(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス由来の単糖類、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール（５−ＨＭＦ）、レブリン酸及びリグニン生成物の液相の組成物と、グルカンを含む固相材料を生成するための条件下で、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、水及び酸触媒の単相共溶媒混合物によりバイオマスを処理することを含む方法であって、前記単相共溶媒混合物のＴＨＦ：水の比が２：１〜４：１であり、前記単相共溶媒混合物が０．５〜５重量％の酸触媒を含む、上記方法。
【請求項２】
前記酸触媒が、鉱酸、有機酸、及びハロゲン化金属酸からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記酸触媒が、硫酸、塩酸、リン酸、硝酸、ギ酸、酢酸、トリフルオロ酢酸、又はＦｅＣｌ３である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記条件が、前記バイオマスと単相共溶媒混合物とを組み合わせたものを１００℃〜２２０℃に加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
共沸蒸留又は溶媒抽出により、液相からフルフラールを除去及び／又は回収することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
煮沸及び／又は水蒸気蒸留により単相共溶媒混合物で処理している間及び／又は後に、蒸気相からフルフラールを除去及び／又は回収することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記フルフラールを更に処理し、触媒的にアップグレードしてＴＨＦ及び／又はメチル−ＴＨＦを生成させる、請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
液相から液体生成物を回収することを更に含み、前記液体生成物がＣ５及びＣ６単糖並びにそれらのオリゴマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記固相を、キシロオリゴマー及びキシロースの長鎖ポリマーを除去してキシロースモノマーを生成する１種以上の酵素により更に処理する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記固相を、グルコオリゴマー及びグルコースの長鎖ポリマーを除去してグルコースモノマーを生成する１種以上の酵素により更に処理する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記固相を、微生物及び／又は添加酵素とともにインキュベートして、発酵によりアルコール又はその他の生成物を生成させる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記アルコールがエタノールである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記アルコールが１個以上の炭素分子を含有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記微生物が、酵母、細菌、カビ、及び真菌からなる群から選択される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記固相が紙パルプとして使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記酸触媒がルイス酸及び／又はブレンステッド酸である、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記ルイス酸触媒がハロゲン化金属酸である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ハロゲン化金属酸が、ＡｌＣｌ３、ＣｕＣｌ２、ＣｒＣｌ３、ＦｅＣｌ３、及びＺｒＯＣｌ２からなる群から選択される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
バイオマスの分画及び触媒変換を組み合わせてバイオマスから反応中間体を製造する方法であって、
フルフラール、５−ＨＭＦ、レブリン酸、グルカンを豊富に含む材料、及びリグニンを生成する条件下で、ＴＨＦ、水及び酸触媒を含む単相共溶媒混合物によりバイオマスを処理することを含み、前記単相共溶媒混合物のＴＨＦ：水の比が２：１〜４：１であり、前記単相共溶媒混合物が０．５〜５重量％の酸触媒を含む、上記方法。
【請求項２０】
前記酸触媒が、鉱酸、有機酸、ハロゲン化金属酸、及び固体酸触媒からなる群から選択される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記酸触媒が、硫酸、塩酸、硝酸、ギ酸、酢酸、トリフルオロ酢酸、ＦｅＣｌ３、ＡｌＣｌ３、ＣｕＣｌ２及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記条件が、バイオマス及び単相共溶媒混合物を組み合わせたものを１３０℃〜２５０℃に加熱することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
蒸留又は溶媒抽出により、液相から、フルフラール及び／又は５−ＨＭＦを除去及び／又は回収することを更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
煮沸及び／又は水蒸気蒸留により、共溶媒混合物処理の間及び／又は後に、蒸気相からフルフラールを除去及び／又は回収することを更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記フルフラールを更に処理し、触媒的に脱カルボニル化及び水素化してＴＨＦを生成させる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記バイオマスの前記共溶媒混合物処理の液相から、水不混和性有機溶媒によりフルフラール及び／又は５−ＨＭＦを抽出及び／又は回収することを更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記不混和性有機溶媒が、エーテル、ケトン、アルコール、アルカン、又はこれらを任意に組み合わせたものである、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
共溶媒混合物で前記バイオマスを処理した後に固体生成物を回収することを更に含み、前記固形分はグルカンを豊富に含む材料を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２９】
前記グルカンを豊富に含む材料を、グルコオリゴマー及びグルコースの長鎖ポリマーを除去してグルコースモノマーを生成する１種以上の酵素により更に処理する、請求項１９又は２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記グルカンを豊富に含む固形分を、微生物及び／又は酵素と共にインキュベートして、アルコール又はその他の発酵生成物を生成させる、請求項１９又は２８に記載の方法
【請求項３１】
前記グルカンを豊富に含む固形分を、５−ＨＭＦ及び／又はレブリン酸に更に触媒的に変換する、請求項１９又は２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記リグニンを液体としてのＴＨＦ又はＤＭＳＯにより更に処理し、捕捉させる、請求項１９に記載の方法。
【請求項３３】
前記酸触媒がルイス酸又はブレンステッド酸である、請求項１９に記載の方法。
【請求項３４】
前記ルイス酸触媒がハロゲン化金属酸である、請求項１９に記載の方法。
【請求項３５】
前記ハロゲン化金属酸が、ＡｌＣｌ３、ＣｕＣｌ２、ＣｒＣｌ３、ＦｅＣｌ３、及びＺｒＯＣｌ２からなる群から選択される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記グルカンを豊富に含む材料を、ギ酸、酢酸、トリフルオロ酢酸及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される酸を使用してグルコース及びグルコースオリゴマーに加水分解する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３７】
請求項１〜３６のいずれかに記載の方法を実施するためのシステム。
【請求項３８】
バイオマスと、酸触媒、ＴＨＦ及び水の単相共溶媒混合物とを含む組成物であって、前記組成物のＴＨＦ：水の体積比が２：１〜４：１であり、前記組成物は０．５〜５重量％の酸触媒を含み、酸触媒はルイス酸又はハロゲン化金属酸である、上記組成物。
【請求項３９】
前記ハロゲン化金属酸が、ＡｌＣｌ３、ＣｕＣｌ２、ＣｒＣｌ３、ＦｅＣｌ３、及びＺｒＯＣｌ２からなる群から選択される、請求項３８に記載の組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１３年４月２７日に出願された米国特許仮出願第６１／８１６，７１３号に対する優先権を主張するものであり、この開示は、参照によりその全体が本明細書に援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本開示は、リグノセルロース系バイオマスを処理してリグニンを抽出して、持続可能な液体輸送燃料及びケミカルスを生成するために重要な再生可能な前駆体である、単糖類、フルフラール、５−ＨＭＦ、及びレブリン酸などの反応中間体を製造するための、単相水性共溶媒系を目的とする。
【背景技術】
【０００３】
世界中で石油供給が減少していることから、国内の油供給を確実なものとし、経済的かつ高効率的な、再生可能な石油燃料代替物を開発することが必要とされている。再生不能な化石燃料の過剰利用により、大気へのＣＯ２排出の均衡が崩れていることに対し、社会の関心は高まっており、工業国は、バイオマス由来燃料を徐々に輸送セクターに組み込むよう求めように圧力をかけられている。リグノセルロース系バイオマスは地球上で最も豊富な有機炭素資源であり、石油燃料を代替し、かつ輸送セクターで必要とされるエネルギーを維持するにあたって十分安価な唯一の再生可能資源である。このようなバイオマスは、３種類の主要な高分子成分；セルロース、ヘミセルロース、及びリグニンから構成される。セルロースは、結晶質構造であり、グルカンとして公知の線状β−１，４結合グルコース単位から構成される。ヘミセルロースは、非晶質構造であり、多くの場合、ほとんどの広葉樹、農業残渣、及び草本系エネルギー作物（herbaceous energy crops）において主要なヘミセルロース成分であるキシランとして公知のβ−１，４結合したキシロース単位から主に構成される。リグニンは、モノリグノールと呼ばれるフェニルプロパノール単位を含むポリマーを含み、ヘミセルロースに共有結合している、架橋された不均一な複合体である。リグノセルロース系バイオマス由来のこれらの３種類の成分を、燃料前駆体などの反応中間体の生成に最大限利用することのみが、バイオ燃料の経済的な製造を可能にし、現在及び将来のエネルギー需要を維持するであろう。
【発明の概要】
【０００４】
本開示は、バイオ燃料及びバイオケミカルへの変換に適した収率で反応中間体の製造するため、あらゆる種類のリグノセルロース系バイオマス原料由来の糖類及び炭素材料の利用を最大化する、バイオリファイナリー法を記載する。本方法は、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）水溶液の単相混合物を用いる、セルロース系バイオマス原材料の一段階反応を包含する。いくつかの実施形態では、混合物は酸触媒を更に包含する。バイオマスは、約１００℃超の温度でインキュベートする。反応は、バイオマスの加水分解によるキシロース及びグルコースなどの糖類の製造、バイオマスの加水分解による糖類［例えば、フルフラール（ＦＦ）、５−ヒドロキシメチルフルフラール（５−ＨＭＦ）、及びレブリン酸（ＬＡ）］からの脱水生成物の製造、並びに未反応で残留しているヘキソースを豊富に含有する固形分（solid）からの酸不溶性リグニンの除去、を触媒及び促進する。ＴＨＦ濃度、反応温度、反応時間、触媒の種類、及び触媒添加量を変えることで、生成物の分布をこれらの反応中間体のあいだで変化させることができる。この一段階一体型単相アプローチは操業コスト及び材料コストが低く、脱水及び糖生成物が高収率であり、バッチ又は連続プロセスとしてのスケールアップが容易であり、フィード液として使用するセルロース系材料を限定する必要がなく、並びに低沸点溶媒のリサイクル性が高いことから、このプロセスは、その他のセルロース前処理及び変換技術よりも有益である。
【０００５】
本開示は、ワンポット反応スキームにおいて、共溶媒としてテトラヒドロフランなどの水混和性溶媒を利用して、例えば、単糖類、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール、及びレブリン酸、並びに単離リグニンなどの、目的とする一次及び二次反応中間体（ＲＩ）の両方を、リグノセルロース系バイオマスから直接的に製造することを促進する。いくつかの実施形態では、ＴＨＦ共溶媒混合物（co-solvent mixture）を酸系触媒と組み合わせて使用する。このような反応中間体は燃料前駆体として使用することができる。
【０００６】
本開示は、ＴＨＦなどの共溶媒を一体型バイオリファイナリープロセスに使用することで、リグノセルロース系又はセルロース系バイオマスからの反応中間体の直接製造を向上させるプロセスを提供する。ＴＨＦは、フランへの触媒的脱カルボニル化後に水素化することで、フルフラールからの最終的な共生成物として直接生成することのできる低沸点の溶媒である。
【０００７】
本開示において、水及び適切な酸触媒を含む単相溶液としてＴＨＦを提供し、バイオマス原料の（１）分画、及び（２）分解（deconstruction）／可溶化、及び（３）一段階の触媒変換におけるＲＩの製造向上を促進する。共溶媒としてのＴＨＦは、（４）Ｋｌａｓｏｎ−リグニンを直接可溶化できるのに加え、ＴＨＦの非存在下では通常堆積する分解タールを可溶化することもできる。プロセスの条件を変更することにより、（５）この溶媒系は、グルカンを豊富に含む前処理された固形分を製造することも可能である。このグルカンを豊富に含む前処理された固形分は、典型的な前処理技術と比べてより容易に発酵性グルコースに酵素加水分解でき、又、更に熱化学的に、より多量のレブリン酸へと変換することができる。
【０００８】
本開示は、バイオマスから反応中間体を製造するための方法を提供し、グルカンを豊富に含む固体材料（solid glucan-rich material）、単糖類、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール、及びリグニン生成物を生成する条件下で、ＴＨＦ水溶液の共溶媒混合物を含む組成物によりバイオマスを処理することを含む。本開示は、バイオマスから反応中間体を製造するための方法も提供し、グルカンを豊富に含む固体材料、単糖類、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール、及びリグニン生成物を生成する条件下で、テトラヒドロフラン及び酸触媒の共溶媒混合物を含む組成物によりバイオマスを処理することで、ことを含む。一実施形態では、共溶媒混合物は、標準温度及び標準気圧（ＳＴＰ）にて単相である。別の実施形態では、酸触媒は、鉱酸、有機酸、及びハロゲン化金属酸（metalhalide acid）からなる群から選択される。前述のいずれかの更に別の実施形態では、酸触媒は、硫酸、塩酸、硝酸、酢酸、ギ酸、トリフルオロ酢酸、又はＦｅＣｌ３である。別の実施形態では、この条件は、バイオマスと組成物とを組み合わせたものを１００℃〜２２０℃に加熱することを含む。更に別の実施形態では、本方法は、バイオマスを共溶媒により前処理した後に、液相からＴＨＦを除去及び／又は回収することを含む。更に別の実施形態では、本方法は、液相からＴＨＦを除去した後に、共溶媒で処理したバイオマスから固形分として沈殿させることによりリグニンを除去及び／又は回収することを更に含む。更に別の実施形態では、本方法は、共沸蒸留又は溶媒抽出によりバイオマスを共溶媒で処理した後に、液相からフルフラールを除去及び／又は回収することを更に含む。更に別の実施形態では、本方法は、煮沸及び／又は水蒸気蒸留により共溶媒で処理している間及び／又は後に、蒸気相からフルフラールを除去及び／又は回収することを更に含む。前述の別の実施形態では、フルフラールを更にプロセスして、ＴＨＦ及び／又はメチル−ＴＨＦへと触媒的にアップグレードさせる。別の実施形態では、方法は、Ｃ５及びＣ６単糖及び／又はそれらのオリゴマーを含む液体生成物を回収することを更に含む。尚更なる実施形態では、液体生成物は塩基により中和される。更に別の実施形態では、方法は、バイオマスを共溶媒で処理した後に固体生成物(solid product)を回収することを更に含み、固形分(solid)は、グルカンを豊富に含む材料を含む。尚更なる実施形態では、グルカンを豊富に含む材料は、キシロオリゴマー及びキシロースの長鎖ポリマーを除去してキシロースモノマーを生成する１種以上の酵素により更に処理される。更に別の実施形態では、グルカンを豊富に含む材料は、グルコオリゴマー及びグルコースの長鎖ポリマーを除去してグルコースモノマーを生成する１種以上の酵素により更に処理される。更に別の実施形態では、グルカンを豊富に含む材料を、トリフルオロ酢酸、ギ酸、酢酸、及び同様の低沸点の酸により処理して、グルコース及び関連するオリゴマーを生成することができる。更に別の実施形態では、グルカンを豊富に含む固形分を微生物及び／又は添加した酵素と共にインキュベートして、発酵により、アルコール、脂肪酸、又はその他の生成物を生成する。別の実施形態では、グル��ン材料を使用して、微結晶セルロース（ＭＣＣ）を生成することができる。更なる実施形態では、アルコールはエタノールである。更に別の実施形態では、アルコールは１個以上の炭素分子を含有する。別の実施形態では、微生物は、酵母、細菌、カビ、及び真菌からなる群から選択される。更に別の実施形態では、微生物は、処理したバイオマスから炭素資源を代謝してアルコール又はその他の代謝産物を生成するための、非天然に生じる生合成経路を発現するよう設計される。別の実施形態では、グルカンを豊富に含む材料は、紙パルプとして使用される。別の実施形態では、リグニンは、更に処理され、ＴＨＦ又はジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）に液体として回収される。別の実施形態では、酸触媒は、ルイス酸及び／又はブレンステッド酸である。尚更なる実施形態では、酸触媒は、ハロゲン化金属酸である。尚更なる実施形態では、ハロゲン化金属酸は、ＡｌＣｌ３、ＣｕＣｌ２、ＣｒＣｌ３、ＦｅＣｌ３、及びＺｒＯＣｌ２からなる群から選択される。別の実施形態では、ＴＨＦ水溶液共溶媒は、体積比約１：５〜約７：１のＴＨＦ：水を含む。一実施形態では、処理方法には、塩又は追加のイオン塩は含まれない。別の実施形態では、処理方法には、７：１を超えるＴＨＦ：水比は含まれない（例えば、７：１、６：１、５：１未満である）。
【０００９】
本開示は、バイオマスからの反応中間体の生成するために、分画、及びバイオマスの触媒的変換を組み合わせた方法も提供し、この方法は、ルフラール、５−ＨＭＦ、レブリン酸、グルカンを豊富に含む材料、及びリグニンを生成する条件下で、ＴＨＦ、水、及び酸触媒を含む共溶媒混合物によりバイオマスを処理することを含む。一実施形態では、共溶媒混合物は、標準温度及び圧力（ＳＴＰ）にて単相である。別の実施形態では、酸触媒は、鉱酸、有機酸、ハロゲン化金属酸、及び固体酸触媒からなる群から選択される。更に別の実施形態では、酸触媒は、硫酸、塩酸、硝酸、ギ酸、トリフルオロ酢酸、ＦｅＣｌ３、ＡｌＣｌ３、ＣｕＣｌ２、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。更に別の実施形態では、本条件には、バイオマス及び共溶媒混合物を組み合わせたものを１３０℃〜２５０℃に加熱することを含む。一実施形態では、反応物の加熱には水蒸気圧入システムを使用する。別の実施形態では、本方法は、バイオマスを共溶媒処理した後に液相からＴＨＦを除去及び／又は回収することを更に含む。別の実施形態では、本方法は、液相からＴＨＦを除去した後、リグニンを固体分として沈殿させて、バイオマスを共溶媒で処理してリグニンを除去及び／又は回収することを更に含む。別の実施形態では、本方法は、蒸留により、液相からフルフラール及び／又は５−ＨＭＦを除去及び／又は回収することを更に含む。別の実施形態では、本方法は、煮沸及び／又は水蒸気蒸留による共溶媒処理の間及び／又は後に、フルフラールを除去及び／又は回収することを更に含む。別の実施形態では、フルフラールを、触媒的に脱カルボニル化及び水素化し、ＴＨＦを生成する。別の実施形態では、本方法は、共溶媒で処理したバイオマスの液相から、水不混和性有機溶媒によりフルフラール及び／又は５−ＨＭＦを抽出及び／又は回収することを更に含む。別の実施形態では、不混和性有機溶媒は、エーテル、ケトン、アルコール、アルカン、又はこれらの任意の組み合わせである。別の実施形態では、本方法は、共溶媒でバイオマスを処理した後に固体生成物を回収することを更に含み、この固形分は、グルカンを豊富に含む材料を更に含む。別の実施形態では、グルカンを豊富に含む材料は、グルコオリゴマー及びグルコースの長鎖ポリマーを除去してグルコースモノマーを生成する１種以上の酵素により更に処理される。更なる実施形態では、グルカンを豊富に含む固形分を微生物及び／又は酵素とインキュベートして、アルコール又はその他の発酵生成物を生成する。尚更なる実施形態では、グルカンを豊富に含む固形分を、更に触媒的に５−ＨＭＦ及び／又はレブリン酸に変換する。別の実施形態では、ＴＨＦ又はＤＭＳＯによりリグニンを液体として処理し、及び回収する。別の実施形態では、酸触媒はルイス酸又はブレンステッド酸である。更に別の実施形態では、酸触媒は、ハロゲン化金属酸である。別の実施形態では、ハロゲン化金属酸は、ＡｌＣｌ３、ＣｕＣｌ２、ＣｒＣｌ３、ＦｅＣｌ３、及びＺｒＯＣｌ２からなる群から選択される。一実施形態では、ＴＨＦ：水体積比は、約１：１〜約７：１である。一実施形態では、処理方法には、塩は含まれず、又はイオン性塩類は添加されない。別の実施形態では、処理方法には、７：１を超えるＴＨＦ：水比は含まれない（例えば、７：１、６：１、５：１未満である）。
【００１０】
本開示は、本明細書に記載の方法を実施するためのシステムも提供する。一実施形態では、システムは、バイオマスと共溶媒のＴＨＦ水溶液を混合するための容器を含む。流体連通した１つ以上のバルブ及びチューブを使用して、固形分及び液体分の分離のため、処理済みのバイオマスを追加の容器に移送することができる。このような追加の容器又はチャンバーには、加熱素子、沈殿システム、及び同様の構成要素を含ませることができる（図２Ａ〜Ｄを参照のこと）。
【００１１】
本開示は、バイオマス及び共溶媒のＴＨＦ水溶液を含む組成物も提供する。一実施形態では、組成物には、酸触媒を更に含有させることもできる。別の実施形態では、共溶媒のＴＨＦ水溶液は、約１：３〜約７：１のＴＨＦ：水体積比を含む。別の実施形態では、酸触媒はルイス酸である。更なる実施形態では、ルイス酸は硫酸である。別の実施形態では、酸触媒は、ハロゲン化金属酸である。別の実施形態では、酸触媒はブレンステッド酸である。更なる実施形態では、ハロゲン化金属酸は、ＡｌＣｌ３、ＣＵＣｌ２、ＣｒＣｌ３、ＦｅＣｌ３、及びＺｒＯＣｌ２からなる群から選択される。
【００１２】
本発明の他の特徴及び利点は、例示目的で本発明の特徴を図示する添付の図面と併せて、以下の詳細な説明により明白となろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】エタノール、並びにガソリン、ジェット、及びディーゼル等級の芳香族燃料及び炭化水素燃料を生成するための一次及び二次反応中間体を例示する反応ネットワークを示す。５−ＨＭＦ：５−ヒドロキシメチルフルフラール；ＭＦ：２−メチルフラン；ＤＭＦ：２，５−ジメチルフラン；ＭＴＨＦ：２−メチルテトラヒドロフラン；Ｆｕｒ−Ａｌｅ：フルフリルアルコール。
【図２Ａ】本開示のプロセスを例示する概略図である。バイオマスの分画及び生成物の収率を高めるためにＴＨＦを単相共溶媒として使用して、リグノセルロース系バイオマスから反応中間体及び単離リグニンを生成するアプローチの、概念的なプロセスフローのダイアグラムである。プロセスのキー：（１）高ソリッドスクリュー式（High solids screw-type）Ｐａｎｄｉａ反応槽、（２）高圧（ＨＰ）ボイラ、（３）揮発成分の除去及び固形分の分離、（４）連続的な共沸蒸留によりフルフラール、ＴＨＦ、及び水を回収、（５）触媒によるフルフラールのアップグレード化及び水素添加、並びに（６）濃縮溶液中のグルコース及びグルカンを豊富に含む材料残渣からのレブリン酸の生成。点線は、再利用及び回収の流れを表す。
【図２Ｂ】本開示のプロセスを例示する概略図である。芳香族燃料生成物へと触媒的にアップグレードするため、リグノセルロース系バイオマスを直接的に変換してフルフラール及び５−ＨＭＦを同時生成する、ＴＨＦ共溶媒ストラテジーの利用提案について単純化したプロセスダイアグラム。フルフラール及び５−ＨＭＦを有機溶媒により抽出し、水素化して（青色ボックス，右側）、ＭＦ及びＤＭＦなどの芳香族燃料を生成する。ＴＨＦを回収することでリグニンが沈殿する。（１）フルフラール及び５−ＨＭＦを含有する有機物の流れ、（２）ハロゲン化金属触媒、フルフラール、及び５−ＨＭＦを含有する水の流れ。
【図２Ｃ】本開示のプロセスを例示する概略図である。リグノセルロース系バイオマスを前処理してＣ５及びＣ６糖を高収率で加水分解し、続いてＣ５及びＣ６を高収率でエタノール（又はその他のアルコール）へと同時糖化発酵（ＳＳＦ）する、ＴＨＦ共溶媒ストラテジーの利用提案について単純化したプロセスダイアグラム。第１前処理工程（ステージ１）において、ＴＨＦ共溶媒反応は、全てのヘミセルロース糖を液体生成物として液相へと加水分解し、酸不溶性リグニンの９０％超を高度に酸化されたＴＨＦ−溶解性リグニン生成物として抽出し、酵素による消化性が高くグルカンを豊富に含む前処理された固形分を生成する。次に、液体生成物から前処理した固形分又は固体生成物を分離し、洗浄して水溶性夾雑物を除去する。次に、ＴＨＦを回収し、液体流から除去して、最初の反応工程に戻して再利用する。ＴＨＦを除去することで、抽出したリグニン生成物を固形沈殿物として回収することができる。次に、液体流を水酸化カルシウム、水酸化アンモニウム（又は等価物）などの塩基により中和して、発酵に適したものとする。次に、液体生成物及び固体生成物を発酵槽に供給する（ステージ２）。この発酵槽に微生物及び糖化酵素を導入して、固体生成物及び液体生成物をエタノール又はその他のアルコールへと生物学的に変換する。
【図２Ｄ】本開示のプロセスを例示する概略図である。バイオマスの分画及び生成物の収率を高める単相共溶媒としてＴＨＦを使用し、リグノセルロース系バイオマスから反応中間体及び単離リグニンを生成するために設計することのできる連続式アプローチについての、単純化したプロセスフローダイアグラムを示す。プロセスのキー：（１）高ソリッドスクリュー式（High solids screw-type）Ｐａｎｄｉａ反応槽、（２）高圧（ＨＰ）ボイラ（３）揮発成分の除去及び固形分の分離、（４）連続的な蒸留により生成物を精製、（５）触媒によるフルフラールのアップグレード化及び水素添加、並びに（６）より濃縮された酸溶液中のグルカンを豊富に含む材料からの連続的なレブリン酸の生成。点線は、再利用及び回収の流れを表す。
【図３Ａ】１７０℃にてＴＨＦ共溶媒反応から生成されるＲＩ類及びグルカンを豊富に含む固形分の濃縮プロファイルについてのグラフである。グルコースの濃縮プロファイルについて、６０分の反応時間にわたって示す（■はＴＨＦ存在下、▲はＴＨＦ非存在下）。
【図３Ｂ】１７０℃にてＴＨＦ共溶媒反応から生成されるＲＩ類及びグルカンを豊富に含む固形分の濃縮プロファイルについてのグラフである。キシロース＋マンノース＋ガラクトースの濃縮プロファイルについて、６０分の反応時間にわたって示す（■はＴＨＦ存在下、▲はＴＨＦ非存在下）。
【図３Ｃ】１７０℃にてＴＨＦ共溶媒反応から生成されるＲＩ類及びグルカンを豊富に含む固形分の濃縮プロファイルについてのグラフである。ＬＡの濃縮プロファイルについて、６０分の反応時間にわたって示す（■はＴＨＦ存在下、▲はＴＨＦ非存在下）。
【図３Ｄ】１７０℃にてＴＨＦ共溶媒反応から生成されるＲＩ類及びグルカンを豊富に含む固形分の濃縮プロファイルについてのグラフである。フルフラールの濃縮プロファイルについて、６０分の反応時間にわたって示す（■はＴＨＦ存在下、▲はＴＨＦ非存在下）。
【図３Ｅ】処理前のメープル材及びＴＨＦ共溶媒の存在下及び非存在下での反応後に残存するグルカンを豊富に含む固形分の組成。ＴＨＦは、リグニン及び分解タールの９０重量％超を溶解した。リグニン及び分解タールは、溶媒非存在下の場合には堆積した。反応条件：１７０℃にて、５重量％のメープル材及び１重量％のＨ２ＳＯ４をバッチ式反応させる。ＴＨＦ共溶媒溶液には、ＴＨＦ及びＤＩ水を１：１比で含有させた。
【図４Ａ】ＴＨＦ共溶媒が、キシロースからのフルフラールの選択率を向上させ、かつフルフラールを分解から保護する能力を示す。１０ｇ／Ｌの純Ｄ−キシロース（■ＴＨＦ存在下、▲ＴＨＦ非存在下）及び溶液中に残存するキシロース（□ＴＨＦ存在下、ΔＴＨＦ非存在下）由来の反応におけるフルフラールの選択性。
【図４Ｂ】ＴＨＦ共溶媒が、キシロースからのフルフラールの選択率を向上させ、かつフルフラールを分解から保護する能力を示す。６．５ｇ／Ｌの純フルフラール（■ＴＨＦ存在下、▲ＴＨＦ非存在下）由来の反応に残存するフルフラール（％）。
【図５】１ＬのＰａｒｒ（登録商標）リアクター中、１７０℃下、１％（重量／重量）Ｈ２ＳＯ４の水のみの溶液にて、処理前のメープル材を反応させた場合の生成物の収率についてのグラフである。記載の数値は、各反応時間でのフルフラール収率を表す。
【図６】１ＬのＰａｒｒ（登録商標）リアクター中、１７０℃、テトラヒドロフラン及び水の１：３（体積／体積）溶媒溶液中１％（重量／重量）Ｈ２ＳＯ４溶液にて、処理前のメープル材を反応させた場合の生成物の収率についてのグラフである。記載の数値は、各反応時間でのフルフラール収率を表す。示す通り、溶液混合物中にＴＨＦを存在させることで、かかる反応におけるフルフラール収率を最大で２０％向上させることができる。水だけで反応させた場合と比べて、レブリン酸収率も、６０分反応させた時点で１１％超向上した（反応温度はフルフラールの生成に最適化なものとした）。
【図７】純キシロース及び１％（重量／重量）Ｈ２ＳＯ４の水溶液及びＴＨＦ溶媒溶液を、算出された速度定数について比較した初期プロットである。１７０℃にて１ＬのＰａｒｒ（登録商標）反応器を使用して反応を実施した。ＴＨＦ溶液は、テトラヒドロフラン及び水の５０％（体積／体積）溶媒混合物から構成されている。初期キシロース（ＸＯ）濃度は１０ｇ／Ｌとした。ラベルは、正規化したキシロース変換率データの線形回帰を表す。反応のｋ値を傾きにより表し、［ｍｉｎ−１］ユニットで示す。示す通り、キシロース変換率は、水だけの場合よりもＴＨＦ溶媒溶液の方がかなり速かった。
【図８】フルフラールの分解プロファイルについて、フルフラール及び１％（重量／重量）Ｈ２ＳＯ４の水溶液及びＴＨＦ溶媒溶液を比較する、単回試験のプロットである。１７０℃にて１ＬのＰａｒｒ（登録商標）リアクターを使用して反応を実施した。示す通り、ＴＨＦ溶媒溶液により、溶液中に存在するフルフラールの分解は７％も抑制された。
【図９】１７０℃の１ＬのＰａｒｒ（登録商標）リアクターにおいて、酸触媒による反応後に固形分画分に残存するメープル材の組成を、ＴＨＦ溶媒溶液及び水溶液とで比較して経時的に示す。処理前の未反応のメープル材１００ｇの組成を元に、反応サンプルの比較を行う。示す通り、ＴＨＦを用いる反応では、不溶性リグニン及びタールの最大９０％を除去できる。かかる溶媒を使用しない場合、リグニンの不溶性画分及びタールは経時的に増加する。
【図１０】ＴＨＦ共溶媒混合物中においてハロゲン化金属酸触媒と反応させた純糖の変換及び選別性を反応時間に対してプロットして示す。（Ａ）キシロース変換率及び（Ｂ）グルコース変換率、並びに（Ｃ）キシロースからのフルフラール選択率、並びにグルコースからの（Ｄ）５−ＨＭＦの選択率、及び（Ｅ）ＬＡの選択率。反応条件：１７０℃、２０ｇ／Ｌグルコース又は１０ｇ／Ｌキシロース、ＴＨＦ：水の比１：１、触媒添加量０．１Ｍ、及び全ての溶液は７２％硫酸を用いｐＨ  １．６に正規化。硫酸対照を表す■も、ｐＨ  １．６に酸性化させた。
【図１１】システムに供給する初期メープル材１００ｇを元にしたときの、処理前のメープル材の組成、並びに１：１ＴＨＦ共溶媒及び各種酸触媒と反応させた後に残存する固形分に対する主成分の分布を示す図である。ハロゲン化金属酸は、グルコースへの酵素的変換、又はグルコース、５−ＨＭＦ、及び／又はＬＡへの熱化学的反応の際に多量のグルカンを豊富に含む固形分を送達することにより、硫酸の性能を向上させた。反応条件：５重量％メープル材、酸触媒濃度０．１Ｍ、ＴＨＦ：水の１：１、１７０℃、バッチ反応時間３０分。
【図１２】処理前のメープル材の組成と、ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏを添加したＴＨＦ：水体積比１：１、４：１及び７：１のＴＨＦ共溶媒による反応後に残存する固形分に対する主成分の分布を示す。固形分質量は、システムに供給した初期メープル材１００ｇに基づく。反応開始から６０分後、４：１比の場合と比較して、７：１比ではリグニン画分が増大しており、固形分の可溶化が低減しており、残存するグルカン画分が増加していることから、相分離が疑われた。反応条件：５重量％メープル材、無水質量で１重量％のＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、１７０℃。
【図１３】この画像において、：左側は、ＦｅＣｌ３触媒を添加したＴＨＦ共溶媒と反応させた後にメープル材から沈殿したリグニン粉末を示している。右側は、触媒的に燃料又はケミカルスにアップグレードさせるのに適したＤＭＳＯの大きな液滴に同リグニン粉末を溶解したものを示している。
【図１４】純グルコースとＴＨＦ共溶媒を反応させた場合の液体フルクトース濃度を示す。反応条件：２０ｇ／Ｌグルコース、ＴＨＦ：水（体積）１：１、１７０℃、触媒添加量は無水質量に基づき０．１Ｍ。
【図１５】純キシロースとＴＨＦ共溶媒を反応させた場合の液体キシルロース濃度を示す。反応条件：１０ｇ／Ｌキシロース、ＴＨＦ：水（体積）１：１、１７０℃、触媒添加量は無水質量に基づき０．１Ｍ。
【図１６】反応後の固体画分及び液体画分に回収されたそれぞれの生成物の質量及び収率を記載した生成フロー及びマスバランスダイアグラムの例を示す。本文中、表３、実施番号１７に掲載した、フルフラール及び５−ＨＭＦについて最も高い同時生成収率が得られた反応条件について、データを示す。液体及び固体収率から、Ｃ６及びＣ５生成物の総回収率を算出した。
【図１７】５０℃下、５０ｍＭクエン酸緩衝液（ｐＨ  ５．０）中、１５ｍｇタンパク質／ｇ前処理固形分中グルカン、Ａｃｃｅｌｌｅｒａｓｅ（登録商標）１５００セルラーゼを添加することによる、トウモロコシ茎葉（ＣＳ）、メープル材（ＭＷ）、及びポプラ材（ＰＷ）の４８時間の酵素加水分解時のグルコース収率について、ＴＨＦ共溶媒を用いる前処理（カラム２、４、５、及び７）と、ＴＨＦを希釈せず酸のみ（ＤＡ）を用いる前処理（カラム１、３、及び６）とを比較して示す。前処理の反応条件：（１）５重量％トウモロコシ茎葉、１７０℃、水＋１重量％  Ｈ２ＳＯ４、４０分；（２）５重量％トウモロコシ茎葉、１７０℃、１：１ＴＨＦ：水＋１重量％  Ｈ２ＳＯ４、４０分；（３）５重量％メープル材、１６０℃、水＋０．５重量％  Ｈ２ＳＯ４、３０分；（４）５重量％メープル材、１６０℃、１：１のＴＨＦ：水＋０．５重量％  Ｈ２ＳＯ４、３０分；（５）５重量％メープル材、１７０℃、１：１のＴＨＦ：水＋１重量％（無水重量）ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、３０分；（６）５重量％ポプラ材、１６０℃、水＋０．５重量％Ｈ２ＳＯ４、３０分；（７）５重量％ポプラ材、１６０℃、１：１のＴＨＦ：水＋０．５重量％Ｈ２ＳＯ４、３０分；（８）Ａｖｉｃｅｌ（登録商標）セルロース（９７％純α−セルロース）。
【図１８】希硫酸を使用して、トウモロコシ茎葉のＴＨＦ共溶媒前処理、及び、ＴＨＦ非存在下で希酸（ＤＡ）のみによる前処理（ＰＴ）とを、それらの糖放出総量を最適化した条件で、各種セルラーゼ（Ａｃｃｅｌｌｅｒａｓｅ（登録商標）１５００）酵素添加量（ｍｇ酵素タンパク質／ｇ前処理した試料に含まれるグルカン）にて放出されるグルコース量の比較を示す。Ｘ軸は、酵素的加水分解時間を時間数で表す。酸のみを希釈した前処理条件は、１６０℃かつ０．５％  Ｈ２ＳＯ４で２０分間（最適）である。ＴＨＦの前処理条件は、１：１ＴＨＦ：水、１５０℃、０．５％  Ｈ２ＳＯ４、２５分間（最適）である。
【図１９】希硫酸を酸触媒として使用して、トウモロコシ茎葉のＴＨＦ共溶媒前処理（ＰＴ）、及びＴＨＦ非存在下で希酸（ＤＡ）のみによる前処理とを、各種セルラーゼ（Ａｃｃｅｌｌｅｒａｓｅ（登録商標）１５００）酵素添加量（ｍｇ酵素タンパク質／ｇ前処理した試料に含まれるグルカン）にて、ステージ１及びステージ２（総収率（％））で達成されるグルコース、キシロース、及びグルコースとキシロースの和の収率の比較を示す。Ｘ軸は、酵素添加量をｍｇタンパク質／ｇグルカンで表す。希酸のみの場合の前処理条件は、１６０℃、０．５％  Ｈ２ＳＯ４で２０分（最適）とする。ＴＨＦの前処理条件は、１：１のＴＨＦ：水、１５０℃、０．５％  Ｈ２ＳＯ４で２５分（最適）とする。酵素的加水分解により最大収率が達成された時を示すため、時間（日数）も記載する。
【図２０】出芽酵母（Ｓ．Ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）（Ｄ５Ａ株）を用いる同時糖化発酵（ＳＳＦ）によるエタノール収率の比較を示す。左上」のグラフはＴＨＦ存在下で前処理したトウモロコシ茎葉及びＡｖｉｃｅｌ（登録商標）セルロース、右上のグラフはＴＨＦ非存在下で希酸（ＤＡ）のみで前処理したトウモロコシ茎葉及びＡｖｉｃｅｌ（登録商標）セルロースの場合の収率を示す。発酵の７日後のブロス成分の収率の比較も下図に示す。２通りの酵素タンパク質添加量（５ｍｇ／ｇグルカン及び１５ｍｇ／ｇグルカン）を示す。希酸のみの場合の前処理条件は、１６０℃及び０．５％  Ｈ２ＳＯ４で２０分間とする（最適）。ＴＨＦの前処理条件は１：１のＴＨＦ：水、１５０℃、０．５％  Ｈ２ＳＯ４で２５分間とする（最適）。ＳＳＦ条件：５０℃かつ１５０ｒｐｍで１８時間の前加水分解後、２５０ｍＬ振とうフラスコ中で、６００ｎｍにおけるＯＤ（吸光度）が０．５の出芽酵母（Ｓ．Ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）（Ｄ５Ａ株）を接種し、３７℃かつ１３０ＲＰＭ、グルカン添加量４重量％で発酵。Ｘ軸は発酵時間を表す。
【図２１】ＣＢＰ発酵実験において、前処理した固形分のクロストリジウム・サーモセラム（C. thermocellum）による可溶化を、ＴＨＦ共溶媒、エタノール−有機溶媒、希酸のみ（ＤＡ）、及びＡｖｉｃｅｌ（登録商標）セルロースを比較して示す。前処理条件をグラフ下表に掲載する。ＣＢＰ条件：ＭＴＣ培地で、５ｇグルカン／Ｌ固体添加量及び接種サイズ２％（体積／体積）にて、クロストリジウム・サーモセラム（C. thermocellum）ＤＳＭ１３１３１を６０℃でインキュベートする。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用するとき、文脈的に明確に記載のない限り、単数形の「ａ」及び「ａｎｄ」及び「ｔｈｅ」は、複数形を包含する。したがって、例えば、「酵素（an enzyme）」は、かかる酵素を複数包含し、並びに「材料（the material）」は、当業者に公知の１つ以上の材料に対する参照を包含する。
【００１５】
同様にして、別途記載のない限り、「又は」の使用は、「及び／又は」を意味する。同様にして、「含む（comprise）」、「含む（comprises）」、「含む（comprising）」、「含む（include）」、「含む（includes）」、及び「含む（including）」は、互換可能なものであり、限定を意図するものではない。
【００１６】
各種実施形態についての記載が用語「含む（comprising）」を使用する場合、当業者であれば、いくつかの具体例として、実施形態には専門用語「本質的に含む（consisting essentially of）」又は「含む（consisting of）」が代替的に記載され得ることを理解されたい。
【００１７】
別途記載のない限り、本明細書において使用される全ての技術的及び科学的用語は、本開示の属する技術分野の当業者に一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に記載の方法及び組成物の実施には、本明細書に記載のものと同様又は均等の方法及び材料を使用することができるものの、本明細書には、方法、装置、及び材料を例示する。
【００１８】
上記の刊行物及び本願中の記載は、それらが単に本出願の出願日よりも先に発表されているものとして提供される。本明細書において、事前開示により、本発明者にはこのような開示を先行するものとして得る権利がないものと解釈されはしない。
【００１９】
過去半世紀にわたる、再生不能な化石燃料の大規模な使用により、世界の石油供給及び環境は緊迫している。結果として、米国及び欧州各国は、外国産エネルギーに対する依存及び環境上の問題を軽減するため、輸送セクターにおいてバイオ燃料の使用を推進している。トウモロコシエタノールは、米国において商業的に最も成功しているバイオ燃料であるものの、トウモロコシの生育及び供給の持続可能性に関する懸念により、必然的にリグノセルロース系原料からの燃料の生産が再注目されている。リグノセルロース系バイオマスは、地球上で最も豊富な有機炭素資源であり、液体燃料の生産にあたって経済的に化石燃料と置き換えることができ、輸送セクターにおいて将来的なエネルギー需要を維持することのできる再生可能資源である。実現可能な変換ストラテジーには、リグノセルロースのもつ抵抗性を効率的に克服して、目的の変換技術による最終生成物への変換に好適な反応性糖中間体及びそれらの誘導体の収率を最大化することが必要とされる。これに関連して、本明細書において使用される反応中間体（ＲＩ）には、生化学的、化学的、又は触媒的に燃料及びケミカルスに変換することのできる任意の糖又は糖脱水生成物が含まれる。
【００２０】
セルロース系及びリグノセルロース系バイオマス残渣及び廃棄物、例えば、農業残渣、木材、林業廃棄物、製紙スラッジ、並びに都市固形廃棄物などは、ケミカルス、プラスチック、燃料及び飼料を生成するための、有望な大型再生可能原料を提供する。セルロース、ヘミセルロース、及びリグニンを含む、炭水化物ポリマーから構成されるセルロース系及びリグノセルロース系バイオマス残渣及び廃棄物は、一般的に、様々な化学的、機械的、及び酵素的手法で処理することにより主にヘキソース及びペントースを遊離させることができ、これらは、次にエタノール等の有用な生成物へと発酵、あるいは酸によりフルフラール、５−ＨＭｆ、及びレブリン酸へと脱水させた後に、触媒的にガソリン、ディーゼル、及びジェット等級の燃料へとアップグレードすることができる。
【００２１】
前処理法を用いることで、糖化酵素又は酸触媒による、セルロース系及びリグノセルロース系物質の炭水化物ポリマーの利用が更に容易になる。標準的な前処理法は、歴史的に、高温下で主として強酸を利用するものである；しかしながら、エネルギーコストが高いこと、設備費用がかかること、前処理用触媒の回収費用がかかること、並びに糖化酵素と不適合であることから、酵素前処理法、又はより温和な温度下での酸若しくは塩基の使用などといった代替法が開発されており、後者では、前処理中に生じるバイオマス炭化水素ポリマーの加水分解が低減することから、酵素システムを改良し、セルロース及びヘミセルロースの両方を糖化することが求められている。例えば、既存の最も安価な前処理法である典型的な酸触媒による又は熱水（水のみ）による前処理は、広葉樹及び針葉樹などの抵抗性リグノセルロース系原料に対する有効性が低い。これは、高い糖収率を達成するためには多量の酵素を添加する必要があり、ひいてはプロセスにかかる費用が大幅に増加することを意味する。リグニンが存在すると、酵素が阻害されるものと考えられており、前処理した材料の多孔性を大幅に低減させずとも、リグニンを効果的に除去することで、高い糖回収率に必要とされる酵素添加量が大幅に低減することが示されている。したがって、可能な限り少量の酵素で、あるいは酵素を使用せずにバイオマスを大幅に脱リグニン化することができ、バイオマスの可溶化を促進することができ、及び糖の総収率を高くすることができる、より原料に依存しない前処理プロセスが尚も必要とされている。
【００２２】
図１は、一次及び二次反応中間体からエタノール、並びにガソリン、ジェット、及びディーゼル等級の燃料生成物を生成するための反応ネットワークを概略するものである。図示する通り、ヘミセルロース由来のキシロース及びセルロース由来のグルコースをエタノールへと発酵させて、あるいは酸触媒により脱水させて、フルフラール及び５−ＨＭＦなどの二次中間体を生成する。更に、５−ＨＭＦを加水分解させることにより、当モルのより安定な生成物、レブリン酸類（Ｌａｓ）及びギ酸が生成される。フルフリルアルコール中間体により、フルフラールからＬＡを合成することもできる。これらの二次反応中間体は、金属系固体触媒上での選択的水素化により、有望な燃料生成物へと触媒的にアップグレードすることができる。図示する通り、フルフラール及び５−ＨＭＦの触媒的水素化により、それぞれ、有望なガソリン混成生成物である２−メチルフラン（ＭＦ、リサーチ・オクタン価ＲＯＮ  １３１）及び２，５−ジメチルフラン（ＤＭＦ、ＲＯＮ  １１９）が生成される。ＬＡの水素化により２−メチルテトラヒドロフラン（ＭＴＨＦ、ＲＯＮ  ８６）を生成でき、酵母及び／又は細菌による糖の発酵によりエタノールを生成できる。これらは両方共、Ｐシリーズのバイオ燃料において主要な成分である。ＬＡのエタノレシスにより、レブリン酸エチル（ＥＬ）、ディーゼルブレンド材が生成されるのに対し、二次反応中間体の、アセトンを使用するアルドール付加及び水素による水素化脱酸素では、ジェット及びディーゼル用途のための、最大で炭素鎖長１６のより長鎖の炭化水素燃料を生成できる。
【００２３】
あるいは、酸触媒によるセルロース系バイオマスの前処理中に生成される、フルフラール、ヒドロキシメチルフルフラール、及びレブリン酸などの反応中間体を、不均一触媒の作用により水素化及び水素化脱酸素化して、既存の燃料インフラ（「ドロップイン」燃料）と適合性のあるアルカンにすることができる（Ｘｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．２０１０  ａｎｄ  Ｈｕｂｅｒ  ｅｔ  ａｌ．２００５）。これらのＲＩは、水性条件下でバイオマス原材料を追加熱し、酸触媒を作用させることにより、高濃度で生成できる（Ｚｅｉｔｓｃｈ  ２０００）。図１は、グルカン及びキシランを加水分解及び脱水してＲＩを生成する経路を図示する（スキーム１も参照されたい）。ペントース経路において、キシランは最初にキシロースに加水分解され、その後、３分子の水が除去され、脱水されることによりフルフラールを生成する。更に、高温下でフルフラールを脱水されることで、ギ酸が生成される。ヘキソース経路同様、グルカンはグルコースに加水分解された後、脱水され、ＨＭＦを生成する。ＨＭＦは水性環境下で非常に不安定であり、ＨＭＦが全て消費されるまで全て当モル量のレブリン酸及びギ酸へと迅速に分解される（Ｋａｒｉｎｅｎ  ２０１１）。
【００２４】
【化１】
0006535321.tif 000002
【００２５】
フルフラールは、ペントサンを豊富に含有する農業原材料から調製され、フラン前駆体として有用な複素環式アルデヒドである。キシランから得ることのできるフルフラールの最大理論収率は０．７２７３である。ペントサンの加水分解は、ペントースからのフルフラールの生成よりもずっと速く進行することから、加水分解速度は、フルフラール生成の最適化においてほとんど無視することができる。アラビノースは、典型的にはキシロースと同様の反応経路に従うことから、広葉樹を除くほとんどの種類のバイオマスにおいて、総ペントサン含量をキシランとして概算することが合理的である（Ｚｅｉｔｓｃｈ  ２０００）。フルフラールは自己樹脂化（self-resinification）、又はペントース−フルフラール中間体との縮合によって、水性環境下で分解し得ることから、蒸発によって、触媒的に活性な相からフルフラールを除去することで、これらの消失反応の発生を防ぐことができる（Ｚｅｉｔｓｃｈ  ２０００）。現在、フルフラールは、主に中国で様々な農業廃棄物から製造されており、報告されている収率は５０％未満であり、水蒸気蒸留によりフルフラールを連続的に除去することにより収率は高くなる（Ｗｉｎ  ２００５）。水蒸気蒸留後に連続蒸留後することより、生成物の純度を最高で９９．５％にすることができる（Ｗｉｎ  ２００５）。
【００２６】
ＨＭＦは、分岐炭素上に追加のアルコール基を有する、フルフラールの６炭素類似体である。ＨＭＦはフルクトース又はグルコースのいずれかを脱水することにより生成することができ、フルクトースの方が高収率である（Ｋａｒｉｎｅｎ  ２０１１）。グルカンからのＨＭＦの最大理論収率は０．７７８５である。グルコースよりもフルクトースの方が環構造が不安定であることに起因し、フルクトースからのＨＭＦ生成の方が速い。水相においてＨＭＦを更に加水分解することで、レブリン酸及びギ酸が生成される。これらの分子種は安定であり、更なる加水分解生成物が生じることはない（Ｋｕｓｔｅｒ  １９９０）。レブリン酸も、バイオ燃料の合成に重要なプラットフォーム化合物であると考えられる（Ｄａｕｔｚｅｎｂｅｒｇ  ２０１０；Ｗｅｒｐｙ  ａｎｄ  Ｐｅｔｅｒｓｏｎ  ２００４）。
【００２７】
フルフラール及びＨＭＦの収率の向上には、触媒的に活性な水相からの保護、又は代替的な反応機序の適用が必要とされる。
【００２８】
フルフラール及びレブリン酸などのＲＩは直接的にバイオマスから製造される糖類であり、高価値のケミカルス及び燃料の製造の際に有用な構成要素である。ガソリン及びディーゼル等級のアルカンは、これらのＲＩから触媒的に製造することができ、これらの合成を改良する継続的な取り組みにより、この経路は、工業的に適したバイオ燃料プラットフォームとして魅力的なものとなった。フルフラールはフラン系ケミカルスの唯一の天然の前駆体として関心を集めており、現在、キシランを豊富に含有するリグノセルロース系残渣から低収率（５０ｍｏｌ％）で商業的に製造されている。
【００２９】
継続的な触媒技術の進歩によって、二次反応中間体の、既存の燃料インフラに適合するいわゆるドロップイン燃料製品への選択的な変換は改良されているものの、反応中間体全般をリグノセルロース系バイオマスから直接的に高収率で得ることは長年の間課題とされている。したがって、バイオマスドロップイン燃料に作用させる目的で、バイオマスの分解に触媒的な変換を組み込むことにより、Ｃ５及びＣ６糖類の両方からＦＰ類を同時生成するのに有効なストラテジーを緊急に開発することが必要とされている。統一化されたプロセスにおいて、主要なバイオマス画分、ヘミセルロース、セルロース、及びリグニンから高収率で生成物全般を得ることが、将来的な「バイオマス・トゥ・燃料」技術を可能にするのに最も有望である。フルフラールとレブリン酸、フルフラールと５−ＨＭＦ、フルフラールとセルロース、及びフルフラール及び５−ＨＭＦの両方からのＬＡの同時生成を含む、種々の酸で触媒してバイオマスから同時生成するスキームが提案されているものの、これらの多くは、バイオマスの複雑で不均質な性質に起因して低収率である。例えば、バイオマスの分解において初期に生成されるフルフラール及び５−ＨＭＦは、Ｃ６糖類からの十分なＬＡ収率が得られる前に急速に分解される。結果として、フルフラールの除去後にＬＡ生成及び回収することになり、そのため、独立した生成物回収工程を備える多段階反応、フルフラールを除去するための高価な水蒸気蒸留、腐食性鉱酸の使用、及び／又は二相性反応の使用が必要とされる。あるいは、好適な抽出溶媒により両方の生成物を一緒に回収することができ、単一の触媒によりＭＦ及びＤＭＦなどの「ドロップイン」燃料へと同時に変換することができるため、フルフラール及び５−ＨＭＦの同時生成がより望ましいことは明らかである。
【００３０】
フルフラールは、典型的には酸触媒によるＣ５糖（アラビノース及びキシロース）の脱水により合成されるのに対し、レブリン酸は、Ｃ５糖又はＣ６糖（グルコース、ガラクトース、及びマンノース）のいずれかから製造できる。典型的には、このような脱水反応の触媒にはＨＣｌ及びＨ２ＳＯ４などの水溶性のブレンステッド酸（例えば、酸触媒）が使用されるものの、均一及び不均一固体触媒も良好に利用されている。
【００３１】
水中で生じ得る副反応を低減させることによりＲＩ生成を向上させるべく、様々な抽出溶媒が使用されている。抽出した糖又は純糖のいずれかを出発物質とした二相システムにおいては収率の向上が示されている。リグノセルロース系バイオマスにおいて、ヘミセルロース中のＣ５糖は、セルロース中のＣ６糖よりも迅速に加水分解、及び脱水され、セルロース及びヘミセルロース画分両方からＲＩの高収率を二相システムで同時に達成することは、十分なＬＡ収率が達成されるよりもかなり早い段階でフルフラールが分解するために、難しい課題である。更に、合理的な熱付加に必要とされる高固形分濃度にて、識別可能な２つの液相を維持することは困難であり得る。したがって、ヘミセルロース、セルロース、及びリグニン画分を分離しつつ、全ての画分について生成物の高収率を達成する単相プロセスは有用である。本明細書において、前処理と、酵素的及び／又は触媒的加水分解とを組み合わせることによる、セルロース系糖類の抽出及びキシロースのフルフラールへの変換に有望なアプローチを示す。
【００３２】
セルロース系バイオマスをバイオ燃料に変換する主要な経路としては、バイオマスの合成ガスへのガス化、続くフィッシャー・トロプシュ合成、熱分解及びバイオマスのバイオオイルへの液化、糖を脱水した化合物の水性相での触媒処理、並びに前処理後に固形分残渣を微生物発酵のために酵素加水分解することによる糖加水分解（Ｙａｎｇ  ａｎｄ  Ｗｙｍａｎ  ２００８）が挙げられる。プロセス収率、製造コスト及び原料の入手しやすさはこれらの経路の重要な制限事項であり、製造収量はバイオマス糖から達成されるべきである一方、多くの種類の原料について、最も単純なプロセスを用いることが有効である。生物学的な変換においては、バイオマス原材料は、前処理して、糖類のアクセサビリティ及び利用を最大化する必要がある。希酸によるものなどの前処理法は、高収率でヘミセルロースからペントースを回収し、かつ残存するセルロース画分の抵抗性を低減することができる。酸の中和は、希酸による前処理後に行うべきである。糖ではない副生成物が存在することにより、下流の生物触媒が阻害され得る。
【００３３】
本開示は、リグノセルロース系バイオマスを前処理することを目的とする酸触媒を添加した又は非添加の水性溶液に、混和性の共溶媒として、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、極性環状エーテルを提供する。本開示は、単相水性混合物（共溶媒）において、ＴＨＦが極めて効率的にリグノセルロース系バイオマスの可溶化、分画及び前処理を実施し、再生可能なケミカルス及び燃料への有効な変換に関し、糖及び抽出したリグニン生成物を合わせて高収率を達成することを提供する。ＴＨＦ共溶媒による前処理は、競合する前処理法よりも少なくとも以下の点で効果的なものである：（１）ＴＨＦ共溶媒は、ヘミセルロース及びセルロース画分の可溶化を促進し、それらの加水分解を触媒して、水のみ、希酸のみ、又は有機溶媒を使用して前処理を実施する場合よりも低厳密度にて、高収率で直接的にＣ５及びＣ６糖を得る；（２）ＴＨＦ共溶媒による前処理は、糖化酵素に対するリグノセルロース系バイオマスのアクセサビリティを劇的に向上させ、希酸のみで前処理した場合よりも少ない酵素添加量かつ低反応厳密度にて、得られるＣ５及びＣ６糖類の合計収率を増大させる；（３）ＴＨＦ共溶媒は、ほとんど全てのリグニンを溶解及び脱重合させることができ（脱リグニンド９０％超）、このリグニンは、ＴＨＦの除去時に液相から沈殿して効率的に除去され得る；（４）ＴＨＦ共溶媒を、鉱酸、有機酸、金属塩の酸、及び塩基触媒と共に使用することで、各種同時生成スキームの生成物の分布を調整できる；（５）ＴＨＦ共溶媒を用いる反応により前処理した材料を生物発酵のための直接フィード液として使用して［同時糖化発酵ＳＳＦ又は統合型バイオプロセス（consolidated bioprocessing）ＣＢＰなどが挙げられるがこれらに限定されない］希酸のみで前処理した材料よりも高収率でエタノールを製造できる；（６）共溶媒システムにおいて、ＴＨＦは、低温又は真空蒸留により容易に回収して再利用することができる、並びに（７）ＴＨＦは再利用可能であり、かつバイオマス由来のペントースの直接的な酸脱水生成物であるフルフラールの水素化により合成することができる。
【００３４】
本明細書で使用するとき、「ＴＨＦ共溶媒」又は「共溶媒」は媒質を指し、ここで、共溶媒媒質は、標準温度及び圧力（ＳＴＰ）で単相（monophasic）（例えば、単一相（single-phase））のものであり、かつ水性媒質及びＴＨＦを含有する。例えば、水及びＴＨＦの相対比率は、１：５〜７：１のＴＨＦ：水の範囲とすることができる。
【００３５】
本明細書で使用するとき、「酸触媒」は、概して水溶性の酸を指す。様々な実施形態において、酸触媒は、鉱酸、ハロゲン化金属酸、ヘテロポリ酸、有機酸、又はこれらの組み合わせからなる群から選択される。一実施形態では、酸触媒は、リン酸、硫酸、塩酸、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される鉱酸である。別の実施形態では、酸触媒は、酢酸、アルキルスルホン酸、アリールスルホン酸、ギ酸、ハロゲン化酢酸、ハロゲン化アルキルスルホン酸、ハロゲン化アリールスルホン酸、シュウ酸、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される有機酸である。様々なハロゲン化金属酸が公知であり、例えば、ＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、ＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、ＣｒＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、及びＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏが挙げられる。
【００３６】
本開示は、単相溶媒混合物、例えば、水、テトラヒドロフラン、及び鉱酸が、約１００℃以上の温度にて、加水分解したバイオマス糖由来のフラン化合物の製造、及び残存する未反応の固形分からの酸不溶性リグニンの除去を、触媒及び促進する、ワンポット反応スキームを提供する。本発明の目的は、単相溶媒混合物を使用して、（１）リグノセルロース系バイオマス原料由来のペントサンの全て、及びヘキソサンの一部をそれぞれの単糖類へと加水分解すること、（２）得られる単糖類の、フルフラール（ＦＦ）、ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）、レブリン酸（ＬＡ）、及びギ酸（ＦＡ）への脱水を高収率で触媒すること、（３）バイオマス由来の酸不溶性のＫｌａｓｏｎリグニンを液体画分に溶解及び抽出した後、高価値の副生成物へと変換すること、並びに（４）酵素消化、発酵、又は化学変換に使用することのできる易加水分解性のヘキソースを豊富に含有する固形部分画分を生成すること、である。以下に示す結果から見て取れる通り、関連するバイオリファイナリー条件において目的（１）〜（４）を達成できるとするのに十分なエビデンスがある。
【００３７】
本開示は、一体型バイオリファイナリープロセスにおいて共溶媒及び最終生成物の両方としての、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）の使用が、バイオマスからのフルフラール及びその他のＲＩ類の製造を増強することを実証する。ＴＨＦは、１，４−ブタンジオールの環状化により工業的に製造され、水との共沸混合物として回収することのできる、低沸点溶媒である。しかしながら、フルフラールをフランに触媒的脱カルボニル化した後、水素化することにより直接的に合成することもできる。ＴＨＦは、抽出したヘミセルロース糖類及び二相環境下のバイオマス原材料からのフルフラール収率を増加させるのに望ましい特性を有する汎用抽出溶媒である。しかしながら、ＴＨＦは、天然に水混和性であり、かつ独立相を生成させるには溶質を飽和させる必要がある。本開示は、水及び触媒［例えば、鉱酸（例えば、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）又は硝酸）、ハロゲン化金属酸触媒（例えば、ＦｅＣｌ３）、又は有機酸（例えば、酢酸又はギ酸）などの酸触媒］を添加した単相溶液にＴＨＦを利用すると、バイオマスを分画し、かつ使用する反応条件及び触媒に依存してＣ５及びＣ６単糖類、フルフラール、５−ＨＭＦ、並びにレブリン酸の混合物を高収率で生成する、処理前のメープル材の一段階触媒変換が提供されることを実証する。ＴＨＦ共溶媒は、処理前のメープル材、及び、ＴＨＦ非存在下では通常は堆積してしまう分解タールに由来する、Ｋｌａｓｏｎリグニンを直接可溶化することもできた。結果として、この溶媒系は、典型的な前処理技術に比べてより容易に発酵性グルコースに酵素加水分解でき、又、更に化学的にレブリン酸へと変換することのできる、グルカンを豊富に含む前処理された固形画分を製造することもできる。
【００３８】
以下のデータは、ＴＨＦが一体型バイオマス反応槽に非常に有効な単相共溶媒であり、バイオマスの分解並びに脱リグニン化中の反応中間体収率を増加させることを実証する。例えば、ＴＨＦ及び水の混和溶液に希硫酸を使用することで、前述の反応条件におけるものよりも、メープル材からのフルフラール、５−ＨＭＦ、及びＬＡの収率が全体的に高くなる。しかしながら、硫酸はフルフラール及びＬＡ生成に有利に働くことから、この共溶媒系に異なる触媒を添加したものを調整し（tuning）、フルフラール及び５−ＨＭＦの同時生成収率の向上について評価及び立証した。５−ＨＭＦが容易に加水分解されＬＡ及びギ酸を生成することから、希鉱酸による水性単相反応は典型的には低収率であるため、二相反応においてメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）を抽出溶媒として利用される。しかし、溶媒回収率に問題があり、かつ加熱及び撹拌に高エネルギーが必要とされるため、固形バイオマスからの大規模燃料製造の際の二相反応への効果的な固形分添加が制限され、商業的な魅力には乏しい傾向があった。したがって、より選択的な酸触媒を使用して、バイオマスグルカンの、ＬＡではなく５−ＨＭＦへの選択性を向上させる場合、単相反応が有効である。
【００３９】
金属ハロゲン化物は、従来の鉱酸と比較して、キシロースからフルフラール、及びグルコースから５−ＨＭＦへの代替的な反応機序を選択的に促進することが十分に研究されている安価な酸触媒である。類似経路において、特定の二価及び三価金属カチオンの存在下で、より容易に酸触媒による脱水を受けやすいアルドースからケトースへの異性化反応、すなわちグルコースからフルクトース及びキシロースからキシルロースへの異性化反応が観察されている。しかしながら、金属ハロゲン化物の強いルイス酸特性が、生成物の収率を低減させる恐れのあるいくつかの競合的な損失反応を進行させるというエビデンスも報告されている。二相及び高価なイオン液体共溶媒システムで使用した場合、金属ハロゲン化物は、純糖については良好な性能を示すものの、セルロース及びバイオマスに対して示す性能は乏しく、バイオマスに追加の前処理をする必要がある。
【００４０】
したがって、本開示は、ハロゲン化金属酸触媒をＴＨＦと組み合わせて、メープル材及びトウモロコシ茎葉により示されるものなどのリグノセルロース系バイオマスからのフルフラール及び５−ＨＭＦの両方の同時生成の収率を大幅に向上させる、混和性共溶媒とすることも示す。このような方法で、バイオマスの前処理及び可溶性糖類の触媒的脱水をワンポット反応で実施することができる。金属塩の酸触媒の例としては、ＡｌＣｌ３、ＣｕＣｌ２、ＣｒＣｌ３、ＦｅＣｌ３、及びＺｒＯＣｌ２を使用可能である。例えば、共溶媒システムを純糖に利用して、フルフラール、５−ＨＭＦ、及びＬＡ生成の糖変換率、並びに選択性について、前述の金属塩の酸触媒のそれぞれを試験した。金属ハロゲン化物触媒を使用することにより、スケールに合わせて反応の厳密性及び溶媒（ＴＨＦ）添加量を最適化して、フルフラール及び５−ＨＭＦの最高同時生成収率を達成することができる。この結果、ＴＨＦ共溶媒反応ストラテジーにおいて、異なるブレンステッド酸及びルイス酸を利用して、バイオリファイナリープロセスの際にフラン生成物の合計収率を最大化する方法が明らかとなる。
【００４１】
本開示は、金属ハロゲン化物が非腐食性であり、かつ別個の前処理工程を伴わずともリグノセルロース系バイオマスからのフルフラール及び５−ＨＭＦの同時生成に好適な、非常に選択的な酸触媒であることを示す。本開示は、非常に効果的な単相変換ストラテジーにおいて、金属ハロゲン化物とＴＨＦとを環境に優しい共溶媒として組み合わせることで、バイオマスから直接のフルフラール及び５−ＨＭＦの有用な同時生成収率が提供され、最終燃料生成物への触媒的水素化に好適なクリーンな生成物がもたらされることを示す。糖変換率及び二次反応中間体の選択性をもとに、いくつかの有望とされる金属ハロゲン化物ＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、ＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、ＣｒＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、及びＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏを選択した所、ＴＨＦ共溶媒システムでは、ブレンステッド酸性が高いこと及び糖変換速度が中程度であることから、ＦｅＣｌ３が最も好ましいことが実証された。
【００４２】
ＴＨＦ及び水の体積比はシステムに合わせて調製することができ、ＴＨＦ：水は１：５〜７：１超の範囲とすることができる（例えば、１：４、１：３、１：２、１：１、２：１、３：１、４：１、５：１、６：１、７：１など体積：体積）。加えて、酸触媒の割合は、所望の生産が最適化されるよう、バイオマスの量、所望の生成物、温度、及びＴＨＦ：水比をもとに変更することができる。例えば、ＴＨＦ共溶媒による前処理に必要とされる酸触媒添加量は、酸の種類に応じ０重量％〜１０重量％の範囲である。別の例では、ＴＨＦ：水比４：１かつ１重量％  ＦｅＣｌ３の共溶媒反応では、１７０℃で６０分間の反応後、フルフラールの収率９５％及び５−ＨＭＦの収率５１％がメープル材から直接的に達成され、同様の収率がトウモロコシ茎葉でも達成された。反応においてＴＨＦ濃度（又は体積含有率（volume contribution））を低減させることにより、バイオマスの溶解度を調節して、更なる触媒反応、酵素消化、又は有望なパルプ及び製紙に適した、グルカンを豊富に含む固形分残渣の生成物質量を増大させることができる。共溶媒反応中に、ＴＨＦは、微粉末として回収することのできたバイオマス由来のリグニンのうち９０％超を抽出した。低沸点であるため、ＴＨＦは室温真空蒸留で回収した。溶媒を非混和性抽出することによりフルフラール及び５−ＨＭＦを濃縮することができ、かつ触媒は水性流（aqueous stream）において再利用することができる。
【００４３】
本開示は（Ａ）バイオマスに従来式の前処理を行った後の酵素的加水分解、又は（Ｂ）酵素的加水分解工程を必要とすることなくバイオマスの直接可溶化により糖を回収すること、のいずれかのための、バッチ式、連続流通式、又は押し出し流れ式の構成において、ＴＨＦ共溶媒による前処理を用いることも企図する。後者（Ｂ）の場合、加熱した流通式反応槽に、少量の酸を加えた又は酸を全く加えていないＴＨＦ共溶媒を１超：１のＴＨＦ：水にて用い、バイオマスを効率的に溶解し、単糖及びオリゴ糖を放出させた後、ＴＨＦの除去及び回収によりこれらの糖質を濃縮する。典型的な前処理をした場合の総糖収率（ステージ１＋ステージ２）は、加熱反応後（ステージ１、前処理）に放出された可溶性糖類の総収率（Ｃ５＋Ｃ６糖類）と、糖化酵素により前処理した固形分の処理後に放出される可溶性糖類の総収率（ステージ２）とを足し合わせることにより算出する。バイオマス組成の圧倒的に大部分を占めることから、全てのＣ５糖類をキシロースとして消費し、及び全てのＣ６糖類をグルコースとして仮定することは概して安全である。糖類は高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）により定量することができる。全リグニンは、ＴＨＦ溶媒の回収時に沈殿していた全リグニン質量を元に算出し、脱リグニンは、前処理した材料中に残存するリグニンの、原材料に含まれる初期リグニン含有量に対する割合を元に算出する。
【００４４】
バイオマス資源として使用するセルロース材料は、セルロースを含有している任意の材料であってよい。セルロースは、一般的に、例えば、植物の茎、葉、外皮、さや、及び穂軸、あるいは樹木の葉、枝、及び木材に見られる。セルロース材料は、草本材料、農業残渣、農林廃棄物、都市固形ごみ、古紙、並びにパルプ及びペーパーミル残渣などとすることができるがこれらに限定されない。セルロース系材料は、森林資源、都市ごみ、古紙、作物、及び作物残渣（例えば、Ｗｉｓｅｌｏｇｅｌ  ｅｔ  ａｌ．，１９９５，ｉｎ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｎ  Ｂｉｏｅｔｈａｎｏｌ（Ｃｈａｒｌｅｓ  Ｅ．Ｗｙｍａｎ，ｅｄｉｔｏｒ），ｐｐ．１０５〜１１８，Ｔａｙｌｏｒ  ＆  Ｆｒａｎｃｉｓ，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ  Ｄ．Ｃ．；Ｗｙｍａｎ，１９９４，Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ５０：３〜１６；Ｌｙｎｄ，１９９０，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ２４／２５：６９５〜７１９；Ｍｏｓｉｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，１９９９，Ｒｅｃｅｎｔ  Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｉｎ  Ｂｉｏｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｉｃｓ，ｉｎ  Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ／Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔ．Ｓｃｈｅｐｅｒ，ｍａｎａｇｉｎｇ  ｅｄｉｔｏｒ，Ｖｏｌｕｍｅ  ６５，ｐｐ．２３〜４０，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋを参照されたい）が挙げられるがこれらに限定されない任意の種類のバイオマスとすることができる。本明細書において、セルロースは、リグノセルロース、すなわち混合マトリックス中にリグニン、セルロース、及びヘミセルロースを含有する細胞壁材料の形態であってよい。
【００４５】
本開示の方法の最適化は、反応温度、量、種類、条件、及びバイオマス原材料の粒径、含有させる酸の種類及び濃度、並びに溶媒水混合物における水に対するＴＨＦの割合、を調整することにより達成することができる。生成物及び溶媒が連続的に除去される連続プロセスにおいて本発明を利用することでＲＩ類の収率を更に向上させることができ、並びにこのような利用法を大規模生成プロセスに良好に一体化させることもできる。フルフラールはＴＨＦ製造のための化学的前駆体としても公知であり、並びに本発明を下流の触媒的水素化プロセスと一体化することにより、反応に必要とされるＴＨＦを供給可能であり、かつバイオケミカル及びバイオ燃料生産のための有望なプラットフォームが可能である。プロセスから得られるヘキソサンを豊富に含有する固形画分を酵素的に消化して、発酵性ヘキソース糖類を精製することもでき、又は直接フィード液として同時糖化発酵（ＳＳＦ）及び統合型バイオプロセス（ＣＢＰ）プロセスに使用することもできる。溶媒の回収後、残存するリグニンを沈殿させて、新規芳香族化合物又は炭素系化合物（カーボンファイバー又はカーボンナノチューブなど）の製造に使用することができる。
【００４６】
図２Ａは、本開示の共溶媒システムを使用してＦＰ類及び単離リグニンを効率的に生産するのに有望な１プロセスの概略を示す。ＴＨＦは水相に混和性であることから、２相システムと比較して熱効率を高めるために固形分をより多量に添加することができる。最適な最高固形分（％）は、原料の種類及び水分含量、並びに及び処理装置のオプションを元に決定することができる。図２Ａに示す通り、共溶媒（この場合はＴＨＦ）、水、及び酸触媒を含有している混合物に、バイオマス原料を組み合わせる。次にこのスラリーを、図２Ａにおいて（１）と表記する、１９６０年代に連続的フルフラール製造に使用されていたようなスクリュー式Ｐａｎｄｉａ反応槽に移送して、滞留時間をある程度均一に維持し、かつ余計な副生成物の生成を最小限に抑える。ＨＰボイラ（２）からの高圧（ＨＰ）蒸気により反応槽を急速に加熱する。熱スラリーを反応槽の排出口から分離ユニット（３）に迅速に放出する。この工程において、水ー揮発性成分（フルフラール及びＴＨＦ）を蒸気と共に蒸留ユニット（４）にフラッシングすることができる。ＴＨＦ共沸混合物の含有する水はわずか約４．６重量％であり、追加の脱水を必要としないため、この組成物からのその回収はそれほど困難ではない。図２Ａ中の（４）からの点線はＴＨＦ及び水の再利用の流れを示す。５−ＨＭＦ及びＬＡは水と共に揮発せず、（３）において残留する水層中に、ある程度加水分解されたグルコースと共に濃縮される。ＨＭＦ及びＬＡの回収の際、溶媒抽出又は真空蒸留により、望ましくない反応を低減することができる。しかしながら、ＬＡ生成のみが望まれる場合、より高温での反応のため、濃縮した水性溶液を第２の連続的反応槽（６）に直接移送することができる。反応後、液相からＴＨＦを除去し、溶解リグニンは固形分残渣として沈殿することになる。この残渣は粘り気のある性質を有することから、好適な溶媒を使用して、更なる処理、及び、燃料若しくは化学生成物への触媒的なアップグレードのために、抽出したリグニンを再溶解させる必要がある可能性もある。これに則して、純ＴＨＦは回収したリグニンを迅速に再溶解させる。仮に、残存するグルカンを豊富に含む固形分画分の有効な分離に効率的な連続的装置を利用可能であるとすると、この固形分を洗浄し、中和し、並びに発酵性グルコースへと酵素的加水分解することができ、又は、ＳＳＦ若しくはＣＢＰ操作のための処理フィード液として使用することができる。この方法は、高厳密度の反応条件をリグニン除去と組み合わせることで、得られる固形分が、より少ない酵素添加量でも容易に加水分解可能なものになるという、追加の効果を有する。この方法の場合、酵素添加量は、キシロース発酵を対象とした際に、キシロースからフルフラールへの大量の消失を回避するために、厳密性を緩和した反応条件を使用する必要のある、他のシステムで達成されている量よりも、少なくてすむ。または、更なるＬＡ生成のため、第２の高温反応槽にグルカンを豊富に含む材料を直接移送することもできる（６）。
【００４７】
硫酸は、この共溶媒システムにおいて酸触媒として使用するのに適した低価格の鉱酸である。その他の触媒としては、鉱酸、有機酸、ハロゲン化金属酸、及び不均一酸が挙げられるがこれらに限定されず、かつ不均一酸触媒は全て本共溶媒システムに利用することができる。例えば、ＦｅＣｌ３は、選択的に、キシロースからフルフラールを高収率で得て、及び可溶性グルコースから５−ＨＭＦを高収率で得るようＬＡ生成を最小限に抑えるのに使用することのできる固形酸触媒である。同様の反応条件下で、ＦｅＣｌ３触媒を利用することにより、同量のＨ２ＳＯ４を添加した場合と比較して、反応後に残存するグルカンを豊富に含む前処理した材料の量が増大する。そのため、酵素的加水分解により、より多量にグルコースを生産することが可能になる。ＴＨＦは、リグノセルロース系バイオマスの分解及び可溶化を促進することから、多孔質膜樹脂及びゼオライトなどの不均一固体触媒を使用して、対象とする特定のＦＰ類／ＲＩ類又は反応物を増加させることもできる。１：１のＴＨＦ：水条件下で、硫酸の代わりにＦｅＣｌ３を使用して、より高い質量収率を得た。前処理したグルカンを豊富に含む材料（図１１に示す通り、メープル材において、ＦｅＣｌ３ではグルカンの初期量は２５重量％であったのに対し、Ｈ２ＳＯ４では２１重量％であった）及び硫酸と反応させた場合と比較して同量のフルフラール生成を得た（ＦｅＣｌ３の理論収率は８５％であるのに対し、Ｈ２ＳＯ４の理論収率は８７％であることを表４に示す）。また、ＦｅＣｌ３では、レブリン酸生産の低下（理論収率の２％）及び５−ＨＭＦ生産の増加（１６％）が観察された。ＦｅＣｌ３を使用すると、硫酸を使用した場合よりも、メープル材に最初に存在するＣ５糖類（理論収率の８８％）及びＣ６糖類（理論収率の９９％）からのこれらのＦＰ類の合計回収率が高くなることが観察された。
【００４８】
厳密性の低い条件を使用することにより（低温、短い反応時間、及び／又は少量の酸触媒）、キシロース糖類の放出、酸不溶性リグニンの抽出、かつ残存するグルカンを豊富に含む材料の酵素的消化の向上を目的として、共溶媒システムを特異的に使用し、従来の前処理ストラテジーに典型的に必要とされるよりも少量の酵素添加量で効率的にグルコースを生産することができる。単糖の生成を最大限に高めるこの変更に加え、下流には、燃料を生成する化学的及び生物学的変換経路を一体化させることができる。
【００４９】
図２Ｄにより示される通り、この変更は、触媒的に活性な相において最も不安定なＲＩであるキシロースからのフルフラールの生産を対象とする第１段階（１５０〜２００℃、酸触媒添加量０．５〜５重量％）において、中程度に厳密な反応条件を示す。したがって、フルフラールの回収率を最大化することにより、ＦＰ類の合計回収率を増大させることができる。加水分解したヘキソースからはある程度の５−ＨＭＦが生成され、かつ残存するグルカルンを豊富に含有する固形分は、酵素的加水分解によるグルコース生成、又は厳密性の高い第２段階の反応（２００℃超、酸触媒添加量１重量％超）におけるレブリン酸生成、又はＳＳＦ及びＣＢＰ操作への直接フィード液として使用できる。
【００５０】
別の実施形態では、このリグノセルロース系バイオマスからのＲＩ生産を、ＲＩ類の「ドロップイン」炭化水素燃料及び／又はガソリン及びディーゼルブレンド材などの燃料生成物への同時触媒的アップグレードに一体化させる。中程度〜高厳密性の条件（１５０〜２２０℃）及び適切な触媒を使用し、最初にフルフラール及び５−ＨＭＦを生成すると同時に回収して、選択的水素化及び／又は水素化脱酸素により触媒的にドロップイン燃料へと変換する。次に、残存するグルコース及びグルカンを豊富に含む材料を第２の高厳密性の反応（１７０〜２５０℃）にさらして、更に５−ＨＭＦ及び／又はＬＡを生成し、これを同様に選択的水素化及び／又は水素化脱酸素により触媒的にドロップイン燃料へと変換する。図２Ｄに示す通り、両方の段階でのＦＰ類の同時の触媒的アップグレードは、各段階（図２Ｄ）の反応槽上部の蒸気相において、又は、糖脱水反応も起こっている液相において直接的に、のいずれかで発生させることができる。各段階で触媒的アップグレードにより製造される最終的な燃料生成物が、それらが生成されるＦＰ類よりも安定である場合、図２Ｄに示す通りの第２段階の反応の終了時に最終的に回収するため、それらの燃料生成物を反応槽に戻すことができる。２段階反応の目的は、第２段階においてＬＡ及び／又は５−ＨＭＦからの燃料生成物を生産する前の第１段階において、フルフラールからの安定な燃料生成物の生成を最大化することである。リグニンはフルフラール生産後に抽出及び回収される。
【００５１】
一実施形態では、セルロース材料は草本材料である。別の実施形態では、セルロース材料は農業残渣である。別の実施形態では、セルロース系材料は森林廃棄物である。別の実施形態では、セルロース系材料は都市固形ごみである。別の実施形態では、セルロース系材料は古紙である。別の実施形態では、セルロース系材料はパルプ及びペーパーミル残渣である。
【００５２】
別の実施形態では、セルロース系材料はトウモロコシ茎葉である。別の実施形態では、セルロース系材料はトウモロコシ繊維である。別の実施形態では、セルロース系材料はトウモロコシ穂軸である。別の実施形態では、セルロース系材料はオレンジの皮である。別の実施形態では、セルロース系材料は稲わらである。別の実施形態では、セルロース系材料は麦わらである。別の実施形態では、セルロース系材料はスイッチグラスである。別の実施形態では、セルロース系材料はすすきである。別の実施形態では、セルロース系材料はバガスである。
【００５３】
以下の例は更なる例示を意味するものであるが、前述の開示又は添付の特許請求の範囲を制限するものではない。
【実施例】
【００５４】
（実施例１）
本開示において、メープル材、Ｄ−キシロース、及びフルフラールの酸触媒による反応は、溶媒存在下の水溶液及び溶媒非存在下の水溶液で実施した。反応のほとんどで、共溶媒溶液は、ＴＨＦ（純度９９％超、Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ）と脱イオン（ＤＩ）水との５０体積％（１：１）の混合物より構成した。この溶液に濃硫酸（７２重量％、Ｒｉｃｃａ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ）を加え、１重量％酸溶液（約０．１Ｍ）とした。溶媒非非存在下の対照実験では、ＤＩ水のみを使用して、１重量％の硫酸溶液を調製した。次に、高圧下で連続撹拌している１ＬのＰａｒｒ反応器（Ｐａｒｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｃｏｍｐａｎｙ）で反応を実施した。インライン熱電対（Ｏｍｅｇａ、Ｋタイプ）により、反応温度を直接測定した。加熱時間を短縮するため３４０℃（６１３Ｋ）に設定した流動型サンドバス（Ｔｅｃｈｎｅ，Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ，ＮＪ）で対流加温することにより、全ての反応を１７０℃（４４３Ｋ）に維持した。ＰＩＤコントローラーにより、サンドバスの温度を制御した。電動モーターの端部に取り付けた６枚羽インペラ２本で２００ｒｐｍで混合した。メカニカルウインチ（mechanical winch）を使用して反応物のサンドバス上での高さを一定に調節し、反応温度を均一に保った。反応の最後に、サンドバスに隣りあわせた室温の大型のウォーターバスに入れて、反応物を迅速に冷却した。開始時刻は、温度が最初に１７０℃に達した時点として定義し、反応の終了時刻は、反応物が冷却用ウォーターバスに最初に接触した時点として記録した。液体を収容させるのに使用した貯蔵容器は、実験にプラスチックを使用したときに観察されるフルフラール及びＴＨＦの消失を防ぐため、全てガラス製のものとした。
【００５５】
メープル材の反応は、ニューヨーク北部でＭａｓｃｏｍａ社（Ｌｅｂａｎｏｎ，ＮＨ）により得られた風乾メープルチップ（含水率５％未満）を使用して行った。このチップを粉砕の上、粒径１ｍｍのものを篩分けした。次に、乾燥させ、粉砕したサンプルを、ガロンサイズのＺｉｐｌｏｃ（登録商標）バッグに入れ、手でしごいて余分な空気を押し出し、室温で保存した。メープル材の組成は、国立再生可能エネルギー研究所（ＮＲＥＬ）により確立された手法（ｖｅｒｓｉｏｎ  ８−０３−２０１２）により、３標本を測定した。その結果、グルカン４０．９±０．３重量％、キシラン１５．５±０．２％、マンナン２．１±０．１％、Ｋ−リグニン２４．４±０．３％、及びその他の物質１７．１％であった。本試験では、後者を更に特性評価することをしなかったものの、灰分、糖酸類、及びタンパク質から構成されるものと予想される。アラビナン及びガラクタンは多量には存在しなかったことから（０．３％未満）、メープル材のペントサンは全てキシランであり、ヘキソサンは全てグルカン及びマンナンであると考えることが適当であろう。各反応ごとに、最初に、４０ｇ（乾燥重量）のメープル材及び７６０ｇの溶媒若しくは溶媒非存在下の酸溶液を密封ガラス瓶に入れ、４℃で一晩前浸漬した。-次に、内容物を室温に平衡化した後反応させた。各反応後、濃縮溶液を１ｍＬ抜き出し、遠心し、流速０．６ｍＬ／ｍｉｎで溶出液（５ｍＭ硫酸）をＨＰＬＣ［Ｂｉｏ−Ｒａｄ  Ａｍｉｎｅｘ（登録商標）ＨＰＸ−８７Ｈカラム及びＲＩ検出器を装備したＡｇｉｌｅｎｔ  １２００システム］により分析した。ＨＰＸ−８７Ｈカラムでは、キシロース、マンノース、及びガラクトース糖類を分離できないことから、後程、中和した反応サンプルを分析してキシロースの消失を試験するため、ＨＰＬＣにはＡｍｉｎｅｘ（登録商標）ＨＰＸ−８７Ｐカラムも装備させた。次に、ガラス繊維ろ紙（Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ）を通して、真空ろ過により、室温の反応濃縮液から固形分を分離した。液体画分の質量及び密度を測定して、以下の正確な収率の計算を完了した。固形分画分については、質量、含水量及び組成を測定した。全体的なマスバランス１００±５％での試行のみを記録した。溶媒存在下の溶液と溶媒非存在下の溶液との密度が異なることから、収率を計算するため、各反応後に２５ｍＬの液体を全量フラスコに量り取り、密度を求めた。ＲＩ収率は、式（１）により算出する。式中、フルフラール（式（２））、ＬＡ（式（３））、及びＨＭＦ（式（４））のモル当量(θＲＬ)は、独立して、それぞれの糖の原料について算出する。
【００５６】
【数１】
0006535321.tif 000003
【００５７】
キシロース脱水試験では、１０ｇのＤ−キシロース（純度９９％、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）を１Ｌの全量フラスコに移し、ＴＨＦ溶媒又は溶媒非存在の酸溶液のいずれかにより溶解して、濃度１０ｇ／Ｌとした。１０ｇ／Ｌキシロース濃度は、キシラン含有量１７．５％（バイオマスには、典型的に、平均して１４〜２１％が見られる）のバイオマス試料４０ｇから加水分解されるキシロースの有効量に相当した。この方法で、算出された速度定数及び選択性は、現在及び将来的な発見に関連するであろう。キシロースの脱水の一次近似式を、次式（５）により表す。
【００５８】
【数２】
0006535321.tif 000004
式中、Ｄは脱水生成物を表す。キシロース（Ｘ）の消失速度についての式及び速度定数についての計算を式（６）、（７）、及び（８）として与える。試験中、酸濃度（Ａ）は一定に維持し、総合速度定数ｋと組み合わせた。
【００５９】
【数３】
0006535321.tif 000005
式中、ｋは式（８）に線形近似することにより求める。正確な定量が不能な程度にまで濃度が低下したことから、３０分後の結果はキシロース溶液としての線形近似には使用しなかった。全脱水生成物がフルフラールではないことから、各反応毎にフルフラール収率を求め、式（９）によるフルフラール選択性の算出に使用した。
【００６０】
【数４】
0006535321.tif 000006
【００６１】
１ＬのＰａｒｒ反応槽の各反応には合計８００ｇのキシロース溶液を使用し、分析はＨＰＬＣにより行った。同様にして、フルフラール分解試験の際、１ＬのＰａｒｒ反応槽中で、ＴＨＦ溶媒存在下及び溶媒非存在下の酸溶液に６．４ｇ／Ｌのフルフラール（純度９９％、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）を加えて反応を行った。６．４ｇ／Ｌは、変換率１００％の場合の１０ｇ／Ｌのキシロースのモル当量であることから、これらの反応は、自己樹脂化によるフルフラールの消失量について、キシロースの存在下での縮合反応によるフルフラール消失量と比較することにより知見を提供する。
【００６２】
それぞれ５重量％のメープル材を入れたガラス瓶を２つの使用した。１つには１：１比でＴＨＦ及び水を入れ、他方には溶媒を加えずに水性溶液を入れた。溶媒溶液中のメープル材から色素生成が生じたことを除き、２つの媒体はほとんど同一であった。次に、これらの瓶の内容物をＰａｒｒ反応槽に移し、１７０℃で反応させた。溶媒の存在下でのフルフラールの生成を試験するのに有用であることから、反応温度は１７０℃に設定した。多くの場合、バイオマス原材料の含水量は多いことから（最高で木材の約５０重量％）、全部の水に対し適切な溶媒比を選択して、熱負荷を最小限に抑えかつ固形分の添加量を最大化する必要がある。セルロース系バイオマス原材料の直接変換に重きを置くため、本例では、水に対する溶媒比を１：１以下として、溶媒の使用を最小限に抑え、かつ熱効率を最大化することが望ましい。
【００６３】
【表１】
0006535321.tif 000007
【００６４】
表１は、ＴＨＦ共溶媒の反応及び溶媒非存在下での反応を、メープル材及びＤ−キシロースからのフルフラール、ＬＡ、及びＨＭＦ生産の収率データについて比較するものである。表１中、実施番号２〜４で、それぞれＴＨＦ及び水を体積比１：３、１：１、及び３：１で使用するメープル材の反応のうち、最も高収率でフルフラール、ＬＡ、及びＨＭＦを得られたものを比較する。１：３混合物においては全体的にＲＩ収率が低いことが観察された。フルフラールは１：１及び３：１溶液で同じ収率が達成され、ＬＡ及びＨＭは３：１混合物により最も高い収率が得られた。溶媒の割合を高くするほど収益効果が若干得られるものの、溶媒を回収するコストが高くなり、更なる加熱が必要とされ、及び固形分添加量が制限されることは、プロセスの経済面において不利益である傾向がある。この理由から、以降の調査には溶媒比１：１を選択した。実施番号１及び３は、溶媒非存在下及びＴＨＦ存在下の反応を、フルフラールの収率が最も高かった４０分の時点で比較するものである。実施番号５及び６は、溶媒非存在下及びＴＨＦ存在下の反応を、ＬＡがより多量に生産された１２０分の時点で比較するものである。同一のプロセス条件下では、ＴＨＦ共溶媒の存在下では、溶媒が非存在の場合と比較してフルフラール（約２５ｍｏｌ％向上）及びＨＭＦ（約１０ｍｏｌ％）の収率は、４０分の時点で大幅に向上しており、レブリン酸（約８ｍｏｌ％）の収率は１２０分の時点で大幅に向上している。
【００６５】
ＨＭＦは、酸触媒でヘキソースを脱水することにより最初に生成される重要なプラットフォーム化合物である。ＨＭＦを触媒活性な水相に残存させた場合、ＨＭＦは容易に加水分解して、当モルのＬＡ及びギ酸（ＦＡ）を生成する。水性環境においてＬＡはＨＭＦよりも安定であることから、単相反応では、より高いＬＡ最終収率が観察された。ＴＨＦを使用する場合、固体酸触媒を利用することで、ＨＭＦ選択性が向上することが示されている。本試験で対象とする一次ＲＩであるフルフラールは、１：１及び３：１のＴＨＦ共溶媒反応のいずれもにおいて、４０分の時点での理論収量の８７ｍｏｌ％が最も高収率であった。この時点で、ＬＡ収率は、１：１のＴＨＦについては約１１ｍｏｌ％であり、３：１のＴＨＦについては２９ｍｏｌ％であり、非存在下の場合には７ｍｏｌ％であった（表１）。反応開始から４０分後の室温の液体密度（２１℃にて、１：１  ＴＨＦ存在下では０．９９８７ｇ／Ｌ、及びＴＨＦ非存在下では１．０１５２ｇ／Ｌ）を考慮すると、最大フルフラール収率には２％の差異があった。表１中、溶媒存在下及び非存在下の場合の反応のいずれもに関し、ＬＡの最高収率が達成される（１２０分）のよりも早い時点でフルフラールの最高収率が達成された（４０分）。ヘミセルロースの非晶構造は酸による影響を受けやすいことから、ヘミセルロースからのキシランの加水分解速度は、結晶性セルロースからのグルカンの加水分解速度よりも大幅に早い。ＴＨＦの割合を３：１に増加させることにより、フルフラール及びＬＡの同時生成収率は、ヘキソサンの加水分解が生じやすくなるなどして向上する。
【００６６】
図２Ａ〜Ｄは、共溶媒としてのＴＨＦの存在下及び非存在下で６０分間メープル材と反応させることにより生成されるＲＩ類の濃度プロファイルを比較する。記載の通り、ＴＨＦ存在下の反応においてグルコースの初期濃度が高いことから（１０分）、ＴＨＦがセルロースの加水分解を増強し、溶媒を使用していない場合よりも早期にグルコースを放出させるよう機能していることが示唆される。２０分後には、ＴＨＦ存在下の反応ではグルコース濃度が減少しはじめており、溶媒非存在下と比較してＬＡの生成及びグルコースの消費が大幅に増大していた。上記の通り、最初に使用したカラムではキシロース、マンノース、及びガラクトースモノマーを分離することができなかったことから、これらを合わせた濃度プロファイルを示す。キシロースと比較してマンノースの分解は著しく緩徐であることから、キシロースの正確な濃度プロファイルを求めることはできなかった。その代わりに、中和した反応サンプルから別個にキシロース濃度を測定したところ、ＴＨＦ存在下では４０分の時点でキシロースが完全に消費されていたのに対し、溶媒が非存在の場合にはキシロースが完全に消費されるまでに６０分が経過することが判明した（図３Ａと比較）。これらの結果から、ＴＨＦがフルコース及びキシロースのいずれもの分解に対し触媒作用を有していたことが示された。
【００６７】
反応開始から１２０分後にもある程度のグルコースが残存した（１ｇ／Ｌ−１未満）。その頃には、フルフラールの収率は、ＴＨＦ存在下で６９％にまで低下し（４０分の時点で観察されたフルフラールの最高収率と比較して２１％減少）、非存在下では３９％にまで低下していた（４０分の時点で観察されたフルフラールの最高収率と比較して３７％減少）。この結果こそが、活性な水相においてＴＨＦがフルフラールの消失を低減するよう触媒的に機能するとする第１の根拠であった。しかしながら、これらのＲＩ類の効率的な同時生成は、フルフラールの急速な分解により尚も制限されていた。フルフラールの消失は、フルフラールと中間体糖生成物との縮合反応、フルフラールからギ酸への緩徐な変換、並びにフルフラール樹脂及びその他の分解産物の生成、によるものとして特定することができる。ＴＨＦの存在下で、４０分後にフルフラール濃度が急激に低下した（図３Ｄ）ことから、反応を継続させることで収率は更に低下するであろう。したがって、全セルロース系糖類の利用を最大化する目的で、最も不安定な分子種に関し最適化することが最重要であり、これらの２種の化合物の合計収率を最高にするためには、別個にフルフラール及びレブリン酸の生産を対象とする分離工程が必要とされる。
【００６８】
図３Ｅは、処理前のメープル材１００ｇを元に、ＴＨＦ存在下及び非存在下での反応後に残存する固形分画分の組成を示す。酸不溶性のリグニン、及び溶媒非存在下の反応では蓄積する分解タールがほぼ完全に取り除かれていたのは、ＴＨＦ共溶媒の反応に特有のものであった。ＴＨＦにより不溶性リグニンの９０％超（重量）を除去したところ、除去した固形分画分中に残存する不溶物の量は、反応を通して最小であった（図３Ｅ）。ＴＨＦの非存在下では、不溶性リグニンは最初に減少したものの、不溶性タールの生成及び分解生成物は、反応工程を通して増加した。反応濃縮液の真空ろ過の結果、ＴＨＦ反応液中の未反応の固形分はほぼ独占的にグルカンから構成された（４０分の時点で８５重量％、図３Ｅ）。事実上、ＴＨＦシステムは、有機溶媒プロセスと同様に作用した抑制性（inhibitory）のヘミセルロース及びリグニン画分はほぼ完全に除去されることから、これらの前処理した固形分には酵素による攻撃が容易に届きやすく、かつ発酵性グルコースへと酵素的に加水分解するのに理想的なフィード液として提供される。ＴＨＦ反応では初期グルコース濃度が高くなることから（図３Ａ）、前処理した固形分の分解性が向上していることが示唆される。溶媒反応において反応条件及び使用する酸触媒の種類を最適化することにより、Ｈ２ＳＯ４を使用する反応が実証されたものの、加水分解されていない、グルカンを豊富に含有する固形残渣を増加させて、発酵性グルコースの生産を増加するのに有利にすることができる。したがって、洗浄した固形分は、ＳＳＦ及びＣＢのための供給物として有望であり、あるいはレブリン酸生産に合わせることができる。
【００６９】
反応後、室温でろ過した濃縮液を真空蒸留してＴＨＦを除去し、液相から暗褐色の粘稠な沈殿物を生成した。この沈殿物はガラス瓶の壁にくっついた。この残渣は、共溶媒溶液に溶解されていた抽出リグニン及び分解生成物を含有していた。次に、濃縮した水性酸溶液を注ぎ出し、固形リグニン沈殿物を回収し、ジエチルエーテルで洗浄して、暗褐色の粉末リグニン生成物を生成した。次に、リグニン残渣を、適切な有機溶媒に再溶解させ、触媒的にアップグレードした。燃料生成物及び有用なポリマーに変換するためのリグニンの利用については他で述べられている。
【００７０】
【表２】
0006535321.tif 000008
【００７１】
メープル材に対する利用に加え、酸触媒による純Ｄ−キシロースの脱水反応も実施して、ＴＨＦが、表２に示す通りのキシロースの消失速度及び図４Ａに示す通りのフルフラール選択性に対し示す具体的な効果を求めた。１０ｇ／Ｌキシロース溶液を用い、メープル材の反応時と同じ条件下で、その他のバイオマス成分とは干渉させずに反応を実施して、キシロースのフルフラールへの変換率を調査した。溶媒存在下及び非非存在下の反応において残存していたキシロース量も図４Ａに示す。次に、一次反応速度式（rate expression）を線形近似させて、表２に記載の速度定数を求めた。反応システムが、質量移動によって制限されるものではなく、実際の反応速度を表すものであることを確認するため、溶媒非存在下の対照反応から得た速度定数を、前述の文献（表２にも示す）に報告されている経験的モデルにより算出された結果と比較した。これらは極めて近いことが判明した。これらの結果により、ＴＨＦがキシロースの消失率を非常に改善すること（約２倍）が実証された。すなわち、ＴＨＦを存在させると、キシロースに対する脱水において触媒効果が存在することが示された。
【００７２】
脱水生成物が全てフルフラールであるわけではないことから、式（９）を使用して、これらの反応についてフルフラール選択性を算出した。溶媒非存在下での反応の場合、最初はフルフラール選択性が高かったものの（１０分の時点で７２％）（図４Ａ）、反応が進行するにつれフルフラール選択性は大幅に低下し、５０分経過時にはわずか５９％にまで低下した。フルフラールがより多く生成されるにつれ、不可逆的な副生成物の生成が増加した。ＴＨＦ存在下の反応に関し、フルフラール選択性は最初は低かったものの（１０分の時点で６７％）、反応過程にわたって継続的に増加し、２０分の時点で、溶媒非存在下の場合の選択率を超過し、４０分の時点で最大の７４％に達した。これらの違いについて正確な理由は明らかになっていないものの、溶媒を使用した場合の初期のフルフラール選択性の低さは、キシロースの脱水速度が増加した結果、キシロース中間体と競合することに起因する可能性がある。次いで、ＴＨＦでキシロースがより急速に消費されるにつれ、中間体生成物との縮合反応する機会が減少しフルフラール選択性が増加した。いずれにせよ、ＴＨＦの存在下では副生成物の生成が全体的に低減され、その結果、ＴＨＦの存在下ではキシロースフルフラールの最高収率が７３ｍｏｌ％になったのに対し、溶媒非存在下のシステムでは６０ｍｏｌ％であった（表１）。しかしながら、メープル材の反応と比較したとき、純キシロースからのフルフラール収率は低く、特に溶媒を存在下において低かった。この現象は、粉砕したポプラ材チップでも観察された。純キシロース反応において、初期キシロース濃度を高くするほど、初期にフルフラールと架橋重合する割合が増加する一方、メープル材からのキシロースの放出が緩徐になる程、この効果は低減され得る。
【００７３】
図４Ｂは、溶媒及び溶媒非存在の条件下、１７０℃での、６．５ｇ／Ｌ純フルフラールの分解を示す。反応開始から５０分後、溶液にＴＨＦを添加した場合のフルフラールの消失はたった３％程度であったのに対し、溶媒非存在下では、１６％に上るフルフラールの消失が見られた。図４Ｂの２例におけるフルフラール消失についての１３％の差は、純キシロールを用いる溶媒存在下及び非存在下の反応におけるフルフラール収率の違いの大部分を説明するものであり、ＴＨＦが、樹脂化によるフルフラールの消失を防ぐのに中心的な役割を担っていることが示される。興味深いことに、ＴＨＦ存在下の反応ではほとんど全てのフルフラールが消失しているものの、非存在下の反応ではフルフラールの消失は半分未満であったことから、ギ酸生成が説明される。反応の厳密性は、たった５０分間でフルフラールの分解反応を効率的に調査するには穏やかすぎるものであったものの、このデータは、溶媒非存在下の場合の消失についての一次反応による近似におおまかに相関したのに対し、ＴＨＦ存在下のフルフラール消失は一次速度則に従うようには見えなかった。
【００７４】
ＲＩ収率を向上させるバイオマス変換プロセスにおける共溶媒としてのＴＨＦの利用は、酸触媒によるプロセスにＴＨＦを加えることにより実施できる。この溶媒システムによる高ＲＩ収率及びバイオマスの完全な分画を併せて、工業的スケールで有利に達成することができる。すなわち、前処理したバイオマスを回収し、アップグレードのためリグニン画分を単離し、かつ低沸点溶媒を回収することができる、追加の分離及び再利用プロセスを、従来の連続的フルフラール法に改変を加えることによって、達成することができる。可能な例として、図２Ｄに、共溶媒としてＴＨＦを使用する、セルロース系バイオマスからの反応中間体及びリグニンの一体型製造（integrated production）についての、単純化した概念的なプロセスのフローダイアグラムを示す。ＴＨＦは水性相に溶解したことから、２相システムと比較して熱効率を高めるために固形分をより多量に添加することができる。最適な最高固形分（重量％）は、原料の種類及び水分含量、並びに及び処理装置のオプションを元に決定することができる。
【００７５】
図２Ｄに示す通り、好適な原料、例えば、粉砕した木片を、まずは、ＴＨＦ及び酸触媒を含有する溶液に浸漬する。次にこのスラリーを、１９６０年代に連続的フルフラール製造に使用されていたようなスクリュー式Ｐａｎｄｉａ反応槽に移送して、滞留時間をある程度均一に維持し、かつ余計な副生成物の生成を最小限に抑える。容器の耐久性に応じ、ボイラ（２）から高圧の蒸気を送り込むことにより、反応槽を約１７０℃以上の温度に急速に加熱する。熱スラリーは、Ｐａｎｄｉａ反応器の排出口にて、減圧下の分離ユニット（３）に急速に放出される。この工程において、水揮発性成分、例えば、フルフラール及びＴＨＦは、蒸留（４）に向かう蒸気により揮発又は蒸発されられる。ＴＨＦ共沸混合物の含有する水はわずか約４．６重量％であり、追加の脱水を必要としないため、この組成物からのその回収はそれほど困難ではない。図２Ｄの（４）から出る点線は、ＴＨＦ及び水の両方の再利用の流れを示す。ＨＭＦ、ＬＡ、及び硫酸は水により揮発せず、（３）において残存する水層中に、ある程度加水分解されたグルコースと共に濃縮される。ＨＭＦ及びＬＡの回収のため、溶媒抽出又は真空蒸留を利用して、望ましくない反応を低減させることができる。しかしながら、単にＬＡを生産することだけが望まれる場合、より高温（２００℃超）での反応のため、濃縮した水性溶液を連続的撹拌反応器（ＣＳＴＲ）（６）に直接移送することができる。
【００７６】
これまでの観察をもとに、液相からＴＨＦを除去することで、液相から固形残渣としてリグニンが沈殿するようになる。リグニンは粘稠であることから、抽出リグニンを更なる処理及び高価値の生成物への触媒的アップグレードのために再溶解させるのに好適な溶媒が必要とされる傾向がある。これに則して、純ＴＨＦは、回収されたリグニンを容易に再溶解させる。残存するグルカンを豊富に含む固形画分の効率的な回収にはＨｙｄｒｏｃｌｏｎｅ（登録商標）などの有効な連続的装置が利用可能であるものと仮定すると、この固形分は、洗浄し、中和し、並びに発酵性グルコースへと酵素的加水分解することができ、又はＣＢＰ及びＳＳＦ操作のために処理された原材料として使用することができる。この例において、キシロース及びその他のヘミセルロース糖類を目的としたときに望ましくない場合のある高厳密性の条件を利用してフルフラールを使用することができる。このアプローチは、厳密性の高い反応条件をリグニンの除去とを組み合わせることにより、得られる固形分が、その他の前処理システムで実現されているよりも少量の酵素でも容易に加水分解可能なものにするという更なる効果を有している。ここで言うその他の前処理システムでは、キシロース発酵を目的とする場合に、キシロースからフルフラールへの大量の消失を回避するため反応の厳密性を低くする必要があるという制限がある。または、実線で示す通り、更にＬＡを生産するために（６）、グルカンを豊富に含む材料を高温のＣＳＴＲに直接移送することもできる（図２Ｄ）。
【００７７】
表１の実施番号９により示す通り、ＬＡは、セルロースを豊富に含有するメープル材を熱水前処理してヘミセルロースを抽出した後に、最高で理論収率の７５％の収率で得ることができる。この場合、ＬＡ生成は、固形分添加量を上げ（１０重量％）、硫酸濃度を高くし（１．５重量％）、溶媒を全く使用しない、２００℃のバッチ反応で得られた。これらの結果は、特にＬＡ生成を目的として反応温度を上昇させた場合に、ＴＨＦによる反応後に残存する、ヘミセルロースを含まずグルカンを豊富に含む材料から、高収率でＬＡが得られることを実証する。
【００７８】
精製したフルフラール生成物は、そのまま販売できるし、あるいは更にＴＨＦを製造するために脱カルボニル化及び水素化してもよい。水素化は尚もフルフラール及びレブリン酸を燃料生成物にアップグレードするための最も汎用なオプションを有しているものの、これらのＲＩ類の触媒的アップグレードのための水素に関係する資源及び費用について注意深く考える必要がある。フルフラールは、フルフリルアルコール（ＦＦＡ）、テトラヒドロフルフリルアルコール、及びジヒドロピランにアップグレードすることができるメチルフラン及びメチルテトラヒドロフランは、ガソリン添加剤として直接寄与することのできるＦＦＡの水素化生成物である。フルフラールのアルドール縮合及び二量体化後に水素化脱酸化することで、トリデカンまでのアルカンを生成することができる。フルフラールから生成することのできる多様な生成物は、このプロセスにより高収率で得られるときに市場性が大幅に向上する。水性溶液において、ＬＡは、ＨＭＦよりも安定であるため本プロセスにおいてセルロース由来の重要な一次生成物であり、レブリン酸エステル、ＧＶＬ、ＭＴＨＦ、及び水素化により可能性のあるその他の燃料生成物の、価値ある化学的前駆体であり得る。ＬＡは高沸点であり（２４５℃）、真空を適用せず蒸留により分離することは難しいことから、濃縮されたＬＡ生成物流を維持することで、分離の経済性が向上し、溶媒抽出も可能になる。ＬＡの生成は、より厳密な反応条件から利益を得ることから、フルフラール及びＬＡの両方のための２段階の生成ストラテジーにより、バイオマスから高収率でＲＩが得られる。
【００７９】
ほとんどのＴＨＦが回収されたものの、一部のＴＨＦは酸触媒による開環反応時には消失していた。したがって、ＴＨＦの消失を低減させるには反応時間を短くする必要がある。幸運なことに、ＴＨＦそのものがプラスチックの製造用の溶媒としての商業用途を有し、かつ１，４−ブタンジオール（ＢＤＯ）及びγ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）に密接に関係する汎用化合物である。ＴＨＦポリマー類（ポリＴＨＦ及びＰＴＭＥＧ）も一般的な商用生成物であるため、これらの生成物の用途についての、特にフルフラールからのＴＨＦの生成可能性についての更なる調査は、非常に関心を招くであろう。
【００８０】
このシステムにおいて、グルコースからのフルフラールの生成可能性について調査するため、ＴＨＦ及び１重量％硫酸を含有させた１８．７ｇ／Ｌグルコース溶液を１７０℃で反応させた。反応開始から４０分後、Ａｍｉｎｅｘ（登録商標）ＨＰＸ−８７Ｈカラムでフルフラールと同じ時間に（約４４分）微量の物質の溶出が見られたものの、溶媒非存在下の反応ではこれは存在しなかった。このカラムでは、ある種の化合物が類似した保持時間を有することが知られているため、このフルフラール様化合物は、ＧＣ−ＭＳにより更に定量して、同一性を確認する必要がある。この微量化合物による影響（０．１２ｇ／Ｌ）は、４０分の時点でメープル材反応物から測定されたフルフラール収率の約２．５％を占め得るものである。しかしながら、この量は、グルカン加水分解の非存在下での純グルカンの反応の結果であり、本出願において報告されているフルフラール収率に生じ得る増分の上限となる。更に、ＴＨＦ存在下のグルコース反応において、グルコースから誘導される別の化合物が、キシロースの溶出と同じ時間（約９．７分）にかなり多量（０．９７ｇ／Ｌ）に測定された。この、キシロースではない単糖類（又は何らかのその他の特定されていない化合物）により、図３Ｂにおいて、キシロースが完全に消費された、メープル材の反応開始から４０分後においてもまだる類似の微量濃度が観察される理由を説明可能である。この化合物の残留性、及びグルコースからの非常に微量のフルフラールの生産により、別のグルコース中間体が原因であることが示された。
【００８１】
本開示は、メープル材又はトウモロコシ茎葉などのリグノセルロース系バイオマスの水性プロセスからのＲＩ類の収率を著しく増大させる単相共溶媒としてのＴＨＦ用途を例示する。本開示により初めて、以下のことが示される。ＴＨＦ及び水の単相溶液が、（１）ヘミセルロース系及びセルロース系他糖類の加水分解を向上させること；（２）得られる単糖類の、高収率でのＦＦ、ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）、及びレブリン酸（ＬＡ）への脱水を触媒するよう作用すること；（３）高価値副産物に変換するため、バイオマス由来の酸不溶性のリグニン及び分解産物を液体画分に溶解させること；並びに（４）酵素による消化、発酵、又は更なる化学的変換に使用することができる、グルカンに富み容易に加水分解できる固形画分を生成すること；を示す。目的とする、ＴＨＦ存在下で一体型単相溶媒によるリグノセルロース系バイオマスからの反応中間体の生成により、リグノセルロースのリグニンなどの主要成分の全てを効率的に利用することができる。本願で提案される、エネルギー消費の少ないストラテジーは、触媒法における最新の進歩を補完し、かつ原料を扱うのに有効な溶液を提供するよう設計されていた。最終産物の種類の融通性が増すため、再生可能な燃料及びケミカルスへと変換するためのリグノセルロース系バイオマスの分解及び触媒的アップグレードの向上という点で更なる進歩が可能になる。
【００８２】
（実施例２）
全てのＴＨＦ共溶媒反応には、試薬等級ＴＨＦ（純度９９％超、Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ）を使用した。ＴＨＦ対水比１：１（ＴＨＦ  ５０％  ｖ／ｖ）〜７：１（ＴＨＦ  ８７．５％  ｖ／ｖ）を得るべく、ＴＨＦの添加量を体積ベースで増加させて、ＴＨＦ共溶媒溶液を調製した。金属ハロゲン化物触媒はシグマ・アルドリッチ（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ，ＵＳ）から購入した。金属ハロゲン化物触媒はそれぞれ水和物形態（ＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、ＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、ＣｒＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、及びＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏ）のものを使用したもが、添加時には無水質量をもとにして、触媒添加量０．１Ｍ又は１重量％とした。濃硫酸（７２重量％  Ｈ２ＳＯ４）はＲｉｃｃａ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社（Ａｒｌｉｎｇｔｏｎ，ＴＸ）から購入した。これを用い希硫酸溶液を調製した。
【００８３】
ニューヨーク州北部で作製されたメープル材チップは、Ｍａｓｃｏｍａ社（Ｌｅｂａｎｏｎ，ＮＨ）から提供を受け、風乾したＫｒａｍｅｒ  トウモロコシの茎葉は、国立再生可能エネルギー研究所（ＮＲＥＬ，Ｇｏｌｄｅｎ，ＣＯ，Ｌｏｔ  ＃３３Ａ１４）から提供を受けた。ラボラトリーミル［４型、Ａｒｔｈｕｒ  Ｈ．Ｔｈｏｍａｓ社（Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ，ＰＡ）］を使用して、比較的乾燥しているバイオマス（水分量１０〜１５％）をナイフミルにかけ、粒径１ｍｍの備え付けのふるいを通過させた。国立再生可能エネルギー研究所（ＴＰ−５１０−４２６１８，ｖｅｒ．８−０３−２０１２）により確立された手法で、３標本ずつバイオマス組成を測定した結果、メープル材の組成は、４０．９±０．３重量％グルカン、１５．５±０．２重量％キシラン、２．１±０．１重量％マンナン、２４．４±０．３重量％  Ｋ−リグニン、及び１７．１重量％その他の成分であり、トウモロコシ茎葉の組成は、３２．７±０．４重量％グルカン、２０．７±０．２重量％キシラン、２．６±０．１重量％アラビナン、１６．０±０．１重量％  Ｋ−リグニン、及び２８．０重量％その他の成分であった。この試験では、バイオマス組成を合計１００％にするのに必要なその他の成分については評価しなかったが、微量糖類、灰分、糖酸類、アセタート、及びタンパク質を含有しているものと予想された。アラビナン、ガラクタン、及びマンナンは多量には存在せず、これらの微小糖類をＨＰＬＣにより具体的に定量することは難しかったことから、定量されたバイオマスのうちペントサンは全てキシランとし、ヘキソサンは全てグルカンとして扱うことにした。
【００８４】
２０ｇ／Ｌグルコース又は１０ｇ／Ｌキシロースを含有させ、液体の合計体積をもとに金属ハロゲン化物触媒を０．１Ｍ（無水物）添加した、１：１のＴＨＦ：水共溶媒溶液として、純糖反応混合物を調製した。それぞれの触媒の、ブレンステッド酸としての価数が異なることから（表３）、全ての溶液に７２重量％濃硫酸を滴下して、ｐＨ  １．６に正規化した。酸性度にｐＨ  １．６を選択したのは、最も酸性である０．１ＭのＺｒＯＣｌ２含有混合物（表３）のブレンステッド酸としての価数に近かったことが理由である。酸対照として、ハロゲン化金属酸と直接比較するため、硫酸のみを含有させた純糖溶液も調製し、ｐＨ  １．６に調整した。
【００８５】
【表３】
0006535321.tif 000009
【００８６】
反応は、壁厚０．０００８８９０ｍ（０．０３５ｉｎ．）かつ長さ０．１５２４ｍ（６ｉｎ．）の１４．３ｍＬのＨａｓｔｅｌｌｏｙパイプ反応槽（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ  Ｃ−２７６，Ｏ．Ｄ．０．０１２７ｍ又は０．５ｉｎ．）において撹拌せずに実施し、実際に反応させる液体体積は１０ｍＬとした。パイプ反応槽を、高耐久性カスタム蒸気チャンバに搭載した。この蒸気チャンバは、よく使用される蒸気用（１ＭＰａまでの圧力の蒸気）、３１６ステンレス鋼製で０．１０２ｍ（４ｉｎ．）の内径フィッティングより作成されている（ＭｃＭａｓｔｅｒ，Ｓａｎｔａ  Ｆｅ，ＣＡ）。３本チューブの反応槽を急速にかつ安定的に加熱するため、高圧蒸気ボイラ（ＦＢ−０７５−Ｌ，Ｆｕｌｔｏｎ  Ｃｏｍｐａｎｉｅｓ，Ｐｕｌａｓｋｉ，ＮＹ）により蒸気を移送した。温度はインライン圧力ゲージ及び２つのＫ型熱電対（Ｏｍｅｇａ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ社（Ｓｔａｍｆｏｒｄ，ＣＴ））の両方により監視し、ＰＩＤ調節器により蒸気圧を介して調節した。チューブ反応槽の構造が縦に長く、かつ加熱には蒸気及びクエンチには冷水が利用されることから、反応時間が短い（１０分未満）場合であっても熱伝導は比較的速かった。開始時刻は、温度が最初に１７０℃に達した時点として定義した。反応の終了時に蒸気供給を遮断し、蒸気チャンバには水道水で満たして反応を停止させた。
【００８７】
各反応チューブの液体内容物を、２ｍＬのガラス製バイアル瓶に移送した。これらの試料を遠心分離し（２５００ｒｐｍｓで２０分間）、Ａｇｉｌｅｎｔ  １２００システムにＢｉｏ−Ｒａｄ  Ａｍｉｎｅｘ（登録商標）ＨＰＸ−８７Ｈカラム及びＲＩ検出器を装備させて流速０．６ｍＬ／ｍｉｎで溶離液（５ｍＭ硫酸）を使用するＨＰＬＣ分析を行うために上清をガラス製ＨＰＬＣバイアル瓶に移送した。糖変換率及び二次反応中間体生成物の選択性についての計算を以下に示す。式中、Ωは初期糖類からのモル当量比である：
【００８８】
【数５】
0006535321.tif 000010
【００８９】
使用した固体トウモロコシ茎葉若しくはメープル材添加量は、反応物の合計質量量（８００ｇ）を元に計算した。各反応物は、ＴＨＦ：水混合物重量（７６０ｇ）に対し５重量％の固形分（乾燥ベースで４０ｇ）及び１重量％の酸（無水重量で７．６ｇ）を含有した。次に、バイオマス混合物を４℃で一晩前浸漬させ、バイオマスの孔内に酸触媒を確実に均一に分布させた。内容物を実験室で１時間放置して、反応前に温度をおよそ室温にした。
【００９０】
次に、全てのバイオマススラリーを、４ｋＷ流動型サンドバス（ＳＢＬ−２Ｄ型，Ｔｅｃｈｎｅ，Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ，ＮＪ）で加熱した高圧連続撹拌式の１ＬのＰａｒｒ反応槽（Ｐａｒｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｍｏｌｉｎｅ，１Ｌ）に移送した。電動モーターの端部に取り付けた６枚羽インペラ２本で２００ｒｐｍで混合した。反応温度はインライン熱電対（Ｏｍｅｇａ、Ｋ型）により直接測定した。反応の最後に、室温の大型ウォーターバスに入れて、反応物を急速に冷却した。液体を収容させる貯蔵容器は、プラスチックを使用したときに観察されるフルフラール及びＴＨＦの消失を防ぐため、全てガラス製のものとした。次に、ガラス繊維ろ紙（Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ）を通して、真空ろ過により、反応濃縮液から固形分を分離した。液体画分の質量及び密度を測定して、正確な収率の計算を完了した。共溶媒混合物及び純粋の密度が異なることから、各反応後に２５ｍＬの反応液を全量フラスコに量り取り、最終密度を求めた。
【００９１】
溶離液（５ｍＭ硫酸）の流速を０．６ｍＬ／ｍｉｎとし、Ｂｉｏ−Ｒａｄ  Ａｍｉｎｅｘ（登録商標）ＨＰＸ−８７Ｈカラム及びＲＩ検出器を装備したＡｇｉｌｅｎｔ  １２００  ＨＰＬＣシステムにより液体試料を分析した。ＨＰＸ−８７Ｈカラムでは、キシロース、マンノース、及びガラクトース糖のピークを分離できないことから、収率計算の際にその他のＣ６糖類からキシロースを区別するため、ＨＰＬＣにはＡｍｉｎｅｘ（登録商標）ＨＰＸ−８７Ｐカラムも装備させた。反応中間体収率は式（１５）により算出する。式中、フルフラール（式１６）、ＬＡ（式１７）、及び５−ＨＭＦ（式１８）のモル当量は、独立して算出し、原材料中に含まれるグルカン又はキシランの合計割合により除算する。
【００９２】
【数６】
0006535321.tif 000011
【００９３】
抽出したリグニンを回収するため、反応濃縮液をガラス製の瓶に移送した。この瓶は、０．６４ｃｍ（０．２５インチ）の金属製ホースバーブフィッティングがタップ付されているスクリュー式の蓋を有していた。可撓性のホースによりフィッティングを真空ポンプに連結させて、ＴＨＦの真空蒸留を実施した。液体を撹拌プレート上で磁気撹拌子により撹拌し、ＴＨＦを真空下、室温で蒸発させた。ＴＨＦが水性液から除去されると、抽出したリグニンが黒色樹脂状固形分として溶液から沈殿する。次に液体から固形リグニン残渣を分離して、セラミック製の乳鉢及び乳棒により微粉末状に粉砕した。次に粉末を水によりすすぎ洗いし、風乾した後、ジエチルエーテルによりすすぎ洗いした。得られた微粉末状リグニン生成物を図１３に示す。
【００９４】
表３には、それぞれ０．１Ｍの金属ハロゲン化物を含有させた糖共溶媒溶液について反応前に測定されたｐＨを示す。高温下で金属ハロゲン化物が水により加水分解されることで金属酸化物種が生成されること、並びに金属カチオンの加水分解中にＯＨリガンドが生成され（電子対供与体として）、酸性度が増加することことは公知である。得られる溶液ｐＨは、カチオン性分子種の第１加水分解定数に相関し、この場合Ｚｒ及びＦｅカチオンが最も強力である。金属塩化物が、ＴＨＦにより安定な付加体を生成することも公知であり、これによりイオン化能及び触媒活性に影響を受ける場合がある。ブレンステッド酸は、典型的には糖の脱水速度に影響を与えることから、全ての糖溶液について、各反応の前に硫酸を使用してｐＨを１．６（最も酸性の金属ハロゲン化物のものに近い）に正規化した。このように正規化することにより、各触媒の相対的なルイス酸強度が、二次反応中間体の選択性、最終生成物の分解傾向、並びにバイオマスからのフルフラール及び５−ＨＭＦの同時生成を最適化する際の触媒の調整可能度、にどの程度の影響を与えるのか、良好に理解することができる。
【００９５】
この共溶媒システムについて触媒性能を特性評価するため、異なる金属ハロゲン化物を使用して、純グルコース及びキシロースを１：１（ｖ：ｖ）ＴＨＦ：水溶液中で反応させて、糖変換率並びにフルフラール、５−ＨＭＦ、及びＬＡへの選択性を比較した。この比較のためには、金属ハロゲン化物ＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、ＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、ＣｒＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、及びＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏを選択した。糖共溶媒溶液には、２０ｇ／Ｌグルコース又は１０ｇ／Ｌキシロースのいずれかを含有させて、固形分添加量５重量％の場合に実際のバイオマス反応において生じ得る糖濃度をシミュレートした。それぞれの金属ハロゲン化物は、各反応について、無水触媒質量ベースで濃度が０．１Ｍになるように添加した。次に、この糖溶液をＨａｓｔｅｌｌｏｙチューブ反応槽（実効容積１０ｍＬ）に充填し、カスタム設計したステンレス鋼製スチームチャンバにより１７０℃に加熱した。反応を進行させた後、蒸気の供給を停止し、チャンバを冷水に浸漬して、反応をクエンチした。図１０Ａ及び１０Ｂに示す通り、全ての金属触媒において、キシロース及びグルコースの変換率は、ＴＨＦ共溶媒システムに硫酸のみを使用した場合に見込まれるものよりも著しく向上した。金属ハロゲン化物の相対的な性能も、グルコース及びキシロースに関し非常に一貫していた。ルイス酸強度が高いことから、最も活性な金属はＣｒ、Ｚｒ、及びＡｌであり、キシロースは５分、グルコースは１０分でほとんど完全に変換された。Ｃｕ及びＦｅ系触媒は、糖の変換が顕著に緩徐であったものの、尚も２０分後にはほとんど完全に変換がなされていた。
【００９６】
ＴＨＦ共溶媒による糖反応では、全ての場合に、ＨＰＬＣによる保持時間がフルクトース及びキシルトースと一致する２次糖種が蓄積していることが観察された。それらの濃度変化は、反応時のグルコース及びキシロースの消失の過程をなぞっており、アルドースーケトースの異性体化が糖脱水よりも速い反応速度で起こっていることを示唆している（図１４〜１５に示した濃度）。この結果は、金属ハロゲン化物により触媒される糖反応について知られていることと一致し、解鎖脱水機序が一般に見られ、無水ケト糖からのフルフラール及び５−ＨＭＦがより容易であり、かつそれらの対応するアルドース等よりも迅速である。興味深いことに、硫酸反応においてケト糖類が存在していたことから、ＴＨＦは糖類にも作用して異性化を促進させ、及びＴＨＦ共溶媒は、硫酸のみを使用する溶媒非存在下時の反応と同程度にアルドース糖の脱水の触媒的に機能するという、初期の観察を確認する。ＴＨＦは、速度論的に望ましい解鎖脱水経路を促進させることにより、高反応性の中間体生成を達成させるよう金属ハロゲン化物に作用し得る。
【００９７】
次に、各反応後の濃度をもとに、２次ＦＰ類の選択性を算出した。キシロースからのフルフラール選択性の観点では（図１０Ｃ）、硫酸が１０分の時点で最大で約７０％の選択性を達成し、この選択性は、他の全ての金属塩触媒の中で最高であった。この結果により、金属ハロゲン化物のルイス酸特性は糖類の分解を促進するものの、溶液中に蓄積されたフルフラールを消失させる競合的な消失反応をも促進させることが示唆された。これらの消失反応には、中間体糖種とフラン系生成物との縮合反応によるフミンの生成も関与し得る。糖変換が急速であることに由来し、Ｃｒ触媒は、最も短時間に５分の時点でフルフラールの最高選択度、約６５％を達成したのに対し、ＦｅＣｌ３は、同様にフルフラールの最高選択率、約６５％を達成するのに２０分を要した。ＺｒＯＣｌ２は、キシロースを急速に分解する性能を有していたにも関わらず、フルフラール選択率が最も低かった。これは消失する生成物の生成が多かったことに起因する可能性がある。
【００９８】
グルコースからの５−ＨＭＦ選択率については（図１０Ｄ）、共溶媒システムにおいて、ＣｕＣｌ２を除く全ての金属塩で硫酸（約２２％）よりも高い選択率（約４０％）が達成され、金属Ａｌ、Ｃｒ、及びＦｅの性能が最も良好であった。ここでも、Ｆｅ系触媒は最も長い反応時間を必要とし、５−ＨＭＦ選択性は全時間長にわたって継続的に増加し、２０分後には３８％に達した。興味深いことに、ＣｕＣｌ２を除く全ての触媒において、フルフラール及び５−ＨＭＦの両方について選択性が最も高くなるのは、フルフラールの同時生成が最大になるのとほぼ同時であったことが、金属Ａｌ、Ｃｒ、及びＦｅにより実証された。しかしながら、縮合生成物及びＬＡの両方に対してかなりの消失反応が生じたことにより、概して、５−ＨＭＦ選択性はフルフラール選択性よりも大幅に低かった。これは、ＦｅＣｌ３を除く全ての金属ハロゲン化物の反応過程にわたって、５−ＨＭＦ選択性が、フルフラールについて観察されるものよりも劇的に低下したことからも明らかである。
【００９９】
グルコースからのＬＡ選択性については（図１０Ｅ）、全ての金属ハロゲン化物で、ＬＡ生成の選択性が硫酸の場合よりも低かったことが実証された。これはこの試験の目的と合致している。このシステムでは、ＬＡは５−ＨＭＦの加水分解により生成されることから、ＣｕＣｌ２及び硫酸が最も高い選択性を達成したのはＬＡであり、５−ＨＭＦに対する選択性は最も低かった。より長時間の反応に対しＬＡ選択性の増大傾向を外挿すると、フルフラール及びＬＡは、恐らくそれらの生成速度をもとに適合性のある同時生成物ではない。むしろ、フルフラール及び５−ＨＭＦは一緒に生成することができるのに対し、ＬＡ生成は、反応においてフルフラールとは別個に最も効率的に最適化できる。緩徐なＦｅ及びＣｕ系ハロゲン化物と比較して、Ｃｒ、Ｚｒ、及びＡｌ系ハロゲン化物において、より急速な糖変換が観察されたことがこれらの触媒間の重要な違いであり、これにより、次節で報告する、実際のバイオマスとの反応における性能を説明することができる。糖反応において定量可能な、糖変換、反応中間体選択性、及びこれらの金属ハロゲン化物触媒の酸性度などのパラメータが、バイオマスの変換に影響し、フルフラール及び５−ＨＭＦの合計収率を高くする。
【０１００】
プラットフォーム化合物へと触媒変換する対象とするリグノセルロース系バイオマスの一次画分は、セルロース、ヘミセルロース、及びリグニンである。非晶質ヘミセルロースに含有されるキシランは、厳密性が低い〜中程度の反応で完全に加水分解できることから、温和な糖資源として最も容易に利用可能なものである。一方、セルロースは、Ｃ６の一次資源である結晶質高分子グルコース鎖から構成されるものの、酸加水分解に対し最も抵抗性である糖画分を保持しており、通常、溶液中に高収率でグルコースモノマーが得るために前処理後にセルラーゼにより処理されれる。リグノセルロース系バイオマスのヘミセルロース画分は、結晶質セルロースよりも遥かに酸に対し不安定なものであることから、フルフラールは、５−ＨＭＦ及びＬＡよりも非常に速く生成される。したがって、フルフラール及び５−ＨＭＦをバイオマスから直接的に同時生成する一体型の変換ストラテジーは、生成物の収率を最大化するためにも、不安定な生成物の競合する副反応を最小限に抑えるように調整可能なものとすべきである。この理由から、緩徐に可溶化されるセルロース画分に残存するグルカンを、グルコースへの酵素的加水分解及び／又は酸加水分解、アルコール燃料への生物学的変換（例えば、エタノール）、あるいは５−ＨＭＦ及び／又はＬＡへの熱化学的変換のための固体生成物として回収することが、フルフラール高収率を最適化するにあたって主要な関心事である。
【０１０１】
バイオマスを反応させることによる収率を最適化するよう、温度、時間、及び酸添加量（反応厳密性の組み合わせ）を操作するのに加え、ＴＨＦ共溶媒ストラテジーでは、水中ＴＨＦ濃度を増加させて、５−ＨＭＦへの選択性を増加させ、かつバイオマスの可溶化を向上させるよう、更に調整することができる。データは、メープル材又はトウモロコシ茎葉を５重量％添加した１ＬのＴＨＦ共溶媒反応において、金属ハロゲン化物触媒の性能を硫酸と比較したものである。表４には、バイオマスを反応させることにより得られるフルフラール及び５−ＨＭＦの合計収率が最も高かった反応条件を掲載する。ＴＨＦ：水の割合も、１：１〜７：１（体積による）に様々に変化させ、生成物の収率が向上される度合いと、単相レジームの限界を評価した。触媒は、工業的オペレーションと同様に、反応物に含有させる液体の合計質量をもとに希釈率１重量％にて質量ベースで添加した。
【０１０２】
【表４】
0006535321.tif 000012
【０１０３】
表４（実施番号１〜９）に示す通り、ＣｒＣｌ３及びＺｒＯＣｌ２を除く金属ハロゲン化物触媒は、メープル材及びトウモロコシ茎葉の両方に対し非常に一貫した性能を示し、ＴＨＦ：水混合物に関しては硫酸に近い最大フルフラール収率を達成した。５−ＨＭＦ収率は触媒間で近かったものの、純糖反応に関し見られた通り、金属ハロゲン化物では、５−ＨＭＦへの選択性が増加していることに起因して、硫酸よりもＬＡ収率が低かった。ブレンステッド酸としての価数がより高く、キシロース変換速度が緩徐であり、長時間反応下でのフルフラール選択性が高いことから、ＦｅＣｌ３が最も良好な触媒であった。高５−ＨＭＦ収率又は高フルフラール収率がそれぞれトレードオフされており、ブレンステッド特性がより穏やかであったことから、ＡｌＣｌ３及びＣｕＣｌ２は性能が中程度の触媒であったことは、純糖の反応の選択性と一致する。
【０１０４】
各触媒について、バイオマスの可溶化度を調査する目的で、１：１のＴＨＦ共溶媒混合物及び初期バイオマス添加量５重量％及び触媒添加量０．１Ｍ当量で、１ＬＰｒｒ反応槽において、メープル材を３０分間反応させた。図１１には、処理前のメープル材の組成、及び質量ベースでメープル材フィード１００ｇに対し反応させた後に残存する固形分中の主成分の配分を示す。図に示される通り、金属ハロゲン化物では硫酸と比較してバイオマスの可溶化度が低かった。図に示される通り、ＺｒＯＣｌ２を除く全ての金属ハロゲン化物の反応中に、メープル材の９０％超でＫ−リグニンが除去され、グルカンを豊富に含む固形分が多量に残された。この固形分はヘミセルロースを含有せず、その他の成分の含有量は微量であった。混じりけなく分画された固形分は、直接供給して発酵性グルコースを生成するのに好適であり、あるいは更に５−ＨＭＦ又はＬＡの製造に使用するのに好適であることから、このプロセスの経済性を高めるためには、１：１のＴＨＦ反応において共溶媒反応から回収される固形分を最大化することが重要である。固形分中に実際に残存するグルカンは、硫酸により触媒される反応に由来するものよりも遥かに少ないことから、非糖質画分は、固形分の高分子分解産物の蓄積により生じたものである可能性がある。
【０１０５】
高溶媒比３：１下でバイオマスがより多量に可溶化されたことから（表４、実施番号１０〜１６に示す通り）、反応ストラテジーが、回収性に乏しい固形分によるフルフラール及び５−ＨＭＦの生成に重きをおいたものであることが支持され得る。３：１のＴＨＦ：水体積比にて、性能が上位３位（Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ）の金属ハロゲン化物触媒は、硫酸と比較して、メープル材及びトウモロコシ茎葉からのフルフラール及び５−ＨＭＦの同時生成を大幅に増加させた。これらの反応において、ＦｅＣｌ３は、フルフラール（メープル材及びトウモロコシ茎葉について収率９７％）及び５−ＨＭＦ（メープル材について収率４１％及びトウモロコシ茎葉について４２％）生成及びバイオマス可溶化（固形分残存量１１％）の両方において、ＣｕＣｌ２及びＡｌＣｌ３よりも顕著に性能が優れていた。ＣｕＣｌ２はＦｅＣｌ３ほど急速にバイオマスを可溶化することはできなかった。メープル材及びトウモロコシ茎葉の反応のいずれもで５−ＨＭＦの収率が低かったことは、糖反応においてグルコースからの５−ＨＭＦの選択性が低かったこと（図１０Ｄ）により説明可能である。ＡｌＣｌ３に関しては、フルフラールの最適反応時間が５−ＨＭＦよりも２０分短いことから、フルフラール及び５−ＨＭＦの同時生成性を高めるよう反応を調整することは難しかった。したがって、ＣｕＣｌ２では、５−ＨＭＦが多量に消失した代わりにフルフラールについて高収率を達成し、ＡｌＣｌ３では、フルフラール収率が低下した代わりに５−ＨＭＦについて高収率を達成した。概して、全ての反応においてトウモロコシ茎葉及びメープル材間の性能が一貫していることから、ＴＨＦ共溶媒システムは様々な原料に利用可能なものであり、かつ不均一な又は混合した原料流において高収率を達成可能であり、商業的実現性という点で魅力的であることが示された。
【０１０６】
４：１の溶媒比（表４、実施番号１７）では、ＦｅＣｌ３は硫酸及びその他の金属ハロゲン化物よりも性能が顕著に優れており、ワンポット単相反応による、リグノセルロース系バイオマスからのフルフラール（メープル材及びトウモロコシ茎葉について９５％）及び５−ＨＭＦ（メープル材については５１％及びトウモロコシ茎葉については４５％）の同時生成について、記録上最高収率が達成された。高沸点であることに起因し回収するのが最も難しいＬＡの収率を更に低減するには、溶媒比を高くすることも有効であった（４：１比にて６〜７％）。したがって、ＦｅＣｌ３は、ＴＨＦを混和性共溶媒として使用するバイオマス処理において、フルフラール及び５−ＨＭＦの同時生成を触媒させるのに最良の金属ハロゲン化物であることが証明された。酸強度が強いことから、適度な速度でのメープル材及びトウモロコシ茎葉の分解が可能となり、並びにフルフラール及び５−ＨＭＦの生成のための反応時間が近いことから、２つのバイオマス反応を合わせて良好な収率を達成するのに有益である。図１２に示す通り、４：１共溶媒によるメープル材の反応後に残存する１０％固形分は非常にグルカンに富んでおり、かつ酵素によるグルコースへの効率的な変換のため又は５−ＨＭＦ及び／若しくはＬＡへの更なる熱化学な反応のため、回収することができた。この実施に関し、図１６に、反応後の可溶性及び不溶性生成物中のＣ６生成物の８０％及びＣ５生成物の９５％のアカウンタビリティーを保証するマスバランスを示す。
【０１０７】
本データは、７：１のＴＨＦ：溶媒比（表４、実施番号１９）では、又はこれを超えると、反応の挙動は突如としてシフトし、２相レジームに類似したことを示す。これは定性的測定ではなかったものの（反応槽の点検窓からの視認など）、反応速度及び得られる固体材料の組成から、このシステムが、このような高ＴＨＦ比では２相となったことを強く示す。このような２相反応において、水相の脱水速度は、抽出溶媒の有無による影響をほとんど受けない。したがって、反応後に残存する固体画分がかなり多くなったことから明らかである通り、ＴＨＦには、もはやバイオマスの可溶化を促進する性能はなかった（表４中、実施例１９、２１％）。図１２に示す通り、この固形分画分の組成分析により、ＴＨＦによる単相反応において見込まれる通り、グルカンの大部分は可溶化を受けていなかったこと、並びにリグニンのほとんどは尚も原状のままで抽出されていなかったことも明らかとなった。２相システムでの見込みと一致して、操作圧も約１．８３ＭＰａ（約２６５ｐｓｉｇ）も観測された中で最高であり、かつ水及びＴＨＦの飽和蒸気圧の合計に近いことも観察された。更に、多くの場合、バイオマスの水分含有量は最大で木質の５０重量％であることから、溶媒比を高くすると、熱消費が増え、バイオマス処理の経済性が損なわれる傾向がある。これは、その他の共溶媒システムと比較したときに考慮すべき重要な事柄である。
【０１０８】
図２Ｂは、バイオマスのフルフラール及び５−ＨＭＦへの直接変換を増加させるために金属ハロゲン化物触媒を利用する一体型ＴＨＦ共溶媒のストラテジーを概略する。フルフラール及び５−ＨＭＦは、それぞれ、続いて水素化を受けてＭＦ及びＤＭＦになる可能性を示している。本試験における実験は、下流の触媒的アップグレード操作を実施するのに最も適合性のあるＦＰを高収率に生成することに重点を置いた。図中に示すプロセスの概念において、バイオマス原材料及び酸触媒をＴＨＦ共溶媒と一緒に反応槽に充填する。反応によりフルフラール及び５−ＨＭＦについていずれも高収率が達成される。反応させたスラリーを、その後回収し、ろ過して固体残渣を分離する。ＴＨＦが低沸点溶媒であり（６６℃）かつ水と９５．４％共沸混合物を生成することから、バイオリファイナリーにおいて容易にフラッシュ蒸留して回収し、再利用することができた。実際のところ、水相からＴＨＦを回収するには室温での真空蒸留で十分であった。
【０１０９】
抽出したバイオマスリグニンは、ＴＨＦの除去によっても固形分として沈殿する。この沈殿を回収し、ジエチルエーテルですすぎ洗いして、図１３に示す高純度リグニン粉末を生成することができる。この粉末は、次にＴＨＦ又はＤＭＳＯに再溶解させることができ、かつ価値あるケミカルスへと触媒的アップグレードするのに好適である。以降、ＭＴＨＦなどの適切な有機溶媒を非混和性溶媒として使用して、微量の糖及び夾雑物のほとんど水相に残し、フルフラール及び５−ＨＭＦを有機層に抽出及び濃縮することができる。あるいは、必要があれば、フルフラール及び５−ＨＭＦのアップグレードのために選択される触媒システムに応じ、ＴＨＦを除去することにより得られる水性流を触媒反応槽に直接供給することもできた。触媒を含有する水性流は、ＦｅＣｌ３を含有する水性流として再利用することができ、この水性流は、その他のシステムにおいて複数回の反応にわたって反応性を保持することが示されている。
【０１１０】
（実施例３）
ＴＨＦは、溶媒：水比１：５以上（体積による）、最大で７：１（体積：体積）でリグノセルロース系バイオマスを前処理して、バイオマスからの単糖の収率を明確に最大化させる、効果的な共溶媒である。ＴＨＦ共溶媒による前処理の操作温度は１００℃〜２２０℃の範囲である。ＴＨＦ共溶媒による前処理に必要とされる酸触媒添加量は、酸の種類に応じ０重量％〜１０重量％の範囲である。この機能のため、ＴＨＦ共溶媒による前処理は、（Ａ）バイオマスに従来式の前処理を行った後の酵素的加水分解、又は（Ｂ）酵素的加水分解工程を必要とすることなくバイオマスの直接可溶化により糖を回収すること、のいずれかのための、バッチ式、連続流通式、あるいは押し出し流れ式の構成において、実施することができる。後者（Ｂ）の場合、加熱した流通式反応槽に、少量の酸を加えた又は酸を全く加えていないＴＨＦ共溶媒を１超：１のＴＨＦ：水にて用い、バイオマスを効率的に溶解し、単糖及びオリゴ糖を放出させた後、ＴＨＦの除去及び回収によりこれらの糖質を濃縮する。典型的な前処理をした場合の総糖収率（ステージ１＋ステージ２）は、加熱反応後（ステージ１、前処理）に放出された可溶性糖類の総収率（Ｃ５＋Ｃ６糖類）と、糖化酵素により前処理した固形分の処理後に放出される可溶性糖類の総収率（ステージ２）とを足し合わせることにより算出する。
【０１１１】
希硫酸（あるいは「希酸のみ」又は「ＴＨＦ非存在下」と記載、１重量％）を使用して、１７０℃で連続的バッチ反応を実施した。残存する固形分の質量及び組成（処理前のメープル材１００ｇベース）を図３Ｅに示す。ＴＨＦ存在下の場合、非存在下の場合よりもバイオマスの可溶化度が大幅に高かったことが観察された。ＴＨＦ及び水の１：１混合物を含有する反応物では、開始１０分後までに、メープル材に最初に存在する酸不溶性Ｋｌａｓｏｎリグニン（Ｋ−リグニン）のうちの９０重量％超が液相中に除去され、高度にグルカンを豊富に含む（８５重量％超グルカン）固形分残渣が生成された。対照的に、ＴＨＦ非存在下での反応物に残存している固形分の組成は、３０分後にはＫ−リグニン含有量が僅かに低減していたことを示していたものの、その後、擬似リグニン及びその他の酸不溶性分解生成物の生成位に起因して、経時的に急速に増加した（図１２）。同様にして、ＴＨＦ共溶媒により前処理するとＴＨＦ非存在下希酸のみの場合よりもグルカン（セルロース）消失速度が増加することから、ＴＨＦも、セルロース及び同様にヘミセルロースの加水分解を触媒及び促進することが示される。
【０１１２】
表５には、希酸のみ、有機溶媒、及びＴＨＦ共溶媒の方法で、同じ反応条件下で、ポプラ材のヘミセルロース、セルロース、及びリグニン画分を前処理することによる、可溶化度の比較を示す。これらの実験における反応条件の厳密性が、図３に示すものよりも低いことから、ＴＨＦ共溶媒による前処理は、等価な有機溶媒（エタノール）又は希酸のみによる前処理で可能なものを上回って、全ての主要なリグノセルロース系画分の可溶化を触媒及び増大させることが見て取れる。これは、ＴＨＦ共溶媒により前処理して、その他の２つの優れた前処理法と同量の糖を加水分解するには、反応条件の厳密性を十分低くする必要があることを意味する。
【０１１３】
【表５】
0006535321.tif 000013
【０１１４】
図１２は、原材料に１００ｇベースのメープル材を用い、ＴＨＦ共溶媒により前処理を行った後、異なる酸触媒を使用して、残存する固形分の組成を比較する。図１２において、代わりに金属ハロゲン化物触媒を使用して、加水分解されたＣ５糖から高収率でフルフラールを生成するよう前処理法を調整することができることから、反応厳密性は、糖を回収するための前処理に典型的に使用されるものよりも著しく高かった。示す通り、ＺｒＯＣｌ２を除く全ての金属ハロゲン化物の反応中に、メープル材Ｋ−リグニンのうち９３％超が除去され、並びに反応開始からちょうど３０分の時点では硫酸により９０％超が脱リグニン化されて、グルコースへの酵素的加水分解、あるいは同時糖化発酵（ＳＳＦ）並びに統合型バイオプロセス（ＣＢＰ）などの発酵プロセスへの直接供給に好ましい、グルカンを豊富に含む固形分が残された。キシロースとグルコースの同時生成、及びフルフラールとグルコースの同時生成などといったバイオマスからの同時生成スキームのため、異なる触媒を使用してＴＨＦ共溶媒を調整可能である。
【０１１５】
バイオマス中のグルカンを加水分解し発酵性グルコースに変換するよう主に機能するのはセルラーゼであることから、これらの酵素に対する、前処理した物質のアクセシビリティにより、前処理ストラテジーの有効性が示される。使用されるセルラーゼの量も、プロセス全体を高コストにすることから、糖の高収率を達成するのに必要とされる酵素添加量を低減させることも有用である。図１７に示す通り、複数の資源、トウモロコシ茎葉、ポプラ材、及びメープル材に関しては、酸により触媒され、ＴＨＦ共溶媒により前処理された物質は、同じ反応条件下でＴＨＦを非存在の反応よりも、酵素加水分解に対し大幅にアクセシビリティが高い。ＴＨＦで前処理したトウモロコシ茎葉では、１５ｍｇのタンパク質／ｇグルカンという、中程度の酵素添加量による酵素的加水分解は、わずか４８時間で、グルカンのグルコースへの完全な変換が達成された。広葉樹などの、より抵抗性の高いバイオマスでさえ、ＴＨＦで前処理した物質は、同じ条件下で、ＴＨＦで処理していない場合よりも５倍多量にグルコースを放出することができ、ほとんど純粋なＡｖｉｃｅｌ（登録商標）セルロースと同様のグルコース収率が達成された。同様に図１７（カラム５）に示す通り、フルフラール及び５−ＨＭＦ生産に適したより厳密な反応条件でＴＨＦ共溶媒を金属ハロゲン化物触媒と併用するとき、残存するグルカンを豊富に含む物質（図１２に示す）は、尚もグルコースに変換するための酵素による消化性が高い。
【０１１６】
図１８及び１９において、酵素添加量３０ｍｇ／ｇでの糖の合計収率を最大化するため、トウモロコシ茎葉の、ＴＨＦ存在下及びＴＨＦ非存在下の前処理を最適化した。酸添加量が同じであると、ＴＨＦ共溶媒による前処理の最適条件（１５０℃、２５分、０．５重量％酸）では、ＴＨＦ非存在下で希酸のみの前処理（１６０℃、２０分、酸０．５重量％）よりも厳密性が大幅に低いこと（エネルギー必要量が少ないこと）が判明した。次に、酵素添加量を低減させて（図１８を参照のこと）、グルコース変換収率がどのように応答するのか観察した。図１８に示す通り、希硫酸を触媒として使用した場合に、ＴＨＦ共溶媒で前処理したトウモロコシ茎葉では、水のみで前処理したトウモロコシ茎葉と比べて、添加量がより少量のＡｃｃｅｌｌｅｒａｓｅ（登録商標）１５００セルラーゼ（ＤｕＰｏｎｔ）に対する応答性が大幅に向上したことが示された。ＴＨＦ共溶媒の場合、グルカンセルラーゼタンパク質添加量５及び１５ｍｇ／ｇでは、１００時間後には、前処理したトウモロコシ茎葉中のほとんど全てのグルカンがグルコースとして放出された。また、２ｍｇ／ｇの場合のグルコース放出曲線を外挿したところ、このような少ない酵素添加量でも、図１８に示す通り、より長時間の加水分解でほとんど完全なグルコース放出が達成可能であった（菱型）。
【０１１７】
図１９には、ＴＨＦ存在下及び非存在下で前処理したトウモロコシ茎葉から得られた糖類の総収率（キシロース及びグルコース）を比較して示す。示す通り、ＴＨＦにより前処理したトウモロコシ茎葉では、２ｍｇ／ｇグルカンの少量の酵素を添加した場合にも糖類の総収率は理論的に効率的（約９７％）であったのに対し（２０日後）、希酸のみにより前処理したトウモロコシ茎葉では、糖類の総収率約８９％を達成するのに３０ｍｇ／ｇが必要とされた（１４日間後）。これは、トウモロコシ茎葉に関しては、ＴＨＦ共溶媒による前処理が、酵素の必要量を従来の希酸のみによる前処理の１／１０以下に効果的に低減したことを意味する。グルカン酵素添加量わずか１５ｍｇ／ｇでも、ＴＨＦ共溶媒により前処理したトウモロコシ茎葉では１日で最大収率に達した（９７％）のに対し、希酸のみで前処理した場合には最大収率（８５％）には１４日後に達した。ＴＨＦ共溶媒による前処理は、糖の最大収率が高かっただけでなく、酵素による変換がかなり高速である。これにより、ＴＨＦ共溶媒は、ヘミセルロース及びリグニン画分の除去によるアクセシビリティの最大化に有効であり、かつ希酸のみで前処理した場合に観察される酵素機能の阻害は生じないことが示される。キシロースの収率が高いことが観察されたことからも、ＴＨＦ共溶媒は、ヘミセルロース及びセルロースバイオマス画分の両方からの糖収率を最大化するのに非常に効果的であることが示される。
【０１１８】
図２０は、２５０ｍＬスケールの浸透フラスコ試験（実効容積５０ｍＬ）において、ＴＨＦ存在下及び非存在下で前処理したトウモロコシ茎葉及びＡｖｉｃｅｌ（登録商標）セルロースを出芽酵母（Ｓ．Ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）によりＳＳＦさせることにより得られるエタノール収率を比較する。これらの試験において、フラスコには４重量％グルカンを添加し、３０分間オートクレーブし、１５ｍｇ／ｇグルカンでＡｃｃｅｌｌｅｒａｓｅ  １５００セルラーゼを添加して１８時間前加水分解させ（１５０ｒｐｍ、５０℃）、接種し、６００ｎｍでの吸光度（ＯＤ）を０．５にした（１３０ＲＰＭ、３７℃）。示された通り、ＴＨＦ共溶媒により前処理したトウモロコシ茎葉では、希酸のみで前処理したトウモロコシ茎葉及びＡｖｉｃｅｌ（登録商標）セルロースの両方よりも短時間で、ＳＳＦにおいて高エタノール収率を達成した。前処理した物質を水により十分にすすぎ洗いしたところ（減圧フィルタを通して体積の４倍量ですすぎ洗いした）、ＴＨＦにより前処理した物質では、エタノールの力価に対し何らかのはっきりとした阻害は示されなかった。ＴＨＦにより前処理したトウモロコシ茎葉では、エタノールの最大収率８７％が達成されたのに対し、希酸のみで前処理したトウモロコシ茎葉ではエタノール収率８０％が達成され、対照としてＡｖｉｃｅｌ（登録商標）セルロースではエタノール収率は７５％であった。
【０１１９】
図２１は、糖の糖化及び糖のエタノールへの同時変換の両方を実施するための生物学的触媒としてクロストリジウム・サーモセラム（C. thermocellum）を使用し、前処理したポプラ材のＣＢＰにより得られる固形分可溶化能を比較する。ＣＢＰでは、固形分の可溶化を指標として使用し、基質の性能を評価する。ＴＨＦ共溶媒により前処理したポプラ材により達成された固形分可溶化能の高さ（図２１；レジェンドＤ）はエタノール−有機溶媒による前処理に匹敵し（図２１；レジェンドＢ）、並びに希酸のみによる前処理よりも遥かに優れていた（図２１；レジェンドＡ）。反応条件及びラベル内容を、図２１のグラフの下に記載の表に掲載する。
【０１２０】
本開示のその他の特徴及び利点は、以降の本発明についての詳細な記載を添付の図面と組み合わせて用いたときに、更に明白となるであろう。本明細書に記載のシステム及び方法には、本開示の範囲から逸脱せずとも更なる改変及び改良をなすことが可能である。したがって、本発明は、本明細書に記載の実施形態により制限されることを意図するものではない。
本発明は以下の実施形態を包含する。
［実施形態１］
バイオマスから反応中間体を生産するための方法であって、
グルカンを豊富に含む固形分材料、単糖類、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール（５−ＨＭＦ）及びリグニン生成物を生成するための条件下で、水性テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）の共溶媒混合物と、酸触媒とを含む組成物により、バイオマスを処理すること、を含む、上記方法。
［実施形態２］
前記共溶媒混合物が、標準温度及び圧力（ＳＴＰ）にて単相である、実施形態１に記載の方法。
［実施形態３］
前記酸触媒が、鉱酸、有機酸、及びハロゲン化金属酸からなる群から選択される、実施形態１に記載の方法。
［実施形態４］
前記酸触媒が、硫酸、塩酸、リン酸、硝酸、ギ酸、酢酸、トリフルオロ酢酸、又はＦｅＣｌ３である、実施形態１又は３に記載の方法。
［実施形態５］
前記条件が、前記バイオマスと組成物とを組み合わせたものを１００℃〜２２０℃に加熱することを含む、実施形態１に記載の方法。
［実施形態６］
バイオマスを共溶媒により前処理した後に、前記液相からＴＨＦを除去及び／又は回収することを更に含む、実施形態１に記載の方法。
［実施形態７］
前記液相からＴＨＦを除去した後に固形分として沈殿させることにより、前記共溶媒で処理したバイオマスからリグニンを除去及び／又は回収することを更に含む、実施形態１又は６に記載の方法。
［実施形態８］
共沸蒸留又は溶媒抽出により前記バイオマスを共溶媒で処理した後に、液相からフルフラールを除去及び／又は回収することを更に含む、実施形態１に記載の方法。
［実施形態９］
煮沸及び／又は水蒸気蒸留により共溶媒で処理している間及び／又は後に、蒸気相からフルフラールを除去及び／又は回収することを更に含む、実施形態１に記載の方法。
［実施形態１０］
前記フルフラールが更に処理され、触媒的にアップグレードされてＴＨＦ及び／又はメチル−ＴＨＦが生成される、実施形態８又は９に記載の方法。
［実施形態１１］
Ｃ５及びＣ６単糖並びにそれらのオリゴマーを含む液体生成物を回収することを更に含む、実施形態１に記載の方法。
［実施形態１２］
前記液体生成物が塩基により中和される、実施形態１に記載の方法。
［実施形態１３］
バイオマスを共溶媒で処理した後に固形分の生成物を回収することを更に含み、前記固形分がグルカンを豊富に含む材料を含む、実施形態１に記載の方法。
［実施形態１４］
前記グルカンを豊富に含む材料が、キシロオリゴマー及びキシロースの長鎖ポリマーを除去してキシロースモノマーを生成する１種以上の酵素により更に処理される、実施形態１又は１３に記載の方法。
［実施形態１５］
前記グルカンを豊富に含む材料が、グルコオリゴマー及びグルコースの長鎖ポリマーを除去してグルコースモノマーを生成する１種以上の酵素により更に処理される、実施形態１又は１３に記載の方法。
［実施形態１６］
前記グルカンを豊富に含む固形分が、微生物及び／又は添加酵素とともにインキュベートされ、発酵によりアルコール又はその他の生成物が生成される、実施形態１又は１３に記載の方法。
［実施形態１７］
前記アルコールがエタノールである、実施形態１６に記載の方法。
［実施形態１８］
前記アルコールが１個以上の炭素分子を含有する、実施形態１６に記載の方法。
［実施形態１９］
前記微生物が、酵母、細菌、カビ、及び真菌からなる群から選択される、実施形態１６に記載の方法。
［実施形態２０］
前記グルカンを豊富に含む材料が紙パルプとして使用される、実施形態１又は１３に記載の方法。
［実施形態２１］
前記リグニンが更に処理され、液体としてＴＨＦ又はＤＭＳＯにより捕捉される、実施形態７に記載の方法。
［実施形態２２］
前記酸触媒がルイス酸及び／又はブレンステッド酸である、実施形態１に記載の方法。
［実施形態２３］
前記酸触媒がハロゲン化金属酸である、実施形態１に記載の方法。
［実施形態２４］
前記ハロゲン化金属酸が、ＡｌＣｌ３、ＣｕＣｌ２、ＣｒＣｌ３、ＦｅＣｌ３、及びＺｒＯＣｌ２からなる群から選択される、実施形態２３に記載の方法。
［実施形態２５］
前記水性ＴＨＦが、ＴＨＦ：水の体積比約１：５〜約５：１で構成される、実施形態１に記載の方法。
［実施形態２６］
バイオマスからの反応中間体の生成のために、バイオマスの分画及び触媒変換を組み合わせた方法であって、
フルフラール、５−ＨＭＦ、レブリン酸、グルカンを豊富に含む材料、及びリグニンを生成する条件下で、ＴＨＦ、水と、酸触媒とを含む共溶媒混合物によりバイオマスを処理すること、を含む、上記方法。
［実施形態２７］
前記共溶媒混合物が、標準温度及び圧力にて単相である、実施形態２６に記載の方法。
［実施形態２８］
前記酸触媒が、鉱酸、有機酸、ハロゲン化金属酸、及び固体酸触媒からなる群から選択される、実施形態２６に記載の方法。
［実施形態２９］
前記酸触媒が、硫酸、塩酸、硝酸、ギ酸、酢酸、トリフルオロ酢酸、ＦｅＣｌ３、ＡｌＣｌ３、ＣｕＣｌ２及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、実施形態２６に記載の方法。
［実施形態３０］
前記条件が、バイオマス及び共溶媒混合物を組み合わせたものを１３０℃〜２５０℃に加熱することを含む、実施形態２６に記載の方法。
［実施形態３１］
前記バイオマスを共溶媒処理した後に前記液相からＴＨＦを除去及び／又は回収することを更に含む、実施形態２６に記載の方法。
［実施形態３２］
前記液相からＴＨＦを除去した後に固形分として沈殿させることにより、前記バイオマスの前記共溶媒処理からリグニンを除去及び／又は回収することを更に含む、実施形態２６又は３１に記載の方法。
［実施形態３３］
蒸留により、前記バイオマスの前記共溶媒処理の液相から、フルフラール及び／又は５−ＨＭＦを除去及び／又は回収することを更に含む、実施形態２６に記載の方法。
［実施形態３４］
煮沸及び／又は水蒸気蒸留により、共溶媒処理の間及び／又は後に、前記蒸気相からフルフラールを除去及び／又は回収することを更に含む、実施形態２６に記載の方法。
［実施形態３５］
前記フルフラールが、更に処理されて、触媒的に脱カルボニル化及び水素化されてＴＨＦを生成する、実施形態３３に記載の方法。
［実施形態３６］
水不混和性有機溶媒による、前記バイオマスの前記共溶媒処理の液相から、フルフラール及び／又は５−ＨＭＦを抽出及び／又は回収することを更に含む、実施形態２６に記載の方法。
［実施形態３７］
前記不混和性有機溶媒が、エーテル、ケトン、アルコール、アルカン、又はこれらを任意に組み合わせたものである、実施形態３６に記載の方法。
［実施形態３８］
共溶媒で前記バイオマスを処理した後に固体生成物を回収することを更に含み、前記固形分はグルカンを豊富に含む材料を含む、実施形態２６に記載の方法。
［実施形態３９］
前記グルカンを豊富に含む材料が、グルコオリゴマー及びグルコースの長鎖ポリマーを除去してグルコースモノマーを生成する１種以上の酵素により更に処理される、実施形態２６又は３８に記載の方法。
［実施形態４０］
前記グルカンを豊富に含む固形分が、微生物及び／又は酵素と共にインキュベートされ、アルコール又はその他の発酵生成物を生成する、実施形態２６又は３８に記載の方法
［実施形態４１］
前記グルカンを豊富に含む固形分が、５−ＨＭＦ及び／又はレブリン酸へと更に触媒的に変換される、実施形態２６又は３８に記載の方法。
［実施形態４２］
前記リグニンが更に処理され、液体としてＴＨＦ又はＤＭＳＯにより捕捉される、実施形態３２に記載の方法。
［実施形態４３］
前記酸触媒がルイス酸又はブレンステッド酸である、実施形態２６に記載の方法。
［実施形態４４］
前記酸触媒がハロゲン化金属酸である、実施形態２６に記載の方法。
［実施形態４５］
前記ハロゲン化金属酸が、ＡｌＣｌ３、ＣｕＣｌ２、ＣｒＣｌ３、ＦｅＣｌ３、及びＺｒＯＣｌ２からなる群から選択される、実施形態４４に記載の方法。
［実施形態４６］
前記ＴＨＦ：水の体積比が約１：１〜約７：１である、実施形態２６に記載の方法。
［実施形態４７］
前記グルカンを豊富に含む材料が、ギ酸、酢酸、トリフルオロ酢酸及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される酸を使用してグルコース及びグルコースオリゴマーに加水分解される、実施形態１３又は３８に記載の方法。
［実施形態４８］
実施形態１〜４７のいずれかに記載の方法を実施するためのシステム。
［実施形態４９］
バイオマスと、ＴＨＦの水性共溶媒とを含む、組成物。
［実施形態５０］
酸触媒を更に含む、実施形態４９に記載の組成物。
［実施形態５１］
前記ＴＨＦの水性共溶媒が、ＴＨＦ：水の体積比約１：３〜約７：１で構成される、実施形態４９に記載の組成物。
［実施形態５２］
前記酸触媒がルイス酸である、実施形態５０に記載の組成物。
［実施形態５３］
前記ルイス酸が硫酸である、実施形態５２に記載の組成物。
［実施形態５４］
前記酸触媒がハロゲン化金属酸である、実施形態５０に記載の組成物。
［実施形態５５］
前記酸触媒がブレンステッド酸である、実施形態５０に記載の組成物。
［実施形態５６］
前記ハロゲン化金属酸が、ＡｌＣｌ３、ＣｕＣｌ２、ＣｒＣｌ３、ＦｅＣｌ３、及びＺｒＯＣｌ２からなる群から選択される、実施形態５４に記載の組成物。
【図１】
0006535321.tif 000014
【図２Ａ】
0006535321.tif 000015
【図２Ｂ】
0006535321.tif 000016
【図２Ｃ】
0006535321.tif 000017
【図２Ｄ】
0006535321.tif 000018
【図３Ａ】
0006535321.tif 000019
【図３Ｂ】
0006535321.tif 000020
【図３Ｃ】
0006535321.tif 000021
【図３Ｄ】
0006535321.tif 000022
【図３Ｅ】
0006535321.tif 000023
【図４Ａ】
0006535321.tif 000024
【図４Ｂ】
0006535321.tif 000025
【図５】
0006535321.tif 000026
【図６】
0006535321.tif 000027
【図７】
0006535321.tif 000028
【図８】
0006535321.tif 000029
【図９】
0006535321.tif 000030
【図１０】
0006535321.tif 000031
【図１１】
0006535321.tif 000032
【図１２】
0006535321.tif 000033
【図１３】
0006535321.tif 000034
【図１４】
0006535321.tif 000035
【図１５】
0006535321.tif 000036
【図１６】
0006535321.tif 000037
【図１７】
0006535321.tif 000038
【図１８】
0006535321.tif 000039
【図１９】
0006535321.tif 000040
【図２０】
0006535321.tif 000041
【図２１】
0006535321.tif 000042