JP2023516488A - バイオマスからの有益性の高い成分の回収 - Google Patents

Abstract

バイオマスから化合物を分離および回収するための方法が提供される。この方法では、水蒸気などの本質的に気体の相中の水性抽出流体（１）が、バイオマス供給原料を含む反応領域（１０Ａ）を通って伝播される。抽出流体（１）がバイオマス供給原料を通って前進することにより、所定の反応条件で、標的化合物（Ｃ１、Ｃ２）が本質的に固体の供給原料物質から分離し、抽出流体と共に反応領域の端に向かって移動し、標的化合物が、本質的に液体の媒体（２）の形態で回収される。この方法は、セルロース含有原料から長鎖ヘミセルロースを抽出するために有益である。【選択図】図１

Description

本発明は、概して、バイオマス供給原料の加工および精製に関する。特に、本発明は、本質的にガス状状態で提供される溶媒水を使用して、収率および濃度の高いバイオマス供給原料から有益な化合物および化合物群を分離および回収するプロセスに関する。

天然資源の持続可能な利用は、ここ数十年、達成することが非常に困難な目標のリストに増加している。植物由来リグノセルロース系バイオマスは、化石炭素および関連化合物、特に石油由来の様々な製品、特にプラスチックに実行可能な代替物を提供する再生可能な起源の炭素資源である。林業および農業では、付加価値品目を生産するために副産物の副ストリームを再指向することによって、副産物のスマートリサイクル方法を利用することにますます配向するようになっている。植物細胞には、リグノセルロース系バイオマスを生体材料、食料品の生産から、エネルギー変換、バイオ燃料の生産に至るまで、幅広い用途のための有益な資源にする明確な商業的価値の化合物を含む非常に多様な化合物が含まれている。

従来のバイオマス抽出方法は、セルロース繊維、ヘミセルロースおよび／または各種（揮発性）芳香族種など、様々な成分を単離することを目的としており、溶媒抽出、水蒸気蒸留、水蒸気爆発、および加圧熱水抽出が挙げられる。

水蒸気蒸留は、過熱水蒸気を利用して不活性固体または液体から沸点の高い揮発性（有機）化合物を回収するために使用されるプロセスである。水蒸気は、この材料を通って運ばれ、そのときに水蒸気からの熱を吸収することによって標的化合物が揮発し、水蒸気に運ばれ、コンデンサに向かって引き込まれる。その結果得られた蒸気相は、冷却され、凝縮され、その後、水相が、有機相から分離される。この技術は、例えば、植物からの精油の抽出に一般的に使用されているが、繊維状成分および／または多糖類の生産には使用されていない。

水蒸気爆発は、バイオマス繊維を利用できるようにして、バイオマスからの糖および他の有用な化合物の回収を改善するために、リグノセルロース系バイオマスを物理化学的に前処理するための最も一般的な手法のうちの１つである。バイオマス供給原料は、中圧または高圧（０．６～５ＭＰａ）の飽和水蒸気で、高温（１６０～２６０℃）で短時間（数秒から数分）処理され、その後急速に圧力が解放される。この手順の主な欠点は、ヘミセルロース種の完全または部分的な分解および植物細胞壁ポリマーのさらなる分解を引き起こし得る毒性および／または阻害化合物の形成である。

水蒸気爆発技術を利用したバッチ反応器または連続（スクリュー）反応器内でセルロース材料を蒸気で処理することは、米国特許出願公開第２０１９／１７７２９２号（Ｍａｒｃｋｍａｎｎ ｅｔ ａｌ）に開示されている。特許公報は、セルロース材料から、フェノール化合物、フラン、フルフラールおよび有機酸などの標的化合物を産生するための方法および装置を開示している。水蒸気爆発処理された水蒸気はさらに水蒸気分離デバイスに向けられ、標的化合物を含む気相を固体から分離させる。次に、標的フェノール化合物および／または有機酸を含む蒸気が凝縮され、水蒸気処理されたセルロース含有固形物を、糖化またはバイオエタノールの産生に関連する他の用途のために別の反応器に移すことができる。

水蒸気爆発バッチ反応器内でバイオマスを水蒸気で処理することにより、サトウキビバガスを高アルファセルロース含量の高級セルロースパルプに分画するプロセスは、米国特許出願公開第２０１０／２７６０９３号（Ｖａｒｍａ）にさらに開示されている。このプロセスにおいて、加水分解化学物質として水蒸気が使用される。

バイオマス前処理のための別の一般的な方法は、加圧熱水抽出（ＰＨＷＥ）であり、そのときに、溶媒は、所望の温度で加熱されたジャケットに配置された抽出チャンバに圧送される。バイオマスを含むチャンバは加熱され、抽出溶媒（水）で満たされ、次に加圧される。連続フロー溶出を含むＰＨＷＥ法の一部の変更では、予熱した水は、加圧抽出チャンバに向けられ得る。ＰＨＷＥプロセスでは、水の温度は、沸点（１００℃）を超えるが、臨界温度（３７４℃）未満である。抽出システム内の圧力は、水を液体形態に維持するのに十分な高さである。反応完了後、チャンバ内の圧力を所望の流れに適したレベルに維持しながら、チャンバを新鮮な抽出溶媒ですすぐ。抽出物は、劣化を防ぐために急速に冷却させる。この方法を実施する際に直面する主要な課題のうちの１つは、それによって得られる抽出物が不必要に希釈されることである。ＰＨＷＥにおいて高温を使用することに伴うさらなる欠点は、抽出の選択性の低下、抽出された化合物の適切な分解、およびバイオマスマトリックスにおける他の化学反応の存在である。したがって、抽出温度が高いほど（約２００℃など）、不要な化合物が抽出され、これにより、選択性が低下し、精製後処理の必要性が高まる。

高温（例えば１７０～２５０℃）を使用するバイオマス抽出方法に関連する別の主要な問題は、バイオマス材料の加熱および／または燃焼であり、これには、抽出可能化合物の不可逆的な損傷／分解を伴う。

さらに、バイオマス供給原料の精製分野では、典型的には、水蒸気をベースにした方法が、より長いプロセスの一部として使用される。標的化合物を含む抽出されたストリームは、典型的には、洗浄、濾過または他の精製（ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）方法（複数可）のいずれかによる後加工を必要とする。

米国特許出願公開第２０１０／２６３８１４号および米国特許出願公開第２０１３／０１７５８９号（いずれもＤｏｔｔｏｒｉ ｅｔ ａｌによる）は、バイオマスからエタノールへのプロセスに関連して使用することを意図したリグノセルロース系バイオマスを処理して、エタノールの全体的な収率を改善するためのバッチプロセスおよび連続プロセスをそれぞれ開示している。このプロセスには、セルロースおよびヘミセルロースの抽出を伴う。

木材から単離されたヘミセルロースは、パルプ、繊維、ならびに製紙産業および関連製品における有益な成分である。また、針葉樹には、化学産業および食品産業にとって有益な材料が含まれており、例えば、キシリトールの原材料であるキシロース（ヘミセルロースポリマーに含まれる単量体糖）は、落葉樹から大量に単離できる。ヘミセルロース抽出物は、加圧熱水抽出によって単離され得、ここでは、ヘミセルロースが水ストリームの形態で抽出される。熱水抽出法は、例えば、ＷＯ２００９／１２２０１８（Ｉｌｖｅｓｎｉｅｍｉ ｅｔ ａｌ）、ＷＯ２０１４／００９６０４（ｖｏｎ Ｓｃｈｏｕｌｚ）、およびＵＳ２０１９／１１２３９５（Ｖａｈａｓａｌｏ ｅｔ ａｌ）に開示されている。

したがって、ＷＯ２００９／１２２０１８では、１６０℃を超える温度、特に１７０～２４０℃、圧力０．２～１０ＭＰａ（２～１００バール）、特に０．６～２ＭＰａ（６～２０バール）で繊維状バイオマスからヘミセルロースおよびその誘導体を抽出するための方法について教示している。抽出は、抽出の全期間中、水相中に維持された水を使用する。

同様の方法で、 ＷＯ２０１４／００９６０４では、糖、その誘導体、および対応する多糖類をリグノセルロース系バイオマスから熱水で抽出する方法について教示している。含浸ステップは、閉鎖反応器内で減圧下、例えば圧力０．８バールで実施される。しかし、高濃度のヘミセルロースを得るためには、抽出物をバイオマスに数回（例えば、１０回）循環させる必要がある。

米国特許第２０１９／１１２３９５号は、水、水溶液、水蒸気、過熱水蒸気およびそれらの混合物などの水性媒体を使用して、細かく粉砕されたバイオマス（粒子サイズが１０ｍｍ未満）からヘミセルロースを抽出する方法を開示している。したがって、バイオマスは、反応容器内で、温度７０～２５０℃、好ましくは１７０℃以下、圧力０．１５～１ＭＰａ（絶対圧１．５～１０バール）で水と接触する。この方法によって産生されたヘミセルロース抽出物には、分散したコロイド状物質が含まれ、これにより、溶液が混濁し、下流のフィルタの詰まりが生じる。この方法は、後処理ステップを必要とし、そこで抽出物が清澄化される。

さらに、米国特許出願公開第２０１９／１３６２７９号（Ｒｉｖａ＆Ｇｉｏｒｄａｎｏ）は、リグノセルロース系バイオマスからバイオ産生物を産生するためのプロセスを開示しており、バイオマスは、連続反応器内で水蒸気処理され、ヘミセルロースが回収される。このプロセスにより、同じ反応器内で同じ処理を行う間に、リグノセルロース系バイオマスからＣ５糖およびＣ６糖の両方を回収できるようになる。バイオマスは、浸漬によって前処理することができ、その後、バイオマスは、プラグスクリューフィーダを備えた水蒸気処理反応器に導入される。反応後、前処理されたバイオマスを反応器から排出させながら、水蒸気爆発を介して急速に圧力が解放される。このプロセスでは、キシラン（Ｃ５糖類）が水蒸気爆発後に反応器から出るバイオマスから回収される。加工条件では、前処理中に生じる加水分解の結果として、完全な（長鎖）ヘミセルロースが分解する。

上記とは別に、抽出方法に、必ずしも後加工および／または後精製ステップを必要としないように、植物由来バイオマスからの高純度で濃縮された化合物の迅速な単離に好適である代替的方法は提供されていない。

以前に得られたデータに照らして、バイオマスの精製および加工に関連する技術分野を補完および更新し、バイオマスから有益な化合物を経済的に実現可能な規模で抽出するための信頼性が高く再現性のある方法を開発することが望ましいと考えられる。これは、好適な高温抽出方法、特に水蒸気抽出技術を利用することによって達成可能である。

本発明の目的は、関連技術の制限および不利益から生じる問題のそれぞれを解決または少なくとも緩和することである。この目的は、バイオマスから化合物を分離および回収する方法、関連システム、および用途の様々な実施形態によって達成される。これにより、本発明の一態様において、独立請求項１に記載のものに従って、バイオマスから化合物を分離および回収するための方法が提供される。

実施形態では、この方法は、バイオマスを加工するための装置にバイオマス供給原料を提供することであって、これにより、バイオマス供給原料を含む反応領域が形成される、提供することと；所定の反応条件で、バイオマス供給原料を含む反応領域を通して気相の抽出流体を伝播することであって、これにより、標的化合物が、本質的に固体の供給原料物質から分離される、伝播することと；反応領域から出る分離された標的化合物を回収することと、を含み、抽出流体が、反応領域の長さに沿ってバイオマス材料を通って前進することにより、こうして分離された標的化合物を反応領域の端に向かって運び、これにより、回収時に収集された抽出物が、本質的に液体であり、標的化合物が、画分ごとに抽出され、これにより、異なる画分を形成する標的化合物が、異なる保持時間で溶出されるようになる。

実施形態では、方法は、抽出流体を反応領域に向ける前に、抽出流体を第１の熱伝達ユニットにおいて加熱および任意により加圧することを含み、このときに抽出流体が気化されて気相が形成される。本方法では、気相が形成される前に、抽出流体は、水溶液であり、任意により水である。

実施形態では、バイオマス供給原料は、セルロース含有バイオマス、特にリグノセルロース系バイオマスおよび／または動物由来バイオマスである。

実施形態では、抽出流体は、連続的にまたはパルス的に反応領域に誘導される。

実施形態では、反応条件は、反応領域内の温度を１００～２２０℃の範囲、好ましくは１５０～２１０℃の範囲に調整することを含む。実施形態では、反応条件は、反応領域内の圧力を約０．３ＭＰａ～約３ＭＰａの範囲、好ましくは約１ＭＰａ～約２ＭＰａの範囲に調整することを含む。

実施形態では、分離された標的化合物が反応領域内で費やす滞留時間が、約２分～約３０分の範囲、好ましくは約５分～約１５分の範囲であるように、反応領域を通る抽出流体の流れが調整される。

実施形態では、反応領域から出る標的化合物を回収することは、反応領域の下流に配置された第２の熱伝達ユニットにおいて標的化合物を運ぶ抽出流体を冷却することを含み、これにより標的化合物に富む本質的に液体の抽出物が産生される。

実施形態では、標的化合物を回収するための抽出流体の量は、反応領域内に供給されたバイオマス供給原料の約０．１～１０体積％、好ましくは約０．５～２体積％であり、抽出流体の体積は、その液体状態に応じて計算される。

一実施形態では、回収時に収集され、標的化合物を含む本質的に液体の抽出物中の乾物含有量は、約５重量％～約３０重量％の範囲内である。

実施形態では、抽出流体で抽出する前に、バイオマス供給原料を前処理流体で前処理して、少なくとも揮発性化合物を回収し、前処理は、７０～１２０℃の範囲内の温度および約０．０５ｍＰａ～約０．５ＭＰａの範囲内の圧力で行われる。実施形態では、前処理流体は、蒸気またはガスなどのガス状物質である。

実施形態では、反応領域は、バッチ反応器、連続フロー反応器、またはそれらの組み合わせとして構成されたバイオマスを加工するための装置内に形成される。

実施形態では、標的化合物は、セルロース、ヘミセルロース、リグニン、糖、タンパク質のほか、テルペノイド、フェノール化合物、脂肪酸、樹脂酸などの低分子量抽出化合物からなる群から選択される。

実施形態において、標的化合物は、本質的に完全な長鎖ヘミセルロースである。

別の態様では、独立請求項１７に記載されているものに従って、バイオマスから化合物を分離および回収するためのシステムが提供される。

実施形態では、システムは、バイオマス供給原料を含む反応チャンバによりバイオマスを加工するための装置であって、これにより反応領域が形成される装置と、気相の抽出流体を反応チャンバに向けるための手段であって、これにより、抽出流体が、反応領域を通って伝播し、本質的に固体の供給原料物質から標的化合物を分離し、バイオマス材料を通って前進し、水性抽出流体が、こうして分離された標的化合物を反応領域の端に向かって運ぶ、手段と、第１の熱伝達ユニットであって、その内部で、抽出流体が、反応チャンバに入る前に、加熱され、任意により加圧されて気相が形成される、ユニットと、第２の熱伝達ユニットであって、その内部で、反応領域から出る抽出流体が、標的化合物が豊富な本質的に液体の抽出物を産生するために凝縮される、ユニットと、反応チャンバ内の反応条件を調整するための少なくとも１つの制御デバイスと、を備え、本システムは、標的化合物を画分ごとに抽出するように構成され、これにより、異なる画分を形成する標的化合物が、異なる保持時間で溶出されるようになる。

さらなる態様では、独立請求項１８に記載のものに従って、リグノセルロース系バイオマスから本質的に完全なヘミセルロース化合物を分離および回収するための方法が提供される。

実施形態では、本方法は、バイオマスを加工するための装置にリグノセルロース系バイオマス供給原料を提供することであって、これにより、バイオマス供給原料を含む反応領域が形成される、提供することと；所定の反応条件で、バイオマス供給原料を含む反応領域を通って、抽出流体として水蒸気を伝播することであって、これにより、ヘミセルロース化合物が、本質的に固体の供給原料物質から分離される、伝播することと；反応領域から出る分離された完全なヘミセルロース化合物を回収することであって、反応領域の長さに沿ってバイオマス材料を通って前進することにより、水抽出流体が、分離されたヘミセルロース化合物を反応領域の端に向かって運び、これにより、回収時に収集された抽出物が、本質的に液体である、回収することと、を含み、回収されたヘミセルロース化合物は、完全なヘミセルロースであり、ヘミセルロース化合物は、画分ごとに抽出され、これにより、完全なヘミセルロース化合物および異なる画分を形成するその分解産生物が、異なる保持時間で溶出されるようになる。

実施形態では、この方法は、反応領域内の温度を約１６０～２２０℃の範囲に調整することと、反応領域内の圧力を約０、６～２、５ＭＰａの範囲に調整することと、を含み、これにより、完全なヘミセルロース化合物の合計量の８０～９５％を占める画分を得る。

本発明の有用性は、そのそれぞれの特定の実施形態に依存する様々な理由から生じる。本明細書によって提示される方法によって提供される主な利点のうちの１つは、ヘミセルロースなどの本質的に完全な切断されていない多糖ポリマーが産生されることである。

本明細書に記載の方法によって得られる抽出物は、高い固形物含有量（５～３０重量％）を有する。純粋な抽出物は、甘味料または増粘剤などの食品添加物として、例えば、飼料添加物または分散剤として、機能的かつ低エネルギーの代替物、例えば、デンプンまたはゼラチンを提供できる。

ヘミセルロースなどの高品質の長鎖多糖類は、塗料および化粧品産業において、溶液または分散液の形態でさらに恩恵を受けることができる。この方法は、さらなる濃縮および／または精製を必要としない、すぐに使用できる抽出物を産生するのに非常に好適である。それでも、純粋な抽出物は、例えば重合などのバイオテクノロジーによる後精製を受けて、石油由来プラスチックの代替品を産生することおよび加水分解して糖にすることができ、さらに発酵させてバイオ燃料にすることができる。純粋な抽出物は、食品および／または化学産業のニーズのために、出発産生物として使用され得る。

バイオマス材料から特定の標的化合物、例えば、ヘミセルロースを抽出後、抽出チャンバ内に残存している残留物／パルプを、より高い温度で、および／または選択した化学物質の存在下で、さらに加工して、セルロース束を解繊することができる。このプロセスは、例えば、従来の粉砕または水蒸気爆発技術による機械的精製によって支援され得る。ヘミセルロース種を除去後、パルプは、粉砕性および圧縮性が高い。したがって、バイオマス供給原料からヘミセルロースを除去後、残存しているパルプは、セルロースおよび／または溶解パルプの製造にさらに使用することができる。

これによって開示された方法では、従来のパルプ化技術において、黒液中に残存しているヘミセルロース種をバイオマスから単離することが可能になる。したがって、本発明は、製紙、エネルギー、食品および（動物）飼料産業内での利用に特に有益である。さらに、本発明は、食用油および穀類の産生において生成される副ストリームの加工に使用することができる。

本発明はさらに、リグノセルロース系バイオマスから有益な化合物を単離するエネルギー効率および費用対効果を高めることを目的とする。従来の液体抽出と比較して、本発明によって提示される方法は、より少ない水を使用し、はるかに短い時間で完了することができる。さらに、この方法により、高収率および選択性で、標的化合物の産生が可能になる。クリーン水蒸気をシステムからさらに抽出して再利用でき、これにより、このプロセスのエネルギー効率がさらに向上する。

加工時間が短いため、例えば水蒸気爆発では回避できない有毒化合物の形成が不要になるか、少なくとも最小限に抑えられる。したがって、ヘミセルロース画分中に含まれるリグニンの量が最小限に抑えられ、これにより、純粋なヘミセルロースの分離が可能になる。

本明細書に記載の方法は、様々な型および設計の反応器に柔軟に適用可能である。この方法は、混合器具（スクリューなど）の有無にかかわらず、バッチおよび連続フローシステムで実施され得る。その汎用性および水の消費量が少ないため、関連機器に関連する投資コストを適度に維持できる。この方法は、完全に拡張可能であり、工業規模抽出装置（例えば５～１０００ｍ^３）で確実に実施可能である。

本明細書では、「上流」および「下流」という用語は、互いに関する要素の順序を示すために使用される。これによって、用語「上流」は、いくつかの特定の要素または施設の前の位置を示し、「下流」という用語は、いくつかの特定の要素または施設の後の位置を示す。

「複数の（ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ）」という表現は、本明細書では、１から始まる任意の正の整数、例えば、１、２、または３を指す。「複数の（ａ ｐｌｕｒａｌｉｔｙ ｏｆ）」という表現は、本明細書では、２から始まる任意の正の整数、例えば、２、３、４を指す。

本発明の異なる実施形態は、詳細な説明を考慮することによって明らかになるであろう。

図１は、本発明の方法による、バイオマス供給原料からの標的化合物の分離および回収のための例示的な設備を示すグラフである。 図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、本発明の方法によって得られた抽出産生物および残留バイオマス中に含まれるヘミセルロース炭水化物の総量を示すグラフである。

本発明は、一態様によれば、バイオマスから化合物を分離および回収するための方法に関する。

ここで「バイオマス」という用語は、あらゆる種類の有機生分解性原材料を意味する。本明細書に記載の方法は、リグノセルロース系バイオマスなど、セルロースベースおよび／またはセルロース由来のバイオマスを加工するのに特に有益である。木材および非木材供給原料に由来するリグノセルロース系バイオマスは、主成分としてセルロース、ヘミセルロース、およびリグニンを含み、さらに、集合的に抽出物と呼ばれる一連の個々の化合物などを含む。後者は、主にテルペンおよびテルペノイド、アルカロイド、フェノール化合物などの二次代謝産物として分類される成分で構成されている。植物由来バイオマスでは、セルロースは、リグニンおよびヘミセルロースのマトリックスに埋め込まれている。それらは一緒になって、繊維束を形成し、バイオマス組織の基盤となる緻密に密集した細胞構造（繊維）を形成する。

好適な供給原料としては、リグノセルロース系、すなわち、一年生植物および多年生植物から得られる植物ベースのバイオマスおよび／または植物由来のバイオマス（穀類、例えば、小麦、大麦、オート麦、ライ麦、トウモロコシ、コメなど、麻、亜麻など）、森林、沼地、および野原の植生、関連副産物（バガス、穀類ぬか、もみ殻、わら）およびそれらから派生した産物が挙げられる。追加的にまたは代替的に、供給原料には、林業（例えば、樹皮、木材チップ、おがくず、およびパルプ）、農業（農作、動物および家禽の飼育に由来するバイオマス）、ならびに／またはバイオ廃棄物の副産物を含めることができる。

バイオマス供給原料は、１０～７５体積パーセント（体積％）の範囲内の初期含水量を有し得る。初期含水量とは、抽出タンクに装填された収穫バイオマスの含水量（ここでは、水）を指す。新鮮または予備乾燥（例えば空気乾燥）したバイオマスを利用することができる。

この方法では、バイオマス供給原料は、バイオマスを加工するための装置１０に提供される（図１）。種々の反応器構成を適合させることができる（以下でさらに説明する）。装置１０にバイオマス供給原料を提供することにより、反応領域１０Ａが形成され、ここで本質的に固体の物質からの標的化合物の分離が生じる。反応領域１０Ａは、典型的には、装置１０の反応チャンバ内に確立される。

本明細書で標的化合物と呼ばれる抽出産生物には、これらに限定されないが、例えば、高分子炭水化物、例えば、多糖ポリマーセルロースおよびヘミセルロース（複数可）、リグニン、単純炭水化物（糖）、例えば、グルコース、マンノースおよびガラクトース、などが含まれるが、例えば、タンパク質、脂肪、ワックスのほか、テルペンおよびテルペノイド、フェノール化合物、脂肪酸、樹脂酸などの低分子量抽出化合物が挙げられる。

この方法は、本質的に完全な切断されていない、および／または変更されていない化合物の分離および回収において特に効率的であることが証明されている。長鎖の（変化していない）標的化合物、例えば、炭水化物ポリマーなどを、確実に産生できる。本発明の根底にある研究では、発明者は、ヘミセルロースなどの本質的に完全な長鎖分子をリグノセルロース材料から非常に高い収率および純度で抽出できるという驚くべき結果を導いた。抽出時に得られる標的化合物は、本質的にさらに精製することなく、食品産業（食品または動物飼料の製造）などの様々な有用な用途に使用できるほど十分に純粋である。得られた化合物は、例えば、化学的および／または生物工学的プロセスを介してさらなる改変を受けたときに、ポリマー産業でプラスチックの生分解性代替物として、またはバイオ燃料の産生に利用できる。

標的化合物（複数可）の分離は、バイオマス供給原料を含む反応領域１０Ａを通って抽出流体１を伝播させる際に生じる。反応器装置および／または反応チャンバ（抽出タンク）を適切に設計することにより、および反応／抽出領域で特定の反応条件（温度、圧力、抽出流体流速など）を確立することによって、供給バイオマスから、事前に選択された標的化合物（複数可）が、高収率（抽出サンプル中の乾物含有量５～３０重量％）および高回収率（１回の実行で収集可能な約９０％の標的化合物）で抽出（すなわち、分離および収集）され得る。

抽出手順は、水性流体を抽出用溶剤として使用して実施される。水性流体は、典型的には、液体として提供され（すなわち、通常は、液体状態で存在する）、反応領域に入る前にガス状物質に変換される。好ましい実施では、抽出流体は、水である。反応領域に入る前に、水は、気化されて気相（すなわち、本開示では「水性蒸気」は、水蒸気とも呼ばれる）が形成される。気相の形成は、第１の熱伝達ユニット９内で液体抽出用溶剤を（予）熱し、任意により加圧することによって行われる。第１の熱伝達ユニット９は、熱交換器として、または反応領域／反応チャンバ１０Ａの上流に配置された加熱器（気化器）デバイスとして構成され得る。

混乱を避けるために、本開示では、（物質の）「相」という用語は、他に明示的に定義されていない限り、（物質の）「状態」という用語と同義的に使用される。「水蒸気（ｓｔｅａｍ）」という用語は、「水性蒸気」または「水蒸気（ｗａｔｅｒ ｖａｐｏｕｒ）」という用語と交換可能に使用される。明確にするために、水蒸気および蒸気の両方が気相（気相）を表すと仮定される。場合によっては、「蒸気」という用語は、溶媒として水または他の有機溶液を含む水溶液または非水溶液の気相をさらに示す。「気相」または「気相」という用語は、特に明記しない限り、物質（例えば蒸気）の状態を示すために使用される。単一のガス粒子（例えば、Ｏ_２、Ｎ_２、ＣＯ_２などの分子および原子）からなり、室温でガス状の状態で存在する別個の元素としてのガスは、一般に「ガス」という用語で表される。

本発明の方法は、主に、カラムクロマトグラフィの概念を利用する。したがって、標的化合物の分離は、カラムクロマトグラフィの原理に従う。反応領域／反応チャンバ１０Ａに提供されるバイオマス材料は、固定相またはマトリックスを形成し、抽出流体は、移動相（溶離液）を形成する。抽出流体は、１つまたは複数の入口（図示せず）を介して反応領域１０Ａに入り、反応領域の長さに沿ってバイオマス材料を通って移動する。反応領域を通る気相の抽出流体の前進により、特定の反応条件において、標的化合物（複数可）は、本質的に固体のバイオマス材料から分離し、抽出流体を担体として、反応領域の端に向かって移動する。

したがって、高温高圧下でバイオマス材料を含む反応領域１０Ａを通って水蒸気が伝播することにより、植物細胞に含まれる抽出可能な物質を担体媒体（別名抽出流体、ここでは水蒸気）に放出させる。本質的に固体のマトリックスから放出／分離された標的化合物は、移動相（抽出流体）に入り、この抽出流体は、標的化合物を反応領域の端に向かって運び、その後反応領域から出る標的化合物（複数可）を回収する。

標的化合物（複数可）の回収は、第２の熱伝達ユニット１１で実施することができ、その内部で、標的化合物を含む抽出流体が冷却および／または凝縮を受け、それによって回収時に収集された抽出物２は、本質的に液体である。このような場合、標的化合物（複数可）の回収は、反応領域１０Ａの外側で起こる。

抽出プロセス中に、標的化合物は、本質的に不溶性の状態（植物細胞壁を形成する）から本質的に可溶性の状態または溶解状態に移行する。例として、典型的に不溶性のヘミセルロースは、高温高圧を伴う反応条件において、上述の方法で反応領域１０Ａに水蒸気を通過させたときに可溶性になる。

溶解または分散によって抽出流体に移された標的化合物（複数可）は、水蒸気に含まれる液体（水）滴および／または植物細胞の液胞から放出された液体と共に、回収部位１１に向かって移動する。反応条件に応じて、反応領域１０Ａの出口で得ることができ、標的化合物が豊富な流体は、不飽和蒸気または飽和蒸気などの本質的にガス状である相を形成し得る。流体（複数可）によって運ばれる化合物の回収は、冷却器具１１として構成された第２の熱伝達ユニット１１で行われる。

同様の方法で、他の化合物を抽出することができる。一部の標的化合物は、水溶性ではなく、蒸気相中に分散したコロイド状液滴の形態で、回収部位に向かって運ばれ得る。さらに凝縮時（１１）に、抽出物は、液体になる。このようにして得られた液体画分は、液体媒体中に溶解または分散した標的化合物（複数可）を含む。

高品質の産生物を産生するために、反応領域／反応チャンバ１０Ａにおける反応条件は、次のように設定する。反応領域１０Ａ内の温度は、約１００～２５０℃（摂氏度）、好ましくは１００～２２０℃、さらに好ましくは１５０～２１０℃の範囲内に調整および維持され、圧力は、０．１ＭＰａ～約４ＭＰａ（１～４０バール）；好ましくは、約０．３ＭＰａ～約３ＭＰａ（３～３０バール）の範囲内に調整および維持される。場合によっては、さらに好ましい範囲としては、約０．６ＭＰａ～約２．５ＭＰａ（６～２５バール）、さらにより好ましくは、約１ＭＰａ～約２ＭＰａ（１０～２０バール）が挙げられる。場合によっては、抽出条件を調整して、１００℃未満の温度、特に約８０～１００℃の範囲内の温度を含めることができる。温度を安定に保持することまたはプロセス中に昇温することが可能である。

反応温度約２２０℃は、一般に圧力２．３ＭＰａ（２３バール）に対応する。より高い温度、例えば、２５０℃以下、またはそれ以上の温度をさらに採用することもできる。約２５０℃まで過熱された飽和蒸気は、約４ＭＰａ（４０バール）の圧力で生成され得る。

飽和水蒸気が抽出流体として使用される場合、水蒸気によって確立される反応領域内の圧力は、一般に、以下の非限定的例に従う：約１００℃で約０．１ＭＰａ（１０１ｋＰａまたは１バール）；約１５０℃で約０．４７６ＭＰａ（４．８バール）；および２００℃で約１，５５５ＭＰａ（１５．６バール）である。一般に、約２１０℃の温度で、約０．１ＭＰａ～２ＭＰａ（１～２０バール）の範囲内の圧力を確立して維持することができる。

いくつかの構成では、反応容器の設計、反応中に発生する熱損失および凝縮などの要因を考慮すると、少なくとも反応容器の最初の蒸気圧は一般に低くなり得、約２００℃で約１～１．５ＭＰａであり得る。その一方で、出口での水蒸気圧は、充填密度に依存し、このときに、緻密に密集した反応器の出口温度は、入口よりも低い５０℃になり得る（圧力は、約０．５ＭＰａ、温度は約１５０℃である、または出口ポートの詰まりの可能性がある場合は、さらに低い）。動的な流れ（連続的な流れ）条件では、少なくとも圧力および温度のパラメータに対して動的平衡を確立できる。この場合、抽出／画分を数回の回収操作で実行させ得る。

厳密に言えば、抽出される物質と抽出マトリックス（バイオマス）との間の圧力差（複数可）が、反応領域マトリックスを通る標的化合物の移動を可能にするか、少なくとも促進することによって、標的化合物の抽出／画分を引き起こす。したがって、場合によっては、好ましい水蒸気圧範囲は、約０．３ＭＰａ～約３ＭＰａである。

上述のパラメータは、所望の温度／圧力を有する抽出流体を反応チャンバ内に向けることによって、反応領域１０Ａ内で確立される。第１の熱伝達ユニット９で生成された中圧（０．４５～１．６ＭＰａ）または高圧水蒸気（２ＭＰａを超える）は、反応領域に向けることができる。したがって、第１の熱伝達ユニット９は、例えば、低圧、中圧、および／または高圧の水蒸気発生器またはボイラーとして構成され得る。

反応領域１０Ａに含まれるバイオマス材料に中圧または高圧の水蒸気を通すことにより、固体成分からの標的化合物の迅速な放出を達成することができる。標的化合物の滞留時間は、放出／分離された標的化合物が反応領域（ホットエリア）内で費やす時間として定義される。滞留時間は、短く、典型的には約２～３０分の範囲内、好ましくは約５～２０分の範囲内、さらに好ましくは約５～１５分の範囲内である。標的成分が固定相から急速に放出されるため、滞留時間は、本質的に、あらかじめ選択された標的化合物が反応領域から溶出する反応時間が定義される。反応条件、抽出用溶剤の流量および／または反応器の容量（体積、構成、水平／垂直の位置）に応じて、２分、５分、１０分、１５分、２０分という短い反応時間、および中間から上記までのいずれの時間も達成され得る。

特に高温で例えば、２００℃を超える温度で処理が行われる場合、滞留時間を短くすることは高品質な産生物を得るために重要である。滞留時間を短く保つことは、ヘミセルロースなどの本質的に完全な長鎖ポリマー化合物を抽出する際に重要である。したがって、本明細書に記載の方法は、約５００～３，０００個の単糖単位を有する本質的に完全な長鎖ヘミセルロースの抽出が可能になる。他のポリマーおよび／または分子クラスターも、同様の方法で抽出することができる。

処理時間が短いことにより、標的化合物、特にポリマー分子が制御されていない分解（任意により触媒加水分解または自己分解）および／または化学修飾を受けることがさらに防がれ、典型的には、ヘミセルロースの（部分的な）分解時に形成される毒性および／または阻害性化合物の形成が妨げられる。さらに、処理時間を数分に短縮することで、バイオマス供給原料の熱劣化（燃焼）を防ぐ。

上述のとおり、本方法は、カラムクロマトグラフィの概念に従う。したがって、この方法では、標的化合物を画分ごとに溶出することができる。標的化合物と呼ばれる分離および回収される化合物を図１にＣ１、Ｃ２として示す。したがって、この方法は、固定相（別名バイオマス）を形成する本質的に固体の物質から同一でない（例示的な五角形および円形を参照）化合物Ｃ１およびＣ２を分離し、これらの化合物のそれぞれを高純度で別々に抽出することが可能になる。あるいは、抽出条件を調整して、化合物Ｃ１およびＣ２の両方を一緒に分離および抽出できるようにすることもできる。したがって、産生物として得られる抽出物２は、化合物Ｃ１および／またはＣ２を高回収率（８０～９５％）で含み、いかなる不純物も本質的に含まない。

回収時に得ることができ、標的化合物（複数可）を含む液体抽出物２は、約５重量％～約３０重量％の範囲内の乾物含有量（固形物含有量）を有する。

反応パラメータ、溶出液／抽出用溶剤流量、および装置関連パラメータは、様々な標的化合物が様々な保持時間の別の画分で溶出されるように調整することができる。後者は一般に、同一でない標的化合物が反応ゾーンで異なる滞留時間を有することを意味する。例として、例えば完全なヘミセルロースなどの化合物Ｃ１を含む画分は、特定の反応条件では、抽出流体が反応領域１０Ａに向けられた時点から２～５分で溶出する。例えば、ヘミセルロース（単糖、二糖、およびオリゴ糖、およびそれらの混合物）の分解から生じる低分子量炭水化物などの化合物Ｃ２を含む画分は、反応開始から７～８分で溶出する。同様に、１回の実行で複数の標的化合物を分離できる。

標的化合物（複数可）が豊富な画分を得るために必要な抽出流体の量は、典型的には、反応領域内にもたらされたバイオマス供給原料の約０．１～１０体積％、好ましくは約０．５～２体積％を構成し、抽出流体の液体状態に応じて、水抽出流体の体積を計算する。したがって、水などの抽出流体は、反応領域を通って伝播するためにガス状になるが（水蒸気形態）、標的化合物（複数可）の回収に必要な水の量は、その液体状態ごとに計算する。

水が抽出用溶剤として使用される場合、システムのｐＨは、一般に中性（ｐＨ７）に保持されている。特定の調整がない場合、加圧水のｐＨは、中性値を下回り、酸性（ｐＨ３～４）になる傾向がある。回収を補助するためにシステムに任意により化学抽出用溶剤（複数可）が供給される場合、システムのｐＨは、１～１４の範囲内で変動し得る。

本方法は、移動相（反応器を通って伝播する水蒸気などの抽出流体）と固定相（バイオマスマトリックス）との間の熱伝達に大きく基づいている。このプロセスでは、本質的に気相（例えば水蒸気）と本質的に固相との間の界面で、熱が抽出流体から本質的に「冷たい」マトリックスに伝達される。したがって、この界面によって生成される／占有される面積が大きいほど、相間のエネルギー伝達（熱伝達）がより効率的になる。所定の粒子サイズ、任意により所定の粒子サイズ分布を有するバイオマスマトリックスを提供することにより、反応時間および／または滞留時間が調節され得る。場合によっては、約０．１ｃｍ～１０ｃｍ、好ましくは約０．５ｃｍ～５ｃｍの粒子サイズを有する細断または細かく粉砕されたバイオマスが、反応に利用できる表面積を増加させ、熱転送界面を拡大させるので、有利であり得る。

粒子サイズは、さらに充填密度に影響を与える。実際には、反応領域１０Ａは、異なるサイズおよび／または起源（すなわち、異なるバイオマス供給原料由来）の粒子を含む１つ以上の（サブ）ゾーンを含むように構成され得る。これらの（サブ）ゾーンにより、溶離液／水蒸気の圧力を反応領域全体で調整できる。

例示的な充填密度は、約５～１５０ｇ／ｄｍ^３またはそれ以上の範囲内で変動し得る。

上述のとおり、装置／反応チャンバは、熱エネルギー／熱が移動相から固定相に伝達される熱伝達ユニットとして作用する。飽和（水性）蒸気（すなわち、水蒸気）が熱伝達／熱交換に存在する場合、この蒸気は、実際には、温度がそれより低い熱伝達ユニット（バイオマスマトリックス）の冷たい表面で直ちに凝縮する。この温度は、蒸気の凝縮温度未満である。このように、熱が通過しなければならないマトリックス表面上に薄い凝縮膜が形成されることによって、抵抗が確立される。この抵抗係数は、温度および圧力、マトリックスの充填密度などの反応パラメータを設計する際に考慮に入れる必要がある。少なくとも圧力および温度の所定の組み合わせを含む特定の条件では、濃縮液膜がバイオマスマトリックスの表面に確立され、これは、分離された標的化合物が反応領域（バイオマスマトリックス）を通って伝播する一助となり得る。

この方法では、供給原料バイオマスは、上記の抽出段階とは異なる前処理段階でさらに前処理することができる。供給原料の前処理は、装置１０または別の反応容器（図示せず）で行うことができる。装置１０において、前処理は、反応領域１０Ａにおいて、または反応領域１０Ａから物理的および／または機能的に分離され得る別個の前処理領域（図示せず）において実行され得る。

抽出ステップの前に行われる前処理ステップは、バイオマス供給原料からの少なくとも揮発性化合物の除去および／または回収を目的とする。揮発性化合物としては、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、例えば、様々な芳香族化合物、窒素酸化物（Ｎ_ｘＯ_ｙ）および／または他の気化可能な化合物が挙げられる。追加的にまたは代替的に、抽出を防止および／または妨害する様々な化合物（例えば、ケイ酸塩）を前処理ステップ中に除去できる。前処理の重要機能は、原材料を（予）熱し、水蒸気などの抽出流体により、より迅速かつ正確な抽出反応を可能にする膨潤を引き起こすことである。前処理の間、バイオマス供給物は、低圧または大気圧を含む反応条件および一般に抽出中に使用される温度よりも低い反応温度で、前処理流体で処理される。この方法では、これらの条件は、前処理温度を約１００℃から約１２０℃の範囲に調整すること、および前処理圧力を約０．０５ｍＰａ～約０．５ＭＰａ（０．５～５バール）の範囲に調整することを含む。場合によっては、前処理ステップは、過剰な圧力の非存在下／大気圧、低温（約７０～１００℃、特に７０～９０℃の範囲）で実施され得る。

前処理では、前処理流体としてガス状物質を用いてバイオマス原料を洗浄する。気相は、蒸気を産生するために、水またはアルコール（例えばエタノール）、酸またはアルカリのいずれか１つの水溶液などの好適な溶媒から生成することができる。あるいは、例えば、二酸化炭素、アンモニア、または（二）酸化硫黄などのガス状物質を利用することができる。前処理ステップは、例えば、大気圧での水蒸気精製による開放反応容器内で、または閉鎖／密閉反応容器（ガス精製、任意により加圧）内で実施することができる。

別の態様では、本発明は、バイオマスから化合物を分離および回収するためのシステムに関する。図１は、１００で、システムおよびその器具の実施形態の根底にある概念を示す。システム１００は、バイオマス供給原料を含むタンクまたは容器として構成された反応チャンバ（抽出チャンバ）を有する、バイオマスを加工するための装置１０を含む。反応チャンバ内に反応領域１０Ａが確立される。したがって、本開示では、「反応領域」という用語は、一般に反応チャンバを指し、その逆も同様である。

反応チャンバの設計および形状、特にチャンバの高さ／長さとその断面積（または直径）との間の比に関しては、比較的短い反応時間／滞留時間および反応チャンバからの標的化合物の迅速な溶出の達成を可能にするか、またはこの達成を支援するように調整される。上述のパラメータは、典型的には、装置１０内で確立される反応条件を考慮して調整され、最も効率のよい方法で、様々な所望の組み合わせで標的化合物（複数可）の溶出を達成させる（異なる所望の化合物／所望の化合物の異なる群は、画分で溶出される）。

反応チャンバの高さ／長さと断面積（または直径）との間の言及された比率により、その形状係数が画定される。反応温度および所望の産生物に応じて、形状係数は、約１：１～約１０：１の範囲内で調整され得る。例には、形状係数２：１、３：１、４：１、５：１または６：１を有する反応チャンバを得ることを含む。特定の形状係数を有する反応器を設計する場合は、（熱劣化を避けるために）（標的化合物の）滞留時間が延長しすぎないようにし、溶離液の流れが本質的に層流になるように留意するものとする。

全体として、装置１０用の反応チャンバの設計時に、少なくとも２つの重要な問題を考慮しなければならない。チャンバには、（例えば、平らな蓋または上部カバーの間の接合点に形成される、および／またはチャンバを通る流体の流れを制限する）いわゆる死角（ｂｌｉｎｄ－またはｄｅａｄ ｃｏｒｎｅｒ）があってはならない。死角が存在することにより、溶出が遅くなり、その結果、標的化合物（溶出液）の熱的および／または（生）化学的分解が引き起こされ、結果として産生物の品質が低下する。さらに、抽出ゾーンで生じる分解プロセスは、マトリックスと反応器との閉塞を引き起こし得る。さらに、チャンバの形状は、本質的に管状に保持するものとする。管状タンクは、管全体で同じ断面または異なる断面を有し得る。円筒形状の抽出チャンバ（その長さ全体に一定の断面積を有するタンク）が好ましい。これは、水蒸気など、作り出された均一の抽出流体を反応領域全体に分布させ、前縁において本質的に均一な速度で、チャンバの長さ／高さに沿って抽出流体を伝播させることができるためである。

装置１０は、反応チャンバ内に抽出流体を向けるための手段（図１の「入」の矢印によって示される）と、標的化合物（複数可）に富む抽出流体を反応チャンバから引き出すための手段（矢印「出」によって示される）と、を備える。抽出流体は、例えば、注入ポートとして構成された好適な入口ポートを介して反応領域に向けることができる。したがって、好適な出口ポートを反応ゾーンの端に配置することができる。入口および出口には、バルブなどの適切な調整器が装備されていることが好ましい。装置１０は、装置の端プレートに任意により設けられているいくつかの入口ポートおよび／または出口ポートを装備できる。

システム１００は、水などの抽出流体１が（予）熱され、任意により加圧されて気相が形成される第１の熱伝達ユニット９をさらに備える。第１の熱伝達ユニットは、供給源容器（例えば水容器）を介してそこに到達する液体を気化するように配置され、そこから生じた（加圧された）水蒸気が反応チャンバに向けられる。第１の熱伝達ユニット９は、上述のように、熱交換器、蒸気発生器、またはボイラーとして構成され得る。

追加的または代替的に、抽出装置１０は、加熱ジャケットとして作用する外部チャンバ（図示せず）内に配置されてもよく、これにより、加熱媒体のストリームが装置１０の周り（外部チャンバの内壁（複数可）と装置１０の外壁（複数可）との間）に生成され、熱伝達を可能にするか、または高める。加熱媒体は、溶離液と同じ、例えば水蒸気であってもよい。このような「ダブルチャンバ」を設けることにより、効率的な水蒸気ならびに熱の回収およびリサイクルが可能になる。

システム１００は、反応領域１０Ａから出る標的化合物（複数可）Ｃ１、Ｃ２が回収される少なくとも１つの器具をさらに備える。このような器具は、反応領域１０Ａの下流に配置された（第２の）熱伝達ユニット１１として設けることができる。熱伝達ユニット１１において、反応領域１０Ａから出る抽出流体は、冷却／凝縮されて、標的化合物に富む本質的に液体の抽出物２が産生される。熱伝達ユニット１１は、凝縮器機能を有する熱交換器として構成することができる。標的化合物（複数可）に富む産生物２は、例えば、好適な容器または自動画分収集チャンバとして構成されている収集器具１３にさらに収集される。

第１および第２の熱伝達ユニット９、１１は、一体化された熱伝達／熱交換器ソリューション（図示せず）に組み合わせることができる。分離されたデバイスとして実装されるか、一体化された熱交換器アセンブリとして実装されるかにかかわらず、システムは、第２の熱伝達ユニット１１内で抽出流体を冷却時に放出される熱エネルギーを（再）使用するように構成され得る。冷却時に放出された熱は、例えば加熱デバイス９中で使用するためにリサイクルすることができ、かつ／または外部使用のために排出することができる。

場合によっては、抽出流体が反応ゾーンを通って伝播する際に少なくとも部分的に凝縮され得るように、反応条件を調整する。こうした場合、反応領域の出口で得られ、産生物化合物に富む流体は、本質的に液体の流動可能な相で提供され、収集してそのまま使用され得るか、またはさらなる凝縮／濃縮のために、例えばデバイス１１または他の器具（図示せず）において、移すことができる。

システム１００は、熱伝達ユニット９の上流および／または抽出装置１０の上流に配置された、抽出流体用の少なくとも１つのポンプ１４と、装置１０内の反応条件を制御するための複数の制御器具１２、１２Ａ、および関連デバイスをさらに備える。少なくとも１つの制御デバイス１２（装置１０の上流）は、反応チャンバ内の反応条件、特に反応ゾーン１０Ａ内の圧力および温度を調節するように構成することができる。個別の圧力および温度制御装置を設けることができる。反応チャンバに入る流体の流量を測定および／または調節するための流量計は、デバイス（複数可）１２に一体化するか、または別個に設けることができる。第１および第２の熱伝達ユニット９、１１の間の熱伝達／熱交換を可能にするため、および／または外部で使用するために熱伝達ユニット９、１１で産生された熱エネルギーを回収するために、熱回収システム（図示せず）をさらに設けることができる。

ポンプ１４および／または制御器具１２は、抽出流体を連続的にまたはパルス的に反応領域１０Ａに向けるように構成することができる。パルス持続時間は、反応的に調整可能である。

装置１０は、静的（バッチ）反応器、動的（連続フロー）反応器、またはそれらの組み合わせ（例えば、半連続流システム）として構成することができる。縦型バッチ反応器１０を備える例示的システムが図１に示されている。抽出流体は、反応領域１０Ａを通って、上から下に向けられる。縦型反応器には、本質的に円筒形状（チャンバの全長にわたって同じ断面を有する）、円錐形または漏斗形、またはより複雑なデザインを有する反応チャンバを装備させ得る。

あるいは、装置１０は、連続プラグフロー反応器（図示せず）として実装され得る。こうした場合、反応器は、傾斜を付けてまたは傾斜を付けずに本質的に水平に配置される。実現可能な構成には、スクリューまたはピストンで操作する連続フロー反応器装置が含まれる。例示的なスクリュー反応器ベースのシステムでは、回転式スクリューが反応チャンバ／反応領域１０Ａ内に配設される。

スクリュー型連続フローシステムでは、最適反応時間は、（回転式）スクリュー速度および／またはスクリューパラメータ、例えば、スクリュー角度（より急勾配／緩勾配）、ねじれ角および／またはピッチなどを調整することによって、ならびに反応器を通って伝播する水蒸気などの抽出流体の圧力および／または量を調整することによって達成される。抽出流体は、連続フロー反応器装置内で、スクリューの回転方向（またはピストン運動の方向）とは反対の方向に伝播することが好ましい。

連続フロー反応器システムには、過剰な液体を除去するためのスクリュープレスをさらに装備してもよい。スクリュープレスは、反応領域１０Ａに、または反応領域１０Ａの下流に配置された別個のプロセス段階に提供され得る。過剰な流体の除去は、加圧下で行うことができるか、この段階を減圧することができる（例えば、スクリューのねじ山の角度を小さくするか、従来の水蒸気爆発手順を介して）。装置１０の減圧は、例えば、回収部位１１において所望の標的化合物が抽出物２として回収された後にのみ行われる。

上に開示した方法は、リグノセルロース系バイオマスから本質的に完全な長鎖ヘミセルロース化合物を分離および回収するために有利に適用することができる。本質的に完全な長鎖ヘミセルロース化合物とは、本明細書では、約５００～３，０００個の単糖単位を含むヘミセルロースを指す。場合によっては、この方法では、約１，５００～２，０００個の単糖単位を含むヘミセルロースの分離および回収が可能になる。回収されたヘミセルロース化合物が長鎖の高分子量化合物であることは、光散乱法によって決定されている。

植物ヘミセルロースは、キシラン（アラビノキシラン、グルコロノキシラン）、マンナン（グルコマンナン、ガラクトマンナン）、キシログルカン、ベータグルカン、およびガラクタンなどの構造的特徴に基づいて一般的に定義される多糖類の混合物である。このように、ヘミセルロース含有抽出物の組成は、供給原料によって異なり得る。例えば、広葉樹および様々な草由来のバイオマスにはキシランが豊富に含まれているが、針葉樹には、主にマンナンが含まれている。本明細書に提示された方法は、ほぼすべての種類のバイオマス供給原料、特にリグノセルロース系バイオマス供給原料からの長鎖ヘミセルロース多糖類の抽出が可能になるという意味で汎用性がある。

この方法では、バイオマスを加工するための装置１０の反応チャンバ内にリグノセルロース系バイオマス供給原料が受け入れられ、それによってバイオマス供給原料を含む反応領域１０Ａが形成される。水１は、ポンプ１４によって第１の熱伝達ユニット９に導かれ、そこで熱伝達ユニット９の水は、高温高圧下で気化されて気相、ここでは水蒸気が形成される。抽出流体としての蒸気は、本質的に固体の供給原料物質からのヘミセルロース化合物の分配を引き起こす所定の反応条件で、バイオマス材料を含む反応領域を通って伝播される。反応条件（温度、圧力、反応時間、および水の流量）は、バイオマスマトリックス材料から分離されるリグニンの量が無視できる状態を維持するように調整され、これにより、非常に純粋なヘミセルロース産生物が、変更されていない、本質的に完全な形態で得ることができる。産生物は、本質的に液体の抽出物２として、回収領域１１に収集される。液体抽出物２は、好ましくは、ヘミセルロースに富む水蒸気が冷却／凝縮されて液相を産生する（第２の）熱伝達ユニット１１で産生される。純粋な長鎖ヘミセルロース産生物の回収率は、８０～９５％である。

反応条件は、反応領域１０Ａ内の温度を摂氏約１６０～２２０℃の範囲に調整すること、および反応領域内の圧力を約０．６～２．５ＭＰａの範囲に調整することを含む。

ヘミセルロースの抽出の基礎となるプロセスは、次のように要約できる。高温高圧の条件下では、植物細胞（リグノセルロース系バイオマス供給原料）に含まれるヘミセルロース化合物が可溶性になり（「液化」）、移動相に移動する。移動相中に含まれる水分子は、標的ヘミセルロースが反応ゾーンを伝播するのを補助する。これにより、ヘミセルロースは、蒸気相中に分散したゲル状液滴の形態で、反応領域の出口および回収部位に向かって運ばれる。蒸気抽出実験では、加工温度が重要な調整要因であることが証明されている。

複数の実験的試行では、抽出タンクの約３／５容積から抽出タンクの全容積までの範囲に相当する水蒸気量での溶出により、９０％を超える高品質の産生物（本明細書では、長鎖ヘミセルロース）が回収され、ヘミセルロースに富む抽出物中の固形分は、約５～１０重量％である。反応時間は、約５～１０分であった。３００ｍｌ／分の抽出流体の流量が最も有益であることが証明されている（３Ｌ反応チャンバの場合）。したがって、抽出開始から４～５分で、総炭水化物量の９０％超を分離して回収することができた。反応時間約７～８分で、抽出された炭水化物の固形分は、２０重量％を超えた。溶出後の固体バイオマスマトリックスの分析は、場合によっては、１重量％未満のヘミセルロースがマトリックス中に残存していることを示した。

試行は、容量０．０５Ｌ、１Ｌおよび３Ｌの反応タンク中で行った。結果を表１および表２にまとめる。ブリックス値（％）は、溶液中の糖度の尺度を示す。

試行１（表１Ａ、１Ｂ）。長鎖ヘミセルロース化合物を産生するための水蒸気抽出：おがくず４０ｇ、乾燥固形分（ｄｓ）含有量５０％；溶出流量５ｍｌ／分；２００℃；反応器容量０．０５Ｌ。

試行２（表２Ａ～２Ｄ）。長鎖ヘミセルロース化合物を産生するための水蒸気抽出：おがくずｄ．ｓ．４２％；前処理流体流量５００ｍｌ／分。反応パラメータ：２００℃；溶出流量１００～５００ｍｌ／分。試行２の結果は、水蒸気を抽出チャンバに向けてから数分で炭水化物（糖）が新鮮なバイオマスサンプルから抽出されることを示している。

実験的試行は、次のとおり行った。例示的３Ｌタンクを、２００℃および流量５００ｍｌ／分で抽出タンクに向けた前処理流体としての水蒸気で予熱した。前処理後、抽出流体としての水蒸気を、流量５００ｍｌ／分（１回目の実験；表２Ａ）および３００ｍｌ／分（２回目の実験；表２Ｂ）でタンクに向けた。本開示では、流量は、抽出流体の液体状態に応じて計算される。したがって、本実験における抽出流体の流量は、給水のポンピング量に対応する。表２Ｂから、３Ｌタンクにおいて、流量３００ｍｌ／分で、ヘミセルロースの総量の約４／５を約１０分で回収できることが観察できる。抽出タンク内のヘミセルロースの滞留時間は、抽出開始から約２０分である。このようにして得られた抽出物中の高品質の固形物含有量は、約５％であり、工業的（アップ）スケーリング可能なプロセスで得られる標準値に近づいた。ヘミセルロース種は、本質的に抽出プロセスの開始時に鋭い溶出領域を示し、それに応じて短い滞留時間を示した。全体として、液体状態（すなわち水）に応じて計算される抽出流体の約６Ｌ（抽出タンク容量の２倍）が、サンプルバイオマスを含む反応領域を通って移動したときに、炭水化物の抽出が完了した。

流量５００ｍｌ／分である実験（表２Ａ）では、溶出領域が明らかに広く、溶出量約３．３Ｌではなく、溶出量約５Ｌで同様の収量が達成された（表２Ａ、２Ｂ）。

両方の実験で、抽出された産生物は、本質的に完全な長鎖ヘミセルロース種であった。抽出された化合物の分子量の決定は、光散乱法によって行った。

実験は、１Ｌの抽出タンクで繰り返した（表２Ｃ、２Ｄ）。上記と同様の方法で、タンクを前処理流体として水蒸気で予熱し、２００℃、給水ポンプ速度５００ｍｌ／分で抽出タンクに向けた。前処理後、抽出流体としての水蒸気を、流量３００ｍｌ／分（１回目の実験；表２Ｃ）および１００ｍｌ／分（２回目の実験；表２Ｄ）でタンクに向けた。これらの実験は、抽出タンクのサイズを縮小することによって、滞留時間を短く維持することを目的とした。いわゆる凝縮水を含む画分は、１Ｌタンク試行では抽出中に収集されず、それとは対照的に、３Ｌタンク試行では、凝縮水が重力によって反応ゾーンを流れ落ちたか、または抽出物と混合した。

抽出流体流量３００分／ｍｌは、１Ｌ抽出タンクでも最も有益であることが証明されている。流量１００ｍｌ／分では、抽出の開始時に良好な炭水化物溶出プロファイルが得られた。しかし、速度が遅いことに加えて、高温（２００℃）であることにより、サンプルが熱劣化（燃焼）によって損傷した。さらに、上記の流量により、広い溶出領域が得られた。

滞留時間（分離されたヘミセルロースが抽出（高温）領域で費やす時間）も、ヘミセルロース種の品質に影響する。例として、上記の１Ｌ抽出タンクは、高さ／長さ１６０ｍｍ、直径８８ｍｍ（高さ：直径係数＝１６０：８８＝１．８）を有するシリンダとして実装した。この構成は、抽出流体の流量が高い場合（３００ｍｌ／分）にうまく働いたが、流速が遅い（１００ｍｌ／分）場合には、サンプルは「燃焼」を開始した（表２Ｃ、２Ｄ）。滞留時間とは対照的に、抽出容器の形状は、重要ではあったが、産生物の収量および／または品質にとって重要ではなかった。実験では、ここに開示され、水蒸気を抽出流体として利用する方法は、かなり広い幾何学的範囲にわたって実行可能に動作することが確立された。連続フロープロセスでは、バッチプロセスの場合よりも抽出容器の形状がより重要になる。いずれの場合においても、抽出容器の形状は、所望の／必要な産生物を考慮して設計する必要がある。品質（分解度など）、収量、濃度、および回収率などの産生物特性は、反応条件によってある程度影響を受ける可能性があるが、不適切に設計された抽出チャンバは、水蒸気抽出法によってもたらされる利点を根絶させ得る。

上記の結果は、水蒸気処理がバイオマス成分を分画するための効率のよいツールであることを明確に示している。高品質の産生物の産生が所望されるか否かにかかわらず、抽出プロセスは、約１０分またはそれ以上で完了し得る。クロマトグラフィ水蒸気溶出により、ヘミセルロース種の最も純粋な部分の分離および単離が可能になる。したがって、この方法では、約５～６重量％の固形分を有する抽出物を良好な貯蔵寿命で産生できるようになる。本明細書で上述した水蒸気抽出は、従来の熱水抽出方法と比較して、水、エネルギー、および時間が節約される。

水蒸気抽出によるバイオマスからの標的ヘミセルロース化合物の分離に対する反応および設定関連パラメータの効果（複数可）を推定することを目的として、複数の追加の実験的試行を行った。未処理のわらを参照材料として使用した（「わら」と記す、図２Ｂ）。反応時間は１５分で、サンプルは、３分間隔で収集され、各抽出から５つのサンプルが得られた。試行には、異なる温度範囲を含めた。すなわち、反応温度は、約１６０～１６５℃の範囲内、約１８０～１８５℃の範囲内、および約１９５～２００℃の範囲内で別々に選択した。

同じ抽出シリーズ（３つの異なる温度、すなわち１６０℃、１８０℃、および２００℃；反応時間１５分；５つの抽出サンプル）を、以下のわらの長さを有する（細断された）わらバイオマス画分に対して実施した：１）０．２～０．５ｃｍ（ラテン文字「Ｌ」で記す、図２Ａ、２Ｂを参照）および２）１．５～２ｃｍ（「Ｐ」）。充填密度２００ｇ／ｄｍ^３（「Ｖ」）および３００ｇ／ｄｍ^３（「Ｔ」）を用いた。

エネルギー消費の観点から最適な充填密度としては、約１００～３５０ｇ／ｄｍ^３の範囲内の値を含む。

実験は、６ｍｌの抽出チャンバを備えた実験室規模の抽出タンクで行った。タンクは、本質的に円筒形状であった。バイオマス材料は、上に示した充填密度を達成するために同時に加熱しながら反応チャンバを通って伝播する（水）蒸気によって前処理した。より高い充填密度（３００ｇ／ｄｍ^３）を有するチャンバの抽出比は、１：１、２：１および３：１であり；より低い充填密度（２００ｇ／ｄｍ^３）を有するチャンバの抽出比は、２：１、４：１および６：１であった。抽出比は、液体状態に応じて計算され、反応チャンバの容積に対する抽出中に使用される抽出流体の総量として定義される。本実施例では、抽出流体は（水）蒸気であった。溶出された産生物（ヘミセルロースに富む液体抽出物）、および固体残留画分（いわゆる非抽出バイオマス）を分析して、その中の炭水化物（糖）化合物の量を決定した。したがって、結果を図２Ａおよび２Ｂにまとめる。

図２Ａは、上記の水蒸気抽出シリーズ中に得られ、液体ヘミセルロースに富む抽出物（複数可）中で測定されたヘミセルロース糖化合物の総量を示すグラフである。グラフは、（水蒸気処理された）わらバイオマスのグラムあたりの抽出されたヘミセルロース産生物の量（ｍｇ）を示している。図２Ｂは、一連の抽出後の固形残留バイオマスに含まれるヘミセルロース糖化合物の総量（ｍｇ／ｇ）を示すグラフである。

サンプルの識別に使用している略語は、一般に上記で説明している。例として、「１６０Ｔ１Ｌ」と記した一番左のサンプルは、短いわら（０．２～０．５ｃｍ）、１６０℃、高密度で充填された（３００ｇ／ｄｍ^３）反応チャンバ内で、抽出比１：１で抽出が実施されたことを示す。「２００Ｖ６Ｐ」と記した一番右のサンプルは、長いわら（１．５～２ｃｍ）、２００℃、低密度で充填された（２００ｇ／ｄｍ３）反応チャンバ内で、抽出比６：１で実施された抽出プロセスを指す。

抽出画分中で測定されたヘミセルロース糖化合物としては、マンノース（Ｍａｎ）、ガラクトース（Ｇａｌ）、キシロース（Ｘｙｌ）、アラビノース（Ａｒａ）、ラムノース（Ｒｈａ）、グルクロン酸（ＧｌｃＡ）、ガラクツロン酸（ＧａｌＡ）、および４－Ｏメチルグルクロン酸（４－Ｏ－Ｍｅ－ＧｌｃＡ）を含めた。

図２Ａおよび２Ｂの結果は、抽出温度２００℃において、より多量の溶出ヘミセルロース化合物がもたらされることを示している。例えば、図２Ｂは、固相（水蒸気処理されたわら）中のヘミセルロース糖の量が抽出温度の上昇と共に減少することを示しているが、液体産生物では状況が逆である（図２Ａ）。

図２Ｂを再度参照すると、１６０℃では、高密度で充填された（Ｔ；３００ｇ／ｄｍ^３）カラムでより高い抽出比が観察された。１８０℃では、抽出率２：１（長いわらのマトリックス、サンプル１８０Ｔ２Ｐを参照）および３：１（短いわらのマトリックス。サンプル１８０Ｔ３Ｌを参照）を含む条件で、高密度で充填されたカラムにおいて、より高い抽出率が観察された。低密度で充填されたカラム（Ｖ；２００ｇ／ｄｍ^３）では、中温（１８０℃）において、長いわらのマトリックスと比較して、短いわらのマトリックスで、より高い抽出比が観察された。２００℃では、高密度で充填されたカラム（Ｔ）においても、わずかに多い量のヘミセルロース化合物が観察された。

しかし、図２Ａの結果は、ヘミセルロースに富む（液体）抽出物を含むサンプルから直接測定した場合、ヘミセルロース化合物の濃度は、充填密度の低い反応チャンバから収集されたサンプルの方が高いように見えることを示している。短いわらのマトリックスから得られた抽出物は、平均して、長いわらのマトリックスから得られた抽出物よりも多くのヘミセルロース糖を含んでいた。

図２Ａおよび２Ｂの結果は、ヘミセルロース化合物の収量が、反応および設定関連パラメータを調整することによって効率よく調節できることを明確に示している。

水蒸気処理されたバイオマスと比較して未処理のバイオマスの糖度を決定するために、試行は、次の抽出条件で、３Ｌ抽出タンクに拡大させた：２００℃、充填密度２００ｇ／ｄｍ３、および抽出率２：１。「未満」記号（「＜」）が記された値は、判定しきい値未満の濃度を指す。結果を表３にまとめる。

未処理わらマトリックスでは、炭水化物の総量は７２．８％であり、これは水蒸気処理されたマトリックス中の炭水化物の総量（７３．４％）に本質的に対応する。しかし、水蒸気処理されたマトリックス中の炭水化物の総量に対するグルコース（Ｇｌｕ）の部分は、７６．３％から９３．６％に増加したが、キシロース（Ｘｙｌ）の部分は、２１．７％から約５．９％に減少した。この結果は、ヘミセルロース化合物の溶出（キシロース糖の還元）が発生し、残りの炭水化物が、主にセルロース由来のグルコース糖単位であることを明確に示す。

当業者であれば、本発明の概念が、ここに開示された基本的な実施形態の様々な修正を網羅することが意図されていることは明らかであろう。上記に示した実施例は、本発明の様々な実施形態を例示するものであることが理解され、添付の特許請求の範囲に関して限定的に理解されるべきではない。

Claims (19)

1. バイオマスから化合物を分離および回収するための方法であって、
   －バイオマスを加工するための装置（１０）内にバイオマス供給原料を提供するステップであって、これにより前記バイオマス供給原料を含む反応領域（１０Ａ）が形成される、ステップと；
   －所定の反応条件で、前記バイオマス供給原料を含む前記反応領域（１０Ａ）を通して気相の抽出流体（１）を伝播するステップであって、これにより標的化合物（Ｃ１、Ｃ２）が本質的に固体の供給原料物質から分離される、伝播するステップと；
   －前記反応領域（１０Ａ）から出るこのように分離された標的化合物（Ｃ１、Ｃ２）を回収するステップと；
   を含み、
   前記反応領域の長さに沿って前記バイオマス材料を通って前進することにより、前記抽出流体が、前記分離された標的化合物を前記反応領域の端に向かって運び、これにより、回収時に収集された抽出物（２）が、本質的に液体であるようになり、
   前記標的化合物が、画分ごとに抽出され、これにより異なる画分を形成する前記標的化合物が、異なる保持時間で溶出されるようになる、
   方法。
2. 前記抽出流体を前記反応領域に向ける前に、前記抽出流体を第１の熱伝達ユニット（９）において加熱および任意により加圧することを含み、このときに前記抽出流体が気化されて気相が形成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記気相の形成前に、前記抽出流体が、水溶液、任意により水である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記バイオマス供給原料が、セルロース含有バイオマス、特にリグノセルロース系バイオマス、および／または動物由来バイオマスである、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記抽出流体が、連続的またはパルス的に前記反応領域（１０Ａ）に向けられる、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記反応条件が、前記反応領域内の温度を１００～２２０℃の範囲、好ましくは１５０～２１０℃の範囲に調整することを含む、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記反応条件が、前記反応領域内の圧力を約０．３ＭＰａ～約３ＭＰａの範囲、好ましくは約１ＭＰａ～約２ＭＰａの範囲に調整することを含む、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記分離された標的化合物が前記反応領域内で費やす滞留時間が、約２分～約３０分の範囲、好ましくは約５分～約１５分の範囲であるように、前記反応領域を通る前記抽出流体の流れが調整される、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記反応領域（１０Ａ）から出る前記標的化合物を回収することが、前記反応領域の下流に配置された第２の熱伝達ユニット（１１）において前記標的化合物（Ｃ１、Ｃ２）を運ぶ前記抽出流体を冷却することを含み、これにより前記標的化合物に富む本質的に液体の抽出物（２）が産生される、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記標的化合物を回収するための前記抽出流体の量が、前記反応領域内に供給された前記バイオマス供給原料の約０．１～１０体積％、好ましくは約０．５～２体積％であり、前記抽出流体の前記体積が、その液体状態に応じて計算される、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
11. 回収時に収集され、前記標的化合物を含む前記本質的に液体の抽出物（２）中の乾物含有量は、約５重量％～約３０重量％の範囲内である、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記抽出流体で抽出する前に、前記バイオマス供給原料を前処理流体で前処理して、少なくとも揮発性化合物を回収し、前記前処理が、７０～１２０℃の範囲内の温度および約０．０５ｍＰａ～約０．５ＭＰａの範囲内の圧力で行われる、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記前処理流体が、蒸気またはガスなどのガス状物質である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記反応領域（１０Ａ）が、バッチ反応器、連続フロー反応器、またはそれらの組み合わせとして構成されたバイオマスを加工するための前記装置（１０）内に形成される、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記標的化合物が、セルロース、ヘミセルロース、リグニン、糖、タンパク質のほか、テルペノイド、フェノール化合物、脂肪酸、樹脂酸などの低分子量抽出化合物からなる群から選択される、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記標的化合物が、本質的に完全な長鎖ヘミセルロースである、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
17. バイオマスから化合物を分離および回収するためのシステム（１００）であって、前記システムが、
    －バイオマス供給原料を含む反応チャンバで前記バイオマスを加工するための装置（１０）であって、これにより反応領域（１０Ａ）が形成される装置と；
    －気相の抽出流体を反応チャンバ内に向けるための手段であって、これにより、前記抽出流体が、前記反応領域を通って伝播し、前記本質的に固体の供給原料物質から標的化合物（Ｃ１、Ｃ２）を分離し、前記バイオマス材料を通って前進し、前記水性抽出流体が、こうして分離された標的化合物を前記反応領域の前記端に向かって運ぶ、手段と；
    －第１の熱伝達ユニット（９）であって、その内部で、前記抽出流体が前記反応チャンバに入る前に加熱され、任意により加圧されて気相が形成される、ユニットと；
    －第２の熱伝達ユニット（１１）であって、その内部で、前記反応領域から出る前記抽出流体が、凝縮されて、前記標的化合物に富む本質的に液体の抽出物が産生される、ユニットと；
    －前記反応チャンバ内の反応条件を調節するための少なくとも１つの制御デバイスと；
    を備え、
    前記標的化合物の画分ごとに抽出され、これにより、異なる画分を形成する前記標的化合物が、異なる保持時間で溶出されるようになるように構成される、
    システム。
18. リグノセルロース系バイオマスから本質的に完全なヘミセルロース化合物を分離および回収するための方法であって、
    －バイオマスを加工するための装置にリグノセルロース系バイオマス供給原料を提供するステップであって、これにより前記バイオマス供給原料を含む反応領域が形成される、ステップと；
    －所定の反応条件で、前記バイオマス供給原料を含む前記反応領域を通して抽出流体としての水蒸気を伝播させ、それによってヘミセルロース化合物を前記本質的に固体の供給原料物質から分離させるステップと；
    －前記反応領域から出るこのように分離された完全なヘミセルロース化合物を回収するステップと、
    を含み、
    前記反応領域の長さに沿って前記バイオマス材料を通って前進することにより、前記水性抽出流体が、前記分離されたヘミセルロース化合物を前記反応領域の前記端に向かって運び、これにより、回収時に収集された抽出物が本質的に液体であるようになり、
    前記ヘミセルロース化合物が、画分ごとに抽出され、これにより前記完全なヘミセルロース化合物および異なる画分を形成する前記分解産生物が、異なる保持時間で溶出されるようになる、
    方法。
19. 前記反応領域内の温度を約１６０～２２０℃の範囲に調整することと、前記反応領域内の圧力を約０、６～２、５ＭＰａの範囲に調整することと、を含み、これにより、前記完全なヘミセルロース化合物の合計量の８０～９５％を占める画分を得る、請求項１８に記載の方法。

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