(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジェットミキサを用いて混合しつつ、容器内のバイオマス原料を糖化することを含み、前記容器から出る原料および液状媒体を引き込み、前記原料および液状媒体を前記容器内で再循環させる分散システムを用いて前記バイオマス原料を前記液状媒体内で分散する方法であって、
前記バイオマス原料はリグノセルロース材料を含み、
前記分散システムは分散デバイスを有し、前記分散デバイスはチャンバを備えており、前記チャンバ内の回転要素が前記チャンバ内に前記原料および液状媒体を前記回転要素の軸方向に引き込み、前記媒体内の前記分散原料を前記チャンバから前記回転要素の半径方向に放出し、
前記液体媒体内で分散された前記バイオマス原料の初期固体濃度は、重量単位で少なくとも２０％であり、前記方法は、糖化中に追加の原料および糖化剤を前記容器に加えること、および前記分散システムを用いて前記媒体中に前記原料を分散することをさらに含む、方法。
【請求項２】
前記回転要素は羽根車として機能し、前記チャンバ内の前記回転要素の作用は遠心ポンプの作用である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記回転要素は、前記チャンバの中央に配置されたロータ固定子に配されるロータと同軸上に配置された混合要素を備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記分散システムは、容積型ポンプを備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記容積型ポンプが、進行性キャビティポンプを備えている、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記原料が、０．７５ｇ／ｃｍ３未満の嵩密度を有している、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記液状媒体は水を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記容器に糖化剤を供給することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記糖化剤が酵素を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記分散システムはジェットミキサを備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記容器外部に位置する源から前記容器に前記原料および／または糖化剤を供給することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記源は前記容器の上方に位置している、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記源はホッパを備えており、前記ホッパは振動デバイスと連通している、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記液状媒体表面上の、０〜７５％の重量の水を有する前記原料に、分散システムのチャンバから液状媒体流を供給して前記原料をさらに湿らすことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記容器に供給する前の前記原料は、実質的に乾燥状態である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記分散システムは複数の分散デバイスを備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
糖化中に、前記原料と、前記液状媒体と、前記糖化剤との混合液のグルコース濃度を測定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記容器はタンクを備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記原料はセルロースをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
乳化剤または界面活性剤を前記容器内の前記混合液に加えることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
セルロースおよびリグノセルロース材料が、多くの用途のために大量に生成、加工、および使用されている。このような材料は、多くの場合、一度使用されると廃棄物として処分されるか、単に下水、バガス、おが屑、およびまぐさなどの廃棄物材料とみなされる。
【０００２】
種々のセルロースおよびリグノセルロース材料の使用法および用途は、米国特許第７３０７１０８号、同第７０７４９１８号、同第６４４８３０７号、同第６２５８８７６号、同第６２０７７２９号、同第５９７３０３５号、および同第５９５２１０５号、並びに２００６年３月２３日に出願された「ＦＩＢＲＯＵＳ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＡＮＤ  ＣＯＭＰＯＳＩＴＥＳ」と題されたＰＣＴ／ＵＳ２００６／０１０６４８号、および「ＦＩＢＲＯＵＳ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＡＮＤ  ＣＯＭＰＯＳＩＴＥＳ」と題された米国特許出願公開第２００７／００４５４５６号を含む種々の特許出願に記載されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
セルロースまたはリグノセルロース原料などの材料を糖化または液化するための加工方法を本明細書に開示する。これは、材料に含まれるセルロースを変換して、酵素などを用いて糖分子量を低くすることにより行われる。本発明はまた、例えば発酵により原料を産物に変換する方法にも関連する。加工においては、液状媒体内の線維および／または粒子原料を分散するための分散システムを利用する。
【０００４】
本明細書に開示する加工では、セルロースまたはリグノセルロース原料などの嵩密度が低い材料を利用し得る。これらの材料は物理的な前処理をされ、その嵩密度は約０．７５ｇ／ｃｍ３未満、例えば、約０．７、０．６５、０．６０、０．５０、０．３５、０．２５、０．２０、０．１５、０．１０、０．０５ｇ／ｃｍ３未満、または例えば、０．０２５ｇ／ｃｍ３未満である。
【０００５】
このような材料は、糖化、発酵または他の加工における、水または溶媒系などの液体中での分散が特に困難である場合がある。これらの材料は嵩密度が低い。このため、液体中に浸透および分散するのではなく、液体表面に浮く傾向がある。一部の例では、材料は疎水性、高結晶質、または他の理由により湿りにくい。加えて、（例えば、発酵後のエタノールまたは他のアルコール（単数または複数）の）加工後に、糖化材料中に含まれる糖の最終濃度が高い所望の産物を得るために、比較的高い固体レベルでの分散により原料を加工することが望ましい。一部の例では、本明細書に記載する方法を利用した加工中の分散の固体レベルは、例えば、重量単位で溶解固形物の少なくとも１０、１５、２０、２２．５、２５、２７．５、３０、３５、４０、４５、さらには少なくとも５０％でもよい。例えば、固体レベルは約１０〜５０％でもよいし、約１０〜４０％、約１０〜３０％、または約１０〜２０％でもよい。
【０００６】
本発明者らは、液体に加えられた原料の初期分散の改善を、原料の追加中に特定の機器を用いることにより達成できることを発見した。本明細書に記載する機器を用いることにより、栄養素などの原料または他の固体もしくは液体を、迅速かつ容易に液体内で分散できる。これにより、大量の原料を効率的に液体に加えることができる。この原料の効率的な分散により、液化時間を短縮できる。それ故、ハイスループットを達成でき、高い固体レベルでの混合による生成を促進できる。
【０００７】
本発明の方法の一態様は、容器内のバイオマス原料の糖化を含むことを特徴とする。このバイオマス原料を、分散システムを用いて液状媒体内で分散する。この分散システムはチャンバを備えており、そのチャンバ内の回転要素がチャンバ内に原料および液状媒体を軸方向に引き込み、媒体内の分散原料をチャンバから半径方向に放出する。
【０００８】
一部の実施は以下の特徴の１つ以上を含む。原料の嵩密度は、例えば、約０．５ｇ／ｃｍ３未満である。液状媒体は水を含んでもよい。この方法は、容器への酵素などの糖化剤の供給をさらに含んでもよい。回転要素は羽根車として機能し、チャンバ内の回転要素は遠心ポンプとして作用してもよい。この方法は、糖化中にジェットミキサを用いて混合することをさらに含んでもよい。回転要素は、チャンバの側壁に関連して、ロータ固定子内に位置するロータと同軸上に配置された混合要素を備え得る。分散システムはジェットミキサをさらに備えてもよい。方法は、容器外部に位置する源から容器への原料および／または糖化剤の供給をさらに含んでもよい。この源は例えば、容器の上方またはそれに隣接して位置するか、容器と一定距離空けて、導管によりそれと連通してもよい。原料供給は、容器内の液状媒体表面上への原料の吹き付けを含んでもよい。方法は、分散システムのチャンバから液状媒体流を液状媒体表面上の原料に供給して、原料を湿らすことをさらに含んでもよい。容器に供給する前の原料は実質的に乾燥状態でもよく、例えば、その含水率は０．１〜１５％でもよい。材料を供給する源はホッパを含み得、これは振動デバイスと連通し得る。分散システムは、複数の分散デバイスを含んでもよい。
【０００９】
一実施形態では、糖化は、分散システムを用いて液状媒体に離散増分だけ原料を追加して、原料の別の増分を加える前に、原料の各離散増分を液状媒体中に分散することを含む。この方法はまた、糖化中に、原料と、液状媒体と、糖化剤との混合液のグルコース濃度を測定することをさらに含む。糖化中に追加の原料および糖化剤を容器に加えて、分散システムを用いて媒体中に分散してもよい。
【００１０】
別の態様では、本発明の原料糖化装置は、（ａ）タンク、（ｂ）タンクにバイオマス原料および液状媒体を供給するように構成された供給システム、（ｃ）液状媒体にバイオマス原料を分散するように構成された分散システム、（ｄ）タンクに一定量の糖化剤を供給するように構成された糖化剤供給デバイス、および（ｅ）タンク内の内容物を混合するように構成された混合器を含むことを特徴とする。
【００１１】
一部の実施は以下の特徴の１つ以上を含む。分散システムはチャンバを備えており、そのチャンバ内の回転要素がチャンバ内に原料および液状媒体を軸方向に引き込み、媒体内の分散原料をチャンバから半径方向に放出する。装置はコントローラをさらに含み、これは、トルクモニタからの入力に基づいて、原料供給デバイスおよび／または糖化剤供給デバイスの動作を調節する。一部の例では、混合器はジェットミキサである。供給システムは、タンク内の液状媒体表面上の原料を吹き付けるように構成された送風機を含み得る。分散システムは、液状媒体表面上の原料に液体流を供給して原料を湿らすように構成され得る。
【００１２】
本発明の方法の別の態様は、液状媒体で満たされた容器内のバイオマス原料の糖化を含むことを特徴とする。このバイオマス原料の液状媒体内での分散は、容器内の液状媒体表面にバイオマス原料を吹き付け、表面上の原料に液体流を接触させて原料を湿らし、ジェットミキサなどを用いて原料と液体とを混合することにより行われる。
【００１３】
一部の実施では、容積型ポンプを用いて液体流を供給する。
【００１４】
さらなる態様では、本発明の方法は、容器内のバイオマス原料の糖化を含むことを特徴とする。このバイオマス原料の容器への供給は、容器内の液状媒体表面にバイオマス原料を吹き付け、チャンバを備えた分散システムを用いて液状媒体内に分散し、そのチャンバ内の回転要素がチャンバ内に原料および液状媒体を軸方向に引き込み、媒体内の分散原料をチャンバから半径方向に、液状媒体表面上の原料に放出することにより行われる。
【００１５】
この方法は、ジェットミキサを用いてタンク内の内容物を混合することをさらに含んでもよい。
【００１６】
別の態様では、本発明の原料糖化装置は、（ａ）タンク、（ｂ）タンク内にバイオマス原料を吹き付けるための送風機を備えており、タンクにバイオマス原料および液状媒体を供給するように構成されている供給システム、（ｃ）タンクに定量の糖化剤を供給するように構成された糖化剤供給デバイス、および（ｄ）タンク内の内容物を混合するように構成された混合器を含むことを特徴とする。
【００１７】
本明細書に記載する方法は、通常、比較的高い固体レベルの原料の湿潤を比較的迅速かつ効率的に達成できる。混合液中の原料の初期固体レベルを上げることにより、加工処理がより迅速、より効率的になり、かつコスト効率がより向上し、生成される最終産物の濃度を、通常、より高くすることができる。
【００１８】
本明細書に記載する糖化プロセスにより、セルロースまたはリグノセルロース原料を、別の製造プラントでも容易に輸送および利用可能な、好都合の濃縮形態に変換できる。この別の製造プラントは、糖溶液を、例えば、エタノールなどのアルコール燃料に発酵させて産物を生産するように構成された設備を含む。このような濃縮では使用する水が少ないため、生産費および輸送費を大幅に節約できる。
【００１９】
本明細書に開示する一部の加工は、原料の糖化と、例えば、その原料を生産または貯蔵している遠隔地から製造プラントへの原料の輸送とを含む。一部の例では、輸送中に糖化の一部または全体が行われてもよい。
【００２０】
一部の例では、本明細書に記載するシステムまたはその構成要素は、ある位置から別の位置に（例えば、鉄道、トラックまたは船舶を利用して）輸送可能な携帯機器でもよい。このような移動プロセスは、米国シリアル番号第１２／３７４５４９号、および国際出願ＷＯ２００８／０１１５９８号に開示されており、その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【００２１】
本明細書に記載する方法を用いて生産され得る産物の例は、炭化水素、タンパク質、アルコール（例えば、一価アルコールまたは二価アルコール）を含み、これらは例えば、エタノール、ｎ−プロパノールまたはｎ−ブタノール、酢酸または酪酸などのカルボン酸、カルボン酸塩、カルボン酸とカルボン酸塩との混合液、カルボン酸エステル（例えば、メチル、エチル、およびｎ−プロピルエステル）、ケトン、アルデヒド、アルファ、アクリル酸などのベータ不飽和酸、エチレンなどのオレフィン、およびこれらの任意の混合液を含む。特定の例は、エタノール、プロパノール、プロピレングリコール、ブタノール、１，４−ブタンジオール、１，３−プロパンジオール、これらの任意のアルコール、アクリル酸メチル、メチルメタクリル樹脂、乳酸、プロピオン酸、酪酸、コハク酸、３−ヒドロキシプロピオン酸のメチルまたはエチルエステル、任意の酸性塩、および酸および各塩の任意の混合液を含む。これらおよび他の産物は、ＵＳＳＮ１２／４１７９００に記載されており、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【００２２】
嵩密度は、ＡＳＴＭ  Ｄ１８９５Ｂを用いて決定される。この方法は、簡潔に言えば、既知の容量のメスシリンダに試料を充填し、試料の重量を得ることを含む。嵩密度の計算は、グラムで表した試料の重量を、立法センチメートルで表したシリンダの既知の容量で割ることにより行われる。
【００２３】
本明細書に言及またはこれに添付する全ての刊行物、特許出願書類、特許品、および他の参考文献は、それらに含まれる全てにおいて参照により組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】セルロースからグルコースへの酵素加水分解を示す図である。
【図２】グルコース溶液の生成および輸送を含む、原料のエタノールへの変換を説明するフローチャートである。
【図２Ａ】一実施形態に従う糖化システムを示す概略図である。
【図２Ｂ】別の実施形態に従う糖化システムを示す概略図である。
【図３】本明細書に開示する溶液および一時停止を利用するように改造されたエタノール製造プラントを示す概念図である。
【図４】一実施形態に従う分散システムを示す斜視図である。
【図５−５Ａ】それぞれ、図４に示す分散システムに用い得る分散デバイスを示す断面図および斜視図である。
【図６】別の実施形態に従う分散システムを示す斜視図である。
【図７−７Ａ】図６に示す分散システムの代替的な作動モードを示す図である。
【図８】図６に示す分散システムに用い得る分散要素を示す斜視図である。
【図９−９Ａ】ノズルから出る噴流を示す図である。
【図１０】一実施形態に従う噴流かくはん器を示す斜視図である。
【図１０Ａ】図１０に示す噴流かくはん器の羽根車および噴射管を示す拡大斜視図である。
【図１０Ｂ】代替的な羽根車を示す拡大斜視図である。
【図１１】バイオマス原料を供給するための送風機を示す斜視図である。
【図１２】丸底および上方からタンク内に延在する２つのジェットミキサを備えているタンクを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
例えば、本明細書に記載する方法を利用して、セルロースおよびリグノセルロース材料などのグルカンおよび／またはキシラン含有材料から、バイオマス（例えば、植物バイオマス、動物バイオマス、紙、および都市廃棄物バイオマス）を変換する加工により、有用な中間体および産物を生産できる。この中間体および産物には、有機酸、有機酸塩、無水物、有機酸エステル、および本明細書に記載する内燃エンジン用の燃料または燃料電池用の原料などの燃料が含まれる。本明細書に記載するシステムおよび加工には、豊富な利用が容易であるが、場合によっては加工が困難なセルロースおよび／またはリグノセルロース材料を原材料として用いる。この材料には、例えば、新聞紙、クラフト紙、段ボール紙、またはこれらの混合液を含むストリームなどの都市廃棄物流および古紙流が含まれる。一般的に、加工中および／または加工後の物理的処理のために、必要に応じて、多くの場合に材料のサイズを縮小する。材料の抵抗性を低減する必要がある場合には、発酵などの物理的処理をする。本明細書に記載する多くの加工では、原料の抵抗レベルを効率的に低減することにより、以下の加工が容易になる。これらの加工は例えば、（例えば、ホモ酢酸またはヘテロ酢酸などの本明細書に記載する任意の微生物、および／または本明細書に記載する任意の酵素を用いた）バイオ加工、熱加工（例えば、ガス化または熱分解）、または化学的手法（例えば、酸加水分解または酸化）を含む。機械的処理、化学的処理、放射、超音波処理、酸化、熱分解、または蒸気爆発などの本明細書に記載する任意の方法の１つ以上を利用して、バイオマス原料を処理または加工する。さまざまな処理システムおよび方法は、これらの技術、または本明細書および他の箇所に記載する他の技術の２、３、さらには４以上を組み合わせて用いることができる。
【００２６】
原料を、単細胞タンパクプラント、酵素製造プラント、または粒子エタノール製造プラントなどの燃料プラントなどの既存の製造プラントで加工が容易な形態に変換するために、本明細書に開示する加工は、セルロースまたはリグノセルロース原料などの、物理的な前処理をした嵩密度が低い材料を利用する。この嵩密度は約０．７５ｇ／ｃｍ３未満、例えば、約０．７、０．６５、０．６０、０．５０、０．３５、０．２５、０．２０、０．１５、０．１０、０．０５ｇ／ｃｍ３未満、または例えば、０．０２５ｇ／ｃｍ３未満である。嵩密度は、ＡＳＴＭ  Ｄ１８９５Ｂを用いて決定される。この方法は、既知の容量のメスシリンダに試料を充填し、試料の重量を得ること含む。嵩密度の計算は、グラム単位の試料の重量を、立法センチメートル単位のシリンダの既知の容量で割ることにより行われる。
【００２７】
原料を加工が容易な形態に変換するために、原料内のグルカンまたはキシラン含有セルロースを加水分解し、酵素または酸などの糖化剤を用いた糖化と呼ばれる加工により糖などの分子糖質を低減する。その後、単細胞タンパクプラント、酵素製造プラント、またはエタノール製造プラントなどの燃料プラントなどの既存の製造プラントなどで低分子量の糖質を利用できる。
【００２８】
セルロース含有材料を、例えば、糖化剤を用いて、それと水溶液などの溶媒である液状媒体内の材料とを混ぜ合わせることにより処理することができる。液状媒体内の材料を迅速かつ効率的に分散する方法を以下に記載する。材料を媒体中に分散すると、糖化剤、材料および液状媒体は完全に混合し、一部の例では、完全に糖化する。一部の実施では、材料および／または糖化剤を、一度にまとめてではなく徐々に加える。例えば、材料の一部を液状媒体に加えて、その中で分散させ、材料の少なくとも一部が糖化し、材料の第２の一部が媒体中で分散して混合液に加えられる点まで、糖化剤と混合する。この加工は所望の糖度を得るまで継続できる。
【００２９】
バイオマスのセルロースおよび／またはリグニン部などを分解する酵素およびバイオマス製粉組織は、種々のセルロース分解酵素（セルラーゼ）、リグニナーゼ、または種々の小分子バイオマス製粉代謝産物を含有するか、それを生成する。これらの酵素は酵素複合体でもよく、これはバイオマスの結晶セルロースまたはリグニン部を相乗的に分解するように作用する。セルロース分解酵素の例には、エンドグルカナーゼ、セロビオヒドロラーゼ、およびセロビアーゼ（β−グルコシダーゼ）が含まれる。図１を参照するように、セルロース基質はランダム位置においてエンドグルカナーゼにより初期に加水分解され、オリゴマー中間体を生成する。これらの中間体は、その後、セロビオヒドロラーゼなどの外部分裂グルカナーゼ用の基質となり、セルロース高分子の端部からセロビオースを生産する。セロビオースは、グルコースの水溶性１，４鎖二量体である。最終的に、セロビアーゼはセロビオースを開裂してグルコースを産出する。適切なセルラーゼは本明細書の後のセクションに記載する。
【００３０】
完全糖化に必要な時間は、加工条件並びに用いる原料および酵素に応じて決まる。製造プラントにおいて管理条件下で糖化を実行する場合には、約１２〜９６時間でセルロースをグルコースに実質的に完全に変換できる。輸送中に糖化の一部または全体を実行する場合には、糖化時間はより長くなる。
【００３１】
一部の例では、ｐＨが約４〜７、例えば、約４．５〜６または約５〜６で糖化を実行する。
【００３２】
一般的に、糖溶液内のグルコースの最終濃度は比較的高いことが好ましく、例えば、重量単位で１０％超、１５、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０％超、さらには９５％超でもよい。これにより、運送する容積を小さくでき、さらには溶液内の微生物の増殖を抑制できる。糖化後、蒸発または蒸留などにより水分量を減らすことができる。
【００３３】
比較的高濃度の溶液は、酵素と共に原料を加える、水などの媒体の量を制限することにより得ることができる。濃度の制御は、例えば、実行する糖化量を制御することにより行う。例えば、より多くの原料を溶液に加えることにより、濃度を高くすることができる。媒体内の原料の溶解度の増大は、例えば、下記するように、溶液の温度を高くするか、かつ／または界面活性剤を加えることにより行う。例えば、溶液の温度を４０〜５０℃、５０〜６０℃、６０〜８０℃、さらにはより高く維持する。
【００３４】
図２を参照すると、エタノールなどのアルコールを生成するための加工は、例えば、原料の物理的な前処理を選択的に含み得る。この処理は例えば、そのサイズを縮小し（ステップ１１０）、この処理の前および／または後に、選択的に、原料を処理してその抵抗性を低減し（ステップ１１２）、そして原料を糖化して糖溶液を生成する（ステップ１１４）。糖化は、その詳細は下記するように、水などの液状媒体内の分散した原料と酵素とを混合することにより実行する（ステップ１１１）。糖化中または糖化後、（輸送中に糖化の一部または全体を実行した）混合液または溶液を、パイプライン、鉄道車両、トラック、または荷船などにより、製造プラントに輸送する（ステップ１１６）。プラントにおいて、溶液をバイオ加工してエタノールなどの所望の産物を生産する（ステップ１１８）。次に、それを蒸留などによりさらに加工する（ステップ１２０）。この加工の個々のステップは以下に詳細に記載する。所望に応じて、リグニン含量を測定するステップ（ステップ１２２）、および処理パラメータを設定または調節するステップ（ステップ１２４）を、加工の種々の段階で実行してもよい。例示するように、原料の化学構造の変化させる１つ以上の加工ステップの直前に実行してもよい。これらのステップを含む場合には、処理パラメータを調節することにより、原料のリグニン含量の変動分を相殺できる。この方法は、２００９年２月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／１５１７２４号に記載されており、その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３５】
混合ステップ１１１および糖化ステップ１１４は、例えば、図２Ａおよび図２Ｂに示すシステムのいずれかを用いて実行できる。これらのシステムはタンク１３６を備えており、これは初期状態では液状媒体を収容し、後に、液状媒体、原料および糖化剤の混合液１３８を収容する。液状媒体は、弁付き配管系（不図示）を通じてタンクに供給される。システムは、分散ユニット１３４、およびそれと連通するホッパ１３０をさらに備えている。図２Ｂに示す実施形態では、ホッパ１３０は、そのサイズを縮小するように処理された原料を受け入れ、選択的に、原料前処理モジュール１３２を用いてその抵抗性を低減する（前述のステップ１１０および１１２）。両方の実施形態においても、ホッパは、供給機３０などから酵母および栄養素などの他の乾燥材料を受け入れ得る。選択的に、ホッパに振動デバイス３６が取り付けられ、これはホッパによる材料の供給を促進できる。システムは分散ユニット１３４をさらに備えている。液状媒体は、タンクから分散ユニット１３４に引き込まれ、出口管１３７を通じて分散ユニットからタンクに戻される。出口管１３７の開口部は、示すように液面よりも上方に位置するか、一部の例では、タンク内の液面下の高さでもよい。一部の例では、（下記するように）用いる分散ユニットの種類に応じて、システムは容積型ポンプなどのポンプ１３９および／または粘度計１４１を含んでもよい。ポンプ１３９は、液状媒体を分散システム内で循環させるように構成されている。粘度計１４１は、分散原料の粘性を測定し、測定した粘性が所定の値に達するとポンプを作動させる。
【００３６】
図２Ａに示す実施形態では、原料は、例えば、供給導管３４（例えば、ホースまたはパイプ）を備えている供給デバイス３２を通じて、タンク内の液状媒体表面に供給される。供給デバイス３２にはさらに振動デバイス３６が取り付けられ得、これは、デバイス内への材料の流れを促進する。供給デバイス３２は、例えば、源からホースを通じてそこから離れた位置に線維性および／または粒子材料を吹き付けるように構成された送風機でもよい。この送風機は、例えば、Ｉｎｔｅｃ，Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ，Ｃｏｌｏｒａｄｏが販売しているＦＯＲＣＥ３ｂｌｏｗｅｒなどの分離送風機でもよい。送風機５００の一例の概略を図１１に示す。送風機５００のホッパ５０２が、例えば、材料源５０４から真空空間５０６を通り供給される材料を注入口５０５から引き込む。ホッパに材料が入ると、それは回転デバイス５０８が分解する。回転デバイス５０８は、弾性パドル５１２まで延在する回転アーム５１０を備えている。回転デバイス５０８はまた、開口５１４を通じてエアロック５１６に向かい下方に材料を吹き払う。エアロックへの材料の供給では、プレートまたは弁５１８が材料を計量して供給する。エアロック５１６は、チャンバ５２２を画定する複数の回転羽根５２０を備えている。エアロック５１６の下部には通路５２４が形成されており、圧縮空気供給機（不図示）からの空気はここを通り、排気チューブ（例えば、図２Ａに示す供給導管３４）に吹き付けられる。羽根は材料の個々の部分を通路に吹き払う。それらは通路に近接した位置に来ると直ぐに、排気チューブ内に吹き付けられる。回転羽根５２０は、各チャンバが通路付近の位置に十分に長い時間存在する程度に遅く回転する。この遅い回転により、材料の一部および一定量の空気の両方が、排気チューブ内に供給される。また、空気および材料の別の部分も、排気チューブ内に供給される。材料が排気チューブ内に相当に長い時間入ると、材料と空気とが混合して材料に空気を含ませる。これにより、排気チューブを通るタンクへの材料の移動がスムーズになる。かくはん器およびエアロック内における回転要素の回転速度は共に連動し、ユーザは、原料、排気チューブの長さ、および他の可変要素に基づいてこの速度を変更できる。
【００３７】
代替的に、液状媒体表面への材料の供給には、重力送りまたはねじコンベヤなどの他の技術を用いてもよい。
【００３８】
一部の実施では、タンクは、タンクから外への原料の吹き飛びおよび／またはタンク内への汚染物質の流入を防ぎつつ、原料供給中に空気をタンクに放出するように構成された弾性部材、通気カバー、または他のデバイスを備えている。
【００３９】
原材料が供給導管３４を通じてタンク内の液状媒体表面に供給されると、液体が分散ユニット１３４の出口管１３７から材料上に排出される。排出された液体は原材料を湿らせて、分散ユニット１３４がそれを分散できるように、液体内に沈ませる。選択的に、下記するようなジェットミキサ１４４の混合作用と組み合わせてもよい。
【００４０】
一般的に、分散ユニット１３４およびジェットミキサ１４４は、原料が供給導管を通じて供給されたときに作動することが好ましい。
【００４１】
図２Ｂに示す実施形態では、原料は、例えば、原料処理モジュール１３２からの原料を受け入れるホッパ１３０からタンクに供給される。原料はその後、水などの液状媒体内にそれを分散する分散ユニット１３４に入る。
【００４２】
両方の実施形態においても、計量デバイス１４２を備えているホッパ１４０からタンクに糖化剤が供給される。タンク内の内容物は、例えば、１つ以上のジェットミキサを用いて混合する。図２Ａおよび図２Ｂに示す適切なジェットミキサ１４４の例を以下に詳細に記載する。また、適切なジェットミキサの例は２００９年６月１９日に出願された米国仮特許出願第６１／２１８８３２号にも開示されており、その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる。ジェットミキサは、ポンプおよび／またはロータ（不図示）を駆動するモータ１４６を用いて噴流を生成する。モータ１４６が及ぼすトルクは、タンク内の混合液の固体レベル、転じて、それに伴う混合液が糖化する程度と相互に関連する。トルクモニタ１４８がトルクを測定し、これはコンベヤ１３０を駆動するモータ１５０、さらにはホッパ１４０の計量デバイス１４２に信号を送信する。これにより、処理済原料および酵素の供給機は一時停止し、タンク内の内容物の糖化作用を再開する。トルクモニタが測定したデータはまた、ジェットミキサの調節にも用いられ得る。この調節では、例えば、ロータを利用する混合器の毎分回転数、およびポンプ駆動混合器の噴射速度を低減する。システムは、トルクモニタの代わり、またはそれに追加して、モータの全負荷アンペア数を測定するアンプモニタ（不図示）を備えてもよい。一部の例では、ジェットミキサは、モータの速度を調節可能な可変周波数駆動（ＶＦＤ）を備えてもよい。
【００４３】
システムは、液状媒体の温度を測定し、温度上昇に応じて原料供給量および／または混合条件を調節する熱モニタ（不図示）をさらに備えてもよい。このような温度フィードバックループを利用して、酵素を変性させる程度まで液状媒体の温度が上昇することを防止できる。
【００４４】
本明細書に記載するシステムにおいて１つ以上のポンプを用いる場合には、通常、進行性キャビティまたはスクリュー式ＰＤポンプなどの容積型（ＰＤ）ポンプを用いることが好ましい。
【００４５】
一部の例では、製造プラントは、例えば、既存の穀物または糖ベースのエタノールプラント、またはバイオ加工システムから上流の機器を除去または廃止して改造したプラントでもよい（典型的なエタノールプラントは、穀物受け入れ機器、ハンマーミル、スラリーミキサ、調理機器、および液化機器を備えている）。それ故、プラントが受け入れる原料は、発酵機器に直接入れられる。改造したプラントの概略を図３に示す。この方法における既存の穀物または糖ベースのエタノールプラントの使用は、２０１０年２月１１日に出願された米国シリアル番号第１２／７０４５２１号に開示されており、その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【００４６】
一実施形態では、分離した製造プラント、さらには分離した個々のタンクに糖化した原料（糖溶液）を輸送するのではなく、同一タンク内で糖溶液を植菌および発酵するか、糖化用の他の容器を用いてもよい。発酵は同一容器内で完了してもよいし、この方法で開始して、前述したように輸送中に完了してもよい。単一タンク内での糖化および発酵は、２０１０年１月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／２９６６７３号にも開示されており、その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【００４７】
一般的に、発酵容器内の酸素濃度の制御は、当然ながら、例えば、酸素濃度を測定し、必要に応じて、それをタンクから放出するか、混合液に空気を含ませることにより行われる。エタノール濃度が低下し始めたときに発酵プロセスを停止できるように、さらに容器内のエタノール濃度も測定することが望ましい。この停止は、例えば、加熱または亜硫酸水素ナトリウムを追加することにより行われる。発酵を停止する他の方法は、過酸化物（例えば、ペルオキシ酢酸または過酸化水素）の追加、コハク酸またはその塩の追加、容器内の内容物の冷却、または酸素の散布速度の低下を含む。これらの方法の任意の２つ以上を組み合わせて利用してもよい。輸送中に発酵を実施または完了する場合には、輸送容器（例えば、鉄道車両のタンクまたはタンクローリートラック）に制御ユニットが取り付けられ得る。この制御ユニットは、酸素モニタおよびエタノールモニタを備えている。制御ユニットはさらに、タンクに亜硫酸水素ナトリウム（または他の発酵を完了する添加物）を供給する供給システム、および／またはタンク内のパラメータを調節して発酵を停止するシステムを備えている。
【００４８】
所望に応じて、発酵中に噴流混合を実行してもよい。糖化と同じ容器で発酵を実行する場合には、同一の機器を利用できる。ただし、一実施形態では、噴流混合をしなくてもよい。例えば、輸送中に発酵を実行する場合には、鉄道車両またはタンクローリートラックの動きにより、適度に撹拌され得る。
【００４９】
分散および混合
分散
分散ユニット１３４は、液状媒体を利用して原料を湿らす任意の種類の分散機器を含み得る。分散ユニットの多くは、チャンバおよびチャンバ内に位置するロータを備えている。これは、遠心ポンプを用いて、原料および液状媒体を軸方向にロータに向かい引き込み、ロータの外周に向かいそれを半径方向外側に押し出し、ユニットの排気口に通じるような位置に配置される。分散ユニットの構造次第では、分散ユニットを通じて高粘度の流体を引き込むために、補助ポンプ（例えば、前述のポンプ１３９）が必要となる。分散ユニットのいくつかは、ユニット内に非常に高い静流圧を生じさせるように構成される。このようなユニットを用いる場合には、通常、補助ポンプは必要ない。
【００５０】
適切な分散システム３００の一例を図４〜図５Ａに示す。このシステムの吸引力は比較的小さいため、通常、補助ポンプを使用する。分散システム３００は受け入れビン３０２を備えており、これはより大きなホッパもしくはバッグ（不図示）、または他の源からの原料を受け入れて分散ユニット３０１に供給できる。分散ユニット３０１は、分散チャンバ３０６（図５Ａ）を画定するハウジング３０４、液体注入口３０８、ビン３０２と連通する固体注入口３１０（図５Ａ）、および排気口３１２を備えている。分散システム３００はさらに、分散ユニット３０１を駆動するモータ３１４、ユーザ制御インターフェース３１６、および分散ユニット３０１内の密閉の完全性の維持に寄与する加圧ユニット３１８を備えている。受け入れビン３０２と固体注入口３１０との間には弁（不図示）が配置されており、固体を計量して分散ユニット３０１に供給する。
【００５１】
分散ユニット３０１の内部構造を図５および図５Ａに示す。固体は固体注入口３１０を通過した後に、液体注入口３０８から入った液体に接触すると、らせん状部３２０により下方に移動する。次に、液体および固体は、一連の混合パドル３２２により混合され、最終的に、チャンバの側壁３０６と相対的に配置されたロータ／固定子に位置する（図５Ａに詳細に示す）ロータ３２４により混合される。この一連の混合要素は液体により固体を湿らせ、増大レベルの剪断力において排気口３１２から出る分散を実質的に均一にする。羽根車は、ベンチュリ原理により、チャンバ３０６とビン３０２との圧力差を大きくする。この圧力差により真空空間を引き込み、ビンからの材料をチャンバ内に引き込みことができる。
【００５２】
別の適切な分散システム４００を図６〜図８に示す。このシステムは、ＩＫＡ（登録商標）Ｗｏｒｋｓ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ｎｏｒｔｈ  Ｃａｒｏｌｉｎａから市販されている商品名ＣＭＳ２０００に基づくシステムである。提供される分散システム４００は液体タンク４０２を備えている。ただし、所望に応じて、比較的小型のタンク４０２を削除して、工業用容積タンク（不図示）などのより大きなタンクにシステムの残りの部材を配管してもよい。システム４００はさらに、固体受け入れじょうご４０３、前述のハウジング３０４に類似する構造のハウジング４０４を含む分散ユニット４０１、モータ４１４、ユーザ制御インターフェース４１６、および加圧ユニット４１８を備えている。
【００５３】
分散システム４００と分散システム３００との主な違いは、分散ユニット４０１と分散ユニット３０１との内部構造が違うことである。図８に詳細を示す分散ユニット４０１はロータ４２０を備えている。ロータ４２０は羽根車として機能し、ユニット内に非常に高い静流圧を生じさせる。この結果、分散ユニットは遠心ポンプのように機能し、通常、粘性が比較的高い場合でも補助ポンプを必要としない。
【００５４】
ロータ４２０は、タンクからの液体を、高い吸引力で注入口４０８からチャンバ４０６内に引き込む。（注入口４１０から入った）液体および固体は、高圧でロータ４２０内に軸方向に引き込まれ、液体内に原料を分散する高速乱流として半径方向にロータ４２０から出る。排気口４１２を通じてチャンバから出た実質的に均一の分散原料は、糖化用のタンクに供給される。
【００５５】
分散システム４００は、図７および図７Ａに例示するようなさまざまなモードで作動する。図７に示す例では、ハウジング４０４の固体注入口に取り付けられたホッパ４２２から原料を取り込むことにより、分散ユニット４０１に原料を送り込む。弁４２４が分散ユニット４０１への原料供給を制御する。任意の所望の供給技術を用いて原料を取り込むことができる。例えば、手作業、コンベヤ、圧縮空気を使ったローダなどを用いて行われる。図７Ａに示す例では、吸引棒４２６を用いてバッグまたはビン４２４から原料を吸引する。この場合では、原料供給の制御は、吸引速度を制御することにより行われる。他の配置が用いられてもよい。
【００５６】
分散ユニットへの原料供給は、連続的でもよいし、断続的でもよい。分散システムは、再循環または「ワンススルー」モードで作動し得る。所望に応じて、初期分散の完了後の糖化中に、分散ユニットを用いて混合してもよい。
【００５７】
噴流混合
液体内で原料を実質的に一度分散し、分散システムを停止した後のさらなる混合には、必要なエネルギーがより少ない混合器を用いることが所望され得る。この目的に特に有利な混合器は、「ジェットミキサ」として公知である。一般的に、適切な混合器は共通して、トロイダルまたは楕円パターンなどの高速循環流を生成する。通常、好ましい混合器は高いバルク流量をもたらす。好ましい混合器は、比較的低いエネルギー消費でこの混合作用を得ることができる。剪断力および／または熱が糖化剤（発酵の場合には微生物）に有害な影響を及ぼし得る場合には、通常、混合器は比較的低い剪断力を生成し、液状媒体の加熱を回避することがさらに好ましい。いくつかの好ましい混合器は、その詳細は下記するように、注入口から、ロータまたは羽根車を含み得る混合要素に混合液を引き込む。次に、排気ノズルを通じて混合要素から混合液を放出する。この循環作用、およびノズルから出る高速噴流により、混合要素の向き次第で、液状媒体表面に浮いている材料、またはタンクの底に沈んでいる材料の分散を促進できる。混合要素は、浮いている材料および沈んでいる材料の両方を分散するように種々の位置に配置され得、また、一部の例では、混合要素の向きは調節可能である。
【００５８】
いくつかの好ましい混合システムでは、周囲流体に交わるときの噴流の速度ｖ０は、約２〜３００ｍ／ｓ、例えば、約５〜１５０ｍ／ｓまたは約１０〜１００ｍ／ｓである。混合システムの消費電力は、１０００００Ｌタンクにおいて約２０〜１０００ＫＷ、例えば３０〜５７０ＫＷ、５０〜５００ＫＷ、１５０〜２５０ＫＷでもよい。
【００５９】
噴流混合は水中噴流の放出、またはこの場合ではバイオマス原料、液状媒体、および糖化剤の混合液である液状媒体に液体を高速で噴流する複数の水中噴流を伴う。液体ジェットは液状媒体に浸透し、そのエネルギーは乱流および初期熱の一部により消散する。この乱流は速度勾配（流体剪断力）に関連する。周辺流体は加速して噴流に合流する。ジェットノズルから距離が離れるにつれて、この二次噴流は増大する。二次噴流の運動量は、その流れが壁、床または他の障害物に衝突しない限りは、噴流が膨張してもほぼ一定を維持する。何らかの障害物に衝突する前に流れる時間が長くなる程、より多くの液体が二次噴流と合流するため、タンクまたは容器内のバルク流が大きくなる。二次噴流は障害物に衝突すると、流れが障害物に突き当たる角度などのタンク形状に応じて、運動量を多少は失う。一般的に、タンク壁に伴う水力損失が最少になるように、噴流の向きおよび／またはタンクの設計を考慮することが望ましい。例えば、図１２に示すように、タンクの底部は弓状（例えば、ドーム型ヘッドプレート）であり、ジェットミキサは側壁に比較的近い位置に配置されることが望ましい。（ヘッドプレートよりも低い）タンク底部は任意の所望のドーム型構造でもよく、楕円または円錐形状でもよい。
【００６０】
噴流混合は、駆動力が機械的ではなく水力であるという点で、多くの種類の液体と液体との混合、および液体と固体との混合とは異なる。機械的なかくはん器を用いて流体を剪断して、それを混合容器の周囲に推進させる代わりに、ジェットミキサを用いて、タンク内の１つ以上のノズルを通じて流体を押し出し、他の流体を取り込む高速噴流を生成してもよい。この結果、タンク内の内容物を効率的に混合する剪断力（流体と流体との接触）および循環力を生成できる。
【００６１】
図９を参照するように、水中噴流からのコア流と周辺流体との間の高速傾斜により、渦巻きが生じる。図９Ａは水中噴流の一般的特徴を示す。水中噴流が周辺環境において膨張すると、ノズルからの距離距離（ｘ）が大きくなるにつれて、速度プロフィールは平坦になる。また、所定距離ｘにおける速度勾配ｄｖ／ｄｒは、（ノズルから円錐状に膨大する）混合区域を画定する渦巻きを生成するように、ｒ（噴流の中心線からの距離）と共に変化する。
【００６２】
空気中の水中噴流の実証研究（水を含む任意の液体に適用可能な結果）では、Ａｌｂｅｒｔｓｏｎ他が（「Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ  Ｊｅｔｓ」Ｐａｐｅｒ  ２４０９，Ａｍｅｒ．Ｓｏｃ．ｏｆ  Ｃｉｖｉｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．１１５：６３９−６９７，１９５０，ａｔ  ｐ．６５７）において、無次元関係を進展させた。これはすなわち、ｖ（ｘ）ｒ＝ｏ／ｖ０（中心線速度）、ｖ（ｒ）ｘ／ｖ（ｘ）ｒ＝ｏ（所定のｘにおける速度プロフィール），Ｑｘ／Ｑ０（取り込み流量）、およびＥｘ／Ｅ０（ｘに伴うエネルギー変化）である。これを以下に示す。
（１）中心線速度  ｖ（ｘ）ｒ＝ｏ／ｖ０
【数１】
0005903387.tif 000002
（２）任意のｘにおける速度プロフィール  ｖ（ｒ）ｘ／ｖ（ｘ）ｒ＝ｏ
【数２】
0005903387.tif 000003
（３）任意のｘにおける流量およびエネルギー
【数３】
0005903387.tif 000004
【数４】
0005903387.tif 000005
ここで、ここで以下が成り立つ。
ｖ（ｒ＝０）＝水中噴流の中心線速度（ｍ／ｓ）
Ｖ０＝ノズルから出たときの噴流速度（ｍ／ｓ）
ｘ＝ノズルからの距離（ｍ）
ｒ＝噴流の中心線からの距離（ｍ）
Ｄ０＝ノズル直径（ｍ）
Ｑｘ＝ノズルからの距離ｘにおける所定の平面を横切る流量（ｍｅ／ｓ）
Ｑ０＝ノズルから出る流量（ｍ３／ｓ）
Ｅ＝ノズルからの距離ｘにおける所定の平面を横切る流体のエネルギー流束（ｍ３／ｓ）
Ｅ０＝ノズルから出る流体のエネルギー流束（ｍ３／ｓ）
（これらは、「Ｗａｔｅｒ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ  ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ」Ｄａｖｉｄ  Ｗ．Ｈｅｎｄｒｉｃｋｓ，ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ  ２００６，ｐ．４１１）に記載されている。
【００６３】
噴流混合は、大容積（１０００ｇａｌ超）および低粘性（１０００ｃＰｓ未満）の用途で特に費用効率がよい。さらに、例えば、通常では容器の外側に位置するポンプを用いるときに、ジェットミキサのポンプまたはモータが大抵の場合沈んでいないことが有利である。
【００６４】
噴流混合の１つの利点は、周囲流体の温度が（一部の局部加熱の影響を受け得るノズルの出口に直接隣接する箇所以外では）仮に上昇してもわずかのみであることである。例えば、温度は５℃未満、１℃未満、さらには測定不能な程度しか上昇しない。
【００６５】
噴流かくはん器
一種の噴流かくはん器を図１０および図１ＯＡに示す。この種類の混合器は市販されており、例えば、ＩＫＡが販売する商品名ＲＯＴＯＴＲＯＮ（登録商標）でもよい。図１０を参照するように、混合器２００は、駆動軸２０４を回転させるモータ２０２を備えている。駆動軸２０４の端部には混合要素２０６が取り付けられている。図１０Ａに示すように、混合要素２０６はシュラウド２０８、およびその内部に位置する羽根車２１０を備えている。羽根車２１０は矢印に示す「前方」方向に回転して、シュラウドの開放上端部２１２から液体を引き込み、開放下端部２１４から外に液体を押し出す。端部２１４から出る液体は、高速流または噴流である。羽根車２１０は逆に回転すると、下端部２１４から液体を引き込み、上端部２１２からそれを押し出す。この逆回転は例えば、タンクまたは容器の液状媒体表面上またはその付近に浮いている固体を吸引する場合に用いられる（「上部」および「下部」が図１０に示す混合器の向きを参照しており、その上端部が下端部の下方に来るようにタンク内において混合器を位置付けることも可能であることに留意されたい）。
【００６６】
シュラウド２０８は、端部に近接する口広領域２１６および２１８を備えている。これらの口広領域は、この種類の混合器の使用においてよく観察されるトロイダル流の形成に寄与すると考えられている。シュラウドおよび羽根車の形状はまた、比較的低い消費電力で高速流内の流れを濃縮することに寄与する。
【００６７】
シュラウド２０８と羽根車２１０との間隔は、材料がシュラウドを通り抜けるときに、その過度の粉砕を回避する程度に空いていることが好ましい。例えば、この間隔は混合液内の固体の平均粒径の少なくとも１０倍であり、少なくとも１００倍であることが好ましい。
【００６８】
一部の実施では、軸２０４は、軸内に気体を供給可能なように構成される。例えば、軸２０４には気体を供給するための穴（不図示）、および混合液から気体を放出するための１つ以上のオリフィスが形成されてもよい。オリフィスは、混合を向上するようにシュラウド２０８内に形成されてもよく、かつ／または軸２０４の全長に沿う他の位置に形成されてもよい。
【００６９】
羽根車２１０は、液体をシュラウドを通り高速で引き込むような任意の所望の形状でもよい。羽根車は、図１０Ａに示すような海洋で用いるような羽根車であることが好ましいが、それと異なる設計でもよい。例えば、図１０Ｂに示すようなＲｕｓｈｔｏｎ羽根車でもよいし、軸流をいくらか生じさせるためにそれを傾斜させて修正した羽根車でもよい。
【００７０】
シュラウドを通る高速流を生成するために、モータ２０２は、例えば、５００〜２００００ＲＰＭ、３０００〜１００００ＲＰＭで作動可能な高速、高トルクモータであることが好ましい。ただし、より大きな混合器（例えば、より大きなシュラウドおよび／またはモータ）を用いると、その回転速度はより遅くなることがある。それ故、５ｈｐ、１０ｈｐ、２０ｈｐ、３０ｈｐ、またはそれ以上の大きな混合器を用いる場合には、モータはより遅い回転速度、例えば、２０００ＲＰＭ未満、１５００ＲＰＭ未満、さらには５００ＲＰＭ未満で作動するように設計され得る。例えば、１００００〜２００００リットルタンクを混合する大きさの混合器は、９００〜１２００ＲＰＭの速度で作動し得る。モータのトルクは、混合条件が固体の糖化などで時間と共に変化しても比較的一定の推進速度を維持できるように自動調整可能であることが好ましい。
【００７１】
有利にも、所望の方向に噴流を導くために、タンク内における任意の所望の角度または位置に混合器を配置できる。さらに、前述したように、羽根車の回転方向に応じて、混合器を用いてシュラウドのどちらの端部からも液体を引き込むことができる。
【００７２】
一部の実施では、その１つ以上が流体を上向き（「ポンプよりも上方」）に噴出し、別の１つ以上が流体を下向き（「ポンプよりも下方」）に噴出するように構成された２つ以上のジェットミキサを容器内に配置できる。一部の例では、下方噴出混合器に隣接して上方噴出混合器を配置することにより、混合器が生成する乱流を改善できる。所望に応じて、加工中に１つ以上の混合器が上昇流と下降流とを切り替えてもよい。上方噴出により表面にかなりの乱流が生じる場合に、特に、液状媒体内の原料の初期分散中に、液状媒体表面上の原料を放出するか、吹き付けるときに、混合器の全てまたはほとんどを上方噴出モードに切り替えることが有利である。発酵中にも上方噴出を用いて、原料が放出される液状媒体表面において気体を泡立てて、液体からのＣ０２の除去を促進することができる。
【００７３】
他の適切なジェットミキサは、２００９年６月１９日に出願された米国仮特許出願第６１／２１８８３２号、および２０１０年５月２４日に出願された米国シリアル番号第１２／７８２６９４号に開示されており、その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【００７４】
材料
バイオマス材料
バイオマスは、例えば、セルロースまたはリグノセルロース材料でもよい。このような材料は、紙および紙産物（例えば、ポリエチレン塗装紙およびクラフト紙）、木材、パーチクルボード、草、もみ殻、バガス、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、マニラ麻、ワラ、スイッチグラス、アルファルファ、干し草、トウモロコシ穂軸、トウモロコシ茎葉、ヤシ毛などの木材関連材料、並びに綿などのａ−セルロース含有量が高い材料を含む。原料は、残留物などの未使用の廃品繊維材料、ぼろ切れなどの使用済み廃棄物から得られる。紙産物を用いる場合には、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、バイオマス原料はヒト廃棄物（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。追加のセルロースおよびリグノセルロース材料は、米国特許第６４４８３０７号、同第６２５８８７６号、同第６２０７７２９号、同第５９７３０３５号、および同第５９５２１０５号にも開示されている。
【００７５】
一実施形態では、バイオマス材料は、数平均分子量が約３０００〜５００００である、１つ以上のβ−ｌ，４結合を含む材料、またはそれを含む糖質でもよい。このような糖質はβ（１，４）−グリコシド結合の縮合により（β−グルコース１から）抽出されたセルロース（Ｉ）でもよいし、それを含んでもよい。この結合はそれ自体が、でんぷんおよび他の糖質に存在する（ｌ，４）−グリコシド結合についてのそれとは対照的である。この構造を以下に示す。
【化１】
0005903387.tif 000006
【００７６】
でんぷん材料は、例えば、トウモロコシでんぷん、小麦でんぷん、ジャガイモでんぷんもしくは米デンプン、でんぷん誘導体、または食用食品もしくは農作物などのでんぷんを含む材料を含む。でんぷん材料は、例えば、アラカチャ、そば粉、バナナ、オオムギ、キャッサバ、葛、アンデスカタバミ、サゴ、ソルガム、標準サイズの家庭用ジャガイモ、サツマイモ、タロイモ、山芋、またはソラマメ、レンティル豆もしくはエンドウ豆などの１つ以上の豆を含む。任意の２つ以上のでんぷん材料の混合体をでんぷん材料として用いてもよい。
【００７７】
一部の例では、バイオマスは微生物材料である。微生物源は以下を含む（ただし、これらに限定されない）。すなわち、原生動物などの原生生物（例えば、鞭毛虫、アモエボイド、繊毛虫類、および胞子虫類などの原虫）、および植物プロトプラスト（例えば、アルベオラテ、クロララクニオン植物、クリプト藻類、ユーグレナ類、灰色植物、ハプトファイト、赤色藻類、黄色植物、および緑色植物などの藻類）などの糖質源（例えば、セルロース）を吸収または供給可能な、自然発生のまたは遺伝子操作した任意の微生物または有機体を含む。他の例は、海草、プランクトン（例えば、マクロプランクトン、メソプランクトン、マイクロプランクトン、ナノプランクトン、ピコプランクトン、およびフェムトプランクトン）、植物プランクトン、細菌（例えば、グラム陽性細菌、グラム陰性細菌、および好極限性細菌）、酵母および／またはこれらの混合体を含む。一部の例では、微生物バイオマスは、海、湖、塩水もしくは淡水などの水域、天然水源、または陸上から得ることができる。代替的または追加的に、微生物バイオマスは、大規模な乾式培養システムおよび湿式培養システムから得られてもよい。
【００７８】
糖化剤
適切な酵素には、バイオマスを分解可能なセロビアーゼおよびセルラーゼを含む。
【００７９】
適切なセロビアーゼは、商品名ＮＯＶＯＺＹＭＥ１８８（登録商標）として販売されているＡｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ  ｎｉｇｅｒから得られるセロビアーゼを含む。
【００８０】
セルラーゼはバイオマスを分解可能であり、真菌または細菌起源でもよい。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４４３５３０７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  ＤＳＭ２６７２、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  ｄ���ｃｈｒｏｍｏｓｐｏｒｕｍ  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３８４４８９０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。
【００８１】
Ａｃｃｅｌｌｅｒａｓｅ（登録商標）１５００酵素複合体などの商品名ＡＣＣＥＬＬＥＲＡＳＥＲであるＧｅｎｅｎｃｏｒｅが販売している酵素複合体を用いてもよい。Ａｃｃｅｌｌｅｒａｓｅ（登録商標）１５００酵素複合体は、主に外グルカナーゼ、エンドグルカナーゼ（２２００〜２８００ＣＭＣ  Ｕ／ｇ）、ヘミセルラーゼ、およびベータグルコシダーゼ（５２５〜７７５ｐＮＰＧ  Ｕ／ｇ）などの複数の酵素活性を抑制し、そのｐＨは４．６〜５．０である。酵素複合体のエンドグルカナーゼ活性は、カルボキシメチルセルロース活性ユニット（ＣＭＣ  Ｕ）において表され、ベータグルコシダーゼ活性は、ｐＮＰ−グルコシド活性ユニット（ｐＮＰＧ  Ｕ）に記録される。一実施形態では、Ａｃｃｅｌｌｅｒａｓｅ（登録商標）１５００酵素複合体とＮＯＶＯＺＹＭＥ（登録商標）１８８セロビアーゼとの混合体を用いてもよい。
【００８２】
一部の実施では、糖化剤は鉱酸などの酸を含む。酸を用いる場合には、微生物に有害な副産物が生じることがある。この場合には、このような副産物を除去する工程をさらに含む。この除去は活性木炭などの活性炭素を用いるか、他の適切な技術により行われ得る。
【００８３】
発酵剤
発酵に用いる１つ以上の微生物は、天然微生物および／または人工微生物である。微生物は、例えば、セルロース分解細菌、真菌などの細菌、酵母、植物、原生生物、藻類、原虫、または粘菌といった真菌のような原生生物でもよい。有機体同士に相溶性がある場合には、有機体の混合体を用いてもよい。
【００８４】
適切な発酵微生物は、発酵産物内のグルコース、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）；Ｐｉｃｈｉａ茎（Ｃａｎｄｉｄａ  ｓｈｅｈａｔａｅに関連する）、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）。
【００８５】
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（現在はＬａｌｅｍａｎｄ）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。
【００８６】
発酵に用いる細菌は、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。
【００８７】
添加物
抗生物質
通常、糖化液中の糖度は高いことが好ましい。この場合のように５０〜１５０ｐｐｍである低濃度の液を用いる場合には、広域抗生物質などの抗菌性添加物を加えることが所望され得る。他の適切な抗生物質は、アンフォテリシンＢ、アンピシリン、クロラムフェニコール、シプロフロキサシン、ゲンタマイシン、ハイグロマイシンＢ、カナマイシン、ネオマイシン、ペニシリン、ピューロマイシン、ストレプトマイシンを含む。抗生物質は、輸送および保存中の微生物の増殖を抑制し、適切な濃度で用いられ得る。この適切な濃度は、例えば、重量単位で１５〜１０００ｐｐｍ、２５〜５００ｐｐｍ、または５０〜１５０ｐｐｍである。所望に応じて、糖度が比較的高い場合でも抗生物質を含ませてもよい。
【００８８】
界面活性剤
界面活性剤を追加することにより糖化率を向上できる。界面活性剤の例は、Ｔｗｅｅｎ（登録商標）２０またはＴｗｅｅｎ（登録商標）８０ポリエチレングリコール界面活性剤などの非イオン界面活性剤、イオン性界面活性剤、または両性界面活性剤を含む。他の適切な界面活性剤は、Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌから販売されているＴＲＩＴＯＮ（登録商標）Ｘシリーズ非イオン界面活性剤などのオクチルフェニルエトキシレートを含む。界面活性剤は、特に高濃度溶液である溶液内で生成された糖を維持するためにも加えられ得る。
【００８９】
糖化媒体
一実施形態における媒体の成分濃度を以下に示す。
【表１】
0005903387.tif 000007
【００９０】
原料の物理的処理
物理的前処理
一部の例では、方法は物理的前処理、例えば、切断、製粉、剪断、微製粉、または切り刻みなどによる、材料のサイズ縮小を含み得る。一部の例では、軽い原料（例えば、再生紙、でんぷん材料、石炭、またはスイッチグラス）を剪断または破砕して用意する。他の場合では、例えば、最初に、本明細書に記載する任意の方法の１つ以上を用いて、材料を前処理または加工、例えば、放射、超音波処理、酸化、熱分解、または蒸気爆発し、その後、サイズ縮小またはさらなるサイズ縮小をする。処理済材料はより砕け易いため、より容易にサイズを縮小できる。したがって、初めに材料を処理して、その後サイズ縮小する方法が有利である。仕切りおよび／または磁石を用いることにより、例えば、フィードストリームからの小石またはくぎなどの大き過ぎるまたは望ましくない物体を除去できる。
【００９１】
フィード前処理システムは、特定の特性を有するストリームを生成するように構成され得る。この特定の特性には、例えば、特定の最大サイズ、特定の長さ対幅、または特定の表面積率が含まれる。物理的前処理により反応率速度を上げるか、材料の切開に必要な処理時間を短縮することができる。さらに、材料の加工および／または溶液内の試薬などの試薬を使用し易くできる。原料の嵩密度は制御（例えば、増大）できる。一部の状況では、嵩密度の低い材料を用意し、材料の密度を高くして（例えば、別の場所への輸送を容易かつ低費用にするために）、その後、嵩密度が低い状態に材料を戻すことが所望され得る。
【００９２】
サイズ縮小
一実施形態では、加工材料は、繊維源を剪断することで得られた繊維を含む繊維材料である。例えば、回転ナイフカッターを用いて剪断できる。
【００９３】
例えば、扱い難いまたは抵抗レベルを低減した繊維源を回転ナイフカッターなどにより剪断することにより、第１の繊維材料を形成する。第１の繊維材料を、平均開口サイズが１．５９ｍｍ（１／１６インチ、０．０６２５インチ）以下である第１の仕切りを通過させて、第２の繊維材料を形成する。所望に応じて、繊維源を、剪断する前にシュレッダなどを用いて切断してもよい。例えば、繊維源として紙を用いる場合には、それを最初に、シュレッダを用いて１／４〜１／２インチ幅などの細長い片に剪断する。このシュレッダは、Ｍｕｎｓｏｎ（Ｕｔｉｃａ，Ｎ．Ｙ．）が製造するような逆方向に回転するスクリューシュレッダでもよい。破砕の代替案として、ギロチンカッターに用いるのに適したサイズに紙を切断してもよい。例えば、ギロチンカッターを用いて、紙を、１０インチ幅、１２インチ長などに一枚ずつ切断する。
【００９４】
一実施形態では、繊維源の剪断、およびその結果生じた第１の繊維材料の第１の仕切りの通過は同時に実行される。剪断および通過はバッチ型加工によっても実行され得る。
【００９５】
例えば、回転ナイフカッターを用いて、繊維源の剪断と第１の繊維材料の切断とを同時に実行できる。回転ナイフカッターはホッパを備えている。ホッパは、繊維源を破砕して形成された細断された繊維源を取り込むことができる。一部の実施では、糖化および／または発酵の前に、原料を物理的に処理する。物理的処理プロセスは、機械的処理、化学的処理、照射、超音波処理、酸化、熱分解、または蒸気爆発などの本明細書に記載する任意の１つ以上の加工を含み得る。処理方法は、これらの技術の２つ、３つ、４つ、さらには全てを（いかなる順序で）組み合わせて利用してもよい。２以上の処理方法を利用する場合には、これらを同時に実行してもよいし、順番に実行してもよい。また、バイオマス原料の分子構造を変化させる他の加工を単独で利用してもよいし、本明細書に開示する加工と組み合わせて利用してもよい。
【００９６】
機械的処理
一部の例では、方法はバイオマス原料の機械的処理を含み得る。機械的処理は、例えば、切断、粉砕、加圧成形、製粉、剪断および切り刻みを含む。粉砕は、例えば、ボールミル粉砕、ハンマー粉砕、ロータ／固定子乾式もしくは湿式粉砕、または他の種類の粉砕を含み得る。他の機械的処理は、例えば、石材製粉、クラッキング、機械的切り開き、引き裂き、ピン製粉または空気摩擦粉砕を含む。
【００９７】
機械的処理により、セルロースまたはリグノセルロース材料の「切開」、「圧迫」、製粉および打ち砕きに有利であり、鎖の切断および／または結晶性変形の影響をより受けやすい材料から成るセルロースを形成できる。また、材料の露出部分は、照射されたときに酸化の影響をより受けやすい。
【００９８】
一部の例では、機械的処理は、受け入れる原料の初期の前処理を含み得る。例えば、切断、製粉、剪断、微製粉、または切り刻みなどによる材料のサイズ縮小を含む。一部の例では、剪断または破砕して、軽い原料（例えば、再生紙、でんぷん材料、またはスイッチグラス）を用意する。
【００９９】
代替的または追加的に、原材料を、最初に、化学的処理、放射、超音波処理、酸化、熱分解、または蒸気爆発などの１つ以上の他の物理的処理方法により物理的に処理し、その後、機械的に処理してもよい。この連続処理は有利である。なぜならば、照射または熱分解などの１つ以上の他の処理により処理された材料は、より砕けやすく、それ故、機械的処理において材料の分子構造をより容易に変化できるからである。
【０１００】
一実施形態では、原材料は繊維材料であり、機械的処理は、繊維材料の繊維を露出する剪断を含む。剪断は、例えば、回転ナイフカッターを用いて実行できる。原料を機械的処理する他の方法は、例えば、粉砕または製粉を含む。粉砕は、例えば、ハンマーミル、ボールミル、コロイドミル、円錐または錐体ミル、ディスクミル、エッジミル、ウィリーミルまたはグリストミルにより実行され得る。粉砕は、例えば、石材グラインダ、ピングラインダ、コーヒーグラインダ、またはバーグラインダを用いて実行できる。粉砕は、例えば、ピンミルを用いた場合と同様に、往復ピンまたは他の要素を用いて実行できる。他の機械的処理方法は、機械的切り開きまたは引き裂き、材料に圧力を加える他の方法、および空気摩擦粉砕を含む。適切な機械的処理は、原料の分子構造を変化させる任意の他の技術をさらに含む。
【０１０１】
所望に応じて、機械的に処理した材料を、例えば、平均開口サイズが１．５９ｍｍ（１／１６インチ、０．０６２５インチ）以下である仕切りを通過させることができる。一実施形態では、剪断または他の機械的処理、および仕切りは同時に実行される。例えば、回転ナイフカッターを用いて、原料の剪断および仕切りを同時に実行してもよい。原料を固定ブレードと回転ブレードとの間で剪断し、仕切りを通り抜ける剪断された材料を形成し、ビンに取り込むことができる。
【０１０２】
セルロースまたはリグノセルロース材料は、乾燥状態（例えば、その表面にわずかのみの水を含むか、全く含まない）、水和状態（例えば、重量単位で最大１０％の水を吸収している）、または湿潤状態（例えば、重量単位で約１０％〜約７５％の水を有する）において機械的に処理され得る。水、エタノール、またはイソプロパノールなどの液体中に部分的または完全に沈められた場合でさえも、繊維源を機械的に処理できる。
【０１０３】
繊維源セルロースまたはリグノセルロース材料はまた、酸素または窒素などの気体（空気以外のストリームまたはガス雰囲気など）、または蒸気中でも機械的に処理され得る。
【０１０４】
所望に応じて、リグニンを含むいかなる繊維材料からリグニンを除去してもよい。また、セルロース含有材料の分解を促進するために、機械的処理もしくは熱による照射、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／または酵素による処理の前またはその処理中に、材料を処理してもよい。例えば、酸が存在していても製粉を実行してもよい。
【０１０５】
機械的処理システムは、例えば、表面積、空隙率、嵩密度などの特定の形態特性、および線維原料の場合には、長さ対幅比率などの繊維特性を有するストリームを生成するように構成され得る。
【０１０６】
一実施形態では、機械的に処理した材料のＢＥＴ表面積は、０．１ｍ２／ｇ、０．２５ｍ２／ｇ、０．５ｍ２／ｇ、１．０ｍ２／ｇ、１．５ｍ２／ｇ、１．７５ｍ２／ｇ、５．０ｍ２／ｇ、１０ｍ２／ｇ、２５ｍ２／ｇ、３５ｍ２／ｇ、５０ｍ２／ｇ、６０ｍ２／ｇ、７５ｍ２／ｇ、１００ｍ２／ｇ、１５０ｍ２／ｇ、２００ｍ２／ｇ、さらには２５０ｍ２／ｇよりも大きい。
【０１０７】
機械的に処理した材料の空隙率は、例えば、２０％、２５％、３５％、５０％、６０％、７０％、８０％、８５％、９０％、９２％、９４％、９５％、９７．５％９９％、さらには９９．５％よりも大きい。
【０１０８】
一実施形態では、機械的処理後の材料の嵩密度は、０．２５ｇ／ｃｍ３、０．２０ｇ／ｃｍ３、０．１５ｇ／ｃｍ３、０．１０ｇ／ｃｍ３、０．０５ｇ／ｃｍ３、または０．０２５ｇ／ｃｍ３未満である。嵩密度は、ＡＳＴＭ  Ｄ１８９５Ｂを用いて決定される。簡潔に言えば、この方法は、既知の容量のメスシリンダに試料を充填し、試料の重量を得ること含む。嵩密度の計算は、グラム単位の試料の重量を、立法センチメートル単位のシリンダの既知の容量で割ることにより行われる。
【０１０９】
原料が繊維材料である場合には、機械的に処理した繊維材料の繊維は、２回以上剪断した場合でさえも、平均の長さと直径の比が比較的大きい（例えば、２０対ｌよりも大きい）。さらに、本明細書に記載する繊維材料の全長は比較的狭く、かつ／または長さと直径の比はばらついている。
【０１１０】
本明細書に用いる平均繊維幅（例えば、直径）は、約５０００繊維からランダムに選択されて光学的に決定される。平均繊維長は、重み付き全長に訂正される。ＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ，ＥｍｍｅｔおよびＴｅｌｌｅｒ）表面積は、多点での表面積であり、空隙率は水銀ポロシメータを用いて決定される。
【０１１１】
第２の原料が繊維材料１４である場合には、機械的に処理した材料の繊維部分の平均長と直径との比は、例えば、８／１、１０／１、１５／１、２０／１、２５／１、５０／１よりも大きい。機械的に処理した材料１４の平均繊維長は、例えば、約０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、約０．７５ｍｍ〜１．０ｍｍであり、第２の繊維材料１４の平均幅（例えば、直径）は、例えば、約５μｍ〜５０μｍ、約１０μｍ〜３０μｍである。
【０１１２】
一実施形態では、原料が繊維材料である場合には、機械的に処理した材料の繊維長の標準偏差は、機械的に処理した材料の平均繊維長の６０％未満、例えば、５０％、４０％、２５％、１０％、５％、さらには１％未満でもよい。
【０１１３】
一部の状況では、嵩密度の低い材料を用意し、材料の密度を高くして（例えば、別の場所への輸送を容易かつ低費用にするために）、その後、嵩密度が低い状態に材料を戻すことが所望され得る。本明細書に記載する任意の方法で高密度材料を加工してもよいし、本明細書に記載する任意の方法で加工したいかなる材料の密度を、その後、高くしてもよい。この方法は、例えば、米国シリアル番号第１２／４２９０４５号およびＷＯ２００８／０７３１８６に開示されており、その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０１１４】
可溶化、抵抗性低減または官能基化処理
物理的に処理された、または用意されていない材料は、本明細書に記載する任意の生成工程において使用するために処理され得る。下記する１つ以上の生成工程は、前述の抵抗性を低減する作動ユニットの処理に含まれ得る。代替的または追加的に、抵抗性を低減する他の工程を含んでもよい。
【０１１５】
抵抗性を低減する作動ユニットが実行する処理工程は、照射、超音波処理、酸化、熱分解、または蒸気爆発の１つ以上を含み得る。これらの技術の２つ、３つ、４つ、さらには全てを（いかなる順序で）組み合わせて利用してもよい。
【０１１６】
放射処理
１つ以上の放射線処理シーケンスを利用して、原料から有用な物質を抽出するために、原料中の材料を加工し、種々の源に提供する。そして、さらなる加工ステップおよび／またはシーケンスを入力する機能となる材料を部分的に分解して有機構造的に変更できる。原料の分子量および／または結晶性を低減するために、例えば、照射を用いることができる。照射によりさらに、材料または材料のバイオ加工に必要な任意の媒体を殺菌できる。
【０１１７】
一実施形態では、その原子軌道から電子を解放する、材料に含まれるエネルギーを利用して材料を照射できる。放射は、（１）アルファ粒子またはプロトンなどの重荷電粒子、（２）ベータ崩壊または電子ビーム加速器などにより生成された電子、または（３）ガンマ線、ｘ線、または紫外線などの電磁放射により実行され得る。一手法では、放射性物質から生じる放射を用いて原料を照射できる。一実施形態では、（１）〜（３）を任意に組み合わせて、それらをいかなる順序で、または同時に実行することができる。別の手法では、（例えば、電子ビームエミッタにより生成した）電磁放射を利用して、原料を照射することができる。適用する線量は、所望の効果および特定の原料に応じて決定できる。
【０１１８】
一部の例では、鎖の切断および／または重合鎖の機能化が所望される場合には、電子よりも重い粒子、例えば、プロトン、ヘリウムの核、アルゴンイオン、ケイ素イオン、ネオンイオン、炭素イオン、リンイオン、酸素イオン、または窒素イオンを用いてもよい。開環鎖の切断が所望される場合には、それらのルイス酸特性に正荷電粒子を利用して開環鎖の切断を改善してもよい。例えば、最大の酸化が所望される場合には、酸素イオンを用い、最大のニトロ化が所望される場合には窒素イオンを用いてもよい。重粒子および正荷電粒子の使用は、米国シリアル番号第１２／４１７６９９号に開示されており、その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０１１９】
一方法では、第１の材料は、第１の数平均分子量（ＭＮＩ）が照射されたセルロースであるか、それを含む。この照射は、例えば、（ガンマ放射線、ｘ照射、１００ｎｍ〜２８０ｎｍの紫外線（ＵＶ）光、電子ビーム、または他の荷電粒子などの形態の）イオン化放射線による処理である。この照射により、第１の数平均分子量よりも低い第２の数平均分子量（ＭＮ２）であるセルロース含有の第２の材料を提供できる。第２の材料（または、第１および第２の材料）を、第２および／または第１の材料、その構成糖、またはリグニンを利用できる（酵素処理の有無に関わらず）微生物と組み合わせて、本明細書に記載するような中間体または産物を生産できる。
【０１２０】
第２の材料は、第１の材料と比較して分子量の少ないセルロースを含み、さらに一部の例では、結晶性も低い。このため、通常、第２の材料は、例えば、微生物および／または酵素を含む溶液中で、より分散、膨張および／または溶解し易い。これらの特性により、第２の材料は加工し易くなり、また、第１の材料と比較して化学物質、酵素および／または生物攻撃の影響をより受けやすくなる。それ故、エタノールなどの所望の産物の生成速度および／または生成レベルを大幅に向上できる。放射はまた、材料または材料のバイオ加工に必要な任意の媒体を殺菌できる。
【０１２１】
一実施形態では、第２の材料の酸素（０２）濃度は、第１の材料の酸素（Ｏ１）濃度よりも高い。材料の酸素濃度を高くすることにより、その分散能力、膨張能力および／または溶解度を向上し、さらには、化学物質、酵素または生物攻撃に対する材料の脆弱性を改善できる。一実施形態では、第１の材料に対して第２の材料の酸素濃度を高くすることにより、例えば、空気または酸素で覆われた酸化環境でも照射を実行できる。これにより、第１の材料よりも第２の材料を酸化できる。例えば、第２の材料は、より多くのヒドロキシル基、アルデヒド基、ケトン基、エステル基、またはカルボン酸基を有し、その親水性を増大できる。
【０１２２】
イオン化放射線
各形態の放射により、放射エネルギーにより決定された、特定の相互作用を受けた炭素含有材料をイオン化できる。重荷電粒子は、最初に、クーロン散乱により物体をイオン化し、さらに、これらの相互作用により、物体をさらにイオン化できるエネルギー電子を生成できる。アルファ粒子は、ヘリウム原子の核と等しく、アルファ崩壊により生成される。このアルファ崩壊は、ビスマス同位体、ポロニウム、アスタチン、ラドン、フランシウム、ラジウム、アクチニウムなどのいくつかのアクチニド、トリウム、ウラン、ネプツニウム、キュリウム、カリホルニウム、アメリシウム、およびプルトニウムなどの種々の放射性核のアルファ崩壊を含む。
【０１２３】
粒子を用いる場合には、それらは中性（非荷電）でもよいし、正または負に帯電してもよい。帯電すると、荷電粒子は単一の正もしくは負電荷、または１、２、３さらには４以上の複数の電荷を有する。鎖の切断が所望される場合では、それらの酸性性質にある程度起因して正荷電粒子が望ましい。粒子を用いる場合には、粒子の静止電子の質量は、例えば、静止電子の質量の５００、１０００、１５００、２０００、１００００、さらには１０００００倍超である。例えば、粒子の質量は、約１〜約１５０原子単位、約１〜約５０原子単位、または約１〜約２５原子単位であり、例えば、１、２、３、４、５、１０、１２または１５原子質量単位である。粒子の加速に用いる加速器は、静電ＤＣ、動電型ＤＣ、ＲＦ線形、磁気誘導線形、または連続波でもよい。例えば、Ｒｈｏｄｏｔｒｏｎ（登録商標）システムなどの、ＩＢＡ，Ｂｅｌｇｉｕｍが販売しているサイクロトロン型加速器を用いることができる。また、Ｄｙｎａｍｉｔｒｏｎ（登録商標）などの、ＲＤＩ、現在はＩＢＡ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌが販売しているＤＣ型加速器を用いてもよい。１つ以上のイオン用のイオン加速器は、Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｏｒｙ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｋｅｎｎｅｔｈ  Ｓ．Ｋｒａｎｅ，Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．（１９８８），Ｋｒｓｔｏ  Ｐｒｅｌｅｃ，ＦＩＺＩＫＡ  Ｂ  ６  （１９９７）  ４，１７７−２０６，Ｃｈｕ，Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｔ．，「Ｏｖｅｒｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔ−Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｔｈｅｒａｐｙ」Ｃｏｌｕｍｂｕｓ−Ｏｈｉｏ，ＩＣＲＵ−ＩＡＥＡ  Ｍｅｅｔｉｎｇ，１８−２０  Ｍａｒｃｈ  ２００６，Ｉｗａｔａ，Ｙ他の「Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ−Ｐｈａｓｅ−Ｆｏｃｕｓｅｄ  ＩＨ−ＤＴＬ  ｆｏｒ  Ｈｅａｖｙ−Ｉｏｎ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ」  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＥＰＡＣ  ２００６，Ｅｄｉｎｂｕｒｇｈ，Ｓｃｏｔｌａｎｄ  ａｎｄ  Ｌｅａｎｅｒ，ＣＭ他の「Ｓｔａｔｕｓ  ｏｆ  ｔｈｅＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ＥＣＲ  Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｖｅｎｕｓ」  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＥＰＡＣ  ２０００，Ｖｉｅｎｎａ，Ａｕｓｔｒｉａに記載されている。
【０１２４】
一実施形態では、放射線源として電子ビームを用いてもよい。電子ビームの利点は、高線量率（例えば、毎秒１、５、さらには１０Ｍｒａｄ）、ハイスループット、機器の封じ込め、閉じ込めの軽減が挙げられる。電子はまた、鎖の切断により効率的である。さらに、４〜１０ＭｅＶのエネルギーを有する電子の侵入深さは、５〜３０ｍｍ以上、例えば４０ｍｍにもなる。一部の例では、複数の電子ビーム装置（例えば、通常、「ホーン」と呼ばれる複数のヘッド）を用いて、電子ビーム放射による複数の線量を材料に供給してもよい。通常、複数の加速ヘッドを用いることにより、ビーム出力の総量を大きくすることができる。例えば、電子ビーム装置は、２または４以上の加速ヘッドを含んでもよい。一例として、電子ビーム装置は４つの加速ヘッドを含み得、その各々のビーム出力は３００ｋＷであり、それ故装置全体のビーム出力は１２００ｋＷである。各々のビーム出力が比較的低い複数のヘッドを用いることにより、材料の過度の温度上昇、それ故材料の燃焼を防ぐことができる。さらに、材料層の厚みを通る線量をより均一にできる。複数のヘッドを用いた照射は、２０１０年１０月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／３９４８５１号に開示されており、その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０１２５】
電子ビームは、例えば、静電発電機、カスケード発電機、変圧器発電機、走査システムを備えた低エネルギー加速器、線形陰極を備えた低エネルギー加速器、線形加速器、およびパルス加速器を用いて生成できる。材料の積み重ねが比較的薄い、例えば、０．５インチ、０．４インチ、０．３インチ、０．２インチ、０．１インチ未満などである場合には、イオン化放射線源としては電子が有用である。一実施形態では、電子ビームの各電子のエネルギーは、約０．３ＭｅＶ〜約２．０ＭｅＶ（１００万電子ボルト）、約０．５ＭｅＶ〜約１．５ＭｅＶ、または約０．７ＭｅＶ〜約１．２５ＭｅＶである。
【０１２６】
電子ビーム照射装置は、Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｌｏｕｖａｉｎ−ｌａ−Ｎｅｕｖｅ，ＢｅｌｇｉｕｍまたはＴｉｔａｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，ＣＡから入手できる。通常、電子エネルギーは、１ＭｅＶ、２ＭｅＶ、４．５ＭｅＶ、７．５ＭｅＶ、または１０ＭｅＶである。通常、電子ビーム照射装置の電力は、１ｋＷ、５ｋＷ、１０ｋＷ、２０ｋＷ、５０ｋＷ、１００ｋＷ、２５０ｋＷ、または５００ｋＷでもよい。原料の解重合レベルは、使用する電子エネルギーおよび適用する線量に応じて決まる。また、露出時間は、電力および線量に応じて決まる。通常、線量の値は、１ｋＧｙ、５ｋＧｙ、１０ｋＧｙ、２０ｋＧｙ、５０ｋＧｙ、１００ｋＧｙ、または２００ｋＧｙである。
【０１２７】
電磁放射
電磁放射を利用して照射を実行する実施形態では、電磁放射の（電子ボルト単位の）光子あたりのエネルギーは、例えば、１０２ｅＶ、例えば、１０３、１０４、１０５、１０６、さらには１０７ｅＶ超である。一実施形態では、電磁放射の光子あたりのエネルギーは、１０４〜１０７ｅＶ、例えば、１０５〜１０６ｅＶである。電磁放射の周波数は、例えば、１０１６Ｈｚ、１０１７Ｈｚ、１０１８、１０１９、１０２０、さらには１０２１Ｈｚ超である。一実施形態では、電磁放射の周波数は、１０１８〜１０２２Ｈｚ、例えば、１０１９〜１０２１Ｈｚである。
【０１２８】
線量
一実施形態では、（任意の放射線源または組み合わせた源を用いた）照射は、材料が受ける線量が、少なくとも０．２５Ｍｒａｄ、例えば、少なくとも１．０、２．５、５．０、８．０、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、５０、さらには少なくとも１００Ｍｒａｄに達するまで実行される。一実施形態では、照射は、材料が受ける線量が、１．０Ｍｒａｄ〜６．０Ｍｒａｄ、例えば、１．５Ｍｒａｄ〜４．０Ｍｒａｄ、２Ｍｒａｄ〜１０Ｍｒａｄ、５Ｍｒａｄ〜２０Ｍｒａｄ、１０Ｍｒａｄ〜３０Ｍｒａｄ、１０Ｍｒａｄ〜４０Ｍｒａｄ、または２０Ｍｒａｄ〜５０Ｍｒａｄに達するまで実行される。
【０１２９】
一実施形態では、実行する照射の線量率は、５．０〜１５００．０キロラド／時間、例えば、１０．０〜７５０．０キロラド／時間、または５０．０〜３５０．０キロラド／時間である。
【０１３０】
一実施形態では、２つ以上のイオン化放射線などの２つ以上の放射線源を用いてもよい。例えば、電子ビームを用いていかなる順序で試料を処理してもよく、その後、波長が約１００ｎｍ〜約２８０ｎｍのガンマ放射線および紫外線を放射する。一実施形態では、試料の処理には、３つのイオン化放射線源、例えば、電子ビーム、ガンマ放射線、およびエネルギー紫外線を用いる。
【０１３１】
超音波処理、熱分解および酸化
放射処理に加えて、原料の処理に、超音波処理、熱分解および酸化の任意の１つ以上を用いてもよい。これらの処理工程はＵＳＳＮ１２／４１７８４０に開示されており、その開示は参照により本明細書に組み込まれる．
【０１３２】
可溶化、抵抗性低減、または官能基化のための他の加工
この段落のいかなる加工は、本明細書に記載するいかなる加工を実行せずに単独で、または本明細書に記載するいかなる加工と組み合わせて（いかなる順序で）も実行することができる。これらの加工には、蒸気爆発、化学的処理（例えば、酸処理（硫酸、塩酸、およびトリフルオロ酢酸などの有機酸などの鉱酸を用いた濃縮および希酸処理を含む））および／または塩基処理（例えば、水酸化石灰または水酸化ナトリウムを用いた処理）、紫外線処理、スクリュー押出しプロセス（例えば、２００８年１１月１８１７に出願された米国特許出願シリアル番号第６１／０７３５３０１１５３９８号参照）、溶媒処理（例えば、イオン液体を用いた処理）、並びに凍結粉砕（米国特許出願シリアル番号第６１／０８１７０９号、同第１２／５０２６２９号参照）が含まれる。
【０１３３】
燃料、酸、エステルおよび／または他の産物の生成
前述の１つ以上の加工ステップをバイオマスに実行した後に、セルロースおよびヘミセルロース画分に含まれる複合糖質を、前述の糖化プロセスにより、発酵性糖に加工してもよい。
【０１３４】
結果生じた糖溶液を製造プラントに輸送した後、糖をエタノールなどのアルコールまたは有機酸などのさまざまな産物に変換できる。得られる産物は、利用する微生物およびバイオ加工を実行する条件に応じて決まる。これらのステップは、例えば、トウモロコシを原料とするエタノール製造プラントなどの既存の機器を用いて実行される。
【０１３５】
本明細書に記載する混合プロセスおよび機器は、所望に応じて、バイオ加工中にも実行または利用できる。有利にも、本明細書に記載する混合システムは、液体に高剪断応力を伝えず、液体全体の温度を大幅には上昇させない。この結果、バイオ加工に用いる微生物は、加工全体を通じた実行可能な条件下で維持される。混合により、反応速度およびプロセス効率が改善され得る。
【０１３６】
一般的に、さまざまな微生物を発酵させることができる。リグノセルロース材料の糖化により生産される糖溶液は、通常、キシロース、さらにはグルコースを含んでいる。例えば、キシロースに作用しないものとして一部で一般的に用いられる微生物（例えば、酵母）を用いたクロマトグラフィにより、キシロースを除去することが望ましい。キシロースを集めて、動物飼料およびキシリトール甘味料などの他の産物の生成に用いることができる。キシロースの除去は、発酵を実行する製造プラントに糖溶液を供給する前でも後でも実行できる。
【０１３７】
微生物は、天然微生物でもよく、また、本明細書の材料セクションに記載する任意の微生物などの加工微生物でもよい。
【０１３８】
酵母にとって最適なｐＨは約ｐＨ４〜５であり、一方、ザイモモナス（Ｚｙｍｏｍｏｎａ）にとって最適なｐＨは約ｐＨ５〜６である。標準的な発酵時間は、２６℃〜４０℃の温度範囲では約２４〜９６時間である。ただし、好熱性微生物には、より高い温度が好ましい。
【０１３９】
通常、カルボン酸基は発酵溶液のｐＨを下げ、Ｐｉｃｈｉａ茎などの一部の微生物の発酵を抑制する傾向がある。従って、一部の例では、発酵前またはその最中に塩基および／または緩衝剤を加えて、溶液のｐＨを上げることが望ましい。例えば、水酸化ナトリウムまたは石灰を発酵媒体に加えて、利用する微生物に最適な範囲にそのｐＨを上げることができる。
【０１４０】
発酵は、通常、ビタミンおよび微量元素を含む尿素、並びに金属などの、窒素源または他の栄養源を含む水溶性の成長培地内で実行される。一般的に、成長培地は無菌、または細菌数などの微生物負荷が少なくとも低いことが好ましい。成長培地の殺菌は任意の所望の方法により達成され得る。ただし、好ましい実施では、殺菌は、成長培地または成長培地の個々の成分を混合前に照射することにより達成できる。放射線量は、通常、エネルギー消費およびそれに伴う費用を最小限にするために、適切な結果を得られる範囲で可能な限り低くする。多くの例では、成長培地それ自体またはその成分の処理には、５Ｍｒａｄ、例えば、４、３、２または１Ｍｒａｄ未満の放射線量を用いる。特定の例では、約１〜３Ｍｒａｄの線量で成長培地を処理する。一実施形態では、低分子量の糖をエタノールに完全に変換する前に発酵プロセスの全てまたは一部を一時停止できる。中間発酵産物には、高濃度の糖および糖質が含まれる。これらの中間発酵産物を、ヒトまたは動物が消費する食物の前処理に用いることができる。追加的または代替的に、中間発酵産物を、ステンレス製の実験用粉砕機を用いて微粒子径に成形して粉末状物質を生産できる。
【０１４１】
米国仮特許出願シリアル番号第６０／８３２７３５、現在公開されている国際出願ＷＯ２００８／０１１５９８号に開示されている可動式の発酵槽を用いてもよい。同様に、可動式の糖化機器を用いてもよい。さらに、糖化および／または発酵の一部または全体を運送中に実行してもよい。
【０１４２】
後処理
発酵後、例えば、「ビールカラム」を用いて生じた液体を蒸留して、水および残留物の大部分からエタノールおよび他のアルコールを分離できる。ビールカラムから出た蒸気は、例えば、重量単位でエタノールが３５％である。これは精留塔に送り込まれる。精留塔からのほぼ共沸混合物である（９２．５％）エタノールと水との混合液を、気相分子篩を用いて純粋（９９．５％）エタノールに精製する。ビールカラム底を３つの効果蒸発装置の第１の効果装置に送ることができる。精留塔還流冷却器を用いて第１の効果装置に熱を与え得る。第１の効果装置による処理後、固体を遠心分離機を用いて分離し、回転式乾燥機で乾燥できる。遠心分離機の廃水の一部（２５％）をリサイクルして発酵し、その残りを、第２および第３の効果蒸発装置に送ることができる。蒸発装置の凝縮液の大部分を、処理廃水と分離したごく一部の非常にきれいな凝縮液として加工に戻して、低沸点化合物の増大を防ぐことができる。
【０１４３】
中間体および産物
本明細書に記載する加工を利用して、処理済バイオマスを変換して、エネルギー、燃料、食物、および材料などの１つ以上の産物を生成できる。特定の例の産物は以下を含む（ただし、これらに限定されない）。すなわち、水素、アルコール（例えば、エタノール、ｎ−プロパノール、またはｎ−ブタノールなどの一価アルコールまたは二価アルコール）、例えば、１０％、２０％、３０％、さらには４０％超の水を含む水和または含水アルコール、キシリトール、糖、バイオディーゼル、有機酸（酢酸および／または乳酸など）、炭化水素、副産物（例えば、セルロース分解性タンパク質（酵素）または単細胞タンパクなどのタンパク質）、およびこれらをある相対濃度で任意に組み合わせた混合液、選択的に、燃料添加剤などの任意の添加物を混ぜ合わせた混合液を含む。他の例は、酢酸または酪酸などのカルボン酸、カルボン酸塩、カルボン酸とカルボン酸塩との混合液、カルボン酸エステル（例えば、メチル、エチル、およびｎ−プロピルエステル）、ケトン（アセトンなど）、アルデヒド（アセトアルデヒドなど）、アルファ、アクリル酸などのベータ不飽和酸、およびエチレンなどのオレフィンを含む。他のアルコールおよびアルコール誘導体は、プロパノール、プロピレングリコール、１，４−ブタンジオール、１，３−プロパンジオール、これらの任意のアルコールのメチルまたはエチルエステルを含む。他の産物は、アクリル酸メチル、メチルメタクリル樹脂、乳酸、プロピオン酸、酪酸、コハク酸、３−ヒドロキシプロピオン酸、任意の酸性塩、並びに酸および各塩の任意の混合液を含む。
【０１４４】
食物および製剤を含む他の中間体および産物は、米国シリアル番号第１２／４１７９００号に開示されており、その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４５】
他の実施形態
複数の実施形態を記載したが、本開示の精神および範囲から逸脱することなく種々の変更がなされ得ることが理解される。
【０１４６】
一部の実施では、本明細書に記載するシステム、またはこれらのシステムの構成要素は移動可能であり、その可動性の加工機器は、例えば、米国シリアル番号第１２／３７４５４９号および国際出願ＷＯ２００８／０１１５９８号に開示されており、その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４７】
本明細書に記載する任意の分散システムでは、分散システムを通る流量（液体および／または気体）の供給は、連続的でもパルス式でもよく、連続流の周期とパルス流の間隔とを組み合わせてもよい。パルス流である場合には、パルスは定期的でも不定期でもよい。
【０１４８】
本明細書にはタンクを参照したが、ラグーン、プール、池などを含む任意の場所において船舶またはコンテナ船で加工を実行してもよい。混合を行うコンテナ船がラグーンなどの地上に配置される構造である場合には、それは並べられる。コンテナ船は覆われてもよいし、屋外などでは覆われなくてもよい。
【０１４９】
代替的な実施形態では、図２Ａおよび図２Ｂに示すシステムから分散システム１３４を取り外し、ポンプを利用してタンクから液体を引き込み、出口管１３７を通じてそれを供給してもよい。これにより原材料を湿らせ、その後、ジェットミキサ１４４の混合作用により分散する。このような実施では、ポンプは、容積型ポンプなどの低剪断ポンプであることが好ましく、例えば、ＳＥＥＰＥＸが販売している進行性キャビティポンプ、およびＷａｕｋｅｓｈａが販売しているローブポンプでもよい。さらに、より多くの原料を加えるほど液粘度が増すため、高粘度流体をポンピング可能なポンプが好ましい。
【０１５０】
本明細書にはバイオマス原料を記載したが、他の原料および他の原料を混合したバイオマス原料を用いてもよい。例えば、一部の実施では、バイオマス原料と炭化水素を含む原料との混合体を利用してもよい。これらは、２００９年７月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／２２６８７７号に開示されており、その完全な開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０１５１】
従って、他の実施形態は、以下の請求項の範囲に含まれる。
【図１】
0005903387.tif 000008
【図２】
0005903387.tif 000009
【図２Ａ】
0005903387.tif 000010
【図２Ｂ】
0005903387.tif 000011
【図３】
0005903387.tif 000012
【図４】
0005903387.tif 000013
【図５】
0005903387.tif 000014
【図５Ａ】
0005903387.tif 000015
【図６】
0005903387.tif 000016
【図７】
0005903387.tif 000017
【図７Ａ】
0005903387.tif 000018
【図８】
0005903387.tif 000019
【図９】
0005903387.tif 000020
【図９Ａ】
0005903387.tif 000021
【図１０】
0005903387.tif 000022
【図１０Ａ】
0005903387.tif 000023
【図１０Ｂ】
0005903387.tif 000024
【図１１】
0005903387.tif 000025
【図１２】
0005903387.tif 000026