Способ производства раствора сахара

Способ производства раствора сахара

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу производства сахарной жидкости из целлюлозосодержащей биомассы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Способ ферментационного производства химических продуктов с применением сахаров в качестве сырьевых материалов был использован для производства различных промышленных материалов. В настоящее время в качестве сахаров, применяющихся в качестве исходного сырья для ферментации, промышленно используются сахара, полученные из пищевого сырья, такого как сахарный тростник, крахмал и сахарная свекла. Однако в связи с тем, что ожидается рост цен на продовольственное сырье за счет будущего увеличения численности населения мира, или в соответствии с этическими представлениями о том, что сахара для промышленного сырья могут конкурировать с сахарами для продовольствия, в будущем должен быть разработан способ для эффективного производства сахарной жидкости из возобновляемого непродовольственного источника, а именно целлюлозосодержащей биомассы, или способ применения полученной сахарной жидкости в качестве исходного сырья для ферментации, чтобы эффективно преобразовать ее в промышленный материал.

В предшествующем уровне техники для получения сахара из биомассы в основном известны способы, в которых концентрированную серную кислоту используют для гидролиза целлюлозы и гемицеллюлозы, содержащихся в биомассе, в моносахариды, представленные глюкозой и ксилозой (Патентные Документы 1 и 2), а также способы, в которых предварительная обработка осуществляется для улучшения реакционной способности биомассы с последующим гидролизом биомассы путем ферментативной реакции (Патентные Документы 3 и 4). В таких случаях при гидролизе целлюлозосодержащей биомассы происходит разложение компонентов целлюлозы, гемицеллюлозы и подобных, одновременно протекает реакция разложения полученных сахаров, таких как глюкоза и ксилоза, что ведет к образованию побочных продуктов, таких как фурановые соединения, включая фурфурол и гидроксиметилфурфурол, и органические кислоты, включая муравьиную кислоту и уксусную кислоту, что является проблематичным. Эти соединения проявляют ингибирующие действия на стадии ферментации с использованием микроорганизмов и являются причиной ингибирования роста микроорганизмов, что ведет к снижению выхода продукта ферментации. Таким образом, эти соединения называют ингибиторами ферментации, и они были очень проблематичными, когда сахарная жидкость, извлеченная из целлюлозосодержащей биомассы, применялась в качестве исходного сырья для ферментации. В качестве способа удаления таких ингибиторов ферментации в процессе производства сахарной жидкости известен способ удаления ингибиторов ферментации с помощью нанофильтрационной мембраны или мембраны обратного осмоса (Патентный Документ 5).

ДОКУМЕНТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Патентные Документы

Патентный Документ 1: Переведенная с японского языка опубликованная PCT заявка на патент № 11-506934

Патентный Документ 2: JP 2005-229821 A

Патентный Документ 3: JP 2001-95594 A

Патентный Документ 4: JP 3041380 B

Патентный Документ 5: W02010/067785.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что, как описано выше, операция по удалению ингибиторов ферментации, содержащихся в сахарной жидкости, извлеченной из целлюлозосодержащей биомассы с применением нанофильтрационной мембраны или мембраны обратного осмоса, иногда приводит к неполному удалению ингибиторов ферментации, и предположили, что это происходит потому, что неопределенные ингибиторы ферментации, которые почти не могут быть удалены нанофильтрационной мембраной или мембраной обратного осмоса, могут содержаться в сахарной жидкости, извлеченной из целлюлозосодержащей биомассы. Настоящее изобретение направлено на создание способа производства сахарной жидкости, содержащей только очень небольшое количество ингибиторов ферментации, путем удаления ингибиторов ферментации, которые было трудно удалить обычными методами из сахарной жидкости, извлеченной из целлюлозосодержащей биомассы.

СРЕДСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ

В результате интенсивных исследований авторы настоящего изобретения недавно установили, что ингибиторы ферментации, производимые на стадии производства сахарной жидкости из целлюлозосодержащей биомассы, содержат вещества, имеющие молекулярные массы, которые эквивалентны или выше, чем у моносахаридов, такие как кумаровая кислота, феруловая кислота, конифериловый альдегид и 2,3-дигидробензофуран, и обнаружили, что они могут быть эффективно удалены с ультрафильтрационной мембраной, тем самым выполняя настоящее изобретение.

Таким образом, настоящее изобретение состоит из нижеописанных пунктов 1-6.

1. Способ производства сахарной жидкости с применением целлюлозосодержащей биомассы в качестве сырья, причем способ содержит следующие стадии:

(1) гидролизация целлюлозосодержащей биомассы для получения водного раствора сахара; и

(2) фильтрование водного раствора сахара, полученного на стадии (1), через ультрафильтрационную мембрану, имеющую порог отсечения молекулярной массы от 600 до 2000, чтобы удалить ингибитор(ы) ферментации на сторону пермеата и собрать сахарную жидкость со стороны подачи.

2. Способ производства сахарной жидкости по п.1, в котором ингибитор(ы) ферментации содержи(а)т одно или более веществ, выбранных из группы, состоящей из кумаровой кислоты, феруловой кислоты и 2,3-дигидробензофурана.

3. Способ производства сахарной жидкости по п.1 или 2, в котором на стадии (2) водный раствор сахара фильтруют после доведения рН до не более 5.

4. Способ производства сахарной жидкости по любому из п.п.1-3, в котором материалом функционального слоя ультрафильтрационной мембраны, применяемой на стадии (2), является полиэфирсульфон.

5. Способ производства сахарной жидкости по любому из п.п.1-4, способ включает фильтрацию пермеата, полученного на стадии (2), содержащего сахарную жидкость и/или ингибитор ферментации, через нанофильтрационную мембрану и/или мембрану обратного осмоса, чтобы собрать концентрированную сахарную жидкость со стороны подачи.

6. Способ производства химического продукта, способ включает применение в качестве исходного сырья для ферментации сахарной жидкости, полученной по способу производства сахарной жидкости по любому из п.п.1-5.

ЭФФЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

По настоящему изобретению сахарная жидкость, содержащая сахара, такие как глюкоза и ксилоза, может быть произведена с высокой степенью чистоты и высоким выходом. В результате, при применении очищенной сахарной жидкости, полученной по настоящему изобретению, в качестве исходного сырья для ферментации эффективность ферментационного производства различных химических продуктов может быть улучшена.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 показывает результаты испытания для ферментации с сахарной жидкостью, произведенной путем концентрирования применяя ультрафильтрационную мембрану или нанофильтрационную мембрану водного раствора сахара, полученного путем обработки разбавленной серной кислотой целлюлозосодержащей биомассы, данное испытание проводили с использованием в качестве показателя скорость потребления глюкозы.

Фиг.2 показывает результаты испытания для ферментации с сахарной жидкостью, произведенной путем концентрирования применяя ультрафильтрационную мембрану или нанофильтрационную мембрану водного раствора сахара, полученного путем обработки паровым взрывом целлюлозосодержащей биомассы, данное испытание проводили с использованием в качестве показателя скорость потребления глюкозы.

Фиг.3 показывает результаты улучшения ферментируемости путем подвергания целлюлозосодержащей биомассы гидротермическому воздействию для получения водного раствора сахара, фильтрованием полученного раствора через ультрафильтрационную мембрану, а затем подвергая полученный пермеат мембранной концентрации, данную ферментируемость оценивали с использованием в качестве показателя скорость потребления ксилозы.

Фиг.4 показывает результаты улучшения ферментируемости путем подвергания целлюлозосодержащей биомассы обработке разбавленной серной кислотой для получения водного раствора серной кислоты, фильтрованием полученного раствора через ультрафильтрационную мембрану, а затем подвергая полученный пермеат мембранной концентрации, данную ферментируемость оценивали с использованием в качестве показателя скорость потребления ксилозы.

ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Стадия (1)

Целлюлозосодержащая биомасса в настоящем изобретении означает ресурс, который извлечен из организма и содержит не менее чем 5% по массе целлюлозы. Конкретные примеры целлюлозосодержащей биомассы включают травянистые биомассы, такие как жмых, просо, слоновую траву, Erianthus, стебли кукурузы, рисовую солому и пшеничную солому; и древесные биомассы, такие как деревья и отходы строительных материалов. Поскольку такие целлюлозосодержащие биомассы имеют в составе лигнин в качестве ароматических макромолекул в дополнение к целлюлозе/гемицеллюлозе, они также называются лигноцеллюлозы. Путем гидролиза целлюлозы и гемицеллюлозы, которые представляют собой полисахаридные компоненты, содержащиеся в целлюлозосодержащей биомассе, может быть получена сахарная жидкость, содержащая моносахариды, которые могут быть использованы в качестве исходного сырья для ферментации для производства химического продукта, более конкретно сахарная жидкость, содержащая в качестве основных компонентов ксилозу и глюкозу.

Конкретные примеры гидролитической обработки целлюлозосодержащей биомассы включают химическую обработку, например, кислотную обработку, при которой обработку проводят разбавленной серной кислотой, сульфитом или подобными при высокой температуре и высоком давлении; щелочную обработку, при которой обработку проводят водным раствором щелочи, такой как гидроксид кальция или гидроксид натрия; аммонийную обработку, при которой обработку проводят жидким аммиаком, газообразным аммиаком или водным раствором аммиака; и гидротермическую обработку, при которой обработку проводят горячей водой под давлением. Эти гидролитические обработки могут быть дополнительно объединены с гидролитической обработкой сахарифицирующим ферментом.

Обычно лигнин растворяется при кислотной обработке. Кроме того, компонент гемицеллюлозы, который имеет низкую степень кристалличности, гидролизуется первым с последующим разложением компонента целлюлозы, который имеет высокую степень кристалличности. Таким образом, может быть получена жидкость, содержащая большее количество ксилозы, полученной из гемицеллюлозы. Число раз обработки не ограничивается, и, путем установки двух или более стадий процесса кислотной обработки, могут быть установлены селективно условия гидролиза, подходящие для гемицеллюлозы или целлюлозы, и в результате могут быть достигнуты повышенные эффективность разложения и выход сахара. Кислота, применяемая при кислотной обработке, не ограничивается при условии, что кислота вызывает гидролиз, серная кислота является предпочтительной с экономической точки зрения. Концентрация кислоты составляет предпочтительно от 0,1 до 100% по массе, более предпочтительно от 0,5 до 15% по массе. Температура реакции может быть установлена в диапазоне от 100 до 300°С, и время реакции может быть установлено в диапазоне от 1 секунды до 60 минут. Жидкий компонент, полученный после кислотной обработки, включает в себя большое количество моносахаридов и их олигосахаридов, полученных при гидролизе, преимущественно содержит компоненты, извлеченные из гемицеллюлозы. В частности, гидролиз может быть проведен в одну стадию под действием концентрированной серной кислоты при концентрации не менее 50%, более предпочтительно не менее 80%, чтобы гидролизовать как гемицеллюлозу, так и целлюлозу. В случаях, когда за кислотной обработкой следует гидролиз сахарифицирующим ферментом, твердое содержимое и жидкий компонент, полученный после кислотной обработки, могут быть по отдельности подвергнуты гидролизу сахарифицирующим ферментом, или смесь твердого содержимого и жидкого компонента может быть подвергнута гидролизу без разделения. Поскольку твердое содержимое и жидкий компонент, полученный с помощью кислотной обработки, содержат используемую кислоту, продукт кислотной обработки предпочтительно нейтрализовать перед выполнением реакции гидролиза с использованием сахарифицирующего фермента.

Щелочная обработка представляет собой способ обработки, в котором целлюлозосодержащую биомассу подвергают реакции в водном щелочном растворе, более конкретно в водном растворе гидроксида соли (за исключением гидроксида аммония). При щелочной обработке лигнин, который главным образом ингибирует реакцию целлюлозы/гемицеллюлозы, вызванную сахарифицирующим ферментом, может быть удален. В качестве гидроксида соли предпочтительными для применения являются гидроксид натрия или гидроксид кальция. Концентрация щелочи в водном растворе составляет предпочтительно в диапазоне от 0,1 до 60% по массе. Этот раствор добавляют к целлюлозосодержащей биомассе, и обработку проводят обычно при температуре в диапазоне от 100 до 200°С, предпочтительно в диапазоне от 110 до 180°С. Количество раз обработки не ограничивается, и обработка может проводиться один или более раз. В случаях, когда обработка осуществляется 2 или более раз, условия для множества раз обработки могут отличаться друг от друга. Поскольку предварительно обработанный продукт, полученный путем щелочной обработки, содержит щелочь, предварительно обработанный продукт предпочтительно нейтрализовать перед гидролизом сахарифицирующим ферментом.

Аммонийная обработка представляет собой способ обработки, в котором водный раствор аммиака или 100%-й аммиак (жидкий или газообразный) подвергают реакции с целлюлозосодержащей биомассой, и может быть использован, например, способ, описанный в JP 2008-161125 А или JP 2008-535664 А. Как там указано, при аммонийной обработке аммиак реагирует с компонентом целлюлозы, чтобы разрушить кристалличность целлюлозы, что приводит к значительному увеличению эффективности реакции с сахарифицирующим ферментом. Аммиак обычно добавляют к целлюлозосодержащей биомассе таким образом, что концентрация аммиака находится в диапазоне от 0,1 до 15% по массе по отношению к целлюлозосодержащей биомассе, и обработку проводят при 4-200°С, предпочтительно от 60°С до 150°С. Количество раз обработки не ограничивается, и обработка может проводиться один или более раз. В случаях, когда предварительно обработанный продукт, полученный путем аммонийной обработки, дополнительно подвергают гидролизу с использованием сахарифицирующего фермента, предпочтительно проводить нейтрализацию аммиака или удаление аммиака заранее.

Гидротермическая обработка представляет собой способ обработки, в котором извлеченную из целлюлозы биомассу обрабатывают горячей водой под давлением при температуре от 100 до 400°С в течение от 1 секунды до 60 минут. Обработка обычно проводится таким образом, что целлюлозосодержащая биомасса после обработки, которая нерастворима в воде при нормальной температуре 25°С, содержится в концентрации от 0,1 до 50% по массе по отношению к общей массе целлюлозосодержащей биомассы и воды. Давление не ограничивается, поскольку оно зависит от температуры обработки и предпочтительно составляет от 0,01 до 10 МПа. При гидротермической обработке компоненты, элюированные в горячую воду, варьируются в зависимости от температуры горячей воды, находящейся под давлением. Обычно при увеличении температуры горячей воды, находящейся под давлением, сначала происходит элюирование из целлюлозосодержащей биомассы танина и лигнина в качестве первой группы, и затем происходит элюирование гемицеллюлозы в качестве второй группы при температуре не менее чем 140-150°C, далее следует элюирование целлюлозы в качестве третьей группы при температуре выше, чем примерно 230°С. Кроме того, в то же время, что и элюирование, может произойти гидролиз гемицеллюлозы и целлюлозы. Разница в элюированных компонентах в зависимости от температуры горячей воды под давлением может быть использована для увеличения эффективности реакции сахарифицирующего фермента с целлюлозой и гемицеллюлозой, путем проведения многоступенчатой обработки при различных температурах. В данном описании, среди фракций, полученных путем гидротермической обработки, водорастворимое вещество, содержащее компоненты, элюированные в горячую воду, находящуюся под давлением, называют растворимым в горячей воде веществом, а другие компоненты, отличные от растворимых в горячей воде веществ, называют нерастворимым в горячей воде веществом.

Нерастворимое в горячей воде вещество представляет собой твердое вещество, полученное в результате элюирования больших количеств лигнина и компонента гемицеллюлозы, и главным образом содержит ди- и более высшие сахариды как компоненты (C6) целлюлозы. В дополнение к целлюлозе в качестве основного компонента нерастворимое в горячей воде вещество может содержать компонент гемицеллюлозы и компонент лигнина. Соотношения содержания этих компонентов могут меняться в зависимости от температуры горячей воды под давлением в течение гидротермической обработки и от типа биомассы, подвергаемой обработке. Содержание воды в нерастворимом в горячей воде веществе составляет от 10% до 90%, более предпочтительно от 20% до 80%.

Растворимое в горячей воде вещество представляет собой водорастворимое вещество в жидком состоянии или в суспензионном состоянии и имеет в составе гемицеллюлозу, лигнин, танин и часть компонента целлюлозы, элюированного в горячую воду под давлением, в жидком состоянии или суспензионном состоянии. Растворимое в горячей воде вещество содержит большое количество полисахаридов, олигосахаридов и моносахаридов, полученных в результате гидролиза. Они могут быть применены, как они есть, или после дополнительного гидролиза с сахарифицирующим ферментом, как водный раствор сахара.

Предварительная(ые) обработка(и) может быть проведена перед осуществлением способа гидролитической обработки, и примеры предварительной(ых) обработки(ок) включают обработку для измельчения, при которой волокна механически разрезают, применяя ножевую мельницу, молотковую мельницу или подобное устройство; тонкое измельчение, при котором применяют шаровую мельницу или струйную мельницу; влажную обработку, при которой применяют дробилку; механохимическую обработку и обработку паровым взрывом, при которой целлюлозосодержащую биомассу обрабатывают водяным паром в течение короткого времени, а давление затем мгновенно сбрасывают, чтобы вызвать измельчение за счет увеличения объема. Это потому, что измельчение увеличивает доступную площадь целлюлозы/гемицеллюлозы и, следовательно, повышает эффективность гидролиза сахарифицирующим ферментом.

Сахарифицирующий фермент не ограничен при условии, что фермент обладает целлюлозо- или гемицеллюлозодеградирующей активностью, и является предпочтительно сахарифицирующим ферментом, производимым мицелиальными грибами, принадлежащими к роду Trichoderma. Мицелиальные грибы рода Trichoderma представляют собой микроорганизмы, которые внеклеточно секретируют много видов сахарифицирующих ферментов, и сахарифицирующий фермент предпочтительно извлекают из Trichoderma reesei. Кроме того, в дополнение к ферменту, обладающему целлюлозо- или гемицеллюлозодеградирующей активностью, также предпочтительно содержится фермент, который поддерживает разложение целлюлозы или гемицеллюлозы. Примеры фермента, который поддерживает деградацию целлюлозы или гемицеллюлозы, включают целлобиогидролазу, эндоглюканазу, экзоглюканазу, β-глюкозидазу, ксиланазу и ксилозидазу, и ферменты, вызывающие набухание биомассы. Реакцию гидролиза с применением сахарифицирующего фермента предпочтительно осуществляют при рН приблизительно от 3 до 7, более предпочтительно при рН около 5. Температура реакции составляет предпочтительно от 40 до 70°С. Далее, гидролиз ферментом предпочтителен с последующим твердо-жидкостным разделением, чтобы удалить неразложившиеся твердые вещества. Примеры способа удаления твердых веществ включают, но не ограничиваются ими, центрифугирование и мембранное разделение. Множество этих способов твердо-жидкостного разделения может быть использовано в комбинации.

Для предотвращения засорения или загрязнения ультрафильтрационной мембраны на стадии (2) водный раствор сахара, полученный на стадии (1), предпочтительно подвергать удалению твердых частиц и водорастворимых макромолекул, таких как олигосахариды, полисахариды, танин, сахарифицирующий фермент и извлеченные из биомассы белковые компоненты, перед подачей раствора на стадию (2). Способ удаления этих компонентов не ограничен, и предпочтительные примеры способа удаления включают способ, в котором водный раствор сахара фильтруют через микрофильтрационную мембрану и/или ультрафильтрационную мембрану, имеющую порог отсечения молекулярной массы более чем 2000, чтобы удалить твердые вещества и водорастворимые макромолекулы на стороне подачи. Примеры способа фильтрования включают, но не ограничиваются ими, фильтрование под давлением, вакуумное фильтрование и центробежное фильтрование. Операция фильтрования не ограничена и может быть условно разделена на фильтрование при постоянном давлении, фильтрование при постоянном расходе и фильтрование при переменном давления/переменном расходе. Операция фильтрования может быть многоступенчатым фильтрованием, в котором микрофильтрационная мембрана(ы) и/или ультрафильтрационная мембраны(ы), имеющая порог отсечения молекулярной массы более 2000, используют(ет)ся два или более раза для эффективного удаления твердых частиц.

Микрофильтрационная мембрана представляет собой мембрану, имеющую средний размер пор от 0,01 мкм до 5 мм, которая называется МФ-мембрана или подобно для краткости, и мембрану предпочтительно используют, когда твердые частицы, содержащиеся в водном растворе сахара, должны быть удалены. Микрофильтрационная мембрана, применяемая здесь, может быть как неорганической мембраной, так и органической мембраной, и примеры материала мембраны включают органические материалы, такие как целлюлоза, сложный эфир целлюлозы, полисульфон, полиэфирсульфон, хлорированный полиэтилен, полипропилен, полиолефин, поливиниловый спирт, полиметилметакрилат, поливинилиденфторид и политетрафторэтилен; и неорганические материалы, такие как металлы, включая нержавеющую сталь, и керамика.

Ультрафильтрационная мембрана подробно описана ниже в стадии (2), и применение ультрафильтрационной мембраны, имеющей порог отсечения молекулярной массы более 2000, является предпочтительным, чтобы удалить водорастворимые макромолекулы, особенно сахарифицирующий фермент, содержащиеся в водном растворе сахара.

Стадия (2)

Известно, что когда целлюлозосодержащую биомассу подвергают гидролизу на стадии (1), в дополнение к сахарам образуются ингибиторы ферментации. Ингибиторами ферментации являются соединения, полученные при гидролизе целлюлозосодержащей биомассы, и это вещества, обладающие действием вызывать уменьшение количества химического продукта, произведенного или накопленного, или скорость продуцирования в процессе ферментации для производства химического продукта с использованием сахарной жидкости в качестве сырья. Степень ингибирования ферментации ингибиторами ферментации не ограничивается в настоящем изобретении, так как степень ингибирования микроорганизма изменяется в зависимости от типов и количеств ингибиторов ферментации, присутствующих в водном растворе сахара, от вида используемого микроорганизма и от типа химического продукта, который должен быть произведен.

Органические кислоты, такие как уксусная кислота и муравьиная кислота; фурановые соединения, такие как фурфурол и гидроксиметилфурфурол (ГМФ); а также фенольные соединения, такие как ванилин и 4-гидроксибензойная кислота, были известны в качестве ингибиторов ферментации до сих пор, но авторы настоящего изобретения обнаружили, что кумаровая кислота, феруловая кислота, 2,3-дигидробензофуран и тому подобные могут быть ингибиторами ферментации в дополнение к тем известным ингибиторам ферментации. На стадии (2) водный раствор сахара, полученный на стадии (1), фильтруют через ультрафильтрационную мембрану, имеющую конкретный порог отсечения молекулярной массы, чтобы удалить ингибиторы ферментации на стороне пермеата, тогда как сахарную жидкость извлекают со стороны подачи.

Ультрафильтрационная мембрана в настоящем описании представляет собой разделительную мембрану, имеющую порог отсечения молекулярной массы от 600 до 200000, которую также называют УФ-мембраной или подобно для краткости. Порог отсечения молекулярной массы хорошо известен специалистам в данной области техники в качестве индекса, указывающего на производительность ультрафильтрационной мембраны, как описано на с. 92 The Membrane Society of Japan ed., Membrane Experiment Series, Vol. III, Artificial Membrane, editorial committee members: Shoji Kimura, Shin-ichi Nakao, Haruhiko Ohya and Tsutomu Nakagawa (1993, Kyoritsu Shuppan Co., Ltd), «Кривая, полученная путем построения данных молекулярной массы растворенного вещества по оси абсцисс и скорости блокирования по оси ординат, называется кривой порога отсечения молекулярной массы. Молекулярная масса, при которой скорость блокирования достигает 90%, называется порогом отсечения молекулярной массы». В области техники разделительных мембран, разделительная мембрана, имеющая порог отсечения молекулярной массы в диапазоне от 600 до 1000, определяется как мембрана на границе между нанофильтрационной мембраной и ультрафильтрационной мембраной. Таким образом, разделительная мембрана, имеющая порог отсечения молекулярной массы в диапазоне от 600 до 1000, называется нанофильтрационной мембраной или ультрафильтрационной мембраной в зависимости от литературы. В настоящем описании разделительная мембрана, имеющая порог отсечения молекулярной массы в диапазоне от 600 до 200000, называется ультрафильтрационной мембраной, а разделительная мембрана, которая имеет порог отсечения молекулярной массы менее 600 и соответствует мембране, которую обычно определяют как «мембрану, которая позволяет проникновение одновалентных ионов, но блокирует двухвалентные ионы», называется нанофильтрационной мембраной.

Настоящее изобретение характеризуется тем, что применяют ультрафильтрационную мембрану, имеющую порог отсечения молекулярной массы от 600 до 2000. Применение ультрафильтрационной мембраны, имеющей порог отсечения молекулярной массы более 2000, не является предпочтительным, поскольку она вызывает проникновение как большинства сахаров, так и ингибиторов ферментации на сторону пермеата, и применение мембраны, имеющей порог отсечения молекулярной массы менее 600, не является предпочтительным, так как это приводит к низкой производительности по удалению недавно выявленных ингибиторов ферментации, то есть кумаровой кислоты, феруловой кислоты и 2,3-дигидробензофурана, на сторону пермеата.

Примеры материала ультрафильтрационной мембраны включают, но не ограничиваются ими, органические материалы, такие как целлюлоза, сложный эфир целлюлозы, полисульфон, сульфированный полисульфон, полиэфирсульфон, сульфированный полиэфирсульфон, хлорированный полиэтилен, полипропилен, полиолефин, поливиниловый спирт, полиметилметакрилат, поливинилиденфторид и политетрафторэтилен; металлы, такие как нержавеющая сталь; и неорганические материалы, такие как керамика. Органическая мембрана является особенно предпочтительной с точки зрения производительности по удалению гидрофобных веществ. В частности, полиэфирсульфон является предпочтительным. Потому что было обнаружено, что полиэфирсульфоновая мембрана имеет хорошую производительность по разделению сахаров, представляющих интерес, от ингибиторов ферментации. Более предпочтительным материалом является сульфированный полиэфирсульфон. Потому что сульфированный полиэфирсульфон имеет более высокую скорость блокирования для сахара, чем несульфированный полиэфирсульфон.

Форма ультрафильтрационной мембраны не ограничена и может быть любой спирального типа, типа полого волокна, трубчатого типа и мембраны плоского типа.

Конкретные примеры ультрафильтрационной мембраны, применяемой в настоящем изобретении, включают тип G-5, тип GH и тип GK, производимые DESAL; SPE1, производимые Synder; PM1000, PM2000, MPS-36 и SR2, производимые KOCH; GR95Pp и ETNA01PP, производимые Alfa-Laval; и NTR-7450 (порог отсечения молекулярной массы 600-800; см. WaterResearch 37(2003) 864-872) и NTR-7410 (порог отсечения молекулярной массы 1000-2000; см. Collection of Papers for Sanitary Engineering Symposium, 5:246-251 (1997)), производимые Nitto Denko l S Corporation.

Фильтрационное давление при фильтрационной обработке с ультрафильтрационной мембраной составляет предпочтительно в пределах от 0,1 МПа до 8 МПа, хотя фильтрационное давление варьируется в зависимости от концентрации водного раствора сахара. В случаях, когда фильтрационное давление ниже, чем 0,1 МПа, скорость проникновения через мембрану является низкой, в то время как в случае, когда фильтрационное давление выше, чем 8 МПа, мембрана может быть повреждена. В случаях, когда фильтрационное давление составляет от 0,5 МПа до 6 МПа, поток, проникающий через мембрану, является высоким, и поэтому возможно эффективное проникновение раствора сахара, что является более предпочтительным.

Поток, проникающий через мембрану, при фильтрационной обработке с ультрафильтрационной мембраной составляет предпочтительно от 0,2 м/д до 2,0 м/д. Это потому, что поток, проникающий через мембрану, не более 0,2 м/д не позволяет концентрировать с помощью ультрафильтрационной мембраны, а поток, проникающий через мембрану, не менее 2,0 м/д вызывает заметное засорение мембраны. Поток, проникающий через мембрану, от 0,5 м/д до 2,0 м/д легко позволяет фильтровать через ультрафильтрационную мембрану, что является более предпочтительным.

рН водного раствора сахара при фильтрационной обработке с применением ультрафильтрационной мембраны не ограничен, и, ввиду проницаемости для ингибиторов ферментации, рН составляет предпочтительно не более 5, более предпочтительно не более 4. Так, в тех случаях, когда значение рН составляет не более 1, необходимо большое количество кислоты для корректировки рН, с экономической точки зрения нижний предел рН составляет предпочтительно 1. Эффект от корректировки рН водного раствора сахара особенно заметен в тех случаях, когда в качестве ингибитора ферментации содержится вещество, такое как кумаровая кислота или феруловая кислота, которое представляет собой ароматическое соединение, имеющее карбоксильную группу.

Сахарная жидкость, собранная со стороны подачи при фильтрационной обработке с применением ультрафильтрационной мембраны, может быть применена в качестве сырья в описанной далее стадии ферментации, или раствор сахара может быть далее подвергнут фильтрационной обработке, описанной в WO2010/067785 с применением нанофильтрационной мембраны и/или мембраны обратного осмоса, чтобы концентрировать сахара на стороне подачи, с последующим применением полученной концентрированной сахарной жидкости в описанной далее стадии ферментации.

При фильтрационной обработке с применением ультрафильтрационной мембраны сахара могут быть частично пропущены на сторону пермеата, и, в таком случае, фильтрат, извлеченный со стороны пермеата, содержащий ингибиторы ферментации, может быть подвергнут фильтрационной обработке, описанной в WO2010/067785, с применением нанофильтрационной мембраны и/или мембраны обратного осмоса для восстановления концентрированной сахарной жидкости на стороне ультраконцентрата. Концентрированную сахарную жидкость, полученную в этом процессе, также применяют в качестве сырья в описанной далее стадии ферментации. Следует отметить, что концентрированная сахарная жидкость, полученная путем фильтрационной обработки с применением нанофильтрационной мембраны и/или мембраны обратного осмоса, как было также обнаружено, показывает тенденцию иметь более высокую ферментационную производительность в описанной далее стадии ферментации в случаях, когда фильтрационную обработку проводят с применением ультрафильтрационной мембраны, имеющей порог отсечения молекулярной массы от 600 до 2000, по сравнению со случаями, когда фильтрационную обработку не проводят, или случаями, когда фильтрационную обработку проводят с применением ультрафильтрационной мембраны, имеющей порог отсечения молекулярной массы более 2000. Считается, что это происходит потому, что водный раствор сахара, извлеченный из целлюлозосодержащей биомассы, содержит небольшое количество неизвестных ингибиторов ферментации, имеющих молекулярные массы приблизительно 2000, и что такие ингибиторы концентрируют с помощью нанофильтрационной мембраны и/или мембраны обратного осмоса.

Стадия ферментации

Сахарная жидкость, полученная на стадии 2, содержит в составе глюкозу и/или ксилозу в качестве источника(ов) углерода для роста микроорганизмов и культивируемых клеток, которые могут продуцировать химические продукты как метаболиты, в то время как содержание ингибиторов ферментации, таких как кумаровая кислота, феруловая кислота и 2,3-дигидробензофуран очень мало, таким образом, сахарная жидкость может быть эффективно применена в качестве исходного сырья для ферментации, особенно в качестве источника углерода для производства химического продукта. Стадия ферментации может быть проведена в соответствии со стадией ферментации, описанной в WO2010/067785.

Химический продукт, производимый на стадии ферментации, не ограничен, пока вещество продуцируют в культуральной жидкости вышеуказанные микроорганизм или клетки. Конкретные примеры химического продукта включают спирты, органические кислоты, аминокислоты и нуклеиновые кислоты, которые являются веществами массового производства в ферментативной промышленности. Примеры спиртов включают этанол, бутанол, 1,3-пропандиол, 2,3-бутандиол, 1,4-бутандиол и глицерин; примеры органических кислот включают уксусную кислоту, молочную кислоту, пировиноградную кислоту, янтарную кислоту, яблочную кислоту, итаконовую кислоту и лимонную кислоту; примеры нуклеиновых кислот включают нуклеозиды, такие как инозин и гуанозин, и нуклеотиды, такие как инозиновая кислота и гуаниловая кислота; и диаминовые соединения, такие как кадаверин. Кроме того, настоящее изобретение также может быть применено к производству таких веществ, как ферменты, антибиотики и рекомбинантные белки.

ПРИМЕРЫ

Ссылочный пример 1. Способ измерения концентраций моносахарида

Концентрации моносахаридов (концентрация глюкозы и концентрация ксилозы), содержащихся в сахарной жидкости, полученной в каждом из примеров и сравнительных примеров, были проанализированы с помощью ВЭЖХ при следующих условиях и определены количественно на основе сравнения со стандартными образцами.

Колонка: Luna NH; (производства Phenomenex, Inc.)

Подвижная фаза: Ультрачистая вода: ацетонитрил = 25:75 (скорость потока 0,6 мл/мин)

Реакционная жидкость: Нет

Метод детектирования: RI (дифференциальный показатель преломления)

Температура: 30°C

Ссылочный пример 2. Способ измерения концентраций ингибиторов ферментации

Концентрации ингибиторов ферментации на основе фурана (ГМФ и фурфурол) и ингибиторов ферментации на основе фенола (кумаровая кислота, феруловая кислота и 2,3-дигидробензофуран) среди ингибиторов ферментации, содержащихся в сахарной жидкости, были проанализированы с помощью ВЭЖХ при следующих условиях и определены количественно на основе сравнения со стандартными образцами.

Колонка: Synergi HidroRP 4,6 мм × 250 мм (производства Phenomenex, Inc.)

Подвижная фаза: Ацетонитрил - 0,1 масс.% H3PO4 (скорость потока 1,0 мл/мин)

Метод детектирования: УФ (283 нм)

Температура: 40°C

Органические кислоты (уксусная кислота и муравьиная кислота) среди ингибиторов ферментации, имеющихся в составе сахарной жидкости, были проанализирован