JP4991700B2 - バイオマス処理のためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
本発明は、エネルギー省によって授与された契約番号04−03−CA−70224の下で米国政府後援でなされたものであった。政府は本発明における特定の権利を有する。
a)i)少なくとも1つの端部上に開口部を有する筒状反応容器と、
ii)前記容器の内部に取り付けられた1つもしくはそれ以上のバッフルと、
iii)反応容器の内部に制限なく浮遊するペレットを含んでなる摩擦媒体と、
iv)1つもしくはそれ以上のポートを含んでなる前記容器開口端用カバーと、
v)反応容器の長さを延ばしかつiv)のカバー内の第1のポートに接続する注入ランスである、処理反応体を送達するための手段を含んでなる注入ランスと、
を含んでなる装置と、
b)容器のバッフルを回転させるための手段と、
を含んでなるバイオマスをバッチ処理するための装置を含むシステムを提供する。
a)バイオマスを請求項1に記載の装置の反応容器に導入する工程と、
b)処理反応体を反応容器に導入する工程と、
c)前記処理反応体を前記バイオマスに反応容器のバッフルを回転することによって吸収させ、それによりバッフルが摩擦媒体を上下させる工程と、
を含んでなるバイオマスの処理方法を提供する。
a)請求項1に記載の装置の反応容器内でバイオマスを前処理し、前処理されたバイオマスを生産する工程と、
b)反応容器内で(a)の前処理されたバイオマスの温度およびpHを調節する工程と、
c)反応容器内で(b)の調節された前処理されたバイオマスを糖化する工程と、
を含んでなるバイオマスの処理方法を提供する。
a)バイオマスを請求項1に記載の装置の反応容器に導入する工程と、
b)反応容器内で処理条件を変化させる工程と、
c)処理されたバイオマスを、前記変化させた処理条件下で前記1つもしくはそれ以上のポートを介してサンプリングする工程と、
d)前記試料を試験してバイオマスを処理するための最適な処理条件を決定する工程と、
を含んでなる処理方法を最適化するための方法を提供する。
本開示では多数の用語が用いられる。以下の定義が提供される。
本バイオマス処理システムは、図1中の概略図を参照することにより最も理解されうるものであり、システムの一実施形態を示す。システムの装置は、1つの閉鎖端(11)および1つの開口端(12)を有する筒状反応容器(10)を含んでなる。取り外し可能なカバー(13)は、開口端上部にかみ合い、容器の開口端にしっかりと締め付けられうる。カバー内には少なくとも1つのポートが存在する。注入ランス(14)は、カバー(15)の中央にあるポートを通って反応容器に延在する。注入ランスは、ポートから筒状反応容器の縦中央を通って延在するチューブである。ポート(16)から遠位にある注入ランスの端部は密封される。注入ランスはその全長に沿って穴を有し、それらはV形状(17)に整列されている。これらの穴により、注入ランス内部から約10時および2時の上方にある反応容器への内容物の脱出が可能になる。さらに、ランスが接続されるポートを通して真空源が適用されることで、容器内部に真空が創出されうる。反応容器内の空間に延在するバッフル(18)が容器の内部表面に取り付けられ、それらは注入ランスに接触することはない。反応容器の内部には、浮遊性摩擦媒体(19)が存在する。装置は、バイオマス処理システム内の反応容器を回転するのに使用されるローラー(20)上に水平に設けられる。
本システムは、異なる方法を用いる異なるタイプの処理を含む、バイオマスの処理を目的に設計される。一実施形態では、システムはバイオマスの前処理方法において用いられる。別の実施形態では、システムはバイオマスの糖化方法において用いられる。これら2つのタイプのバイオマス処理は、同じバイオマス試料に対して連続的にまたは異なるバイオマス試料に対して個別に実施されうる。バイオマス試料は、別の装置にて前処理され、かつ本システムの装置にて糖化される場合がある。バイオマス試料は、本装置にて前処理され、次いで別の装置にて糖化される場合がある。
以上、本発明を要約すれば以下のとおりである。
1.a)i)少なくとも1つの端部上に開口部を有する筒状反応容器と、
ii)前記容器の内部に取り付けられた1つもしくはそれ以上のバッフルと、
iii)反応容器の内部に制限なく浮遊するペレットを含んでなる摩擦媒体と、
iv)1つもしくはそれ以上のポートを含んでなる前記容器開口端用カバーと、
v)処理反応体を送達するための手段を含んでなる注入ランスであって、ここで、前記手段が、前記反応容器の長さを延ばし、かつiv)の前記カバー内の第1のポートに接続している、注入ランスと、
を含んでなる装置と、
b)容器のバッフルを回転させるための手段と、
を含んでなるバイオマスをバッチ処理するためのシステム。
2.摩擦媒体が反応容器の容積の約10%未満を占める前記1に記載の装置。
3.反応容器カバー内のポートに接続された回転ジョイントをさらに含んでなる前記1に記載の装置。
4.第2のポートが、反応体を反応容器に添加するためのポートであるか、反応容器の内容物をサンプリングするためのポートであるか、または両方である前記1に記載の装置。5.前記容器が約−10℃〜約220℃の範囲の温度に耐える能力がある非腐食性材料よりなる前記1に記載の装置。
6.容器が約4℃〜約170℃の範囲の温度に耐える能力がある前記5に記載の装置。
7.前記材料がステンレス鋼である前記5に記載の装置。
8.前記容器が最大約1200kPaの圧力に耐える能力がある非腐食性材料よりなる前記1に記載の装置。
9.容器が最大約310kPaの圧力に耐える能力がある前記8に記載の装置。
10.前記バッフルが反応容器の内部表面に対して垂直な角度で取り付けられる前記1に
記載の装置。
11.前記処理反応体がアンモニアを含んでなる水溶液である前記1に記載の装置。
12.前記処理反応体が糖化酵素混合物である前記1に記載の装置。
13.温度制御のための手段をさらに含んでなる前記1に記載のシステム。
14.温度制御のための前記手段が温度制御ジャケットまたは外付けインキュベータである前記13に記載のシステム。
15.ポートに接続される真空源をさらに含んでなる前記1に記載のシステム。
16.前記システムが、バイオマス−反応混合体の約15重量パーセント〜約80重量パーセントの範囲の高い乾燥バイオマス濃度でバイオマスの処理を行う前記1に記載のシステム。
17.前記システムが、バイオマス−反応混合体の約15重量パーセント〜約60重量パーセントの範囲の高い乾燥バイオマス濃度でバイオマスの処理を行う前記1に記載のシステム。
18.回転用の前記手段が、ローラー、シャフトおよびクランク、ベルト、ホイール、またはトラニオンベアリングである前記1に記載のシステム。
19.a)バイオマスを前記1に記載の装置の反応容器に導入する工程と、
b)処理反応体を反応容器に導入する工程と、
c)前記処理反応体を前記バイオマスに反応容器のバッフルを回転することによって吸収させ、それによりバッフルが摩擦媒体を上下させる工程と、
を含んでなるバイオマスの処理方法。
20.前記方法がバイオマスの前処理方法である前記19に記載の方法。
21.前記処理反応体がアンモニアを含んでなる水溶液である前記20に記載の方法。
22.前記方法が糖化方法である前記20に記載の方法。
23.前記処理反応体が糖化酵素混合物である前記22に記載の方法。
24.a)前記1に記載の装置の反応容器内でバイオマスを前処理し、前処理されたバイオマスを生産する工程と、
b)反応容器内で(a)の前処理されたバイオマスの温度およびpHを調節する工程と、
c)反応容器内で(b)の調節された前処理されたバイオマスを糖化する工程と、
を含んでなるバイオマスの処理方法。
25.a)バイオマスを前記1に記載の装置の反応容器に導入する工程と、
b)前記バイオマスをアンモニアを含んでなる水溶液と接触させ、反応容器内でバイオマス−水性アンモニア混合物を形成する工程であって、ここでアンモニアはバイオマス−水性アンモニア混合物のアルカリ性pHを維持するための少なくとも十分な濃度で存在するが、前記アンモニアはバイオマスの乾燥重量に対して約12重量パーセント未満で存在し、かつさらにバイオマスの乾燥重量はバイオマス−水性アンモニア混合物の重量に対して少なくとも約15重量パーセントの高固体濃度にある工程、
を含んでなるバイオマスの前処理方法。
26.a)場合により前処理されているバイオマスを準備して、容易に糖化可能な組成物を準備する工程と、
b)(a)のバイオマスを加水分解可能な酵素共同体を準備する工程と、
c)前記1に記載の装置内で(b)の酵素を(a)のバイオマスに吸収させる工程と、を含んでなる前処理されたバイオマスを高い乾燥バイオマス濃度で糖化するための方法。27.発酵性糖が生産される前記26に記載の方法。
28.バイオマスの乾燥重量が、バイオマス−反応混合体の重量に対して少なくとも約15重量パーセントの高固体濃度にある前記26に記載の方法。
29.バイオマスが、スイッチグラス、紙くず、製紙汚泥、トウモロコシ粒、トウモロコシ穂軸、トウモロコシの皮、コーンストーバー、草、小麦、小麦のわら、まぐさ、大麦、大麦のわら、稲わら、サトウキビバガス、モロコシ、大豆、穀物の加工から得られる成分、木、枝、根、葉、ウッドチップ、おがくず、低木およびブッシュ、野菜、果物、花、な
らびに動物糞尿よりなる群から選択される前記25または26に記載の方法。
30.バイオマスが、トウモロコシ穂軸、コーンストーバー、トウモロコシの皮、サトウキビバガス、おがくず、スイッチグラス、小麦のわら、まぐさ、稲わら、および草よりなる群から選択される前記29に記載の方法。
31.バイオマスが、トウモロコシ穂軸、コーンストーバー、おがくず、およびサトウキビバガスよりなる群から選択される前記30に記載の方法。
32.前記バイオマスが複数の供給原料由来である前記25または26に記載の方法。
33.a)バイオマスを前記1に記載の装置の反応容器に導入する工程と、
b)反応容器内で処理条件を変化させる工程と、
c)処理されたバイオマスを、前記変化する処理条件下で前記1つもしくはそれ以上のポートを介してサンプリングする工程と、
d)前記試料を試験してバイオマスを処理するための最適な処理条件を決定する工程と、
を含んでなる処理方法を最適化するための方法。
34.前記変化する条件が、pH、温度、処理反応体および処理反応体の濃度、バイオマス−反応混合体中のバイオマスの初期乾燥重量百分率、バイオマスのタイプおよび形態、不活性雰囲気のタイプ、圧力、方法反応体における供給方法、ならびに加工時間を含む前記33に記載の方法。
35.前記処理方法が糖化方法である前記33に記載の方法。
36.前記処理方法が前処理方法である前記33に記載の方法。
以下の略語が用いられる。
「HPLC」は高性能液体クロマトグラフィー、「C」は摂氏、「kPa」はキロパスカル、「m」はメートル、「mm」はミリメートル、「kW」はキロワット、「μm」はマイクロメートル、「μL」はマイクロリットル、「mL」はミリリットル、「L」はリットル、「min」は分、「mM」はミリモル、「cm」はセンチメートル、「g」はグラム、「kg」はキログラム、「wt」は重量、「hr」は時間、「temp」または「T」は温度、「theoret」は理論、「pretreat」は前処理、「DWB」はバイオマスの乾燥重量である。硫酸、水酸化アンモニウム、酢酸、アセトアミド、酵母抽出物、2−モルホリノエタンスルホン酸(MES)、カリウムリン酸塩、グルコース、キシロース、トリプトン、塩化ナトリウムおよびクエン酸を、シグマ−アルドリッチ(Sigma−Aldrich)(セントルイス(St.Louis)、ミズーリ州)から入手した。
図2に示すような寸法および特徴を有しかつ本明細書中、上記のバイオマス処理装置はPEHReactorと称されるものであり、以下の実施例にてそれを使用した。つまり、9LのPEHReactor(NREL、ゴールデン(Golden)、コロラド州にて構築)は、処理反応体を導入するための注入ランスを具備する約15cm×51cmのステンレス鋼製の反応容器を有する。注入ランスは、容器の一端部上でカバー内のポートに回転ジョイントを用いて接続され、それは容器に接近するための追加ポートを有する。4つのバッフルが容器壁の全長にわたり、壁に垂直に取り付けられる。バッフルおよび容器内で浮遊している3.2cm×3.2cmの22個のセラミック製の摩擦媒体シリンダー(E.R.アドバンスド・セラミックス(E.R.Advanced Ceramics)、イーストパレスタイン(East Palestine)、オハイオ州)は、容器回転時でのバイオマスと反応体との機械的混合を適用したものであり、それにより反応体のバイオマスへの吸収が促進される。PEHReactorは回転のための機構を提供するベルコ・セル−プロダクション・ローラー・アパラタス(Bellco Cell−Production Roller Apparatus)(ベルコ・テクノロジー(Bellco Technology)、ヴァインランド(Vineland)、ニュージャージー州)上に設けられ、ローラー装置を具備する反応器は熱を供給する温度制御チャンバー内に収容される。温度制御チャンバーは、ベルコ・セル・プロダクション・アパラタス(Bellco Cell Production Apparatus)を囲むコルク製の絶縁パッドを支持するためのアルミニウムフレームよりなり、それにPEHR反応器内の注入ランスの中央を通して挿入される熱電対により制御されるヒーターが取り付けられる。真空および圧力を、カバー内でランスに接続されたポートに外部ソースを取り付けることにより、反応容器に適用可能である。
4リットルのスチームガン反応器(オートクレーブ・エンジニアーズ(Autoclave Engineers)、エリー(Erie)、ペンシルバニア州)は、2つのボール弁によって閉鎖される長さ102mmで計画された80ハステロイ(Hastelloy)(登録商標)パイプより構成される蒸気ジャケット付き反応器である。追加の電気ヒーターを、反応器のジャケットが付いていない露出された全表面上に設け、かつ前処理の定値温度に制御する。バイオマスを最高の前処理温度まで速やかに誘導するため、直接蒸気注入も用いられる。蒸気圧を調節および制御し、所望の前処理温度を維持する。反応器の底部を51mmにネックダウンする。すべての前処理した材料を、反応器の底部で交換可能なダイを通して排出させ、厚肉のジャケット付き冷却フラッシュタンク内部で支持された0.21m3のナイロン(ホットフィル(Hotfill)(登録商標))製バッグ内に回収する。
糖、アセトアミド、乳酸および酢酸含有量の測定
糖化液中の可溶性糖(グルコース、セロビオース、キシロース、ガラクトース、アラビノースおよびマンノース)、アセトアミド、乳酸ならびに酢酸を、適切なガードカラムを有するバイオ・ラッド(Bio−Rad)HPX−87Pおよびバイオ・ラッド(Bio−Rad)HPX−87Hカラム(バイオ・ラッドラボラトリーズ(Bio−Rad Laboratories)、ハーキュリーズ(Hercules)、カリフォルニア州)を用い、HPLC(アジレント(Agilent)モデル1100、アジレント・テクノロジーズ(Agilent Technologies)、パロアルト(Palo Alto)、カリフォルニア州)によって測定した。試料のpHを測定し、必要に応じ硫酸を用いて5〜6に調節した。次いで、試料を直接に0.2μmのシリンジフィルターを通してHPLCバイアルに通過させた。HPLCの稼動条件は以下の通りであった。
HPX−87P(炭水化物用):
注入容量:10〜50μL、濃度および検出器の限界に依存
移動相:HPLCグレードの水、0.2μmに濾過および脱気
流速:0.6mL/分
カラム温度:80〜85℃、ガードカラム温度<60℃
検出器温度:可能な限り主カラム温度に近い
検出器:屈折率
実行時間:35分間のデータ収集に加え、実行後の15分間(後の溶出化合物のために可能な調節を行う)
バイオ・ラッド(Biorad)アミネックス(Aminex)HPX−87
H(炭水化物、アセトアミド、乳酸、および酢酸を対象)
注入容量:5〜10μL、濃度および検出器の限界に依存
移動相:0.01N硫酸、0.2μmに濾過および脱気
流速:0.6mL/分
カラム温度:55℃
検出器温度:可能な限りカラム温度に近い
検出器:屈折率
実行時間:25〜75分間のデータ収集
PEHReactor内の高いバイオマス濃度でのバガスの前処理;低濃度での糖化に対する比較
摩擦媒体を全く有しないPEHReactor(「一般的方法」に記載)に1.27cmに粉砕したバガス(370g、乾燥重量を基準)を負荷した。このサトウキビバガスは、元々ハワイ・シュガー・プランターズ・アソシエーション(Hawaii Sugar Planters Association)、クニア(Kunia)支局、オアフ(Oahu)、ハワイ州から入手したサトウキビクローンH65−7052由来のNIST参照材料RM8491であった。それを、ワイリー(Wiley)製ミルで粉砕し、2mmのスクリーンを通過させ、その際に微粉(+74メッシュ)を除去した。反応容器を、外表面上で氷と接触状態で回転することにより4℃に冷却した。真空を反応容器に適用し、冷室内で4℃で予備冷却しかつ氷水槽内に浸漬したチュービングを通過させた希釈水酸化アンモニウム溶液を注入することで、4g/バイオマスの乾燥重量100gのアンモニア濃度および45g/バイオマス−水性アンモニア混合物全体100gの濃度にあるバイオマスの乾燥重量が得られた。アンモニアおよびバガスを負荷した反応容器を、氷を回転する反応容器の表面に適用して4℃に冷却し、4℃で30分間回転させた。この時点で、内容物を「一般的方法」に記載のスチームガン反応器に移した。一旦スチームガン反応器にアンモニア−バガス混合物を負荷し、温度を145℃に上昇させ、混合物の温度を20分間保持した。前処理時間の最後に、バガスをスチームガン反応器から2.54センチの環状ダイを通してフラッシュタンクに排出した。次いで、前処理したバガスの試料を振盪フラスコ内で糖化し、別の試料(約163gの乾燥重量)をPEHReactor内で糖化した。振盪フラスコでの糖化を、前処理されたバイオマス−糖化酵素共同体混合物の総重量に対して5乾燥重量%のバイオマスにて行う一方、PEHReactorでの糖化を、前処理されたバイオマス−糖化酵素共同体混合物の総重量に対して30乾燥重量%のバイオマスにて行った。50mMクエン酸緩衝液を添加して、糖化の間pHは5.5に制御され、温度を50℃で維持した。
PEHReactor内での高いバイオマス濃度でのイエロ−ポプラおがくずの前処理;低濃度糖化に対する比較
摩擦媒体を有しないPEHReactorにイエロ−ポプラおがくず(596g、乾燥重量を基準;ソーミラー(Sawmiller Inc.)、ヘイデンヴィル(Heydenville)、オハイオ州から購入)を負荷した。反応容器に真空を適用し、希釈水酸化アンモニウム溶液を注入し、6g/バイオマスの乾燥重量100gのアンモニア濃度および44g/バイオマス−水性アンモニア混合物全体100gの濃度にあるバイオマスの乾燥重量が得られた。実施例1に記載のようにアンモニアおよびイエロ−ポプラおがくずを負荷した反応容器を4℃にし、4℃で30分間回転させた。この時点で、内容物をスチームガン反応器に移した。一旦スチームガン反応器にアンモニア−ポプラ混合物を負荷すると、温度を145℃に上昇させ、混合物の温度を20分間保持した。前処理時間の最後に、イエロ−ポプラおがくずをスチームガン反応器から2.54センチの環状ダイを通してフラッシュタンクに排出した。次いで、実施例1に記載のように、振盪フラスコ内で前処理したイエロ−ポプラおがくずの試料を糖化し、別の試料をPEHReactor内で糖化した。振盪フラスコでの糖化を、前処理されたバイオマス−糖化酵素共同体混合物の総重量に対して5乾燥重量%のバイオマスにて行う一方、(約279gの乾燥重量の前処理されたおがくずを使用する)PEHReactorでの糖化を、前処理されたバイオマス−糖化酵素共同体混合物の総重量に対して30乾燥重量にて%のバイオマス行った。前処理されていないイエロ−ポプラおがくずもまた、振盪フラスコ内で前処理されたバイオマス−糖化酵素共同体混合物の総重量に対して5乾燥重量%のバイオマスにて糖化した。あらゆる糖化を、28.4mg/gのセルロース、スペザイム(Spezyme)CP(登録商標)セルラーゼおよび28.4mg/gのセルロース、マルチフェクト(Multifect)(登録商標)キシラナーゼを用い、50℃およびpH5.5で96時間かけて行った。下記の表2に示す収率は、理論収率の百分率として公表されたものである。
PEHReactor内のより高い乾燥バイオマス濃度でのトウモロコシ穂軸の前処理および糖化
全粒トウモロコシ穂軸を、約0.95cmのジョー間隔を有するジョークラッシャー(2.2kWモーター)、その後にデランパー(delumper)(1.5kWモーター、フランクリン・ミラー(Franklin Miller Inc.)、リビングストン(Livingston)、ニュージャージー州)で処理し、その後に1.9cmの米国標準スクリーンを備えたスウェコ(Sweco)スクリーンでスクリーニングした。約805gの粉砕トウモロコシ穂軸をPEHReactorに負荷した。トウモロコシ穂軸中の含水率は約7%であった。負荷に先立ち、反応容器内の雰囲気を窒素で5回フラッシュした。実験開始前、全く摩擦媒体を有しない反応器を回転させずに75℃に予備加熱した。反応容器内の温度が75℃で安定化した時、インキュベータ内の回転機構を作動させ、回転を19rpmに調節した。次いで、アンモニア6g/バイオマスの乾燥重量100gのアンモニア濃度および固体濃度としてバイオマスの乾燥重量50g/バイオマス−アンモニア混合物の総重量100gを得るために、適量の希釈水酸化アンモニウム溶液を反応器内にポンピングした。1g/バイオマスの乾燥重量100gのエタノールもまた溶液に添加した。アンモニア溶液を加熱ループを通して、2ガルのパール(Parr)反応器を使用して作り上げた、約75℃で水槽にポンピングした。加熱された希釈水酸化アンモニウム溶液を、注入ランスを介して反応容器に注入し、反応器内で回転し転がる粉砕トウモロコシ穂軸上にスプレーした。反応器を19rpmで回転させながら75℃で2時間維持した。その時間の最後に、真空(約85kPa)を反応容器に30分間適用し、アンモニアを除去し、反応器の内容物の温度を約50℃に低下させた。次いで、二酸化炭素を反応器に注入して真空を解放し、反応器の圧力が103kPaになるまで加圧し、50℃で30分間圧力保持した。
トウモロコシ穂軸のより高いバイオマス濃度での極めて少量のアンモニアを用いた前処理および代替条件
全粒トウモロコシ穂軸をハンマーミル(10インチのハンマーミル、グレン・ミル(Glen Mills Inc.)、クリフトン(Clifton)、ニューハンプシャー州)で処理し、1.27cmのスクリーンを通過させた。約805gの粉砕トウモロコシ穂軸をPEHReactorに負荷した。トウモロコシ穂軸中の含水率は約7%であった。22個のセラミック製の摩擦シリンダー(直径3.2cm×長さ3.2cm;E.R.アドバンスド・セラミックス(E.R.Advanced Ceramics)、イーストパレスタイン(East Palestine)、オハイオ州)も反応器に添加した。実験開始前、反応器を回転させずに95℃に予備加熱した。開始前に真空(約85kPa)を反応容器に適用し、容器を密封した。反応容器内の温度が95℃で安定化した時、インキュベータ内の回転機構を作動させ、かつ回転を19rpmに調節した。次いで、アンモニア6g/バイオマスの乾燥重量100gのアンモニア濃度および固体濃度としてバイオマスの乾燥重量50g/バイオマス−アンモニア混合物の総重量100gを得るために、適量の希釈水酸化アンモニウム溶液を反応器内にポンピングした。アンモニア溶液を加熱ループを通して、2ガルのパール(Parr)反応器を使用して作り上げた、沸騰した水槽内にポンピングした。加熱した希釈水酸化アンモニウム溶液を、注入ランスを介して反応容器に注入し、反応器内で回転し転がる粉砕トウモロコシ穂軸上にスプレーした。反応器を19rpmで回転させながら95℃で2時間維持した。その時間の最後に、真空(約85kPa)を反応容器に30分間適用し、アンモニアを除去しかつ反応器の内容物の温度を約50℃に低下させた。次いで、二酸化炭素を反応器に注入して真空を解放し、反応器をゲージ圧103kPaまで加圧し、50℃で30分間圧力保持した。
トウモロコシ穂軸の極めて少量のアンモニアおよび追加塩基を用いた前処理
全粒トウモロコシ穂軸を約0.95cmのジョー間隔を有するジョークラッシャー(2.2kWモーター)、その後にデランパー(1.5kWモーター、フランクリン・ミラー(Franklin Miller Inc.))で処理し、その後に1.9cmの米国標準スクリーンを備えたスウェコ(Sweco)スクリーンでスクリーニングした。約460gの粉砕トウモロコシ穂軸をPEHReactorに負荷した。トウモロコシ穂軸中の含水率は約7%であった。実験開始前、反応器を回転させずに95℃に予備加熱した。開始前に真空(約85kPa)を反応容器に適用し、容器を密封した。容器内の温度が95℃で再安定化した時、インキュベータ内の回転機構を作動させ、かつ回転を19rpmに調節した。次いで、固体濃度としてバイオマスの乾燥重量30g/バイオマス−アンモニア混合物の総重量100gを維持する一方、NaOH1.9g/バイオマスの乾燥重量100gの濃度を得るための、アンモニア3.2g/バイオマスおよびNaOHの乾燥重量100gのアンモニア濃度を得るための適量の水酸化アンモニウム溶液を反応器内にポンピングした。アンモニアおよび追加塩基の溶液を加熱ループを通して、2ガルのパール(Parr)反応器を使用して作り上げた、沸騰した水槽内にポンピングした。加熱した希釈水酸化アンモニウム溶液を、注入ランスを介して反応容器に注入し、反応器内で回転し転がる粉砕トウモロコシ穂軸上にスプレーした。注入後、容器における真空を大気圧に解放した。反応器を95℃で30分維持し、次いで温度を85℃に低下させ、ここではそれを4時間維持した。その時間の最後に、真空(約85kPa)を反応容器に30分間適用し、アンモニアを除去しかつ反応器の内容物の温度を約50℃に低下させた。次いで、二酸化炭素を反応器に注入して真空を解放し、反応器をゲージ圧103kPaまで加圧し、50℃で30分間圧力保持した。
室温でのPEHReactor内の高い乾燥バイオマスにおけるでウモロコシ穂軸の前処理および糖化
全粒トウモロコシ穂軸を、約0.95センチのジョー間隔を有するジョークラッシャー(2.2kWモーター)、その後にデランパー(1.5kWモーター、フランクリン・ミラー(Franklin Miller Inc.))で加工した後、1.9cmの米国標準スクリーンを具備したスウェコ(Sweco)製スクリーンでスクリーニングした。約460gの粉砕トウモロコシ穂軸をPEHReactorに負荷した。トウモロコシ穂軸中の含水率は約7%であった。22個のセラミック製摩擦シリンダー(直径3.2cmx長さ3.2cm;E.R.アドバンスド・セラミックス(E.R.Advanced Ceramics)、イーストパレスタイン(East Palestine)、オハイオ州)も反応器に添加した。開始前には真空(約85kPa)を反応容器に適用し、容器を密封した。反応器内の温度が室温(22〜26℃)で再安定化した時、インキュベータ内の回転機構を作動させ、回転を19rpmに調節した。次いで、固体濃度としてバイオマスの乾燥重量30g/バイオマス−アンモニア混合物の総重量を維持する一方、アンモニア4g/バイオマスの乾燥重量100gのアンモニア濃度を得るための適量の希釈水酸化アンモニウム溶液を反応器内にポンピングした。希釈水酸化アンモニウム溶液を、注入ランスを介して反応容器に注入し、反応器内で回転し転がる粉砕トウモロコシ穂軸上にスプレーした。注入後、各容器における真空を大気圧に解放した。反応器を室温(22〜26℃)で24時間維持した。その時間の最後に、真空(約81kPa)を反応容器に30分間適用し、アンモニアを除去した。次いで、二酸化炭素を反応器に注入して真空を解放し、反応器をCO2を用いて103kPaゲージ圧に加圧し、室温で30分間圧力保持した。
PEHReactor内でのトウモロコシ穂軸および異なる使用済み穀物試料を含有する複合バイオマスの前処理および糖化
使用済み穀物試料を次のように調製した。
1.#2黄色全粒デントコーン粒(アグウェイ(Agway)から購入)
2.イリノイ大学(University of Illinois)で開発されたクイック・ジャーム(Quick Germ)方法(シン(Singh)およびエックホフ(Eckoff)(1996年) Cereal Chem.74:462−466頁)により、トウモロコシ粒からジャームを除去した(degermed)。出発材料をイリノイ大学(University of Illinois)のヴィジャイ・シン(Vijay Singh)から入手した。
3.クイック・ファイバー(Quick Fiber)方法によるトウモロコシ粒方法により、ジャームおよび外皮繊維を除去した(米国特許第6,254,914号明細書)。出発材料をイリノイ大学(University of Illinois)のヴィジャイ・シン(Vijay Singh)から入手した。
4.ブリューワーズ・グリット(Brewers’ grits)をカーギル(Cargill)(ミネアポリス(Minneapolis)、ミネソタ州)から入手した。
PEHReactor内でのトウモロコシ穂軸、使用済み穀物、および追加成分を含有する複合バイオマスの前処理および糖化
実施例7に記載のように調整した、粉砕トウモロコシ穂軸およびウイスキーの使用済み穀物を、実施例7に記載のようにPEHReactor内で複合させた。さらに、他の穀物成分を添加した。一方の試料には、澱粉(シグマ(Sigma)S4126、ロット番号093K0033)を5g/バイオマスの全乾燥重量100gで添加した。もう一方の試料には、トウモロコシ油(シスコクラシック(Sysco Classic)製のトウモロコシ油、ロット番号4119095)を約2g/乾燥バイオマス全体100gの濃度で添加した。実施例7に記載のように、試料を前処理して糖化した。結果を表4に示す。これらの結果はまた、表3におけるトウモロコシ穂軸単独の対照データに比べて勝るとも劣らない。
PEHReactor内でのトウモロコシ穂軸およびトウモロコシ繊維を含有する複合バイオマスの前処理および糖化
粉砕トウモロコシ穂軸およびカーギル(Cargill)製のブラン80(Bran 80)(カーギル(Cargill)、ミネトンカ(Minnetonka)、ミネソタ州)トウモロコシ繊維を、繊維が乾燥バイオマス全体の約10%であるように結合させた。実施例7に記載のように、複合バイオマスを前処理して糖化した。得られた糖の収率を表5に示す。トウモロコシ穂軸とトウモロコシ繊維を複合させたバイオマスの収率は、トウモロコシ穂軸単独試料の収率に類似していた。
Claims (6)
- a)i)少なくとも1つの端部上に開口部を有する筒状反応容器であって、水平位置に維持される容器と、
ii)前記容器の内部に取り付けられた1つもしくはそれ以上のバッフルと、
iii)反応容器の内部に制限なく浮遊するペレットを含んでなる摩擦媒体と、
iv)1つもしくはそれ以上のポートを含んでなる前記容器開口端用カバーと、
v)前記反応容器の縦中央を通って延在し、かつiv)の前記カバー内の第1のポートに接続している注入ランスと、
を含んでなる装置と、
b)容器のバッフルを回転させるための手段と、
を含んでなるバイオマスをバッチ処理するためのシステム。 - a)バイオマスを請求項1に記載のシステムの反応容器に導入する工程と、
b)処理反応体を反応容器に導入する工程と、
c)前記処理反応体を前記バイオマスに反応容器のバッフルを回転することによって吸収させ、それによりバッフルが摩擦媒体を上下させる工程と、
を含んでなるバイオマスの処理方法。 - a)請求項1に記載のシステムの反応容器内でバイオマスを前処理し、前処理されたバイオマスを生産する工程と、
b)反応容器内で(a)の前処理されたバイオマスの温度およびpHを調節する工程と、
c)反応容器内で(b)の調節された前処理されたバイオマスを糖化する工程と、
を含んでなるバイオマスの処理方法。 - a)バイオマスを請求項1に記載のシステムの反応容器に導入する工程と、
b)前記バイオマスをアンモニアを含んでなる水溶液と接触させ、反応容器内でバイオ
マス−水性アンモニア混合物を形成する工程であって、ここでアンモニアはバイオマス−水性アンモニア混合物のアルカリ性pHを維持するための少なくとも十分な濃度で存在するが、前記アンモニアはバイオマスの乾燥重量に対して12重量パーセント未満で存在し、かつさらにバイオマスの乾燥重量はバイオマス−水性アンモニア混合物の重量に対して少なくとも15重量パーセントの高固体濃度にある工程、
を含んでなるバイオマスの前処理方法。 - a)前処理されているバイオマスを準備して、容易に糖化可能な組成物を準備する工程と、
b)(a)のバイオマスを加水分解可能な酵素共同体を準備する工程と、
c)請求項1に記載のシステム内で(b)の酵素を(a)のバイオマスに吸収させる工程と、
を含んでなる前処理されたバイオマスを高い乾燥バイオマス濃度で糖化するための方法。 - a)バイオマスを請求項1に記載のシステムの反応容器に導入する工程と、
b)反応容器内で処理条件を変化させる工程と、
c)処理されたバイオマスを、前記変化する処理条件下で前記1つもしくはそれ以上のポートを介してサンプリングする工程と、
d)前記試料を試験してバイオマスを処理するための最適な処理条件を決定する工程と、
を含んでなる処理方法を最適化するための方法。
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