Способ изготовления вспомогательного фильтрующего материала
Изобретение относится к области фильтрования. Предложен способ изготовления вспомогательного фильтрующего материала, который включает стадии А, В и С. На стадии (А) осуществляют получение предварительно обработанной биомассы путем измельчительной обработки и/или термохимической обработки содержащей целлюлозу биомассы, при этом термохимическая обработка представляет собой вид обработки, выбранный из группы, состоящей из кислотной обработки, гидротермальной обработки, обработки паровым взрывом, щелочной обработки и аммиачной обработки. На стадии (В) производят обработку биомассы, полученной на стадии (А), целлюлазой c получением обработанного целлюлазой продукта. На стадии (С) осуществляют получение твердого содержимого вышеупомянутого обработанного целлюлазой продукта, полученного на стадии (В). Полученный вспомогательный фильтрующий материал имеет высокую эффективность отделения суспендированных веществ. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил., 19 табл., 12 пр.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу изготовления вспомогательного фильтрующего материала на основе целлюлозы.
Уровень техники
Процесс получения прозрачной жидкости из высокомутной жидкости представляет собой важный процесс в пищевой промышленности и обработке сточных вод. Центрифугирование известно как способ отделения суспендированных веществ, содержащихся в высокомутной жидкости, от этой жидкости.
Винтовая центрифуга типа декантатора известна как центрифуга для использования в центрифугировании. Однако хотя известно, что эта центрифуга является превосходной с точек зрения скорости обработки и масштабирования, ее центробежная сила ограничена уровнем, составляющим лишь от 2000 до 3000 G, и, таким образом, оказывается затруднительным эффективное отделение суспендированных компонентов. Еще одним примером центрифуги является центрифуга типа De Laval, которая представляет собой высокоскоростную непрерывную центрифугу с центробежной силой, составляющей приблизительно 8000 G. Однако с помощью этой центрифуги невозможна обработка при высокой концентрации твердых веществ. Кроме того, с помощью этой центрифуги невозможно полностью отделять тонкодисперсные компоненты, и они частично остаются, что является проблематичным. Следующий пример центрифуги представляет собой ультравысокоскоростная центрифуга типа Sharpies, у которой центробежная сила составляет приблизительно 20000 G. Для этой центрифуги используется выгрузка периодического типа, и невозможно легко увеличивать размер центрифуги вследствие ограничения прочности, что является проблематичным.
Фильтрование представляет собой еще один эффективный способ повышения прозрачности высокомутной жидкости. В пищевой промышленности, обработке сточных вод и других отраслях существуют способы, в которых представляющую интерес высокомутную жидкость фильтруют с использованием вспомогательного фильтрующего материала через всасывающее фильтровальное устройство, такое как фильтр с намывным слоем, или через нагнетательное фильтровальное устройство, такое как фильтр-пресс, и известные примеры таких способов включают способы, в которых используется диатомовая земля или перлит, в частности, диатомовая земля, в качестве вспомогательного фильтрующего материала (см. непатентный документ 1). Однако было сделано предположение, что вспомогательные фильтрующие материалы с использованием диатомовой земли могут вызывать проблемы при утилизации использованной диатомовой земли и безопасности самой диатомовой земли (см. непатентный документ 2).
Для решения этих проблем были разработаны вспомогательные фильтрующие материалы с использованием органических веществ, таких как целлюлоза. Однако при обработке высокомутной жидкости произведенный из целлюлозы вспомогательный фильтрующий материал оказывается менее эффективным для повышения прозрачности фильтрата, чем диатомовая земля, и использование произведенного из целлюлозы вспомогательного фильтрующего материала приводит к снижению скорости фильтрования, что является проблематичным.
Для решения этих проблем был предложен способ, в котором регулируется распределение по размерам частиц порошка целлюлозы для использования порошка целлюлозы в качестве вспомогательного фильтрующего материала (см. патентный документ 1), и способ, в котором регулируется содержание целлюлозы во вспомогательном фильтрующем материале (см. патентный документ 2). Однако в этих способах прозрачность фильтрата и скорость фильтрования являются недостаточными для фильтрования высокомутной жидкости, и уровни эффективности этих способов ниже эффективности диатомовой земли.
Документы предшествующего уровня техники
Патентные документы
Патентный документ 1: JP 9-173728 A
Патентный документ 2: JP 58-40145 A
Непатентные документы
Непатентный документ 1: Derek B. Purchas, Mompei Shirato, «Solid-liquid Separation Equipment Scale-up», Gihodo Shuppan Co., Ltd. (1979)
Непатентный документ 2: Toshiro Murase/Eikichiro Akatsuka/Masato Shibata, «Solid-liquid Separation», Korin Publishing Co., Ltd. (1988).
Сущность изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
Таким образом, чтобы решить описанные выше проблемы, т.е. чтобы получить прозрачную жидкость из высокомутной жидкости, выполнено настоящее изобретение с целью предложения вспомогательного фильтрующего материала на основе целлюлозы, имеющего более высокую эффективность отделения суспендированных веществ, чем традиционные вспомогательные фильтрующие материалы, а также способ его изготовления.
Средства решения проблем
В результате интенсивного исследования, предназначенного для решения описанных выше проблем, авторы настоящего изобретения обнаружили, что вспомогательный фильтрующий материал, полученный путем обработки целлюлазой содержащей целлюлозу биомассы, можно использовать в качестве вспомогательного фильтрующего материала, который обеспечивает эффективное фильтрование жидкости с низкой фильтруемостью, что позволяет решить описанные выше проблемы, и в результате этого было выполнено настоящее изобретение.
Таким образом, настоящее изобретение заключается в способе изготовления вспомогательного фильтрующего материала, причем данный способ включает следующие стадии: (A) получение предварительно обработанной биомассы путем измельчительной обработки и/или термохимической обработки содержащей целлюлозу биомассы; (B) обработка предварительно обработанной биомассы, полученной на стадии (A), целлюлазой для получения обработанного целлюлазой продукта; и (C) получение твердого содержимого обработанного целлюлазой продукта, полученного на стадии (B).
В настоящем способе целлюлаза включает целлобиогидролазу и количество осадка после разложения нерастворимого в воде обработанного целлюлазой продукта при определении методом LAP NREL составляет не менее чем в 1,5 раза больше, чем количество, определенное перед обработкой целлюлозой.
Термохимическая обработка, используемая в данном способе, представляет собой по меньшей мере один вид обработки, выбранный из группы, которую составляют щелочная обработка, аммиачная обработка, кислотная обработка, гидротермальная обработка и обработка паровым взрывом.
Предложен также способ фильтрования, включающий фильтрование высокомутной жидкости с использованием вспомогательного фильтрующего материала, полученного вышеуказанным способом изготовления вспомогательного фильтрующего материала.
В способе фильтрования используют обработку с помощью фильтр-пресса, и количество сухого продукта вспомогательного фильтрующего материала составляет не менее чем 0,5% масс. и менее чем 25% масс. по отношению к фильтруемой жидкости.
Изобретение относится также к вспомогательному фильтрующему материалу на основе целлюлозы, включающему нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт содержащей целлюлозу биомассы, причем целлюлаза включает целлобиогидролазу.
Эффект изобретения
Используя настоящее изобретение, можно получить вспомогательный фильтрующий материал на основе целлюлозы, имеющий более высокую эффективность отделения суспендированных веществ, чем традиционные вспомогательные фильтрующие материалы. С помощью этого вспомогательного фильтрующего материала, имеющего повышенную эффективность отделения суспендированных веществ, можно получить прозрачную жидкость из высокомутной жидкости. Более конкретно, используя вспомогательный фильтрующий материал согласно настоящему изобретению, можно эффективно получать прозрачный фильтрат из жидкости с низкой фильтруемостью, и виды фильтровальной обработки, которые до настоящего времени были затруднительными, такие как обработка сточной воды, полученной из биомассы, и обработка произведенных микроорганизмами веществ, можно осуществлять, используя вспомогательный фильтрующий материал, произведенный из целлюлозы, которая представляет собой органическое вещество. Таким образом, обработку жидкости можно осуществлять при низкой нагрузке на окружающую среду и низкой стоимости.
Более конкретно, в отношении цели получения прозрачной жидкости из высокомутной жидкости, авторы настоящего изобретения обнаружили, что вспомогательный фильтрующий материал на основе целлюлозы согласно настоящему изобретению, подвергнутый определенной ферментативной обработке, имеет чрезвычайно повышенную эффективность отделения суспендированных веществ по сравнению с традиционными вспомогательными фильтрующими материалами на основе целлюлозы. Кроме того, вспомогательный фильтрующий материал согласно настоящему изобретению является еще более эффективным в отделении суспендированных веществ, чем традиционные вспомогательные фильтрующие материалы на основе диатомовой земли. Следующее неожиданное открытие заключалось в том, что вспомогательный фильтрующий материал согласно настоящему изобретению также обеспечивает значительное повышение скорости обработки сточной фильтруемой жидкости по сравнению с традиционными вспомогательными фильтрующими материалами на основе целлюлозы. В результате оценки прозрачности фильтрата, полученного с использованием вспомогательного фильтрующего материала согласно настоящему изобретению, в отношении фильтруемости через микрофильтрующую мембрану, было обнаружено, что значительное улучшение фильтруемости может быть достигнуто только в тех случаях, где жидкость была получена с использованием вспомогательного фильтрующего материала согласно настоящему изобретению.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет полученное сканирующим электронным микроскопом (SEM) изображение содержащей целлюлозу биомассы, подвергнутой тонкой измельчительной обработке.
Фиг. 2 представляет изображение, показывающее результат электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия (SDS-PAGE) целлюлазы (Accellerase DUET).
Фиг. 3 представляет изображение, показывающее результат SDS-PAGE адсорбированного фермента нерастворимого в воде обработанного целлюлазой продукта.
Фиг. 4 представляет полученные оптическим микроскопом фотографии, показывающие состояние гидротермально обработанного продукта, причем данные микрофотографии были сняты до и после ферментативной обработки.
Фиг. 5 представляет полученные сканирующим электронным микроскопом изображения, показывающие состояние продукта, обработанного водным аммиачным раствором, причем данные изображения были получены до и после ферментативной обработки.
Вариант осуществления изобретения
Далее приведено более подробное описание настоящего изобретения.
Стадия (A), которая представляет собой первую стадию способа изготовления вспомогательного фильтрующего материала согласно настоящему изобретению, является стадией, на которой содержащую целлюлозу биомассу подвергают измельчительной и/или термохимической обработке, чтобы получить предварительно обработанную биомассу.
Термин «содержащая целлюлозу биомасса» при использовании настоящем документе означает материал, произведенный организмом, причем данный материал содержит целлюлозу в количестве, составляющем не менее чем 5% масс. Конкретные примеры содержащей целлюлозу биомассы включают травяные типы биомассы, такие как багасса (отходы переработки сахарного тростника), просо прутьевидное, слоновая трава, шерстоцвет, кукурузная солома (стебли и листья кукурузы), остатки клубней и корней, рисовая солома, мякина и пшеничная солома; и древесные типы биомассы, такие как деревья и отходы строительных материалов. Содержание такой целлюлозы, без учета воды, составляет предпочтительно от 10% до 100% и предпочтительнее от 20% до 100%.
Поскольку в таких типах содержащей целлюлозу биомассы присутствует лигнин в форме ароматических макромолекул, а также целлюлоза/гемицеллюлоза, их также называют термином «лигноцеллюлоза». Содержащую целлюлозу биомассу составляют, в грубом приближении, компонент целлюлозы, компонент гемицеллюлозы, компонент лигнина и неорганический компонент, и содержание каждого компонента различается в значительной степени в зависимости от типа биомассы и условий роста.
На стадии (A) способа изготовления вспомогательного фильтрующего материала согласно настоящему изобретению содержащую целлюлозу биомассу подвергают измельчительной и/или термохимической обработке. В тех случаях, где осуществляют как измельчительную, так и термохимическую обработку, последовательность осуществления измельчительной и термохимической обработки не является ограниченной. Измельчительную и термохимическую обработку можно осуществлять одновременно, или их можно осуществлять поочередно.
Примеры измельчительной обработки согласно настоящему изобретению включают тонкую измельчительную обработку путем механической нарезки волокон с использованием ножевой мельницы, молотковой мельницы, дробилки или подобного устройства. Существуют две причины для осуществления измельчения. Во-первых, измельчение своим действием уменьшает насыпную плотность во время реакции и, следовательно, обеспечивает в максимально возможной степени реакцию содержащей целлюлозу биомассы в контейнере. Во-вторых, измельчительная обработка упрощает протекание реакции термохимической обработки или ферментативной обработки. Для измельчительной обработки часто используют молотковую мельницу или ножевую мельницу, и средний размер частиц в таких случаях составляет от 0,1 мм до 10 мм, хотя на средний размер частиц влияет размер ячеек сита, используемого для классификации. Примеры тонкой измельчительной обработки включают обработку в шаровой мельнице, и полученный порошок может быть мельче, чем порошок, полученный путем измельчительной обработки, вследствие столкновений между шариками из керамического материала, такого как диоксид циркония. Средний размер частиц составляет приблизительно от 10 мкм до 100 мкм, хотя на средний размер частиц влияет продолжительность времени обработки с помощью шаровой мельницы.
Согласно настоящему изобретению термохимическая обработка означает термическую обработку и/или химическую обработку содержащей целлюлозу биомассы. Более конкретные примеры предварительной обработки представляют собой кислотная обработка, которую осуществляют, используя разбавленную серную кислоту или сульфит при высокой температуре и высоком давлении; щелочная обработка, которую осуществляют, используя водный раствор щелочи, такой как гидроксид кальция или гидроксид натрия; аммиачная обработка, которую осуществляют, используя жидкий аммиак или газообразный аммиак, или водный раствор аммиака; гидротермальная обработка, которую осуществляют, используя горячую воду под давлением; и обработка паровым взрывом, в которой на содержащую целлюлозу биомассу воздействует водяной пар в течение короткого времени, а затем давление мгновенно снижается, вызывая измельчение вследствие увеличения объема.
Среди типов термохимической обработки кислотная обработка представляет собой способ обработки, в котором кислый водный раствор серной кислоты, сульфита или подобного вещества и содержащая целлюлозу биомасса реагируют в условиях высокой температуры и высокого давления, и получается предварительно обработанный продукт. Как правило, лигнин растворяется в ходе кислотной обработки. Кроме того, сначала гидролизуется компонент гемицеллюлозы, которая имеет низкую степень кристалличности, после чего следует разложение компонента целлюлозы, которая имеет высокую степень кристалличности. При осуществлении процесса, включающего две или больше стадий, возможно селективное элюирование каждого компонента в зависимости от цели.
Кислота, используемая для кислотной обработки, представляет собой кислоту, которая вызывает гидролиз, и примеры кислоты представляют собой лимонную кислоту, уксусную кислоту, азотную кислоту и фосфорную кислоту. С экономической точки зрения предпочтительной является серная кислота. Концентрация кислоты составляет предпочтительно от 0,1 до 15% масс., предпочтительнее от 0,5 до 5% масс. Температура реакции может находиться в интервале от 100 до 300°C. Продолжительность реакции может находиться в интервале от 1 секунды до 60 минут. Число раз обработки может равняться по меньшей мере одному.
Жидкость на стороне элюированных компонентов, полученная путем такой термохимической обработки, включает лигнин, а также большое количество компонента ксилозы, произведенного из гемицеллюлозы, и эта жидкость может оказаться применимой для изготовления ксилозы или ксилита, получаемого из ксилозы. Однако поскольку лигнин элюируется аналогично гемицеллюлозе, компонент лигнина, вероятно, вызывает закупоривание на стадии фильтрационной обработки. Даже в тех случаях, где осуществляют центрифугирование, эффективное отделение лигнина после тонкого измельчения оказывается практически невозможным, поскольку лигнин представляет собой ароматический органический полимер и, следовательно, имеет низкую плотность. Таким образом, требуется технология, которая обеспечивает устойчивое фильтрование, чтобы также осуществлять высокоэффективное отделение компонентов, имеющих такие мелкие частицы.
Среди типов термохимической обработки гидротермальная обработка представляет собой способ, в котором обработку осуществляют под давлением горячей водой, температура которой предпочтительно составляет от 100 до 400°C, в течение от одной секунды до 60 минут. Эту обработку обычно осуществляют таким образом, что после обработки содержащая целлюлозу биомасса, которая является нерастворимой в воде при нормальной температуре (25°C), присутствует в концентрации, составляющей от 0,1 до 50% масс. по отношению к суммарной массе содержащей целлюлозу биомассы и воды. Давление предпочтительно составляет от 0,01 до 10 МПа, хотя оно изменяется в зависимости от температуры обработки. При гидротермальной обработке компоненты, элюируемые под давлением горячей водой, изменяются в зависимости от температуры горячей воды под давлением. Как правило, когда увеличивается температура горячей воды под давлением, сначала происходит элюирование таннина и лигнина как первой фракции из содержащей целлюлозу биомассы; элюирование гемицеллюлозы как второй фракции происходит при температуре, составляющей от не менее чем 140 до 150°C; и далее происходит элюирование целлюлозы как третьей фракции при температуре, превышающей приблизительно 230°C. Кроме того, одновременно с элюированием может происходить гидролиз гемицеллюлозы и целлюлозы.
Твердый материал после обработки присутствует в форме порошка или глины из измельченных влажных частиц, образующихся в реакции разложения в ходе гидротермальной обработки, по сравнению с содержащей целлюлозу биомассой перед гидротермальной обработкой. Если обеспечивать проведение реакции в таких условиях относительно высокой температуры и высокого давления, ферментативная реакция целлюлазы, вероятно, происходит активно, и усиливается действие повышения эффективности вспомогательного фильтрующего материала. Кроме того, эти жидкие компоненты являются полезными, поскольку они содержат большое количество компонента ксилозы, произведенной из гемицеллюлозы, как в описании для кислотной обработки. Однако эти жидкие компоненты представляют собой водные растворы, содержащие гемицеллюлозу, лигнин, таннин и часть компонента целлюлозы, которая элюируется под давлением горячей водой. Таким образом, жидкие компоненты содержат лигнин и волоконный компонент в осажденном состоянии и, например, гидрофобные коллоиды, произведенные из лигнина, и коллоиды нерастворимых полисахаридов, таким образом, что мутность является высокой, и фильтрование оказывается весьма затруднительным даже в случае фильтрационной обработки с использованием тканого материала, микрофильтрующей мембраны или аналогичного материала.
Среди типов термохимической обработки обработка паровым взрывом представляет собой способ, в котором пар продувают в содержащую целлюлозу биомассу для увеличения температуры, и на биомассу воздействует пар при давлении, составляющем приблизительно от 1 МПа до 4 МПа, в течение от 30 секунд до 10 минут, после чего пар моментально выпускают в атмосферу, вызывая измельчение. В результате такой обработки паровым взрывом кристаллическая структура биомассы разрушается, и одновременно под действием тепла разлагается лигнин, таким образом, что легко происходит ферментативная реакция, и, следовательно, можно получить желательный нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт. Образуются стоки и другие вещества в результате отстаивания для отделения получаемого таким способом обработанного продукта, а также компонент раствора, который получается из пара, и компонент лигнина, который прикрепляется к поверхности стенок оборудования в результате взрыва. Кроме того, стоки имеют высокую вязкость, и в них содержится большое количество осадков. Таким образом, обработка стоков оказывается затруднительной.
Среди типов термохимической обработки щелочная обработка представляет собой способ обработки, в котором с содержащей целлюлозу биомассой реагирует водный щелочной раствор, обычно водный раствор гидроксидного соединения (за исключением гидроксида аммония). В результате щелочной обработки можно, в основном, устранять лигнин, который ингибирует реакции целлюлозы/гемицеллюлозы с целлюлазой. В качестве гидроксидного соединения предпочтительно используют гидроксид кальция или гидроксид натрия.
Концентрация водного щелочного раствора предпочтительно находится в интервале от 0,1 до 60% масс., и обработку осуществляют, добавляя данный раствор к содержащей целлюлозу биомассе и проводя реакцию при температуре, составляющей обычно от 100 до 200°C и предпочтительно от 110°C до 180°C. Обработку можно осуществлять один или несколько раз. В тех случаях где щелочную обработку осуществляют два или более раз, условия обработки каждый раз могут отличаться друг от друга. При изготовлении содержащей целлюлозу биомассы путем щелочной обработки лигнин высокоселективно удаляется щелочью, и, таким образом, щелочная обработка, аналогично кислотной обработке, представляет собой предпочтительный способ изготовления вспомогательного фильтрующего материала также с точек зрения обесцвечивания и т.п. Кроме того, поскольку нагревание также активно способствует разложению гемицеллюлозы, можно допускать, чтобы только компонент целлюлозы оставался в большом количестве.
С другой стороны, поскольку жидкий компонент содержит большое количество лигнина, образуется очень мутная жидкость при температуре в результате суспендирования осажденных компонентов, произведенных из лигнина, и компонента лигнина на коллоидных частицах. Получаемая в результате жидкость представляет собой так называемый черный щелочной раствор. Черный щелочной раствор обычно подвергают центрифугированию и испарению для его использования в качестве горючего вещества, но, поскольку черный щелочной раствор имеет высокую вязкость и высокую мутность, оказывается затруднительным повышение его прозрачности посредством процесса фильтрования.
Среди типов термохимической обработки аммиачная обработка представляет собой способ обработки, в котором водный аммиачный раствор или аммиак (жидкий или газообразный) реагирует с произведенной из целлюлозы биомассой. Примеры данного способа включают способы, описанные в JP 2008-161125 А (способ с использованием чистого аммиака) и JP 2008-535664 А (способ с использованием водного аммиачного раствора).
При аммиачной обработке реакция компонента целлюлозы с аммиаком разрушает кристаллическую структуру целлюлозы и отделяет лигнин от соединенной с ним гемицеллюлозы. Эту реакцию можно осуществлять при меньшей температуре, чем температура в других типах термохимической обработки, которая составляет предпочтительно от 40°C до 180°C и предпочтительнее от 60°C до 150°C. Таким образом, по сравнению с другими типами предварительной обработки, элюирование компонента гемицеллюлозы из полученных твердых веществ на сторону жидкого компонента происходит с меньшей вероятностью, и, следовательно, твердые вещества содержат большое количество гемицеллюлозы. Таким образом, в качестве фермента для получения вспомогательного фильтрующего материала согласно настоящему изобретению, как правило, предпочтительно используют ферментное вещество, которое с большей вероятностью разлагает гемицеллюлозу. С другой стороны, как описано выше, жидкий компонент обычно содержит меньшее количество веществ, которые ингибируют фильтрование, по сравнению со случаями других типов термохимической обработки. Однако поскольку реакцию разложения лигнина вызывают нагревание и аммиак, присутствуют произведенные из лигнина коллоидные суспендированные компоненты.
Поскольку, как описано выше, жидкий компонент, образующийся на стадии термохимической обработки, подвергают высокой температуре и высокому давлению, лигнин, присутствующий вокруг целлюлозы/гемицеллюлозы в качестве матрицы, разлагается до коллоидного состояния. При осветлении жидкого компонента путем фильтрование через тканый материал или микрофильтрующую мембрану этот лигнин вызывает проблему того, что невозможно отделить нерастворимые компоненты, которые ингибируют прозрачность, и проблему того, что мембрана, такая как тканый материал или микрофильтрующая мембрана, легко закупоривается в процессе фильтрования.
На последующей стадии, т.е. на стадии (B), предварительно обработанную биомассу, полученную на стадии (A), обрабатывают целлюлазой для получения обработанного целлюлазой продукта.
Согласно настоящему изобретению целлюлаза означает ферментативный компонент, который своим действием разлагает компонент целлюлозы в содержащей целлюлозу биомассе или который способствует разложению целлюлозы. Конкретные примеры ферментативного компонента представляют собой целлобиогидролазу, эндоглюканазу, экзоглюканазу, гемицеллюлазу, вызывающие набухание биомассы ферменты, β-глюкозидазу, ксиланазу и ксилозидазу. Например, поскольку гидролиз компонента целлюлозы можно эффективно осуществлять, применяют координатный эффект или комплементарный эффект такого множества ферментативных компонентов, которые предпочтительно используются в настоящем изобретении. Целлюлаза особенно предпочтительно содержит целлобиогидролазу.
Согласно настоящему изобретению используемая целлюлаза предпочтительно представляет собой целлюлазу, производимую микроорганизмами. Например, целлюлаза может включать множество ферментативных компонентов, производимых микроорганизмами одного типа, или она может представлять собой смесь ферментативных компонентов, производимых микроорганизмами множества типов.
Микроорганизмом, который производит целлюлазу, является микроорганизм, который внутриклеточно или внеклеточно производит целлюлазу, предпочтительно микроорганизм, который внеклеточно производит целлюлазу. Это объясняется тем, что целлюлазу можно легче извлекать из микроорганизма, если микроорганизм внеклеточно производит целлюлазу.
Микроорганизмом, который производит целлюлазу, является микроорганизм, который производит ферментативный компонент (компоненты), описанные выше. Поскольку мицелиальные грибы, классифицируемые как род Trichoderma или Acremonium, внеклеточно производят большое количество целлюлазы, их можно особенно предпочтительно использовать в качестве микроорганизмов, которые производят целлюлазу.
Целлюлаза, используемая в настоящем изобретении, предпочтительно представляет собой целлюлазу, которую производят грибы рода Trichoderma. Более конкретно, целлюлаза предпочтительнее представляет собой целлюлазу, которую производят грибы следующих видов рода Trichoderma: 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 или Trichoderma viride QM9123. Еще предпочтительнее целлюлаза представляет собой целлюлазу, которую производят грибы вида Trichoderma reesei.
Целлюлазу может производить мутантный штамм, полученный для повышения производства целлюлазы из мицелиальных грибов рода Trichoderma путем использования мутагенеза, например, мутагена или ультрафиолетового излучения. Например, целлюлазу может производить мутантный штамм, полученный путем модификации мицелиальных грибов рода Trichoderma таким образом, что обеспечивается высокая экспрессия некоторых ферментативных компонентов, причем данная целлюлаза имеет измененное соотношение составляющих ее целлюлаз.
Согласно настоящему изобретению можно использовать имеющуюся в продаже целлюлазу, которую производят грибы рода Trichoderma. Примеры имеющейся в продаже целлюлазы представляют собой “Cellic CTec” (зарегистрированный товарный знак) и “Cellic CTec2” (зарегистрированный товарный знак), изготавливаемые компанией Novozymes; “Accellerase” (зарегистрированный товарный знак) 1000, “Accellerase” (зарегистрированный товарный знак) 1500 и “Accellerase” (зарегистрированный товарный знак) DUET, изготавливаемые компанией Danisco Japan Ltd.; а также «Cellulase from Trichoderma reesei ATCC 26921», «Cellulase from Trichoderma viride» и «Cellulase from Trichoderma longibrachiatum», изготавливаемые компанией Sigma Aldrich.
Кроме того, согласно настоящему изобретению, целлюлазу можно использовать в форме смеси с ферментом, который производят грибы, принадлежащие к другому роду. Примеры имеющихся в продаже продуктов, содержащих такой фермент, включают “Novozymes 188”, произведенный грибами вида Aspergillus niger от компании Novozymes. Фермент может также представлять собой фермент, производимый с добавлением фермента, который усиливает действие целлюлазы.
Произведенную грибами Trichoderma целлюлазу можно получить, выращивая грибы Trichoderma в течение заданного периода в среде, таким образом, что грибы производят ферментативный компонент. Что касается используемого компонента среды, предпочтительно используют среду с добавкой целлюлозы, которая способствует производству целлюлазы. В качестве альтернативы, предпочтительно используется сама культуральная жидкость или культуральная надосадочная жидкость после отделения клеток Trichoderma. Кроме того, в среду можно вводить добавки, такие как ингибитор протеазы, диспергатор, солюбилизатор и стабилизатор.
Что касается способа получения обработанного целлюлазой продукта, сначала добавляют воду, таким образом, что концентрация твердых веществ составляет предпочтительно не более чем 40% масс., предпочтительнее не более чем 20% масс., чтобы перевести продукт в суспензию.
Хотя нижний уровень концентрации твердых веществ в обрабатываемом продукте не является ограниченным, эффективность может оказаться низкой в тех случаях, где чрезмерно низкой является концентрация твердых веществ. Таким образом, концентрация твердых веществ составляет обычно не менее чем 5% масс. и предпочтительно не менее чем 8% масс. Кроме того, предпочтительно регулировать значение pH в интервале от 3 до 7 и вводить в реакцию целлюлазу, которая представляет собой осахаривающий фермент, при массовом соотношении в интервале от 1/1000 до 1/10 с содержащей целлюлозу биомассой перед термохимической обработкой и ферментативной обработкой в расчете на сухую массу. В тех случаях, где массовое соотношение целлюлазы составляет не более чем 1/1000, оказывается низким эффект, вызывающий разложение, при этом в тех случаях, где массовое соотношение целлюлазы составляет не менее чем 1/10, эффект не изменяется, таким образом, что массовое соотношение целлюлазы составляет предпочтительно не более чем 1/10, и здесь данный эффект достигает верхнего предела с экономической точки зрения. Температура реакции составляет предпочтительно от 20°C до 100°C и предпочтительнее от 30°C до 70°C. Это объясняется тем, что, в тех случаях, где температура реакции составляет не более чем 20°C, скорость реакции разложения под действием фермента является низкой, в то время как в тех случаях, где температура реакции составляет не менее чем 100°C, легко происходит потеря активности фермента. Продолжительность реакции устанавливают соответствующим образом в зависимости от температуры реакции, концентрации твердых веществ в обрабатываемом продукте, активности целлюлазы и используемого количества целлюлазы. Продолжительность реакции составляет обычно приблизительно от 6 часов до 96 часов, предпочтительно от приблизительно 12 часов до 48 часов.
На следующей стадии, т.е. на стадии (C), получают содержание твердых веществ обработанного целлюлазой продукта, полученного на стадии (B) (нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт).
Твердое содержимое обработанного целлюлазой продукта согласно настоящему изобретению, то есть нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт, представляет собой нерастворимый в воде материал, получаемый в форме твердого вещества после отделения, путем разделения твердой и жидкой фаз, компонентов, элюированных водой в процессе обработки целлюлазой на стадии (B).
Термин «нерастворимый в воде» в настоящем документе означает, что компонент не может растворяться в воде, то есть он вызывает рассеяние света, когда он присутствует в воде. Более конкретно, данный термин означает вещество, которое осаждается путем ультрацентрифугирования при ускорении 10000 G или, даже в тех случаях, где осаждение не происходит в процессе ультрацентрифугирования, но надосадочная фракция находится в коллоидном состоянии, коллоидный компонент вещества рассматривается как нерастворимый в воде.
Отделение твердого содержимого от обработанного целлюлазой продукта можно осуществлять путем центрифугирования или фильтрования. Центробежное ускорение не является ограниченным, и, поскольку цель может быть достигнута даже при низком ускорении, центробежное ускорение составляет предпочтительно приблизительно от 500 G до 4000 G и предпочтительнее приблизительно от 1000 G до 3000 G, с точек зрения простоты и стоимости работы. В тех случаях где твердое содержимое отделяют путем фильтрования, способ фильтрования не является ограниченным. Поскольку на данной стадии продукт все еще сохраняет высокую мутность, фильтрование предпочтительно осуществляют, используя фильтр-пресс, с точки зрения простоты работы. Обработка с помощью фильтр-пресса представляет собой способ фильтрационной обработки с использованием вспомогательного фильтрующего материала, который представляет собой тканый материал или нетканый материал, и ее можно легко осуществлять, используя имеющиеся в продаже вспомогательные фильтрующие материалы и устройства. Сжимающее давление в процессе обработки с помощью фильтр-пресса не является ограниченным и составляет приблизительно от 0,01 МПа до 2 МПа, предпочтительно приблизительно от 0,05 МПа до 1 МПа. Тип фильтр-пресса может представлять собой вертикальный тип или горизонтальный. Что касается способа переноса жидкости, жидкость можно переносить с помощью насоса или ее можно переносить под давлением сжатого газа. Примеры устройства включают “PNEUMAPRESS” (зарегистрированный товарный знак) от компании FLSmidth, “LastaFilter” (зарегистрированный товарный знак) от компании Ishigaki Company, Ltd. и “AUTOPAC” (зарегистрированный товарный знак) от компании Daiki Ataka Engineering Co., Ltd.
Размер частиц нерастворимого в воде обработанного целлюлазой продукта, полученного описанным выше способом согласно настоящему изобретению, не является ограниченным. Это объясняется тем, что на основании исследования снятых с оптическим микроскопом или электронным микроскопом фотографий нерастворимого в воде обработанного целлюлазой продукта, используемого согласно настоящему изобретению, продукт находился в состоянии, в котором он содержал диспергированные частицы, имеющие различные размеры, составляющие от нескольких десятков нанометров до нескольких сотен микрометров, а также произведенные из лигнина адгезионные компоненты, которые невозможно рассматривать как частицы.
Что касается состава нерастворимого в воде обработанного целлюлазой продукта, полученного способом согласно настоящему изобретению, содержание целлюлозы составляет предпочтительно от 10% до 95% масс. и предпочтительнее от 20% до 90% масс. Многие вспомогательные фильтрующие материалы на основе целлюлозы имеют более высокое содержание целлюлозы и содержат компонент целлюлозы, составляющий не менее чем 95% масс. Однако нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт согласно настоящему изобретению отличается от тех вспомогательных фильтрующих материалов на основе целлюлозы. Кроме того, оказывается затруднительным осуществление гидролиза для получения концентрации компонентов целлюлозы, составляющей менее чем 10%, и в таких случаях продолжительность реакции является чрезмерно большой, и, таким образом, данная реакция является неэффективной с экономической точки зрения.
Причина, по которой содержание не может быть увеличено, заключается в том, что, поскольку в некоторых случаях осуществляют термохимическую обработку, содержание компонентов лигнина и гемицеллюлозы может изменяться. Однако можно определять составы до и после ферментативной обработки, поскольку полисахаридные компоненты положительно разлагаются ферментом, и количество осадка после разложения (определенное способом LAP NREL, см. основной пример 4) после ферментативной обработки предпочтительно составляет не менее чем в 1,5 раза больше, чем перед ферментативной обработкой. Это считается обусловленным тем, что компонент целлюлозы селективно разлагается, превращая часть волокнистых частиц в мелкие фрагменты, и при этом только компонент целлюлозы разлагается, увеличивая площадь поверхности, что приводит к значительному повышению скорости адгезии суспендированных компонентов. Количество осадка после разложения увеличивается предпочтительно не менее чем в 1,5 раза и предпочтительнее от 1,7 до 50 раз. Хотя разложение происходит с течением времени вследствие реакции под действием целлюлазы, количество осадка после разложения увеличивалось предпочтительно не менее чем в 1,5 раза на основании значений, наблюдаемых в примерах, и с экономической точки зрения, допускающей продолжительность реакции, составляющую 24 часа. Поскольку реакция разложения представляет собой равновесную реакцию, оказывается затруднительным достижение разложения всего количества целлюлозы. Таким образом, верхний предел предпочтительно составляет не более чем 50-кратное увеличение.
Настоящее изобретение также предлагает вспомогательный фильтрующий материал на основе целлюлозы, включающий нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт содержащей целлюлозу биомассы, который можно изготавливать описанным выше способом. Вспомогательный фильтрующий материал на основе целлюлозы в настоящем документе означает вспомогательный фильтрующий материал, изготовленный с использованием описанной выше содержащей целлюлозу биомассы в качестве исходного материала. Примеры имеющихся в продаже продуктов вспомогательного фильтрующего материала на основе целлюлозы включают “VITACEL” (зарегистрированный товарный знак) 600/30, 600/20, 600/10 и 600/05, “ARBOCEL” (зарегистрированный товарный знак) 600/30, 600/20 и 600/10, “LIGNOCEL” (зарегистрированный товарный знак) и “VIVAPUR” (зарегистрированный товарный знак) от компании J. Rettenmaier & Söhne GmbH + Co. KG; “FIBRA-CEL” (зарегистрированный товарный знак) BH40, BH100 и SW10 от компании Johns-Manville Corporation; “CELISH” (зарегистрированный товарный знак) и “Pulp-flock” (зарегистрированный товарный знак) от компании Daicel Finechem Ltd.; и “KC Flock” (зарегистрированный товарный знак) от компании Nippon Paper Industries Co., Ltd.
Причина, по которой нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт, используемый в настоящем изобретении, высокоэффективно функционирует в качестве вспомогательного фильтрующего материала, заключается в том, что данный продукт представляет собой смесь, содержащую тонкодисперсные компоненты, производимые путем разложения под действием целлюлазы, а также компоненты, которые с трудом вступают в реакцию разложения под действием ферментов даже после измельчительной/термохимической обработки, и что адгезионные компоненты, произведенные из лигнина, которые образуются в процессе ферментативной реакции, адсорбируют суспендированные компоненты. Считается, что данные эффекты действуют комплексным образом.
Примеры использования вспомогательного фильтрующего материала согласно настоящему изобретению представляют собой следующие: обработка технологической воды, обработка оборотной воды, обработка сточной воды, обработка дренажной воды, химическая промышленность, пищевая промышленность и очистка фармацевтических препаратов. Среди них предпочтительными областями использования являются обработка сточной воды, обработка дренажной воды, пищевая промышленность, химическая промышленность и фармацевтическая промышленность, в которых снижение мутности является затруднительным. Более предпочтительное использование представляет собой фильтрование мутной жидкости, такой как произведенные из биомассы жидкие отходы, которые образуются в процессе описанной выше измельчительной обработки или термохимической обработки, произведенные путем ферментации жидкие отходы, включающие микроорганизмы, такие как дрожжи или бактерии.
Произведенные из биомассы жидкие отходы содержат многочисленные гидрофобные вещества, произведенные из лигнина, и произведенные путем ферментации содержат многочисленные микроорганизмы, такие как дрожжи или бактерии, размеры которых составляют несколько микрометров. Суспендированные в этих жидких отходах вещества представляют собой органические вещества, имеющие низкую плотность и высокую адгезионную способность. Они представляют собой вещества, которые, вероятно, вызывают закупоривание тканого материала или микрофильтрующей мембраны в процессе фильтрационной обработки.
В частности, в настоящем изобретении было обнаружено, что в фильтрате, обработанном с помощью вспомогательного фильтрующего материала согласно настоящему изобретению, можно уменьшать количество загрязняющих компонентов, возникающих в результате вышеупомянутой мембранной обработки. Вспомогательный фильтрующий материал, используемый в настоящем изобретении, является в высокой степени применимым для предварительной обработки перед последующей обработкой, в частности, для процесса фильтрования, в котором используется микрофильтрующая мембрана, ультрафильтрующая мембрана, нанофильтрующая мембрана, обратноосмотическая мембрана или аналогичное устройство. Кроме того, поскольку органический сток, произведенный из фильтруемой жидкости, проявляет тенденцию к тому, чтобы легко вызывать закупоривание мембраны, вспомогательный фильтрующий материал согласно настоящему изобретению является особенно эффективным в тех случаях, где материал мембраны изготовлен из высокомолекулярного соединения.
Способ фильтрационной обработки с использованием вспомогательного фильтрующего материала согласно настоящему изобретению не является ограниченным, и способ фильтрационной обработки предпочтительнее представляет собой способ, использующий вспомогательный фильтрующий материал, которым является тканый или нетканый материал. На вспомогательный фильтрующий материал может быть нанесена пленка уровня микрофильтрующей мембраны. Предпочтительнее данный способ представляет собой вакуумное фильтрование или фильтрование под давлением с использованием вспомогательного фильтрующего материала. Примеры вакуумного фильтрования включают способы фильтрования с использованием нутч-фильтра (Nutsche), ленточного фильтра и ленточного пресса. Примеры фильтрования под давлением включают способы фильтрования с использованием центрифуги, фильтр-пресса и ротационного пресса. Среди этих способов фильтрование под давлением является предпочтительным в качестве способа фильтрования согласно настоящему изобретению. Таким образом, в тех случаях, где используется вспомогательный фильтрующий материал согласно настоящему изобретению, присутствие мелких частиц, образующихся в результате ферментативной обработки, вызывает значительную потерю давления, обусловленную вспомогательным фильтрующим материалом, и, следовательно, фильтрование под давлением является предпочтительным, поскольку оно допускает большой перепад давления между первичной стороной и вторичной стороной. В частности, среди способов фильтрования под давлением обработка с помощью фильтр-пресса способна в значительной степени уменьшать содержание воды в смеси используемого вспомогательного фильтрующего материала и содержание твердых веществ в обработанной жидкости за счет компрессионной функции. Поскольку содержащиеся твердые вещества, получаемые путем обработки с помощью фильтр-пресса, можно легко сжигать, и эффективность их сжигания является высокой вследствие низкого содержания воды, можно получить вторичный эффект, такой как получение энергии из содержащихся твердых веществ. Сам по себе способ фильтрования можно осуществлять таким же образом, как известные способы фильтрования, за исключением того, что фильтрование осуществляют, используя вспомогательный фильтрующий материал согласно настоящему изобретению.
При использовании вспомогательного фильтрующего материала согласно настоящему изобретению содержащая целлюлозу биомасса как обработанный продукт содержит связанную с ней целлюлазу. Например, когда додецилсульфат натрия (SDS) реагирует с нерастворимым в воде обработанным целлюлазой продуктом и продукт реакции подвергается анализу методом SDS-PAGE, можно определять, была осуществлена или нет обработка целлюлазой. Среди видов целлюлазы, которую связывает содержащая целлюлозу биомасса, целлобиогидролаза присутствует в особенно большом количестве.
Примеры
Далее настоящее изобретение описано более конкретно посредством примеров. Однако настоящее изобретение не является ограниченным представленными ниже примерами.
Каждое измеренное значение в представленных ниже примерах, сравнительных примерах и основных примерах является средним значением, вычисленным на основании измерения по трем точкам.
Основной пример 1. Биомасса для использования в качестве образца
Рисовую солому и пшеничную солому в качестве биомассы измельчали, используя непрерывную ножевую мельницу MF10 basicS1, изготавливаемую компанией IKA, чтобы получить измельченную биомассу с размерами частиц от 2 мм до 3 мм.
Основной пример 2. Способ измерения содержание воды
Содержание воды измеряли, используя инфракрасный измеритель влажности FD-720, изготавливаемый компанией Kett Electric Laboratory; образец выдерживали при температуре 120°C, чтобы измерять разность между устойчивым значением после испарения и исходным значением.
Основной пример 3. Способ измерения мутности
Мутность жидкости измеряли до фильтрования и после фильтрования, используя портативный турбидиметр 2100P, изготавливаемый компанией HACH.
Основной пример 4. Способ измерения состава биомассы
Состав анализировали следующим способом в соответствии с опубликованной NREL лабораторной аналитической процедурой (LAP) «Определение структурных углеводов и лигнина в биомассе».
Соответствующее количество образца подвергали измерению содержания воды способом, описанным выше в основном примере 2. После этого вычисляли содержание воды согласно основному примеру и полученный сухой образец подвергали интенсивному нагреванию при температуре 600°C, чтобы определить зольность.
Образец переносили в нержавеющий стальной лоток и высушивали в атмосфере лаборатории почти до достижения равновесия. Затем образец измельчали на мельнице Wiley и с помощью сита отбирали частицы, размер которых составлял приблизительно от 200 до 500 мкм. Образец, состояние которого регулировали, высушивали при температуре 60°C в вакууме и абсолютное массовое содержание в расчете на сухое вещество для каждого компонента вычисляли посредством поправки на абсолютную сухую массу. Используя весы, отмеряли 0,3 г образца для анализа и образец помещали в лабораторный стакан. К данному образцу добавляли 3 мл 72% серной кислоты, и получаемую в результате смесь выдерживали при температуре 30°C при периодическом перемешивании в течение одного часа. Получаемую в результате реакционную жидкость вместе с 84 мл очищенной воды полностью переносили в сосуд под давлением и термолиз осуществляли при температуре 120°C в течение одного часа в автоклаве. Затем жидкость после разложения и осадок отделяли друг от друга путем фильтрования и фильтрат и жидкость от промывания осадка смешивали, получая 100 мл исследуемой жидкости. Кроме того, осуществляли исследование путем добавления и извлечения с использованием моносахаридов для поправки на чрезмерное разложение сахаров параллельно с термическим разложением. Моносахариды (ксилоза, арабиноза, манноза, глюкоза и галактоза) в исследуемой жидкости количественно определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии, используя хроматограф GL-7400 с флуоресцентным детектором от компании GL Science. На основе концентраций моносахаридов и количества разложившегося образца в жидкости, полученной после разложения, вычисляли составляющие сахаров в образце.
Проводя исследование методом добавления/извлечения моносахаридов, определяли количества составляющих сахаров. Используя коэффициент поправки на чрезмерное разложение сахаров или коэффициент сохранения (Sf) в процессе термолиза, вносили поправку в количества составляющих сахаров.
Основной пример 5. Приготовление жидкого образца дрожжей
Используя дрожжи штамма OC2 (винные дрожжи, Saccharomyces cerevisiae), изготавливали дрожжевую жидкость. Что касается среды, перед осуществлением ферментации среду, имеющую состав, представленный в таблице 1, подвергали стерилизации фильтрованием, используя фильтр Stericup с размером отверстий 0,22 мкм от компании Millipore.
Штамм OC2 культивировали при встряхивании в течение ночи, используя 5 мл ферментационной среды (прекультуральной среды), помещенной в пробирку (прекультура). Из полученной прекультуральной жидкости выделяли дрожжи путем центрифугирования, и выделенные дрожжи тщательно промывали 15 мл стерильной воды. Промытые дрожжи инокулировали в 100 мл среды, представленной в таблице 1, и культивировали при встряхивании в течение 24 часов в конической колбе Сакагучи (Sakaguchi) объемом 500 мл (основная культура). Чтобы получить целевую дрожжевую жидкость в заданном количестве, культивирование осуществляли, используя множество колб.
| Таблица 1 | |
| Состав | Концентрация компонентов |
| Глюкоза | 50 г/л |
| Drop-out MX (товарное наименование) | 3,8 г/л |
| Основа азотного агара для дрожжей | 1,7 г/л |
| Сульфат аммония | 5 г/л |
Пример 1. Вспомогательный фильтрующий материал, полученный обработкой разбавленной серной кислотой/ферментативной обработкой
Измельченную биомассу (рисовую солому), полученную в основном примере 1, замачивали в водном растворе 1% серной кислоты и выдерживали в автоклаве при температуре 150°C в течение 30 минут, используя автоклав, изготавливаемый компанией Nitto Koatsu Co., Ltd. После этого осуществляли разделение твердой и жидкой фаз, чтобы отделить водный сернокислый раствор (далее называется «жидкость после обработки разбавленной серной кислотой») от обработанной серной кислотой целлюлозы. После этого обработанную серной кислотой целлюлозу смешивали с жидкостью после обработки разбавленной серной кислотой путем перемешивания, таким образом, что концентрация твердых веществ составляла 10% масс., и значение pH доводили приблизительно до 5, используя гидроксид натрия, чтобы получить смесь. К этой смеси добавляли в качестве целлюлазы Accellerase DUET (произведенную грибами Trichoderma reesei от компании Danisco Japan), и получаемую в результате смесь смешивали путем перемешивания при температуре 50°C в течение суток для осуществления реакции гидролиза, чтобы получить обработанную серной кислотой и ферментом суспензию. После этого, чтобы моделировать условия, в устройстве винтового декантатора осуществляли центрифугирование (1500 G) в течение одной минуты, получая нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт в форме твердого вещества, в котором содержание воды составляло 76,4% масс. (далее называется «обработанный ферментом материал»).
К 1 л жидкости после обработки разбавленной серной кислотой, добавляли 500 г обработанного ферментом материала, получая в сумме 1,5 кг смеси. После перемешивания смеси для получения однородной суспензии осуществляли обработку с помощью фильтр-пресса, используя компактное фильтровальное устройство MO-4, изготавливаемое компанией Yabuta Industries Co., Ltd. Поскольку на начальной стадии фильтрат имеет высокую мутность, фильтрат, полученный через одну минуту после начала фильтрования, возвращали в резервуар для исходной жидкости. В качестве вспомогательного фильтрующего материала T2731C использовали, и фильтрационную обработку осуществляли в течение 24 минут. Мутность жидкости после обработки разбавленной серной кислотой перед обработкой с помощью фильтр-пресса составляла 300 нефелометрических единиц мутности НЕМ, в то время как мутность жидкости после обработки с помощью фильтр-пресса составляла 5 НЕМ. Используя 100 мл жидкости после обработки разбавленной серной кислотой, осуществляли операцию тупикового фильтрования с помощью микрофильтрующей мембраны “Stericup HV” (зарегистрированный товарный знак) с отверстиями размером 0,45 мкм, изготавливаемой компанией Millipore. Операцию фильтрования осуществляли при постоянном давлении всасывания, составляющем 80 кПа. Продолжительность фильтрования для всех условий представлена в таблице 2, в которой разности свойств исследуемых жидкостей использовали в качестве показателей мутности обработанной жидкости и обработки с помощью микрофильтрующей мембраны для жидкости после обработки разбавленной серной кислотой.
Сравнительный пример 1
Жидкость A (жидкость после обработки разбавленной серной кислотой согласно примеру 1), жидкость B (жидкость, полученная путем обработки с помощью фильтр-пресса без добавления жидкости после обработки разбавленной серной кислотой), жидкость C (жидкость, полученная путем смешивания обработанный серной кислотой целлюлозы согласно примеру 1 с жидкостью после обработки разбавленной серной кислотой и осуществлением с получаемой в результате смесью такой же обработки с помощью фильтр-пресса, как в примере 1) и жидкость D (жидкость, полученная путем центрифугирования при 8000 G жидкости после обработки разбавленной серной кислотой на центрифуге типа De Laval, изготавливаемой компанией GEA Westfalia) получали в количестве 100 мл. Значения мутности каждой жидкости и результаты обработки с помощью микрофильтрующей мембраны, которую осуществляли таким же образом, как в примере 1, кратко представлены в таблице 2. Помимо фактов, представленных в примере 1, на основании сравнения с жидкостью D согласно сравнительному примеру 1, было обнаружено, что скорость фильтрования через микрофильтрующую мембрану была низкой даже в том случае, где мутность составляла 12 НЕМ, и, таким образом, что мутность и скорость фильтрования через микрофильтрующую мембрану необязательно коррелируют друг с другом.
| Таблица 2 | ||
| Жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Перед обработкой с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 1, жидкость A) | 300 НЕМ | 520 сек |
| Без добавления обработанного ферментом материала; после обработки с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 1, жидкость B) | 250 НЕМ | 510 сек |
| Добавление обработанной серной кислотой целлюлозы; после обработки с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 1, жидкость C) | 150 НЕМ | 420 сек |
| Перед обработкой с помощью фильтр-пресса; обработка на центрифуге типа De Laval (сравнительный пример 1, жидкость D) | 12 НЕМ | 210 сек |
| Смешивание с обработанным ферментом материалом; после обработки с помощью фильтр-пресса (пример 1) | 5 НЕМ | 3 сек |
Пример 2. Вспомогательный фильтрующий материал, полученный согласно настоящему изобретению (с использованием фильтр-пресса)
Обработанную серной кислотой и ферментом суспензию, полученную в примере 1, подвергали обработке с помощью фильтр-пресса при сжимающем давлении 0,5 МПа, получая в качестве твердого вещества нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт, в котором содержание воды составляло 52,1%.
Поскольку полученный обработанный ферментом материал не обладал текучестью и затвердевал, 250 г обработанного ферментом материала измельчали вручную и добавляли в 1,8 л жидкости после обработки разбавленной серной кислотой, получая в сумме приблизительно 2 кг смеси. Получаемую в результате смесь перемешивали для получения однородной суспензии и снова подвергали обработке с помощью фильтр-пресса. Продолжительность фильтрационной обработки составляла 30 минут. Мутность этой обработанной жидкости и результаты обработки с помощью микрофильтрующей мембраны, которую осуществляли таким же образом, как в примере 1, представлены в таблице 3 (случай, где обработанный ферментом материал получали с помощью фильтр-пресса).
На основании сравнения с примером 1 было обнаружено, что способ разделения твердой и жидкой фаз перед осуществлением ферментативной обработки не является ограниченным и может представлять собой фильтрование или центрифугирование.
| Таблица 3 | ||
| Жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Смешивание с обработанным ферментом материалом; после обработки с помощью фильтр-пресса (пример 2) | 3 НЕМ | 3 сек |
Пример 3. Вспомогательный фильтрующий материал, полученный путем гидротермальной обработки/ферментативной обработки
Рисовую шелуху замачивали в воде и обрабатывали в автоклаве от компании Nitto Koatsu Co., Ltd. в процессе перемешивания при температуре 180°C в течение 20 минут. В данном случае давление составляло 7 МПа. После этого разделение твердой и жидкой фаз осуществляли с использованием центрифуги (1500 G), чтобы отделить компонент раствора (далее называется «гидротермально обработанная жидкость») и твердый компонент (далее называется «гидротермально обработанная биомасса») друг от друга. К полученному гидротермально обработанному компоненту биомассы добавляли воду таким образом, что содержание твердого вещества составляло 10% масс., и водный раствор гидроксида натрия добавляли к получаемой в результате смеси до pH 5, получая суспензию, после чего в суспензию добавляли 1/40 объема Accellerase DUET. После этого получаемую в результате смесь выдерживали для реакции при постоянной температуре 50°C в процессе перемешивания в течение 24 часов. После этого суспензию центрифугировали при ускорении 1500 G в течение одной минуты, получая нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт. Содержание воды в полученном обработанном ферментом материале составляло 78,1%.
К 1 л гидротермально обработанной жидкости добавляли 500 г обработанного ферментом материала, получая в сумме 1,5 кг смеси, и смесь затем перемешивали, получая однородную суспензию, после чего осуществляли обработку с помощью фильтр-пресса таким же образом, как в примере 1. Мутность гидротермально обработанной жидкости перед обработкой с помощью фильтр-пресса составляла не менее чем 1000 НЕМ, в то время как мутность жидкости после обработки с помощью фильтр-пресса составляла 5 НЕМ. Используя 100 мл гидротермально обработанной жидкости после обработки, тупиковую фильтрационную обработку осуществляли с помощью микрофильтрующей мембраны таким же образом, как в примере 1. В таблице 4 представлены результаты (результаты, полученные путем осуществления обработки с помощью микрофильтрующей мембраны (для гидротермально обработанной жидкости)). По результатам сопоставления со сравнительным примером 2 было обнаружено, аналогично примеру 1, что также в том случае, где использовали рисовую шелуху и осуществляли гидротермальную обработку как термохимическую обработку таким образом, что после предварительной обработки путем гидротермальной обработки следовало использование обработанного ферментом вспомогательного фильтрующего материала, мутность обработанной жидкости была ниже, и эффект отделения суспендированных компонентов был выше, чем в других случаях. Кроме того, было обнаружено, что значительно повышалась скорость фильтрования через микрофильтрующую мембрану.
Сравнительный пример 2
Гидротермально обработанную жидкость согласно примеру 3 (жидкость E), жидкость, полученную непосредственным направлением гидротермально обработанной жидкости на обработку с помощью фильтр-пресса (жидкость F), и жидкость, полученную путем добавления гидротермально обработанной биомассы и последующего осуществления обработки с помощью фильтр-пресса (жидкость G), подвергали такому же исследованию путем обработки тупиковым фильтрованием с помощью микрофильтрующей мембраны, как в примере 3. Результаты представлены в таблице 4. Когда гидротермально обработанную жидкость непосредственно подвергали обработке с помощью фильтр-пресса, закупоривание вспомогательного фильтрующего материала происходило на 5 минут позже. Получение обработанной жидкости было затруднительным, и количество полученной жидкости составляло только 120 мл. Полученную жидкость в количестве 100 мл подвергали такой же обработке с помощью микрофильтрующей мембраны, как жидкость F.
| Таблица 4 | ||
| Жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Перед обработкой с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 2, жидкость E) | Не менее чем 1000 НЕМ | Не менее чем 600 сек |
| Без добавления обработанного ферментом материала; после обработки с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 2, жидкость F) | 800 НЕМ | Не менее чем 600 сек |
| После добавления гидротермально обработанной биомассы; обработка с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 2, жидкость G) | 600 НЕМ | 540 сек |
| Добавление обработанного ферментом материала; после обработки с помощью фильтр-пресса (пример 3) | 5 НЕМ | 3 сек |
Пример 4. Вспомогательный фильтрующий материал, полученный путем обработки паровым взрывом
В устройство для парового взрыва объемом 30 л от компании Nihon Dennetsu Co. помещали измельченную биомассу (рисовую солому) и вводили пар. Давление на уровне 2,5 МПа выдерживали в течение 2,5 минут для осуществления обработки взрывом. В процессе операции образовывался сток (сток при выдерживании). Содержание воды в обработанной взрывом биомассе составляло 84,4%. В обработанную взрывом биомассу добавляли воду в таком количестве, что содержание твердого вещества составляло 10% масс., и к получаемой в результате смеси добавляли водный раствор гидроксида натрия до pH 5, чтобы получить суспензию, после чего к суспензии добавляли Accellerase DUET в количестве 1/40 объема. После этого получаемую в результате смесь выдерживали для реакции при постоянной температуре 50°C в процессе перемешивания в течение 24 часов. Суспензию после реакции подвергали обработке с помощью фильтр-пресса, получая нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт, в котором содержание воды составляло 50,9%.
Поскольку полученный обработанный ферментом материал не обладал текучестью и затвердевал, 100 г обработанного ферментом материала измельчали вручную и добавляли в 1,8 л стока после обработки взрывом, получая в сумме приблизительно 2 кг смеси. Получаемую в результате смесь перемешивали для получения однородной суспензии и подвергали повторной обработке с помощью фильтр-пресса таким же образом, как в примере 1. Продолжительность фильтрационной обработки составляла 20 минут. Мутность стока после взрыва перед обработкой с помощью фильтр-пресса составляла не менее чем 1000 НЕМ, в то время как мутность жидкости после обработки с помощью фильтр-пресса составляла 2 НЕМ. Используя 100 мл стока после взрыва после обработки, обработку с помощью микрофильтрующей мембраны осуществляли таким же образом, как в примере 1. В таблице 5 представлены результаты (результаты обработки стока после взрыва с помощью микрофильтрующей мембраны). На основании сопоставления со сравнительным примером 3 было обнаружено, аналогично примеру 1, что, также в том случае, где обработку взрывом осуществляли таким образом, что после обработки взрывом в качестве физико-химической обработки следовало использование обработанного ферментом вспомогательного фильтрующего материала, мутность обработанной жидкости была ниже, и эффект отделение суспендированных компонентов был выше, чем в других случаях. Кроме того, было обнаружено, что значительно повысилась скорость фильтрования через микрофильтрующую мембрану.
Сравнительный пример 3
Каждую жидкость, такую как сток после взрыва (жидкость H), жидкость, полученная воздействием на сток после взрыва обработки с помощью фильтр-пресса без добавления вспомогательного фильтрующего материала (жидкость I), и жидкость, полученная путем непосредственного добавления обработанной взрывом биомассы и последующего осуществления обработки с помощью фильтр-пресса (жидкость J), подвергали таким же исследованиям мутности и микрофильтрационной обработке, как в примере 4. Результаты представлены в таблице 5. Жидкость J, которая представляет собой жидкость, полученную путем добавления обработанной взрывом биомассы с последующим осуществлением обработки с помощью фильтр-пресса, с трудом подвергалась обработке с помощью фильтр-пресса, и закупоривание вспомогательного фильтрующего материала происходило приблизительно через 3 минуты после начала обработки. Количество жидкости, которое можно было получить, составляло только 200 мл. Из полученной жидкости 100 мл подвергали обработке с помощью микрофильтрующей мембраны.
| Таблица 5 | ||
| Жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Перед обработкой с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 3, жидкость H) | Не менее чем 1000 НЕМ | Не менее чем 600 сек |
| Без добавления обработанного ферментом материала; после обработки с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 3, жидкость I) | 650 НЕМ | 480 сек |
| После добавления обработанной взрывом биомассы; обработка с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 3, жидкость J) | 300 НЕМ | 240 сек |
| Добавление обработанного ферментом материала; после обработки с помощью фильтр-пресса (пример 4) | 5 НЕМ | 3 сек |
Пример 5. Вспомогательный фильтрующий материал, полученный путем щелочной обработки/ферментативной обработки
Измельченную биомассу (пшеничную солому) замачивали в водном растворе 5% гидроксида натрия и обрабатывали в автоклаве при температуре 150°C в течение 10 минут, используя автоклав от компании Nitto Koatsu Co., Ltd. После этого осуществляли разделение твердой и жидкой фаз, чтобы отделить сток после обработки гидроксидом натрия (далее называется «обработанная щелочью жидкость») и обработанную щелочью целлюлозу друг от друга. После этого обработанную щелочью целлюлозу смешивали с обработанной щелочью жидкостью путем перемешивания таким образом, что концентрация твердых веществ составляла 10% масс., и значение pH доводили приблизительно до 5, используя разбавленную серную кислоту, чтобы получить смесь. К этой смеси добавляли Accellerase DUET в качестве целлюлазы и получаемую в результате смесь смешивали путем перемешивания при температуре 50°C в течение суток для осуществления реакции гидролиза, чтобы получить обработанную ферментом суспензию. После этого для моделирования условий устройства винтового декантатора осуществляли центрифугирование (1500 G) в течение одной минуты, получая нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт в форме твердого вещества, в котором содержание воды составляло 77,5%.
К 1 л обработанной щелочью жидкости добавляли 500 г обработанного ферментом материала, получая в сумме 1,5 кг смеси. После перемешивания смеси для получения однородной суспензии осуществляли обработку с помощью фильтр-пресса таким же образом, как в примере 1. Мутность гидротермально обработанной жидкости перед обработкой с помощью фильтр-пресса составляла 630 НЕМ, в то время как мутность жидкости после обработки с помощью фильтр-пресса составляла 6 НЕМ. Используя 100 мл гидротермально обработанной жидкости после обработки, тупиковую фильтрационную обработку осуществляли с помощью микрофильтрующей мембраны таким же образом, как в примере 1. Результаты представлены в таблице 6, в которой разности свойств исследуемых жидкостей использовали в качестве показателей мутности обработанной жидкости и обработки с помощью микрофильтрующей мембраны (обработанной щелочью жидкости).
Сравнительный пример 4
Каждую жидкость, такую как обработанная щелочью жидкость (жидкость K), жидкость, полученная воздействием на щелочной сток обработки с помощью фильтр-пресса без добавления фильтрующего материала (жидкость L), и жидкость, полученная путем непосредственного добавления обработанной щелочью целлюлозы с последующей обработкой с помощью фильтр-пресса (жидкость M), подвергали таким же исследованиям мутности и микрофильтрационной обработке, как в примере 5. Результаты представлены в таблице 6. На основании сравнения с примером 5 было обнаружено, аналогично примеру 1, что, в том случае, где пшеничную солому использовали в качестве исходного материала, и щелочную обработку осуществляли в качестве физико-химической обработки, после которой следовало использование обработанного ферментом вспомогательного фильтрующего материала, мутность обработанной жидкости была ниже, и эффект отделения суспендированных компонентов был выше, чем в других случаях. Кроме того, было обнаружено, что значительно повысилась скорость фильтрования через микрофильтрующую мембрану.
| Таблица 6 | ||
| Жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Перед обработкой с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 4, жидкость K) | 630 НЕМ | 600 сек |
| Без добавления обработанного ферментом материала; после обработки с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 4, жидкость L) | 490 НЕМ | 320 сек |
| Добавление обработанной щелочью целлюлозы; после обработки с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 4, жидкость M) | 200 НЕМ | 270 сек |
| Смешивание с обработанным ферментом материалом; после обработки с помощью фильтр-пресса (пример 5) | 6 НЕМ | 3 сек |
Пример 6. Вспомогательный фильтрующий материал, полученный путем обработки водным раствором аммиака/ферментативной обработки
В 2,7 кг водного 1,5-нормального раствора аммиака замачивали 300 г измельченной биомассы (рисовой соломы) и обработку в автоклаве осуществляли при температуре 180°C в течение 20 минут, используя автоклав от компании Nitto Koatsu Co., Ltd. После этого разделение твердой и жидкой фаз осуществляли, чтобы отделить сток после обработки водным раствором аммиака (далее называется «обработанная аммиаком жидкость») и обработанную аммиаком целлюлозу друг от друга. После этого обработанную аммиаком целлюлозу смешивали с обработанной аммиаком жидкостью путем перемешивания таким образом, что концентрация твердых веществ составляла 10% масс., и значение pH доводили до приблизительно 5, используя разбавленную серную кислоту, чтобы получить смесь. К этой смеси добавляли Accellerase DUET в качестве целлюлазы, и получаемую в результате смесь смешивали путем перемешивания при температуре 50°C в течение суток для осуществления реакции гидролиза, чтобы получить обработанную ферментом суспензию.
После этого, чтобы моделировать условия устройства винтового декантатора, центрифугирование (1500 G) осуществляли в течение одной минуты, получая нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт в качестве твердого вещества, в котором содержание воды составляло 76,4%.
К 1 л гидротермально обработанной жидкости добавляли 500 г обработанного ферментом материала, получая в сумме 1,5 кг смеси. После перемешивания смеси для получения однородной суспензии осуществляли обработку с помощью фильтр-пресса таким же образом, как в примере 1. Мутность гидротермально обработанной жидкости перед обработкой с помощью фильтр-пресса составляла 360 НЕМ, в то время как мутность жидкости после обработки с помощью фильтр-пресса составляла 3 НЕМ. Используя 100 мл гидротермально обработанной жидкости после обработки, тупиковую фильтрационную обработку осуществляли с помощью микрофильтрующей мембраны таким же образом, как в примере 1. Результаты представлены в таблице 7, в которой разности свойств исследуемых жидкостей использовали в качестве показателей мутности обработанной жидкости и обработки с помощью микрофильтрующей мембраны (обработанной аммиаком жидкости).
Сравнительный пример 5
Каждую жидкость, такую как обработанная аммиаком жидкость (жидкость N), жидкость, полученная воздействием на обработанную аммиаком жидкость обработки с помощью фильтр-пресса без добавления вспомогательного фильтрующего материала (жидкость O), и жидкость, полученная путем непосредственного добавления обработанной аммиаком целлюлозы и последующего осуществления обработки с помощью фильтр-пресса (жидкость P), подвергали таким же исследованиям мутности и микрофильтрационной обработке, как в примере 6. Результаты представлены в таблице 7.
На основании сравнения с примером 6 было обнаружено, аналогично примеру 1, что, в том случае, где аммиачную обработку осуществляли в качестве физико-химической обработки, после которой следовало использование обработанного ферментом вспомогательного фильтрующего материала, мутность обработанной жидкости была ниже, и эффект отделения суспендированных компонентов был выше, чем в других случаях. Кроме того, было обнаружено, что значительно повысилась скорость фильтрования через микрофильтрующую мембрану.
| Таблица 7 | ||
| Жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Перед обработкой с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 5, жидкость N) | 510 НЕМ | 300 сек |
| Без добавления обработанного ферментом материала; после обработки с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 5, жидкость O) | 420 НЕМ | 270 сек |
| Добавление обработанной аммиаком целлюлозы; после обработки с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 5, жидкость P) | 180 НЕМ | 240 сек |
| Смешивание с обработанным ферментом материалом; после обработки с помощью фильтр-пресса (пример 6) | 3 НЕМ | 3 сек |
Сравнительный пример 6. Использование вспомогательного фильтрующего материала на основе диатомовой земли
Используя два вида диатомовой земли “Radiolite” (зарегистрированный товарный знак) #300, изготавливаемый компанией Showa Chemical Industry Co., Ltd., изготавливали жидкость после обработки разбавленной серной кислотой согласно примеру 1, гидротермально обработанную жидкость согласно примеру 3 и жидкость, полученную путем отделения суспендированных компонентов от дрожжевой жидкости согласно основному примеру 5. Сначала в 1 л каждой жидкости добавляли по 50 г Radiolite #300, и получаемую в результате смесь подвергали обработке с помощью фильтр-пресса. Кроме того, эти жидкости подвергали обработке с помощью микрофильтрующей мембраны таким же образом, как в примере 1. Результаты в отношении мутности после обработки с помощью фильтр-пресса и продолжительности фильтрования при обработке с помощью микрофильтрующей мембраны представлены в таблице 8, показывающей влияние диатомовой земли в качестве вспомогательного фильтрующего материала на разнообразные суспензии.
На основании сравнения с примером 1, примером 3 и т.п., было обнаружено, что вспомогательный фильтрующий материал, полученный согласно настоящему изобретению, превосходит вспомогательные фильтрующие материалы на основе диатомовой земли, которые представляют собой традиционные вспомогательные фильтрующие материалы, принимая во внимание эффект отделения суспендированных компонентов и скорость фильтрования обработанной жидкости через микрофильтрующую мембрану.
| Таблица 8 | ||
| Обрабатываемая жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Жидкость после обработки разбавленной серной кислотой | 180 НЕМ | 300 сек |
| Гидротермально обработанная жидкость | 750 НЕМ | Не менее чем 600 сек |
| Дрожжевая жидкость | 80 НЕМ | 120 сек |
Сравнительный пример 7. Фильтрование с использованием имеющихся в продаже вспомогательных фильтрующих материалов на основе целлюлозы (жидкость после обработки разбавленной серной кислотой/гидротермально обработанная С5 жидкость/дрожжевая жидкость)
Каждый материал, включая KC Flock от компании Nippon Paper Industries Co., Ltd. и “ARBOCEL” (зарегистрированный товарный знак) от компании Rettenmaier, которые представляют собой имеющиеся в продаже вспомогательные фильтрующие материалы на основе целлюлозы, добавляли в жидкость после обработки разбавленной серной кислотой, гидротермально обработанную жидкость и дрожжевую жидкость таким образом, что концентрация сухих твердых веществ составляла 5%, и осуществляли фильтрационную обработку с помощью фильтр-пресса. Кроме того, эти жидкости подвергали обработке с помощью микрофильтрующей мембраны таким же образом, как в примере 1. Результаты в отношении мутности после обработки с помощью фильтр-пресса и продолжительности фильтрования при обработке с помощью микрофильтрующей мембраны представлены в таблице 9, показывающей влияние KC Flock на каждую суспензию, и в таблице 10, показывающей влияние ARBOCEL на каждую суспензию.
| Таблица 9 | ||
| Обрабатываемая жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Жидкость после обработки разбавленной серной кислотой | 240 НЕМ | 480 сек |
| Гидротермально обработанная жидкость | Не менее чем 1000 НЕМ | Не менее чем 600 сек |
| Дрожжевая жидкость | 240 НЕМ | 300 сек |
| Таблица 10 | ||
| Обрабатываемая жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Жидкость после обработки разбавленной серной кислотой | 210 НЕМ | 450 сек |
| Гидротермально обработанная жидкость | Не менее чем 1000 НЕМ | Не менее чем 600 сек |
| Дрожжевая жидкость | 200 НЕМ | 240 сек |
Пример 7. Вспомогательные фильтрующие материалы, полученные ферментативной обработкой имеющихся в продаже вспомогательных фильтрующих материалов
Используя KC Flock (от компании Nippon Paper Industries Co., Ltd.) и “ARBOCEL” (зарегистрированный товарный знак) (от компании Rettenmaier), ферментативную обработку осуществляли с Accellerase DUET таким же образом, как в примере 1. Каждый обработанный ферментом продукт добавляли в жидкость после обработки разбавленной серной кислотой, гидротермально обработанную жидкость и дрожжевую жидкость таким образом, что концентрация сухих твердых веществ составляла 5%, и фильтрационную обработку осуществляли с помощью фильтр-пресса. Кроме того, эти жидкости подвергали обработке с помощью микрофильтрующей мембраны таким же образом, как в примере 1. Результаты в отношении мутности после обработки с помощью фильтр-пресса и продолжительности фильтрования при обработке с помощью микрофильтрующей мембраны представлены в таблице 11, показывающей влияние KC Flock после ферментативной обработки на разнообразные суспензии, и в таблице 12, показывающей влияние ARBOCEL на разнообразные суспензии. Таким образом, сделано предположение, что, в сопоставлении со сравнительным примером 7, ферментативная обработка целлюлазой имеющихся в продаже целлюлозных вспомогательных фильтрующих материалов повышает эффективность фильтрующего материала в отделении суспендированных компонентов.
| Таблица 11 | ||
| Обрабатываемая жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Жидкость после обработки разбавленной серной кислотой | 2 НЕМ | 3 сек |
| Гидротермально обработанная жидкость | 6 НЕМ | 3 сек |
| Дрожжевая жидкость | 2 НЕМ | 3 сек |
| Таблица 12 | ||
| Обрабатываемая жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Жидкость после обработки разбавленной серной кислотой | 2 НЕМ | 3 сек |
| Гидротермально обработанная жидкость | 5 НЕМ | 3 сек |
| Дрожжевая жидкость | 2 НЕМ | 3 сек |
Сравнительный пример 8. Использование тонкоизмельченной биомассы (только тонкое измельчение)
Тонкую измельчительную обработку осуществляли, используя планетарную шаровую мельницу “PLANET H” (от компании GOKIN PLANETARING Inc.). После помещения 30 г измельченной биомассы (рисовой соломы) и 30 г шариков диаметром 0,05 мм из диоксида циркония “TORAYCERAM” (зарегистрированный товарный знак) от компании Toray Industries, Inc. в контейнер осуществляли тонкую измельчительную обработку в течение 20 часов. Получаемый в результате продукт просеивали через сито с отверстиями размером 30 мкм для отделения шариков из диоксида циркония, получая измельченную целлюлозу. Эту измельченную биомассу использовали в качестве вспомогательного фильтрующего материала. Когда измельченную целлюлозу перед использованием наблюдали, используя сканирующий электронный микроскоп (SEM) (S-4800 от компании Hitachi High-Technologies Corporation), измельченная целлюлоза состояла, в основном, из неволокнистых частиц, размер которых составлял приблизительно 20 мкм, как представлено на фиг. 1.
Результаты в отношении мутности после обработки с помощью фильтр-пресса и продолжительности фильтрования при обработке с помощью микрофильтрующей мембраны представлены в таблице 13. На основании сопоставления со сравнительным примером 7 (таблица 9 и таблица 10), можно видеть, что измельченная целлюлоза имеет повышенную эффективность фильтрования по сравнению с имеющимися в продаже целлюлозными вспомогательными фильтрующими материалами. Это согласуется с описанием в JP 9-173728 A.
| Таблица 13 | ||
| Обрабатываемая жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Жидкость после обработки разбавленной серной кислотой | 60 НЕМ | 210 сек |
| Гидротермально обработанная жидкость | 120 НЕМ | 300 сек |
| Дрожжевая жидкость | 30 НЕМ | 120 сек |
Пример 8. Изготовление вспомогательного фильтрующего материала, получаемого согласно настоящему изобретению (тонкоизмельченная и обработанная ферментом/гидротермально обработанная жидкость, дрожжевая жидкость)
Измельченную биомассу, полученную в сравнительном примере 8, подвергали ферментативной обработке, используя Accellerase DUET, таким же образом, как в примере 1. Получаемый в результате обработанный ферментом продукт добавляли в каждую из жидкости после обработки разбавленной серной кислотой, гидротермально обработанной жидкости и дрожжевой жидкости таким образом, что концентрация сухих твердых веществ составляла 5%, и фильтрационную обработку осуществляли с помощью фильтр-пресса. Кроме того, эти жидкости подвергали обработке с помощью микрофильтрующей мембраны таким же образом, как в примере 1. Результаты в отношении мутности после обработки с помощью фильтр-пресса и продолжительности фильтрования при обработке с помощью микрофильтрующей мембраны представлены в таблице 14, показывающей влияние измельченной биомассы после ферментативной обработки на разнообразные суспензии. Таким образом, сделано предположение, что в сопоставлении со сравнительным примером 8 (таблица 13) ферментативная обработка целлюлазой измельченной целлюлозы, имеющей более высокую эффективность фильтрования, чем имеющиеся в продаже целлюлозные вспомогательные фильтрующие материалы, также значительно повышает эффективность фильтрующего материала по отделению суспендированных компонентов.
| Таблица 14 | ||
| Обрабатываемая жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Жидкость после обработки разбавленной серной кислотой | 2 НЕМ | 3 сек |
| Гидротермально обработанная жидкость | 4 НЕМ | 3 сек |
| Дрожжевая жидкость | 2 НЕМ | 3 сек |
Пример 9. Использование ленточного фильтра (с намывным слоем/объемной подачей), уступающего фильтр-прессу
С использованием вакуумного горизонтального ленточного фильтра ADPEC от компании Daiki Ataka Engineering Co., Ltd. была сделана попытка получения прозрачной жидкости путем вакуумного фильтрования. Что касается фильтрующих материалов, обработанный ферментом продукт обработанной серной кислотой целлюлозы добавляли в жидкость после обработки разбавленной серной кислотой; обработанный ферментом продукт гидротермально обработанной биомассы добавляли в гидротермально обработанную жидкость; и обработанный ферментом продукт обработанной взрывом биомассы добавляли в дрожжевую жидкость; таким образом, что концентрация твердых веществ составляла 5% масс. Осуществляли фильтрационную обработку с помощью ленточного фильтра. Результаты представлены в таблице 15, показывающей влияние добавления каждого вспомогательного фильтрующего материала на разнообразные суспензии. Как представлено в таблице 15, было обнаружено, что хотя вакуумное фильтрование с использованием ленточного фильтра уступало фильтрованию под давлением с использованием обработки с помощью фильтр-пресса в отношении скорости фильтрования, ленточный фильтр проявлял эффективность с точек зрения мутности получаемого фильтрата и скорости обработки с помощью микрофильтрующей мембраны.
Сравнительный пример 9
Аналогичный эксперимент по фильтрационной обработке с использованием вакуумного горизонтального ленточного фильтра осуществляли с фильтрующими материалами, изготовленными путем добавления обработанной серной кислотой целлюлозы к жидкости после обработки разбавленной серной кислотой; добавления гидротермально обработанной биомассы к гидротермально обработанной жидкости; или добавления обработанной взрывом биомассы к дрожжевой жидкости; таким образом, что концентрация твердых веществ составляла 5% масс. Результаты представлены в таблице 15. На основании сравнения с примером 9 было обнаружено, что используемая биомасса без ферментативной обработки в качестве вспомогательного фильтрующего материала проявляет лишь низкий эффект как вспомогательный фильтрующий материал.
| Таблица 15 | ||||
| Обрабатываемая жидкость | Способ обработки вспомогательно го ильтрующего материала |
Продолжитель ность фильтрования (лента) |
Мутность (фильтрат) | Продолжитель ность фильтрования (фильтрат) |
| Жидкость после обработки разбавленной серной кислотой (сравнительный пример 9) | Обработка серной кислотой | 1 мин | 220 НЕМ | 300 сек |
| Жидкость после обработки разбавленной серной кислотой (пример 9) | Обработка серной кислотой с последующей ферментативной обработкой | 20 мин | 75 НЕМ | 20 сек |
| Гидротермально обработанная жидкость (сравнительный пример 9) | Гидротермальная обработка | 5 мин | 750 НЕМ | Не менее чем 600 сек |
| Гидротермально обработанная жидкость (пример 9) | Гидротермальная обработка с последующей ферментативной обработкой | Не менее чем 30 мин | 30 НЕМ | 30 сек |
| Дрожжевая жидкость (сравнительный пример 9) | Обработка взрывом | 10 мин | 50 НЕМ | 80 сек |
| Дрожжевая жидкость (пример 9) | Обработка взрывом с последующей ферментативной обработкой | Не менее чем 30 мин | 20 НЕМ | 25 сек |
Сравнительный пример 10. Реакция с гемицеллюлазой
К обработанной серной кислотой целлюлозе, полученной в примере 1, добавляли воду и значение pH доводили до 6. После этого полученный продукт реагировал с гемицеллюлазой Optimase CX от компании Danisco Japan Ltd. при температуре 60°C в течение 2 часов; затем осуществляли центрифугирование для получения твердого вещества. Полученный таким способом обработанный гемицеллюлазой продукт в качестве вспомогательного фильтрующего материала добавляли в водный разбавленный раствор серной кислоты, и полученную в результате смесь перемешивали для получения однородной суспензии, и после этого осуществляли обработку с помощью фильтр-пресса. Продолжительность фильтрационной обработки составляла 90 минут. Мутность данной обработанной жидкости и результаты микрофильтрационной обработки, осуществляемой таким же образом, как в примере 1, представлены в таблице 16, показывающей случай, где осуществляли обработку гемицеллюлазой.
По представленным выше результатам было обнаружено, что когда гемицеллюлазу вводили в реакцию, разложение происходило, главным образом, в гемицеллюлозе, и, следовательно, эффект оказывался низким без обработки целлюлазой для разложения целлюлозы, которая составляет большую часть содержащей целлюлозу биомассы. Таким образом, для изготовления вспомогательного фильтрующего материала согласно настоящему изобретению возможно присутствие гемицеллюлазы, но обработка целлюлазой является необходимой. JP 2001-55679 описывает способ отбеливания лигноцеллюлозы, но было обнаружено, что данный способ позволяет повышать эффективность фильтрования вспомогательного фильтрующего материала согласно настоящему изобретению.
| Таблица 16 | ||
| Жидкость | Мутность | Продолжительность фильтрования |
| Добавление обработанной серной кислотой целлюлозы; после обработки с помощью фильтр-пресса (сравнительный пример 1, жидкость C) | 120 НЕМ | 300 сек |
Основной пример 6. Способ подтверждения нерастворимости в воде обработанного целлюлазой продукта
Что касается подтверждения того, является ли нерастворимым в воде описанный выше обработанный целлюлазой продукт (обработанный ферментом материал), ниже представлен способ анализа фермента, с которым соединен нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт (обработанный ферментом материал).
Таким образом, нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт суспендируют, используя в качестве поверхностно-активного вещества водный раствор додецилсульфата натрия (SDS), и получаемую в результате суспензию центрифугируют при ускорении 8000 G в течение 5 минут, осуществляя осаждение нерастворимого в воде обработанного целлюлазой продукта, и в результате этого образуется надосадочная жидкость.
С полученной надосадочной жидкостью смешивали равное количество буферного раствора для обработки образца (ATTO EzApply) и обработку осуществляли при температуре 100°C в течение 10 минут, получая обработанный образец. Полученный обработанный образец в количестве 5 мкл наносили на 15% масс. гель для электрофореза (ATTO e-PAGEL) и осуществляли электрофорез при 40 мА в течение 30 минут. После отделения геля гель окрашивали, используя кумасси бриллиантовый голубой (Bio-Rad Bio-safe CBB), после чего гель обесцвечивали дистиллированной водой. Фиг. 2 представляет результат SDS-PAGE самой ферментной жидкости Accellerase DUET, которая представляет собой имеющуюся в продаже целлюлазу. Фиг. 3 представляет результат SDS-PAGE надосадочной жидкости, полученный после обработки SDS нерастворимого в воде обработанного целлюлазой продукта, изготовленного с помощью обработки ферментом (Accellerase DUET) обработанной взрывом биомассы.
Таким способом можно обнаружить группы, имеющие определенные молекулярные массы, характерные для целлюлазы, и это позволяет определить, был вспомогательный фильтрующий материал обработан ферментом или нет. На фиг. 2 и фиг. 3 каждая из правой дорожки на фиг. 2 и левой дорожки на фиг. 3 соответствует электрофоретическому профилю стандартного образца, содержащему множество окрашенных белков, имеющих известные молекулярные массы. Пик между молекулярными массами 75 кДа и 100 кДа, который проявляют стандартные образцы, соответствует целлобиогидролазе. Таким образом, на основании сравнения фиг. 2 и фиг. 3 можно сказать, что количество целлобиогидролазы оказывается большим среди адсорбированных ферментов. То есть вывод, что продукт представляет собой вспомогательный фильтрующий материал согласно настоящему изобретению или нет, можно подтвердить, подвергая вспомогательный фильтрующий материал согласно настоящему изобретению вышеупомянутой обработке и наблюдая присоединение к нему целлобиогидролазы.
Основной пример 10. Соотношение добавляемых твердых веществ
Гидротермально обработанную жидкость и нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт, изготовленный путем ферментативной обработки гидротермально обработанной биомассы, или дрожжевую жидкость и нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт, изготовленный путем ферментативной обработки обработанной аммиаком целлюлозы, использовали для определении того, какая концентрация твердых веществ является предпочтительной. Концентрация твердых веществ в настоящем документе означает значение, получаемое путем измерения содержания воды в каждом вспомогательном фильтрующем материале и измерения сухой массы, после чего осуществляют деление получаемого значения на суммарное количество вспомогательного фильтрующего материала и обрабатываемой жидкости. Мутность, наблюдаемая после добавления каждой жидкости и обработки с помощью фильтр-пресса, представлена в таблице 17, где мутность после каждой обработки выражена в нефелометрических единицах мутности (НЕМ). В том случае, где концентрация твердых веществ составляла 25%, получение фильтрата оказалось невозможным, поскольку трудно было переносить суспензию, подвергнутую обработке с помощью фильтр-пресса.
| Таблица 17 | |||||||
| Концентрация твердых веществ | 0,5% | 1,0% | 5,0% | 10% | 15% | 20% | 25% |
| Гидротермально обработанная жидкость | 120 | 5 | 3 | 3 | 4 | 8 | Невозможность получения фильтрата |
| Дрожжевая жидкость | 50 | 3 | 2 | 2 | 3 | 5 | Невозможность получения фильтрата |
Основной пример 11. Анализ состава биомассы до и после ферментативной обработки
Используя способ, описанный в основном примере 4, анализировали соотношение компонентов до и после ферментативной обработки в примере 3 (гидротермальная обработка) и в примере 6 (аммиачная обработка). Результаты представлены в таблице 18 (состав до и после ферментативной обработки гидротермально обработанной биомассы) и в таблице 19 (состав до и после ферментативной обработки обработанной водным аммиачным раствором биомассы), соответственно. Можно видеть, что количество осадка после разложения обработанного ферментом продукта составляло не менее чем 1,5 раза больше, чем до ферментативной обработки. Это обусловлено относительным увеличением количества осадка после разложения, что вызвано разложением, главным образом, компонента целлюлозы.
| Таблица 18 | ||
| До ферментативной обработки | После ферментативной обработки | |
| Ксилоза | 3,02% | 1,43% |
| Арабиноза | 0,08% | 0,02% |
| Манноза | 0,16% | 0,19% |
| Глюкоза | 56,7% | 33,1% |
| Галактоза | 0,26% | 0,12% |
| Количество осадка после разложения | 33,4% | 59,3% |
| Итого | 93,5% | 94,2% |
| Таблица 19 | ||
| До ферментативной обработки | После ферментативной обработки | |
| Ксилоза | 22,26% | 13,25% |
| Арабиноза | 3,15% | 1,41% |
| Манноза | 0,36% | 0,39% |
| Глюкоза | 40,9% | 45,0% |
| Галактоза | 0,95% | 0,80% |
| Количество осадка после разложения | 17,3% | 30,9% |
| Итого | 84,9% | 91,8% |
Основной пример 12. Изменение размера частиц
Фиг. 4 и фиг. 5 представляют микрофотографии, показывающие состояния продукта до и после ферментативной обработки в примере 3 (гидротермальная обработка), и полученные сканирующим электронным микроскопом изображения, показывающие состояния продукта на микрофильтрующей мембрана до и после ферментативной обработки в примере 6 (аммиачная обработка), соответственно. Как можно видеть на фиг. 4 и фиг. 5, размеры частиц уменьшались в результате ферментативной обработки. Обработанный продукт на фиг. 4 содержал большое количество частиц, размеры которых составляли приблизительно 200 мкм. Таким образом, как в сравнительном примере 8 и в JP 9-173728 A, сделано предположение, что вспомогательный фильтрующий материал согласно настоящему изобретению проявляет другой механизм, чем уменьшение размера частиц, и этот механизм обеспечивает отделение суспендированных материалов.
1. Способ изготовления вспомогательного фильтрующего материала, причем вышеупомянутый способ включает следующие стадии: (А) получение предварительно обработанной биомассы путем измельчительной обработки и/или термохимической обработки содержащей целлюлозу биомассы, где термохимическая обработка представляет собой по меньшей мере один вид обработки, выбранный из группы, состоящей из кислотной обработки, гидротермальной обработки, обработки паровым взрывом, щелочной обработки и аммиачной обработки, (В) обработку вышеупомянутой предварительно обработанной биомассы, полученной на вышеупомянутой стадии (А), целлюлазой c получением обработанного целлюлазой продукта и (С) получение твердого содержимого вышеупомянутого обработанного целлюлазой продукта, полученного на вышеупомянутой стадии (В).
2. Способ по п. 1, в котором вышеупомянутая целлюлаза включает целлобиогидролазу.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором количество осадка после разложения вышеупомянутого твердого содержимого при определении методом LAP NREL составляет не менее чем в 1,5 раза больше, чем количество, определенное перед обработкой целлюлазой.
4. Способ фильтрования, включающий фильтрование высокомутной жидкости с использованием вспомогательного фильтрующего материала, полученного способом изготовления вспомогательного фильтрующего материала по любому из пп. 1-3.
5. Способ по п. 4, в котором вышеупомянутый способ фильтрования представляет собой обработку с помощью фильтр-пресса.
6. Способ по п. 4 или 5, в котором количество сухого продукта вышеупомянутого вспомогательного фильтрующего материала составляет не менее чем 0,5% масс. и менее чем 25% масс. по отношению к фильтруемой жидкости.
7. Вспомогательный фильтрующий материал на основе целлюлозы, полученный способом по п. 1, включающий нерастворимый в воде обработанный целлюлазой продукт содержащей целлюлозу биомассы.
8. Вспомогательный фильтрующий материал по п. 7, в котором вышеупомянутая целлюлаза включает целлобиогидролазу.
