【誤訳訂正書】
【提出日】平成23年6月14日(2011.6.14)
【誤訳訂正１】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】バイオマスの加工方法
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、その各々の内容が参照によりその全体が本明細書に組み入れられる、2006年10月26日に出願された米国特許仮出願第60/854,519号、2006年10月27日に出願された米国特許仮出願第60/863,290号、2006年11月17日に出願された米国特許仮出願第60/859,911号、2006年12月15日に出願された米国特許仮出願第60/875,144号、および2007年1月23日に出願された米国特許仮出願第60/881,891号の優先権を主張する。
【０００２】
技術分野
本発明は、バイオマスの加工、およびそれから作製された産物に関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
例えば、繊維形態のセルロースおよびリグノセルロース材料は、多くの用途において多量に製造され、加工され、かつ使用される。往々にして、そのような材料は一度用いられ、次いで、廃棄物として捨てられるか、あるいは、例えば、汚水、バガス、おがくず、およびまぐさなどの廃物であると単純に考えられている。
【０００４】
種々のセルロースおよびリグノセルロース材料、それらの使用、および用途は、米国特許第7,074,918号（特許文献1）、第6,448,307号（特許文献2）、第6,258,876号（特許文献3）、第6,207,729号（特許文献4）、第5,973,035号（特許文献5）、第5,952,105号（特許文献6）に；および2006年、3月23日に出願された「FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES」、PCT/US2006/010648（特許文献7）、および「FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES」、米国特許出願公開第2007/0045456号（特許文献8）を含めた種々の特許出願に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第7,074,918号
【特許文献２】米国特許第6,448,307号
【特許文献３】米国特許第6,258,876号
【特許文献４】米国特許第6,207,729号
【特許文献５】米国特許第5,973,035号
【特許文献６】米国特許第5,952,105号
【特許文献７】PCT/US2006/010648
【特許文献８】米国特許出願公開第2007/0045456号
【発明の概要】
【０００６】
概要
一般に、本発明は、糖質含有材料（例えば、バイオマス材料またはバイオマス由来材料）、そのような材料の作製方法、およびそれらの構造を変化させるそのような材料の加工方法、および構造的に変化させた材料から作製された産物に関する。例えば、本明細書に記載された方法の多くは、天然材料に対するより低い分子量および/または結晶化度を有するセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を提供することができる。該方法の多くは、水素、アルコール（例えば、エタノールまたはブタノール）、有機酸（例えば、酢酸）、炭化水素、副産物（例えば、タンパク質）、またはこれらのうちのいずれかの混合物などの、有用な産物を作製するために種々の微生物によってより容易に利用することができる材料を提供する。
【０００７】
1つの局面において、本発明は、バイオマスの個々のピースの一つまたは複数の寸法を低減する工程；各々が分子構造を変化させる2つまたはそれ以上の異なる前処理方法を用いてバイオマス原料を前処理する工程であって、異なる前処理方法は輻射線照射、音波処理、熱分解、および酸化から選択される工程；ならびに、調製されかつ前処理されたバイオマス原料を加工して、産物を作製することによって、バイオマス原料を調製する工程を含む、バイオマス原料の分子構造を変化させる方法をその特徴とする。
【０００８】
いくつかの態様において、バイオマス原料を調製し、次いで、前処理する。バイオマス原料を前処理し、次いで、調製することもできる。
【０００９】
バイオマスの個々のピースの一つまたは複数の寸法の低減は、例えば、剪断、切断、または粉砕を含むことができる。
【００１０】
いくつかの態様において、2つまたはそれ以上の前処理方法が同時に、またはほぼ同時にバイオマス原料に適用される。
【００１１】
例えば、2つまたはそれ以上の前処理方法は、輻射線照射および音波処理を含むことができる。例えば、輻射線は電子線の形態とすることができる。特定の態様において、電子線の輻射線は約100kGyの総線量で適用され、音波処理は5MJ/m3よりも大きな総エネルギーで適用される。輻射線照射は音波処理に先行することができ、あるいは音波処理は輻射線照射に先行することができ、あるいは輻射線照射および音波処理は同時に、またはほぼ同時に行うことができる。
【００１２】
例えば、バイオマス原料の分子構造の変化は、バイオマスの平均分子量、平均結晶化度、表面積、重合、多孔度、分岐、グラフト化、およびドメインのサイズのうちのいずれか一つまたは複数の変化を含むことができる。いくつかの態様において、バイオマス原料の分子構造の変化は、バイオマスの平均分子量および平均結晶化度の一方または双方の減少、またはバイオマスの表面積および多孔度の一方または双方の増加を含む。
【００１３】
もう1つの局面において、本発明は、輻射線照射、音波処理、熱分解、および酸化のいずれか2つまたはそれ以上でバイオマス材料を前処理することを含むプロセスによって生産される糖質を含む材料を提供する工程；ならびに、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約1重量パーセントを、可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程を含む、可燃性燃料などの産物を作製する方法をその特徴とする。
【００１４】
いくつかの態様において、2つまたはそれ以上の異なる前処理方法は、輻射線照射および音波処理、輻射線照射および酸化、輻射線照射および熱分解、音波処理および酸化、音波処理および熱分解、または酸化および熱分解を含む。
【００１５】
例えば、本明細書において記載された任意の方法は、バイオマス原料を蒸気爆発で前処理することをさらに含むことができる。
【００１６】
例えば、いくつかの態様において、該プロセスはバイオマスを酸または塩基で加水分解することを含まない。
【００１７】
いくつかの態様において、バイオマスの少なくとも約70重量パーセントは加水分解されず、例えば、バイオマスの少なくとも95重量パーセントは加水分解されていない。特定の態様において、バイオマスは実質的に少しも加水分解されていない。
【００１８】
例えば、いくつかの態様において、少なくとも1つの前処理方法がバイオマスに対して行われ、バイオマスの約25重量パーセント未満を水などの液体で湿らせる。具体的には、いくつかの態様において、少なくとも1つの前処理方法がバイオマスに対して行われ、バイオマスを実質的に少しも水などの液体で湿らせない。
【００１９】
バイオマスは、例えば、25℃および50パーセント相対的湿度で測定して、約5重量パーセント未満の保持された水を有することができる。
【００２０】
いくつかの態様において、少なくとも1つの前処理はバイオマスに対して行うことができ、バイオマスの約25重量パーセント未満は膨潤状態にあり、膨潤状態は膨潤していない状態よりも約2.5パーセントを超えて多い量を有すると特徴付けられる。他の態様において、バイオマスは膨潤剤と混合されるか、あるいは膨潤剤を含む。
【００２１】
例えば、本明細書において記載された任意の方法において、バイオマスを膨潤剤と混合することができるか、あるいはバイオマスは膨潤剤を含むことができ、バイオマスは約100kGy未満の線量の輻射線照射を受けることができる。
【００２２】
いくつかの態様において、前処理方法の1つは輻射線照射であるか、またはそれを含む。
【００２３】
いくつかの態様において、前処理方法の少なくとも1つ、例えば、輻射線照射は、バイオマス原料が空気に暴露されている間にバイオマス原料に対して行われる。
【００２４】
圧力を利用することができる。例えば、前処理方法の少なくとも1つ、例えば、輻射線照射は、約2.5気圧を超える圧力下、例えば5または10気圧を超える圧力下で、バイオマスに対して行うことができる。
【００２５】
該プロセスは、バイオマスの酸化、熱分解、または蒸気爆発をさらに含むことができる。
【００２６】
バイオマス原料の例は紙、紙産物、紙廃棄物、木材、パーティクルボード、おがくず、農業廃棄物、汚水、サイレージ、草、もみ殻、バガス、綿、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、マニラ麻、ワラ、トウモロコシ穂軸、トウモロコシ茎葉、スイッチグラス、アルファルファ、干し草、ヤシ毛、合成セルロース、海草、海藻、またはこれらの混合物を含む。
【００２７】
バイオマスは天然または合成材料とすることができるか、あるいはそれを含むことができる。
【００２８】
燃料の例は水素、アルコール、および炭化水素の一つまたは複数を含む。例えば、アルコールはエタノール、n-プロパノール、イソプロパノール、n-ブタノール、またはこれらの混合物であり得る。
【００２９】
微生物は、例えば、細菌または酵母であり得る。
【００３０】
変換は、材料を可燃性燃料などの産物まで発酵させることを含むことができる。
【００３１】
照射は、例えば、ガンマ線、電子線、または約100nm〜約280nmの波長を有する紫外線C輻射線などの電離放射線を利用して行うことができる。
【００３２】
電離放射線は電子線放射線を含むことができる。
【００３３】
例えば、輻射線は約100kGy〜約1500kGyの間の総線量、例えば約5〜約100kGy/日、または10kGy/s〜約100kGy/sの線量率で適用することができる。
【００３４】
いくつかの態様において、照射はガンマ線および電子線などの2種類またはそれ以上の輻射線源を適用することを含む。
【００３５】
例えば、超音波処理は、約15ｋHz〜約25kHzの間、例えば約18kHz〜22kHzの間の周波数で行うことができる。
【００３６】
いくつかの態様において、バイオマスは第一の数平均分子量を有する第一のセルロースを含み、糖質材料は該第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有する第二のセルロースを含む。例えば、第二の数平均分子量は、第一の数平均分子量よりも約1倍を超えて低い。いくつかの態様において、第一のセルロースは第一の結晶化度を有し、第二のセルロースは第一の結晶化度よりも低い第二の結晶化度を有する。例えば、第二の結晶化度は第一の結晶化度よりも約10パーセントを超えて低くすることができる。
【００３７】
いくつかの態様において、第一のセルロースは第一の酸化レベルを有することができ、第二のセルロースは第一の酸化レベルよりも高い第二の酸化レベルを有する。
【００３８】
例えば、バイオマス原料はバイオマス繊維源を剪断して、繊維状材料を提供することにより調製することができる。例えば、剪断は回転ナイフカッターで行うことができる。繊維状材料の繊維は、例えば、長さ対直径比の平均が5/1を超えることができる。繊維状材料は、例えば、0.25m2/gよりも大きなBET表面積を有することができる。
【００３９】
いくつかの態様において、糖質は一つまたは複数のβ-1,4-結合を含むことができ、約3,000〜50,000の間の数平均分子量を有する。
【００４０】
例えば、前処理されたバイオマス材料は、炭酸水素ナトリウムもしくは塩化アンモニウムなどの緩衝剤、塩化カリウムもしくは塩化ナトリウムなどの電解質、ビオチンなどの成長因子、および/またはウラシルなどの塩基対、界面活性剤、ミネラル、もしくはキレート剤をさらに含むことができる。
【００４１】
いくつかの態様において、バイオマス原料は輻射線照射、音波処理、熱分解、および酸化のいずれか3つまたはそれ以上を任意の順序でまたはほぼ同時に用いて前処理する。
【００４２】
もう1つの局面において、本発明は、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数によってバイオマス原料を前処理することによって生産された糖質を含む材料を提供する工程であって、バイオマスの約25重量パーセント未満が膨潤状態にあり、膨潤状態が名目上の非膨潤状態よりも約2.5パーセントを超えて多い体積を有するものとして特徴付けられる工程；ならびに、該材料を、該材料の少なくとも部分、例えば、少なくとも約1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程を含む、可燃性燃料などの産物の作製方法をその特徴とする。
【００４３】
もう1つの局面において、本発明は、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数によってバイオマス原料を前処理することによって生じた糖質を含む材料を提供する工程であって、該バイオマスの約25重量パーセント未満が前処理に続いて加水分解される工程；ならびに、該材料を、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程を含む、可燃性燃料などの産物の作製方法をその特徴とする。
【００４４】
もう1つの局面において、本発明は、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数によってバイオマス原料を前処理することによって得られた糖質を含む材料を提供する工程であって、該バイオマスの約25重量パーセント未満を水などの液体と接触させる工程；ならびに、該材料を、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程を含む、可燃性燃料などの産物を作製する方法をその特徴とする。
【００４５】
いくつかの態様において、本発明は、2つまたはそれ以上の異なる前処理方法を選択することを含む。2つまたはそれ以上の異なる前処理方法の例は、輻射線照射および音波処理、輻射線照射および酸化、輻射線照射および熱分解、音波処理および酸化、音波処理および熱分解、または酸化および熱分解を含むことができる。任意で、バイオマスを前処理する工程は蒸気爆発を含むことができる。
【００４６】
もう1つの局面において、本発明は、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数により、剪断されたバイオマス原料を前処理することによって生じた糖質を含む材料を提供する工程；ならびに、該材料を、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程を含む、可燃性燃料などの産物の作製方法をその特徴とする。
【００４７】
例えば、剪断されたバイオマスは、長さ対直径比（L/D）が約5/1を超えるばらばらの繊維を含むことができる。例えば、バイオマスは内部繊維を有することができ、バイオマスは、その内部繊維が実質的に曝露される程度まで剪断されている。例えば、バイオマスは、それが約0.35 g/cm3未満の嵩密度を有する程度まで剪断されている。
【００４８】
もう1つの局面において、本発明は、バイオマスのピースのサイズを低減するためのバイオマス原料調製モジュール；以下の前処理モジュールの2つまたはそれ以上：輻射線をバイオマスに適用するために配置された輻射線照射モジュール；バイオマスに音波エネルギーを適用するように配置された音波処理モジュール；バイオマスを酸化するように配置された酸化モジュール；熱をバイオマスに適用するように配置された熱分解モジュール；ならびに、バイオマスを加工システム内のモジュールまで、および該モジュール間を移動させるためのバイオマス輸送サブシステムを含むバイオマス原料加工システムをその特徴とする。2つまたはそれ以上の前処理モジュールは直列に配置され、かつ/またはほぼ同時にバイオマスの一部を処理するように配置される。例えば、システムはいずれも容器をさらに含むことができる。
【００４９】
もう1つの局面において、本発明は、糖質を含む前処理されたバイオマス材料を含有する反応容器を含むシステムをその特徴とする。前処理されたバイオマス材料は本明細書において記載された任意の方法によって作製される。
【００５０】
例えば、該容器は該材料と接触している微生物を含有することもでき、該微生物は該材料の少なくとも一部を可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する。例えば、該容器は、約1,000Lよりも大きな、例えば5,000Lよりも大きな総容量を有することができる。
【００５１】
例えば、システムはいずれも輻射線照射モジュールおよび音波処理モジュールを含むことができる。
【００５２】
もう1つの局面において、本発明は、剪断されたバイオマス原料を輻射線照射、音波処理、酸化、熱処理および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数により前処理する工程を含む方法によって作製された糖質材料をその特徴とする。例えば、前処理は、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか2つまたはそれ以上で行うことができる。
【００５３】
もう1つの局面において、本発明は、バイオマス原料を、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか2つまたはそれ以上で前処理する工程を含む方法によって作製された糖質材料をその特徴とする。
【００５４】
もう1つの局面において、本発明は、約25,000未満のピーク最大分子量、および約55パーセント未満の結晶化度を有するセルロースまたはリグノセルロース材料を含む組成物をその特徴とする。例えば、セルロースまたはリグノセルロース材料は約72パーセントを超える多孔度、約0.75 m2/gよりも大きなBET表面積、または約0.5 g/cm3未満の嵩密度を有することができる。例えば、組成物は酵素および/または微生物をさらに含むことができる。
【００５５】
もう1つの局面において、本発明は、繊維を含むセルロースまたはリグノセルロース材料を含む組成物をその特徴とする。セルロースまたはリグノセルロース材料は約25,000未満のピーク最大分子量、および約0.5 g/cm3未満の嵩密度を有する。
【００５６】
もう1つの局面において、本発明は、第一の分子量を有する第一のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料を照射して、該第一の分子量よりも高い第二の分子量を有する第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を提供する工程；ならびに、該第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を樹脂などの材料と組み合わせる工程を含む、繊維-樹脂複合体などの複合体を作製する方法をその特徴とする。
【００５７】
もう1つの局面において、本発明は、樹脂などの材料を第一の分子量を有するセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料と組み合わせて、繊維状材料およびマトリックスを含む複合体を提供する工程；ならびに、該複合体を照射して、樹脂マトリックスなどのマトリックス内の第一のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料の分子量を増大させる工程を含む、繊維-樹脂複合体などの複合体の作製方法をその特徴とする。
【００５８】
もう1つの局面において、本発明は、第一の分子量を有する第一のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料を照射して、該第一の分子量よりも高い第二の分子量を有する第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を提供する工程；該第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を樹脂などの材料と合わせて、複合体を提供する工程；ならびに、該複合体を照射する工程を含む、繊維-樹脂複合体などの複合体を作製する方法をその特徴とする。
【００５９】
もう1つの局面において、本発明は、第一の分子量を有する第一の糖質含有材料を含む木材産物を提供する工程；および、該木材産物を照射して、該第一の分子量よりも高い第二の分子量を有する第二の糖質含有材料を含む照射された木材産物を提供する工程を含む、照射された木材産物の作製方法をその特徴とする。例えば、該方法は、照射に先立って、照射の後に、または照射と同時に音波処理をさらに含むことができる。
【００６０】
第一の数平均分子量を有するセルロースを含む第一の材料を提供する工程；該第一の材料を照射して、該第一の数平均分子量より低い第二の数平均分子量を有するセルロースを有する第二の材料を提供する工程；および、該第二の材料を微生物と合わせる工程を含む方法が開示される。該微生物は、第二の材料および、ある場合には、第一の材料を利用して、例えば、発酵またはそうでなければ変換して有用な材料、例えば、可燃性燃料を生じさせる。例えば、可燃性燃料は水素、アルコール、有機酸、炭化水素またはこれらの混合物のうちの一つまたは複数を含むことができる。好ましい材料はエタノールまたはブタノール、例えば、n-ブタノール、sec-ブタノールまたはt-ブタノールである。
【００６１】
いくつかの態様において第一の材料はセルロースまたはリグノセルロース材料を含む。例えば、第一の材料は紙、紙産物、木材、木材関連材料、パーティクルボード、草、もみ殻、バガス、綿、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、マニラ麻、ワラ、トウモロコシ穂軸、海藻、海草、ヤシ毛、合成セルロースまたはこれらの材料のうちのいずれかの混合物であるか、またはそれを含むことができる。
【００６２】
好ましい態様において、第一の材料は、繊維源を剪断することによって提供される繊維を含む繊維状材料の形態である。剪断は単独で繊維状材料の結晶化度を低減することができ、やはり結晶化度および/または分子量を低減する任意のプロセス技術と相乗的に作用することができる。例えば、剪断は回転ナイフカッターで行うことができる。いくつかの態様において、繊維状材料は、長さ対直径比の平均が5/1を超える。
【００６３】
第一および/または第二の材料は、例えば、0.25m2/gを超えるBET表面積、および/または約25パーセントを超える多孔度を有することができる。
【００６４】
いくつかの態様において、照射はガンマ線または電子線などの電離放射線で行う。
【００６５】
好ましい態様において、微生物は細菌、または酵母などの真菌である。
【００６６】
いくつかの態様において、第二の数平均分子量は第一の数平均分子量よりも少なくとも約25パーセント、例えば、50パーセント、低い。
【００６７】
繊維源を剪断して、第一の数平均分子量を有するセルロースを含む第一の繊維状材料を提供する工程；および、第一の繊維状材料を照射して、該第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有するセルロースを含む第二の繊維状材料を提供する工程を含む方法が開示される。剪断する工程は、輻射線照射と相乗的に作用して、結晶化度および/または分子量を低減することができる。
【００６８】
そのような方法は、第二の材料を微生物と合わせる工程をさらに含むことができる。
【００６９】
第一の数平均分子量を有するセルロースを含む繊維源、例えば、紙を照射して、該第一の数平均分子量未満の第二の数平均分子量を有するセルロースを含む照射された繊維源を提供する工程；および、該照射された繊維源を剪断して、繊維状材料を提供する工程を含む方法が開示される。照射前の材料に対して照射された材料は脆く、かつ剪断の際に「開放（opening up）」に対してより感受性であり得る。
【００７０】
そのような方法は、繊維状材料を微生物と合わせる工程をさらに含むことができる。
【００７１】
第一の数平均分子量を有するセルロースを含む第一のリグノセルロース材料を提供する工程；および、該第一のリグノセルロース材料を照射して、該第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有するセルロースを含む第二のリグノセルロース材料を提供する工程を含む方法が開示される。
【００７２】
そのような方法は、第二のリグノセルロース材料を微生物と合わせる工程、または第二のリグノセルロース材料からリグニンを除去して、脱リグニン化材料を提供し、次いで、該脱リグニン化材料を微生物と合わせる工程をさらに含むことができる。例えば、この加工に由来するリグニンはプラスチックの加工助剤として利用することができるか、あるいはそれを燃焼して、エネルギーを生じさせることができる。
【００７３】
第一の数平均分子量を有するセルロースを含む第一の繊維状材料を提供する工程；該第一の繊維状材料を高密度化して、高密度化された第一の繊維状材料を提供する工程；および、高密度化された第一の繊維状材料を照射して、該第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有するセルロースを含む高密度化された第二の材料を提供する工程を含む方法が開示される。高密度化は照射と相乗的に作用して、分子量を低減することができ、また、本明細書において記載された任意の加工工程においてスループットを増加させることもできる。
【００７４】
そのような方法は、第二の高密度化された繊維状材料を微生物と合わせる工程、あるいは第二の高密度化された繊維状材料を繊維化して、第二の繊維状材料を提供し、次いで、該第二の繊維状材料を微生物と合わせる工程をさらに含むことができる。
【００７５】
さらに、セルロースの分子量の低減を助けるために、酵素、例えば、セルロース分解酵素および/または膨潤剤を本明細書において記載された任意の方法において利用することができる。
【００７６】
第一の数平均分子量を有するセルロースを含む第一の材料を音波処理して、該第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有するセルロースを含む第二の材料を提供する工程；および、該第二の材料を微生物と合わせる工程を含む方法が開示される。微生物は、例えば、第二の材料および、ある場合には、第一の材料を利用して、例えば、発酵またはそうでなければ変換して、有用な材料、例えば、可燃性燃料を作製する。例えば、可燃性燃料は水素、アルコール、有機酸、炭化水素またはこれらの混合物とすることができるか、あるいはそれを含むことができる。好ましい材料はエタノールまたはブタノール、例えば、n-ブタノール、sec-ブタノールからt-ブタノールである。
【００７７】
いくつかの態様において、第一の材料はセルロースまたはリグノセルロース材料を含む。例えば、該第一の材料は紙、紙産物、木材、木材関連材料、パーティクルボード、草、もみ殻、バガス、綿、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、マニラ麻、ワラ、トウモロコシ穂軸、海藻、海草、ヤシ毛、合成セルロースまたはこれらの材料のうちのいずれかの混合物であり得るか、あるいはそれを含むことができる。
【００７８】
好ましい態様において、第一の材料は繊維源を剪断することによって提供された繊維を含む繊維状材料の形態である。剪断は音波処理と相乗的に作用して、分子量および/または結晶化度を低減することができる。例えば、剪断は回転ナイフカッターで行うことができる。いくつかの態様において、繊維状材料は、長さ対直径比の平均が5/1を超える。
【００７９】
第一および/または第二の材料は例えば、0.25m2/gよりも大きなBET表面積および/または約25パーセントよりも大きな多孔度を有することができる。
【００８０】
いくつかの態様において、音波処理は、約16kHz〜約100kHzの周波数、および/または約30W/cm2〜約600W/cm2の強度を有する音波で行われる。
【００８１】
好ましい態様において、微生物は細菌、または酵母などの真菌である。
【００８２】
いくつかの態様において、第二の数平均分子量は第一の数平均分子量よりも少なくとも約25パーセント、例えば50パーセント低い。
【００８３】
繊維源を剪断して、第一の数平均分子量を有するセルロースを含む第一の繊維状材料を提供する工程；および、第一の繊維状材料を音波処理して第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有するセルロースを含む第二の繊維状材料を提供する工程を含む方法が開示される。
【００８４】
そのような方法は、第二の材料を微生物と合わせる工程をさらに含むことができる。
【００８５】
第一の数平均分子量を有するセルロースを含む繊維源、例えば、紙を音波処理して、第一の数平均分子量未満の第二の数平均分子量を有するセルロースを含む音波処理した繊維源を提供する工程；および、音波処理した繊維源を剪断して、繊維状材料を提供する工程を含む方法が開示される。音波処理前の材料に対し、音波処理された材料は脆く、かつ剪断の際に「開放」に対してより感受性であり得る。
【００８６】
そのような方法は、繊維状材料を微生物と合わせる工程をさらに含むことができる。
【００８７】
第一の数平均分子量を有するセルロースを含む第一のリグノセルロース材料を音波処理して、該第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有するセルロースを含む第二のリグノセルロース材料を提供する工程を含む方法が開示される。
【００８８】
そのような方法は、第二のリグノセルロース材料を微生物と合わせる工程、あるいは第二のリグノセルロース材料からリグニンを除去して、脱リグニン化材料を提供し、次いで、脱リグニン化材料を微生物と合わせる工程をさらに含むことができる。
【００８９】
第一の数平均分子量を有するセルロースを含む第一の繊維状材料を音波処理して、第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有するセルロースを含む第二の繊維状材料を提供する工程；および、第二の繊維状材料を高密度化して、高密度化された繊維状材料を提供する工程を含む方法が開示される。
【００９０】
そのような方法は、高密度化された繊維状材料を微生物と合わせる工程、あるいは、高密度化された繊維状材料を繊維化して、第三の繊維状材料を提供し、次いで、第三の繊維状材料を微生物と合わせる工程をさらに含むことができる。
【００９１】
セルロースの分子量の低減をさらに助けるために、酵素、例えば、セルロース分解酵素、または化学物質、例えば、次亜塩素酸ナトリウム、酸、塩基または膨潤剤を本明細書において記載された任意の方法で利用することができる。酵素および/または化学的処理は音波処理の前に、音波処理の間に、または音波処理の後に行うことができる。
【００９２】
第一の数平均分子量を有するセルロースを含む第一の材料を熱分解して、該第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有するセルロースを含む第二の材料を提供する工程；および、第二の材料を微生物と合わせる工程を含む方法が開示される。微生物は第二の材料および、いくつかの場合においては、第一の材料を利用して、例えば、発酵またはそうでなければ変換して、有用な材料、例えば、可燃性燃料を生じさせる。例えば、可燃性燃料は水素、アルコール、有機酸、炭化水素またはこれらの混合物の一つまたは複数を含むことができる。好ましい材料はエタノールまたはブタノールである。
【００９３】
いくつかの態様において、第一の材料はセルロースまたはリグノセルロース材料を含む。例えば、第一の材料は紙、紙産物、木材、木材関連材料、パーティクルボード、草、もみ殻、バガス、綿、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、マニラ麻、ワラ、トウモロコシ穂軸、海藻、海草、ヤシ毛、合成セルロースまたはこれらの材料のうちのいずれかの混合物であり得るか、あるいはそれを含むことができる。
【００９４】
好ましい態様において、第一の材料は繊維源を剪断することによって提供される繊維を含む繊維状材料の形態である。比較的小さな断面は、往々にして、より大きな制御性および有効性でもって熱分解することができる。例えば、剪断は回転ナイフカッターで行うことができる。いくつかの態様において、繊維状材料は、長さ対直径比の平均が5/1を超える。
【００９５】
第一および/または第二の材料は例えば、0.25m2/gより大きなBET表面積および/または約25パーセントよりも大きな多孔度を有することができる。高い表面積および/または多孔度は反応速度を促進することができ、プロセスをより効率的にする。
【００９６】
好ましい態様において、微生物は細菌、または酵母などの真菌である。
【００９７】
いくつかの態様において、第二の数平均分子量は第一の数平均分子量よりも少なくとも約25パーセント、例えば、50パーセント低い。
【００９８】
繊維源を剪断して、第一の数平均分子量を有するセルロースを含む第一の繊維状材料を提供する工程；および、第一の繊維状材料を熱分解して、該第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有するセルロースを含む第二の繊維状材料を提供する工程を含む方法が開示される。
【００９９】
そのような方法は、第二の材料を微生物と合わせる工程をさらに含むことができる。
【０１００】
第一の数平均分子量を有するセルロースを含む繊維源、例えば、紙を熱分解して、該第一の数平均分子量未満の第二の数平均分子量を有するセルロースを含む熱分解された繊維源を提供する工程；および、該熱分解された繊維源を剪断して、繊維状材料を提供する工程を含む方法。熱分解前の材料に対して、熱分解された材料は脆く、かつ剪断の際に「開放」に対してより感受性であり得る。熱分解された材料の剪断はエネルギーが集約的でなく、より効果的であり得る。
【０１０１】
そのような方法は、繊維状材料を微生物と合わせる工程をさらに含むことができる。
【０１０２】
第一の数平均分子量を有するセルロースを含む第一のリグノセルロース材料を熱分解して、該第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有するセルロースを含む第二のリグノセルロース材料を提供する工程を含む方法が開示される。
【０１０３】
そのような方法は、第二のリグノセルロース材料を微生物と合わせる工程、あるいは第二のリグノセルロース材料からリグニンを除去して、脱リグニン材料を提供し、次いで、脱リグニン材料を微生物と合わせる工程をさらに含むことができる。
【０１０４】
第一の数平均分子量を有するセルロースを含む第一の繊維状材料を熱分解して、該第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有するセルロースを含む第二の繊維状材料を提供する工程；および、該第二の繊維状材料を高密度化して、高密度化された繊維状材料を提供する工程を含む方法が開示される。
【０１０５】
そのような方法は、高密度化された繊維状材料を微生物と合わせる工程、または高密度化された繊維状材料を繊維化して、第三の繊維状材料を提供し、次いで第三の繊維状材料を微生物と合わせる工程をさらに含むことができる。
【０１０６】
セルロースの分子量の低減をさらに助けるために、酵素、例えば、セルロース分解酵素、または化学物質、例えば、次亜塩素酸ナトリウムまたは酸、または塩基を本明細書において記載された任意の方法で利用することができる。酵素および/または化学的処理は熱分解の前に、熱分解の間に、または熱分解の後に行うことができる。
【０１０７】
本明細書において記載された任意の局面または態様において、熱分解は以下の特徴のいずれか一つまたは複数を含むことができる。熱分解は、金属フィラメントまたは金属リボンなどの抵抗性加熱部材を用いて第一の材料を加熱することを含むことができる。加熱は、抵抗性加熱部材と第一の材料との間の直接的接触によって起こり得る。熱分解は、誘導によって、例えば、キュリー点熱分解器を用いることによって、第一の材料を加熱することを含むことができる。熱分解は、赤外線放射などの輻射線の適用によって第一の材料を加熱することを含むことができる。輻射線は赤外レーザーなどのレーザーによって生じさせることができる。熱分解は、第一の材料を対流熱で加熱することを含むことができる。対流熱は加熱したガスの流動ストリームによって生じさせることができる。加熱されたガスは約1200℃未満、例えば、1000℃未満、750℃未満、600℃未満、400℃未満または300℃未満の温度に維持することができる。加熱されたガスは約250℃よりも高い温度に維持することができる。対流熱は、炉中のように、第一の材料を囲う熱体によって生じさせることができる。熱分解は、第一の材料を約250℃を超える温度の水蒸気で加熱することを含むことができる。
【０１０８】
第一の数平均分子量を有し、かつ第一の酸素含有量を有するセルロースを含む第一の材料を酸化して、第二の数平均分子量を有し、かつ第一の酸素含有量よりも高い第二の酸素含有量を有するセルロースを含む第二の材料を提供することを含む方法が開示される。第二の材料は樹脂、例えば溶融した熱可塑性樹脂と組み合わせて、複合体を提供することができる。より高い酸化レベルは、分子量を維持しつつ、改良された摩耗耐性、圧縮強度、破壊抵抗、衝撃強度、屈曲強度、引張モジュラス、曲げモジュラスおよび破断伸度などといった格段の機械的特性を持つ複合体を提供することができる。第二の材料は本明細書において記載された任意の固体および/または液体、あるいは参照により本明細書に組み入れられる任意の特許出願、特許または刊行物に記載された任意の固体および/または液体と組み合わせることもできる。
【０１０９】
分散性をさらに改良するために、樹脂は、一つまたは複数の無水物基、カルボン酸基、ヒドロキシル基、アミド基、アミン基、またはこれらの基のうちのいずれかの混合物などの水素結合基を含む成分を含むことができる。いくつかの好ましい態様において、成分はマレイン酸無水物と共重合し、かつ/またはそれとグラフトしたポリマーを含む。そのような材料は商品名FUSABOND（登録商標）でDupontから入手可能である。
【０１１０】
第一の材料は、例えば、紙、紙産物、木材、木材関連材料、パーティクルボード、草、もみ殻、バガス、綿、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、マニラ麻、ワラ、トウモロコシ穂軸、ヤシ毛、合成セルロースまたはこれらの材料のうちのいずれかの混合物であり得るか、あるいはそれを含むことができる。セルロースを含む他の材料を本明細書において記載する。セルロースを含むなお他の材料は参照により本明細書に組み入れられる特許、特許出願および刊行物に記載されている。
【０１１１】
いくつかの望ましい態様において、第一の材料は繊維を含む繊維状材料の形態である。そのような繊維状材料は、例えば、回転ナイフカッターを用いて繊維源を剪断するなどにより、繊維源を剪断することによって提供することができる。例えば、機械的特性を最大化するためには、繊維状材料の繊維は、長さ対直径比の平均が5/1を超えることが往々にして望ましい。例えば、分散性を最大化するためには、第一および/または第二の材料は0.25m2/ｇよりも大きなBET表面積、および/または約25パーセントよりも大きな多孔度を有することが往々にして望ましい。
【０１１２】
本明細書において記載された材料の酸化は、熱分解を含めた種々の技術によって助けることができる。例えば、酸化は、空気、酸素豊富化不活性ガス（例えば、アルゴン）または酸素そのものの存在下などの酸化環境において、金属フィラメントまたは金属リボンなどの抵抗性加熱部材を用いて第一の材料を加熱することによる、第一の材料の熱分解を含むことができる。いくつかの好ましい方法において、加熱は、抵抗性加熱部材と第一の材料との間の直接的接触によって起こる。他の方法において、酸化は、酸化環境における誘導によって、例えば、キュリー点熱分解器によって、第一の材料を加熱することによる、第一の材料の熱分解を含む。他の方法において、酸化は、酸化環境における赤外線放射等の輻射線の適用によって第一の材料を加熱することによる、第一の材料の熱分解を含む。一つの方法において、輻射線は赤外線レーザーによって発生する。なお、さらに他の方法において、酸化は、第一の材料を酸化環境において対流熱で加熱することによる第一の材料の熱分解を含む。例えば、対流熱は加熱されたガスの流動ストリームによって生じさせることができる。例えば、加熱されたガスは、約1200℃未満、例えば、1000℃未満、750℃未満、600℃未満、400℃未満、または300℃未満の温度に維持することができる。他の方法において、対流熱は第一の材料を囲う熱体によって生じる。なお、他の方法において、酸化は、第一の材料を約250℃を超える温度の蒸気で加熱することによる第一の材料の熱分解を含む。
【０１１３】
材料の酸化は、音波処理を含めたなお他の技術によって助けることができる。例えば、酸化は、酸化環境における第一の材料の音波処理を含むことができる。例えば、音波処理は、第一の材料を水性媒体に分散させながら行うことができる。いくつかの望ましい態様において、音波処理は約12kHz〜約25kHzの周波数を有する音を用いて行う。
【０１１４】
材料の酸化は電離放射および/または非電離放射を含めたなお他の技術によって行うことができる。例えば、酸化は、酸化環境におけるガンマ線での第一の材料の照射および/または酸化環境における電子線での第一の材料の照射を含むことができる。
【０１１５】
複合体を提供するためのいくつかの望ましい態様において、第二の数平均分子量は第一の数平均分子量よりも最大15パーセント低い。複合体を提供するためのいくつかの態様において、第二の数平均分子量は第一の数平均分子量と実質的に同等である。
【０１１６】
いくつかの望ましい態様において、第二の酸素含有量は第一の酸素含有量より少なくとも約5パーセント高く、なおより好ましくは、第一の酸素含有量より約20パーセント高い。
【０１１７】
繊維源を剪断して、第一数平均分子量を有し、かつ第一の酸素含有量を有するセルロースを含む第一の繊維状材料を提供することを含む方法が開示される。第一の繊維状材料を酸化して、第二の数平均分子量を有し、かつ第一の酸素含有量よりも高い第二の酸素含有量を有するセルロースを含む第二の繊維状材料を提供する。第二の繊維状材料を利用して、複合体を作製することができるか、あるいはそれを他の用途で利用することができる。例えば、第二の材料を本明細書において記載された任意の固体および/または液体、あるいは参照により本明細書に組み入れられた任意の特許出願、特許または刊行物に記載された任意の固体および/または液体と組み合わせることができる。
【０１１８】
必要に応じて、かつ複合体を作製する場合、該方法は、熱可塑性または熱硬化性樹脂などの樹脂を第二の繊維状材料と合わせる工程をさらに含むことができる。
【０１１９】
第一の数平均分子量を有し、かつ第一の酸素含有量を有するセルロースを含む繊維源を酸化して、第二の数平均分子量を有し、かつ第一の酸素含有量より高い、第二の酸素含有量を有するセルロースを含む酸化された繊維源を提供することを含む方法が開示される。次いで、酸化された繊維源を剪断して、繊維を含む酸化された繊維状材料を提供する。酸化された繊維状材料を利用して、複合体を作製することができるか、あるいはそれを他の用途で利用することができる。例えば、第二の材料を本明細書において記載された任意の固体および/または液体、あるいは本明細書に参照により組み入れられる任意の特許出願、特許または刊行物に記載された任意の固体および/または液体と組み合わせることができる。
【０１２０】
第一の数平均分子量を有し、かつ第一の酸素含有量を有するセルロースを含む第一の材料を酸化して、第二の数平均分子量を有し、かつ第一の酸素含有量よりも高い、第二の酸素含有量を有するセルロースを含む第二の材料を提供することを含む方法が開示される。第二の繊維状材料を高密度化して、高密度化された繊維状材料を得る。
【０１２１】
所望であれば、これらの方法は、高密度化された繊維状材料を樹脂と組み合わせる工程をさらに含むことができる。いくつかの好ましい態様において、該方法は、高密度化された繊維状材料を繊維化して、第三の繊維状材料を提供し、次いで、第三の繊維状材料を熱可塑性樹脂などの樹脂と合わせる工程をさらに含む。高密度化された、すなわち第三の繊維状材料はまた、本明細書において記載された任意の固体および/または液体、あるいは参照により本明細書に組み入れられる任意の特許出願、特許または刊行物に記載された任意の固体および/または液体と組み合わせることができる。
【０１２２】
第一の数平均分子量を有し、かつ第一の酸素含有量を有するセルロースを含む第一の材料を、第二の数平均分子量を有し、かつ該第一の酸素含有量より高い第二の酸素含有量を有するセルロースを含む第二の材料に変換する工程；および、第二の材料を樹脂と組み合わせて、複合体材料を提供する工程を含む方法が開示される。第一および/または第二の材料はまた、本明細書において記載された任意の固体および/または液体、あるいは参照により本明細書に組み入れられる任意の特許出願、特許または刊行物に記載された任意の固体および/または液体と組み合わせることができる。
【０１２３】
第一の数平均分子量を有し、かつ第一の酸素含有量を有するセルロースを含む第一の材料を酸化して、該第一の数平均分子量より低い第二の数平均分子量を有し、かつ該第一の酸素含有量よりも高い第二の酸素含有量を有するセルロースを含む第二の材料を提供する工程；および、該第二の材料を微生物と合わせる工程を含む方法が開示される。微生物は、例えば、発酵によって、第二の材料を利用して、水素、アルコール、有機酸および炭化水素などの燃料またはこれらの燃料のうちのいずれかの混合物を生じさせることができる。いくつかの態様において、第一の材料も同様に合わせることができる。
【０１２４】
第一の数平均分子量を有し、かつ第一の酸素含有量を有するセルロースを含む第一の材料を、該第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有し、かつ該第一の酸素含有量よりも高い第二の酸素含有量を有するセルロースを含む第二の材料に変換する工程；ならびに、該第二の材料を微生物および/または酵素を含む液体などの、固体および/または液体と合わせる工程を含む方法が開示される。いくつかの例において、第一の材料も同様に合わせられる。いくつかの例において、微生物は第二の材料を利用して、水素、アルコール、有機酸、および炭化水素などの燃料またはこれらの燃料のうちのいずれかの混合物を生じさせる。いくつかの態様において、第一の材料を微生物によって利用して、燃料を生じさせることができる。
【０１２５】
微生物を利用する場合、それは天然微生物、または改変された微生物であり得る。例えば、微生物は、セルロース分解菌などの細菌、酵母などの真菌、海藻、原生動物、粘菌のような真菌様原生生物などの植物または原生生物であり得る。生物が適合性である場合、混合物を利用してもよい。一般に、種々の微生物は、例えば、材料の発酵を起こすことによって、燃料などのいくつかの有用な産物を生じさせることができる。例えば、アルコール、有機酸、炭化水素、水素、タンパク質、またはこれらの材料のうちのいずれかの混合物を発酵または他のプロセスによって生産することができる。
【０１２６】
繊維源を剪断および蒸気爆発させて繊維状材料を形成させる工程；ならびに、繊維状材料を微生物と接触させて、産物を生じさせる工程を含む方法が開示される。有用な産物の例は水素、アルコール、有機酸、炭化水素、タンパク質およびその組み合わせを含む。有用な繊維源の例はセルロース材料、リグノセルロース材料およびその組み合わせを含む。
【０１２７】
繊維源を剪断および蒸気爆発させて繊維状材料を形成することは任意の順序で行ってよい。加えて、多数の剪断および/または蒸気爆発操作は任意の順序で行ってよい。剪断は、例えば、回転ナイフカッターで行うことができる。繊維源は剪断および/または蒸気爆発に先立って切断してもよい。
【０１２８】
例えば、いくつかの態様において、該方法は、繊維源を剪断して、剪断された繊維源を形成し、次いで、剪断された繊維源を蒸気爆発させて、繊維状材料を形成する工程を含む。蒸気爆発させ、剪断された繊維源をさらに剪断することによって繊維状材料を生じさせることもまた可能である。繊維源を二度剪断して、第二の剪断された繊維源を生じさせ、次いで、これを蒸気爆発させ、繊維状材料を生じさせることもまた可能である。
【０１２９】
繊維源を蒸気爆発させ、蒸気爆発した繊維源を形成させ、次いで、蒸気爆発させた繊維源を剪断して、繊維状材料を生じさせる工程を含む方法が開示される。剪断した蒸気爆発させた繊維源をさらに蒸気爆発させることによって繊維状材料を生じさせることもまた可能である。
【０１３０】
繊維源を同時に剪断および蒸気爆発させて、繊維状材料を生じさせる工程を含む方法が開示される。
【０１３１】
いくつかの態様において、該方法は一つまたは複数のスクリーン、例えば、1．59mm（0.0625インチ）以下の平均孔サイズを有するスクリーンを通して剪断された材料を通過させることを含むことができる。スクリーニングはサイズに従って材料を分離する。例えば、1つの態様において、該方法は繊維源を剪断して、剪断した繊維源を生じさせ、剪断した繊維源を第一のスクリーンに通過させ、スクリーニングされた繊維源を生じさせる工程；スクリーニングされた繊維源を剪断して、第二の剪断された繊維源を生じさせる工程；第二の剪断された繊維源を、第一のスクリーン未満の平均スクリーン孔サイズを有する第二のスクリーンを通過させて、第二のスクリーニングされた繊維源を得る工程；および、第二のスクリーニングされた繊維源を蒸気爆発させて、繊維状材料を作製する工程を含む。該方法は、第二のスクリーニングされた繊維源を剪断して、第三の剪断された繊維源を生じさせる工程、次いで、第三の剪断された繊維源を蒸気爆発させ、繊維状材料を生じさせる工程をさらに含むことができる。
【０１３２】
繊維源を剪断し、同時にそれをスクリーンに通過させることもまた可能である。
【０１３３】
該方法は、実質的にガス不浸透性の材料中に繊維状材料をカプセル化して、捕獲されたガスを除去し、繊維状材料を高密度化する工程をさらに含むこともできる。実質的にガス不浸透性の材料は水に可溶性であってよく、バッグの形態で提供することができる。
【０１３４】
有用な産物を生じさせるのに用いることができる微生物の例は、細菌、酵母、酵素またはその組み合わせを含む。例えば、微生物は、セルロース分解細菌などの細菌、酵母などの真菌、海藻、原生動物、または粘菌のような真菌様原生生物などの植物または原生生物であり得る。
【０１３５】
生じさせることができる産物の例は、単官能性および多官能性C1〜C6アルキルアルコール、単官能性および多官能性カルボン酸、C1〜C6炭化水素およびその組み合わせを含む。適切なアルコールの具体的な例はメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4‐ブタンジオール、グリセリン、およびその組み合わせを含む。適切なカルボン酸の具体的な例はギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、オレイン酸、リノール酸、グリコール酸、乳酸、γ-ヒドロキシ酪酸、およびその組み合わせを含む。適切な炭化水素の例はメタン、エタン、プロパン、ペンタン、n-ヘキサン、およびその組み合わせを含む。これらの産物の多くは燃料として用いることができる。
【０１３６】
有用な産物を生じさせるのに用いることができる微生物の例は細菌、酵母またはその組み合わせを含む。例えば、微生物は、セルロース分解細菌などの細菌、酵母などの真菌、海藻、原生動物、または粘菌のような真菌様原生生物などの植物または原生生物であり得る。
【０１３７】
生じさせることができる産物の例は、単官能性および多官能性C1〜C6アルキルアルコール、単官能性および多官能性カルボン酸、C1〜C6炭化水素、およびその組み合わせを含む。適切なアルコールの具体的な例はメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4‐ブタンジオール、グリセリン、およびその組み合わせを含む。適切なカルボン酸の具体的な例はギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、オレイン酸、リノール酸、グリコール酸、乳酸、γ-ヒドロキシ酪酸およびその組み合わせを含む。適切な炭化水素の例は、メタン、エタン、プロパン、ペンタン、n-ヘキサン、およびその組み合わせを含む。これらの産物の多くは燃料として用いることができる。
【０１３８】
「繊維状材料」という用語は、本明細書において、多数のゆるい、ばらばらとなった、かつ分離可能な繊維を含む材料である。例えば、繊維状材料は、例えば、回転ナイフカッターで剪断することによって漂白されたクラフト紙繊維源から調製することができる。
【０１３９】
「スクリーン」という用語は、本明細書において、サイズに従って材料をふるい分けることができる部材を意味する。スクリーンの例は多孔プレート、シリンダーなど、またはワイヤメッシュまたは織布を含む。
【０１４０】
「熱分解」という用語は、本明細書において、熱エネルギーの適用によって、材料において結合を破壊することを意味する。熱分解は、対象材料が真空下にある、または酸化ガス、例えば、空気または酸素、あるいは水素などの還元ガスといったガス状材料に入れた場合に起こり得る。
【０１４１】
酸素含有量は、1300℃以上で操作される炉中で試料を熱分解することによる元素分析によって測定される。
【０１４２】
「バイオマス」という用語は、任意の非化石化、例えば、再生可能な有機物質をいう。種々のタイプのバイオマスは、植物バイオマス（以下に定義）、動物バイオマス（任意の動物副産物、動物廃棄物など）および都市廃棄物バイオマス（金属およびガラスなどの再生可能物が除去された、住宅のおよび軽商業の廃物）を含む。
【０１４３】
「植物バイオマス」および「リグノセルロースバイオマス」という用語は、維持可能な基準でのエネルギーにおいて利用可能な実質的に任意の植物由来の有機物（木質または非木質）をいう。植物バイオマスは、限定されるものではないが、トウモロコシ茎葉、麦ワラ、稲ワラ、サトウキビバガスなどの農業作物廃棄物および残留物を含むことができる。植物バイオマスは、限定されるものではないが、樹木、木質エネルギー作物、木材廃棄物、ならびに軟木林間伐材、樹皮廃棄物、おがくず、紙およびパルプ産業廃棄物ストリーム、木材繊維などのような残留物をさらに含む。加えて、スイッチグラスなどのような飼料用作物は、別の植物バイオマスの源として大規模に生産される能力を有する。都市地域では最良な潜在的植物バイオマス原料は、庭の廃棄物（例えば、刈り取った草、葉、刈り取った木、およびやぶ）および植物加工廃棄物を含む。「リグノセルロース原料」は限定されるものではないが、非木質植物バイオマス、栽培作物、例えば、限定されるものではないが、草、例えば、限定されるものではないが、スイッチグラスなどのC4草、スパルティナ、ドクムギ、ススキ、クサヨシ、またはその組み合わせ、あるいはバガス、またはビートパルプなどの糖加工残留物、農業残留物、例えば、大豆茎葉、トウモロコシ茎葉、稲ワラ、もみ殻、大麦ワラ、トウモロコシ穂軸、小麦ワラ、キャノーラワラ、稲ワラ、オートムギワラ、オートムギ殻、トウモロコシ繊維、リサイクルされた木質パルプ繊維、おがくず、硬質木材、例えば、アスペン木材およびおがくず、軟質木材またはその組み合わせなどの、任意のタイプの植物バイオマスである。さらに、リグノセルロース原料は限定されるものではないが、新聞印刷用紙、ボール紙、おがくずなどのようなセルロース廃棄物材料を含むことができる。
【０１４４】
リグノセルロース原料は繊維の1つの種を含んでもよく、あるいは代替的にリグノセルロース原料は異なるリグノセルロース原料に由来する繊維の混合物を含むことができる。さらに、リグノセルロース原料は新鮮なリグノセルロース原料、部分的に乾燥されたリグノセルロース原料、十分に乾燥されたリグノセルロース原料またはその組み合わせを含んでもよい。
【０１４５】
本開示の目的では、糖質は、全部が一つまたは複数の糖単位から構成されるか、あるいは一つまたは複数の糖単位を含む材料である。糖質はポリマー（例えば、10量体、100量体、1,000量体、10,000量体、または100,000量体と同等またはそれを超える）、オリゴマー（例えば、4量体、5量体、6量体、7量体、8量体、9量体または10量体、と同等またはそれを超える）、トリマー、ダイマー、またはモノマーであり得る。糖質が複数の反復単位から形成される場合、各反復単位は同一または異なることができる。
【０１４６】
ポリマー糖質の例は、セルロース、キシレン、ペクチン、および澱粉を含み、他方、セロビオースおよびラクトースはダイマー糖質の例である。モノマー糖質の例はグルコースおよびキシロースを含む。
【０１４７】
糖質は、例えば、その構造に共有結合した超分子構造の一部であり得る。そのような材料の例は木材に見出されるようなリグノセルロース材料を含む。
【０１４８】
可燃性燃料は酸素の存在下で燃えることができる材料である。可燃性燃料の例はエタノール、n-プロパノール、n-ブタノール、水素、およびこれらのいずれか2つまたはそれ以上の混合物を含む。
【０１４９】
膨潤剤は、本明細書において、顕著な膨潤を引き起こす、例えば、溶液、例えば、水溶液として加えた場合に、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料の膨潤していない状態に対して容積を2.5パーセント増加させる材料である。その例は水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウムおよび水酸化アンモニウムなどのアルカリ性物質、鉱酸（例えば、硫酸、塩酸およびリン酸）などの酸性化剤、塩化亜鉛、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、硫酸ベンジルポリメチルアンモニウムなどの塩、およびエチレンジアミンなどの塩基性有機アミンを含む。
【０１５０】
「剪断された材料」とは、本明細書において、少なくとも約50%の長さ/直径（L/D）比率が少なくとも約5であるばらばらの繊維を含み、かつ圧縮されていない嵩密度が約0.6ｇ/cm3未満である材料である。剪断された材料は、したがって、切断された、細断されたまたは粉砕された材料とは異なる。
【０１５１】
本明細書において、バイオマス原料の分子構造の変化は、当該構造の化学的結合配置、または立体配座の変化を意味する。例えば、分子構造の変化は材料の超分子構造の変化、材料の酸化、平均分子量の変化、平均結晶化度の変化、表面積の変化、重合度の変化、多孔性の変化、分岐度の変化、他の材料に対するグラフト化、結晶ドメインサイズの変化、または全ドメインサイズの変化を含むことができる。
【０１５２】
他の定義をしない限り、本明細書において用いる全ての技術用語および化学的用語は本発明が属する分野における当業者によって通常理解されるのと同一の意味を持つ。本明細書において開示されたのと同様なまたは同等の方法および材料を本発明の実施または試験において用いることができるが、適切な方法および材料を以下に記載する。本明細書において記載された全ての刊行物、特許出願、特許および他の文献は参照により本明細書にその全体を組み入れられる。矛盾する場合、定義を含めた本明細書中が優先される。加えて、材料、方法、および例は説明のためのみのものであり、限定的であることを意図しない。
【０１５３】
本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な記載および添付の特許請求の範囲から明らかである。
[本発明1001]
バイオマスの個々のピースの一つまたは複数の寸法を低減することによってバイオマス原料を調製する工程；
各々が分子構造を変化させる2つまたはそれ以上の異なる前処理方法を用いてバイオマス原料を前処理する工程であって、該異なる前処理方法が放射線照射、音波処理、熱分解、および酸化から選択される、工程；ならびに
調製されかつ前処理されたバイオマス原料を加工して、産物を作製する工程
を含む、バイオマス原料の分子構造を変化させる方法。
[本発明1002]
バイオマス原料が調製され、次いで前処理される、本発明1001記載の方法。
[本発明1003]
バイオマス原料が前処理され、次いで調製される、本発明1001記載の方法。
[本発明1004]
バイオマスの個々のピースの一つまたは複数の寸法を低減する工程が、剪断することを含む、本発明1001記載の方法。
[本発明1005]
2つまたはそれ以上の前処理方法が、同時にまたはほぼ同時にバイオマス原料に適用される、本発明1001記載の方法。
[本発明1006]
2つまたはそれ以上の前処理方法が輻射線照射および音波処理を含む、本発明1001記載の方法。
[本発明1007]
輻射線が電子線の形態である、本発明1006記載の方法。
[本発明1008]
電子線輻射線照射が約100kGyの総線量で適用され、かつ音波処理が5MJ/m3を超える総エネルギーで適用される、本発明1007記載の方法。
[本発明1009]
輻射線照射が音波処理に先行する、本発明1006〜1008のいずれか一項記載の方法。
[本発明1010]
音波処理が輻射線照射に先行する、本発明1006〜1008のいずれか一項記載の方法。
[本発明1011]
輻射線照射および音波処理が、同時にまたはほぼ同時に行われる、本発明1006〜1008のいずれか一項記載の方法。
[本発明1012]
バイオマス原料の分子構造の変化が、バイオマスの、平均分子量、平均結晶化度、表面積、重合、多孔度、分岐、グラフト化、およびドメインのサイズまたは数のいずれか一つまたは複数の変化を含む、本発明1001記載の方法。
[本発明1013]
バイオマス原料の分子構造の変化が、バイオマスの平均分子量および平均結晶化度の一方もしくは双方の減少、またはバイオマスの表面積および多孔度の一方もしくは双方の増加を含む、本発明1001記載の方法。
[本発明1014]
バイオマス原料を輻射線照射、音波処理、熱分解、および酸化のいずれか2つまたはそれ以上によって前処理することを含むプロセスによって作製された糖質を含む材料を提供する工程；ならびに
該材料を、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程
を含む、可燃性燃料などの産物の作製方法。
[本発明1015]
2つまたはそれ以上の異なる前処理方法が、輻射線照射および音波処理、輻射線照射および酸化、輻射線照射および熱分解、音波処理および酸化、音波処理および熱分解、または酸化および熱分解を含む、本発明1001〜1014のいずれか一項記載の方法。
[本発明1016]
バイオマス原料を蒸気爆発で前処理する工程をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1017]
プロセスが、バイオマスを酸または塩基で加水分解する工程を含まない、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1018]
バイオマスの少なくとも約70重量パーセントが加水分解されていない、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1019]
バイオマスの少なくとも95重量パーセントが加水分解されていない、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1020]
バイオマスが実質的に少しも加水分解されていない、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1021]
少なくとも1つの前処理方法がバイオマスに対して行われる方法であって、該バイオマスの約25重量パーセント未満が水などの液体によって湿らせられる、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1022]
少なくとも1つの前処理方法がバイオマスに対して行われる方法であって、該バイオマスが水などの液体によって実質的に少しも湿らせられない、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1023]
バイオマスが、25℃かつ50パーセント相対湿度で測定された約5重量パーセント未満の保持された水を有する、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1024]
少なくとも1つの前処理方法がバイオマスに対して行われる方法であって、該バイオマスの約25重量パーセント未満が膨潤状態にあり、該膨潤状態が膨潤していない状態よりも約2.5パーセントを超えて多い体積を有すると特徴付けられる、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1025]
バイオマスが膨潤剤と混合されるか、または膨潤剤を含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1026]
バイオマスが膨潤剤と混合されるか、または膨潤剤を含み、かつ該バイオマスが約100kGy未満の線量の輻射線照射を受ける、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1027]
前処理方法の1つが輻射線照射である、本発明1024記載の方法。
[本発明1028]
前処理方法の少なくとも1つ、例えば、輻射線照射が、バイオマス原料が空気に曝露されている間に、バイオマス原料に対して行われる、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1029]
前処理方法の少なくとも1つ、例えば、輻射線照射が、約2.5気圧を上回る圧力下、例えば、5または10気圧を上回る圧力下で、バイオマスに対して行われる、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1030]
プロセスが、バイオマスを酸化する工程、熱分解する工程、または蒸気爆発する工程をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1031]
バイオマス原料が紙、紙産物、紙廃棄物、木材、パーティクルボード、おがくず、農業廃棄物、汚水、サイレージ、草、もみ殻、バガス、綿、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、マニラ麻、ワラ、トウモロコシ穂軸、トウモロコシ茎葉、スイッチグラス、アルファルファ、干し草、ヤシ毛、合成セルロース、海草、海藻、およびそれらの混合物からなる群より選択される、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1032]
バイオマスが合成材料を含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1033]
燃料が水素、アルコール、および炭化水素のうちの一つまたは複数を含む、本発明1014〜1032のいずれか一項記載の方法。
[本発明1034]
アルコールがエタノール、n-プロパノール、イソプロパノール、n-ブタノール、およびそれらの混合物からなる群より選択される、本発明1033記載の方法。
[本発明1035]
微生物が細菌を含む、本発明1014〜1034のいずれか一項記載の方法。
[本発明1036]
微生物が酵母を含む、本発明1014〜1034のいずれか一項記載の方法。
[本発明1037]
変換する工程が、材料を可燃性燃料などの産物に発酵させることを含む、本発明1014〜1036のいずれか一項記載の方法。
[本発明1038]
照射が、ガンマ線、電子線、または約100nm〜約280nmの波長を有する紫外線C輻射線などの電離輻射線を利用して行われる、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1039]
電離輻射線が電子線輻射線を含む、本発明1038記載の方法。
[本発明1040]
輻射線が、約100kGy〜約1500kGyの間の総線量、例えば、約5〜約100kGy/日、または10kGy/秒〜約100kGy/秒の線量率で適用される、本発明1038または1039記載の方法。
[本発明1041]
照射する工程が、ガンマ線および電子線などの2つまたはそれ以上の輻射線源を適用することを含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1042]
音波処理が、約15kHz〜約25kHzの間、例えば、約18kHz〜22kHzの周波数で行われる、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1043]
バイオマスが、第一の数平均分子量を有する第一のセルロースを含み、かつ糖質材料が、第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有する第二のセルロースを含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1044]
第二の数平均分子量が、第一の数平均分子量よりも約1倍を超えて低い、本発明1043記載の方法。
[本発明1045]
第一のセルロースが第一の結晶化度を有し、かつ第二のセルロースが第一の結晶化度よりも低い第二の結晶化度を有する、本発明1043または1044記載の方法。
[本発明1046]
第二の結晶化度が、第一の結晶化度よりも約10パーセントを超えて低い、本発明1045記載の方法。
[本発明1047]
第一のセルロースが第一の酸化レベルを有し、かつ第二のセルロースが第一の酸化レベルよりも高い第二の酸化レベルを有する、本発明1043〜1046のいずれか一項記載の方法。
[本発明1048]
バイオマス原料が、バイオマス繊維源を剪断して、繊維状材料を提供することによって調製される、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1049]
剪断が、回転ナイフカッターによって行われる、本発明1048記載の方法。
[本発明1050]
繊維状材料の繊維が、5/1を上回る長さ対直径比の平均を有する、本発明1048または1049記載の方法。
[本発明1051]
繊維状材料が、0.25m2/gを上回るBET表面積を有する、本発明1048〜1050のいずれか一項記載の方法。
[本発明1052]
糖質が一つまたは複数のβ-1,4-結合を含み、かつ約3,000〜50,000の間の数平均分子量を有する、本発明1014〜1051のいずれか一項記載の方法。
[本発明1053]
前処理されたバイオマス材料が、炭酸水素ナトリウムまたは塩化アンモニウムなどの緩衝剤をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1054]
前処理されたバイオマス材料が、塩化カリウムまたは塩化ナトリウムなどの電解質をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1055]
前処理されたバイオマス材料が、ビオチンなどの成長因子、および/またはウラシルなどの塩基対をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1056]
前処理されたバイオマス材料が、界面活性剤をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1057]
前処理されたバイオマス材料が、ミネラルをさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1058]
前処理されたバイオマス材料が、キレート剤をさらに含む、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1059]
バイオマス原料が、輻射線照射、音波処理、熱分解、および酸化のいずれか3つまたはそれ以上を、任意の順序で、またはほぼ同時に用いて前処理される、前記本発明のいずれか一項記載の方法。
[本発明1060]
バイオマス原料を、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数により前処理することによって作製された糖質を含む材料を提供する工程であって、該バイオマスの約25重量パーセント未満が膨潤状態にあり、該膨潤状態が名目的非膨潤状態よりも約2.5パーセントを超えて多い体積を有すると特徴付けられる、工程；ならびに
該材料を、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程
を含む、可燃性燃料などの産物の作製方法。
[本発明1061]
バイオマス原料を、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数により前処理することによって作製された糖質を含む材料を提供する工程であって、該バイオマスの約25重量パーセント未満が前処理に続いて加水分解される、工程；ならびに
該材料を、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程
を含む、可燃性燃料などの産物の作製方法。
[本発明1062]
バイオマス原料を輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数により前処理することによって作製された糖質を含む材料を提供する工程であって、該バイオマスの約25重量パーセント未満が水などの液体と接触している、工程；ならびに
該材料を、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約 1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程
を含む、可燃性燃料などの産物の作製方法。
[本発明1063]
2つまたはそれ以上の異なる前処理方法を選択する工程を含む、本発明1060〜1062のいずれか一項記載の方法。
[本発明1064]
2つまたはそれ以上の異なる前処理方法が、輻射線照射および音波処理、輻射線照射および酸化、輻射線照射および熱分解、音波処理および酸化、音波処理および熱分解、または酸化および熱分解を含む、本発明1063記載の方法。
[本発明1065]
バイオマスを蒸気爆発によって前処理する工程をさらに含む、本発明1064記載の方法。
[本発明1066]
プロセスが、バイオマスを酸または塩基で加水分解する工程を含まない、本発明1060〜1065のいずれか一項記載の方法。
[本発明1067]
微生物が細菌または酵母を含む、本発明1060〜1066のいずれか一項記載の方法。
[本発明1068]
照射が、ガンマ線または電子線などの電離輻射線を利用して行われる、本発明1060〜1067のいずれか一項記載の方法。
[本発明1069]
電離輻射線が電子線輻射線を含む、本発明1068記載の方法。
[本発明1070]
液体が水である、本発明1062記載の方法。
[本発明1071]
剪断されたバイオマス原料を輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数により前処理することによって作製された糖質を含む材料を提供する工程；ならびに
該材料を、該材料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させる工程
を含む、可燃性燃料などの産物の作製方法。
[本発明1072]
剪断されたバイオマスが、長さ対直径比（L/D）が約5/1を上回るばらばらの繊維を含む、本発明1071記載の方法。
[本発明1073]
バイオマスが内部繊維を有し、かつ該バイオマスがその内部繊維が実質的に露出する程度まで剪断されている、本発明1071または1072記載の方法。
[本発明1074]
バイオマスが、約0.35g/cm3未満の嵩密度を有する程度まで剪断されている、本発明1071〜1073のいずれか一項記載の方法。
[本発明1075]
バイオマスのピースのサイズを低減するためのバイオマス原料調製モジュールと、
該バイオマスに輻射線を適用するように配置された輻射線照射モジュール；
該バイオマスに音波エネルギーを適用するように配置された音波処理モジュール；
該バイオマスを酸化するように配置された酸化モジュール；および
該バイオマスに熱を適用するように配置された熱分解モジュール
である前処理モジュールの2つまたはそれ以上と、
該バイオマスを処理システム内のモジュールへ、およびモジュール間を移動させるためのバイオマス輸送サブシステムと
を含むバイオマス原料処理システムであって、
該2つまたはそれ以上の前処理モジュールが直列に配置されており、かつ/またはほぼ同時に該バイオマスの一部を処理するように配置されている、バイオマス原料処理システム。
[本発明1076]
容器をさらに含む、本発明1075記載のシステム。
[本発明1077]
糖質を含む前処理されたバイオマス材料を含有する反応容器を含むシステムであって、前処理されたバイオマス材料が、本発明1001〜1074のいずれか一項記載の方法によって作製される、システム。
[本発明1078]
容器が、材料と接触している微生物も含有し、該微生物が、該材料の少なくとも一部を可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する、本発明1076または1077記載のシステム。
[本発明1079]
容器が、材料と接触している酵素も含有し、該酵素が、該材料の少なくとも一部と反応する能力を有する、本発明1076〜1078のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1080]
容器が炭酸水素ナトリウムまたは塩化アンモニウムなどの緩衝剤も含有する、本発明1076〜1079のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1081]
容器が塩化カリウムまたは塩化ナトリウムなどの電解質も含有する、本発明1076〜1080のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1082]
容器が、ビオチンなどの成長因子および/またはウラシルなどの塩基対を含有する、本発明1076〜1081のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1083]
容器が界面活性剤も含有する、本発明1076〜1082のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1084]
容器がミネラルも含有する、本発明1076〜1083のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1085]
容器がキレート剤も含有する、本発明1076〜1084のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1086]
容器が、約1,000Lを上回る、例えば、5,000Lを上回る総容量を有する、本発明1076〜1085記載のシステム。
[本発明1087]
輻射線照射モジュールおよび音波処理モジュールを含む、本発明1075〜1086のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1088]
2つまたはそれ以上のモジュールが輻射線照射モジュールおよび音波処理モジュールを含み、かつバイオマス輸送サブシステムが、バイオマスを輻射線照射モジュールから音波処理モジュールへ、またはその逆へ、ならびに調製モジュールから前処理モジュールへ、およびその逆へ移動させるように配置された、本発明1075記載のシステム。
[本発明1089]
酸化モジュールをさらに含む、本発明1087または1088記載のシステム。
[本発明1090]
発酵モジュールをさらに含む、本発明1075〜1089のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1091]
輻射線照射モジュールおよび熱分解モジュールを含む、本発明1075記載のシステム。
[本発明1092]
バイオマス輸送サブシステムが、バイオマスを輻射線照射モジュールから熱分解モジュールへ、またはその逆へ移動させるように配置された、本発明1091記載のシステム。
[本発明1093]
酸化モジュールをさらに含む、本発明1091〜1093のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1094]
発酵モジュールをさらに含む、本発明1091〜1093のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1095]
2つまたはそれ以上のモジュールの複数が単一デバイスの部分として実装される、本発明1075〜1094のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1096]
2つまたはそれ以上の異なる前処理モジュールが、輻射線照射モジュールおよび音波処理モジュール、輻射線照射モジュールおよび酸化モジュール、輻射線照射モジュールおよび熱分解モジュール、音波処理モジュールおよび酸化モジュール、音波処理モジュールおよび熱分解モジュール、または酸化モジュールおよび熱分解モジュールを含む、本発明1075〜1095のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1097]
発酵モジュールをさらに含む、本発明1096記載のシステム。
[本発明1098]
3つまたはそれ以上の異なる前処理モジュールを含む、本発明1096記載のシステム。
[本発明1099]
2つまたはそれ以上のモジュールの複数が、単一デバイスの部分として実装される、本発明1096〜1098のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1100]
バイオマス輸送サブシステムが、バイオマスを任意の順序でモジュール間を移動させるように配置された、本発明1096〜1099のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1101]
バイオマス輸送サブシステムが、流動床（fluidized bed）のコンベアベルトを含む、本発明1100記載のシステム。
[本発明1102]
輻射線照射モジュールが、バイオマスに約100kGy〜約1000kGyの間、特に、約100kGy〜約500kGyの間、とりわけ約200kGy〜約500kGyの間の輻射線量を適用するように配置された、本発明1075〜1101のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1103]
輻射線照射モジュールが、バイオマスの構造を変化させる、例えば、該バイオマスの平均分子量を低減する；該バイオマスの平均結晶化度を低減する；該バイオマスの表面積を増加させる；該バイオマスの重合を変化させる；該バイオマスの多孔度を増加させる；かつ/または該バイオマスの化学構造を変化させるのに十分な輻射線量を適用するように配置される、本発明1075〜1102のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1104]
音波処理モジュールが、約15kHz〜約25kHzの間の周波数の音波エネルギーを適用するように配置される、本発明1075〜1103のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1105]
音波処理モジュールが、バイオマスの構造を変化させる、例えば、該バイオマスの平均分子量を低減する；該バイオマスの平均結晶化度を低減する；該バイオマスの表面積を増加させる；該バイオマスの重合を変化させる；該バイオマスの多孔度を増加させる；かつ/または該バイオマスの化学構造を変化させるのに十分な音波エネルギーを適用するように配置される、本発明1075〜1104のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1106]
輻射線照射モジュールが放射性材料を含む、本発明1075〜1105のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1107]
輻射線照射モジュールが電子線エミッターを含む、本発明1075〜1105のいずれか一項記載のシステム。
[本発明1108]
剪断されたバイオマス原料を、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか一つまたは複数により前処理する工程を含むプロセスによって作製された糖質材料。
[本発明1109]
前処理する工程が輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか2つまたはそれ以上によって行われる、本発明1108記載の糖質材料。
[本発明1110]
バイオマス原料を輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか2つまたはそれ以上により前処理する工程を含むプロセスによって作製された、糖質材料。
[本発明1111]
前処理する工程が輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発のいずれか3つまたはそれ以上によって行われる、本発明1110記載の糖質。
[本発明1112]
約25,000未満のピーク最大分子量および約55パーセント未満の結晶化度を有するセルロースまたはリグノセルロース材料を含む組成物。
[本発明1113]
セルロースまたはリグノセルロース材料が、約72パーセントを上回る多孔度を有する、本発明1112記載の組成物。
[本発明1114]
セルロースまたはリグノセルロース材料が、約0.75m2/gを上回るBET表面積を有する、本発明1112または1113記載の組成物。
[本発明1115]
セルロースまたはリグノセルロース材料が、約0.5g/cm3未満の嵩密度を有する、本発明1112〜1114のいずれか一項記載の組成物。
[本発明1116]
セルロースまたはリグノセルロース材料が、長さ対直径が約5を上回る繊維を含む、本発明1112〜1115のいずれか一項記載の組成物。
[本発明1117]
酵素および/または微生物をさらに含む、本発明1112〜1116のいずれか一項記載の組成物。
[本発明1118]
繊維を含むセルロースまたはリグノセルロース材料を含む組成物であって、該セルロースまたはリグノセルロース材料が約25,000未満のピーク最大分子量および約0.5ｇ/cm3未満の嵩密度を有する、組成物。
[本発明1119]
繊維が、約5を上回る、長さ対直径比を有する、本発明1118記載の組成物。
[本発明1120]
第一の分子量を有する第一のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料に照射して、第一の分子量よりも高い第二の分子量を有する第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を提供する工程；ならびに
第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を樹脂などの材料と組み合わせる工程
を含む、繊維-樹脂複合体などの複合体の作製方法。
[本発明1121]
樹脂などの材料を、第一の分子量を有するセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料と組み合わせて、該繊維状材料およびマトリックスを含む複合体を提供する工程；ならびに
該複合体を照射して、樹脂マトリックスなどのマトリックス中の第一のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料の分子量を増加させる工程
を含む、繊維-樹脂複合体などの複合体の作製方法。
[本発明1122]
第一の分子量を有する第一のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料を照射して、第一の分子量よりも高い第二の分子量を有する第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を提供する工程；
第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を樹脂などの材料と組み合わせて、複合体を提供する工程；ならびに
該複合体を照射する工程
を含む、繊維-樹脂複合体などの複合体の作製方法。
[本発明1123]
第一の分子量を有する第一の糖質含有材料を含む木材産物を提供する工程；および
該木材産物を照射して、第一の分子量よりも高い第二の分子量を有する第二の糖質含有材料を含む照射された木材産物を提供する工程
を含む、照射された木材産物の作製方法。
[本発明1124]
例えば、照射の前に、照射の後に、または照射と同時に音波処理する工程をさらに含む、本発明1120〜1123のいずれか一項記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】産物および副産物へのバイオマスの変換を示すブロック図である。
【図２】第一および第二の繊維状材料への繊維源の変換を示すブロック図である。
【図３】回転ナイフカッターの断面図である。
【図４】第一、第二および第三の繊維状材料への繊維源の変換を示すブロック図である。
【図５】材料の高密度化を示すブロック図である。
【図６】ペレットミルの斜視図である。
【図７Ａ】ペレット形態の高密度化繊維状材料である。
【図７Ｂ】中空の中央がペレットの中心と並んだ中空ペレットの横断面である。
【図７Ｃ】中空の中心がペレットの中心と並んでいない、中空ペレットの横断面である。
【図７Ｄ】三葉ペレットの横断面である。
【図８】原料を加工するための処理系列を示すブロック図である。
【図９】ガンマ線照射器の切断斜視図である。
【図１０】図9の領域Rの拡大斜視図である。
【図１１】電子線照射原料前処理系列を示すブロック図である。
【図１２】液体媒体におけるセルロース材料のプロセスストリームを音波処理するためのシステムの概略図である。
【図１３】単一のホーンにカップリングした2つのトランスデューサを有するソニケーターの概略図である。
【図１４】熱分解原料前処理システムを示すブロック図である。
【図１５】熱分解チャンバーの垂直断面図である。
【図１６】熱分解チャンバーの垂直断面図である。
【図１７】加熱されたフィラメントを含む熱分解器垂直断面図である。
【図１８】キュリー点熱分解器の概略垂直断面図である。
【図１９】炉熱分解器の概略垂直断面図である。
【図２０】レーザー熱分解装置の概略断面頂面図である。
【図２１】タングステンフィラメントフラッシュ熱分解器の概略断面頂面図である。
【図２２】酸化原料前処理システムを示すブロック図である。
【図２３】繊維源を産物、例えば、エタノールに変換するためのプロセスの全体的概略を示すブロック図である。
【図２４】蒸気爆発装置の断面図である。
【図２５】ハイブリッド電子線/音波処理デバイスの概略垂直断面図である。
【図２６】ポリコーティングした紙から作製した繊維状材料の、倍率25倍の走査型電子顕微鏡写真である。繊維状材料は1/8インチ孔を持つスクリーンを利用する回転ナイフカッターで作製した。
【図２７】漂白クラフトボード紙から作製した繊維状材料の、倍率25倍の走査型電子顕微鏡写真である。繊維状材料は1/8インチ孔を持つスクリーンを利用する回転ナイフカッターで作製した。
【図２８】漂白クラフトボード紙から作製した繊維状材料の、倍率25倍の走査型電子顕微鏡写真である。繊維状材料は、各剪断の間に、1/16インチ孔を持つスクリーンを利用して回転ナイフカッターで2回剪断した。
【図２９】漂白クラフトボード紙から作製した繊維状材料の、倍率25倍の走査型電子顕微鏡写真である。繊維状材料は回転ナイフカッターで3回剪断した。第一の剪断の間に1/8インチスクリーンを用い；第二の剪断の間に1/16インチスクリーンを用い、第三の剪断の間に1/32インチスクリーンを用いた。
【図３０】音波処理装置の概略側面図である。
【図３１】図30の加工セルを通じての断面図である。
【図３２】回転ナイフカッターでスイッチグラスを剪断し、次いで、剪断した材料を1/32インチスクリーンを通過させることにより作製した、繊維状材料の、1000倍の倍率の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３３】100kGyガンマ線での照射の後の図32の繊維状材料の、倍率1000倍の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３４】1000kGyガンマ線での照射の後の図32の繊維状材料の、倍率1000倍の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３５】100kGyでの照射および音波処理後の図32の繊維状材料の、倍率1000倍の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３６】1000kGyでの照射および音波処理後の図32の繊維状材料の、倍率1000倍の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３７】回転ナイフカッターで剪断したクラフトボード紙の赤外スペクトルである。
【図３８】ガンマ放射線の1000kGyでの照射の後の図37のクラフト紙の赤外スペクトルである。
【図３９】バイオマスの変換のためのプロセスの概略図である。
【図４０】バイオマス変換のためのもう1つのプロセスの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０１５５】
発明の詳細な説明
バイオマス（例えば、植物バイオマス、動物バイオマス、および都市廃棄物バイオマス）を加工して、燃料などの有用な産物を生産することができる。容易に入手可能であるが、例えば、発酵によって加工するのが困難であり得るセルロースおよび/またはリグノセルロース材料などの原料材料として用いることができるシステムおよびプロセスを以下に記載する。原料材料は、まず、往々にして、生原料材料のサイズ低減によって、加工のために物理的に調製される。物理的に調製された原料は、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発の一つまたは複数を用いて前処理し、加工することができる。種々の前処理システムおよび方法は、これらの技術の2つ、3つまたは4つの組み合わせで用いることができる。
【０１５６】
いくつかの場合において、微生物によって可燃性燃料（例えば、エタノール、ブタノール、または水素）などのいくつかの望ましい産物に変換することができるセルロースなどの糖質を含む材料を提供するために、一つまたは複数の糖単位を含む原料を、本明細書において記載されたプロセスのいずれか一つまたは複数によって処理することができる。生産することができる他の産物および副産物は例えば、ヒトの食糧、動物の飼料、医薬、および栄養補助食品を含む。個々の前処理方法のベンチスケールの実施から大スケールのバイオマス加工プラントまでのいくつかの例を示す。
【０１５７】
バイオマスのタイプ
一般に、一つまたは複数の糖単位のみから構成される糖質であるか、またはそれを含む、あるいは、一つまたは複数の糖単位を含む任意のバイオマス材料は、本明細書において記載された任意の方法によって加工することができる。例えば、バイオマスの材料はセルロースまたはリグノセルロース材料であり得る。
【０１５８】
例えば、そのような材料は紙、紙産物、木材、木材関連材料、パーティクルボード、草、もみ殻、バガス、綿、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、マニラ麻、ワラ、トウモロコシ穂軸、ヤシ毛、海藻、海草、合成セルロース、またはこれらのうちのいずれかの混合物を含むことができる。
【０１５９】
繊維源は、紙および紙産物（例えば、ポリコーティングされた紙およびクラフト紙）を含めたセルロース繊維源、木材および木材関連材料、例えば、パーティクルボードを含めたリグノセルロース繊維源を含む。他の適切な繊維源は、天然繊維源、例えば、草、もみ殻、バガス、綿、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、マニラ麻、ワラ、トウモロコシ穂軸、ヤシ毛、；α-セルロース含有量が高い繊維源、例えば、綿；および合成繊維源、例えば、押し出されたヤーン（配向したヤーンまたは配向していないヤーン）を含む。天然または合成繊維源は、再生品でないスクラップテキスタイル材料、例えば、残留物に由来するものであり得、あるいはそれらは使用済み廃棄物、例えば、ぼろ切れであり得る。紙産物を繊維源として用いる場合、それらは再生品でない材料、例えば、スクラップの再生品でない材料であり得るか、あるいはそれらは、使用済み廃棄物であり得る。再生品でない生材料とは別に、使用済み廃棄物、産業廃棄物（例えば、くず）、および加工廃棄物（例えば、紙加工からの流出物）を繊維源として用いることができる。また、繊維源はヒト廃棄物（例えば、汚水）、動物廃棄物または植物廃棄物から得ることができるか、またはそれに由来することができる。さらなる繊維源は米国特許第6,448,307号、第6,258,876号、第6,207,729号、第5,973,035号および第5,952,105号に記載されている。
【０１６０】
いくつかの態様において、糖質は、一つまたは複数のβ-1,4-結合を有し、かつ約3,000〜50,000の間の数平均分子量を有する材料であるか、またはそれを含む。そのような糖質はセルロース（I）であるか、あるいはそれを含み、これはβ（1→4）-グリコシド結合の縮合を介して（β-グルコース1）に由来する。この結合は、澱粉および他の糖質に存在するα（1→4）-グリコシド結合についてのそれとは対照的である。
2010508390.tif 000001
【０１６１】
前記材料のいずれかのブレンドもまた用いることができる。
【０１６２】
バイオマスを処理するためのシステム
図1は、バイオマス、特に、有意なセルロースおよびリグノセルロース成分を持つバイオマスを有用な産物および副産物に変換するためのシステム100を示す。システム100は供給材料調製サブシステム110、前処理サブシステム114、一次プロセスサブシステム118、および後処理サブシステム122を含む。供給材料調製サブシステム110はバイオマスを生の形態で受け取り、下流プロセスによって原料として用いるためにそのバイオマスを物理的に調製し、（例えば、バイオマスのサイズを低減し、かつバイオマスをホモゲナイズし）、その生および原料形態双方のバイオマスを貯蔵する。有意なセルロースおよびリグノセルロース成分を持つバイオマス原料は、原料を有用な産物に加工する（例えば、原料を発酵してエタノールとする）のを困難にし得る、高い平均分子量および結晶化度を有することができる。
【０１６３】
前処理サブシステム114は供給材料調製サブシステム110からの原料を受け取り、例えば、原料の平均分子量および結晶化度を低減することによって主な生産プロセスで用いるための原料を調製する。一次プロセスサブシステム118は前処理サブシステム114からの前処理原料を受け取り、有用な産物（例えば、エタノール、他のアルコール、医薬、および/または食品産物）を生じさせる。いくつかの場合において、一次プロセスサブシステム118の産出物は直接的に有用であるが、他の場合には後処理サブシステム122によって提供されるさらなる加工を必要とする。後処理サブシステム122は、それを必要とする一次プロセスサブシステム118からの産物ストリームの加工（例えば、エタノール蒸留および変性）、ならびに他のサブシステムからの廃棄物ストリームのための処理をさらに提供する。いくつかの場合において、サブシステム114、118、122の副産物は、二次的な産物としてかつ/またはシステム100の全効率を増加させることにおいて、直接的または間接的に有用であり得る。例えば、後処理サブシステム122は、他のサブシステムにおけるプロセス水として用いるためにリサイクルすべき処理された水を生じさせることができ、かつ/または蒸気および/もしくは電気を生じさせるボイラー用の燃料として用いることができる、可燃性廃棄物を生じさせることができる。
【０１６４】
バイオマス変換プラントの最適なサイズは、原料として用いるバイオマスの規模の経済およびタイプ、ならびに入手可能性を含めた因子によって影響される。プラントのサイズの増加はプラントのプロセスに関連する規模の経済を増大させる傾向がある。しかしながら、プラントのサイズの増加もまた原料単位当たりのコスト（例えば、輸送コスト）を増加させる傾向がある。これらの因子を分析する研究は、バイオマス変換プラントについての適切なサイズは、用いる原料のタイプに少なくとも部分的に依存して1日当たり2000〜10,000乾燥トンの原料の範囲であると示唆している。原料のタイプもまた、その入手可能性が比較的安定している原料（例えば、古紙）を加工するように設計されたプラントと比べて、オンサイトまたはオフサイトでのより多くの原料貯蔵を必要とする、その入手可能性が季節変動する原料（例えば、トウモロコシ茎葉）を主として加工するために設計されたプラントでの植物貯蔵要件に影響を与え得る。
【０１６５】
供給材料の調製
いくつかの場合において、加工方法は、切断、粉砕、剪断、または細断などによって、原料の物理的調製、例えば、生原料の材料のサイズの低減から開始される。いくつかの場合において、結合のゆるい原料（例えば、再生紙またはスイッチグラス）を、剪断または寸断によって調製する。スクリーンおよび/または磁石を用いて、例えば、岩または釘といった大きすぎるまたは望ましくない物体を供給ストリームから除去することができる。
【０１６６】
供給材料調製システムは、例えば、特定の最大サイズ、特定の、幅に対する長さ、または特定の表面積比率などといった特定の特徴を有する供給ストリームを生じさせるように構成することができる。供給材料調製の一部として、原料の嵩密度を制御することができる（例えば、増加させることができる）。
【０１６７】
サイズの低減
いくつかの態様において、加工すべき材料は、繊維源を剪断することによって提供された繊維を含む、繊維状材料の形態である。例えば、剪断は回転ナイフカッターで行うことができる。
【０１６８】
例えば、図2を参照し、繊維源210は、例えば、回転ナイフカッターで剪断して、第一の繊維状材料212を得る。該第一の繊維状材料212を、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一のスクリーン214を通して、第二の繊維状材料216を得る。所望であれば、繊維源を、例えば、シュレッダーで剪断に先立って切断することができる。例えば、紙を繊維源として用いる場合、紙を、まず、シュレッダー、例えば、Munson(Utica, N.Y.)によって製造されるものなどの逆回転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。寸断の別の方法として、ギロチンカッターを用いて所望のサイズまで切断することによって紙のサイズを低減することができる。例えば、紙を、ギロチンカッターを用いて、例えば、10インチ幅で12インチ長のシートに切断することができる。
【０１６９】
いくつかの態様において、繊維源の剪断、および得られた第一の繊維状材料の第一のスクリーンの通過を同時に行う。剪断および通過はまた、バッチ-タイプのプロセスで行うことができる。
【０１７０】
例えば、回転ナイフカッターを用いて、繊維源を同時に剪断し、第一の繊維状材料をふるいにかけることができる。図3を参照し、回転ナイフカッター220は、繊維源を寸断することによって調製された寸断された繊維源224を負荷することができるホッパー222を含む。寸断された繊維源を固定ブレード230および回転ブレード232の間で剪断して、第一の繊維状材料240を得る。第一の繊維状材料240はスクリーン242を通過し、得られた第二の繊維状材料244はビン250に捕獲される。第二の繊維状材料の収集を助けるためには、該ビンは、例えば、公称大気圧の少なくとも10パーセント未満、例えば、公称大気圧の少なくとも25パーセント未満、公称大気圧の少なくとも50パーセント未満、または公称大気圧の少なくとも75パーセント未満の、公称大気圧未満の圧力を有することができる。いくつかの態様において、真空源252を利用して、ビンを公称大気圧未満に維持する。
【０１７１】
剪断は、繊維状材料を「開放する」、かつ繊維状材料に「応力を与える」のに有利であり、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ことができる。開放材料もまた、照射した場合に酸化に対してより感受性とすることができる。
【０１７２】
繊維源は乾燥した状態、水和した状態（例えば、10重量パーセント未満の吸収した水を有する）、または例えば、約10重量パーセント〜約75重量パーセントの間の水を有する湿潤状態で剪断することができる。繊維源は、水、エタノール、イソプロパノールなどの液体下に部分的にまたは完全に浸した状態で剪断することもできる。
【０１７３】
繊維源は（空気以外のガスのストリームまたは雰囲気などの）ガス、例えば、酸素または窒素、または蒸気下で剪断することもできる。
【０１７４】
繊維状材料を作製する他の方法は、例えば、石材粉砕、機械的剥取または引裂、ピン粉砕、または空気摩擦粉砕を含む。
【０１７５】
所望であれば、繊維状材料は、例えば、それらの長さ、幅、密度、材料のタイプ、またはこれらの属性のいくつかの組み合わせに従って、連続的に、またはバッチ方式で、部分に分離することができる。例えば、複合体を形成するためには、繊維長さの比較的狭い分布を有することが往々にして望ましい。
【０１７６】
例えば、鉄材料は、鉄材料を含む繊維状材料を磁石、例えば、電磁石に通し、次いで、得られた繊維状材料を、異なるサイズの孔を有する一連のスクリーンに通すことによって任意の繊維状材料から分離することができる。
【０１７７】
繊維状材料は、例えば、高速ガス、例えば、空気を用いることによって分離することもできる。そのようなアプローチにおいて、繊維状材料は、所望であれば光学的に特徴付けることができる異なる部分を取り除くことによって分離する。そのような分離装置はLindsey et al., 米国特許第6,883,667号に考察されている。
【０１７８】
繊維状材料は、調製の直後に照射することができるか、あるいはそれらは、水分含有量が使用前に例えば、約0.5%未満となるように、例えば、およそ105℃で4〜18時間乾燥することができる。
【０１７９】
所望ならば、リグニンを含む任意の繊維状材料からリグニンを除去することができる。また、セルロースを含む材料の破壊を助けるために、照射に先立って熱、化学物質（例えば、鉱酸、塩基、または次亜塩素酸ナトリウムなどの強い酸化剤）および/または酵素で材料を処理することができる。
【０１８０】
いくつかの態様において、第一のスクリーンの平均孔サイズは0.79 mm(1/32インチ，0.03125インチ)未満、例えば、0.51 mm（1/50インチ，0.02000インチ）未満、0.40 mm（1/64インチ，0.015625インチ）未満、0.23 mm（0.009インチ）未満、0.20 mm（1/128インチ，0.0078125インチ）未満、0.18 mm（0.007インチ）未満、0.13 mm（0.005インチ）未満、0.10 mm（1/256インチ，0.00390625インチ）未満である。スクリーンは、適切な直径を有するモノフィラメントを織り合わせて、所望の孔サイズにすることによって調製される。例えば、該モノフィラメントは金属、例えば、ステンレス鋼で作製することができる。孔サイズが小さくなるにつれ、モノフィラメントに対する構造的要求はより大きくなりうる。例えば、0.40 mm未満の孔サイズでは、スクリーンを、ステンレス鋼以外の材料、例えば、チタン、チタン合金、アモルファス金属、ニッケル、タングステン、ロジウム、レニウム、セラミックまたはガラスから作製されたモノフィラメントから作製するのが有利であり得る。いくつかの態様において、スクリーンは、、例えば、レーザーを用いてプレートに切られた孔を有する、金属プレートなどのプレートから作製される。いくつかの態様において、メッシュの孔面積は52%未満、例えば、41%未満、36%未満、31%未満、30%未満である。
【０１８１】
いくつかの態様において、第二の繊維を剪断し、第一のスクリーン、または、異なるサイズのスクリーンを通す。いくつかの態様において、第二の繊維状材料を、第一のスクリーンのそれと同等、またはそれ未満の平均孔サイズを有する第二のスクリーンを通す。
【０１８２】
図4を参照し、第三の繊維状材料220は、第二の繊維状材料216を剪断し、得られた材料を第一のスクリーン214未満の平均孔サイズを有する第二のスクリーン222を通すことによって、第二の繊維状材料216から調製することができる。
【０１８３】
一般に、繊維状材料の繊維は、たとえそれらが複数回剪断されていても、比較的大きな長さ:直径の平均比率（例えば、20:1を上回る）を有することができる。加えて、本明細書において記載された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の分布を有することができる。
【０１８４】
本明細書において、平均繊維幅（すなわち、直径）はほぼ5,000の繊維をランダムに選択することによって光学的に決定されたものである。平均繊維長さは修正された長さ-加重長さである。BET（Brunauer, EmmetおよびTeller）表面積は多点表面積であり、および多孔度は水銀ポロシメトリーによって決定されたものである。
【０１８５】
第二の繊維状材料216の長さ対直径比の平均は、例えば、8/1より大きい、例えば、10/1、15/1、20/1、25/1、または50/1より大きい可能性がある。第二の繊維状材料216の平均長さは、例えば、約0.5mm〜2.5mmの間、例えば、約0.75 mm〜1.0 mmの間であり得、第二の繊維状材料216の平均幅（すなわち、直径）は、例えば、約5μｍ〜50μmの間、例えば、約10μｍ〜30μmの間であり得る。
【０１８６】
いくつかの態様において、第二の繊維状材料216の長さの標準偏差は第二の繊維状材料216の平均長さの60%未満、例えば、平均長さの50%未満、平均長さの40%未満、平均長さの25%未満、平均長さの10%未満、平均長さの5%未満、または平均長さの1%未満である。
【０１８７】
いくつかの態様において、第二の繊維状材料のBET表面積は0.1 m2/gより大きい、例えば、0.25 m2/g、0.5 m2/g、1.0 m2/g、1.5 m2/g、1.75 m2/g、5.0 m2/g、10 m2/g、25 m2/g、35 m2/g、50 m2/g、60 m2/g、75 m2/g、100 m2/g、150 m2/g、200 m2/g、または250 m2/gより大きい。第二の繊維状材料216の多孔度は、例えば、20パーセント、25パーセント、35パーセント、50パーセント、60パーセント、70パーセント、例えば、80パーセント、85パーセント、90パーセント、92パーセント、94パーセント、95パーセント、97.5パーセント、99パーセント、または99.5パーセントより大きい。
【０１８８】
いくつかの態様において、第二の繊維状材料の長さ対直径比の平均に対する、第一の繊維状材料の長さ対直径比の平均は、例えば、1.5未満、例えば、1.4未満、1.25未満、1.1未満、1.075未満、1.05未満、1.025未満、または実質的に1に等しい。
【０１８９】
特定の態様において、第二の繊維状材料を再度剪断し、得られた繊維状材料を、第一のスクリーン未満の平均孔サイズを有する第二のスクリーンに通して第三の繊維状材料を得る。そのような場合には、第三の繊維状材料の長さ対直径比の平均に対する、第二の繊維状材料の長さ対直径比の平均は、例えば、1.5未満、例えば、1.4未満、1.25未満、または1.1未満であり得る。
【０１９０】
いくつかの態様において、第三の繊維状材料を第三のスクリーンに通して、第四の繊維状材料を得る。第四の繊維状材料は、例えば、第四のスクリーンを通して、第五の材料を得ることができる。同様なふるい分けプロセスは、所望の特性を有する所望の繊維状材料を作製するのに必要なだけ多い回数反復することができる。
【０１９１】
高密度化
高密度化された材料は本明細書において記載された任意の方法によって加工することができる。
【０１９２】
低い嵩密度を有する材料、例えば、繊維状材料は、より高い嵩密度を有する製品まで高密度化することができる。例えば、0.05g/cm3の嵩密度を有する材料組成物は、繊維状材料を比較的ガス不浸透性の構造、例えば、ポリエチレンで作製されたバッグ、またはポリエチレンおよびナイロンの交互相で作製されたバッグに繊維状材料をシールし、次いで、捕獲されたガス、例えば、空気を該構造から排出することによって高密度化することができる。構造から空気を除去した後、繊維状材料は、例えば、0.3g/cm3より大きい、例えば、0.5ｇ/cm3、0.6g/cm3、0.7g/cm3以上、例えば、0.85g/cm3の嵩密度を有することができる。高密度化の後、製品は、本明細書において記載された任意の方法によって加工し、例えば、ガンマ放射線で照射する。これは、材料を別の位置、例えば、遠隔作製プラントに輸送するのが望ましい場合に有利であり得、繊維状材料組成物を溶液に加えて、例えば、エタノールを生じさせることができる。実質的にガス不浸透性の構造に穴を開けた後、高密度化された繊維状材料を、ほぼその初期の嵩密度、例えば、その初期の嵩密度の60パーセントより大きい、例えば、70パーセント、80パーセント、85パーセント以上、例えば、その初期嵩密度の95パーセントまで復帰させることができる。繊維状材料における静電気を減少させるために、帯電防止剤を材料に加えることができる。
【０１９３】
いくつかの態様において、構造、例えば、バッグは、水などの液体に溶解する材料で形成される。例えば、構造は、それが水ベースの系と接触した場合に溶解するようにポリビニルアルコールから形成することができる。そのような態様は、高密度化された構造が、例えば、切断によって構造の内容物を先に放出することなく、微生物を含む溶液に直接的に加えられることを可能とする。
【０１９４】
図5を参照し、バイオマス材料を任意の所望の添加剤および結合剤と合わせ、引き続いて、例えば、材料を逆回転圧力ロールの間に画成されるニップを通すことにより、あるいは材料をペレットミルに通すことにより、圧力の適用によって高密度化することができる。圧力の適用の間に、任意で、熱を適用して、繊維状材料の高密度化を助けることができる。次いで、高密度化された材料を照射することができる。
【０１９５】
いくつかの態様において、高密度化前の材料は0.25g/cm3未満、例えば、0.20 g/cm3、0.15 g/cm3、0.10 g/cm3、0.05 g/cm3以下、例えば、0.025 g/cm3の嵩密度を有する。嵩密度はASTM D1895Bを用いて決定される。簡単に述べれば、該方法は既知の容量のメスシリンダーに試料を充填し、試料の重量を得ることを含む。嵩密度は、グラムで表した試料の重量を、立方センチメートルで表したシリンダーの既知の容量で割ることによって計算される。
【０１９６】
好ましい結合剤は、水に可溶な、水によって膨潤する、または示差走査型熱量測定によって決定した際、25℃未満のガラス遷移温度を有する結合剤を含む。水溶性結合剤は、ここでは、水に対して少なくとも約0.05重量パーセントの溶解度を有する結合剤を意味する。水膨潤性結合剤は、ここでは、水への曝露に際して0.5%を超えるだけ体積が増加する結合剤を意味する。
【０１９７】
いくつかの態様において、溶解性であるか、または水によって膨潤する結合剤は、繊維状材料、例えば、セルロース繊維状材料の繊維とで結合、例えば、水素結合を形成することができる官能基を含む。例えば、官能基はカルボン酸基、カルボキシレート基、例えば、アルデヒドまたはケトンのカルボニル基、スルホン酸基、スルホネート基、リン酸基、ホスフェート基、アミド基、アミン基、例えば、アルコールのヒドロキシル基、およびこれらの基の組み合わせ、例えば、カルボン酸基およびヒドロキシル基であり得る。具体的なモノマーの例は、グリセリン、グリオキサール、アスコルビン酸、尿素、グリシン、ペンタエリスリトール、単糖または二糖、クエン酸、およびコハク酸を含む。適切な多糖はグルコース、スクロース、ラクトース、リボース、フルクトース、マンノース、アラビノースおよびエリスロースを含む。ポリマーの例はポリグリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリカルボン酸、ポリアミド、ポリアミンおよびポリスルホン酸ポリスルホネートを含む。具体的なポリマーの例はポリプロピレングリコール（PPG）、ポリエチレングリコール（PEG）、ポリエチレンオキサイド、例えば、POLYOX（登録商標）、エチレンオキサイドおよびプロピレンオキサイドのコポリマー、ポリアクリル酸（PAA）、ポリアクリルアミド、ポリペプチド、ポリエチレンイミン、ポリビニルピリジン、ポリ（ナトリウム-4-スチレンスルホネート）およびポリ（2-アクリルアミド-メチル-1-プロパンスルホン酸）を含む。
【０１９８】
ある態様において、結合剤は、25℃未満のガラス遷移温度を有するポリマーを含む。そのようなポリマーの例は熱可塑性エラストマー（TPE）を含む。TPEの例は商品名PEBAX（登録商標）として入手可能なものなどのポリエーテルブロックアミド、商品名HYTREL（登録商標）として入手可能なものなどのポリエステルエラストマー、および商品名KRATON（登録商標）として入手可能なものなどのスチレン系ブロックコポリマーを含む。25℃未満のガラス遷移温度を有する他の適切なポリマーはエチレン酢酸ビニルコポリマー（EVA）、ポリオレフィン、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレンコポリマー、およびエチレンおよびアルファオレフィンのコポリマー、例えば、商品名ENGAGE（登録商標）として入手可能なものなどの1-オクテンを含む。いくつかの態様において、例えば、材料が、繊維化されたポリコーティングされた紙である場合、該材料は、別の低ガラス遷移温度ポリマーを加えることなく高密度化される。
【０１９９】
特定の態様において、結合剤はリグニン、例えば、天然または合成で修飾されたリグニンである。
【０２００】
乾燥重量ベースで計算された材料に加えられた結合剤の適切な量は、例えば、高密度化された材料の総重量に基づき、約0.01パーセント〜約50パーセント、例えば、0.03パーセント、0.05パーセント、0.1パーセント、0.25パーセント、0.5パーセント、1．0パーセント、5パーセント、10パーセント以上、例えば、25パーセントである。結合剤は、正味の純粋な液体として、結合剤をその中に溶かした液体として、結合剤の乾燥粉末として、または結合剤ペレットとして、材料に加えることができる。
【０２０１】
高密度化された繊維状材料はペレットミルにて作製することができる。図6を参照し、ペレットミル300は、セルロースなどの糖質含有材料を含む高密度化されていない材料310を保持するためのホッパー301を有する。コンディショナーモーター330によって回転されるパドル322によって、高密度化されていない材料を攪拌するコンディショナー320へ高密度化されていない材料を輸送することができるように、可変スピードモーター314によって駆動されるオーガ312にホッパーが連絡している。他の成分、例えば、本明細書において記載された任意の添加剤および/または充填剤を入口332に添加することができる。所望であれば、繊維状材料がコンディショナーにある間に熱を加えてもよい。コンディショニングした後、材料をダンプシュート340を通ってコンディショナーからもう1つのオーガ342へと通過させる。アクチュエーター344によって制御されるダンプシュートは、コンディショナーからオーガへの材料の、妨げられない通過を可能とする。オーガはモーター346によって回転され、繊維状材料のダイおよびローラーアセンブリ350への供給を制御する。具体的には、材料は、水平軸の周りを回転し、かつ放射状に延びるダイホール251を有する中空シリンダーダイ352に導入される。シリンダーダイ352は、モーター360によって消費される総電力を示す馬力ゲージを含むモーターによって軸の周りを回転する。例えば、ペレットの形態である高密度化された材料370はシュート372から落下し、捕獲され、照射などにより加工される。
【０２０２】
材料は、高密度化の後、好都合には、種々の形状を有するペレットまたはチップの形態であり得る。次いで、ペレットを照射することができる。いくつかの態様において、ペレットまたはチップは、例えば、1 mm以上、例えば、2 mm、3 mm、5 mm、8 mm、10 mm、15 mm以上、例えば、25 mmの最大断面寸法を有する円筒の形状である。複合体を作製するためのもう1つの便利な形状は、例えば、1 mm以上、例えば、2 mm、3 mm、5 mm、8 mm、10 mm以上、例えば、25 mmの厚み；例えば、5 mm以上、例えば、10 mm、15 mm、25 mm、30 mm以上、例えば、50 mmの幅；および5 mm以上、例えば、10 mm、15 mm、25 mm、30 mm以上、例えば、50 mmの長さを有するプレート様の形態であるペレットまたはチップを含む。
【０２０３】
さて、図7A〜7Dを参照し、ペレットは、それらが中空の内側を有するように作製することができる。示されたように、中空は一般には、ペレットの中心と並ぶことができ（図7B）、またはペレットの中心とは並ばなくすることができる（図7C）。ペレットの中空内側の作製は、照射後における液体への溶解速度を増加させることができる。
【０２０４】
さて、図7Dを参照し、ペレットは、例えば、多葉、例えば、示されたような三葉、または四葉、五葉、六葉、または、十葉である断面形状を有することができる。そのような断面形状のペレットの作製も、照射後に溶液への溶解速度を増加させることができる。
【０２０５】
例
1つの例において、20 lb/ft3の嵩密度を有する印刷されていない白色クラフトボードで作製された半ガロンのジュース容器を原料として用いることができる。容器は平坦に折り畳み、次いで、シュレッダーに入れて、0.1インチ〜0.5インチの間の幅、0.25インチ〜1インチの間の長さ、および出発材料と同等な厚み（約0.075インチ）を有する紙吹雪様材料を作製することができる。紙吹雪様材料を、紙吹雪様ピースを剪断する回転ナイフカッターに供給することができ、ピースを引き裂き、繊維状材料を放出させる。
【０２０６】
いくつかの場合において、複数のシュレッダー-剪断機の列を産出物と直列に配列させることができる。1つの態様において、2つのシュレッダー-剪断機列を、第一の剪断機からの産出物を第二のシュレッダーへの投入物として供給するように直列に配列させることができる。もう1つの態様において、3つのシュレッダー-剪断機列を、第一の剪断機からの産出物を第二のシュレッダーへの投入物として供給し、および投入物として供給された第二の剪断機からの産出物を第三のシュレッダーへの投入物として供給するように直列に配列させることができる。シュレッダー-剪断機列を通る多数の通過は、粒子サイズを増加減少させ、かつ供給ストリーム内の総表面積を増加させると予測される。
【０２０７】
もう1つの例において、ジュース容器の寸断および剪断から生じた繊維状材料を処理して、その嵩密度を増加させることができる。いくつかの場合において、繊維状材料に、水、または水中で調製されたPOLYOX（商標）WSR N10（ポリエチレンオキサイド）の希釈ストック溶液を噴霧することができる。次いで、湿らせた繊維状材料を、室温で操作されるペレットミルにより加工することができる。ペレットミルは、供給ストリームの嵩密度を一桁を超えて増加させることができる。
【０２０８】
前処理
物理的に調製された原料を、例えば、原料の平均分子量および結晶化度を低減し、かつ/または原料の表面積および/もしくは多孔度を増加させることによって、主な生産プロセスで用いるために前処理することができる。前処理は、照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発の一つまたは複数を含むことができる。種々の前処理システムおよび方法はこれらの技術の2つ、3つ、または4つの組み合わせで用いることができる。
【０２０９】
前処理の組み合わせ
いくつかの態様において、バイオマスは、本明細書において記載されたような前もっての、途中の、または引き続いての原料調製を伴うまたは伴わない輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、および蒸気爆発の2つまたはそれ以上などといった、本明細書において記載されたプロセスのいずれか2つまたはそれ以上を適用することによって処理することができる。プロセスは任意の順序で（または同時に）バイオマス、例えば、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料に適用することができる。他の態様において、糖質を含む材料は、本明細書において記載されたプロセスのいずれかの3つ、4つまたはそれ以上を（任意の順序で、または同時に）適用することによって調製される。例えば、糖質は、輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解および、任意で、蒸気爆発を、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料に（任意の順序で、または同時に）適用することによって調製することができる。次いで、提供された糖質含有材料は、細菌、酵母、または細菌と酵母の混合物などといった一つまたは複数の微生物によって、本明細書において記載された、いくつかの望ましい産物に変換することができる。複数のプロセスは、より低い分子量、より低い結晶化度、および/または増強された溶解性のゆえに、種々の微生物によってより容易に利用することができる材料を提供することができる。複数のプロセスは相乗効果を提供することができ、いかなる単独のプロセスと比較しても、必要とされる全エネルギー入力を低減することができる。
【０２１０】
例えば、いくつかの態様において、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料を（任意の順序で、または同時に）照射しかつ音波処理することを含むプロセス、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料を（任意の順序で、または同時に）照射し、および酸化することを含むプロセス、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料を（任意の順序で、または同時に）照射しかつ熱分解することを含むプロセス、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料を（任意の順序で、または同時に）照射しかつ熱分解することを含むプロセス、またはセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を（任意の順序で、または同時に）照射しかつ蒸気爆発させることを含むプロセスによって作製される糖質を含む原料が提供される。次いで、提供された原料を、本明細書において記載したように、原料の少なくとも一部、例えば、少なくとも約1重量パーセントを可燃性燃料などの産物に変換する能力を有する微生物と接触させることができる。
【０２１１】
いくつかの態様において、プロセスは、酸または塩基、例えば、塩酸または硫酸などの鉱酸を用いるなどして、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料を加水分解することを含まない。
【０２１２】
所望ならば、原料の一部は加水分解された材料を含むことができるか、または原料は加水分解された材料を含むことができない。例えば、いくつかの態様において、原料の少なくとも約70重量パーセントは加水分解されていない材料であり、例えば、原料の少なくとも95重量パーセントは加水分解されていない材料である。いくつかの態様において、原料の実質的に全ては加水分解されていない材料である。
【０２１３】
任意の原料、または原料を充填された任意のリアクターまたはファーメンターは、炭酸水素ナトリウム、塩化アンモニウムまたはTrisなどの緩衝剤；塩化カリウム、塩化ナトリウムまたは塩化カルシウムなどの電解質；ビオチンなどの成長因子、および/またはウラシルもしくはその同等物などの塩基対；Tween（登録商標）またはポリエチレングリコールなどの界面活性剤；カルシウム、クロム、銅、ヨウ素、鉄、セレン、または亜鉛などのミネラル；またはエチレンジアミン、エチレンジアミンテトラ酢酸（EDTA）（もしくはその塩形態、例えば、EDTAナトリウムもしくはカリウム）、またはジメルカプロールなどのキレート剤を含むことができる。
【０２１４】
輻射線を利用する場合、それは、乾燥したまたは湿った、または水などの液体に分散した任意の試料に適用することができる。例えば、照射は、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料に対して行うことができ、該セルロースおよび/またはリグノセルロース材料の約25重量パーセント未満は水などの液体で湿らせた表面を有する。いくつかの態様において、照射はセルロースおよび/またはリグノセルロース材料に対して行い、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料は水などの液体で実質的に湿らせない。
【０２１５】
いくつかの態様において、本明細書において記載された任意の加工は、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料が、得られたまま乾燥した状態であるか、または例えば熱および/または減圧を用いて乾燥された後に行う。例えば、いくつかの態様において、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料は、25℃および50パーセントの相対湿度で測定して、約5重量パーセント未満の保持された水を有する。
【０２１６】
所望であれば、本明細書において提示された膨潤剤を本明細書において記載された任意のプロセスにおいて利用することができる。いくつかの態様において、輻射線を用いてセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を加工する場合、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料の約25重量パーセント未満は膨潤状態にあり、該膨潤状態は、膨潤していない状態よりも約2.5パーセントを超える体積を有する、例えば、膨潤していない状態よりも5.0、7.5、10、または15パーセントを超える体積を有すると特徴付けられる。いくつかの態様において、輻射線をセルロースおよび/またはリグノセルロース材料で利用する場合、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料はいずれも実質的に膨潤状態にない。
【０２１７】
輻射線が利用される特定の態様において、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料は膨潤剤を含み、膨潤したセルロースおよび/またはリグノセルロースは約100kGy未満の線量を受ける。
【０２１８】
輻射線を任意のプロセスで利用する場合、セルロースおよび/またはリグノセルロースが空気、酸素豊富化空気、または酸素それ自体に曝露されている間に、あるいは窒素、アルゴン、またはヘリウムなどの不活性ガスによって覆われている間に、輻射線照射を適用することができる。最大酸化が望まれる場合、空気または酸素などの酸化環境が利用される。
【０２１９】
輻射線が利用される場合、5、10、15、20気圧を超える、または約50気圧を超えるような約2.5気圧を超える圧力下で、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料などのバイオマスに輻射線照射を適用することができる。
【０２２０】
特定の態様において、該プロセスは照射および音波処理を含み、照射は音波処理に先行する。他の特定の態様において、音波処理は照射に先行し、あるいは照射および音波処理は同時に行われる。
【０２２１】
いくつかの態様において、該プロセスは（任意の順序で、または同時に）照射および音波処理を含み、かつ、酸化、熱分解または蒸気爆発をさらに含む。
【０２２２】
該プロセスが輻射線照射を含む場合、照射は、ガンマ線、X線、約100 nm〜約280 nmの波長を有する紫外線C輻射線などのエネルギー性紫外線輻射線、電子線、遅延中性子線またはアルファ粒子線などの粒子線といった電離放射線を利用して行うことができる。いくつかの態様において、照射は、任意の順序で、または同時に適用することができる、ガンマ線および電子線などの2つまたはそれ以上の輻射線源を含む。
【０２２３】
特定の態様において、音波処理は、1KW以上のホーン、例えば、2、3、4、5、または10KWのホーンを利用する、約15khz〜約25khzの間の周波数、例えば、約18khz〜22khzの間の周波数で行うことができる。
【０２２４】
いくつかの態様において、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料は第一の数平均分子量を有する第一のセルロースを含み、得られた糖質は第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量を有する第二のセルロースを含む。例えば、第二の数平均分子量は第一の数平均分子量よりも約25パーセントを超えて低い。例えば、1/2、1/3、1/5、1/7、1/10、1/25、さらには1/100である。
【０２２５】
いくつかの態様において、第一のセルロースは第一の結晶化度を有し、第二のセルロースは、第一の結晶化度よりも低い、例えば、約2、3、5、10、15または25パーセント低い、第二の結晶化度を有する。
【０２２６】
いくつかの態様において、第一のセルロースは第一の酸化レベルを有し、第二のセルロースは、第一の酸化レベルよりも高い、例えば、2、3、4、5、10または25パーセント高い、第二の酸化レベルを有する。
【０２２７】
前処理としての酸化と共に輻射線照射を用いる1つの例において、20lb/ft3の嵩密度を有する印刷していないポリコーティングされた白色クラフトボードから作製された半ガロンのジュース容器を原料として用いる。容器を平坦に折り畳み、次いで、第一の剪断機からの産出物が第二のシュレッダーへの投入物として供給され、および第二の剪断機からの産出物が第三のシュレッダーへの投入物として供給されるように直列に配列された3つのシュレッダー-剪断機列の系列に供給する。作製した繊維状材料に水を噴霧し、室温で操作されるペレットミルを通して加工する。高密度化されたペレットは空気雰囲気下でシールされたガラスアンプルに入れることができる。アンプル中のペレットに1時間につき約10kGyの線量率で約3時間、ガンマ放射線を照射して、セルロースが繊維クラフト出発材料よりも低い分子量を有する、照射された材料を得る。
【０２２８】
輻射線処理
一つまたは複数の照射加工系列を用いて、広く種々の異なる源からの生原料を加工して、原料から有用な物質を抽出し、さらなる加工工程および/または系列に対する投入物として機能する部分的に分解された有機物質を得ることができる。照射は原料の分子量および/または結晶化度を低減することができる。いくつかの態様において、その原子軌道から電子を放出させる、材料に入ったエネルギーを用いて、材料を照射する。輻射線は1）アルファ粒子などの重荷電粒子、2）例えば、ベータ崩壊または電子線加速器で生じた電子、または3）電磁放射線、例えば、ガンマ線、x線または紫外線によって得ることができる。1つのアプローチにおいて、放射性物質によって生じた放射線を用いて、原料を照射することができる。もう1つのアプローチにおいて、（例えば、電子線エミッターを用いて生じた）電磁放射線を用いて、原料を照射することができる。適用する量は、望まれる効果および特定の原料に依存する。例えば、高い量の輻射線は原料成分内の化学結合を破壊することができ、低い量の輻射線は原料成分内の化学結合（例えば、架橋）を増加させることができる。
【０２２９】
図8を参照すると、1つの方法において、第一の数平均分子量（TMN1）を有するセルロースである、またはそれを含む第一の材料2に、例えば、（例えば、ガンマ放射線、X線放射線、100nm〜280nm紫外線（UV）光、電子線または他の荷電粒子の形態の）電離放射線を用いた処理によって照射して、該第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量（TMN2）を有するセルロースを含む第二の材料3を得る。第二の材料（または第一および第二の材料）を、第二および/または第一の材料を利用することができる微生物（例えば、細菌または酵母）と合わせて、水素、アルコール（例えば、エタノール、またはn-ブタノール、sec-ブタノールまたはt-ブタノールなどのブタノール）、有機酸、炭化水素、またはこれらのうちのいずれかの混合物である、またはそれを含む燃料5を得ることができる。
【０２３０】
第二の材料3は、第一の材料に対して低減した分子量および、ある場合には、同様に低減した結晶化度を有するセルロースを有するため、第二の材料は一般にはより分散性、膨潤性、および/または微生物含有溶液に可溶性である。これらの特性は第二の材料3を、第一の材料2と比較して化学的、酵素的におよび/または生物学的攻撃に対してより感受性とし、これは所望の産物、例えば、エタノールの作製速度、および/または作製レベルを大いに向上させることができる。輻射線は材料を滅菌することもできる。
【０２３１】
いくつかの態様において、第二の数平均分子量（MN2）は、第一の数平均分子量（TMN1）よりも、約10パーセントを超えて、例えば、15、20、25、30、35、40、50パーセント、60パーセント、または約75パーセントを超えて、低い。
【０２３２】
いくつかの例において、第二の材料は、第一の材料のセルロースの結晶化度（TC1）よりも低い結晶化度（TC2）を有するセルロースを有する。例えば、（TC2）は、（TC1）よりも、約10パーセントを超えて、例えば、15、20、25、30、35、40、または約50パーセントを超えて、低くすることができる。
【０２３３】
いくつかの態様において、（照射に先立って）出発結晶化度指標は約40〜約87.5パーセント、例えば、約50〜約75パーセント、または約60〜約70パーセントであり、照射後の結晶化度指標は約10〜約50パーセント、例えば、約15〜約45パーセント、または約20〜約40パーセントである。しかしながら、いくつかの態様において、例えば、強い照射の後、5パーセントよりも低い結晶化度指標を有することが可能である。いくつかの態様において、照射後の材料は実質的にアモルファスである。
【０２３４】
いくつかの態様において、（照射に先立って）出発数平均分子量は約200,000〜約3,200,000であり、例えば、約250,000〜約1,000,000、または約250,000〜約700,000であり、照射後の数平均分子量は約50,000〜約200,000、例えば、約60,000〜約150,000、または約70,000〜約125,000である。しかしながら、いくつかの態様において、例えば、強い照射の後、約10,000未満の、またはさらには約5,000未満の数平均分子量を有することが可能である。
【０２３５】
いくつかの態様において、第二の材料は、第一の材料の酸化レベル（TO1）よりも高い酸化レベル（TO2）を有することができる。材料の酸化のより高いレベルはその分散性、膨潤性、および/または溶解性を助けることができ、さらに、化学物質、酵素または生物学的攻撃に対する材料の感受性を高める。いくつかの態様において、第一の材料に対する第二の材料の酸化レベルを増加させるためには、照射は酸化環境下で、例えば、空気または酸素の覆い下で行い、第一の材料よりも酸化された第二の材料を生じさせる。例えば、第二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、これはその親水性を増加させることができる。
【０２３６】
電離放射線
輻射線の各形態は、輻射線のエネルギーによって決定されるような特定の相互作用を介してバイオマスをイオン化する。重荷電粒子は、主として、クーロン散乱を介して物質をイオン化し；さらに、これらの相互作用はさらに物質をイオン化することができるエネルギー電子を生じさせる。アルファ粒子はヘリウム原子の核と同一であり、ビスマス、ポロニウム、アスタチン、ラドン、フランシウム、ラジウム、いくつかのアクチニド、例えば、アクチニウム、トリウム、ウラン、ネプツニウム、キュリウム、カリフォルニウム、アメリシウム、およびプルトニウムの同位体などの種々の放射性核のアルファ崩壊によって生じる。
【０２３７】
電子はクーロン散乱、および電子の速度の変化によって生じた制動放射を介して相互作用する。電子は、ヨウ素、セシウム、テクネチウム、およびイリジウムの同位体などのベータ崩壊を受ける放射性核によって生じ得る。別法として、電子ガンを、熱イオン放射を介して電子源として用いることができる。
【０２３８】
電磁放射線は3つのプロセス：光電吸収、コンプトン散乱、および対生成を介して相互作用する。支配的な相互作用は、入射輻射線のエネルギーおよび材料の原子番号によって決定される。セルロース材料における吸収された輻射線に貢献する相互作用の合計は、入射エネルギーの関数として以下にグラフ化する質量吸収係数によって表すことができる。
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【０２３９】
電磁放射線はその波長に応じて、ガンマ線、x線、紫外線、赤外線、マイクロ波、またはラジオ波として下位分類される。
【０２４０】
例えば、ガンマ放射線を使用して、材料を照射することができる。図9および10（領域Rの拡大図）を参照すると、ガンマ照射器10はガンマ放射線源408、例えば、60Coペレット、材料が照射されるように保持するためのワーキングテーブル14、例えば、複数のイオンプレートから形成された貯蔵所16を含み、その全ては、鉛でライニングされたドア26を超えて曲がりくねった入口22を含むコンクリート封じ込めチャンバー20に収容されている。貯蔵所16は複数のチャネル30、例えば、16以上のチャネルを含み、ガンマ放射線源がワーキングテーブルに対して近位の途中の貯蔵所を通過するのを可能とする。
【０２４１】
操作において、照射されるべき試料をワーキングテーブルの上に置く。照射器は所望の線量率を送達するように配置され、モニタリング機器は実験ブロック31に連結される。次いで、オペレーターは封じ込めチャンバーを離れ、曲がりくねった入口を通り、および鉛でライニングされたドアを通る。オペレーターは制御パネル32を受け持ち、コンピューター33が、水力ポンプ40に取り付けられたシリンダー36を用いて輻射線源12を作動位置まで持ち上げるように指令する。
【０２４２】
ガンマ放射線は、試料中の種々の材料への有意な透過深度の利点を有する。ガンマ線の源はコバルト、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性核を含む。
【０２４３】
x線の源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、またはLynceanによって商業的に生産されたものなどのコンパクトな光源との電子線衝突を含む。
【０２４４】
紫外線輻射線源はジューテリウムまたはカドミウムランプを含む。
【０２４５】
赤外線輻射線源はサファイア、亜鉛、またはセレン化物ウィンドウセラミックランプを含む。
【０２４６】
マイクロ波のための源はクリストロン、SlevinタイプのRF源、または水素、酸素、または窒素ガスを使用する原子線源を含む。
【０２４７】
電子線
いくつかの態様において、電子線を放射線源として用いる。電子線は高い線量率（例えば、秒当たり10、50、またはさらには100kGy）、高いスループット、より少ない封じ込め、およびより少ない閉じ込め機器の利点を有する。電子は分子鎖切断を引き起こすのにより効果的でもあり得る。加えて、4〜10MeVのエネルギーを有する電子は、40mmなどの5〜30mm以上の透過深度を有することができる。
【０２４８】
電子線は、例えば、静電気発生器、カスケード発生器、変換発生器、走査系を持つ低エネルギー加速器、線形陰極を持つ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って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、0.5インチ未満、例えば、0.4インチ未満、0.3インチ、0.2インチ、または0.1インチ未満の材料の比較的薄いパイルで有用であり得る。いくつかの態様において、電子線の各電子のエネルギーは約0.3MeV〜約2.0MeV（100万電子ボルト）、例えば、約0.5MeV〜約1.5MeV、約0.7MeV〜約1.25MeVである。
【０２４９】
図11は、電子線照射原料前処理系列における種々の工程を含むプロセスフロー図3000を示す。第一の工程3010において、乾燥原料の供給は供給源から受け取られる。先に議論したように、供給源からの乾燥原料は、電子線照射デバイスへの送達に先立って予め処理することができる。例えば、原料が植物源に由来する場合、植物材料のある部分を植物材料の収集に先立って、および/または植物材料が原料輸送デバイスによって送達される前に、除去することができる。別法として、あるいは加えて、任意の工程3020に表されるように、バイオマス原料は、電子線照射デバイスへの送達に先立って、機械的処理に付す（例えば、原料中の繊維の平均の長さを低減する）ことができる。
【０２５０】
工程3030において、乾燥原料を原料輸送デバイス（例えば、コンベアベルト）に移し、用量をほぼ均一に、原料輸送デバイスの横断幅にわたって分配する。これは、例えば、手動により、あるいは電子線照射処理に先立って原料輸送デバイスにおけるいくつかの点に局所化された振動運動を引き起こすことによって達成することができる。
【０２５１】
いくつかの態様において、混合系は、スラリーを生じさせる任意の混合工程3040において化学物質3045を原料に導入する。混合工程3040において、処理された原料と水とを組み合わせると、例えば、コンベアベルトを用いるよりはむしろ、例えば、配管を通じて輸送することができる水性原料スラリーを生じさせる。
【０２５２】
次の工程3050は、一つまたは複数（例えば、N個）の電子線照射デバイスを介して（乾燥またはスラリー形態の）原料を電子線放射に曝露することを含むループである。原料スラリーは工程3052において電子線のN個の「シャワー」の各々を通じて移動させる。移動は、シャワーの中およびシャワー間の、連続的なスピードの移動であってよく、あるいは、各シャワー中で一時的な停止があり、続いて、次のシャワーへ突然動く移動であってよい。原料スラリーの小さなスライスを、工程3053においていくつかの所定の曝露時間、各シャワーに曝露する。
【０２５３】
電子線照射デバイスは、Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, BelgiumまたはTitan Corporation, SanDiego, CAから商業的に入手することができる。典型的な電子エネルギーは1MeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeVまたは10MeVであり得る。典型的な電子線照射デバイス電力は1kW、5kW、10kW、20kW、50kW、100kW、250kW、または500kWであり得る。原料スラリーの脱重合の効率は、用いた電子エネルギーおよび適用した線量に依存し、他方、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の値をとることができる。
【０２５４】
電子線照射デバイス電力仕様を考えるに当たってのトレードオフは、稼働コスト、資本コスト、減価償却、およびデバイス設置面積を含む。電子線照射の曝露線量レベルを考えるに当たってのトレードオフは、エネルギーコストならびに環境、安全性、および衛生（ESH）の問題である。電子エネルギーを考えるに当たってのトレードオフは、エネルギーコストを含み；ここで、より低い電子エネルギーは、ある種の原料スラリーの脱重合の促進において有利である場合がある（例えば、Bouchard, et al, Cellulose（2006）13:601-610参照）。
【０２５５】
より効果的な脱重合プロセスを提供するためには、電子線照射の二重パスを提供するのが有利である。例えば、原料輸送デバイスは（乾燥またはスラリー形態の）原料を直下に、およびその最初の輸送方向に対して逆方向に向けることができる。二重パスシステムはより厚い原料スラリーが処理されることを可能とし、原料スラリーの厚みによってより均一な脱重合を提供することができる。
【０２５６】
電子線照射デバイスは固定されたビームまたは走査ビームのいずれかを生じさせることができる。走査ビームは大きな走査掃引長および高い走査スピードを有して有利であり、大きな固定されたビーム幅を効果的に代替する。さらに、0.5m、1m、2mまたはそれ以上の利用可能な掃引幅が利用できる。
【０２５７】
一旦原料スラリーの一部がN個の電子線照射デバイスを通じて輸送されたならば、工程3060におけるように、いくつかの態様においては、原料スラリーの液体および固体成分を機械的に分離する必要がありうる。これらの態様において、原料スラリーの液体部分を残存固体粒子のために濾過し、リサイクルしてスラリー調製工程3040に戻す。次いで、原料スラリーの固体部分を、原料輸送デバイスを介して次の処理工程3070まで進める。他の態様において、原料はさらなる処理のためにスラリー形態で維持される。
【０２５８】
電磁放射線
照射が電磁放射線で行われる態様において、電磁放射線は、例えば、102eVよりも大きい、例えば、103、104、105、106よりも大きな、またはさらには107eVよりも大きな、（電子ボルトで表した）フォトン当たりのエネルギーを有することができる。いくつかの態様において、電磁放射線は104〜107の間、例えば、105〜106eVの間のフォトン当たりのエネルギーを有する。電磁放射線は、例えば、1016hzよりも大きな、1017hz、1018、1019、1020よりも大きな、またはさらには1021hzよりも大きな周波数を有することができる。いくつかの態様において、電磁放射線は1018〜1022hzの間、例えば、1019〜1021hzの間の周波数を有する。
【０２５９】
線量
いくつかの態様において、（任意の輻射線源、または源の組み合わせでの）照射は、材料が少なくとも2.5kGy、例えば、少なくとも10kGy、少なくとも25kGy、少なくとも50kGy、または少なくとも100kGyの線量を受けるまで行う。いくつかの態様において、照射は、材料が10kGy〜60kGyの間、例えば、15kGy〜40kGyの間の線量を受けるまで行う。
【０２６０】
いくつかの態様において、照射は50〜15000Gy/時間、例えば、100〜7500Gy/時間、または500〜3500Gy/時間の線量率で行う。
【０２６１】
いくつかの態様において、2種またはそれ以上の電離放射線などの2種またはそれ以上の輻射線源を用いる。例えば、試料を、任意の順序で、電子線、続いて、ガンマ放射線、および約100nm〜約280nmの間の波長を有するUV光で処理することができる。いくつかの態様において、試料を、電子線、ガンマ放射線、およびエネルギーUV光などの3つの電離放射線源で処理する。
【０２６２】
いくつかの態様において、比較的低い線量の輻射線は、セルロースまたはリグノセルロース材料（例えば、セルロース）などの、糖質含有材料を架橋させ、グラフトさせ、またはそうでなければその分子量を増加させることができる。増加した分子量を有するそのような材料は、例えば、摩耗耐性、圧縮強度、破壊抵抗、衝撃強度、屈曲強度、引張モジュラス、曲げモジュラス、および破断伸度などの改良された機械的特性を有する複合体を作製するにおいて有利であり得る。増大した分子量を有するそのような材料は組成物を作製するのにおいて有用であり得る。
【０２６３】
例えば、第一の分子量を有する第一のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料は、該第一の分子量よりも高い第二の分子量を有する第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料をもたらすように照射することができる。例えば、もしガンマ放射線を放射線源として利用すれば、約10kGy〜約100kGy、例えば、約15kGy〜約75kGy、または約20kGy〜約50kGyの線量を適用することができる。低線量の輻射線照射の後、第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を樹脂と組み合わせ、例えば、圧縮成型、射出成型、または押出によって複合体に形成することができる。複合体の形成はWO 2006/102543、および2005年3月24日に出願された米国特許仮特許出願第60/664,832号、2005年6月7日に出願された第60/688,002号、2005年8月24日に出願された第60/711,057号、2005年9月9日に出願された第60/715,822号、2005年10月12日に出願された第60/725,674号、2005年10月12日に出願された第60/726,102号、および2005年12月13日に出願された第60/750,205号に記載されている。
【０２６４】
別法として、第一の分子量を有する第一のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料を樹脂と組み合わせて、複合体を提供することができ、次いで、複合体を比較的低い線量の輻射線で照射して、該第一の分子量よりも高い第二の分子量を有する第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を提供することができる。例えば、もしガンマ放射線を放射線源として利用すれば、約10kGy〜約100kGyの線量を適用することができる。このアプローチを用いると、材料を樹脂マトリックスと一緒に存在させつつ、材料の分子量を増加させる。いくつかの態様において、樹脂は架橋可能な樹脂であり、そういうものであるため、それは、糖質含有材料の分子量が増加するにつれて架橋し、これは、相乗効果をもたらして、複合体に対し最大機械的特性を提供することができる。例えば、そのような複合体は、低温で、例えば、0℃未満の温度、例えば、-10℃、-20℃、-40℃、-50℃、-60℃未満、またはさらには-100℃未満の温度において破壊されるおよび/もしくは割れる傾向が低減した優れた低温性能、ならびに/または比較的高い温度、例えば、100℃を超える、例えば、125℃、150℃、200℃、250℃、300℃、400℃、またはさらには約500℃を超える温度でそれらの有利な機械的特性を維持することができる高温での優れた性能を有することができる。加えて、そのような複合体は優れた化学物質耐性、例えば、溶媒、例えば、炭化水素溶媒における膨潤に対する耐性、例えば、強酸、強塩基、強酸化剤（例えば、塩素または漂白剤）、または還元剤（例えば、ナトリウムおよびカリウムなどの活性金属）による化学物質攻撃に対する耐性を有することができる。
【０２６５】
別法として、もう1つの例において、セルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料を照射し、任意で、音響エネルギー、例えば、超音波で処理する。
【０２６６】
前処理としての輻射線の使用の1つの例において、20lb/ft3の嵩密度を有する印刷されていないポリコーティングされた白色クラフトボードで作製された半ガロンのジュース容器を原料として用いる。容器を平坦に折り畳み、次に直列的に配置された3つのシュレッダー-剪断器列の系列へ供給する。この時、第一の剪断器からの産出物は投入物として第二のシュレッダーへ供給され、第二の剪断器からの産出物は投入物として第三のシュレッダーへ供給される。生じた繊維状材料に水を噴霧し、室温で操作されるペレットミルにより処理される。高密度化されたペレットを、高真空下で排気されるガラスアンプルに入れ、次いで、アルゴンガスを逆充填することができる。アンプルをアルゴン下で密封する。アンプル中のペレットに時間当たり約10kGyの線量率で約3時間ガンマ放射線を照射して、出発材料よりも低い分子量のセルロースを有する照射材料を提供する。
【０２６７】
音波処理
一つまたは複数の音波処理加工系列を用いて、広く種々の異なる源からの生原料を加工して、有用な物質を原料から抽出し、さらなる加工工程および/または系列に対する投入物として機能する部分的に分解された有機材料を提供することができる。音波処理は、原料の分子量および/または結晶化度を低減することができる。
【０２６８】
図8を再度参照すると、1つの方法において、第一の数平均分子量（TMN1）を有するセルロースを含む第一の材料2を、水などの媒体に分散させ、音波処理し、および/またはそうでなければ、空洞を形成して、該第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量（TMN2）を有するセルロースを含む第二の材料3を得る。第二の材料（またはある態様における第一および第二の材料）を、第二および/または第一の材料を利用して、水素、アルコール、有機酸、炭化水素、またはこれらのうちのいずれかの混合物である、またはそれを含む燃料5を生じさせることができる微生物（例えば、細菌または酵母）と合わせることができる。
【０２６９】
第二の材料は、第一の材料に対して低減した分子量および、いくつかの場合には、同様に低減した結晶化度を有するセルロースを有するので、第二の材料は、一般には、例えば、106微生物/ｍLを超える濃度にて微生物を含有する溶液に分散性であり、膨潤可能であり、および/または可溶性である。これらの特性は第二の材料3を第一の材料2に対して化学物質、酵素、および/または微生物の攻撃に対してより感受性とし、これは、所望の産物、例えば、エタノールの生産速度および/または生産レベルを大いに改良することができる。音波処理は、材料を滅菌することもできるが、微生物が生きていると思われる間は用いるべきではない。
【０２７０】
いくつかの態様において、第二の数平均分子量（TMN2）は、第一の数平均分子量（TMN1）よりも、約10パーセントを超えて、例えば、15、20、25、30、35、40、50パーセント、60パーセント、またはさらには約75パーセントを超えて、低い。
【０２７１】
いくつかの例において、第二の材料は、第一の材料のセルロースの結晶化度（TC1）よりも低い結晶化度（TC2）を有するセルロースを有する。例えば、（TC2）は、（TC1）よりも、約10パーセントを超えて、例えば、15、20、25、30、35、40、またはさらには約50パーセントを超えて、低くすることができる。
【０２７２】
いくつかの態様において、（音波処理に先立っての）出発結晶化度指標は約40〜約87.5パーセント、例えば、約50〜約75パーセント、または約60〜約70パーセントであり、音波処理後の結晶化度指標は約10〜約50パーセント、例えば、約15〜約45パーセント、または約20〜約40パーセントである。しかしながら、ある態様においては、例えば、強い音波処理の後に、5パーセントよりも低い結晶化度指標を有することが可能である。いくつかの態様において、音波処理後の材料は実質的にアモルファスである。
【０２７３】
いくつかの態様において、（音波処理に先立っての）出発数平均分子量は約200,000〜約3,200,000、例えば、約250,000〜約1,000,000、または約250,000〜約700,000であり、音波処理後の数平均分子量は約50,000〜約200,000、例えば、約60,000〜約150,000、または約70,000〜約125,000である。しかしながら、いくつかの態様において、例えば、強い音波処理の後に、約10,000未満、またはさらには約5,000未満の数平均分子量を有することが可能である。
【０２７４】
いくつかの態様において、第二の材料は、第一の材料の酸化レベル（TO1）のレベルよりも高い酸化レベル（TO2）を有することができる。材料の酸化のより高いレベルが、その分散性、膨潤性および/または溶解性を助けることができ、さらに、化学物質、酵素または微生物攻撃に対する材料の感受性を高める。いくつかの態様において、第一の材料に対する第二の材料の酸化レベルを増加させるためには、音波処理を酸化媒体で行い、第一の材料よりもより酸化された第二の材料を作製する。例えば、第二の材料が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、これはその親水性を増加させることができる。
【０２７５】
いくつかの態様において、音波処理媒体は水性媒体である。望ましければ、媒体は過酸化物（例えば、過酸化水素）、分散剤および/または緩衝剤などの酸化剤を含むことができる。分散剤の例はイオン性分散剤、例えば、ラウリル硫酸ナトリウム、および非イオン性分散剤、例えば、ポリ（エチレングリコール）を含む。
【０２７６】
他の態様において、音波処理媒体は、非水性である。例えば、音波処理は、炭化水素、例えば、トルエンまたはヘプタン、エーテル、例えば、ジエチルエーテル、またはテトラヒドロフラン中で、あるいはアルゴン、キセノン、またはさらには窒素などの液化ガス中でも行うことができる。
【０２７７】
任意の特定の理論に拘束されるつもりはないが、音波処理は、成長し、次いで、激しく崩壊するセルロースを含有する媒体中に気泡を生じさせることによってセルロース中の結合を破壊すると考えられる。ナノ秒未満で起こり得る気泡の崩壊の間に、内破力は気泡内の局所的温度を約5100K（ある場合にはより高い；例えば、Suslick et al., Nature 434, 52-55参照）まで上昇させ、数100気圧から1000気圧またはそれ以上の圧力を生じさせる。これは、結合を破壊する高温および圧力である。加えて、任意の特定の理論に拘束されるつもりはないが、低減した結晶化度は、少なくとも部分的には、約1011K/秒よりも大きくすることが可能な、気泡の崩壊の間の極端に高い冷却速度から生じると考えられる。高い冷却速度は、一般に、セルロースを組織化も結晶化もさせず、その結果、低減した結晶化度を有する材料が得られる。超音波系および音波化学は、例えば、Olli et al., 米国特許第5,766,764号; Roberts, 米国特許第5,828,156号; Mason, Chemistry with Ultrasound, Elsevier, Oxford, (1990); Suslick (editor),Ultrasound: its Chemical, Physical and Biological Effects, VCH, Weinheim, (1988); Price, 「Current Trends in Sonochemistry」 Royal Society of Chemistry, Cambridge, (1992); Suslick et al., Ann. Rev. Mater. Sci. 29,295, (1999); Suslick et al., Nature 353, 414 (1991); Hiller et al., Phys. Rev. Lett. 69,1182 (1992); Barber et al., Nature, 352, 414 (1991); Suslick et al., J. Am. Chem. Soc., 108, 5641 (1986); Tang et al., Chem. Comm., 2119 (2000); Wang et al., Advanced Mater., 12, 1137 (2000); Landau et al., J. of Catalysis, 201,22 (2001); Perkas et al., Chem. Comm., 988 (2001); Nikitenko et al., Angew. Chem. Inter. Ed. (December 2001); Shafi et al., J. Phys. Chem B 103, 3358 (1999); Avivi et al., J. Amer. Chem. Soc. 121, 4196 (1999);およびAvivi et al., J. Amer. Chem. Soc. 122, 4331(2000)に議論されている。
【０２７８】
音波処理システム
図12は一般的なシステムを示し、そこでは、セルロース材料ストリーム1210がリザーバ1214中の水ストリーム1212と混合されて、スラリー1216が形成される。第一のポンプ1218はリザーバ1214からスラリー1216を汲み出し、フローセル1224に向ける。超音波トランスデューサ1226が、スラリー1216がフローセル1224を通って流れる間に超音波エネルギーをスラリーに伝達する。第二のポンプ1230はスラリー1216をフローセル1224から汲み出し、次の処理に向ける。
【０２７９】
リザーバ1214は、第一の取入口1232、およびボリューム1236と流体連絡した第二の取入口1234を含む。コンベア（示さず）は、セルロース材料ストリーム1210を、第一の取入口1232を通ってリザーバ1214まで送達する。水ストリーム1212は、第二の取入口1234を通って、リザーバ1214に入る。いくつかの態様において、水ストリーム1212は、ボリューム1236内で渦巻き流を確立する接線に沿ってボリューム1236に入る。ある態様において、セルロース材料ストリーム1210および水ストリーム1212は、対向軸にそってボリューム1236に導入されて、ボリューム内の混合を高める。
【０２８０】
【０２８１】
バルブ1238は、第二の取入口1234を通る水ストリーム1212の流れを制御して、水に対するセルロース材料の所望の比率を生じさせる（例えば、ほぼ10%セルロース材料、重量/体積）。例えば、2000トン/日のセルロース材料を、100万〜150万ガロン/日、例えば、125万ガロン/日の水と合わせることができる。
【０２８２】
リザーバ1214におけるセルロース材料および水の混合は、ボリューム1236のサイズ、および該ボリュームへのセルロース材料および水の流速によって制御される。いくつかの態様において、ボリューム1236は、セルロース材料および水についての最小混合滞留時間を生じるようなサイズとする。例えば、2000トン/日のセルロース材料および125万ガロン/日の水をリザーバ1214を通って流す場合、ボリューム1236はほぼ32,000ガロンとして、約15分の最小混合滞留時間を生じさせることができる。
【０２８３】
リザーバ1214はボリューム1236と流体連絡しているミキサー1240を含む。ミキサー1240はボリューム1236の内容物を攪拌して、ボリューム中の水全体にセルロース材料を分散させる。例えば、ミキサー1240は、リザーバ1214中に配置された回転羽根とすることができる。いくつかの態様において、ミキサー1240は、セルロース材料を水全体に実質的に均一に分散させる。
【０２８４】
リザーバ1214は、さらに、ボリューム1236およびスラリー1216と流体連絡した出口1242を含む。ボリューム1236におけるセルロース材料および水の混合物は、出口1242を介してリザーバ1214から流れ出る。出口1242はリザーバ1214の底近くに配置して、重力がリザーバ1214からセルロース材料と水との混合物を引き出してスラリー1216に入れることを可能とする。
【０２８５】
第一のポンプ1218（例えば、Essco Pumps & Controls, Los Angeles, Californiaによって製造された埋込型インペラーボルテックスポンプのいくつかのうちの任意のもの）は、スラリー1216の内容物をフローセル1224に向けて移動させる。いくつかの態様において、第一のポンプ1218は、セルロース材料および水の混合物がフローセル1224の入口1220において実質的に均一になるようにスラリー1216の内容物を攪拌する。例えば、第一のポンプ1218はスラリー1216を攪拌して、乱流を生じさせ、これは第一のポンプおよびフローセル1224の入口1220の間のスラリー1216に沿って終始存在する。
【０２８６】
フローセル1224は、入口1220および出口1222と流体連絡したリアクターボリューム1244を含む。いくつかの態様において、リアクターボリューム1244は、上昇した圧力（例えば、10バール）に耐えることができるステンレス鋼チューブである。加えて、あるいは別法として、リアクターボリューム1244は矩形断面を含む。
【０２８７】
フローセル1224は、さらに、リアクターボリューム1244の少なくとも一部と熱的に連絡した熱交換機1246を含む。冷却流体1248（例えば、水）は熱交換機1246に流入し、スラリー1216がリアクターボリューム1244において音波処理された場合に生じる熱を吸収する。いくつかの態様において、熱交換器1246への冷却流体1248の流速を制御して、リアクターボリューム1244におけるほぼ一定の温度を維持する。加えて、あるいは別法として、熱交換機1246に流入する冷却流体1248の温度を制御して、リアクターボリューム1244におけるほぼ一定の温度を維持する。いくつかの態様において、リアクターボリューム1244の温度は20〜50℃、例えば、25、30、35、40、または45℃に維持する。加えて、あるいは別法として、リアクターボリューム1244から冷却流体1248に移動した熱は、全プロセスの他の部分において用いることができる。
【０２８８】
アダプターセクション1227は、リアクターボリューム1244、および超音波トランスデューサ1226にカップリングした（例えば、フランジを用いて機械的にカップリングした）ブースター1250の間に流体連絡を生じさせる。例えば、アダプターセクション1226は、リアクターボリューム1244およびブースター1250の間に漏出防止（leak tight）連結を生じさせるように配置されたフランジおよびO-リングアセンブリを含むことができる。いくつかの態様において、超音波トランスデューサ1226は、Hielscher Ultrasonics of Teltow, Germanyによって作製された高出力超音波トランスデューサである。
【０２８９】
操作において、ジェネレーター1252は電気を超音波トランスデューサ1226に送達する。超音波トランスデューサ1226は、電気エネルギーを超音波範囲の音に変換する圧電エレメントを含む。いくつかの態様において、材料は、約16kHz〜約110kHz、例えば、約18kHz〜約75kHz、または約20kHz〜約40kHzの周波数を有する音（例えば、20kHz〜40kHzの周波数を有する音）を用いて音波処理する。
【０２９０】
次いで、超音波エネルギーをブースター1250を通して作業媒体に送達する。
【０２９１】
リアクターボリューム1244中のブースター1250を通って移動する超音波エネルギーは、スラリー1216において空洞化を生じるのに十分な強度にて、スラリー1216において一連の圧縮および希薄化を生じる。空洞化はスラリー1216に分散したセルロース材料を解離させる。空洞化は、また、スラリー1216の水中でフリーラジカルを生じる。これらのフリーラジカルは、スラリー1216中のセルロース材料をさらに分解するように作用する。
【０２９２】
一般に、5〜4000MJ/m3、例えば、10、25、50、100、250、500、750、1000、2000、または3000MJ/m3の超音波エネルギーを約0.2m3/s（約3200ガロン/分）の速度で流れるスラリー1216に適用する。リアクターボリューム1244中の超音波エネルギーへの曝露の後、スラリー1216は出口1222を通ってフローセル1224を出る。第二のポンプ1230はスラリー1216を次の処理に移動させる（例えば、Essco Pumps & Controls, Los Angeles, Californiaによって製造された埋込型インペラーボルテックスポンプのいくつかのうちの任意のもの）。
【０２９３】
ある態様を記載してきたが、他の態様も可能である。
【０２９４】
スラリー1216は単一の流路として記載してきたが、例として、他の配置が可能である。いくつかの態様において、例えば、スラリー1216は多数並行流路（例えば、10ガロン/分の速度で流動）を含む。加えて、あるいは別法として、スラリー1216の多数の並行流路は別々のフローセルに流入し、（例えば、複数の16kW超音波トランスデューサを用いて）並行して音波処理される。
【０２９５】
もう1つの例として、単一の超音波トランスデューサ1226がフローセル1224にカップリングされると記載されたが、他の配置が可能である。いくつかの態様において、複数の超音波トランスデューサ1226はフローセル1224において配置される（例えば、10個の超音波トランスデューサをフローセル1224において配置することができる）。いくつかの態様において、複数の超音波トランスデューサ1226の各々によって生じた音波はタイミング処理され（例えば、相互に位相をずらして同調させて）、スラリー1216に作用する空洞化を高める。
【０２９６】
もう1つの例として、単一のフローセル1224を記載してきたが、他の配置も可能である。いくつかの態様において、第二のポンプ1230はスラリー1216を第二のフローセルに移動させ、そこで、第二のブースターおよび超音波トランスデューサは、さらに、スラリー1216を音波処理する。
【０２９７】
なおもう1つの例において、リアクターボリューム1244は閉じたボリュームとして記載されてきたが、ある態様においては、リアクターボリューム1244は周囲条件に対して開いている。そのような態様において、音波前処理は、他の前処理技術と実質的に同時に行うことができる。例えば、電子線をスラリー1216に同時に導入しながら、超音波エネルギーをリアクターボリューム1244中のスラリー1216に適用することができる。
【０２９８】
もう1つの例として、プロセスを通る流れを記載してきたが、他の配置が可能である。いくつかの態様において、音波処理はバッチ処理で行うことができる。例えば、ボリュームを、セルロース材料の10%（重量/体積）混合物を含有する水で満たし、約50W/cm2〜約600W/cm2、例えば、約75W/cm2〜約300W/cm2、または約95W/cm2〜約200W/cm2の強度の音に曝露させることができる。加えて、あるいは別法として、ボリューム中の混合物は1時間〜24時間、例えば、約1.5時間〜約12時間、約2時間〜約10時間音波処理することができる。ある態様において、材料は所定の時間音波処理し、次いで、再度音波処理する前に第二の所定時間静置することができる。
【０２９９】
ここで、図13を参照すると、いくつかの態様において、二つの電気音響トランスデューサを単一のホーンに機械的にカップリングさせる。示したように圧電トランスデューサ60および62の対を、各中間カップリングホーン70および72によって、スロットを付けたバーホーン64にカップリングさせ、後者はブースターホーンとしても知られている。トランスデューサによって提供された機械的振動は、それに適用される高周波電気エネルギーに応答して、1〜1.2の比率などの機械的利得を提供するよう構築されてもよい各カップリングホーンに伝達される。ホーンは、固定ハウジング中にトランスデューサおよびホーンアセンブリを支持するための各設置フランジ74および76を設ける。
【０３００】
カップリングまたはブースターホーンを通じてトランスデューサから伝達された振動はホーンの入力表面78にカップリングされ、ホーンを通って対向して設けられた出力表面80に伝達され、それは、操作の間に、振動が適用されたワークピース（示さず）と強制的に係合される。
【０３０１】
電源82によって提供される高周波数電気エネルギーを、平衡変圧器84、および1つのキャパシターがトランスデューサの各々への電気的結合と直列して結合された、各一連の連結されたキャパシター86および90を介して、電気的に平行に連結されたトランスデューサの各々に供給される。平衡変圧器は「バランシングユニット」を表す「バルン」としても知られている。平衡変圧器は、磁気コア92、および各々、一次巻線および二次巻線とも呼ばれる一対の同一の巻線94および96を含む。
【０３０２】
いくつかの態様において、トランスデューサは、各々が20kHzにおける操作、および3kWの最大電力定格用に設計された、Branson Ultrasonics社モデル105または502などの商業的に入手可能な圧電トランスデューサを含む。トランスデューサの出力表面において最大運動軌跡を提供するための通電電圧は930ボルトrmsである。トランスデューサを通る電流は、負荷インピーダンスに依存して、ゼロ〜3.5アンペアの間で変化することができる。930ボルトrmsにおいては、出力運動はほぼ20ミクロンである。従って、同一運動増幅のための端子電圧の最大差は186ボルトで有り得る。そのような電圧の差は、トランスデューサの間で流れる大きな循環電流を生起させることができる。バランシングユニット430は、トランスデューサを通る等しい電流を供給することによって均衡した条件を確実とし、よって循環電流の可能性を排除する。巻線のワイヤーのサイズは、前記した全負荷電流について選択しなければならず、巻線入力全体にわたって出現する最大電圧は93ボルトである。
【０３０３】
超音波エネルギーの使用の代替法として高周波、ローター-ステーターデバイスを利用することができる。このタイプのデバイスは、そのような力と接触しているバイオマスを崩壊させることができる高-剪断、ミクロ空洞化力を生じさせる。二つの商業的に入手可能な高周波ローター-ステーター分散デバイスは、Krupp Industrietechnik GmbHによって製造され、かつConnecticutのDorr-Oliver Deutschland GmbHによって販売されるSupraton（商標）デバイス、およびCincinnati, OhioのIka-Works, Inc.によって製造されおよび販売されるDispax（商標）デバイスである。そのようなミクロ空洞化デバイスの操作はStuartの米国特許第5,370,999号に議論されている。
【０３０４】
超音波トランスデューサ1226は、超音波エネルギーを生じさせるための一つまたは複数の圧電活性エレメントを含めるとして記載されてきたが、他の配置が可能である。いくつかの態様において、超音波トランスデューサ1226は、他のタイプの磁歪材料（例えば、鉄類）で作製された活性エレメントを含む。そのような高出力超音波トランスデューサの設計および操作は、Hansen et al.の米国特許第6,624,539号に議論されている。いくつかの態様において、超音波エネルギーは電気水力学系を通ってスラリー1216に移される。
【０３０５】
超音波トランスデューサ1226は、超音波エネルギーを生じさせるために磁歪材料の電磁気的応答を用いるとして記載されてきたが、他の配置が可能である。いくつかの態様において、強い衝撃波の形態の音響エネルギーを、水中スパークを用いて直接的にスラリー1216に適用することができる。いくつかの態様において、超音波エネルギーは熱水力学系を通ってスラリー1216に移動させる。例えば、高エネルギー密度の音響波は、電解質の閉じたボリューム全体にわたり電力を適用することによって生じさせることができ、それにより、閉じたボリュームを加熱し、圧力上昇を生じさせ、これは、引き続いて音伝搬媒体（例えば、スラリー1216）を通って伝達される。そのような熱水力学トランスデューサの設計および操作は、Hartmann et al.の米国特許第6,383,152号に議論されている。
【０３０６】
熱分解
一つまたは複数の熱分解処理系列を用いて、広く種々の異なる源からの生原料を加工して、原料から有用な物質を抽出し、およびさらなる加工工程および/または系列に対する投入物として機能する部分的に分解された有機材料を提供することができる。
【０３０７】
再度図8における一般的概略図を参照すると、例えば、管状炉中で第一の材料を加熱して、第一の数平均分子量よりも低い第二の数平均分子量（TMN2）を有するセルロースを含む第二の材料3を提供することによって、第一の数平均分子量（TMN1）を有するセルロースを含む第一の材料2を熱分解する。第二の材料（またはある態様においては第一および第二の材料）を、第二および/または第一の材料を利用して、水素、アルコール（例えば、エタノール、あるいはn-ブタノール、secブタノール、t-ブタノールなどのブタノール）、有機酸、炭化水素、またはこれらのうちのいずれかの混合物である、またはそれを含む燃料5を生じさせることができる微生物（例えば、細菌または酵母）と合わせる。
【０３０８】
第二の材料は第一の材料と比較して低減した分子量、およびある場合には、低減した結晶化度も有するセルロースを有するため、第二の材料は、一般に、例えば、106微生物/mLよりも大きな濃度で微生物を含有する溶液に、より分散性、膨潤性および/または可溶性である。これらの特性は、第二の材料3を、第一の材料2と比べて化学物質、酵素および/または微生物攻撃に対してより感受性とし、これは、所望の産物、例えば、エタノールの生産速度および/または生産レベルを大幅に改良することができる。熱分解は第一および第二の材料を滅菌することもできる。
【０３０９】
いくつかの態様において、第二の数平均分子量（TMN2）は、約10パーセントを超えて、例えば、15、20、25、30、35、40、50パーセント、60パーセント、またはさらには約75パーセントを超えて、第一の数平均分子量（TMN1）よりも低い。
【０３１０】
いくつかの例において、第二の材料は、第一の材料のセルロースの結晶化度（TC1）よりも低い結晶化度（TC2）を有するセルロースを有する。例えば、（TC2）は、約10パーセントを超えて、例えば、15、20、25、30、35、40、またはさらには約50パーセントを超えて、（TC1）よりも低くすることができる。
【０３１１】
いくつかの態様において、（熱分解に先立っての）出発結晶化度は約40〜約87.5パーセント、例えば、約50〜約75パーセント、または約60〜約70パーセントであり、熱分解後の結晶化度指標は約10〜約50パーセント、例えば、約15〜約45パーセント、または約20〜約40パーセントである。しかしながら、ある態様においては、例えば、強い熱分解の後に、5パーセント未満の結晶化度指標を有することが可能である。いくつかの態様において、熱分解後の材料が実質的にアモルファスである。
【０３１２】
いくつかの態様において、（熱分解に先立っての）出発数平均分子量は約200,000〜約3,200,000、例えば、約250,000〜約1,000,000、または約250,000〜約700,000であり、熱分解後の数平均分子量は約50,000〜約200,000、例えば、約60,000〜約150,000、または約70,000〜約125,000である。しかしながら、いくつかの態様において、例えば、強い熱分解の後に、約10,000未満、またはさらには約5,000未満の数平均分子量を有することが可能である。
【０３１３】
いくつかの態様において、第二の材料は、第一の材料の酸化レベル（TO1）よりも高い酸化レベル（TO2）を有することができる。材料のより高い酸化レベルはその分散性、膨潤性および/または溶解性を助けることができ、さらに、化学物質、酵素または微生物攻撃に対する材料の感受性を高める。いくつかの態様において、第一の材料に対する第二の材料の酸化レベルを増加させるために、熱分解を酸化性環境において行い、第一の材料よりも酸化された第二の材料を作製する。例えば、第二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、これはその親水性を増加させることができる。
【０３１４】
いくつかの態様において、材料の熱分解は連続的である。他の態様において、材料は所定の時間熱分解され、次いで、再度熱分解する前に第二の所定の時間冷却される。
【０３１５】
熱分解システム
図14は、熱分解原料前処理システムにおける種々の工程を含むプロセスフロー図6000を示す。第一の工程6010において、乾燥原料の供給を供給源から受け取る。
【０３１６】
前記したように、供給源からの乾燥原料は熱分解チャンバーへの送達に先立って予め処理することができる。例えば、原料が植物源に由来する場合、植物材料のある部分を植物材料の収集に先立って、および/または植物材料が原料輸送デバイスによって送達される前に、除去することができる。別法として、あるいは加えて、バイオマス原料を、熱分解チャンバーへの送達に先立って、機械的処理6020に付すことができる（例えば、原料における繊維の平均長さを低減することができる）。
【０３１７】
機械的処理に続き、原料は水分調整工程6030を受ける。水分調整工程の性質は、機械的に処理された原料の水分含有量に依存する。典型的には、原料の熱分解は、原料の水分含有量が原料の約10重量%〜約30重量%の間（例えば、15重量%〜25重量%の間）である場合に最も効果的に起こる。原料の水分含有量がもし約40重量%よりも大きければ、原料の水含有量によって引き起こされる過剰の熱負荷は、次の熱分解工程のエネルギー消費を増加させる。
【０３１８】
いくつかの態様において、原料が、約30重量%よりも大きな水分含有量を有する場合、低い水分含有量を有するさらに乾燥した原料材料6220をブレンドすることができ、先に議論した限界内にある平均水分含有量を持つ原料混合物を工程6030において生じさせる。ある態様において、高い水分含有量を持つ原料は、原料をインライン加熱ユニットを通して循環させる移動コンベア上に原料材料を分散させることによって乾燥することができる。加熱ユニットは原料に存在する水の一部を蒸発させる。
【０３１９】
いくつかの態様において、工程6020からの原料が、あまりにも低い（例えば、約10重量%よりも低い）水分含有量を有する場合、機械的に処理された原料を、汚水汚泥などの、より高い水分含有量を持つより湿った原料材料6230と合わすことができる。別法として、あるいは加えて、水6240を工程6020からの乾燥原料に加えて、その水分含有量を増加させることができる。
【０３２０】
工程6040において、-今や適切な限界内に入るように調整されたその水分含有量を持つ-原料を任意の予熱工程6040において予熱することができる。予熱工程6040を用いて、原料の、次の熱分解のための調製において、75℃〜150℃の間まで原料の温度を上昇させることができる。原料の性質、および熱分解チャンバーの特定の設計に応じて、原料の予熱は、原料内の熱の分布が熱分解の間、より均一なままであり、熱分解チャンバー上の熱負荷を低減することができるのを確実とすることができる。
【０３２１】
次いで、原料を熱分解チャンバーに輸送して、工程6050において熱分解を受けさせる。いくつかの態様において、原料の輸送は、一つまたは複数の圧縮ガス6210を原料ストリームに加えることによって助ける。ガスは原料輸送導管において圧力勾配を生じさせ、原料が熱分解チャンバーに入るよう（さらには熱分解チャンバーを通るよう）促す。ある態様において、原料の輸送は機械的に起こり；すなわち、オーガなどのコンベアを含む輸送系は原料を熱分解チャンバーに輸送する。
【０３２２】
他のガスを熱分解チャンバーに先立って原料に加えることもできる。いくつかの態様において、例えば、一つまたは複数の触媒ガスを原料に加えて、熱分解の間に原料の分解を助けることができる。ある態様において、一つまたは複数の除去剤を原料に加えて、熱分解の間に放出された揮発性材料を捕獲することができる。例えば、スルフィドなどの種々の硫黄ベースの化合物を熱分解の間に遊離する可能性があり、水素ガスなどの物質を原料に加えて、熱分解産物の脱硫を引き起こすことができる。水素はスルフィドと結合して硫化水素ガスを形成し、これは熱分解原料から除去することができる。
【０３２３】
チャンバー内の原料の熱分解は原料を比較的高温に加熱して、原料の部分的分解を引き起こすことを含むことができる。典型的には、原料を150℃〜1100℃の範囲の温度まで加熱する。原料を加熱する温度は、原料の組成、原料の平均粒子サイズ、水分含有量、および所望の熱分解産物を含めたいくつかの因子に依存する。多くのタイプのバイオマス原料では、例えば、300℃〜550℃の間の熱分解温度が用いられる。
【０３２４】
熱分解チャンバー内の原料の滞留時間は、一般に、熱分解温度、原料の組成、原料の平均粒子サイズ、水分含有量、および所望の熱分解産物を含めたいくつかの因子に依存する。いくつかの態様において、原料材料は、不活性雰囲気中の材料の分解温度のすぐ上の温度で、例えば、分解温度の約2℃〜約10℃上、または分解温度の約3℃〜約7℃上の温度で熱分解する。そのような態様において、材料は、一般に、0.5時間よりも長く、例えば、1.0時間よりも長く、または約2.0時間よりも長くこの温度に維持される。他の態様において、材料を不活性雰囲気中の材料の分解温度を十分超えた温度で、例えば、分解温度を約75℃〜約175℃超えた、または分解温度を約85℃〜約150℃超えた温度で熱分解する。そのような態様において、材料は、一般に、0.5時間よりも短い間、例えば、20分よりも短く、10分よりも短く、5分よりも短く、または2分よりも短くこの温度に維持される。なお他の態様において、材料は極端な温度にて、例えば、不活性環境における材料の分解温度よりも約200℃〜約500℃を超えて、または分解温度の約250℃〜約400℃を超えた温度で熱分解させる。そのような態様において、材料は、一般には、1分よりも短い時間、例えば、30秒よりも短い間、15秒よりも短い間、10秒よりも短い間、5秒よりも短い間、1秒よりも短い間、または500ミリ秒よりも短い間この温度に維持する。このような態様は、通常フラッシュ熱分解と呼ばれる。
【０３２５】
いくつかの態様において、チャンバー内で原料を選択された熱分解温度まで比較的迅速に加熱する。例えば、チャンバーは500℃/秒〜11,000℃/秒の間の速度にて原料を加熱するように設計することができる。バイオマス由来原料材料についての典型的な加熱速度は、例えば、500℃/秒〜1000℃/秒である。
【０３２６】
熱分解チャンバー内の原料材料の乱流は通常は有利である。なぜならば、それは、加熱サブシステムから原料材料への比較的有効な熱移動を確実とするからである。乱流は、例えば、一つまたは複数の注入されたキャリアガスを用いてチャンバーを通って原料材料を吹きつけることによって達成することができる。一般に、キャリアガスは、熱分解チャンバー内が高温であっても、原料材料に対して比較的不活性である。例示的なキャリアガスは、例えば、窒素、アルゴン、メタン、一酸化炭素、および二酸化炭素を含む。別法として、あるいは加えて、オーガなどの機械的輸送システムは熱分解チャンバー内で原料を輸送し、循環させて、原料の乱流を作り出すことができる。
【０３２７】
いくつかの態様において、原料の熱分解は、実質的に、酸素および他の反応性ガスの不存在下で起こる。酸素は、（例えば、2バール以上の窒素圧力において）チャンバーに高圧窒素を周期的にパージすることによって、熱分解チャンバーから除去することができる。チャンバーのパージに続き、（例えば、原料の熱分解の間における）熱分解チャンバーに存在するガス混合物は、4モル%未満の酸素（例えば、1モル%未満の酸素、0.5モル%未満の酸素）を含むことができる。酸素が存在しないことは、上昇した熱分解温度で原料の発火が確実に起こらないようにする。
【０３２８】
ある態様において、比較的少量の酸素を原料に導入することができ、熱分解の間存在させる。この技術は酸化的熱分解といわれる。典型的には、酸化的熱分解は複数の加熱ステージで起こる。例えば、第一の加熱ステージにおいては、原料を酸素の存在下で加熱して、原料の部分的酸化を引き起こす。このステージは熱分解チャンバーにおける利用可能な酸素を消費する。次いで、次の加熱ステージにおいて、原料温度はさらに上げられる。しかしながら、チャンバー中の全ての酸素が消費されると、原料燃焼は起こらず、（例えば、炭化水素産物を生じさせるための）原料の未燃焼熱分解が起こる。一般に、分解を開始するための熱分解チャンバーにおける原料を加熱するプロセスは吸熱性である。しかしながら、酸化的熱分解においては、原料の酸化による二酸化炭素の形成は発熱性プロセスである。二酸化炭素形成から放出された熱はさらなる熱分解加熱ステージを助けることができ、それにより、原料によって呈される熱負荷を減少させる。
【０３２９】
いくつかの態様において、熱分解は、原料材料をアルゴンまたは窒素ガス中に浴する間のように、不活性環境中で起こる。ある態様において、熱分解は空気またはアルゴンが豊富な空気中などの酸化性環境において起こり得る。いくつかの態様において、熱分解は原料材料を水素ガス中に浴する間等のように、還元性環境で起こり得る。熱分解を助けるために、酸化剤、還元剤、酸または塩基などの種々の化学剤を熱分解に先立って、またはその間に材料に加えることができる。例えば、硫酸を加えることができ、あるいは過酸化物（例えば、過酸化ベンゾイル）を加えることができる。
【０３３０】
先に議論したように、種々の異なる加工条件を、原料組成および所望の熱分解産物などの因子に依存して用いることができる。例えば、セルロース含有原料材料については、比較的穏やかな熱分解条件を使用することができ、375℃〜450℃の間のフラッシュ熱分解温度、および1秒未満の滞留時間を含む。もう1つの例として、汚水汚泥などの有機固体廃棄物材料では、典型的には、500℃〜650℃の間のフラッシュ熱分解温度が、0.5〜3秒の間の滞留時間と共に用いられる。一般に、滞留時間、熱分解温度、原料の乱流、水分含有量、原料組成、熱分解産物組成物、および添加物ガス組成を含めた熱分解プロセスパラメーターの多くは、レギュレーターのシステムおよび自動制御システムによって自動的に制御することができる。
【０３３１】
熱分解工程6050に続き、熱分解産物は、さらなる加工に先立って産物の温度を低下させるためのクエンチング工程6250を受ける。典型的には、クエンチング工程6250は、冷却水6260のストリームを熱分解産物に噴霧することを含む。冷却水は、固体の溶解していない産物材料および種々の溶解した産物を含むスラリーも形成する。また、産物ガス、キャリアガス、および他のタイプのプロセスガスを含めた、種々のガスを含む混合物も産物ストリームに存在する。
【０３３２】
産物ストリームはインライン配管を介して、ガス分離工程6060を実行するガスセパレーターに輸送され、ここで、産物ガスおよび他のガスが、熱分解産物をクエンチングすることによって形成されたスラリーから分離される。分離されたガス混合物は、任意で、ブロアー6130に向けられ、これは、空気を混合物に吹き込むことによってガス圧力を増大させる。ガス混合物は濾過工程6140に付すことができ、ここで、ガス混合物は一つまたは複数のフィルター（例えば、活性炭フィルター）を通過させて、粒状物および他の不純物を除去する。次の工程6150においては、濾過されたガスを圧縮し、さらなる使用のために貯蔵することができる。別法として、濾過されたガスはさらなる処理工程6160に付すことができる。例えば、いくつかの態様において、濾過されたガスを凝縮させて、ガス混合物内の異なるガス状化合物を分離することができる。異なる化合物は、例えば、熱分解の間に生じた種々の炭化水素産物（例えば、アルコール、アルカン、アルケン、アルキン、エーテル）を含むことができる。ある態様においては、炭化水素成分の混合物を含有する濾過されたガスを蒸気ガス6170（例えば、水蒸気および酸素の混合物）と合わせ、クラッキングプロセスに付して、炭化水素成分の分子量を低減することができる。
【０３３３】
いくつかの態様において、熱分解チャンバーは、メタン、プロパンおよび/またはブタンなどの炭化水素ガスを燃焼させて、原料を加熱する熱源を含む。分離されたガスの一部6270は燃焼のために熱分解チャンバーに再度循環させて、プロセス熱を発生させて、熱分解プロセスを維持することができる。
【０３３４】
ある態様において、熱分解チャンバーは、原料材料の温度を上昇させるのに用いることができるプロセス熱を受けることができる。例えば、原料に対する輻射線（例えば、ガンマ放射線、電子線放射線、または他のタイプの輻射線）の照射は、原料材料を比較的高温に加熱することができる。加熱された原料材料は、照射された原料から過剰の熱のいくらかを除去する熱交換システムによって冷却することができる。熱交換システムは、熱エネルギーのいくらかを熱分解チャンバーに輸送して、原料材料を加熱し（または予熱し）、それにより、熱分解プロセスについてのエネルギーコストを低減するように構成することができる。
【０３３５】
液体および固体熱分解産物を含有するスラリーは任意の脱水工程6070を受けることができ、そこでは、過剰な水は機械的プレスおよび蒸発などのプロセスを介してスラリーから除去することができる。過剰な水6280を濾過し、次いで、工程6250における熱分解産物をクエンチングするのにさらに用いるために再循環させることができる。
【０３３６】
次いで、脱水されたスラリーは機械的分離工程6080を受け、ここで、固体産物材料6110は、一連の益々微細なフィルターによって液体産物材料6090から分離される。工程6100において、次いで、液体産物材料6090を（例えば、蒸発を介して）凝縮させて、廃水6190を除去し、抽出などのプロセスによって精製することができる。抽出は、例えば、アルコールなどの産物から油などの産物を分離するための、一つまたは複数の有機溶媒6180の添加を含むことができる。適切な有機溶媒は、例えば、種々の炭化水素およびハロ炭化水素を含む。次いで、精製された液体産物6200をさらなる処理工程に付すことができる。廃水6190は、必要であれば、濾過し、工程6250における熱分解産物をクエンチングするのにさらに用いるために再循環することができる。
【０３３７】
工程6080における分離の後、固体産物材料6110は、任意で、水の蒸発を含むことができる乾燥工程6120に付す。次いで、固体産物材料6110を後の使用のために貯蔵することができ、あるいは必要に応じてさらなる処理工程に付すことができる。
【０３３８】
先に議論した熱分解プロセスパラメーターは例示的なものである。一般に、これらのパラメーターの値は、原料および所望の産物の性質に従って広く変化させることができる。さらに、炭化水素火炎および/または炉、赤外線レーザー、マイクロ波ヒーター、誘導ヒーター、抵抗性ヒーター、および他の加熱デバイスおよび立体配置などの熱源を用いることを含めた、広く種々の異なる熱分解技術を用いることができる。
【０３３９】
種々の異なる熱分解チャンバーを用いて、原料を分解することができる。いくつかの態様において、例えば、熱分解原料は、金属フィラメントまたは金属リボンなどの抵抗性加熱部材を用いて材料を加熱することを含み得る。加熱は、抵抗性加熱部材および材料の間の直接的接触によって起こり得る。
【０３４０】
ある態様において、熱分解は、例えばキュリー点熱分解器の使用等による誘導によって材料を加熱することを含み得る。いくつかの態様において、熱分解は、赤外線放射などの輻射線の適用によって材料を加熱することを含み得る。輻射線は、赤外線レーザーなどのレーザーによって生じさせることができる。
【０３４１】
ある態様において、熱分解は対流熱で材料を加熱することを含み得る。対流熱は加熱されたガスの流動ストリームによって生じさせることができる。加熱されたガスは1000℃未満、750℃未満、600℃未満、400℃未満、さらには300℃未満などの約1200℃未満の温度に維持することができる。加熱されたガスは約250℃よりも高い温度に維持することができる。対流熱は、炉中などの、第一の材料を囲う熱体によって生じさせることができる。
【０３４２】
いくつかの態様において、熱分解は約250℃を超える温度の蒸気で材料を加熱することを含み得る。
【０３４３】
熱分解チャンバーの態様は図15に示される。チャンバー6500は排気ガス用の排気口6600を備えた絶縁チャンバー壁6510、熱分解プロセス用の熱を生じさせる複数のバーナー6520、チャンバー6500を通って原料を輸送するための輸送ダクト6530、乱流の状態でダクト6530を通って原料を移動させるためのオーガ6590、ならびに熱分解産物を移動させるためのオーガ6610、冷却水を熱分解産物に噴霧するためのウォータージェット6550、および固体および液体産物を含有するスラリー6570からガス状産物6580を分離するためのガスセパレーターを含むクエンチシステム6540を含む。
【０３４４】
熱分解チャンバーのもう1つの態様を図16に示す。チャンバー6700は絶縁チャンバー壁6710、原料供給ダクト6720、傾いた内側チャンバー壁6730、熱分解プロセス用の熱を発生させるバーナー6740、排気ガスのための排気口6750、および液体および固体産物6780からガス状産物6770を分離するためのガスセパレーター6760を含む。チャンバー6700は、チャンバー内での原料の適切な混合および乱流を確実とするため、矢印6790によって示される方向に回転するように配置される。
【０３４５】
熱分解チャンバーのさらなる態様を図17に示す。フィラメント熱分解器1712は、試料ホルダー1713によって規定される開いた空間を通るワイヤー巻線の形態の抵抗性加熱エレメント1714を備えた試料ホルダー1713を含む。任意で、加熱されたエレメントは（矢印1716によって示されるように）軸1715の周りを回転して試料ホルダー1713中のセルロース材料を含む材料を転がすことができる。エンクロージャー1719によって規定される空間1718は室温を超える、例えば、200〜250℃の温度に維持する。典型的な用法において、キャリアガス、例えば、不活性ガスまたは酸化性もしくは還元性ガスは、試料ホルダー1713を通って移動し、一方、抵抗性加熱エレメントは回転を受けて、所望の温度、例えば、325℃まで加熱される。適切な時間、例えば、5〜10分後に、熱分解された材料は試料ホルダーから排出される。図17に示したシステムを一定基準で評価し、連続的なものとすることができる。例えば、加熱部材としてのワイヤーよりはむしろ、加熱部材はオーガスクリューであり得る。材料は連続的に試料ホルダーに落ちることができ、材料を熱分解する加熱されたスクリューを打つ。同時に、スクリューは試料ホルダーから熱分解された材料を押し出して、新鮮な熱分解されていない材料の進入を可能とする。
【０３４６】
熱分解チャンバーのもう1つの態様は図18に示され、これは、強磁性体箔1822を収容する試料チャンバー1821を含むキュリー点熱分解器1820をその特徴とする。試料チャンバー1821の周囲はRFコイル1823である。エンクロージャー1825によって規定される空間1824は室温を超える温度、例えば、200〜250℃に維持される。典型的な用法においては、キャリアガスは試料チャンバー1821を通って移動し、他方、箔1822は適応されたRF場によって誘導的に加熱されて、所望の温度で材料を熱分解する。
【０３４７】
熱分解チャンバーのなおもう1つの態様は図19に示される。炉熱分解器130は移動可能な試料ホルダー131および炉132を含む。典型的な用法において、試料は（矢印137によって示されるように）炉132のホットゾーン135まで降下させ、他方、キャリアガスはハウジング136を満たし、試料ホルダー131を通って移動する。試料は所望の時間で所望の温度まで加熱され、熱分解された産物を提供する。熱分解された産物は、（矢印134によって示されるように）試料ホルダーを上昇させることによって熱分解器から除去される。
【０３４８】
ある態様において、図20に示されたように、セルロース標的140は、真空チャンバー141に収容された該標的を、レーザー光、例えば、約225nm〜約1500nmの波長を有する光で処理することによって熱分解することができる。例えば、該標的は、Nd-YAGレーザー（Spectra Physics, GCR170, San Jose, Calif.）の第四調波を用いて266nmにおいて腐食させることができる。示された光学的立体配置は、レーザー142によって生じたほとんど単色光143が、真空チャンバー141中のレンズ146を通った後に鏡144および145を用いて標的に向けられることを可能とする。典型的には、真空チャンバー中の圧力は約10-6mmHg未満に維持される。いくつかの態様において、赤外線放射、例えば、Nd-YAGレーザーからの1.06ミクロン放射が用いられる。そのような態様において、赤外線感受性染料をセルロース材料と組み合わせて、セルロース標的を生じさせることができる。この赤外線染料により、セルロース材料の加熱を増強させることができる。レーザー切断は米国特許第5,942,649号においてBlanchet-Fincher et al.によって記載されている。
【０３４９】
図21を参照すると、いくつかの態様において、セルロース材料は、該材料が真空チャンバー151に収容されている間、5〜25ミルタングステンフィラメントなどのタングステンフィラメント150を所望のセルロース材料でコーティングすることによってフラッシュ熱分解させることができる。熱分解を行うためには、電流をフィラメントに通し、これにより、フィラメントの所望の時間の迅速加熱が引き起こされる。典型的には、加熱は、フィラメントを冷却させる前に数秒間継続する。いくつかの態様において、加熱は多数回行って、所望の量の熱分解を行う。
【０３５０】
ある態様において、糖質含有バイオマス材料を流動床リアクター中で酸素の非存在下で加熱することができる。所望であれば、糖質含有バイオマスは比較的薄い断面を有することができ、有効な熱移動のために、本明細書において記載された繊維状材料のいずれかを含むことができる。材料は、リアクター中のガラスビーズまたは砂などの熱い金属またはセラミックからの熱移動によって加熱することができ、得られた熱分解液体または油は、可燃性燃料または他の有用な産物を作製するために中央精製所に輸送することができる。
【０３５１】
酸化
一つまたは複数の酸化的加工系列を用いて、幅広い種類の異なる源からの生原料を加工して、原料から有用な物質を抽出することができ、さらなる加工工程および/または系列に対する投入物として機能する部分的に分解された有機物質を提供することができる。
【０３５２】
図8を再度参照すると、第一の数平均分子量（TMN1）を有し、かつ第一の酸素含有量（TO1）を有するセルロースを含む第一の材料2を、例えば、管状炉中で空気または酸素豊富化空気のストリームにおいて第一の材料を加熱することによって酸化させて、第二の数平均分子量（TMN2）を有し、かつ第一の酸素含有量（TO1）よりも高い第二の酸素含有量（TO2）を有するセルロースを含む第二の材料3を得る。第二の材料（またはある態様における第一および第二の材料）は、例えば、溶融した熱可塑性樹脂などの樹脂、または微生物と合わせて、望ましい機械的特性を有する複合体4、または燃料5を提供することができる。より高い酸化レベルを提供することは、樹脂における酸化された材料の分散性を改良することができ、また、酸化された材料および樹脂の間の界面結合を改良することもできる。改良された分散性および/または界面結合（ある場合には、分子量の維持と組み合わせる）は、改良された摩耗耐性、圧縮強度、破壊耐性、衝撃強度、屈曲強度、引張モジュラス、曲げモジュラスおよび破断伸度などの例外的な機械的特性を持つ複合体を提供することができる。
【０３５３】
そのような材料は固体および/または液体と組み合わせることもできる。例えば、液体は溶液の形態とすることができ、固体は形態が粒状であり得る。液体および/または固体は微生物、例えば、細菌、および/または酵素を含むことができる。例えば、細菌および/または酵素をセルロースまたはリグノセルロース材料に対して働かせて、エタノールなどの燃料、またはタンパク質などの副産物を生じさせることができる。燃料および副産物は、2006年6月15日に出願された「FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES」、USSN 11/453,951に記載されている。前記適用の各々の全内容は参照により本明細書に組み入れられる。
【０３５４】
ある態様において、第二の数平均分子量は第一の数平均分子量の97パーセント以下であり、例えば、第一の平均分子量の95パーセント、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、30、20、12.5、10.0、7.5、5.0、4.0、3.0、2.5、2.0パーセント以下、または1.0パーセント以下である。分子量の低減の量は用途に依存する。例えば、複合体を提供するいくつかの好ましい態様において、第二の数平均分子量は第一の数平均分子量と実質的に同一である。エタノールまたは他の燃料または副産物の作製などの他の用途において、より多量の分子量低減が一般には好ましい。
【０３５５】
例えば、複合体を提供するいくつかの態様において、（酸化に先立っての）出発数平均分子量は、約200,000〜約3,200,000、例えば、約250,000〜約1,000,000、または約250,000〜約700,000であり、酸化後の数平均分子量は、約175,000〜約3,000,000、例えば、約200,000〜約750,000、または約225,000〜約600,000である。
【０３５６】
利用した樹脂は熱硬化性または熱可塑性である。熱可塑性樹脂の例は剛直なエラストマー熱可塑性樹脂である。剛直な熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリオレフィンコポリマー）、ポリエステル（例えば、ポリエチレンテレフタレート）、ポリアミド（例えば、ナイロン6、6/12または6/10）、ポリエチレンイミンを含む。エラストマー熱可塑性樹脂の例は、エラストマースチレンコポリマー（例えば、スチレン-エチレン-ブチレン-スチレンコポリマー）、ポリアミドエラストマー（例えば、ポリエーテル-ポリアミドコポリマー）、およびエチレン-酢酸ビニルコポリマーを含む。
【０３５７】
特定の態様において、リグニン、例えば、本明細書において記載された任意のプロセスで作製される任意のリグニンが利用される。
【０３５８】
いくつかの態様において、熱可塑性樹脂は、ASTM 1238を用いて測定して、10g/10分〜60g/10分の間、例えば、20g/10分〜50g/10分の間、または30g/10分〜45g/10分の間のメルトフローレートを有する。ある態様において、前記熱可塑性樹脂のいずれかの適合するブレンドを用いることができる。
【０３５９】
いくつかの態様において、熱可塑性樹脂は、1.5よりも大きな、例えば、2.0よりも大きな、2.5よりも大きな、5.0よりも大きな、7.5よりも大きな、またはさらには10.0よりも大きな多分散指標（PDI）、すなわち、数平均分子量に対する重量平均分子量の比率を有する。
【０３６０】
特定の態様において、ポリオレフィンまたはポリオレフィンのブレンドを熱可塑性樹脂として利用する。
【０３６１】
熱硬化性樹脂の例は天然ゴム、ブタジエン-ゴムおよびポリウレタンを含む。
【０３６２】
材料を用いて燃料または副産物を作製するいくつかの態様において、（酸化に先立っての）出発数平均分子量は、約200,000〜約3,200,000、例えば、約250,000〜約1,000,000、または約250,000〜約700,000であり、酸化後の数平均分子量は、約50,000〜約200,000、例えば、約60,000〜約150,000、または約70,000〜約125,000である。しかしながら、いくつかの態様において、例えば、広範な酸化後に、約10,000未満の、またはさらには約5,000未満の数平均分子量を有することが可能である。
【０３６３】
いくつかの態様において、第二の酸素含有量は第一の酸素含有量よりも少なくとも約5パーセント高く、例えば、7.5パーセント高く、10.0パーセント高く、12.5パーセント高く、15.0パーセント高く、または17.5パーセント高い。いくつかの好ましい態様において、第二の酸素含有量は第一の材料の酸素含有量よりも少なくとも約20.0パーセント高い。酸素含有量は、1300℃以上で作動する炉中で試料を熱分解することによって元素分析によって測定される。適切な元素分析はVTF-900高温熱分解炉を伴うLECO CHNS-932アナライザーである。
【０３６４】
いくつかの態様において、第一の材料200の酸化の結果、セルロースの結晶化度の実質的変化はもたらされない。しかしながら、いくつかの例において、例えば、極端な酸化の後に、第二の材料は第一の材料のセルロースの結晶化度（TC1）よりも低い結晶化度（TC2）を有するセルロースを有する。例えば、（TC2）は約5パーセントを超えて、例えば、10、15、20、またはさらには25パーセント、（TC1）よりも低くすることができる。これは、複合体の曲げ疲労特性の最適化が目標である場合に望ましい可能性がある。例えば、結晶化度の低減は破断伸度を改良することができ、あるいは複合体の衝撃耐性を増強させることができる。これは、細菌および/または酵素を含む液体などの液体中の材料の溶解度を高めるのに望ましい可能性もある。
【０３６５】
いくつかの態様において、（酸化に先立っての）出発結晶化度指標は、約40〜約87.5パーセント、例えば、約50〜約75パーセント、または約60〜約70パーセントであり、酸化後の結晶化度指標は、約30〜約75.0パーセント、例えば、約35.0〜約70.0パーセント、または約37.5〜約65.0パーセントである。しかしながら、ある態様において、例えば、広範な酸化の後、5パーセントよりも低い結晶化度指標を有することが可能である。いくつかの態様において、酸化後の材料は実質的にアモルファスである。
【０３６６】
任意の特定の議論に拘束されるつもりはないが、酸化は、（例えば、液体中の）その分散性および/またはその溶解性を増加させることができる、ヒドロキシル基、アルデヒド基、ケトン基、カルボン酸基または無水物基などの、セルロース上の水素結合基の数を増加させると考えられる。樹脂中で分散性をさらに改良するために、樹脂は、一つまたは複数の無水物基、カルボン酸基、ヒドロキシル基、アミド基、アミン基、またはこれらの基のうちのいずれかの混合物などの水素結合基を含む成分を含むことができる。いくつかの好ましい態様において、成分はマレイン酸無水物と共重合した、および/またはそれでグラフトしたポリマーを含む。そのような材料は商品名FUSABOND（登録商標）でDupontから入手可能である。
【０３６７】
一般に、第一の材料200の酸化は酸化性環境で起こる。例えば、酸化は空気中、またはアルゴンが豊富な空気中などの酸化性環境において熱分解によって行うことができるか、助けることができる。酸化を助けるために、オキシダント、酸または塩基などの種々の化学剤を酸化に先立って、または酸化の間に材料に加えることができる。例えば、過酸化物（例えば、過酸化ベンゾイル）を酸化に先立って加えることができる。
【０３６８】
酸化システム
図22は、酸化的原料前処理システムにおいて種々の工程を含むプロセスフローダイヤグラム5000を示す。第一の工程5010において、乾燥原料の供給は供給源から受け取る。供給源は例えば、コンベアベルトまたはもう1つの原料輸送デバイスを介してインライン酸化リアクターに連結された貯蔵床または容器を含むことができる。
【０３６９】
前記したように、供給源からの乾燥原料は酸化リアクターに対する送達に先立って予め処理することができる。例えば、原料が植物源に由来する場合、植物材料のある部分を植物材料の収集に先立って、および/または植物材料が原料輸送デバイスによって送達される前に、除去することができる。別法として、あるいは加えて、バイオマス原料を、酸化リアクターへの送達に先立って、機械的な処理に付す（例えば、原料における繊維の平均長さを低減させるため）ことができる。
【０３７０】
機械的処理5020に続き、原料5030を、機械的混合プロセスにおいて水5150を原料に導入する混合システムに輸送する。混合工程5040において、処理された原料と水とを合わせると、水性原料スラリー5050が生じ、次いで、これを一つまたは複数の酸化剤で処理することができる。
【０３７１】
典型的には1リットルの水を、0.02kg〜1.0kgのあらゆる乾燥原料について混合物に加える。混合物中の水に対する原料の比率は、原料の源、および全プロセスにおけるさらに下流で用いる特定の酸化剤に依存する。例えば、リグノセルロースバイオマスについての典型的な産業処理系列においては、水性原料スラリー5050が、水リットル当たり約0.5kg〜約1.0kgの乾燥バイオマスを含む。
【０３７２】
いくつかの態様において、一種以上の繊維-保護添加剤5170を、原料混合工程5040において原料スラリーに加えることもできる。繊維-保護添加剤は、原料の酸化の間、ある種のバイオマス繊維（例えば、セルロース繊維）の分解の低下を助ける。繊維-保護添加剤は、例えば、リグノセルロース原料処理からの所望の産物がセルロース繊維を含む場合に、用いることができる。例示的な繊維-保護添加剤は、水酸化マグネシウムなどのマグネシウム化合物を含む。原料スラリー5050における繊維-保護添加剤の濃度は、例えば、バイオマス原料の乾燥重量の0.1%〜0.4%であり得る。
【０３７３】
ある態様において、水性原料スラリー5050を有機溶媒での任意の抽出5180に付して、水不溶性物質をスラリーから除去することができる。例えば、一種以上の有機溶媒によるスラリー5050の抽出は精製されたスラリー、ならびに、脂肪、油、および他の非極性炭化水素ベースの物質などの水不溶性材料を含む有機廃棄物ストリーム5210を生じる。スラリー5050の抽出を行うための適切な溶媒は、例えば、種々のアルコール、炭化水素、およびハロ炭化水素を含む。
【０３７４】
いくつかの態様において、水性原料スラリー5050を任意の熱処理5190に付して、酸化のために原料をさらに調製することができる。熱処理の例は、圧縮された蒸気の存在下で原料スラリーを加熱することを含む。繊維バイオマス原料において、圧縮されたストリームは繊維を膨潤させ、繊維表面のより大きな割合を水性溶媒、および酸化剤に曝露し、これは次の処理工程に導入される。
【０３７５】
ある態様において、水性原料スラリー5050を塩基性剤5200での任意の処理に付すことができる。一種以上の塩基性剤での処理はリグノセルロースバイオマス原料中のセルロースからリグニンを分離するのを助けることができ、それにより、原料のその後の酸化を改良する。塩基性剤の例は水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、および水酸化カルシウムなどのアルカリおよびアルカリ土類水酸化物を含む。一般に、種々の塩基性剤を、典型的には、原料の乾燥重量の約0.01%〜約0.5%の濃度で用いることができる。
【０３７６】
水性原料スラリー5050を（例えば、インライン配管系によって）チャンバーまで輸送することができ、これは酸化前処理チャンバーまたは酸化リアクターであり得る。酸化前処理工程5060において、一種以上の酸化剤5160を原料スラリー5050に加えて、酸化媒体を形成する。いくつかの態様において、例えば、酸化剤5160は過酸化水素を含むことができる。過酸化水素は水性溶液として、スラリー5050の3重量%から30重量%および35重量%の間までの範囲の割合でスラリー5050に加えることができる。過酸化水素は酸化剤としての多数の利点を有する。例えば、過酸化水素水溶液は比較的安価であり、比較的化学的に安定であり、他の酸化剤に対して特に有害ではない（従って、面倒な取扱い手法および高価な安全性機器を必要としない）。さらに、過酸化水素は分解して、原料の酸化の間に水を形成し、従って、廃棄物ストリームクリーンアップは比較的単純で安価である。
【０３７７】
ある態様において、酸化剤5160は単独、または過酸化水素と組み合わせた酸素（例えば、酸素ガス）を含むことができる。酸素ガスは、スラリー5050の0.5重量%〜10重量%の範囲の割合でスラリー5050に発泡させることができる。別法として、あるいは加えて、酸素ガスをスラリー5050と平衡したガス相に導入することができる（例えば、スラリー5050の上方の蒸気ヘッド）。酸素ガスは、酸化処理システムの配置に応じて、酸化前処理チャンバーに、または酸化リアクターに（または双方に）導入することができる。典型的には、例えば、スラリー5050上方の蒸気中の酸素の分圧は酸素の周囲圧力よりも大きく、原料の性質に応じて、0.5バール〜35バールの範囲である。
【０３７８】
酸素ガスは、純粋な形態で導入することができ、あるいは、一つまたは複数のキャリアガスと混合することができる。例えば、ある態様において、高圧空気は蒸気中に酸素を提供する。ある態様において、酸素ガスを連続的に蒸気相に供給して、蒸気中の酸素濃度を、原料の処理の間、確実にある所定の限界内に維持されるようにすることができる。いくつかの態様において、酸素ガスを最初に十分な濃度で導入して原料を酸化することができ、次いで、処理のために、原料を閉じた加圧容器（例えば酸化リアクター）に輸送することができる。
【０３７９】
ある態様において、酸化剤5160は発生期酸素（例えば、酸素ラジカル）を含むことができる。典型的には、発生期酸素は、必要に応じて、1つまたはそれ以上の分解反応によって、酸化リアクターにおいて、または酸化リアクターと流体連絡したチャンバーにおいて生じる。例えば、ある態様において、発生期酸素はガス混合物中の、または溶液中のNOとO2との反応から生じさせることができる。ある態様において、発生期酸素は溶液中のHOClの分解から生じさせることができる。発生期酸素を生じさせることができる他の方法は、例えば、電解質溶液中での電気化学的発生を介することを含む。
【０３８０】
一般に、発生期酸素は酸素ラジカルの比較的高い反応性のため十分な酸化剤である。しかしながら、発生期酸素は比較的選択的な酸化剤でもあり得る。例えば、リグノセルロース原料を発生期酸素で処理する場合、リグニンの選択的酸化が、セルロースなどの原料の他の成分に優先して起こる。結果として、発生期酸素での原料の酸化は、ある原料におけるリグニン画分の選択的除去のための方法を提供する。典型的に、原料の乾燥重量の約0.5%〜5%の間の発生期酸素濃度を用いて、有効な酸化を行う。
【０３８１】
理論に拘束されるつもりはないが、発生期酸素は少なくとも2つの異なるメカニズムに従って、リグノセルロース原料と反応すると考えられる。第一のメカニズムにおいて発生期酸素がリグニンとの付加反応を受け、その結果、リグニンの部分的酸化が起こり、これは水性溶液中のリグニンを可溶化する。その結果、可溶化されたリグニンは洗浄を介して原料の残りから除去することができる。第二のメカニズムにおいて、発生期酸素はブタン架橋を破壊し、および/またはブタン架橋を介して結合される芳香環を開く。その結果、水溶液中のリグニンの溶解度は増加し、リグニン画分は洗浄を介して原料の残りから分離することができる。
【０３８２】
いくつかの態様において、酸化剤5160はオゾン（O3）を含む。オゾンの使用は、酸化処理系列においていくつかの化学的取扱いにおける問題をもたらしうる。余りにも激しく加熱された場合、オゾンの水溶液は、ヒトシステムオペレーターおよびシステム機器双方に対する潜在的に有害な結果を伴って、激しく分解しうる。従って、オゾンは、典型的には、原料スラリーを含有する容器とは別の、熱的に単離された厚い壁の容器中で発生し、適切なプロセスステージにおいてそれに輸送される。
【０３８３】
理論に拘束されるつもりはないが、オゾンは酸素および酸素ラジカルに分解され、酸素ラジカル（例えば、発生期酸素）は、先に議論したようにオゾンの酸化特性を担うと考えられる。オゾンは、典型的には、リグノセルロース材料におけるリグニン画分を優先的に酸化し、セルロース画分を比較的破壊しないまま残す。
【０３８４】
バイオマス原料のオゾンベースの酸化についての条件は、一般には、バイオマスの性質に依存する。例えば、セルロースおよび/またはリグノセルロース原料については、乾燥原料の0.1g/m3〜20g/m3のオゾン濃度は有効な原料酸化を提供する。典型的にはスラリー5050における水含有量は10重量%〜80重量%の間（例えば、40重量%〜60重量%の間）である。オゾンベースの酸化の間、スラリー5050の温度は0℃〜100℃の間に維持されて、オゾンの激しい分解を回避することができる。
【０３８５】
いくつかの態様において、原料スラリー5050は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、および水酸化カルシウムなどの一種以上のアルカリおよびアルカリ土類金属水酸化物を含むアルカリ性水溶液で処理することができ、次いで、その後、酸化リアクター中でオゾン含有ガスで処理することができる。このプロセスは、スラリー5050中のバイオマスの分解を有意に増加することが観察された。典型的には、例えば、アルカリ性溶液中の水酸化物イオン濃度はスラリー5050の0.001重量%〜10重量%の間である。原料がアルカリ性溶液との接触を介して湿らされた後、オゾン含有ガスを酸化リアクターに導入し、そこで、それは原料に接触し、それを酸化する。
【０３８６】
酸化剤5160は他の物質を含むことができる。いくつかの態様において、例えば、塩素およびオキシ塩素剤（例えば、次亜塩素酸塩）などのハロゲンベースの酸化剤をスラリー5050に導入することができる。ある態様において、窒素含有酸化物質をスラリー5050に導入することができる。例示的な窒素含有酸化物質は、例えば、NOおよびNO2を含む。窒素含有剤をスラリー5050中の酸素と合わせて、さらなる酸化剤を作り出すことができる。例えば、NOおよびNO2は共にスラリー5050中の酸素と合わせて、硝酸塩化合物を形成し、これは、バイオマス原料についての有効な酸化剤である。ハロゲンおよび窒素ベースの酸化剤は、いくつかの態様において、原料の性質に応じて、バイオマス原料の漂白を引き起こすことができる。漂白は、次の処理工程において抽出されるある種のバイオマス由来産物に対して、望ましい。
【０３８７】
他の酸化剤は、例えば、種々のペルオキシ酸、ペルオキシ酢酸、過硫酸塩、過炭酸塩、過マンガン塩、四酸化オスミウム、およびクロム酸化物を含むことができる。
【０３８８】
酸化前処理工程5060に続き、原料スラリー5050は工程5070において酸化される。酸化剤5160を酸化リアクター中のスラリー5050に加える場合、酸化は同一のリアクター中で進行する。別法として、酸化剤5160を、前処理チャンバー中のスラリー5050に加えた場合、スラリー5050は、インライン配管系を介して酸化リアクターに輸送される。一旦酸化リアクター内部に入れば、バイオマス原料の酸化は環境条件の制御されたセットの下で進行する。典型的には、例えば、酸化リアクターは、外部の環境に対して、閉じられかつ加圧された円筒容器である。バッチおよび連続的操作が共に可能であるが、環境条件は、典型的には、インライン-バッチ処理操作において制御するのがより容易である。
【０３８９】
原料スラリー5050の酸化は、典型的には、酸化リアクターにおいて上昇した温度で起こる。例えば、酸化リアクター中のスラリー5050の温度は、典型的には、100℃を超えて120℃〜240℃の範囲に維持される。多くのタイプのバイオマス原料について、スラリー5050の温度が150℃〜220℃の間に維持される場合、酸化は特に効果的である。スラリー5050は、種々の熱移動デバイスを用いて加熱することができる。例えば、いくつかの態様において、酸化リアクターは、油または溶融塩を含む加熱槽と接触する。ある態様において、一連の熱交換配管が酸化リアクターを囲い、それに接触し、配管内の熱流体の循環はリアクター中のスラリー5050を加熱する。スラリー5050を加熱するのに用いることができる他の加熱デバイスは、例えば、抵抗加熱エレメント、誘導ヒーターおよびマイクロ波源を含む。
【０３９０】
酸化リアクター中の原料スラリー5050の滞留時間は、原料を処理するために所望のように変化させることができる。典型的には、スラリー5050はリアクター中で酸化を受けるのに1分〜60分費やす。リグノセルロース物質などの比較的柔軟なバイオマス材料では、酸化スラリーにおける滞留時間は、例えば、リアクター中の3〜12バールの間の酸化圧力にて、および160℃〜210℃の間のスラリー温度で5分〜30分とすることができる。他のタイプの原料については、しかしながら、酸化リアクター中の滞留時間は、例えば、48時間とより長くすることができる。酸化リアクター中のスラリー5050についての適切な滞留時間を決定するには、スラリーのアリコットを特定の間隔でリアクターから抽出し分析して、複雑な糖などの注目する特定の産物の濃度を決定することができる。時間の関数としての、スラリー5050中のある種の産物の濃度の増加についての情報を用いて、原料の材料の特定のクラスについて滞留時間を決定することができる。
【０３９１】
ある態様において、原料スラリー5050の酸化の間に、一種以上の化学剤を酸化リアクターに導入することによって、スラリーpHの調整を行うことができる。例えば、ある態様において、酸化は約9〜11のpH範囲において、最も効果的に起こる。この範囲にpHを維持するためには、アルカリおよびアルカリ土類金属水酸化物、炭酸塩、アンモニア、およびアルカリ性緩衝剤等の剤を酸化リアクターに導入することができる。
【０３９２】
酸化の間のスラリー5050の循環は、酸化剤5160および原料の間の十分な接触を確実とするのに重要であり得る。スラリーの循環は種々の技術を用いて達成することができる。例えば、いくつかの態様において、インペラーブレードまたはパドルホイールを含む機械的攪拌装置を酸化リアクターにおいて実装することができる。ある態様において、酸化リアクターはループリアクターとすることができ、原料を懸濁させる水性溶媒はリアクターの底から同時に排出され、ポンピングを介してリアクターの頂に再度循環させ、それにより、スラリーは連続的に再度混合され、リアクター内に淀まないことを保証する。
【０３９３】
原料の酸化が完了した後、スラリーは分離装置まで輸送され、そこで、機械的分離工程5080を行う。典型的には、機械的分離工程5080は、固体および液体構成要素を機械的に分離するためのスラリーの益々微細となる濾過の1つ以上のステージを含む。
【０３９４】
液相5090は固相5100から分離され、2つの相はその後独立して処理される。固相5100は、任意で、例えば、乾燥装置中で乾燥工程5120を受けることができる。乾燥工程5120は、例えば、固体材料を乾燥表面に機械的に分散させ、次いで、固体材料の穏やかな加熱によって水を固相5100から蒸発させることを含みうる。乾燥工程5120に続き（あるいは別法として、乾燥工程5120を受けることなく）、固相5100は、さらなる処理工程5140のために輸送される。
【０３９５】
液相5090は、任意で、乾燥工程5110を受けて、液相中の水の濃度を低下させることができる。いくつかの態様において、例えば、乾燥工程5110は、液体の穏やかな加熱による、液相5090からの水の蒸発および/または蒸留および/または抽出を含むことができる。別法として、あるいは加えて、一つまたは複数の化学乾燥剤を用いて、液相5090から水を除去することができる。乾燥工程5110に続き（または別法として、乾燥工程5110を受けることなく）、液相5090をさらなる処理工程5130に輸送することができ、該工程は化学的および/または酵素的加水分解などの種々の化学的および生物学的処理工程を含むことができる。
【０３９６】
乾燥工程5110は、比較的低い濃度の酸および塩基などの溶解された化学剤を含む可能性がある水溶液である、廃棄物ストリーム5220を生じさせる。廃棄物ストリーム5220の処理は、例えば、一つまたは複数の鉱酸または塩基でのpH中和を含み得る。廃棄物ストリーム5220中の溶解した塩の濃度に依存して、溶液は（例えば、廃棄物ストリームをイオン交換系を通過させることによって）部分的に脱イオン化することができる。次いで、主として水を含む廃棄物ストリームを（例えば、水5150として）全プロセスに再度循環させ、もう1つのプロセスに向ける、または排出することができる。
【０３９７】
典型的には、分離工程5070の後のリグノセルロースバイオマス原料では、液相5090が種々の可溶性多糖およびオリゴ糖を含み、次いで、さらなる処理工程を介して、より小さな鎖の糖に分離させる、および/または低減することができる。固相5100は、典型的には、例えば、より少量のヘミセルロース/およびリグニン由来産物と共に主としてセルロースを含む。
【０３９８】
いくつかの態様において、酸化は、熱分解チャンバーなどのリアクター中で上昇した温度で行うことができる。例えば、図17を再度参照すると、原料材料をフィラメント熱分解器1712中で酸化することができる。典型的な用法においては、酸化キャリアガス、例えば、空気または空気/アルゴン混合物は、試料ホルダー1713を通って移動し、一方、抵抗加熱エレメントは回転を受け、所望の温度、例えば325℃に加熱される。適切な時間、例えば、5〜10分の後に、酸化された材料は、試料ホルダーから排出される。図2に示されたシステムは評価し、連続的とすることができる。例えば、加熱部材としてのワイヤーよりはむしろ、加熱部材はオーガスクリューとすることができる。材料は試料ホルダーに連続的に落下し、材料を熱分解する加熱されたスクリューに当たることができる。同時に、スクリューは試料ホルダーから酸化された材料を押し出すことができ、新しい酸化されていない材料の進入を可能とする。
【０３９９】
図18を再度参照すると、原料材料はキュリー点加熱器1820中で酸化することができる。典型的な用法において、酸化キャリアガスは試料チャンバー1821を通って移動し、他方、箔1822は印加されたRF場によって誘導的に加熱されて、所望の温度で材料を酸化する。
【０４００】
再度図19を参照すると、原料材料は炉熱分解器130中で酸化することができる。典型的な用法において、試料は（矢印137によって示されるように）炉132のホットゾーン135まで降下し、他方、酸化キャリアガスはハウジング136を満たし、試料ホルダー131を通って通過する。試料は所望の時間所望の温度で加熱されて、酸化された産物を提供する。酸化された産物は、（矢印134によって示されるように）試料ホルダーを上昇させることによって熱分解器から除去される。
【０４０１】
再度図20を参照すると、原料材料は、過酸化物などのオキシダントと共に、セルロース標的140を形成し、次いで、レーザー光、例えば、約225nm〜約1600nmの波長を有する光で、真空チャンバー141に収容された標的を処理することによって酸化することができる。示された光学立体配置は、真空チャンバー141中のレンズ146を通過した後に、レーザー142によって生じた単色光143が鏡144および145を用いて標的に向けられるのを可能とする。典型的には、真空チャンバー中の圧力は約10-6mm Hg未満に維持される。いくつかの態様において、赤外線放射、例えば、Nd-YAGレーザーからの1.06ミクロン放射を用いる。そのような態様において、赤外線感受性染料をセルロース材料と合わせて、セルロース標的を生じさせることができる。赤外染料はセルロース材料の加熱を増強させることができる。ポリマーのレーザー処理は、米国特許第5,942,649号中でBlanchet-Fincher et al.によって記載させている。
【０４０２】
再度図21を参照すると、原料材料は、材料が真空チャンバー151に収容されている間、所望のセルロース材料で、過酸化物などのオキシダントと共にタングステンフィラメント150をコーティングすることによって迅速に酸化することができる。酸化を行うためには、電流をフィラメントに通し、これは所望の時間のフィラメントの迅速な加熱を引き起こす。典型的には、加熱は、フィラメントを冷却する前に数秒間継続する。いくつかの態様において、加熱を多数回行って、所望の量の酸化を行うことができる。
【０４０３】
再度図12を参照すると、いくつかの態様において、原料材料を音および/または空洞化の助けを借りて酸化することができる。一般に、酸化を行うためには、材料を、酸素で飽和された水、または過酸化水素などの他の化学オキシダントなどの酸化環境中で音波処理する。
【０４０４】
再度図9および10を参照すると、ある態様において、電離放射線を用いて、原料材料の酸化を助ける。一般に、酸化を行うためには、材料を空気または酸素などの酸化環境において照射する。例えば、ガンマ放射線および/または電子線放射線を使用して、材料を照射することができる。
【０４０５】
他のプロセス
蒸気爆発は、本明細書において記載されたプロセスのいずれとも組み合わせず単独で、あるいは本明細書において記載されたプロセスのいずれかと組み合わせて、用いることができる。
【０４０６】
図23は、繊維状材料401（これは次いで加水分解および変換され、例えば発酵され、産物を生じる）を作製するための剪断および蒸気爆発を含むプロセスによって、繊維源400を産物450（例えばエタノール）に変換する全プロセスの概観を示す。繊維源は、少なくとも1つの剪断プロセスおよび少なくとも1つの蒸気爆発プロセスを含めた多数の可能な方法により繊維状材料401に変換することができる。
【０４０７】
例えば、1つのオプションは、繊維源の剪断に続いて、任意のスクリーニング工程および任意のさらなる剪断工程を行って、剪断繊維源402を生じさせ、次いで、これを蒸気爆発させて繊維状材料401を生じさせることを含む。場合により、蒸気爆発プロセスに続いて繊維回収プロセスを行って、蒸気爆発プロセスから得られた液体すなわち「液状物」404を除去する。剪断繊維源を蒸気爆発させることから得られる材料は、さらに、任意のさらなる剪断工程および/または任意のスクリーニング工程によって剪断することができる。
【０４０８】
もう1つの方法において、繊維状材料401を、まず、蒸気爆発させて、蒸気爆発繊維源410を得る。次いで、得られた、蒸気爆発繊維源を任意の繊維回収プロセスに提供して、液体すなわち液状物を除去する。得られた蒸気爆発繊維源を次に剪断し、繊維状材料を得ることができる。蒸気爆発繊維源は、1回もしくは複数の任意のスクリーニング工程および/または1回もしくは複数の任意のさらなる剪断工程に供することもできる。繊維源を剪断しかつ蒸気爆発させて、剪断され蒸気爆発された繊維状材料を生じさせるプロセスをさらに以下に議論する。
【０４０９】
剪断または蒸気爆発に先立って、繊維源を紙吹雪状（confetti）材料の切片または細片に切断することができる。剪断プロセスは乾燥状態（例えば、吸着水0.25重量パーセント未満）で、含水状態で、または材料を水もしくはイソプロパノールなどの液体に部分的にもしくは完全に沈ませた状態でも行うことができる。該プロセスは、最適には、さらなる乾燥剪断または蒸気爆発の工程を可能とするために、蒸気爆発または剪断後に産出物を乾燥する工程を含むことができる。剪断、スクリーニング、および蒸気爆発の工程は種々の化学溶液の存在下でまたは非存在下で行うことができる。
【０４１０】
蒸気爆発プロセスにおいて、繊維源または剪断繊維源は高圧下で蒸気と接触し、蒸気は繊維源の構造（例えば、リグノセルロース構造）内に拡散する。次いで、蒸気を高圧下で凝縮させ、それにより、繊維源を「湿ら」せる。繊維源中の水分は繊維源中の全てのアセチル基（例えば、ヘミセルロース画分におけるアセチル基）を加水分解することができ、酢酸およびウロン酸などの有機酸を形成する。次に、これらの酸がヘミセルロースの脱重合を触媒することができ、キシランおよび限定された量のグルカンを放出する。次いで、圧力が解放されると、「湿らせた」繊維源（または剪断繊維源等）が「爆発」する。凝縮された水分が急激な圧力減少により瞬時に蒸発し、水蒸気の膨張が繊維源（または剪断繊維源等）に対して剪断力をかける。十分な剪断力は、繊維源の内部構造（例えば、リグノセルロース構造）の機械的破壊を引き起こす。
【０４１１】
次いで、剪断され蒸気爆発された繊維状材料をエタノールなどの有用な産物に変換する。いくつかの態様において、繊維状材料は燃料に変換される。繊維状材料を燃料に変換する1つの方法は、発酵性の糖412を生じさせるための加水分解によるものであり、次いで、これは発酵されて産物を生じる。繊維状材料を燃料に変換するその他の公知のおよび未知の方法を用いることもできる。
【０４１２】
いくつかの態様において、微生物を混合する前に、剪断され蒸気爆発された繊維状材料401を滅菌して、繊維状材料に存在し得る全ての競合微生物を死滅させる。例えば、繊維状材料を赤外線や紫外線などの輻射線またはガンマ線などの電離放射線に曝露することによって、繊維状材料を滅菌することができる。微生物は、漂白剤（例えば、次亜塩素酸ナトリウム）、クロルヘキシジン、またはエチレンオキサイドなどの化学滅菌剤を用いて死滅させることもできる。
【０４１３】
剪断され蒸気爆発された繊維状材料を加水分解する1つの方法は、セルラーゼの使用によるものである。セルラーゼは、相乗的に作用してセルロースを加水分解する酵素の群である。リグノセルロースバイオマスを還元して発酵可能な糖にする酵素の複合体を含有する商業的に入手可能なAccellerase（商標）1000も用いることができる。
【０４１４】
現在の理解によると、セルラーゼの成分はエンドグルカナーゼ、エキソグルカナーゼ（セロビオヒドロラーゼ）、およびb-グルコシダーゼ（セロビアーゼ）を含む。2種類またはそれ以上の成分の組み合わせによる加水分解が、個々の成分によって表される活性の総和を超える場合、セルラーゼ成分の間の相乗作用が存在する。結晶性セルロースに対するセルラーゼ系（特に、T. ロンギブラキアタム（longibrachiatum）の)一般的に認められたメカニズムとは以下である：エンドグルカナーゼがアモルファス領域の内部β-1,4-グリコシド結合を加水分解し、それにより、露出する非還元末端の数を増加させる。次いで、エキソグルカナーゼが非還元末端からセロビオース単位を切断し、これは、次に、b-グルコシダーゼにより個々のグルコース単位まで加水分解される。立体特異性が異なるエンドグルカナーゼおよびエキソグルカナーゼ双方のいくつかの立体配置がある。一般に、最適なセルロース加水分解には、種々の立体配置における成分の相乗作用が必要である。しかしながらセルラーゼは、セルロースのアモルファス領域を加水分解する傾向がより大きい。結晶化度と加水分解速度の間には線形関係が存在し、それにより、より高い結晶化度指標はより遅い酵素加水分解速度に対応する。セルロースのアモルファス領域は結晶性領域の2倍の速度で加水分解する。剪断されおよび蒸気爆発された繊維状材料の加水分解は任意の加水分解バイオマスプロセスによって行うことができる。
【０４１５】
バイオマスの蒸気爆発は、時々、微生物および酵素活性に対して阻害性である副産物、例えば、毒物の形成を引き起こす。従って、剪断され蒸気爆発された繊維状材料を燃料に変換するプロセスは任意で、毒物の一部を沈殿させるための発酵に先立ってオーバーライミング工程を含む。例えば、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)を加えることによって、剪断され蒸気爆発された繊維状材料のpHを上昇させpH10を超えさせることができ、続いて、H2SO4を加えることによってpHを約5まで降下させる工程を行う。次いで、オーバーライミングされた繊維状材料を、沈殿の除去なしでそのまま用いることができる。図23に示すように、任意のオーバーライミング工程は剪断され蒸気爆発された繊維状材料の加水分解の工程の直前に行うが、加水分解工程の後で発酵工程の前にオーバーライミング工程を行うことも考えられる。
【０４１６】
図24は蒸気爆発装置460の例を示す。蒸気爆発装置460は、反応チャンバー462を含み、ここで、繊維源および/または繊維状材料は繊維源入口464を通って配置された。反応チャンバーは、繊維源入口バルブ465を閉じることによってシールされる。反応チャンバーは、さらに、スチームバルブ467を含む圧縮蒸気入口466を含む。反応チャンバーは、さらに、連結パイプ472を通じてサイクロン470と連絡した出口バルブ469を含む爆発的減圧出口468を含む。反応チャンバーが繊維源および/または剪断繊維源を含み、かつ閉鎖バルブ465、467および469によってシールされると、スチームバルブ467を開いて蒸気入口466を通して蒸気を移動させることによって、蒸気が反応チャンバー462に送達される。反応チャンバーが標的温度に達したら（これには約20〜60秒を要し得るが）、保持時間を開始する。反応温度は、（典型的には約10秒〜5分継続する）所望の保持時間の間、標的温度に保持される。保持時間の期間の最後に、出口バルブを開いて、爆発的減圧を起こす。爆発的減圧のプロセスにより、反応チャンバー462の内容物は、爆発的減圧出口468を出て、連結パイプ472を通って、サイクロン470へと進む。次いで、残りの蒸気の多くがサイクロンを出て排気口476を通って大気に入るのに伴い、蒸気爆発繊維源または繊維状材料はスラッジの形態でサイクロンを出て収集ビン474に入る。蒸気爆発装置は、さらに、連結パイプ472と連絡する洗浄出口バルブ479を備えた洗浄出口478を含む。洗浄出口バルブ479は、蒸気爆発のための蒸気爆発装置460を用いている間は閉じるが、反応チャンバー462の洗浄の間は開く。反応チャンバー462の標的温度は、好ましくは、180〜240℃の間または200〜220℃の間である。保持時間は、好ましくは、10秒〜30分の間、または30秒〜10分の間、または1分〜5分の間である。
【０４１７】
蒸気爆発プロセスにより、蒸気爆発繊維状材料のスラッジが得られるので、蒸気爆発繊維状材料は、任意で、繊維回収プロセスを伴うことができ、ここで、蒸気爆発繊維状材料から「液状物」が分離される。この繊維回収工程は、さらなる剪断および/またはスクリーニングプロセスを可能にしかつ繊維状材料を燃料へ変換させることができるという点で、助けとなる。繊維回収プロセスは、繊維を液状物から分離するためのメッシュクロスの使用を介して行う。その後の処理のための繊維状材料または蒸気爆発繊維源を調製するために、さらなる乾燥プロセスを含めることもできる。
【０４１８】
本明細書において記載された任意の処理技術を、地球に限られた通常の大気圧を超えるかまたはそれ未満の圧力で用いることができる。例えば、糖質を含む材料を提供するための輻射線照射、音波処理、酸化、熱分解、蒸気爆発、またはこれらのプロセスの任意の組み合わせを利用する任意のプロセスは、高圧下で行うことができ、これにより反応速度を増大させることができる。例えば、任意のプロセスまたはプロセスの組み合わせを、約25MPaよりも大きな、例えば、50MPa、75MPa、100MPa、150MPa、200MPa、250MPa、350MPa、500MPa、750MPa、1,000MPaよりも大きな、または1,500MPaよりも大きな圧力で行うことができる。
【０４１９】
照射、音波処理、および酸化デバイスの組み合わせ
いくつかの態様において、2つまたはそれ以上の別々の照射デバイス、音波処理デバイス、熱分解デバイスおよび/または酸化デバイスを単一のハイブリッドマシンとして組み合わせるのが有利でありうる。そのようなハイブリッドマシンでは、多数のプロセスを近位に並列してまたは同時に行うことができ、これには前処理スループットの増加および潜在的なコスト削減という利益を伴う。
【０４２０】
例えば、電子線照射および音波処理のプロセスを考える。各別々のプロセスは、一桁分またはそれ以上、および連続的に行う場合は数桁分、セルロース材料の平均分子量を減少させるのに有効である。
【０４２１】
照射および音波処理の双方のプロセスは、図25に示されたようなハイブリッド電子線/音波処理デバイスを用いて適用することができる。ハイブリッド電子線/音波処理デバイス2500は、過酸化水素またはカーバミドペルオキサイドなどの水性オキシダント媒体に分散されたセルロース材料のスラリー2550の浅いプール（深さ約3〜5cm）の上方に描かれている。ハイブリッド電子線/音波処理デバイス2500はエネルギー源2510を有し、これは電子線エミッター2540および音波処理ホーン2530の双方に電力を与える。
【０４２２】
電子線エミッター2540は、電子線照準デバイス2545を通過してセルロース材料のスラリー2550に衝突する電子線を生じさせる。電子線照準デバイスは、セルロース材料のスラリー2550の表面に対しほぼ平行な方向で最大約6フィートの範囲にわたって電子線を掃引するスキャナーであり得る。
【０４２３】
電子線エミッター2540のどちらの側にも音波処理ホーン2530があり、これは、超音波エネルギーをセルロース材料のスラリー2550に送達する。音波処理ホーン2530は、セルロース材料のスラリー2550と接触した着脱可能なエンドピース2535で終わる。
【０４２４】
音波処理ホーン2530は、電子線照射への長期残存曝露から損傷を受ける危険性がある。したがって、ホーンを、例えば、電子線照射を通さない鉛またはリポビッツ（Lipowitz）金属などの重金属含有合金から作製された標準シールド2520で保護することができる。しかしながら、超音波エネルギーがシールドの存在によって影響されないことを確実にするよう注意を払わなければならない。着脱可能なエンドピース2535は同一材料で構成されてホーン2530に取り付けられ、セルロース材料2550と接触するように用いられ、かつ損傷されると予想されている。従って、着脱可能なエンドピース2535は容易に取り外し可能なように構成される。
【０４２５】
そのような同時電子線および超音波プロセスのさらなる利点は、2つのプロセスが相補的な結果を有することである。電子線照射単独では、不十分な線量によりセルロース材料中のポリマーの一部の架橋がもたらされ、これは全脱重合プロセスの効率を低下させる。より低い線量の電子線照射および/または超音波照射を用いて、電子線照射および音波処理を別々に用いて達成されるのと同様な程度の脱重合を達成することもできる。
【０４２６】
電子線デバイスは一つまたは複数の高周波ローター-ステーターデバイスの一つまたは複数と組み合わせることもでき、これは超音波エネルギーデバイスに対する代替法として用いることができ、同様な機能を実行する。
【０４２７】
デバイスのさらなる組み合わせも可能である。例えば、60Coペレットから発せられたガンマ線を生じる電離放射線デバイスは、電子線源および/または超音波源と組み合わせることができる。シールディング要件はこの場合にはより厳格でありうる。
【０４２８】
先に議論したバイオマスを前処理するための輻射線デバイスを一つまたは複数の連続熱分解処理を行う一つまたは複数のデバイスと組み合わせることもできる。そのような組み合わせも、より高いスループットの利点を有することができる。それにも拘わらず、注意が必要である。というのは、いくつかの照射プロセスと熱分解の間には矛盾する要件がありうるからである。例えば、超音波照射デバイスでは原料が液体酸化媒体中に浸漬されることが必要であり得る。他方、既に議論したように、熱分解を受ける原料の試料にとって特定の水分含有量であることは有利でありうる。この場合、新しいシステムは特定の水分含有量について自動的に測定およびモニターし、それを調節する。さらに、前記デバイスの一部または全て、特に熱分解デバイスは、先に議論したように酸化デバイスと組み合わせることができる。
【０４２９】
一次プロセス
発酵
一般に、種々の微生物は、例えば、前処理されたバイオマス材料の発酵に作用することによって、燃料などの多数の有用な産物を生産することができる。例えば、アルコール、有機酸、炭化水素、水素、タンパク質、またはこれらの材料のうちのいずれかの混合物は発酵または他のプロセスによって生産することができる。
【０４３０】
微生物は天然微生物または操作された微生物であり得る。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、例えば海藻、原生動物、または真菌様原生生物、例えば粘菌であり得る。生物が適合性を有する場合、生物の混合物を利用することができる。
【０４３１】
セルロースを含む材料の分解を助けるために、一つまたは複数の酵素、例えばセルロース分解酵素を利用することができる。いくつかの態様において、セルロースを含む材料を、例えば材料および酵素を水溶液中で混合することによって、まず酵素で処理する。次いで、この材料を微生物と混合することができる。他の態様において、セルロース、一つまたは複数の酵素、および微生物を含む材料を、例えば水溶液中で混合することによって同時に混合する。
【０４３２】
また、セルロースを含む材料の分解を助けるために、照射後に材料を熱、化学物質（例えば、鉱酸、塩基、または次亜塩素酸ナトリウムなどの強酸化剤）、および/または酵素で処理することができる。
【０４３３】
発酵の際、セルロース分解性加水分解または糖化工程から放出された糖を、酵母などの発酵微生物によって、例えばエタノールまで発酵する。適切な発酵微生物は、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などの糖質を発酵産物に変換する能力を有する。発酵微生物は、サッカロミセス（Sacchromyces）属、例えば、サッカロミセス・セレビシエ（Sacchromyces cerevisiae）（パン酵母）、サッカロミセス・ディアスタティクス（Saccharomyces distaticus）、サッカロミセス・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）；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（Philippidis, G.P., 1996, Cellulose bioconversion technology, in Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman,C.E., ed., Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212）。
【０４３４】
商業的に入手可能な酵母は、例えば、（Red Star/Lesaffre, USAから入手可能な）Red Star（登録商標）/Lesaffre Ethanol Red、（Fleischmann's Yeast、Burns Philip Food Inc., USAの事業部から入手可能な）FALI（登録商標）、（Alltechから入手可能な）SUPERSTART（登録商標）、（Gert Strand AB, Swedenから入手可能な）GERT STRAND（登録商標）、および（DSM Specialtiesから入手可能な）FERMOL（登録商標）を含む。
【０４３５】
バイオマスをエタノールおよび他の産物に発酵することができる細菌は、例えば、ザイモモナス・モビリス（Zymomonas mobilis）およびクロストリジウム・サーモセラム（Clostridium thermocellum） (Philippidis, 1996、上記)を含む。Leschine et al. (International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 2002, 52, 1155-1160)は、森林の土壌由来の嫌気性中温性セルロース分解細菌であるクロストリジウム・フィトファーメンタンス（Clostridium phytofermentans）sp. nov.を単離したが、これは、セルロースをエタノールに変換する。
【０４３６】
バイオマスのエタノールおよび他の産物への発酵は、T. マスラニイ（mathranii）を含むサーモアナエロバクター（Thermoanaerobacter）種およびピキア（Pichia）種などの酵母種などの、ある種の好熱性のまたは遺伝子的に操作された微生物を用いて行うことができる。T. mathraniiの株の例は、Sonne-Hansen et al. (Applied Microbiology and Biotechnology 1993, 38, 537-541)またはAhring et al. (Arch. Microbiol. 1997, 168, 114-119)に記載されたA3M4である。
【０４３７】
酵母およびザイモモナス（Zymomonas）細菌を、発酵または変換のために用いることができる。酵母についての最適pHは約pH4〜5であり、他方、Zymomonasについての最適pHは約pH5〜6である。典型的な発酵時間は26℃〜40℃の範囲の温度で約24〜96時間であるが、好熱性微生物はより高い温度を好む。
【０４３８】
糖化の間にセルロースなどのバイオマスを分解してグルコースなどのより低分子量の糖質含有材料にする酵素を、セルロース分解酵素またはセルラーゼという。これらの酵素は、相乗的に作用して結晶性セルロースを分解する酵素の複合体であり得る。セルロース分解酵素の例は、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）を含む。セルロース基質は、まず、無作為位置においてエンドグルカナーゼによって加水分解されて、オリゴマー中間体を生産する。次にこれらの中間体は、セルロースポリマーの末端からセロビオースを生じさせるためのセロビオヒドロラーゼなどのエキソ-開裂グルカナーゼに対する基質となる。セロビオースはグルコースの水溶性β-1,4-連結ダイマーである。最後に、セロビアーゼはセロビオースを切断して、グルコースを作製する。
【０４３９】
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。適切な酵素は、バチルス（Bacillus）属、シュードモナス（Pseudomonas）属、フミコラ（Humicola）属、フザリウム（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、かつHumicola、コプリナス（Coprinus）、Thielavia、Fusarium、ミセリオフトラ（Myceliophthora）、Acremonium、セファロスポリウム（Cephalosporium）、シタリジウム（Scytalidium）、 ペニシリン（Penicillium）、またはアスペルギルス（Aspergillus）の種（例えば、EP 458162）を含み、特にフミコラ・インソレンス（Humicola insolens）（シタリジウム・サーモフィルム（Scytalidium thermophilum）として再分類された；例えば、米国特許第4,435,307号参照）、コプリヌス・シネレウス（Coprinus cinereus）、フザリウム・オキシスポルム（Fusarium oxysporum）、ミセリオフトラ・サーモフィラ（Myceliophthora thermophila）、メリピウス・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（Acremonium）種、アクレモニウム・ペルシシナム（Acremonium persicinum）、アクレモニウム・アクレモニウム（Acremonium acremonium）、アクレモニウム・ブラシペニウム（Acremonium brachypenium）、アクレモニウム・ジクロモスポルム（Acremonium dichromosporum）、アクレモニウム・オブクラバタム（Acremonium obclavatum）、アクレモニウム・ピンケルトニエ（Acremonium pinkertoniae）、アクレモニウム・ロセオグリセウム（Acremonium roseogriseum）、アクレモニウム・インコロラタム（Acremonium incoloratum）、およびアクレモニウム・フラタム（Acremonium furatum）から選択された株；好ましくは、種Humicola insolens DSM 1800、Fusarium oxysporum DSM 2672、Myceliophthora thermophila CBS 117.65、 Cephalosporium種 RYM-202、Acremonium種 CBS 478.94、Acremonium種 CBS 265.95、Acremonium persicinum CBS 169.65、Acremonium acremonium AHU 9519、Cephalosporium種 CBS 535.71、Acremonium brachypenium CBS 866.73、Acremonium dichromosporum CBS 683.73、Acremonium obclavatum CBS 311.74、Acremonium pinkertoniae CBS 157.70、Acremonium roseogriseum CBS 134.56、Acremonium incoloratum CBS 146.62、およびAcremonium furatum CBS 299.70Hから選択される株によって生産されたものを含む。セルロース分解酵素はChrysosporium、好ましくは、クリソスポリウム・ラクノウェンス（Chrysosporium lucknowense）の株から得ることもできる。加えて、Trichoderma（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Bacillus（例えば、米国特許第3,844,890号およびEP 458162参照）、およびStreptomyces（例えば、EP 458162参照）を用いることができる。
【０４４０】
嫌気性セルロース分解細菌もまた、土壌から単離されており、例えばClostiridiumの新規セルロース分解種であるClostridium phytofermentans sp. nov.が挙げられる（Leschine et. al, International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (2002), 52, 1155-1160参照）。
【０４４１】
組換え技術を用いるセルロース分解酵素を用いることもできる（例えば、WO 2007/071818およびWO 2006/110891参照）。
【０４４２】
用いるセルロース分解酵素は、当技術分野で公知の手法を用い、適切な炭素および窒素の供給源および無機塩を含有する栄養培地上での前記微生物株の発酵によって生産することができる（例えば、Bennett, J.W. and LaSure, L. (eds.), More Gene Manipulations in Fungi, Academic Press, CA 1991参照）。適切な培地は商業的供給業者から入手可能であるか、あるいは（例えば、American Type Culture Collectionのカタログ中の）公表された組成に従って調製することができる。増殖およびセルラーゼ生産に適した温度範囲および他の条件は、当技術分野で知られている（例えば、Bailey, J.E., and Ollis, D.F., Biochemical Engineering Fundamentals, McGraw-Hill Book Company, NY, 1986参照）。
【０４４３】
セルラーゼによるセルロースの処理は、通常、30℃〜65℃の間の温度で行う。セルラーゼは約3〜7のpHの範囲にわたって活性である。糖化工程は最大120時間継続することができる。セルラーゼ酵素用量は、十分高レベルのセルロース変換を達成する。例えば、適切なセルラーゼ用量は、典型的には、セルロース1グラムあたり5.0〜50濾紙単位（FPUまたはIU）の間である。FPUは標準的測定であり、Ghoseに従って定義され、測定される (1987, Pure and Appl. Chem. 59:257-268)。
【０４４４】
ガス化
原料の前処理のための熱分解を用いることに加えて、前処理された原料を処理して有用な材料を抽出するために熱分解を用いることもできる。特に、ガス化として公知の熱分解の一形態を使用して、種々の他の気体、液体、および固体の産物と共に燃料ガスを生じさせることができる。ガス化を行うために、前処理原料を熱分解チャンバーに導入し、高温、典型的には700℃以上まで加熱する。用いる温度は、原料および所望の産物の性質を含めた多数の因子に依存する。
【０４４５】
ガス化を容易にするため、多量の（例えば、純粋な酸素ガスとしてのおよび/または空気としての）酸素および蒸気（例えば、過熱蒸気）もまた熱分解チャンバーに加える。これらの化合物は複数工程反応において炭素含有原料材料と反応し、合成ガス（または「合成ガス（syngas）」）と呼ばれるガス混合物を生じる。本質的には、ガス化の間に、一部の原料材料を燃焼させて一酸化炭素を形成しかつプロセス熱を生じさせるために、限定量の酸素を熱分解チャンバーに導入する。次いで、プロセス熱を用いて、さらなる原料材料を水素および一酸化炭素に変換する第二の反応を促進する。
【０４４６】
全反応の最初の工程において、原料材料の加熱により、広範な異なる炭化水素ベースの種を含むことができる炭化物（char）が生じる。ある種の揮発性材料（例えば、ある種のガス性炭化水素材料）を生じさせることができ、その結果、原料材料の全重量が低減する。従って、反応の第二の工程において、第一の工程で生じた揮発性材料の一部が燃焼反応において酸素と反応して、一酸化炭素および二酸化炭素の両方を生じる。燃焼反応は熱を放出し、これは、反応の第三の工程を促進する。第三の工程において、二酸化炭素および蒸気（例えば、水）は第一の工程で生じた木炭と反応して、一酸化炭素および水素ガスを形成する。一酸化炭素を水ガスシフト反応において蒸気と反応させて、二酸化炭素およびさらなる水素ガスを形成することもできる。
【０４４７】
例えばその後の輸送および/または販売のために、ガス化を一次プロセスとして用いて、前処理された原料から直接的に産物を生じさせることができる。代替的にあるいは追加的に、全処理システム用の燃料を作製するための補助的プロセスとして、ガス化を用いることができる。ガス化プロセスを介して生じる水素に富む合成ガスを燃焼させ、例えば電気および/またはプロセス熱を生じさせることができ、これを処理システム中の他の位置での使用に向けることができる。その結果、全処理システムを少なくとも部分的に自律型とすることができる。ガス化の間におよび/またはガス化の後に熱分解油およびガス状炭化水素ベースの物質を含めた多数の他の産物を得ることもでき；これらを任意で分離し、かつ貯蔵または輸送することができる。
【０４４８】
本明細書において開示された熱分解チャンバーを含め、種々の異なる熱分解チャンバーは、前処理原料のガス化に適している。特に、前処理原料が蒸気中および酸素/空気中で流体化される流動床リアクターシステムは、産物の比較的高いスループットおよび直接的回収を提供する。その後のガス化反応を促進するためのさらなるプロセス熱を生じさせるために流動床システムにおいて（または他の熱分解チャンバーにおいて）ガス化後に残存する固体木炭を燃焼させることができる。
【０４４９】
後処理
蒸留
発酵の後、得られた流体を例えば「ビア（beer）カラム」を用いて蒸留して、エタノールおよび他のアルコールを水および残留固体の大部分から単離することができる。ビアカラムから出る蒸気は35重量%エタノールであり得、これを精留カラムに供給することができる。精留カラムからのほぼ共沸性の（92.5%）エタノールと水の混合物を、蒸気相分子ふるいを用いて純粋な（99.5%）エタノールまで精製することができる。ビアカラムの底を三重効用（three-effect）エバポレーターの第1効用に送ることができる。精留カラム還流コンデンサーはこの第1効用に対して熱を提供することができる。第1効用の後、遠心機を用いて固体を分離し、回転乾燥機中で乾燥することができる。遠心機流出物の一部（25%）を発酵に再利用し、残りをエバポレーターの第2効用および第3効用に送ることができる。低沸点化合物の形成を防ぐための廃水処理に対する分離物（split off）の割合が小さなかなりクリーンな凝縮物として、エバポレーター凝縮物のほとんどをプロセスに戻すことができる。
【０４５０】
廃水処理
廃水処理を用いて、プラント内で再使用するためのプロセス水を処理することによってプラントの補給水要件を最小化する。廃水処理により、エタノール生産プロセスの全効率を改良するために用いることができる燃料（例えば、スラッジおよびバイオガス）を作製することもできる。例えば、後にさらに詳細に記載するように、スラッジおよびバイオガスを用いて、種々のプラントプロセスで用いることができる蒸気および電気を生じさせることができる。
【０４５１】
廃水をまず、スクリーン（例えば、バースクリーン）を通してポンプ送液して、ホッパーに収集される大きな粒子を除去する。いくつかの態様において、大きな粒子をごみ埋め立て地に送る。追加的にあるいは代替的に、以下にさらに詳細に記載するように、大きな粒子を燃焼させて蒸気および/または電気を生じさせる。一般に、バースクリーン上の間隔は1/4インチ〜1インチ間隔（例えば、1/2インチ間隔）である。
【０４５２】
次いで、廃水を均等化タンクまで流し、ここで、滞留時間の間に廃水の有機濃度を均等化する。一般に、滞留時間は8時間〜36時間（例えば、24時間）である。ミキサーを該タンク内に配置して、該タンクの内容物を攪拌する。いくつかの態様において、該タンク全体に配置された複数のミキサーを用いて、該タンクの内容物を攪拌する。ある態様において、ミキサーは、該タンク全体での条件（例えば、廃水濃度および温度）が均一となるように、均等化タンクの内容物を実質的に混合する。
【０４５３】
第一のポンプは水を均等化タンクから液体対液体熱交換器を通って移動させる。熱交換器は、熱交換器から出る廃水が嫌気性処理のために望ましい温度であるように、（例えば、熱交換器を通る流体の流速を制御することによって）制御される。例えば、嫌気性処理のための所望の温度は40℃〜60℃の間とすることができる。
【０４５４】
熱交換器から出た後、廃水は一つまたは複数の嫌気性リアクターに入る。いくつかの態様において、各嫌気性リアクター中のスラッジの濃度は廃水中のスラッジの全濃度と同一である。他の態様において、嫌気性リアクターは廃水中のスラッジの全濃度よりも高い濃度のスラッジを有する。
【０４５５】
窒素およびリンを含有する栄養液を、廃水を含有する各嫌気性リアクターに計量しながら供給する。栄養液は嫌気性リアクター中のスラッジと反応してバイオガスを生じ、これは50%メタンを含有でき、1ポンドあたりほぼ12,000英国熱量単位すなわちBtuの発熱量を有することができる。バイオガスは排気口を通って各嫌気性リアクターを出て、マニフォールドに流入し、ここで、複数のバイオガスストリームを合わせて1つのストリームとする。後にさらに詳細に記載するように、コンプレッサーはバイオガスのストリームをボイラーまたは燃焼エンジンまで移動させる。いくつかの態様において、コンプレッサーはまた、脱硫化触媒を通じてバイオガスの単一ストリームを移動させる。追加的にあるいは代替的に、コンプレッサーはバイオガスの単一ストリームを沈積トラップを通して移動させることができる。
【０４５６】
第二のポンプは嫌気性流出物を嫌気性リアクターから一つまたは複数の好気性リアクター（例えば、活性化されたスラッジリアクター）に移動させる。エアレーターを各好気性リアクター内に設けて、嫌気性流出物、スラッジ、酸素（例えば、空気中に含有される酸素）を混合する。各好気性リアクター内では、嫌気性流出物中の細胞材料の酸化は二酸化炭素、水およびアンモニアを生じさせる。
【０４５７】
好気性流出物は（例えば、重力を介して）セパレータまで移動し、ここで、スラッジが処理水から分離される。スラッジの一部は一つまたは複数の好気性リアクターに戻して、好気性リアクター中の上昇したスラッジ濃度を生じ、それにより、廃水中の細胞材料の好気性分解を容易とする。コンベアは過剰のスラッジをセパレータから除去する。後にさらに詳細に記載するように、過剰のスラッジは燃料として用いられ、蒸気および/または電気を生じる。
【０４５８】
処理水はセパレータから沈降タンクまでポンプ送液される。処理水全体に分散した固体は沈降タンクの底まで沈降し、引き続いて除去される。沈降期間後に、処理水は沈降タンクから微細なフィルターを通ってポンプ送液され、水に残存する任意のさらなる固体も除去する。いくつかの態様において、塩素を処理水に加えて、病原性細菌を殺傷する。いくつかの態様において、一つまたは複数の物理-化学分離技術を用いて処理水をさらに精製する。例えば、処理水を炭素吸着リアクターを通してポンプ送液することができる。もう1つの例として、処理水を逆浸透圧リアクターを通してポンプ送液することができる。
【０４５９】
廃棄物燃焼
バイオマスからのアルコールの産生の結果、プラントの他の部分で使用すべき蒸気および電気を生じさせるのに有用な種々の副産物ストリームが生産され得る。例えば、副産物ストリームの燃焼から生じた蒸気を蒸留プロセスで用いることができる。もう1つの例として、副産物ストリームの燃焼から生じた電気を用いて、前処理で用いる電子線ジェネレーターおよび超音波トランスデューサに電力を与えることができる。
【０４６０】
蒸気および電気を生じさせるのに用いる副産物はプロセスを通じて多数の供給源に由来する。例えば、廃水の嫌気性消化により、メタンが多く廃棄物バイオマス（スラッジ）が少ないバイオガスが生じる。もう1つの例として、蒸留後固体（例えば、前処理および一次処理から残存している未変換リグニン、セルロース、およびヘミセルロース）を燃料として用いることができる。
【０４６１】
バイオガスを、電気発生器に連結された燃焼エンジンまで迂回させて、電気を生じさせる。例えば、バイオガスを、火花点火天然ガスエンジンのための燃料源として用いることができる。もう1つの例として、バイオガスを直接噴射式天然ガスエンジンのための燃料源として用いることができる。もう1つの例として、バイオガスを燃焼タービンのための燃料源として用いることができる。追加的にあるいは代替的に、燃焼エンジンは熱電供給配置に配置することができる。例えば、燃焼エンジンからの廃熱を用いて、プラント全体に熱水または蒸気を提供することができる。
【０４６２】
スラッジおよび蒸留後固体を燃焼して、熱交換器を通って流れる水を熱する。いくつかの態様において、熱交換器を通じて流れる水を蒸発させ、過熱して蒸気とする。ある態様において、この蒸気を前処理リアクター内で、ならびに蒸留および蒸発プロセスにおける熱交換に用いる。追加的にあるいは代替的に、蒸気が膨張して、電気発生器に連結された多段階蒸気タービンに動力を与える。蒸気タービンを出る蒸気は冷却水で凝縮され、蒸気を再度加熱するための熱交換器に戻される。いくつかの態様において、熱交換器を通る水の流速を制御して、電気発生器に連結された蒸気タービンから出力された標的電気を得る。例えば、水を熱交換器に加えて、蒸気タービンが閾値条件を超えて動作することを確実にすることができる（例えば、タービンは電気発生器を回すのに十分なほど早く回転する）。
【０４６３】
特定の態様を記載してきたが、他の態様が可能である。
【０４６４】
例として、バイオガスは、電気発生器に連結された燃焼エンジンまで迂回させると記載されているが、ある態様においては、バイオガスに燃料改質装置を通過させて水素を発生させることができる。次いで、水素を燃料セルにより電気に変換する。
【０４６５】
もう1つの例として、バイオマスはスラッジおよび蒸留後固体とは別に燃焼されると記載されているが、ある態様においては、廃棄物副産物の全てを一緒に燃焼させて蒸気を生じる。
【０４６６】
産物/副産物
アルコール
生じたアルコールはモノヒドロキシアルコール、例えばエタノール、またはポリヒドロキシアルコール、例えばエチレングリコールまたはグリセリンであり得る。生産することができるアルコールの例はメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、例えばn-ブタノール、sec-ブタノール、もしくはt-ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4-ブタンジオール、グリセリン、またはこれらのアルコールの混合物を含む。
【０４６７】
プラントによって製造されるアルコールの各々は産業原料として商業的価値を有する。例えば、エタノールはワニスおよび香料の製造で用いることができる。もう1つの例として、風除けワイパー液における成分として用いる溶媒としてメタノールを用いることができる。さらにもう1つの例として、ブタノールは可塑剤、樹脂、ラッカー、およびブレーキ液として用いることができる。
【０４６８】
プラントによって製造されるバイオエタノールは、食品および飲料業界において用いられる成分として価値がある。例えば、プラントによって製造されるエタノールは食品グレードのアルコールまで精製し、アルコール飲料における一次成分として用いることができる。
【０４６９】
プラントによって製造されるバイオエタノールは輸送燃料としての商業的価値も有する。輸送燃料としてのエタノールの使用は、火花点火エンジン製造業者および所有者からの比較的小さな資本投資で実行することができる（例えば、注入タイミング、燃料対空気比率、および燃料注入システムの成分の変更）。多くの自動車製造業者が現在、最大85体積%エタノールのエタノール/ガソリンブレンドで運転可能なフレックス燃料自動車を提供している（例えば、Chevy Tahoe 4 x 4の標準装備）。
【０４７０】
このプラントによって製造されたバイオエタノールをエンジン燃料として用いて、プラントの所在地の範囲を超えた環境および経済の状況を改善することができる。例えば、このプラントによって製造されて燃料として用いられるエタノールは、合成源（例えば、輸送源）からの温室効果ガス放出を減少させることができる。もう1つの例として、このプラントによって製造されてエンジン燃料として用いられるエタノールは、油から精製されたガソリンの消費に取って代わることもできる。
【０４７１】
バイオエタノールは従来のガソリンよりも大きなオクタン価を有し、したがって、火花点火エンジンの性能を改良する（例えば、より高い圧縮比を可能にする）のに用いることができる。例えば、少量（例えば、10体積%）のエタノールをガソリンとブレンドして、火花点火エンジンで用いる燃料のためのオクタン価向上剤として作用させることができる。もう1つの例として、より大きな量（例えば、85体積%）のエタノールをガソリンとブレンドして、燃料オクタン価をさらに増大させることができかつより大きな体積のガソリンに取って代わることができる。
【０４７２】
バイオエタノール戦略は、例えば、DiPardoのJournal of Outlook for Biomass Ethanol Production and Demand (EIA Forecasts), 2002; SheehanのBiotechnology Progress, 15:8179, 1999; MartinのEnzyme Microbes Technology, 31:274,2002; GreerのBioCycle, 61-65, April 2005; LyndのMicrobiology and Molecular Biology Reviews, 66:3,506-577,2002;Ljungdahl et al.の米国特許第4,292,406号; およびBellamyの米国特許第4,094,742号において議論されている。
【０４７３】
有機酸
作製された有機酸はモノカルボン酸またはポリカルボン酸を含むことができる。有機酸の例はギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、オレイン酸、リノール酸、グリコール酸、乳酸、γ-ヒドロキシ酪酸、またはこれらの酸の混合物を含む。
【０４７４】
原料
いくつかの態様において、発酵プロセスの全てまたは一部を、セルロース材料が完全にエタノールに変換される前に中断することができる。中間発酵産物は高濃度の糖および糖質を含む。これらの中間発酵産物は、ヒトまたは動物の食用の食品の調製に用いることができる。いくつかの態様において、セルロース材料の照射前処理は中間発酵産物を滅菌する（例えば、ヒトの食用に適合させる）。いくつかの態様において、食品として用いる前に中間発酵産物の後処理が必要である。例えば、乾燥器を用いて中間発酵産物から水分を除去して、貯蔵期間、取扱い期間、および有効期限を延長することができる。追加的にあるいは代替的に、中間発酵産物をステンレス鋼実験室ミルで微細な粒子サイズまで粉砕して、粉様物質を作製することができる。
【０４７５】
動物の飼料
蒸留粕（distillers grains and solubles）を蒸留-脱水プロセスの価値ある副産物に変換することができる。蒸留-脱水プロセスの後、蒸留粕を乾燥して、材料を貯蔵し取り扱う能力を向上させることができる。得られた乾燥蒸留粕(DDGS)には、澱粉が少なく、脂肪が多く、タンパク質が多く、繊維が多く、リンが多い。したがって、例えば、DDGSは動物の飼料の供給源として（例えば、乳牛用の飼料源として）、価値を有しうる。特定のカテゴリーの動物の特定の食餌要件（例えば、ブタ食餌用の消化可能なリシンとリンのバランス）を満たすように、その後DDGSを栄養添加剤と組み合わせることができる。
【０４７６】
医薬
先に議論した前処理プロセスは医薬的特性を持つ植物に適用することができる。いくつかの態様において、音波処理により医薬的特性を持つ植物の医薬的成分の生物活性および/または生物学的利用性を促進することができる。追加的にあるいは代替的に、照射は、医薬的特性を持つ植物の医薬的成分の生物活性および/または生物学的利用性を促進する。例えば、柳の皮の前処理では音波処理および照射を組み合わせて、サリシンの生産を促進することができる。
【０４７７】
栄養補給食品
いくつかの態様において、中間発酵産物（例えば、高濃度の糖および糖質を含む産物）を補給して、栄養補給食品を作り出すことができる。例えば、中間発酵産物にカルシウムを補充して、エネルギーを提供しかつ骨の強度を改善または維持することを助ける、栄養補給食品を作り出すことができる。
【０４７８】
副産物
リグニン残渣
前記したように、一次プロセスおよび前処理プロセスからのリグニン含有残渣は、高い/中程度のエネルギー燃料として価値を有し、かつプラントプロセスにおいて用いるための動力および蒸気を発生させるために使用することができる。しかしながら、そのようなリグニン残渣は新しいタイプの固体燃料であり、プラント境界の外ではこれに対する需要はほとんどなく、輸送のためにこれを乾燥させるコストがその潜在的価値から差し引かれるだけである。いくつかの場合において、リグニン残渣のガス化によって、これをより低コストでより価値の高い産物に変換することができる。
【０４７９】
他の副産物
細胞物質、フルフラール、および酢酸はバイオマス〜燃料加工施設の潜在的副産物として同定されてきた。間質細胞物質は有用であり得るが、かなりの精製を必要とするであろう。フルフラールおよび酢酸についての市場は整っているが、それらが十分に営利化されたリグノセルロース〜エタノール産業の産出物を消費するのに十分な大きさであるとは考えにくい。
【０４８０】
実施例
以下の実施例は説明することを意図し、本開示の教示を制限するものではない。
【０４８１】
実施例1：ポリコーティングした紙からの繊維状材料の調製
20 lb/ft3の嵩密度を有する印刷されていないポリコーティングされた白色クラフトボードから作製された再生品でない半ガロンのジュース容器の1500ポンドのスキッドを、International Paperから入手した。各容器を平たく折り畳み、次いで、1時間におよそ15〜20ポンドの速度で3 hp Flinch Baughシュレッダーに供給した。シュレッダーは2つの12インチ回転ブレード、2つの固定されたブレードおよび0.30インチの排出スクリーンを備えていた。回転ブレードと固定ブレードの間のギャップは0.10インチに調整した。シュレッダーからの産出物は0.1インチ〜0.5インチの間の幅、0.25インチ〜1インチの間の長さ、および出発物質と同等な厚み（約0.075インチ）を有する紙吹雪に類似していた。
【０４８２】
紙吹雪様材料をMunson回転ナイフカッター、モデルSC30に供給した。モデルSC30には4つの回転ブレード、4つの固定ブレード、および1/8インチ孔を有する排出スクリーンが備えられている。回転ブレードと固定ブレードの間のギャップは、およそ0.020インチに設定された。回転ナイフカッターはナイフの刃を横切る紙吹雪様ピースを剪断し、該ピースを切り裂き、1時間に約1ポンドの速度で繊維状材料を放出した。繊維状材料は0.9748 m2/g ＋/- 0.0167 m2/gのBET表面積、89.0437パーセントの多孔度、および0.1260 g/mLの(0.53psiaにおける)嵩密度を有した。繊維の平均長さは1.141mmであり、繊維の平均幅は0.027mmであり、42:1の平均L/Dを有する。繊維状材料の走査型電子顕微鏡写真を25倍の倍率で図26に示す。
【０４８３】
実施例2：漂白されたクラフトボードからの繊維状材料の調製
30 lb/ft3の嵩密度を有する再生品でない漂白白色クラフトボードの1500ポンドスキッドはInternational Paperから入手した。材料を平坦に折り畳み、次いで、時間当たり約15〜20ポンドの速度で3 hp Flinch Baughシュレッダーに供給した。シュレッダーには2つの12インチ回転ブレード、2つの固定ブレードおよび0.30インチの排出スクリーンが備えられていた。回転および固定ブレードの間のギャップは0.10インチに調整された。シュレッダーからの産出物は、0.1インチ〜0.5インチの間の幅、0.25インチ〜1インチの間の長さ、および出発材料のそれと同等な厚み（約0.075インチ）を有する紙吹雪に似ていた。紙吹雪様材料はMunson回転ナイフカッター、モデルSC30に供給した。排出スクリーンは1/8インチの孔を有した。回転および固定ブレードの間のギャップは約0.020インチに設定した。回転ナイフカッターは紙吹雪様ピースを剪断し、時間当たり約1ポンドの速度で繊維状材料を放出した。繊維状材料は1.1316 m2/g ＋/- 0.0103 m2/gのBET表面積、88.3285パーセントの多孔度、および0.1497 g/mLの（0.53psiaにおける）嵩密度を有した。繊維の平均の長さは1.063mmであって、繊維の平均幅は0.0245mmであり、43:1の平均L/Dを与えた。繊維状材料の走査型電子顕微鏡写真を25倍の倍率で図27に示す。
【０４８４】
実施例3：漂白したクラフトボードからの、2回剪断した繊維状材料の調製
30 lb/ft3の嵩密度を有する再生品でない漂白白色クラフトボードの1500ポンドスキッドはInternational Paperから入手した。材料を平坦に折り畳み、次いで、時間当たり約15〜20ポンドの速度で3 hp Flinch Baughシュレッダーに供給した。シュレッダーには2つの12インチ回転ブレード、2つの固定ブレードおよび0.30インチの排出スクリーンが備えられていた。回転および固定ブレードの間のギャップは0.10インチに調整された。シュレッダーからの産出物は紙吹雪に似ていた（上記と同様）。紙吹雪様材料はMunson回転ナイフカッター、モデルSC30に供給した。排出スクリーンは1/16インチの孔を有した。回転および固定ブレードの間のギャップは約0.020インチに設定した。回転ナイフカッターは紙吹雪様ピースを剪断し、時間当たり約1ポンドの速度で繊維状材料を放出した。第一の剪断から得られた材料を前記した同一設定に供給し戻し、再度剪断した。得られた繊維状材料は1.4408 m2/g ＋/- 0.0156 m2/gのBET表面積、90.8998パーセントの多孔度、および0.1298 g/mLの（0.53psiaにおける）嵩密度を有した。繊維の平均の長さは0.891mmであって、繊維の平均幅は0.026mmであり、34:1の平均L/Dを得た。繊維状材料の走査型電子顕微鏡写真を25倍の倍率で図28に示す。
【０４８５】
実施例4：漂白したクラフトボードからの3回剪断した繊維状材料の調製
30 lb/ft3の嵩密度を有する再生品でない漂白白色クラフトボードの1500ポンドスキッドはInternational Paperから入手した。材料を平坦に折り畳み、次いで、時間当たり約15〜20ポンドの速度で3 hp Flinch Baughシュレッダーに供給した。シュレッダーには2つの12インチ回転ブレード、2つの固定ブレードおよび0.30インチの排出スクリーンが備えられていた。回転および固定ブレードの間のギャップは0.10インチに調整された。シュレッダーからの産出物は紙吹雪に似ていた（上記と同様）。紙吹雪様材料はMunson回転ナイフカッター、モデルSC30に供給した。排出スクリーンは1/8インチの孔を有した。回転および固定ブレードの間のギャップは約0.020インチに設定した。回転ナイフカッターはナイフ-エッジを横切って紙吹雪様ピースを剪断した。第一の剪断から得られた材料を同一設定に供給し戻し、スクリーンを1/16インチのスクリーンで置き換えた。この材料を剪断した。第二の剪断から得られた材料を同一設定に供給し戻し、スクリーンを1/32インチのスクリーンで置き換えた。この材料を剪断した。得られた繊維状材料は1.6897 m2/g ＋/- 0.0155 m2/gのBET表面積、87.7163パーセントの多孔度、および0.1448 g/mLの（0.53psiaにおける）嵩密度を有した。繊維の平均の長さは0.824mmであり、繊維の平均幅は0.0262mmであり、32:1の平均L/Dを与えた。繊維状材料の走査型電子顕微鏡写真を25倍の倍率で図29に示す。
【０４８６】
実施例5：結合剤を加えることなく漂白したクラフトボードからの、高密度化した繊維状材料の調製
繊維状材料は実施例2に従って調製した。約1 lbの水を繊維状材料の各10 lbに噴霧した。75℃で操作されるCaliforniaペレットミル1100を用いて繊維状材料を高密度化した。約7 lb/ft3〜約15 lb/ft3の範囲の嵩密度を有するペレットが得られた。
【０４８７】
実施例6：結合剤を含む漂白されたクラフトボードからの、高密度化繊維状材料の調製
繊維状材料は実施例2に従って調製した。
【０４８８】
POLYOX（商標） WSR N10（ポリエチレンオキサイド）の2重量パーセントストック溶液を水中で調製した。
【０４８９】
約1 lbのストック溶液を繊維状材料の各10 lbに噴霧した。75℃で操作されるCaliforniaペレットミル1100を用いて繊維状材料を高密度化した。約15 lb/ft3〜約40 lb/ft3の範囲の嵩密度を有するペレットが得られた。
【０４９０】
実施例7：最小の酸化を伴うガンマ放射線による、繊維状クラフト紙中のセルロース分子量の低減
繊維状材料は実施例4に従って調製した。繊維状クラフト紙は実施例5に従って高密度化した。
【０４９１】
高密度化されたペレットを250mLの最大容量を有するガラスアンプルに入れる。ガラスアンプルを高真空（10-5トール）下で30分間排気し、次いで、アルゴンガスで戻し充填する。アンプルをアルゴン下でシールする。アンプル中のペレットに時間当たり約10kGyの線量率で約3時間ガンマ放射線を照射して、照射された材料を得、この材料中、セルロースは繊維状クラフト出発材料よりも低い分子量を有した。
【０４９２】
実施例8：最大酸化を伴うガンマ放射線による繊維状クラフト紙におけるセルロースの分子量の低減
繊維状材料は実施例4に従って調製する。繊維状クラフト紙は実施例5に従って高密度化する。
【０４９３】
高密度化されたペレットを250mLの最大容量を有するガラスアンプルに入れる。ガラスアンプルは空気の雰囲気下でシールする。アンプル中のペレットに時間当たり約10kGyの線量率で約3時間ガンマ放射線を照射して、照射された材料を得、この材料中、セルロースは繊維状クラフト出発材料よりも低い分子量を有した。
【０４９４】
実施例9：ゲル浸透クロマトグラフィーによる、セルロースおよびリグノセルロース材料の分子量を決定する方法
分析用のセルロースおよびリグノセルロース材料は実施例4に従って処理した。以下の表に掲げる試料材料はクラフト紙（P）、麦ワラ（WS）、アルファルファ（A）、およびスイッチグラス(SG)を含む。試料IDの番号「132」とは、1/32インチスクリーンを経た剪断後の材料の粒子サイズをいう。ダッシュ後の数字は輻射線の線量（kGy）をいい、「US」とは超音波処理をいう。例えば、試料ID「P132-10」とは、132メッシュの粒子サイズまで剪断され、100kGyを照射されたクラフト紙をいう。
【０４９５】
（表１）照射されたクラフト紙のピーク平均分子量
2010508390.tif 000003
＊＊低線量の輻射線はいくつかの材料の分子量を増加させるように見える。
1線量率＝10kGy/時間
2水に分散させた材料を用いた、再循環条件下で1000Wホーンを使用した20kHz超音波による30分間の処理
【０４９６】
（表２）照射された材料のピーク平均分子量
2010508390.tif 000004
＊処理後にピークは合体する。
＊＊低線量の輻射線はいくつかの材料の分子量を増加させるように見える。
1線量率＝10kGy/時間
2水に分散させた材料を用いた、再循環条件下で1000Wホーンを使用した20kHz超音波による30分間の処理
【０４９７】
ゲル浸透クロマトグラフィー（GPC）を用いて、ポリマーの分子量分布を決定する。GPC分析の間に、ポリマー試料の溶液を、多孔性ゲル捕捉小分子をパッキングしたカラムに通す。試料を、より小さい分子よりも早く溶出する、より大きな分子量を用いて、分子サイズに基づいて分離する。各成分の滞留時間は、最も多くの場合、屈折率（RI）、蒸発光散乱（ELS）または紫外線（UV）によって最も頻繁に検出され、較正曲線と比較する。次いで、得られたデータを用いて、試料について分子量分布を計算する。
【０４９８】
特有の分子量よりはむしろ分子量の分布を用いて、合成ポリマーを特徴付ける。この分布を特徴付けるためには、統計学的平均を利用する。これらの平均の最も普通のものは「数平均分子量」（Mn）および「重量平均分子量」（Mw）である。
【０４９９】
Mnは数字の群に関連する標準算術平均と同様である。ポリマーに適用する場合、Mnはポリマーにおける分子の平均分子量をいう。Mnを計算し、その個々の分子量に拘わらず、各分子に対して同一量の有意性を与える。平均Mnは以下の式によって計算し、式中、NiはMiと等しいモル質量を持つ分子の数である。
2010508390.tif 000005
【０５００】
Mwは、分布においてより小さな分子よりもより大きな分子により重きを置く、分子量分布のもう1つの統計学的記述子である。以下の式は重量平均分子量の統計学的計算を示す。
2010508390.tif 000006
【０５０１】
多分散指標またはPIはMw/Mnの比率として定義される。PIがより大きければ、分布はより広いまたはより分散する。PIがとり得る最も低い値は1である。これは単分散試料を表し；すなわち、同一分子量である分布における分子の全てを持つポリマーである。
【０５０２】
ピーク分子量値（Mp）は分子量分布の様式として定義されるもう1つの記述子である。それは、分布において最も豊富な分子量を表す。この値もまた分子量分布に対して洞察を与える。
【０５０３】
ほとんどのGPC測定は異なるポリマー標準に対してなされる。結果の精度は、分析されるポリマーの特徴が、用いる標準の特徴にどれ位密接にマッチするかに依存する。別々に較正された異なるシリーズの決定間の、再現性における予測される誤差は約5〜10%であって、GPC決定の制限された精度に特徴的である。従って、GPCの結果は、異なる試料の分子量分布間の比較が同一シリーズの決定の間になされる場合に最も有用である。
【０５０４】
リグノセルロース試料はGPC分析に先立って試料調製を必要とした。まず、塩化リチウム（LiCl）の飽和した溶液（8.4重量%）をジメチルアセトアミド(DMAc)中で調製した。約100mgの試料を約10gの新たに調製された飽和LiCl/DMAc溶液に加え、混合物を、攪拌しつつ1時間で約150℃〜170℃まで加熱した。得られた溶液は、一般に、色が明るい〜暗い黄色であった。溶液の温度を約100℃まで低下させ、さらに2時間加熱した。次いで、溶液の温度を約50℃まで低下させ、試料溶液を約48〜60時間加熱した。注目すべきことには、1000kGyで照射した試料は、それらの処理していない対照物と比較してより容易に可溶化された。加えて、(数字132によって示される)剪断された試料は切断されていない試料と比較してわずかに低い平均分子量を有した。
【０５０５】
得られた試料溶液を溶媒としてDMAcを用いて1:1希釈し、0.45μmのPTFEフィルターを通して濾過した。次いで、濾過された試料溶液をGPCによって分析した。ゲル浸透クロマトグラフィー（GPC）によって決定された試料のピーク平均分子量(Mp)を表1および2にまとめる。各試料を二つ組で調製し、試料の各調製は試料当たり合計4回の注入について二つ組（2回注入）で分析した。EasiCalポリスチレン標準PS1AおよびPS1Bを用いて、約580〜7,500,00ダルトンの分子量スケールについての較正曲線を作成した。
【０５０６】
（表３）GPC分析条件
2010508390.tif 000007
【０５０７】
実施例10：X線回折による、照射された材料の結晶化度の決定
X線回折(XRD)は、結晶性試料に単エネルギーx-線を照射する方法である。これらのx-線との試料の格子構造の相互作用を記録し、照射された結晶性構造についての情報を得る。得られた特徴的「フィンガープリント」は、試料に存在する結晶性化合物の同定を可能とする。全パターンフィッティング分析（リートベルト法）を用い、複数の結晶性化合物を含有する試料について定量的分析を行うことが可能である。
【０５０８】
（表４）ドメインサイズおよび結晶化度（%）を含むXRDデータ
2010508390.tif 000008
【０５０９】
各試料をゼロバックグラウンドホルダー上に置き、Cu放射線を用いるPhillips PW1800ディフラクトメーターに入れた。次いで、0.05°のステップサイズおよび各々2時間のカウント時間にて、5°〜50°の範囲にわたって走査を行った。
【０５１０】
一旦回折パターンが得られたならば、International Centre for Diffraction Dataによって公表された粉末回折ファイルの助けを借りて相を同定した。全ての試料において、同定された結晶相はセルロース-三斜構造を有するIaであった。
【０５１１】
20の試料中の区別される特徴はピークの幅であり、これは晶子ドメインサイズに関連する。実験ピークの幅を用いて、ドメインのサイズおよびパーセント結晶化度を計算し、表4に報告する。
【０５１２】
パーセント結晶化度（Xc%）は、X線回折ピーク下の総面積に対する結晶面積の比率として計算される。
2010508390.tif 000009
式中、
Ac=結晶相の面積
Aa=アモルファス相の面積
Xc=結晶化度のパーセント
である。
【０５１３】
各試料についてのパーセントの結晶化度を決定するためには、まず、アモルファス相の量を導き出す必要があった。これは、（より鋭いピークによって表される）結晶相および（パターン直下の広いこぶによって表され、かつ22°および38°を中心とする）非結晶相に帰属させることができる各回折パターンの面積を見積もることによってなされる。
【０５１４】
系統的プロセスを用いて、広い結晶ピークならびに高バックグラウンド強度によるこれらの計算の誤差を最小化した。まず、線形バックグラウンドを適用し、次いで、除去した。第二に、各々、10〜12°の幅を持つ22°および38°に中心がある2つのガウスピークを結晶ピーク直下のこぶにフィットさせた。第三に、2つの広いガウスピークおよびパターンの残りの直下の面積を決定した。最後に、結晶ピーク直下の面積を（バックグラウンドを差し引いた後の）合計強度によって割ることによって、パーセントの結晶化度を計算した。X線回折（XRD）によって決定された試料のドメインサイズおよび%結晶化度を表4に示す。
【０５１５】
実施例11：照射された材料のポロシメトリー分析
水銀ポアサイズおよびポア体積分析（表5）は、密に制御された圧力下で水銀（非湿潤性液体）を強制的に多孔性構造に入れることに基づく。水銀はほとんどの物質を濡らさず、毛細管作用によって自然にポアに進入することがないので、それは外部圧力を適用することによって試料のボイドに強制的に入れなければならない。ボイドを満たすのに必要な圧力はポアのサイズに逆比例する。大きなボイドを満たすのに少量の力または圧力しか必要とせず、他方、非常に小さなポアのボイドを満たすにはかなり大きな圧力が必要とされる。
【０５１６】
（表５）水銀ポロシメトリーによるポアサイズおよび体積分布
2010508390.tif 000010
【０５１７】
AutoPore 9520は414MPaまたは60,000psiaの最大圧力を達成することができる。試料の調製および0.2psia〜50psiaのマクロポアデータの収集のために4つの低い圧力ステーションがある。25psia〜60,000 psiaのデータを収集する2つの高圧チャンバーがある。試料は、金属コーティングを備えたガラス毛細管ステムに結合したペネトロメーターと呼ばれるボール様装置に入れる。水銀は試料中の、および試料の周りのボイドに侵入するので、それは毛細管ステムを下へ移動する。毛細管ステムからの水銀の喪失の結果、電気的キャパシタンスの変化が生じる。実験中のキャパシタンスの変化を、用いるペネトロメーターのステム容量を知ることによって水銀の体積に変換する。異なるボール（試料）サイズおよび毛細管を持つ種々のペネトロメーターは、ほとんどの試料のサイズおよび立体配置を収容するのに入手可能である。以下の表6は、各試料について計算された鍵となるパラメーターのいくつかを定義する。
【０５１８】
（表６）パラメーターの定義
2010508390.tif 000011
【０５１９】
実施例12：照射された材料の粒子サイズ分析
静的光散乱による粒子サイジングの技術は（フラウンホーファー理論も含む）Mie理論に基づく。Mie理論は、他の系の変数が公知であって、一定に保持されることを条件に、球状散乱粒子に対するサイズの関数としての強度対角度関係を予測する。これらの変数は入射光の波長および試料材料の相対的屈折率である。Mie理論の適用は、詳細な粒子のサイズの情報を提供する。表7はメジアン直径、メジアン平均直径、およびモード直径をパラメーターとして用いて粒子サイズをまとめる。
【０５２０】
（表７）レーザー光散乱による粒子サイズ（乾燥試料分散）
2010508390.tif 000012
【０５２１】
粒子サイズは、以下の条件を用いるMalvern Mastersizer2000を用いてレーザー光散乱（乾燥試料分散）によって決定した。
供給率：35%
ディスパーサー圧力：4バール
光学モデル：(2.610, 1.000i), 1000
【０５２２】
適切な量の試料を振動トレイ上に導入した。供給率および空気圧力を調整して、粒子が適切に分散されたことを保証する。鍵となる要素は、凝集を破壊するが、試料一体性を危うくしない空気圧力を選択することである。必要な試料の量は、粒子のサイズに依存して変化する。一般に、微細粒子を含む試料は粗い粒子を含む試料よりも少量の材料を必要とする。
【０５２３】
実施例13：照射された材料の表面積分析
各試料の表面積は、Micromeritics ASAP 2420 Accelerated Surface AreaおよびPorosimetry Systemを用いて分析した。試料は、まず40℃にて16時間脱気することによって調製した。次に、ヘリウムを含む自由空間（温かいおよび冷たい空間両方）を計算し、次いで、試料チューブを再度排気して、ヘリウムを除去する。データ収集はこの第二の排気後に始まり、どの位多くのガスが試料上に与えられるかを制御する標的圧力を規定することからなる。各標的圧力において、吸着されたガスおよび実際の圧力の量を決定し、記録する。試料チューブ内側の圧力は圧力トランスデューサで測定する。さらなる量のガスを、標的圧力が達成され、平衡となるまで継続する。吸着されたガスの量は試料上への複数の量を合計することによって決定される。圧力および量はガス吸着等温線を規定し、これを用いて、BET表面積（表8）を含めた多数のパラメーターを計算する。
【０５２４】
（表８）ガス吸着による表面積のまとめ
2010508390.tif 000013
【０５２５】
等温線のためのBETモデルは、比表面積を計算するための広く用いられる理論である。該分析は、全表面をクリプトンの単一の密にパッキングされた層で覆うために必要な量を計算することによって、試料表面の単層容量を決定することを含む。単層容量にプローブガスの分子の断面積を掛けて、全表面積を決定する。比表面積は、試料の質量で割った試料面積の一定部分である。
【０５２６】
実施例14：照射された材料の繊維長の決定
繊維長分布試験は、Techpap MorFi LB01システムを用いて提示された試料で三つ組で行った。平均長および幅は表9に報告する。
【０５２７】
（表９）リグノセルロースの繊維長および幅データのまとめ
2010508390.tif 000014
【０５２８】
実施例15：照射されたおよび照射されていないスイッチグラスの超音波処理
スイッチグラスは実施例4に従って剪断した。スイッチグラスは超音波単独、あるいは100kGyまたは1000kGyのガンマ線での照射によって処理し、次いで、音波処理した。得られた材料は、表1に掲げるように、G132-BR（未照射）、G132-10-BR（100kGyおよび音波処理）およびG132-100-BR（1000kGyおよび音波処理）に対応する。音波処理は、再循環条件下で1,000Wホーンからの20kHz超音波を用いて各試料について30分間行った。各試料は、約0.10 g/mLの濃度で水に分散させた。
【０５２９】
図30および31は音波処理で用いる装置を示す。装置500は、チタンまたはチタンの合金から作製されたホーン506と連絡しているブースター504に連結されたコンバーター502を含む。その処理側のその縁の部分の周りにVITON（登録商標）から作製されたシール510を有するホーンは、処理セル508とで液密シールを形成する。ホーンの処理側を、音波処理すべき試料をその中に分散させた水等の液体に浸漬する。セル中の圧力は圧力ゲージ512でモニターする。操作において、各試料は、処理セルを通じてタンク516からポンプ517によって移動され、音波処理される。音波処理後、試料をタンク520に捕捉する。プロセスは、タンク520の内容物を処理セルを通じて送ることができ、タンク516に捕捉することができる点で、逆にすることができる。このプロセスを、所望のレベルの処理が試料に送達されるまで多数回反復することができる。
【０５３０】
実施例16：照射されたおよび照射されかつ音波処理されたスイッチグラスと比較した、未照射スイッチグラスの走査型電子顕微鏡写真
走査型電子顕微鏡写真のためのスイッチグラス試料を炭素テープに適用し、金スパッタコーティングした（70秒）。JEOL 6500場発光走査型電子顕微鏡でイメージを撮影した。
【０５３１】
図32は、回転ナイフカッターでスイッチグラスを剪断し、次いで剪断された材料を1/32インチスクリーンに通すことから生じた繊維状材料の1000倍の倍率の走査型電子顕微鏡写真である。
【０５３２】
図33および34は、各々、1000倍の倍率における、100kGyおよび1000kGyガンマ線での照射後の、図32の繊維状材料の走査型電子顕微鏡写真である。
【０５３３】
図35は、1000倍の倍率における、100kGyでの照射および音波処理後の、図32の繊維状材料の走査型電子顕微鏡写真である。
【０５３４】
図36は、1000倍の倍率における、1000kGyでの照射および音波処理後の、図32の繊維状材料の走査型電子顕微鏡写真である。
【０５３５】
実施例17：未照射クラフト紙と比較した、照射クラフト紙の赤外スペクトル
FT-IR分析はNicolet/Impact 400で行った。結果は、表1に報告される全ての試料がセルロースベースの材料と合致することを示す。
【０５３６】
図37は、実施例4に従って剪断されたクラフトボード紙の赤外スペクトルであり、他方、図38は、1000kGyガンマ放射線での照射の後の、図38におけるクラフト紙の赤外スペクトルである。照射された試料は未照射材料では見出されない領域Aにおけるさらなるピークを示す（約1730cm-1中心）。
【０５３７】
実施例18：電子線および音波処理による前処理の組み合わせ
スイッチグラスを原料として用い、Munson回転ナイフカッターで剪断して繊維状材料とする。次いで、繊維状材料を、約500in2よりも大きな面積を持つ、スズから構成されたオープントレイ上に均一に分布させる。繊維状材料は、それがオープントレイにおいて約1〜2インチの深さを有するように分布させる。繊維状材料はより低い線量の照射（100kGy未満）においてプラスチックバッグ中に分布させることができ、より高い線量の輻射線にて金属トレイ上に被覆しないままで残すことができる。
【０５３８】
次いで、繊維状材料の別々の試料を順次の線量の電子線放射に曝露して、10kGy、20kGy、30kGy、50kGy、100kGy、500kGy、および1000kGyの総線量を達成する。一部の試料は残りの試料と同一条件下に維持するが、その他の試料は照射せず、対照とする。冷却の後、照射された繊維状材料を音波処理デバイスを通すさらなる処理のために送る。
【０５３９】
音波処理デバイスは、チタンまたはチタンの合金から作製されたホーンと連絡しているブースターに連結されたコンバーターを含む。その処理側のその縁の部分の周りにVITON（登録商標）から作製されたシールを有するホーンは、処理セルとで液密シールを形成する。ホーンの処理側を、音波処理すべき照射された繊維状材料を浸漬する水等の液体に浸漬する。セル中の圧力は圧力ゲージでモニターする。操作において、各試料は、処理セルを通じてポンプによって移動させ、音波処理する。
【０５４０】
音波処理のための照射された繊維状材料を調製するためには、照射された繊維状材料を任意の容器（例えば、プラスチックバッグ）から取り出し、約0.10g/Lの濃度で水に分散させる。再循環条件下で1000Wホーンからの20kHz超音波を用い、音波処理を各試料について30分間行う。音波処理の後、照射された繊維状材料をタンクに捕捉する。このプロセスは、スイッチグラスの構造変化のモニターに基づいて所望のレベルの処理が達成されるまで多数回反復することができる。再度、一部の照射された試料を残りの試料と同一の条件下で保つが、その他の試料は音波処理をせず、対照とする。加えて、照射されなかった一部の試料を音波処理して、これも対照とする。したがって、一部の対照は処理せず、一部は照射するのみであり、一部は音波処理するのみである。
【０５４１】
実施例19：前処理されたバイオマスの微生物試験
本明細書において記載された前処理された特定のリグノセルロース材料を、エタノール作製における発酵工程のために生物燃料産業で用いられる酵母および細菌の通常の株に対する毒性について、分析する。加えて糖含有量およびセルラーゼ酵素との適合性を調べて、処理プロセスの実行可能性を決定する。前処理された材料の試験は以下のように2つの相で行う。
【０５４２】
I. 毒性および糖含有量
前処理された草および紙原料の毒性を、酵母サッカロミセス-セレビジエ（Saccharomyces cerevisiae）（ワイン酵母）およびピキア-スチピチス（Pichia stipitis） (ATCC 66278)ならびに細菌ザイモモナス−モビリス（Zymomonas mobilis） (ATCC 31821)およびクロストリジウム-テルモセルム（Clostridium thermocellum） (ATCC 31924)において測定する。成長試験を微生物の各々で行って、インキュベーションおよびサンプリングの最適時間を決定する。
【０５４３】
次いで、原料の各々を、各微生物のための標準微生物学的培地中でS. セレビジエ、P. スチピチス、Z. モビリス、およびC. テルモセルムと共に二つ組でインキュベートする。YMブロスは2つの酵母株、S. セレビジエ、およびP. スチピチスのために用いる。RM培地はZ. モビリスで用い、CM4培地はC. テルモセルムで用いる。純粋な糖を加えるが、原料は加えない陽性対照を比較のために用いる。インキュベーションの間、合計5つの試料を12時間にわたって、0、3、6、9、および12時間の時点で採取し、生存性（Z. モビリスについてのプレートカウントおよびS. セレビジエについての直接的なカウント）およびエタノール濃度について分析する。
【０５４４】
原料の糖含有量は、Shodex（商標）糖SP0810またはBiorad Aminex（登録商標）HPX-87Pカラムのいずれかを備えた高速液体クロマトグラフィー (HPLC)を用いて測定する。原料の各々（約5g）を逆浸透圧（RO）水と1時間混合する。混合物の液体部分を取り出し、グルコース、ガラクトース、キシロース、マンノース、アラビノース、およびセロビオース含有量について分析する。分析はNational Bioenergy Center protocol Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomassに従って行う。
【０５４５】
II. セルラーゼ適合性
原料を、リグノセルロースバイオマスを発酵可能な糖に還元する酵素の複合体を含有する商業的に入手可能なAccellerase（商標） 1000、2つの異なるセルラーゼ調製物、Trichoderma reeseiおよびAspergillus nidulansで、二つ組で、エルレンマイヤーフラスコ中で推奨される温度および濃度にて、試験する。200rpm程度で12時間、中程度に振盪しつつ、フラスコをインキュベートする。その時間、試料を0、3、6、9、および12時間の時点で3時間ごとに採取して、フラスコの液体部分中の還元性糖の濃度を決定する (Hope and Dean, Biotech J., 1974, 144:403)。
【０５４６】
実施例20：照射-音波処理の前処理を用いるアルコールの作製
バイオマス変換プラントのための最適な規模は、スケールの経済性、ならびに原料として用いるバイオマスのタイプおよび入手可能性を含めた要素によって影響される。プラント規模の増大は、プラントプロセスに関連するスケールの経済性を増大させる傾向がある。しかしながら、プラント規模の増大は、バイオマス原料の単位当たりのコスト（例えば、輸送コスト）を増大させる傾向もある。これらの要素を分析する研究は、バイオマス変換プラントのための適切な規模は1日当たりバイオマス原料2000〜10,000乾燥トンの範囲であり得ることを示唆している。以下に記載されるプラントは、1日当たり乾燥バイオマス原料2000トンを処理する規模とする。
【０５４７】
図39はスイッチグラスを処理するように配置されたバイオマス変換システムのプロセス概略図を示す。供給材料調製サブシステムは生バイオマス原料を処理して、異物を除去し、さらなる処理に合致するサイズの粒子を提供する。前処理サブシステムは、バイオマス原料を照射し、照射されたバイオマス原料を水と混合してスラリーを形成し、超音波エネルギーをスラリーに印加することによって、バイオマス原料の分子構造を変化させる（例えば、平均分子量および結晶化度を低減する）。照射および音波処理はバイオマス原料のセルロース成分およびリグノセルロース成分を発酵可能な材料へと変換する。一次プロセスサブシステムは、前処理後に存在するグルコースおよび他の低重量糖を発酵させてアルコールを形成する。
【０５４８】
供給材料の調製法
プラントについて選択された、設計される供給材料速度は、1日当たりスイッチグラスバイオマス2,000乾燥トンである。設計される供給材料とは、切断および/または剪断されたスイッチグラスである。
【０５４９】
スイッチグラスの梱包物の形態のバイオマス原料は、トラックトレーラー上でプラントによって受け取られる。トラックが受け取られると、重量が測定され、フォークリフトによって荷下ろしされる。一部の梱包物をオンサイト貯蔵所に送り、残りを直接コンベアに載せる。ここから、梱包物は自動包装解除システムに運ばれ、該システムは梱包物を囲うプラスチックラッピングおよび/またはネットを切断除去する。次いで、バイオマス原料はトランプメタルを除去するための磁気セパレータを通過して運ばれ、その後、それをシュレッダー-剪断器列に導入し、ここで材料のサイズが減少する。最後に、バイオマス原料は前処理サブシステムに運ばれる。
【０５５０】
いくつかの場合において、取り扱う際にバラバラにならないことを確実にするためにスイッチグラス梱包物をプラスチックネットで包み、かつ、梱包物を天候から保護するためにプラスチックフィルムに包んでもよい。梱包物は四角または丸型のいずれかである。梱包物はプラントにおいて大きなトラックトレーラー上でオフサイト貯蔵所から受け取られる。
【０５５１】
スイッチグラスはある季節に限ってしか入手できないので、年中プラントに供給材料を供給するには長期の貯蔵が必要である。長期の貯蔵とは、エタノールプラントに適度に近い一つの所在地（または複数所在地）における、400〜500エーカーの被覆されていない梱包物の重ねられた列から成りうる。貯蔵領域の外側における72時間の生産と同等なオンサイト短時間貯蔵が提供される。梱包物および周囲のアクセス方法ならびに輸送コンベアはコンクリートスラブ上にある。必要とされる大量のバイオマス原料を輸送するのに必要な交通量のためコンクリートスラブが用いられる。コンクリートスラブは貯蔵領域における静水の量を最小化し、ならびに埃へのバイオマス原料の曝露を低減する。貯蔵された材料は、週末用、祭日用、およびプロセスへの材料の通常の直接輸送が中断された場合に、短期間の供給を提供する。
【０５５２】
梱包物はフォークリフトによって荷下ろしされ、梱包物輸送コンベア上に直接、または短期間貯蔵領域に入れられる。梱包物はフォークリフトによって短期間貯蔵から回収され、梱包物輸送コンベア上に載せられる。
【０５５３】
梱包物は2つの梱包物包装解除ステーションのうち1つに移動する。包装を解かれた梱包物は、スプレッダーバーを用いて解体され、次いで、破砕に先立って金属を除去するための磁気セパレータを通過するコンベア上に載せられる。散在する磁気金属を捕獲するためにトランプ鉄磁石を設け、前処理のためにバイオマス原料を適切なサイズに減少させるための複数のシュレッダー-剪断器列に先立って、スカルピングスクリーンによってグロスオーバーサイズおよび異物を除去する。シュレッダー-剪断器列はシュレッダーおよび回転ナイフカッターを含む。シュレッダーは生のバイオマス原料のサイズを低減し、得られた材料を回転ナイフカッターに供給する。回転ナイフカッターは、同時に、バイオマス原料を剪断しかつ得られた材料をスクリーニングする。
【０５５４】
3つの貯蔵サイロを設けて、供給材料調製サブシステム機器の必要なメンテナンスおよび/または故障による全システム停止時間を制限する。各サイロはほぼ55,000立方フィートのバイオマス原料を保持することができる（ほぼ3時間のプラント操作）。
【０５５５】
前処理
コンベアベルトは供給材料調製サブシステム110から前処理サブシステム114までバイオマス原料を運ぶ。図40に示すように、前処理サブシステム114において、電子線エミッターを用いてバイオマス原料を照射し、水と混合してスラリーを形成させ、超音波エネルギーの印加に供する。先に論じたように、バイオマス原料の照射はバイオマス原料の分子構造を変化させる（例えば、平均分子量および結晶化度を低減する）。照射されたバイオマス原料をスラリーと混合し、超音波エネルギーをスラリーに印加すると、バイオマス原料の分子構造がさらに変化する。技術の組み合わせは、一方の技術がそのままで効果的に達成できるよりも分子構造に対するより大きな変化を達成する（例えば、平均分子量および結晶化度を低減する）ように見える点において、順番に放射および音波処理に印加することは、相乗的効果を有しうる。理論に拘束されるつもりはないが、バイオマス原料のセルロース成分およびリグノセルロース成分のセグメント間の分子内結合の破壊によってバイオマス原料の重合を低減することに加えて、照射は、バイオマス原料の全体的な物理的構造をより脆くすることができる。脆いバイオマス原料をスラリーに混合した後、超音波エネルギーの印加は分子構造をさらに変化させ（例えば、平均分子量および結晶化度を低減する）、また、バイオマス原料粒子のサイズを低減することもできる。
【０５５６】
電子線照射
バイオマス原料を前処理サブシステムに運ぶコンベアベルト491は、バイオマス原料を多数の供給ストリーム（例えば、50供給ストリーム）に分配し、ストリーム各々は別々の電子線エミッター492に至る。この態様において、バイオマス原料は乾燥している間に照射される。各供給ストリームは別々のコンベアベルトで関連電子線エミッターに運ばれる。各照射供給材料コンベアベルトはほぼ1メートルの幅とすることができる。電子線エミッターに到達する前に、局所的な振動を各コンベアベルトにおいて誘導して、乾燥バイオマス原料をコンベアベルトの断面幅にわたって均等に分配する。
【０５５７】
電子線エミッター492（例えば、Titan Corporation, San Diego, CAから商業的に入手可能な電子線照射デバイス）は電力300kWで印加された電子の100キログレイ線量を印加するように配置される。電子線エミッターは、コンベアベルトの幅に対応する1メートルの掃引幅を持つ走査型ビームデバイスである。いくつかの態様において、大きな固定されたビーム幅を持つ電子線エミッターが用いられる。ベルト/ビーム幅、所望の線量、バイオマス原料密度、および印加される電力を含めた要素は、1日当たり乾燥した供給材料2,000トンを処理するためにプラントに必要な電子線エミッターの数を決定する。
【０５５８】
音波処理
照射されたバイオマス原料は水と混合されて、超音波エネルギーが印加される前にスラリーを形成する。各電子線供給ストリームに関連する別々の音波処理関連システムが存在してもよく、あるいはいくつかの電子線ストリームを単一の音波処理システムのための供給物として集合させることができる。
【０５５９】
各音波処理システムにおいて、照射されたバイオマス原料は第1の取入口1232を通じてリザーバ1214に供給され、水は第2の取入口1234を通ってリザーバ1214に供給される。適切なバルブ（手動または自動）によりバイオマス原料の流れおよび水の流れを制御して、水に対するバイオマス原料の所望の比率を生じさせる（例えば、体積あたり10重量%セルロース材料）。各リザーバ1214は、ボリューム1236の内容物を攪拌してバイオマス原料を水全体に分散させるためのミキサー1240を含む。
【０５６０】
各音波処理システムにおいて、スラリーは、リザーバ1214から超音波トランスデューサ1226を含めたフローセル1224までおよびそれを通って、（第一のポンプ1218例えば、埋込型インペラーボルテックスポンプを用いて）ポンプ送液される。いくつかの態様においては、第一のポンプ1218はバイオマス原料と水の混合物がフローセル1224の入口1220において実質的に均一となるようにスラリー1216を攪拌するように配置される。例えば、第一のポンプ1218はスラリー1216を攪拌して、第1のポンプとフローセル1224の入口1220との間の配管全体に残る乱流を生じさせることができる。
【０５６１】
フローセル1224内では、スラリーがフローセル1224を通って流れるにつれ、超音波トランスデューサ1226は超音波エネルギーをスラリー1216に伝達する。超音波トランスデューサ1226は電気エネルギーを高周波数機械的エネルギー（例えば、超音波エネルギー）に変換し、次いで、これはブースター1250を通ってスラリーに送達される。16キロワットの連続電力を送達することができる超音波トランスデューサは（例えば、Hielscher USA, Inc., Ringwood, New Jerseyから）商業的に入手可能である。
【０５６２】
リアクターボリューム1244中のブースター1250を通って移動する超音波エネルギーは、スラリー1216に空洞化を生じさせるのに十分な強度にてスラリー1216において一連の圧縮および希薄化を生じる。空洞化により、例えばスラリー1216に分散したセルロース材料およびリグノセルロース材料を含めたバイオマス原料の成分が解離する。また、空洞化はスラリー1216の水中でフリーラジカルを生じる。これらのフリーラジカルは、スラリー1216においてセルロース材料をさらに破壊するよう作用する。一般に、約250 MJ/m3 の超音波エネルギーを、ポプラチップの断片を含有するスラリー1216に印加する。他のレベルの超音波エネルギー（約5〜約4000 MJ/m3 の間、例えば10、25、50、100、250、500、750、1000、2000、または3000）を他のバイオマス原料に印加することができる。リアクターボリューム1244における超音波エネルギーへの曝露の後に、スラリー1216は出口1222を通ってフローセル1224から出る。
【０５６３】
フローセル1224は、リアクターボリューム1244の少なくとも一部と熱的に連絡する熱交換器1246も含む。冷却流体1248（例えば、水）は熱交換器1246に流入し、スラリー1216をリアクターボリューム1244中で音波処理した場合に発生する熱を吸収する。いくつかの態様において、熱交換器1246への冷却流体1248の流動は、リアクターボリューム1244においてほぼ一定温度を維持するように制御される。追加的にあるいは代替的に熱交換器1246に流入する冷却流体1248の温度はリアクターボリューム1244中でほぼ一定の温度を維持するように制御される。
【０５６４】
フローセル1224の出口1242はリザーバ1214の底近くに配置され、リザーバ1214から出て第二のポンプ1230（これはスラリー1216を一次プロセスサブシステムに向けてポンプ送液する）の入口に向かうスラリー1216の重力送りを誘導する。
【０５６５】
音波処理システムは、（前記した）単一の流路、または関連する個々の音波処理ユニットを各々が備えた多数の並行流路を含むことができる。多数の音波処理ユニットは、スラリーに印加される音波エネルギーの量を増加させるために直列に配置することもできる。
【０５６６】
一次プロセス
真空回転ドラムタイプのフィルターは、発酵前にスラリーから固体を除去する。フィルターからの液体を、ファーメンターに入れる前にポンプ送液により冷却する。濾過された固体を通過させて、さらなる処理のために後処理サブシステムに送る。
【０５６７】
発酵タンクは、円錐状の底および低速アジテーターを備えた大きな低圧のステンレス鋼容器である。多数の第1ステージの発酵タンクは直列に配置することができる。第1ステージの発酵タンクにおける温度は、外部熱交換器を用いて30℃に制御する。各シリーズのタンクの先頭において第1ステージの発酵タンクに酵母を加え、シリーズの残りのタンクを通じて移動させる。
【０５６８】
第2ステージの発酵は、直列の2つの連続したファーメンターからなる。双方のファーメンターは低速機械的ミキサーで連続的に攪拌する。温度は、連続再循環させながら外部交換器中の冷水で制御する。再循環ポンプは、固体濃度が高いため進行性キャビティータイプのものである。
【０５６９】
発酵タンクおよびファーメンターからのオフガスを混合して、大気中に廃棄する前に向流水カラム中で洗浄する。空気排出制御のためというよりはむしろエタノールを回収するために、オフガスを洗浄する。
【０５７０】
後処理
蒸留
蒸留および分子ふるい吸着を用いて、生発酵ビアからエタノールを回収し、99.5%エタノールを得る。蒸留は2つのカラムで達成される-ビアカラムと呼ばれる最初のカラムは溶解したCO2および大部分の水を除去し、および第2のカラムはエタノールを濃縮してほぼ共沸性の組成物とする。
【０５７１】
ほぼ共沸性の混合物からの全ての水を、蒸気相分子ふるい吸着によって除去する。吸着カラムの再生には、エタノール水混合物を回収用の蒸留に再利用することが必要である。
【０５７２】
（主にCO2を含有するがいくらかのアルコールも含有する）発酵排気口ならびにビアカラム排気口を水スクラバー中で洗い、エタノールのほぼ全てを回収する。スクラバー流出物を発酵ビアと共に第1の蒸留カラムに供給する。
【０５７３】
第1の蒸留由来の底部は、全ての未変換の不溶性および溶解した固体を含有する。不溶性固体は圧力フィルターによって脱水され、コンバスターまで送られる。再利用されない圧力フィルターからの液体は、蒸留からの排熱を用いて多重効用エバポレーター中で濃縮される。エバポレーターからの濃縮されたシロップを、コンバスターに送られる固体と混合し、蒸発された凝縮物をプロセスに対する比較的クリーンな再利用水として用いる。
【０５７４】
再利用できる蒸留廃液水（stillage water）の量は制限されるので、エバポレーターはプロセスに含まれる。直接再利用される圧力フィルターからの水の総量は25%に設定される。酢酸アンモニウムもしくは乳酸アンモニウムなどの有機塩、生物によって利用されない浸出液成分、またはバイオマス中の無機化合物はこのストリームにおいて終了する。この材料の再利用量が多すぎると、発酵微生物の効率に対して有害であり得るイオン強度および浸透圧のレベルがもたらされ得る。再利用しない水については、エバポレーターは、コンバスターに送ることができるシロップまで溶解した固体を濃縮し、これにより廃水処理に対する負荷を最小化する。
【０５７５】
廃水処理
廃水処理セクションは、プラント補給水要件を低減するための再使用用のプロセス水を扱う。廃水をまず、スクリーニングして大きな粒子を除去し、これをホッパーに収集し、ごみ埋め立て地に送る。スクリーニングに続いて、嫌気性消化および好気性消化を行って、ストリームにおける有機物質を消化する。嫌気性消化は、コンバスターに供給されるメタンに富むバイオマスストリームを生じさせる。好気性消化は、プロセスでの再使用のための比較的クリーンな水ストリームならびに主として細胞塊から構成されるスラッジを生じさせる。同じくスラッジはコンバスター中でも燃焼させる。このスクリーニング/嫌気性消化/好気性消化スキームは、現在のエタノール産業での標準であって、1日当たり100万〜500万ガロンの範囲の施設は販売業者から「汎用」単位として入手できる。
【０５７６】
コンバスター、ボイラー、およびターボジェネレーター
コンバスター、ボイラー、およびターボジェネレーターサブシステムの目的は、蒸気および電気発生のために種々の副産物ストリームを燃焼させることである。例えば、一部のリグニン、セルロース、およびヘミセルロースは前処理および一次プロセスにわたって変換されないままである。プロセスからの廃水の大部分は濃縮されて可溶性固体に富むシロップとなる。残りの廃水の嫌気性消化は、メタンに富むバイオガスを生じる。好気性消化は少量の廃棄物バイオマス（スラッジ）を生じる。蒸気および電気を発生させるためにこれらの副産物ストリームを燃焼させることは、プラントがエネルギーを自給自足することを可能にし、固体廃棄物の廃棄コストを低下させ、かつ過剰な電気の販売を通じてさらなる収益を生じる。
【０５７７】
3つの一次燃料ストリーム（蒸留後固体、バイオガス、およびエバポレーターシロップ）を、循環する流動床コンバスターに供給する。廃水処理からの少量の廃棄物バイオマス（スラッジ）もまたコンバスターに送られる。ファンは空気を燃焼チャンバーに移動させる。処理水をコンバスター中の熱交換器回路に入れ、蒸発させて、510℃（950°F）および86 atm (1265 psia）の蒸気まで過熱する。コンバスターからの煙道ガスは、侵入する燃焼空気を予熱し、次にバグハウスに進入して、粒状物（これは埋め立てられる）を除去する。ガスはスタックを通って排気される。
【０５７８】
多段階タービンおよびジェネレーターを用いて、電気を発生させる。蒸気は、前処理リアクターへの注入用ならびに蒸留および蒸発における熱交換用の3つの異なる条件においてタービンから抽出される。残りの蒸気は冷却水で凝縮され、プロセスにおける種々の熱交換機からの凝縮物と共にボイラー供給水システムに戻される。処理されたウェル水は直接噴射に用いる蒸気を置き換えるための補給として用いられる。
【０５７９】
他の態様
本発明の多数の態様を記載してきた。しかしながら、本発明の精神および範囲から逸脱することなく種々の変更をなすことができることが理解されよう。
【０５８０】
いくつかの態様においては、任意で音響エネルギー、例えば超音波と組み合わせた、比較的低い線量の輻射線を利用して、本明細書において記載された任意の形態（例えば、繊維状形態）の材料のいずれか、例えば剪断されたか剪断されていないセルロース材料またはリグノセルロース材料、例えばセルロースなどの、天然または合成の糖質含有材料を架橋させ、グラフトさせ、または別の方法で分子量増加させる。天然または合成糖質含有材料の架橋、グラフト、または別の方法での分子量増加は、使用される輻射線の1つもしくは複数のタイプ（例えば、電子線と紫外線、または電子線とガンマ線）、および/または印加される輻射線の線量または線量の数を選択することによって、制御された所定の様式で実行することができる。分子量が増大したそのような材料は、摩耗耐性、圧縮強度、破壊耐性、衝撃強度、屈曲強度、引張モジュラス、曲げモジュラスおよび破断伸度などの改良された機械的特性を有する繊維-樹脂複合体などの複合体を作製するのに有用であり得る。選択された材料の架橋、グラフト、または別の方法での分子量増加は、未処理材料に対する材料の熱安定性を改良することができる。選択された材料の熱的安定性の増加により、分解を伴うことなくより高い温度でこれを処理することが可能になる。加えて、輻射線による材料の処理により材料を滅菌することができ、このことによって、例えば複合体中に存在する間にそれらが腐敗する傾向を低減することができる。天然または合成糖質含有材料の架橋、グラフトまたは別の方法での分子量増加は、使用する輻射線のタイプおよび/または印加する輻射線の線量を選択することによって、強度などの最適な特性を提供するための特定の用途のための制御された所定の様式で実行することができる。
【０５８１】
用いる場合、輻射線、例えば低線量輻射線と、音響エネルギー、例えば音または超音波エネルギーとの組み合わせにより、材料のスループットを改良することができ、かつ/またはエネルギー利用を最小化することができる。
【０５８２】
樹脂は熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エラストマー樹脂、接着性樹脂、またはこれらの樹脂の混合物のいずれかであり得る。適切な樹脂は本明細書において記載された樹脂のいずれかまたはその混合物を含む。
【０５８３】
樹脂単独に加えて、増大した分子量を有する材料を、金属、金属合金、セラミック（例えば、セメント）、リグニン、エラストマー、アスファルト、ガラス、またはこれらおよび/もしくは樹脂のうちのいずれかの混合物などの他の材料に合わせるか、ブレンドするか、または加えることができる。セメントに加える場合、本明細書において記載された特性、例えば圧縮強度および/または破壊耐性などの改良された機械的特性を有する繊維強化セメントを生じさせることができる。
【０５８４】
輻射線を利用する、天然または合成糖質含有材料の架橋、グラフト、または別の方法での分子量増加は、多くの形態のおよび多くの用途のための有用な材料を提供することができる。例えば、糖質含有材料は、紙、紙パルプ、または紙廃水などの紙産物、パーティクルボード、集積木材、例えばベニヤ、または合板、木材、例えば松、ポプラ、樫、またはバルサ木材の形態とすることができる。紙、パーティクルボード、集積物、または木材の処理は、強度などのその機械的特性を増加させることができる。例えば、輻射線による松木材の処理によって強度の高い構造材料を作製することができる。
【０５８５】
輻射線を用いて紙を作製する場合、その作製における任意の時点で輻射線を利用することができる。例えば、パルプを照射することができ、圧縮繊維プリフォームを照射することができ、あるいは完成した紙自体を照射することができる。いくつかの態様において、作製プロセスの間の2つ以上の時点で輻射線を印加することができる。
【０５８６】
例えば、第一の分子量を有する第一のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料を、第一の分子量よりも大きな第二の分子量を有する第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を提供するための様式で照射することができる。例えば、もしガンマ線が放射線源として利用されるならば、約2kGy〜約100kGyの線量、例えば約5kGy〜約75kGy、または約20kGy〜約50kGyの線量を印加することができる。もし電子線放射線を利用するならば、約1kGy〜約50kGyの線量、例えば約2kGy〜約30kGyの間、または約2.5kGy〜約25kGyの間の線量などの（ガンマ線に対して）より小さな線量を利用することができる。比較的低い線量の輻射線照射の後、第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を樹脂などの材料と組み合わせて、例えば圧縮成型、射出成型または押出しによって複合体に形成することができる。樹脂-繊維複合体の形成はWO 2006/102543に記載されている。一旦複合体が形成されたら、それらを照射して、複合体中に存在する間に糖質含有材料の分子量をさらに増加させることができる。
【０５８７】
別法として、第一の分子量を有する第一のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を含む繊維状材料を樹脂などの材料と組み合わせて、複合体を提供することができ、次いで、複合体に比較的低い線量の輻射線を照射して、第一の分子量よりも大きな第二の分子量を有する第二のセルロースおよび/またはリグノセルロース材料を提供することができる。例えば、もしガンマ線が放射線源として利用されるならば、約10kGy〜約100kGyの線量を印加することができる。このアプローチを用いることで、樹脂マトリックスなどのマトリックスと共に存在している間に材料の分子量を増加させる。いくつかの態様において、樹脂は架橋可能な樹脂であり、糖質含有材料の分子量が増加するにつれてそれ自体が架橋し、これにより複合体に対する最大の機械的特性を提供するための相乗的効果を提供することができる。例えば、そのような複合体は、例えば低温、例えば0℃未満の温度、例えば-10℃、-20℃、-40℃、-50℃、-60℃未満、または、さらには-100℃未満の温度で砕けるおよび/または割れる傾向が低い優れた低温性能を有しうり、かつ/または、例えば、比較的高い温度、例えば100℃を超える温度、例えば125℃、150℃、200℃、250℃、300℃、400℃を超える、または、さらには500℃を超える温度でそれらの有利な機械的特性を維持することができる、高温での優れた性能を有しうる。加えて、そのような複合体は、優れた化学物質耐性、例えば溶媒、例えば炭化水素溶媒中の膨潤に対する耐性、例えば強酸、強塩基、強いオキシダント（例えば、塩素または漂白剤）、または還元剤（例えば、ナトリウムおよびカリウムなどの活性金属）による化学物質攻撃に対する耐性を有することができる。
【０５８８】
いくつかの態様において、樹脂、または他のマトリックス材料は照射の間に架橋しない。いくつかの態様において、糖質含有材料がマトリックス内にある時にさらなる輻射線を印加して、糖質含有材料の分子量をさらに増加させる。いくつかの態様において、輻射線によりマトリックスと糖質含有材料の間で結合が形成される。
【０５８９】
いくつかの態様において、糖質含有材料は繊維の形態である。そのような態様において、繊維が複合体中で利用される場合、繊維はマトリックス内でランダムに配向することができる。他の態様において、繊維は1つの、2つの、3つの、または4つの方向に実質的に向くことができる。所望であれば、繊維は連続的または離散的であり得る。
【０５９０】
以下の添加物のいずれかを繊維状材料、高密度化繊維状材料、または任意の他の材料、および本明細書において記載された複合体に加えることができる。例えば、固体、液体または気体の形態の添加物を、例えば繊維状材料および樹脂の組み合わせに加えることができる。添加剤は、炭酸カルシウム、グラファイト、珪灰石、雲母、ガラス、繊維ガラス、シリカ、およびタルク；アルミナ三水和物または水酸化マグネシウムなどの無機難燃材；塩素化または臭素化有機化合物などの有機難燃材；粉砕された構成の廃棄物；粉砕されたタイヤゴム；炭素繊維；または金属繊維もしくは粉末（例えば、アルミニウム、ステンレス鋼）などの充填剤を含む。これらの添加物は電気的、機械的または適合性の特性を補強し、拡大し、または変化させることができる。他の添加剤はリグニン、フレグランス、カップリング剤、適合化剤、例えばマレイン化ポリプロピレン、加工助剤、滑沢剤、例えばフッ素化ポリエチレン、可塑剤、抗酸化剤、不透明化剤、熱安定化剤、着色剤、発泡剤、衝撃モディファイヤー、ポリマー、例えば分解可能なポリマー、光安定化剤、殺生物剤、帯電防止剤、例えばステアレートまたはエトキシル化脂肪酸アミンを含む。適切な帯電防止剤化合物は導電性カーボンブラック、炭素繊維、金属充填剤、カチオン化合物、例えば第四級アンモニウム化合物、例えばN-(3-クロロ-2-ヒドロキシプロピル)トリメチルアンモニウムクロリド、アルカノールアミド、およびアミンを含む。代表的な分解可能ポリマーは、ポリヒドロキシ酸、例えばポリラクチド、ポリグリコリド、および乳酸およびグリコール酸のコポリマー、ポリ（ヒドロキシ酪酸）、ポリ（ヒドロキシ吉草酸）、ポリ［ラクチド-コ-（e-カプロラクトン）］、ポリ［グリコリド-コ-(e-カプロラクトン)］、ポリカーボネート、ポリ（アミノ酸）、ポリ（ヒドロキシアルカノエート）、ポリ無水物、ポリオルトエステル、およびこれらのポリマーのブレンドを含む。
【０５９１】
記載された添加物が含まれる場合、それらは、繊維状材料の総重量に基づいて、1パーセント未満から80パーセント程度の高さまでの、乾燥重量ベースで計算された量で存在させることができる。より典型的には、量は約0.5重量パーセント〜約50重量パーセントの範囲、例えば5パーセント、10パーセント、20パーセント、30パーセント、またはそれ以上、例えば40パーセントである。
【０５９２】
本明細書において記載された任意の添加剤をカプセル化し、例えば噴霧乾燥またはマイクロカプセル化して、例えば取扱いの間に熱または水分から添加物を保護することができる。
【０５９３】
繊維状材料、高密度化繊維状材料、樹脂または添加剤を染色することができる。例えば、樹脂と混合し配合して複合体を形成させる前に、繊維状物質を染色することができる。いくつかの態様において、この染色は、望ましい場合に、成型されたまたは押出された部分において、繊維状材料、特に繊維状材料の大きな凝集をマスキングするまたは隠すのに役立ち得る。そのような大きな凝集は、比較的高濃度で存在する場合、成型されたまたは押出された部分の表面においてスペックルとして示され得る。
【０５９４】
例えば、所望の繊維状材料は、酸染料、直接染料または反応性染料を用いて染色することができる。そのような染料はSpectra Dyes, Kearny, NJまたはKeystoneAniline Corporation, Chicago, ILから入手可能である。染料の特定の例はSPECTRA（商標） LIGHT YELLOW 2G、SPECTRACID（商標） YELLOW 4GL CONC 200、SPECTRANYL（商標） RHODAMINE 8、SPECTRANYL（商標） NEUTRAL RED B、SPECTRAMINE（商標） BENZOPERPURINE、SPECTRADIAZO（商標） BLACK OB、SPECTRAMINE（商標） TURQUOISE G、およびSPECTRAMINE（商標） GREY LVL 200%を含み、各々はSpectra Dyesから入手可能である。
【０５９５】
いくつかの態様において、顔料を含有する樹脂の色濃縮物は染料とブレンドされる。そのようなブレンドが所望の繊維状材料と調合された場合、繊維状材料を調合の間にインサイチュー染色することができる。色濃縮物はClariantから入手可能である。
【０５９６】
繊維状材料、高密度化繊維状材料、または複合体に香りまたはフラグランスを加えるのが有利で有り得る。例えば、複合体が天然木材、例えばシーダー材などの匂いおよび/または外見を有することは有利であり得る。例えば、複合体を作製するのに用いる樹脂にフラグランス、例えば天然木材フラグランスを配合することができる。いくつかの実施において、フラグランスを直接的に油として樹脂に配合する。例えば、ロールミル、例えばBanbury（登録商標）ミキサーまたは押し出し機、例えば逆回転スクリューを備えた2軸押し出し機を用いて油を樹脂に配合することができる。Banbury（登録商標）ミキサーの例はFarrelによって製造されたF-Series Banbury（登録商標）ミキサーである。2軸押し出し機の例はKrupp Werner & Pfleidererによって製造されたWP ZSK 50 MEGAcompunder（商標）である。配合の後、香りを付した樹脂を繊維状材料に加え、押し出し、または成型することができる。別法として、フラグランスを満たした樹脂のマスターバッチは、商品名PolyIff （商標）下でInternational Flavors and Fragrancesから、あるいはRTP Companyから商業的に入手可能である。いくつかの態様において、複合体中のフラグランスの量は約0.005重量%〜約10重量%の間、例えば約0.1重量%〜約5重量%の間、または0.25重量%〜約2.5重量%の間である。
【０５９７】
他の天然木材フラグランスは常緑樹またはセコイアを含む。他のフラグランスはペパーミント、チェリー、ストロベリー、ピーチ、ライム、スペアミント、シナモン、アニス、バジル、ベルガモット、ブラックペパー、ショウノウ、カモミール、シトロネラ、ユーカリ、パイン、モミ、ゼラニウム、ジンジャー、グレープフルーツ、ジャスミン、ジュニパーベリー、ラベンダー、レモン、マンダリン、マジョラム、ムスク、ミール（myrhh）、オレンジ、パチョリ、ローズ、ローズマリー、セージ、サンダルウッド、茶の木、タイム、ウィンターグリーン、イランイラン、バニラ、ニューカー、またはこれらのフラグランスの混合物を含む。いくつかの態様において、繊維状材料-フラグランス組み合わせにおけるフラグランスの量は約0.005重量%〜約20重量%の間、例えば約0.1重量%〜約5重量%の間、または0.25重量%〜約2.5重量%の間である。
【０５９８】
セルロースおよびリグノセルロースなどの繊維状材料を記載してきたが、他の充填剤を複合体を作製するのに用いることができる。例えば、炭酸カルシウム（例えば、沈降炭酸カルシウムまたは天然炭酸カルシウム）、アラゴナイトクレイ、斜方晶系クレイ、カルサイトクレイ、菱面体クレイ、カオリン、クレイ、ベントナイトクレイ、リン酸二カルシウム、リン酸三カルシウム、ピロリン酸カルシウム、不溶性メタリン酸ナトリウム、沈降炭酸カルシウム、オルトリン酸マグネシウム、リン酸三マグネシウム、ヒドロキシアパタイト、合成アパタイト、アルミナ、シリカキセロゲル、金属アルメノシリケート複合体、ケイ酸ナトリウムアルミニウム、ケイ酸ジルコニウム、二酸化ケイ素などの無機充填剤、あるいは無機添加剤の組み合わせを用いることができる。充填剤は、例えば1ミクロンを超える、例えば2ミクロン、5ミクロン、10ミクロン、25ミクロンを超える、または、さらには35ミクロンを超える粒子サイズを有することができる。
【０５９９】
ナノメートルスケールの充填剤を単独で、あるいは任意のサイズおよび/または形状の繊維状材料を組み合わせて用いることもできる。充填剤は、例えば粒子、プレートまたは繊維の形態とすることができる。例えば、ナノメートルサイズのクレイ、シリコンおよびカーボンナノチューブ、ならびにシリコンおよび炭素ナノワイヤーを用いることができる。充填剤は1000nm未満、例えば900nm、800nm、750nm、600nm、500nm、350nm、300nm、250nm、200nm未満、100nm未満、または、さらには50nm未満の横方向寸法を有することができる。
【０６００】
いくつかの態様において、ナノ-クレイはモンモリロナイトである。そのようなクレイはNanocor, Inc.およびSouthern Clay Productsから入手可能であり、米国特許第6,849,680号および第6,737,464号に記載されている。例えば樹脂または繊維状材料への混合前にクレイの表面処理を行うことができる。例えば、クレイはその表面が天然でイオン性、例えばカチオン性またはアニオン性であるように表面処理することができる。
【０６０１】
集合したまたは凝集したナノメートルスケールの充填剤、または、集まって超分子構造、例えば自己集合超分子構造となったナノメートルスケール充填剤も用いることができる。集合充填剤または超分子充填剤の構造を開くまたは閉じることができ、これらは種々の形状、例えばケージ、チューブまたは球状でありうる。
【０６０２】
従って、他の態様は添付の特許請求の範囲内のものである。