセチカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｉｃｕｍ）により、３モルの酢酸に変換される。これらのバクテリアは内部においてＣＯ₂を酢酸エステルに変換させる。これらの細菌はホモ発酵型微生物、或いはホモ酢酸生成菌（ｈｏｍｏａｃｅｔｏｇｅｎｓ）と呼ばれる。これらは、いかなる炭水化物もＣＯ₂に変換せず、酢酸を生産するのみである。ホモ酢酸生成菌の例は、本明細書においてその全体が援用される、Drake, H.L. (Editor), Acetogenesis, Chapman & Hall, 1994に開示されている。さらに、これらのホモ発酵型有機体は、典型的にはグルコース、キシロース、フルクトース、ラクトース、その他を含む、広範囲の糖類を酢酸に変換させる。従って、これらは、バイオマスからの複雑な水解物の発酵に特に適合する。しかし、この系統の研究は、天然ガスに基づいたルートに対して競争力を有するように酢酸発酵プロセスの経済的制約を克服していない。
【００１１】
そのため、工業用酢酸は今日、石炭、石油あるいは天然ガスから製造されている。主なプロセスは、天然ガスのメタノールへの変換、及びそれに続くメタノールの一酸化炭素を利用した直接的な酢酸へのカルボニル化である。米国特許第３，７６９，３２９号はこのプロセスについて記載する。
【００１２】
天然ガスルートへ関連して、このプロセスで生産された酢酸のエステルの合成、或いは関連する変形、及びその後のエステルの水素化を経由して、酢酸からエタノールを生産することが提案された。本明細書においてその全体が援用される、米国特許第４，４５４，３５８号、及び４，４９７，９６７号は、合成用ガスから酢酸を生産し、その後、エタノールを生産するべくこれをエステル化し、水素化するプロセスを開示する。アルコールを生産するためのエステルの水素化は公知である。これらのプロセスのいずれも、炭水化物のエタノールへの変換に基づくものではない。
【００１３】
ホモ発酵型乳酸菌を使用して、１００％の炭素収率で炭水化物を変換させる特性を有する、他の部類の公知の発酵がある。これらのバクテリアは、例えば１モルのグルコースを２モルの乳酸に変換させる。このことの関連性とは、これも１００％の炭素収率において、ホモ発酵型酢酸生成菌による酢酸への発酵のための基質として使用してもよいことである。例えば、２モルの乳酸はクロストリジウムフォルミコアセチカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｆｏｒｍｉｃｏａｃｅｔｉｃｕｍ）によって３モルの酢酸に変換される。本発明よりも以前に、本発明の主たる目的である、高収率の炭水化物からのエタノールの生産方法を考案した者は知られていない。
【００１４】
（発明の概要）
本発明の一実施形態によると、炭水化物は発酵と化学的変換の組合せにより、非常に高い炭素収率でもってエタノールに変換されるため、炭水化物をエタノールに変換させる公知のプロセスの主要な制約を克服する。本発明はいくつかの化学的、及び生化学的ステップを、多数の利点を有した新しいプロセスとして組み合わせる。本発明の基本的プロセスは、３つのステップからなる。
【００１５】
１．ホモ型酢酸（ｈｏｍｏａｃｅｔｉｃ）発酵（又はホモ型乳酸（ｈｏｍｏｌａｃｔｉｃ）発酵、及びその後のホモ型酢酸発酵の組合せ）を使用した、非常に高い炭素収率（可能性としては、＞９０％）における多様な炭水化物の酢酸への変換。
【００１６】
２．酢酸の回収、酸性化（必要であれば）、エステル（再利用されたエタノール生成物を使用したエチルエステルが望ましい）への変換。
【００１７】
３．エステルの水素化、エタノール生成、及びエステルからのアルコール成分の再生成。
【００１８】
このプロセスの正味の効果は、非常に高い炭素収率でもって炭水化物をエタノールに変換させることである。このプロセスの副産物としてのＣＯ₂は、炭水化物からは生産されない。
【００１９】
本発明の他の利益は、植物性タンパク質をバクテリアの単細胞タンパク質に変換させることによる、より高価値な副産物の生産である。植物性タンパク質の単細胞バクテリアタンパク質への変換は、タンパク質濃度を増加させ、例えば必須アミノ酸の点から動物飼料用のより価値のある組成を有するようにタンパク質を再構成して、例えば牛乳の生産において、他の利益を提供する可能性が高い。
【００２０】
繊維の分解物や、穀物のセルロースやキシランの分解物の変換は、エタノールの収率に全体として寄与する。
【００２１】
単細胞タンパク質の生産や繊維の利用は本発明の重要な付加的な利益であるが、収率の要素のみが主要な改良であり、単細胞タンパク質の生産又はセルロース繊維の利用がなくてもトウモロコシ湿式粉砕プロセスにおいて実施可能である。
【００２２】
従来技術に対する発明の長所は、下記の１つ以上を含む。
１．公知のエタノールプロセスに比較して明確な経済的利益を有する、原料から生成物の非常に高い収率。
２．このプロセスにより炭水化物からＣＯ₂が生産されず、環境に対して利益を有した、再生可能な原料からエタノールへの大幅に効率的な変換。
【００２３】
３．エタノール生産のための本質的に多様な基質、即ち可能なバイオマス供給源、及びその成分糖類の多様性。
４．例えば単細胞タンパク質のような高価値副産物。高収率で生産される植物性タンパク質の再構成。
【００２４】
本発明の一実施形態において、非常に高い収率を備えたエタノール生産方法が提供される。この方法は、炭水化物源を含有する媒質を酢酸塩、酢酸、或いはこれらの混合物に発酵させるステップを有する。酢酸塩、酢酸、或いはこれらの混合物は、化学的にエタノールに変換される。炭水化物源中の炭素の少なくとも約６０％、より望ましくは少なくとも約８０％、さらに望ましくは少なくとも９０％がエタノールに変換されることが望ましい。原則的には、炭水化物源中の炭素のいずれも二酸化炭素に変換されない。しかし、その後プロセスにおいて水蒸気改質により水素が生成される場合は、その段階において二酸化炭素が生成される。発酵媒質は約２０％未満の窒素を含み、動物飼料として有用なバイオマス副産物を、バイオマス生成物の重量パーセントで少なくとも約１０％産出することが望ましい。炭水化物源にはあらゆる適切な供給源、例えば、トウモロコシ、小麦、バイオマス、木材、紙ゴミ、肥料、チーズ乳清、糖蜜、サトウダイコン、或いはサトウキビを含むことが可能である。トウモロコシのような農産物が使用される場合、トウモロコシは、トウモロコシ及び回収のためのコーン油を生産するべく粉砕可能である。炭水化物源、例えばトウモロコシは、発酵に先立って酵素により加水分解することが可能である。発酵はホモ発酵型菌を使用して行われることが望ましい。発酵は、例えばクロストリジウム属の微生物、例えばクロストリジウムサーモアセチカムやクロストリジウムフォルミコアセチカムのような酢酸生成菌を使用した、ホモ型酢酸発酵である場合がある。
【００２５】
本発明の実施例において、発酵には、炭水化物源を発酵により乳酸、乳酸塩、或いはこれらの混合物に変換した後、これらの乳酸、乳酸塩、或いはこれらの混合物を発酵により酢酸、酢酸塩、或いはこれらの混合物に変換させることを含んでいる。乳酸発酵は、乳酸桿菌属の微生物を使用して達成されたホモ型乳酸発酵である場合がある。代替手段として、炭水化物源は初期の発酵において、ビフィズス菌を使用して、乳酸、乳酸塩、酢酸、酢酸塩、或いはこれらの混合物に変換可能である。典型的には、炭水化物源からの１モルのグルコースは、まず約２モルの乳酸塩に変換され、この乳酸塩は約３モルの酢酸塩に変換される。
【００２６】
発酵にちなんで形成される酢酸は、発酵媒質のｐＨに依存して、酢酸塩の形態であることがある。酢酸塩は酢酸を形成するように酸性化することが可能である。例えば、酢酸塩を炭酸及びアミンと反応させて、炭酸カルシウム及び酢酸塩のアミン錯体を形成可能である。アミン錯体は回収可能であり、アミンを再生成し、酢酸を形成するべく熱分解される。炭酸カルシウムは再使用されるべく回収可能である。酢酸はアルコールを形成するべくエステル化、及び水素化することが可能である。代替手段として、酢酸はエタノールを形成するべく直接水素化されてもよい。エステル化は、反応蒸留により達成されることが望ましい。
【００２７】
本発明の他の実施形態において、酢酸塩を二酸化炭素により酸性化して酢酸及び炭酸カルシウムを生成し、回収用の酢酸エステルにエステル化することが可能である。プロセスは、低圧、又はほぼ大気圧において行われることが望ましい。炭酸カルシウムは所望のｐＨを維持するために、発酵ブロスに再利用されることが望ましい。エステルは揮発性エステルであることが望ましい。本明細書において使用される「揮発性エステル」の文言はエステルが蒸留により回収可能であることを示すため、それが回収される水よりも揮発性を有するべきである。エステル化において使用されるアルコールは、メタノール、エタノール、或いはこれらの混合物であることが望ましい。エステルは、蒸留、例えば反応蒸留によって回収されることが望ましく、その後エタノールに変換される。
【００２８】
反応蒸留は、エステルを反応カラム中で酸性化し、エステル化し、回収することにより達成可能である。エタノールと混合された酢酸塩の希薄水溶液は、カラムの反応部分の上部近傍に導入される。二酸化炭素ガスは、カラムの反応部分の底部近傍に導入される。二酸化炭素は、反応ゾーンにおいて酢酸塩、及びエタノールと反応して、炭酸カルシウム、及び酢酸エチルを生成する。酢酸エチルは、例えば水中の過剰のエタノールと、酢酸エチル、水及びエタノールからなる共沸混合物とを含有する混合物を蒸発させることにより濃縮可能である。共沸混合物は、例えば水を加えることにより、酢酸エチルを多く含む部分と、水やエタノールを多く含む部分とに相分離を生じることにより、過剰のエタノールや水から分離可能である。エタノール及び水は反応ゾーンに返却可能であり、炭酸カルシウムはｐＨをコントロールするべく発酵ブロスに再利用可能である。
【００２９】
本発明の一実施形態においては、原則的にあらゆる炭素及び炭水化物源を二酸化炭素に変換させることなく、炭水化物源からエタノールが生産される。
【００３０】
本発明の他の実施形態おいて、炭水化物源中の炭素の少なくとも６０％、より望ましくは７０％、さらに望ましくは約８０％、さらに望ましくは９０％、さらに望ましくは９５％がエタノールに変換されるように、エタノールが炭水化物源から生産される。
【００３１】
本発明の他の実施形態によると、エステルは、カルボン酸塩の希薄溶液から回収される。カルボン酸塩は二酸化炭素で酸性化されて対応するカルボン酸及び炭酸カルシウムを生成し、同時にアルコールによりエステル化されてエステルを生成する。エステルは回収される。エステルは揮発性エステルであり、アルコールはメタノール、エタノール、或いはこれらの混合物であることが望ましい。エステルは、例えば反応蒸留ような蒸留によって回収可能である。エステルはエタノールに変換可能である。酸性化、エステル化及び回収は反応カラムで行うことが可能である。まず、アルコールと混合したカルボン酸塩希薄水溶液が、カラムの反応部分の上部近傍に導入される。二酸化炭素ガスは、カラムの反応部分の底部近傍に導入される。二酸化炭素は、カルボン酸塩及びアルコールと反応して、炭酸カルシウム、及びカルボン酸塩の揮発性エステルを生成する。エステルは、過剰のアルコール及び水と、エステル、水及びアルコールからなる共沸混合物とを含有する混合物を蒸発させることにより濃縮可能である。共沸混合物は、例えば水を添加することにより、エステルを多く含む部分と、水やアルコールを多く含む部分とに相分離を生じることにより、過剰のアルコールや水から分離可能である。過剰のアルコール及び水は、反応ゾーンに返送可能である。
【００３２】
本発明の実施形態によると、炭水化物源、及び天然ガスは容易に運送可能な液体生成物に変換される。炭水化物源は発酵により酢酸、酢酸塩、或いはこれらの混合物に変換される。酢酸、酢酸塩、或いはこれらの混合物は酢酸エチルに変換される。天然ガス源から得られた水素を使用して、少なくとも酢酸エチルの一部がエタノールに変換される。その後、エタノール、及び生産された酢酸エチルの少なくとも一方は、生産される場所から遠隔な場所へ輸送される。炭水化物源及び天然ガス源は、輸送可能な液体生成物の生産を経済的に実現可能にする距離内に設けられ、この遠隔な場所は、製造のために遠隔地に炭水化物及び天然ガスを輸送することが経済的に実現可能ではないような、十分な距離であることが望ましい。経済的に実現可能な距離は約８００ｋｍ（約５００マイル）未満であり、非経済的な遠隔の距離は約１，６００ｋｍ（約１０００マイル）を超えることが望ましい。例えば、天然ガス源及び炭水化物源をトリニダードのような西インド諸島に設け、遠隔地がテキサス湾海岸のような湾岸であることが可能である。この代わりに、炭水化物源及び天然ガス源をオーストラリア、及びニュージーランドの少なくとも一方に設け、遠隔地をアジア、例えば日本、台湾、朝鮮、中国にすることが可能である。
【００３３】
本発明の他の実施形態において、炭水化物源中の炭素の少なくとも８０％が、エタノールに変換される。この方法は、炭水化物源の酵素による糖類やアミノ酸への加水分解を有する。炭水化物、糖類及び（元々の供給源、又は別の供給源からの）アミノ酸は、ホモ型乳酸発酵によって乳酸、乳酸塩、或いはこれらの混合物に変換される。乳酸、乳酸塩、或いはこれらの混合物はホモ型酢酸発酵によって、酢酸、酢酸塩、或いはこれらの混合物に変換される。発酵ブロスのｐＨは、塩基を使用してｐＨ約６〜８の範囲に維持される。動物飼料として有用なバイオマス副産物がこの発酵から回収可能である。酢酸塩は二酸化炭素により酸性化されて酢酸と炭酸カルシウムを生成し、酢酸は同時にアルコールでエステル化されて揮発性エステルを生成する。揮発性エステルは反応蒸留を使用して回収可能である。あらゆる多数の方法、例えば天然ガスの水蒸気改質により水素が生成される。酢酸エステルが水素化されてエタノールが生成される。
【００３４】
（発明の詳細な説明）
本発明のエタノールプロセスの一実施形態は、高価値生成物の候補を製造するために酵素による粉砕、間接的発酵、及び化学合成のユニークな組合せを使用する。図１はプロセスの簡略化されたブロックフロー図である。トウモロコシ１０が粉砕され２０、油３０が抽出され、残りの材料は、酵素４４を使用して発酵性糖類やアミノ酸に酵素により変換される４０。酢酸及びバクテリアのバイオマス６０が２段階の発酵５０によって生成される。第１段階は、発酵性糖類を乳酸に変換させるべくカセイ菌のような乳酸菌を使用する。発酵の第２段階は、クロストリジウムフォルミコアセチカムのような嫌気性バクテリアを使用して、乳酸、及び第１の発酵からの残余の糖類を、ＣＯ₂副産物を生成せずに酢酸に変換させる。この発酵ステップの組合せは、経口投与の微生物として米国ＦＤＡの必要条件を満たすことが可能なバクテリアのバイオマス６０の副産物を有する酢酸の高収率に帰着する。生成された酢酸は化学合成ステップ（エステル化＋水素化）８０を使用して、エタノール７０に変換される。発酵に由来するバクテリアのバイオマス６０は直接使用可能であるか、或いは単細胞タンパク質（ＳＣＰ）６０と呼ばれる高タンパク濃縮動物飼料に加工することが可能である。
【００３５】
主要なステップの全体的な化学反応は以下のようである。
酵素の処理：（１／ｎ）デンプン＋Ｈ₂Ｏ→右旋性グルコース
発酵１： 右旋性グルコース→２乳酸
発酵２： ２乳酸→３酢酸
エステル化： ３酢酸＋３エタノール→３酢酸エチル＋３Ｈ₂Ｏ
水蒸気改質： １．５メタン＋３Ｈ₂Ｏ→１．５ＣＯ₂＋６Ｈ₂
水素化： ３酢酸エチル＋６Ｈ ₂ →６エタノール
全体：（１／ｎ）デンプン＋１．５メタン＋Ｈ₂Ｏ→３エタノール＋１．５ＣＯ₂ここで、ｎはデンプン分子中の右旋性グルコース単位の数量である。上記の方程式は、トウモロコシ中における唯一の発酵性糖類の供給源としてデンプンを示す。しかし、本発明のエタノールプロセスは、トウモロコシの発酵可能なセルロースやヘミセルロースの分解物も形成する酵素の粉砕プロセスを使用する。酵素の粉砕プロセスは、所定量のコーンから得られた発酵性糖類の量を、従来の湿式粉砕よりも約２０％増加させる。
【００３６】
本発明のエタノールプロセスの高収率の他の理由は、このプロセスにより生成されるＣＯ₂の量及び出所である。本発明のエタノールプロセスにおいて、エタノール１モルごとに、ＣＯ₂は０．５モルのみ生成される。対照的に、従来の発酵経路は、エタノール１モルごとにＣＯ₂を１モル生成する。更に、本発明のエタノールプロセスは、二酸化炭素の炭素供給源として右旋性グルコースではなくより安価なメタンを使用する。より安価な供給源からのより少量のＣＯ₂生成は、プロセスのより良好な経済性に帰着する。
【００３７】
適切な発酵基質の形成
乳酸、又は酢酸の発酵に適切な発酵媒質を設けるための多数のプロセスが最先端技術において公知である。これらは媒質中の窒素の量を最小限にすることにより、単細胞タンパク質の量を最小限にする媒質であることがある。他方、フィード中の窒素の利用を促進させることを試みるプロセスがある。
【００３８】
本発明の目的において、いかなる適切な媒質形成プロセスを使用してよい。
例示のみの目的において、例えば原料としてトウモロコシを使用することが考えられる。粉砕技術の当業者に公知であるような、油の生産のためのクリーニング、細菌除去のような、いくつかの前処理のステップがトウモロコシの粉砕において典型的に使用される。
【００３９】
酸の加水分解も使用されているが、下流の発酵においてバクテリアによる代謝に適切な媒質にトウモロコシを加工するために典型的には酵素的処理が使用される。後で熱殺菌されるスラリーを形成するべく、粉砕されたトウモロコシは、水と混合される。１２０〜１４０℃にトウモロコシスラリーを熱して１〜５分間の保持時間を設けるような連続減菌器が使用可能である。保持チューブは、最小限のデッドスポットを有した乱流（Ｒｅ＞４０００）を設けるようにデザインされているため、過度のカルメル化が生じない良好な減菌が起こることが望ましい。
【００４０】
熱減菌は液化プロセスも開始する。液化中にデンプンの顆粒は膨張し、スラリーの粘性が大幅に上昇する。デンプン分子の解重合により粘性の増加を制限するために、熱に安定なａ−アミラーゼが使用される。これは糖化と呼ばれるプロセスである。ａ−アミラーゼは、デンプン分子中の１，４結合を加水分解する酵素である。これは、デンプン分子内部の結合をランダムにアタックするため内酵素に分類される。粘性の十分な減少は、ｐＨ５．５〜７．０での１０分未満の滞留時間における、デンプンの１０〜１５％の加水分解により達成される。
【００４１】
デンプン分子の加水分解を完了させるために、グルコアミラーゼが使用されることが望ましい。デンプン分子の末端のみをアタックするため、グルコアミラーゼは外酵素である。この酵素は１，４結合と１，６結合の双方を加水分解するため、デンプンのほぼ完全な加水分解が達成される。グルコアミラーゼの最適条件は典型的には５８〜６２℃、ｐＨ４．４〜５．０、及び２４〜４８時間の滞留時間である。より長い滞留時間は、酵素が発酵性でない二糖類の生成、即ち転換や退化と呼ばれるプロセスにも触媒作用を及ぼすので、典型的に有益ではない。
【００４２】
トウモロコシのデンプン部分の利用に加えて、本発明におけるタンパク質のみならず、ヘミセルロース及びセルロースを含む他の主な分解物も利用することが望ましい。これは典型的には従来のエタノールプロセスにおいて行われていない。本発明のより高い収率、及び使用された発酵の多様な気質を利用する能力は、従来のプロセスに対して、これらの追加されたステップの価値を以下に示すように増加する。
【００４３】
ヘミセルロースの加水分解はいくつかの方法で実行可能である。酸の加水分解においてより多数の研究が知られているが、酵素の加水分解も公知である。ヘミセルロースの完全な酵素による加水分解は、酵素の混合物を必要とする。ペンダントアラビノース及びグルクロン酸が、ａ−Ｌ−アラビノフラノシダーゼ及びａ−グルクロニダーゼを使用して、キシロース主鎖から取り除かれる。キシロース主鎖はｅｎｄｏ−ｂ−１，４−キシラナーゼ、及びｂ−キシロシダーゼを使用して加水分解される。
【００４４】
セルロースの利用にも価値がある。セルロースから発酵性糖類への加水分解として多様な方法が公知である。例えば、セルロースは３つのセルラーゼ酵素、即ちｅｎｄｏ−ｂ−グルカナーゼ、ｅｘｏ−ｂ−グルカナーゼ、及びｂ−グルコシダーゼの相乗作用によって加水分解される。ｅｎｄｏ−ｂ−グルカナーゼは、セルロース分子内部の１，４結合をランダムに加水分解する内酵素である。ｅｘｏ−ｂ−グルカナーゼは、セルロース鎖の非還元末端からセロビオース単位（ｂ結合したグルコースの二糖類）を除去する。ｂ−グルコシダーゼは、セロビオース単位を２つのグルコース分子に加水分解する。３つの酵素は、相互作用によりセルロースをグルコース単量体に変換可能である。本発明において使用されるような乳酸菌がセロビオースを直接利用し、このことが加水分解のフィードバック阻害を減少させることも、本発明の特徴である。
【００４５】
ヘミセルロースとセルロースの酵素は過去１０〜２０年にわたって多くの研究研究の中心であった。これらの酵素は、木材のバイオマス材料の、発酵性糖類への効率的変換に必要であり、その後発酵性糖類は従来のプロセスによりエタノールや他の発酵の生成物のための発酵供給原料として使用可能である。草、木材、紙、及び作物残分のようなバイオマス材料は、コーンスターチのようなデンプンベースの材料よりも大幅に安価である。
【００４６】
酵素コストの削減は、同時糖化発酵（ＳＳＦ）と呼ばれるデザインにおいて、発酵プロセスに糖化作用を重ねることにより実現可能である。セルラーゼの生成物阻害は、グルコースをエタノール、或いは他の望ましい発酵生成物に変換することによって回避される。ＳＳＦの原理はデンプン酵素を使用するエタノール工業において数十年間使用されている。この概念がヘミセルラーゼ及びセルラーゼ酵素システムにおいて好都合であることが研究によっても示されている。このプロセスも本発明に使用してもよい。これは、本発明において使用される発酵が、加水分解において生成されるより多数の種類の糖類を利用し、グルコースとして分解物を大量に消費する酵母発酵と比較して加水分解をさらに加速するため、好適なプロセスである。
【００４７】
ヘミセルロースとセルロースを含む繊維の分解物の利用に加えて、本発明においてはタンパク質の分解物を利用することが望ましい。
トウモロコシのタンパク質をより小さなペプチドやアミノ酸に加水分解するためにプロテアーゼ酵素が使用される。これらのアミノ酸やペプチドは、発酵バクテリアのための主要な窒素源である。タンパク質の加水分解は、発酵において窒素同化作用を促進するために必要である。米国特許第４，７７１，００１号は、乳酸発酵によりタンパク質の利用を増加させるためのプロテアーゼ酵素の使用を示す。本明細書は、異なる原料、この場合はチーズ乳清の使用も例示する。本発明の目的において、発酵を補助するために使用されるタンパク質は、例示されるようなトウモロコシ、或いは他のタンパク質供給源に由来することがあり、媒質に混合することが可能である。乳酸、又は酢酸発酵用の適切な発酵媒質を生成し、発酵を阻害しないあらゆるタンパク質源を使用してよい。
【００４８】
最も一般的な実施形態においては、本発明は特定の炭水化物やタンパク質の供給源に依存せず、あらゆる適切な供給源を使用してよい。
発酵
本発明の発酵の部分についての総合的な目的は、発酵性の炭水化物及びアミノ酸を酢酸及び単細胞バクテリアタンパク質に変換させることにある。好適な実施形態において、２段階の発酵プロセスが使用される。第１段階は、ホモ発酵型乳酸菌を使用して発酵性糖類の大部分を乳酸と単細胞タンパク質とに変換させる。第２段階は、ホモ発酵型酢酸生成菌を使用して、乳酸及び残余の炭水化物を酢酸に変換させる。
【００４９】
乳酸発酵ステップは、カセイ菌のようなホモ発酵型乳酸菌を使用して、発酵性糖類を乳酸に変換させる。乳酸菌は、グラム陽性、非胞子形成の酸素耐性嫌気性菌である。これらのバクテリアは、人間を含む大部分の温血動物の口や腸の領域に見出される。いずれも病原性ではなく、動物飼料用の経口投与の微生物として使用可能な有機体として多数が米国ＦＤＡによって承認される。実現可能な菌株は、人間により消費される多数のヨーグルトにも存在する。
【００５０】
図２に示されるように、乳酸はホモ発酵型菌の唯一の代謝生成物である。グルコースは、通常のエムデン−マイヤーホフ解糖経路を使用してピルビン酸塩に代謝される。ピルビン酸塩は単一のＮＡＤを結合させるステップにおいて乳酸に変換される。乳酸菌の大多数は、増殖の最適温度が３５〜４５℃の間である中温性である。細胞増殖は、ｐＨに敏感であり、最適なｐＨは約６．０である。生成物阻害は、４ｗｔ％以上の乳酸の数値において、細胞増殖、及び酸生成の速度論に影響し始める。増殖の完全な阻害は約７ｗｔ％で生じ、酸生成の完全な阻害は約１０〜１２ｗｔ％で生じる。
【００５１】
発酵のフィードは、約５ｗｔ％の発酵性糖類を有し、炭水化物が非常に希薄である。このステップには、シングルステージ連続攪拌タンク反応器（ＣＳＴＲ）型の発酵器が適切である。しかし、バッチ、フェッドバッチ、細胞リサイクル、及びマルチステップＣＳＴＲを含む、あらゆる適切なバイオリアクターを使用可能である。フィード中の低い炭水化物濃度は、細胞増殖及び酸生成の速度論に対する生成物阻害の影響を制限するため、約１８〜２４時間の滞留時間において、右旋性グルコースの９０＋％の変換が可能である。大多数のホモ発酵型菌は、広範な基質糖類を容易に代謝させる。糖類をすべて利用するために、このようにして乳酸発酵とその後の酢酸発酵とを組み合わせることは有利である。
【００５２】
多数の工業的乳酸発酵とは対照的に、本発明は、発酵が窒素制限されるのではなく、炭水化物制限される形態で行われてもよい。従って、大多数の発酵菌を増殖に関連した状態に維持し、増殖に十分な窒素が利用可能であることを保証することにより、バイオマス生産が最大限にされる。あらゆる増殖を付随した発酵において、バイオマス収率は、生産されたＡＴＰの１モル当たり典型的に約１０．５ｇである。乳酸発酵がグルコース１モル当たり全体で２モルのＡＴＰを生成するため、バイオマスの収率は、グルコース１ｇあたり約２（１０．５／１８０）＝０．１２ｇになる。化学量論的には、グルコースの残りの０．８８ｇが０．８８グラムの乳酸に変換される。
【００５３】
単細胞タンパク質のバイオマスの効率的な生産は、本発明の重要な部分である。歴史的な単細胞タンパク質の生産とは対照的に、嫌気性ホモ発酵型菌の発酵を使用することは非常に有利である。これは、全ての有機体のエネルギー生産が、乳酸か酢酸かに関わらず、所望の代謝物質の生産に由来するためである。このことは、好気性発酵の場合のような、無駄な副産物のＣＯ₂がないことを意味する。さらに、ＣＯ₂の生産がないため、発酵により生成される熱も最小限になる。従って、原料炭水化物に含まれていたエネルギーの利用は、価値のある単細胞タンパク質、或いは乳酸や酢酸の生産に向けて最大化される。従来の酵母発酵は、ＣＯ₂として大部分を浪費することに加えて、熱の除去も必要とする。
【００５４】
第１の発酵ステップからの発酵ブロスは、遠心機を使用して浄化される。濃縮物は乳酸菌を含有し、単細胞タンパク質の回収に送られる。生産された単細胞タンパク質の量は、媒質中の発酵に供給されるアミノ酸やペプチドとして加水分解された形態のタンパク質の窒素量に関連する。これは、乳酸菌が幾分の複合窒素供給源を必要とするためゼロでない非常に少量、例えば１％から、約１５％までの、媒質中の窒素に炭水化物を加えた全量に基づく単細胞タンパク質の全体的な収率に及ぶ。単細胞タンパク質の生産を広範囲にわたってコントロール可能であることは、本発明の特徴である。販売可能な生成物を生産するために、単細胞タンパク質はあらゆる適切な手段、例えば噴霧乾燥により加工可能である。
【００５５】
本発明の他の重要な特徴は、動物飼料の原料として価値が増加された単細胞タンパク質の生産である。乳酸発酵からの単細胞タンパク質はこれらの特徴を有する。乳酸発酵からの単細胞タンパク質は、有機体の菌株、及び発酵の特定の条件に依存して、約７０％の高タンパク質濃度を有する。これは良好なアミノ酸の特徴を有する。即ち、例えば、リジン、メチオニン、イソロイシン、トリプトファン、及びトレオニンを含むいわゆる必須アミノ酸を高い割合で含有している。乳酸菌中におけるこれらのアミノ酸を合計した割合は、トウモロコシ核の全量の約１％を有するトウモロコシのタンパク質と比較して、約１０．５％である。トウモロコシのタンパク質組成は、想定するトウモロコシの分解物に依存する。トウモロコシグルテンミールは、例えば、約７．５％を有するが、トウモロコシグルテンフィードは、約２．５％の必須アミノ酸を有する。この増加されたアミノ酸の組成は、動物飼料原料としてのタンパク質値と直接関係がある。
【００５６】
好適な実施形態において、本発明は高い効率において、かつ高価値を有した単細胞タンパク質を生産可能である。
第１の発酵の発酵ブロスからの乳酸菌の分離による分離液は、酢酸生成菌を使用して乳酸塩が酢酸塩に変換される第２の発酵器に供給される。乳酸塩は、多数の自然環境において、酢酸生成菌用の望ましい基質であることがある。乳酸塩基質の発酵率、及び収率は、例えば乳酸塩からの酢酸塩の収率９８％以上のように非常に高くなりうる。
【００５７】
酢酸発酵が典型的には好熱性の菌株を使用し、第２の発酵が高温で行われるため、乳酸菌の不完全な除去は典型的には受容可能である。中温性の乳酸菌による酢酸発酵の汚染は、乳酸菌が典型的にはこれらの高温において増殖不可能なため、典型的には問題にならない。また、第１の発酵器においては、グルコースのほぼ完全な変換が予期されるため、遠心機から第２の発酵器に流出することがある乳酸菌は炭水化物供給源を有さない。
【００５８】
酢酸生成菌は１９３０年代以来公知であり、研究されてきた。Drake, H.L. (Editor), Acetogenesis, Chapman & Hall, 1994は、この分野の十分な概観を与える。酢酸生成菌には、クロストリジウム属、アセトバクテリウム属、ペプトストレプトコッカス属及び他のより少数の公知の種が含まれる。これらの細菌の生息地は、下水道、汚水処理場の嫌気性蒸解施設、自然の沈澱物、シロアリ腸内、反芻胃、及び人間を含む非反芻動物の腸である。病原性のものはまれである。これらの有機体の全ては偏性嫌気性菌であるため、酸素との接触は多くの場合その菌にとって致命的となる。クロストリジウムは、胞子形成菌である。胞子は多くの減菌技術に耐性を有し、胞子形成菌を取り扱うための特別の手段が確立されてきた。アセトバクテリウム属やペプトストレプトコッカス属は胞子形成菌ではない。
【００５９】
図３は、大多数の酢酸生成菌によって使用される代謝経路の簡略な図である。有機体は、通常のエムデン−マイヤーホフ経路を使用してグルコースをピルビン酸塩に代謝する。乳酸もピルビン酸塩に最初に変換させることにより代謝される。有機体は、ピルビン酸塩から通常の酸化経路を使用して酢酸及び二酸化炭素を形成する。酢酸生成菌の主要な独特の特徴は、この酸化ステップで生成されたＣＯ₂が周囲に放出されないことである。代わりに、酢酸生成菌は、ＣＯ₂を固定し、酢酸を追加で１モル形成する代謝経路を有する。
【００６０】
新しい酢酸生成菌の経路は有機体に３つの機能を与える。
１．全ての嫌気性菌のように、代謝のレドックス反応の平衡を保つために、酸素以外の末端電子受容体が必要となる。この場合、二酸化炭素の還元は、エレクトロンシンクの役割を果たす。
【００６１】
２．この経路により細胞のエネルギー（即ちＡＴＰ）が生産される。１モルのグルコースを２モルの酢酸、及び２モルの二酸化炭素に変換させるための代謝経路は、１モルのグルコースの消費につき４つのＡＴＰを生産する。酢酸生成菌の経路の追加は、二酸化炭素から別の酢酸分子を生成し、ＡＴＰ収率をグルコースの１モルあたり４〜６ＡＴＰまで増加させる。追加のＡＴＰは、直接的な基質レベルのリン酸化により形成されず、電子伝達鎖のような他のプロセスにより、及び細胞膜にあるイオンポンプから形成される。第２の源から生産されたＡＴＰの正確な量は、菌株によって多様であり、細胞の環境にも依存する。
【００６２】
３．グルコースのような一般的な炭素供給源が利用可能でない場合においても、細胞の同化経路を使用して二酸化炭素を増殖に必要な細胞の炭素に変換可能である。
【００６３】
酢酸生成菌の中には、酢酸に加えて他の有機酸、例えば蟻酸、プロピオン酸、コハク酸等を生成するものもある。これらの有機体は、酢酸のみを生産するホモ発酵型菌に対して、ヘテロ発酵型と記載される。ヘテロ発酵型の経路は、本発明においては潜在的な収率の損失を示し、適切な菌株選別や、これらの他の有機酸の形成を引き起こす要因の解明は、影響を最小限にする。
【００６４】
現在までの研究の大多数は、クロストリジウム菌に関するものだった。これらの菌株の多くは、増殖のための最適温度が約６０℃の好熱性である。いくつかの反応速度の研究（本明細書においてその全部が援用される、Yang, S.T., Tang, I.C., Okos, M.R., “Kinetics and Mathematical Modeling of Homoacetic Fermentation of Lactate By Clostridium formicoaceticum ”, Biotechnology and Bioengineering, vol. 32, p.797-802, 1988、Wang, D.I., Fleishchaker, R.J., Wang, G.Y., “A Novel Route to the Production of Acetic Acid By Fermentation”, AIChE Symposium Series-Biochemical Engineering: Renewable Sources, No. 181, vol. 74, p. 105-110, 1978 、及びTang, I.C., Yang, S.T., Okos, M.R., “Acetic Acid Production from Whey Lactose by the Co-culture of Streptococcus lactis and Clostridium formicoaceticum”, Applied Microbiology and Biotechnology, vol. 28, p. 138-143, 1988 ）が、ｐＨ及び酢酸塩量の、細胞増殖及び酸生成に対する影響を調べるために行われてきた。これらの有機体は低いｐＨに敏感であり、乳酸菌における濃度よりも大幅に低濃度で生成物阻害が発生する。最適のｐＨは約７であり、最大の酢酸塩許容値はバッチ発酵において約３０ｇ／ｌである。
【００６５】
第２の発酵ステップには、１、又は２ステージのＣＳＴＲ発酵器のデザインが典型的に適切である。しかし、バッチ、フェッドバッチ、細胞リサイクル、及びマルチステップＣＳＴＲを含む、あらゆる適切なバイオリアクターを使用可能である。第１の発酵ステップとは対照的に、酢酸発酵は、炭水化物制限されるのではなく、窒素制限される。乳酸からの酢酸の収率は理論値で８５％以上となりうる。
【００６６】
一実施形態において、本発明の第２の部分、即ち化学反応のために、第２の発酵ステップからのブロスが調製される。一例として、ブロスは遠心機及びマイクロフィルタの組合せにより純化される。遠心機は、バイオマスのバルクを除去し、下流のマイクロフィルタの規模を、負荷を減らすことにより減少させる。マイクロフィルタの透過液は、ナノフィルタ装置に送られる。マイクロフィルタは、ナノフィルタ装置の前フィルタの役割を果たす。ナノフィルタ装置は、約３００以上の分子量を有する、タンパク質や変換前の糖類などを除去する。ナノフィルタ装置は、酢酸塩ブロス中の不純物の大部分を除去し、下流のプロセスに送ることが可能である無色透明の透過液を生成する。
【００６７】
遠心機、マイクロフィルタ、及びナノフィルタからの濃縮液は、単細胞タンパク質において有用な価値を有する物質を回収するために処理されるか、或いは発酵ステップのうちの１つに再利用されてもよい。代替手段として、コンポストや灰化のような、あらゆる条件に合った方法で廃棄されてもよい。
【００６８】
本発明の好適な実施例は２つの発酵の段階、及び単細胞タンパク質の生産を利用するが、これは最も一般的な場合において必要なものではない。酢酸発酵のみのための適切な媒質が設けられてもよい。単細胞タンパク質は生産されないとしても、炭水化物源からの増加した収率が、本発明の重要な長所である。
【００６９】
さらに、本発明の長所を得るためには、原料のヘミセルロースやセルロースの分解物を利用することは必要ではない。この一例は、媒質の大部分が粉砕器により生産された純粋なデンプンやトウモロコシを浸す水であるようなトウモロコシ湿式粉砕器に対する本発明の利用である。本発明はその場合においても、従来の技術と比較して７５％エタノール収率を増加させて、多大な経済的利点を提供する。
発酵ステップの重要な特徴は、あらゆる供給源の炭水化物から酢酸への変換である。
【００７０】
酸性化及びエステル化
本発明の次のステップにおいて、発酵により生産された酢酸や酢酸塩は、酢酸のエステル、望ましくはメチル、又はエチルエステル、より望ましくはエチルエステルに変換される。酢酸や酢酸塩をエステルに変換させるあらゆる適切なプロセスが、本発明の一部として条件を満たしている。
【００７１】
酢酸は、ｐＫａ＝４．７６の弱い有機酸である。発酵がほぼ中性のｐＨ（即ちｐＨ＝７．０）で行われる場合、発酵の生成物は実際には大部分が酸ではなく酢酸塩になる。発酵においては、発酵を中和するためにあらゆる適切な塩基を使用可能である。中和のための好適な薬品は、プロセスの後のステップから再利用可能であるＣａＯ（石灰）、又は炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）により供給可能である、Ｃａ（ＯＨ）₂である。発酵菌により必要とされる条件によって決定されるように、他の中和する薬品、例えばＮａＯＨ、又はＮＨ₄ＯＨを使用することが可能である。しかし、酢酸塩も阻害物となり、発酵ブロスにおける酢酸塩の最大濃度は、通常約５％に制限される。
【００７２】
従って、発酵ブロスのような溶液からの酢酸塩の回収には２つの問題がある。酢酸塩は通常、酸に変換されなければならず、また、酸は希薄な水溶液から除去されなければならない。さらに、コストを削減し、かつ環境に対する影響の可能性を回避するために、発酵の中和に使用される塩基を再利用することが望ましい。
【００７３】
最も典型的な経路は、連続した、酢酸を生成する塩の酸性化、及びそれに続く酸の回収である。塩が希薄な酸溶液に変換された後においても、生成物を水から回収する必要がある。このような希薄溶液を回収するべく、様々なプロセスアプローチが提案されてきた。酢酸が水より高い沸点を有するため、単蒸留が使用される場合は、ブロスの約９５％である大部分の水が、酸を回収するために酢酸から蒸留される必要がある。代替手段として、多くの場合において溶剤抽出と関連して使用されるより複雑なプロセスを、酢酸を回収するべく使用してもよい。しかし、この系統の研究、即ちその後の希薄溶液からの回収を伴う酸性化は、合成ガスに基づいたルートに対して競争力を有するように酢酸発酵プロセスの経済的制約を克服していない。そのため、全ての工業用酢酸は今日、石炭、石油あるいは天然ガスに由来する合成ガスから製造されている。
【００７４】
酢酸塩溶液を酸性化するための多数の方法が提案されてきた。１つの方法は、酢酸（ＨＡｃ）、及び硫酸カルシウム（ＣａＳＯ₄）を生成する、酢酸塩と硫酸のような強い酸との反応である。ＣａＳＯ₄は析出し、酢酸溶液から容易に分離される。しかし、この方法は、酸及び塩基の消費を必要とし、環境上の負担になる副産物の無駄な塩を生成する。他の方法は、塩を酸及び塩基に分割するバイポーラ電気透析（Ｃａ塩類には良好に働かないが、この場合はＮａを代用可能である）である。塩から希薄な酢酸を生成する他のルートが公知である。
【００７５】
本明細書においてその全体が援用される米国特許第４，４０５，７１７号に示されるように、ＣａＣＯ₃の析出、及び抽出され、熱的に再生可能な酸アミン錯体の生成を伴う、カルボン酸塩とアミン及びＣＯ₂との反応も提案されている。
【００７６】
本明細書においてその全体が援用される米国特許第４，２８２，３２３号は、多数の方法でＣＯ₂を使用して酢酸塩を酸性化するプロセスを示している。この特許においては、生成された酢酸は溶剤により分離相に除去される。
【００７７】
酢酸エチルを生成する、酢酸のエステル化は十分理解されている反応である。
【化１】

【００７８】
エステル化は典型的には液相中で行われる。この反応の平衡定数は４．０で、温度にほぼ独立である。この反応の酸触媒には、例えば硫酸やメタンスルホン酸のような強いブレンステッド酸、酸性イオン交換樹脂、ゼオライト、及び水にＣＯ２を溶解させて生成された炭酸を含む、多くの他の物質が含まれる。反応速度は、触媒の種類や濃度、反応温度、及び平衡からの逸脱の程度により影響を受ける。
【００７９】
酸性化及びエステル化のステップの分離を回避することを試みる代替のルートがある。カルボン酸塩は、エステルを直接生成するべく、例えばエタノールのようなアルコールと直接反応させてもよい。Ｃａ塩をアンモニア塩に変換させるために中間のステップを挿入してもよい。このステップにおいて、希薄なＣａ（Ａｃ）₂をＮＨ₃及びＣＯ₂と反応させ、ＮＨ₄Ａｃ及び析出するＣａＣＯ₃を生成する。その後、本明細書においてその全体が援用される米国特許第２，５６５，４８７号に示されるように、酢酸のアンモニア塩は直接エステル化されてもよい。
【００８０】
好適なアプローチ
好適なアプローチは、酢酸の揮発性エステルを直接生成して、エステルをブロスから蒸留するべく、化学、及び相転移の操作を新しい効率的なプロセスに組み合わせることである。
【００８１】
３つの部分は、
１）酢酸、及び塩基として発酵に直接再利用可能なＣａＣＯ₃の析出物を生成するための、発酵ブロスの低圧、又はほぼ大気圧におけるＣＯ₂による酸性化。
２）揮発性エステルを生成するための、メチル又はエチルアルコールのようなアルコールによる、生成された酢酸の同時のエステル化。
３）酸性化及びエステル化の平衡状態を高収率の変換に向かって移行させるための反応蒸留。
【００８２】
エステル化が平衡反応であるため、高収率の変換は、１つ以上の生成物の継続的な除去により反応を右に進めることによって得ることが可能である。ラクチド合成のためにクロノポル（Ｃｈｒｏｎｏｐｏｌ）によって（本明細書において全体を援用する米国特許第５，７５０，７３２号参照）、又は酢酸メチル生成のためにイーストマンケミカルによって（本明細書において全体を援用する、米国特許第４，９３９，２９４号及び第４，４３５，５９５号、並びにAgreda, V.H., Partin, L.R., Heise, W.H., “High-Purity Methyl Acetate Via Reactive Distillation”, Chemical Engineering Process, p. 40-46, February 1990 ）、開発されたものと類似した反応蒸留が経済的な面において関心を引く方法である。本明細書において全体を援用する、米国特許第５，５９９，９７６号は、連続反応蒸留プロセスにおける非常に希薄な酢酸のエステルへの変換を開示する。スー（Ｘｕ）及びチャン（Ｃｈｕａｎｇ）（Xu, Z.P, Chuang, K.T., “Kinetics of Acetic Acid Esterification over Ion Exchange Catalysts”, Can. J. Chem. Eng., pp. 493-500, Vol. 74, 1996）は、本発明において生成されているような、希薄溶液から酢酸のエステルを生成するための反応蒸留が、非常に希薄な溶液から酢酸を除去する望ましい方法であることを示す。この概念においては、酢酸が、蒸留カラム中のエステル化するエタノールの流れに逆行する方式に流れる。本発明においては、酢酸エチルは酢酸よりも揮発性であるため、酢酸エチルが液体の混合物から蒸留されてエステル化反応が右に移行されるため、単一の容器中の高収率の変換を可能にする。本明細書において提案されたプロセスは、同時に酸性化、及び反応蒸留エステル化を組み合わせる点において、これらの例を越える。例として挙げたプロセスは全て、塩ではなく酢酸（又は、クロノポルの場合の乳酸）から開始する。
【００８３】
好適なルートである反応蒸留プロセスの全体的な効果は、ストリームの大部分を形成する水を蒸発させずに、希薄溶液から酢酸を除去することである。
【００８４】
さらに、好適な酸性化のための薬品としてＣａＣＯ₃の析出を伴ってＣＯ₂を使用することは、化学薬品を消費せずに発酵に中和するための薬品を再利用することを可能にする。ＣａＣＯ₃は発酵の中で直接使用可能であるか、又はまず焼成によってＣａＯに変換させることもある。
【００８５】
反応蒸留プロセス８０ａが図４に示される。
反応部：原料である、水４１４に対する酢酸カルシウム４１０（Ｃａ（Ａｃ）２）の希薄（５％）溶液が、エタノール４１８と混合され、反応部４２４の上部のカラム４２２に供給される。ＣＯ₂４２０が、反応部４２４の底部のカラム４２２に供給される。ＣＯ₂４２０と、Ｃａ（Ａｃ）₂４１０及びエタノール４１８との同時の反応が、カラム４２２の中心部分における反応ゾーン４２４において起こり、ＣａＣＯ₃４２８及び酢酸エチル（ＥｔＡｃ）４３２を生成する。
ＣＯ₂（ｇ）＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂ＣＯ₃
Ｃａ（Ａｃ）₂＋Ｈ２ＣＯ₃→ＣａＣＯ₃（ｓ）＋２ＨＡｃ
２ＨＡｃ＋２ＥｔＯＨ→２ＥｔＡｃ
反応混合物で最も揮発性の成分は、酢酸エチル／水／エタノール共沸混合物４３６である。共沸混合物の組成は、８２．６％の酢酸エチル、９％の水、及び８．４％のエタノールであり、７０．２℃の通常沸点を有する。共沸混合物４３６は、幾分のＥｔＯＲ及び水と共に蒸発することにより、反応混合物から除去される。反応ゾーンからの底部生成物は、除去部に流れる、懸濁したＣａＣＯ₃を含む水及びエタノールの溶液である。
【００８６】
分離部：上部分離ゾーン４５０において、共沸混合物はエタノール及び水から分離され、さらに反応混合物から気化される。エタノール水混合物４５４は反応ゾーン４２４へ再利用され、塔頂留出物は共沸混合物４３６である。ＣＯ₂は塔頂濃縮物から分離されて、補給されるＣＯ₂と共にカラムに再利用される。相分離を引き起こして、水及びエタノールを多く含む相を反応蒸留カラム中の適切な箇所に戻す（図示せず）水の追加は、共沸混合物を壊すことが可能である。
【００８７】
除去部：反応部中の順方向のエステル化反応を助長するように余剰のエタノールが使用されるため、除去部４５８は、余剰のエタノールを反応ゾーンに返送する。除去部４５８においては、ＣａＣＯ₃を含有する水のストリームからエタノールが除去され、このストリームはカラム４２２から放出され、例えば遠心器や濾過のような、単純な液相／固相分離器４６２により再利用のための固体ベース４６６、及び水４７０に分離される。
【００８８】
反応蒸留プロセスの全体的な効果は、ストリームの大部分を形成する水を蒸発させずに、希薄溶液から酢酸を除去することにより、比較的濃縮された生成物のストリームを上部において生成することである。３つの部分の一体化はエネルギーの要件を縮小する。生成物エステルの同時除去は、エステル化平衡を転換させ、短時間におけるより高収率の変換を導く。
【００８９】
蒸留システムにおいて析出物を扱うことは稀である。しかし、この場合、析出反応は相の大部分において生じ、一般的なタイプの汚染のような伝熱表面における溶液濃度によるものではない。トウモロコシ乾式粉砕エタノール工業におけるエタノールビール蒸留器は、典型的には単純な構造及び大きな開口部を備えたトレイの使用により、除去部中に装填された固形物を伴う。この代替手段として、反応部を他の構成、例えば、カラム反応部を擬態するべく共通の蒸気マニホールドを備えた一連の攪拌タンクとして作用させることが可能である。
【００９０】
低コスト、低エネルギーにおける酢酸エチルのための一体化された酸性化、エステル化及び浄化プロセスの成功した開発は、現在は再生不能な供給源から生産されている主要な化学薬品を再生可能な供給源から工業規模において経済的に生産することを潜在的に可能とさせる。
【００９１】
再生可能な資源を使用する主な利益は、化石原料の置換と共に、ＣＯ₂生産量の減少にある。輸入された石油を国内の再生可能な資源に置換置換することにより米国経済に利益がある。化学薬品及び液体燃料を補助金なしで生産するための農業物資の使用は、生産物の受容や安定した市場の意味において農場地域社会にとって重要な利益があり、また米国政府補助金のコストを減少させる。
【００９２】
水素化
本発明の第３の主要なステップは、水素化によって酢酸エステルを２つのアルコールに変換させることである。アルコールを生成するエステルの水素化は公知の反応である。
【化２】

【００９３】
本明細書においてその全体が援用される、米国特許第２，７８２，２４３号、第４，１１３，６６２号、第４，４５４，３５８号、及び第４，４９７，９６７号は、酢酸エステルのエタノールへの水素化プロセスを開示する。
【００９４】
本件の場合においては、水素化は液相及び気相のいずれにおいても行うことが可能である。あらゆる適切な水素化プロセスを使用可能である。この反応も平衡反応である。この反応は、水素の高い分圧の使用により右に移行可能である。典型的な反応条件は、所望の変換、及び選択性によって、１５０〜２５０℃、約３４５０〜２０７００ｋＰａ（５００〜３０００ｐｓｉ）である。反応は、あらゆる適切な水素化触媒、例えば、銅クロマイト、ニッケル、レーニー（Ｒａｎｅｙ）ニッケル、ルテニウム及び白金の触媒作用を受けることが可能である。銅クロマイト、ニッケル、又はレーニーニッケル触媒は、水により汚染されないため、水素化に好適である。液相プロセスにおいては、エタノールのようなアルコールが良好な溶剤である。
【００９５】
気相プロセスにおいては、酢酸エチルの供給源が気化され、過剰の水素と共に水素化反応器に供給される。ベッドを通過した後に、蒸気は冷却されて低圧ノックアウトドラムに瞬時に入れられる。水素を多く含む気相は反応器に再利用される。残余の水及び未反応の酢酸エチルを除去するため、液相が蒸留される。水素化反応によって水は生成されない。水の源は、上流の反応蒸留カラムの還流ドラムにある、液体−液体の平衡レベルである。
【００９６】
エステル化、及び水素化の装置からの副産物の性質や量に依存して、別の蒸留カラムが最後の仕上げのステップとして必要となることもある。
生成物のストリームから浄化されなければならない別の化合物のプロセスへの導入を回避するため、好適なエステルは酢酸エチルである。
【００９７】
水除去器は、酸性化、エステル化及び水素化の装置からの水の流れを収集する。水は、溶媒の価値を回復するために蒸気により除去され、次に、最終処理に送られて、廃棄され、又は発酵部に再利用される。
【００９８】
本発明で使用される水素の、多数の可能な供給源が存在する。水素化反応に十分な純度を有し、触媒を汚染しない、水素を生成するあらゆる適切な水素供給源を使用可能である。水素生成用の原料には、電解によって水素を生成可能である水が含まれる。多数の化石や再生可能な有機物の供給材料も使用可能である。化石の供給材料、例えば天然ガスからのメタンが使用される場合、幾分のＣＯ₂が水素と共に生成される。しかし、再生可能な供給材料が使用されると、ＣＯ₂生成は環境に対してニュートラルになる。例えば、分子のレベルにおいて炭素と水素を含んでいる供給材料を、水素を生成するために使用することが可能である。木材チップ、木屑、都市廃棄物、再生紙、パルプ製紙工業からの廃棄物、動物及び／又は作物生産からの固体農業廃棄物は全て、例えば、ガス化技術を使用する水素生成のために使用可能である、再生可能な供給材料の例である。
【００９９】
水素を生成するためのメタンの水蒸気改質は公知のプロセスである。図１に示されるように、天然ガス９０及び水９２を、水蒸気改質器９４の中で反応させ、水素９６、及び二酸化炭素９８を生成する。水素を生成する他の方法（炭化水素の部分酸化、石炭の部分酸化、水の電解等）を使用することも可能である。純粋な酸素が入手可能なところ、例えば、空気分離プラントを備えたフェンスライン操作においては、部分酸化プロセスが経済的に実現可能である。安価な電気供給源が利用可能なところでは、電解が実現可能である。
【０１００】
エタノール生産のための従来技術との比較における本発明の別の利点は、プロセスにおける熱平衡である。本発明において、水素が敷地内で水蒸気改質により製造される場合、高度に発熱を伴うプロセスであるエステルの水素化反応により、一体化されたプラントにおいて、余剰の熱が高温で利用可能である。従って、プロセスの全体は高度にエネルギー効率が良い。さらに、炭水化物原料のいずれも、冷却水に消耗される必要がある熱を付随して生成するＣＯ₂として浪費されない。
【０１０１】
本発明の別の利点は、水素による天然ガスの、液体製品、例えばエタノールへの非常に高収率の変換能力にある。この特徴は、炭水化物源が、天然ガスを生産するか、或いはパイプラインにより輸送が容易であるような供給源に近接して設けられた状況において利用可能である。このことは、ガス、及びサトウキビや他の炭水化物作物の両方を生産する島のような遠隔地において、輸送が容易な液体の化学薬品や燃料を高収率で生産するためのガスの利用を可能にする。例えば、本発明のプロセスを使用するプラントを、天然ガス、及び炭水化物供給源を経済的な価格で入手可能であるトリニダード島に設けることが可能である。このプラントは、経済的に利用される遠隔地、例えばテキサス湾海岸まで液状で輸送するための、ほぼ純粋なエタノールを生成可能である。エタノールは、さらなるプロセスのための燃料、或いは供給材料として使用可能である。例えば、エタノールをエチレンに変換し、既存のエチレンパイプラインシステムにより販売することが可能である。この代替手段として、エタノールは、酢酸エチルの生成用のプラント内に再利用可能である。換言すると、ほぼ全て酢酸エチル、ほぼ全てエタノール、又はこの２つのあらゆる組合せからなる液体製品を生産するためにプラントを使用可能である。天然ガス源及び炭水化物源が互いに比較的近接して設けられるため、これらの供給材料は経済的な方式で遠隔地まで容易に輸送可能なより高価値の液体製品に変換可能である。
【０１０２】
炭水化物源、及び天然ガス供給源は、互いに約８００ｋｍ（５００マイル）以内に配置されることが望ましく、さらには互いに約４８０ｋｍ（３００マイル）以内に配置されることが望ましく、さらには互いに約３２０ｋｍ（２００マイル）以内に配置されることが望ましい。輸送可能な液体製品が配置される、炭水化物や天然ガスの経済的な輸送が実現可能でない遠隔地は、製造地から例えば約１３００ｋｍ（８００マイル）以上離れていることが望ましく、さらには約１６，０００ｋｍ（１，０００マイル）、さらには約２４，０００ｋｍ（１，５００マイル）離れていることが望ましい。天然ガスの供給源に炭水化物源を輸送することが、一般により容易であることが認識される。経済的利点を享受する特定の距離が、供給材料の価格、運送可能な液体製品の価格、及び輸送費に依存して変化することも認識される。当業者に認識されるように、輸送費は、地理的障害、例えば山岳地帯、水塊等を含む多数の要因により影響を受け、距離のみに依存しない。さらなる例として、天然ガス源及び炭水化物源がオーストラリア、及びニュージーランドの少なくとも一方に発見されることがある。これらの島国に設けられたプラントは、アジア、特に日本、台湾、韓国及び中国に輸送されるためのエタノール、及び／又は酢酸エチルを生成可能である。
【０１０３】
本発明の様々な実施形態が詳細に記載されてきたが、これらの実施形態の変更、及び翻案が当業者により想到されることは明らかである。しかし、このような変更、及び翻案は本発明の趣旨及び範囲内にあるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のプロセスの一実施形態のブロック図。
【図２】 グルコースから乳酸塩への変換の代謝経路。
【図３】 グルコースから酢酸塩への変換の代謝経路。
【図４】 反応蒸留の一実施形態を示す構造図。

Claims (12)

1. （ａ）炭水化物源からなる媒質をホモ型酢酸生成菌を用いて酢酸塩、酢酸、又はこれらの混合物に発酵させるステップと、
   （ｂ）前記酢酸塩、酢酸、又はこれらの混合物をエタノールに化学的に変換させるステップとを有し、前記炭水化物源中の炭素の少なくとも７０％がエタノールに変換される、高収率のエタノールの生産方法。
2. 前記炭水化物源は、トウモロコシ、小麦、バイオマス、木材、紙ゴミ、肥料、チーズ乳清、糖蜜、サトウダイコン、及びサトウキビからなるグループから選択される請求項１に記載の方法。
3. 前記ホモ型酢酸生成菌は、クロストリジウム属の菌である請求項１に記載の方法。
4. 前記発酵させるステップは、
   （ｉ）炭水化物源をホモ型乳酸発酵により乳酸、乳酸塩、又はこれらの混合物に変換するステップと、
   （ｉｉ）乳酸、乳酸塩、又はこれらの混合物を発酵により酢酸、酢酸塩、又はこれらの混合物に変換するステップとを有する請求項１に記載の方法。
5. 前記酢酸は、前記発酵させるステップにおいて生成された酢酸塩を、（ｉ）酢酸塩と炭酸及びアミンを反応させて炭酸カルシウム及び酢酸塩のアミン錯体を形成するステップと、
   （ｉｉ）アミン錯体の回収し、アミンを再生成して酢酸を形成すべく熱分解するステップと、
   （ｉｉｉ）炭酸カルシウムを回収するステップとによって酸性化することにより生成され、前記酸性化のステップにおいて生成された炭酸カルシウムは、前記発酵のステップに再利用される、請求項１に記載の方法。
6. 前記ステップ（ｂ）は、
   （ｉ）アルコールの存在下において前記酢酸を酢酸エステルにエステル化するステップと、
   （ｉｉ）前記酢酸エステルを前記エタノール及び前記アルコールに水素化するステップとを有する請求項１に記載の方法。
7. 前記ステップ（ｂ）は、前記酢酸を前記エタノールに水素化するステップを有する請求項１に記載の方法。
8. 前記ステップ（ｉｉ）において生成されたアルコールは、前記ステップ（ｉ）に再利用される請求項６に記載の方法。
9. 前記アルコールはエタノールであり、前記酢酸エステルは酢酸エチルである請求項６に記載の方法。
10. 前記水素化のステップのための水素は、バイオマスから生成される請求項６に記載の方法。
11. （ａ）前記酢酸塩を二酸化炭素により酸性化して酢酸及び炭酸カルシウムを生成するステップと、
    （ｂ）前記酢酸をアルコールによりエステル化してエステルを形成するステップと、
    （ｃ）前記エステルを回収するステップと、
    （ｄ）所望のｐＨの維持を補助するために前記炭酸カルシウムを発酵ブロスに再利用するステップとをさらに有する請求項１に記載の方法。
12. （ａ）炭水化物源を酵素により糖類及びアミノ酸に加水分解するステップと、
    （ｂ）炭水化物、糖類、及びアミノ酸を、ホモ型乳酸発酵により、乳酸、乳酸塩、又はこれらの混合物に変換するステップと、
    （ｃ）前記乳酸、乳酸塩、又はこれらの混合物を、ホモ型酢酸発酵により、酢酸、酢酸塩、又はこれらの混合物に変換するステップと、
    （ｄ）塩基を使用して発酵ブロスのｐＨをｐＨ約６〜８に維持するステップと、
    （ｅ）動物飼料として有用なバイオマス副産物を発酵から得るステップと、
    （ｆ）前記酢酸塩を二酸化炭素により酸性化して酢酸及び炭酸カルシウムを生成し、同時に酢酸をアルコールによりエステル化して酢酸エステルを生成するステップと、
    （ｇ）反応蒸留を使用して前記酢酸エステルを回収するステップと、
    （ｈ）天然ガスを水蒸気改質の対象にすることにより水素を生成するステップと、
    （ｉ）酢酸エステルをエタノールに水素化するステップとを有し、前記炭水化物源の炭素の少なくとも約８０％がエタノールに変換される、炭水化物源からエタノールを生産する方法。

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