JP4796650B2 - バイオマスの加工方法 - Google Patents
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Description
本出願は、その各々の内容が参照によりその全体が本明細書に組み入れられる、2006年10月26日に出願された米国特許仮出願第60/854,519号、2006年10月27日に出願された米国特許仮出願第60/863,290号、2006年11月17日に出願された米国特許仮出願第60/859,911号、2006年12月15日に出願された米国特許仮出願第60/875,144号、および2007年1月23日に出願された米国特許仮出願第60/881,891号の優先権を主張する。
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。
例えば、繊維形態のセルロースおよびリグノセルロース材料は、多くの用途において多量に製造され、加工され、かつ使用される。往々にして、そのような材料は一度用いられ、次いで、廃棄物として捨てられるか、あるいは、例えば、汚水、バガス、おがくず、およびまぐさなどの廃物であると単純に考えられている。
一般に、本発明は、糖質含有材料(例えば、バイオマス材料またはバイオマス由来材料)、そのような材料の作製方法、およびそれらの構造を変化させるそのような材料の加工方法、および構造的に変化させた材料から作製された産物に関する。例えば、本明細書に記載された方法の多くは、天然材料に対するより低い分子量および/または結晶化度を有するセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を提供することができる。該方法の多くは、水素、アルコール(例えば、エタノールまたはブタノール)、有機酸(例えば、酢酸)、炭化水素、副産物(例えば、タンパク質)、またはこれらのうちのいずれかの混合物などの、有用な産物を作製するために種々の微生物によってより容易に利用することができる材料を提供する。
[本発明1001]
バイオマスの個々のピースの一つまたは複数の寸法を低減することによってバイオマス原料を調製する工程;
各々が分子構造を変化させる2つまたはそれ以上の異なる前処理方法を用いてバイオマス原料を前処理する工程であって、該異なる前処理方法が放射線照射、音波処理、熱分解、および酸化から選択される、工程;ならびに
調製されかつ前処理されたバイオマス原料を加工して、産物を作製する工程
を含む、バイオマス原料の分子構造を変化させる方法。
[本発明1002]
バイオマス原料が調製され、次いで前処理される、本発明1001記載の方法。
[本発明1003]
バイオマス原料が前処理され、次いで調製される、本発明1001記載の方法。
[本発明1004]
バイオマスの個々のピースの一つまたは複数の寸法を低減する工程が、剪断することを含む、本発明1001記載の方法。
[本発明1005]
2つまたはそれ以上の前処理方法が、同時にまたはほぼ同時にバイオマス原料に適用される、本発明1001記載の方法。
[本発明1006]
2つまたはそれ以上の前処理方法が輻射線照射および音波処理を含む、本発明1001記載の方法。
[本発明1007]
輻射線が電子線の形態である、本発明1006記載の方法。
[本発明1008]
電子線輻射線照射が約100kGyの総線量で適用され、かつ音波処理が5MJ/m3を超える総エネルギーで適用される、本発明1007記載の方法。
[本発明1009]
輻射線照射が音波処理に先行する、本発明1006〜1008のいずれか一項記載の方法。
[本発明1010]
音波処理が輻射線照射に先行する、本発明1006〜1008のいずれか一項記載の方法。
[本発明1011]
輻射線照射および音波処理が、同時にまたはほぼ同時に行われる、本発明1006〜1008のいずれか一項記載の方法。
[本発明1012]
バイオマス原料の分子構造の変化が、バイオマスの、平均分子量、平均結晶化度、表面積、重合、多孔度、分岐、グラフト化、およびドメインのサイズまたは数のいずれか一つまたは複数の変化を含む、本発明1001記載の方法。
[本発明1013]
バイオマス原料の分子構造の変化が、バイオマスの平均分子量および平均結晶化度の一方もしくは双方の減少、またはバイオマスの表面積および多孔度の一方もしくは双方の増加を含む、本発明1001記載の方法。
[本発明1014]
バイオマス原料を輻射線照射、音波処理、熱分解、および酸化のいずれか2つまたはそれ以上によって前処理することを含むプロセスによって作製された糖質を含む材料を提供する工程;ならびに
該材料を、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程
を含む、可燃性燃料などの産物の作製方法。
[本発明1015]
2つまたはそれ以上の異なる前処理方法が、輻射線照射および音波処理、輻射線照射および酸化、輻射線照射および熱分解、音波処理および酸化、音波処理および熱分解、または酸化および熱分解を含む、本発明1001〜1014のいずれか一項記載の方法。
[本発明1016]
バイオマス原料を蒸気爆発で前処理する工程をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1017]
プロセスが、バイオマスを酸または塩基で加水分解する工程を含まない、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1018]
バイオマスの少なくとも約70重量パーセントが加水分解されていない、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1019]
バイオマスの少なくとも95重量パーセントが加水分解されていない、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1020]
バイオマスが実質的に少しも加水分解されていない、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1021]
少なくとも1つの前処理方法がバイオマスに対して行われる方法であって、該バイオマスの約25重量パーセント未満が水などの液体によって湿らせられる、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1022]
少なくとも1つの前処理方法がバイオマスに対して行われる方法であって、該バイオマスが水などの液体によって実質的に少しも湿らせられない、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1023]
バイオマスが、25℃かつ50パーセント相対湿度で測定された約5重量パーセント未満の保持された水を有する、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1024]
少なくとも1つの前処理方法がバイオマスに対して行われる方法であって、該バイオマスの約25重量パーセント未満が膨潤状態にあり、該膨潤状態が膨潤していない状態よりも約2.5パーセントを超えて多い体積を有すると特徴付けられる、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1025]
バイオマスが膨潤剤と混合されるか、または膨潤剤を含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1026]
バイオマスが膨潤剤と混合されるか、または膨潤剤を含み、かつ該バイオマスが約100kGy未満の線量の輻射線照射を受ける、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1027]
前処理方法の1つが輻射線照射である、本発明1024記載の方法。
[本発明1028]
前処理方法の少なくとも1つ、例えば、輻射線照射が、バイオマス原料が空気に曝露されている間に、バイオマス原料に対して行われる、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1029]
前処理方法の少なくとも1つ、例えば、輻射線照射が、約2.5気圧を上回る圧力下、例えば、5または10気圧を上回る圧力下で、バイオマスに対して行われる、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1030]
プロセスが、バイオマスを酸化する工程、熱分解する工程、または蒸気爆発する工程をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1031]
バイオマス原料が紙、紙産物、紙廃棄物、木材、パーティクルボード、おがくず、農業廃棄物、汚水、サイレージ、草、もみ殻、バガス、綿、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、マニラ麻、ワラ、トウモロコシ穂軸、トウモロコシ茎葉、スイッチグラス、アルファルファ、干し草、ヤシ毛、合成セルロース、海草、海藻、およびそれらの混合物からなる群より選択される、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1032]
バイオマスが合成材料を含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1033]
燃料が水素、アルコール、および炭化水素のうちの一つまたは複数を含む、本発明1014〜1032のいずれか一項記載の方法。
[本発明1034]
アルコールがエタノール、n-プロパノール、イソプロパノール、n-ブタノール、およびそれらの混合物からなる群より選択される、本発明1033記載の方法。
[本発明1035]
微生物が細菌を含む、本発明1014〜1034のいずれか一項記載の方法。
[本発明1036]
微生物が酵母を含む、本発明1014〜1034のいずれか一項記載の方法。
[本発明1037]
変換する工程が、材料を可燃性燃料などの産物に発酵させることを含む、本発明1014〜1036のいずれか一項記載の方法。
[本発明1038]
照射が、ガンマ線、電子線、または約100nm〜約280nmの波長を有する紫外線C輻射線などの電離輻射線を利用して行われる、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1039]
電離輻射線が電子線輻射線を含む、本発明1038記載の方法。
[本発明1040]
輻射線が、約100kGy〜約1500kGyの間の総線量、例えば、約5〜約100kGy/日、または10kGy/秒〜約100kGy/秒の線量率で適用される、本発明1038または1039記載の方法。
[本発明1041]
照射する工程が、ガンマ線および電子線などの2つまたはそれ以上の輻射線源を適用することを含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1042]
音波処理が、約15kHz〜約25kHzの間、例えば、約18kHz〜22kHzの周波数で行われる、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1043]
バイオマスが、第一の数平均分子量を有する第一のセルロースを含み、かつ糖質材料が、第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有する第二のセルロースを含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1044]
第二の数平均分子量が、第一の数平均分子量よりも約1倍を超えて低い、本発明1043記載の方法。
[本発明1045]
第一のセルロースが第一の結晶化度を有し、かつ第二のセルロースが第一の結晶化度よりも低い第二の結晶化度を有する、本発明1043または1044記載の方法。
[本発明1046]
第二の結晶化度が、第一の結晶化度よりも約10パーセントを超えて低い、本発明1045記載の方法。
[本発明1047]
第一のセルロースが第一の酸化レベルを有し、かつ第二のセルロースが第一の酸化レベルよりも高い第二の酸化レベルを有する、本発明1043〜1046のいずれか一項記載の方法。
[本発明1048]
バイオマス原料が、バイオマス繊維源を剪断して、繊維状材料を提供することによって調製される、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1049]
剪断が、回転ナイフカッターによって行われる、本発明1048記載の方法。
[本発明1050]
繊維状材料の繊維が、5/1を上回る長さ対直径比の平均を有する、本発明1048または1049記載の方法。
[本発明1051]
繊維状材料が、0.25m2/gを上回るBET表面積を有する、本発明1048〜1050のいずれか一項記載の方法。
[本発明1052]
糖質が一つまたは複数のβ-1,4-結合を含み、かつ約3,000〜50,000の間の数平均分子量を有する、本発明1014〜1051のいずれか一項記載の方法。
[本発明1053]
前処理されたバイオマス材料が、炭酸水素ナトリウムまたは塩化アンモニウムなどの緩衝剤をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1054]
前処理されたバイオマス材料が、塩化カリウムまたは塩化ナトリウムなどの電解質をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1055]
前処理されたバイオマス材料が、ビオチンなどの成長因子、および/またはウラシルなどの塩基対をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1056]
前処理されたバイオマス材料が、界面活性剤をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1057]
前処理されたバイオマス材料が、ミネラルをさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1058]
前処理されたバイオマス材料が、キレート剤をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1059]
バイオマス原料が、輻射線照射、音波処理、熱分解、および酸化のいずれか3つまたはそれ以上を、任意の順序で、またはほぼ同時に用いて前処理される、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1060]
バイオマス原料を、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数により前処理することによって作製された糖質を含む材料を提供する工程であって、該バイオマスの約25重量パーセント未満が膨潤状態にあり、該膨潤状態が名目的非膨潤状態よりも約2.5パーセントを超えて多い体積を有すると特徴付けられる、工程;ならびに
該材料を、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程
を含む、可燃性燃料などの産物の作製方法。
[本発明1061]
バイオマス原料を、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数により前処理することによって作製された糖質を含む材料を提供する工程であって、該バイオマスの約25重量パーセント未満が前処理に続いて加水分解される、工程;ならびに
該材料を、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程
を含む、可燃性燃料などの産物の作製方法。
[本発明1062]
バイオマス原料を輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数により前処理することによって作製された糖質を含む材料を提供する工程であって、該バイオマスの約25重量パーセント未満が水などの液体と接触している、工程;ならびに
該材料を、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約 1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程
を含む、可燃性燃料などの産物の作製方法。
[本発明1063]
2つまたはそれ以上の異なる前処理方法を選択する工程を含む、本発明1060〜1062のいずれか一項記載の方法。
[本発明1064]
2つまたはそれ以上の異なる前処理方法が、輻射線照射および音波処理、輻射線照射および酸化、輻射線照射および熱分解、音波処理および酸化、音波処理および熱分解、または酸化および熱分解を含む、本発明1063記載の方法。
[本発明1065]
バイオマスを蒸気爆発によって前処理する工程をさらに含む、本発明1064記載の方法。
[本発明1066]
プロセスが、バイオマスを酸または塩基で加水分解する工程を含まない、本発明1060〜1065のいずれか一項記載の方法。
[本発明1067]
微生物が細菌または酵母を含む、本発明1060〜1066のいずれか一項記載の方法。
[本発明1068]
照射が、ガンマ線または電子線などの電離輻射線を利用して行われる、本発明1060〜1067のいずれか一項記載の方法。
[本発明1069]
電離輻射線が電子線輻射線を含む、本発明1068記載の方法。
[本発明1070]
液体が水である、本発明1062記載の方法。
[本発明1071]
剪断されたバイオマス原料を輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数により前処理することによって作製された糖質を含む材料を提供する工程;ならびに
該材料を、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程
を含む、可燃性燃料などの産物の作製方法。
[本発明1072]
剪断されたバイオマスが、長さ対直径比(L/D)が約5/1を上回るばらばらの繊維を含む、本発明1071記載の方法。
[本発明1073]
バイオマスが内部繊維を有し、かつ該バイオマスがその内部繊維が実質的に露出する程度まで剪断されている、本発明1071または1072記載の方法。
[本発明1074]
バイオマスが、約0.35g/cm3未満の嵩密度を有する程度まで剪断されている、本発明1071〜1073のいずれか一項記載の方法。
[本発明1075]
バイオマスのピースのサイズを低減するためのバイオマス原料調製モジュールと、
該バイオマスに輻射線を適用するように配置された輻射線照射モジュール;
該バイオマスに音波エネルギーを適用するように配置された音波処理モジュール;
該バイオマスを酸化するように配置された酸化モジュール;および
該バイオマスに熱を適用するように配置された熱分解モジュール
である前処理モジュールの2つまたはそれ以上と、
該バイオマスを処理システム内のモジュールへ、およびモジュール間を移動させるためのバイオマス輸送サブシステムと
を含むバイオマス原料処理システムであって、
該2つまたはそれ以上の前処理モジュールが直列に配置されており、かつ/またはほぼ同時に該バイオマスの一部を処理するように配置されている、バイオマス原料処理システム。
[本発明1076]
容器をさらに含む、本発明1075記載のシステム。
[本発明1077]
糖質を含む前処理されたバイオマス材料を含有する反応容器を含むシステムであって、前処理されたバイオマス材料が、本発明1001〜1074のいずれか一項記載の方法によって作製される、システム。
[本発明1078]
容器が、材料と接触している微生物も含有し、該微生物が、該材料の少なくとも一部を可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する、本発明1076または1077記載のシステム。
[本発明1079]
容器が、材料と接触している酵素も含有し、該酵素が、該材料の少なくとも一部と反応する能力を有する、本発明1076〜1078のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1080]
容器が炭酸水素ナトリウムまたは塩化アンモニウムなどの緩衝剤も含有する、本発明1076〜1079のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1081]
容器が塩化カリウムまたは塩化ナトリウムなどの電解質も含有する、本発明1076〜1080のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1082]
容器が、ビオチンなどの成長因子および/またはウラシルなどの塩基対を含有する、本発明1076〜1081のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1083]
容器が界面活性剤も含有する、本発明1076〜1082のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1084]
容器がミネラルも含有する、本発明1076〜1083のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1085]
容器がキレート剤も含有する、本発明1076〜1084のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1086]
容器が、約1,000Lを上回る、例えば、5,000Lを上回る総容量を有する、本発明1076〜1085記載のシステム。
[本発明1087]
輻射線照射モジュールおよび音波処理モジュールを含む、本発明1075〜1086のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1088]
2つまたはそれ以上のモジュールが輻射線照射モジュールおよび音波処理モジュールを含み、かつバイオマス輸送サブシステムが、バイオマスを輻射線照射モジュールから音波処理モジュールへ、またはその逆へ、ならびに調製モジュールから前処理モジュールへ、およびその逆へ移動させるように配置された、本発明1075記載のシステム。
[本発明1089]
酸化モジュールをさらに含む、本発明1087または1088記載のシステム。
[本発明1090]
発酵モジュールをさらに含む、本発明1075〜1089のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1091]
輻射線照射モジュールおよび熱分解モジュールを含む、本発明1075記載のシステム。
[本発明1092]
バイオマス輸送サブシステムが、バイオマスを輻射線照射モジュールから熱分解モジュールへ、またはその逆へ移動させるように配置された、本発明1091記載のシステム。
[本発明1093]
酸化モジュールをさらに含む、本発明1091〜1093のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1094]
発酵モジュールをさらに含む、本発明1091〜1093のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1095]
2つまたはそれ以上のモジュールの複数が単一デバイスの部分として実装される、本発明1075〜1094のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1096]
2つまたはそれ以上の異なる前処理モジュールが、輻射線照射モジュールおよび音波処理モジュール、輻射線照射モジュールおよび酸化モジュール、輻射線照射モジュールおよび熱分解モジュール、音波処理モジュールおよび酸化モジュール、音波処理モジュールおよび熱分解モジュール、または酸化モジュールおよび熱分解モジュールを含む、本発明1075〜1095のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1097]
発酵モジュールをさらに含む、本発明1096記載のシステム。
[本発明1098]
3つまたはそれ以上の異なる前処理モジュールを含む、本発明1096記載のシステム。
[本発明1099]
2つまたはそれ以上のモジュールの複数が、単一デバイスの部分として実装される、本発明1096〜1098のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1100]
バイオマス輸送サブシステムが、バイオマスを任意の順序でモジュール間を移動させるように配置された、本発明1096〜1099のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1101]
バイオマス輸送サブシステムが、流動床(fluidized bed)のコンベアベルトを含む、本発明1100記載のシステム。
[本発明1102]
輻射線照射モジュールが、バイオマスに約100kGy〜約1000kGyの間、特に、約100kGy〜約500kGyの間、とりわけ約200kGy〜約500kGyの間の輻射線量を適用するように配置された、本発明1075〜1101のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1103]
輻射線照射モジュールが、バイオマスの構造を変化させる、例えば、該バイオマスの平均分子量を低減する;該バイオマスの平均結晶化度を低減する;該バイオマスの表面積を増加させる;該バイオマスの重合を変化させる;該バイオマスの多孔度を増加させる;かつ/または該バイオマスの化学構造を変化させるのに十分な輻射線量を適用するように配置される、本発明1075〜1102のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1104]
音波処理モジュールが、約15kHz〜約25kHzの間の周波数の音波エネルギーを適用するように配置される、本発明1075〜1103のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1105]
音波処理モジュールが、バイオマスの構造を変化させる、例えば、該バイオマスの平均分子量を低減する;該バイオマスの平均結晶化度を低減する;該バイオマスの表面積を増加させる;該バイオマスの重合を変化させる;該バイオマスの多孔度を増加させる;かつ/または該バイオマスの化学構造を変化させるのに十分な音波エネルギーを適用するように配置される、本発明1075〜1104のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1106]
輻射線照射モジュールが放射性材料を含む、本発明1075〜1105のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1107]
輻射線照射モジュールが電子線エミッターを含む、本発明1075〜1105のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1108]
剪断されたバイオマス原料を、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数により前処理する工程を含むプロセスによって作製された糖質材料。
[本発明1109]
前処理する工程が輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか2つまたはそれ以上によって行われる、本発明1108記載の糖質材料。
[本発明1110]
バイオマス原料を輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか2つまたはそれ以上により前処理する工程を含むプロセスによって作製された、糖質材料。
[本発明1111]
前処理する工程が輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか3つまたはそれ以上によって行われる、本発明1110記載の糖質。
[本発明1112]
約25,000未満のピーク最大分子量および約55パーセント未満の結晶化度を有するセルロースまたはリグノセルロース材料を含む組成物。
[本発明1113]
セルロースまたはリグノセルロース材料が、約72パーセントを上回る多孔度を有する、本発明1112記載の組成物。
[本発明1114]
セルロースまたはリグノセルロース材料が、約0.75m2/gを上回るBET表面積を有する、本発明1112または1113記載の組成物。
[本発明1115]
セルロースまたはリグノセルロース材料が、約0.5g/cm3未満の嵩密度を有する、本発明1112〜1114のいずれか一項記載の組成物。
[本発明1116]
セルロースまたはリグノセルロース材料が、長さ対直径が約5を上回る繊維を含む、本発明1112〜1115のいずれか一項記載の組成物。
[本発明1117]
酵素および/または微生物をさらに含む、本発明1112〜1116のいずれか一項記載の組成物。
[本発明1118]
繊維を含むセルロースまたはリグノセルロース材料を含む組成物であって、該セルロースまたはリグノセルロース材料が約25,000未満のピーク最大分子量および約0.5g/cm3未満の嵩密度を有する、組成物。
[本発明1119]
繊維が、約5を上回る、長さ対直径比を有する、本発明1118記載の組成物。
[本発明1120]
第一の分子量を有する第一のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料に照射して、第一の分子量よりも高い第二の分子量を有する第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を提供する工程;ならびに
第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を樹脂などの材料と組み合わせる工程
を含む、繊維-樹脂複合体などの複合体の作製方法。
[本発明1121]
樹脂などの材料を、第一の分子量を有するセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料と組み合わせて、該繊維状材料およびマトリックスを含む複合体を提供する工程;ならびに
該複合体を照射して、樹脂マトリックスなどのマトリックス中の第一のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料の分子量を増加させる工程
を含む、繊維-樹脂複合体などの複合体の作製方法。
[本発明1122]
第一の分子量を有する第一のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料を照射して、第一の分子量よりも高い第二の分子量を有する第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を提供する工程;
第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を樹脂などの材料と組み合わせて、複合体を提供する工程;ならびに
該複合体を照射する工程
を含む、繊維-樹脂複合体などの複合体の作製方法。
[本発明1123]
第一の分子量を有する第一の糖質含有材料を含む木材産物を提供する工程;および
該木材産物を照射して、第一の分子量よりも高い第二の分子量を有する第二の糖質含有材料を含む照射された木材産物を提供する工程
を含む、照射された木材産物の作製方法。
[本発明1124]
例えば、照射の前に、照射の後に、または照射と同時に音波処理する工程をさらに含む、本発明1120〜1123のいずれか一項記載の方法。
バイオマス(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)を加工して、燃料などの有用な産物を生産することができる。容易に入手可能であるが、例えば、発酵によって加工するのが困難であり得るセルロースおよび/またはリグノセルロース材料などの原料材料として用いることができるシステムおよびプロセスを以下に記載する。原料材料は、まず、往々にして、生原料材料のサイズ低減によって、加工のために物理的に調製される。物理的に調製された原料は、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発の一つまたは複数を用いて前処理し、加工することができる。種々の前処理システムおよび方法は、これらの技術の2つ、3つまたは4つの組み合わせで用いることができる。
一般に、一つまたは複数の糖単位のみから構成される糖質であるか、またはそれを含む、あるいは、一つまたは複数の糖単位を含む任意のバイオマス材料は、本明細書において記載された任意の方法によって加工することができる。例えば、バイオマスの材料はセルロースまたはリグノセルロース材料であり得る。
図1は、バイオマス、特に、有意なセルロースおよびリグノセルロース成分を持つバイオマスを有用な産物および副産物に変換するためのシステム100を示す。システム100は供給材料調製サブシステム110、前処理サブシステム114、一次プロセスサブシステム118、および後処理サブシステム122を含む。供給材料調製サブシステム110はバイオマスを生の形態で受け取り、下流プロセスによって原料として用いるためにそのバイオマスを物理的に調製し、(例えば、バイオマスのサイズを低減し、かつバイオマスをホモゲナイズし)、その生および原料形態双方のバイオマスを貯蔵する。有意なセルロースおよびリグノセルロース成分を持つバイオマス原料は、原料を有用な産物に加工する(例えば、原料を発酵してエタノールとする)のを困難にし得る、高い平均分子量および結晶化度を有することができる。
いくつかの場合において、加工方法は、切断、粉砕、剪断、または細断などによって、原料の物理的調製、例えば、生原料の材料のサイズの低減から開始される。いくつかの場合において、結合のゆるい原料(例えば、再生紙またはスイッチグラス)を、剪断または寸断によって調製する。スクリーンおよび/または磁石を用いて、例えば、岩または釘といった大きすぎるまたは望ましくない物体を供給ストリームから除去することができる。
いくつかの態様において、加工すべき材料は、繊維源を剪断することによって提供された繊維を含む、繊維状材料の形態である。例えば、剪断は回転ナイフカッターで行うことができる。
高密度化された材料は本明細書において記載された任意の方法によって加工することができる。
1つの例において、20 lb/ft3の嵩密度を有する印刷されていない白色クラフトボードで作製された半ガロンのジュース容器を原料として用いることができる。容器は平坦に折り畳み、次いで、シュレッダーに入れて、0.1インチ〜0.5インチの間の幅、0.25インチ〜1インチの間の長さ、および出発材料と同等な厚み(約0.075インチ)を有する紙吹雪様材料を作製することができる。紙吹雪様材料を、紙吹雪様ピースを剪断する回転ナイフカッターに供給することができ、ピースを引き裂き、繊維状材料を放出させる。
物理的に調製された原料を、例えば、原料の平均分子量および結晶化度を低減し、かつ/または原料の表面積および/もしくは多孔度を増加させることによって、主な生産プロセスで用いるために前処理することができる。前処理は、照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発の一つまたは複数を含むことができる。種々の前処理システムおよび方法はこれらの技術の2つ、3つ、または4つの組み合わせで用いることができる。
いくつかの態様において、バイオマスは、本明細書において記載されたような前もっての、途中の、または引き続いての原料調製を伴うまたは伴わない輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発の2つまたはそれ以上などといった、本明細書において記載されたプロセスのいずれか2つまたはそれ以上を適用することによって処理することができる。プロセスは任意の順序で(または同時に)バイオマス、例えば、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料に適用することができる。他の態様において、糖質を含む材料は、本明細書において記載されたプロセスのいずれかの3つ、4つまたはそれ以上を(任意の順序で、または同時に)適用することによって調製される。例えば、糖質は、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解および、任意で、蒸気爆発を、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料に(任意の順序で、または同時に)適用することによって調製することができる。次いで、提供された糖質含有材料は、細菌、酵母、または細菌と酵母の混合物などといった一つまたは複数の微生物によって、本明細書において記載された、いくつかの望ましい産物に変換することができる。複数のプロセスは、より低い分子量、より低い結晶化度、および/または増強された溶解性のゆえに、種々の微生物によってより容易に利用することができる材料を提供することができる。複数のプロセスは相乗効果を提供することができ、いかなる単独のプロセスと比較しても、必要とされる全エネルギー入力を低減することができる。
一つまたは複数の照射加工系列を用いて、広く種々の異なる源からの生原料を加工して、原料から有用な物質を抽出し、さらなる加工工程および/または系列に対する投入物として機能する部分的に分解された有機物質を得ることができる。照射は原料の分子量および/または結晶化度を低減することができる。いくつかの態様において、その原子軌道から電子を放出させる、材料に入ったエネルギーを用いて、材料を照射する。輻射線は1)アルファ粒子などの重荷電粒子、2)例えば、ベータ崩壊または電子線加速器で生じた電子、または3)電磁放射線、例えば、ガンマ線、x線または紫外線によって得ることができる。1つのアプローチにおいて、放射性物質によって生じた放射線を用いて、原料を照射することができる。もう1つのアプローチにおいて、(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、原料を照射することができる。適用する量は、望まれる効果および特定の原料に依存する。例えば、高い量の輻射線は原料成分内の化学結合を破壊することができ、低い量の輻射線は原料成分内の化学結合(例えば、架橋)を増加させることができる。
輻射線の各形態は、輻射線のエネルギーによって決定されるような特定の相互作用を介してバイオマスをイオン化する。重荷電粒子は、主として、クーロン散乱を介して物質をイオン化し;さらに、これらの相互作用はさらに物質をイオン化することができるエネルギー電子を生じさせる。アルファ粒子はヘリウム原子の核と同一であり、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、カリフォルニウム、アメリシウム、およびプルトニウムの同位体などの種々の放射性核のアルファ崩壊によって生じる。
いくつかの態様において、電子線を放射線源として用いる。電子線は高い線量率(例えば、秒当たり10、50、またはさらには100kGy)、高いスループット、より少ない封じ込め、およびより少ない閉じ込め機器の利点を有する。電子は分子鎖切断を引き起こすのにより効果的でもあり得る。加えて、4〜10MeVのエネルギーを有する電子は、40mmなどの5〜30mm以上の透過深度を有することができる。
照射が電磁放射線で行われる態様において、電磁放射線は、例えば、102eVよりも大きい、例えば、103、104、105、106よりも大きな、またはさらには107eVよりも大きな、(電子ボルトで表した)フォトン当たりのエネルギーを有することができる。いくつかの態様において、電磁放射線は104〜107の間、例えば、105〜106eVの間のフォトン当たりのエネルギーを有する。電磁放射線は、例えば、1016hzよりも大きな、1017hz、1018、1019、1020よりも大きな、またはさらには1021hzよりも大きな周波数を有することができる。いくつかの態様において、電磁放射線は1018〜1022hzの間、例えば、1019〜1021hzの間の周波数を有する。
いくつかの態様において、(任意の輻射線源、または源の組み合わせでの)照射は、材料が少なくとも2.5kGy、例えば、少なくとも10kGy、少なくとも25kGy、少なくとも50kGy、または少なくとも100kGyの線量を受けるまで行う。いくつかの態様において、照射は、材料が10kGy〜60kGyの間、例えば、15kGy〜40kGyの間の線量を受けるまで行う。
一つまたは複数の音波処理加工系列を用いて、広く種々の異なる源からの生原料を加工して、有用な物質を原料から抽出し、さらなる加工工程および/または系列に対する投入物として機能する部分的に分解された有機材料を提供することができる。音波処理は、原料の分子量および/または結晶化度を低減することができる。
図12は一般的なシステムを示し、そこでは、セルロース材料ストリーム1210がリザーバ1214中の水ストリーム1212と混合されて、スラリー1216が形成される。第一のポンプ1218はリザーバ1214からスラリー1216を汲み出し、フローセル1224に向ける。超音波トランスデューサ1226が、スラリー1216がフローセル1224を通って流れる間に超音波エネルギーをスラリーに伝達する。第二のポンプ1230はスラリー1216をフローセル1224から汲み出し、次の処理に向ける。
一つまたは複数の熱分解処理系列を用いて、広く種々の異なる源からの生原料を加工して、原料から有用な物質を抽出し、およびさらなる加工工程および/または系列に対する投入物として機能する部分的に分解された有機材料を提供することができる。
図14は、熱分解原料前処理システムにおける種々の工程を含むプロセスフロー図6000を示す。第一の工程6010において、乾燥原料の供給を供給源から受け取る。
一つまたは複数の酸化的加工系列を用いて、幅広い種類の異なる源からの生原料を加工して、原料から有用な物質を抽出することができ、さらなる加工工程および/または系列に対する投入物として機能する部分的に分解された有機物質を提供することができる。
図22は、酸化的原料前処理システムにおいて種々の工程を含むプロセスフローダイヤグラム5000を示す。第一の工程5010において、乾燥原料の供給は供給源から受け取る。供給源は例えば、コンベアベルトまたはもう1つの原料輸送デバイスを介してインライン酸化リアクターに連結された貯蔵床または容器を含むことができる。
蒸気爆発は、本明細書において記載されたプロセスのいずれとも組み合わせず単独で、あるいは本明細書において記載されたプロセスのいずれかと組み合わせて、用いることができる。
いくつかの態様において、2つまたはそれ以上の別々の照射デバイス、音波処理デバイス、熱分解デバイスおよび/または酸化デバイスを単一のハイブリッドマシンとして組み合わせるのが有利でありうる。そのようなハイブリッドマシンでは、多数のプロセスを近位に並列してまたは同時に行うことができ、これには前処理スループットの増加および潜在的なコスト削減という利益を伴う。
発酵
一般に、種々の微生物は、例えば、前処理されたバイオマス材料の発酵に作用することによって、燃料などの多数の有用な産物を生産することができる。例えば、アルコール、有機酸、炭化水素、水素、タンパク質、またはこれらの材料のうちのいずれかの混合物は発酵または他のプロセスによって生産することができる。
原料の前処理のための熱分解を用いることに加えて、前処理された原料を処理して有用な材料を抽出するために熱分解を用いることもできる。特に、ガス化として公知の熱分解の一形態を使用して、種々の他の気体、液体、および固体の産物と共に燃料ガスを生じさせることができる。ガス化を行うために、前処理原料を熱分解チャンバーに導入し、高温、典型的には700℃以上まで加熱する。用いる温度は、原料および所望の産物の性質を含めた多数の因子に依存する。
蒸留
発酵の後、得られた流体を例えば「ビア(beer)カラム」を用いて蒸留して、エタノールおよび他のアルコールを水および残留固体の大部分から単離することができる。ビアカラムから出る蒸気は35重量%エタノールであり得、これを精留カラムに供給することができる。精留カラムからのほぼ共沸性の(92.5%)エタノールと水の混合物を、蒸気相分子ふるいを用いて純粋な(99.5%)エタノールまで精製することができる。ビアカラムの底を三重効用(three-effect)エバポレーターの第1効用に送ることができる。精留カラム還流コンデンサーはこの第1効用に対して熱を提供することができる。第1効用の後、遠心機を用いて固体を分離し、回転乾燥機中で乾燥することができる。遠心機流出物の一部(25%)を発酵に再利用し、残りをエバポレーターの第2効用および第3効用に送ることができる。低沸点化合物の形成を防ぐための廃水処理に対する分離物(split off)の割合が小さなかなりクリーンな凝縮物として、エバポレーター凝縮物のほとんどをプロセスに戻すことができる。
廃水処理を用いて、プラント内で再使用するためのプロセス水を処理することによってプラントの補給水要件を最小化する。廃水処理により、エタノール生産プロセスの全効率を改良するために用いることができる燃料(例えば、スラッジおよびバイオガス)を作製することもできる。例えば、後にさらに詳細に記載するように、スラッジおよびバイオガスを用いて、種々のプラントプロセスで用いることができる蒸気および電気を生じさせることができる。
バイオマスからのアルコールの産生の結果、プラントの他の部分で使用すべき蒸気および電気を生じさせるのに有用な種々の副産物ストリームが生産され得る。例えば、副産物ストリームの燃焼から生じた蒸気を蒸留プロセスで用いることができる。もう1つの例として、副産物ストリームの燃焼から生じた電気を用いて、前処理で用いる電子線ジェネレーターおよび超音波トランスデューサに電力を与えることができる。
アルコール
生じたアルコールはモノヒドロキシアルコール、例えばエタノール、またはポリヒドロキシアルコール、例えばエチレングリコールまたはグリセリンであり得る。生産することができるアルコールの例はメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、例えばn-ブタノール、sec-ブタノール、もしくはt-ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4-ブタンジオール、グリセリン、またはこれらのアルコールの混合物を含む。
作製された有機酸はモノカルボン酸またはポリカルボン酸を含むことができる。有機酸の例はギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、オレイン酸、リノール酸、グリコール酸、乳酸、γ-ヒドロキシ酪酸、またはこれらの酸の混合物を含む。
いくつかの態様において、発酵プロセスの全てまたは一部を、セルロース材料が完全にエタノールに変換される前に中断することができる。中間発酵産物は高濃度の糖および糖質を含む。これらの中間発酵産物は、ヒトまたは動物の食用の食品の調製に用いることができる。いくつかの態様において、セルロース材料の照射前処理は中間発酵産物を滅菌する(例えば、ヒトの食用に適合させる)。いくつかの態様において、食品として用いる前に中間発酵産物の後処理が必要である。例えば、乾燥器を用いて中間発酵産物から水分を除去して、貯蔵期間、取扱い期間、および有効期限を延長することができる。追加的にあるいは代替的に、中間発酵産物をステンレス鋼実験室ミルで微細な粒子サイズまで粉砕して、粉様物質を作製することができる。
蒸留粕(distillers grains and solubles)を蒸留-脱水プロセスの価値ある副産物に変換することができる。蒸留-脱水プロセスの後、蒸留粕を乾燥して、材料を貯蔵し取り扱う能力を向上させることができる。得られた乾燥蒸留粕(DDGS)には、澱粉が少なく、脂肪が多く、タンパク質が多く、繊維が多く、リンが多い。したがって、例えば、DDGSは動物の飼料の供給源として(例えば、乳牛用の飼料源として)、価値を有しうる。特定のカテゴリーの動物の特定の食餌要件(例えば、ブタ食餌用の消化可能なリシンとリンのバランス)を満たすように、その後DDGSを栄養添加剤と組み合わせることができる。
先に議論した前処理プロセスは医薬的特性を持つ植物に適用することができる。いくつかの態様において、音波処理により医薬的特性を持つ植物の医薬的成分の生物活性および/または生物学的利用性を促進することができる。追加的にあるいは代替的に、照射は、医薬的特性を持つ植物の医薬的成分の生物活性および/または生物学的利用性を促進する。例えば、柳の皮の前処理では音波処理および照射を組み合わせて、サリシンの生産を促進することができる。
いくつかの態様において、中間発酵産物(例えば、高濃度の糖および糖質を含む産物)を補給して、栄養補給食品を作り出すことができる。例えば、中間発酵産物にカルシウムを補充して、エネルギーを提供しかつ骨の強度を改善または維持することを助ける、栄養補給食品を作り出すことができる。
リグニン残渣
前記したように、一次プロセスおよび前処理プロセスからのリグニン含有残渣は、高い/中程度のエネルギー燃料として価値を有し、かつプラントプロセスにおいて用いるための動力および蒸気を発生させるために使用することができる。しかしながら、そのようなリグニン残渣は新しいタイプの固体燃料であり、プラント境界の外ではこれに対する需要はほとんどなく、輸送のためにこれを乾燥させるコストがその潜在的価値から差し引かれるだけである。いくつかの場合において、リグニン残渣のガス化によって、これをより低コストでより価値の高い産物に変換することができる。
細胞物質、フルフラール、および酢酸はバイオマス〜燃料加工施設の潜在的副産物として同定されてきた。間質細胞物質は有用であり得るが、かなりの精製を必要とするであろう。フルフラールおよび酢酸についての市場は整っているが、それらが十分に営利化されたリグノセルロース〜エタノール産業の産出物を消費するのに十分な大きさであるとは考えにくい。
以下の実施例は説明することを意図し、本開示の教示を制限するものではない。
20 lb/ft3の嵩密度を有する印刷されていないポリコーティングされた白色クラフトボードから作製された再生品でない半ガロンのジュース容器の1500ポンドのスキッドを、International Paperから入手した。各容器を平たく折り畳み、次いで、1時間におよそ15〜20ポンドの速度で3 hp Flinch Baughシュレッダーに供給した。シュレッダーは2つの12インチ回転ブレード、2つの固定されたブレードおよび0.30インチの排出スクリーンを備えていた。回転ブレードと固定ブレードの間のギャップは0.10インチに調整した。シュレッダーからの産出物は0.1インチ〜0.5インチの間の幅、0.25インチ〜1インチの間の長さ、および出発物質と同等な厚み(約0.075インチ)を有する紙吹雪に類似していた。
30 lb/ft3の嵩密度を有する再生品でない漂白白色クラフトボードの1500ポンドスキッドはInternational Paperから入手した。材料を平坦に折り畳み、次いで、時間当たり約15〜20ポンドの速度で3 hp Flinch Baughシュレッダーに供給した。シュレッダーには2つの12インチ回転ブレード、2つの固定ブレードおよび0.30インチの排出スクリーンが備えられていた。回転および固定ブレードの間のギャップは0.10インチに調整された。シュレッダーからの産出物は、0.1インチ〜0.5インチの間の幅、0.25インチ〜1インチの間の長さ、および出発材料のそれと同等な厚み(約0.075インチ)を有する紙吹雪に似ていた。紙吹雪様材料はMunson回転ナイフカッター、モデルSC30に供給した。排出スクリーンは1/8インチの孔を有した。回転および固定ブレードの間のギャップは約0.020インチに設定した。回転ナイフカッターは紙吹雪様ピースを剪断し、時間当たり約1ポンドの速度で繊維状材料を放出した。繊維状材料は1.1316 m2/g +/- 0.0103 m2/gのBET表面積、88.3285パーセントの多孔度、および0.1497 g/mLの(0.53psiaにおける)嵩密度を有した。繊維の平均の長さは1.063mmであって、繊維の平均幅は0.0245mmであり、43:1の平均L/Dを与えた。繊維状材料の走査型電子顕微鏡写真を25倍の倍率で図27に示す。
30 lb/ft3の嵩密度を有する再生品でない漂白白色クラフトボードの1500ポンドスキッドはInternational Paperから入手した。材料を平坦に折り畳み、次いで、時間当たり約15〜20ポンドの速度で3 hp Flinch Baughシュレッダーに供給した。シュレッダーには2つの12インチ回転ブレード、2つの固定ブレードおよび0.30インチの排出スクリーンが備えられていた。回転および固定ブレードの間のギャップは0.10インチに調整された。シュレッダーからの産出物は紙吹雪に似ていた(上記と同様)。紙吹雪様材料はMunson回転ナイフカッター、モデルSC30に供給した。排出スクリーンは1/16インチの孔を有した。回転および固定ブレードの間のギャップは約0.020インチに設定した。回転ナイフカッターは紙吹雪様ピースを剪断し、時間当たり約1ポンドの速度で繊維状材料を放出した。第一の剪断から得られた材料を前記した同一設定に供給し戻し、再度剪断した。得られた繊維状材料は1.4408 m2/g +/- 0.0156 m2/gのBET表面積、90.8998パーセントの多孔度、および0.1298 g/mLの(0.53psiaにおける)嵩密度を有した。繊維の平均の長さは0.891mmであって、繊維の平均幅は0.026mmであり、34:1の平均L/Dを得た。繊維状材料の走査型電子顕微鏡写真を25倍の倍率で図28に示す。
30 lb/ft3の嵩密度を有する再生品でない漂白白色クラフトボードの1500ポンドスキッドはInternational Paperから入手した。材料を平坦に折り畳み、次いで、時間当たり約15〜20ポンドの速度で3 hp Flinch Baughシュレッダーに供給した。シュレッダーには2つの12インチ回転ブレード、2つの固定ブレードおよび0.30インチの排出スクリーンが備えられていた。回転および固定ブレードの間のギャップは0.10インチに調整された。シュレッダーからの産出物は紙吹雪に似ていた(上記と同様)。紙吹雪様材料はMunson回転ナイフカッター、モデルSC30に供給した。排出スクリーンは1/8インチの孔を有した。回転および固定ブレードの間のギャップは約0.020インチに設定した。回転ナイフカッターはナイフ-エッジを横切って紙吹雪様ピースを剪断した。第一の剪断から得られた材料を同一設定に供給し戻し、スクリーンを1/16インチのスクリーンで置き換えた。この材料を剪断した。第二の剪断から得られた材料を同一設定に供給し戻し、スクリーンを1/32インチのスクリーンで置き換えた。この材料を剪断した。得られた繊維状材料は1.6897 m2/g +/- 0.0155 m2/gのBET表面積、87.7163パーセントの多孔度、および0.1448 g/mLの(0.53psiaにおける)嵩密度を有した。繊維の平均の長さは0.824mmであり、繊維の平均幅は0.0262mmであり、32:1の平均L/Dを与えた。繊維状材料の走査型電子顕微鏡写真を25倍の倍率で図29に示す。
繊維状材料は実施例2に従って調製した。約1 lbの水を繊維状材料の各10 lbに噴霧した。75℃で操作されるCaliforniaペレットミル1100を用いて繊維状材料を高密度化した。約7 lb/ft3〜約15 lb/ft3の範囲の嵩密度を有するペレットが得られた。
繊維状材料は実施例2に従って調製した。
繊維状材料は実施例4に従って調製した。繊維状クラフト紙は実施例5に従って高密度化した。
繊維状材料は実施例4に従って調製する。繊維状クラフト紙は実施例5に従って高密度化する。
分析用のセルロースおよびリグノセルロース材料は実施例4に従って処理した。以下の表に掲げる試料材料はクラフト紙(P)、麦ワラ(WS)、アルファルファ(A)、およびスイッチグラス(SG)を含む。試料IDの番号「132」とは、1/32インチスクリーンを経た剪断後の材料の粒子サイズをいう。ダッシュ後の数字は輻射線の線量(kGy)をいい、「US」とは超音波処理をいう。例えば、試料ID「P132-10」とは、132メッシュの粒子サイズまで剪断され、100kGyを照射されたクラフト紙をいう。
**低線量の輻射線はいくつかの材料の分子量を増加させるように見える。
1線量率=10kGy/時間
2水に分散させた材料を用いた、再循環条件下で1000Wホーンを使用した20kHz超音波による30分間の処理
*処理後にピークは合体する。
**低線量の輻射線はいくつかの材料の分子量を増加させるように見える。
1線量率=10kGy/時間
2水に分散させた材料を用いた、再循環条件下で1000Wホーンを使用した20kHz超音波による30分間の処理
X線回折(XRD)は、結晶性試料に単エネルギーx-線を照射する方法である。これらのx-線との試料の格子構造の相互作用を記録し、照射された結晶性構造についての情報を得る。得られた特徴的「フィンガープリント」は、試料に存在する結晶性化合物の同定を可能とする。全パターンフィッティング分析(リートベルト法)を用い、複数の結晶性化合物を含有する試料について定量的分析を行うことが可能である。
式中、
Ac=結晶相の面積
Aa=アモルファス相の面積
Xc=結晶化度のパーセント
である。
水銀ポアサイズおよびポア体積分析(表5)は、密に制御された圧力下で水銀(非湿潤性液体)を強制的に多孔性構造に入れることに基づく。水銀はほとんどの物質を濡らさず、毛細管作用によって自然にポアに進入することがないので、それは外部圧力を適用することによって試料のボイドに強制的に入れなければならない。ボイドを満たすのに必要な圧力はポアのサイズに逆比例する。大きなボイドを満たすのに少量の力または圧力しか必要とせず、他方、非常に小さなポアのボイドを満たすにはかなり大きな圧力が必要とされる。
静的光散乱による粒子サイジングの技術は(フラウンホーファー理論も含む)Mie理論に基づく。Mie理論は、他の系の変数が公知であって、一定に保持されることを条件に、球状散乱粒子に対するサイズの関数としての強度対角度関係を予測する。これらの変数は入射光の波長および試料材料の相対的屈折率である。Mie理論の適用は、詳細な粒子のサイズの情報を提供する。表7はメジアン直径、メジアン平均直径、およびモード直径をパラメーターとして用いて粒子サイズをまとめる。
供給率:35%
ディスパーサー圧力:4バール
光学モデル:(2.610, 1.000i), 1000
各試料の表面積は、Micromeritics ASAP 2420 Accelerated Surface AreaおよびPorosimetry Systemを用いて分析した。試料は、まず40℃にて16時間脱気することによって調製した。次に、ヘリウムを含む自由空間(温かいおよび冷たい空間両方)を計算し、次いで、試料チューブを再度排気して、ヘリウムを除去する。データ収集はこの第二の排気後に始まり、どの位多くのガスが試料上に与えられるかを制御する標的圧力を規定することからなる。各標的圧力において、吸着されたガスおよび実際の圧力の量を決定し、記録する。試料チューブ内側の圧力は圧力トランスデューサで測定する。さらなる量のガスを、標的圧力が達成され、平衡となるまで継続する。吸着されたガスの量は試料上への複数の量を合計することによって決定される。圧力および量はガス吸着等温線を規定し、これを用いて、BET表面積(表8)を含めた多数のパラメーターを計算する。
繊維長分布試験は、Techpap MorFi LB01システムを用いて提示された試料で三つ組で行った。平均長および幅は表9に報告する。
スイッチグラスは実施例4に従って剪断した。スイッチグラスは超音波単独、あるいは100kGyまたは1000kGyのガンマ線での照射によって処理し、次いで、音波処理した。得られた材料は、表1に掲げるように、G132-BR(未照射)、G132-10-BR(100kGyおよび音波処理)およびG132-100-BR(1000kGyおよび音波処理)に対応する。音波処理は、再循環条件下で1,000Wホーンからの20kHz超音波を用いて各試料について30分間行った。各試料は、約0.10 g/mLの濃度で水に分散させた。
走査型電子顕微鏡写真のためのスイッチグラス試料を炭素テープに適用し、金スパッタコーティングした(70秒)。JEOL 6500場発光走査型電子顕微鏡でイメージを撮影した。
FT-IR分析はNicolet/Impact 400で行った。結果は、表1に報告される全ての試料がセルロースベースの材料と合致することを示す。
スイッチグラスを原料として用い、Munson回転ナイフカッターで剪断して繊維状材料とする。次いで、繊維状材料を、約500in2よりも大きな面積を持つ、スズから構成されたオープントレイ上に均一に分布させる。繊維状材料は、それがオープントレイにおいて約1〜2インチの深さを有するように分布させる。繊維状材料はより低い線量の照射(100kGy未満)においてプラスチックバッグ中に分布させることができ、より高い線量の輻射線にて金属トレイ上に被覆しないままで残すことができる。
本明細書において記載された前処理された特定のリグノセルロース材料を、エタノール作製における発酵工程のために生物燃料産業で用いられる酵母および細菌の通常の株に対する毒性について、分析する。加えて糖含有量およびセルラーゼ酵素との適合性を調べて、処理プロセスの実行可能性を決定する。前処理された材料の試験は以下のように2つの相で行う。
前処理された草および紙原料の毒性を、酵母サッカロミセス-セレビジエ(Saccharomyces cerevisiae)(ワイン酵母)およびピキア-スチピチス(Pichia stipitis) (ATCC 66278)ならびに細菌ザイモモナス−モビリス(Zymomonas mobilis) (ATCC 31821)およびクロストリジウム-テルモセルム(Clostridium thermocellum) (ATCC 31924)において測定する。成長試験を微生物の各々で行って、インキュベーションおよびサンプリングの最適時間を決定する。
原料を、リグノセルロースバイオマスを発酵可能な糖に還元する酵素の複合体を含有する商業的に入手可能なAccellerase(商標) 1000、2つの異なるセルラーゼ調製物、Trichoderma reeseiおよびAspergillus nidulansで、二つ組で、エルレンマイヤーフラスコ中で推奨される温度および濃度にて、試験する。200rpm程度で12時間、中程度に振盪しつつ、フラスコをインキュベートする。その時間、試料を0、3、6、9、および12時間の時点で3時間ごとに採取して、フラスコの液体部分中の還元性糖の濃度を決定する (Hope and Dean, Biotech J., 1974, 144:403)。
バイオマス変換プラントのための最適な規模は、スケールの経済性、ならびに原料として用いるバイオマスのタイプおよび入手可能性を含めた要素によって影響される。プラント規模の増大は、プラントプロセスに関連するスケールの経済性を増大させる傾向がある。しかしながら、プラント規模の増大は、バイオマス原料の単位当たりのコスト(例えば、輸送コスト)を増大させる傾向もある。これらの要素を分析する研究は、バイオマス変換プラントのための適切な規模は1日当たりバイオマス原料2000〜10,000乾燥トンの範囲であり得ることを示唆している。以下に記載されるプラントは、1日当たり乾燥バイオマス原料2000トンを処理する規模とする。
プラントについて選択された、設計される供給材料速度は、1日当たりスイッチグラスバイオマス2,000乾燥トンである。設計される供給材料とは、切断および/または剪断されたスイッチグラスである。
コンベアベルトは供給材料調製サブシステム110から前処理サブシステム114までバイオマス原料を運ぶ。図40に示すように、前処理サブシステム114において、電子線エミッターを用いてバイオマス原料を照射し、水と混合してスラリーを形成させ、超音波エネルギーの印加に供する。先に論じたように、バイオマス原料の照射はバイオマス原料の分子構造を変化させる(例えば、平均分子量および結晶化度を低減する)。照射されたバイオマス原料をスラリーと混合し、超音波エネルギーをスラリーに印加すると、バイオマス原料の分子構造がさらに変化する。技術の組み合わせは、一方の技術がそのままで効果的に達成できるよりも分子構造に対するより大きな変化を達成する(例えば、平均分子量および結晶化度を低減する)ように見える点において、順番に放射および音波処理に印加することは、相乗的効果を有しうる。理論に拘束されるつもりはないが、バイオマス原料のセルロース成分およびリグノセルロース成分のセグメント間の分子内結合の破壊によってバイオマス原料の重合を低減することに加えて、照射は、バイオマス原料の全体的な物理的構造をより脆くすることができる。脆いバイオマス原料をスラリーに混合した後、超音波エネルギーの印加は分子構造をさらに変化させ(例えば、平均分子量および結晶化度を低減する)、また、バイオマス原料粒子のサイズを低減することもできる。
バイオマス原料を前処理サブシステムに運ぶコンベアベルト491は、バイオマス原料を多数の供給ストリーム(例えば、50供給ストリーム)に分配し、ストリーム各々は別々の電子線エミッター492に至る。この態様において、バイオマス原料は乾燥している間に照射される。各供給ストリームは別々のコンベアベルトで関連電子線エミッターに運ばれる。各照射供給材料コンベアベルトはほぼ1メートルの幅とすることができる。電子線エミッターに到達する前に、局所的な振動を各コンベアベルトにおいて誘導して、乾燥バイオマス原料をコンベアベルトの断面幅にわたって均等に分配する。
照射されたバイオマス原料は水と混合されて、超音波エネルギーが印加される前にスラリーを形成する。各電子線供給ストリームに関連する別々の音波処理関連システムが存在してもよく、あるいはいくつかの電子線ストリームを単一の音波処理システムのための供給物として集合させることができる。
真空回転ドラムタイプのフィルターは、発酵前にスラリーから固体を除去する。フィルターからの液体を、ファーメンターに入れる前にポンプ送液により冷却する。濾過された固体を通過させて、さらなる処理のために後処理サブシステムに送る。
蒸留
蒸留および分子ふるい吸着を用いて、生発酵ビアからエタノールを回収し、99.5%エタノールを得る。蒸留は2つのカラムで達成される-ビアカラムと呼ばれる最初のカラムは溶解したCO2および大部分の水を除去し、および第2のカラムはエタノールを濃縮してほぼ共沸性の組成物とする。
廃水処理セクションは、プラント補給水要件を低減するための再使用用のプロセス水を扱う。廃水をまず、スクリーニングして大きな粒子を除去し、これをホッパーに収集し、ごみ埋め立て地に送る。スクリーニングに続いて、嫌気性消化および好気性消化を行って、ストリームにおける有機物質を消化する。嫌気性消化は、コンバスターに供給されるメタンに富むバイオマスストリームを生じさせる。好気性消化は、プロセスでの再使用のための比較的クリーンな水ストリームならびに主として細胞塊から構成されるスラッジを生じさせる。同じくスラッジはコンバスター中でも燃焼させる。このスクリーニング/嫌気性消化/好気性消化スキームは、現在のエタノール産業での標準であって、1日当たり100万〜500万ガロンの範囲の施設は販売業者から「汎用」単位として入手できる。
コンバスター、ボイラー、およびターボジェネレーターサブシステムの目的は、蒸気および電気発生のために種々の副産物ストリームを燃焼させることである。例えば、一部のリグニン、セルロース、およびヘミセルロースは前処理および一次プロセスにわたって変換されないままである。プロセスからの廃水の大部分は濃縮されて可溶性固体に富むシロップとなる。残りの廃水の嫌気性消化は、メタンに富むバイオガスを生じる。好気性消化は少量の廃棄物バイオマス(スラッジ)を生じる。蒸気および電気を発生させるためにこれらの副産物ストリームを燃焼させることは、プラントがエネルギーを自給自足することを可能にし、固体廃棄物の廃棄コストを低下させ、かつ過剰な電気の販売を通じてさらなる収益を生じる。
本発明の多数の態様を記載してきた。しかしながら、本発明の精神および範囲から逸脱することなく種々の変更をなすことができることが理解されよう。
Claims (19)
- 0.5g/cm3未満の嵩密度を有するバイオマス原料を輻射線照射、音波処理、熱分解、および酸化からなる群より選択される処理方法を用いて処理することにより調製された、処理されたバイオマス原料を、微生物を用いて産物に変換する工程を含む、バイオマス原料の分子構造を変化させる方法であって、
処理が電子線を照射する工程を少なくとも含み、電子線を照射する工程は、電子線以外の輻射線の照射、音波処理、熱分解、および酸化からなる群より選択される処理と組み合わされてもよい、前記方法。 - バイオマス原料が0.35g/cm3未満の嵩密度を有する、請求項1記載の方法。
- 初期原料の嵩密度を低減するように初期原料を物理的に処理することによってバイオマス原料を調製する工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
- 初期原料が、調製する前に、0.7g/cm3よりも大きい嵩密度を有する、請求項3記載の方法。
- 初期原料を物理的に処理することが剪断する工程を含む、請求項3記載の方法。
- 調製が石材粉砕、機械的剥取または引裂、ピン研削、または空気摩擦粉砕によって初期原料のサイズを低減する工程を含む、請求項3記載の方法。
- バイオマス原料がセルロースまたはリグノセルロース材料を含む、請求項1記載の方法。
- 処理がバイオマス原料の分子量を低減するために選択された条件下で行われる、請求項1記載の方法。
- バイオマス原料が0.25m2/gを上回るBET表面積を有する、請求項1記載の方法。
- バイオマス原料が5より大きいかまたは5である長さ対直径比を有する、請求項1記載の方法。
- 前記電子線は、電離放射線が少なくとも50 kGyの総線量で適用される、請求項1記載の方法。
- 変換が発酵を含む、請求項1記載の方法。
- 処理が、バイオマス原料の平均分子量および平均結晶化度の一方もしくは双方を減少させる、またはバイオマス原料の表面積および多孔度の一方もしくは双方を増加させるように選択された条件下で行われる、請求項1記載の方法。
- バイオマス原料が紙、紙産物、紙廃棄物、木材、パーティクルボード、おがくず、汚水、サイレージ、草、もみ殻、バガス、綿、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、マニラ麻、ワラ、トウモロコシ穂軸、トウモロコシ茎葉、スイッチグラス、アルファルファ、干し草、ヤシ毛、海草、海藻、およびそれらの混合物からなる群より選択される、請求項1記載の方法。
- 産物が可燃性燃料を含む、請求項1記載の方法。
- バイオマス原料が内部繊維を有し、かつ該バイオマス原料がその内部繊維が露出する程度まで剪断されている、請求項5記載の方法。
- バイオマス原料が70%を上回る多孔度を有する、請求項1記載の方法。
- 処理されたバイオマス原料を酵素的加水分解に供する工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
- バイオマス原料が農業廃棄物を含む、請求項1記載の方法。
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