JP5114782B2 - 廃棄物画分の非−加圧前−処理、酵素加水分解および発酵 - Google Patents
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Description
・廃棄物画分の分類および粉砕
・前処理
・加水分解
・発酵
・生成物、例えばエタノール、回収
不均一な廃棄物画分の発酵を含む方法の説明において、第1の工程は、通常、廃棄物の分類および粉砕システムの非常に複雑な方法である。目的は、攪拌槽中で処理することができる有機スラリーを得ることである。残りの画分は最大範囲まで再循環しなければならない。かかるシステムの例は、米国特許第4,094,740A号に記載されている。
前処理は、一般的に、つづく多糖類の加水分解(例えば、酵素加水分解)が植物材料の他の保護構造(例えば、リグニン)の分解を必要とする場合に必要となる。いくつかの前処理技術が、例えばバイオエタノール生産の分野で知られている。前処理方法は、例えば酸加水分解、蒸気爆発、酸化、アルカリまたはエタノールでの抽出などに基づき得る。前処理技術の一般的な特徴は、可能な添加反応物の作用と結合して、それが植物材料の分類および遊離の利点をとることであり、それは100℃を超える温度で生じ、すなわち、方法は圧力の適用を必要とする。
前処理および所望により機械的な前処理の後、バイオエタノールまたは他の生化学材料の生成のための単糖類および/または多糖類を含有する廃棄物画分の利用における次の工程は、遊離したデンプン、セルロースおよびヘミセルロースの発酵可能な糖への加水分解である。酵素的に行う場合には、異なる作用様式を有する多数の異なる酵素が必要となる。酵素は外部から添加することができ、あるいはバイオマス上で増殖する微生物をそれに提供することができる。
セルロース鎖の末端からセロビオース単位を遊離するエキソ−1,4−β−D−グルカナーゼまたはセロビオヒドロラーゼ(CBH)(EC 3.2.1.91);セルロース鎖中の内部β−1,4−グルコシド結合を加水分解するエンド−1,4−β−D−グルカナーゼ(EG)(EC 3.2.1.4);セロビオースをグルコースに加水分解し、セロオリゴヌクレオチド糖からグルコース単位を遊離する1,4−β−D−グルコシダーゼ(EC 3.2.1.21)に分ける。
単糖類および/または多糖類を含有する廃棄物画分からのバイオエタノールまたは他の有用な発酵生成物の製造に関連して使用する発酵工程は、単糖類および/または多糖類のような複雑な有機分子を、本発明のヘキソースおよびペントースからエタノールまたは他の特定の化学物質を生成することができる酵母(標準、培養または操作された)および/または細菌またはいずれか他の微生物の作用を介して、エタノール、二酸化炭素および水のようなより単純な構成物に切断する生化学反応である。
生成物の回収、例えば発酵ビールからエタノールの回収は、3つの主要な加工処理に分けられる:固形物をエタノール/水溶液から分離するビール・ストリッピング、エタノールを水性溶液回収する精留、および最後の水をエタノールから除去する脱水。
有機廃棄物画分からバイオエタノールの産生に通じる別々に見た前処理および幾つかのつづく方法工程は、以前に記載されている。
したがって、高乾物含量を有する廃棄物画分を取扱い得、また非有機起源の大きな粒子を含有する部分的な有機廃棄物画分の効率的な処理も許容する単純化された方法に対する要望が存在する。本発明は、非−分類廃棄物画分を直接的に取り扱うことができ、それによって大きく、費用がかかり、かつ環境的に問題のある分類および粉砕システムの使用を避ける方法を提供する。自治体固形廃棄物、供給源での分類、または別法として有機および無機画分の幾つかの種類の中央分類が本発明の方法の能力を高めると考えられる。他の画分については、廃棄物の粗い断片をバッグに開け、本発明による方法の能力を高めると考えられる。
本発明は、単糖類および/または多糖類を含有する廃棄物画分の非−加圧前−処理、液化、糖化、発酵および分類の方法に関する。当該方法は、比較的高い乾物含量、好ましくは20%を超える、比較的大きな粒子を含む廃棄物に好適である。従来の方法とは異なり、本発明の方法は、さらに、大きな粒子を含む部分的に有機的な廃棄物画分の効率的な処理を許容する。該材料の処理は、さらなる水の供給、無毒化または機械的断片化なしに行うことができる。
単糖類および/または多糖類を含有するバイオマスに対する機械的作用
本発明は、3つの方法工程:すなわち、非−加圧前−処理、酵素加水分解および発酵を含む。さらに、廃棄物画分および発酵産物の分類/回収の工程も含まれ得る。前−処理および加水分解は1つの単一容器で行い、一方で発酵、分類および産物回収は所望により前−処理および加水分解と同一の1つの容器で行うことができる。バイオエタノール生産の技術分野内では、かかる方法工程を1つの単一容器中でどのように統合するかが以前に示されていなかった。米国特許第4342830A号、チェコ特許9602835A3号および米国特許第4094740A号のような膨大な先行技術文献は、本願において特許請求するものに類似する出発材料および方法工程を記載している。しかしながら、それらのいずれも、非−加圧前−処理または単一の容器、反応器または同様のデバイス中での前−処理および加水分解の統合については記載していない。本発明の容器は、自由落下混合原理、すなわち、ドラムミキサー、廃棄物を持ち上げる回転水平軸を有するミキサーまたは自由落下原理を利用する同様の混合デバイスに基づく(かかる混合デバイスの例を示す図2を参照されたい)。
第1に、それは、用いる多糖類および/または単糖類を含有する廃棄物画分および蒸気、酵素ならびに微生物の間の緊密な接触を保障する。
本発明において特許請求する廃棄物画分の非−加圧前−処理の1つの例は、非−加圧蒸気前−処理である。これは、同様のバイオマスの以前に記載された前−処理、例えば、米国特許第4342830A号、米国特許第4093516A号、チェコ特許9602835A3号、米国特許第4094740A号および米国特許第5637502号から顕著に逸脱する。これらのすべての方法は、圧力下で行われている。本発明による非−加圧前−処理は、容器に直接蒸気を注入することによって、および/または、容器を間接的に加熱することによって行うことができる。所望により、前−処理の影響力を改善するために、pH調整を用いることができる。廃棄物画分の前−処理は、自由落下ベースの混合と同時に適用する。
非−加圧前−処理の後、バイオエタノールまたは他の生化学材料の生産のための単糖類および/または多糖類を含有する廃棄物画分の利用におけるつぎの段階は、遊離したデンプン、セルロースおよびヘミセルロースの発酵可能な糖への加水分解である。酵素的に行うのであれば、これには異なる作用様式を有する多数の異なる酵素が必要である。酵素は、外部から添加することができ、あるいはバイオマス、すなわち廃棄物画分の上で増殖する微生物がそれらを提供することができる。
発酵工程は、非−加圧前−処理ならびに酵素加水分解が以前に起こっている同一の容器中で行い得る。所望により、部分的に発酵したマッシュを最終発酵用のもう1の発酵容器に輸送することもできる。
非−発酵可能固形物からの発酵済みまたは発酵可能な画分の分類は、非−加圧前−処理、酵素加水分解および発酵に用いたのと同一の容器中で行うことができる。加水分解は廃棄物画分の発酵可能な部分を液化または部分的に液化し、大部分の非−発酵可能な固形物を固相に残すため、分類は、例えば容器に組み込んだふるい分けシステムによって行うことができる。
図1は本発明の原理の概略図を示す。示す例においては、廃棄物を容器に入れ、その中で非−加圧前−処理、加水分解、発酵および分離を、蒸気、酵素および酵母/微生物を添加することによって行う。所望により、エタノール・ビールはさらなる方法のために除去してもよく、一方、固形廃棄物を排出することができる。
本発明による単糖類および/または多糖類を含有する廃棄物画分は、例えば、デンプンならびに精製デンプン、セルロース、ヘミセルロースおよび/または二糖類および/または単糖類の形態の、多糖類および/または単糖類を含有するいずれの材料も含む。以下に特徴付けする材料の処理は、補充的な水または機械的断片化の添加なしに行い得る。
例えば:
分類されていない自治体固形廃棄物(MSW)
例えば、Dewaster(登録商標)またはreCulture(登録商標)のようないくつかの中央分類、断片化またはパルプ化デバイスにおいて加工したMSW
有機画分および紙を豊富に含む画分の両方を含む、家庭から分類された固形廃棄物
RDF(廃物由来燃料、Refuse-Derived-Fuel)画分
のような家庭に由来する廃棄物画分、
今や家庭廃棄物として処理される紙または他の有機物画分を含む一般産業廃棄物画分
製紙産業からの、例えば再生施設からの廃棄物画分
食物および飼料産業からの廃棄物画分
製薬産業からの廃棄物画分
のような産業に由来する廃棄物画分
ジャガイモおよびサトウダイコンのような糖またはデンプンを豊富に含む製品を含む方法からの廃棄物画分
食物または飼料目的のために活用できない穀物、ジャガイモおよびサトウダイコンのような汚染されたかまたは他の方法で害された農業製品
庭園廃棄物
肥料または肥料由来の製品
のような農業または農作関連セクター由来の廃棄物画分
廃水処理工場からの汚泥
バイオマス加工処理からの繊維または汚泥
紙または他の有機画分を含有する公共セクターからの一般廃棄物画分
のような自治体、国または州が関連するまたは調節している活動由来の廃棄物画分
ドラムミキサーの形態の自由落下混合概念に基づく容器を利用する場合、以下の技術データが好ましい:
・回転速度:0−30rpm、好ましくは0−20rpm、より好ましくは0−15rpm、なおより好ましくは0−10rpmおよび最も好ましくは0−5rpm
・定期的に変化する回転方向を有する回転
・所定の間隔の回転。
高温前−処理を選択する場合は、以下の技術データが好ましい:
・前−処理温度:60−110℃、好ましくは65−105℃、より好ましくは70−105℃、なおより好ましくは75−105℃および最も好ましくは80−100℃。
・前−処理時間:0−120分、好ましくは5−100分、より好ましくは10−90分、なおより好ましくは20−80分および最も好ましくは30−60分。
・前−処理蒸気投入:0−2kg/kg乾物、好ましくは0.01−1.5kg/kg乾物、より好ましくは0.02−1.0kg/kg乾物、なおより好ましくは0.03−0.8kg/kg乾物および最も好ましくは0.05−0.5kg/kg乾物。
・種々の廃棄物画分の加水分解のための酵素
−セルラーゼ
−セロビアーゼ
−ヘミセルラーゼ
−アルファ アミラーゼ
−グリコ アミラーゼ(AMG)
−酸化酵素
−所望により、タンパク質加水分解酵素およびリパーゼ
・酵素加水分解の処理時間:0−96時間、好ましくは0−72時間、より好ましくは0−48時間、なおより好ましくは0−24時間および最も好ましくは5−15時間
・酵素加水分解の温度(適用した酵素の至適温度を参照して調節):20−105℃、好ましくは20−100℃、より好ましくは20−90℃、より好ましくは20−80℃、なおより好ましくは25−70℃および最も好ましくは30−70℃
・廃棄物マッシュのpH(適用した酵素の至適pHを参照して調節):3−12、好ましくは5−10のような4−11、より好ましくは6−9のような4−9、なおより好ましくは7−8のような4−8および最も好ましくは4−5。
・種々の廃棄物画分の発酵のための微生物
−標準的なパン酵母(乾燥、新鮮またはいずれか他の形態の)
−いずれかの種類の遺伝子工学的または他の方法で改良された酵母
−いずれかの種類の好熱性細菌
−いずれかの種類の望ましい生成物を産生することができる菌類
・発酵の処理時間:1−150時間、好ましくは10−90時間、より好ましくは20−80時間、なおより好ましくは30−75時間および最も好ましくは40−70時間
・発酵の温度(適用した微生物の至適温度を参照して調節):20−105℃、好ましくは20−100℃、より好ましくは20−90℃、より好ましくは20−80℃、なおより好ましくは25−70℃および最も好ましくは30−70℃
・廃棄物マッシュのpH(適用した微生物の至適pHを参照して調節):3−12、好ましくは5−10のような4−11、より好ましくは6−9のような4−9、なおより好ましくは7−8のような4−8および最も好ましくは4−5。
1)非処理自治体固形廃棄物からのエタノール生産
8.5kgの乾物含量の概算量に相当する、オデンセ・クラフトファーメベルクの廃棄物ピットからの12.2kgの非分類および非処理の自治体固形廃棄物を、約10°傾いた水平軸を有する慣用的な回転式セメントミキサーに負荷した。ミキサーは、材料の適当な混合を確かにするために長軸にそった2の内部リムからなっていた。廃棄物画分をドラムの内部に維持し、ミキサーからの蒸発を減少するために、蓋が開口部の上に載置されていた。ミキサードラムは、29rpmの速度で水平軸にそって回転した。
10.3kg乾物の概算量に相当するデポーザルエリア、キリントルム イー/ジー(Klintholm I/S)からの25.7kgの供給源分類した自治体固形廃棄物を前記と同様にして取り扱った。蒸気投入は、ほぼ30%のマッシュの乾物含量を生じた。
発酵したマッシュをふるい分けた後に、湿った固形物画分は6.0kgを構成した。液体画分の乾物はさらに分析しなかった。
供給源分類した有機固形物家庭廃棄物および紙からのエタノール生産(真空ストリッピングを含む)
SSFの後、真空ポンプおよび冷却した凝縮器を反応器に連結することにとって、反応器中の幾分かのエタノールを回収した。
非分類自治体固形廃棄物および紙からのエタノール生産
1週間の2家族からの32.1kgのMSWを密閉した廃棄物バッグに添加し、ほぼ30kg乾物の概算量に相当する8.1kgのさらなる紙(新聞紙および広告回覧)をパイロット反応器に負荷した。廃棄物の乾物含量を低下するために、12.5lの水を添加した。詳細な記載については、実施例2を参照されたい。
異なるタイプの廃棄物を用いて幾つかの実験を行った。収率を以下に示す(トン乾物当たり産生したエタノールの体積)。
Giovannozzi-Sermanni, G., D'Annibale, A., Perani, C., Porri, A., Falesiedi, G. (2002). Solid-state bioreactors for the sustainability. Internet adress
reCulture(登録商標): 欧州特許0921858、欧州特許97935926.2
Dewaster(登録商標): http://www.ewoc.dk/
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米国特許第4,093,516 A号
チェコ特許9,602,835 A3号
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Claims (18)
- 20%を超える乾物含量を有する、単糖類および/または多糖類を含有する廃棄物画分から発酵産物を生成する方法であって、該廃棄物画分を:
非加圧−前処理と、
酵素加水分解と、
発酵と
に付すことを含み、ここに非加圧−前処理および酵素加水分解を、廃棄物の機械的加工処理のための自由落下混合を用いる単一の容器または同様のデバイスで行うことを特徴とする該方法。 - 該発酵またはその一部分を、非加圧−前処理および酵素加水分解に用いる同一の該容器中で行う請求項1記載の方法。
- 得られた発酵産物の回収を、熱を加えおよび/または容器を真空に付することによって非加圧−前処理、酵素加水分解および発酵に用いる同一の該容器中で行う請求項2記載の方法。
- 発酵したマッシュからの発酵不可能な固形物の分類/分離を、非加圧−前処理、酵素加水分解および発酵に用いる同一の該容器中で行う請求項2または3に記載の方法。
- 同一の該容器中の該回収を、液体部分の分離/除去の後に発酵したマッシュの固形部分からのみ行う請求項3記載の方法。
- 該単糖類および/または多糖類を含有する廃棄物画分が、例えば、分類されていない自治体固形廃棄物(municipal solid waste、MSW)、幾つかの中央分類、断片化またはパルプ化デバイスで加工処理したMSW、家庭からの供給源分類された廃棄物、有機物画分および紙を豊富に含む廃棄物画分、RDF(Refuse-Derived-Fuel、廃棄物由来燃料)画分のような家庭に由来する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法。
- 該単糖類および/または多糖類を含有する廃棄物画分が、紙または他の有機物画分を含有する一般産業廃棄物画分、再生施設を含む紙産業からの廃棄物画分、食物および飼料産業からの廃棄物画分、および医薬産業からの廃棄物画分よりなる群から選択される産業に由来するものである請求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法。
- 該単糖類および/または多糖類を含有する廃棄物画分が、例えば、ジャガイモおよびサトウダイコンのような糖またはデンプンを豊富に含む生成物を含む加工処理からの廃棄物画分、食物または飼料目的に活用できない穀物、ジャガイモおよびサトウダイコンのような汚染されたかまたは他の方法で害された農業生成物、堆肥または堆肥由来の生成物のような農業または農作に関連するセクターに由来する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法。
- 該単糖類および/または多糖類を含有する廃棄物画分が、廃水処理工場からの汚泥、バイオガス加工処理からの繊維または汚泥画分、紙または他の有機物画分を含有する公共セクターからの一般廃棄物画分よりなる群から選択される自治体、国もしくは州に関連するまたは調整された活動に由来するものである請求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法。
- 非加圧−前処理を蒸気を用いて行う請求項1ないし9のいずれか1項に記載の方法。
- 非加圧−前処理を行い、非加圧−前処理の処理時間が60−110℃の範囲の温度および0−2kg/kg乾物の蒸気投入でもって120分以下である請求項10記載の方法。
- 単糖類および/または多糖類を含有する廃棄物画分の酵素加水分解を、天然形態またはかかる酵素の蓄積を生じる微生物の形態のいずれかで供給される加水分解酵素で行う請求項1ないし9のいずれか1項に記載の方法。
- 酵素加水分解を行い、該酵素加水分解を20−105℃の範囲の温度でもって96時間以下続ける請求項12記載の方法。
- 該発酵を、エタノールまたは他の特定の生化学材料を生成することができる標準の、培養したまたは操作した酵母および/または細菌あるいはいずれか他の微生物の作用によって行う請求項1ないし9のいずれか1項に記載の方法。
- 該発酵を、20−105℃の範囲の温度でもって1−150時間続ける請求項14記載の方法。
- 単糖類および/または多糖類を含有する廃棄物画分の混合を、ドラムミキサー、回転式ミキサーまたは同様の混合デバイスのような自由落下ミキサーを用いて行う請求項1ないし9のいずれか1項に記載の方法。
- バイオエタノールまたは/および他のいずれかの発酵産物加工処理の方法における、請求項1ないし16のいずれか1項に記載の方法によって生成した材料の使用。
- バイオエタノールまたは/および他のいずれかの発酵産物の生成のための方法の一部としての、請求項1ないし16のいずれか1項に記載の方法の使用。
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