KR102620579B1 - 리그노셀룰로스계 원료의 셀룰로스 및 헤미셀룰로스의 순차적 효소적 가수분해에 의한, 특히, 에탄올의 생산 방법 - Google Patents
리그노셀룰로스계 원료의 셀룰로스 및 헤미셀룰로스의 순차적 효소적 가수분해에 의한, 특히, 에탄올의 생산 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 리그노셀룰로스계 식물성 원료의 전처리 단계를 포함하고, 리그노셀룰로스계 식물성 원료의 구조를 파괴하는 단계, 이어서 한편으로는 가수분해 (및 에탄올의 생산을 위해 발효)될 수 있는 셀룰로스 (C6) 그리고, 다른 한편으로는, 가수분해될 수 있는 헤미셀룰로스 및 리그닌을 분리하는 단계로 구성된 단계를 포함하며, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스의 가수분해는 다음으로 구성된 단계들에 따라 순차적 방식으로 수행되는 것을 특징으로 한다:
- i) 중간 가수분해물을 얻을 목적으로 제1 기간 동안 적어도 하나의 효소에 의해 셀룰로스의 효소적 가수분해를 시작하는 단계;
- ii) 상기 중간 가수분해물에 헤미셀룰로스를 추가하는 단계;
- iii) 최종 가수분해물이 효소적 가수분해의 총 기간의 끝에서 얻어질 때까지 혼합물의 효소적 가수분해를 계속하는 단계.
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- iii) 최종 가수분해물이 효소적 가수분해의 총 기간의 끝에서 얻어질 때까지 혼합물의 효소적 가수분해를 계속하는 단계.
Description
본 발명은 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌을 분리하기 위하여 리그노셀룰로스계 식물성 원료 (MPVL)의 전처리 단계, 및 C5 다당류 (펜토스) 및 C6 다당류 (헥소스)의 효소적 가수분해 단계를 포함하는, 특히, 에탄올을 생산하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 바이오매스의 다양한 공급원의 조성물은 해부학적 및 구조적 측면에서 큰 이질성을 나타내지만, 그것들은 또한 불변성, 즉, 세 개의 주요 거대분자 화합물, 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌의 존재의 정도를 나타낸다. 셀룰로스는 선형 글루코스 폴리머이며, 그러므로 발효성 당의 잠재적 공급원이고; 헤미셀룰로스는 헤테로폴리머이며, 이것들 중 가장 대표적인 모노머는 많은 미생물에 의해 쉽게 대사되는 다섯 개의 탄소 원자 (자일로스, 아라비노스)를 포함하는 C5 당이고; 리그닌은 복잡한 3차원 헤테로폴리머인 한편, 이것의 자연 분해는 길고 복잡한 과정이며 이것에 대해서는 지금까지 그것으로부터 가수분해에 의한 어떠한 산업상 생산 방법을 이끌어내기를 원하는 환상에 불과한 것으로 여겨진다.
리그노셀룰로스의 특이성은 특히, 예를 들어, 상기 언급된 발효성 당으로부터 에탄올을 생산할 목적으로, 특히 헤미셀룰로스 및 리그닌의 가용화를 목표로 하여 효소 시약으로의 셀룰로스의 접근성 문제를 해결하기 위해서 전처리의 수행을 요구한다.
출원인, CIMV는 리그노셀룰로스계 식물성 원료의 처리 및 이용을 전문으로 하는 회사이다.
이 점에 있어서, 출원인은 포름산/아세트산 매질에서 리그노셀룰로스계 식물성 재료의 분별에 의해 제지용 펄프, 리그닌, 당 및 아세트산을 생산하는 방법에 관한 다양한 특허 출원 및 특허 (WO-A1-00/68494)를 출원하였고, 이것들의 소유자이다.
출원인은 또한 바이오에탄올을 생산하기 위해 리그노셀룰로스계 식물성 재료를 전처리하는 방법에 관한 특허 출원 및/또는 특허 (WO-A2-2010/006840)의 소유자이다.
이러한 전처리 방법은, 경제적 산업상 조건 하에, 리그노셀룰로스계 식물성 원료 (MPVL)로부터 추후 효소적 가수분해에 대하여 최적의 조건을 나타내는 해리된(de-fibred) 셀룰로스로 본질적으로 구성된 제1 기질, 및 가수분해물에 푸르푸랄이 없는 헤미셀룰로스로부터 기원하는 당밀(sugar molasses)로 구성된 제2 기질을 얻는 것이 가능하게 만든다.
그러므로 출원인은 이미 리그노셀룰로스계 식물성 원료로부터 바이오에탄올을 생산하는 방법을 제안하였는데, 연속적으로 MPVL의 전처리 단계, 전처리된 재료의 효소적 가수분해 단계 및 가수분해 단계로부터 발생한 생성물의 알콜성 발효 단계를 포함한다.
출원인은 특히 리그노셀룰로스계 식물성 원료로부터 바이오에탄올을 생산하는 방법을 제안하였는데, 다음 연속적인 단계들을 포함한다:
- a) 리그노셀룰로스계 식물성 원료에 함유된 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌을 분리하기 위하여 리그노셀룰로스계 식물성 원료의 전처리 단계로서, 전처리 단계는 다음으로 구성된 연속적인 단계들을 포함하는 단계:
· (i) 포름산, 아세트산 및 물을 함유하는 혼합물의 존재 하에, 95℃ 내지 110℃의 반응 온도에 리그노셀룰로스계 식물성 원료를 배치함으로써 리그노셀룰로스계 식물성 원료의 구조를 파괴하는 단계;
· (ii) 이어서, 대기압에서 및 가수분해 후 발효 작용 이전에, 다음을 분리하는 단계:
* 한편으로는 에탄올의 생산을 위해 가수분해되고 발효될 수 있는 상기 셀룰로스 (C6 당)으로 본질적으로 구성되는 고체상;
* 및 다른 한편으로는, 포름산, 아세트산, 리그닌 및 헤미셀룰로스 (C5 당)를, 특히 수용액에서, 함유하는 액체상;
- b) 상기 고체상의 효소적 가수분해 단계;
- c) 에탄올의 생산을 위해 발효될 수 있는, 상기 가수분해 단계로부터 발생한 생성물의 알콜성 발효 단계.
이 방법은 특히 문서 EP-2 235 254 (WO-A1-2009/0927498)에서 더 상세히 기록되어 있다.
이 방법은 산/물 매질에서 가용매분해에 의한 세 개의 바이오폴리머의 분리를 수행함으로써 선행 기술과는 근본적으로 다른 접근법을 제안하는데, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스의 가수분해 후 발효의 어떤 작용 전에, 고부가가치를 가진 선형, 비-재결합된, 저분자량 리그닌을 분리하는 것을 가능하게 한다.
이 방법은 사용된 식물의 성질에 관계없이 산업상 수행 수준을 얻는 것을 가능하게 하고, 그러므로 새로운 이용로 가는 길을 열어주기 위한 일년생 식물의 경우에, 특히 곡물 짚 및 사탕수수(sugarcane) 찌꺼기 또는 사탕수수(sugar sorghum) 찌꺼기의 경우에 특히 유리하며, 상기 이용은 포름산/아세트산 매질에서 리그노셀룰로스계 식물성 재료의 분별에 의해 제지용 펄프, 리그닌, 당 및 아세트산을 생산하는 방법에 관한 국제 출원 WO-A1-00/68494에서 출원인에 의해 이미 제안된 것에 부가한다.
예를 들어, CIMV "정제" 방법에 의해 식물 재료 (예를 들어, 밀짚)로부터 유래된 셀룰로스의 양 및 효소적 가수분해 후 존재하는 글루칸의 양은 다음과 같다:
- CIMV 방법의 셀룰로스 분획 수율: 88%의 셀룰로스로 구성된 바이오매스 (곡물 짚의 경우)의 48%, 즉, 바이오매스의 42% (중량 기준);
- 글루코스 수율: 바이오매스의 44% (중량비);
- 셀룰로스 알콜 수율: 바이오매스의 21% (중량비).
CIMV 정제 방법에 의해 분리된, 헤미셀룰로스를 함유하는 스트림은 대략 20%의 발효성 당의 가능성을 나타낸다.
본 발명 (CIMV 방법)은 발효성 당을 제공하도록 MPVL로부터 에탄올의 생산, 및 특히 셀룰로스의 가수분해를 위한 산업상 조건을 개선하는 것을 목표로 한다.
일반적으로 및 공지된 방식에서, MPVL로부터 에탄올을 생산하는 방법은 여러 파라미터를 고려한다.
이 파라미터들 중에서는, 특히 리그닌이 효소의 억제자일 수 있고 리그노셀룰로스계 매트릭스는 셀룰로스 및 헤미셀룰로스를 가수분해 가능하게 만들기 위해 전처리되어야 한다는 것이 확인되었다.
그것들의 화학적 조성 때문에, 리그닌 폴리머는 불용성이고 고도로 반응성이다.
결과로서, 리그닌의 존재는 셀룰로스-헤미셀룰로스 네트워크를 강화하고, 그것들은 효소의 침투 및 작용을 방해하며, 물의 존재를 필요로 한다.
셀룰로스의 효소적 가수분해는 다양한 이유로, 및 특히 화학적 가수분해와 비교될 때, 경제적 평가의 결과가 효소적 가수분해를 선호하기 때문에 발효성 당의 획득을 위해 추천된 접근법이다.
게다가, 효소적 가수분해는 처리되어야 하는 폐수를 거의 발생시키지 않고 부식의 문제가 없다.
실제의 효소적 가수분해는 단순히 전처리된 식물성 원료를 효소 용액과 접촉시키는 한편, 현탁액이 균질하고 최적의 조건이 유지되도록 보장함으로써 수행되며, 상기 조건은, 예를 들어, 트리코더마 리세이(T.reesei) 셀룰라제에 대하여, 45℃ 내지 50℃의 온도 및 약 4.8의 pH이다.
효소 작용 시간은 사용된 효소의 양 및 효소의 특이적 활성에 의존적이다.
효소적 가수분해 중에, 환원성 당은 본질적으로 글루코스의 형태로 방출된다.
흔히 셀룰라제라고 불리는, 셀룰로스 분해에 수반된 효소는 다양한 유형 및 다양한 기원의 효소이며 그것들은 특히 그것들의 활성을 특징으로 한다.
셀룰라제의 비용은 비교적 고가이며 MPVL로부터 바이오에탄올의 생산에 있어서 가장 비싼 것으로 종종 추정되는 요인을 구성한다.
결과로서, 효소적 가수분해를 개선할 목적으로 효소적 가수분해의 메커니즘을 결정하려는 많은 노력이 이루어지고 있으며, 그것은 불용성 및 "내화성" 기질 상에서의 가용성 단백질의 복잡한 작용 과정이다.
효소적 가수분해 방법의 효율성 및 수익성의 또 다른 파라미터는 가수분해 시간이며, 이것은 48 내지 72 hr으로 비교적 길 수 있다.
셀룰로스의 효소적 가수분해의 효율성을 개선하기 위해서, 출원인 CIMV는 문서 WO-A2-2012/049054에서, 셀룰로스의 효소적 가수분해 단계 이전에, 중량 퍼센트로 표현되는 리그닌의 전체 잔류 수준을 얻기 위해 리그닌의 부분적 제거 단계를 포함하는 점을 특징으로 하는, 에탄올 생산 방법을 제안하였는데, 이 수준은 0이 아니고 각각 0.30% 및 4%와 같은 하한 및 상한에 의해 결정된 범위에 포함된다. 이 방법의 전체적인 효율성은 MPVL로부터 이론상 최대 수준의 에탄올의 생산량과 유사하거나, 또는 사실상 같고, 게다가, 전체 방법이 절차에 따라 먼저 효소적 가수분해 단계, 및 이어서 발효 단계를 이용하든지, 또는 동시 가수분해 및 발효 방법 (SSF 방법)이 수행되든지 여부에 관계 없이 이 효율성은 같다.
이러한 동일한 효율성은 이 방법에 따르는 셀룰로스의 효소적 가수분해가 발효 억제자를 생산하지 않는다는 사실 때문이다. 이에 더하여, 방법의 이점 (전체적인 리그닌 수준 및 특이적 재산성화 조건)은 변형되지 않는다, 즉, 사용된 셀룰라제에 관계없이, 및 더 낮거나 더 높은 효율성을 가진 셀룰라제가 수반되는지에 관계없이 같은 성질의 것이고 같은 값을 갖는 것으로 입증되었다.
셀룰로스가 효소적 가수분해에 의해 글루코스로 가수분해되면, 글루코스는, 예를 들어, 전분으로부터 발생한 글루코스와 같은 방식으로 발효된다.
초기 기질로서 MPVL의 사용에 대하여 특이적인 공지된 문제점, 예를 들어, 헤미셀룰로스 및 리그닌으로부터 발생한 독성 화합물 및 억제자의 존재 가능성, 및 또한 단일 단계로 효소적 가수분해 및 발효를 수행할 가능성이 남아있다.
가수분해물에 존재하는 억제자는 당의 (푸르푸랄로의) 분해, 헤미셀룰로스에 존재하는 군, 및 리그닌으로부터 기원한다.
억제자의 존재는 MPVL의 성질 및 그것의 전처리 조건에 의존적이다.
푸르푸랄에 의한 효소의 억제 이외에, 다양한 억제자의 결합된 효과가 알려져 있다.
도 1. 시간에 대한 C5 시럽의 가수분해 및 발효의 수율을 도시하는 그래프.
도 2. 시간에 대한 C6 및 C5의 공동-가수분해 및 상기 공동-가수분해물의 공동-발효의 수율을 도시하는 그래프.
도 2. 시간에 대한 C6 및 C5의 공동-가수분해 및 상기 공동-가수분해물의 공동-발효의 수율을 도시하는 그래프.
SSF (동시 당화 및 발효)로 불리는 방법에 따라, 같은 반응기에서, 가수분해 및 발효 작업의 동시 실행은 이미 제안되었으며, 상기 방법이 단일 장치를 필요로 하기 때문에 상기 방법의 첫 번째 이점이 분명해 보이지만, 상기 방법은 같은 물리화학적 환경에서 작용하는 효소 및 효모의 사용을 필요로 한다.
하지만, 그것들의 최적의 온도는 비교적 멀리 떨어져 있다 (효모에 대해서는 30℃ 및 셀룰라제에 대해서는 50℃).
따라서, SSF의 개발은 매우 높은 온도에서 발효 가능한 효모 균주의 개발을 수반한다.
단일 단계로 효소적 가수분해 및 에탄올 발효를 수행하는 단계로 구성된 "SSF" ("동시 당화 및 발효") 방법에 따르는 동시 발효 및 가수분해에 관하여, 이것의 주요 이점은 사전에 수행된 효소적 가수분해에 필요한 작업의 제거에 의한 투자물의 감소, 및 보이는 바와 같이 발효성 미생물에 의해 소모되는 글루코스에 의한 셀룰라제 억제의 부재이다.
이것은 가수분해의 수준 및 속도 및 전체적인 에탄올 생산성의 증가를 초래한다.
게다가, 글루코스-풍부 가수분해물의 미생물 오염의 위험이 감소된다.
하지만, SSF 방법에 의해 제공된 이득은, 특히, 경제적인 관점에서, 고농도의 에탄올을 얻기 위해 최적화되어야 하는 특정 양태, 특히, 초기 고체 농도를 필요로 하는 것이 분명해진다.
공동-발효의 또 다른 개념에 따르면, 단일 단계로, 효소적 가수분해에 의해 생성된 C6 당의 전처리로부터 발생한 C5 당의 당화 및 공동-발효의 결합을 제안하는 것이 가능하다.
하지만, 이러한 SSCF (동시 당화 및 공동-발효) 방법은, 사실상 모든 미생물에서, 당의 혼합물의 존재 하에, 다른 당의 동화 이전에 글루코스의 동화를 체계적으로 촉진하기 위해 제자리에 있는 메커니즘의 폐지를 필요로 한다.
따라서, 두 개의 다른 산업상 방법 계획은 선행 기술에서 공지된 다양한 옵션들의 조합 가능성으로부터 자연스럽게 벗어난다.
첫 번째 계획은 전처리 단계의 끝에서 C5 당의 분리를 제공하는데, 이 C5 당 스트림은 별도로 발효되며 하나의 분획이 셀룰라제의 생산에 선택적으로 사용되는 것이 가능하고, 전처리로부터 발생한 불용성 분획 (셀룰로스 + 리그닌)이 SSF 방법에 의해 처리되는 것이 가능하다.
분명히 훨씬 더 간단한, SSCF 기반의 두 번째 계획은 C5 및 C6 당을 동시에 발효시킬 수 있고 정확히 같은 효율성을 가지는 미생물 (또는 미생물의 혼합물)의 이용 가능성을 필요로 한다.
이것은 대사 속도의 차이가 대사되는 당이 가장 느리게 소진되어, 생산, 특히 바이오에탄올 생산의 경우에는 발효를 위한 산업상 장비 전부의 사용 부족을 초래할 때까지 발효의 연장이 필요하게 만들기 때문이다.
이러한 방법의 실행 가능성 및 수익성에 있어서 결정적인 조치를 취하기 위해서, 본 발명은, 공지된 방식으로, 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌의 분리를 초래하는 제1 전처리 부분, 및 이어서, 놀랍게도, 바이오에탄올, 또는 특히 사용된 효모에 따라 어떤 다른 생성물의 생산을 위해 발효될 수 있는 최종 가수분해물 (또는 공동-가수분해물)의 획득을 초래하는 C6 및 C5 다당류의 순차적 가수분해를 기반으로 하는 새로운 방법을 제안한다.
이러한 방법의 실행 가능성 및 수익성에 있어서 결정적인 조치를 위하기 위해서, 본 발명은, 공지된 방식으로, 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌의 분리를 초래하는 제1 전처리 파트 및 이어서, 놀랍게도, 특히 바이오에탄올, 또는 특히 사용된 효모에 따르는 어떤 다른 생성물의 생산을 위해 발효될 수 있는 최종 가수분해물 (또는 공동-가수분해물)의 획득을 초래하는 C6 및 C5 다당류의 순차적 가수분해를 기반으로 하는 새로운 방법을 제안한다.
이 목적을 위해서, 본 발명은 리그노셀룰로스계 식물성 원료 (MPVL)로부터 생성물, 예를 들어, 바이오에탄올을 생산하는 방법을 제안하는데, 다음 단계를 포함하며:
- a) 리그노셀룰로스계 식물성 원료에 함유된 셀룰로스 (C6), 헤미셀룰로스 (C5) 및 리그닌을 분리하기 위하여 리그노셀룰로스계 식물성 원료의 전처리 단계로서, 전처리 단계는 리그노셀룰로스계 식물성 원료의 구조를 파괴하는 단계, 이어서, 한편으로는, 가수분해 (및 바이오에탄올의 생산을 위해 발효)될 수 있는 셀룰로스 (C6) 그리고, 다른 한편으로는, 가수분해될 수 있는 헤미셀룰로스 (C5 올리고당)를 분리하는 단계로 구성된 연속적인 단계들을 포함하는 단계;
- b) 셀룰로스 (C6)의 효소적 가수분해 단계;
- c) 헤미셀룰로스 (C5)의 효소적 가수분해 단계;
셀룰로스 및 헤미셀룰로스의 가수분해 단계가 다음으로 구성된 연속적인 단계들에 따라 순차적인 방식으로 수행되는 것을 특징으로 한다:
- i) 중간 가수분해물을 얻을 목적으로 제1 기간 (T1) 동안 적어도 하나의 효소 (셀룰라제)에 의해 셀룰로스 (C6)의 효소적 가수분해를 시작하는 단계;
- ii) 상기 중간 가수분해물에 헤미셀룰로스 (C5)를 추가하는 단계;
- iii) 최종 가수분해물이 효소적 가수분해의 총 기간 (T2)의 끝에서 얻어질 때까지 혼합물의 효소적 가수분해를 계속하는 단계.
예로서, 리그노셀룰로스계 식물성 원료를 구성하는 1 미터톤(metric tonne)의 짚에 대하여, 본 발명에 따르는 방법은 생산된 에탄올의 양을 대략 20%만큼 증가시키는 것이 가능하게 만든다.
따라서, 순차적 및 제어된 방식으로, 바이오매스의 정제로부터 발생한 두 개의 초기 별개의 스트림을 결합하는 한편, 전체적인 수율을 증가시키고 두 개의 당 스트림을 별도로 처리하는 생산 유닛의 장비 및 운전비의 일부를 제거하는 이점은 분명하게 알 수 있다.
유리하게는, 및 특히 점성의 문제를 해결하는 한편 동시에 높은 고체 함량을 가진 셀룰로스를 사용하여 방법을 쉽게 실행하기 위해서는, 셀룰로스의 효소적 가수분해의 상기 단계 i)은 다음으로 구성된다:
i1) 상기 적어도 하나의 제1 효소를 반응기로 도입하는 단계;
i2) 고체 (MS) 함량이 중량 기준 10% 내지 15%인 혼합물이 얻어질 때까지 셀룰로스의 제1 부분을 추가하는 단계;
i3) 혼합물을 6시간 내지 15시간의 기간 동안 가수분해되게 하는 단계;
i4) 중량 기준 20% 내지 25%의 최종 고체 (MS) 함량을 얻도록 여러 단계들로 셀룰로스의 나머지 부분을 추가하는 단계.
셀룰로스의 효소적 가수분해의 상기 제1 기간 (T1)는 사용된 효소, 또는 효소의 혼합물에 따라 20시간 내지 40시간이다.
셀룰로스의 효소적 가수분해의 상기 제1 단계 i)는, 예를 들어, 45℃ 내지 55℃의 온도에서 수행된다.
셀룰로스의 고체 함량은 10% 내지 25%이다.
셀룰로스의 고체 함량은 바람직하게는 20% 초과이다.
상기 헤미셀룰로스 추가 단계 ii)는 단일 단계로, 가수분해되는 모든 셀룰로스의 도입 후 수행된다.
상기 헤미셀룰로스 추가 단계 ii)는 특히 헤미셀룰로스를 가수분해할 수 있는 또 다른 효소를 동시에 추가하는 단계로 더 구성된다.
효소적 가수분해를 계속하는 단계로 구성된 상기 단계 iii)는 45℃ 내지 55℃의 온도에서 수행된다.
헤미셀룰로스의 고체 함량은 중량 기준 20% 내지 35%이다.
셀룰로스 및 헤미셀룰로스의 순차적 효소적 가수분해의 총 기간 (T2)는 48시간 내지 72시간이다.
상기 적어도 하나의 효소는 셀룰로스를 가수분해할 수 있는 효소, 특히 셀룰라제, 예를 들어, Novozyme의 Cellic CTec™ plus Htec™ 또는 Dyadic의 CMAX™이다.
상기 적어도 하나의 효소는 셀룰로스 및 헤미셀룰로스를 가수분해할 수 있는 효소, 예를 들어, Novozyme의 Cellic CTec™ plus Htec™ 또는 Dyadic의 CMAX™의 혼합물이다.
상기 다른 효소는 헤미셀룰로스를 가수분해할 수 있는 효소, 예를 들어, Novozyme의 Cellic Htec™ 또는 Dyadic의 CMAX™이다.
방법은 헤미셀룰로스 (C5)를 상기 중간 가수분해물에 추가하는 상기 단계 ii) 이전에, 헤미셀룰로스를 함유하는 상으로부터 리그닌을 적어도 부분적으로 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르는 방법은 다음으로 구성된 연속적인 단계들을 포함한다:
(j) 포름산, 아세트산 및 물을 함유하는 혼합물의 존재 하에, 95℃ 내지 110℃의 반응 온도에 리그노셀룰로스계 식물성 원료를 배치함으로써 리그노셀룰로스계 식물성 원료의 구조를 파괴하는 단계;
(jj) 이어서, 대기압에서 및 어떤 가수분해 작용 이전에, 다음을 분리하는 단계:
* 한편으로는, 제1 보조기질을 구성하고, 가수분해되고 발효될 수 있는 상기 셀룰로스로 본질적으로 구성되는 고체상; 및
* 다른 한편으로는, 산 및 리그닌의 분리 후 가수분해될 수 있는 제2 보조기질을 구성하는 포름산, 아세트산, 리그닌 및 헤미셀룰로스를, 특히 수용액에서, 함유하는 액체상.
바이오에탄올의 생산을 위해서, 방법은 최종 가수분해물의 추가적인 알콜성 발효 단계를 포함한다.
상기 언급된 바와 같이, 예로서, 리그노셀룰로스계 식물성 원료를 구성하는 1 미터톤의 짚에 대하여, 본 발명에 따르는 방법은 생산된 에탄올의 양을 대략 20%만큼 증가시키는 것이 가능하게 만든다.
C6 및 C5 당의 두 개의 스트림을 가수분해함으로써, 두 개의 스트림에 함유된 당을 동원하여 만족스러운 발효 수율을 얻는 것이 가능하다.
이 C6 및 C5 당을 동원할 여러 가능성이 연구되었다:
a) 분리된 C6 및 C5 스트림 또는 플로우(flow)의 가수분해 및 발효
b) 두 개의 C6 및 C5 스트림의 별도의 가수분해에 이은 두 개의 공동-가수분해물의 공동-발효;
c) C6 및 C5 스트림의 공동-가수분해, 및 공동-가수분해물의 발효.
a) 셀룰로스의 가수분해 + 셀룰로스 가수분해의 발효 및 C5 올리고당 (당즙)의 발효 + 자일로스의 발효.
a-i) 고농도 (20 % 초과)에서, 셀룰로스의 가수분해 및 셀룰로스의 에탄올로의 발효:
- 95 % 수율로 가수분해
- 0.48의 전환율로 에탄올로의 글루코스 발효
따라서 바이오매스 kg 당 총 0.21kg의 에탄올에 도달한다.
a-ii) C5 시럽의 가수분해 및 발효: 당즙에 함유된 올리고당의 가수분해는 건조물의 20% 미만으로 수행될 수 있고; 올리고당 가수분해 수율은 50%보다 낮다: 도 1 참조.
하지만 C5 당의 이 스트림의 발효는 발효 가능하지 않거나 불량하게 발효 가능하다.
실제로 이 스트림의 발효는 효모 억제자 일부의 제거를 허용하는 크로마토그래피 정제 단계를 반드시 수반한다. 이러한 정제 없이는, 당 시럽은 발효 가능하지 않다.
이 경우에, 이것은 생산될 수 있는 에탄올의 양이 셀룰로스 분획으로부터 얻어진 에탄올의 양, 즉, 바이오매스의 중량 기준 21%인 것을 나타낸다.
따라서 바이오매스 kg 당 총 0.21kg의 에탄올에 도달한다.
b) 두 개의 스트림은 각각에 대하여 건조물 (MS)의 20%의 농도에서 별도로 가수분해되고 공동-발효된다:
이 경우에, 생산된 에탄올의 양, 뿐만 아니라 에탄올 농도는 비교적 낮다.
따라서 바이오매스 kg 당 총 0.21kg의 에탄올에 도달한다.
c) C6 및 C5의 공동-가수분해 및 상기 공동-가수분해물의 공동-발효:
공동-가수분해의 경우에서, 당즙 (C5)은 가장 농축된 가능한 공동-가수분해물을 얻기 위해서, 22%보다 높은 농도로 사용될 수 있다; 이로 인해 공동-가수분해 후 얻어진 발효성 당의 양 - 65/35의 중량비 - 은 180g / 리터보다 높고 에탄올 수율은 약 0.47 내지 0.48 g/l이다.
도 2 참조.
따라서 바이오매스 kg 당 총 0.265kg의 에탄올, 즉, 생산된 에탄올의 양의 20% 초과의 증가에 도달한다.
Claims (16)
- - a) 리그노셀룰로스계 식물성 원료에 함유된 셀룰로스(C6), 헤미셀룰로스(C5) 및 리그닌을 분리하기 위하여 리그노셀룰로스계 식물성 원료의 전처리 단계로서, 리그노셀룰로스계 식물성 원료의 구조를 파괴하는 단계, 이어서, 셀룰로스와 헤미셀룰로스를 각각 분리하는 단계로 구성된 연속적인 단계들을 포함하는 단계;
- b) 셀룰로스의 효소적 가수분해 단계; 및
- c) 헤미셀룰로스의 효소적 가수분해 단계
를 포함하는, 리그노셀룰로스계 식물성 원료로부터 생성물을 생산하는 방법으로서,
셀룰로스의 가수분해 및 헤미셀룰로스의 가수분해가
- i) 제1 기간(T1) 동안 적어도 하나의 효소에 의해 단계 a)에서 분리된 셀룰로스의 효소적 가수분해를 시작하여 중간 가수분해물을 얻는 단계;
- ii) 상기 중간 가수분해물에 단계 a)에서 분리된 헤미셀룰로스를 추가하여 중간 가수분해물과 헤미셀룰로스를 포함하는 혼합물을 얻는 단계;
- iii) 최종 가수분해물이 효소적 가수분해의 총 기간(T2)의 끝에서 얻어질 때까지 중간 가수분해물과 헤미셀룰로스를 포함하는 혼합물의 효소적 가수분해를 계속하는 단계
로 구성된 연속적인 단계들에 따라 순차적인 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1 항에 있어서, 셀룰로스의 효소적 가수분해의 단계 i)는
i1) 상기 적어도 하나의 효소를 반응기로 도입하는 단계;
i2) 효소 및 셀룰로스를 포함하는 반응기 내 혼합물의 고체 함량이 중량 기준 10% 내지 15%이 될 때까지 셀룰로스의 제1 부분을 반응기에 추가하는 단계;
i3) 단계 i2)에서 얻은 혼합물을 6시간 내지 15시간의 기간 동안 가수분해되게 하는 단계;
i4) 반응기 내 혼합물의 최종 고체 함량이 중량 기준 20% 내지 25%가 되도록 여러 단계들로 셀룰로스의 나머지 부분을 추가하는 단계
로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1 항에 있어서, 셀룰로스의 효소적 가수분해의 상기 제1 기간(T1)은 20시간 내지 40시간인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1 항에 있어서, 셀룰로스의 효소적 가수분해의 상기 제1 단계 i)는 45℃ 내지 55℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1 항에 있어서, 헤미셀룰로스를 추가하는 상기 단계 ii)는 단일 단계로 모든 셀룰로스의 도입 후에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1 항에 있어서, 상기 단계 ii)는 적어도 하나의 다른 효소를 동시에 추가하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1 항에 있어서, 효소적 가수분해를 계속하는 단계로 구성된 상기 단계 iii)는 45℃ 내지 55℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1 항에 있어서, 중간 가수분해물과 헤미셀룰로스를 포함하는 혼합물 내 헤미셀룰로스의 함량은 중량 기준으로 20% 내지 35%인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1 항에 있어서, 효소적 가수분해의 상기 총 기간(T2)은 48시간 내지 72시간인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 효소는 셀룰로스의 가수분해를 위한 효소인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 효소는 셀룰로스 및 헤미셀룰로스를 가수분해할 수 있는 효소의 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제6 항에 있어서, 상기 다른 효소는 헤미셀룰로스를 가수분해할 수 있는 효소인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1 항에 있어서, 상기 중간 가수분해물에 헤미셀룰로스(C5)를 추가하는 상기 단계 ii) 이전에, 헤미셀룰로스를 함유하는 상으로부터 리그닌을 적어도 부분적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1 항에 있어서, 단계 a)는
· (j) 포름산 및 물을 함유하는 혼합물의 존재 하에, 95℃ 내지 110℃의 반응 온도에 리그노셀룰로스계 식물성 원료를 배치함으로써 리그노셀룰로스계 식물성 원료의 구조를 파괴하는 단계
· (jj) 이어서, 대기압에서 및 어떤 가수분해 작용 이전에,
* 가수분해될 수 있는, 제1 보조기질을 구성하는 상기 셀룰로스로 본질적으로 구성되는 고체상; 및
* 포름산, 아세트산 및 리그닌의 분리 후 가수분해될 수 있는 제2 보조기질을 구성하는 포름산, 아세트산, 리그닌 및 헤미셀룰로스를 함유하는 액체상
을 각각 분리하는 단계로 구성된 연속적인 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1 항에 있어서, 바이오에탄올의 생산을 위해서, 최종 가수분해물의 알콜성 발효 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
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