Способ получения сахарного раствора

Способ получения сахарного раствора

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к способу получения сахаросодержащей жидкости из биомассы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В недавние годы были обстоятельно исследованы способы получения сахаросодержащей жидкости путем предварительной обработки содержащей целлюлозу биомассы кислотой, горячей водой, щелочью или тому подобными средствами и затем добавления к ней целлюлазы для проведения гидролиза. Однако эти способы с использованием целлюлазы имеют тот недостаток, что, поскольку используется большое количество целлюлазы и целлюлаза является дорогостоящей, становится высокой стоимость получения сахаросодержащей жидкости.

[0003] Среди методов разрешения проблемы были предложены способы, в которых целлюлазу, использованную для гидролиза целлюлозы, извлекают и используют повторно. Представленные примеры таких способов включают способ, в котором проводят непрерывное твердофазно-жидкостное разделение с помощью спин-фильтра, и полученную сахаросодержащую жидкость фильтруют через ультрафильтрационную мембрану для отделения целлюлазы (Патентный Документ 1), способ, в котором на стадии ферментативного осахаривания вводят поверхностно-активное вещество для подавления адсорбции целлюлазы и тем самым повышения эффективности извлечения (Патентный Документ 2), и способ, в котором остаток, полученный ферментативным осахариванием, подвергают электрической обработке для извлечения целлюлазного компонента (Патентный Документ 3), но эти способы не в состоянии коренным образом разрешить эту проблему.

ДОКУМЕНТЫ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Патентные Документы

[0004]

[Патентный Документ 1] JP 2006-87319 А

[Патентный Документ 2] JP 63-87 994 А

[Патентный Документ 3] JP 2008-206484 А

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

[0005] Настоящее изобретение имеет целью, как было описано выше, сокращение количества целлюлазы, используемой в гидролизе целлюлозы.

СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

[0006] Авторы настоящего изобретения провели обстоятельные исследования для разрешения вышеописанной проблемы и в результате этого сосредоточили внимание на добавлении мелассы к гидролизату целлюлозы. В результате авторы настоящего изобретения обнаружили, что это повышает количество целлюлазы, извлекаемой из гидролизата целлюлозы, тем самым создав настоящее изобретение.

[0007] Настоящее изобретение охарактеризовано признаками, приведенными ниже в пунктах [1]-[7].

[0008] [1] Способ получения сахаросодержащей жидкости, включающий следующие стадии (1)-(3):

стадию (1) добавления целлюлазы из мицелиальных грибов к продукту предварительной обработки целлюлозы для получения гидролизата;

стадию (2) добавления мелассы к указанному гидролизату для получения гидролизата, содержащего мелассу; и

стадию (3) подвергания указанной гидролизата содержащего мелассу, твердофазно-жидкостному разделению и проведения фильтрации полученного раствора как выделенного компонента через ультрафильтрационную мембрану для извлечения целлюлазы из мицелиальных грибов в качестве концентрата и для получения сахаросодержащей жидкости в качестве пермеата.

[0009] [2] Способ получения сахаросодержащей жидкости согласно пункту [1], в котором целлюлаза из мицелиальных грибов на стадии (1) представляет собой целлюлазу, продуцируемую грибами рода Trichoderma.

[0010] [3] Способ получения сахаросодержащей жидкости согласно пунктам [1] или [2], в котором продукт предварительной обработки целлюлозы на стадии (1) представляет собой один или более продуктов, выбранных из группы, состоящей из продуктов, полученных гидротермической обработкой, обработкой разбавленной серной кислотой или обработкой щелочью.

[0011] [4] Способ получения сахаросодержащей жидкости согласно любому из пунктов [1]-[3], в котором на стадии (2) мелассу добавляют к гидролизату для получения гидролизата, содержащего мелассу, концентрация сахара в которой варьирует в диапазоне от 50 до 200 г/л.

[0012] [5] Способ получения сахаросодержащей жидкости согласно любому из пунктов [1]-[4], в котором стадия (2) включает процесс инкубации гидролизата, содержащего мелассу при температуре в диапазоне от 40 до 60°C.

[0013] [6] Способ получения сахаросодержащей жидкости согласно любому из пунктов [1]-[5], причем способ включает стадию, на которой проводят фильтрацию сахаросодержащей жидкости со стадии (3) через нанофильтрационную мембрану и/или мембрану обратного осмоса для удаления ингибиторов брожения в качестве пермеата и для получения сахарного концентрата в качестве концентрата.

[0014] [7] Способ получения химического продукта, причем способ включает стадию, на которой выполняют ферментацию культурой микроорганизма, способного продуцировать химический продукт, с использованием в качестве исходного сырья для ферментации сахаросодержащей жидкости, полученной способом получения сахаросодержащей жидкости согласно любому из пунктов [1]-[6].

ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0015] Настоящее изобретение повышает степень извлечения фермента, целлюлазы из мицелиальных грибов, из гидролизата целлюлозы, так что может быть сокращено количество целлюлазы, используемой в способе получения сахаросодержащей жидкости. Кроме того, в настоящем изобретении при добавлении мелассы к гидролизату целлюлозы для получения гидролизата, содержащего мелассу, сахаристые компоненты могут быть выделены не только из целлюлозы, но также из мелассы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0016]

Фиг. 1 - блок-схема способа по изобретению.

Фиг. 2 - схема установки для выполнения настоящего изобретения.

Фиг. 3 - схема установки для получения концентрированной сахаросодержащей жидкости («сахарного сиропа»).

Фиг. 4 - схема способа получения химического продукта с использованием сахаросодержащей жидкости и/или концентрированной сахаросодержащей жидкости в качестве исходного сырья для ферментации.

Фиг. 5 - схема устройства, когда установка для получения сахаросодержащей жидкости, включающая устройство по фиг. 2, находится рядом с существующей установкой для производства сахара.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0017] Ниже подробно описаны варианты выполнения настоящего изобретения на каждой стадии.

[0018] Стадия (1)

Продукт предварительной обработки целлюлозы на стадии (1) означает содержащую целлюлозу биомассу, которая была предварительно обработана для гидролиза. Конкретные примеры содержащей целлюлозу биомассы включают травяные биомассы, такие как выжимки сахарного тростника, просо, слоновая трава, шерстоцвет (Erianthus), кукурузные стебли, рисовая солома и пшеничная солома; древесные биомассы, такие как древесина и отходы строительных материалов; и биомассы, происходящие из водной среды, такие как водоросли и крупные морские водоросли. Такие биомассы содержат, в дополнение к целлюлозе и гемицеллюлозе (далее называемым «целлюлозой» как родовым термином для целлюлозы и гемицеллюлозы), лигнин в качестве ароматических макромолекул и тому подобные. В частности, в настоящем изобретении предварительную обработку содержащей целлюлозу биомассы проводят, чтобы повысить эффективность гидролиза биомассы целлюлазой, происходящей из мицелиальных грибов, и продукт, полученный в результате этого, называется продуктом предварительной обработки целлюлозы.

[0019] Примеры предварительной обработки включают кислотную обработку, обработку серной кислотой, обработку разбавленной серной кислотой, щелочную обработку, гидротермическую обработку, обработку субкритической водой, пульверизационную обработку, обработку запариванием и сушильную обработку. В настоящем изобретении предварительная обработка предпочтительно представляет собой гидротермическую обработку, обработку разбавленной серной кислотой или щелочную обработку, поскольку щелочная обработка, гидротермическая обработка и обработка разбавленной серной кислотой обеспечивают лучшие эффективности ферментативного осахаривания и требуют меньших количеств фермента по сравнению с другими способами.

[0020] В случае гидротермической обработки добавляют воду таким образом, что концентрация содержащей целлюлозу биомассы составляет от 0,1 до 50% по весу, и полученную смесь обрабатывают при температуре от 100 до 400°C в течение от 1 секунды до 60 минут. При обработке в таких температурных условиях может быть получен продукт предварительной обработки целлюлозы, который может быть легко гидролизован целлюлазой. Число циклов обработки не является ограниченным, и обработка может быть проведена 1 или более раз. В частности, в случаях, где обработку проводят 2 или более раз, условия первой обработки могут отличаться от условий второй и последующих обработок.

[0021] В случае обработки разбавленной серной кислотой, концентрация серной кислоты предпочтительно составляет от 0,1 до 15% по весу, более предпочтительно от 0,5 до 5% по весу. Температура реакции может быть отрегулирована на диапазон от 100 до 300°C, и предпочтительно устанавливается в диапазоне от 120 до 250°C. Продолжительность реакции может быть в диапазоне от 1 секунды до 60 минут. Число циклов обработки не является ограниченным, и обработка может быть проведена 1 или более раз. В частности, в случаях, где обработку проводят 2 или более раз, условия первой обработки могут отличаться от условий второй и последующих обработок. Поскольку гидролизат, полученный при обработке разбавленной серной кислотой, содержит кислоту, необходима нейтрализация, чтобы в дальнейшем проводить реакцию гидролиза с помощью целлюлазы или чтобы использовать гидролизат в качестве исходного сырья для ферментации.

[0022] Щелочная обработка представляет собой способ, в котором щелочь, выбранную из гидроксида натрия, гидроксида кальция и аммиака, вводят для воздействия на содержащую целлюлозу биомассу. В качестве щелочи, используемой в щелочной обработке, в особенности предпочтительно может быть применен аммиак. Обработка аммиаком может быть проведена способами, описанными в патентных документах JP 2008-161125 А и JP 2008-535664 А. Например, аммиак добавляют к содержащей целлюлозу биомассе при концентрации в диапазоне от 0,1 до 15% по весу, и обработку проводят при температуре от 4 до 200°C, предпочтительно от 90 до 150°C. Добавляемый аммиак может быть в состоянии либо жидкости, либо газа. Кроме того, добавляемый аммиак может быть в форме либо чистого аммиака, либо водного раствора аммиака. Число циклов обработки не является ограниченным, и обработка может быть проведена 1 или более раз. В частности, в случаях, где обработку проводят 2 или более раз, условия первой обработки могут отличаться от условий второй и последующих обработок. Обработанный продукт, полученный действием аммиака, должен быть подвергнут нейтрализации аммиака или удалению аммиака, чтобы в дальнейшем проводить реакцию ферментативного гидролиза. Нейтрализация аммиака может быть проведена либо после удаления твердого компонента из гидролизата твердофазно-жидкостным разделением, либо в состоянии, где содержится твердый компонент. Кислотный реагент, применяемый для нейтрализации, не является ограниченным. Для удаления аммиака обработанный аммиаком продукт может быть выдержан при пониженном давлении, чтобы обеспечить испарение аммиака с переходом в газообразное состояние. Удаленный аммиак может быть извлечен и использован повторно.

[0023] На стадии (1) описанный выше продукт предварительной обработки целлюлозы подвергают гидролизу целлюлазой для получения гидролизата. Гидролиз целлюлозы означает снижение молекулярной массы целлюлозы. Кроме того, при гидролизе целлюлозы в то же время гидролизуются гемицеллюлозные компоненты, такие как ксилан, маннан и арабинан. Примеры моносахаридных компонентов, содержащихся в гидролизате, включают глюкозу, ксилозу, маннозу и галактозу, и основным моносахаридным компонентом является глюкоза, которая представляет собой гидролизат целлюлозы. Кроме того, в случаях, где гидролиз является недостаточным, содержатся дисахариды, такие как целлобиоза и ксилобиоза; целло-олигосахариды; ксило-олигосахариды; и тому подобные.

[0024] На стадии (1), продукт предварительной обработки целлюлозы подвергают гидролизу с помощью целлюлазы из мицелиальных грибов. Примеры целлюлазы из мицелиальных грибов включают целлюлазы, продуцируемые штаммами Trichoderma, Aspergillus, Cellulomonas, Clostridium, Streptomyces, Humicola, Acremonium, Irpex, Mucor, Talaromyces, Phanerochaete, бело-красной плесенью и бурой гнилью. В настоящем изобретении, среди таких целлюлаз из мицелиальных грибов предпочтительно используют целлюлазу, продуцируемую грибами Trichoderma.

[0025] Целлюлаза, продуцируемая грибами Trichoderma, представляет собой ферментную композицию, включающую целлюлазу, происходящую из микроорганизма, принадлежащего к роду Trichoderma, в качестве основного компонента. Микроорганизм, принадлежащий к роду Trichoderma, не является ограниченным и предпочтительно представляет собой вид Trichoderma reesei. Конкретные примеры такого микроорганизма включают Trichoderma reesei QM9414, Trichoderma reesei QM9123, Trichoderma reesei Rut C-30, Trichoderma reesei PC3-7, Trichoderma reesei CL-847, Trichoderma reesei MCG77, Trichoderma reesei MCG80 и Trichoderma viride QM9123. Целлюлаза также может быть выделена из мутантного штамма, происходящего из вышеописанного микроорганизма Trichoderma, причем мутантный штамм был получен мутагенезом с использованием мутагена, УФ-облучения или тому подобного, для усиления продуцирования целлюлазы.

[0026] Целлюлаза из грибов Trichoderma, применяемая в настоящем изобретении, представляет собой ферментную композицию, которая содержит многочисленные ферментные компоненты, такие как целлобиогидролаза, эндоглюканаза, экзоглюканаза, р-глюкозидаза, ксиланаза и ксилозидаза, причем ферментная композиция проявляет активность в гидролизе целлюлозы, обеспечивая осахаривание. При деградации целлюлозы, фермент целлюлаза из грибов Trichoderma проявляет согласованное действие или взаимодополняющее действие многочисленных ферментных компонентов и тем самым позволяет более эффективно гидролизовать целлюлозу. Используемая в настоящем изобретении целлюлаза в особенности предпочтительно содержит целлобиогидролазу и ксиланазу, происходящие из грибов Trichoderma.

[0027] Целлобиогидролаза представляет обобщенное наименование целлюлаз, которые гидролизуют целлюлозу с концевых участков. Ферменты из группы, принадлежащей к целлобиогидролазе, описываются ЕС-номером: ЕС3.2.1.91.

[0028] Эндоглюканаза представляет общий термин для целлюлаз, которые гидролизуют молекулярные цепи целлюлозы от их центральных участков. Ферменты из группы, принадлежащей к эндоглюканазе, описываются ЕС-номерами: ЕС3.2.1.4, ЕС3.2.1.6, ЕС3.2.1.39 и ЕС3.2.1.73.

[0029] Экзоглюканаза представляет общий термин для целлюлаз, которые гидролизуют молекулярные цепи целлюлозы от их концов. Ферменты из группы, принадлежащей к экзоглюканазе, описываются ЕС-номерами: ЕС3.2.1.74 и ЕС3.2.1.58.

[0030] β-Глюкозидаза представляет общий термин для целлюлаз, которые действуют на целло-олигосахариды или целлобиозу. Ферменты из группы, принадлежащей к β-глюкозидазе, описываются ЕС-номером: ЕС3.2.1.21.

[0031] Ксиланаза представляет общий термин для целлюлаз, которые действуют на гемицеллюлозу или, более конкретно, ксилан. Ферменты из группы, принадлежащей к ксиланазе, описываются ЕС-номером: ЕС3.2.1.8.

[0032] Ксилозидаза представляет общий термин для целлюлаз, которые действуют на ксило-олигосахариды. Ферменты из группы, принадлежащей к ксилозидазе, описываются ЕС-номером: ЕС3.2.1.37.

[0033] В качестве целлюлазы из грибов Trichoderma предпочтительно используют сырой ферментный продукт. Сырой ферментный продукт выделяют из надосадочной жидкости культуры, полученной выращиванием микроорганизма Trichoderma в течение произвольного периода времени в среде, приготовленной таким образом, чтобы микроорганизм продуцировал целлюлазу. Компоненты применяемой среды не являются ограниченными, и в основном может быть использована среда, пополненная целлюлозой, чтобы стимулировать продуцирование целлюлазы. В качестве сырого ферментного продукта может быть применена культуральная жидкость как таковая, или предпочтительно используют культуральную надосадочную жидкость, обработанную только для удаления клеток Trichoderma.

[0034] Весовые соотношения ферментных компонентов в сыром ферментном продукте не являются ограниченными. Например, культуральная жидкость, полученная от Trichoderma reesei, содержит от 50 до 95% по весу целлобиогидролазы и также содержит в качестве прочих компонентов эндоглюканазу, β-глюкозидазу и тому подобные. В то время как микроорганизмы, принадлежащие к роду Trichoderma, продуцируют строго целлюлазные ферменты в культуральной жидкости, активность β-глюкозидазы в культуральной жидкости является низкой, поскольку β-глюкозидаза задерживается в клетках или на поверхностях клеток. Поэтому β-глюкозидаза может быть добавлена к сырому ферментному продукту от другого вида или из того же вида. В качестве β-глюкозидазы от другого вида грибов предпочтительно может быть использована β-глюкозидаза, продуцируемая грибами Aspergillus. Примеры β-глюкозидазы, продуцируемой грибами Aspergillus, включают фермент Novozyme 188, который имеется в продаже на рынке от фирмы Novozyme. Способ добавления β-глюкозидазы от другого вида или от того же вида к сырому ферментному продукту также может представлять собой способ, в котором в микроорганизм, принадлежащий к роду Trichoderma, введен ген для выполнения такой генетической рекомбинации микроорганизма, чтобы в культуральной жидкости продуцировалась β-глюкозидаза, и затем выращивают микроорганизм, принадлежащий к роду Trichoderma, с последующим отделением культуральной жидкости.

[0035] Температура реакции гидролиза посредством целлюлазы из мицелиальных грибов предпочтительно варьирует в диапазоне от 15 до 100°C, более предпочтительно в диапазоне от 40 до 60°C, наиболее предпочтительно составляет 50°C. Величина pH в реакции гидролиза предпочтительно варьирует в диапазоне pH от 3 до 9, более предпочтительно в диапазоне pH от 4 до 5,5, наиболее предпочтительно составляет pH 5. Для корректирования величины pH может быть добавлена кислота или щелочь, чтобы довести значение pH до желательного уровня. Кроме того, если требуется, может быть применен буфер.

[0036] В дополнение, при гидролизе продукта предварительной обработки целлюлозы предпочтительно проводят взбалтывание/перемешивание, чтобы содействовать лучшему контакту между продуктом предварительной обработки целлюлозы и целлюлазой из мицелиальных грибов и для достижения однородной концентрации сахара в гидролизате. Концентрация твердого вещества в качестве продукта предварительной обработки целлюлозы более предпочтительно варьирует в диапазоне от 1 до 25% по весу. В частности, на стадии (1) концентрация твердого вещества как продукта предварительной обработки целлюлозы предпочтительно регулируют в диапазоне от не менее 2 до 10% по весу. Это делают с целью обеспечения достаточного количества жидкости для разбавления мелассы на стадии (2) на более позднем этапе. Еще одним преимуществом регулирования концентрации твердого вещества в диапазоне от не менее 2 до 10% по весу является повышение эффективности гидролиза продукта предварительной обработки целлюлозы. Это обусловливается тем свойством целлюлазы из мицелиальных грибов, что ферментативная реакция ингибируется сахаристыми продуктами, такими как глюкоза и целлобиоза, которые представляют собой продукты, образуемые гидролизом.

[0037] Концентрация сахара в гидролизате, полученном на стадии (1) согласно настоящему изобретению, не является ограниченной и предпочтительно варьирует в диапазоне от 10 до 100 г/л, более предпочтительно в диапазоне от 20 до 80 г/л, в расчете на концентрацию моносахаридов. Это обусловлено тем, что концентрация сахаров в пределах этого диапазона позволяет корректировать концентрацию сахаров до наиболее подходящего значения при смешивании с мелассой на более позднем этапе.

[0038] Стадия (2)

В настоящем изобретении к гидролизату, полученному в описанной выше стадии (1), добавляют мелассу. Меласса (Molasses) является побочным продуктом (отбросом), получаемым в процессе производства сахара из сока сахароносных сельскохозяйственной культуры, такой как сахарный тростник, сахарная свекла, Beta vulgaris, свекла или виноград, или из сахара-сырца, полученного однократной кристаллизацией такого сока из сахарного тростника. Меласса представляет собой раствор, содержащий сахаристые компоненты, которые остаются после стадии кристаллизации сахара в процессе производства сахара. Как правило, стадию кристаллизации сахара обычно проводят многократно таким образом, что первый сахар образуется как кристаллический компонент, полученный при первой кристаллизации, второй сахар образуется как кристаллический компонент, полученный кристаллизацией жидкости, оставшейся от первого сахара (первого утфеля), третий сахар образуется при кристаллизации жидкости, оставшейся от второго сахара (второго утфеля), и стадию дополнительно повторяют. Полученная в результате остаточная жидкость называется мелассой, которая является отбросами (отходами) производства. Сахаристые компоненты, содержащиеся в мелассе, главным образом представляют собой сахарозу, глюкозу и фруктозу, и в ней также могут содержаться определенные количества других сахаристых компонентов, таких как ксилоза и галактоза. Когда число циклов кристаллизации увеличивают, в мелассе возрастают концентрации иных компонентов, нежели сахаристые компоненты, происходящие из сахароносной сельскохозяйственной культуры. Таким образом, меласса известна как содержащая также большое количество ингибиторов брожения. Примеры ингибиторов брожения, содержащихся в мелассе, включают уксусную кислоту, муравьиную кислоту, гидроксиметилфурфурол, фурфурол, ванилин, ацетованилон, гваякол и разнообразные неорганические вещества (ионы). Однако компоненты и количества сахаров и ингибиторов брожения, содержащиеся в мелассе, не являются ограниченными.

[0039] Меласса, используемая на стадии (2), предпочтительно представляет собой мелассу, полученную после многих циклов кристаллизации. Более конкретно, данная меласса представляет собой мелассу, которая остается после многократной кристаллизации, проведенной предпочтительно не менее 2 раз, более предпочтительно не менее 3 раз. Кроме того, концентрация сахаров в мелассе предпочтительно составляет не менее 200 г/л, более предпочтительно не менее 500 г/л. В случаях, когда концентрация сахаристых компонентов в мелассе составляет менее 200 г/л, степень извлечения целлюлазы из мицелиальных грибов не возрастает, что не является предпочтительным. С другой стороны, хотя верхний предел концентрации сахаристых компонентов в мелассе, используемой на стадии (2), не является ограниченной, верхним пределом концентрации сахаристых компонентов в мелассе, получаемой в обычном процессе производства сахара, считается величина 800 г/л. Концентрация сахаров в мелассе может быть измерена с использованием известного метода измерения, такого как HPLC (высокоэффективная жидкостная хроматография, ВЭЖХ). Кроме того, меласса, в дополнение к вышеописанным сахарам, предпочтительно содержит ионы К⁺. Концентрация ионов К⁺ в мелассе, используемой в настоящем изобретении, составляет не менее 1 г/л, более предпочтительно не менее 5 г/л, наиболее предпочтительно не менее 10 г/л.

[0040] Мелассу добавляют к гидролизату стадии (1) для получения гидролизата, содержащего мелассу. Концентрация сахаров в гидролизате, содержащем мелассу, предпочтительно составляет не более 200 г/л, более предпочтительно не более 150 г/л, поскольку в случаях, где концентрация сахара в гидролизате, содержащем мелассу, является слишком высокой, вязкость становится слишком большой, так что может быть слабым течение в последующей обработке с использованием ультрафильтрационной мембраны. С другой стороны, в случаях, где концентрация сахара в гидролизате, содержащем мелассу, составляет менее 4 0 г/л, может быть низкой концентрация конечной полученной сахаросодержащей жидкости, так что концентрация сахаров в гидролизате, содержащем мелассу, предпочтительно составляет не менее 40 г/л, более предпочтительно не менее 50 г/л. То есть, мелассу добавляют таким образом, что концентрация сахаров в гидролизате, содержащем мелассу, предпочтительно варьирует в диапазоне от 40 до 200 г/л, более предпочтительно в диапазоне от 50 до 150 г/л. Хотя гидролизат, содержащий мелассу, может быть инкубирован при комнатной температуре (25°C), эту жидкость предпочтительно инкубируют при температуре в диапазоне от 40 до 60°C, более предпочтительно инкубируют при температуре около 50°C. Благодаря этому повышают количество фермента, который может быть извлечен с помощью ультрафильтрационной мембраны в последующей стадии, что является предпочтительным.

[0041] Некоторые типы микроорганизмов, используемых для ферментации, проявляют низкую эффективность использования сахарозы, которая представляет собой основной сахар в мелассе, в качестве источника углерода. Таким образом, в случаях, где мелассу применяют в качестве исходного сырья для ферментации при получении химического продукта с использованием такого микроорганизма, предпочтительно заблаговременно гидролизовать сахарозу, содержащуюся в мелассе, в глюкозу и фруктозу. Гидролитическая обработка мелассы также может представлять собой тепловую обработку в кислотных или щелочных условиях. Кроме того, может быть проведена ферментативная обработка с помощью инвертазы, сахаразы и/или тому подобной. Инвертаза также называется β-фруктофуранозидазой и означает фермент, который гидролизует сахарозу до глюкозы и фруктозы. Сахараза также означает фермент, который гидролизует сахарозу до глюкозы и фруктозы. Используемая в настоящем изобретении инвертаза не является ограниченной и может быть приобретена и использована инвертаза дрожжевого происхождения, имеющаяся в продаже на рынке от фирм Biocon (Japan) Ltd. или Mitsubishi-Kagaku Foods Corporation. Условия обработки инвертазой могут быть такими, какие обычно применяются для ее эффективного действия. Применяемая сахараза также не является ограниченной, и может быть приобретена и использована сахараза, имеющаяся в продаже на рынке от фирм Wako Pure Chemical Industries, Ltd. или Mitsubishi-Kagaku Foods Corporation. Условия обработки сахаразой могут быть такими, какие обычно применяются для ее эффективного действия. Обработка инвертазой или сахаразой может быть проведена заблаговременным добавлением инвертазы или сахаразы к одной только мелассе или может быть проведена после приготовления гидролизата, содержащего мелассу, добавлением мелассы к гидролизату стадии (1). Поскольку, как было описано выше, инкубация гидролизата, содержащего мелассу, при температуре в диапазоне от 40 до 60°C увеличивает количество извлекаемого фермента, реакция гидролиза сахаразой также может быть проведена добавлением инвертазы или сахаразы в этот процесс.

[0042] Стадия (3)

На стадии (3) гидролизат, содержащий мелассу, полученный на стадии (2), подвергают твердофазно-жидкостному разделению и извлекают раствор как выделенный компонент. Твердофазно-жидкостное разделение может быть проведено известным методом твердофазно-жидкостного разделения, таким как: центрифугирование с использованием шнекового декантера или тому подобного; фильтрация, включающая напорно-вакуумное фильтрование; или мембранная фильтрация, включающая микрофильтрацию. Такое твердофазно-жидкостное разделение также может быть проведено с использованием комбинации более чем одного метода и не является ограниченным в такой мере, насколько твердые вещества могут быть эффективно удалены с его помощью. Однако по соображениям предотвращения засорения ультрафильтрационной мембраны на последующей стадии, раствор как выделенный компонент после твердофазно-жидкостного разделения предпочтительно не содержит твердых веществ в такой степени, насколько это возможно, и, более конкретно, предпочтительно, чтобы первое твердофазно-жидкостное разделение проводили центрифугированием или фильтрацией с использованием фильтр-пресса или тому подобного, после чего полученный раствор как выделенный компонент подвергали дополнительной мембранной фильтрации через микрофильтрационную мембрану, чтобы полностью удалить твердые вещества. Микрофильтрацию через мембрану также называют мембранной фильтрацией, и эта мембрана представляет собой разделительную мембрану, которая отделяет и удаляет частицы, имеющие размер от около 0,01 до 10 мкм, из суспензии дисперсных веществ с использованием разности давлений в качестве движущей силы. Микрофильтрационная мембрана имеет на своей поверхности поры с размером в диапазоне от 0,01 до 10 мкм, и дисперсные компоненты с величиной крупнее этих пор могут быть отделены/удалены на одной стороне мембраны. Примеры материала микрофильтрационной мембраны включают, но не ограничиваются таковыми, ацетат целлюлозы, ароматический полиамид, поливиниловый спирт, полисульфон, поливинилиденфторид, полиэтилен, полиакрилонитрил, керамические материалы, полипропилен, поликарбонат и политетрафторэтилен (Teflon (зарегистрированный товарный знак)). Мембрана предпочтительно представляет собой микрофильтрационную мембрану из поливинилиденфторида, из соображений устойчивости к загрязнению, химической стойкости, прочности, производительности фильтрования, и тому подобным характеристикам.

[0043] Затем раствор как выделенный компонент подвергают обработке с помощью ультрафильтрационной мембраны. Ультрафильтрационная мембрана в основном означает разделительную мембрану, которая имеет поры с размером в диапазоне от 1,5 нанометра до 250 нанометров, и может задерживать водорастворимые макромолекулы, имеющие молекулярные массы в диапазоне от 1000 до 200000, в качестве концентрата. Предельная величина отсечки молекулярной массы для ультрафильтрационной мембраны не является ограниченной в такой мере, насколько может быть извлечена целлюлаза из мицелиальных грибов, и предельная величина отсечки молекулярной массы предпочтительно составляет от 1000 до 100000 дальтон, более предпочтительно от 10000 до 30000 дальтон. Примеры материала ультрафильтрационной мембраны, которая может быть использована, включают простой полиэфирсульфон (PES), поливинилиденфторид (PVDF) и искусственное целлюлозное волокно, и, поскольку целлюлоза разлагается под действием целлюлазы из мицелиальных грибов, материал ультрафильтрационной мембраны предпочтительно представляет собой синтетический полимер, такой как PES или PVDF. Предпочтительные примеры формы ультрафильтрационной мембраны включают трубчатую форму, спиральный элемент и плоскую мембрану. Примеры режима фильтрации через ультрафильтрационную мембрану включают динамическую тангенциальную фильтрацию и статичную тупиковую фильтрацию, и в плане засорения и интенсивности течения предпочтительной является тангенциальная («кросс-флоу») фильтрация.

[0044] В результате фильтрования раствора как выделенного компонента через ультрафильтрационную мембрану может быть получена сахаросодержащая жидкость в качестве пермеата. Полученная сахаросодержащая жидкость представляет собой жидкость, образованную почти полным удалением твердых примесей, которые первоначально содержались в гидролизате, содержащем мелассу, посредством твердофазно-жидкостного разделения. С другой стороны, путем фильтрации через ультрафильтрационную мембрану окрашенные вещества и водорастворимые макромолекулы в гидролизате, содержащем мелассу, удаляются и задерживаются на стороне концентрата, причем водорастворимые макромолекулы содержат компонент целлюлазы из мицелиальных грибов, использованной на стадии (1). Извлекаемый компонент целлюлазы из мицелиальных грибов не является ограниченным, и весь компонент целлюлазы из мицелиальных грибов, или часть его, использованный в гидролизе, может быть извлечен как концентрат. Поскольку концентрат также содержит сахаристые компоненты, происходящие из гидролизата, содержащего мелассу, операция, в которой добавляют воду к концентрату и проводят дополнительное фильтрование полученной смеси через ультрафильтрационную мембрану, может быть повторена для извлечения таких сахаристых компонентов.

[0045] Результатом стадии (3) является заметное увеличение количества фермента целлюлазы из мицелиальных грибов, содержащейся в извлеченном ферменте, по сравнению с традиционными способами, и среди компонентов целлюлазы из мицелиальных грибов с особенно высокой эффективностью извлекаются целлобиогидролаза и ксиланаза. При повторном использовании извлеченной целлюлазы из мицелиальных грибов для гидролиза продукта предварительной обработки целлюлозы может быть сокращено количество применяемой целлюлазы из мицелиальных грибов. Целлюлаза из мицелиальных грибов может быть повторно использована для гидролиза как таковая по отдельности или может быть повторно применена после смешения со свежей целлюлазой из мицелиальных грибов. Кроме того, в некоторых случаях извлеченная целлюлаза из мицелиальных грибов может быть эффективно использована в ином варианте применения, нежели гидролиз целлюлозы.

[0046] Стадия концентрирования сахара

При фильтрации, как в методе, описанном в патентном документе WO 2010/067785, сахаросодержащей жидкости, полученной на стадии (3), с помощью нанофильтрационной мембраны и/или мембраны обратного осмоса может быть получена концентрированная сахаросодержащая жидкость, содержащая концентрированные сахаристые компоненты, в качестве концентрата.

[0047] Нанофильтрационная мембрана также называется нанофильтром (нанофильтрационной мембраной, NF-мембраной) и в общем смысле определяется как «мембрана, которая обеспечивает прохождение одновалентных ионов, но задерживает двухвалентные ионы». Мембрана рассматривается как содержащая тонкие полости, имеющие размеры около нескольких нанометров, и главным образом используется для задерживания тонкодисперсных частиц, молекул, ионов, солей и тому подобных в воде.

[0048] Мембрана обратного осмоса также называется RO-мембраной и в основном определяется как «мембрана, исполняющая функцию деминерализации также в отношении одновалентных ионов». Мембрана рассматривается как имеющая сверхтонкие полости, имеющие размеры от нескольких ангстрем до нескольких нанометров, и главным образом используется для удаления ионных компонентов в таких ситуациях, как обессоливание морской воды и получение сверхчистой воды.

[0049] Примеры материала нанофильтрационной мембраны или мембраны обратного осмоса, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, включают полимерные материалы, такие как полимеры на основе ацетата целлюлозы, полиамиды, сложные полиэфиры, полиимиды, винильные полимеры и полисульфоны. Мембрана не ограничивается мембраной, состоящей из одного из этих материалов, и может быть мембраной, включающей многочисленные мембранные материалы.

[0050] В качестве нанофильтрационной мембраны, применяемой в настоящем изобретении, предпочтительным является спирально намотанный рулонный мембранный элемент. Конкретные примеры предпочтительных нанофильтрационных мембранных элементов включают нанофильтрационный мембранный элемент на основе ацетата целлюлозы GE Sepa, производимый фирмой GE Osmonics; нанофильтрационные мембранные элементы NF99 и NF99HF, производимые фирмой Alfa-Laval, которые имеют полиамидные функциональные слои; нанофильтрационные мембранные элементы NF-45, NF-90, NF-200, NF-270 и NF-400, производимые фирмой FilmTec Corporation, которые имеют сшитые пиперазин-полиамидные функциональные слои; и нанофильтрационные мембранные элементы SU-210, SU-220, SU-600 и SU-610, производства фирмы Тоrау Industries, Inc., включающие нанофильтрационную мембрану UTC60, изготавливаемую тем же производителем, которая включает сшитый пиперазин-полиамид в качестве основного компонента. Более предпочтительным является нанофильтрационный мембранный элемент NF99 или NF99HF; NF-45, NF-90, NF-200 или NF-400; или SU-210, SU-220, SU-600 или SU-610. Еще более предпочтительным является нанофильтрационный мембранный элемент SU-210, SU-220, SU-600 или SU-610.

[0051] В отношении материала для мембраны обратного осмоса, используемой в настоящем изобретении, примеры мембраны включают композитную мембрану, содержащую полимер на основе ацетата целлюлозы в качестве функционального слоя (далее называемую ацетатцеллюлозной ме