JP2011529685A - リン酸と硫酸とを含む酸混合物を用いたセルロース系バイオマスの脱結晶化 - Google Patents

Abstract

本発明は、バイオマスを処理して糖を生成する方法を提供する。方法は、特有のモル比でバイオマスと硫酸およびリン酸を含む酸混合物とを接触させることにより、セルロースを脱結晶化することを対象とする。脱結晶化に続いてバイオマスを酸混合物により加水分解し、糖を含む糖化生成物を生成してもよい。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００８年７月３１日に出願された米国仮特許出願第６１／０８５，１６５号の優先権の利益を主張する。

バイオマス処理して糖を得る方法が提供される。具体的には、リン酸および硫酸を含む酸混合物を用いたバイオマス中のセルロースの脱結晶化とそれに続く加水分解によって、糖化生成物が高収率で提供される。

農業残渣、木材、林業廃棄物、製紙汚泥、および都市および工業固体廃棄物などのセルロースおよびリグノセルロース系原材料および廃棄物は、燃料およびその他の化学薬品などの価値ある製品を製造するための、潜在的に大量の再生可能な原材料を提供する。セルロースおよびリグノセルロース系原材料および廃棄物はセルロース、ヘミセルロース、グルカン、およびリグニンを含む炭水化物ポリマーから構成され、一般に多様な化学的、機械的、および酵素的手段によって処理されて、主としてヘキソースおよび五炭糖を放出し、次にそれは有用な製品に発酵させ得る。

セルロースおよびリグノセルロース系材料の炭水化物ポリマーを糖化のためにより容易に利用できるよう前処理法が使用される。標準的前処理法は、歴史的に主として高温において強酸を利用する。しかしエネルギーの高コスト、装置の高コスト、前処理触媒回収の高コスト、および糖化のために使用してもよい酵素との不適合性の理由から、酵素的前処理、または前処理中に起きるバイオマス炭水化物ポリマーの加水分解がより少ない、より穏和な温度における酸または塩基の使用などの代案の方法が開発されており、セルロースおよびヘミセルロースの双方を糖化する改善された酵素系が必要とされる。

リン酸または硫酸を使用するいくつかの前処理法が開示されている。例えば米国特許第４，０５８，４１１号明細書は、抽出され再利用される濃Ｈ₃ＰＯ₄の使用を通じて天然セルロース系材料中のセルロースを脱結晶化する方法を開示する。Ｈ₃ＰＯ₄の濃度は８０質量％〜８５質量％の範囲に及ぶ。

米国特許第５，４８６，０６８号明細書は、濃硫酸（９３〜９８．５％のＨ₂ＳＯ₄）または濃リン酸（７５〜８５％のＨ₃ＰＯ₄）を用いて、またはこれらの濃縮形態の酸の様々な混合物を用いて、木材、木材廃棄物、紙、および／またはその他のタイプの多糖類（本質的にセルロースおよびリグニンから構成される物質）を処理する方法を開示する。この方法の生成物である材料の乾燥固体組成物は、農業用土壌を処理するのに、または埋め土として使用し得る。

米国特許第５，４１７，９８４号明細書および米国特許第５，６７４，５０７号明細書は、制御される一続きの温度条件下で、セルロース材料と８５％以上の質量百分率のリン酸とを反応させることにより、低結晶化度セルロースを調製する方法を開示する。

国際公開第０２／０２８２６号パンフレットは、特に硫酸を含む酸含有溶液で加水分解されたセルロース含有原料から発酵性糖を製造する方法について記載し、酸は抽出剤によって混合物から除去される。この方法は、低級アルコールと低級ケトンとの混合物が抽出剤として使用されることにより特徴付けられる。

国際公開第２００７／１１１６０５号パンフレットは、リグノセルロース系バイオマスをセルロース、ヘミセルロース、糖、リグニン、および酢酸に効率的に分画するための方法とシステムについて記載する。この方法の１ステップでは第１の溶剤とリグノセルロース系バイオマスとを合わせ、別の加工ステップでは第２の溶剤と前のステップからの材料とを合わせる。第１の溶剤は、数ある化学薬品または化学薬品の組み合わせの中で、特に塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、ポリリン酸、酢酸、二酸化硫黄、塩化亜鉛、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニアからなる群から選択される１つ以上の化学薬品を含む。

バイオマス中のセルロースの効率的な脱結晶化、および加水分解（糖化）に利用できるより多量の炭水化物を提供する能力は、再生可能資源バイオマスから発酵性糖を製造する商業的方法にとって有利であろう。このような利点は、高濃度で高収率の糖を提供する方法に経済的な競争力を与える。

本発明は、バイオマスを処理して糖を生成することにより前記利点を得る方法を提供する。本発明の態様は、バイオマスと硫酸およびリン酸の酸混合物とを接触させるステップを含む、バイオマス中のセルロースを脱結晶化する方法である。３．３９：１〜０．２１：１の範囲にわたるモル比でリン酸および硫酸を含む酸混合物の使用は、バイオマス前処理のための硫酸のみまたはリン酸のみの使用とは対照的に、制御可能な様式でセルロースの効率的な脱結晶化を提供し、糖化のためにより多量の炭水化物を利用できるようにすることが判明している。脱結晶化に続いてバイオマスを酸混合物で加水分解し、糖を含む糖化生成物を生成してもよい。

本発明の一実施態様では、バイオマス中のセルロースを脱結晶化する方法は、
（ａ）セルロースを含むバイオマスを提供するステップと、
（ｂ）前記バイオマスとリン酸および硫酸を含む酸混合物とを接触させてバイオマス／酸混合物を形成するステップと、
（ｃ）前記バイオマス／酸混合物を、脱結晶化バイオマス生成物を生成するのに十分な反応時間と温度に保つステップ、
とを含み、
（ｉ）前記酸混合物中のリン酸と硫酸とのモル比は約３．３９：１〜約０．２１：１であり、
（ｉｉ）前記バイオマスの質量と前記酸混合物の質量との比率は約１：０．５〜約１：５である。

バイオマスとは、例えばバイオエネルギー作物、農業残渣、都市固体廃棄物、工業固体廃棄物、庭ごみ、木材、林業廃棄物、およびそれらの組み合わせなどのあらゆるセルロースまたはリグノセルロース系材料を指す。本発明の方法に従って、脱結晶化バイオマス生成物は水を含有してもよく、水の質量％はバイオマス、酸混合物、および水の総質量に基づいて約３質量％〜約３０質量％である。一実施態様では、水の質量％は約５質量％〜約２０質量％であってもよい。一実施態様では酸混合物中のリン酸と硫酸とのモル比は、約１．９８：１〜約０．３６：１であってもよい。一実施態様では、バイオマス質量と酸混合物質量との比率は約１：０．５〜約１：２であってもよい。一実施態様では、温度は約０℃〜約５０℃であってもよい。一実施態様では、温度は約１５℃〜約２５℃であってもよい。一実施態様では、反応時間は約７２時間までであってもよい。

一実施態様では、反応時間は約２４時間までであってもよい。一実施態様では、ステップ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、またはその組み合わせは、少なくとも１回繰り返してもよい。一実施態様では、脱結晶化バイオマス生成物中において、提供されるバイオマス中の少なくとも約５０％のセルロースを脱結晶化してもよい。一実施態様では、脱結晶化バイオマス生成物中の少なくとも約７０％のセルロースを脱結晶化してもよい。一実施態様では、脱結晶化バイオマス生成物中の少なくとも約９０％のセルロースを脱結晶化してもよい。さらにバイオマス中に存在するセルロース、ヘミセルロース、および／またはオリゴ糖類のサイズを低下させ、露出表面積を増大させ、および／またはアクセスしやすさを増大させるために、ステップ（ａ）の前または最中に、ステップ（ｂ）の前または最中に、ステップ（ｃ）の前または最中に、またはそれらの組み合わせでバイオマスにエネルギーを加えてもよい。

本発明の一実施態様では、バイオマスを糖化する方法は、
（ａ）セルロースを含むバイオマスを提供するステップと、
（ｂ）前記バイオマスとリン酸および硫酸を含む酸混合物とを接触させてバイオマス／酸混合物を形成するステップと、
（ｃ）前記バイオマス／酸混合物を脱結晶化バイオマス生成物を生成するのに十分な第１の反応時間と第１の温度に保つステップと、
（ｄ）前記脱結晶化バイオマス生成物に、バイオマスおよび酸混合物を合わせた質量に基づいて約２０質量％〜約２００質量％の水を添加するステップと、
（ｅ）前記水および脱結晶化バイオマス生成物を、糖化生成物を生成するのに十分な第２の反応時間と第２の温度に保つステップと
を含み、
（ｉ）前記酸混合物中のリン酸と硫酸とのモル比は約３．３９：１〜約０．２１：１であり、
（ｉｉ）前記バイオマスの質量と前記酸混合物の質量との比率は約１：０．５〜約１：５である。

本発明の方法に従って、第２の反応時間は約１〜約１６時間であってもよい。本発明の方法に従って、第２の温度は約５０℃〜約１００℃であってもよい。一実施態様では、酸混合物中のリン酸と硫酸とのモル比は約１．９８：１〜約０．３６：１であってもよい。脱結晶化バイオマス生成物は水を含有し、水の質量％は、バイオマス、酸混合物、および水の総質量に基づいて約３質量％〜約３０質量％であってもよい。糖化生成物は、グルコース、セロビオース、およびキシロースまたはその組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの糖を含む。さらに糖化生成物中の液体を固形物から分離させ、そして場合により液体を水で洗浄してもよい。

脱結晶化前（曲線１０）および後（曲線２０）のトウモロコシ穂軸サンプルのＸ線回析パターンを示す。これらは、結晶性セルロースに典型的な反射とそれらの喪失をそれぞれ示す。 リン酸および硫酸の５０：５０混合物の存在下で５分後のトウモロコシ穂軸の脱結晶化を示す光学顕微鏡写真を示す。 リン酸および硫酸の５０：５０混合物の存在下で６０分後のトウモロコシ穂軸の脱結晶化を示す光学顕微鏡写真を示す。 リン酸および硫酸の７０：３０混合物の存在下で１．５時間後のトウモロコシ穂軸の脱結晶化を示す光学顕微鏡写真を示す。 リン酸および硫酸の７０：３０混合物の存在下で１６時間後のトウモロコシ穂軸の脱結晶化を示す光学顕微鏡写真を示す。

本発明の方法中のステップの存在の記述または説明に関して不定冠詞「ａ」または「ａｎ」が使用される場合、記述または説明中で明示的に断りのない限り、このような不定冠詞の使用は、方法中のステップの存在数を１つに限定しないと理解すべきである。

数値範囲が本明細書で列挙される場合、特に断りのない限り、範囲はその終点、およびその範囲内の全ての整数および画分を含むことが意図される。範囲を画定する場合、本発明の範囲を列挙された特定値に限定することは意図されない。

「発酵性糖」という用語は、発酵過程で微生物が炭素源として使用し得るオリゴ糖類および単糖類を指す。

「リグノセルロース系」という用語は、リグニンおよびセルロースの双方を含む組成物を指す。リグノセルロース系材料はまた、ヘミセルロースを含んでもよい。

「セルロース系」という用語は、セルロースを含む組成物を指す。

「目的化学物質」という用語は、発酵によって生成される化学物質を指す。化学物質は広い意味で使用されて、例えばペプチド、酵素、および抗体をはじめとするタンパク質などの分子を含む。目的化学物質の例としては、エタノールおよびブタノールが挙げられる。

「糖化」という用語は、多糖類からの発酵性糖の生成を指す。

「前処理バイオマス」という用語は、糖化に先だって前処理されたバイオマスを意味する。

「バイオマス」という用語はあらゆるセルロースまたはリグノセルロース系材料を指し、セルロースを含む材料を含み、ヘミセルロース、リグニン、デンプン、オリゴ糖類および／または単糖類をさらに含んでもよい。バイオマスはまた、タンパク質および／または脂質などの追加的構成要素を含んでもよい。本発明に従ってバイオマスは単一起源に由来してもよく、またはバイオマスは２つ以上の起源に由来する混合物を含んでなり得る。例えばバイオマスは、トウモロコシ穂軸およびトウモロコシ茎葉、または草および葉の混合物を含んでなり得る。バイオマスの混合物としては、バイオエネルギー作物、農業残渣、都市固体廃棄物、工業固体廃棄物、製紙汚泥、庭ごみ、木材および林業廃棄物またはその組み合わせが挙げられるが、これに限定されるものではない。バイオマスの例としては、トウモロコシ穀粒、トウモロコシ穂軸、トウモロコシ苞葉などの農作物残渣、トウモロコシ茎葉、草、小麦、小麦藁、大麦、大麦藁、乾草、稲藁、スイッチグラス、古紙、サトウキビバガス、ソルガム、ダイズ、穀物の製粉から得られる構成要素、木、枝、根、葉、木くず、おがくず、潅木と茂み、野菜、果物、花、および厩肥またはその組み合わせが挙げられるが、これに限定されるものではない。一実施態様では、本発明に有用なバイオマスとしては、比較的高い炭水化物値を有して、比較的高密度であり、および／または収集、輸送、保存および／または取り扱いが比較的容易なバイオマスが挙げられる。本発明の一実施態様では、有用なバイオマスとして、トウモロコシ穂軸、トウモロコシ茎葉、おがくず、およびサトウキビバガスが挙げられる。

本方法では、セルロース、および任意にヘミセルロースの脱結晶化が迅速に制御可能な様式で起きて、バイオマスとリン酸および硫酸を含む酸混合物とを接触させた際の望ましくない発熱を回避する。酸混合物中のリン酸と硫酸との比率はモル基準で約３．３９：１〜約０．２１：１であり、例えば約１．９８：１〜約０．３６：１、または例えば約１．２７：１〜約０．５６：１である。酸混合物中のリン酸と硫酸との比率はまた、モル基準で１：１であり得る。

酸混合物中のリン酸と硫酸との比率はまた、好都合には酸混合物を調製するのに使用された濃リン酸溶液質量と濃硫酸溶液質量との比率として表され得る。酸混合物中の濃リン酸溶液質量と濃硫酸溶液質量の比率は約２０：８０〜約８０：２０であり、例えば約３０：７０〜約７０：３０、例えば約４０：６０〜約６０：４０、例えば約５０：５０である。濃リン酸溶液とは約８５質量％リン酸（Ｈ₃ＰＯ₄）を含有する溶液を意味する。濃硫酸溶液とは約９８質量％硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）を含有する溶液を意味する。酸混合物は濃酸性溶液からの水を含有し得る。一実施態様では酸混合物は、本質的にリン酸、硫酸、および水からなる。

代案としては、濃硫酸溶液の代わりにまたは濃硫酸溶液と組み合わせて、発煙硫酸を使用し、酸混合物中に所望量の硫酸を提供することが可能である。同様に濃リン酸溶液の代わりにまたはそれ組み合わせて、リン酸が８５質量％を超えるリン酸源を使用して、酸混合物中に所望量のリン酸を提供することも可能である。これらの場合、バイオマスと酸混合物とを接触させる速度、添加順序、および効果的な混合は、脱結晶化速度を制御する上での基本変数であり得る。

本方法では、バイオマスの中またはその上に含有される水量は、酸混合物中に含有される水量と合わせて、バイオマスおよび酸混合物を合わせた質量に基づいて約３質量％〜約３０質量％であり、例えば約５質量％〜約２０質量％である。セルロース脱結晶化は、より低い含水量で増進される。

本方法では、バイオマス質量と酸混合物質量との比率は約１：０．５〜約１：５であり、または例えば約１：０．５〜約１：２である。バイオマスと酸混合物との組み合わせの中のバイオマスの割合、またはバイオマス濃度は高く保たれ、発酵で使用される脱結晶化バイオマスの糖化の結果として生じる糖を濃縮する必要性を最小化する。高いバイオマス濃度はまた前処理材料の総容積も低下させて、方法をより経済的にする。実用的な観点からは、酸混合物質量に対するバイオマス質量の高い比率は、実用的な速度で脱結晶化が生じるための十分な混合または密着を提供する能力によって制限され得る。例えば比率が高ければ、押し出し機または類似した装置を使用して十分な混合を提供することが必要かもしれない。

バイオマスは、原料から得られたそのままで直接使用してもよく、またはバイオマスにエネルギーを加えてサイズを低下させ、露出表面積を増大させ、および／またはバイオマス中に存在するセルロース、ヘミセルロース、および／またはオリゴ糖類の酸に対する可用性を増大させてもよい。露出表面積を低下させるのに、および／またはバイオマス中に存在するセルロース、ヘミセルロースおよび／またはオリゴ糖類の可用性を増大させるのに有用なエネルギー手段としては、製粉、破砕、粉砕、細断、細切、ディスク叩解、超音波、およびマイクロ波が挙げられるが、これに限定されるものではない。エネルギーの適用は、前処理の前または最中に、糖化の前および最中に、またはあらゆるその組み合わせで起きてもよい。

例えばトウモロコシ穂軸のようなバイオマスにエネルギーを加えて、酸混合物による脱結晶化前に粒子サイズを低下させることが有利であることが多い。バイオマス粒子の適切なサイズ範囲は、脱結晶化反応を観察することで判定し得る。バイオマス粒子が小さすぎると脱結晶化反応は非常に迅速となり、発熱のために制御困難になり得る。これは特にいかなるリン酸もなしに、硫酸を単独使用した場合に当てはまる。バイオマス粒子が大きすぎると脱結晶化反応は遅くなり、反応混合物中のセルロースおよびヘミセルロースの分解または劣化が起きて、それは加水分解後の全体的糖収率を低下させる。適切な大きさの粒子は、脱結晶化が発熱なしに制御可能な様式で進行できるようにして、分解または劣化量が最小化される。例えばリン酸および硫酸の７０：３０（質量：質量）混合物を用いて、２ｍｍのトウモロコシ穂軸粒子を室温で１６時間かけて脱結晶化し得る。トウモロコシ穂軸粒子のサイズを０．５ｍｍに低下させると、脱結晶化は約３時間以内に完了し得る。バイオマスのタイプによっては、例えばサトウキビバガスのように入手されたそのままの状態で使用し得て、あるいはサイズ低下のために最小量のエネルギーを加えて使用し得る。

リン酸および硫酸を含む酸混合物によるバイオマスの脱結晶化は、約０℃〜約５０℃の温度で、例えば約１５℃〜約２５℃の温度で実施される。

リン酸および硫酸を含む酸混合物によるバイオマスの脱結晶化は、約７２時間までの反応時間で実施される。より長時間の接触も可能であるが、実用的な経済上の理由からより短い時間が好ましいかもしれない。典型的に酸接触時間は、約２４時間以下である。より長い時間は、バイオマスを分解するために加えられるエネルギーに対する必要性を低下させる利点を提供するかもしれない。脱結晶化時間はまた、リン酸と硫酸との比率を変動させることで制御し得る。硫酸の相対量が高いほど、脱結晶化の速度は速くなる。

バイオマス中のセルロースの結晶化度の低下は、Ｘ線回析を使用して観察し得る。図１は、リン酸および硫酸を含む酸混合物による脱結晶化前（曲線１０）および後（曲線２０）のトウモロコシ穂軸サンプルのＸ線回析パターンを示す。元の未処理トウモロコシ穂軸は、それぞれ結晶性セルロースの１０１、００２、および０４０面に対応する、特徴的な結晶ピーク（１６、２２、および３４．５（２−θ））を示す。これらのピークは、脱結晶化に続いて幅広いピークに低下する。

リン酸および硫酸を含む酸混合物によるセルロース系バイオマス中の脱結晶化はまた、偏光顕微鏡を使用して観察し得る。例えば製粉したトウモロコシ穂軸粒子を酸混合物と混合し、次に２枚のスライドガラスの間に入れて光学的鏡検法によって経時的にモニターし得る。図２は、リン酸および硫酸の５０：５０混合物の存在下で５分後のトウモロコシ穂軸（サイズ約０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ）の脱結晶化を示す光学顕微鏡写真を示す。白色に見える結晶性粒子は脱結晶化に際して色が濃くなり、暗色領域に基づいて脱結晶化の程度が視覚的に推定できるようになる。室温で約１時間後、図３に見られるようにトウモロコシ穂軸はほぼ完全に脱結晶化する。

図４は、リン酸および硫酸の７０：３０混合物を使用して１．５時間後のトウモロコシ穂軸（サイズ約０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ）の部分的脱結晶化を示す。図５は、透過光を使用して、１６時間後に完全に脱結晶化したトウモロコシ穂軸サンプルを示す。

本発明の一実施態様では、提供されたバイオマス中の少なくとも約５０％のセルロースが脱結晶化バイオマス生成物中で脱結晶化される。別の実施態様では、提供されたバイオマス中の少なくとも約７０％のセルロースが脱結晶化される。別の実施態様では、提供されたバイオマス中の少なくとも約９０％のセルロースが脱結晶化される。脱結晶化の程度が大きいほど、糖化生成物中に改善された糖収率がもたらされる。

一実施態様では、リン酸および硫酸を含む酸混合物によるバイオマスの脱結晶化は、例えば約２５℃〜約５０℃で約２時間〜約２４時間など、比較的高温で比較的短時間実施されてもよい。別の実施態様では、バイオマスの酸接触工程は、例えば約１５℃〜約２５℃で約２４時間〜約４８時間など、より低温でより長時間実施してもよい。なおも別の実施態様では、バイオマスの酸接触工程は室温（およそ２２〜２５℃）で約２４時間までの時間実施してもよい。これらの中間のその他の温度と時間の組み合わせを使用してもよい。

リン酸および硫酸を含む酸混合物によるバイオマスの脱結晶化では、温度、反応時間、バイオマスと酸混合物の接触中の水の総質量％、バイオマス濃度、バイオマスタイプ、およびバイオマス粒度が相関している。したがってこれらの変数を必要に応じて調節し、十分な脱結晶化速度を制御可能な様式で得て、糖への加水分解のための最適生成物を得てもよい。

バイオマス中のセルロースの脱結晶化は、バッチ反応器または連続反応器などのあらゆる適切な容器内で実施してもよい。適切な容器は、バイオマス／酸混合物を撹拌するためのインペラなどの手段を装着していてもよい。反応器のデザインについては、Ｌｉｎ，Ｋ．−Ｈ．、およびＶａｎ Ｎｅｓｓ，Ｈ．Ｃ．（Ｐｅｒｒｙ，Ｒ．Ｈ．およびＣｈｉｌｔｏｎ，Ｃ．Ｈ．（編），Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ’ｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ，第５版（１９７３年）第４章，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，ＮＹ）で論じられている。脱結晶化反応は、バッチプロセスとして、または連続プロセスとして実施してもよい。

バイオマスから十分な量の糖を得るために、バイオマスを酸混合物で１回または２回以上脱結晶化してもよい。同様に糖化反応も１回以上実施し得る。脱結晶化および糖化工程のどちらも所望ならば繰り返して、より高収率で糖を得てもよい。脱結晶化および糖化工程の性能を別々にまたは一緒に評価するために、出発バイオマスから誘導できる糖の理論的収率を判定して、測定される収率と比較し得る。

脱結晶化後、脱結晶化バイオマス生成物は、リン酸、硫酸、水、部分的に分解したバイオマス、および発酵性糖の混合物を含む。水を脱結晶化バイオマス生成物に添加して、次に脱結晶化ステップからの酸を使用してそれを加水分解する。水の添加量はバイオマスと酸混合物とを合わせた質量に基づいて、約２０質量％〜約２００質量％である。本方法に従って、リン酸および硫酸を含む酸混合物の使用は、硫酸のみのシステムに比べて糖化のためにより少ない希釈を必要とし（同等の水の添加では、混酸計中で得られる硫酸濃度は、硫酸のみの脱結晶化システムよりも低いため）、糖化中に得られるより低い硫酸濃度は、より少ないキシロース分解をもたらすという追加的利点がある。キシロース分解は糖化を通じた糖収率の損失を増大させるので、それは望ましくない。リン酸および硫酸を含む酸混合物の使用はまた、制御可能な様式での効果的な糖化も提供する。

糖化反応は、約５０℃〜約１００℃の温度、例えば約７０℃〜約９０℃でリン酸および硫酸混合物を用いて実施される。

糖化反応は、約３０分〜約１６時間の反応時間、例えば約１時間〜約８時間にわたり実施される。反応時間は、脱結晶化バイオマス生成物中でのリン酸と硫酸との比率、希釈された脱結晶化バイオマス生成物混合物のｐＨ、反応温度、使用基質、および酸濃度に左右され、酸濃度が高いほど反応時間はより早くなる。これらの変数を必要に応じて調節し、発酵で使用するための最適糖化生成物を得てもよい。

糖化反応は、バッチ反応器または連続反応器などのあらゆる適切な容器内で実施してもよい。適切な容器は、バイオマス／酸混合物を撹拌するためのインペラなどの手段を装着していてもよい。反応器デザインについては、Ｌｉｎ，Ｋ．−Ｈ．、およびＶａｎＮｅｓｓ，Ｈ．Ｃ．（Ｐｅｒｒｙ，Ｒ．Ｈ．およびＣｈｉｌｔｏｎ，Ｃ．Ｈ．（編），Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ’ｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ，第５版（１９７３年）第４章，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，ＮＹ）で論じられている。

糖化は、バッチ式または連続プロセスで実施し得る。糖化はまた、一段階、または多段階で実施し得る。例えば糖化反応経過中に異なる反応温度、または異なるｐＨ条件を採用してもよい。

糖化に続くバイオマスからの糖の可溶化の程度は、単糖類およびオリゴ糖類の放出を測定することでモニターし得る。単糖類およびオリゴ糖類の測定方法は当該技術分野で良く知られている。例えば還元糖濃度は１，３−ジニトロサリチル（ＤＮＳ）酸アッセイを使用して測定し得る（Ｍｉｌｌｅｒ，Ｇ．Ｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．（１９５９年）３１：４２６〜４２８頁）。代案としては、糖は、本明細書の実験の項に記載されるように、適切なカラムを使用してＨＰＬＣにより測定し得る。

糖化に続いて、糖化生成物中の液体を例えばバッチ法または連続法でリグニンなどの固形物から分離してもよい。場合により液体を水で洗浄してもよい。糖化混合物を蒸発により濃縮して、例えば発酵性糖の濃度を増大させてもよい。

糖化生成物中の例えばグルコース、キシロース、およびセロビオースなどの発酵性糖は、適切な微生物によって使用され、目的化学物質が生成され得る。目的化学物質としては、例えば酸、アルコール、アルカン、アルケン、芳香族、アルデヒド、ケトン、生体高分子、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、ビタミン、抗生物質、および医薬品が挙げられる。

本発明を以下の実施例でさらに定義する。これらの実施例は本発明の好ましい実施態様を示しながら、例証としてのみ提供されるものと理解すべきである。上の考察およびこれらの実施例から、当業者は本発明の本質的特徴を見極め得て、その範囲と精神を逸脱することなく本発明に様々な変更と修正を加えて、それを様々な用途と条件に適応させ得る。

以下の材料を実施例で使用した。全ての市販の試薬は受領したそのままの状態で使用した。

ＧＲ ＡＣＳ純度９５〜９８％等級濃硫酸（９８％）はＥＭＤ ＢｉｏＳｃｉｅｎｃｅ（ＵＳＡ）から得た。ＡＣＳ試薬等級濃リン酸（８５％）はＳｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）から得た。ＡＣＳ試薬等級グルコースはＳｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈから得た。最小純度９９％のキシロースはＳｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈから得た。ＡＣＳ純度セロビオースはＳｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈから得た。ハンマーミルで挽いたトウモロコシ穂軸はＩｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ Ｃｏｒｎ Ｂｙ−Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ，ＩＡ）から得た。サトウキビバガスは製糖工場から得た。

略語の意味は次のとおり。「ｇ」はグラムを意味し、「ｈ」は時間を意味し、「ｗｔ％」は質量％を意味し、ＨＰＬＣは高速液体クロマトグラフィーを意味し、「Ｃ」は摂氏であり、「ｍＬ」はミリリットルであり、「Ｎ」は規定度を意味する。

ＮＲＥＬ ＬＡＰ手順「バイオマス中の構造的炭水化物およびリグニン定量（Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅｓ ａｎｄ Ｌｉｇｎｉｎ ｉｎ Ｂｉｏｍａｓｓ）」の修正版を使用して、バイオマス中のグルカンおよびキシランの質量％を測定した。サンプル調製は、真空下８０℃、または周囲圧力下１０５℃で一晩乾燥することにより簡素化した。２０メッシュスクリーンを通過するまでサンプルをナイフ製粉（ｋｎｉｆｅ ｍｉｌｌｅｄ）したが、篩掛けはしなかった。次に乾燥製粉した固形物に、５０ｍｇ固形物スケールで酸加水分解処置を施した。固形物を最初に水またはエタノールで抽出することはしなかった。糖のＨＰＬＣ分析はＡｍｉｎｅｘ ＨＰＸ−８７Ｈカラム上で実施し、リグニン分析は試みなかった。

Ｂｉｏ−Ｒａｄ ＨＰＸ−８７Ｈカラム（Ｂｉｏ−Ｒａｄ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｈｅｒｃｕｌｅｓ，ＣＡ）を使用して、適切なガードカラムがあるＡｌｌｉａｎｃｅ Ｍｏｄｅｌ ＨＰＬＣ（Ｗａｔｅｒｓ，Ｍｉｌｆｏｒｄ，ＭＡ）によって、０．０１Ｎの水性硫酸を溶離液として使用して、糖化液中の可溶性糖グルコース、セロビオース、およびキシロースを測定した。
サンプルのｐＨを測定して、必要ならば硫酸で５〜６に調節した。次にサンプルを０．２μｍシリンジフィルターに通して、ＨＰＬＣバイアルに直接入れた。ＨＰＬＣの操作条件は次のとおりであった。Ｂｉｏｒａｄ Ａｍｉｎｅｘ ＨＰＸ−８７Ｈ（炭水化物用）：
注入量：濃度および検出器の限界次第で１０〜５０μＬ、
移動相：０．０１Ｎ 硫酸水溶液、０．２μｍ濾過および脱気済み
流速：０．６ｍＬ／分
カラム温度：５０℃、ガードカラム温度＜６０℃
検出器温度：メインカラム温度にできるだけ近い温度
検出器：屈折率
実行時間：１５分間データ収集
実施後、標準曲線から各化合物についてサンプル中の濃度を判定した。

実施例１〜４、６〜９、１１、１２では製粉したトウモロコシ穂軸をバイオマスとして使用し、比較例を次のように調製した。サイズ約２〜５ｍｍのトウモロコシ穂軸粒子（１００ｇ）と水（４００ｇ）とを設定７のＷａｒｒｉｎｇブレンダー（モデルＨＧＢ７ＷＴＧ４）中で１時間合わせた。得られた混合物を焼結ガラスフィルターで濾過し、次に窒素ガス流下で固形物を８５℃で一晩乾燥させた。次に乾燥固形物を０．５ｍｍ金属篩で篩掛けした。およそ９５％の固形物が篩を通過し、粒子サイズが０．５ｍｍまでであることが示唆された。篩を通過した製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子を明記されている実施例で使用した。測定されたトウモロコシ穂軸グルカンおよびキシランレベルに基づいて、グルコースおよびキシロースの理論的な収率は、１００ｇの製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子あたりそれぞれ３９ｇおよび３１ｇと計算された。

実施例１４〜２１でバイオマスとして使用したトウモロコシ穂軸は、ハンマーミルまたはウイレーミルによって製粉し、篩掛けして指定サイズを有する粒子を得た。グルコースおよびキシロースの理論的収率は、他の実施例で使用されたトウモロコシ穂軸と同一範囲内であった。

サイズ０．５ｍｍまでの製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子中の残留水分レベルを判定するために、製粉トウモロコシ穂軸粒子の少量のサンプルを秤量し、次に１４０℃で１時間加熱して、次に再秤量して失われた水の質量を判定した。この方法により残留水分レベルは約５〜７質量％であることが判明した。

測定されたサトウキビバガスのグルカンおよびキシランレベルに基づいて、グルコースおよびキシロースの理論的収率は１００ｇのバガスあたりそれぞれ４６ｇおよび２５ｇと計算された。

バイオマスの経時的な脱結晶化の程度は、ニコン偏光顕微鏡Ｅｃｌｉｐｓｅ ＬＶ１００ＰＯＬを使用して推定した。

実施例１
ガラス容器内で、２．０ｇの製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子と、４．０ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物をスパチュラで１５分間撹拌し、次に撹拌せずに室温に一晩放置した。次に水（６．０ｇ）を添加した。元のトウモロコシ穂軸装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約１６．６質量％になった。容器とその内容物を９０℃に設定した油浴を使用して加熱した。容器を還流冷却管に接続した。特定の時間間隔で、０．５ｍＬのバイオマス／酸混合物サンプルを採取した。各サンプルを遠心分離して固形物を分離し、ＨＰＬＣにより０．２ｍＬの溶液を糖含量について分析した。グルコース、キシロース、およびセロビオース収率を計算して、以下の表に示す。６時間の加熱後、反応混合物を濾過して濾液を約５ｇの水で洗浄した。フィルター上に約０．５ｇの固形物が収集され、糖は濾液中に含有された。この方法を使用して高収率で糖が得られた。

実施例１： ７０：３０（重量／重量）のリン酸／硫酸混合物を使用したセルロースの脱結晶化とそれに続く９０℃での加水分解により得られるグルコース、キシロース、およびセロビオースの収率

実施例２
ガラスバイアル内で、１．０ｇの製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子と、３．０ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の６０：４０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物をスパチュラで１５分間撹拌し、次に撹拌せずに室温に一晩放置した。次に水（８．０ｇ）を添加して、バイアルとその内容物を１００℃に設定した油浴を使用して加熱した。バイアルを還流冷却管に接続した。５時間の加熱後、溶液が温かい内に濾過して０．２３ｇの固体と糖含有濾液を得た。ＨＰＬＣにより溶液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は９３％、セロビオース収率は３％、キシロース収率は８１％と判定された。

実施例３
ガラスバイアル内で、２．０ｇの製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子と、５．０ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物をスパチュラで１５分間撹拌し、次に室温に２日間放置した。次に水（８．０ｇ）を添加し、バイアルとその内容物を１００℃に設定した油浴を使用して加熱した。バイアルを還流冷却管に接続した。２時間の加熱後、溶液を濾過して糖含有溶液から固形物を除去した。ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は８４％、キシロース収率は７６％、セロビオース収率は５．７％と判定された。

実施例４
ガラスバイアル内で、２．０ｇの製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子と、４．０ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物をスパチュラで１５分間撹拌し、次に室温に３日間放置した。次に水（８．０ｇ）を添加して、バイアルとその内容物を１００℃に設定した油浴を使用して加熱した。バイアルを還流冷却管に接続した。６時間の加熱後、溶液を濾過して糖含有濾液から固形物を除去した。ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は７６％、キシロース収率は８１％、セロビオース収率は１０％と判定された。

実施例５
５０ｇのトウモロコシ穂軸（約２〜３ｍｍのサイズに製粉）と１５０ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を２００ｇのジルコニア製粉ビーズを含有する磨砕機内に緩慢に混ぜ入れて、室温で一晩緩慢に撹拌した。次に水（１１３ｇ）を添加して、反応混合物を、再循環熱水浴を使用して８５℃に加熱した。混合物を２時間加熱した。次に溶液を濾過して、糖含有溶液から固形物を除去した。ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。トウモロコシ穂軸装入量およびその組成に基づいて、グルコース収率は６０％、キシロース収率は８０％、セロビオース収率は２０％と判定された。

実施例６
ガラスバイアル内で、４．０ｇの製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子と、９．０ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物をスパチュラで１５分間撹拌し、次に室温に２日間放置した。次に水（１０．２５ｇ）を添加して、バイアルとその内容物を８５℃に設定した油浴を使用して加熱した。バイアルを還流冷却管に接続した。４時間の加熱後、溶液を濾過して糖含有溶液から固形物を除去した。ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は８０％、キシロース収率は８５％、セロビオース収率は１６．７％と判定された。

実施例７
ガラスバイアル内で、４．０ｇの製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子と、７．２５ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物をスパチュラで１５分間撹拌し、次に室温に２日間放置した。材料を５０℃のオーブンに２時間入れた。次に９．２５ｇの水を添加して、バイアルとその内容物を８５℃に設定した油浴を使用して加熱した。バイアルを還流冷却管に接続した。３．５時間の加熱後、溶液を濾過して糖含有溶液から固形物を除去した。ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は７９％、キシロース収率は８０％、セロビオース収率は１６％と判定された。

実施例８
金属ボール内で、１００ｇの製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子と、２００ｇのｏｆ濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を、オーバーヘッドミキサーを用いて室温で２日間撹拌した。次に水（２２５ｇ）を添加した。元のトウモロコシ穂軸装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約１９質量％になった。８５℃で４時間の加熱後、反応混合物が温かい内に濾過し、濾液を約２０ｇの水で洗浄した。フィルター上に約２０ｇの固形物が収集された。濾液は約１２．５質量％の糖を含有した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は８０％、セロビオース収率は１２％。キシロース収率は７９％と判定された。

実施例９
ガラスバイアル内で、２．０ｇの製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子と、４．３ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）６０：４０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物をスパチュラで１５分間撹拌し、次に室温に一晩放置した。次に水（６．０ｇ）を添加した。元のトウモロコシ穂軸装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約１６質量％であった。バイアルとその内容物を９０℃に設定した油浴を使用して加熱した。バイアルを還流冷却管に接続した。７時間の加熱後、溶液を濾過して糖含有溶液から固形物（０．３８ｇ）を除去した。ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は７４％、キシロース収率は７９％、セロビオース収率は８％と判定された。

実施例１０
ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄミキサー内で、４６ｇのバガスと、１００ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を、ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄ工業ミキサーを用いて室温で１日間混合した。次に水を添加して質量を２２５ｇにした。元のバガス装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約２０質量％になった。混合物をガラス容器に移し、良く撹拌しながら８５℃で３時間加熱した。溶液を濾過して固形物を除去し、ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したバガスの量およびその組成に基づいて、グルコース収率は７０．５％、キシロース収率は９５％、セロビオース収率は１４％と判定された。

実施例１１
ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄミキサー内で、８３．３３ｇの製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子と、１６６．６ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を、ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄ工業ミキサーを用いて室温で３日間混合した。次に水（２００ｇ）を添加した。元のトウモロコシ穂軸装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約１８．５質量％になった。混合物をガラス容器に移し、容器とその内容物を良く撹拌しながら８５℃で３．５時間加熱した。溶液を濾過して固形物を除去し、ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は７９％、キシロース収率は７９％、セロビオース収率は１２％と判定された。

実施例１２
ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄミキサー内で、１００ｇの製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子と、２００ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を、ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄ工業ミキサーを用いて室温で２．５日間混合した。次に水（２００ｇ）を添加した。元のトウモロコシ穂軸装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約１８．５質量％になった。混合物をガラス容器に移し、容器とその内容物を良く撹拌しながら８０℃で３．５時間加熱した。溶液を濾過して固形物を除去し、ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は８０．７％、キシロース収率は８９％、セロビオース収率は１９％と判定された。

実施例１３
バガス（１００ｇ）と、２００ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を、ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄ工業ミキサーを用いて室温で２日間混合した。次に水（２２５ｇ）を添加した。元のバガス装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約１８質量％になった。混合物をガラス容器に移し、良く撹拌しながら８５℃で３時間加熱した。溶液を濾過して固形物を除去し、ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したバガスの量およびその組成に基づいて、グルコース収率は７８％、キシロース収率は７６％、セロビオース収率は２０％と判定された。

実施例１４
トウモロコシ穂軸（５０ｇ、約１ｍｍサイズ）と、１００ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を、ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄ工業ミキサーを用いて室温で１日間混合した。次に水（１００ｇ）を添加した。元のトウモロコシ穂軸装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約１８．６質量％になった。混合物をガラス容器に移し、良く撹拌しながら８５℃で５時間加熱した。溶液を濾過して固形物を除去し、ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は７１％、キシロース収率は８９％、セロビオース収率は１８％と判定された。

実施例１５
トウモロコシ穂軸（１００ｇ、約３／１６インチサイズ）と、２００ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を、ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄ工業ミキサーを用いて室温で１日間混合した。次に水（２００ｇ）を添加した。元のトウモロコシ穂軸装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約１８．６質量％になった。混合物をガラス容器に移し、良く撹拌しながら８５℃で５時間加熱した。溶液を濾過して固形物を除去し、ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は９０％、キシロース収率は９０％、セロビオース収率は９％と判定された。

実施例１６
トウモロコシ穂軸（１００ｇ、約０．５ｍｍサイズ）と、１５０ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の５０：５０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を、ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄ工業ミキサーを用いて室温で１日間混合した。次に水（２５０ｇ）を添加した。元のトウモロコシ穂軸装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約１８．６質量％になった。混合物をガラス容器に移し、良く撹拌しながら８５℃で３時間加熱した。溶液を濾過して固形物を除去し、ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は８９％、キシロース収率は９１％、セロビオース収率は８％と判定された。

実施例１７
スイッチグラス（１００ｇ、約１ｍｍサイズ）と、２００ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の７０：３０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を、ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄ工業ミキサーを用いて室温で１日間混合した。次に水（２００ｇ）を添加した。元のスイッチグラス装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約１９質量％になった。混合物をガラス容器に移し、良く撹拌しながら８３℃で数時間加熱した。溶液を濾過して固形物を除去し、ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したスイッチグラスの量およびその組成に基づいて、グルコース収率は８０．７％、キシロース収率は７３．５％と判定された。

実施例１８
トウモロコシ穂軸（２７．８ｇ、約２〜３ｍｍサイズ）と、４１．７ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の４０：６０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を、ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄ工業ミキサーを用いて室温で３日間混合した。次に水（６９．３ｇ）を添加した。元のトウモロコシ穂軸装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約１８質量％になった。混合物をガラス容器に移し、良く撹拌しながら８３℃で３時間加熱した。溶液を濾過して固形物を除去し、ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は７８．９％、キシロース収率は７７．２％と判定された。

実施例１９
トウモロコシ穂軸（２５ｇ、約２〜３ｍｍサイズ）と、３７．５ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の４０：６０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を、ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄ工業ミキサーを用いて室温で１日間混合した。次に水（６２．５ｇ）を添加した。元のトウモロコシ穂軸装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約２０質量％になった。混合物をガラス容器に移し、良く撹拌しながら８３℃で３時間加熱した。溶液を濾過して固形物を除去し、ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は７５．１％、キシロース収率は８４％と判定された。

実施例２０
トウモロコシ穂軸（１００ｇ、約２〜３ｍｍサイズ）と、１３０ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の３０：７０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を、ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄ工業ミキサーを用いて８時間混合した。次に水（２２４ｇ）を添加した。元のトウモロコシ穂軸装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約２０質量％になった。混合物をガラス容器に移し、良く撹拌しながら７５℃で４時間加熱した。溶液を濾過して固形物を除去し、ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は７５．６％、キシロース収率は７６．５％と判定された。

実施例２１
トウモロコシ穂軸（１００ｇ、約０．５ｍｍサイズ）と、１５０ｇの濃リン酸溶液（８５％Ｈ₃ＰＯ₄）および濃硫酸溶液（９８％Ｈ₂ＳＯ₄）の４０：６０（質量：質量）混合物とを合わせた。バイオマス／酸混合物を、ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄ工業ミキサーを用いて室温で３時間混合した。次に水（２００ｇ）を添加した。元のトウモロコシ穂軸装入量に基づいて、バイオマス濃度はこの時点で約１８質量％になった。混合物をガラス容器に移し、良く撹拌しながら８５℃で５時間加熱した。溶液を濾過して固形物を除去し、ＨＰＬＣにより濾液を糖含量について分析した。使用したトウモロコシ穂軸の量およびその組成に基づいて、グルコース収率は９０．４％、キシロース収率は８３．４％と判定された。

比較例
この比較例は、国際公開第０２／０２８２６号パンフレットの実施例１と同様に実施した。２．５グラムの製粉乾燥トウモロコシ穂軸粒子を８．２５ｍＬの硫酸−リン酸−水混合物（質量比５０−２０−３０）に添加した。混合物を５５℃に加熱して２．５時間保持した。水（１．０ｍＬ）を添加して混合物を５５℃でさらに２．５時間加熱した。反応混合物を濾過して、濾液中の糖組成物を測定した。使用したトウモロコシ穂軸に基づいて、糖収率は、グルコース４６％、キシロース６４％、およびセロビオース０％と判定された。これらの値は、実施例１〜９、１１〜１６、および１８〜２１の方法を使用して得られたものよりも低い。

前述の説明では本発明の特定の実施態様について記載したが、当業者は、本発明の本質的特性の精神を逸脱することなく、本発明に多数の変更、置き換え、および再編成を加えることができるものと理解するであろう。本発明の範囲を示唆するものとしては、前述の明細書でなく添付の特許請求の範囲を参照すべきである。

Claims (16)

1. （ａ）セルロースを含むバイオマスを提供するステップと、
   （ｂ）前記バイオマスとリン酸および硫酸を含む酸混合物とを接触させてバイオマス／酸混合物を形成するステップと、
   （ｃ）前記バイオマス／酸混合物を、脱結晶化バイオマス生成物を生成するのに十分な反応時間と温度に保つステップと
   を含み、
   （ｉ）前記酸混合物中のリン酸と硫酸とのモル比が約３．３９：１〜約０．２１：１であり、
   （ｉｉ）前記バイオマスの質量と前記酸混合物の質量との比率が約１：０．５〜約１：５である、
   バイオマス中のセルロースを脱結晶化する方法。
2. 酸混合物中のリン酸と硫酸とのモル比が約１．９８：１〜約０．３６：１である、請求項１に記載の方法。
3. 脱結晶化バイオマス生成物が水を含有し、前記水の質量％が、前記バイオマス、前記酸混合物、および前記水の総質量に基づいて約３質量％〜約３０質量％である、請求項１に記載の方法。
4. 水の質量％が約５質量％〜約２０質量％である、請求項３に記載の方法。
5. バイオマス質量と酸混合物質量との比率が約１：０．５〜約１：２である、請求項１に記載の方法。
6. 温度が約０℃〜約５０℃である、請求項１に記載の方法。
7. 反応時間が約７２時間までである、請求項１に記載の方法。
8. （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、またはその組み合わせが少なくとも１回繰り返される、請求項１に記載の方法。
9. 提供されたバイオマス中の少なくとも約５０％のセルロースが、脱結晶化バイオマス生成物中で脱結晶化される、請求項１に記載の方法。
10. 提供されたバイオマス中の少なくとも約７０％のセルロースが、脱結晶化バイオマス生成物中で脱結晶化される、請求項１に記載の方法。
11. バイオマスがバイオエネルギー作物、農業残渣、都市固体廃棄物、工業固体廃棄物、庭ごみ、木材および林業廃棄物またはその組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
12. （ａ）の前または最中に、（ｂ）の前または最中に、（ｃ）の前または最中に、またはそれらの組み合わせでエネルギーを加えるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. エネルギーが製粉、破砕、粉砕、細断、細切、ディスク叩解、超音波、およびマイクロ波からなる群から選択される、請求項１２に記載の方法。
14. （ａ）セルロースを含むバイオマスを提供するステップと、
    （ｂ）前記バイオマスとリン酸および硫酸を含む酸混合物とを接触させてバイオマス／酸混合物を形成するステップと、
    （ｃ）前記バイオマス／酸混合物を脱結晶化バイオマス生成物を生成するのに十分な第１の反応時間と第１の温度に保つステップと、
    （ｄ）前記脱結晶化バイオマス生成物に、前記バイオマスおよび前記酸混合物を合わせた質量に基づいて約２０質量％〜約２００質量％の水を添加するステップと、
    （ｅ）前記水および前記脱結晶化バイオマス生成物を、糖化生成物を生成するのに十分な第２の反応時間と第２の温度に保つステップと
    を含み、
    （ｉ）前記酸混合物中のリン酸と硫酸とのモル比が約３．３９：１〜約０．２１：１であり、
    （ｉｉ）前記バイオマスの質量と前記酸混合物の質量との比率が約１：０．５〜約１：５である、
    バイオマスを糖化する方法。
15. 糖化生成物が、グルコース、セロビオース、およびキシロースまたはその組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの糖を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 糖化生成物中の液体を固形物から分離するステップと、任意選択的に前記液体を水で洗浄するステップとをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

Images