図面 (/)

この項目の情報は公開日時点(2019年5月16日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題

バイオマスを加工して、有用な中間体および生成物、例えばエネルギー燃料食品または材料を生成する方法の提供。

解決手段

バイオマス、例えばセルロース材料および/またはリグノセルロース材料などの原料を処理するのに用いられ得る設備、システムおよび方法が、記載される。例えば擬似移動床クロマトグラフィー、改善された擬似移動床式クロマトグラフィー、連続擬似移動床式クロマトグラフィーおよび/または関連のシステムなどの擬似移動床式システムを利用して望ましくない成分を除去することにより、工程流れを上質化させることができる。

概要

背景

発明の背景
例を挙げると農業残渣、木質バイオマス自治体廃棄物、油料種子粕類および海藻など、多くの潜在的リグノセルロース系原料が、今日は入手可能である。現在、これらの材料の多くは、十分に活用されておらず、例えば動物飼料バイオコンポスト材料として用いられるか、コジェネレーション施設焼却されるか、または埋め立てられることさえある。

リグノセルロース系バイオマスは、ヘミセルロースマトリックス包埋され、リグニンに包囲された結晶セルロース原繊維を含む。これが、酵素、ならびに他の化学的生化学的および/または生物学的工程による接近が困難な緻密なマトリックスを生成する。セルロース系バイオマス材料(例えば、リグニンが除去されたバイオマス材料)は、酵素および他の変換工程により利用し易いが、それでも天然由来セルロース材料は多くの場合、加水分解酵素と接触させると、低い収率となる(理論収率と比較)。リグノセルロース系バイオマスは、酵素の攻撃に対してより難分解性である。さらにリグノセルロース系バイオマスの各タイプは、それぞれに特有セルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの組成を有する。

概要

バイオマスを加工して、有用な中間体および生成物、例えばエネルギー燃料食品または材料を生成する方法の提供。バイオマス、例えばセルロース材料および/またはリグノセルロース材料などの原料を処理するのに用いられ得る設備、システムおよび方法が、記載される。例えば擬似移動床クロマトグラフィー、改善された擬似移動床式クロマトグラフィー、連続擬似移動床式クロマトグラフィーおよび/または関連のシステムなどの擬似移動床式システムを利用して望ましくない成分を除去することにより、工程流れを上質化させることができる。

目的

SMBは、大きな単一のカラムを得ること、操作すること、および維持することに関連するコストを生じずに、本質的に「無限の」カラムベッド長を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

工程流れを上質化させる方法であって、擬似移動床クロマトグラフィーシステムを利用して、糖化バイオマス液から望ましくない成分を除去することを含む、方法。

請求項2

前記糖化バイオマス液が、糖化された難分解性低下セルロース材料またはリグノセルロース材料から得られる、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記セルロース材料またはリグノセルロース材料が、電離放射線での処理により難分解性を低下されている、請求項2に記載の方法。

請求項4

前記電離放射線が、加速電子の形態である、請求項3に記載の方法。

請求項5

前記セルロース材料またはリグノセルロース材料が、1種以上の酵素を利用して糖化されている、請求項2〜4のいずれか1項に記載の方法。

請求項6

前記セルロース材料またはリグノセルロース材料が、1種以上の酸を利用して糖化されている、請求項2〜5のいずれか1項に記載の方法。

請求項7

前記酸が、硫酸である、請求項6に記載の方法。

請求項8

前記望ましくない成分が、着色体可溶性リグニン断片、イオン性化合物またはそれらの混合物からなる群から選択される、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。

請求項9

前記糖化バイオマス液が、1種以上の単糖類複数可)を含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。

請求項10

前記1種以上の単糖類(複数可)が、グルコースキシロースアラビノースおよびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項9に記載の方法。

請求項11

前記1種以上の単糖類(複数可)が、約50g/L〜約500g/Lの総濃度で存在する、請求項9または10に記載の方法。

請求項12

前記1種以上の単糖類(複数可)が、約100g/L〜約400g/Lの総濃度で存在する、請求項9または10に記載の方法。

請求項13

前記1種以上の単糖類(複数可)が、約150g/L〜約350g/Lの総濃度で存在する、請求項9または10に記載の方法。

請求項14

前記糖化バイオマス液が、第一の濃度で前記擬似移動床式クロマトグラフィーシステムに進入し、前記液が前記第一の濃度の約0.1〜約0.90倍である第二の濃度で前記擬似移動床式クロマトグラフィーシステムを出る、請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法。

請求項15

前記糖化バイオマス液が、約1%未満の懸濁固体を含む、請求項1〜14のいずれか1項に記載の方法。

請求項16

前記糖化バイオマス液が、約0.1%未満の懸濁固体を含む、請求項1〜15のいずれか1項に記載の方法。

請求項17

前記糖化バイオマス液が、約0.05ミクロン〜約50ミクロンの範囲内の粒径を有する懸濁固体を含む、請求項1〜16のいずれか1項に記載の方法。

請求項18

前記擬似移動床式クロマトグラフィーシステムを利用して望ましくない成分を除去する前に、前記糖化バイオマス液を、クロマトグラフィー濾過遠心分離沈殿蒸留錯化脱イオン化およびそれらの組合せからなる群から選択される方法により処理することをさらに含む、請求項1〜17のいずれか1項に記載の方法。

請求項19

前記糖化バイオマス液が、1種以上の糖類および1種以上の発酵生成物を含む、請求項1〜18のいずれか1項に記載の方法。

請求項20

前記発酵生成物が、アルコールである、請求項19に記載の方法。

請求項21

前記アルコールが、エタノールである、請求項20に記載の方法。

請求項22

前記1種以上の糖類が、キシロースを含む、請求項19〜21のいずれか1項に記載の方法。

請求項23

前記1種以上の発酵生成物が、蒸留により単離される、請求項19〜22のいずれか1項に記載の方法。

請求項24

前記擬似移動床式クロマトグラフィーシステムを利用する前に、前記糖化バイオマス液を脱色剤で脱色することをさらに含み、前記脱色剤が、粉末状炭素顆粒状炭素押出された炭、骨炭ビーズ状活性炭スチレン系樹脂アクリル系樹脂磁性樹脂、脱色粘土ベントナイトアタパルガイト、モンモリナイト、ホルマイトおよびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項1〜23のいずれか1項に記載の方法。

請求項25

脱色後に、前記溶液の色が、プラチナコバルト法による測定で約100未満になる、請求項24に記載の方法。

請求項26

前記擬似移動床式クロマトグラフィーシステムが、前記糖化バイオマス液を1つ以上のカラム充填された1種以上の樹脂と接触させて、前記望ましくない成分を除去することを可能にする、請求項1〜25のいずれかに記載の方法。

請求項27

前記1種以上の樹脂が、ポリスチレン系樹脂を含む、請求項26に記載の方法。

請求項28

前記1種以上の樹脂が、Al3+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Li+、Na+、K+、Rb+およびそれらの組合せからなる群から選択されるペンダント陽イオンを含む、請求項26または27に記載の方法。

請求項29

前記1種以上の樹脂が、スルホナート基スルホン酸基エステル基およびそれらの組合せからなる群から選択されるペンダント官能基を含む、請求項26〜28のいずれか1項に記載の方法。

請求項30

前記1種以上の樹脂が、架橋された樹脂である、請求項26〜29のいずれか1項に記載の方法。

請求項31

前記1種以上の樹脂が、実質的に球形であり、前記樹脂が、約100ミクロン〜約500ミクロンの粒径を有する、請求項26〜30のいずれか1項に記載の方法。

請求項32

前記1種以上の樹脂が、約1g/cc〜約1.75g/ccの密度を有する、請求項26〜31のいずれか1項に記載の方法。

請求項33

前記1種以上の樹脂が、約1.0meq/mLを超えるイオン交換能を有する、請求項26〜32のいずれか1項に記載の方法。

技術分野

0001

関連出願の相互参照
本出願は、以下の仮特許出願の優先権を主張するものである:2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,684号;2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,773号;2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,731号;2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,735号;2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,740号;2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,744号;2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,746号;2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,750号;2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,752号;2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,754号;2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,775号;2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,780号;2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,761号;2013年3月8日出願の米国特許出願第61/774,723号;および2013年3月15日出願の米国特許出願第61/793,336号。これらの仮特許出願それぞれの開示全体は、参照により本明細書に組み入れられる。

背景技術

0002

発明の背景
例を挙げると農業残渣、木質バイオマス自治体廃棄物、油料種子粕類および海藻など、多くの潜在的リグノセルロース系原料が、今日は入手可能である。現在、これらの材料の多くは、十分に活用されておらず、例えば動物飼料バイオコンポスト材料として用いられるか、コジェネレーション施設焼却されるか、または埋め立てられることさえある。

0003

リグノセルロース系バイオマスは、ヘミセルロースマトリックス包埋され、リグニンに包囲された結晶セルロース原繊維を含む。これが、酵素、ならびに他の化学的生化学的および/または生物学的工程による接近が困難な緻密なマトリックスを生成する。セルロース系バイオマス材料(例えば、リグニンが除去されたバイオマス材料)は、酵素および他の変換工程により利用し易いが、それでも天然由来セルロース材料は多くの場合、加水分解酵素と接触させると、低い収率となる(理論収率と比較)。リグノセルロース系バイオマスは、酵素の攻撃に対してより難分解性である。さらにリグノセルロース系バイオマスの各タイプは、それぞれに特有セルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの組成を有する。

発明が解決しようとする課題

0004

概要
本発明は、糖化バイオマス材料から得られた生成物を生成および精製するために用いられる方法および加工設備に関する。一般に該方法は、例えば電子ビームを用いて、難分解性バイオマスを処理すること、そしてその後、難分解性を低下させた材料を糖、例えばキシロースおよびグルコースおよび/または他の生成物、例えばアルコール、例えばエタノールもしくはブタノール糖アルコール、例えばキシリトール、D−乳酸L−乳酸コハク酸もしくはピルビン酸の混合物に生化学的および/または化学的に加工することを含む。該方法は、様々な生成物、例えば糖を他の成分から分離することが可能な樹脂を含有する複数のカラム(例えば、直列)を利用する擬似移動床クロマトグラフィーシステムSMB)(例えば、擬似移動床式クロマトグラフィー、改善された擬似移動床式クロマトグラフィー、連続擬似移動床式クロマトグラフィーおよび/または関連のシステム)を利用して糖化および/または発酵バイオマスから糖または他の生成物を分離することにより、工程流れを上質化させる、または改善することを含む。工程流れ、例えば糖溶液を擬似移動床式システムに供する前に、バイオマス液を処理して、原料の加工時に発生することの多い他の不適当な成分(例えば、不純物)および色素(例えば、着色不純物着色体)を除去することもできる。

課題を解決するための手段

0005

一態様において、本発明は、擬似移動床式クロマトグラフィーシステム(例えば、擬似移動床式クロマトグラフィー、改善された擬似移動床式クロマトグラフィー、連続擬似移動床式クロマトグラフィーおよび/または関連のシステム)を利用してバイオマス液から望ましくない成分を除去することを含む工程流れを上質化させる方法に関する。例えば望ましくない成分としては、着色体、可溶性リグニン断片、イオン性化合物およびこれらの混合物からなる群の成分を挙げることができる。場合により糖化バイオマス液は、電離放射線(例えば、加速電子の形態)の照射による材料の処理により難分解性を低下させるなどで、難分解性を低下させたリグノセルロースまたはセルロール材料から得ることができる。場合によりバイオマスは、1種以上の酵素および/または1種以上の酸(例えば、硫酸)を用いて糖化されている。バイオマス液としては、例えば糖化バイオマから得られた糖溶液および、例えば入手された糖のうちの1種以上を消費するために発酵された、発酵糖溶液が挙げられる。

0006

幾つかの実行において、糖化バイオマス液は、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)を構成する1種以上の糖類および/または単糖類、例えばグルコース、キシロース、アラビノースおよびこれらの混合物からなる群から選択される単糖類が挙げられる。場合により1種以上の単糖類は、約50g/L〜約500g/L、例えば約100g/L〜約400g/L、約150g/L〜約350g/L、または約175g/L〜約275g/Lの総濃度で存在する。加えて本発明は、バイオマス液を第一の濃度で擬似移動床式クロマトグラフィーシステム(例えば、擬似移動床式クロマトグラフィー、改善された擬似移動床式クロマトグラフィー、連続擬似移動床式クロマトグラフィーおよび/または関連のシステム)に進入し、進入濃度の約0.1〜0.90倍(例えば、約0.25〜約0.8、約0.3〜約0.7、または約0.40〜約0.65)である第二の濃度で擬似移動床式クロマトグラフィーを出る(例えば、除去された望ましくない成分と共に)方法を含むことができる。別の言い方をすれば、成分の少なくとも1つが、SMBシステムに入る濃度の0.1〜約0.9倍の濃度でSMBシステムを出る、例えば液体の少なくとも1つの成分の初期濃度が100g/mLであれば、最終濃度は約10〜90g/Lになり得る。

0007

幾つかの実行において、糖化バイオマス液は、約1%未満、例えば約0.75%未満、約0.5%未満、約0.4%未満、約0.3%未満、約0.25%未満、約0.20%未満、約0.15%未満、約0.10%未満、約0.05%未満、約0.025%未満、さらには約0.010%未満の懸濁固体を含む。加えて、または独立して、任意の懸濁固体は、約0.05ミクロン〜約50ミクロン、例えば約0.1ミクロン〜約25ミクロン、約0.2ミクロン〜約10ミクロン、約0.22ミクロン〜約5ミクロンまたは約0.25ミクロン〜約1ミクロンの粒径範囲を有し得る。

0008

別の実行において、擬似移動床式クロマトグラフィーシステム(例えば、擬似移動床式クロマトグラフィー、改善された擬似移動床式クロマトグラフィー、連続擬似移動床式クロマトグラフィーおよび/または関連のシステム)を利用して望ましくない成分を除去する前に、糖化バイオマス液を、クロマトグラフィー、濾過遠心分離沈殿蒸留錯化脱イオン化およびこれらの方法の組合せからなる群から選択される精製方法により処理することができる。

0009

幾つかの実施形態において、糖化バイオマス液は、1種以上の糖類および1種以上の発酵生成物、例えばアルコール、例えばエタノールを含む。場合により1種以上の糖類は、キシロースを包含し、1種以上の発酵生成物は、エタノールを包含する。場合により1種以上の発酵生成物は、蒸留により単離される。

0010

幾つかの実行において、該方法は、擬似移動床式クロマトグラフィーシステム(例えば、擬似移動床式クロマトグラフィー、改善された擬似移動床式クロマトグラフィー、連続擬似移動床式クロマトグラフィーおよび/または関連のシステム)を利用する前に、糖化バイオマス液を脱色剤で脱色することをさらに含む。例えば脱色剤は、粉末状炭素顆粒状炭素押出された炭、骨炭ビーズ状活性炭スチレン系樹脂アクリル系樹脂磁性樹脂、脱色粘土ベントナイトアタパルガイト、モンモリナイト、ホルマイトおよびこれらの組合せからなる群から選択することができる。場合により脱色の後、溶液は、プラチナコバルト法による測定で約100未満、例えば約50未満、約40未満、約30未満、約20未満、約10未満、約5未満、さらには約1未満の色を有し得る。

0011

更に別の実行において、擬似移動床式クロマトグラフィーシステム(例えば、擬似移動床式クロマトグラフィー、改善された擬似移動床式クロマトグラフィー、連続擬似移動床式クロマトグラフィーおよび/または関連のシステム)のシステムにより、糖化バイオマス液を、1つ以上のカラムに充填された1種以上の樹脂と接触させて、望ましくない成分を除去することができる。例えば樹脂は、ポリスチレン系樹脂を含むことができる。代わりまたは追加として、1種以上の樹脂が、Al3+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Li+、Na+、K+、Rb+およびこれらの組合せからなる群から選択されるペンダント陽イオンをさらに含むことができる。場合により1種以上の樹脂は、スルホナート基スルホン酸基エステル基およびこれらの組合せからなる群から選択されるペンダント官能基を含む。場合により1種以上の樹脂は、ジビニルベンゼンなどのジビニル化合物1種以上による架橋など、架橋された樹脂である。場合により1種以上の樹脂は、実質的に球形であってもよく、樹脂は、約100ミクロン〜約500ミクロン、例えば約150ミクロン〜約400ミクロン、約200ミクロン〜約350ミクロンの粒径を有することができる。場合により1種以上の樹脂は、約1g/cc〜約1.75g/cc、例えば約1.1g/cc〜約1.4g/ccまたは約1.2g/cc〜約1.35g/ccの密度を有することができる。1種以上の樹脂は、約1.0meq/mLを超える、例えば約1.1meq/mLを超える、約1.2meq/mLを超える、約1.3meq/mLを超える、約1.4meq/mLを超える、約1.6meq/mLを超える、約1.75meq/mLを超える、約2meq/mLを超える、さらには約2.3meq/mLを超える、イオン交換能を有することができる。

0012

バイオマスから得られた糖溶液を精製すれば、例えば食品医薬または化学の業界で、利用され得るより貴重な生成物がもたらされる。例えば望ましくない成分を含まない糖を、ヒトおよび動物の消費に向けた食品供給源として利用することができる。糖は、技術的に重要な発酵のための炭水化物供給源として利用することもできる。あるいはこれらの糖を他の生成物、例えば開示全体が参照により本明細書に組み入れられる2013年3月7日出願の米国特許出願第13/934,704号に記載されるポリオールおよびフルフラルに変換することができる。

0013

本発明の実行は、場合により以下に要約された特色の1つ以上を含むことができる。幾つかの実行において、選択された特色は、いずれの順序で適用または活用することができ、他の実行においては、特別な選択された順番が適用または活用される。個々の特色を、いずれかの順番で連続的に1回を超えて適用または活用することができる。加えて、適用または活用される特色の全体的な順番、または順番の一部を、一回、繰り返し、または連続していずれかの順序で適用または活用することができる。幾つかの選択的実行において、特色は、当業者に決定される、異なる、または適宜同一の、設定された、または変動する、定量的または定性パラメータを提供または利用することができる。例えばサイズ、個々の寸法(例えば、長さ、幅、高さ)、使用場所、使用の程度(例えば、難分解性などの程度)、使用期間、使用頻度、密度、濃度、強度および速度は、適宜、当業者に決定される通り、変動しても、または設定されていてもよい。

0014

例えば特色は、工程流れを上質化させる方法;糖化バイオマス液から望ましくない成分を除去すること、擬似移動床式クロマトグラフィーシステムを利用すること;糖化バイオマス液が糖化された難分解性低下セルロースまたはリグノセルロース材料から得られること;セルロースまたはリグノセルロース材料が電離放射線での処理により難分解性を低下されていること;セルロースまたはリグノセルロース材料が加速電子での処理により難分解性を低下されていること;セルロースまたはリグノセルロース材料が1種以上の酵素を利用して糖化されていること;セルロースまたはリグノセルロース材料が1種以上の酸を利用して糖化されていること;セルロースまたはリグノセルロース材料が硫酸を利用して糖化されていること;糖化バイオマス液中の望ましくない成分が着色体を含むこと;糖化バイオマス液中の望ましくない成分が可溶性リグニン断片を含むこと;糖化バイオマス液中の望ましくない成分がイオン性化合物を含むこと;糖化バイオマス液が1種以上の単糖類を含むこと;糖化バイオマス液がグルコースを含むこと;糖化バイオマス液がキシロースを含むこと;糖化バイオマス液がアラビノースを含むこと;糖化バイオマス液が約50g/L〜約500g/Lの総濃度で存在する1種以上の単糖類(複数可)を含むこと;糖化バイオマス液が約100g/L〜約400g/Lの総濃度で存在する1種以上の単糖類(複数可)を含むこと;糖化バイオマス液が約150g/L〜約350g/Lの総濃度で存在する1種以上の単糖類(複数可)を含むこと;糖化バイオマス液が第一の濃度で擬似移動床式クロマトグラフィーシステムに進入し、該液が第一の濃度の約0.1〜約0.90倍である第二の濃度で擬似移動床式クロマトグラフィーシステムを出ること;糖化バイオマス液が約1%未満の懸濁固体を含むこと;糖化バイオマス液が約0.1%未満の懸濁固体を含むこと;糖化バイオマス液が約0.05ミクロン〜約50ミクロンの範囲内の粒径を有する懸濁固体を含むこと;糖化バイオマス液が擬似移動床式クロマトグラフィーシステムを利用して望ましくない成分を除去する前にクロマトグラフィーを含む方法により上質化されること;糖化バイオマス液が擬似移動床式クロマトグラフィーシステムを利用して望ましくない成分を除去する前に濾過を含む方法により上質化されること;糖化バイオマス液が遠心分離を含む方法により上質化されること;糖化バイオマス液が沈殿を含む方法により上質化されること;糖化バイオマス液が蒸留を含む方法により上質化されること;糖化バイオマス液が錯化を含む方法により上質化されること;糖化バイオマス液が脱イオン化を含む方法により上質化されること;糖化バイオマス液が1種以上の糖類および1種以上の発酵生成物を含むこと;糖化バイオマス液が1種以上の糖類および発酵生成物である1種以上のアルコールを含むこと;糖化バイオマス液が1種以上の糖類および発酵生成物であるエタノールを含むこと;キシロースおよび1種以上の発酵生成物を含む糖化バイオマス液;1種以上の糖類および1種以上の発酵生成物を含む糖化バイオマス液であり、発酵生成物が蒸留により単離されること;糖化バイオマス液を脱色剤で脱色すること;粉末状炭素を利用して糖化バイオマス液を脱色すること;顆粒状炭素を利用して糖化バイオマス液を脱色すること;押出された炭を利用して糖化バイオマス液を脱色すること;骨炭を利用して糖化バイオマス液を脱色すること;ビーズ状活性炭を利用して糖化バイオマス液を脱色すること;スチレン系樹脂を利用して糖化バイオマス液を脱色すること;アクリル系樹脂を利用して糖化バイオマス液を脱色すること;磁性樹脂を利用して糖化バイオマス液を脱色すること;脱色粘土を利用して糖化バイオマス液を脱色すること;ベントナイトを利用して糖化バイオマス液を脱色すること;アタパルガイトを利用して糖化バイオマス液を脱色すること;モンモリナイトを利用して糖化バイオマス液を脱色すること;ホルマイトを利用して糖化バイオマス液を脱色すること;溶液の色がプラチナ−コバルト法による測定で約100未満になるように脱色剤を利用して糖化バイオマス液を脱色すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填された1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填された1種以上のポリスチレン系樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填されたペンダントAl3+イオンを有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填されたペンダントMg2+イオンを有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填されたペンダントCa2+イオンを有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填されたペンダントSr2+イオンを有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填されたペンダントLi1+イオンを有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填されたペンダントNa1+イオンを有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填されたペンダントK1+イオンを有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填されたペンダントRb1+イオンを有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填されたペンダントスルホナート基を有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填されたペンダントスルホン酸基を有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填されたペンダントエステル基を有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填された1種以上の架橋樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填された実質的に球形で約100ミクロン〜約500ミクロンの粒径を有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填された約1g/cc〜約1.75g/ccの密度を有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること;糖化バイオマス液を1つ以上のカラムに充填された約1meq/mLを超えるイオン交換能を有する1種以上の樹脂と接触させて望ましくない成分を除去すること、を含む。

0015

本発明の他の特色および利点は、以下の詳細な説明および特許請求の範囲から明白となろう。

図面の簡単な説明

0016

例示的な擬似移動床式システム(SMB)の図式による概要である。
糖化材料を精製するための工程を示す流れ図である。
発酵溶液を精製するための工程を示す流れ図である。

実施例

0017

詳細な説明
本明細書に記載された方法およびシステムを利用して、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、および自治体廃棄物バイオマス)から供給される可能性があり、多くは即座に入手されるが加工が困難である、セルロース原料および/またはリグノセルロース原料を、キシロースおよびグルコースなどの糖を含有する溶液に変換することが可能であり、場合により他の有用な生成物(例えば、エタノールおよびブタノールなどのアルコール)に更に加工することが可能である。擬似移動床式クロマトグラフィー(SMB)(例えば、擬似移動床式クロマトグラフィー、改善された擬似移動床式クロマトグラフィー、連続擬似移動床式クロマトグラフィーおよび/または関連のシステム)を利用することにより所望の糖溶液から不純物または望ましくない成分を除去するための方法およびシステムが、含まれる。例えば直列のクロマトグラフィーカラムを使用するシステム。

0018

糖溶液およびそれから得られる生成物を製造する工程が、本明細書に記載される。これらの工程は、例えばセルロース原料および/またはリグノセルロース原料を場合により機械的に処理することを含んでいてもよい。この処理の前および/または後に、原料を別の処理、例えば照射、水蒸気爆発熱分解音波処理および/または酸化で処理して、難分解性を低下させる、または更に低下させることができる。追加または代わりとして、バイオマスを酸(H2SO4、HCL、H3PO4)、塩基(KOH)、酸化剤およびこれらの組合せなどの化学溶液で処理することができる。化学溶液での処理および物理的処理は、個々の処理をいずれかの順序で組合せることができ、場合により繰り返し適用することができる。

0019

処理された(例えば、照射された)バイオマス原料を、1種以上の酵素および/または1種以上の酸、例えば硫酸(例えば、1〜10重量%、1〜5重量%もしくはそれを超える、例えば10〜20重量%、または幾つかの実施形態において、10重量%未満)の添加で糖化することにより、糖が高濃度である溶液を生成することができる。幾つかの他の生成物を、例えばエタノールなどのアルコールへの発酵により、またはキシリトール、ソルビトールなどの糖アルコールへの還元により、糖溶液から得ることができる。発酵の生成物は、任意の発酵されていない糖を含む糖溶液(例えば、第二の糖溶液、発酵された糖溶液)を含むことができる。幾つかの実施形態において、糖化材料は、発酵され、その後発酵生成物(例えば、アルコール、酸)を、蒸留(例えば、真空蒸留)または他の手段(例えば、樹脂での抽出)により精製して、少なくとも1種の非発酵糖が高濃度である溶液を含む蒸留残渣を生成することができる。例えば糖化材料は、グルコースをエタノールに選択的に発酵させる生物体で処理することができ、エタノールは、留去して、少なくとも約400g/L、例えば約10、50、75、100、125、150、175、200、250、325、または375g/Lのキシロース、および1〜80%、例えば1〜10%、10〜20%、20〜30%、30〜40%、40〜50%、50〜60%、60〜70%、70〜80%、5〜25%、25〜50%、50〜75%の溶解された固体を含む蒸留残渣を生成することができる。

0020

糖化および場合により更に加工された(例えば、発酵および/または蒸留された)セルロース材料またはリグノセルロース材料は、1種以上の単糖類、例えばグルコース、キシロースおよびアラビノースを含む溶液を生成することができる。糖化および/または発酵されたセルロース系またはリグノセルロース系バイオマス液中のこれらの単糖類の総濃度は、約50g/L〜約500g/L(例えば、約100g/L〜400g/L、約150g/L〜350g/L、または約175g/L〜275g/Lであってもよい。これらの濃度範囲は、溶液の濃縮もしくは希釈濃度であってもよく、そして/またはこれらの溶液は、本明細書に記載された任意の加工の前、加工時もしくは加工後に(例えば、SMBでの加工の前、加工時または加工後に)、更に濃縮もしくは希釈することができる。例えば溶液は、元の容量の約0.10〜50倍(例えば、約0.1〜20倍、約0.1〜10倍、約0.10〜8倍、約0.25〜約8倍、約0.3〜約7倍、約0.4〜約6.5倍、約0.10〜5倍、約0.15〜3倍、約0.1〜2.5倍、約0.10〜1倍)希釈することができ、例えば元の容量が100Lであり、その溶液が0.4倍希釈される場合、最終溶液は140Lになる。溶液は、元の容量の約0.1〜0.9倍(例えば、約0.1〜0.75倍、約0.1〜0.5倍、約0.1〜0.25)濃縮することができ、例えば元の容量が100Lであり、それが0.4倍濃縮される場合、最終溶液は60Lになる。

0021

糖化および任意選択の他の加工(例えば、発酵および/または蒸留)の後、糖溶液は、約50重量%以下の、例えば約1〜50重量%、約2〜40重量%、約3〜25重量%、約5〜25重量%、約40〜50重量%、約30〜40重量%、約10〜20重量%、約1〜5重量%、約10〜40重量%、約50重量%未満、約40重量%未満、約30重量%未満、約20重量%未満、約10重量%未満、約5重量%未満、約1重量%未満、約0.5重量%未満、約0.01重量%未満の濃度で存在する、糖でない懸濁または溶解固体を含むことができる。これらの溶液は、例えば少なくとも約5比濁計濁度単位(NTU)(例えば、少なくとも約10NTU、少なくとも約50NTU、少なくとも約100NTU、少なくとも約200NTU、少なくとも約300NTU、少なくとも約400NTU、さらには約500NTUを超える)であると測定された、高い濁度を有することができる。多くの場合、未溶解固体と、溶解された固体の一部を除去することが望ましい。未溶解固体(例えば、残渣)は、濾過(例えば、ロータリー真空ドラム式濾過)および遠心分離(例えば、連続遠心分離)により除去することができる。溶解された不純物の一部は、メタノール、エタノール、イソプロパノールアセトンエチルエーテルおよびテトラヒドロフランなどの溶媒で溶液を処理することにより沈殿させてもよく、その後、沈殿物を濾過または遠心分離により除去することができる。加えて、糖溶液は、例えば約10重量%以下(例えば、約9重量%以下、約8重量%以下、約5重量%以下、約2重量%以下、約1重量%以下、約0.1量%〜5重量%、約1量%〜5重量%、約2量%〜5重量%、約0.1量%〜1重量%、約0.01量%〜1重量%、約0.001量%〜0.1重量%)の酵素を有することができる。酵素(例えば、酵素の一部、タンパク質)は、変性(例えば、酸、塩基の添加、加熱および/または溶媒添加による)により沈殿させることができる。二酸化炭素および水酸化カルシウムでの処理(例えば、過剰石灰処理)もまた、不適切化合物、例えばリグニン由来の生成物/不純物および酵素およびタンパク質を沈殿させるのに効果的になり得る。

0022

好ましくはSMBにより加工された溶液は、約1%未満(例えば、約0.75%未満、約0.5%未満、約0.4%未満、約0.3%未満、約0.2%未満、約0.15%未満、約0.1%未満、約0.05%未満、約0.025%未満、さらには約0.010%未満、約0.01〜0.1%、約0.01〜0.75%、約0.01〜0.5%、約0.01〜0.25%、約0.01〜0.05%)の懸濁固体を有する。懸濁固体(例えば、粒子および凝集体)の粒径および形態もまた、非常に様々であり得る。例えば平均粒径(例えば、光散乱により決定される)は、約0.05〜50ミクロン(例えば、約0.1〜25ミクロン、0.2〜10ミクロン、0.22〜5ミクロン、0.25〜1ミクロン)になり得る。固体を除去した後、溶液は、約50NTU未満(例えば、約10NTU未満、約5NTU未満)の濁度を有していてもよい。

0023

構成する不適切な成分に加えて、本明細書に記載されたバイオマス加工(例えば、糖化、発酵および/または蒸留)から生成された有機および無機由来成分の一部は、最終生成物に望ましくない着色を付与し得る着色体を含む可能性がある。有機不純物分子量および官能基は、例えばカルボキシラート基、エステル基、ケトン基不飽和脂肪族基フェノール基アミド基アミン基ヒドロキシル基および/または芳香族基(例えば、芳香族発色団)をはじめとし、非常に様々であり得る。着色不純物としては、リグニンおよびリグニン由来生成物、例えばポリフェノールフェノールフェノール誘導体芳香族化合物、可溶性リグニン断片および不溶性リグニン断片を挙げることができる。他の着色不純物は、バイオマスの多糖部分から得られる。一部の色素は、着色無機材料(例えば、鉄)に関連する可能性もある。糖業界において、生じる色素を、少なくとも4つの群:カラメル色、類メラニンメイラード反応生成物、およびフェノール系生成物、に分類した。多くの場合、着色不純物の量は、極めて少量であり、例えば生成物の約10重量%未満(例えば、約5重量%未満、約1重量%未満、約0.1重量%未満、約0.01重量%未満)である。溶液は、本明細書に記載されたSMBシステムに直接使用することができ、またはSMBシステムで用いられる前に部分的もしくは完全に脱色させることができる。例えば着色不純物は、溶液から濾別すること、破壊すること(例えば、化学分解)、および/または溶液から沈殿させることができる。用いられ得る幾つかの可能な色素除去剤は、粉末炭素、顆粒状炭素、押出された炭、骨炭またはビーズ状活性炭またはカーボンブラック;スチレン系樹脂(例えば、DOWEX(商標)SD−2)、アクリル系または磁性樹脂および脱色粘土、例えばベントナイト、アタパルガイト、モンモリナイト、ホルマイトおよびこれらの組合せである。イオンは、一般には有機不純物を除去した後に、除去することができる。イオン性化合物は、例えばイオン交換樹脂および/または電気透析を利用することにより、除去することができる。溶液をこれらの色素除去剤により、そして場合によりまたは代わりにSMBを利用して処理した後、溶液の色素は、プラチナ−コバルト法(ASTMTest Method D1209)による測定で約200未満(例えば、100未満、50未満、約40未満、約30未満、約20未満、約10未満、約5未満、さらには約1未満)になる。SMBは、糖溶液から有機物由来の着色体を除去するのにも、先の方法と組合せて、またはその代わりとして、特に効果的になり得る。

0024

SMBは、図1に示された固体(固定相)の一定の流れに対して向流移動する液体(移動相)の流れに基づくクロマトグラフィー技術である。向流は、分離能力を高め、つまりその工程をより効率的にする。それは、分離される供給材料連続流動を可能にして、伝統的なバッチクロマトグラフィーに比較し、設備処理能力を改善する。固体の一定の流れを提供することは、製造工程において非実用的である。それゆえ代わりに固体が、高圧カラムに充填される。図1に示された通り、これらのカラムは、順序通り、例えば環状形態に配列され、1区分あたりに1つ以上のカラムを含む4つの区分で構成される。2つの入口流れ(供給物および溶離液)および2つの出口流れ(抽出物および抽残液)が、カラムリングに、そしてカラムリングから交互の順序に流れる。カラムは、容易に移動しないため、入口および出口の位置は、規則時間間隔液体流れの方向に切り替わり、こうしてカラムの向流移動が模擬される。区分IIおよびIIIの流速は、そこが分離が起こる箇所であるため重要である。区分IおよびIVは、生成物の「浄化」を取り扱う。区分IVを出た移動相は、区分Iに直接再循環される。より多くの保持された化合物を高速で放出することにより、固体がそこで再生されて、カラム全体が区分IVに「移動」し得る。

0025

固定相は、図1のカラム1〜8として表された個々のカラムに配設されている(例えば、充填されている)。カラムは、直列に連結されており、固定相は、不純物から糖溶液を分離することが可能な樹脂を含む。一般に、架橋された(例えば、ジビニルベンゼンで)強酸性陽イオン交換樹脂(SAC樹脂)は、ビーズの形態で利用される。これらの樹脂は、プロトンが完全にまたは部分的に陽イオンで交換されたスルホン酸官能基を含むため、樹脂はペンダント陽イオンを含む。幾つかの陽イオンとしては、例えばLi+、Na+、K+、Cs+、Rb+、Ca2+、Mg2+、Sr2+、Al3+またはこれらの組合せが挙げられる。樹脂は、1.0meq/mL(例えば、約1.1meq/mLを超える、約1.2meq/mLを超える、約1.3meq/mLを超える、約1.4meq/mLを超える、約1.6meq/mLを超える、約1.74meq/mLを超える、約2meq/mLを超える、さらには約2.3meq/mLを超えるイオン交換能を有し得る。ビーズは、例えば樹脂により画定された狭い溝および孔の中に水素結合された水と自由水とを有するゲルであってもよい。水の量は、約20〜80%(例えば、約30〜70%、約40〜70%、約30〜60%、約40〜60%、約57〜67%、約35〜45%、約43〜50%、約57〜67%、約32〜42%、約58〜68%、約52〜58%、約46〜52%、約37〜43%、約53〜59%、約45〜52%、約45〜55%、約43〜50%)であってもよい。糖は、狭い溝および孔に進入することができ(例えば、これらの孔および溝の中の水に溶解または拡散することができ)、陽イオンに結合することができる(リガンドライゲートすることができる)。結合の度合いは、糖の構造に依存し得る。例えばグルコースおよびキシロースは、一般にはフルクトースよりも強くカルシウムに結合し、それゆえグルコースおよびキシロースは、カルシウム交換SAC樹脂によってより強く保持される。より大きな分子、例えばオリゴマーおよびポリマー(例えば、これまで議論された不純物の一部および二糖類三糖類オリゴ糖類多糖類)は、一般に、樹脂ビーズの小さな孔および溝から排除され、それゆえ固定相を通してかなり急速に溶出する。

0026

一部の樹脂およびその使用は、その開示全体が本明細書に組み入れられる、付録に記載されている。例えば本明細書に記載された設備、システムおよび工程において用いられ得る樹脂としては、DIAION(商標)SK1B、DIAION(商標) SK1B SK104、DIAION(商標) SK1B SK110、DIAION(商標) SK1B SK112、DIAION(商標) SK1BPK208、DIAION(商標) SK1B PK212、DIAION(商標) SK1B PK216、DIAION(商標) SK1B PK220、DIAION(商標) SK1B PK228、DIAION(商標) SK1B UBK530、DIAION(商標) SK1B UBK550、DIAION(商標) SK1B UBK535、DIAION(商標) SK1B UBK535、DIAION(商標) SK1B UBK555、DIAION(商標) SK1B WK10、DIAION(商標) SK1B WK11、DIAION(商標) SK1B WT100、DIAION(商標) SK1B WK40、DOWEX 88、DOWEX 22、DOWEXMONOSPHERE(商標) 88、DOWEXMONOSPHERE(商標) 77、DOWEXMONOSPHERE(商標) 88およびDOWEX OPTIPORE SD−2が挙げられる。

0027

ビーズは、サイズが様々になり得る。一般には小さいビーズほど、互いに、そしてより大きな分子から糖を良好に分離させることができるが、この分離は、より大きな圧力降下を犠牲にする。それゆえ入手したビーズ/調製したビーズの注意深い選択が、望ましい特定の糖溶液および分離に必然的に依存する。例えばビーズは、概ね球形になり得、樹脂は平均の粒径が約100ミクロン〜約500ミクロン、例えば約150ミクロン〜約400ミクロン、約200ミクロン〜約350ミクロンを有する。狭いビーズ粒径分布、例えば平均粒径の前後に約+100ミクロンおよび−100ミクロン径(例えば、+/−50ミクロン、+/−40ミクロン、+/−30ミクロン、+/−20ミクロン、+/−15ミクロン、+/−10ミクロン)のビーズ径も望ましくなり得る。ビーズの密度は、例えば約1g/cc〜約1.75g/cc(例えば、約1.1〜1.4g/cc、約1.2〜1.35g/cc)であってもよい。

0028

SAC樹脂は、広いpH範囲(例えば、少なくとも約2〜10)で使用することができる。SAC樹脂は、熱安定性もあり、少なくとも約140℃まで(例えば、約130℃まで、約120℃まで)使用可能である。

0029

糖化および/または発酵された原料(例えば、キシロース、グルコース、アラビノース、グリセロールラクトース、キシリトール、溶解された固体およびアルコール、例えばエタノール、ブタノールを含み得る)および溶離液(例えば、水、アセトニトリルエーテルヘキサン、アセトン、メタノールおよびテトラヒドロフランなどの移動相)を、図1の「供給物」および「溶離液」の矢印に示される通りシステムに供給される。2つの排出流れ:より多くの保持成分または複数の保持成分を含む抽出と、より少ない保持成分または複数の保持成分を含む抽残液と、が存在する。分離は、供給混合物成分とカラム材料との異なる相互作用により行われる。カラム材料とより強く相互作用する成分は、カラム材料により多く保持され(例えば、より長い保持時間を有し)、カラム中により早期に濃縮されて抽出物に運搬され得るが、相互作用の弱い成分は、抽残液に移動する。カラムの間のバルブ(図に示されていない)は、定期的間隔で(切替え時間に)計画的に開放または閉鎖を切替えて、分離ゾーンの間で入口流れ(供給物および溶離液)を導入し、出口流れ(抽出物および抽残液)を放出する。バルブの切替えは、固定相の向流移動を模擬するような時機に合わせている。流れの流速、切替え時間、温度、および溶離液組成を調整することにより、周期確定されて、供給物および溶離液が連続的に添加され、高度に精製された生成物が連続的に回収される。流れが、純粋な抽出物および抽残液を回収する時機に合わせて、サイクルの各ステップの際に一方のカラムの前方で切替えられる。

0030

SMBにより作られる固定相および移動相の向流の流れは、固定相と移動相の極めて効率的な利用を可能にする。単一カラムシステムにおいて、分離は、実際には任意の一回の時間にカラムの小分画で行われ、カラムの残り部分は、溶媒を占有することおよびバンドを広げること以外の機能を実践しない。SMBにより、直列の小さなカラムが、1つの大きなカラムの代わりに使用される。SMBは、大きな単一のカラムを得ること、操作すること、および維持することに関連するコストを生じずに、本質的に「無限の」カラムベッド長を提供する。

0031

幾つかの実施形態において、SMBは、糖化および発酵バイオマスの蒸留残渣から、溶離液で希釈されたキシロースがほとんどを構成する(例えば、少なくとも70%、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、少なくとも99%、さらには実質的に100%純粋な)抽出物を提供することができる。抽残液または廃液流れは、およそ全て(例えば、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、少なくとも99%、さらには実質的に100%)の望ましくない生成物(例えば、不純物)を含み、例えば不純物は、溶離液で希釈された芳香族発色団を含み得る。SMBの工程は、カラム条件を変更して、約7.5、5、4.5、4、3.5、3、2.5、2、1.5、1.3、1.2さらには1.1の生成物流れ供給物流れ比および約7.5、5、4.5、4、3.5、3、2.5、2、1.5、1.3、1.2さらには1.1の初期廃液流れ/供給物比を与えることにより、操作/改良することができる。

0032

先に議論された通り、糖およびアルコールなどの生成物に加えて、糖化および発酵などの工程によりバイオマスから得られた溶液は、様々な懸濁または溶解化合物および/または材料(例えば、固体)などの固体を含み得る。例えば溶液は、酵素(例えば、酵素、活性酵素、変性酵素の一部)、アミノ酸栄養素生存細胞死亡細胞細胞屑(例えば、溶解した細胞、酵母抽出物)、酸、塩基、塩(例えば、ハロゲン化物、硫酸塩、およびリン酸塩アルカリ金属塩アルカリ土類金属塩遷移金属塩)、部分加水分解生成物(例えば、セルロースおよびヘミセルロース断片)、リグニン、リグニン残渣、無機固体(例えば、珪質材料、粘土、カーボンブラック、金属)、糖化および/または発酵バイオマスの残遺物、ならびにそれらの組合せを含み得る。幾つかの例において、酵素は、機能する状態で存在することができ、例えば酸、塩基を添加すること、加熱すること、および/または変性剤もしくはプロテアーゼを添加することにより、変性される。酵素を変性させて、例えば本明細書に記載された方法により、その除去を容易にすることができる。バイオマスの糖化に用いられる幾つかのセルロース分解酵素は、酸性領域、例えば約pH2〜6(例えば、約3〜6、約4〜6、約4〜5)で最良に動作する。精製される(例えば、SMBにより)溶液は、pH調整を行わずに使用することができ、または場合によりpHを、糖化後に上方もしくは下方に調整することができる。幾つかの実施形態において、SMBシステムにおいて用いられる溶液は、それゆえ広い範囲から選択されるpH値を有することができる。場合によりこれらの不純物は、バイオマス溶液をSMBに供する前に除去または減少させることができる。特に、カラムを覆う、塞ぐ、充填する、さもなければカラムの機能を妨害する可能性がある不純物(例えば、ポリマー、タンパク質、沈殿物)を除去することは、有利となり得る。例えば糖溶液は、SMB工程に供される前に、ロータリードラム式濾過、濾過、過剰石灰処理および/または脱色などの精製工程を受けてもよい。

0033

本発明の別の実施形態を、図2を参照して記載する。糖溶液およびそれから得られた生成物を製造するための工程は、例えばセルロース原料および/またはリグノセルロース原料を場合により機械的に処理すること、を含む。この処理の前および/または後に、原料を別の物理的処理(例えば、照射、音波処理、酸化、水蒸気爆発および/または熱分解)で処理して、難分解性を低下または更に低下させることができる212。糖溶液は、例えば1種以上の酵素、酸および熱を加えることで(例えば、いずれかの順序および/または組合せで)、難分解性低下原料を糖化することにより214、形成される。ステップ214からの糖溶液は、その後、SMB216などの分離工程を利用して加工されて、抽残液流れ226および抽出物流れ224を生成することができる。SMBは、キシロースおよびグルコースを含む抽出溶液を生成する好ましい方法である。抽残液は、着色体およびイオンを含む。幾つかの実施形態において、イオン除去ステップ(例えば、イオン交換カラムを用いる)などの更なるステップを、例えばSMBの前に利用することができる。

0034

更に別の実施形態において、SMBは、図3に示される通り、連続で利用することができる。ステップ212および214が、記載されている。1種の糖を選択的に発酵する生物体、例えばグルコース発酵生物体を用いて、糖化材料を発酵させることができる312。グルコース発酵ステップにおいて、発酵の生成物は、発酵生成物、キシロース、イオンおよび着色体を含む溶液である。発酵された溶液は、その後、第一の分離工程、例えば第一のSMBステップ316で加工することができる。第一のSMB加工は、抽出物324流れ、例えばキシロースを含む溶液を生成する。第一のSMB加工ステップは、抽残液流れ326、例えば発酵生成物、イオンおよび着色体を含む溶液も生成する。抽残液流れ326は、第二の分離工程330、例えば第二のSMBステップを利用して加工することができる。第二のSMBステップは、抽出物332、例えば発酵生成物を含有する溶液、および抽残液324を生成することができる。幾つかの実施形態において、イオン除去ステップ(例えば、イオン交換カラムを利用する)などの更なるステップを、例えばSMBの前に、利用することができる。幾つかの実施形態において、発酵生成物は、アルコール(例えば、エタノール、ブタノール)または酸(例えば、酪酸、L−乳酸、D−乳酸)であってもよい。

0035

原料を処理するシステム
精製のシステム、方法および設備(例えば、擬似移動床式クロマトグラフィー)を、先に記載された通り、そして本明細書のいずれの箇所にも記載される通り加工された材料に適用することができる。

0036

例えば、原料を砂糖および他の製品に変換する工程は、例えばこの処理の前および/または後にサイズを減少させるために、原料を場合により物理的に前処理すること、難分解性を低下させるために原料を場合により処理すること(例えば、照射による)、および原料を糖化して糖溶液を形成すること(例えば、これまで記載された通り、そして本明細書で繰り返し述べられ展開された通り)、を含むことができる。糖化は、以下に詳細に議論される通り、液体媒体、例えば水の中の原料の分散体を酵素と混合することにより実施することができる。糖化の間または糖化の後、混合物(例えば、糖化が配送途中で部分的または完全に実施される場合)また溶液を、例えばパイプライン鉄道車両トラックまたはバージにより、製造プラントに運搬することができる。プラントでは、溶液をバイオプロセシング、例えば発酵することができ、所望の生成物または中間体を生成し、その後、例えば蒸留および擬似移動床式クロマトグラフィーにより、さらに加工することができる。個々の加工ステップ、用いられた材料、ならびに形成され得る製品および中間体の例を、以下に詳細に記載する。それゆえこれらの方法に加えて、精製のシステム、方法および設備(例えば、擬似移動床式クロマトグラフィー)を、例えば更なる加工ステップとして適用することができる。

0037

照射処理
原料は、照射により処理されて、難分解性を低下させるように構造を改良することができる。そのような処理は、例えば原料の平均分子量を低下させ、原料の結晶構造を変化させ、そして/または原料の表面積および/もしくは多孔性を増加させることができる。照射は、例えば電子ビーム、イオンビーム、100nm〜28nmの紫外(UV)線、γ線またはX線照射であってもよい。照射処理および処理用システムは、米国特許第8,142,620号および米国特許出願第12/417,731号で議論されており、それらの開示全体は、参照により本明細書に組み入れられる。

0038

照射の各形態は、照射エネルギーにより決定される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、主にクーロン散乱を介して物体をイオン化し、さらにこれらの相互作用が、物体をさらにイオン化し得るエネルギー電子を生成する。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、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、複数のアクチニド系列、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同位体α崩壊により生じる。電子は、電子の速度変化により生じたクローン散乱および制動放射を介して相互作用する。

0039

粒子が用いられる場合、それらは、中性(非電荷)、正電荷または負電荷であってもよい。電荷を帯びている場合、荷電粒子は、単一の正もしくは負電荷、または多重電荷、例えば1、2、3、もしくは4つ以上の電荷を帯びることができる。炭水化物含有材料分子構造を変化させるために分子鎖切断が望ましい場合には、酸性であることを一部の理由として、正の電荷を帯びた粒子が望ましい場合がある。粒子が用いられる場合、粒子は、静止電子の質量、またはそれを超える、例えば静止電子の質量の500、1000、1500、または2000倍またはそれを超える質量を有することができる。例えば該粒子は、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原子単位〜約25原子単位、例えば1、2、3、4、5、10、12、または15原子単位の質量を有することができる。

0040

γ線は、試料中の様々な材料への顕著な浸透深さという利点を有する。

0041

照射が電磁放射線で実施される実施形態において、電磁放射線は、例えば102eVを超える、例えば103evを超える、104、105、106、または107eVを超える光子あたりのエネルギー電子ボルトで)を有することができる。幾つかの実施形態において、電磁放射線は、104〜107、例えば105〜106eVの光子あたりのエネルギーを有することができる。電磁放射線は、例えば1016Hzを超える、1017Hzを超える、1018Hz、1019Hz、1020Hz、または1021Hzを超える周波数を有することができる。幾つかの実施形態において、電磁放射線は、1018〜1022Hz、例えば1019〜1021Hzの周波数を有する。

0042

電子衝撃は、10MeV未満、例えば7MeV未満、5MeV未満、または2MeV未満、例えば約0.5〜1.5MeV、約0.8〜1.8MeV、または約0.7〜1MeVの公称エネルギーを有する電子ビームデバイスを用いて実施されてもよい。幾つかの実行において、公称エネルギーは、約500〜800keVである。

0043

電子ビームは、比較的高い総ビーム出力(全ての加速ヘッドのビーム出力を合せたもの、または複数の加速器が用いられる場合には、全ての加速器および全てのヘッドのビーム出力を合せたもの)、例えば少なくとも25kW、例えば少なくとも30、40、50、60、65、70、80、100、125、または150kWを有していてもよい。幾つかの例において、該出力は、500kW、750kW、または1000kW以上にも上る。幾つかの例において、電子ビームは、1200kW以上、例えば1400、1600、1800、または3000kWのビーム出力を有する。

0044

この高い総ビーム出力は、通常、複数の加速ヘッドを用いることにより実現される。例えば電子ビームデバイスは、2、4、またはそれを超える加速ヘッドを含んでいてもよい。それぞれが比較的低いビーム出力を有するヘッドを複数使用することで、材料の過剰な温度上昇が予防され、それにより材料の燃焼が予防され、材料の層の厚さを通る線量の均一性も上昇する。

0045

バイオマス材料のベッドが比較的均一な厚さを有することが、一般には好ましい。幾つかの実施形態において、厚さは、約1インチ未満(例えば、約0.75インチ未満、約0.5インチ未満、約0.25インチ未満、約0.1インチ未満、約0.1〜1インチ、0.2約〜0.3インチ)である。

0046

可能な限り急速に材料を処理することが、望ましい。一般には、処理が0.25Mrad/秒を超える線量率、例えば約0.5、0.75、1、1.5、2、5、7、10、12、15、または約20Mrad/秒を超える、例えば約0.25〜2Mrad/秒の線量率で実施されることが好ましい。より高い線量率により、目的の(所望の)線量を得るためのより高い処理能力が可能になる。より高い線量率は、一般に、材料の熱分解を回避するためにより高いライン速度を必要とする。1つの実行において、加速器は、3MeV、50mAビーム電流に設定され、ライン速度は、約20mmの試料厚さ(例えば、嵩密度0.5g/cm3の破砕されたトウモロコシ穂軸材料)の場合24フィート/分である。

0047

幾つかの実施形態において、電子衝撃は、材料が少なくとも0.1Mrad、0.25Mrad、1Mrad、5Mrad、例えば少なくとも10、20、30または少なくとも40Mradの総線量を受けるまでに、実施される。幾つかの実施形態において、処理は、材料が約10Mrad〜約50Mrad、例えば約20Mrad〜約40Mrad、または約25Mrad〜約30Mradの線量を受けるまでに実施される。幾つかの実行において、25〜35Mradの総線量が好ましく、それが理想的には数回のパスであてられ、例えば5Mrad/パスで、各パスが約1秒であてられる。冷却スクリューコンベヤおよび/または冷却された振動コンベヤを利用することにより、冷却の方法、システムおよび設備を、照射前、照射間、照射後および照射と照射の間に利用することができる。

0048

先に議論された複数のヘッドを用いることにより、材料を複数のパスで、例えば10〜20Mrad/パス、例えば12〜18Mrad/パスを、数秒間冷却することで間を開けて2パス、または7〜12Mrad/パス、例えば5〜20Mrad/パス、10〜40Mrad/パス、9〜11Mrad/パスで3パス処理することができる。本明細書に議論された通り、1回の高線量よりもむしろ複数回の比較的低い線量で材料を処理することで、材料の過熱を防ぐ傾向があり、材料の厚さを通る線量均一性が上昇する。幾つかの実行において、材料は、各パスの間または後に撹拌されるか、さもなければ混合され、その後、次のパスの前に再度、均一層に平滑化されることで、処理の均一性が高まる。

0049

幾つかの実施形態において、電子は、例えば光速の75%よりも大きな速度、例えば光速の85、90、95、または99%を超える速度で加速される。

0050

幾つかの実施形態において、本明細書に記載された任意の加工は、例えば熱および/または減圧を利用して、得られた乾燥を維持した、または乾燥されたリグノセルロース材料で行われる。例えば幾つかの実施形態において、セルロース材料および/またはリグノセルロース材料は、25℃および50%の相対湿度で測定して約25重量%未満(例えば、約20重量%未満、約15重量%未満、約14重量%未満、約13重量%未満、約12重量%未満、約10重量%未満、約9重量%未満、約8重量%未満、約7重量%未満、約6重量%未満、約5重量%未満、約4重量%未満、約3重量%未満、約2重量%未満、約1重量%未満、または約0.5重量%未満)の保留水を有する。

0051

幾つかの実施形態において、2つ以上のイオン源、例えば2つ以上の電子源を用いることができる。例えば試料は、任意の順序で電子ビームで、続いてγ線および約100nm〜約280nmの波長を有するUV光で処理することができる。幾つかの実施形態において、試料は、3つの電離放射線源、例えば電子ビーム、γ線、およびエネルギー性紫外光で処理される。バイオマスは、処理ゾーンを通って運搬され、そのゾーンで電子衝撃され得る。

0052

処理を繰り返して、バイオマスの難分解性をより徹底して低下させることおよび/またはバイオマスをさらに改良することが、有利となり得る。特に工程のパラメータを、材料の難分解性に応じて、最初の(例えば、2番目、3番目、4番目またはそれより後の)パスの後に調整することができる。幾つかの実施形態において、バイオマスが先に記載された様々な工程を通して複数回運搬される循環システムを含むコンベヤを、用いることができる。幾つかの他の実施形態において、多重処理デバイス(例えば、電子ビーム発生機)を用いて、バイオマスを複数回(例えば2、3、4回またはそれを超える回数)処理する。さらに別の実施形態において、1つの電子ビーム発生機が、バイオマスの処理に用いられ得る多重ビーム(例えば、2、3、4またはそれを超えるビーム)の供給源であってもよい。

0053

分子/超分子構造を変化させること、および/または炭水化物含有バイオマスの難分解性を低下させることにおける有効性は、用いられる電子エネルギーおよびあてられる線量に依存するが、暴露時間は、出力および線量に依存する。幾つかの実施形態において、線量率および総線量は、バイオマス材料を破壊しない(例えば、焦がさないまたは燃やさない)ように調整される。例えば炭水化物は、例えば単量体の糖として、バイオマスから無傷で放出され得るように、加工の際に損傷させてはならない。

0054

幾つかの実施形態において、処理(任意の電子源または電子源の組合せでの)は、材料が少なくとも約0.05Mrad、例えば少なくとも約0.1、0.25、0.5、0.75、1.0、2.5、5.0、7.5、10.0、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、125、150、175または200Mradの線量を受けるまで実施される。幾つかの実施形態において、処理は、材料が0.1〜100Mrad、1〜200、5〜200、10〜200、5〜150、50〜150Mrad、5〜100、5〜50、5〜40、10〜50、10〜75、15〜50、20〜35Mradの線量を受けるまで実施される。

0055

幾つかの実施形態において、比較的低い線量の放射線が、例えばセルロースまたはリグノセルロース材料の分子量を増加させるために、用いられる(本明細書に記載された任意の放射線源または線源の組合せによる)。例えば、少なくとも約0.05Mrad、例えば少なくとも約0.1Mradまたは少なくとも約0.25、0.5、0.75、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0または少なくとも約5.0Mradの線量。幾つかの実施形態において、照射は、材料が0.1Mrad〜2.0Mrad、例えば0.5Mrad〜4.0Mradまたは1.0Mrad〜3.0Mradの線量受けるまで、実施される。

0056

材料への放射線の所望の透過度を実現するために、複数の方向から同時に、または連続して照射されることも望ましくなり得る。例えば木材などの材料の密度および水分量、ならびに用いられる放射線源のタイプ(例えば、γ線または電子ビーム)に応じて、材料への放射線の最大透過は、わずか約0.75インチであってもよい。そのような場合、最初に一方の側から材料を照射し、その後材料を回して他の側から照射することにより、より厚い区分(最大1.5インチ)を照射することができる。複数の方向からの照射は、γ線よりも急速に照射するが大きな浸透深さに達しない電子ビーム線では、特に有用となり得る。

0057

放射線不透過性材料
本発明は、放射線不透過性材料を用いて構築される保管庫および/または燃料庫内で材料を加工することを含むことができる。幾つかの実行において、放射線不透過性材料は、多くの材料を透過し得る高エネルギーX線の成分を遮蔽し得るように選択される。放射線遮蔽格納庫を設計する際の1つの重要な因子は、用いられる材料の減衰長であり、それは特定の材料、材料のブレンド、または層構造に必要となる厚さを決定する。減衰長は、放射線を入射放射線のおよそ1/e(e=オイラー数)倍に減少させる透過距離である。事実上全ての材料が放射線不透過であるが、十分に厚ければ、高いZ値(原子数)を有する元素の高組成率(例えば、密度)を含む材料は、より短い放射線減衰長を有し、つまりそのような材料がより薄く用いられれば、より軽い遮蔽が提供され得る。放射線遮蔽において用いられる高Z値の材料の例が、タンタルおよび鉛である。放射線遮蔽における別の重要なパラメータが、半量距離であり、それは、γ線強度を50%低下させる特定材料の厚さである。0.1MeVのエネルギーのX線照射の例として、半量厚さはコンクリートでは約15.1mmであり、鉛では約2.7mmであるが、1MeVのX線エネルギーでは、コンクリートの半量厚さは、約44.45mmであり、鉛では約7.9mmである。放射線不透過性材料は、別の側に通過する放射線を減少させ得る限りは、厚い材料または薄い材料であってもよい。つまり、特定の格納庫が、例えば軽量にするため、またはサイズの制約のため、薄い壁厚を有することが望ましい場合、半量長さが格納庫の所望の壁厚以下になるように、選択された材料が、十分なZ値および/または減衰長を有さなければならない。

0058

幾つかの例において、放射線不透過性材料は、良好な遮蔽を提供するために、例えばより高Z値の材料の層を有する層状材料、および他の特性(例えば、構造完全性衝突抵抗性など)を提供するためにより低Z値の材料の層を有する層状材料であってもよい。幾つかの例において、層材料は、高い原子番号の元素から連続的に低い原子番号の元素に続く勾配を作る積層体を含む、「原子番号の傾斜のある」積層体であってもよい。本明細書においてこれまで記載された通り、幾つかの例において、放射線不透過性材料は、インターロックしたブロックであってもよく、例えば鉛および/またはコンクリートのブロックは、NELCO Worldwide(マサチューセッツ州バーリント所在)により供給することができ、再構成可能な保管庫を用いることができる。

0059

放射線不透過性材料は、入射放射線に比較して、少なくとも約10%(例えば、少なくとも約20%、少なくとも約30%、少なくとも約40%、少なくとも約50%、少なくとも約60%、少なくとも約70%、少なくとも約80%、少なくとも約90%、少なくとも約95%、少なくとも約96%、少なくとも約97%、少なくとも約98%、少なくとも約99%、少なくとも約99.9%、少なくとも約99.99%、少なくとも約99.999%)の材料で形成された構造(例えば、壁、ドア天井、格納庫、これらの連続またはこれらの組合せ)を通過する放射線を減少させることができる。それゆえ放射線不透過性材料で作製された格納庫は、同じ量の設備/システム/構成部分暴露を減少させることができる。放射線不透過性材料としては、ステンレス鋼、原子番号が約25の金属(例えば、鉛、鉄)、コンクリート、泥土、砂およびそれらの組合せを挙げることができる。放射線不透過性材料は、少なくとも約1mm(例えば、5mm、10mm、5cm、10cm、100cm、1m、更には少なくとも約10m)の入射放射線の方向にバリアを含むことができる。

0060

放射線源
放射線のタイプが、用いられる放射線源の種類に加え、放射線デバイスおよび関連の設備を決定する。例えば材料を放射線で処理するための、本明細書に記載された方法、システムおよび設備は、本明細書に記載された線源に加え、任意の他の有用な線源を用いることができる。

0061

γ線源としては、コバルト、カルシウム、テクネチウム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などの放射線核種が挙げられる。

0062

X線源としては、タングステンまたはモリブデンまたは合金などの金属ターゲットを有する得電子ビーム衝突、Lyceanから営利目的で製造されるものなどのコンパクト光源が挙げられる。

0063

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、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、複数のアクチニド系列、例えばアクチニウム、トリウム、ウラン、ネプツニウム、クリウム、カリホルニウム、アメリシウム、およびプルトニウムなどのα崩壊により生成される。

0064

紫外線の供給源としては、ジューテリウムまたはカドミウムランプが挙げられる。

0065

赤外線の供給源としては、サファイア亜鉛、またはセレン化物の窓を含むセラミックランプが挙げられる。

0066

マイクロ波の供給源としては、クリストロン、Slevin型RF源、または水素酸素、もしくは窒素ガスを用いた原子ビーム供給源が挙げられる。

0067

粒子を加速するのに用いられる加速器は、静電式DC(electrostatic DC、電気力学的DC(electrodynamic DC)、RFリニア磁気誘導リニアまたは連続波であってもよい。例えばサイクロトロン型加速器は、RHODOTRON(商標)システムなど、ベルギーのIBAから入手でき、DC型加速器は、DYNAMITRON(登録商標)など、RDI、現在のIBA Industrialから入手される。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−DTLfwor Heavy−Ion Medical Accelerators”, Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland、およびLeitner, C.M. et al., “Status of the SuperconductingECRIon Source Venus”, Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austriaに議論されている。

0068

電子は、β崩壊を受ける放射性核種、例えばヨウ素、セリウム、テクネチウムおよびイリジウムにより生成されてもよい。あるいは電子銃を、熱イオン放出を介して電子源として用い、加速電位を通して加速することができる。電子銃は電子を発生し、その電子をその後、大きな電位(例えば、約500000ボルトを超える、約1000000ボルトを超える、約2000000ボルトを超える、約5000000ボルトを超える、約6000000ボルトを超える、約7000000ボルトを超える、約8000000ボルトを超える、約9000000ボルトを超える、または約10000000ボルトを超える)を通して加速し、その後、X−Y平面内で磁気的に走査し、そこで最初、電子をZ方向に加速管の下へ加速し、窓箔を通して抽出する。電子ビームを走査することは、操作ビームを通して運搬される材料、例えばバイオマスを照射する際に、照射表面を増加させるのに有用である。電子ビームを走査することは、熱負荷も窓上で均一に分布させ、電子ビームによる部分的加熱により窓箔の破裂の低減を支援する。窓箔の破裂は、その後必要となる電子銃を修復および再始動するためのかなりの中断時間の原因となる。

0069

フィールドイオン化源、静電イオン分離器、フィールドイオン化発生装置熱電子放出源、マイクロ波放電式イオン源、再循環または静電加速器、力学的直線型加速器、ファンデグラフ加速器および折り返しタンデム型加速器をはじめとする様々な他の照射デバイスを、本明細書に開示された方法で用いてもよい。そのようなデバイスは、例えばMedoffの米国特許第7,931,784号に開示されており、その開示全てが、参照により本明細書に組み入れられる。

0070

電子ビームを、放射線源として用いることができる。電子ビームは、高線量率(例えば、1、5、または10Mrad/秒)、高処理能力、少ない閉じ込め、および少ない封じ込め設備の利点を有する。電子ビームは、高い電気効率(例えば、80%)も有することができ、他の放射線方法に比較して低いエネルギー使用が可能で、言い換えれば用いられる少量のエネルギーに対応して低い運転コストおよび低い温室ガス放出に変えることができる。電子ビームは、例えば静電発電機カスケードジェネレータトランスジェネレータ、走査システムを有する低エネルギー加速器、リニアカソードを有する低エネルギー加速器、リニア型加速器、およびパルス加速器により発生させることができる。

0071

電子は、例えば分子鎖切断機構により、炭水化物含有材料の分子構造に変化を起こす際により効率的になり得る。加えて、0.5〜10MeVのエネルギーを有する電子は、本明細書に記載されたバイオマス材料などの低密度材料、例えば嵩密度0.5g/cm3未満および深さ0.3〜10cmを有する材料を透過することができる。電離放射源としての電子は、例えば材料の比較的薄い、例えば約0.5インチ未満、例えば約0.4インチ未満、0.3インチ、0.25インチ、または約0.1インチ未満の堆積、層またはベッドの場合に有用となり得る。幾つかの実施形態において、電子ビームの各電子のエネルギーは、約0.3MeV〜約2.0MeV(100万電子ボルト)、例えば約0.5MeV〜約1.5MeV、または約0.7MeV〜約1.25MeVである。材料を照射する方法は、2011年10月18日出願の米国特許出願公開第2012/0100577 A1号に開示されており、その開示全体が、参照により本明細書に組み入れられる。

0072

電子ビーム照射デバイスは、商業的に入手してもよく、または構築されてもよい。例えばインダクターキャパシターケーシング電源ケーブル配線電圧制御システム電流制御要素絶縁材料マイクコトローラー、および冷却設備などの要素または構成部分を購入して、デバイスに組み立てることができる。場合により市販のデバイスを、改良および/または適合させてもよい。例えばデバイスおよび構成部分は、Ion Beam Applications (Louvain−la−Neuve、ベルギー所在)、Wasik Associates Inc. (マサチューセッツ州ドレーカット)、NHVコーポレーション(日本)、the Titan Corporation(カリフォルニアサンディエゴ所在)、Vivirad High Voltage Corp(マサチューセッツ州ビレリカ所在)、および/またはBudker Laboratories(ロシア)をはじめとする本明細書に記載された市販の供給業者のいずれかから購入することができる。典型的な電子エネルギーは、0.5MeV、1MeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeV、または10MeVであってもよい。典型的な電子ビーム照射デバイスの電力は、1kW、5kW、10kW、20kW、50kW、60kW、70kW、80kW、90kW、100kW、125kW、150kW、175kW、200kW、250kW、300kW、350kW、400kW、450kW、500kW、600kW、700kW、800kW、900kWまたは1000kWであってもよい。用いられ得る加速器としては、NHV照射装置の中エネルギーシリーズEPS−500(例えば、500kV加速電圧および65、100または150mAビーム電流)、EPS−800(例えば、800kV加速電圧および65または100mAビーム電流)、またはEPS−1000(例えば、1000kV加速電圧および65または100mAビーム電流)が挙げられる。同じくNHVの高エネルギーシリーズの加速器、例えばEPS−1500(例えば、1500kV加速電圧および65mAビーム電流)、EPS−2000(例えば、2000kV加速電圧および50mAビーム電流)、EPS−3000(例えば、3000kV加速電圧および50mAビーム電流)およびEPS−5000(例えば、5000kV加速電圧および30mAビーム電流)を用いることができる。

0073

電子ビーム照射デバイスの電力仕様を考慮する上でのトレードオフとしては、運転コスト、資本コスト減価償却、およびデバイスの設置面積が挙げられる。電子ビーム照射の暴露線量レベルを考慮する上でのトレードオフは、エネルギーコスト、ならびに環境、安全、および健康(ESH)の問題であろう。典型的には発生機は、特にこの工程で発生されるX線からの生成では、例えば鉛またはコンクリートの、保管庫に収容されている。電子エネルギーを考慮する上でのトレードオフとしては、エネルギーコストを包含する。

0074

電子ビーム照射デバイスは、固定ビームまたは走査ビームのいずれかを生成することができる。走査ビームは、大きな固定ビーム幅を効果的に交換するため、長い走査・掃引および高い走査速度が有利となり得る。さらに0.5m、1m、2mまたはそれを超える、入手可能な掃引幅が、利用可能である。走査ビームは、より大きな走査幅であること、ならびに部分的加熱および窓が不能になる可能性が低いことから、本明細書に記載されたほとんどの実施形態において好ましい。

0075

電子銃− 窓
電子加速器抽出システムは、2つの窓箔を含むことができる。2つの窓箔抽出システムの冷却ガスは、パージガスまたは混合物、例えば空気、または純粋な気体であってもよい。一実施形態において、ガスは、窒素アルゴンヘリウムおよび/または二酸化炭素などの不活性ガスである。電子ビームへのエネルギー損失が最小限に抑えられることから、液体よりもむしろ気体を用いることが好ましい。窓上または窓の間の空間に衝突する前にラインで予備混合または混合されたパージガスの混合物を用いることもできる。例えば熱交換システム(例えば、冷凍装置)を使用すること、および/または凝縮ガス(例えば、液体窒素液体ヘリウム)からのボイルオフを使用することにより、冷却ガスを冷却することができる。窓箔は、2013年10月10日出願のPCT/US2013/64332号に記載されており、それらの開示全体が、参照により本明細書に組み入れられる。

0076

放射線処理の間の加熱および処理能力
電子ビームからの電子が非弾性衝突のものと相互作用する場合、複数の工程が、バイオマス中で起こる可能性がある。例えば材料のイオン化、材料中のポリマーの分子鎖切断、材料中のポリマーの架橋、材料の酸化、X線(ブレスシトラールンク)の発生および分子の振動励起(例えば、光子発生)。特定の機構に束縛されるものではないが、難分解性の低下は、これらの非弾性衝突効果の幾つか、例えばイオン化、ポリマーの分子鎖切断、酸化および光子発生によるものである。その作用の幾つか(例えば、特にX線発生)は、遮蔽およびバリアの工作、例えばコンクリート(または他の放射線不透過性材料)の保管庫に照射工程を封入することを必要とする。照射の別の作用である振動励起は、試料を温めることに等しい。以下に説明される通り、照射による試料の加熱は、難分解性低下を支援し得るが、過剰な加熱は、材料を破壊する可能性がある。

0077

電離放射線の吸着による断熱温度上昇(ΔT)は、式:ΔT=D/Cp(式中、Dは、kGyでの平均線量であり、Cpは、J/g℃での熱容量であり;ΔTは、℃での温度変化である)により示される。典型的な乾燥バイオマス材料は、2に近い熱容量を有する。水の熱容量は、非常に高い(4.19J/g℃)ため、湿性バイオマスは、水の量に存してより高い熱容量を有する。金属は、かなり低い熱容量を有し、例えばステンレス鋼は、0.5J/g℃の熱容量を有する。放射線の様々な線量に関するバイオマスおよびステンレス鋼の一定した放射線吸着による温度変化を、以下に示す。高温では、バイオマスが分解して、推定温度変化から極めて大きく逸脱するであろう。

0078

高温は、バイオマス中のバイオポリマーを破壊および/または変性して、ポリマー(例えば、セルロース)が、更なる加工に適さなくなる。高温に供されたバイオマスは、暗色および粘着性を帯びるようになり、臭気を発して、分解を示す可能性がある。粘着性により材料の運搬が困難になる可能性もある。臭気は、不快に感じる場合があり、安全性の問題を生じ得る。事実、バイオマスを約200℃未満(例えば、約190℃未満、約180℃未満、約170℃未満、約160℃未満、約150℃未満、約140℃未満、約130℃未満、約120℃未満、約110℃未満、約60℃〜約180℃、約60℃〜約160℃、約60℃〜約150℃、約60℃〜約140℃、約60℃〜約130℃、約60℃〜約120℃、約80℃〜約180℃、約100℃〜約180℃、約120℃〜約180℃、約140℃〜約180℃、約160℃〜約180℃、約100℃〜約140℃、約80℃〜約120℃)に保持することが、本明細書に記載された工程において有益であることが見出されている。

0079

約10Mradを超える照射が本明細書に記載された工程に望ましいことが、見出されている(例えば、難分解性の低下)。高い処理能力もまた、照射がバイオマスを加工する上でのボトルネックにならないために望ましい。処理は、線量率の式:M=FP/D・時間(式中、Mは、照射される材料の質量(kg)であり、Fは、吸着される電力の比率(単位なし)であり、Pは、発せられる電力(kW=MeVでの電圧×mAでの電流)であり、時間は、処理時間(秒)であり、Dは、吸着された線量(kGy)である)により左右される。吸着される電力の比率が固定されている模範的工程において、発せられる電力は、一定であり、設定された放射線量が望ましく、処理能力(例えば、M、加工されるバイオマス)は、照射時間を増加させることにより増加し得る。しかし材料を冷却させずに放射時間を増加させると、先に示された計算により示される通り、材料を過度に加熱する可能性がある。バイオマスは、低い熱伝導率(約0.1Wm−1k−1未満)を有するため、例えばエネルギーが伝達されるヒートシンクが存在する限り、エネルギーを急速に放出し得る金属(約10Wm−1k−1を超える)とは異なり、放熱が緩やかである

0080

電子銃−ビームストップ
幾つかの実施形態において、該システムおよび方法は、ビームストップ(例えば、シャッター)を含む。例えばビームストップを用いて、電子ビームデバイスの出力を下げずに、材料の照射を急速に停止または減少させることができる。あるいはビームストップは、電子ビームの出力を上昇させながら用いることができ、ビームストップは、所望のレベルのビーム電流に達するまで、電子ビームを停止させることができる。ビームストップは、第一の窓箔と第二の窓箔の間に配置させることができる。例えばビームストップは、可動性であるように、即ちビームパス内外へ移動できるように、搭載することができる。例えば照射線量を制御するために、ビームの部分的な被覆を用いることもできる。ビームストップは、床に、バイオマスのコンベヤに、壁に、放射線デバイスに(例えば、スキャンホーンの)、または任意の構造支持体に搭載することができる。好ましくは、ビームがビームストップにより効果的に制御され得るように、ビームストップがスキャンホーンに関して固定されている。ビームストップは、ヒンジレールホイールスロット、または他の手段を組み込むことができ、ビーム内外へ移動する操作を可能にする。ビームストップは、電子の少なくとも5%、例えば電子の少なくとも10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、少なくとも80%、85%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%、または約100%を停止させる任意の材料で作製することができる。

0081

ビームストップは、非限定的に、ステンレス鋼、鉛、鉄、モリブデン、銀、金、チタンアルミニウム、スズ、またはこれらの合金、またはそのような金属で作製された(例えば、金属コートセラミック、金属コートポリマー、金属コート複合体、多層金属材料)積層体(層化材料)をはじめとする金属で作製することができる。

0082

ビームストップは、例えば水溶液またはガスなどの冷却流動体で、冷却することができる。ビームストップは、例えば空洞を有し、部分的または完全に中空であってもよい。ビームストップの内部空間は、流体およびガスを冷却するのに用いることができる。ビームストップは、平面、曲線円形楕円形正方形長方形面取りのある形状およびくさび形など、任意の形状であってもよい。

0083

ビームストップは、幾つかの電子を通すような穿孔を有することができ、それにより窓の全エリアまたは窓の特定の領域を通る放射線レベルを制御(例えば、低下)することができる。ビームストップは、例えば繊維またはワイヤから形成された、メッシュであってもよい。複数のビームストップを一緒に、または独立に使用して、照射を制御することができる。ビームストップは、ビームを所定の場所の内外に移動させるために、例えばモーターへの無線信号またはハードウエアにより、遠隔制御することができる。

0084

ビームダンプ
本明細書に開示された実施形態は、放射線処理を活用する際に、ビームダンプを含むこともできる。ビームダンプの目的は、荷電粒子のビームを安全に吸収することである。ビームダンプは、ビームストップと同様に、荷電粒子のビームを遮断するのに用いることができる。しかしビームダンプは、ビームストップよりもかなり強固で、長期間にわたりフルパワーの電子ビームを遮断することを目的とする。それらは多くの場合、加速器の出力を増加させながら、ビームを遮断するのに用いられる。

0085

ビームダンプは、そのようなビームにより発生した熱に順応するようにも設計されており、通常、銅、アルミニウム、炭素、ベリリウム、タングステン、または水銀などの材料で作製されている。例えばビームダンプと熱接触し得る冷却流体を利用して、ビームダンプを冷却することができる。

0086

バイオマス材料
リグノセルロース材料としては、例えば木材、パーティクルボード林業廃棄物(例えば、おがくずアスペン材、木材チップ)、牧草(例えば、スイッチグラスススキ、コードグラス、クサヨシ)、穀物残渣(例えば、籾殻オーツ麦の殻、小麦殻、大麦殻)、農業廃棄物(例えば、サイレージ菜種のわら、小麦わら、大麦わら、オーツ麦わら、米わら、ジュート亜麻サイザルマニラ麻、トウモロコシの穂軸、トウモロコシの葉茎大豆の葉茎、トウモロコシ繊維、アルファルファ干し草ココナッツの毛)、糖加工残渣(例えば、バガスビートパルプ、リュウゼンツランバガス)、藻類、海藻、肥やし、下水汚物、およびこれらのいずれかの混合物が挙げられる。

0087

幾つかの例において、リグノセルロース材料としては、トウモロコシの穂軸が挙げられる。粉砕またはハンマーミルされたトウモロコシの穂軸は、照射のために比較的均一な厚さの層に広げることができ、照射の後、更なる加工のために媒体中に分散することが容易である。収穫および回収を容易にするために、幾つかの例において、トウモロコシの、トウモロコシの穀粒などとうもろこしの植物全体が用いられ、そして幾つかの例において、該植物の根系さえも用いられる。

0088

有利には更なる栄養素(窒素供給源以外、例えば尿素またはアンモニア以外)が、トウモロコシの穂軸、または顕著な量のトウモロコシの穂軸を含むセルロースもしくはリグノセルロース材料の発酵の際に必要となる。

0089

破砕の前後のトウモロコシの穂軸は、運搬および分散も容易であり、干し草および牧草などの他のセルロースまたはリグノセルロース材料よりも空気中で爆発性混合物を形成する傾向が小さい。

0090

セルロース材料としては、例えば紙、紙製品紙廃棄物紙パルプ着色紙積載紙(loaded paper)、塗工紙、充填紙、雑誌印刷物(例えば、本、カタログ使用説明書、ラベル、カレンダーグリーティングカードパンフレット目論見書新聞紙)、印刷用紙、ポリコート紙、カードストック、厚紙、ボール紙、高α−セルロース量を有する材料、例えば綿、およびこれらのいずれかの混合物が挙げられる。例えば開示全体が、参照により本明細書に組み入れられる、米国特許出願第13/396,365号(Medoffらによる2012年2月14日出願の“Magazine Feedstocks”)に記載された紙製品である。

0091

セルロース材料は、部分的または完全に脱木質化されたリグノセルロース材料も含むことができる。

0092

幾つかの例において、他のバイオマス材料、例えばデンプン質材料を用いることができる。デンプン質材料としては、デンプンそのもの、例えばコーンスターチ小麦デンプンジャガイモデンプンもしくは米デンプンデンプン誘導体、または食用の食品もしくは作物などのデンプンを含む材料が挙げられる。例えばデンプン質材料は、アラチャ蕎麦バナナ、大麦、キャッサバクズオクラサゴモロコシ、通常の家庭用ジャガイモサツマイモタロイモヤマノイモ、または1種以上の豆、例えば空豆レンズ豆エンドウ豆であってもよい。任意の1種以上のデンプン質材料のブレンドもまた、デンプン質材料である。デンプン質材料とセルロースまたはリグノセルロース材料との混合物を用いることもできる。例えばバイオマスは、植物全体、植物の一部または植物の異なる部分、例えば小麦の、綿の苗、トウモロコシの苗、米の苗または樹木であってもよい。デンプン質材料は、本明細書に記載された方法のいずれかにより処理することができる。

0093

原料として用いられ得る微生物材料としては、非限定的に、炭水化物(例えば、セルロース)、例えば原生生物、例えば動物の原生生物(例えば、鞭毛藻類アメーバ繊毛虫、および胞子虫などの原虫)および植物の原生生物(例えば、アルベオラータ、クロララクオン藻、クリプトモナド、ユーグレナ藻、灰色藻、ハプト藻、紅藻、ストラメノパイル、および緑色植物亜界)の供給源を含む、または供給源を提供することが可能な任意の天然由来または遺伝子組換え微生物体または生物体を挙げることができる。他の例としては、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、ナノプランクトン、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、グラム陽性菌グラム陰性菌、および好極限性細菌)、酵母および/またはこれらの混合物が挙げられる。幾つかの例において、微生物バイオマスは、天然供給源、例えば海洋水体、例えば塩水もしくは淡水、または上から得ることができる。代わりまたは追加として、微生物バイオマスは、培養系、例えば大規模乾式および湿式培養、ならびに発酵系から得ることができる。

0094

別の実施形態において、バイオマス材料、例えばセルロース、デンプン質およびリグのセルロース原料は、野生型変種に関して修飾されたトランスジェニック微生物および植物から得ることができる。そのような修飾は、例えば選択および育種反復ステップにより植物中の所望の素質を得てもよい。その上、植物は、野生型の変種に関して除去、修飾、発現抑制および/または付加されていてもよい。例えば遺伝子修飾植物は、組換えDNA法により生成することができ、その場合の遺伝子修飾は、親種からの特異的遺伝子を導入もしくは修飾すること、または例えば異なる種の植物および/または細菌から植物に特異的遺伝子(複数可)が導入されるトランスジェニック育種を利用すること、を含む。遺伝子変種を作出する別の方法は、新しい対立遺伝子内在遺伝子から人工的に作出する突然変異育種による。その人工遺伝子は、例えば化学的突然変異原(例えば、アルキル化剤エポキシドアルカロイド過酸化物ホルムアルデヒドの使用による)、照射(例えば、X線、γ線、中性子β粒子、α粒子、陽子重陽子UV線)および温度ショックまたは他の外部ストレス負荷により植物または種子を処理すること、それに続く選択技術をはじめとし、様々な方法により作出することができる。修飾遺伝子を提供する他の方法は、エラープローンPCRおよびDNAシャッフルの後、所望の修飾DNAを所望の植物または種子に挿入することによる。所望の遺伝子変異を主旨または植物に導入する方法としては、例えば細菌保有者微粒子銃リン酸カルシウム沈殿法電気穿孔遺伝子スプライシング遺伝子サイレンシングリポフェクション、ミクロインジェクション、およびウイルス保有者の使用が挙げられる。更なる遺伝子修飾材料は、2012年2月14日出願の米国特許出願第13/396,369号に記載されており、その開示全体は、参照により本明細書に組み入れられる。本明細書に記載された方法のいずれかは、本明細書に記載された任意のバイオマス材料の混合物で実践することができる

0095

バイオマス材料の調製 −機械的処理
バイオマスは、例えば約35%未満の水分量(例えば、約20%未満、約15%未満、約10%未満、約5%未満、約4%未満、約3%未満、約2%未満または約1%未満)の、乾燥形態であってもよい。バイオマスは、湿潤状態、例えば固体が少なくとも約10重量%(例えば、少なくとも約20重量%、少なくとも約30重量%、少なくとも約40重量%、少なくとも約50重量%、少なくとも約60重量%、少なくとも約70重量%)の湿性固体、スラリー、または懸濁物として送達することもできる。

0096

本明細書に開示された工程は、低嵩密度の材料、例えば約0.75g/cm3未満、例えば約0.7g/cm3未満、0.65、0.60、0.50、0.35、0.25、0.20、0.15、0.10、0.05g/cm3またはそれ未満、例えば0.025g/cm3未満の嵩密度を有するように物理的に前処理されたセルロースまたはリグノセルロース原料を活用することができる。嵩密度は、ASTMD1895Bを利用して決定することができる。概要を述べると、該方法は、既知容積メスシリンダに試料を充填すること、および試料の重量を得ること、を含む。嵩密度は、試料のグラム重量をシリンダーの既知の容積の立方センチメートルで割ることにより計算される。所望なら、低密度材料を、例えば開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、Medoffの米国特許第7,971,809号に記載された方法により、高密度化することができる。

0097

幾つかの例において、処理前加工は、バイオマス材料のふるい分けを含む。ふるい分けは、所望の開口サイズ、例えば約6.35mm(1/4インチ、0.25インチ)未満、(例えば、約3.18mm(1/8インチ、0.125インチ)未満、約1.59mm(1/16インチ、0.0625インチ)未満、約0.79mm(1/32インチ、0.03125インチ)未満、例えば約0.51mm(1/50インチ、0.02000インチ)未満、約0.40mm(1/64インチ、0.015625インチ)未満、約0.23mm(0.009インチ)未満、約0.20mm(1/128インチ、0.0078125インチ)未満、約0.18mm(0.007インチ未満)、約0.13mm(0.005インチ)未満、または約0.10mm(1/256インチ、0.00390625インチ)未満)を有するメッシュまたは穿孔板を通して行うことができる。1つの構成において、所望のバイオマスは、その穿孔またはふるいを通り抜け、つまりその穿孔またはふるいよりも大きなバイオマスは、照射されない。これらの大きな材料は、例えば破砕により、再加工され、またはそれらは単に加工から取り除くことができる。別の構成において、穿孔よりも大きな材料は、照射され、より小さな材料は、ふるい分け工程により除去されるか、または再循環される。この種の構成において、コンベヤそのもの(例えば、コンベヤの一部)を、穿孔することができ、またはメッシュを含んで作製することができる。例えば1つの特定の実施形態において、バイオマス材料は、湿潤性であってもよく、穿孔またはメッシュによって照射の前に水をバイオマスから流出させてもよい。

0098

材料のふるい分けは、手動での方法、例えば望ましくない材料を除去するオペレータまたはメカノイド(例えば、色、反射性または他のセンサーを備えたロボット)により行うことができる。ふるい分けは、磁石が運搬される材料の付近に配設されていて磁気材料が磁石により除去される、磁気ふるいによって行うこともできる。

0099

任意の処理前加工が、材料の加熱を含むことができる。例えば材料または他の材料を運搬するコンベヤの一部を、加熱されたゾーンに送出することができる。加熱されたゾーンは、例えばIR線、マイクロ波、燃焼(例えば、ガス、石炭オイル、バイオマス)、抵抗加熱および/または誘導コイルにより作製することができる。熱は、少なくとも一方の側または1つ以上の側からあてること、連続的または周期的にてること、そして材料の一部だけまたは材料全てにあてることができる。例えば、コンベヤトラフの一部を、加熱ジャケットの使用により加熱することができる。加熱は、例えば材料の乾燥を目的とするものであってもよい。材料を乾燥する場合、加熱により、または加熱せずに、運搬されている時にガス(例えば、空気、酸素、窒素、He、CO2、アルゴン)をバイオマスの上部および/またはバイオマスの中に移動させることにより、乾燥を容易にすることもできる。

0100

場合により処理前加工は、材料を冷却することを含むことができる。材料の冷却は、開示が参照により本明細書に組み入れられる、Medoffの米国特許第7,900,857号に記載される。例えば冷却は、冷却流体、例えば水(例えば、グリセロールを含む)、または窒素(例えば、液体窒素)をコンベヤトラフの底に供給することによって行うことができる。あるいは冷却ガス、例えば凍結窒素を、バイオマスの上部、または運搬システムの下に吹き付けることができる。

0101

別の任意の処理前加工法は、材料をバイオマスまたは他の原料に添加することを含むことができる。更なる材料は、例えばバイオマスが運搬されている時に材料をバイオマスの上に浴びせること、振りかけること、および/または注入することにより、添加することができる。添加され得る材料としては、例えば開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、米国特許出願公開第2010/0105119 A1(2009年10月26日出願)および米国特許出願公開第2010/0159569 A1(2009年12月16日出願)に記載された金属、セラミックおよび/またはイオンが挙げられる。添加され得る任意の材料としては、酸および塩基が挙げられる。添加され得る他の材料は、酸化剤(例えば、過酸化物、塩素酸塩)、ポリマー、重合性モノマー(例えば、不飽和結合を含むもの)、水、触媒、酵素および/または生物体である。材料は、純粋な形態で、例えば溶媒(例えば、水または有機溶媒)中の溶液として、そして/または溶液として、添加することができる。幾つかの例において、溶媒は、揮発性であり、例えばこれまで記載された通りガスの加熱および/または吹き出しにより、蒸発するように作製することができる。添加される材料は、バイオマス上に均一なコーティングを形成することができ、または異なる成分(例えば、バイオマスおよび更なる材料)の均質混合物であってもよい。添加される材料は、照射の効率を上昇させること、照射を弱めること、または照射の作用を変化させること(例えば、電子ビームからX線または加熱へ)により、次の照射ステップ変調することができる。該方法は、照射への影響を有していなくてもよいが、さらに下流の加工に有用であってもよい。添加材料は、例えば粉塵のレベルを低下させることにより、材料の運搬を支援してもよい。

0102

バイオマスは、ベルトコンベヤ空気式コンベヤスクリューコンベヤホッパーパイプ、手動で、またはこれらの組合せによりコンベヤ(例えば、本明細書に記載された保管庫内で用いられる振動コンベヤ)に送達することができる。バイオマスは、例えばこれらの方法のいずれかによりコンベヤ上に滴下、注入および/または配置させることができる。幾つかの実施形態において、材料は、封入された材料の分配システムを用いてコンベヤに送達されて、低酸素大気の維持ならびに/または粉塵および微粉の制御を支援する。舞い上がる、または空気に浮遊させたバイオマスの微粉および粉塵は、爆発災害を形成する、または電子銃の窓箔を損傷する可能性があるため(そのようなデバイスが、材料を処理するのに用いられる場合)、望ましくない。

0103

材料をならして、約0.0312〜5インチ(例えば、約0.0625〜2.000インチ、約0.125〜1インチ、約0.125〜0.5インチ、約0.3〜0.9インチ、約0.2〜0.5インチ、約0.25〜1.0インチ、約0.25〜0.5インチ、0.100+/−0.025インチ、0.150+/−0.025インチ、0.200+/−0.025インチ、0.250+/−0.025インチ、0.300+/−0.025インチ、0.350+/−0.025インチ、0.400+/−0.025インチ、0.450+/−0.025インチ、0.500+/−0.025インチ、0.550+/−0.025インチ、0.600+/−0.025インチ、0.700+/−0.025インチ、0.750+/−0.025インチ、0.800+/−0.025インチ、0.850+/−0.025インチ、0.900+/−0.025インチ、0.900+/−0.025インチの均一な厚さを形成することができる。

0104

一般に、電子ビームを通して可能な限り急速に材料を運搬して、処理能力を最大にすることが好ましい。例えば材料は、少なくとも1フィート/分、例えば少なくとも2フィート/分、少なくとも3フィート/分、少なくとも4フィート/分、少なくとも5フィート/分、少なくとも10フィート/分、少なくとも15フィート/分、20、25、30、35、40、45、50フィート/分の速度で運搬することができる。運搬速度は、例えばバイオマスの厚さ1/4インチでのビーム電流に関し、100mAでのコンベヤは、約20フィート/分で移動して有用な照射線量を提供することができ、50mAでのコンベヤは、約10フィート/分で移動して、ほぼ同じ照射線量を提供することができる。

0105

バイオマス材料が、放射線ゾーンを通って運搬された後、任意の処理後加工を実施することができる。任意の処理後加工は、例えば照射前加工に関して記載された工程であってもよい。例えばバイオマスを、ふるい分けても、加熱しても、冷却しても、そして/または添加剤混和してもよい。照射後に特有なこととして、ラジカルクエンチング、例えば流体もしくは気体(例えば、酸素、亜酸化窒素、アンモニア、および/または液体)の添加、圧力、熱の利用、および/またはラジカルスカベンジャーの添加によるラジカルのクエンチングを行うことができる。例えばバイオマスを、囲い込まれたコンベヤの外部で運搬して、ガス(例えば、酸素)に暴露し、そこでクエンチしてカルボキシル化された基を形成することができる。一実施形態において、バイオマスは、反応性ガスまたは流体への照射の間に暴露される。照射されたバイオマスのクエンチングは、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、Medoffの米国特許第8,083,906号に記載される。

0106

所望なら、照射に加えて1つ以上の機械的処理を利用して、炭水化物含有材料の難分解性をさらに低下させることができる。これらの工程は、照射の前、照射の間および/または照射後に適用することができる。

0107

幾つかの例において、機械的処理としては、受け取り時の原料の初期調製、例えば破砕、例えば切断、粉砕、せん断微粉砕または打ち切りなどによる材料のサイズ減少を挙げることができる。例えば幾つかの例において、まとまりのない原料(例えば、リサイクル紙、デンプン質材料、またはスイッチグラス)は、せん断または細断により調製される。機械的処理は、炭水化物含有材料の嵩密度を低下させ、炭水化物含有材料の表面積を増加させ、そして/または炭水化物含有材料の1つ以上の寸法を減少させることができる。

0108

代わりまたは追加として、原料を、別の処理、例えば酸(HCl、H2SO4、H3PO4)、塩基(例えば、KOHおよびNaOH)、化学的酸化剤(例えば、過酸化物、塩素酸塩、および/またはオゾン)、照射、水蒸気爆発、熱分解、音波処理、酸化、化学的処理などの化学的処理で処理することができる。処理は、どのような順序でも、どのような連続でも、そしてそれらを組合せていてもよい。例えば原料は最初、1つ以上の処理方法、例えば酸加水分解(例えば、HCl、H2SO4、H3PO4の使用)を含みそれらと組合せた化学的処理、放射線、音波処理、酸化、熱分解または水蒸気爆発により物理的に処理し、その後、機械的に処理することができる。この連続は、他の処理、例えば照射または熱分解の1つ以上により処理される材料がより脆性の傾向があり、それゆえ機械的処理により材料の構造をさらに変化させることが容易となり得るため、有利となろう。別の例として、原料は、本明細書に記載されたコンベヤを用いて電離放射線を通って運搬され、その後、機械的に処理することができる。化学的処理は、リグニンの一部または全てを除去することができ(例えば、化学パルプ化)、材料を部分的または完全に加水分解することができる。該方法は、予め加水分解された材料で使用することもできる。該方法は、予め加水分解されていない材料で用いることもできる。該方法は、加水分解材料と、非加水分解材料、例えば約50%以上の非加水分解材料、約60%以上の非加水分解材料、約70%以上の非加水分解材料、約80%以上の非加水分解材料、または約90%以上の非加水分解材料との混合物で用いることができる。

0109

加工の最初および/または後に実行され得るサイズ減少に加えて、機械的処理は、炭水化物含有材料を「切り開く」、「応力を加える」、破壊する、または破断して、物理的処理の間に材料のセルロースに分子鎖切断および/または結晶構造の崩壊を受け易くさせるのにも有利となり得る。

0110

炭水化物含有材料を機械的に処理する方法としては、例えば、ミリングまたは粉砕が挙げられる。ミリングは、例えばハンマーミル、ボールミルコロイドミルコニカルもしくはコーンミルディスクミルエッジミルウィリーミルグリストミルまたは他のミルが挙げられる。粉砕は、例えば切断/衝撃型グラインダーを用いて実施されてもよい。幾つかの模範的グラインダーとしては、石材用グラインダー、ピングラインダー、コーヒーグラインダーおよびバーグラインダーが挙げられる。粉砕またはミリングは、例えば、ピンミルの場合のように、往復運動ピンまたは他の要素により、提供されてもよい。他の機械的処理方法としては、機械的切り裂きまたは引き裂き、繊維に圧力を加える他の方法、および空気摩耗ミリングが挙げられる。適切な機械的処理は、これまで加工処理ステップにより開始された材料の内部構造の崩壊を継続する任意の他の技法をさらに含む。

0111

機械的供給調製系は、例えば、特定最大サイズ、特定の長さ対幅、または特定の表面積比などの特定の性質を有する流れを生じるよう構成することができる。物理的調製は、反応速度を上昇させ、コンベヤ上の材料の動きを改善し、材料の照射プロファイルを改善し、材料の放射線均一性を改善し、または材料を切開して、それらを工程および/もしくは試薬、例えば溶液中の試薬に接近し易くすることによって必要とされる加工時間を減少させることができる。

0112

原料の嵩密度は、制御(例えば、増大)することができる。幾つかの状況では、例えば材料を高密度化し(例えば高密度化は、別の場所に運搬するのを容易にかつ低コストにし得る)、その後、材料をより低い嵩密度状態に戻す(例えば、運搬後)ことにより、低嵩密度材料を調製することが望ましい。該材料は、例えば、約0.2g/cc未満から約0.9g/ccを超えるまで(例えば、約0.3未満〜約0.5を超えるまで、約0.3未満〜約0.9g/ccを超えるまで、約0.5未満〜約0.9を超えるまで、約0.3未満〜約0.8g/ccを超えるまで、約0.2未満〜約0.5g/ccを超えるまで)に高密度化することができる。例えば材料は、開示全体が、参照により本明細書に組み入れられる、米国特許第7,932,065号(Medoff)および国際公開WO 2008/073186号(2007年10月26日出願;英語で公開;米国を指定)に開示された方法および設備により高密度化され得る。高密度化材料は、本明細書に記載された方法のいずれかにより加工することができ、または本明細書に記載された方法のいずれかにより加工された任意の材料は、次に、高密度化することができる。

0113

幾つかの実施形態において、加工される材料は、繊維源をせん断することにより提供される繊維を含む繊維性材料の形態である。例えば、剪断は、回転式ナイフカッターで実施することができる。

0114

例えば、難分解性であるか、または難分解性レベルが低減された繊維源は、例えば回転式ナイフカッターで剪断されて、最初の繊維性材料を提供し得る。最初の繊維性材料は、例えば1.59mm以下(1/16インチ、0.0625インチ)の平均開口サイズを有する、第一のふるいに通されて、第二の繊維性材料を提供する。所望なら、繊維源は、例えばシュレッダーで、剪断前に切断することができる。例えば、紙が繊維源として用いられる場合、紙は最初、シュレッダー、例えばMunson(ニューヨーク州ユーティカ所在)製造のものなどの卓上回転式スクリューシュレッダーを用いて、例えば、1/4〜1/2インチ幅の細片に切断することができる。細断に代わるものとして、ギロチンカッターを用いて、所の望サイズに切断することにより、紙はサイズを減少することができる。例えば、ギロチンカッターは、紙を、例えば幅10インチ、長さ12インチの、シートに切断するために用いることができる。

0115

幾つかの実施形態において、繊維源の剪断、およびその結果生じる第一の繊維性材料の第一のふるいへの通過は、同時に実施される。剪断および通過は、バッチ式工程でも実施することができる。

0116

例えば、回転式ナイフカッターを用いて、同時に、繊維源を剪断して第一の繊維性材料をふるい分けすることができる。回転式ナイフカッターは、繊維源を細断することにより調製される細断繊維源を積載され得るホッパーを含む。

0117

幾つかの実行において、原料は、糖化および/または発酵の前に物理的に処理される。物理的処理工程は、本明細書中に記載された工程、例えば機械的処理、化学的処理、照射、音波処理、酸化、熱分解または水蒸気爆発のいずれかのうちの1つ以上を含むことができる。処理方法は、これらの技法のうちの2、3、4、または全ての組合せ(任意の順序)で用いることができる。1つより多い処理方法が用いられる場合、該方法は、同時に、または異なる時点で適用することができる。バイオマス原料の分子構造を変化させる他の工程も、単独で、または本明細書に開示された工程と組合せて用いることができる。

0118

用いられ得る機械的処理、ならびに機械的処理される炭水化物含有材料の性質は、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、2011年10月18日出願の米国特許出願公開第2012/0100577 A1号にさらに詳細に記載される。

0119

音波処理、熱分解、酸化、水蒸気爆発
所望により、炭水化物含有材料の難分解性を低下させる、またはさらに低下させるために、照射の代わりまたは追加として、1つ以上の音波処理、熱分解、酸化または水蒸気爆発工程を用いることができる。例えばこれらの工程は、照射の前、照射の間および/または照射後に適用することができる。これらの工程は、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、Medoffの米国特許第7,932,065号に詳細に記載される。

0120

中間体および生成物
本明細書中に記載される工程を用いて、バイオマス材料を、1種以上の製品、例えばエネルギー、燃料食物および材料に変換することができる。例えば、有機酸、有機酸の塩、酸無水物、有機酸のエステルおよび燃料、例えば内燃機関のための燃料または燃料電池のための原料などの中間体および生成物。即座に入手可能であるが、多くの場合、加工するのが困難になり得るセルロースおよび/またはリグノセルロース材料、例えば自治体廃棄物流れおよび廃棄紙流れ、例えば新聞クラフト紙、段ボール紙またはこれらの混合物を含む流れを原料として用い得るシステムおよび工程が、本明細書に記載される。

0121

生成物の具体的例としては、水素、糖(例えば、グルコース、キシロース、アラビノース、マンノースガラクトース、フルクトース、二糖類、オリゴ糖類および多糖類)、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−プロパノールイソブタノール、sec−ブタノール、tert−ブタノールまたはn−ブタノール)、水和または水性アルコール(例えば、10%を超える、20%、30%、または40を超える水を含有)、バイオディーゼル、有機酸、炭化水素(例えば、メタンエタンプロパンイソブテンペンタンn−ヘキサン、バイオディーゼル、バイオガソリンおよびそれらの混合物)、共生成物(例えば、セルロース分解タンパク質(酵素)または単細胞タンパク質などのタンパク質)、ならびに任意の組合せまたは相対濃度での、ならびに場合により任意の添加剤(例えば、燃料添加剤)と組合せたこれらのいずれかの混合物が挙げられるが、これらに限らない。他の例としては、カルボン酸カルボン酸塩、カルボン酸とカルボン酸塩とカルボン酸エステルとの混合物(例えば、メチルエチルおよびn−プロピルエステル)、ケトン(例えば、アセトン)、アルデヒド(例えば、アセトアルデヒド)、αおよび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)が挙げられる。その他のアルコールおよびアルコール誘導体としては、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、糖アルコール(例えば、エリトリトールグリコール、グリセロール、ソルビトール、トレイトールアラビトールリビトールマンニトールダルトールフシトールイジトールイソマルトマルチトールラクチトール、キシリトールおよびポリオール)、ならびにこれらのアルコールのいずれかのメチルまたはエチルエステルが挙げられる。その他の生成物としては、アクリル酸メチルメタクリル酸メチル、D−乳酸、L−乳酸、ピルビン酸、ポリ乳酸クエン酸ギ酸酢酸プロピオン酸、酪酸、コハク酸、吉草酸カプロン酸3−ヒドロキシプロピオン酸パルミチン酸ステアリン酸シュウ酸マロン酸グルタル酸オレイン酸リノール酸グリコール酸γ−ヒドロキシ酪酸、およびそれらの混合物、これらの酸のいずれかの塩、これらの酸およびその各塩のいずれかの混合物が挙げられる。

0122

上記生成物と互いとの任意の組合せ、および/または上記生成物と本明細書中に記載される工程もしくは他の方法で製造され得る他の生成物との任意の組合せは、一緒に包装され、製品として販売され得る。該生成物は、混和され、例えば混合、ブレンド、もしくは共溶解されてもよく、または単に一緒に包装もしくは販売され得る。

0123

本明細書中に記載された生成物または生成物の組合せのいずれかは、製品販売の前に、例えば精製もしくは単離後、または包装後でも、生成物(複数可)中に存在し得る1つ以上の潜在的に望ましくない混入物中和するために、衛生化または滅菌され得る。そのような衛生化は、電子衝撃で、例えば約20Mrad未満、例えば約0.1〜15Mrad、約0.5〜7Mrad、または約1〜3Mradの線量で実行することができる。

0124

本明細書中に記載された工程は、プラントの他の部分で用いられる、または公開市場で販売される水蒸気電気を生成する(コジェネレーション)に有用となる様々な副産物流れを生成することができる。例えば、燃焼副産物流れから生成された水蒸気は、蒸留工程に用いることができる。別の例として、燃焼副産物流れから生成された電気は、前処理に用いられる電子ビーム発生機を作動するために用いることができる。

0125

水蒸気および電気を生成するために用いられる副産物は、工程全体を通して複数の供給源から得られる。例えば廃水嫌気性消化は、メタンが高濃度のバイオガスと、少量の廃棄物バイオマス(スラッジ)を生じ得る。別の例として、糖化後および/または蒸留後固体(例えば、前処理および一次工程後に残存する未変換のリグニン、セルロースおよびヘミセルロース)が用いること、例えば燃料として燃焼することができる。

0126

食品および医薬品をはじめとする他の中間体および生成物は、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、2010年5月20日公開のMedoffへの米国特許出願公開第2010/0124583 A1号に記載される。

0127

リグニン由来生成物
記載された方法によるリグノセルロース加工からの使用済みバイオマス(例えば、使用済みリグノセルロース材料)は、高いリグニン量を有することが期待され、コジェネレーションプラントでの燃焼を通したエネルギー生成に有用であることに加え、他の貴重な生成物としての用途を有し得る。例えばリグニンは、プラスチックとして入手されたまま使用することができ、または合成により他のプラスチックに格上げすることもできる。幾つかの例において、それは結合剤分散剤乳化剤もしくは金属イオン封鎖剤として用いられ得るリグのスルホナートに変換することができる。

0128

結合剤として用いられる場合、リグニンまたはリグノスルホナートは、例えば練炭中で、セラミック中で、カーボンブラックを結合させるために、肥料除草剤を結合させるため、粉塵抑制剤として、合板およびパーティクルボードを作製する際、動物飼料を結合させるため、ファイバーガラスの結合剤として、リノリウムペースト中の結合剤として、そして土壌安定化剤として、用いることができる。

0129

分散剤として用いられる場合、リグニンまたはリグのスルホナートは、例えばコンクリートミックス、粘土およびセラミック、染料および顔料なめしおよび石膏ボードにおいて用いることができる。

0130

乳化剤として用いられる場合、リグニンまたはリグノスルホナートは、例えばアスファルト、顔料および染料、殺虫剤、ならびにワックスエマルジョン中で用いることができる。

0131

金属イオン封鎖剤として、リグニンまたはリグノスルホナートを、例えば微量栄養素系、洗浄化合物および水処理システム中で、例えばボイラおよび冷却システムに用いることができる。

0132

エネルギー生成の場合、リグニンは一般に、ホモセルロース(セルロールおよびヘミセルロース)よりも多くの炭素を含むため、ホロセルロースよりも高いエネルギー量を有する。例えば乾性リグニンは、ホロセルロースの7,000、8,000BTU/ポンドに比較して、約11,000〜12,500BTU/ポンドのエネルギー量を有することができる。そのためリグニンは、高密度化して燃焼用ブリケットおよびペレットに変換することができる。例えばリグニンは、本明細書に記載された任意の方法によりペレットに変換することができる。より緩やかに燃焼するペレットまたはブリケットの場合、約0.5Mrad〜5Mradの放射線量をあてるなどで、リグニンを架橋させることができる。架橋は、緩やかな燃焼のフォームファクターを作ることができる。ペレットまたはブリケットなどのフォームファクターは、例えば400〜950℃で、空気の存在下で熱分解することにより「合成の炭」または木炭に変換することができる。熱分解の前に、リグニンを架橋して、構造完全性を維持することが望ましくなり得る。

0133

糖化
原料を即座に加工され得る形態に変換するために、原料中のグルカン−またはキシラン含有セルロースを、糖化剤、例えば酵素または酸により、低分子量炭水化物、例えば糖に加水分解することができる(糖化と称される工程)。その後、低分子量炭水化物を、例えば既存の製造プラントにおいて、例えば単細胞タンパク質プラント、酵素製造プラント、または燃料プラント、例えばエタノール製造施設において、用いることができる。

0134

原料は、酵素を用いて、例えば溶媒中で、例えば水溶液中で、材料および酵素を混和することにより、加水分解することができる。

0135

あるいは、バイオマス、例えばバイオマスのセルロースおよび/またはリグニン部分を分解し、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小分子バイオマス分解代謝産物を含有または製造する生物体により供給することができる。これらの酵素は、結晶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ために相乗的に作用する酵素の複合体であり得る。セルロース分解酵素の例としては、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)が挙げられる。

0136

糖化の間に、セルロース基質は最初、任意の位置でエンドグルカナーゼにより加水分解されて、オリゴマー中間体を生成し得る。これらの中間体は、その場合、セルロースポリマー末端からセロビオースを生成するためのセロビオヒドロラーゼのような外分割グルカナーゼのための基質である。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、セロビアーゼは、セロビオースを切断して、グルコースを生成する。この工程の効率(例えば、加水分解するための時間および/または加水分解の完全性)は、セルロース材料の難分解性に依存する。

0137

それゆえ処理されたバイオマス材料は、一般には該材料およびセルラーゼ酵素流動媒体、例えば水溶液中で混和することにより、糖化することができる。幾つかの例において、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、2012年4月26日公開のMedoffおよびMastermanへの米国特許出願公開第2012/0100577 A1号に記載される通り、材料は、糖化の前に高温水中沸騰、浸漬、または蒸解される。

0138

糖化工程は、製造プラントにおいてタンク(例えば、少なくとも4000、40,000または500,000Lの容積を有するタンク)中で部分的もしくは完全に実施することができ、そして/または輸送中に、例えば鉄道車輛タンカートラック、スーパータンカーもしくは船倉において、部分的もしくは完全に実施することができる。完全糖化に要する時間は、工程条件、ならびに用いられる炭水化物含有材料および酵素に依存する。糖化が、制御された条件下で製造プラントにおいて実施される場合、セルロースは、約12〜96時間で、実質的に完全に、糖、例えばグルコースに変換され得る。糖化が、輸送中に部分的または完全に実施される場合、糖化は、より長い時間を要し得る。

0139

例えば開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、WO2010/135380号として英語で公開され米国を指定した、2010年5月18日出願の国際出願PCT/US2010/035331号に記載されたようなジェットミキシングを用いて、糖化中にタンク内容物が混合されるのが、一般的に好ましい。

0140

界面活性剤の添加により、糖化の速度を増強することができる。界面活性剤の例としては、非イオン性界面活性剤、例えばTween(登録商標)20または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、または両性イオン性界面活性剤が挙げられる。

0141

糖化により生じる糖溶液の濃度が相対的に高いこと、例えば40重量%を超える、または50重量%を超える、60重量%、70重量%、80重量%、90重量%または95重量%を超えることが、一般的に好ましい。水は、例えば蒸発により除去されて、糖溶液の濃度を増大し得る。これは、出荷される容量を減少させ、溶液中での微生物増殖阻害する。

0142

あるいは低濃度の糖溶液が用いられてもよく、この場合、抗菌性添加剤、例えば広域抗生物質を、低濃度で、例えば50〜150ppmで添加することが望ましくなり得る。他の適切な抗生物質としては、アンフォテリシン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、ヒグロマイシンB、カナマイシンネオマイシンペニシリンプロマイシンストレプトマイシンが挙げられる。抗生物質は、運搬および貯蔵中の微生物の増殖を阻害し、適切な濃度で、例えば15〜1000重量ppm、例えば25〜500ppm、または50〜150ppmで用いることができる。糖濃度が相対的に高い場合でも、所望なら、抗生物質を含ませることができる。あるいは、防腐特性を有する抗菌性の他の添加物が、用いられてもよい。好ましくは、抗菌性添加剤(複数可)は、食品等級である。

0143

酵素を有する炭水化物含有材料に添加される水の量を限定することにより、相対的に高濃度の溶液が得られる。例えば糖化が起こる程度を制御することにより、濃度を制御することができる。例えば、濃度は、溶液により多くの炭水化物含有材料を添加することにより、増大され得る。溶液中で生成されている糖を保持するために、界面活性剤、例えば先に議論された界面活性剤の1種を添加することができる。溶液の温度を上昇させることにより、溶解度も増大することができる。例えば、溶液は、40〜50℃、60〜80℃、またはそれを超える温度を保持することができる。

0144

糖化剤
適切なセルロース分解酵素としては、バシラス属、ヒトヨタケ属、ミセリオフィトラ属、セファロスポリウム属、シタリジウム属、ペニシリウム属アスペルギルス属シュードモナス属フミコラ属フザリウム属チエラビア属、アクレモニウム属クリソスポリウム属およびトリコデルマ属菌株由来のセルラーゼが挙げられ、特にアスペルギルス種(例えば、欧州特許公開第0458162号参照)、フミコラインソレンス(シタリジウム・テルモフィルムとして再分類;例えば、米国特許第4,435,307号参照)、コプリヌス・シエレウスフザリウムオキシスポルム、ミセリオフィトラ・テルモフィラ、メリピルス・ギガンテウス、チエラビア・テレストリスアクレモニウム種(例えば非限定的に、A.ペルシシヌム、A.アクレモニウム、A.ブラキペニウム、A.ジクモスポルム、A.オブクラツム、A.ピンケルトニエ、A.ロゼオグリセウム、A.インコロラツムおよびA.フラツムなど)の種から選択される菌株により産生されるものが挙げられる。好ましい菌株としては、フミコラ・インソレンス DSM1800、フザリウム・オキシスポルム DSM2672、ミセリオフィトラ・テルモフィラ CBS117.65、セファロスポリウム種 RYM−202、アクレモニウム種 CBS478.94、アクレモニウム種 CBS265.95、アクレモニウム・ペルシシヌム CBS169.65、アクレモニウム・アクレモニウムAHU9519、セファロスポリウム種 CBS535.71、アクレモニウム・ブラキペニウム CBS866.73、アクレモニウム・ジクロモスポルム CBS683.73、アクレモニウム・オブクラバツム CBS311.74、アクレモニウム・ピンケルトニエ CBS157.70、アクレモニウム・ロゼオグリセウム CBS134.56、アクレモニウム・インコロラツム CBS146.62、およびアクレモニウム・フラツム CBS299.70Hが挙げられる。セルロース分解酵素は、クリソスポリウム属、好ましくはクリソスポリウム・ルクノウエンスの菌株から得ることもできる。用いられ得る更なる菌株としては、トリコデルマ属(特に、T.ビリデ、T.リーセイおよびT.コニンギー)、好アルカリ性バシラス属(例えば米国特許第3,844,890号および欧州特許公開第0458162号参照)、およびストレプトミセス属(例えば、欧州特許公開第0458162号参照)が挙げられるが、これらに限らない。

0145

酵素に加えて、またはそれと併せて、酸、塩基および他の化学物質(例えば、酸化剤)を、リグノセルロース材料およびセルロース材料を糖化するのに用いることができる。これらは、任意の組合せまたは順番(例えば、酵素の添加前、添加後および/または添加中)で用いることができる。例えば強い鉱酸(例えば、HCl、H2SO4、H3PO4)および強塩基(例えば、NaOH、KOH)を用いることができる。

0146


本明細書に記載された工程において、例えば糖化後に、糖(例えば、グルコースおよびキシロース)を単離することができる。例えば糖は、沈降、結晶化、クロマトグラフィー(例えば、本明細書に記載された擬似移動床クロマトグラフィー、高圧クロマトグラフィー)、遠心分離、抽出、当該技術分野で公知の任意の他の単離方法、およびそれらの組合せにより単離することができる。

0147

水素添加および他の化学転換
本明細書に記載された工程は、水素添加を含み得る。例えば、グルコースおよびキシロースは、それぞれソルビトールおよびキシリトールに水素添加され得る。水素添加は、高圧(例えば、10〜12000psi)下で、H2と併用で触媒(例えば、Pt/γ−Al2O3、Ru/C、ラネーニッケル、または当該技術分野で公知の他の触媒)の使用により遂行され得る。本明細書に記載された工程から得られた生成物の化学転換の他のタイプ、例えば有機糖由来生成物(例えば、フルフラルおよびフルフラル由来生成物)の生成を、利用することができる。糖由来生成物の化学転換は、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、2013年7月3日出願の米国特許出願第13/934,704号に記載される。

0148

発酵
例えば酵母およびザイモモナス菌は、糖(複数可)からアルコール(複数可)への発酵または変換に用いることができる。他の微生物は、以下に議論される。発酵の至適pHは、約pH4〜7である。例えば、酵母の至適pHは、約pH4〜5であるが、ザイモモナス属の至適pHは、約5〜6である。典型的な発酵時間は、約24〜168時間(例えば24〜96時間)で、温度は20℃〜40℃(例えば、26℃〜40℃)の範囲内であるが、好熱性微生物では、より高温が好ましい。

0149

幾つかの実施形態において、例えば嫌気性生物が、用いられる場合、発酵の少なくとも一部は、酸素の非存在下、例えばN2、Ar、He、CO2またはそれらの混合物などの不活性ガスで覆われて、実行される。加えて混合物は、発酵の一部または全ての間、タンクを通して流れる不活性ガスの一定したパージを有し得る。幾つかの例において、嫌気性条件が、発酵中の二酸化炭素生成により達成または保持され、更なる不活性ガスは必要とならない。

0150

幾つかの実施形態において、発酵工程の全てまたは一部を、低分子量の糖が完全に生成物(例えば、エタノール)に変換される前に、遮断することができる。中間発酵生成物としては、高濃度の糖および炭水化物が挙げられる。糖および炭水化物は、当該技術分野で公知の任意手段により単離され得る。これらの中間発酵生成物は、ヒトまたは動物消費のための食物の調製に用いることができる。追加または代わりとして、中間発酵生成物は、ステンレス鋼の実験用ミルで微粒子径に粉砕されて、小麦粉様物質を生成することができる。ジェットミキシングを、発酵中に用いることができ、幾つかの例において、糖化および発酵は、同一タンク中で実施される。

0151

微生物のための栄養素は、糖化および/または発酵中に添加され、例えば食物ベースの栄養素パッケージは、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、2011年7月15日出願の米国特許出願公開第2012/0052536号に記載される。

0152

「発酵」は、内容が全体として参照により本明細書に組み入れられる、2013年6月27日公開のPCT/US2012/71093号、2012年6月27日公開のPCT/US2012/71907号、および2012年6月27日公開のPCT/US2012/71083号に開示される。

0153

内容が全体として参照により本明細書に組み入れられる、国際出願PCT/US2007/074028号(2007年7月20日出願;WO2008/011598として英語で公開され、米国を指定)と米国特許8,318,452に記載されているように、可動性発酵槽を利用することができる。同様に、糖化設備は、可動性であってもよい。さらに、糖化および/または発酵は、輸送中に、一部または完全に実施されてもよい。

0154

発酵剤
発酵に用いられる微生物(複数可)は、天然由来微生物および/または遺伝子操作された微生物であってもよい。例えば微生物は、細菌(例えば非限定的に、セルロース分解性細菌など)、真菌(例えば非限定的に、酵母など)、植物、原生生物、例えば原生動物または真菌様原生生物(例えば非限定的に、粘菌など)、または藻類であってもよい。生物体が適合性である場合、生物体の混合物を利用することができる。

0155

適切な発酵微生物は、炭水化物、例えばグルコース、フルクトース、キシロース、アラビノース、マンノース、ガラクトース、オリゴ糖類または多糖類を発酵生成物に変換する能力を有する。発酵微生物としては、サッカロミセス種(例えば非限定的に、S.セレビシエパン酵母)、S.ディスタクス、S.ウバルムなど)、クルイベロミセス属(例えば非限定的に、K.マルシアヌス、K.フラギリスなど)、カンジダ属(例えば非限定的に、C.シュートロピカリスおよびC.ブラッシケ)、ピキアスチピチス(カンジダ・シェハテの共通系統)、クラビスポラ属(例えば非限定的に、C.ルシタニエおよびC.オプンチエなど)、パチソレン属(例えば非限定的に、P.タンフィルスなど)、ブレタンノミセス属(例えば非限定的に、B.クラウセニイ(Philippidis, G. P., 1996, Cellulose bioconversion technology, in Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman, C.E., ed., Taylor & Francis, Washington, DC, 179−212)など)の菌株が挙げられる。その他の適切な微生物としては、例えば、ザイモモナス・モビリスクロストリジウム種(例えば非限定的に、C.テルモセルム(Philippidis, 1996,上記)、C.サッカロブチラセトニクム、C.チロブチリクム、C.サッカロブチリクム、C.プニセウム、C.ベイジェルキイおよびC.アセトブチリクム)、モニリエラ種(例えば非限定的に、M.ポリニス、M.トメントサ、M.マディダ、M.ニグレッセンス、M.エドセファリ(M.oedocephali)、M.メガチリエンシス)、ヤロウィアリポリチカ、アウレオバシジウム種、トリコスポロノイデス種、トリゴノプシス・バリアビリストリコスポロン種、モニリエラアセトアブタンス種、チフラ・バリアビリス、カンジダ・マグノリエ、ウスチラギノミセテス種、シュードザイマ・ツクバエンシス、ジゴサッカロミセス属の酵母種、デバリオマイセス属、ハンセヌラ属およびピチカ属、ならびにトルラ属の黒色真菌(例えば、T.コラリナ)などが挙げられる。

0156

更なる微生物としては、ラクトバチルスの群が挙げられる。例としては、ラクトバチルス・カゼイ、ラクトバチルス・ラムノサス、ラクトバチルス・デルブルエキイ、ラクトバチルス・プランタルム、ラクトバチルス・コリフォルミス、例えばラクトバチルス・コリニフォルミス亜種トルケンス、ラクトバチルス・ペントサス、ラクトバチルス・ブレビスが挙げられる。他の微生物としては、ペディオコッカスペントサセウス(Pediococus penosaceus)、リゾプスオリゼが挙げられる。

0157

複数の生物体、例えば細菌、酵母および真菌を用いて、糖およびアルコールなどのバイオマス由来生成物を、例えばコハク酸に発酵することができる。例えば生物体は、アクチノバシルススクシノゲネス、アナエロビオスピリルム・スクシニシプロデュセンス、マンヘイミア・スクシニシプロデュセンス、ルミノコッカス・フラベファシエンス、ルミノコッカス・アルブス、フィブロバクター・スクシノゲネス、バクテロイデス・フラギリス、バクテロイデス・ルミニコラ、バクテロイデス・アミロフィルス、バクテリオデス・スクシノゲネス、マンヘイミア・スクシニシプロデュセンス、コリネバクテリウムグルタミカム、アスペルギルス・ニゲル、アスペルギルス・フミガーツスビソクラミスニベア、レンチヌス・デジェネ、ペシロマイセス・バリオチ、ペニシリウムビニフェラム、サッカロマイセス・セレビシエ、エンテロコッカス・フェカリプレボテラ・ルミニコラ、デバリオマイセス・ハンセニイ、カンジダ・カテヌラタVKM Y−5、C.ミコデルマVKM Y−240、C.ルゴサVKM Y−67、C.パルジゲナ(paludigena)VKM Y−2443、C.ウティリスVKM Y−74、C.ウティリス766、C.ゼイラノイデスVKM Y−6、C.ゼイラノデスVKM Y−14、C.ゼイラノデスVKM Y−2324、C.ゼイラノデスVKM Y−1543、C.ゼイラノデスVKM Y−2595、C.バリダVKM Y−934、クルイベロマイセス・ウィッカーハミイVKM Y−589、ピキア・アノマラVKM Y−118、P.ベッセイイVKM Y−2084、P.メディアVKM Y−1381, P.ギリエルモンディH−P−4、P.ギリエルモンディ916、P.イノシトボラVKM Y−2494、サッカロマイセス・セレビシエVKM Y−381、トルロプシス・カンジダ127、T.カンジダ420、ヤロウイアリポリティカ12a、Y.リポリティカVKM Y−47、Y.リポリティカ69、Y.リポリティカVKM Y−57、Y.リポリティカ212、Y.リポリティカ374/4、Y.リポリティカ585、Y.リポリティカ695、Y.リポリティカ704、およびこれらの生物体の混合物から選択することができる。

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ