JP2016154554A

JP2016154554A - バイオマスの糖化方法

Info

Publication number: JP2016154554A
Application number: JP2016074851A
Authority: JP
Inventors: マーシャルメドフ; Marshall Medoff; トーマスマスターマン; Masterman Thomas
Original assignee: Xyleco Inc
Current assignee: Xyleco Inc
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2016-04-04
Publication date: 2016-09-01
Also published as: IL234044A0; EP2396415A2; IL234042A0; BRPI1008370A2; KR20110128845A; EA201171042A1; NZ610238A; CA2749682A1; IL213634A0; US20180209001A1; AU2010213656B2; MY157430A; AU2010213656A1; AP2011005856A0; NZ600967A; NZ730406A; JP2019080585A; EP2396415B1; AP4009A; IL234043A

Abstract

【課題】燃料などの有用な産物を産生するために、バイオマス供給材料(例えば、植物バイオマス、動物バイオマス、および都市廃棄物バイオマス)を加工し、エタノール等を産生するシステムの提供。【解決手段】セルロース供給材料またはリグノセルロース供給材料を準備する工程と、供給材料を液体および糖化剤と混合する工程を含み、さらに輸送前に、少なくとも部分的な糖化を生じさせる工程、あるいは輸送前に、実質的に完全な糖化を生じさせる工程を含む。【選択図】図１

Description

関連出願
本願は、2009年2月11日に出願された米国特許仮出願第61/151,695号に係る優先権を主張する。本仮出願の全開示は参照として本明細書に組み入れられる。

技術分野
本発明は、バイオマスの加工およびそれから作製された産物に関する。

背景
様々な炭水化物、例えば、セルロース材料およびリグノセルロース材料、例えば、繊維の形をしたセルロース材料およびリグノセルロース材料が多くの分野で多量に生産、加工、および使用される。多くの場合、このような材料は一度用いられると、廃棄物として捨てられるか、または廃棄材料、例えば、下水、バガス、おがくず、およびストーバーにすぎないと考えられている。

様々なセルロース材料およびリグノセルロース材料、これらの使用ならびに用途が、米国特許第7,307,108号（特許文献1）、同第7,074,918号（特許文献2）、同第6,448,307号（特許文献3）、同第6,258,876号（特許文献4）、同第6,207,729号（特許文献5）、同第5,973,035号（特許文献6）、および同第5,952,105号（特許文献7）;ならびに2006年3月23日に出願された「FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES」PCT/US2006/010648（特許文献8）および「FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES」米国特許公開公報第2007/0045456号（特許文献9）を含む様々な特許出願に記載されている。

トウモロコシからエタノールを生産するための大規模な製造プラントが存在する。このような施設は、他の供給材料からエタノールを産生するように合わせられていない。

米国特許出願第2006/0127999号（特許文献10）「Process for producing ethanol from corn dry milling」、および米国特許出願第2003/0077771号（特許文献11）「Process for producing ethanol」はそれぞれ、その全体が参照として本明細書に組み入れられる。さらに、米国特許第7,351,559号（特許文献12）「Process for producing ethanol」、米国特許第7,074,603号（特許文献13）「Process for producing ethanol from corn dry milling」、および米国特許第6,509,180号（特許文献14）「Process for producing ethanol」はそれぞれ、その全体が参照として本明細書に組み入れられる。

米国特許第7,307,108号米国特許第7,074,918号米国特許第6,448,307号米国特許第6,258,876号米国特許第6,207,729号米国特許第5,973,035号米国特許第5,952,105号 PCT/US2006/010648 米国特許公開公報第2007/0045456号米国特許出願第2006/0127999号米国特許出願第2003/0077771号米国特許第7,351,559号米国特許第7,074,603号米国特許第6,509,180号

概要
一般的に、本発明は、セルロース供給材料またはリグノセルロース供給材料を、例えば、既存の製造施設、例えば、デンプン、例えば、穀物もしくはトウモロコシから、スクロース含有材料から、またはラクトース含有材料、例えば、乳清からエタノールを製造するように合わせられているプラント、中間体または産物、例えば、エネルギー、燃料、例えば、エタノール、食物または材料を製造するように合わせられているプラントにおいて容易に輸送および利用することができる便利なかつ濃縮された形に変換し、変換された材料を製造施設に輸送するためのプロセスに関する。このような濃縮物は水をほとんど使用せず、その結果、製造コストおよび輸送コストを大幅に削減することができる。濃縮物はまた、バイオプロセス施設、例えば、酵素を製造する施設において使用することもできる。

本明細書において開示されるプロセスには、供給材料の糖化、および遠隔地、例えば、供給材料が生産または保管されている遠隔地から製造施設への供給材料の輸送が含まれる。場合によっては、輸送中に、糖化を部分的または完全に行うことができる。ある実施では、前記プロセスは、糖化の前または糖化の間に供給材料の抵抗性(recalcitrance)を減らす工程をさらに含む。前記プロセスは、供給材料のリグニン含有率を測定するさらなる工程、および測定されたリグニン含有率に基づいて、前処理が必要とされるかどうか、およびどのような条件が必要とされるかを確かめるさらなる工程を含んでもよい。

本明細書に記載の方法の多くは、セルロース材料および/またはリグノセルロース材料、例えば、天然の材料と比較して、抵抗性レベルが低く、分子量が低く、官能基化および/または結晶化度のレベルが異なるセルロース材料および/またはリグノセルロース材料を提供することができる。前記方法の多くは、エネルギー、燃料、食物、および材料などの有用な産物を産生するために、(酵素的加水分解の補助あり、または補助なしで)様々な微生物、例えば、一種類または複数の種類のホモ酢酸生成菌またはヘテロ酢酸生成菌が容易に利用することができる材料を提供する。産物の具体例には、水素、アルコール(例えば、一価アルコールまたは二価アルコール、例えば、エタノール、n-プロパノール、またはn-ブタノール)、糖、バイオディーゼル、有機酸(例えば、酢酸および/または乳酸)、炭化水素、副産物(例えば、タンパク質、例えば、セルロース分解性タンパク質(酵素)または単一細胞タンパク質)、ならびにこれらのいずれかの混合物が含まれるが、これに限定されない。他の例には、カルボン酸、例えば、酢酸または酪酸、カルボン酸の塩、カルボン酸およびカルボン酸の塩の混合物、ならびにカルボン酸のエステル(例えば、メチルエステル、エチルエステル、およびn-プロピルエステル)、ケトン、アルデヒド、α、β不飽和酸、例えば、アクリル酸およびオレフィン、例えば、エチレンが含まれる。他のアルコールおよびアルコール誘導体には、プロパノール、プロピレングリコール、1,4-ブタンジオール、1,3-プロパンジオール、これらのアルコールのいずれかのメチルエステルまたはエチルエステルが含まれる。他の産物には、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル、乳酸、プロピオン酸、酪酸、コハク酸、3-ヒドロキシプロピオン酸、いずれかの酸の塩、ならびにいずれかの酸および各塩の混合物が含まれる。

他の中間体、ならびに食品および薬製品を含む製品は、米国特許仮出願第61/139,453号に記載されている。米国特許仮出願第61/139,453号の全開示は、その全体が参照として本明細書に組み入れられる。

エタノールまたはn-ブタノールなどの本明細書において開示される方法により得られる産物の多くは、電源車(powering car)用、貨物自動車用、トラクター用、船用、もしくは列車用の燃料として、またはガソリンなどの他の成分とのブレンドとして、例えば、内燃機関燃焼燃料として、あるいは燃料電池供給材料として直接利用することができる。他の産物(例えば、有機酸、例えば、酢酸および/または乳酸)を、燃料として変換および利用可能な他の部分(例えば、エステルまたは無水物)に変換することができる。得られる産物の多くはまた、航空機、例えば、飛行機、例えば、ジェットエンジンのある飛行機またはヘリコプターに動力を供給するのにも利用することができる。さらに、本明細書に記載の産物は、発電用に、例えば、従来の蒸気発生プラントまたは燃料電池プラントにおける発電用に利用することができる。

一つの局面において、本発明は、セルロースを含有するセルロース供給材料またはリグノセルロース供給材料を準備する工程、供給材料を、溶媒、例えば、水、および薬剤、例えば、セルロースを糖化するように選択された酵素または酸と混合する工程、ならびに得られた混合物を輸送する工程を含む方法を特徴とする。適切な酸には、鉱酸、例えば、硫酸または塩酸が含まれる。

一部の実施には、以下の特徴の一つまたは複数が含まれる。前記方法は、輸送前に、少なくとも部分的な糖化を生じさせる工程、例えば、輸送前に、実質的に完全な糖化を生じさせる工程をさらに含んでもよい。場合によっては、その後に、酵素は溶液から変性または除去される。酵素は、例えば、溶液を80℃〜90℃まで、約5〜10分間、加熱することによって変性されてもよい。輸送する工程は、微生物を用いてデンプン(例えば、トウモロコシもしくは穀物)、スクロース、またはラクトースをエタノールに変換するように構成された施設、例えば、トウモロコシエタノールプラント、穀物エタノールプラント、スクロースエタノールプラント、またはラクトースエタノールプラントに混合物を輸送する工程を含んでもよい。

輸送する工程は、場合によっては、鉄道車両タンカー、タンクローリー、パイプライン、または油槽船(tanker vessel)に入れて発送する工程によるものでもよい。前記方法は、糖化を生じさせて、糖液または糖懸濁液を得、糖液または糖懸濁液からキシロースを除去する工程をさらに含んでもよい。溶液または懸濁液の糖総含有率は、少なくとも20重量％、30重量％、40重量％、50重量％、60重量％、70重量％、または80重量％でもよい。糖化された溶液または懸濁液はエタノールなどの産物を産生するのに使用することができる。

前記方法はまた、供給材料を溶媒および酵素と混合する前に、供給材料の抵抗性を減らす工程、例えば、供給材料を物理的処理で処理することによって供給材料の抵抗性を減らす工程も含んでもよい。物理的処理は、例えば、機械的処理、放射線照射、超音波処理、熱分解、酸化、水蒸気爆砕、化学処理、およびその組み合わせからなる群より選択されてもよい。化学処理は、一種類の化学物質または二種類以上の化学物質の使用を含んでもよい。機械的処理には、例えば、切断、粉砕、押し付け、摩砕、剪断、および切り刻みが含まれる。粉砕には、例えば、ボールミリング、ハンマーミリング、または他のタイプの粉砕が含まれ得る。

物理的処理は、本明細書において開示される処理のいずれか一つまたは複数を含んでもよく、単独で、または任意の望ましい組み合わせで適用されてもよく、1回または複数回適用されもよい。場合によっては、物理的処理は、電離放射線照射のみ、または電離放射線照射と、放射線照射前および/または放射線照射後の機械的処理を含んでもよい。放射線照射は、例えば、電子線を用いて行われてもよい。

場合によっては、前記方法は、供給材料の嵩密度を小さくするように、および/または供給材料の表面積を増やすように供給材料を機械的に処理する工程、例えば、供給材料に対して剪断プロセスを行うことによって供給材料を機械的に処理する工程を含む。いくつかの態様において、機械的処理後に、材料の嵩密度は、0.25g/cm³未満、例えば、0.20g/cm³、0.15g/cm³、0.10g/cm³、0.05g/cm³またはそれ未満、例えば、0.025g/cm³である。嵩密度は、ASTM D1895Bを用いて決定される。簡単に述べると、前記方法は、既知体積のメスシリンダーに試料を満たし、試料の重量を得る工程を含む。嵩密度は、試料の重量、グラムを、メスシリンダーの既知体積、立方センチメートルで割ることによって計算される。

別の局面において、本発明は、約10〜70重量パーセントのグルコース、例えば、15パーセント〜65パーセントまたは20パーセント〜60パーセントのグルコース、約2.5〜35重量パーセントのキシロース、例えば、約3.0パーセント〜約30パーセントまたは約5パーセント〜約28パーセントのキシロース、および液体、例えば、溶媒を含む組成物、例えば、糖濃縮物を特徴とする。ここで、組成物の糖総含有率は、約10〜90重量パーセント、例えば、約15重量パーセント〜85重量パーセント、または約20重量パーセント〜約75重量パーセントである。

ある実施では、組成物は、窒素源、例えば、尿素またはペプトン、例えば、約5〜750mM、例えば、約7.5mM〜500mM、または10mM〜250mMの濃度の窒素源、例えば、尿素またはペプトンをさらに含む。組成物はまた、界面活性剤、例えば、非イオン性界面活性剤、例えば、ポリエチレングリコールもしくはポリエチレングリコールのエステル(例えば、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート)、イオン性界面活性剤、例えば、陽イオン界面活性剤もしくは陰イオン界面活性剤、両親媒性界面活性剤、またはバイオサーファクタント、例えば、ソホロリピド(sophorolipid)、ラムノリピド、およびバシトラシンを含んでもよい。界面活性剤は、例えば、約0.1重量パーセント〜約5重量パーセント、例えば、約0.15重量パーセント〜約4.0重量パーセント、または約0.25重量パーセント〜約3.0重量パーセントの濃度で提供されてもよい。組成物はまた、以下:脂質、モノグリセリド、ジグリセリド、もしくはトリグリセリド、または不飽和脂肪酸;ステロール、例えば、エルゴステロール、15〜1000ppm、例えば、25〜500ppm、または50〜150ppmの濃度のステロール、例えば、エルゴステロール;および/あるいは抗生物質、例えば、テトラサイクリン、例えば、15〜1000重量ppm、例えば、25〜500ppm、または50〜150ppmの濃度の抗生物質、例えば、テトラサイクリンの一つまたは複数を含んでもよい。

さらに別の局面において、本発明は、約10重量パーセント〜約90重量パーセントのセルロース材料またはリグノセルロース材料を含む分散液、例えば、廃棄紙ストリームを糖化することによって作製された糖濃縮物を特徴とする。

さらなる局面において、本発明は、セルロースを含有するセルロース供給材料またはリグノセルロース供給材料を準備する工程、供給材料を液体、例えば、溶媒、例えば、水、およびセルロースを糖化するように選択された酵素と混合する工程、ならびに中間体または産物、例えば、本明細書において列挙された産物のいずれか一つまたは複数でもよい中間体または産物を産生するために、得られた混合物を、例えば、鉄道または貨物自動車によって、トウモロコシベースまたは糖ベースのエタノールプラントに輸送する工程を特徴とする。場合によっては、産物は、エネルギー、または燃料、例えば、バイオディーゼル、またはアルコール、例えば、エタノールもしくはメタノールでもよい。中間体または産物はまた、例えば、カルボン酸、カルボン酸のエステル、カルボン酸の塩、またはその混合物でもよい。

ある実施では、加工機器、例えば、機械的処理機器、化学物質(例えば、酸もしくは塩基)処理機器、放射線照射機器、超音波処理機器、熱分解機器、酸化機器、水蒸気爆砕機器、糖化機器、および/または発酵機器、あるいは本明細書に記載の他の任意の機器の一つまたは複数の成分は、例えば、米国特許出願第12/374,549号および国際公開公報第2008/011598号に記載の携帯型の加工機器のように携帯可能でもよい。米国特許出願第12/374,549号および国際公開公報第2008/011598号の全開示は参照として本明細書に組み入れられる。

本明細書で使用する、材料の分子構造の変化とは、構造の化学結合配置またはコンホメーションの変化を意味する。例えば、分子構造の変化は、材料の超分子構造の変化、材料の酸化の変化、平均分子量の変化、平均結晶化度の変化、表面積の変化、重合度の変化、多孔度の変化、分枝度の変化、他の材料へのグラフト、結晶ドメインサイズの変化、またはドメインの全サイズの変化を含んでもよい。本明細書に記載の物理的処理のいずれか一つまたは複数を単独で、または任意に組み合わせて用いて分子構造を変えることができる。物理的処理は一回適用されてもよく、繰り返し適用されてもよい。

本明細書において言及された、または本明細書に添付された全ての刊行物、特許出願、特許、または他の参考文献はその全体が、これらが記載する全てのものについて参照として組み入れられる。
[本発明1001]
セルロース供給材料またはリグノセルロース供給材料を準備する工程と、
供給材料を液体および糖化剤と混合する工程と、
得られた混合物を輸送する工程と
を含む、方法。
[本発明1002]
輸送前に、少なくとも部分的な糖化を生じさせる工程をさらに含む、本発明1001の方法。
[本発明1003]
輸送前に、実質的に完全な糖化を生じさせる工程を含む、本発明1002の方法。
[本発明1004]
糖化剤を除去および/または変性する工程をさらに含む、本発明1003の方法。
[本発明1005]
輸送する工程が、微生物を用いてデンプン、スクロース、またはラクトースをエタノールに変換するように構成された施設に、混合物を輸送する工程を含む、前記本発明のいずれかの方法。
[本発明1006]
輸送する工程が、鉄道車両タンカー、タンクローリー、パイプライン、または油槽船に入れて発送する工程を含む、前記本発明のいずれかの方法。
[本発明1007]
糖化を生じさせて、糖液または糖懸濁液を得、糖液または糖懸濁液からキシロースを除去する工程をさらに含む、本発明1001の方法。
[本発明1008]
糖液または糖懸濁液から毒を除去する工程をさらに含む、本発明1007の方法。
[本発明1009]
供給材料を液体および糖化剤と混合する前に、供給材料の抵抗性を減らす工程をさらに含む、前記本発明のいずれかの方法。
[本発明1010]
抵抗性を減らす工程が、供給材料に電離放射線を照射する工程を含む、本発明1009の方法。
[本発明1011]
供給材料の嵩密度を減らすように、および/また供給材料の表面積を増やすように供給材料を機械的に処理する工程をさらに含む、前記本発明のいずれかの方法。
[本発明1012]
機械的に処理する工程が、供給材料に対して剪断プロセスを行う工程を含む、本発明1011の方法。
[本発明1013]
抵抗性を減らす工程が、供給材料の機械的処理、化学処理、超音波処理、熱分解、酸化、または水蒸気爆砕を含む、本発明1009の方法。
[本発明1014]
輸送された混合物からエネルギーまたは燃料を発生させる工程をさらに含む、前記本発明のいずれかの方法。
[本発明1015]
混合物を、後付けされたまたは既存のデンプンエタノールプラント、スクロースエタノールプラント、またはラクトースエタノールプラントに輸送する工程をさらに含む、前記本発明のいずれかの方法。
[本発明1016]
糖化を生じさせて、糖液または糖懸濁液を得る工程であって、溶液または懸濁液の糖総含有率が少なくとも20重量％である工程をさらに含む、本発明1001の方法。
[本発明1017]
溶液または懸濁液が界面活性剤を含む、本発明1016の方法。
[本発明1018]
糖化剤が酵素または酸を含む、前記本発明のいずれかの方法。
[本発明1019]
約10〜70重量パーセントのグルコース、例えば、15パーセント〜65パーセントまたは20パーセント〜60パーセントのグルコース、
約2〜35重量パーセントのキシロース、例えば、約2.5パーセント〜約30パーセントまたは約5パーセント〜約28パーセントのキシロース;および
液体、例えば、溶媒を含む、糖濃縮物などの組成物であって、組成物の糖総含有率が、約10〜90重量パーセント、例えば、約15重量パーセント〜85重量パーセント、または約20重量パーセント〜約75重量パーセントである、前記組成物。
[本発明1020]
窒素源、例えば、尿素またはペプトン、例えば、約5〜750mM、例えば、約7.5mM〜500mM、または10mM〜250mMの濃度の窒素源、例えば、尿素またはペプトンをさらに含む、本発明1019の組成物。
[本発明1021]
界面活性剤、例えば、約0.1重量パーセント〜約5重量パーセント、例えば、約0.15重量パーセント〜約4.0重量パーセント、または約0.25重量パーセント〜約3.0重量パーセントの濃度の界面活性剤をさらに含む、本発明1019または1020の組成物。
[本発明1022]
脂質、モノグリセリド、ジグリセリド、もしくはトリグリセリド、または不飽和脂肪酸をさらに含む、本発明1019、1020、または1021の組成物。
[本発明1023]
ステロール、例えば、エルゴステロール、例えば、15〜1000重量ppm、例えば、25〜500ppm、または50〜150ppmの濃度のステロール、例えば、エルゴステロールをさらに含む、本発明1019〜1022のいずれかの組成物。
[本発明1024]
抗生物質、例えば、テトラサイクリン、例えば、15〜1000重量ppm、例えば、25〜500ppm、または50〜150ppmの濃度の抗生物質、例えば、テトラサイクリンをさらに含む、本発明1019〜1023のいずれかの組成物。
[本発明1025]
約10重量パーセント〜約90重量パーセントのセルロース材料またはリグノセルロース材料を含む分散液を糖化することによって作製された、糖濃縮物。
[本発明1026]
セルロース材料またはリグノセルロース材料が廃棄紙ストリームを含む、本発明1025の組成物。
[本発明1027]
セルロースを含有するセルロース供給材料またはリグノセルロース供給材料を準備する工程と、
供給材料を、液体、例えば、溶媒、例えば、水、および糖化剤、例えば、セルロースを糖化するように選択された酵素または酸と混合する工程と、
エタノールを産生するために、得られた混合物を、例えば、鉄道または貨物自動車によって、デンプンベースまたはスクロースベースのエタノールプラントに輸送する工程と
を含む、方法。

セルロースからグルコースへの酵素的加水分解を示した図である。グルコース溶液の産生および輸送を介した供給材料からエタノールへの変換を示した流れ図である。本明細書において開示された溶液および懸濁液を利用するために後付けされたエタノール製造施設の模式図である。

詳細な説明
セルロース材料およびリグノセルロース材料、例えば、バイオマス(例えば、植物バイオマス、動物バイオマス、紙、および都市廃棄物バイオマス)を、(必要であれば)抵抗性レベルが低くなるまで加工して、有用な産物、例えば、一例として本明細書において列挙された産物に変換することができる。大量にあるが、加工しにくいことが多いセルロース材料またはリグノセルロース材料、例えば、都市廃棄物ストリームおよび廃棄紙ストリーム、例えば、新聞紙、クラフト紙、段ボール紙、またはこれらの混合物を含むストリームを容易に用いるシステムおよびプロセスが本明細書において説明される。一般的に、必要に応じて、本明細書に記載の任意の方法、例えば、機械的処理、化学処理、放射線照射、超音波処理、酸化、熱分解、および水蒸気爆砕の一つまたは複数を用いて、材料を物理的に処理または加工することができる。

場合によっては、本明細書に記載のプロセスを利用した製造プラントは、製造プラントが稼働している間に様々な供給材料を得る。供給材料の中には、コーンコブの積荷など組成が比較的均一なものもあってもよく、都市廃棄物など組成が一定しないものもあってもよい。

供給材料は、例えば、紙、紙製品、木材、木材関連材料、パーティクルボード、草、もみ殻、バガス、綿、ジュート、アサ、アマ、タケ、サイザル、アバカ、ワラ、コーンコブ、ヤシ毛、藻類、海藻、変化したセルロース、例えば、酢酸セルロース、再生セルロースなど、またはこれらのいずれかの混合物を含んでもよい。

場合によっては、バイオマスは微生物材料である。微生物供給源には、炭水化物供給源(例えば、セルロース)を含有する、または炭水化物供給源を供給することができる、任意の天然のまたは遺伝子組換えされた微生物または生物、例えば、原生生物、例えば、動物原生生物(例えば、鞭毛虫、アモエボイド(amoeboid)、繊毛虫、および胞子虫などの原生動物)、ならびに植物原生生物(例えば、アルベオラテ(alveolate)、クロララクニオン植物、クリプト藻類、ユーグレナ類(euglenid)、灰色植物、ハプトファイト(haptophyte)、赤色藻類、黄色植物、および緑色植物(viridaeplantae)などの藻類)が含まれるが、これに限定されない。他の実施例には、海藻、プランクトン(例えば、マクロプランクトン、メソプランクトン、ミクロプランクトン、微小プランクトン、ピコプランクトン、およびフェムトプランクトン)、植物プランクトン、細菌(例えば、グラム陽性細菌、グラム陰性細菌、および好極限性細菌)、酵母、ならびに/またはこれらの混合物が含まれる。場合によっては、微生物バイオマスは、天然供給源、例えば、海、湖、複数の水域、例えば、海水または淡水から得られてもよく、陸から得られてもよい。代わりに、またはさらに、微生物バイオマスは、培養システム、例えば、大規模な乾式培養システムおよび湿式培養システムから得られてもよい。

供給材料を、既存の製造プラント、例えば、単一細胞タンパク質プラント、酵素(例えば、セルロース分解酵素)製造プラント、または燃料プラント、例えば、トウモロコシエタノールもしくは穀物エタノール製造施設において容易に加工することができる形に変換するために、供給材料中のセルロースを、糖化剤、例えば、酵素によって、低分子炭水化物、例えば、糖に加水分解する。これは、糖化と呼ばれるプロセスである。ある実施では、糖化剤は、酸、例えば、鉱酸を含む。酸が用いられる場合、微生物に毒性のある副産物が発生することがある。この場合、前記プロセスは、このような副産物を除去する工程をさらに含んでもよい。活性炭素(activated carbon)、例えば、活性炭、または他の適切な技法を用いて除去を行うことができる。

セルロースを含む材料は、酵素を用いて、例えば、溶媒中で、例えば、水溶液中で材料および酵素を組み合わせることによって処理される。

バイオマス、例えば、バイオマスのセルロース部分および/またはリグニン部分を分解する酵素およびバイオマス破壊生物は、様々なセルロース分解酵素(セルラーゼ)、リグニナーゼ、または様々な低分子バイオマス破壊代謝産物を含有または製造する。これらの酵素は、相乗的に作用して、結晶性セルロースまたはバイオマスのリグニン部分を分解する酵素の複合体でもよい。セルロース分解酵素の例には、エンドグルカナーゼ、セロビオヒドロラーゼ、およびセロビアーゼ(β-グルコシダーゼ)が含まれる。。図1を見ると、セルロース基質は、まず、ランダムな位置でエンドグルカナーゼによって加水分解されて、オリゴマー中間体が生成される。次に、これらの中間体は、セルロースポリマーの末端からセロビオースを生じさせるセロビオヒドロラーゼなどのエキソ裂グルカナーゼの基質となる。セロビオースはグルコースの水溶性1,4結合二量体である。最後に、セロビアーゼがセロビオースを切断して、グルコースが得られる。

セルラーゼはバイオマスを分解することができ、真菌起源でもよく細菌起源でもよい。適切な酵素は、バチルス属(Bacillus)、シュードモナス(Pseudomonas)、フミコラ属(Humicola)、フザリウム属(Fusarium)、チエラビア属(Thielavia)、アクレモニウム属(Acremonium)、クリソスポリウム属(Chrysosporium)、およびトリコデルマ属(Trichoderma)由来のセルラーゼを含み、かつフミコラ属、コプリナス属(Coprinus)、チエラビア属、フザリウム属、ミセリオフトラ属(Myceliophthora)、アクレモニウム属、セファロスポリウム属(Cephalosporium)、シタリジウム属(Scytalidium)、ペニシリウム属(Penicillium)、またはアスペルギルス属(Aspergillus)の種(例えば、EP458162)を含み、特に、フミコラ・インソレンス(Humicola insolens)(シタリジウム・サーモフィルム(Scytalidium thermophilum)として再分類。例えば、米国特許第4,435,307号を参照されたい)、コプリヌス・シネレウス(Coprinus cinereus)、フザリウム・オキシスポルム(Fusarium oxysporum)、ミセリオフトラ・サーモフィラ(Myceliophthora thermophila)、メリピラス・ギガンテウス(Meripilus giganteus)、チエラビア・テレストリス(Thielavia terrestris)、アクレモニウム属(Acremonium)の種、アクレモニウム・ペルシシナム(Acremonium persicinum)、アクレモニウム・アクレモニウム(Acremonium acremonium)、アクレモニウム・ブラシペニウム(Acremonium brachypenium)、アクレモニウム・ジクロモスポルム(Acremonium dichromosporum)、アクレモニウム・オブクラバタム(Acremonium obclavatum)、アクレモニウム・ピンケルトニアエ(Acremonium pinkertoniae)、アクレモニウム・ロセオグリセウム(Acremonium roseogriseum)、アクレモニウム・インコロラタム(Acremonium incoloratum)、およびアクレモニウム・フラタム(Acremonium furatum)から選択された株；好ましくは、種フミコラ・インソレンスDSM 1800、フザリウム・オキシスポルムDSM 2672、ミセリオフトラ・サーモフィラCBS 117.65、セファロスポリウム属の種RYM-202、アクレモニウム属の種CBS 478.94、アクレモニウム属の種CBS 265.95、アクレモニウム・ペルシシナムCBS 169.65、アクレモニウム・アクレモニウムAHU 9519、セファロスポリウム属の種CBS 535.71、アクレモニウム・ブラシペニウムCBS 866.73、アクレモニウム・ジクロモスポルムCBS 683.73、アクレモニウム・オブクラバタムCBS 311.74、アクレモニウム・ピンケルトニエCBS 157.70、アクレモニウム・ロセオグリセウムCBS 134.56、アクレモニウム・インコロラタムCBS 146.62、およびアクレモニウム・フラタムCBS 299.70Hによって産生されたセルラーゼを含む。セルロース分解酵素はまた、クリソスポリウム属(Chrysosporium)、好ましくは、クリソスポリウム・ラクノウェンス(Chrysosporium lucknowense)の株から得ることもできる。さらに、トリコデルマ(Trichoderma)属(特に、トリコデルマ・ビリデ(Trichoderma viride)、トリコデルマ・リーセイ(Trichoderma reesei)、およびトリコデルマ・コニンギイ(Trichoderma koningii))、好アルカリ性バチルス属(例えば、米国特許第3,844,890号およびEP458162を参照されたい)、ならびにストレプトマイセス属(Streptomyces)(例えば、EP458162を参照されたい)を用いることができる。

糖化プロセスは、製造プラントにあるタンク(例えば、少なくとも4000L、40,000L、または400,000Lの容積を有するタンク)の中で部分的または完全に行われてもよく、および/あるいは移動中に、例えば、鉄道車両、タンクローリーの中で、または超大型タンカーもしくは船の船倉の中で部分的または完全に行われてもよい。完全に糖化するのに必要な時間は、プロセス条件ならびに使用される供給材料および酵素に左右される。製造プラントにおいて制御された条件下で糖化が行われるのであれば、セルロースを、約12〜96時間で実質的に完全にグルコースに変換することができる。移動中に糖化が部分的または完全に行われるのであれば、糖化はもっと長くかかることがある。

一般的に、糖化中にタンクの内容物は混合される、例えば、米国特許仮出願第61/218,832号に記載のジェット混合を用いて混合されることが好ましい。米国特許仮出願第61/218,832号の全開示は参照として本明細書に組み入れられる。

界面活性剤を添加すると、糖化速度を速めることができる。界面活性剤の例には、非イオン性界面活性剤、例えば、Tween(登録商標)20もしくはTween(登録商標)80ポリエチレングリコール界面活性剤、イオン性界面活性剤、または両性界面活性剤が含まれる。

一般的に、得られたグルコース溶液の濃度は比較的高いことが好ましく、例えば、40重量％超、または50重量％超、60重量％超、70重量％超、80重量％超、90重量％超、さらには95重量％超であることが好ましい。これにより、発送される容積が小さくなり、溶液中の微生物増殖も阻害される。しかしながら、これより低い濃度が用いられてもよく、この場合、低濃度、例えば、50〜150ppmの抗菌性添加物、例えば、広域スペクトル抗生物質を添加することが望ましい場合がある。他の適切な抗生物質には、アンホテリシンB、アンピシリン、クロラムフェニコール、シプロフロキサシン、ゲンタマイシン、ハイグロマイシンB、カナマイシン、ネオマイシン、ペニシリン、ピューロマイシン、ストレプトマイシンが含まれる。抗生物質は、輸送および保管中の微生物増殖を阻害し、適切な濃度で、例えば、15〜1000重量ppm、例えば、25〜500ppm、または50〜150ppmで使用することができる。所望であれば、糖濃度が比較的高くても、抗生物質を含めることができる。

酵素と共に供給材料に添加される水の量を制限することによって、比較的高い濃度の溶液を得ることができる。例えば、糖化が起こる程度を制御することによって、濃度を制御することができる。例えば、溶液にさらに多くの供給材料を添加することによって、濃度を上げることができる。産生されている糖を溶解状態に保つために、界面活性剤、例えば、前記の界面活性剤の一つを添加することができる。溶液の温度を上げることによって、溶解度も上げることができる。例えば、40〜50℃、60〜80℃、またはさらに高い温度に溶液を維持することができる。

いくつかの態様において、供給材料は、便利なかつ濃縮された固体材料、例えば、粉末、顆粒、または粒子の形に変換するように加工される。濃縮された材料は、精製された形でもよく、未加工の形でもよく、粗製の形でもよい。濃縮形態の糖総濃度は、例えば、約90重量パーセント〜約100重量パーセント、例えば、92重量パーセント、94重量パーセント、96重量パーセント、または98重量パーセント糖でもよい。このような形態は、例えば、バイオプロセス施設、例えば、バイオ燃料製造プラントに発送するのに特に費用対効果が大きい場合がある。このような形態はまた、保管および取扱いに有利であり、製造しやすく、中間体および産物の両方になる場合があり、このために、どの産物を製造するかに関してバイオリファイナリー(biorefinery)に対して選択肢が与えられる。

場合によっては、粉末状材料、顆粒状材料、または粒子状材料はまた、材料、例えば、本明細書に記載の添加物または化学物質、例えば、栄養素、窒素源、例えば、尿素もしくはペプトン、界面活性剤、酵素、または本明細書に記載の任意の微生物の一つまたは複数も含んでもよい。場合によっては、粉末状材料、顆粒状材料、または粒子状材料の中には、バイオプロセスに必要とされる全ての材料が組み合わされる。このような形態は、遠くのバイオプロセス施設、例えば、遠くのバイオ燃料製造施設に輸送するのに特に便利な形である場合がある。このような形態はまた保管および取扱いにも有利な場合がある。

場合によっては、粉末状材料、顆粒状材料、または粒子状材料(添加された材料、例えば、添加物および化学物質を含む、または含まない)は、本明細書に記載の任意の物理的処理によって処理することができる。例えば、粉末状材料、顆粒状材料、または粒子状材料への放射線照射によって溶解度が高まり、意図された中間体または産物に必要とされ得るように、バイオプロセス施設が材料をそのプロセスに直接組み込むことができるように材料を滅菌することができる。

ある特定の場合では、粉末状材料、顆粒状材料、または粒子状材料(添加された材料、例えば、添加物および化学物質を含む、または含まない)は、輸送、保管、または取扱いを容易にするための構造またはキャリアーに入れて運ぶことができる。例えば、構造またはキャリアーは、バッグまたはライナー、例えば、分解性のバッグまたはライナーを備えてもよく、組み込んでもよい。このような形態は、バイオプロセスシステムに直接添加するのに特に有用な場合がある。

図2を見ると、アルコール、例えば、エタノールを製造するためのプロセスは、例えば、任意で、供給材料を機械的に処理する工程(工程110)、任意で、この処理の前および/または後に、供給材料の抵抗性をさらに減らすように供給材料を別の物理的処理、例えば、放射線照射によって処理する工程(工程112)、供給材料を糖化して糖液を形成する工程(工程114)、例えば、パイプライン、鉄道車両、貨物自動車、または平底荷船(barge)によって、溶液(または糖化が途上で行われるのであれば、供給材料、酵素、および水)を製造プラントに輸送する工程(工程116)、次いで、処理された供給材料をバイオプロセスして、望ましい産物を産生する工程(工程118)を含んでもよい。次いで、望ましい産物は、例えば、蒸留によってさらに加工される(工程120)。このプロセスの個々の工程は以下で詳細に説明される。所望であれば、リグニン含有率を測定する工程(工程122)およびプロセスパラメータを設定または調整する工程(工程124)は、プロセスの様々な段階で、例えば、示された供給材料の構造を変えるのに用いられるプロセス工程の直前に行うことができる。これらの工程が含まれる場合、2009年2月11日に出願された米国特許仮出願第61/151,724号に記載のように、供給材料のリグニン含有率のばらつきを補うようにプロセスパラメータが調整される。米国特許仮出願第61/151,724号の全開示は参照として本明細書に組み入れられる。

製造プラントは、例えば、既存のデンプンベースもしくは糖ベースのエタノールプラント、またはバイオプロセスシステムの上流にある機器を除去もしくは撤去することによって後付けされたプラントでもよい(代表的なエタノールプラントでは、一般的に、穀物を受け取る機器、ハンマーミル、スラリーミキサー、調理機器、および液化機器を備える)。従って、プラントが受け取った供給材料は発酵機器に直接投入される。後付けされたプラントを図3に模式的に示した。

バイオマス材料
バイオマスは、例えば、セルロース材料またはリグノセルロース材料でもよい。このような材料は、紙、紙製品(例えば、ポリコーティングされた紙およびクラフト紙)、木材、木材関連材料、例えば、パーティクルボード、草、もみ殻、バガス、綿、ジュート、アサ、アマ、タケ、サイザル、アバカ、ワラ、コーンコブ、ヤシ毛;ならびにα-セルロース含有量が高い材料、例えば、綿を含む。供給材料は、バージンスクラップテキスタイル材料、例えば、残留物、使用済み廃棄物、例えば、ぼろ切から得られてもよい。紙製品が用いられる場合、バージン材料、例えば、スクラップバージン材料でもよく、使用済み廃棄物でもよい。バージン原材料とは別に、使用済み廃棄物、産業廃棄物(例えば、くず)、および加工廃棄物(例えば、紙加工からの廃水)も繊維源として用いることができる。バイオマス供給材料はまた、ヒト廃棄物(例えば、下水)、動物廃棄物、または植物廃棄物から得られてもよく、それに由来してもよい。さらなるセルロース材料およびリグノセルロース材料は、米国特許第6,448,307号、同第6,258,876号、同第6,207,729号、同第5,973,035号、および同第5,952,105号に記載されている。

いくつかの態様において、バイオマス材料は、一つまたは複数のβ-1,4結合を有し、約3,000〜50,000の数平均分子量を有する材料であるか、これを含む炭水化物を含む。このような炭水化物は、β(1, 4)-グリコシド結合の縮合によって(β-グルコース1)から得られたセルロース(I)であるか、これを含む。この結合は、デンプンおよび他の炭水化物に存在するα(1, 4)-グリコシド結合のものと対照をなす。

デンプン材料には、デンプンそのもの、例えば、トウモロコシデンプン、コムギデンプン、バレイショデンプン、もしくはコメデンプン、デンプンの誘導体、またはデンプンを含む材料、例えば、食品もしくは作物が含まれる。例えば、デンプン材料は、アラカチャ(arracacha)、ソバ、バナナ、オオムギ、キャッサバ、クズ、アンデスカタバミ、サゴヤシ、モロコシ、普通の家庭用ジャガイモ、サツマイモ、タロイモ、ヤムイモ、または一種類もしくは複数の種類のマメ、例えば、ソラマメ、レンズマメ、もしくはエンドウでもよい。二種類以上のデンプン材料のブレンドもデンプン材料である。

場合によっては、バイオマスは微生物材料である。微生物供給源には、炭水化物供給源(例えば、セルロース)を含有する、または炭水化物供給源を供給することができる、任意の天然のまたは遺伝子組換えされた微生物または生物、例えば、原生生物、例えば、動物原生生物(例えば、鞭毛虫、アモエボイド、繊毛虫、および胞子虫などの原生動物)、ならびに植物原生生物(例えば、アルベオラテ、クロララクニオン植物、クリプト藻類、ユーグレナ類、灰色植物、ハプトファイト、赤色藻類、黄色植物、および緑色植物などの藻類)が含まれるが、これに限定されない。他の例には、海藻、プランクトン(例えば、マクロプランクトン、メソプランクトン、ミクロプランクトン、微小プランクトン、ピコプランクトン、およびフェムトプランクトン)、植物プランクトン、細菌(例えば、グラム陽性細菌、グラム陰性細菌、および好極限性細菌)、酵母、ならびに/またはこれらの混合物が含まれる。場合によっては、微生物バイオマスは、天然供給源、例えば、海、湖、複数の水域、例えば、海水または淡水から得られてもよく、陸から得られてもよい。代わりに、またはさらに、微生物バイオマスは、培養システム、例えば、大規模な乾式培養システムおよび湿式培養システムから得られてもよい。

物理的処理
物理的処理プロセスは、本明細書に記載の任意の物理的処理、例えば、機械的処理、化学処理、放射線照射、超音波処理、酸化、熱分解、または水蒸気爆砕の一つまたは複数を含んでもよい。処理方法は、これらの技術の2つ、3つ、4つを組み合わせて、またはこれらの技術の全てを組み合わせて(任意の順番で)使用することができる。複数の処理方法が用いられる場合、これらの方法は同時に適用されてもよく、異なる時間で適用されてもよい。バイオマス供給材料の分子構造を変える他のプロセスも単独で、または本明細書において開示されるプロセスと組み合わせて使用することができる。

前記の抵抗性を減らすオペレーティングシステムには、下記の処理プロセスの一つまたは複数を含めることができる。代わりに、またはさらに、抵抗性を減らすための他のプロセスを含めることができる。

機械的処理
場合によっては、方法は、バイオマス供給材料を機械的に処理する工程を含んでもよい。機械的処理には、例えば、切断、粉砕、押し付け、摩砕、剪断、および切り刻みが含まれる。粉砕は、例えば、ボールミリング、ハンマーミリング、ローター/ステーター乾式粉砕もしくは湿式粉砕、または他のタイプの粉砕を含んでもよい。他の機械的処理には、岩の摩砕、クラッキング、機械的な切り離しもしくは引き裂き、ピン研削、または空気粉砕ミリングが含まれる。

機械的処理は、セルロース材料またはリグノセルロース材料を「開放(open up)」し、「力を加え」、破壊し、粉々に砕くことによって、材料のセルロースの鎖が切断しやすくなり、および/または結晶化度が小さくなるために有利な場合がある。開放された材料はまた、放射線照射時に酸化しやすくなっている場合がある。

場合によっては、機械的処理は、受け取った供給材料の初期調製、例えば、切断、摩砕、剪断、微粉砕、または切り刻みによる材料のサイズ縮小を含んでもよい。例えば、場合によっては、剪断または細断によって、緩い供給材料(例えば、再生紙、デンプン材料、またはスイッチグラス)が調製される。

代わりに、またはさらに、供給材料は、他の物理的処理方法、例えば、化学処理、放射線照射、超音波処理、酸化、熱分解、または水蒸気爆砕の一つまたは複数によって物理的に処理され、次いで、機械的に処理されてもよい。このシーケンスは、他の処理、例えば、放射線照射または熱分解の一つまたは複数によって処理された材料が脆くなる傾向があるので有利な場合がある。従って、機械的処理によって材料の分子構造をさらに変える方が簡単な場合がある。

いくつかの態様において、供給材料は繊維材料の形でもよく、機械的処理は、繊維材料の繊維を曝露する剪断を含む。剪断は、例えば、ロータリーナイフカッターを用いて行うことができる。供給材料の機械的処理の他の方法には、例えば、粉砕または摩砕が含まれる。粉砕は、例えば、ハンマーミル、ボールミル、コロイドミル、コニカルミルまたはコーンミル、ディスクミル、エッジミル、ウイレーミルまたはグリストミルを用いて行われてもよい。摩砕は、例えば、ストーングラインダー、ピングラインダー、コーヒーグラインダー、またはバールグラインダーを用いて行われてもよい。摩砕は、ピンミルと同様に、例えば、往復ピン(reciprocating pin)または他の部品によって行われてもよい。他の機械的処理方法には、機械的な切り離しまたは引き裂き、繊維に圧力を加える他の方法、および空気粉砕ミリングが含まれる。適切な機械的処理は、供給材料の分子構造を変える他の任意の技法をさらに含む。

所望であれば、機械的に処理された材料を、スクリーン、例えば、平均目開きが1.59mm(1/16インチ、0.0625インチ)以下のスクリーンに通すことができる。いくつかの態様において、剪断または他の機械的処理およびスクリーニングが同時に行われる。例えば、ロータリーナイフカッターを用いて、供給材料の剪断および選別を同時に行うことができる。供給材料を固定ブレードと回転ブレードとの間で剪断して、剪断された材料を得る。剪断された材料はスクリーンを通り、ビンに取り込まれる。ビンは、公称大気圧より低い圧力、例えば、公称大気圧より少なくとも10パーセント低い圧力、例えば、公称大気圧より少なくとも25パーセント低い圧力、公称大気圧より少なくとも50パーセント低い圧力、または公称大気圧より少なくとも75パーセント低い圧力を有してもよい。いくつかの態様において、真空源を利用して、ビンを公称大気圧より低い圧力に維持する。

セルロース材料またはリグノセルロース材料は、乾燥した状態(例えば、材料の表面上に自由水がほとんど無い、もしくは全く無い)、水和した状態(例えば、10重量パーセントまでの吸収した水を有する)、または例えば、約10重量パーセント〜約75重量パーセントの水を有する湿潤状態で機械的に処理することができる。繊維源は、水、エタノール、またはイソプロパノールなどの液体下に部分的にまたは完全に浸した状態で機械的に処理することもできる。

セルロース材料またはリグノセルロース材料はまた、(空気以外の気体の流れもしくは雰囲気などの)気体、例えば、酸素もしくは窒素、または蒸気の下で機械的に処理することもできる。

所望であれば、リグニンを含むどのような供給材料からでもリグニンを除去することができる。また、セルロースを含む材料の破壊を助けるために、機械的処理または放射線照射の前または間に、材料を、熱、化学物質(例えば、鉱酸、塩基、もしくは強力な酸化剤、例えば、次亜塩素酸ナトリウム)、および/または酵素で処理することもできる。例えば、酸の存在下で摩砕を行うことができる。

機械的処理システムは、特定の特徴、例えば、特定の最大サイズ、特定の長さ対幅、または特定の表面積比を有するストリームを生じるような構成でもよい。機械的処理は、材料を開放し、プロセスおよび/または試薬、例えば、溶液中の試薬に接触しやすくすることによって反応速度を速めることができる、または必要とされる加工時間を短くすることができる。機械的処理を用いると、供給材料の嵩密度も制御することができる。例えば、いくつかの態様では、機械的処理後に、材料の嵩密度は、0.25g/cm³未満、例えば、0.20g/cm³、0.15g/cm³、0.10g/cm³、0.05g/cm³、またはそれ未満の嵩密度、例えば、0.025g/cm³である。嵩密度は、ASTM D1895Bを用いて決定される。簡単に述べると、前記方法は、既知体積のメスシリンダーに試料を満たし、試料の重量を得る工程を含む。嵩密度は、試料の重量、グラムを、メスシリンダーの既知体積、立方センチメートルで割ることによって計算される。

供給材料が繊維材料である場合、機械的に処理された材料の繊維は二回以上剪断されても、比較的大きな(例えば、20:1を超える)平均長さ対直径比にすることができる。さらに、本明細書に記載の繊維材料の繊維は、比較的狭い、長さおよび/または長さ対直径比の分布を有してもよい。

本明細書で使用する平均繊維幅(例えば、直径)とは、約5,000本の繊維を無作為に選択することによって光学的に決定されたものである。平均繊維長さは、修正された長さ加重長さ(length-weighted length)である。BET (Brunauer, Emmet and Teller)表面積は多点表面積であり、多孔度は、水銀ポロシメトリーによって決定されたものである。

供給材料が繊維材料である場合、機械的に処理された材料の繊維の平均長さ対直径比は、例えば、8/1を超えてもよく、例えば、10/1を超えてもよく、15/1を超えてもよく、20/1を超えてもよく、25/1を超えてもよく、または50/1を超えてもよい。機械的に処理された材料の平均繊維長さは、例えば、約0.5mm〜2.5mm、例えば、約0.75mm〜1.0mmでもよく、第二の繊維材料14の平均幅(例えば、直径)は、例えば、約5μm〜50μm、例えば、約10μm〜30μmでもよい。

いくつかの態様において、供給材料が繊維材料である場合、機械的に処理された材料の繊維長さの標準偏差は、機械的に処理された材料の平均繊維長さの60パーセント未満であり、例えば、平均長さの50パーセント未満、平均長さの40パーセント未満、平均長さの25パーセント未満、平均長さの10パーセント未満、平均長さの5パーセント未満、さらには平均長さの1パーセント未満である。

いくつかの態様において、機械的に処理された材料のBET表面積は、0.1m²/gを超える、例えば、0.25m²/gを超える、0.5m²/gを超える、1.0m²/gを超える、1.5m²/gを超える、1.75m²/gを超える、5.0m²/gを超える、10m²/gを超える、25m²/gを超える、35m²/gを超える、50m²/gを超える、60m²/gを超える、75m²/gを超える、100m²/gを超える、150m²/gを超える、200m²/gを超える、さらには250m²/gを超える。

機械的に処理された材料の多孔度は、例えば、20パーセントを超えてもよく、25パーセントを超えてもよく、35パーセントを超えてもよく、50パーセントを超えてもよく、60パーセントを超えてもよく、70パーセントを超えてもよく、80パーセントを超えてもよく、85パーセントを超えてもよく、90パーセントを超えてもよく、92パーセントを超えてもよく、94パーセントを超えてもよく、95パーセントを超えてもよく、97.5パーセントを超えてもよく、99パーセントを超えてもよく、さらには99.5パーセントを超えてもよい。

状況によっては、低嵩密度材料を調製し、(例えば、別の場所への輸送を簡単かつ低コストにするために)材料を高密度化し、次いで、材料を低嵩密度の状態に戻すことが望ましい場合がある。高密度化された材料は、本明細書に記載の任意の方法によって加工することができる。または、本明細書に記載の任意の方法によって加工された材料は全て、例えば、WO2008/073186に開示されるように後で高密度化することができる。

放射線処理
供給材料を加工するために、ならびにさらなる加工工程および/またはシーケンスへのインプットとして機能する構造的に改変された材料を得るために、一回または複数回の放射線照射加工シーケンスを使用することができる。放射線照射によって、例えば、供給材料の分子量および/または結晶化度を小さくすることができる。いくつかの態様では、材料に放射線照射するために、原子軌道から電子を放出する材料に蓄積するエネルギーが用いられる。放射線は、1)重い荷電粒子、例えば、α粒子もしくはプロトン、2)電子、例えば、β崩壊もしくは電子線加速器において生じる電子、または3)電磁放射線、例えば、γ線、X線、もしくは紫外線によって供給されてもよい。一つのアプローチでは、放射性物質によって生じる放射線を用いて、供給材料に放射線照射することができる。いくつかの態様では、(1)〜(3)の任意の組み合わせを任意の順番で、または同時に利用することができる。別のアプローチでは、(例えば、電子線エミッターを用いて生じた)電磁放射線を用いて、供給材料に放射線照射することができる。適用される線量は、望ましい効果および特定の供給材料によって決まる。例えば、高線量の放射線は、供給材料成分内の化学結合を破壊することができる。場合によっては、鎖の切断が望ましい場合、および/またはポリマー鎖の官能基化が望ましい場合、電子より重い粒子、例えば、プロトン、ヘリウム核、アルゴンイオン、ケイ素イオン、ネオンイオン、炭素イオン、リンイオン、酸素イオン、または窒素イオンを利用することができる。鎖の開環切断が望ましい場合、鎖の開環切断を高めるために、正に荷電した粒子を、そのルイス酸特性のために利用することができる。例えば、最大酸化が望ましい場合、酸素イオンを利用することができ、最大ニトロ化が望ましい場合、窒素イオンを利用することができる。

一つの方法では、第一の数平均分子量(M_N1)を有するセルロースである、または、これを含む第一の材料に、例えば、電離放射線(例えば、γ線、X線、100nm〜280nm紫外線(UV)、電子線または他の荷電粒子の線)による処理によって放射線照射して、第一の数平均分子量より小さい第二の数平均分子量(M_N2)を有するセルロースを含む第二の材料を得る。第二の材料(または第一の材料および第二の材料)は、第二の材料および/もしくは第一の材料またはその構成糖もしくはリグニンを利用して、水素、アルコール(例えば、エタノールもしくはブタノール、例えば、n-、sec-、もしくはt-ブタノール)、有機酸、炭化水素、またはこれらのいずれかの混合物である、あるいはこれを含む燃料または他の有用な産物を産生することができる微生物と(酵素処理と共に、または酵素処理なく)組み合わせることができる。

第二の材料は、第一の材料と比較して小さな分子量、場合によっては、小さな結晶化度も有するセルロースを有するので、第二の材料は、微生物および/または酵素を含有する溶液中での分散性、膨張性、および/または可溶性が概して高い。これらの特性により、第二の材料は、第一の材料と比較して、化学的攻撃、酵素的攻撃、および/または生物学的攻撃に対する感受性が高い。このために、望ましい産物、例えば、エタノールの生産速度および/または生産レベルを大幅に改善することができる。放射線照射によって、材料または材料のバイオプロセスに必要な任意の培地を滅菌することもできる。

いくつかの態様において、第二の数平均分子量(M_N2)は、第一の数平均分子量(M_N1)より約10パーセント超小さく、例えば、15パーセント、20パーセント、25パーセント、30パーセント、35パーセント、40パーセント、50パーセント、60パーセント、さらには約75パーセント超小さい。

場合によっては、第二の材料のセルロースの結晶化度(C₂)は、第一の材料のセルロースの結晶化度(C₁)より少ない。例えば、(C₂)は、(C₁)より、約10パーセント超少なく、例えば、15パーセント、20パーセント、25パーセント、30パーセント、35パーセント、40パーセント、さらには約50パーセント超少なくてもよい。

いくつかの態様において、開始結晶化度指数(放射線照射前)は、約40〜約87.5パーセント、例えば、約50〜約75パーセント、または約60〜約70パーセントであり、放射線照射後の結晶化度指数は、約10〜約50パーセント、例えば、約15〜約45パーセント、または約20〜約40パーセントである。しかしながら、いくつかの態様において、例えば、大規模な放射線照射後には、5パーセントより低い結晶化度指数となる可能性がある。いくつかの態様において、放射線照射後の材料は実質的に無定形である。

いくつかの態様において、開始数平均分子量(放射線照射前)は、約200,000〜約3,200,000、例えば、約250,000〜約1,000,000、または約250,000〜約700,000であり、放射線照射後の数平均分子量は、約50,000〜約200,000、例えば、約60,000〜約150,000、または約70,000〜約125,000である。しかしながら、いくつかの態様において、例えば、大規模な放射線照射後には、約10,000未満、さらには約5,000未満の数平均分子量となる可能性がある。

いくつかの態様において、第二の材料の酸化レベル(O₂)は、第一の材料の酸化レベル(O₁)より高くてもよい。材料の酸化レベルが高ければ、分散、膨張、および/または溶解の助けとなり、さらには、化学的攻撃、酵素的攻撃、または生物学的攻撃に対する材料の感受性が強化され得る。いくつかの態様において、第一の材料と比較して第二の材料の酸化レベルを高めるために、酸化環境において、例えば、空気または酸素の下で放射線照射が行われ、第一の材料より酸化された第二の材料が産生される。例えば、第二の材料は、ヒドロキシル基、アルデヒド基、ケトン基、エステル基、またはカルボン酸基の数が増えていてもよく、これらは材料の親水性を高めることができる。

電離放射線
各種類の放射線は、放射線のエネルギーにより決まる特定の相互作用を介して炭素含有材料をイオン化する。重い荷電粒子は、主に、クーロン散乱を介して物質をイオン化する。さらに、これらの相互作用によって、物質をさらにイオン化し得る高エネルギー電子が発生する。α粒子はヘリウム原子の核と同一であり、様々な放射性核種(radioactive nuclei)、例えば、ビスマス、ポロニウム、アスタチン、ラドン、フランシウム、ラジウム、いくつかのアクチニド、例えば、アクチニウム、トリウム、ウラン、ネプツニウム、キュリウム、カリホルニウム、アメリシウム、およびプルトニウムの同位体のα崩壊によって発生する。

粒子が用いられる場合、中性(無電荷)でもよく、正に荷電してもよく、または負に荷電してもよい。荷電している場合、荷電粒子は単一の正電荷もしくは負電荷を有してもよく、多重電荷、例えば、1、2、3、さらには4、またはそれより多い電荷を有してもよい。鎖の切断が望ましい場合、正に荷電した粒子は、その酸性が一因で望ましい場合がある。粒子が用いられる場合、粒子は、静止している電子の質量、またはそれより多い質量、例えば、静止している電子の質量の500倍、1000倍、1500倍、2000倍、10,000倍、さらには100,000倍の質量を有してもよい。例えば、粒子は、約1原子単位〜約150原子単位、例えば、約1原子単位〜約50原子単位、または約1〜約25、例えば、1amu、2amu、3amu、4amu、5amu、10amu、12amu、または15amuの質量を有してもよい。粒子を加速するのに用いられる加速器は、静電気学的DC、電気力学的DC、RF線形、磁気誘導線形(magnetic induction linear)、または連続波でもよい。例えば、サイクロトロン型加速器は、IBA, Belgium、例えば、Rhodatron(登録商標)システムから入手可能であるのに対して、DC型加速器はRDI、現在、IBA Industrial、例えば、Dynamitron(登録商標)から入手可能である。イオンおよびイオン加速器は、Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206, Chu, William T., 「Overview of Light-Ion Beam Therapy」, Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 March 2006, Iwata, Y. et al., 「Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators」, Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, and Leaner, CM. et al., 「Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus」, Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austriaにおいて議論されている。

γ線には、様々な材料への透過の深さが大きいという利点がある。γ線源には、放射性核種、例えば、コバルト、カルシウム、テクニシウム(technicium)、クロム、ガリウム、インジウム、ヨウ素、鉄、クリプトン、サマリウム、セレン、ナトリウム、タリウム、およびキセノンの同位体が含まれる。

X線源には、金属標的、例えば、タングステンもしくはモリブデンまたは合金を用いた電子線衝突、または小型光源、例えば、Lynceanによって商業生産されている小型光源が含まれる。

紫外線源には、重水素ランプまたはカドミウムランプが含まれる。

赤外線源には、サファイア、亜鉛、またはセレン化物ウィンドウセラミックランプが含まれる。

マイクロ波源には、クライストロン、Slevin型RF源、または水素ガス、酸素ガス、もしくは窒素ガスを用いた原子線源が含まれる。

いくつかの態様では、電子線が放射線源として用いられる。電子線には、線量率が高い(例えば、1Mrad/秒、5Mrad/秒、さらには10Mrad/秒)、高処理、封じ込めが少ない、閉じ込め装置が小さいという利点がある。電子はまた、鎖の切断において効率が高いこともある。さらに、4〜10MeVのエネルギーを有する電子は、5〜30mm以上、例えば、40mmの透過の深さを有し得る。

電子線は、例えば、静電発電機、カスケードジェネレータ、変圧発電機(transformer generator)、低エネルギー加速器とスキャニングシステム、低エネルギー加速器とリニアカソード、直線加速器、およびパルス加速器によって発生させることができる。電離放射線源としての電子は、例えば、積み重なりが比較的薄い、例えば、0.5インチ未満、例えば、0.4インチ未満、0.3インチ未満、0.2インチ未満、または0.1インチ未満の材料に有用な場合がある。いくつかの態様において、電子線の各電子のエネルギーは、約0.3MeV〜約2.0MeV(百万電子ボルト)、例えば、約0.5MeV〜約1.5MeV、または約0.7MeV〜約1.25MeVである。

電子線照射装置は、Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, BelgiumまたはTitan Corporation, San Diego, CAから商業的に入手することができる。代表的な電子エネルギーは、1MeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeV、または10MeVでもよい。代表的な電子線照射装置の出力は、1kW、5kW、10kW、20kW、50kW、100kW、250kW、または500kWでもよい。供給材料の解重合のレベルは、使用される電子エネルギーおよび適用される線量によって決まるのに対して、曝露時間は出力および線量によって決まる。代表的な線量は、1kGy、5kGy、10kGy、20kGy、50kGy、100kGy、または200kGyの値をとってもよい。

イオン粒子線
炭水化物、または炭水化物、例えば、セルロース材料、リグノセルロース材料、デンプン材料、もしくはこれらのいずれかと本明細書に記載の他の材料の混合物を含む材料に放射線照射するために、電子より重い粒子を使用することができる。例えば、プロトン、ヘリウム核、アルゴンイオン、ケイ素イオン、ネオンイオン、炭素イオン、リンイオン、酸素イオン、または窒素イオンを利用することができる。いくつかの態様において、電子より重い粒子は(電子より軽い粒子と比較して)多量の鎖の切断を誘導することができる。場合によっては、正に荷電した粒子が、その酸性度により、負に荷電した粒子より多量の鎖の切断を誘導することができる。

より重い粒子の線は、例えば、直線加速器またはサイクロトロンを用いて発生させることができる。いくつかの態様において、粒子線の各粒子のエネルギーは、約1.0MeV/原子単位〜約6,000MeV/原子単位、例えば、約3MeV/原子単位〜約4,800MeV/原子単位、または約10MeV/原子単位〜約1,000MeV/原子単位である。

ある特定の態様において、炭素含有材料、例えば、バイオマス材料に放射線照射するために用いられるイオンビームは、複数のタイプのイオンを含んでもよい。例えば、イオンビームは、二種類以上(例えば、三種類、四種類、またはそれより多い)のタイプのイオンの混合物を含んでもよい。例示的な混合物は、炭素イオンおよびプロトン、炭素イオンおよび酸素イオン、窒素イオンおよびプロトン、ならびに鉄イオンおよびプロトンを含んでもよい。さらに一般的には、放射線照射イオンビームを形成するために、本明細書中で議論された任意のイオン(または他の任意のイオン)の混合物を使用することができる。特に、一つのイオンビームに、比較的軽いイオンおよび比較的重いイオンの混合物を使用することができる。

いくつかの態様において、材料に放射線照射するためのイオンビームには、正に荷電したイオンが含まれる。正に荷電したイオンは、例えば、正に荷電した水素イオン(例えば、プロトン)、希ガスイオン(例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン)、炭素イオン、窒素イオン、酸素イオン、ケイ素原子、リンイオン、ならびに金属イオン、例えば、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、および/または鉄イオンを含んでもよい。どの理論にも拘束されるものではないが、このような正に荷電したイオンは、材料に曝露されるとルイス酸部分として化学挙動して、酸化環境においてカチオン性環開口性の鎖切断反応を開始および持続すると考えられている。

ある特定の態様において、材料に放射線照射するためのイオンビームには、負に荷電したイオンが含まれる。負に荷電したイオンは、例えば、負に荷電した水素イオン(例えば、水素化物イオン)、ならびに比較的電子陰性のある様々な核の負に荷電したイオン(例えば、酸素イオン、窒素イオン、炭素イオン、ケイ素イオン、およびリンイオン)を含んでもよい。どの理論にも拘束されるものではないが、このような負に荷電したイオンは、材料に曝露されるとルイス塩基部分として化学挙動して、還元環境においてアニオン性環開口性の鎖切断反応を引き起こすと考えられている。

いくつかの態様において、材料に放射線照射するためのビームは中性原子を含んでもよい。例えば、バイオマス材料の放射線照射に用いられるビームには、水素原子、ヘリウム原子、炭素原子、窒素原子、酸素原子、ネオン原子、ケイ素原子、リン原子、アルゴン原子、および鉄原子のいずれか一つまたは複数を含めることができる。一般的に、前記のタイプの原子のいずれか2つまたはそれより多くからなる(例えば、3つ以上、4つ以上、またはそれより多くからなる)混合物がビームに存在してもよい。

ある特定の態様において、材料に放射線照射するのに用いられるイオンビームには、単一電荷イオン、例えば、H⁺、H^-、He⁺、Ne⁺、Ar⁺、C⁺、C^-、O⁺、O^-、N⁺、N^-、Si⁺、Si^-、P⁺、P^-、Na⁺、Ca⁺、およびFe⁺の一つまたは複数が含まれる。いくつかの態様において、イオンビームは、多電荷イオン、例えば、C²⁺、C³⁺、C⁴⁺、N³⁺、N⁵⁺、N^3-、O²⁺、O^2-、O₂ ^2-、Si²⁺、Si⁴⁺、Si^2-、およびSi^4-の一つまたは複数を含んでもよい。一般的に、イオンビームはまた、複数の正電荷または負電荷を有するさらに複雑な多核イオンを含んでもよい。ある特定の態様において、多核イオンの構造によって、正電荷または負電荷は、イオンの構造の実質的に全体にわたって有効に分布することができる。いくつかの態様において、正電荷または負電荷は、イオンの構造の複数の部分にわたって、ある程度局在してもよい。

電磁放射線
電磁放射線の照射が行われる態様では、電磁放射線は、例えば、10²eVを超えるエネルギー/光子(電子ボルト)、例えば、10³eV、10⁴eV、10⁵eV、10⁶eV、さらには10⁷eVを超えるエネルギー/光子(電子ボルト)を有してもよい。いくつかの態様において、電磁放射線は、10⁴〜10⁷eV、例えば、10⁵〜10⁶eVのエネルギー/光子を有する。電磁放射線は、例えば、10¹⁶hz、10¹⁷hz、10¹⁸hz、10¹⁹hz、10²⁰hz、さらには10²¹hzを超える周波数を有してもよい。いくつかの態様において、電磁放射線は、10¹⁸〜10²²hz、例えば、10¹⁹〜10²¹hzの周波数を有する。

線量
いくつかの態様において、材料に、少なくとも0.25Mrad、例えば、少なくとも1.0Mrad、少なくとも2.5Mrad、少なくとも5.0Mrad、または少なくとも10.0Mradの線量が与えられるまで、放射線照射(任意の放射線源または放射線源の組み合わせによる)が行われる。いくつかの態様において、材料に、1.0Mrad〜6.0Mrad、例えば、1.5Mrad〜4.0Mradの線量が与えられるまで、放射線照射が行われる。

いくつかの態様において、5.0〜1500.0キロラド/時間、例えば、10.0〜750.0キロラド/時間、または50.0〜350.0キロラド/時間の線量率で、放射線照射が行われる。

いくつかの態様では、二種類以上の放射線源、例えば、二種類以上の電離放射線が用いられる。例えば、試料は、電子線の次に、γ線および約100nm〜約280nmの波長を有するUV光によって任意の順番で処理することができる。いくつかの態様では、試料は、三種類の電離放射線源、例えば、電子線、γ線、およびエネルギーの高いUV光によって処理される。

超音波処理
多種多様な供給源に由来する材料を加工して、供給材料から有用な物質を抽出するために、ならびに(有機材料が用いられた時に)さらなる加工工程および/またはシーケンスへのインプットとして機能する部分的に分解された有機材料を得るために、一回または複数回の超音波処理加工シーケンスを使用することができる。超音波処理によって、材料、例えば、本明細書に記載の任意の材料の一つもしくは複数、例えば、一つもしくは複数の炭水化物供給源、例えば、セルロース材料もしくはリグノセルロース材料またはデンプン材料の分子量および/または結晶化度を小さくすることができる。

一つの方法では、第一の数平均分子量(M_N1)を有するセルロースを含む第一の材料を、媒体、例えば、水に分散させ、超音波処理して、および/または他の方法で気泡を作って、第一の数平均分子量より小さい第二の数平均分子量(M_N2)を有するセルロースを含む第二の材料を得る。第二の材料(またはある特定の態様では、第一の材料および第二の材料)は、第二の材料および/または第一の材料を利用して、水素、アルコール、有機酸、炭化水素、またはこれらのいずれかの混合物である、あるいはこれを含む燃料を産生することができる微生物と(酵素処理と共に、または酵素処理を伴わずに)組み合わせることができる。

第二の材料は、第一の材料と比較して小さな分子量、場合によっては、小さな結晶化度も有するセルロースを有するので、微生物を含有する溶液中での、例えば、10⁶微生物/mLを超える濃度での分散性、膨張性、および/または可溶性が概して高い。これらの特性により、第二の材料は、第一の材料と比較して、化学的攻撃、酵素的攻撃、および/または微生物攻撃に対する感受性が高い。このために、望ましい産物、例えば、エタノールの生産速度および/または生産レベルを大幅に改善することができる。超音波処理によって材料を滅菌することもできるが、微生物を生かすことになっている間は使用すべきでない。

いくつかの態様において、開始結晶化度指数(超音波処理前)は、約40〜約87.5パーセント、例えば、約50〜約75パーセント、または約60〜約70パーセントであり、超音波処理後の結晶化度指数は、約10〜約50パーセント、例えば、約15〜約45パーセント、または約20〜約40パーセントである。しかしながら、ある特定の態様において、例えば、大規模な超音波処理後には、5パーセントより低い結晶化度指数となる可能性がある。いくつかの態様において、超音波処理後の材料は実質的に無定形である。

いくつかの態様において、開始数平均分子量(超音波処理前)は、約200,000〜約3,200,000、例えば、約250,000〜約1,000,000、または約250,000〜約700,000であり、超音波処理後の数平均分子量は、約50,000〜約200,000、例えば、約60,000〜約150,000、または約70,000〜約125,000である。しかしながら、いくつかの態様において、例えば、大規模な超音波処理後には、約10,000未満、さらには約5,000未満の数平均分子量となる可能性がある。

いくつかの態様において、第二の材料の酸化レベル(O₂)は、第一の材料の酸化レベル(O₁)より高くてもよい。材料の酸化レベルが高ければ、分散、膨張、および/または溶解の助けとなり、さらには、化学的攻撃、酵素的攻撃、または微生物攻撃に対する材料の感受性が強化され得る。いくつかの態様において、第一の材料と比較して第二の材料の酸化レベルを高めるために、酸化媒体中で超音波処理が行われ、第一の材料より酸化された第二の材料が産生される。例えば、第二の材料は、ヒドロキシル基、アルデヒド基、ケトン基、エステル基、またはカルボン酸基の数が増えていてもよく、これらは材料の親水性を高めることができる。

いくつかの態様において、超音波処理媒体は水性媒体である。所望であれば、媒体は、酸化剤、例えば、過酸化物(例えば、過酸化水素)、分散剤、および/または緩衝液を含んでもよい。分散剤の例には、イオン性分散剤、例えば、ラウリル硫酸ナトリウム、および非イオン性分散剤、例えば、ポリ(エチレングリコール)が含まれる。

他の態様において、超音波処理媒体は非水性である。例えば、超音波処理は、炭化水素、例えば、トルエンまたはヘプタン、エーテル、例えば、ジエチルエーテルまたはテトラヒドロフランの中で、さらには液化ガス、例えば、アルゴン、キセノン、または窒素の中でも行うことができる。

熱分解
多種多様な供給源に由来する炭素含有材料を加工して、材料から有用な物質を抽出するために、ならびにさらなる加工工程および/またはシーケンスへのインプットとして機能する部分的に分解された有機材料を得るために、一回または複数回の熱分解加工シーケンスを使用することができる。

一例では、第一の数平均分子量より小さい第二の数平均分子量(M_N2)を有するセルロースを含む第二の材料を得るために、第一の数平均分子量(M_N1)を有するセルロースを含む第一の材料を、例えば、(酸素の存在下または非存在下で)チューブ炉の中で加熱することによって熱分解する。第二の材料(またはある特定の態様では、第一の材料および第二の材料)は、第二の材料および/または第一の材料を利用して、水素、アルコール(例えば、エタノールもしくはブタノール、例えば、n-、sec、もしくはt-ブタノール)、有機酸、炭化水素、またはこれらのいずれかの混合物である、あるいはこれを含む燃料を産生する微生物と(酸加水分解もしくは酵素的加水分解と共に、または酸加水分解もしくは酵素的加水分解を伴わずに)組み合わされる。

第二の材料は、第一の材料と比較して小さな分子量、場合によっては、小さな結晶化度も有するセルロースを有するので、微生物を含有する溶液中での、例えば、10⁶微生物/mLを超える濃度での分散性、膨張性、および/または可溶性が概して高い。これらの特性により、第二の材料は、第一の材料と比較して、化学的攻撃、酵素的攻撃、および/または微生物攻撃に対する感受性が高い。このために、望ましい産物、例えば、エタノールの生産速度および/または生産レベルを大幅に改善することができる。熱分解によって第一の材料および第二の材料を滅菌することもできる。

いくつかの態様では、第二の数平均分子量(M_N2)は、第一の数平均分子量(M_N1)より、約10パーセント超小さく、例えば、15パーセント、20パーセント、25パーセント、30パーセント、35パーセント、40パーセント、50パーセント、60パーセント、さらには約75パーセント超小さい。

いくつかの態様において、開始結晶化度(熱分解前)は、約40〜約87.5パーセント、例えば、約50〜約75パーセント、または約60〜約70パーセントであり、熱分解後の結晶化度指数は、約10〜約50パーセント、例えば、約15〜約45パーセント、または約20〜約40パーセントである。しかしながら、ある特定の態様において、例えば、大規模な熱分解後には、5パーセントより低い結晶化度指数となる可能性がある。いくつかの態様において、熱分解後の材料は実質的に無定形である。

いくつかの態様において、開始数平均分子量(熱分解前)は、約200,000〜約3,200,000、例えば、約250,000〜約1,000,000、または約250,000〜約700,000であり、熱分解後の数平均分子量は、約50,000〜約200,000、例えば、約60,000〜約150,000、または約70,000〜約125,000である。しかしながら、いくつかの態様において、例えば、大規模な熱分解後には、約10,000未満、さらには約5,000未満の数平均分子量となる可能性がある。

いくつかの態様において、第二の材料の酸化レベル(O₂)は、第一の材料の酸化レベル(O₁)より高くてもよい。材料の酸化レベルが高ければ、分散、膨張、および/または溶解の助けとなり、さらには、化学的攻撃、酵素的攻撃、または微生物攻撃に対する材料の感受性が強化され得る。いくつかの態様において、第一の材料と比較して第二の材料の酸化レベルを高めるために、酸化環境において熱分解が行われ、第一の材料より酸化された第二の材料が産生される。例えば、第二の材料は、ヒドロキシル基、アルデヒド基、ケトン基、エステル基、またはカルボン酸基の数が増えていてもよく、これらは材料の親水性を高めることができる。

いくつかの態様において、材料の熱分解は連続する。他の態様において、材料は、所定の時間、熱分解され、次いで、第二の所定の時間、冷却された後に、再度、熱分解される。

酸化
多種多様な供給源に由来する炭素含有材料を加工して、材料から有用な物質を抽出するために、ならびにさらなる加工工程および/またはシーケンスへのインプットとして機能する部分的に分解されたおよび/または変化した材料を得るために、一回または複数回の酸化加工シーケンスを使用することができる。

一つの方法では、例えば、空気または酸素に富む空気のストリームの中で、第一の数平均分子量(M_N1)を有し、第一の酸素含有量(O₁)を有するセルロースを含む第一の材料を加熱することによって、第一の材料を酸化して、第二の数平均分子量(M_N2)を有し、第一の酸素含有量(O₁)より高い第二の酸素含有量(O₂)を有するセルロースを含む第二の材料を得る。

このような材料は固体および/または液体とも組み合わせることができる。液体および/または固体は、微生物、例えば、細菌、および/または酵素を含んでもよい。例えば、細菌および/または酵素は、セルロース材料またはリグノセルロース材料に作用して、燃料、例えば、エタノールまたは副産物、例えば、タンパク質を産生することができる。燃料および副産物は、2006年6月15日に出願された「FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES」USSN 11/453,951に記載されている。前述の各出願の全内容は参照として本明細書に組み入れられる。

いくつかの態様において、第二の数平均分子量は、第一の数平均分子量の97パーセント以下、例えば、第一の数平均分子量の95パーセント以下、90パーセント以下、85パーセント以下、80パーセント以下、75パーセント以下、70パーセント以下、65パーセント以下、60パーセント以下、55パーセント以下、50パーセント以下、45パーセント以下、40パーセント以下、30パーセント以下、20パーセント以下、12.5パーセント以下、10.0パーセント以下、7.5パーセント以下、5.0パーセント以下、4.0パーセント以下、3.0パーセント以下、2.5パーセント以下、2.0パーセント以下、または1.0パーセント以下である。分子量が減少する量は用途によって決まる。例えば、複合体を提供するいくつかの好ましい態様では、第二の数平均分子量は第一の数平均分子量と実質的に同じである。他の用途では、例えば、エタノールまたは別の燃料もしくは副産物を作製する用途では、分子量が減少する量はさらに多いことが一般的に好ましい。

材料を用いて燃料または副産物を作製する、いくつかの態様では、開始数平均分子量(酸化前)は、約200,000〜約3,200,000、例えば、約250,000〜約1,000,000、または約250,000〜約700,000であり、酸化後の数平均分子量は、約50,000〜約200,000、例えば、約60,000〜約150,000、または約70,000〜約125,000である。しかしながら、いくつかの態様では、例えば、大規模な酸化後には、約10,000未満、さらには約5,000未満の数平均分子量となる可能性がある。

いくつかの態様において、第二の酸素含有量は、第一の酸素含有量より少なくとも約5パーセント多く、例えば、7.5パーセント多く、10.0パーセント多く、12.5パーセント多く、15.0パーセント多く、または17.5パーセント多い。いくつかの好ましい態様において、第二の酸素含有量は、第一の材料の第一の酸素含有量より少なくとも約20.0パーセント高い。酸素含有量は、試料を、1300℃以上で操作されている炉の中で熱分解することで元素分析することによって測定される。適切な元素分析器は、VTF-900高温熱分解炉が付いているLECO CHNS-932分析器である。

一般的に、材料の酸化は酸化環境で行われる。例えば、酸化は、酸化環境、例えば、空気または空気に富むアルゴンの中で熱分解することによって行われてもよく、助けられてもよい。酸化を助けるために、酸化の前または間に、様々な化学薬品、例えば、酸化剤、酸、または塩基を材料に添加することができる。例えば、酸化前に過酸化物(例えば、過酸化ベンゾイル)を添加することができる。

抵抗性を減らす酸化方法の中には、フェントン化学またはフェントン型化学を用いるものもある。このような方法は、例えば、2008年12月19日に出願された米国特許仮出願第61/139,473号に開示されている。米国特許仮出願第61/139,473号の全開示は参照として本明細書に組み入れられる。

例示的なオキシダントには、過酸化物、例えば、過酸化水素および過酸化ベンゾイル、過硫酸塩、例えば、過硫酸アンモニウム、活性化型酸素、例えば、オゾン、過マンガン酸塩、例えば、過マンガン酸カリウム、過塩素酸塩、例えば、過塩素酸ナトリウム、および次亜塩素酸塩、例えば、次亜塩素酸ナトリウム(家庭用漂白剤)が含まれる。

状況によっては、pHは、接触中に約5.5または約5.5未満、例えば、1〜5、2〜5、2.5〜5、または約3〜5に維持される。条件はまた、2〜12時間、例えば、4〜10時間、または5〜8時間の接触期間を含んでもよい。場合によっては、条件は、300℃を超えない、例えば、250℃、200℃、150℃、100℃、または50℃を超えないことを含む。特別な望ましい場合では、温度は実質的に周囲温度のままであり、例えば、20〜25℃または約20〜25℃である。

いくつかの望ましい態様では、例えば、空気を通して、第一のセルロース材料またはリグノセルロース材料および一種類または複数の種類の化合物に、粒子線、例えば、電子線を照射することによりインサイチューでオゾンを発生させることによって、一種類または複数の種類のオキシダントが気体として、第一のセルロース材料またはリグノセルロース材料および一種類または複数の種類の化合物に適用される。

特に望ましい態様では、第一のセルロース材料またはリグノセルロース材料は、最初に、一種類または複数の種類の化合物が分散および/または溶解している水または水性媒体の中に分散され、浸漬時間の後に水は除去され(例えば、遊離した水(loose and free water)および自由水が濾過によって除去され)、次いで、例えば、空気を通して、第一のセルロース材料またはリグノセルロース材料および一種類または複数の種類の化合物に、粒子線、例えば、電子線を照射することにより(例えば、それぞれ3MeV〜10MeVの電位差によって加速される)インサイチューでオゾンを発生させることによって、一種類または複数の種類のオキシダントが気体として組み合わせに適用される。浸漬によって、酸化に対して内部を開放することができる。

いくつかの態様において、混合物は、一種類または複数の種類の化合物および一種類または複数の種類のオキシダントを含み、一種類または複数の種類の化合物と一種類または複数の種類のオキシダントのモル比は、約1:1000〜約1:25、例えば、約1:500〜約1:25または約1:100〜約1:25である。

いくつかの望ましい態様において、混合物は、一種類もしくは複数の種類のヒドロキノン、例えば、2,5-ジメトキシヒドロキノン(DMHQ)、および/または一つもしくは複数のベンゾキノン、例えば、2,5-ジメトキシ-1,4-ベンゾキノン(DMBQ)をさらに含む。これらは電子移動反応を助けることができる。

いくつかの望ましい態様において、一種類または複数の種類のオキシダントはインサイチューで電気化学的に発生する。例えば、接触容器または反応容器の中で、過酸化水素および/またはオゾンを電気化学的に発生させることができる。

可溶化するための、抵抗性を減らすための、または官能基化するための他のプロセス
この段落のプロセスはいずれも、本明細書に記載のプロセス無く単独で、または本明細書に記載の任意のプロセス:水蒸気爆砕、酸処理(鉱酸、例えば、硫酸、塩酸、および有機酸、例えば、トリフルオロ酢酸を用いた濃酸処理および希酸処理を含む)、塩基処理(例えば、石灰または水酸化ナトリウムを用いた処理)、UV処理、スクリュー押出し処理(例えば、2008年11月18日に出願された米国特許出願第61/073,530号を参照されたい)、溶媒処理(例えば、イオン性液体を用いた処理)、ならびに凍結粉砕(例えば、米国特許出願第61/081,709号を参照されたい)と(任意の順番で)組み合わせて使用することができる。

燃料および/または他の産物の産生
前記の加工工程の一つまたは複数がバイオマスに対して行われた後に、前記のように糖化プロセスを用いて、セルロース画分およびヘミセルロース画分に含まれる複合糖質を発酵性糖に加工することができる。

得られた糖液が製造施設に輸送された後に、糖を、様々な産物、例えば、アルコール、例えば、エタノール、または有機酸に変換することができる。得られる産物は、利用される微生物およびバイオプロセスが起こる条件によって決まる。これらの工程は、例えば、トウモロコシをベースとするエタノール製造施設の既存の機器を利用して行うことができる。

一般的に、発酵には様々な微生物が用いられる。リグノセルロース材料の糖化によって産生される糖液は、一般的に、キシロースならびにグルコースを含有する。一般的に用いられるいくつかの微生物(例えば、酵母)はキシロースに作用しないので、キシロースを除去する、例えば、クロマトグラフィーによってキシロースを除去することが望ましい場合がある。キシロースは、他の産物、例えば、甘味料であるキシリトールの製造において収集および利用されることがある。発酵が行われる製造施設に糖液を送達する前または後に、キシロースを除去することができる。

微生物は天然微生物でもよく、操作された微生物でもよい。例えば、微生物は、細菌、例えば、セルロース分解細菌、菌類、例えば、酵母、植物、または原生生物、例えば、藻類、原生動物、もしくは菌類様原生生物、例えば、粘菌でもよい。生物が適合する場合、生物の混合物を利用することができる。微生物は好気性生物でもよく、嫌気性生物でもよい。微生物は、ホモ発酵性微生物(単一の最終産物または実質的に単一の最終産物を産生する微生物)でもよい。微生物は、ホモ酢酸微生物、ホモ乳酸微生物、プロピオン酸細菌、酪酸細菌、コハク酸細菌、または3-ヒドロキシプロピオン酸細菌でもよい。微生物は、クロストリジウム属(Clostridium)、ラクトバチルス属(Lactobacillus)、ムーレラ属(Moorella)、サーモアナエロバクター属(Thermoanaerobacter)、プロプリオニバクテリウム属(Proprionibacterium)、プロピオニスペラ属(Propionispera)、アナエロビオスピリルム属(Anaerobiospirillum)、およびバクテリオデス属(Bacteriodes)より選択される属の微生物でもよい。具体例では、微生物は、クロストリジウム・フォルミコアセチカム(Clostridium formicoaceticum)、酪酸菌(Clostridium butyricum)、ムーレラ・サーモアセチカ(Moorella thermoacetica)、サーモアナエロバクター・キブイ(Thermoanaerobacter kivui)、ラクトバチルス・デルブルキ(Lactobacillus delbrukii)、プロピオニバクテリウム・アシディプロピオニシ(Propionibacterium acidipropionici)、プロピオニスペラ・アルボリス(Propionispera arboris)、アナエロビオスピリルム・スクシニクプロデュセンス(Anaerobiospirillum succinicproducens)、バクテリオデス・アミロフィラス(Bacteriodes amylophilus)、またはバクテリオデス・ルミニコラ(Bacteriodes ruminicola)でもよい。例えば、微生物は、望ましい産物を産生するように操作された組換え微生物、例えば、望ましい産物の直接産生が用いられる、望ましいタンパク質をコードすることができる一つまたは複数の遺伝子で形質転換された組換え大腸菌(Escherichia coli)でもよい(例えば、2005年2月8日に発行された米国特許第6,852,517号を参照されたい)。

カルボン酸基は一般的には発酵溶液のpHを下げて、一部の微生物、例えば、ピチア・スティピティス(Pichia stipitis)による発酵を阻害する傾向がある。従って、場合によっては、溶液のpHを上げるために、発酵前または発酵中に塩基および/または緩衝液を添加することが望ましい。例えば、発酵培地のpHを、利用される微生物に最適な範囲まで上げるために、水酸化ナトリウムまたは石灰を発酵培地に添加することができる。

発酵は、一般的に、増殖培地水溶液の中で行われる。増殖培地水溶液は、ビタミン(vitimin)ならびに金属微量元素および微量金属と共に窒素源または他の栄養源、例えば、尿素を含有してもよい。一般的に、増殖培地は無菌であるか、または、少なくとも、微生物数、例えば、細菌数が少ないことが好ましい。増殖培地は任意の望ましいやり方で滅菌することができる。しかしながら、好ましい実施では、滅菌は、増殖培地または混合前の増殖培地の個々の成分に放射線照射することによって達成される。エネルギー消費および結果として生じるコストを最小限にするために、一般的に、放射線の線量は、十分な結果を得ながらもできる限り低くなる線量である。例えば、多くの場合、増殖培地それ自体または増殖培地の成分は、5Mrad未満、例えば、4Mrad未満、3Mrad未満、2Mrad未満、または1Mrad未満の放射線線量で処理することができる。具体例では、増殖培地は約1〜3Mradの線量で処理される。

他の態様
多くの態様が説明された。それにもかかわらず、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更が加えられ得ることが理解されるだろう。従って、他の態様は以下の特許請求の範囲の中にある。

Claims

セルロース供給材料またはリグノセルロース供給材料を準備する工程と、
供給材料を液体および糖化剤と混合する工程と、
得られた混合物を輸送する工程と
を含む、方法。
輸送前に、少なくとも部分的な糖化を生じさせる工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
輸送前に、実質的に完全な糖化を生じさせる工程を含む、請求項2記載の方法。
糖化剤を除去および/または変性する工程をさらに含む、請求項3記載の方法。
輸送する工程が、微生物を用いてデンプン、スクロース、またはラクトースをエタノールに変換するように構成された施設に、混合物を輸送する工程を含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
輸送する工程が、鉄道車両タンカー、タンクローリー、パイプライン、または油槽船に入れて発送する工程を含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
糖化を生じさせて、糖液または糖懸濁液を得、糖液または糖懸濁液からキシロースを除去する工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
糖液または糖懸濁液から毒を除去する工程をさらに含む、請求項7記載の方法。
供給材料を液体および糖化剤と混合する前に、供給材料の抵抗性を減らす工程をさらに含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
抵抗性を減らす工程が、供給材料に電離放射線を照射する工程を含む、請求項9記載の方法。
供給材料の嵩密度を減らすように、および/また供給材料の表面積を増やすように供給材料を機械的に処理する工程をさらに含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
機械的に処理する工程が、供給材料に対して剪断プロセスを行う工程を含む、請求項11記載の方法。
抵抗性を減らす工程が、供給材料の機械的処理、化学処理、超音波処理、熱分解、酸化、または水蒸気爆砕を含む、請求項9記載の方法。
輸送された混合物からエネルギーまたは燃料を発生させる工程をさらに含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
混合物を、後付けされたまたは既存のデンプンエタノールプラント、スクロースエタノールプラント、またはラクトースエタノールプラントに輸送する工程をさらに含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
糖化を生じさせて、糖液または糖懸濁液を得る工程であって、溶液または懸濁液の糖総含有率が少なくとも20重量％である工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
溶液または懸濁液が界面活性剤を含む、請求項16記載の方法。
糖化剤が酵素または酸を含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
約10〜70重量パーセントのグルコース、例えば、15パーセント〜65パーセントまたは20パーセント〜60パーセントのグルコース、
約2〜35重量パーセントのキシロース、例えば、約2.5パーセント〜約30パーセントまたは約5パーセント〜約28パーセントのキシロース;および
液体、例えば、溶媒
を含む、糖濃縮物などの組成物であって、組成物の糖総含有率が、約10〜90重量パーセント、例えば、約15重量パーセント〜85重量パーセント、または約20重量パーセント〜約75重量パーセントである、前記組成物。
窒素源、例えば、尿素またはペプトン、例えば、約5〜750mM、例えば、約7.5mM〜500mM、または10mM〜250mMの濃度の窒素源、例えば、尿素またはペプトンをさらに含む、請求項19記載の組成物。
界面活性剤、例えば、約0.1重量パーセント〜約5重量パーセント、例えば、約0.15重量パーセント〜約4.0重量パーセント、または約0.25重量パーセント〜約3.0重量パーセントの濃度の界面活性剤をさらに含む、請求項19または20記載の組成物。
脂質、モノグリセリド、ジグリセリド、もしくはトリグリセリド、または不飽和脂肪酸をさらに含む、請求項19、20、または21記載の組成物。
ステロール、例えば、エルゴステロール、例えば、15〜1000重量ppm、例えば、25〜500ppm、または50〜150ppmの濃度のステロール、例えば、エルゴステロールをさらに含む、請求項19〜22のいずれか一項記載の組成物。
抗生物質、例えば、テトラサイクリン、例えば、15〜1000重量ppm、例えば、25〜500ppm、または50〜150ppmの濃度の抗生物質、例えば、テトラサイクリンをさらに含む、請求項19〜23のいずれか一項記載の組成物。
約10重量パーセント〜約90重量パーセントのセルロース材料またはリグノセルロース材料を含む分散液を糖化することによって作製された、糖濃縮物。
セルロース材料またはリグノセルロース材料が廃棄紙ストリームを含む、請求項25記載の組成物。
セルロースを含有するセルロース供給材料またはリグノセルロース供給材料を準備する工程と、
供給材料を、液体、例えば、溶媒、例えば、水、および糖化剤、例えば、セルロースを糖化するように選択された酵素または酸と混合する工程と、
エタノールを産生するために、得られた混合物を、例えば、鉄道または貨物自動車によって、デンプンベースまたはスクロースベースのエタノールプラントに輸送する工程と
を含む、方法。