JP5866365B2 - リグノセルロース系バイオマスの前処理流から糖を回収する改善された方法 - Google Patents

Description

バイオマス分野においては、リグノセルロース系バイオマスをエタノールに変換することは一般的なことである。バイオマスが多糖含有バイオマスであり、リグノセルロース系である場合、リグノセルロース内容物の構造が酵素に、より高度にアクセスできるようになることを保証するために前処理又は浸漬がしばしば用いられ、同時に、酢酸、フルフラール及びヒドロキシメチルフルフラールなどの有害な抑制性副生成物の濃度が通常高く、さらなる処理において問題となる。

おおまかに言えば、処理が苛酷なほど、材料のセルロース内容物により高度にアクセスできる。水蒸気爆発の苛酷度は、文献においてＲｏとして公知であり、以下のように表される時間及び温度の関数である。
Ｒｏ＝ｔｘｅ^{［（Ｔ−１００）／１４．７５］}
ここで、温度Ｔはセ氏で表し、時間ｔは一般的な単位で表す。式は、Ｌｎ（Ｒｏ）としても、すなわち、以下のようにも表される。
Ｌｎ（Ｒｏ）＝Ｌｎ（ｔ）＋［（Ｔ−１００）／１４．７５］

高いＲｏ値は、フルフラールなどのバイオマスの加水分解及び発酵を抑制する多数の望ましくない副生成物を随伴すると一般的にみなされている。

米国特許出願公開第２００８／０２９５９８１号

したがって、低いフルフラール収率及び高い糖収率の生成物を同時にもたらす、高い全般的なＲｏを有する苛酷な方法を有する必要がある。

本明細書において開示することは、Ａ）リグノセルロース系バイオマス原料を第１の浸漬帯域に導入するステップと、Ｂ）リグノセルロース系バイオマス原料を液体又は液体の蒸気の存在下で浸漬条件の第１の苛酷度に相関する第１の時間にわたり第１の温度で浸漬して、酢酸、グルコース、キシロース及びそれらの可溶性オリゴマーからなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含む第１の液体を生じさせるステップと、Ｃ）酢酸、グルコース、キシロース及びそれらの可溶性オリゴマーからなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含む前記第１の液体の少なくとも一部を第１の浸漬のバイオマスから分離するステップと、Ｄ）前記第１の浸漬帯域のバイオマスを液体の存在下で浸漬条件の第２の苛酷度に相関する第２の時間にわたり第２の温度で第２の浸漬帯域に導入して、酢酸、グルコース、キシロース及びそれらの可溶性オリゴマーからなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含む第２の液体を生じさせるステップであって、第２の苛酷度は第１の苛酷度より大きいステップと、Ｅ）酢酸、グルコース、キシロース及びそれらの可溶性オリゴマーからなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含む前記第２の自由液体の少なくとも一部を前記第２の浸漬のバイオマスから分離するステップとを含む、リグノセルロース系バイオマスを浸漬する方法である。

バイオマスを液体の存在下で第２の浸漬帯域から浸漬条件の第３の苛酷度に相関する第３の時間にわたり第３の温度で第３の浸漬帯域に導入して、酢酸、グルコース、キシロース及びそれらの可溶性オリゴマーからなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含む第３の液体を生じさせるステップであって、第３の苛酷度は第２の苛酷度より大きいステップと、酢酸、グルコース、キシロース及びそれらの可溶性オリゴマーからなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含む前記第３の液体の少なくとも一部を前記第３の浸漬のバイオマスから分離することによる第３の浸漬及び洗浄ステップを有することをさらに開示する。

浸漬及び洗浄を直列容器、同一の容器又は装置の一部で行うことができること、浸漬帯域を上に重ね合わせて又は並べて配置することができることをさらに開示する。方法が連続式又は回分式であり得ることも開示する。

方法の第１の実施形態の概略図である。 方法の第２の実施形態の概略図である。

この説明において開示することは、バイオマス、特にリグノセルロース系バイオマスの処理を一連の浸漬／加水分解ステップで行う場合、結果として生ずる全般的な苛酷度が非常に高くなり得る（これは、様々な段階における温度での時間が長いことを示唆するものである）が、回収される生成物の量が予想より実質的に高いという発見である。

その概念は、以下の式により決定される苛酷度とともに以下の実施例に示す。
Ｒｏ＝ｔｘｅ^{［（Ｔ−１００）／１４．７５］}
ここで、温度Ｔはセ氏で表し、時間ｔは一般的な単位、下記の場合には分で表す。

式は、Ｌｎ（Ｒｏ）としても、すなわち、以下のようにも表される。
Ｌｎ（Ｒｏ）＝Ｌｎ（ｔ）＋［（Ｔ−１００）／１４．７５］

ステップを連続して行う場合、全体の苛酷度は、各浸漬ステップの個々のＲｏの合計である。

浸漬手順自体は、当技術分野で公知であり、それは、乾燥物質の少なくとも５重量％、好ましくはバイオマスの乾燥物質の少なくとも１０重量％のセルロース含量を有するリグノセルロース系バイオマスを浸漬帯域又は反応器に入れ、蒸気、通常水蒸気を導入し、バイオマスを一定時間にわたりある温度に維持することである。水蒸気は、選択される苛酷度によって、０．５ｋｇ水蒸気／１ｋｇバイオマス原料から１０ｋｇ水蒸気／１ｋｇバイオマス原料までの例示的比率で浸漬反応器に加える。水蒸気を加える代わりに、液体の水を加え、それらの条件まで加熱することができる。浸漬帯域は、水蒸気及び水の存在下でバイオマスをまた所望の苛酷度によって約３０分間から３時間以上にわたり保持する。浸漬温度は、１００℃〜２１０℃の範囲、又はさらにより高い（ただし、収穫逓減を伴う）ことがあり得る。浸漬後、固体／液体／水蒸気混合物を浸漬反応器の一般的に同じ圧力で傾斜反応器中に排出させる。この時点に液体は、排出スクリューを経て、傾斜反応器中に除去される。固体バイオマスは、傾斜反応器を上方に運ばれ、冷却された凝縮物又はさらに添加された水が固体流と対向して流れ、溶解したキシラン及びキシラン誘導体を含む自由液体を除去する。

比較例ＣＥ−Ａ及びＣＥ−Ｃ（表２参照）
ＣＥ−Ａにおいて、リグノセルロース系バイオマスを表１（浸漬条件）に示した時間にわたって表示温度で浸漬した。このステップの計算苛酷度は２０であった。この単一ステップで、原料流に存在するキシランの６．９４％のみが回収された。８７．８９％が固体中に残存し、５．１７％が失われたが、これは、それらが一連の望ましくない副生成物に変換されたことを意味する。

ＣＥ−Ｃにおいて、同じ原料を、ＣＥ−Ａの条件より劇的に苛酷である６８０２という苛酷度の表１に示した条件で浸漬した。この単一ステップにおいて、キシランの６５．０５％が固体中に残存し、１８．９２％が液体中で回収されたが、キシランの１６．０３％は副生成物になり失われた。

実施例２（表３参照）において、ステップＣＥ−Ａを実施し、液体を除去し、その後、ステップＣＥ−Ｃを実施した。データによりわかるように、液体流中に回収されたキシランの量は、予測された量（ＣＥ−Ａ及びＣＥ−Ｃを直接加えることにより回収された量）よりわずかに低かった。

思いがけないことに、副生成物になり失われたキシランの量は、単一ステップＣＥ−Ｃにおいて失われた１６．０３％とは対照的に１１．６８％にすぎなかった。浸漬後の固体は通常、水蒸気爆発及び酵素的加水分解に送られるので、固体中に残存するキシランは、さらなる回収に利用できる。

実施例２は、浸漬ステップＡ、洗浄及びその後の浸漬ステップＣの条件を組み合わせた。

実施例３において、ＡとＣとの間の苛酷度を有するＢと名づけたステップを加えた。したがって実施例３は、条件Ａで浸漬し、液体流を除去したリグノセルロース系バイオマスである。次いで、残存固体を条件Ｂで処理し、液体を除去する。次いで、残存固体を条件Ｃで処理し、液体を除去する。表３−実施例においてわかるように、単一ステップＣと比較して少ないキシランが失われ、キシランの３６．９７％が液体中で可溶化され、４７．９１％が固体流中に残存した。

この証拠は、浸漬及び洗浄ステップを連続的に行う効率の改善を示すものである。この方法は、温度又は時間のどちらにおいても苛酷度が１つの容器から他の容器へと漸進的に増加する、図１に示すような一連の容器で実施し得る。

図１を参照すると、浸漬帯域Ａ、Ｂ及びＣは、直列に配置されている。それらは、それらの各温度に維持されている。帯域Ａの場合、浸漬帯域Ａに入る水蒸気は、温度がＴ_１、圧力がＰ_１であり、バイオマスは、該帯域に温度Ｔ_Ａで時間ｔ_Ａにわたり保持されている。バイオマスは、排出スクリューＡ_ｄを経由して移動し、傾斜反応器（Ａ_ｉ）に流入し、液体Ｌ_Ａが除去される。

１回浸漬されたバイオマスは、帯域Ａと同様に特徴づけられる次の浸漬帯域である帯域Ｂに移動する。帯域Ｂの場合、浸漬帯域Ｂに入る水蒸気は、温度がＴ_２、圧力がＰ_２であり、バイオマスは、該帯域に温度Ｔ_Ｂで時間ｔ_Ｂにわたり保持されている。バイオマスは、排出スクリューＢ_ｄを経由して移動し、傾斜反応器（Ｂ_ｉ）に流入し、液体Ｌ_Ｂが除去される。

今や２回目に浸漬され、洗浄されたバイオマスは、帯域Ａ及びＢと同様に特徴づけられる第３の浸漬帯域である帯域Ｃに送られる。帯域Ｃの場合、浸漬帯域Ｃに入る水蒸気は、温度がＴ_３、圧力がＰ_３であり、バイオマスは、該帯域に温度Ｔ_Ｃで時間ｔ_Ｃにわたり保持されている。バイオマスは、排出スクリューＣ_ｄを経由して移動し、傾斜反応器（Ｃ_ｉ）に流入し、液体Ｌ_Ｃが除去される。

次いで、バイオマスは、水蒸気爆発に備えてそれを準備するために圧縮機に移動する。最終帯域は、その工程でその前の帯域の少なくとも１つの苛酷度より高いその苛酷度を有するものとする。

本方法は、特許文献１に記載されているもの（特許文献１の図１参照）などの複数の帯域を含む単一垂直反応器においても実施し得る。

当業者が漸増温度での複数回の洗浄が有益であることをいったん理解していれば、垂直カラムへの適応は、直ちに明らかである。本明細書の図２にそのような装置の単位操作を示す。バイオマスが容器の上部に供給され、帯域Ａに入り、そこで、バイオマスは、温度Ｔ_１及び圧力Ｐ_１で導入された水蒸気の存在下で温和な温度条件で処理され、バイオマスは、温度Ｔ_Ａで一定の時間ｔ_Ａ保持される（一般的に低い苛酷度を有する）。キシランを含有する液体Ｌ_Ａは、帯域Ａの下の斜線により示す抽出スクリーン又は他のある種の装置を用いてバイオマスから分離することができ、固体は、次の帯域である帯域Ｂに入る。

帯域Ｂにおいて、バイオマスは、温度Ｔ_２及び圧力Ｐ_２で導入された水蒸気の存在下で処理され、バイオマスは、温度Ｔ_Ｂで一定の時間ｔ_Ｂ保持され、キシランを含有する液体Ｌ_Ｂは、帯域Ｂの下の斜線により示す抽出スクリーン又は他のある種の装置を用いてバイオマスから分離され、固体は、次の帯域である帯域Ｃに入る。

帯域Ｃにおいて、バイオマスは、温度Ｔ_３及び圧力Ｐ_３で導入された水蒸気の存在下で処理され、バイオマスは、温度Ｔ_Ｃで一定の時間ｔ_Ｃ保持され、キシランを含有する液体Ｌ_Ｃは、帯域Ｃの下の斜線により示す抽出スクリーン又は他のある種の装置を用いてバイオマスから分離することができ、固体は、次の帯域、又はこの場合、水蒸気爆発に備えて圧縮ステップに入る。

各浸漬について苛酷度を増加させることが好ましい。

洗浄ステップを完了した後、液体流を収集し、さらに処理することができる。固体バイオマスは、次いで回収され、垂直型反応器の底部に組み込み得る水蒸気爆発ステップに通常送られる。

上記の実施形態において、物質の流れは下向きである。しかし、通常は水である液体がバイオマスの流れに対して向流で移動するように、流れは、液体抽出装置により上向きにすることもできる。各帯域は、互いに水平に配列することができ、したがって、バイオマスは、横向きに移動することとなる。

本発明のさらなる実施形態によれば、洗浄ステップの少なくとも１つは、本方法における前の洗浄ステップの苛酷度より大きい又は等しい苛酷度を有する。

本方法は、連続法又は回分法として実施され得る。

本発明の多くの変形形態が存在するので、本発明が実施形態に限定されないことは、実施例及び実施形態から明らかである。

Claims (6)

1. Ａ）リグノセルロース系バイオマス原料を第１の浸漬帯域に導入するステップと、
   Ｂ）リグノセルロース系バイオマス原料を水である液体又は液体の蒸気の存在下で浸漬条件の第１の苛酷度に相関する第１の時間にわたり第１の温度で浸漬して、キシロース及びその可溶性オリゴマーから選択される少なくとも１つの化合物を含む第１の液体を生じさせるステップと、
   Ｃ）キシロース及びその可溶性オリゴマーから選択される少なくとも１つの化合物を含む前記第１の液体の少なくとも一部を前記第１の浸漬のバイオマスから分離するステップと、
   Ｄ）前記第１の浸漬帯域のバイオマスを水である液体の存在下で浸漬条件の第２の苛酷度に相関する第２の時間にわたり第２の温度で第２の浸漬帯域に導入して、キシロース及びその可溶性オリゴマーから選択される少なくとも１つの化合物を含む第２の液体を生じさせるステップであって、前記第２の苛酷度は第１の苛酷度より大きいステップと、
   Ｅ）キシロース及びその可溶性オリゴマーから選択される少なくとも１つの化合物を含む前記第２の液体の少なくとも一部を前記第２の浸漬のバイオマスから分離するステップと、
   を含む、リグノセルロース系バイオマスを浸漬する方法であって、
   過酷度（Ｒｏ）は以下の式で表され、
   Ｒｏ＝ｔｘｅ ^{［（Ｔ−１００）／１４．７５］}
   但し、温度Ｔはセ氏で表し、時間ｔは一般的な単位、例えば分で表す、方法。
2. 前記バイオマスを水である液体の存在下で前記第２の浸漬帯域から浸漬条件の第３の苛酷度に相関する第３の時間にわたり第３の温度範囲で第３の浸漬帯域に導入して、キシロース及びその可溶性オリゴマーから選択される少なくとも１つの化合物を含む第３の液体を生じさせるステップであって、前記第３の苛酷度は第２の苛酷度より大きいステップと、
   キシロース及びその可溶性オリゴマーから選択される少なくとも１つの化合物を含む前記第３の液体の少なくとも一部を前記第３の浸漬のバイオマスから分離するステップと
   のさらなるステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 各浸漬帯域の浸漬を別個の容器で行う、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記浸漬帯域が単一容器中にあり、前記第１の浸漬帯域が前記第２の浸漬帯域の上に配置されている、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記浸漬帯域が単一容器中にあり、前記第１の浸漬帯域と前記第２の浸漬帯域が互いに水平である、請求項１または２に記載の方法。
6. 前記浸漬帯域が単一容器中にあり、前記第１の浸漬帯域が前記第２の浸漬帯域の下に配置されている、請求項１または２に記載の方法。
   

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