JP2015527087A - 前処理済みのバイオマスを酵素と混合する前に冷却するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

リグノセルロース系材料のようなバイオマスを処理する方法であって、バイオマスに対して前処理工程を行い、前処理済みのバイオマスを排出するものであり；第１の酵素的加水分解反応器において液化材料を生産し、高温の前処理済みのバイオマスのための冷却剤の少なくとも一部として、少なくとも第１の反応器からの液化材料の少なくとも一部を酵素添加の上流の位置に再循環するものである。【選択図】図２

Description

関連特許出願への参照

本願は、２０１２年９月１０日に提出された米国仮特許出願第６１／６９８，８７７号及び２０１２年１１月５日に提出された米国仮出願第６１／７２２，５１４号に関連し、それらの優先権の利益を主張する。上記の優先権特許出願のそれぞれは、その全体が本明細書に参照として組み込まれる。

背景

「バイオマス」という用語は、生存しているか又はそれまでに生存していた生物有機体から誘導されるあらゆる材料に一般に関する。エネルギーという観点ではバイオマスは植物材料を意味するのによく使用されるが、畜産業や、食品の処理・調製からの副生成物や廃棄物、及び家庭の有機廃棄物も、すべてバイオマスの供給源を形成し得る。バイオマスは広く入手可能であり、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを高い割合で含む。バイオマスの４つの主要なカテゴリーは、（１）廃材（製材所及び製紙工場の不要物を含む）、（２）自治体の紙廃棄物、（３）農業残渣（コーンストーバー、コーンの穂軸、及びサトウキビバガス）、及び（４）専用のエネルギー作物（これらは速生長性の背の高い木質の草、例えばスイッチグラス（switch grass）及びススキ（Miscanthus）から主になる。）である。リグノセルロース系バイオマスは、植物の細胞壁を構成する３つの主要なポリマー、すなわち、（１）セルロースや、Ｄ−グルコースのポリマー、（２）２つの異なるポリマー、すなわちキシラン、キシロースとグルコマンナンとのポリマー、グルコースとマンノースとのポリマーを含むヘミセルロース、及び（３）リグニンや、グアヤシルプロパン（guaiacyl propane）単位とシリンジルプロパン（syringyl propane）単位とのポリマーを含む。これらの構成成分の内で、セルロースが、エタノールに発酵され得るモノマーグルコースに変換されるので最も望ましいと信じられている。

本明細書に記載されている例示的実施態様は、モノマー状の糖を得るための、バイオマス（例えばリグノセルロース系材料）の酵素的加水分解としても知られる酵素的変換の分野に一般に関連し、前処理済みのバイオマスの液化ステージにおける酵素の能力／効率を最大化することに特に関連する。

バイオマスからのエタノールの生産は、（１）処理プラントへのバイオマスの集積及び搬送工程；（２）水蒸気爆発、化学物質（例えば、酸もしくは塩基の添加あり又はなしに）、物理的手段、生物学的手段、及びこれらと同類の手段を用いるバイオマスの前処理（前加水分解）工程；（３）セルロースのグルコースへの解重合を触媒する高い特異性を有する酵素を使用する酵素的加水分解の実施工程；（４）グルコースのエタノールへの発酵工程；及び（５）水性発酵培養液からのエタノールの分離工程を含む。最終的に、最後に残留している水が分離工程により除去され、ガソリンと混合するために適した、水を含まないエタノールを製造する。

バイオマス材料の前処理のためのいくつかの技術が、より速く、より効率的に加水分解されて、発酵可能である糖を産生する基質を生産することを目的として探索されてきた。例えば、ツェング イーら「セルロースからのエタノール製造のためのバイオマス前処理の概観」（Zheng, Yi, et al., "Overview of Biomass Pretreatment for Cellulosic Ethanol Production,"） Int. J. Agric & Biol. Eng., Vol. 2, No. 3, pp. 51-68(2009)を参照されたい。これらのアプローチは、反応物及び酵素がアクセスする表面積を増大させるように設計された条件及び手順を使用する点で共通する。水蒸気爆発を使用する前処理の場合、バイオマスは繊維化され、セルロースは破砕される。酵素と前処理済みのバイオマスとの間の反応を促進させるために、特異な運転温度範囲が存在するはずである。

バイオマスの酵素的加水分解の前に、バイオマスは、（酸の添加あり又はなしでの）酸性条件加水分解、水蒸気爆発、他の前処理、例えばアンモニウム加水分解や石灰加水分解などの1つ以上を含む前処理を経ることがある。特に、酵素的加水分解（液化）の処理ステージにおいて、酵素の能力を高めるために前処理済みのバイオマスを冷却することが必要である。

リグノセルロース系材料のようなバイオマスは、糖ベースのポリマー、例えばヘミセルロース及びセルロースを酵素にアクセス可能にするために前処理される。前処理された後、バイオマスは、酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）において処理され、この槽において、酵素がヘミセルロースポリマー及びセルロースポリマーをモノマーに加水分解、例えば解裂（break down）する。前処理済みのバイオマスは、高度に粘稠となる傾向にある。酵素的加水分解において、前処理済みのバイオマスは、前処理済みのバイオマスのポリマーがモノマーに変換されるにつれて液化される。モノマーや糖は、エタノール、ブタノール又は他の糖ベースの生産物へとさらに処理される。

前処理済みのバイオマスの酵素的加水分解は、多くの課題を提起する。これらの課題は、酵素それ自体と、前処理済みのバイオマス及びその誘導体の生化学的複合物(biochemical complexity)との相互作用から、液体／繊維、モノマー／オリゴマーの混合物（スラリーと総称する。）の物理的特性及びそのレオロジー的な特徴にまで及ぶ。

連続的酵素的加水分解（プロセスへの流入及び流出の両方があるが、反応体積が一定に保たれているプロセス）を行うために使用される従来の反応槽は、酵素をスラリー中へ混合するために高価で高出力の回転翼を有する大規模なタンクを必要としていた。バイオマスの酵素的加水分解又は液化は、大規模なタンクにおいて数時間以上、典型的には１２時間以上の混合を必要とする。混合プロセスは、バイオマスを一般に固体の組成から液化されたスラリーに変換することによって、バイオマスの見かけの粘度を減少させる。前処理済みのバイオマスは典型的には混合プロセスを開始するが、半固体の泥状のコンシステンシーを有する。

別の従来の酵素的加水分解システムは、バッチプロセス及び供給型バッチ（fed-batch）プロセスを含む。バッチプロセスにおいて、すべての成分（ｐＨ調整物質を含む）は、酵素的加水分解の開始時に反応槽に入れられる。バイオマスの酵素的加水分解プロセスにおいて、反応槽への流入、又は反応槽からの流出はない。さらに別のバッチプロセスは、供給型バッチプロセスである。（米国特許公開第２０１０／０２５５５５４Ａ１公報に記載されているように）供給型バッチプロセスにおいて、プロセス中に反応槽から何も除去されないが、１つの基質成分が、基質の濃度によって反応速度を調整するために累進的に（progressively）添加される。基質は、（バッチプロセスの場合のように）プロセスが完了するまで加水分解物を全く抜き出すことなしに、酵素的加水分解の期間にわたって、反応槽へ連続的に供給される。

バイオマスは前処理され、次に酵素的加水分解に供されて、モノマー状の糖に変換される。前処理済みのバイオマスに添加される酵素は、前処理済みのバイオマスの固形分含量に対して比較的低い濃度を典型的に有する。前処理済みのバイオマスと酵素との混合物は、混合及び酵素的加水分解反応器システムに入るときに、高度に粘稠である傾向にある。混合物の高い見かけの粘度は、反応槽にある混合物を混合するために必要とされるトルクを減少させるために比較的小さい反応槽の使用を動機付けてきた。そのようなシステムは、1つ又はそれ以上の酵素的加水分解槽を典型的に含む。酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）内の温度は、酵素に適正な活性を付与するために重要である。酵素は２０℃〜６５℃（セ氏）の温度環境を典型的には必要とする。それより高い温度は酵素に損傷を引き起こし、それ故、温度レベル及び温度レベルの調整は、反応槽及びその周辺における重要な要求事項である。工業的適用における酵素的加水分解反応／保持のために一般に考えられる時間間隔は、少なくとも４８時間、さらに典型的には少なくとも７２時間である。

従来のバイオマス処理システムにおける別の課題は、前処理済みのバイオマスを酵素的加水分解に適した温度に冷却することである。一例として、前処理済みのバイオマスを、前処理槽の排出部における高い温度、例えば１００℃から、バイオマスが酵素的加水分解のための１つ又はそれ以上の反応槽に入る前に、実質的により低い温度、例えば２０℃〜６５℃にまで冷却する必要がある。

従来の酵素的加水分解反応槽システムは、米国特許公開第２０１２／０１２５５４９号公報に記載されているが、この公報は、酵素的加水分解反応槽に搬送される前に、前処理済みのバイオマスの温度を約１００℃から、より酵素的に適した温度（more enzymatically conducive temperature）である４０℃〜５０℃に低減するために、水蒸気爆発に供されて前処理済みのバイオマス材料に冷却水を添加することを開示している。所望のより低い温度を達成し、かつ酵素的加水分解反応を成功させるために好ましい総固形分コンシステンシー（総固形分は可溶／溶解した固体と不溶／溶解していない固体との総和として定義される。）を達成するために、多量の冷却水が高温の前処理済みのバイオマスに加えられなければならない。この多量の水は、酵素的加水分解反応槽に供給される液体の体積の劇的な増加を望ましくないことであるが引き起こし、それによって、酵素的加水分解反応槽に対する体積及び温度の定常的な制御がより困難となる。

前処理済みのバイオマスの濃度は、水に対する前処理済みのバイオマスの比率によって示される。酵素的加水分解ステージから生成された生産物における糖の高い濃度を確保するために、前処理済みのバイオマスを高い濃度に、水を低い濃度に維持することが有利となる。前処理済みのバイオマスを冷却するために水を添加することが効率的であるが、水の添加は、前処理済みのバイオマスを望ましくないことに希釈し、特に前処理済みのバイオマスの酵素的加水分解によって生産された糖溶液を希釈する傾向にある。

図１は、1時間当たり５０トン（乾燥ベース）の速度でバイオマスを処理するための従来の連続システムを示すプロセスフローダイアグラムを示す。バイオマスは前処理槽１１０において前処理される。このプロセスにおいて、バイオマスは１００℃を超える高められた温度で酸性環境下で前処理される。他の前処理プロセスを使用してもよく、これには水蒸気爆発又はアンモニウム加水分解若しくは石灰加水分解が含まれるが、これらに限定されるものではない。前処理済みのバイオマス１１１は、1時間当たり１６６立方メートル（１６６ｍ³／ｈ）の流速で（本例のために２５パーセント（２５％）の総固形分が用いられた）、２５パーセント（２５％）〜５０パーセント（５０％）のバイオマス固形分（前処理槽に供給されるバイオマスに基づく）という総固形分含量で、少なくとも１００℃の温度で前処理槽１１０から排出される。バイオマス処理プロセスのための総固形分含量は、２５パーセント（２５％）〜５０パーセント（５０％）とすることができる。

バイオマスの前処理のために必要とされる条件は、酵素的加水分解のために好ましい条件と実質的に異なるので、前処理済みのバイオマス１１１は、酵素的加水分解を起こすには一般に酸性が強すぎ、高温すぎる。酵素的加水分解は、約４〜６．５のｐＨ範囲を有し、例えば約５０℃〜５５℃の温度にある環境において通常起こるが、他の温度範囲が酵素的加水分解のために使用されることもある。酵母に基づく酵素反応は、例えば、約２８℃〜４０℃の範囲で起こり、好熱性バクテリアに基づく酵素的加水分解は８０℃もの高い温度で起こり、中等温度好性バクテリアに基づく酵素的加水分解は約２０℃と約４５℃との間の温度で起こる。混合ステージ１１２、例えば混合槽は、ｐＨを調節し、前処理済みのバイオマス１１１を冷却するために使用される。適当な塩基１１４（塩基は、この例では前処理条件が酸性であったので使用される。）、例えばアンモニア、石灰、又は他の土類金属の水酸化物若しくは炭酸塩が、混合ステージ１１２において添加されて、前処理済みのバイオマス１１１のｐＨを酵素的加水分解のために適したレベルに調節する。

冷却用液体が、前処理済みのバイオマス１１１に混合ステージ１１２において導管１１６を経由して添加される。冷却用液体は、典型的には、水、蒸留廃液又は工場からの他の適切な液体であった。完全に酵素的加水分解されたバイオマス生成物１２１を使用することが提案されてきた。典型的には、前処理及び酵素的加水分解の両方の後で、バイオマスは少なくとも３０パーセント（３０％）のモノマー状の糖収率を有し、大規模な酵素的加水分解反応槽１１８から排出される。完全に酵素的加水分解されたバイオマス１２１は分割されて、導管１２３を経由する部分はポンプ１２０により、冷却ステージ１２２を通り、導管１１６を経由して混合ステージ１１２にポンプ輸送される。

混合ステージ１１２において、バッチ式混合槽が、前処理済みのバイオマス１１１を、酵素的加水分解に適した条件に変換するために使用される。バッチ式混合槽はいくつかの比較的に小さい混合槽を一般に含み、それらはより大きな下流槽（図示せず）、例えば蒸解槽又は他の反応槽に連絡している。バッチ処理プロセスは、混合ステージ１１２の槽（vessels）において必要とされる容積を増大させて、混合ステージ１１２の槽のための各サイクルの注入部分及び排出部分（filling and emptying portions）を調節するのを可能にする。

前処理済みのバイオマスの酵素的加水分解は、完了するのに典型的には多くの時間を必要とする。大規模な酵素的加水分解槽１１８又は槽のアセンブリにおける保持時間は、例えば２４〜７２時間又それ以上である。完全に酵素的加水分解されたバイオマス生成物１２１は、酵素的加水分解反応槽(vessel(ｓ))１１８から排出され、モノマー状の糖溶液製品１１９として使用される。酵素的加水分解プロセスの期間が長いことにより、大規模な酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）１１８、例えばタンクの容積は、例えば３７，０００ｍ³又はそれ以上もの大きさである。従来の連続システムの酵素的加水分解槽で要求される高い容積容量、大型サイズは、処理されるバイオマス材料を制限する結果となる。

酵素的加水分解のための従来の大規模な酵素的加水分解反応槽１１８は、バイオマスを前処理するために使用される対応する前処理槽１１０より遥かに大きくなる傾向にある。前処理槽１１０は、前処理期間が酵素的加水分解のためのプロセス期間より典型的には遥かに短いので、遥かに小さい。

図1に示すように、前もって完全に酵素的加水分解されたバイオマス１２１を冷却用液体として使用して、水１３０の全て又は一部を置換することにより、前処理済みのバイオマス１１１を混合ステージ１１２において高い濃度に維持することが知られている。（前処理プロセス及び酵素的加水分解の両方を経て）完全に加水分解されたバイオマス生成物１２１は、モノマー状の糖溶液製品１１９としも使用され得る。冷却用液体として、完全に酵素的加水分解されたバイオマス生成物１２１を使用することで、冷却水１３０の添加による過剰な希釈が回避される。冷却用液体として、完全に酵素的加水分解されたバイオマス生成物１２１を使用することで、大規模な酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）１１８、例えばタンクの必要とされる容積が増大される。大規模な酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）１１８は、長い滞留時間、例えば２４〜７２時間又はそれ以上の時間を可能にするために必要とされ、又、ポリマー状のセルロース及びヘミセルロースから主としてなる、前処理槽１１０からの前処理済みのバイオマス１１１をモノマー状の糖溶液１１９に適正に変換するために必要とされる。

前処理済みのバイオマス１１１を冷却するための他の手段（例えば、冷却用気体又は冷却用ジャケットコンベアシステム）が知られているが、すべてのプロセスフローシステムのために適しているわけではない。冷却用気体は、例えば前処理済みのバイオマス１１１の細かい粒子サイズによって前処理済みのバイオマス１１１に容易に浸透しないことが多い。間接的な熱交換器は、高度に粘稠の前処理済みのバイオマスが例えば泥状のコンシステンシーであることにより、熱交換器の通路を容易に流れないので適さないことも多い。前処理槽１１０と大規模な酵素的加水分解反応槽１１８との間の冷却用ジャケットコンベアシステムが、前処理済みのバイオマス１１１を冷却するために使用されることがある。しかしながら、冷却用ジャケットコンベアシステムの大直径のチューブにおける面積／容積の比率が小さいこと、及び前処理済みのバイオマス１１１とチューブの表面との間の接触が少ないことによって、冷却用ジャケットコンベアシステムにおいて達成される熱伝導量は、前処理済みのバイオマス１１１を酵素的加水分解に適した温度に冷却するために十分でないことがある。

適当な前処理プロセスを出た高温の前処理済みのバイオマスに新鮮な冷却用液体（例えば水）を添加する必要性を減らしながら、反応槽に供給される前処理済みのバイオマス材料の温度及び体積を制御する必要性が長い間認識されていた。

例示的実施態様の要旨

本明細書で他に明示す場合を除いて、下記の解釈規則が本明細書（すなわち、発明開示書、特許請求の範囲、要約及び／又は図面）に適用される。（ａ）本明細書で使用される全ての用語は、状況に応じてそのような特性又は数（単数又は複数）のものであるように解釈されるべきであり、（ｂ）明細書及び添付の特許請求の範囲において使用される単数の用語「ａ」、「ａｎ」、及び「the」は文脈が別に明示しない限り、複数の場合を含み、（ｃ）記載された範囲又は数値に付与される先行用語「約」は、測定方法から、その技術において知られるか又は予測される範囲又は数値における偏差内の近似を示し、（ｄ）「herein」、「hereby」、「hereof」、「hereto」、「hereinbefore」、「hereinafter」およびこれらと類似の意味を有する言葉は、他に特定しない限り、本明細書の全体を示すものであり、特定の段落、特許請求の範囲又は他の明細書部分のみを示すものではなく、（ｅ）見出しの記載は便宜のためだけであり、明細書の如何なる部分の意味又は解釈に支配が及んだり、影響したりするものでなく、（ｆ）「又は（or）」及び「いかなる（ａｎｙ）」は、他を排除するものでなく、「包含する（include）」及び「包含している（including）」は限定するものではない。さらに用語「含んでいる（comprising）」、「有している（having）」、「包含している（including）」、及び「含有している（containing）」は、他に示さない限り、オープンエンド用語（すなわち「含んでいるが、これに限定されない」ことを意味する）として解釈される。

記載のサポートを提供するのに必要な範囲で、添付の特許請求の範囲の主題及び／又は記述の全体が、本明細書に参照として組み込まれる。

本明細書での数値範囲の記載は、本明細書で別に明示しない限り、その範囲又はその範囲の間のいかなるサブ範囲内にあるそれぞれの個別の数値を個々に意味する簡便な方法として供することを単に意図しただけである。記載された範囲内のそれぞれの個別の数値は、それがあたかも本明細書に個々に記載されたように明細書又は特許請求の範囲に組み込まれる。特定の数値範囲が示されている所では、その範囲の上限と下限との間の、文脈が特に明示しない限り、その下限の単位の１０分の１又はそれ以下までの中間の数値並びに記載された範囲又はそのサブ範囲中の他の記載された数値又は中間の数値が本明細書に含まれる。全てのより小さいサブ範囲も含まれる。これらのより小さいサブ範囲の上限及び下限もそこに含まれるが、記載された範囲において特別に明示的に除外された上、下限は含まれない。

別に定義しない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、関連技術において当業者に共通に理解されるものと同一の意味を有する。本明細書で記載される方法及び材料と類似又は等価なあらゆる方法及び材料も使用され得るが、許容可能な方法及び材料をここに記載する。

開示された例示的実施態様の上記の特徴及び他の特徴は、木材、パルプ、繊維、リグノセルロース系材料及び同様のもの（バイオマス）から単純な化合物を誘導、生産又は抽出し、エタノールを含む燃料の生産のような他の用途のために使用するために効率的な装置、方法及び／又はシステムを提供することにより達成される。他の観点において、例示的実施態様は、材料の他のプロセスへの搬送を促進するために、粘稠のセルロース含有材料の見かけの粘度を減少させるために適用される。さらに、例示的実施態様は、セルロース含有材料、例えばリグノセルロース系材料（バイオマス）からある種の化合物のモノマーを抽出するために実施される。さらに例示的実施態様は、モノマー状の糖を生産するために、前処理済みのバイオマスを酵素的加水分解するために適用される。バイオマスの前処理は、これに限定されるわけではないが、（酸の添加あり又はなしの）酸性条件加水分解、水蒸気爆発、アンモニウム加水分解又は石灰加水分解等を含むプロセスの１つ以上又はこれらの組み合わせを用いることができる。

バイオマスの酸性条件加水分解を使用する前処理は、酸の添加を伴うか又は伴わない。酸の添加なしの酸性条件加水分解は、水の添加を必要とし、しばしば「自動加水分解（autohydrolysis）」と呼ばれる。自動加水分解は、約１５０℃（セ氏度）と２２０℃との間の処理雰囲気温度、及び約１〜６のｐＨを必要とする。酸性条件加水分解を促進するために酸溶液が添加される場合は、温度は１５０℃より低いが、ｐＨが１〜６である。

前処理工程としてのバイオマスの水蒸気爆発は、例えば、おおよそ２〜５分間（又はより長い時間）、約１７０℃〜２３０℃で、約８バール〜２５．５バール（８００キロパスカル〜２，５５０キロパスカル）のゲージ圧で起こる。水蒸気爆発前処理において、水蒸気が熱エネルギーを供給するために前処理槽に直接注入され、水蒸気（steam）、蒸気（vapor）、及び液体水（liquid water）の内の１つ以上がバイオマスの内部構造へ拡散されることになる。水蒸気及び水含有蒸気(water vapor)は、バイオマスの内部構造のキャピラリー状の微小孔構造において液体水として部分的に凝縮する。水蒸気爆発による前処理を受けているバイオマスの圧力は、１〜２バールゲージに急速かつ劇的に減少される。なお、零バールゲージは実質的に大気圧である。この大きく急速な圧力降下は、バイオマスの水蒸気爆発による前処理をもたらす。急速な圧力降下、例えば「フラッシング」は、前処理されているバイオマスの細胞における液体水を水蒸気に変換する。バイオマスの細胞における水の水蒸気への変換は、バイオマスにおける細胞の大破砕、例えば「爆発」を引き起こす。破砕は、水蒸気によって占められる体積がバイオマスの細胞における水によって占められる体積より遥かに大きいので起こる。大破砕は、バイオマスの個々の細胞を破裂させること、及びアモルファス又は結晶セルロースに沿って、例えばバイオマスの円筒状チューブとセルロース構造の繊維との間で繊維を断裂させることを含む。

バイオマスのための他の前処理プロセスは、前処理薬剤として液体アンモニア、石灰等の使用を含む。バイオマスを前処理するためのこれらの化学物質の使用は、後続の酵素的加水分解工程の効率を改善することを可能にする。

例示的実施態様は、１つ又はそれ以上の第１の酵素的加水分解反応槽のアウトプットからの液化材料を、もし必要であれば、１つ又はそれ以上の第１の酵素的加水分解反応槽から排出後、冷たい液化材料を生み出すために冷却した後、高温の前処理済みのバイオマスに再循環することを含み、この再循環は、前処理済みのバイオマスへの１種又はそれ以上の酵素（酵素は溶液中に存在してもよい）の添加に先立って、冷却用液体（例えば冷温水）及び／又はｐＨ調整剤（典型的にはアルカリであるが、いくつかの状況では酸である）を直接添加した後、直接添加する前、又は直接添加すると共になされる。典型的には約４〜６．５の範囲内でｐＨ調整が維持されている酵素的加水分解環境を提供することが重要である。このｐＨ調整は、ｐＨ調整剤の添加によって達成され、いくつかの場合においてアルカリ剤が所望のｐＨを達成し、ｐＨを調整するために添加され、他の場合は酸性剤が添加されることが必要とされ、さらに他の場合は、いかなるｐＨ調整剤も添加する必要性がないことがある。

液化材料は、本明細書に規定されているように、バイオマスが少なくとも部分的な酵素的加水分解により流体になるときに形成される。本明細書に使用されているように、酵素的加水分解プロセス工程は酵素の使用に限定されず、他の触媒、例えば酵母、好熱性バクテリア、中等温度好性バクテリア、又は他の生物学的触媒の使用を含んでもよい。この例示的実施態様に従って、液化材料が部分的な酵素的加水分解の後に生産される。液化材料は、それまでプロセス内にない新鮮又は新規の酵素（酵素溶液と呼ばれる）の添加位置の上流で冷却用液体として再循環するために適したものであるが、この液化材料は、第１の酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）に存在していた酵素（リサイクル酵素）を含み、セルロースの糖又はグルコースへの変換（この「セルロースの糖又はグルコースへの変換」は本明細書において「加水分解」と呼ばれる）が約３０パーセント以下、約２０パーセント以下、又は１５パーセント以下でさえあることがあり、見かけの粘度が約５，０００ｍＰａ・ｓ又はそれ以下、例えば約３，０００ｍＰａ・ｓ以下、約２，０００ｍＰａ・ｓ以下、約１，０００ｍＰａ・ｓ以下であり、又は約８００ｍＰａ・ｓ以下でさえあることがある。見かけの粘度は、ニュートン流体の粘度を非ニュートン流体の粘度計測定で得るにあたって、熟練の技術者によって用いられる適正な機器の等式（appropriate instrumental equations）を適用することによって得られる数値として定義される。本発明における液化材料は非ニュートン流体であるので、粘度計モデル、スピンドル、及び速度のすべての実験パラメータは、液化材料の粘度の測定に影響を与え、粘度を「見かけの粘度」として報告することになる。見かけの粘度の測定は、これに限られるわけではないが、広く認められている円筒状スピンドルを備えたブルックフィールド粘度計（Brookfield Viscometer）、特に４つのスピンドルを有し、１分間あたり０．１〜２００回の回転速度で運転が可能であるLV DV-II+を使用することによって得られる。本明細書に記載された目的のために得られた見かけの粘度の測定は、上記の特定の機器を使用して、２０ｒｐｍの速度で得られたものである。この例示的実施態様において、冷却用材料として再循環するための液化材料におけるセルロースの糖への変換は約３０パーセント（３０％）より低く、所望の見かけの粘度は、少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽における反応／保持時間が約６時間より少ない場合には約５，０００ｍＰａ・ｓより低くなる。

少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽の排出部からの、又はそのあとの、約２０℃と５０℃との間に冷却されている液化材料の使用によって、再循環に適した冷温の液化材料が提供され、これが高温の前処理済みのバイオマスのための少なくともいくらかの冷却用液体となる（従来の冷温の水の添加の必要性が低減又は除去される）。そして、この液化材料を使用することによりシステムの総固形分含量を維持することが可能となる。前処理済みのバイオマスのために冷却剤の少なくとも一部として、冷却された液化材料を再循環することによって、必要とされる冷却水（新鮮な水、又はプロセス内の他の場所からの水）の量が減少し、その結果、少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽のサイズを水のみを使用するために必要とされるサイズを超えて増大させる必要がない。低温の液化材料が、高温の前処理済みのバイオマスのための冷却用液体の少なくとも一部として使用されるシステムの利点は、次の（第２又はさらなる）酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）のサイズ／容積の比率が減少することである。液化材料の再循環を有するシステムにおいて、第１の酵素的加水分解反応槽から次の槽への流量は、再循環される低温の液化材料の体積分だけ減少する。冷却のための水の添加が減少する結果として、最終的な糖の濃度収率も向上し、これによって発酵及び蒸留などの下流領域における処理コストを減少させる。次の又はさらなる酵素的加水分解反応槽から排出された完全に酵素的加水分解されたバイオマス生成物は、冷却用液体として再循環されず、さらなる処理のために又は最終製品として利用される。

バイオマスの前処理の結果として生産された材料（前処理済みのバイオマス）は典型的には約１００℃の温度にある。酵素の添加の前に、前処理済みのバイオマスの温度は、酵素が活性化され、前処理済みのバイオマスと反応するための適切な環境を確立するために、約３０℃と８０℃との間、約４０℃〜６０℃の間、約４５℃〜５０℃の間に低下させねばならない。この例示的実施態様では、急速な酵素的加水分解を使用し、約６時間より少ない時間、４時間より少ない時間、３時間より少ない時間、１時間より少ない時間の短期間で液化材料が得られる。すべての前処理方法が、この例示的実施態様の急速な酵素的加水分解の液化プロセスの使用に資するわけではないので、前処理プロセス又は複数の前処理プロセスの選択において注意が払われなければならない。例示的実施態様の急速な酵素的加水分解プロセスに導入する前に、前処理済みのバイオマスの固形分濃度を調節し（減少又は増加させ）、ｐＨを調節することも必要である。

酵素的加水分解は、前処理済みのバイオマスからモノマー状の糖を生産するために使用される。典型的には、所望の酵素的反応を促進するための前処理済みのバイオマスの条件は、約４０℃〜６０℃の範囲の温度、及び約４〜６．５のｐＨの範囲である。酵素的加水分解反応は吸熱的であるので、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスが少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）を移動するにつれて、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスがわずかに冷却されることがある。少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）から排出される液化材料の一部は取り出され、冷却され、典型的には、ｐＨ調整剤の添加地点又はその下流で高温の前処理済みのバイオマスに再循環され、もし必要であれば追加の冷却用液体、例えば水などが添加される（再循環される低温の液化材料は、ｐＨ調整剤と共に、又はｐＨ調整剤の添加の後、酵素溶液の添加の上流においてでさえも添加することが可能である）。冷却用液体として添加される前に、再循環される液化材料は、間接（又は直接）熱交換器を使用し、冷却用液体として新規の冷温水又は蒸留廃液又は工場からの再循環プロセス液を使用して冷却されて、再循環される液化材料の温度を約２０℃〜４０℃の範囲に低下させ、冷却された液化材料を生産する。冷却され再循環される低温の液化材料は、少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽に入る流れより、少なくとも５℃低いか、少なくとも１０℃低いか、少なくとも１５℃低いか、少なくとも２０℃低い。少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽への流れを適正な温度に保持しつつ、水又は工場からの再循環プロセス液を少なくとも部分的に置換するために低温の液化材料を使用すると、水又は工場からの再循環プロセス液のみが使用される場合と比較して、少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽に入る流れをより高い固形分濃度とすることもできる。少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽への流れの総固形分濃度が高いと、グルコース収率及び濃度がより高くなる。

再循環される低温の液化材料は、ｐＨ調整剤（典型的にはアルカリ性であるが、いくつかの状況では酸性である）の添加の後に導入され、もし前処理済みのバイオマスのｐＨが酵素の変性を回避するに必要な範囲にあるならば、ｐＨ調整剤と共に導入されたり、又はｐＨ調整剤の前に導入されることもあるが、上記液化材料の導入は、酵素の添加の上流においてである。いくつかの場合において、追加的な冷却用液体（例えば冷温水）を再循環される低温の液化材料又はｐＨ調整剤と共に導入することが望ましいことがある。

リグノセルロース系材料の酵素的加水分解は課題が多いが、この課題とは、特に酵素とリグノセルロース系材料（及びその誘導物）との間の相互作用に関してであり、又、前処理済みのリグノセルロース粒子又は繊維の物理的特徴、モノマー状／オリゴマー状混合物、例えばスラリーの物理的特徴、及びリグノセルロース系材料のそれらのレオロジー学的な特性によるものである。酵素の添加の前に、再循環される酵素的加水分解反応槽の排出材料を高温の水蒸気爆発されたリグノセルロース系材料に導入することによって、必要とされる冷却用液体の全体量、特に必要とされる冷温水の量を減少させる必要があることが長い間認識されていた。

バイオマスが糖に変換される、前処理工程及び酵素的加水分解工程を含む多くの工業的プロセスにおいて、酵素的加水分解は少なくとも１つの工程で、約９６時間、約４８時間、又は約２４時間の間隔で行われている。例示的実施態様は、少なくとも１つの工程における酵素的加水分解を必要とし、この少なくとも１つの工程により、約０．５〜６時間の間隔（これらの間の全てのサブ間隔を含む）で、前処理されたバイオマスの冷却剤材料として再循環に好適な酵素的加水分解液化材料が迅速に生産される。酵素的加水分解は、液化材料が生産された後も続く。

この例示的実施態様に従った低温の液化材料の再循環は、液化材料を生産する最初の急速な酵素的加水分解段階が完了した後で、酵素的加水分解のために利用可能なより高い固形分濃度を可能にしつつ、冷却剤としての水の添加の必要性を減少させる。冷却後に、液化材料の少なくともいくらかを、前処理済みのバイオマスのための冷却用液体の少なくともいくらかとして再循環させることにより、水だけを前処理済みのバイオマスの冷却剤として使用する従来のシステムに比べて、７２時間の酵素的加水分解時点におけるグルコースの収率が少なくとも１パーセント（１％）上昇することが見い出された。この収率の上昇は使用される前処理プロセスに依存し、従来のプロセスに比べて、少なくとも５パーセント（５％）の収率の上昇も達成された。

少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽に入る前に前処理済みのバイオマスを冷却し、ｐＨ調整するための装置、システム（プロセスフローシステムを含む）、及び方法が発明され、これらは、液化材料のさらなる処理の前に、少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽から抽出された液化材料を使用するものである。液化材料は冷却され、前処理済みのバイオマスと混合される。液化材料は、第１の酵素的加水分解反応槽を出て、後続の第２又はさらなる酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）に流れる前に抽出される。

バイオマスは比較的短い期間、例えば約０．５〜６時間（約６時間より短い時間、約５時間より短い時間、４時間より短い時間、３時間より短い時間、２時間より短い時間、１時間より短い時間）の間に酵素的加水分解されたとしても、液化材料は実質的に液化される。液化材料は、完全に酵素的加水分解されたバイオマスの見かけの粘度と類似の低い見かけの粘度を有する。本発明の目的のために、液化材料の糖収率が３０％より低いのに対して、完全に酵素的加水分解されたバイオマスは３０％より高い糖収率を有する。より低い見かけの粘度の液化材料はポンプ輸送され、低温の液化材料を生産するために冷却装置、例えば間接熱交換器を通り混合ステージに行く。混合ステージは連続混合装置である。混合装置後の、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスの総固形分含量（溶解した固形分＋溶解していない固形分）は、混合器後の搬送システムを通って流れるものの総質量（the total of mass）の約３０パーセントより大きく、約２５パーセントより大きく、約２０パーセントより大きく、約１５パーセントより大きく、約１０パーセントより大きい。液化材料を形成するためにバイオマスを前処理し、酵素的加水分解するプロセスは、バッチ又は供給型バッチプロセスよりもむしろ連続プロセスである。液化材料を生産した後、後続又はさらなる酵素的加水分解プロセスは連続又はバッチプロセスである。

プロセス内の異なる箇所において、酵素溶液（新規の酵素、又はそれまでプロセスに存在しない酵素）を含む複数のタイプの酵素を使用することが有利であることが確認されている。例えば、エンドグルカナーゼ酵素（分子鎖の中心を攻撃し、分子鎖をより小さいポリマー状又はオリゴマー状の断片に分解する酵素）は第１の酵素的加水分解反応槽の前に添加することが有用である。第１の酵素的加水分解反応槽の後、例えばさらなる酵素的加水分解の間に、エキソグルカナーゼ（分子鎖の末端を攻撃し、分子鎖を分解してモノマー状の断片を生成する酵素）を添加して、酵素的加水分解を継続するのが有利である。エンドグルカナーゼ酵素を１つの箇所に導入し、エキソグルカナーゼ酵素を異なる箇所に導入することが望ましいが、これらのタイプの酵素のいずれか又は両方を再循環される冷却流に存在させてもよく、これは両方の酵素が少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽の前に添加されているからである。

ある方法が発明され、この方法は、
バイオマスに前処理工程を行って、前処理済みのバイオマスを生産し；
前処理済みのバイオマスのｐＨを約４〜６．５（又は約４．５〜６．５）の間に調整し、
少なくとも再循環された低温の液化材料を前処理済みのバイオマスに添加し、前処理済みのバイオマスの平均温度を約４０℃〜約６０℃にして、これにより約１０％〜約３５％の総固形分濃度（冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスの総重量に対する総固形分の重量％）を有する、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを生産し；
冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを少なくとも第１の槽に搬送し；
酵素溶液の少なくとも第１の部分を冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスに、少なくとも第１の槽への搬送の初期において、又は搬送の中間において、又は搬送の終期において、又はこれらの組合せで添加、混合し、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスをより高い見かけの粘度から、より低い見かけの粘度に遷移させて実質的に液体の材料を創製する
ことを含み、
前記の、前処理済みのバイオマスのｐＨの約４〜６．５（又は約４．５〜６．５）の間への調整は、前処理済みのバイオマスをｐＨ調整剤（典型的には、アルカリベース化合物であり、いくつかの状況下では酸性化合物、他の状況下ではｐＨ調整剤が加えられない）と、前処理済みのバイオマスの平均ｐＨが約４〜約６．５となるまで又は約４．５〜６．５時間の間だけ混合することを必要とし、
前記の、再循環された低温の液化材料は少なくとも第１の槽において部分的にのみ酵素的加水分解され生産されたものであり、
前記の、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスの温度は酵素溶液の少なくとも第１の部分の添加の直前から、少なくとも第１の槽の出口まで、約４０℃〜６０℃又は約４５℃〜５５℃に維持されることを特徴とする。

もう１つの実施態様において、ある方法が発明され、この方法は、
バイオマスに前処理工程を行って、前処理済みのバイオマスを生産し；
前処理済みのバイオマスのｐＨを約４〜６．５（又は約４．５〜６．５）の間に調整し；
少なくとも第１の槽で生産された、再循環された低温の液化材料を前処理済みのバイオマスに添加し、前処理済みのバイオマスの平均温度を約４０℃〜約６０℃にして、これにより約１０％〜約３５％の総固形分濃度（冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスの総重量に対する総固形分の重量％）を有する、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを生産し；
冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを少なくとも第１の槽に搬送し；
酵素溶液の少なくとも第１の部分を少なくとも第１の槽への、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスに添加する
ことを含み、
前記の、前処理済みのバイオマスのｐＨの約４〜６．５（又は４．５〜６．５）の間への調整は、前処理済みのバイオマスをｐＨ調整剤（典型的には、アルカリベース化合物であり、いくつかの状況下では酸性化合物、他の状況下ではｐＨ調整剤が添加されない）と、前処理済みのバイオマスの平均ｐＨが約４〜約６．５又は４．５〜６．５となるまで混合することを必要とし、
前記の少なくとも第１の槽は、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを混合し、より高い見かけの粘度から、より低い見かけの粘度に遷移させて、実質的な液体の材料を創製することができるものであり、
前記の、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスの温度は酵素溶液の少なくとも第１の部分の添加の直前から、少なくとも第１の槽の出口まで、約４０℃〜６０℃又は約４５℃〜５５℃に維持されることを特徴とする。

また別の実施態様は、酵素溶液の少なくとも第１の部分を、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスに、少なくとも第１の槽への搬送の初期、又は搬送の中間、又は搬送の終期において、又はこれらの組合せで、添加、混合し、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを、より高い見かけの粘度から、より低い見かけの粘度に遷移させて、実質的に液体の材料を創製するものであり、その際に、前記の、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスの温度は、酵素溶液の少なくとも第１の部分の添加の直前から、少なくとも第１の槽の出口まで、約４０℃〜６０℃、又は約４５℃〜５５℃の温度に維持される。

さらなる実施態様は、
冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを容積型ポンプを経由して混合器にポンプ搬送し；
冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを、混合器において約０．０５〜２００秒間、約４００〜４，０００ｒｐｍの速度で混合し、そこに酵素溶液の第１の部分を添加し；
冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽に搬送し、そこに酵素溶液の第２の部分を添加し、バイオマス材料をより高い見かけの粘度から、より低い見かけの粘度に遷移させて、実質的に液体の材料を創製するものであり、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスの温度は、酵素溶液の第１の部分の添加の直前から、少なくとも第１の酵素的加水分解槽の出口まで、約４０℃〜６０℃又は約４５℃〜５５℃の温度に維持されることを特徴とする。

さらに別の実施態様は、
酵素溶液の少なくとも第１の部分を、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスに、少なくとも第１の槽への搬送の初期、又は搬送の中間、又は搬送の終期において、又はこれらの組合せで添加し；
冷却されｐＨ調整された前処理済みの材料を第１の槽から第２の槽まで搬送し；
酵素溶液の第２の部分を添加して、バイオマス材料をより高い見かけの粘性から、より低い見かけの粘性に遷移させて、実質的に液体の材料を創製するものであり；
前記第１の槽は、約０．０５〜２００秒の間隔で約４００〜４，０００ｒｐｍの速度である混合器であり、
前記第２の槽は少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽であり、
前記の、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスの温度は、酵素溶液の第１の部分の添加の直前から、第１の酵素的加水分解反応槽の出口まで、約４０℃〜６０℃、又は約４５℃〜５５℃の温度に維持されることを特徴とする。

さらに他の実施態様は、
酵素溶液の少なくとも第１の部分を、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスに、少なくとも第１の槽への搬送の初期、又は搬送の中間、又は搬送の終期において、又はこれらの組合せで添加し；
所望により酵素溶液の第２の部分を混合器に添加し；
冷却されｐＨ調整された材料を第１の槽（混合器）から第２の槽に搬送し、バイオマス材料をより高い見かけの粘度から、より低い見かけの粘度まで遷移させて、実質的に液体の材料を創製するものであり；
前記第１の槽は、約０．０５〜２００秒の間隔で約４００から４，０００ｒｐｍの速度である混合器であり、
前記第２の槽は少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽であり、
前記の、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスの温度は、酵素溶液の第１の部分の添加の直前から、第１の酵素的加水分解反応槽の出口まで、約４０℃〜６０℃、又は約４５℃〜５５℃の温度に維持されることを特徴とする。

さらに別の実施態様では、混合器である第１の槽の前に酵素溶液が添加されず、酵素溶液は混合器において添加され、混合器から、少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽である第２の槽まで搬送され、そこで冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを混合し、より高い見かけの粘度から、より低い見かけの粘度まで遷移させ、実質的に液体の材料が創製されるものであり、前記の、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスの温度は、酵素溶液の添加の直前から、第１の酵素的加水分解反応槽の出口まで、約４０℃〜６０℃、又は約４５℃〜５５℃の温度に維持される。

またさらに別の実施態様は、混合器である第１の槽の前で酵素溶液の添加がなく、
酵素溶液の少なくとも一部を混合器に添加し、混合器から少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽である第２の槽まで搬送し、酵素溶液の少なくとも第２の部分を、少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽に搬送する間、又は少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽に添加し、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを混合し、より高い見かけの粘度から、より低い見かけの粘度に遷移させ、実質的に液体の材料を創製するものであり、
冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスの温度は、酵素溶液の添加の直前から、少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽の出口まで、約４０℃〜６０℃、又は４５℃〜５５℃の温度に維持される。

前処理済みのバイオマスの少なくとも第１の槽への搬送は、少なくとも１つのコンベアを使用して行われ、少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽から再循環される低温の液化材料、及びｐＨ調整剤（典型的にはアルカリベースの化合物であるが、いくつかの状況下では酸性化合物であり、いくつかの状況下ではｐＨ調整剤が添加されない）が、前処理済みのバイオマスの平均ｐＨが約４〜６．５（又は４．５〜６．５）になり、前処理済みのバイオマスの平均温度が約４０℃〜６０℃になり、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスが約１０〜３５％の総固形分濃度（冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスの総重量に対する総固形分重量のｗｔ％）になるまで少なくとも１つのコンベアに添加され、酵素溶液の第１の部分が、少なくとも１つのコンベアにある、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスに少なくとも１つのコンベア内の１つ以上の箇所から添加され、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスは第１の槽に搬送される。

前処理済みのバイオマスの少なくとも第１の槽への搬送は複数（２つ又はそれ以上）のコンベアを用いるものであり、再循環される低温の液化材料及びｐＨ調整剤（もし必要であれば）が、第１のコンベアに添加され、酵素溶液が少なくとも第１の槽に入る前に複数のコンベアのいずれかに添加される。

さらに別の実施態様は、複数のコンベア内の複数の箇所において、酵素溶液の添加を可能にする。

さらなる方法は、酵素溶液の第１の部分を、複数のコンベア中の第２コンベアに存在する、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスに添加する工程を含み、前記酵素は、複数のコンベア中の第２コンベア内の１つ以上の箇所から、複数のコンベア中の第２のコンベアに添加される。

少なくとも１つの酵素的加水分解反応槽は連続酵素的加水分解反応槽であり、バイオマス材料をより高い見かけの粘度から、より低い見かけの粘度に遷移させ、実質的に液化の材料を創製するものであり、この場合において、冷却されｐＨが調整された前処理済みのバイオマスの温度は、酵素溶液の第１の部分の添加の直前から、少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽の出口まで約４０℃〜６０℃、又は約４５℃〜５０℃の温度に維持される。

いくつかの例示的実施態様において、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスが混合器である第１の槽に容積型ポンプを介して搬送されるときにのみ、酵素が単一の箇所で添加される。この酵素の単一添加は、再循環される低温の液化材料が添加されるいずれかの地点でよく、液化材料の添加はｐＨ調整剤の添加（もし必要であれば）の前又は添加と共になされ、あるいは液化材料の添加はｐＨ調整剤と共に冷却水の添加と共に又は添加なしになされる。

少なくともいくつかの実施態様の混合器は、流動化混合器（fluidizing mixer）である。いくつかの実施態様において、混合器は約２００秒以下、０．５秒以下、及びこれらの間のすべての時間の保持時間を有する。混合器の速度は、実施態様の少なくともいくつかでは１分間あたり約４００回転（ｒｐｍ）を超え、約４，０００ｒｐｍ未満である。

混合は、混合ステージ又は第１の槽の混合器において、並びに少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽内において起こる。混合ステージ又は第１の槽の混合器は高剪断ミキサー（high shear mixer）であるが、一方、少なくとも第１の酵素的加水分解反応槽における混合は遅動性ミキサー（slow moving mixer）によるものである。

バイオマスを処理するためのさらなる方法が発明され、この方法は、
バイオマスを少なくとも１００℃の温度で前処理し；
低温の液化材料の連続流及びｐＨ調整剤を使用して、前処理済みのバイオマスを、約８０℃以下又は約５０℃以下の温度に冷却し、ｐＨを約１〜６の間に調整し；
酵素、酵母、好熱性バクテリア、又は中等温度好性バクテリア、又は他の生物学的触媒の少なくとも１つを使用して、冷却された前処理済みのバイオマスを酵素的加水分解工程に供して、液化材料を創製し；
酵素的加水分解工程における冷却された前処理済みのバイオマスから生産された液化材料の連続流を抽出、再循環することを含むことを特徴とする。

酵素的加水分解工程は、冷却された前処理済みのバイオマスを第１の酵素的加水分解反応槽において酵素的に加水分解し、液化材料を生産し、その後に第２の又は複数の酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）に送られて、液化材料の連続流の抽出が、第１の酵素的加水分解反応槽と第２の酵素的加水分解槽との間、又は第１の酵素的加水分解反応槽の排出部で行われる。

別の例示的実施態様において、プロセスフローシステムが発明され、このシステムは、
バイオマスを少なくとも約１００℃の温度で前処理するために構成された前処理反応槽；
前処理済みのバイオマスの連続流を、約８０℃以下又は約５０℃以下の温度に冷却するために構成され、低温の液化材料の連続流を使用する冷却装置；
ｐＨ調整剤を前処理済みのバイオマスに添加するために構成されたｐＨ調整装置；
酵素、酵母、好熱性バクテリア、中等温度好性バクテリア、又は他の生物学的触媒の少なくとも１つを使用して、冷却された前処理済みのバイオマスを酵素的加水分解し、液化材料を生産するために構成された第１の酵素的加水分解反応槽；
酵素、酵母、好熱性バクテリア、中等温度好性バクテリア、又は他の生物学的触媒の少なくとも１つを使用して第１の酵素的加水分解反応槽において生産された液化材料を酵素的加水分解するために構成されたさらなる又は後続の複数の酵素的加水分解反応槽；及び
液化材料の一部を冷却装置にポンプ輸送するために構成されたポンプ
を含み、
前記の、さらなる酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）は、第１の酵素的加水分解反応槽から排出された液化材料の少なくとも一部を受け取るように連結されていることを特徴とする。

図１は、バイオマスを前処理し、前処理済みのバイオマスを冷却し、冷却された前処理済みのバイオマスを酵素的に加水分解するための例示的な先行技術システムのプロセスフロー図を示す。

図２は、バイオマスを前処理し、前処理済みのバイオマスを冷却し、冷却された前処理済みのバイオマスを酵素的に加水分解するための新規なシステムのプロセスフロー図を示す。

図３は全プロセスのプロセスフロー図を示すが、これによれば、モノマー状の糖又は他の有用な副生成物を生産するために、リグノセルロース系材料が酵素的加水分解反応において１つ又はそれ以上の酵素又は酵素含有溶液と混合され、再循環される液化材料が冷却のために使用される。

図４は全プロセスのプロセスフロー図を示すが、これによれば、モノマー状の糖又は他の有用な副生成物を生産するために、リグノセルロース系材料が酵素的加水分解反応において１つ又はそれ以上の酵素又は酵素含有溶液と単一の酵素添加で混合され、再循環される液化材料が冷却のために使用される。

図５は全プロセスのプロセスフロー図を示すが、これによれば、モノマー状の糖又は他の有用な副生成物を生産するために、リグノセルロース系材料が酵素的加水分解反応において１つ又はそれ以上の酵素又は酵素含有溶液と混合され、ｐＨ調整液体の添加の後に、再循環された液化材料が冷却のために使用される。

図６は、前処理済みのバガスの糖化における粘度プロファイルの線グラフを示し、粘度測定装置のｒｐｍに対する見かけの粘度を示す。

図７は、前処理済みのバガスの糖化における粘度プロファイルの棒グラフを示し、粘度測定装置のｒｐｍに対する見かけの粘度を示す。

図８は、グルカン-グルコース変換の試験１の線グラフを示し、これは冷却剤としての液化材料の再循環を一度経たものを比較している。

図９は、グルカン-グルコース変換の試験１を表す棒グラフを示し、これは冷却剤としての液化材料の再循環を一度経たものを比較している。

図１０は、グルカン-グルコース変換の試験２の線グラフを示し、これは冷却剤としての液化材料の再循環を一度経たものを比較している。

図１１は、グルカン−グルコース変換の試験２の棒グラフを示し、冷却剤としての液化材料の再循環を一度経たものを比較している。

例示的態様の詳細な説明

ここに説明される例示的な方法及びプロセスは、前処理済みのバイオマスを酵素的に加水分解するために適用され、例えばモノマー状の糖を生産する。これらの方法及びプロセスは、エタノールを含む燃料の生産、及び他の適用のために、木材、パルプ、繊維、農業残渣、リサイクルされた繊維及び同類のものを含むもの（これらに限定されるわけではない）から、単純な化合物を誘導、生産又は抽出するために使用される。同様に、ここで説明される方法及びプロセスは、セルロース含有材料、例えばリグノセルロース系材料（バイオマス）中のモノマー状化合物を抽出するために実施される。酵素的加水分解は、これに限定されるわけではないが、酵素、酵母、好熱性バクテリア、中等温度好性バクテリア、又は他の生物学的触媒の１つ以上の使用を含む。

図１は、１時間あたり５０トン（乾燥ベース）の割合でバイオマスを処理するための従来の連続システムのプロセスフロー図を示す。バイオマスは前処理槽１１０において前処理される。このプロセスにおいて、バイオマスは例えば１００℃超の高められた温度下、及び酸性環境下において前処理される。水蒸気爆発、アンモニウム加水分解又は石灰加水分解を含む他の前処理プロセスが使用されることがあるが、これらに限定されるわけではない。前処理済みのバイオマス１１１は、１時間あたり１６６立方メートル（ｍ³／ｈ）の速度（この例では、２５パーセント（２５％）の総固形分含量が使用された。）で、２５パーセント（２５％）〜５０パーセント（５０％）のバイオマス固形分の総固形分含量（前処理反応槽に供給されるバイオマスに基づく）で、少なくとも１００℃の温度で、前処理槽１１０から排出される。バイオマス処理プロセスのための総固形分含量は、２５パーセント（２５％）〜５０パーセント（５０％）である。

前処理済みのバイオマス１１１は、酵素的加水分解によって処理されるには酸性が強すぎ且つ高温すぎ、あるいは酵素的加水分解の効果に影響を与える。バイオマスの前処理のための条件は、酵素的加水分解のための条件と実質的に異なる。酵素的加水分解は、約４〜６．５のｐＨ範囲、及び例えば５０℃〜５５℃の温度を有する環境下で通常起こるが、他の温度範囲が酵素的加水分解のために使用されることもある。酵母に基づく酵素反応は、例えば約２８℃〜４０℃の範囲において起こり、好熱性バクテリアに基づく酵素的加水分解は、８０℃もの高温度で起こり、中等温度好性バクテリアに基づく酵素的加水分解は、約２０℃と約４５℃との間の温度で起こる。混合ステージ１１２、例えば混合槽が、ｐＨを増加させ、前処理済みのバイオマス１１１を冷却するために使用される。適当な塩基１１４（塩基はこの例では前処理条件が酸性であるときに使用される）、例えばアンモニア、石灰、又は他の土類金属系の水酸化物又は炭酸塩が、前処理済みのバイオマス１１１のｐＨを酵素的加水分解のために適したレベルに調節するために、混合ステージ１１２において添加される。

冷却用液体が、混合ステージ１１２において導管１１６を介して前処理済みのバイオマス１１１に添加される。冷却用液体は、典型的には、水、蒸留廃液、又は他の工場からの適当な液体であった。完全に酵素的加水分解されたバイオマス生成物１２１を使用することが提案されている。典型的には、前処理及び酵素的加水分解の両方の後に、バイオマスは少なくとも３０パーセント（３０％）のモノマー状の糖の収率を有し、大規模な酵素的加水分解反応槽１１８から排出される。完全に酵素的加水分解されたバイオマス１２１は分割され、導管１２３を経由する一部は、ポンプ１２０を介して、冷却ステージ１２２を通り、導管１１６を経由して混合ステージ１１２にポンプ輸送される。

混合ステージ１１２において、バッチ式混合槽が前処理済みのバイオマス１１１を酵素的加水分解のために適した条件に変換するために使用される。バッチ式混合槽は、いくつかの比較的に小さい混合槽を含み、これらはより大きな下流槽（図示せず）、例えば蒸解槽又は他の反応槽に連絡している。バッチ処理プロセスは、混合ステージ１１２の槽において必要とされる容積を増大させて、混合ステージ１１２の槽のための各サイクルの注入分量及び排出分量を調節するのを可能にする。

酵素的加水分解は、完了するのに多くの時間を典型的には必要とするプロセスである。大規模な酵素的加水分解反応槽１１８又はこれらの槽のアセンブリにおける保持期間は、約２４〜７２時間、又はそれ以上である。完全に酵素的加水分解されたバイオマス生成物１２１は、酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）１１８から排出され、モノマー状の糖溶液製品１１９として使用される。酵素的加水分解プロセスの期間が長いことにより、大規模な酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）、例えばタンクの容積は大きく、例えば約３７，０００ｍ³もの大きさである。従来のシステムの酵素的加水分解槽のために必要とされる高い容積容量、大きなサイズは、処理されるバイオマス材料を制限し、酵素的加水分解システムのコストを増大させる結果となる。

酵素的加水分解のための従来の大規模容積の酵素的加水分解反応槽１１８は、バイオマスを前処理するために使用される対応する前処理槽１１０より遥かに大きくなる傾向にある。前処理槽１１０は、前処理期間が酵素的加水分解のためのプロセス期間より典型的には遥かに短いので、遥かにより小さい。

図1に示されているように、冷却用液体として、前もって完全に酵素的加水分解されたバイオマス１２１を使用して、水１３０の全て又は一部を置換し、混合ステージ１１２において前処理済みのバイオマス１１１の高い濃度を維持することが知られている。完全に酵素的加水分解されたバイオマス生成物１２１は、（前処理工程及び酵素的加水分解からの両方で）完全に加水分解され、モノマー状の糖溶液製品１１９として使用される。冷却用液体として完全に酵素的加水分解されたバイオマス生成物１２１を使用することで、冷却水１３０の添加による過剰な希釈が回避される。冷却用液体として、完全に酵素的加水分解されたバイオマス生成物１３０使用することで、大規模な酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）１１８、例えばタンクの必要とされる容積が増大する。大規模な酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）１１８は、長い滞留時間、例えば２４〜７２時間又はそれ以上の時間を可能にするために必要とされ、又、ポリマー状のセルロース及びヘミセルロースから主としてなる、前処理槽１１０からの前処理済みのバイオマス１１１をモノマー状の糖溶液１１９に適正に変換するために必要とされる。

前処理済みのバイオマス１１１を冷却するための他の手段（例えば、冷却用気体又は冷却用ジャケットコンベアシステム）が知られているが、すべてのプロセスフローシステムのために適しているわけではない。冷却用気体は、例えば、前処理済みのバイオマス１１１の細かい粒子サイズによって、前処理済みのバイオマス１１１に容易に浸透しないことが多い。間接的な熱交換器は、高度に粘稠の前処理済みのバイオマスが例えば泥状のコンシステンシーにより熱交換器の通路を容易に流れないので、適さないことも多い。前処理槽１１０と大規模な酵素的加水分解反応槽１１８との間の冷却用ジャケットコンベアシステムが、前処理済みのバイオマス１１１を冷却するために使用されることがある。しかしながら、冷却用ジャケットコンベアシステムの大直径のチューブにおける面積／体積の比率が小さいこと、及び前処理済みのバイオマス１１１とチューブの表面との間の接触が少ないことによって、冷却用ジャケットコンベアシステムにおいて達成される熱伝導量は、前処理済みのバイオマス１１１を酵素的加水分解に適した温度に冷却するために十分でないことがある。

図２は、１時間あたり約５０トン（乾燥ベース）の速度でバイオマスを処理するための新規なシステムのプロセスフロー図を示す。このシステムは、図１に示されているものと類似し、共通の参照番号が共通のプロセス構造及び工程を示すために使用されている。バイオマスは前処理槽１１０で、例えば約１００℃超の温度で酸性環境において前処理される。前処理済みのバイオマス１１１は、１時間あたり約１６６立方メートル（ｍ³／ｈ）の速度で前処理槽１１０から排出される。

混合ステージ１１２は、連続流混合装置、例えば混合タンク又はスクリューコンベアである。適当な塩基１１４、例えばアンモニア、石灰、又は他の土類金属系の水酸化物又は炭酸塩が、前処理済みのバイオマスのｐＨを酵素的加水分解のために適したレベルに調整、例えば増加又は減少させるために混合ステージ１１２において添加される。

導管１１６を経由する冷却用液体が、前処理済みのバイオマス１１１に混合ステージ１１２において添加される。冷却用液体は、第１の酵素的加水分解反応槽１２６から排出された液化材料（部分的に酵素的加水分解されたバイオマス材料）１３１である。液化材料１３１は導管１２３を経由して、ポンプ１２０により冷却ステージ１２２に送られ、導管１１６を経由して混合ステージ１１２にポンプ輸送される。冷却ステージ１２２は、部分的に酵素的加水分解されたバイオマスのための輸送導管の周りの間接冷却装置、例えば熱交換器又は冷却用ジャケットである。冷却ステージは、液化材料の温度を約５０℃〜３０℃まで減少させ、これによって低温の液化材料を生産する。

第１の酵素的加水分解反応槽１２６は比較的小さい槽であり、例えば約１，５５０ｍ³の容積、又は約７５０〜５００ｍ³の範囲の容積を有する。槽１２６は、槽の狭小端において上部入口を有する円錐形である。槽の上流（上部）領域において、混合アームは比較的短く、槽の下流（下部）領域において比較的長い。第１の酵素的加水分解反応槽１２６の上部領域は、高い見かけの粘度の前処理済みのバイオマス１１１を処理するのに適しているが、ここでの前処理済みのバイオマスは、細かい粒子の固形分と水の混合物、又は非常に高い見かけの粘度の泥状物質であることが多い。第１の酵素的加水分解反応槽１２６における酵素的加水分解において、前処理済みのバイオマス１１１中の固形分は比較的低い見かけの粘度を有する液体に変換される。この低い見かけの粘度により、第１の酵素的加水分解反応槽１２６の下部領域における長い混合アームを動かすために必要とされるトルクは、第１の酵素的加水分解反応槽１２６の上部領域における、冷却されｐＨが調整されたより粘稠の前処理済みのバイオマス１３４のための短い混合アームを動かすために必要とされるトルクと実質的に類似している。

冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４は、第１の酵素的加水分解反応槽１２６において、比較的短い保持期間、例えば約０．５〜６．０時間を有する。第１の酵素的加水分解反応槽１２６において、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４における固形分をセルロースから糖に部分的に変換して、液化材料１３１にするために必要とされる保持時間は、約６時間以下であり、３時間以下又は２時間以下であることもある。短い保持時間、例えば約６〜０．５時間の終盤において、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４の酵素的加水分解は完全ではなく、完全に酵素的加水分解されたバイオマスは生産されていない。

第１の酵素的加水分解反応槽１２６における酵素的加水分解プロセスによって、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４の長鎖ポリマーがより短い分子へ切断されて、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４の見かけの粘度が低減される。実質的に液体であり、（前処理済みのバイオマスと比較して）低い見かけの粘度を有するので、液化材料１３１は分割することができ、導管１２３を経由する少なくとも部分は、ポンプ１２０により冷却ステージ１２２を通り、導管１１６を経由して混合ステージ１１２にポンプ輸送される。

混合ステージ１１２は連続プロセスである。連続プロセスにおいて、液化材料１３１の連続流は、第１の酵素的加水分解反応槽１２６の排出口を出て、ポンプ１２０により冷却ステージ１２２、例えば間接冷却装置又は冷却用ジャケットを備えた導管（ここで低温の液化材料が生成される）を経由して、混合ステージ１１２内の混合装置、例えばスクリューコンベア及び混合器に流れる。液化材料１３１の一部が導管１２３を通り冷却ステージ１２２に流入する速度は、制御されて、第１の酵素的加水分解反応槽１２６への上部入口に入る、前処理済みのバイオマス１１１と冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４との混合物の温度が調整される。さらに塩基剤１１４が、例えば前処理済みのバイオマス１１１と液化材料１３１との混合物のｐＨを増加させるために添加され、さらに水１３０が冷却するために添加されることがある。

前処理済みのバイオマス１１１を冷却するために迂回されなかった液化材料１３１の部分は、導管１３２を経由して第２の酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）１２８に流入する。液化材料１３１の部分の第２の酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）への搬送はポンプ（図示せず）を介する。第２の酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）１２８は従来のタンク、例えば円筒槽であり、第１の酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）１２６（第１の酵素的加水分解反応槽１２６は約１，５５０ｍ³の容積を有する。）と異なる容積（例えば、第２の酵素的加水分解反応槽は約１１，５００ｍ³の容積を必要とする。）を有する。液化材料１３１の一部は、前処理済みのバイオマス１１１を冷却するために使用されるので、第２の酵素的加水分解反応槽１２８に必要とされる容積容量は、図１の従来のシステムの単一の酵素的加水分解反応槽１２８のような大きさを必要としない。第２の酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）１２８は、連続式又はバッチ式で運転される。第２の酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）１２８において酵素的加水分解を完了するための期間は、比較的長く、例えば約２１〜６９時間又はそれ以上である。第１の酵素的加水分解反応槽１２６及び第２の酵素的加水分解反応槽（vessel(s)）１２８において起こる酵素的加水分解のための合計期間は、図１に示されているプロセスにおける従来の酵素的加水分解期間と同様であるが、例示的態様（図２）の第１の酵素的加水分解反応槽１２６及び第２の酵素的加水分解反応槽１２８の合計容積は実質的に小さく、図１の従来のシステムのための約３７，０００ｍ³に対して約１３，０５０ｍ³である。従来のシステム（図１）に比べて例示的態様システム（図２）での酵素的加水分解のための合計容積容量が減少することは重要なことであり、設備のための大幅なコスト削減をもたらす。

前に論じたように、第１及び第２の酵素的加水分解槽１２６、１２８の合計容積は、例えば図１に示す酵素的加水分解反応槽の容積より実質的に少ない。前処理済みのバイオマス１１１を冷却し、固形分濃度を調節するために水１３０と共に液化材料１３１（部分的に酵素的加水分解されたバイオマス）を使用し、混合及び酵素的加水分解のために連続プロセスを使用することにより、図２に示すプロセスにおける混合ステージ１１２及び酵素的加水分解反応槽（vessels）１２６、１２８において必要とされる容積は、図１に示すプロセスのために必要とされる容積と比較して、実質的に減少されている。

図３において、共通の参照番号が図１及び図２に示すプロセス構造及び工程と共通のものを示すために使用され、図３は酵素を前処理済みのバイオマスと混合するための例示的実施態様を示す。前処理済みのリグノセルロース系バイオマス９は、バッファータンク１１０（バッファータンク１１０はサイクロン又は他の槽である。）に入り、いくつかの実施態様では、前処理済みのリグノセルロース系バイオマス９は、スラリーとしてバッファータンク１１０に入り、前処理済みのバイオマス１１１としてバッファータンク１１０を出る。またある例示的実施態様では、前処理済みのバイオマス１１１はバッファータンク１１０から第１コンベア１２に搬送される。前処理済みのリグノセルロース系バイオマス９は、約１０，０００ｍＰａ・ｓより大きい見かけの粘度、又は約１５，０００ｍＰａ・ｓより大きい見かけの粘度、あるいは他の例示的態様では約２０，０００ｍＰａ・ｓより大きいか又は約２５，０００ｍＰａ・ｓさえよりも大きい見かけの粘度を有する。バッファータンク１１０における前処理済みのリグノセルロース系バイオマス９は、約１００℃（１００℃から約１５℃相違する範囲内）の温度、４０重量％の固形分含有量であり、約１〜４のｐＨを有する。バッファータンク１１０から、前処理済みのバイオマス１１１は第１コンベア１２に搬送される。第１コンベア１２は、スクリュー、又はさらに特定すると「冷却及びｐＨ調整スクリュー」である。ある実施例におけるこの第１コンベア１２において、前処理済みのバイオマス１１１の温度又はｐＨは、条件が酵素のためにより理想的とされるように上述のように変更される。ある例示的実施態様において、前処理済みのバイオマス１１１の温度は低下され、ｐＨは上昇される。液化材料１３１は、第１の酵素的加水分解反応槽１２６の排出装置３８を出て、バッファータンク１１０及び／又は第１コンベア１２に再循環される第１の液化材料部分３８'''と、ポンプ２１に送られる第２の液化材料部分３８’’とに分割される。第１の液化材料部分３８’’’は、冷却された第１の液化材料部分４０を生産するために冷却器８において冷却される。バッファータンク１１０からの前処理済みのバイオマス１１１の第１コンベア１２における温度は、再循環された液化材料１３１、特に冷却された第１の液化材料部分４０の添加により低減される。しかしながら、上記は例示のためだけのものであり、前処理中又は前処理後の混合物のｐＨ又は温度によっては、いつもこのようであるわけではない。

第１の酵素的加水分解反応槽１２６から排出される液化材料１３１は、約４０℃〜５５℃の温度で、反応槽排出装置３８を経由して排出される。排出装置３８を通じて排出される液化材料１３１の一部は、導管３９’を経由してバッファータンク１１０に、及び／又は導管３９を経由して第１コンベア１２に再循環される。反応槽排出装置３８から再循環されている第１の液化材料部分３８’’’を冷却するために、冷却器（例えば間接熱交換器又は他の適当な装置）８が、再循環している第１の液化材料部分３８’’’の温度を約２０℃〜４０℃の間に低下させるために使用され、この冷却器は低温の水又は他の適切な冷却用液体を使用し、冷却された第１の液化材料部分４０を創製する。

ある例示的実施態様においては、もし必要となる理由があれば、第１コンベア１２において、ｐＨ調整剤３、例えばアルカリ化合物又は酸性化合物、あるいは（導管３９を経由して）温度変更材料、例えば再循環される冷却された第１液化材料部分４０及び／又は冷却用液体５（例えば冷却水、蒸留廃液又は工場からのプロセス液体）が、前処理済みのバイオマス１１１のｐＨ又は総固形分コンシステンシー又は温度を調整するために前処理済みのバイオマス１１１に添加され、これらの数値は酵素的加水分解のために必要な範囲におさまる。センサー１１、例えば温度及び／又はｐＨセンサーは、第１コンベア１２によって排出された、冷却されｐＨが調整された前処理済みのバイオマス１３４を監視し、第１コンベア１２へ供給される前処理済みのバイオマス１１１のｐＨ及び温度を調整するためのデータを提供する。

ある例示的実施態様において、再循環される冷却された第１の液化材料４０の少なくとも一部は、導管３９’を経由してバッファータンク１１０に添加される。ｐＨ調整剤３はアルカリベース化合物（又はもし必要であれば酸性化合物）であり、追加の再循環される冷却された第１液化材料４０が前処理済みのバイオマス１１１に導管３９を経由して添加されてもされなくてもよい。

ある実施例において、再循環される冷却された第１液化材料４０は、導管３９’を経由してバッファータンク１１０に添加される。ｐＨ調整剤３はアルカリベース化合物（又はもし状況が要求する場合には酸性化合物）であり、冷却用液体５、例えば低温水、蒸留廃液又は工場からのプロセス流が前処理済みのバイオマス１１１に添加される。

他の例示的実施態様において、前処理済みのバイオマス１１１のｐＨが高すぎる場合には、酸性化合物を含有するｐＨ調整剤３が前処理済みのバイオマス１１１のｐＨを調整するために添加され、これらの数値は上記の範囲におさまる。さらなる例示的実施態様においては、第１コンベア１２において、前処理済みのバイオマス１１１の総固形分濃度は、約１０〜３０重量％、約１５〜３０重量％又は約１８〜２５重量％に減少される。

前処理済みのバイオマス１１１のｐＨ、温度又は総固形分濃度が、ｐＨ調整剤３、例えばアルカリ化合物、導管３９’及び／又は３９を経由する温度変更剤、及び／又は例えば再循環される冷却された第１液化材料４０及び冷却用液体５を添加することにより変更され、酵素の能力のためにより理想的又はより望ましい範囲内におさまり、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４は、スクリューコンベアである第２コンベア１４に搬送される。この第２コンベア１４において、酵素溶液７のうちの酵素溶液第１部分７’はスプレーされるか、あるいは第２コンベア１４における冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４と混合される。いくつかの場合において、酵素溶液第１部分７’が、第２コンベア１４にわたって均等に配置されているスプレーノズル（nozzles）１５から第２コンベア１４にスプレーされる。他の例示的実施態様において、酵素溶液第１部分７’は、（第２コンベア１４の両端にある）軸方向入口１３を経由するか、又はコンベア１４上で種々不規則に間隔が空けられた位置に設置されている入口を経由して、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４に添加される。

スラリー１５０への酵素溶液第１部分７’の添加に続いて、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４を有し、酵素溶液第１部分７’を含むスラリーは槽１６に搬送される。ある例示的実施態様において、スラリー１５０は、さらなるスラリー１５０が残りの処理工程のために槽１６に添加されるまで、槽１６に残留することがある。槽１６はバッファータンクである。他の例示的実施態様において、スラリー１５０は、槽１６に行くよりも第２コンベア１４から混合器１８に直接搬送されることがある。いくつかの実施態様において、混合器１８は流動式混合器（fluidizing mixer）である。いくつかの例において、容積型ポンプ（positive displacement pump）１７’によってスラリー１５０が槽１６からパイプ２３を経由して混合器１８に搬送される。容積型ポンプ１７’は中程度コンシステンシーの容積型ポンプである。容積型ポンプ１７’は、第２コンベア１４から混合器１８まで直接延びているパイプ２３’において存在してもよい。

ある例示的実施態様において、スラリー１５０が混合器１８に搬送されるときに、スラリー１５０は約２，０００ｍＰａ・ｓ〜３，０００ｍＰａ・ｓもの低い見かけの粘度を有する。

混合器１８は中コンシステンシーの混合器である。酵素溶液第２部分７’’は、スラリー１５０と共に混合器１８に添加される。代替的に、スラリー１５０が混合器１８に搬送された時点でスラリー１５０が混合され、その後に酵素溶液第２部分７’’がスラリー１５０に添加される。いくつかの場合において、酵素溶液第２部分７’’が、スラリー１５０と酵素溶液第２部分７’’とを混合する前に添加される。他の例示的実施態様において、酵素溶液第２部分７’’が混合の開始と同時又は混合の開始に続いて添加される。さらなる例示的実施態様において、酵素溶液第２部分７’’は、スラリー１５０が混合器１８に添加されるのと同時に添加され、これによってスラリー１５０及び酵素溶液第２部分７’’の両方が、混合の開始の前に存在することになる。

例示的実施態様において、酵素溶液第２部分７’’及びスラリー１５０は、混合器１８が例えば約２００〜６，０００ｒｐｍ（１分間あたりの回転数）、約３００〜５，０００ｒｐｍ、及び約４００〜４，０００ｒｐｍの範囲の回転速度で運転している間に、実質的に同時に混合器１８に添加される。スラリー１５０及び酵素溶液第２部分７’’は、ある予め決められた期間、例えば０．０５〜５００秒、約０．１〜３００秒、及び０．１〜１００秒の範囲の期間、混合される。混合器１８において、スラリー１５０及び酵素溶液第２部分７’’をこのようにして上記の速度で混合することにより、酵素溶液７からの酵素を実質的に劣化させたり、変性させたりすることなく、酵素により、スラリー１５０中のリグノセルロース系粒子及びポリマー状の糖をより迅速に消化させることができるという有利な結果がもたらされる。

酵素溶液第１部分７’及び酵素溶液第２部分７’’の両方がスラリー１５０中へ混合された後に、スラリー１５０は次に搬送、例えば他の槽、第１の酵素的加水分解反応槽１２６にポンプ輸送される。第１の酵素的加水分解反応槽１２６は高コンシステンシー槽又は混合器である。第１の酵素的加水分解反応槽１２６は、非常に高粘度の材料から、より低粘度の材料へ、又はある例示的実施態様においては、さらに液体へのより円滑な遷移を可能にする。

いくつかの実施態様において、混合器１８及び第１の酵素的加水分解反応槽１２６は一体型（single piece）の装置（図示しないが、例えば混合器／反応槽）であり、混合及び酵素的加水分解の両機能によって、一体型の設備において液化材料を提供することを可能にする。

冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４への酵素溶液７の添加の前に、一体型の搬送装置（スクリューコンベア又は複数のスクリューコンベアに限定されない）において、搬送、冷却及びｐＨ調整の機能が発揮されるようにすることも可能である。いくつかの実施態様において、酵素溶液７の添加は、混合器１８及び第１の酵素的加水分解反応槽１２６の前、又は組み合わされた一体型の混合器／反応槽の前において、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４の搬送中にのみ行われる。さらに他の実施態様では、酵素溶液の添加は混合器１８においてのみ、又は第１の酵素的加水分解反応槽１２６においてのみ、又は組み合わされた一体型の混合器／反応槽においてのみ行われる。

反応槽排出装置３８から排出される液化材料１３１を使用して、再循環ループが形成される。液化材料１３１は少なくとも２つの部分に分割され、１つの部分３８’’ （第２液化材料部分３８’’）はさらなる処理のために液化材料ポンプ２１に送られ、もう１つの部分３８’’’（第１液化材料部分３８’’’）は、冷却器に送られ、そこで冷却され、前処理槽１１０及び／又は第１コンベア１２に、又は必要に応じて酵素溶液７及びｐＨ調整剤３の注入の前の他の適切な場所に再循環される。

図３に示すように、スラリー１５０は、第１の酵素的加水分解反応槽１２６の反応槽排出装置３８から排出される液化材料１３１になった後、ある例示的実施態様では、液化材料ポンプ２１が第２液化材料部分３８’’を少なくとも１つの第２酵素的加水分解反応槽１２８’（１２８’’、１２８’’’）に搬送するために使用され、そこで、さらなる液化又はさらなる酵素的加水分解が行われる。第２液化材料部分３８'’を第２酵素的加水分解槽１２８'、１２８’’１２８’’’に搬送するために使用される液化材料ポンプ２１は、ある例示的実施態様では、遠心ポンプ又は容積型ポンプである。さらなる例示的実施態様において、少なくとも１つの第２の酵素的加水分解反応槽１２８'（１２８’'、１２８’’’）は単一の第２の酵素的加水分解反応槽である。いくつかの場合において、実質的に完全な酵素的加水分解が、１つ又はそれ以上の第２の酵素的加水分解反応槽１２８’、１２８’’、１２８’’’において行われ、加水分解反応槽はそれぞれが回転混合装置を備えている。第２の酵素的加水分解反応槽１２８’、１２８’’、１２８’’’から排出された生産物１１９は、完全に酵素的加水分解されたバイオマス流である。

ある例示的実施態様において、酵素的加水分解プロセスの生産物１１９は、糖、例えばモノマー状の糖を含み、生産物ポンプ４６によってポンプ輸送されて、広範囲の分野又は用途に使用される。生産物１１９はエタノールを生産するため、又は他の付加価値のある化学物質を生産するために使用される。

図４（図１〜３と共通する装置及び流れは、同じ参照番号が使用されている。）は、代替的な態様を示し、この態様では導管７’’’を経由する混合器１８への酵素溶液７の単一の添加が行われ、酵素溶液７の添加は第２コンベア１４において行われない。このような例において、第２コンベア１４は必要とされない。酵素溶液部分７は、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４と共に混合器１８に添加される。代替的に、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４が混合器１８に搬送されると、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４が混合され、その後に酵素溶液７が、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４に添加される。いくつかの場合において、酵素溶液７は、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４と酵素溶液７とを混合する前に添加される。他の例示的実施態様において、酵素溶液７は混合の開始と同時、又は混合の開始に続いて添加される。さらなる例示的実施態様において、酵素溶液７は、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマス１３４が混合器１８に添加されるのと同時に混合器１８に添加され、これによって両者が混合の開始の前に混合器１８に存在することになる。

図５は、水蒸気爆発されたバイオマスの酵素的加水分解のプロセス３００の追加的な実施態様を示し、ここでは、ｐＨ調整が酵素的加水分解反応槽からの冷却された液化材料の添加の前に行われる。

前処理され、水蒸気爆発された高温の（典型的には約６０℃より高い温度である）リグノセルロース系材料（バイオマス）原料３０１は、バッファータンク３０２に供給される。部分的な温度調節及びｐＨ調整が、冷却材料３１２の添加によって原料３０１に対してなされる。冷却材料３１２は水であるか、又はｐＨ調整液体３０９の添加を伴う、プロセス内の他の場所からの濾液３１１であり、熱交換器又は冷却器３０８を介して冷却されることもある。バッファータンク３０２から、材料は酵素的加水分解供給装置３０３に供給され、そこで、酵素的加水分解された連続反応槽排出物３０５の少なくとも一部が導管３０６及び冷却器３０７を経由して酵素的加水分解供給装置３０３に供給され、冷却された反応槽原料３１５が生産される。冷却された反応槽原料３１５は混合器３１３に搬送され、そこで導管３１４を経由した酵素溶液が第１酵素混合器３１３に、又は第１酵素混合器３１３の前に添加されて、冷却された反応槽原料と酵素との混合物３１６が生産され、これが少なくとも１つの連続酵素的加水分解反応槽３０４における処理、及び／又は追加的な酵素的加水分解反応槽、連続又はバッチ反応槽におけるさらなる処理のために用いられる。連続酵素的加水分解反応槽３０４からの酵素的加水分解された連続反応槽排出物３０５の一部は、さらなる又は次の酵素的加水分解のための他のプロセス装置に供給される。

フローシステムが、本明細書において連続フローシステムとして記載されている。

原料３０１の温度又はｐＨは、酵素的加水分解プロセスにわたって少し変動するが、ある例示的実施態様においては、酵素の能力を増大させるために、温度を約４０℃〜５５℃未満（又は約５０℃未満）に維持し、ｐＨを約４〜６．５（又は約４．５〜６．５）の範囲に維持することが有利である。

図６は、前処理済みのバイオマス（本例においてはバガス）の見かけの粘度と粘度試験装置内の混合作用のｒｐｍとの間の関係を示す線グラフである。見かけの粘度の測定において使用されるｒｐｍはこの測定において重要である。本明細書において、見かけの粘度の測定には、広く認められている、円筒スピンドルを備えるブルックフィールド粘度計（Brookfield Viscometer）、特に４つのスピンドルを有し、１分間当たり０．１〜２００回転（ｒｐｍ）の速度で運転することが可能なLV DV-II+が使用された。本明細書で報告された見かけの粘度は、２０ｒｐｍで測定されたものである。

図７は、酵素的加水分解処理段階の種々の時間における見かけの粘度を示し、バガスが、再びこの調査で使用されているバイオマスである。１〜３時間の期間における前処理済みのバガスは、再循環された液化材料を含まない。第１の酵素的加水分解反応槽は、連続運転で３時間の保持時間を有し、それゆえ第１の加水分解反応槽のスタート時に加えられた材料は３時間の間、第１の酵素的加水分解反応槽内に残り、対照サンプルと考えることができる。運転の最初の３時間の間に前処理済みのバガスのために、低温水のみが冷却剤材料として加えられた。

１時間の時点で、見かけの粘度は約３，０００ｍＰａ・ｓを超え、３時間後に見かけの粘度は約１，０００ｍＰａ・ｓを超えて留まり、酵素的加水分解反応槽から排出される液化材料は冷却剤として使用するために適するが、もし必要であれば、冷却剤として使用する前に液化材料は冷却され、冷却剤のために所望の温度に冷却される。連続運転の３時間後に（最初の３時間は対照サンプルと考えられる）、生産され、酵素的加水分解反応槽から排出される液化材料の一部は、酵素的加水分解反応槽に供給される前処理済みのバガスのための冷却剤として使用される。再循環される液化材料で冷却された前処理済みのバガスの見かけの粘度は、３．１時間の時点でサンプリングされたものである。冷却剤として使用される再循環される液化材料の固形分含量が、運転の最初の３時間の間に冷却剤のみとして水を用いるときの固形分濃度より高いので、見かけの粘度の上昇が起こる。運転が６時間続くと、前処理済みのバガスの酵素的加水分解が続き、液化材料が生産される。６時間の時点の後に液化材料のサンプルが採取され、その見かけの粘度は約１，０００ｍＰａ・ｓであると確認された。冷却用液体が、すべての水から、少なくとも一部の冷却用液体が液化材料であるように変更される時点からの期間である３．１時間から６時間の期間が液化材料を再循環することによる影響を示している。この評価の間、液化材料／非液化材料の比率は２．２である。図７に示すように、３時間の時点（試験の対照部分）における見かけの粘度は、６時間の時点における見かけの粘度より高く、これにより、冷却用液体の少なくとも一部として、再循環される液化材料を使用することがプロセスに有利であることが確認される。

図８は、酵素的加水分解が起こる時間にわたるグルカン（セルロース）のグルコースの変換率（収率％）の線グラフを示す。プロセスの時間にわたって、特に最初の７２時間の時点で、より高い変換率、より高いグルコース収率％を有することが望ましい。酵素的加水分解の多くの工業的な運転においては、酵素との接触のための保持時間を約７２時間に限定している。図８に示すように、グルコースの収率％は、水だけが冷却用液体として使用される対照と比較して、液化材料が冷却用液体の少なくとも一部として再循環され、使用されるとき、より高くなる。

図９は、図８に対応する棒グラフ及び収率表を示す。このグラフ及びグルコース収率データ（上で議論した対照ケースと再循環ケースにおけるグルコース収率データ）は、時間に対するグルコース収率は最初の約６時間の間は酷似しているが、バイオマスの工業的酵素的加水分解が終了すると通常考えられている時点である約７２時間において、ほぼ約５％のグルコースの収率の改善が、前処理済みのバイオマスの冷却剤として再循環される液化材料の少なくとも一部を使用したプロセスで実現されていることを示している。

図１０は、第２の試験運転であり、ここでも、対照運転と液化材料再循環運転におけるグルコースの収率は、酵素的加水分解の初期の数時間では酷似しており、冷却用液体の少なくとも一部として再循環される液化材料を使用する場合に、約７２時間の時点において、グルコース収率が有意に改善することが示されている。図１１は、図１０と同じ情報を棒グラフの形で示し、収率表が追加されている。酵素的加水分解の約７２時間の時点において、対照の場合のグルコース収率は、再循環される液化材料が前処理済みのバイオマスの冷却用液体の少なくとも一部として使用される場合のグルコース収率よりほぼ約５％低い。

本記載に接した当業者であれば、本開示の例示的な実施態様は、本明細書に明示的に開示されたり又は開示されていない要素、工程又は特徴が存在しなくても適切に実施され得ることを理解するであろう。

本明細書に記載されたすべての方法は、本明細書に他に示されたり、他に文脈により明確に矛盾しない限り、適切な手順で実施され得る。あらゆる全ての例示の使用、又は本明細書で示された例示的な用語（例、「例えば」）は、例示的態様をより明確にすることを意図しただけであり、他に特許請求されない限り、本明細書に添付の特許請求の範囲を限定するものではない。明細書における記載は、特許請求されていないあらゆる要素が必須であることを示していると解釈されるべきではない。

本明細書に記載された例示的な実施態様の利点及び特徴は、本記載において特に指摘された手段及び組合せによって実現され、達成される。前段の一般的な記載、及びそれに続く詳細な記載は、例示し、説明するためだけのものであり、添付の特許請求の範囲を制限するものではない。例示的実施態様は詳細に記載されたているが、その前の記載は全ての面において一例を示すものであり、限定するものではない。多くの他の修正及び変更が例示的実施態様の範囲から離脱することなく考案され得ること、添付の特許請求の範囲内に含まれる種々の修正及び等価な構成に及ぶことを意図していることを理解されたい。

「バイオマス」という用語は、生存しているか又はそれまでに生存していた生物有機体から誘導されるあらゆる材料に一般に関する。エネルギーという観点ではバイオマスは植物材料を意味するのによく使用されるが、畜産業や、食品の処理・調製からの副生成物や廃棄物、及び家庭の有機廃棄物も、すべてバイオマスの供給源を形成し得る。バイオマスは広く入手可能であり、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを高い割合で含む。バイオマスの４つの主要なカテゴリーは、（１）廃材（製材所及び製紙工場の不要物を含む）、（２）自治体の紙廃棄物、（３）農業残渣（コーンストーバー、コーンの穂軸、及びサトウキビバガス）、及び（４）専用のエネルギー作物（これらは速生長性の背の高い木質の草、例えばスイッチグラス（switch grass）及びススキ（Miscanthus）から主になる。）である。リグノセルロース系バイオマスは、植物の細胞壁を構成する３つの主要なポリマー、すなわち、（１）セルロースや、Ｄ−グルコースのポリマー、（２）少なくとも２つの異なるポリマー、すなわちキシラン、キシロースとグルコマンナンとのポリマー、グルコースとマンノースとのポリマーを含むヘミセルロース、及び（３）リグニンや、グアヤシルプロパン（guaiacyl propane）単位とシリンジルプロパン（syringyl propane）単位とのポリマーを含む。これらの構成成分の内で、セルロースが、エタノールに発酵され得るモノマーグルコースに変換されるので最も望ましいと信じられている。

Claims (12)

1. バイオマス材料を酵素的加水分解するためのシステムであって、このシステムは、
   バイオマス材料を受け入れるための前処理反応器；
   前処理反応器の排出部に流体連通しており、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを生産するために、冷却用液体及びｐＨ調節剤、又はこれらの組合せを受け入れることが可能である搬送システム；
   搬送システムに流体連通しており、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスに酵素溶液を添加するための酵素添加システム；
   搬送システムに流体連通しており、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを、より高い見かけの粘度及びより高い（未変換セルロース／糖含量）比率から、より低い見かけの粘度及びより低い（未変換セルロース／糖含量）比率へ変換させ、それによって液化材料を創製するための少なくとも1つの槽；
   を含み、
   冷却用液体の少なくとも一部として液化材料の少なくとも一部を、前処理済みのバイオマスに再循環させ、
   液化材料の少なくとも第２の部分を後続の酵素的加水分解反応槽に搬送し、完全に加水分解されたバイオマスを生産すること
   を特徴とするバイオマス材料を酵素的加水分解するためのシステム。
2. 搬送システムが、前処理済みのバイオマスを前処理反応器から運搬する少なくとも第１コンベアを含み、冷却用液体又はｐＨ調整剤、又は両方の組合せが前処理済みのバイオマスに注入される入口を含む請求項１に記載のシステム。
3. 搬送システムが、第１コンベア又は第２コンベア又は混合器、又はこれらのいずれかの組合せを介して、酵素溶液を、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスに注入する手段を含む請求項２に記載のシステム。
4. 混合器が少なくとも第１コンベア又は第２コンベアの排出部に流体連通しており、混合器が約４００〜約４，０００ｒｐｍの速度で回転する混合装置を含み、混合器は、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを酵素溶液とともに約０．０５〜約２００秒間保持するものであり、混合器は、酵素溶液が冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスに混合中に添加される入口を含む請求項３に記載のシステム。
5. 少なくとも１つの槽において生産された液化材料が少なくとも１つの槽から排出される請求項１に記載のシステム。
6. 少なくとも第１の槽から排出された液化材料の一部が、熱交換器で冷却され、前処理済みのバイオマスを冷却するために使用される冷却用液体の少なくとも一部として前処理済みのバイオマスに再循環される請求項５に記載のシステム。
7. 液化材料が、酵素溶液の添加の前に前処理済みのバイオマスに添加される請求項５に記載のシステム。
8. 酵素溶液の単一添加が混合器において行われる請求項３に記載のシステム。
9. 第２コンベアからの冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを一時的に保持し、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを容積型ポンプに排出するためのバッファータンクをさらに含む請求項３に記載のシステム。
10. 酵素溶液注入のための入口が、第１コンベア又は第２コンベアの１つの長手方向の長さに沿う複数の位置に、均等に間隔を置いて配置されている請求項３に記載のシステム。
11. 第２の反応器が、少なくとも第１の槽から搬送されている液化材料を受け入れることがそれぞれ可能な後続の複数の反応槽を含む請求項３に記載のシステム。
12. プロセスフローシステムであって、このシステムは、
    バイオマスを少なくとも約１００℃の温度で前処理するために構成された前処理反応槽；
    液化材料の少なくとも一部の連続流を使用し、前処理済みのバイオマスの連続流を８０℃以下の温度に冷却するために構成された冷却装置；
    ｐＨ調整剤を前処理済みのバイオマスに添加するために構成されたｐＨ調整装置；
    酵素、酵母、好熱性バクテリア、中等温度好性バクテリア、又は他の生物学的触媒の少なくとも１つを使用し、冷却されｐＨ調整された前処理済みのバイオマスを酵素的加水分解して、液化材料を生産するために構成された少なくとも第１の槽；
    酵素、酵母、好熱性バクテリア、中等温度好性バクテリア、又は他の生物学的触媒の少なくとも１つを使用し、少なくとも第１の槽において生産された液化材料の少なくとも一部を酵素的加水分解するために構成され、少なくとも第１の槽から排出された液化材料の少なくとも一部を受け入れるために連結された少なくとも１つのさらなる酵素的加水分解反応槽；及び
    液化材料の少なくとも一部を冷却装置に搬送するために構成されたポンプ
    を含むことを特徴とするプロセスフローシステム。
    

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