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

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 Download PDF

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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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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2964192A1 (en) * 2014-10-21 2016-04-28 Dsm Ip Assets B.V. Process for enzymatic hydrolysis of lignocellulosic material and fermentation of sugars
CN107002100A (zh) * 2014-10-29 2017-08-01 坎比科技公司 处理生物质和有机废物的方法和装置
KR101699391B1 (ko) * 2015-09-25 2017-01-24 에스케이이노베이션 주식회사 분획 및 결합형 바이오매스 당화기 및 이를 이용한 바이오매스 당화방법
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012504935A (ja) * 2007-10-09 2012-03-01 スノプタ、バイオプロセス、インコーポレイテッドSunopta Bioprocess Inc. リグノセルロース材料を処理するための2段階酵素加水分解法
RU2010117586A (ru) 2007-10-10 2011-12-10 Маскома Канада Инк.,Са (Ca) Обработка лигноцеллюлозных материалов с использованием рафинирования в дисковых мельницах и ферментативного гидролиза
US8057639B2 (en) * 2008-02-28 2011-11-15 Andritz Inc. System and method for preextraction of hemicellulose through using a continuous prehydrolysis and steam explosion pretreatment process
EP2414533A4 (en) 2009-04-03 2016-01-06 Greenfield Ethanol Inc Fed batch process for biochemical conversion of lignocellulosic biomass to ethanol
EP2640839B1 (en) * 2010-11-21 2015-08-12 Andritz, Inc. Method and apparatus for mixing a lignocellulosic material with enzymes

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