JP5936205B2 - バイオ燃料を製造するための統合された方法 - Google Patents
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Description
−バイオ燃料の製造のためのより完全なリグノセルロース系材料の利用。
−バイオ燃料製造のためのヘミセルロース流の効率的な利用。現在使用されているエタノール産生株はペントース糖を効率良く利用することができない。
−有用な、酵素の産生とともにバイオ燃料の製造に適した生成物の産生。
−酵素費用に関するコスト削減。エタノール、発酵油脂またはブタノール工程に必要とされる酵素のその場での産生。使用に先立つ、例えば安定化などの酵素処理の必要性が低減される。
−脂質産生のための統合されたバイオ工程(酵素消化および発酵)は、別個の精製所において製造される酵素の必要性を減少または除外することによってコストを低減する。
−酵素流(培養液)が好気性/嫌気性工程以降、最小限の工程しか必要とせず、汚染の危険性が低減される。
−水および酵素安定化などの下流の工程(down-stream processing)のコストを低減した。
−輸送およびパッケージングのためのコストを減少させた。
−第二のバイオ燃料製造工程への酵素の直接的な移送を介して損失を減少させた。
−資本コストの減少 対 専用の(遠隔の)設備。
−酵素産生およびバイオ燃料製造のための、同じ原材料の、または同じ供給源からの原材料の、原材料への酵素の直接的な導入および適応における利用。
−酵素産生およびバイオ燃料製造における、直接的な工程制御および出力同調およびバイオリファイナリー(biorefinery)内での直接的な改善の機会。
本明細書において、「発酵油脂産生工程(a single cell oil production process)」とは、脂質合成微生物の形成またはその形成を可能にし、そして脂質を産生するおよび/または蓄える(store)(蓄積する(accumulate))ための微生物マス(organism mass)を得ることを可能にする工程、液相から細胞を回収する工程、および細胞から脂質を抽出または回収する工程を含む工程を指す。ある場合には、発酵油脂は、培養のあいだまたは培養後の培養培地中に細胞から例えば分泌されるまたは遊離されるなど、細胞外であってもよい。
ケース1:工程1はヘミセルロースを使用し、工程2はセルロースを使用する。
ケース2:工程1はセルロースを使用し、工程2はヘミセルロースを使用する。
ケース3:工程1はセルロースを使用し、工程2もセルロースを使用する。
ケース4:工程1はヘミセルロースを使用し、工程2もヘミセルロースを使用する。
ケース5:工程1はヘミセルロースおよびセルロースの混合物(任意の混合物)を使用し、工程2もヘミセルロースおよびセルロースの混合物(任意の混合物)を使用する。
ケース6:工程1はヘミセルロースおよびセルロースの混合物(任意の混合物)を使用し、工程2はセルロースを使用する。
ケース7:工程1はヘミセルロースおよびセルロースの混合物(任意の混合物)を使用し、工程2はヘミセルロースを使用する。
本発明は、あるバイオプロセスからの廃液の、別のバイオプロセスへのリサイクルを可能にする。本発明の好ましい実施態様において統合は、バイオ燃料産生のためにの、少なくとも1つの好気性および1つの嫌気性バイオプロセスを使用する。これは、好気性工程からの廃液を嫌気性工程へとリサイクルする際の汚染リスクを低減する。脂質を産生する好気性バイオプロセスは、炭素源および栄養源として嫌気性バイオプロセス由来の廃液からの化合物を利用し得る。嫌気性バイオプロセスは、例えばエタノール発酵、ブタノール発酵またはアセトン−ブタノール−エタノール発酵(ABE−発酵)などであり得る。これらのバイオプロセスは典型的には、発酵廃液中に、例えば酢酸、酪酸などの有機酸、またはアセトアルデヒドを生じる。
ポリマー糖加水分解酵素の消化効率を改良するためのリグノセルロースの前処理は、任意の公知の方法によって行われ得る。前処理は、ヘミセルロースおよびセルロースならびに場合によってリグニンの任意の公知の方法による分画(分離)を含み得る。正しい前処理方法を選択することは、工程において使用されるリグノセルロース系フィードストックの種類に大部分依存する。ある種類の原材料に対してのみ適切であるいくつかの方法/技術が存在する。好ましくは、ヘミセルロースおよび/またはセルロースの分離は、脂質産生微生物の増殖を阻害しない加水分解物を産生する方法で行われる。ヘミセルロースおよびセルロース画分は、主にまたは少なくとも部分的にポリマーの形状である糖類を含み得る。本発明の一実施態様は、ヘミセルロースを抽出するために熱水抽出を使用するものである。熱水抽出は、ヘミセルロースに加えて、リグノセルロース系材料から発酵に好ましい無機物を除去するかもしれず、そしてこれは培養培地中への無機物添加の必要性を低下させる。別の実施態様において、例えば酢酸、ギ酸、酢酸エチル、乳酸もしくはマレイン酸またはそれらの任意の組み合わせを用いた処理などの、有機酸前処理が行われる。本発明のさらに別の実施態様において、例えば硫酸などを用いた、酸前処理が行われ得る。また、酸触媒を用いた、または用いない蒸気爆砕が使用される。また、例えばオルガノソルブ前処理などのような方法、場合によっては例えば硫酸などの酸触媒または二酸化硫黄(SO2)で補充され得る、例えばエタノール メタノール、アセトンまたはそれらの任意の混合物を用いた処理などの方法が使用され得る。また、例えばアンモニアによる前処理、アンモニア繊維爆砕(ammonia fibre expansion)、アンモニア循環浸出(ammonia recycle percolation)または石灰前処理(lime pretreatments1)が使用され得る。リグノセルロース材料は、前処理に先立ってまたはそのあいだに、これらに限定されるわけではないが例えば粉砕(crushing)または摩砕(milling)などの任意の方法による例えば粒子サイズ減少など、(熱)機械的に処理されてもよい。
微生物のバイオマス(細胞)、または例えば脂質回収後のバイオマスなどのバイオマス残渣は、第一のバイオプロセスから第二のバイオプロセスへとリサイクルされ得る。加えて、または代わりに、微生物のバイオマス、またはバイオマス残渣は、第二のバイオプロセスから第一のバイオプロセスへとリサイクルされ得る。微生物のバイオマスは、場合によっては上澄みとともにリサイクルされ得る。微生物のバイオマスは、バイオプロセスに供給される前に、(熱)機械的、酵素的および化学的に処理され得る。本発明の一実施態様において、再利用のための微生物のバイオマスは、リグノセルロース系バイオマスが処理される同じユニット作用において処理される。本発明の一実施態様において、再利用のための微生物のバイオマスは、バイオプロセスへの供給の前の、即ちバイオ燃料の微生物的産生への供給前の微生物的産生への供給などの、リグノセルロース系バイオマスまたはバイオ燃料産生のための原料と同じ処理を受ける。リサイクルされた微生物のバイオマスは、それが供給されるであろうバイオプロセスにとって有用であり得る。第一のバイオプロセスは、脂質またはアルコール産生であり、一方、第二のバイオプロセスはアルコールまたは脂質産生であり得る。
本方法は、木本植物または非木本の草木植物またはセルロースおよび/またはヘミセルロースを含む他の材料を含む任意のリグノセルロース系材料に適用され得る。材料は、農業残渣(例えば麦わら、稲わら、まぐさ、さや、トウモロコシ茎葉、さとうきびバガス)、専用のエネルギー作物(例えばスイッチグラス、ススキ、リードカナリーグラス、ヤナギ、ホテイアオイなど)、木材材料または残渣(例えばヘミセルロース、使用済み亜硫酸パルプ液、屑繊維および/または一次汚泥などの、製材所およびパルプおよび/または製紙工場残渣または画分を含む)、コケまたは泥炭、微生物または都市紙くずであり得る。また、低リグニン含有材料である、例えば大型藻類のまたは微細藻類のバイオマスなどの材料もまた使用され得る。加えて、材料は産業活動からのヘミセルロースまたはセルロース画分であってもよい。本発明は任意の種類のセルロース画分を利用することができる。本発明は、これらに限られるわけではないが、主な画分として例えばガラクトグルコマンナン、キシランまたはアラビノキシランなどを含む任意の種類のヘミセルロース画分を利用することができる。例えばヘミセルロースおよび/またはセルロースなどの、異なる起源、植物種または産業的プロセスからの原材料または特定の画分がともに混合され、そして、本発明によるバイオプロセスのための原材料として使用され得る。
セルロースは通常、実際上水に溶解しない。固体のセルロースの加水分解は3つの異なる種類の酵素:エンドグルカナーゼ、エキソグルカナーゼおよびβ−グルコシダーゼを通常必要とする。主にセルロースのアモルファスな部分に作用するエンドグルカナーゼ(EC 3.2.1.4)はセルロースの巨大分子の内部結合をランダムにアタックする。エキソグルカナーゼまたはセロビオヒドラーゼ(EC 3.2.1.91)はセルロース鎖の端部をアタックし、一度に主に1つのセロビオースを加水分解する。エキソグルカナーゼはまた、結晶性セルロースポリマーを加水分解することもできる。最後に、セロビオースのグルコースモノマーへの加水分解がβ−グルコシダーゼ(EC 3.2.1.21)によって行われる。
ポリマー糖を含むフィードを含むバイオプロセス(工程1)のための、適切な微生物は、ポリマー糖を利用することができ、そしてバイオ燃料としての目的に適切な化合物を産生することができるような任意の微生物であり得る。本発明の好ましい実施態様において、本発明において使用される脂質産生生物はヘミセルロースおよび/またはセルロース中のポリマー糖を利用することのできる任意の生物であり得る。
本発明の一部である酵素としては、特に、糖を微生物にとって利用可能な形状へと転換することのできるものが挙げられる。典型的には、そのような酵素は、例えば糖ポリマーを糖単量体へと転換することのできるものなどの、加水分解酵素である。典型的には、これは単一の酵素によってではなく酵素群によって行われる。代わりに、糖を微生物にとって利用可能な形状へと転換することのできる酵素としては、イソメラーゼが挙げられる。
微生物的な脂質産生は、任意の公知の方法または将来において開発される方法で行われ得る。典型的には、微生物的脂質産生工程は、好気性バイオリアクター中の微生物の液内培養での培養を含む。微生物は、例えばヘミセルロースおよび/またはセルロース糖などの炭素源およびエネルギー源ならびに主要および微量栄養素を含む液体培養培地中で増殖される。培養は、例えば回分培養、流加回分培養、連続回分培養などで行われ得る。培養はまた、カスケード法で行われてもよい。培養において、微生物は増殖されそして、細胞内に脂質が蓄積される。一部の微生物は脂質を培養培地へと分泌することができる。
酵素は、微生物培養物、使用済み培養培地、上澄みおよび微生物細胞から、任意の公知かつ適切な方法で、または将来において開発される任意の適切な方法で行われ得る。それによって所望の酵素活性を有する酵素を画分に分離し得るような方法についても同様のことが適用される。
「バイオ燃料(biofuel)」は、主にバイオマスまたはバイオ廃棄物由来の固体、液体、ガス状の燃料を意味し、有史以前の植物および動物の有機遺物由来である化石燃料とは異なる。
脂質を含む微生物は、例えばろ過または傾斜法などを用いることによってなど、任意の公知の方法によって、培養培地から分離され得る。代わりに、大容積容量の産業規模の工業用遠心分離器を用いた遠心分離が、所望の製品を分離するために使用されてもよい。
発酵ブロースからのエタノールの回収は、任意の方法によって行うことができる。従来では蒸留が用いられる。アルコール製品分離技術として蒸留が使用される場合、例えばアルコール製品のための蒸留工程およびオイル抽出溶媒の再生を含む脂質製品のためのオイル抽出工程などの製品回収ユニット工程をエネルギー的に一緒に組み合わせることによって、コスト削減をすることが可能である。回収工程は、統合された工程、例えば富化または加水分解産物の濃縮または他の目的などにおける別のユニット工程で利用され得るプロセス熱を再生し得る。
発酵ブロースからのブタノールおよび/またはアセトン−ブタノール−エタノールの混合物の回収は、任意の公知の方法または将来において開発される任意の方法で行われ得る。従来では、ブタノールはABE発酵からの発酵ブロースから蒸留によって回収されるが、これは、大量のエネルギーを消費する。代替の方法としては、発酵ブロースの凍結結晶化、ガスストリッピング、浸透気化法、膜抽出、逆浸透、吸着または液液抽出などが挙げられるがこれらに限られるわけではない。
1.−バイオ燃料および/またはバイオ燃料のための出発材料を産生し、そして、酵素を産生することのできる微生物を使用する第一のバイオ技術的工程、および
−バイオ燃料および/またはバイオ燃料のための出発材料を産生する第二のバイオ技術的工程
を含む統合された方法であって、
−前記微生物を培養し、そして、バイオ燃料および/またはバイオ燃料のための出発材料および酵素、またはバイオ燃料またはバイオ燃料のための出発材料を産生する工程、
−任意には、上澄みおよび微生物細胞を微生物培養物から分離する工程、
−バイオ燃料またはバイオ燃料のための出発材料を、微生物培養物または微生物細胞から分離する工程、
−微生物培養物、上澄みまたは上澄みのタンパク質が富化された画分または触媒的に活性な酵素を含む上澄みの希釈物を、第一のおよび/または第二のバイオ技術的工程へと導入するか、または、工程のためのフィードストックを処理する工程
を含む統合された方法。
糖の規定:
溶液の糖濃度を規定するために、溶液は、適切な希釈液とされ、HPLC分析に先立ち、0.2μmを通してろ過された。
サンプルの脂肪酸成分がSuutariら(1990)によって記載される方法で測定された。サンプル中の脂質は、初めに遊離脂肪酸へと加水分解され、そのナトリウム塩へとケン化され、そしてその後、メチルエステルへとメチル化された。脂肪酸メチルエステルはガスクロマトグラフィーを用いて分析された。
培養物ブロースのタンパク質濃度が、Whatman3ろ紙を通してブロースをろ過した後に分析された。タンパク質濃度は、Bio−Rad Protein Assay(ブラッドフォード法に基づく)によって分析された。
培養物ブロースは、加水分解試験前にWhatman3ろ紙を通してろ過された。
脂質産生微生物は、通常、例えばATCC、DSMなどの複数の公認の微生物培養物保存機関によって一般に公開されている。本発明の様々な実施態様が、以下の実施例において、以下の微生物株を使用することにより議論される。アスペルギルス オリザエ(Aspergillus oryzae) DSM 1861、アスペルギルス オリザエ(Aspergillus oryzae) DSM 1864、アスペルギルス テレウス(Aspergillus terreus) DSM 1958。
本実施例は、脂質産生のための炭素源としてのセルロースベース材料を用いたアスペルギルス オリザエの培養のあいだに培養物ブロース中に形成される酵素活性を示している。
2 UPM、Wisabetula、カバ材さらし硫酸塩(Birch Bleached Harwood Sulphate) 790288 15−04−2008 Wisapulp。ヘミセルロース約15%。
3 限外ろ過(攪拌式セル(stirred ultrafiltration cell)Amicon Ultra 8200(Millipore製)中の10000Daフィルター)により3倍濃縮されたブロース
本実施例は、脂質産生のための炭素源としてのヘミセルロースベース材料を用いたアスペルギルス テレウスの培養のあいだに培養物ブロース中に形成される酵素活性を示している。
本実施例は、エタノール産生と脂質産生との統合を示している。エタノールは、カビによる脂質産生から得られる使用済み培地中の酵素によって加水分解されるセルロースから産生される。
本実施例は、アセトン−エタノール−ブタノール(ABE)産生と脂質産生工程の統合を示している。ABEは、カビによる脂質産生から得られる使用済み培地中の酵素によって加水分解される麦わらヘミロースおよび/またはセルロースから産生される。
本実施例は、脂質産生のための炭素源としてのヘミセルロースベース材料を用いたアスペルギルス オリザエの培養のあいだに培養物ブロース中に形成される酵素活性を示している。
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Claims (10)
- 発酵油脂産生およびアルコール産生のための統合された方法であって、リグノセルロース系材料またはその画分を発酵油脂およびアルコール産生のための原材料として使用し、そして、前記アルコール産生工程が、発酵油脂および酵素を産生することのできるアスペルギルス属に属する微生物を使用する発酵油脂産生工程からの、ポリマー糖を加水分解することのできる酵素と、アルコール産生微生物と、を使用する方法。
- 前記アルコール産生工程が、エタノール、ブタノール、イソプロパノール−ブタノール−エタノールおよび/またはアセトン−ブタノール−エタノールを含む請求項1記載の方法。
- 発酵油脂および酵素を産生することのできるアスペルギルス属に属する微生物を使用する発酵油脂産生工程、および
アルコール産生工程
を含む請求項1または2記載の方法であって、
発酵油脂および酵素を産生する前記アスペルギルス属に属する微生物を培養する工程、
アルコール産生微生物を培養し、そして、アルコールを微生物培養物から分離する工程、
発酵油脂をアスペルギルス属に属する微生物細胞から分離する工程、および
発酵油脂産生工程からのアスペルギルス属に属する微生物培養物、上澄みまたは上澄みのタンパク質が富化された画分または触媒的に活性な酵素を含む上澄みの希釈物を、アルコール産生工程へと導入するか、または、アルコール産生工程のためのフィードストックを処理する工程
を含む方法。 - 前記発酵油脂および酵素を産生するアスペルギルス属に属する微生物を培養する工程が、上澄みおよびアスペルギルス属に属する微生物細胞を微生物培養物から分離する工程をさらに含む請求項3記載の方法。
- 前記発酵油脂産生工程の生成物が、酵素の触媒的活性を保持する方法を用いて回収される請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記原材料がまた、でんぷんも含む請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記酵素が細胞外酵素を含む請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記細胞外酵素が、ヘミセルロースおよび/またはセルロース加水分解と関連する酵素である請求項7記載の方法。
- 前記酵素が、ヘミセルラーゼ、キシラナーゼ、マンナナーゼ、アラビナーゼ、ガラクトシダーゼ、グルコシダーゼ、マンノシダーゼ、キシロシダーゼ、アラビノフラノシダーゼ、エステラーゼ、セルラーゼ、エンド−セルラーゼ、エキソ−セルラーゼ、セロビアーゼまたはベータ−グルコシダーゼ、酸化セルラーゼ、またはセルロースホスホリラーゼまたはそれらの任意の混合物を含む請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記酵素の一部が発酵油脂産生工程へリサイクルされる請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
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