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JP6220779B2 - バイオマス処理 - Google Patents
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Description

関連出願
本出願は、２０１１年６月９日に出願された米国仮特許出願第６１／４９５，２１７号に対し優先権を主張する。この仮特許出願の完全な開示は、これによって参照により本明細書に組み込まれる。
セルロースおよびリグノセルロース材料が大量に多くの用途で生成され、加工され、使用される。しばしば、そのような材料は１度使用されると、その後、廃棄物として廃棄され、あるいは単に、廃棄材料、例えば、汚水、バガス、おがくず、およびストーバであると考えられる。
バイオマス材料を低分子量糖に変換する、例えば、原料を、酵素、例えば、１つ以上のセルラーゼおよび／またはアミラーゼを用いて糖化することにより、バイオマス材料、例えば、セルロース、リグノセルロースおよび／またはデンプン質原料を糖化または液化するためのプロセスが本明細書で開示される。本発明はまた、例えば、バイオプロセス加工、例として発酵により、原料を生成物に変換することに関する。プロセスは、原料をウェットミリングすることを含む。本発明者らは、原料のウェットミリングは、糖化に必要とされる時間を低減させ、一定の糖化時間で得られ得る糖の濃度を増加させる傾向があることを見出した。ウェットミリングは、単独で、または本明細書で記載される任意の処理と相乗的に作用して、バイオマス材料の不応性を低減させることができる。
本明細書で開示されるプロセスは、低嵩密度材料、例えば、約０．７５ｇ／ｃｍ３未満、例えば、約０．７、０．６５、０．６０、０．５０、０．３５、０．２５、０．２０、０．１５、０．１０、０．０５、またはそれ以下未満、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使用することができる。
そのような材料は、液体中、例えば、糖化、発酵、または他の加工のための水または溶媒系を用いて分散させるのが困難であり得る。それらの低嵩密度のために、材料は、濡らされ、液体中に分散されるのではなく、液体の表面に浮遊する傾向がある。場合によっては、材料は疎水性、高結晶性である、またはそうでなければ、濡らすのが困難であり得る。同時に、糖化材料中で高い最終濃度の糖、または、加工後に高濃度の所望の生成物（例えば、発酵後のエタノールまたは他のアルコール（複数可））を得るために、比較的高い固体レベルの分散で原料を加工することが望ましい。場合によっては、本明細書で記載される方法を使用すると、加工中の分散固体レベルは、例えば、少なくとも１０、１５、２０、２２．５、２５、２７．５、３０、３５、４０、４５、またはさらには、少なくとも５０重量パーセントの溶解固体とすることができる。例えば、固体レベルは約１０〜５０％、例えば、約１０−４０％、１０−３０％、または１０−２０％とすることができる。
１つの態様では、本発明は、リグノセルロース材料の粒子サイズを３０００μｍ未満、例えば２０００μｍ未満、１０００μｍ未満またはさらには、５００μｍ未満、例えば、２５０μｍ未満または１００μｍ未満に低減させることを特徴とする。粒子サイズ範囲は１００−３０００μｍ、例えば、２００−２０００μｍ、２００−１０００μｍ、５００−１０００μｍとすることができる。
１つの態様では、本発明は、リグノセルロース材料の不応性を低減し、リグノセルロース材料をウェットミリングすることを特徴とする。場合によっては、不応性はウェットミリング前に低減される。材料は、不応性を低減する前、または不応性を低減した後、材料をウェットミリングする前に高密度化することができる。
別の態様では、本発明はリグノセルロース材料、例えば、低減された不応性を有するリグノセルロース材料をウェットミリングすることを含む方法を特徴とする。
本発明のこれらの態様のいずれかは、いくつかの実施態様では、下記特徴のいずれかを含むことができる。
バイオマス材料、例えば、リグノセルロース材料の不応性は、例えば、リグノセルロース材料を放射線照射することにより、例えば、材料お電子ビーム曝露することにより低減させることができる。場合によっては、照射は、リグノセルロース材料に、少なくとも５Ｍｒａｄの線量、例えば、少なくとも１０、２０、３０、５０、１００、１５０またはさらには、２００Ｍｒａｄを送達させることを含む。例えば、線量は５−２００Ｍｒａｄ、例えば、５−１００Ｍｒａｄ、５−５０Ｍｒａｄ、５−１０Ｍｒａｄ、１０−１００Ｍｒａｄ、または１０−５０Ｍｒａｄの範囲とすることができる。
リグノセルロース材料は、例えば、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、アバカ、わら、麦わら、トウモロコシ軸、トウモロコシストーバ、スイッチグラス、アルファルファ、乾草、ヤシの毛、海藻、藻類、およびそれらの混合物からなる群より選択される材料とすることができる。
バイオマスはまた、デンプン質、リグノセルロースおよび／またはセルロース材料の組み合わせとすることができる。例えば、バイオマスは、植物、例えば、コムギ植物、綿植物、トウモロコシ植物、コメ植物または木の、植物全体または一部（複数可）とすることができる。
いくつかの実施態様では、ウェットミリングは、ローター／ステーターヘッドを用いて実施される。ローターおよびステーターは、歯のネスティングリングを含み得る。場合によっては、ステーターは、２つ以上の歯の同心円リングを含み、ローターは、ステーターの隣接する歯のリング間で適合するように構成された歯のリングを含む。ローターとステーターの間のクリアランスは一般に小さく、高せん断が生成され、例えば約０．０１〜０．２５インチ（０．２５〜６．４ｍｍ）であり得る。各歯のリング内の歯間の空間もまた一般に小さく、例えば、約０．１〜０．３インチ（２．５〜７．６ｍｍ）であり得る。
ウェットミリングは、例えば、プロセスが大タンクまたは容器内で実施される場合、複数のローター／ステーターヘッドを用いて実施され得る。
ウェットミリングは一般に比較的高いせん断速度で実施される。せん断速度は、例えば、少なくとも２０，０００ｓｅｃ−１、（例えば、少なくとも２５，０００ｓｅｃ−１、少なくとも３０，０００ｓｅｃ−１、少なくとも４０，０００ｓｅｃ−１または少なくとも５０，０００ｓｅｃ−１）であり得る。せん断速度は、例えば約３０，０００ｓｅｃ−１〜約５０，０００ｓｅｃ−１（例えば、約２５，０００ｓｅｃ−１〜約５０，０００ｓｅｃ−１、約３０，０００ｓｅｃ−１〜約５０，０００ｓｅｃ−１、約３５，０００ｓｅｃ−１〜約５０，０００ｓｅｃ−１、約４０，０００ｓｅｃ−１〜約５０，０００ｓｅｃ−１、約２０，０００ｓｅｃ−１〜約４５，０００ｓｅｃ−１、約２０，０００ｓｅｃ−１〜約４０，０００ｓｅｃ−１、約２０，０００ｓｅｃ−１〜約３０，０００ｓｅｃ−１、約３０，０００ｓｅｃ−１〜約４０，０００ｓｅｃ−１）とすることができる。
いくつかの実施態様では、ウェットミリングはインラインで実施される。ジェットミキサーは、ウェットミリング中に適用され得る。ジェットミキサーはまた、その後の加工中、例えば、発酵中に使用され得る。方法はさらに酵素をバイオマス材料、例えば、リグノセルロース材料に、ウェットミリング前、中または後に添加すること、および／または微生物をバイオマス材料またはバイオマス材料由来の糖に添加することを含み得る。場合によっては、微生物は、ウェットミリングが完了した後に、例えば、ウェットミリングからの微生物への損害を避けるために添加される。いくつかの実施態様では、微生物は、バイオマス原料または糖をアルコール、有機酸、糖、炭化水素、およびそれらの混合物からなる群より選択される生成物に変換する。
本明細書で記載される方法は一般に、比較的高い固体レベルの原料の比較的迅速で有効な加工を提供する。混合物中の原料の初期固体レベルを増加させることにより、プロセスは、より迅速に、より効率的に、よりコスト効率よく進行することができ、最終生成物中で高い結果濃度が一般に達成され得る。場合によっては、固体は糖化中に、例えば、遠心機により除去することができ、より多くの原料が添加され得る。除去された固体は製品、例えば、電気のコジェネレーションのための可燃燃料としておよび／または動物飼料として使用され得る。
本明細書で記載される糖化プロセスはバイオマス材料、例えば、セルロースまたはリグノセルロース原料を便利な濃縮形態に変換するのを可能にする。これは容易に輸送され、別の製造施設、例えば、糖溶液をアルコールに発酵させ、生成物、例えば、燃料、例としてエタノール、ブタノールまたは炭化水素を製造するように構成された施設で使用され得る。そのような濃縮物はより少ない水を使用することができ、実質的な製造および輸送コストの節約となり得る。
本明細書で開示されるいくつかのプロセスは、原料の糖化、および原料の遠く離れた場所、例えば、原料が生成されまたは貯蔵される場所から、製造施設への輸送を含む。場合によっては、糖化は部分的にまたは完全に輸送中に起こり得る。
場合によっては、本明細書で記載されるシステム、またはその構成要素は携帯用とすることができ、よって、システムは（例えば、鉄道、トラック、または船舶により）１つの場所から別の場所へ輸送することができる。そのような移動式加工は２００９年１月２１日に出願された米国特許出願第１２／３７４，５４９号および国際出願第ＷＯ２００８／０１１５９８号（その全開示は参照により本明細書に組み込まれる）において記載される。
本明細書で記載される方法を用いて生成することができる例示的な生成物としては、炭化水素、タンパク質、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、イソブタノール、ｎ−プロパノールまたはｎ−ブタノール、カルボン酸、例えば酢酸、乳酸、クエン酸、プロピオン酸、コハク酸、３−ヒドロキシプロプリオン酸または酪酸、カルボン酸の塩、カルボン酸およびカルボン酸の塩の混合物、ならびにカルボン酸のエステル（例えば、メチル、エチルおよびｎ−プロピルエステル）、ケトン、アルデヒド、α不飽和酸、β不飽和酸、例えばアクリル酸、オレフィン、例えばエチレン、ブテン、およびこれらのいずれかの混合物が挙げられる。具体例としては、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール、ブタノール、１，４−ブタンジオール、１，３−プロパンジオール、これらのアルコールのいずれかのメチルまたはエチルエステル、メチルアクリレート、メチルメタクリレートが挙げられる。生成物はまた、糖、例えば、グルコース、キシロースおよびキシリトールを含む。これらのおよび他の生成物は２００９年４月３日に出願された米国特許出願第１２／４１７，９００号に記載されており；その全開示は参照により本明細書に組み込まれる。
１つの態様では、本発明は、その中にバイオマス材料が分散された流体中に配置されたウェットミルを含むウェットミリングシステムを特徴とする。システムは、例えば、任意で照射された（例えば、電子ビームを用いて）リグノセルロース材料を加工するために使用さすることができる。システムは、流体中に配置されたジェットミキサーを含むことができる。ウェットミリングシステムはローター／ステーターヘッドを含むことができ、例えばローターおよびステーターは歯のネスティングリングを含む。さらに、ステーターは２つ以上の歯の同心円リングを有することができる。本発明の他の態様は、１つ以上のジェットヘッドを有するタンク、およびタンク内に配置された１つ以上のウェットミルを含む。
嵩密度はＡＳＴＭＤ１８９５Ｂを用いて決定される。簡単に言うと、方法は、公知の体積のメスシリンダーに試料を充填し、試料の重量を入手することを含む。嵩密度は、グラムで表された試料の重量を、立方センチメートルで表されたシリンダーの公知の体積でわることにより計算される。
全ての刊行物、特許出願、特許、および本明細書で言及されるまたは本明細書に添付される他の参考文献は、それらが含む全てに対し、全体として、参照により組み込まれる。
セルロースのグルコースへの酵素加水分解を示す図である。 原料の糖および他の生成物への変換を示す流れ図である。図２Ａは、１つの実施形態による糖化システムの概略図である。図２Ｂは、別の実施形態による糖化システムの概略図である。 本明細書で開示される溶液および懸濁液を使用するように改造されたエタノール製造施設の概要図である。 １つの実施形態によるウェットミリングヘッドの組み立てられたローターおよびステーター平面図である。図４Ａは、ローターとステーターの間のクリアランスを示す図４の拡大断面図である。 ローターおよびステーター一緒の斜視図である。 ローターおよびステーターの分解斜視図である。 図６の図面線７−７によるローターの底面図である。 図６の図面線８−８によるステーターの平面図である。 図７で示されるローターの領域の拡大図である。 図８で示されるステーターの領域の拡大図である。 第２の実施形態によるウェットミリングヘッドの組み立てられたローターおよびステーターの平面図である。図１１Ａは、ローターとステーターの間のクリアランスを示す図１１の拡大断面図である。 ローターおよびステーター一緒の斜視図である。 ローターおよびステーターの分解斜視図である。 図１３の図面線１４−１４によるローターの底面図である。 図１３の図面線１５−１５によるステーター平面図である。 図１４で示されるローターの領域の拡大図である。 図１５で示されるステーターの領域の拡大図である。 ジェットミキサーノズルから出て行くジェット流を示す図である。 ジェットミキサーノズルから出て行くジェット流を示す図である。 １つの実施形態によるジェット流攪拌機の概略斜視図である。図１９Ａは、図１９のジェット流攪拌機の羽根車およびジェットチューブの拡大斜視図である。図１９Ｂは別の羽根車の拡大斜視図である。 ウェットミリングのためのシステムの断面図である。
本明細書で記載される方法を使用して、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）を加工することができ、有用な中間体および生成物、例えば有機酸、有機酸の塩、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が生成される。原料としてセルロースおよび／またはリグノセルロース材料（容易に入手できるが、しばしば加工するのが困難であり得る）、例えば、自治体廃棄物流および古紙流、例えば新聞紙、クラフト紙、段ボール紙またはこれらの混合物を含む流れを使用することができるシステムおよびプロセスが本明細書で記載される。
一般に、必要なら、材料は加工のために、および／または加工後、しばしばサイズ低減により物理的に処理することができる。本明細書で記載されるプロセスの多くは、原料の不応性レベルを有効に低下させ、例えばバイオプロセス加工（例えば、本明細書で記載される任意の微生物、例えばホモ酢酸生成細菌またはヘテロ酢酸生成細菌、および／または本明細書で記載される任意の酵素を用いる）、熱加工（例えば、気化または熱分解）あるいは化学的方法（例えば、酸加水分解または酸化）による加工を容易にすることができる。バイオマス原料は、本明細書で記載される方法、例えば機械的処理、化学的処理、放射線照射、超音波処理、酸化、熱分解または蒸気爆発のいずれかの１つ以上を使用して処理され、または加工され得る。様々な処理システムおよび方法がこれらの技術または本明細書およびどこかで記載される他のものの２、３、またはさらには、４もしくはそれ以上の組み合わせで使用され得る。場合によっては、ウェットミリング単独で、不応性を低減させることができ、または相乗的に、もしくは本明細書で記載される他の処理プロセスと共に作用することができる。
本明細書で開示されるプロセスは、約０．７５ｇ／ｃｍ３未満、例えば、約０．７、０．６５、０．６０、０．５０、０．３５、０．２５、０．２０、０．１５、０．１０、０．０５、またはそれ以下未満、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低嵩密度材料、例えばセルロースまたはリグノセルロース原料を使用することができる。嵩密度はＡＳＴＭＤ１８９５Ｂを用いて決定される。簡単に言うと、方法は、公知の体積のメスシリンダーに試料を充填し、試料の重量を入手することを含む。嵩密度は、グラムで表された試料の重量を、立方センチメートルで表されたシリンダーの公知の体積でわることにより計算される。必要に応じて、低嵩密度材料は例えば、米国特許７，９７１，８０９号（その全開示は本明細書で参照により組み込まれる）で記載される方法により高密度化させることができる。
糖化
原料を、容易に加工することができ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、糖化と呼ばれるプロセスにより、低分子量炭水化物、例えば糖に加水分解させる。低分子量炭水化物はその後、例えば、現存の製造プラント、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使用することができる。
原料は糖化剤と、液体培地、例えば、溶媒、例として水溶液中で組み合わされ、混合物はウェットミリングされる。材料を液体培地中でウェットミリングするための方法は、下記で詳細に記載される。いくつかの実施態様では、ウェットミリング中および／または後に、糖化剤、材料および液体培地が、ジェットミキサーを用いて混合される。場合によってはジェット混合が糖化を通して続く。
いくつかの実施態様では、材料および／または糖化剤は一斉にではなく、徐々に添加される。例えば、材料の一部は、液体培地に添加され、その中に分散され、糖化剤と、材料が少なくとも部分的に糖化されるまで混合され得、その時点で、材料の第２の部分が培地中に分散され、混合物に添加される。このプロセスは所望の糖濃度が得られるまで続けられ得る。
原料は、酵素、例えばセルラーゼまたはアミラーゼあるいはこれらの酵素の混合物を使用して加水分解することができる。例えば、バイオマス材料は、酵素と溶媒、例えば、水溶液中で組み合わせることができる。
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する酵素およびバイオマス破壊生物は、様々なセルロース分解酵素（セルラーゼ）、リグニナーゼまたは様々な小分子バイオマス破壊代謝産物を含み、または製造する。これらの酵素は、バイオマスの結晶性セルロースまたはリグニン部分を分解するよう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下記が挙げられる：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）。図１について説明するとセルロース基質が最初に、ランダムな場所でエンドグルカナーゼにより加水分解され、オリゴマー中間体が生成される。これらの中間体はその後、エキソ開裂グルカナーゼ、例えばセロビオヒドロラーゼのための基質となり、セルロースポリマの端からセロビオースが生成される。
セロビオースは水溶性のグルコースの１，４−連結二量体である。最後に、セロビアーゼはセロビオースを切断し、グルコースが得られる。好適なセルラーゼは、本明細書において、後のセクションで記載される。
完全糖化に必要とされる時間は、プロセス条件ならびに使用される原料および酵素に依存する。糖化が製造プラント中、制御された条件下で実施される場合、セルロースは、約１２−９６時間、例えば、４８時間未満、３６時間未満、２４時間未満、１８時間未満、１２時間未満またはさらには、８時間未満で、グルコースに実質的に完全に変換され得る。糖化が輸送中に部分的にまたは完全に実施される場合、糖化はより長くかかる可能性がある。
場合によっては、糖化は、約４〜７、例えば、約４．５〜６、または約５〜６のｐＨで実施される。
糖溶液中のグルコースの最終濃度は比較的高い、例えば、１０ｗｔ％超、または１５、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０超またはさらには、９５重量％超であることが一般に好ましい。これは、出荷させる体積を低減させ、また、溶液中での微生物増殖を防止する。糖化後、水の体積は、蒸発または蒸留により低減させることができる。
原料に酵素と共に添加される培地、例えば、水の量を制限することにより、比較的高濃度の溶液が得られ得る。例えば、どのくらい糖化が起こるかを制御することにより、濃度は制御することができる。例えば、濃度は、より多くの原料を溶液に添加することにより増加させることができる。場合によっては、固体は糖化中、例えば、遠心機により除去され、より多くの原料の添加が可能になる。培地中の原料の溶解度は、例えば、以下で記載されるように、溶液の温度を増加させることにより、および／または界面活性剤を添加することにより増加させることができる。例えば、溶液は、４０−５０℃、５０−６０℃、６０−８０℃、またはさらには、それ以上の温度で維持することができる。
発酵
微生物は処理された原料を糖化することにより生成された低分子量糖を発酵させることにより、多くの有用な中間体および生成物を生成させることができる。例えば、発酵または他のバイオプロセスはアルコール（例えば、ｎ−ブタノール、イソブタノール、エタノールまたはエリスリトール）、有機酸（例えば、酢酸、酪酸、クエン酸または乳酸）、炭化水素、水素、タンパク質またはこれら材料のいずれかの混合物を生成させることができる。
酵母およびザイモモナス細菌は、例えば、発酵または変換のために使用することができる。他の微生物は下記材料セクションで記載される。発酵のための最適ｐＨは約ｐＨ４〜７である。酵母のための最適ｐＨは約ｐＨ４〜５であり、ザイモモナスのための最適ｐＨは約ｐＨ５〜６である。典型的な発酵時間は約２４〜１６８（例えば、２４−９６ｈｒｓ）時間であり、温度は２０℃〜４０℃（例えば、２６℃〜４０℃）の範囲であるが、好熱性微生物はより高い温度を好む。
いくつかの実施形態では、例えば、嫌気性生物が使用される場合、発酵の少なくとも一部は、酸素なしで、例えば、不活性ガス、例えばＮ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｃ０２またはそれらの混合物のブランケット下で実施される。加えて、混合物は発酵の一部または全て中タンクを通って流れる不活性ガスの一定パージを有し得る。場合によっては、嫌気性条件は、発酵中の二酸化炭素生成により達成または維持することができ、追加の不活性ガスは必要とされない。
いくつかの実施形態では、発酵プロセスの全てまたは一部は、低分子量糖が生成物（例えば、エタノール）に完全に変換される前に中断させることができる。中間発酵生成物は高濃度の糖および炭水化物を含む。糖および炭水化物は、以下で記載されるように単離することができる。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品の調製において使用することができる。加えてまたはその代わりに、中間発酵生成物は、微細粒子サイズまでステンレス鋼研究室ミルにおいて粉砕することができ、小麦粉様物質が生成される。
発酵は、２０１１年１２月２２日に出願された米国仮特許出願第６１／５７９，５５９号および２０１１年１２月２２に出願された米国仮特許出願第６１／５７９，５７６号（その開示は参照により本明細書に組み込まれる）において開示される方法および生成物を含む。
移動式発酵槽は、米国仮特許出願第６０／８３２，７３５号、現公開国際出願第ＷＯ２００８／０１１５９８号に記載されるように使用することができる。同様に、糖化機器は移動式とすることができる。さらに、糖化および／または発酵は、輸送中に部分的にまたは完全に実施され得る。
燃料電池
本明細書で記載される方法により糖溶液または懸濁液が生成される場合、この溶液または懸濁液はその後、燃料電池において使用することができる。例えば、セルロースまたはリグノセルロース材料由来の糖を使用する燃料電池は、２０１１年１２月２２日に出願された米国仮特許出願第６１／５７９，５６８号（その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる）において開示される。
熱化学変換
熱化学変換を処理された原料について実施することができ、１つ以上の所望の中間体および／または生成物が生成される。熱化学変換プロセスは、高温で炭素含有材料の分子構造を変化させることを含む。具体例としては気化、熱分解、改質、部分酸化およびこれらの混合形（任意の順序）が挙げられる。
気化は、炭素含有材料を合成用ガス（合成ガス）に変換し、これはメタノール、一酸化炭素、二酸化炭素および水素を含み得る。多くの微生物、例えば酢酸生成菌またはホモ酢酸生成細菌は、バイオマスの熱化学変換由来の合成ガスを使用することができ、アルコール、カルボン酸、カルボン酸の塩、カルボン酸エステルまたはこれらのいずれかの混合物を含む生成物が生成される。バイオマス（例えば、セルロースまたはリグノセルロース材料）の気化は、様々な技術により達成することができる。例えば、気化は、流動層反応器による段階蒸気改質を用いて達成することができ、この場合、炭素質材料は最初に酸素なしで熱分解され、その後熱分解蒸気が添加される水素および酸素を提供する蒸気を用いて合成用ガスに改質される。そのような技術では、プロセス熱は、木炭を燃焼させることからもたらされる。別の技術は、スクリューオーガ反応器を使用し、この場合、水分および酸素が熱分解段階で導入され、プロセス熱は、後の段階で生成されるガスのいくらかを燃焼させることにより生成される。別の技術は、同伴流体改質を使用し、この場合、外部蒸気および空気の両方が、１段階気化反応器に導入される。部分酸化気化では、純粋酸素が蒸気なしで使用される。
原料を処理するためのシステム
図２について説明すると、原料を糖および他の生成物、例えば、エタノールに変換するためのプロセスは、例えば、任意で原料を物理的に前処理し、例えば、そのサイズを低減させること（工程１１０）、この処理前および／または後に、任意で原料を処理し、その不応性を低減させること（工程１１２）、および原料を糖化し糖溶液を形成させること（工程１１４）を含むことができる。糖化は、下記で詳細に記載されるように、原料を含む液体培地、例えば水の分散物を酵素と混合すること（工程１１１）により実施することができる。糖化中または後に、混合物（糖化が途中で部分的にまたは完全に実施される場合）または溶液は、例えば、パイプライン、鉄道車両、トラックまたははしけにより、製造プラントに輸送することができる（工程１１６）。プラントでは、溶液はバイオプロセス加工することができ所望の生成物、例えば、エタノールが生成され（工程１１８）、これはその後、さらに、例えば、蒸留により加工される（工程１２０）。このプロセスの個々の工程は、下記で詳細に記載される。所望であれば、リグニン量を測定する工程（工程１２２）およびプロセスパラメータを設定または調整する工程（工程１２４）は、図示されるように、プロセスの様々な段階、例えば原料の構造を変化させるために使用されるプロセス工程（複数可）の直前で実施することができる。これらの工程が含まれる場合、プロセスパラメータは、２０１０年２月１１日に出願された米国特許出願第１２／７０４，５１９号（その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる）に記載されるように、原料のリグニン量の変動性を補償するように調整される。
混合工程１１１および糖化工程１１４は、例えば、図２Ａおよび２Ｂで示されるシステムのいずれかを用いて実施することができる。これらのシステムは、タンク１３６（最初に、液体培地を含み、後に液体培地、原料および糖化剤の混合物１３８を含む）を包含する。液体培地はバルブつき配管システム（図示せず）を通してタンクに送達される。システムはまた、分散ユニット１３４と連絡されたホッパー１３０を含む。図２Ｂにおいて示される実施形態では、ホッパー１３０は、原料前処理モジュール１３２によりそのサイズを低減させるように、任意でその不応性を低減させるように処理された（上記工程１１０および１１２）原料を受け取る。両方の実施形態において、ホッパーは他の乾燥成分、例えば酵母および栄養分を、例えば供給３０から受け取ることができる。任意で、振動装置３６は、ホッパーと連結させることができ、材料のホッパーからの送達が促進される。システムはまた、例えば、原料が最初に液体で濡らすことが困難な場合、任意で分散ユニット１３４を含み得る。液体培地は、分散ユニット１３４中にタンクから引き込まれ、分散ユニットにより、出口パイプ１３７を介してタンクに戻される。出口パイプ１３７の開口は、図示されるように、液体レベル上方にあり、または場合によっては、タンク内の液体中に沈められ得る。場合によっては、使用されるミリングユニットおよび分散ユニットの型によって、システムは液体培地を循環させるように構成されたポンプ１３９、例えば、容積式ポンプ、および／または、分散物の粘度をモニタし、測定された粘度が所定の値に到達した時にポンプを始動させる粘度計１４１を含み得る。
図２Ａにおいて示される実施形態では、原料は、例えば、送達コンジット３４（例えば、ホースまたはパイプ）を有する送達装置３２を介して、タンク内の液体培地の表面に送達される。送達装置３２はまた、振動装置３６と連結することができ、材料の装置内への流れが促進される。送達装置３２は、例えば、繊維状および／または粒子状材料を供給源から供給源から遠く離れた場所までホースを介して吹き飛ばすように構成された送風機、例えば、絶縁送風機、例としてＩｎｔｅｃ，Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ，Ｃｏｌｏｒａｄｏから入手可能なＦＯＲＣＥ３送風機とすることができる。また、材料は液体の表面に、他の技術、例えば重力送りまたはスクリューコンベヤーを用いて送達させることができる。
いくつかの実施態様では、タンクには、可撓性の、通気性カバー、または原料の送達中、空気がタンクを通ることができるようにするように構成されるが、原料が、タンクから出て行かないおよび／または汚染物質がタンクに入らないように防止する他の装置が備えられる。
粒子が概球状である場合、例えば、ハンマーミル処理されたトウモロコシ軸、あるいはそでなければ、容易に供給される形態の場合と同じように、原料は重量測定で送ることができる。例えば、原料はタンク上方のホッパーから送達させることができる。
原料材料は、送達コンジット３４を介して、タンク内の液体の表面上に送達されるので、液体は分散ユニット１３４の出口パイプ１３７を介して、材料上に放出される。放出された液体は原料材料を濡らし、これを液体中に沈め、ここで、それは分散ユニット１３４（これが提供される場合）により、任意で、以下で記載されるジェットミキサー１４４の混合作用と組み合わせて分散させることができる。
原料はタンクに送達された時点で、ウェットミリングユニット１６０を使用してウェットミリングされ、それは一般に高せん断ローター／ステーターヘッドを含む。好適なミリングユニットの例は下記で詳細に記載される。ウェットミリングユニットは、タンク内の任意の所望の場所に載置することができる。図示されるように、側面載置することができ、または上面および底面載置することができる。いくつかの実施態様では、ウェットミリングユニットはタンクの外側にあり、タンク内容物は、ウェットミリングユニットを介してポンピングされ、かつタンクに戻すことができる。場合によっては、ウェットミリングユニットは、以下で記載されるジェット混合ユニット１４４に隣接して載置される。場合によっては、複数のウェットミリングヘッドが提供される。例えば、大きなタンクでは、複数のウェットミリングヘッドがタンク内の離れた場所に載置され得る。ウェットミリングはインラインで、またはバッチプロセスとして実施することができる。
ウェットミリングは一般に高せん断速度、例えば約２０，０００ｓｅｃ−１〜６０，０００ｓｅｃ−１、または約３０，０００ｓｅｃ−１〜５０，０００ｓｅｃ−１で実施される。
ウェットミリングユニットは、任意の所望の時間長の間運転され得る。ウェットミリングユニットは、パルス様式（例えば、ウェットミリングを駆動するモータへの電力をパルス化する）で運転することができ、例えばせん断速度は、周期的にまたは非周期的に変動させることができ、または、別の例として、ウェットミリングユニットは繰り返しオンオフすることができる。一般に、ウェットミリングは、糖化の効率がウェットミリングにより改善されなくなる（これはある一定の組のプロセスパラメータに対して実験により決定することができる）、またはウェットミリングユニットにより生成されるせん断により、タンク内容物の温度が所定の最大値を超過する場合のいずれかにおいて中断される。所定の最大値は、例えば、糖化剤が短い期間で変性する温度に基づいて設定され得る。
せん断は、バイオマス材料の平均粒子サイズの低減を引き起こし得る。例えばサイズは約１ｍｍ超（例えば５ｍｍ超または１０ｍｍ超）から１ｍｍ未満（例えば、０．５ｍｍ未満、０．１ｍｍ未満またはさらに０．０１ｍｍ未満）まで低減させることができる。
いくつかの実施態様では、ウェットミリングユニットはタンク内容物を所望の加工温度まで加熱する、または部分加熱するために使用することができる。例えば、１つの実施態様では、タンク内容物は別の手段によりおよそ４０℃まで加熱され、その後、ウェットミリングユニットは温度をおよそ５０℃（糖化に有利な温度である）まで上昇させるのに十分な時間の間動作される。場合によっては、ウェットミリングは８時間未満、例えば、１〜４時間または１〜２時間の間実施され得る。ウェットミリングは、さらに短い時間、例えば、３０分以下の間実施され得る。この所望の温度に達した時点で、ウェットミリング装置は、温度がさらに増加しないように停止される。場合によっては、タンク内容物は、ウェットミリング中または後に、過熱を防止するために冷却され得る。糖化で使用される酵素の変性を防止するために、タンク内容物は５０℃以下で維持される、または５０℃より上の少なくともその温度可動域は、酵素を変性させないのに十分短い期間であることが一般に好ましい。
ウェットミリング前、中または後に、糖化剤は、計量装置１４２を含むホッパー１４０からタンクに送達される。糖化中、タンクの内容物は、例えば、１つ以上のジェットミキサーにより混合される。場合によっては、ジェットミキサーはウェットミリング中に動作される。ジェットミキサー１４４は図２Ａおよび２Ｂで図式的に表され；好適なジェットミキサーの例は下記で詳細に記載され、２０１０年５月１８に出願された米国特許出願第１２／７８２，６９４号；２０１１年１１月１０日に出願された１３／２９３，９８５号；および、２０１１年１１月１０日に出願された１３／２９３，９７７号（その完全な開示はこれによって参照により本明細書に組み込まれる）においても記載される。ジェットミキサーは、ポンプおよび／またはローター（図示せず）を駆動するモーター１４６を用いてジェットを生成させる。モーター１４６により与えられるトルクは、タンク内の混合物の固体レベルと相関し、これはひいては混合物が糖化する程度に影響する。トルクはトルクモニタ１４８により測定され、これは信号をコンベヤー１３０を駆動するモーター１５０に送り、ホッパー１４０の計量装置１４２にも送る。よって、処理された原料および酵素の供給はタンクの内容物の糖化の関数として中断および再開させることができる。トルクモニタにより測定されたデータはまた、ジェットミキサーを、例えば、ローターを使用するミキサのためのより低いＲＰＭ、またはポンプ駆動ミキサのためのより低い噴射速度に調整するために使用することができる。トルクモニタの代わりに、またはこれに加えて、システムは、モーターの全負荷アンペア数を測定するＡｍｐモニタ（図示せず）を含み得る。場合によっては、ジェットミキサーはモーターの速度の調整を可能にする可変周波数駆動（ＶＦＤ）を含み得る。
システムはまた、液体培地の温度をモニタし、温度の増加に応じて、原料の送り速度および／または混合条件を調整する熱モニタ（図示せず）を含み得る。そのような温度フィードバックループは、液体培地が酵素を変性させる温度に達しないように防止するために使用することができる。熱モニタはまた、タンク内容物の過熱を回避するためにウェットミリングユニットを切る時を決定するために使用することができる。
１つ以上のポンプが本明細書で記載されるシステムで使用される場合、容積式（ＰＤ）ポンプ、例えば、プログレッシブキャビティまたはスクリュー式ＰＤポンプが使用されることが一般に好ましい。
場合によっては、製造プラントは、例えば、既存の穀物または糖に基づくエタノールプラントまたは、バイオプロセス加工システム（典型的なエタノールプラントでは、一般に穀物受理装置、ハンマーミル、スラリーミキサ、調理器具および液化装置を含む）から上流の装置を除去または閉鎖することにより改造されたものとすることができる。よって、プラントにより受け取られる原料は、発酵装置に直接投入される。改造プラントは図３で概略的に示される。このような既存の穀物または糖に基づくエタノールプラントの使用は、２０１０年２月１１日に出願された米国特許出願第１２／７０４，５２１号（その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる）において記載される。
いくつかの実施形態では、糖化原料（糖溶液）を別の製造プラント、またはさらには別のタンクに輸送するのではなく、糖溶液は同じタンクまたは糖化のために使用される他の容器中で播種および発酵される。発酵は、同じ容器で完了させることができ、またはこのように開始させることができ、その後、上記のように輸送中に完了させることができる。単一タンク内での糖化および発酵は、米国特許出願第１２／９４９，０４４号、２０１１年１１月１８日（その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる）において記載される。
一般に、発酵容器中の酸素レベルは、例えば、酸素レベルをモニタし、タンクを通気し、混合物を必要に応じて曝気し（例えば、酸素または酸素を含むガス混合物中で混合または散布することにより）、あるいは脱気（例えば、不活性ガス、例えば窒素、二酸化炭素、ヘリウムおよび／またはアルゴン中で混合または散布することにより）することにより、制御されるべきである。場合によっては、例えば、嫌気性条件が前に記載されるように、望ましい場合、混合速度が重要である。例えば、プロセス中の時には、混合は望ましくない可能性があり、よって、発酵中に生成するガス（例えば、ＣＯ２、Ｈ２およびまたはメタン）は、より有効に発酵容器からの酸素に取って代わることができる。容器内のエタノールレベルをモニタすることもまた望ましく、そのため、エタノールレベルが降下し始めた場合、発酵プロセスは、例えば、加熱または亜硫酸水素ナトリウムの添加により停止させることができる。発酵を停止させる他の方法としては、過酸化物（例えば、ペルオキシ酢酸または過酸化水素）を添加すること、コハク酸またはその塩を添加すること、容器の内容物を冷却すること、または酸素散布速度を低減させることが挙げられる。これらの方法の任意の２つ以上の組み合わせが使用され得る。発酵が輸送中に実施または完了されるべき場合、輸送容器（例えば、鉄道車両またはタンカートラックのタンク）には、酸素モニタおよびエタノールモニタを含む制御ユニット、および亜硫酸水素ナトリウム（または他の発酵終結添加物）をタンクに送達するための送達システムおよび／または発酵を停止させるためにタンク内のパラメータを調整するためのシステムを取り付けることができる。
必要に応じて、ジェット混合は発酵中に使用することができ、発酵が糖化と同じ容器内で実施される場合、同じジェット混合装置を使用することができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、ジェット混合は必要ではない。例えば、発酵が輸送中に実施される場合、鉄道車両またはタンカートラックの動きは十分な撹拌を提供し得る。
分散、ウェットミリング、および混合
１つ以上のタンク、１つ以上の攪拌器、例えば、１つ以上のジェットヘッド攪拌器、および１つ以上のウェットミルを含むシステムが本明細書で開示される。場合によっては、全てのミルおよび攪拌器ヘッドはタンク内にある。
分散
任意的な分散ユニット１３４は、原料を液体培地で濡らす任意の型の分散装置を含み得る。多くの分散ユニットが、チャンバおよびチャンバ内のローターを含み、遠心式ポンプのように、原料および液体培地がローターに向かって軸方向に引き出され、外に向かって放射状にローターの周囲に向かって、よって、ユニットの出口を通って移動される。分散ユニットの構成によっては、流体を分散ユニットを通って高粘度で引き出すために予備ポンプが必要となる可能性がある（ポンプ１３９、以上で記載）。いくつかの分散ユニットはユニット内で非常に高い静的流体圧力を生成させるように構成され；そのようなユニットが使用される場合、予備ポンプは一般に必要とされない。
好適な分散システムの例は、２０１０年１１月１８日に出願された米国特許出願第１２／９４９，００４号（その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる）において開示される。
ウェットミリング
ウェットミリングユニット１６０で使用するためのウェットミリングヘッドの２つの例は図４−１０および図１１−１７で示される。各ヘッドはローターおよびステーターを含み、ローター／ステーターミキサ技術においてよく知られているように、シャフト（図示せず）上に載置される。両方の場合において、ローターおよびステーターが組み立てられた場合、ローターの歯間のギャップは、ステーターの歯間のギャップとずれている。これにより、せん断ギャップが生成され、これを通って液体が、ローターの回転中に高せん断下で流れる。
ウェットミリング装置は、例えば、Ｑｕａｄｒｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｗａｔｅｒｌｏｏ Ｏｎｔａｒｉｏ）、ＩＫＡ Ｗｏｒｋｓ Ｉｎｃ．（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、Ｄｅｌａｗａｒｅ）、Ａｄｍｉｘ Ｉｎｃ．（Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ、ＮＨ）およびＳｉｌｖｅｒｓｏｎ（Ｄａｒｔｍｏｕｔｈ Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）から市販される。
図４−１０で示される実施態様では、ステーターは歯の２つの同心リングを含む（図６を参照されたい）。ある一定の組の条件下では、このステーター構成は一般に図１１−１７で示される単一リングステーター構成よりも高いせん断を生成させる。他方、図１１−１７で示されるヘッドのローターは、以下で示されるように羽根車様部分を含み、これはポンピング作用を提供し、それは一定の場合では望ましい可能性がある。
図４−１０について説明すると、ヘッド１６２はローター１６４およびステーター１６６を含む。ローターおよびステーターは各々、中心ハブ１５８および１５９をそれぞれ含み、これらはシャフト（図示せず）を受理するような寸法とされた開き口を規定する。シャフトは、当技術分野でよく知られるように、ローターをステーター内で回転させるためのモーターに連結され、ローター内の開き口は、シャフトと合わせられ、シャフトはステーター内の開き口内で自由に回転する。
アーム１６１および１６３は、それぞれ、ハブから延びてローターおよびステーター歯付きリングを支持する。図６および８で示されるように、ステーター１６６は歯の２つのリング−歯の外側リング１７０および歯の内側リング１７１を含む。ローター１６４は、歯の単一リング１６９を含み、これは入れ子関係でステーターのリング間に適合する。ローター１６４の上面１６５は、３つの突出部１６７を含み、これらはヘッド周囲に乱れを生じさせる。
図４Ａで示されるように、クリアランスαがローターの歯１６９の外表面１６８（ローターのＯＤ）とステーターの歯１７０の外側リングの隣接する内表面１７２の間に設けられる。クリアランスαは、高せん断を生成させるのに好ましくは小さく、例えば、約０．０１〜０．２５０インチ（０．２５〜０．６４ｍｍ）、例として、約０．０３〜０．１０インチ（０．７６〜２．５ｍｍ）とすることができる。ステーターの内側リングと外側リングの間の距離は、このクリアランス＋以下で記載される、ローターの歯の半径方向厚さに等しい。
ローターおよびステーターの外径（ＯＤ１およびＯＤ２、図７および８）は、ミリングヘッドが使用されるタンクの体積、およびいくつのミリングヘッドがタンク内に配置されるかに依存する。ステーターの外径、ＯＤ２は、例えば、約３〜５０”、例として、約５〜２５インチとすることができ、より大きなタンクではより大きなヘッドが使用される。一例として、４”ステーターが３００ガロンタンクで使用され得る。
図５で示されるように、ステーターの外側リング上の各歯１７０はその上面１７６と外側壁１７８の間に面取り部１７４を含む。
隣接する歯間の円周間隔は、ローター（Ｓ１、図９）およびステーターの両方のリング（Ｓ２およびＳ３、図１０）に対し一般に同じである。クリアランスαのように、この間隔もまた、ステーターの回転中にヘッドにより生成されるせん断量に影響し、間隔がより大きいほどせん断が低減する。いくつかの実施態様では、間隔Ｓ１、Ｓ２およびＳ３は約０．１〜０．５インチ（２．５〜１２．５ｍｍ）である。
歯サイズは所望のヘッド直径に基づきある程度変動する可能性があり、より大きなヘッドは、耐久性のために場合によっては幾分より大きな歯を有する。しかしながら、一般に歯サイズおよび歯間隔はヘッド直径が増加しても、比較的一定に維持され、歯の数が、ヘッド直径の増加に伴い増加する。図９および１０について説明すると、いくつかの実施態様では、歯寸法は、例えば、下記の通りとすることができる：
Ｔ１：０．１０”
Ｔ２：０．３５”
Ｔ３：０．１０”
Ｔ４：０．３０”
Ｔ５：０．１０”
Ｔ６：０．３０”
ここで、Ｔ１はローター歯の半径方向厚さであり、Ｔ２はローター歯の円周厚さであり、Ｔ３は外側ステーター歯の半径方向厚さであり、Ｔ４は外側ステーター歯の円周厚さであり、ならびにＴ５およびＴ６は、それぞれ、内側ステーター歯の半径方向および円周厚さである。
上記のように、他の実施形態は図１１−１７で示され、この場合、ステーターは単一列の歯のみを有する。この実施形態はまた、図４−１０で示されるものと、他の点で異なる。
第１に、ローターのアーム１１６１は、図１１−１３で示されるように、２つの面で湾曲しており、これによって、ローターはローター／ステーター配列におけるそのせん断作用に加えて、羽根車として作用する。この羽根車機能は、ローターリング内の３つのより大きな歯１１８０（図１３および１４を参照されたい）の存在により増強され、それらはローターアームの延長として作用する。
第２に、ローターの歯１１６９の隣接する側壁１１８２は、図１４および１６で最もよく示されるように、リングの半径に対し、角度Ｒで配列されない。この角度は、例えば、約０〜３０°とすることができる。歯の角度は、材料をギャップを通してポンピングするのを助ける。
この実施形態におけるローターおよびステーターの寸法は図１１−１７で示される実施形態に対し上記で記載されるものと一般に同じである。
ローターまたはステーターは、様々な材料で製造することができる。例えば、セラミック（例えば、酸化物、炭化物または窒化物）、ステンレス鋼、または超合金（例えば、ハステロイ、インコネル、ワスパロイ、Ｒｅｎ合金、Ｈａｙｎｅｓ合金、ＴＭＳ合金およびＣＭＳＸ単結晶合金）。
ローター／ステーターヘッドは、場合によっては、以下で記載されるジェット混合ヘッド、特に図１９−１９Ｂで示されるものと置換可能である。例えば、ジェットミキサーをローター／ステーターに変換する場合、シュラウド２０８（図１９）および混合要素２０６（図１９Ａ）が除去され、ローター／ステーターヘッドがシャフト２０４上に載置される。
図２０はタンク（２５２）、２つのモーター（２５０）、２つのシャフト（２５４）、ウェットミリングヘッド（２５６）およびジェットミキサーヘッド（２５８）を含むウェットミリングのためのシステムの断面図を示す。図示されるように、シャフトの１つは、上記で記載されるように、一端上のモーターの１つおよびウェットミリングヘッドに接続される。また、図示されるように、他のシャフトは一端上の他のモーターおよび他端上のジェットミリングヘッドに接続される。
ジェット混合
糖化および発酵中に使用するのに特に好都合なミキサは「ジェットミキサー」として知られている。一般に、好適なミキサは、高速循環流、例えばトロイダルまたは楕円パターンの流れを生成するという共通点がある。一般に、好ましいミキサは高いバルク流速を示す。好ましいミキサはこの混合作用を比較的低いエネルギー消費で提供する。ミキサが比較的低いせん断を生成し、液体培地の加熱を回避することもまた一般に好ましい。というのも、せん断および／または加熱は糖化剤（または、例えば、発酵の場合微生物）に有害に影響し得るからである。下記で詳細に記載されるように、いくつかの好ましいミキサは、混合物を入口を通して、ローターまたは羽根車を含み得る混合要素中に引き出し、その後、混合物を混合要素から出口ノズルを通して放出する。この循環作用、および高速のノズルから出て行くジェットが、混合要素の向きによって、タンクの底に沈んだ液体または材料の表面上に浮遊する材料を分散するのを助ける。混合要素は、異なる向きで配置することができ、浮遊するおよび沈んだ材料の両方を分散させることができ、混合要素の向きは場合によっては調整可能である。
いくつかの好ましい混合システムでは、周囲流体と接触するジェットの速度ｖｏは約２〜３００ｍ／ｓ、例えば、約５〜１５０ｍ／ｓまたは約１０〜１００ｍ／ｓである。混合システムの電力消費は、１００，０００Ｌタンクに対し、約２０〜１０００ＫＷ、例えば、３０〜５７０ＫＷ、５０〜５００ＫＷ、または１５０〜２５０ＫＷであり得る。
ジェット混合は、高速液体の１つの液中ジェット、または多くの液中ジェットの、流体培地、この場合、バイオマス原料、液体培地および糖化剤の混合物中への放出を含む。液体のジェットは流体培地を貫通し、そのエネルギーは乱流およびいくらかの初期熱により消散される。この乱流は、速度勾配と関連する（流体せん断）。周囲の流体は加速され、ジェット流中に取り込まれ、この二次混入流はジェットノズルからの距離が増加するにつれ増加する。二次流の運動量は一般に、ジェットが拡大しても、流れが壁、床または他の障害物に当たらない限り一定なままである。任意の障害物に当たる前に、長く流れが続くほど、より多くの液体が二次流中に取り込まれ、タンクまたは容器内のバルク流が増加する。障害物に遭遇すると、二次流は、幾分タンクの幾何学、例えば、流れが障害物に衝突する角度に依存して、運動量を失う。タンク壁に対する水力損失が最小に抑えられるようにジェットを配向させるおよび／またはタンクを設計することが一般に望ましい。例えば、タンクが弓形底（例えば、ドーム形ヘッドプレート）を有すること、およびジェットミキサーが側壁に比較的近くに配向されることが望ましい可能性がある。タンク底（下方ヘッドプレート）は、任意の所望のドーム形構成を有してもよく、または楕円または円錐幾何学を有してもよい。
ジェット混合は、ほとんどの型の液体／液体および液体／固体混合とは、駆動力が機械的ではなく水圧式であるという点で異なる。機械的攪拌器がするように、流体をせん断し、これを混合容器全体に移動させる代わりに、ジェットミキサーは流体をタンク内の１つ以上のノズルを通して移動させ、高速ジェットを生成し、これは他の流体を取り込む。結果的にせん断（流体に対する流体）および循環が得られ、これによりタンク内容物が効率的に混合される。
図１８について説明すると、液中ジェット由来のコア流と周囲の流体の間の高い速度勾配は渦を引き起こす。図１８Ａは、液中ジェットの一般特性を示す。液中ジェットは周りの周囲環境内に拡大するので、ノズルからの距離（ｘ）が増加するにつれ速度プロファイルは平らになる。また、速度勾配ｄｖ／ｄｒはある距離ｘでｒ（ジェットの中心線からの距離）と共に変化し、そのため、混合ゾーン（ノズルからの円錐状拡大）を規定する渦が生成される。
空気中での液中ジェットの実験的な研究(その結果は水を含む任意の流体に適用可能である)では、Ａｌｂｅｒｔｓｏｎら(“Diffusion of Submerged
Jets,” Paper 2409, Amer. Soc. of Civil Engineers Transactions, Vol.
115:639-697, 1950, at p. 657)はｖ（ｘ）ｒ＝０／ｖｏ（中心線速度）、ｖ（ｒ）ｘ／ｖ（ｘ）ｒ＝０（あるｘでの速度プロファイル）、Ｑｘ／Ｑｏ（流れ取り込み）、およびＥｘ／Ｅｏ（ｘに伴うエネルギー変化）に対する無次元関係を展開した：
Figure 0006220779
 式中：
ｖ（ｒ＝０）＝液中ジェットの中心線速度（ｍ／ｓ）、
ｖｏ＝ジェットの、ノズルから出て行く時の速度（ｍ／ｓ）、
ｘ＝ノズルからの距離（ｍ）、
ｒ＝ジェットの中心線からの距離（ｍ）、
Ｄｏ＝ノズルの直径（ｍ）、
Ｑｘ＝ノズルから距離ｘでの任意のある面を横切る流体の流れ（ｍｅ／ｓ）、
Ｑｏ＝ノズルから出て行く流体の流れ（ｍ３／ｓ）、
Ｅ＝ノズルから距離ｘでの任意のある面を横切る流体のエネルギー束（ｍ３／ｓ）、
Ｅｏ＝ノズルから出て行く流体のエネルギー束（ｍ３／ｓ）。
(“Water Treatment Unit Processes: Physical and Chemical,”
David W. Hendricks, CRC Press 2006, p. 411.)
ジェット混合は、大量（１，０００ガロン超）および低粘度（１，０００ｃＰｓ未満）適用で特にコスト効率が良い。ほとんどの場合、ジェットミキサーのポンプまたはモーターは、沈められないこともまた一般に好都合であり、例えば、ポンプが使用される場合、これは一般に容器の外側に配置される。
ジェット混合の１つの利点は、周囲流体（ノズルの出口に直接隣接するもの以外、そこでは、いくらかの局所加熱が存在し得る）の温度の増加が、たとえあったとしてもわずかにすぎないことである。例えば、温度は５℃未満、１℃未満だけ、または測定できない程度だけ増加し得る。
ジェット流攪拌器
１つの型のジェット流攪拌器は、図１９−１９Ａで示される。この型のミキサは、例えば、ＩＫＡから、商標ＲＯＴＯＴＲＯＮ（商標）で市販されている。図１９について説明すると、ミキサ２００はモーター２０２を含み、それはドライブシャフト２０４を回転させる。混合要素２０６は、ドライブシャフト２０４の端に載置される。図１９Ａで示されるように、混合要素２０６は、シュラウド２０８および、シュラウド内に、羽根車２１０を含む。矢印により示されるように、羽根車がその「前方」方向に回転される場合、羽根車２１０は液体をシュラウドの開口上端部２１２を通して引き入れ、液体を開口下端部２１４を通して押し出す。液体出口端２１４は高速流またはジェットの形態である。羽根車２１０の回転方向が反転されると、液体は、下端２１４を通して引き込まれ、上端２１２を通して放出され得る。これは、例えば、タンクまたは容器中の液体の表面近く、または上に浮遊する固体を吸引するために使用することができる（「上」および「下」は図１９におけるミキサの向きを示し；ミキサはその上端をその下端より下になるようにタンク内で配向され得ることに注意するべきである）。
シュラウド２０８は、その端に隣接する張り出し領域２１６および２１８を含む。これらの張り出し領域はこの型のミキサを用いると観察される一般にトロイダル流の一因となると考えられる。シュラウドおよび羽根車の幾何学はまた、流れを比較的低い電力消費を使用して高速流内に集中させる。
好ましくは、シュラウド２０８と羽根車２１０の間のクリアランスは、シュラウドを通過する時の材料の過剰ミリングを回避するのに十分である。例えば、クリアランスは混合物中の固体の平均粒子サイズの少なくとも１０倍、好ましくは少なくとも１００倍であり得る。
いくつかの実施態様では、シャフト２０４は、シャフトを通るガス送達を可能にするように構成される。例えば、シャフト２０４はボア（図示せず）（これを通ってガスが送達される）、および１つ以上のオリフィス（これを通ってガスが混合物中に出て行く）を含み得る。オリフィスはシュラウド２０８内に存在してもよく、混合が増強され、および／またはシャフト２０４の長さに沿って他の場所に存在してもよい。
羽根車２１０は液体を、シュラウドを通して高速で引き出す任意の所望の幾何学を有し得る。羽根車は好ましくは、図１９Ａで示されるように海洋羽根車であるが、異なる設計、例えば、図１９Ｂで示されるようなＲｕｓｈｔｏｎ羽根車、または例えば、いくらかの軸流を提供するように傾斜した改良Ｒｕｓｈｔｏｎ羽根車を有し得る。
シュラウドを通る高速流を生成させるために、モーター２０２は好ましくは、例えば、５００〜２０，０００ＲＰＭ、例えば、３，０００〜１０，０００ＲＰＭで動作することができる高速、高トルクモーターである。しかしながら、ミキサが大きくなるほど（例えば、シュラウドが大きくなるほど、および／またはモーターが大きくなるほど）、回転速度が低くなり得る。よって、例えば５ｈｐ、１０ｈｐ、２０ｈｐ、または３０ｈｐ以上の、大きなミキサが使用される場合、モーターは、より低い回転速度、例えば、２０００ＲＰＭ未満、１５００ＲＰ未満Ｍ、またはさらに５００ＲＰＭ以下で動作するように設計され得る。例えば、１０，０００−２０，０００リットルタンクを混合するようなサイズとされたミキサは、９００〜１，２００ＲＰＭの速度で動作し得る。モーターのトルクは好ましくは自動調整式であり、例えば、固体の糖化のため、混合条件が時間経過に伴い変化しても、羽根車速度が比較的一定に維持される。
便宜的に、ミキサはタンク内の任意の所望の角度または場所で配向させることができ、ジェット流が所望の方向に向けられる。さらに、上記のように、羽根車の回転方向によって、ミキサはシュラウドのいずれかの端から流体を引き出すように使用することができる。
いくつかの実施態様では、２つ以上のジェットミキサーが容器内に配置され、１つ以上が流体を上方に噴射するように構成され（「アップポンプ」）、１つ以上が流体を下方に噴射するように構成される（「ダウンポンプ」）。場合によっては、アップポンプミキサは、ダウンポンプミキサに隣接して配置され、ミキサにより生成される乱流が増強される。必要に応じて、１つ以上のミキサが加工中に上方流と下方流の間で切り換えられ得る。原料の液体培地中での最初の分散中、特に原料が液体の表面上に放出され、または吹き飛ばされる場合、全てのまたはほとんどのミキサをアップポンプモード切り換えることが好都合であり得る。というのも、アップポンピングは、表面で著しい乱流を生成させるからである。アップポンピングはまた、発酵中に、ガスを、通気され得る表面にバブリングさせることにより、ＣＯ２を液体から除去するのを助けるために使用することができる。
他の好適なジェットミキサーは、２０１１年５月１８日に出願された米国特許出願第１２／７８２，６９４号；２０１１年１１月１０日に出願された１３／２９３，９８５号；２０１１年１１月１０日に出願された１３／２９３，９７７号および２０１０年５月１８日に出願されたＵ．Ｓ．１２／７８２，６９４号（その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる）において記載される。
材料
バイオマス材料
バイオマスは、例えば、セルロースまたはリグノセルロース材料とすることができる。そのような材料としては、紙および紙製品（例えば、ポリコート紙およびクラフト紙）、木材、木材関連材料、例えば、パーティクルボード、草、もみ殻、バガス、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、アバカ、わら、スイッチグラス、アルファルファ、乾草、トウモロコシ軸、トウモロコシストーバ、麦わら、ヤシの毛；およびα−セルロース量が高い材料、例えば、綿が挙げられる。原料は、未使用スクラップ布材料、例えば、端切れ、使用済み廃棄物、例えば、ぼろから得ることができる。紙製品が使用される場合、それらは未使用材料、例えば、スクラップ未使用料とすることができ、またはそれらは使用済み廃棄物とすることができる。未使用原料とは別に、使用済み廃棄物、産業廃棄物（例えば、残滓）、および加工廃棄物（例えば、紙加工からの流出物）もまた、繊維供給源として使用することができる。バイオマス原料はまた、ヒト廃棄物（例えば、下水）、動物廃棄物または植物廃棄物から得ることができ、またはそれらに由来していてよい。追加のセルロースおよびリグノセルロース材料は米国特許第６，４４８，３０７号；６，２５８，８７６号；６，２０７，７２９号；５，９７３，０３５号および５，９５２，１０５号に記載されている。
いくつかの実施形態では、バイオマス材料は、１つ以上のβ−１，４−結合を有し、約３，０００〜５０，０００の間の数平均分子量を有する材料である、またはこれを含有する炭水化物を含む。そのような炭水化物は、（β−グルコース１）からβ（１，４）−グリコシド結合の縮合により誘導されるセルロース（Ｉ）である、またはこれを含む。この結合は、デンプンおよび他の炭水化物中に存在するα（１，４）−グリコシド結合に対するものとは対照をなす。
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 1
Figure 0006220779
 I
いくつかの実施形態では、バイオマス材料はデンプン質材料、例えば、トウモロコシデンプン、コムギデンプン、ジャガイモデンプンまたはコメデンプン、デンプン誘導体、またはデンプンを含む材料、例えば、食用製品もしくは作物を含む。例えば、デンプン質材料は、アラカチャ、ソバ、バナナ、オオムギ、トウモロコシ穀粒、カッサバ、クズ、オカ、サゴ、ソルガム、一般家庭用ジャガイモ、サツマイモ、タロ、ヤム、または１種類以上のマメ、例えば、ソラマメ、レンズマメもしくはエンドウマメとすることができる。任意の２つ以上のデンプン質材料のブレンドもデンプン質材料である。デンプン質、セルロースおよびまたはリグノセルロース材料の混合物もまた使用することができる。例えば、バイオマスは、植物全体、植物の一部または植物の別の部分、例えば、コムギ植物、綿植物、トウモロコシ植物、コメ植物または木とすることができる。デンプン質材料は本明細書で記載される方法のいずれかにより処理することができる。
他の実施形態では、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ノセルロース原材料は、野生型種に対して改変された植物から得ることができる。そのような改変は、例えば、植物において所望の形質を得るための選択および繁殖の反復工程によることができる。さらに、植物は野生型種に対し除去、改変、発現停止および／または追加された遺伝子材料を有した可能性がある。例えば、遺伝子改変植物は、組換えＤＮＡ方法により生成させることができ、この場合、遺伝子改は、例えば、トランスジェニック繁殖（１つのまたは複数の特定遺伝子が、異なる種の植物および／または細菌から植物に導入される）を用いることにより親種由来の特定遺伝子を導入または改変することを含む。遺伝的変異を生成させる別の方法は、突然変異繁殖を介するものであり、この場合、新規アレルが、内在性遺伝子から人工的に生成される。人工遺伝子は、様々な方法により、生成させることができ、植物または種子を、例えば、化学変異原（例えば、アルキル化剤、エポキシド、アルカロイド、過酸化物、ホルムアルデヒドを使用する）、照射（例えば、Ｘ線、γ線、中性子、β粒子、α粒子、プロトン、重陽子、ＵＶ放射）および温度ショッキングまたは他の外部ストレス付加およびその後の選択技術で処理することが挙げられる。改変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シャッフリングによるものであり、続いて所望の改変ＤＮＡが所望の植物または種子へ挿入される。所望の遺伝的変異を種子または植物に導入する方法としては、例えば、細菌担体、微粒子銃、リン酸カルシウム沈殿、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、マイクロインジェクションおよびウイルス担体の使用が挙げられる。追加の遺伝子改変材料は、２０１２年２月１４日に出願された米国特許出願第１３／３９６，３６９号（その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる）に記載される。
場合によっては、バイオマスは微生物材料である。微生物源としては、炭水化物（例えば、セルロース）源を含む、またはこれを提供することができる任意の天然または遺伝子改変微生物または生物、例えば、原生生物、例えば、動物原生生物（例えば、原虫例えば鞭毛虫、アメーバ、繊毛虫、および胞子虫）および植物原生生物（例えば、藻類、例えばアルベオラータ、クロララクニオン藻、クリプト藻類、ユーグレナ目、灰色藻、ハプト藻類、紅藻類、黄色植物、および緑色植物）が挙げられるが、それらに限定されない。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、グラム陽性細菌、グラム陰性細菌、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。場合によっては、微生物バイオマスは、天然源、例えば海、湖、水、例えば、塩水または淡水の塊、または陸上から得ることができる。その代わりに、またはこれに加えて、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系から得ることができる。
糖化剤
好適な酵素としては、バイオマスを分解することができるセロビアーゼ、セルラーゼおよびアミラーゼが挙げられる。
好適なセロビアーゼは商標ＮＯＶＯＺＹＭＥ １８８（商標）で販売されているクロコウジカビ（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｎｉｇｅｒ）由来のセロビアーゼを含む。
セルラーゼはバイオマスを分解することができ、真菌または細菌起源のものであってよい。好適な酵素は、バチルス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）属、シュードモナス（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）属、ヒュミコラ（Ｈｕｍｉｃｏｌａ）属、フサリウム（Ｆｕｓａｒｉｕｍ）属、チエラビア（Ｔｈｉｅｌａｖｉａ）属、アクレモニウム（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ）属、クリソスポリウム（Ｃｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｍ）属およびトリコデルマ（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ）属由来のセルラーゼを含み、ヒュミコラ、コプリナス（Ｃｏｐｒｉｎｕｓ）、チエラビア、フサリウム、ミセリオフソラ（Ｍｙｃｅｌｉｏｐｈｔｈｏｒａ）、アクレモニウム、セファロスポリウム（Ｃｅｐｈａｌｏｓｐｏｒｉｕｍ）、スキタリジウム（Ｓｃｙｔａｌｉｄｉｕｍ）、ペニシリウム（Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍ）またはアスペルギルス（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ）の種（例えば、ＥＰ４５８１６２号を参照されたい）を含み、特にヒュミコラ・インソレンス（Ｈｕｍｉｃｏｌａ ｉｎｓｏｌｅｎｓ）種（スキタリジウム・サーモフィルム（Ｓｃｙｔａｌｉｄｉｕｍ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｍ）として再分類されている、例えば、米国特許第４，４３５，３０７号を参照されたい）、コプリヌス・シネレウス（Ｃｏｐｒｉｎｕｓ ｃｉｎｅｒｅｕｓ）、フサリウム・オキシスポルム（Ｆｕｓａｒｉｕｍ ｏｘｙｓｐｏｒｕｍ）、ミセリオフソラ・サーモヒラ（Ｍｙｃｅｌｉｏｐｈｔｈｏｒａ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａ）、メリピウス・ギガンテウス（Ｍｅｒｉｐｉｌｕｓ ｇｉｇａｎｔｅｕｓ）、チエラビア・テレストリス（Ｔｈｉｅｌａｖｉａ ｔｅｒｒｅｓｔｒｉｓ）、アクレモニウム種（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ ｓｐ．）、アクレモニウム・ペルシシナム（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ ｐｅｒｓｉｃｉｎｕｍ）、アクレモニウム・アクレモニウム（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ）、アクレモニウム・ブラシペニウム（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ ｂｒａｃｈｙｐｅｎｉｕｍ）、アクレモニウム・ジクロモスポルム（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ ｄｉｃｈｒｏｍｏｓｐｏｒｕｍ）、アクレモニウム・オブクラバタム（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ ｏｂｃｌａｖａｔｕｍ）、アクレモニウム・ピンケルトニエ（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ ｐｉｎｋｅｒｔｏｎｉａｅ）、アクレモニウム・ロセオグリセウム（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ ｒｏｓｅｏｇｒｉｓｅｕｍ）、アクレモニウム・インコロラタム（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ ｉｎｃｏｌｏｒａｔｕｍ）、およびアクレモニウム・フラタム（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ ｆｕｒａｔｕｍ）から選択される株；好ましくは、種ヒュミコラ・インソレンスＤＳＭ １８００、フサリウム・オキシスポルムＤＳＭ ２６７２、ミセリオフソラ・サーモヒラＣＢＳ １１７．６５、セファロスポリウム種ＲＹＭ−２０２、アクレモニウム種ＣＢＳ ４７８．９４、アクレモニウム種ＣＢＳ ２６５．９５、アクレモニウム・ペルシシナムＣＢＳ １６９．６５、アクレモニウム・アクレモニウムＡＨＵ ９５１９、セファロスポリウム種ＣＢＳ ５３５．７１、アクレモニウム・ブラシペニウムＣＢＳ ８６６．７３、アクレモニウム・ジクロモスポルムＣＢＳ ６８３．７３、アクレモニウム・オブクラバタムＣＢＳ ３１１．７４、アクレモニウム・ピンケルトニエＣＢＳ １５７．７０、アクレモニウム・ロセオグリセウムＣＢＳ １３４．５６、アクレモニウム・インコロラタムＣＢＳ １４６．６２、およびアクレモニウム・フラタムＣＢＳ ２９９．７０Ｈから選択される株により生成されたものを含む。セルロース分解酵素はクリソスポリウム、好ましくは、クリソスポリウム・ラクノウェンス（Ｃｈｒｙｓｏｓｐｏｒｉｕｍ ｌｕｃｋｎｏｗｅｎｓｅ）の株から得ることもできる。加えて、トリコデルマ（特に、トリコデルマ・ビリデ（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｖｉｒｉｄｅ）、トリコデルマ・リーセイ（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ）、およびトリコデルマ・コニンギイ（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｋｏｎｉｎｇｉｉ））、好アルカリ性バチルス（例えば、米国特許第３，８４４，８９０号およびＥＰ４５８１６２号を参照されたい）、およびストレプトミセス（例えば、ＥＰ４５８１６２号を参照）が使用され得る。
酵素複合体、例えばＧｅｎｅｎｃｏｒｅから商標ＡＣＣＥＬＬＥＲＡＳＥ（登録商標）、例えば、Ａｃｃｅｌｌｅｒａｓｅ（登録商標）１５００酵素複合体として入手可能なものが使用され得る。Ａｃｃｅｌｌｅｒａｓｅ（登録商標）１５００酵素複合体は複数の酵素活性、主にエキソグルカナーゼ、エンドグルカナーゼ（２２００−２８００ ＣＭＣ Ｕ／ｇ）、ヘミセルラーゼ、およびβ−グルコシダーゼ（５２５−７７５ ｐＮＰＧ Ｕ／ｇ）を含み、４．６〜５．０のｐＨを有する。酵素複合体のエンドグルカナーゼ活性はカルボキシメチルセルロース活性ユニット（ＣＭＣ Ｕ）で表され、β−グルコシダーゼ活性はｐＮＰ−グルコシド活性ユニット（ｐＮＰＧ Ｕ）で報告される。１つの実施形態では、Ａｃｃｅｌｌｅｒａｓｅ（登録商標）１５００酵素複合体およびＮＯＶＯＺＹＭＥ（商標）１８８セロビアーゼのブレンドが使用される。
いくつかの実施態様では、糖化剤は、酸、例えば、鉱酸を含む。酸が使用される場合、微生物に毒性である副産物が生成する可能性があり、この場合、プロセスはさらに、そのような副産物を除去することを含むことができる。除去は、活性炭素、例えば、活性炭、または他の好適な技術を用いて実施され得る。
発酵剤
発酵で使用される微生物（複数可）は、天然微生物または遺伝子組換え微生物とすることができる。例えば、微生物は、細菌、例えばセルロース分解性細菌、真菌、例えば酵母、植物または原生生物、例えば藻類、原虫または真菌様原生生物、例えば粘菌とすることができる。生物が適合性である場合、生物の混合物を利用することができる。
好適な発酵微生物は、炭水化物、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、オリゴ糖または多糖を発酵生成物に変換する能力を有する。
発酵微生物は、サッカロマイセス（Ｓａｃｃｈｒｏｍｙｃｅｓ ｓｐｐ．）属、例えば、サッカロマイセス・セレビシエ（Ｓａｃｃｈｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）（パン酵母）、サッカロマイセス・ディアスタティクス（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｄｉｓｔａｔｉｃｕｓ）、サッカロマイセス・ウバルム（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｕｖａｒｕｍ）；クリベロミセス（Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ）属、例えば、クリベロミセス・マルキシアヌス（Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ）種、クリベロミセス・フラジリス（Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｆｒａｇｉｌｉｓ）種；カンジダ（Ｃａｎｄｉｄａ）属、例えばカンジダ・シュードトロピカリス（Ｃａｎｄｉｄａ ｐｓｅｕｄｏｔｒｏｐｉｃａｌｉｓ）、およびカンジダ・ブラシカ（Ｃａｎｄｉｄａ ｂｒａｓｓｉｃａｅ）、ピキア・スティピティス（Ｐｉｃｈｉａ ｓｔｉｐｉｔｉｓ）（カンジダ・シハタエ（Ｃａｎｄｉｄａ ｓｈｅｈａｔａｅ）の近縁種）、クラビスポラ（Ｃｌａｖｉｓｐｏｒａ）属、例えばクラビスポラ・ルシタニエ（Ｃｌａｖｉｓｐｏｒａ ｌｕｓｉｔａｎｉａｅ）種およびクラビスポラ・オプンティアエ（Ｃｌａｖｉｓｐｏｒａ ｏｐｕｎｔｉａｅ）種、パキソレン（Ｐａｃｈｙｓｏｌｅｎ）属、例えばパキソレン・タンノフィルス（Ｐａｃｈｙｓｏｌｅｎ ｔａｎｎｏｐｈｉｌｕｓ）種、ブレタノミセス（Ｂｒｅｔａｎｎｏｍｙｃｅｓ）属、例えばブレタノミセス・クラウセニイ（Ｂｒｅｔａｎｎｏｍｙｃｅｓ ｃｌａｕｓｅｎｉｉ）種の株を含む（Handbook on Bioethanol:Production and
Utilization,Wyman,C.E.,ed.,Taylor ＆ Francis,Washington,DC,179-212中のPhilippidis,G.P.,1996,Cellulose
bioconversion technology）。他の好適な微生物は、例えば、ザイモモナス・モビリス（Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）、クロストリジウム・サーモセラム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｔｈｅｒｍｏｃｅｌｌｕｍ）（Philippidis、1996、上記）、クロストリジウム・サッカロブチルアセトニクム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｓａｃｃｈａｒｏｂｕｔｙｌａｃｅｔｏｎｉｃｕｍ）、クロストリジウム・サッカロブチリカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｓａｃｃｈａｒｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ）、クロストリジウム・パニセウム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ Ｐｕｎｉｃｅｕｍ）、クロストリジウム・ベイジェリンキ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｂｅｉｊｅｒｎｃｋｉｉ）、クロストリジウム・アセトブチリカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ）、モニリエラ・ポリニス（Ｍｏｎｉｌｉｅｌｌａ ｐｏｌｌｉｎｉｓ）、ヤロウイア・リポリティカ（Ｙａｒｒｏｗｉａ ｌｉｐｏｌｙｔｉｃａ）、アウレオバシジウム種（Ａｕｒｅｏｂａｓｉｄｉｕｍ ｓｐ．）、トリコスポロノイデス種（Ｔｒｉｃｈｏｓｐｏｒｏｎｏｉｄｅｓ ｓｐ．）、トリゴノプシス・バリアビリス（Ｔｒｉｇｏｎｏｐｓｉｓ ｖａｒｉａｂｉｌｉｓ）、トリコスポロン種（Ｔｒｉｃｈｏｓｐｏｒｏｎ ｓｐ．）、モニリエラ・アセトアブタンス（Ｍｏｎｉｌｉｅｌｌａａｃｅｔｏａｂｕｔａｎｓ）、チフラ・バリアビリス（Ｔｙｐｈｕｌａ ｖａｒｉａｂｉｌｉｓ）、カンジダ・マグノリアエ（Ｃａｎｄｉｄａ ｍａｇｎｏｌｉａｅ）、ウスチラジノマイシーテス（Ｕｓｔｉｌａｇｉｎｏｍｙｃｅｔｅｓ）、シュードジーマ・ツクバエンシス（Ｐｓｅｕｄｏｚｙｍａ ｔｓｕｋｕｂａｅｎｓｉｓ）、ザイゴサッカロミセス（Ｚｙｇｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ）属、デバリオマイセス（Ｄｅｂａｒｙｏｍｙｃｅｓ）属、ハンゼヌラ（Ｈａｎｓｅｎｕｌａ）属およびピキア（Ｐｉｃｈｉａ）属の酵母種、ならびにトルラ（Ｔｏｒｕｌａ）属黒色様真菌を含む。
市販されている酵母は、例えば、Ｒｅｄ Ｓｔａｒ（登録商標）／Ｌｅｓａｆｆｒｅ Ｅｔｈａｎｏｌ Ｒｅｄ（Ｒｅｄ Ｓｔａｒ／Ｌｅｓａｆｆｒｅ，ＵＳＡから入手可能）、ＦＡＬＩ（登録商標）（Ｆｌｅｉｓｃｈｍａｎｎ’ｓ Ｙｅａｓｔ、Ｂｕｒｎｓ Ｐｈｉｌｉｐ Ｆｏｏｄ Ｉｎｃ．，ＵＳＡの事業部から入手可能）、ＳＵＰＥＲＳＴＡＲＴ（登録商標）（Ａｌｌｔｅｃｈ、現Ｌａｌｅｍａｎｄから入手可能）、ＧＥＲＴ ＳＴＲＡＮＤ（登録商標）（Ｇｅｒｔ Ｓｔｒａｎｄ ＡＢ，Ｓｗｅｄｅｎから入手可能）およびＦＥＲＭＯＬ（登録商標）（ＤＳＭ Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓから入手可能）を含む。
添加物
抗生物質
糖化溶液中では高い糖濃度を有することが一般に好ましいが、より低い濃度を使用してもよく、その場合、抗菌添加物、例えば、広域スペクトル抗生物質を、低濃度、例えば、５０〜１５０ｐｐｍで添加することが望ましい可能性がある。他の好適な抗生物質としては、アンホテリシンＢ、アンピシリン、クロラムフェニコール、シプロフロキサシン、ゲンタマイシン、ハイグロマイシンＢ、カナマイシン、ネオマイシン、ペニシリン、ピューロマイシン、ストレプトマイシンが挙げられる。抗生物質は、輸送および貯蔵中の微生物の増殖を阻止し、適切な濃度、例えば、１５〜１０００ｐｐｍ（重量）、例えば、２５〜５００ｐｐｍ、または５０〜１５０ｐｐｍの間で使用することができる。必要に応じて、抗生物質は、糖濃度が比較的高い場合であっても、含めることができる。
界面活性剤
界面活性剤の添加は、糖化速度を増強させることができる。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、または両性界面活性剤が挙げられる。他の好適な界面活性剤としては、オクチルフェノールエトキシレート、例えば、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌから市販されているＴＲＩＴＯＮ（商標）Ｘシリーズ非イオン性界面活性剤が挙げられる。界面活性剤はまた、溶液、特に高濃度溶液中で生成される糖を維持するために添加することができる。
糖化培地
１つの実施形態では、培地は下記濃度の構成成分を有する：
Figure 0006220779
原料の物理的処理
物理的調製
場合によっては、方法は、例えば、切断、粉砕、せん断、微粉化または細断による材料の物理的調製、例えば材料のサイズ低減を含むことができる。例えば、他の場合では、材料は最初に、本明細書で記載される方法の１つ以上、例えば放射線照射、超音波処理、酸化、熱分解または蒸気爆発を用いて前処理されまたは加工され、その後、サイズ低減されまたはさらにサイズ低減される。最初に処理し、その後、サイズ低減することは好都合であり得る。スクリーンおよび／または磁石を使用し、大きすぎる物体、または望ましくない物体、例えば岩または釘などを供給物流から除去することができる。場合によっては前加工は必要なく、例えば、バイオマスの初期不応性が低く、ウェットミリングが、不応性を低減させる、例えば、さらなる加工、例えば、糖化のために材料を調製するのに十分有効である場合である。
供給物調製システムは、特定の特徴、例えば、特定の最大サイズ、特定の長さ対幅、または特定の表面積比などを有する流れを生成するように構成することができる。物理的調製は、材料を利用可能とし、プロセスおよび／または試薬、例えば溶液中の試薬によりアクセスしやすくすることにより、反応速度を増加させ、または必要とされる加工時間を低減させることができる。原料の嵩密度は制御する（例えば、増加させる）ことができる。状況によっては、例えば、材料を高密度化し（例えば、高密度化は、別の場所への輸送をより容易に、より低コストなものとし得る）、その後、材料をより低い嵩密度状態に戻すことにより、高いまたはより高い嵩密度材料を調製することが望ましい可能性がある。材料は、例えば０．２ｇ／ｃｃ未満から０．９ｇ／ｃｃ超（例えば、０．３未満から０．５ｇ／ｃｃ超、０．３未満から０．９ｇ／ｃｃ超、０．５未満から０．９ｇ／ｃｃ超、０．３未満から０．８ｇ／ｃｃ超、０．２未満から超０．５ｇ／ｃｃ）に高密度化することができる。例えば、材料は、Ｕ．Ｓ．７，９３２，０６５号およびＷＯ２００８／０７３１８６号（その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる）において開示される方法および装置により高密度化させることができる。高密度化された材料は、本明細書で記載される方法のいずれかにより加工することができ、または本明細書で記載される方法のいずれかにより加工された任意の材料はその後、高密度化され得る。場合によっては、材料はウェットミリング前に高密度化され得る。ウェットミリングは高密度化された材料を再び利用可能とすることができる。
サイズ低減
いくつかの実施形態では、加工すべき材料は、繊維源をせん断することにより提供された繊維を含む繊維状材料の形態である。例えば、せん断は回転ナイフカッターにより実施することができる。
例えば、不応性である、またはその不応性レベルが低減された繊維源は、例えば、回転ナイフカッターでせん断することができ、第１の繊維状材料が提供される。第１の繊維状材料を、例えば、１．５９ｍｍ以下（１／１６インチ、０．０６２５インチ）の平均孔サイズを有する第１のスクリーンを通過させて第２の繊維状材料を提供する。必要に応じて、繊維源はせん断前に例えばシュレッダーにより切断することができる。例えば、紙が繊維源として使用される場合、紙は最初に、シュレッダー、例えば、逆回転スクリューシュレッダー、例えばＭｕｎｓｏｎ（Ｕｔｉｃａ、Ｎ．Ｙ．）により製造されたものを用いて、例えば、１／４−〜１／２−インチ幅であるストリップに切断することができる。寸断の代用として、紙はギロチンカッターを使用して所望のサイズに切断することにより、サイズ低減させることができる。例えば、ギロチンカッターを使用して、紙を、例えば、１０インチ幅×１２インチ長のシートに切断することができる。
いくつかの実施形態では、繊維源のせん断と、得られた第１の繊維状材料の第１のスクリーンの通過とは同時に実施される。せん断および通過はまた、バッチ式のプロセスにおいて実施することができる。
例えば、回転ナイフカッターを使用して、繊維源をせん断し、同時に第１の繊維状材料をスクリーニングすることができる。回転ナイフカッターは、繊維源を寸断することにより調製された寸断された繊維源を装入することができるホッパーを含む。寸断された繊維源。いくつかの実施態様では、原料は糖化および／または発酵前に物理的に処理される。物理的処理プロセスは、本明細書で記載されるもの、例えば機械的処理、化学的処理、照射、超音波処理、酸化、熱分解または蒸気爆発のいずれかの１つ以上を含むことができる。処理方法は、これらの技術の２、３、４、またはさらにすべての組み合わせ（任意の順序）で使用することができる。１を超える処理方法が使用される場合、方法は、同時にまたは異なる時に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プロセスもまた、単独で、または本明細書で開示されるプロセスと組み合わせて使用され得る。
機械的処理
場合によっては、方法はバイオマス原料を機械的に処理することを含むことができる。機械的処理としては、例えば、切断、ミリング、圧縮、粉砕、せん断および細断が挙げられる。ミリングは、例えば、ボールミリング、ハンマーミリング、ローター／ステータードライまたはウェットミリング、フリーザーミリング、ブレードミリング、ナイフミリング、ディスクミリング、ローラミリングまたは他の型のミリングを含み得る。他の機械的処理としては、例えば、石材粉砕、クラッキング、機械的剥取または引裂、ピン粉砕または空気摩擦ミリングが挙げられる。
機械的処理はセルロースまたはリグノセルロース材料を「利用可能とする」「応力付加する」、破壊するおよび粉々にするのに有利であり得、材料のセルロースを、鎖切断および／または結晶化度の低減に対してより感受性とする。利用可能とされた材料はまた、照射された場合酸化に対してより感受性となり得る。
場合によっては、機械的処理は、例えば切断、粉砕、せん断、微粉化または細断による、受け取られた原料の初期調製、例えば、材料のサイズ低減を含み得る。例えば、場合によっては、遊離原料（例えば、再生紙、デンプン質材料、またはスイッチグラス）がせん断または寸断により調製される。
その代わりに、またはこれに加えて、原材料は１つ以上の他の物理的処理方法、例えば、化学的処理、放射線照射、超音波処理、酸化、熱分解または蒸気爆発により最初に物理的に処理され、その後、機械的に処理され得る。このシーケンスは好都合であり得る。というのは、１つ以上の他の処理、例えば、照射または熱分解により処理された材料は、より脆性である傾向があり、よって、機械的処理により材料の分子構造をさらに変化させるのがより容易になり得るからである。
いくつかの実施形態では、原材料は繊維状材料の形態であり、機械的処理はせん断を含み、繊維状材料の繊維が露出される。せん断は、例えば、回転ナイフカッターを使用して実施することができる。原料機械的に処理する他の方法としては、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、コニカルまたはコーンミル、ディスクミル、エッジミル、Ｗｉｌｅｙミルまたはグリストミルを使用して実施され得る。粉砕は、例えば、石材グラインダー、ピングラインダー、コーヒーグラインダー、またはバーグラインダーを使用して実施され得る。粉砕は、例えば、ピンミルの場合のように、ピンまたは他の要素を往復運動させることにより提供され得る。他の機械的処理方法としては、機械的剥取または引裂、圧力を材料に適用する他の方法、および空気摩擦ミリングが挙げられる。好適な機械的処理はさらに、原料の分子構造を変化させる任意の他の技術を含む。
必要に応じて、機械的に処理された材料は、例えば、１．５９ｍｍ以下（１／１６インチ、０．０６２５インチ）の平均孔サイズを有するスクリーンを通過させることができる。いくつかの実施形態では、せん断、または他の機械的処理、およびスクリーニングは同時に実施される。例えば、回転ナイフカッターを使用して、原料をせん断し、同時にスクリーニングすることができる。原料は固定ブレードと回転ブレードの間でせん断され、せん断された材料が提供され、これはスクリーンを通過し、ビン内に捕集される。
セルロースまたはリグノセルロース材料は乾燥状態（例えば、その表面上に自由水をほとんどまたは全く有さない）、水和状態（例えば、１０重量パーセントまでの吸収水を有する）、または例えば、約１０重量パーセント〜約７５重量パーセントの間の水を有する湿潤状態で機械的に処理することができる。繊維源は、液体、例えば、水、エタノール、イソプロパノールに部分的にまたは完全に沈めてせん断することもできる。
繊維セルロースまたはリグノセルロース材料はまた、ガス（例えば、空気以外のガスの流れまたは雰囲気）、例えば酸素もしくは窒素、または蒸気下でせん断することもできる。
必要に応じて、リグニンは、リグニンを含む繊維状材料のいずれかからも除去することができる。また、セルロースを含む材料の分解を助けるために、材料は、機械的処理または照射前、または中に、熱、化学薬品（例えば、鉱酸、塩基または強酸化剤、例えば次亜塩素酸ナトリウム）および／または酵素により処理することができる。例えば、粉砕は酸の存在下で実施することができる。
機械的処理システムは、特定の形態特徴、例えば、表面積、多孔度、嵩密度、および繊維状原料の場合、繊維特徴例えば長さ対幅比などを有する流れを生成するように構成することができる。
いくつかの実施形態では、機械的に処理された材料のＢＥＴ表面積は０．１ｍ２／ｇ超、例えば、０．２５ｍ２／ｇ超、０．５ｍ２／ｇ超、１．０ｍ２／ｇ超、１．５ｍ２／ｇ超、１．７５ｍ２／ｇ超、５．０ｍ２／ｇ超、１０ｍ２／ｇ超、２５ｍ２／ｇ超、３５ｍ２／ｇ超、５０ｍ２／ｇ超、６０ｍ２／ｇ超、７５ｍ２／ｇ超、１００ｍ２／ｇ超、１５０ｍ２／ｇ超、２００ｍ２／ｇ超、またはさらに２５０ｍ２／ｇ超である。
機械的に処理された材料の多孔度は、例えば、２０パーセント超、２５パーセント超、３５パーセント超、５０パーセント超、６０パーセント超、７０パーセント超、８０パーセント超、８５パーセント超、９０パーセント超、９２パーセント超、９４パーセント超、９５パーセント超、９７．５パーセント超、９９パーセント超、またはさらに９９．５パーセント超とすることができる。
いくつかの実施形態では、機械的処理後、材料は０．２５ｇ／ｃｍ３未満、例えば、０．２０ｇ／ｃｍ３、０．１５ｇ／ｃｍ３、０．１０ｇ／ｃｍ３、０．０５ｇ／ｃｍ３以下、例えば、０．０２５ｇ／ｃｍ３の嵩密度を有する。嵩密度はＡＳＴＭＤ１８９５Ｂを用いて決定される。簡単に言うと、方法は、公知の体積のメスシリンダーに試料を充填し、試料の重量を入手することを含む。嵩密度は、グラムで表された試料の重量を、立方センチメートルで表されたシリンダーの公知の体積でわることにより計算される。
原料が繊維状材料である場合、機械的に処理された繊維状材料の繊維は２回以上せん断された場合であっても、比較的大きな平均長さ対直径比（例えば、２０対１超）を有することができる。加えて、本明細書で記載される繊維状材料の繊維は、比較的狭い長さおよび／または長さ対直径比分布を有し得る。
本明細書で使用されるように、平均繊維幅（例えば、直径）は、およそ５，０００繊維を無作為に選択することにより光学的に決定されたものである。平均繊維長は補正された長さ加重長さである。ＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ、Ｅｍｍｅｔ ａｎｄ Ｔｅｌｌｅｒ）表面積は、多点法による表面積であり、多孔度は水銀ポロシメトリーにより測定されたものである。
第２の原料が繊維状材料１４である場合、機械的に処理された材料の繊維の平均長さ対直径比は、例えば８／１超、例えば、１０／１超、１５／１超、２０／１超、２５／１超、または５０／１超とすることができる。機械的に処理された材料１４の平均繊維長は、例えば、約０．５ｍｍ〜２．５ｍｍの間、例えば、約０．７５ｍｍ〜１．０ｍｍの間とすることができ、第２の繊維状材料１４の平均幅（例えば、直径）は、例えば、約５μｍ〜５０μｍの間、例えば、約１０μｍ〜３０μｍの間とすることができる。
いくつかの実施形態では、原料が繊維状材料である場合、機械的に処理された材料の繊維長の標準偏差は、機械的に処理された材料の平均繊維長の６０パーセント未満、例えば、平均長の５０パーセント未満、平均長の４０パーセント未満、平均長の２５パーセント未満、平均長の１０パーセント未満、平均長の５パーセント未満、またはさらに平均長の１パーセント未満とすることができる。
可溶化し、不応性を低減化させ、または官能化させるための処理
物理的に調製された、またはされていない材料は、本明細書で記載される任意の生成プロセスで使用するために処理することができる。以下で記載される生成プロセスの１つ以上が、以上で記載される不応性低減動作ユニットに含められ得る。その代わりに、またはこれに加えて、不応性を低減させるための他のプロセスが含められ得る。
不応性低減動作ユニットにより使用される処理プロセスは、照射、超音波処理、酸化、熱分解または蒸気爆発の１つ以上を含むことができる。処理方法は、これらの技術の２、３、４、またはさらにすべての組み合わせで使用することができる（任意の順序）。
放射線処理
１つ以上の放射線照射加工シーケンスを使用して、原料由来の材料を加工することができ、原料から有用な物質を抽出するための多種多様の異なる供給源が提供され、部分的に分解され、構造的に改変された材料が提供され、これはさらなる加工工程および／またはシーケンスへのインプットとして機能する。照射は、例えば、原料の分子量および／または結晶化度を低減させる。放射線はまた、材料、または材料をバイオプロセス加工するのに必要とされる任意の培地を滅菌することができる。
いくつかの実施形態では、電子をその原子軌道から放出させる、材料中に堆積されたエネルギーが使用され、材料に照射される。放射線は、（１）重荷電粒子、例えばα粒子もしくはプロトン、（２）例えばβ崩壊または電子ビーム加速器において生成された電子、または（３）電磁放射線、例えば、ガンマ線、ｘ線もしくは紫外線により提供することができる。１つのアプローチにおいては、放射性物質により生成された放射線を使用して原料に照射することができる。いくつかの実施形態では、（１）から（３）の任意の順序のまたは同時の任意の組合せを利用することができる。別のアプローチにおいては、（例えば、電子ビームエミッターを使用して生成された）電磁放射線を使用して原料を照射することができる。適用線量は、所望の効果および特定の原料に依存する。
鎖切断が所望され、および／またはポリマー鎖官能化が所望されるいくつかの場合において、電子よりも重い粒子、例えば、プロトン、ヘリウム核、アルゴンイオン、ケイ素イオン、ネオンイオン、炭素イオン、リンイオン、酸素イオンまたは窒素イオンを利用することができる。開環鎖切断が所望される場合、正に荷電した粒子をそのルイス酸特性に対して開環鎖切断の向上のために利用することができる。例えば、最大酸化が所望される場合、酸素イオンを利用することができ、最大窒化が所望される場合、窒素イオンを利用することができる。重い粒子および正に荷電した粒子の使用は、Ｕ．Ｓ．７，９３１，７８４号（その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる）に記載される。
１つの方法では、第１の数平均分子量（ＭＮ１）を有するセルロースである、またはこれを含む第１の材料は、例えば、電離放射線（例えば、γ放射線、Ｘ線放射線、１００ｎｍ〜２８０ｎｍ紫外（ＵＶ）光、電子または他の荷電粒子のビームの形態）を用いた処理により照射され、第１の数平均分子量より低い第２の数平均分子量（ＭＮ２）を有するセルロースを含む第２の材料が提供される。第２の材料（または第１および第２の材料）は、第２のおよび／または第１の材料またはその構成糖またはリグニンを使用することができる微生物（酵素処理ありまたはなし）と組み合わせることができ、中間体または生成物、例えば本明細書で記載されるものが生成される。
第２の材料は第１の材料と比べて低減した分子量、かつ、場合によっては、低減した結晶化度を有するセルロースを含むので、第２の材料は一般に、例えば、微生物および／または酵素を含む溶液中で、分散性、膨潤性および／または可溶性がより高い。これらの特性により、第２の材料は、第１の材料に比べ、より容易に加工され、化学、酵素および／または生物攻撃への感受性が高くなり、これにより所望の生成物、例えば、エタノールの生成速度および／または生成レベルが大きく改善され得る。放射線はまた、材料または材料をバイオプロセス加工するのに必要とされる任意の培地を滅菌することができる。
いくつかの実施形態では、第２の材料は、第１の材料の酸化レベル（Ｏ１）より高い酸化レベル（Ｏ２）を有することができる。材料の酸化レベルが高いと、その分散性、膨潤性および／または溶解度が助けられ、さらに材料の化学、酵素または生物攻撃への感受性が増強され得る。いくつかの実施形態では、第１の材料に比べて第２の材料の酸化レベルを増加させるために、照射は酸化環境、例えば、空気または酸素のブランケット下で実施され、第１の材料よりも酸化された第２の材料が生成される。例えば、第２の材料はより多くのヒドロキシル基、アルデヒド基、ケトン基、エステル基またはカルボン酸基を有することができ、これらはその親水性を増加させることができる。
電離放射線
各形態の放射線は、放射線のエネルギーにより決定される特定の相互作用を介して炭素含有材料をイオン化する。重い荷電粒子は主に、物質をクーロン散乱によりイオン化する；さらに、これらの相互作用はエネルギー電子を生成し、これらはさらに物質をイオン化し得る。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、例えばビスマス、ポロニウム、アスタチン、ラドン、フランシウム、ラジウム、いくつかのアクチニド、例えばアクチニウム、トリウム、ウラン、ネプツニウム、キュリウム、カリフォルニウム、アメリシウム、およびプルトニウムの同位体のα崩壊により生成される。
粒子が使用される場合、それらは中性（非荷電）、正に荷電または負に荷電したものとすることができる。荷電される場合、荷電粒子は、単一正もしくは負電荷、または複数電荷、例えば、１、２、３またはさらに４以上の電荷を有することができる。鎖切断が所望される場合、正に荷電した粒子が、１つにはその酸性性質のために望ましい可能性がある。粒子が使用される場合、粒子は静止電子の質量、またはそれ以上、例えば、静止電子の質量の５００、１０００、１５００、２０００、１０，０００またはさらに１００，０００倍を有することができる。例えば、粒子は約１原子単位〜１５０原子単位、例えば、約１原子単位〜５０原子単位、または約１〜約２５、例えば、１、２、３、４、５、１０、１２または１５ａｍｕの質量を有することができる。粒子を加速するために使用される加速器は、静電ＤＣ、電気力学ＤＣ、ＲＦ線形、磁気誘導線形または連続波とすることができる。例えば、サイクロトロン型加速器はＩＢＡ、Ｂｅｌｇｉｕｍから入手可能で、例えばＲｈｏｄｏｔｒｏｎ（登録商標）システムであり、ＤＣ型加速器はＲＤＩ、現ＩＢＡ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌから入手可能であり、例えばＤｙｎａｍｉｔｒｏｎ（登録商標）である。イオおよびイオン加速器は、Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane,
John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206, Chu, William T.,
“Overview of Light-Ion Beam Therapy” Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20
March 2006, Iwata, Y. et al., “Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion
Medical Accelerators” Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland and Leaner,
C.M. et al., “Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus” Proceedings
of EPAC 2000, Vienna, Austriaにおいて記載される。
いくつかの実施形態では、電子ビームが放射線源として使用される。電子ビームは、高い線量率（例えば、１、５、またはさらに１０Ｍｒａｄ／秒）、高いスループット、低い封じ込め、および低い閉じ込め装置という利点を有する。電子はまた、鎖切断を引き起こすのにより効率的であり得る。加えて、４−１０ＭｅＶのエネルギーを有する電子は、５〜３０ｍｍ以上、例えば４０ｍｍの侵入深さを有することができる。場合によっては、複数の電子ビーム装置（例えば複数ヘッド、しばしば「ホルン」と呼ばれる）が使用され、複数線量の電子ビーム放射線が材料に送達される。この高い総ビーム出力は、通常、複数の加速ヘッドを使用することにより達成される。例えば、電子ビーム装置は２、４またはそれ以上の加速ヘッドを含み得る。一例として、電子ビーム装置は、４つの加速ヘッドを含み得、その各々は３００ｋＷのビーム出力を有し、合計１２００ｋＷのビーム出力を有し得る。各々が比較的低いビーム出力を有する複数ヘッドの使用は、材料における過剰な温度上昇を防止し、よって、材料の燃焼を防止し、また、材料の層の厚さを通る線量の均一性を増加させる。複数ヘッドによる照射は２０１１年１０月１８日に出願された米国特許出願第１３／２７６，１９２号（その、その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる）において開示される。
電子ビームは、例えば、静電起電機、カスケード起電機、変圧起電機、走査システムを備えた低エネルギー加速器、線形カソードを備えた低エネルギー加速器、線形加速器、およびパルス加速器により生成させることができる。電離放射線源としての電子は、例えば、例として、０．５インチ未満、例えば、０．４インチ、０．３インチ、０．２インチ未満、または０．１インチ未満の材料の比較的薄い積み重ねにとって有用であり得る。いくつかの実施形態では、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。
電子ビーム照射装置はＩｏｎ Ｂｅａｍ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｌｏｕｖａｉｎ−ｌａ−Ｎｅｕｖｅ、ＢｅｌｇｉｕｍまたはＴｉｔａｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ、ＣＡから商業的に調達され得る。典型的な電子エネルギーは、１ＭｅＶ、２ＭｅＶ、４．５ＭｅＶ、７．５ＭｅＶ、または１０ＭｅＶとすることができる。典型的な電子ビーム照射装置電力は、１ｋＷ、５ｋＷ、１０ｋＷ、２０ｋＷ、５０ｋＷ、１００ｋＷ、２５０ｋＷ、または５００ｋＷとすることができる。原料の脱重合のレベルは、使用される電子エネルギーおよび適用される線量に依存し、一方、曝露時間は電力および線量に依存する。典型的な線量は１ｋＧｙ、５ｋＧｙ、１０ｋＧｙ、２０ｋＧｙ、５０ｋＧｙ、１００ｋＧｙ、または２００ｋＧｙの値をとり得る。いくつかの実施形態では０．２５−１０ＭｅＶ（例えば、０．５−０．８ＭｅＶ、０．５−５ＭｅＶ、０．８−４ＭｅＶ、０．８−３ＭｅＶ、０．８−２ＭｅＶまたは０．８−１．５ＭｅＶ）の間のエネルギーを使用することができる。
電磁放射線
照射が電磁放射線を用いて実施される実施形態では、電磁放射線は、例えば、１０２ｅＶ超、例えば、１０３、１０４、１０５、１０６超、またはさらに１０７ｅＶ超のエネルギー／光子（電子ボルトで表される）を有することができる。いくつかの実施形態では、電磁放射線は１０４〜１０７の間、例えば、１０５〜１０６ｅＶの間のエネルギー／光子を有する。電磁放射線は、例えば、１０１６Ｈｚ超、１０１７Ｈｚ、１０１８、１０１９、１０２０超、またはさらに１０２１Ｈｚ超の周波数を有することができる。いくつかの実施形態では、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。
線量
いくつかの実施形態では、照射（任意の放射線源または源の組合せによる）は、材料が少なくとも０．２５Ｍｒａｄ、例えば、少なくとも１．０、２．５、５．０、８．０、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、５０、またはさらに少なくとも１００Ｍｒａｄの線量を受けるまで実施される。いくつかの実施形態では、照射は、材料が１．０Ｍｒａｄ〜６．０Ｍｒａｄの間、例えば、１．５Ｍｒａｄ〜４．０Ｍｒａｄ、２Ｍｒａｄ〜１０Ｍｒａｄ、５Ｍｒａｄ〜２０Ｍｒａｄ、１０Ｍｒａｄ〜３０Ｍｒａｄ、１０Ｍｒａｄ〜４０Ｍｒａｄ、または２０Ｍｒａｄ〜５０Ｍｒａｄの間の線量を受けるまで実施される。
いくつかの実施形態では、照射は５．０〜１５００．０キロラド／時間の間、例えば、１０．０〜７５０．０キロラド／時間の間または５０．０〜３５０．０キロラド／時間の間の線量率で実施される。
いくつかの実施形態では、２つ以上の放射線源、例えば２つ以上の電離放射線が使用される。例えば、試料は、任意の順序で電子ビームにより処理し、続いて、γ放射線および約１００ｎｍ〜約２８０ｎｍの波長を有するＵＶ光により処理することができる。いくつかの実施形態では、試料は、３つの電離放射線源、例えば電子ビーム、γ放射線、およびエネルギーＵＶ光で処理される。
超音波処理、熱分解および酸化
放射線処理に加えて、原料は、超音波処理、熱分解および酸化の任意の１つ以上により処理され得る。これらの処理プロセは、２００９年４月３日に出願された米国特許出願第１２／４１７，８４０号（その開示は参照により本明細書に組み込まれる）において記載される。
可溶化し、不応性を低減し、または官能化するための他のプロセス
この段落のプロセスのいずれも、単独で、本明細書で記載されるプロセスのいずれもなしで、または本明細書で記載されるプロセスのいずれかと組み合わせて（任意の順序）使用することができる：蒸気爆発、化学的処理（例えば、酸処理（鉱酸、例えば硫酸、塩酸および有機酸、例えばトリフルオロ酢酸による濃および希酸処理を含む）、および／または塩基処理（例えば、石灰または水酸化ナトリウムによる処理））、ＵＶ処理、スクリュー押し出し処理、溶媒処理（例えば、イオン性液体による処理）および凍結ミリング。これらのプロセスのいくつかは、例えば、２００９年４月３日に出願された米国特許出願第１２／４１７，７２３号；２０１１年５月２日に出願された１３／０９９，１５１号；および２００９年７月１４日に出願された１２／５０２，６２９号（それらの開示は本明細書に組み込まれる）において記載される。
燃料、酸、エステル、および／または他の生成物の生成
以上で記載される加工工程の１つ以上がバイオマスに対し実施された後、セルロースおよびヘミセルロース画分に含まれる複合炭水化物は、上記のように、糖化プロセスを使用して発酵可能な糖に加工することができる。
得られた糖溶液は製造施設に輸送された後、糖は様々な生成物、例えばアルコール、例えば、エタノール、または有機酸に変換することができる。得られた生成物は、使用された微生物およびバイオプロセス加工が起こる条件に依存する。これらの工程は、例えば、トウモロコシに基づくエタノール製造施設の既存の装置を使用することにより実施することができる。
本明細書で記載される混合プロセスおよび装置はまた、必要に応じてバイオプロセス加工中で使用され得る。便宜的に、本明細書で記載される混合システムは、高せん断を液体に与えず、液体の全体温度を著しく上昇させない。その結果、バイオプロセス加工で使用される微生物は、プロセスを通して生きた状態で維持される。混合は反応速度を増強させ、プロセスの効率を改善し得る。
一般に、発酵は様々な微生物を使用する。リグノセルロース材料の糖化により生成される糖溶液は一般にキシロースならびにグルコースを含む。例えば、クロマトグラフィーによりキシロースを除去することが望ましい可能性があり、というのも、いくつかの一般に使用される微生物（例えば、酵母）はキシロースに作用しないからである。キシロースは収集され、他の生成物、例えば、動物飼料および甘味料キシリトールの製造に使用され得る。キシロースは糖溶液の、発酵が実施される製造施設への送達前または後に除去され得る。
微生物は、天然微生物または遺伝子組換え微生物、例えば、本明細書における材料セクションで記載される微生物のいずれかとすることができる。
酵母に対する最適ｐＨは約ｐＨ４〜５であるが、ザイモモナスに対する最適ｐＨは約ｐＨ５〜６である。典型的な発酵時間は約２４〜９６時間であり、温度は２６℃〜４０℃の範囲であるが、しかしながら好熱性微生物はより高い温度を好む。
カルボン酸基は、一般に発酵溶液のｐＨを低下させ、いくらかの微生物、例えばピキア・スティピティスによる発酵を阻止する傾向がある。したがって、場合によっては、塩基および／または緩衝液を、発酵前または中に添加し、溶液のｐＨを上げることが望ましい。例えば、水酸化ナトリウムまたは石灰を発酵培地に添加し、培地のｐＨを上昇させ、使用される微生物に最適な範囲とすることができる。
発酵は一般に水性増殖培地中で実施され、これは、窒素源または他の栄養分源、例えば、尿素をビタミンならびに微量ミネラルおよび金属と共に含むことができる。増殖培地は無菌であり、または少なくとも低い微生物負荷、例えば、細菌数を有することが一般に好ましい。増殖培地の滅菌は、任意の所望の様式で達成され得る。しかしながら、好ましい実施態様では、滅菌は、増殖培地または混合前の増殖培地の個々の構成成分に照射することにより達成される。放射線の線量は一般に、エネルギー消費および結果としてコストを最小に抑えるために、できる限り低く、しかし依然として十分な結果が得られるものとされる。例えば、多くの場合、増殖培地自体または増殖培地の構成成分は、５Ｍｒａｄ未満、例えば４、３、２または１Ｍｒａｄ未満の放射線線量で処理することができる。特定の場合、増殖培地は、約１〜３Ｍｒａｄの間の線量で処理される。
いくつかの実施形態では、発酵プロセスの全てまたは一部は低分子量糖がエタノールに完全に変換され前に中断することができる。中間発酵生成物は、高濃度の糖および炭水化物を含む。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品の調製において使用することができる。加えてまたはその代わりに、中間発酵生成物は、ステンレス鋼研究室ミルにおいて微細粒子サイズに粉砕することができ、小麦粉様物質が生成される。
移動式発酵槽は、２００９年１月２１日に出願された米国特許出願第１２／３７４，５４９号、現公開国際出願第ＷＯ２００８／０１１５９８号に記載されるように使用することができる。同様に、糖化装置は移動式とすることができる。さらに、糖化および／または発酵は、輸送中に部分的にまたは完全に実施され得る。
後加工
発酵後、得られた流体は、例えば、「ビール塔」を使用してに蒸留することができ、大半の水および残留固体から、エタノールおよび他のアルコールが分離される。ビール塔から出て行く蒸気は、例えば、３５重量％エタノールとすることができ、精留塔に送ることができる。精留塔からのほぼ共沸（９２．５％）エタノールと水の混合物は、蒸気相モレキュラーシーブを用いて純粋（９９．５％）エタノールに精製することができる。ビール塔底は３重エフェクト蒸発器の第１エフェクトに送ることができる。精留塔還流冷却器は、この第１エフェクトのために熱を提供することができる。第１エフェクト後、固体は遠心機を用いて分離し、回転乾燥機で乾燥することができる。遠心機流出物の一部（２５％）は、発酵に再利用することができ、残りは、第２のおよび第３の蒸発器エフェクトに送られる。蒸発器凝縮物のほとんどは、かなり清浄な凝縮物としてプロセスに戻すことができ、ごく一部が分割されて廃水処理に送られ、低沸点化合物の蓄積が防止される。
中間体および生成物
本明細書で記載されるプロセスを使用して、処理されたバイオマスを１つ以上の生成物、例えばエネルギー、燃料、食品および材料に変換することができる。生成物の具体例としては、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、果糖、二糖、オリゴ糖および多糖）、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）、例えば、１０％、２０％、３０％超またはさらに４０％超の水を含む水和または含水アルコール、キシリトール、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）、副産物（例えば、タンパク質、例えばセルロース分解性タンパク質（酵素）または単細胞タンパク質）、および任意の組み合わせまたは相対濃度での、および任意で、任意の添加物、例えば、燃料添加物と組み合わせたこれらの任意の混合物が挙げられるが、それらに限定されない。他の例としては、カルボン酸、カルボン酸の塩、カルボン酸およびカルボン酸の塩の混合物ならびにカルボン酸のエステル（例えば、メチル、エチルおよび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、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。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、エリスリトール、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、ズルシトール、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他のポリオール）、これらのアルコールのメチルまたはエチルエステルが挙げられる。他の生成物としては、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、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、または酸のいずれかの混合物ならびにそれらの個々の塩、酸のいずれかの塩および酸のいずれかおよび個々の塩の混合物が挙げられる。
食品および医薬品を含む他の中間体および生成物は、２００９年４月３日に出願された米国特許出願第１２／４１７，９００号（その完全な開示はこれによって参照により本明細書に組み込まれる）において記載される。
他の実施形態
多くの実施形態について記載してきた。それにもかかわらず、様々な改変が本開示の精神および範囲から逸脱せずに可能であることが理解されるであろう。
いくつかの実施態様では、本明細書で記載されるシステム、またはこれらのシステムの構成要素は、例えば、２００９年６月２日に出願された米国特許出願第１２／３７４，５４９号および国際出願第ＷＯ２００８／０１１５９８号（その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる）に記載される移動式加工装置のように、携帯用とすることができる。
タンクが本明細書で言及されているが、プロセスは任意の型の容器または入れ物、例えばラグーン、プール、池などで起こり得る。混合が起こる入れ物が地中構造、例えばラグーンである場合、裏打ちされてもよい。入れ物は、例えば、屋外にある場合、被覆されてもよく、または被覆なしでもよい。
別の実施形態では、分散システム１３４は、図２Ａおよび２Ｂで示されるシステムでは省略することができ、ポンプは、液体をタンクから引き出し、これを出口パイプ１３７を通して送達させ、原材料を濡らするために使用することができ、その後、これはジェットミキサー１４４の混合作用により分散される。そのような実施態様では、ポンプは、好ましくは低せん断ポンプ、例えば、容積式ポンプ、例えばＳＥＥＰＥＸから入手可能なプログレッシブキャビティポンプおよびＷａｕｋｅｓｈａから入手可能なローブポンプである。ポンプは、高粘度流体をポンピングすることができることもまた好ましく、というのも、液体の粘度は、より多くの原料が添加されるにつれ増加するからである。
バイオマス原料について本明細書で記載してきたが、他の原料およびバイオマス原料の他の原料との混合物が使用され得る。例えば、いくつかの実施態様は、バイオマス原料の炭化水素含有原料との混合物、例えば、２０１１年、１１月１０日に出願された米国特許出願第１３／２９３，９８５号（その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる）において開示されるものを使用してもよい。
したがって、他の実施形態は、下記特許請求の範囲内である。

Claims (23)

  1. リグノセルロース材料を加工する方法であって、
    不応性が低減されたリグノセルロース材料を生成するためにリグノセルロース材料を処理すること、
    ウェットミリングされたリグノセルロース材料を製造するために、前記不応性が低減されたリグノセルロース材料がその中に分散された流体を含む容器内に、１つ以上のジェットヘッドと１つ以上のウェットミリングヘッドとが配置された、１つ以上のジェットミキサーと一つ以上のウェットミルとを含むウェットミリングシステムを用いて、前記不応性が低減されたリグノセルロース材料中にジェットミキサーを適用しながら、前記不応性が低減されたリグノセルロース材料を前記容器内でウェットミリングすること
    、を含む方法。
  2. 前記リグノセルロース材料を処理することが、前記リグノセルロース材料を照射することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記照射は、前記リグノセルロース材料を電子ビームに曝露させることを含む、請求項２に記載の方法。
  4. 照射は、少なくとも５Ｍｒａｄの線量を前記リグノセルロース材料に送達させることを含む、請求項２または３に記載の方法。
  5. 前記リグノセルロース材料は、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、アバカ、わら、麦わら、トウモロコシ軸、トウモロコシストーバ、スイッチグラス、アルファルファ、乾草、ヤシの毛、海藻、藻類、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から４のいずれかに記載の方法。
  6. さらに、不応性が低減されたリグノセルロース材料をウェットミリング前に高密度化することを含む、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
  7. ウェットミリングはローター／ステーターヘッドを用いて実施される、請求項１から６に記載の方法。
  8. 前記ローターおよびステーターは歯のネスティングリングを含む、請求項７に記載の方法。
  9. 前記ステーターは、２つ以上の歯の同心円リングを含む、請求項８に記載の方法。
  10. 前記ローターは、ステーターの隣接する歯のリング間で適合するように構成された歯のリングを含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記ローターとステーターの間のクリアランスは０．０１〜０．２５インチ（０．２５〜６．４ｍｍ）である、請求項７に記載の方法。
  12. 各歯のリング内の歯間の空間は０．１〜０．３インチ（２．５〜７．６ｍｍ）である、請求項８に記載の方法。
  13. ウェットミリングは複数のローター／ステーターヘッドを用いて実施される、請求項７に記載の方法。
  14. ウェットミリングは３０，０００ｓｅｃ−１〜５０，０００ｓｅｃ−１のせん断速度で実施される、請求項１に記載の方法。
  15. さらに、酵素を前記不応性が低減されたリグノセルロース材料にウェットミリング前または中に添加することを含む請求項１に記載の方法。
  16. さらに微生物を前記不応性が低減されたリグノセルロース材料に添加すること、または微生物を前記不応性が低減されたリグノセルロース材料由来の糖に添加することを含む、請求項１５に記載の方法。
  17. 微生物を前記ウェットミリングされたリグノセルロース材料に添加することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  18. 前記微生物は前記不応性が低減されたリグノセルロース材料または前記糖をアルコール、有機酸、糖、炭化水素、およびそれらの混合物からなる群より選択される生成物に変換する、請求項１６に記載の方法。
  19. ジェットミキサーは、前記不応性が低減されたリグノセルロース材料または前記糖の前記生成物への変換中に動作される、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記ウェットミリングされたリグノセルロース材料を糖化することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  21. 糖化する間に前記ウェットミリングされたリグノセルロース材料をジェット混合することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記ウェットミリングされたリグノセルロース材料に酵素を添加することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  23. 前記照射が電子よりも重い粒子によって行われる、請求項２に記載の方法。
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