(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス材料を処理する方法であって：
（ｉ）１種またはそれより多くの揮発性有機化合物を含有する保存された調製済みバイオマス材料を無溶媒回収システムの加圧された区画に導入すること、ここで、前記保存された調製済みバイオマス材料は固体バイオマスに少なくとも１種の添加剤を加えることにより製造され、少なくとも１種の添加剤は微生物、ならびに場合により酸および／または酵素を含み；および固体バイオマス材料を少なくとも１種の添加剤と共に少なくとも約２４時間保存すること；
（ｉｉ）加圧された区画中で、少なくとも１種の揮発性有機化合物を含む過熱蒸気ストリームと前記保存された調製済みバイオマス材料とを接触させ、前記保存された調製済みバイオマス材料中の最初の液状内容物の少なくとも一部を蒸発させて蒸気成分を生成させること、ここで、前記最初の液状内容物を基準に最初の液状内容物が２ｗｔ％〜５０ｗｔ％のエタノールを含む；
（ｉｉｉ）蒸気成分の少なくとも一部を、過熱蒸気ストリームの一部として使用するために保持すること；
（ｉｖ）蒸気成分を収集すること、ここで、収集した蒸気成分が４ｗｔ％〜１５ｗｔ％のエタノールを含有する；
（ｖ）無溶媒回収システムから固形成分を吐出させること；および
（ｖｉ）固形成分の少なくとも一部を、糖化を促進するように適合させた溶液と接触させること
を含む、上記方法。
【請求項２】
前記溶液が、少なくとも約１７０℃の温度を有する水を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記溶液が、固形成分の少なくとも一部が加水分解されて、発酵性糖を含む生成物が生産されるように適合させた酸溶液を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記酸溶液が、少なくとも１種のアルファ−ヒドロキシスルホン酸を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記アルファ−ヒドロキシスルホン酸が、溶液に基づき約１％ｗｔから約５５％ｗｔの量で存在する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記アルファ−ヒドロキシスルホン酸が、（ａ）カルボニル化合物またはカルボニル化合物の前駆体から、（ｂ）二酸化硫黄または二酸化硫黄の前駆体および（ｃ）水と共に生産される、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記固形成分が、約５０℃〜約１５０℃の範囲の温度で、１ｂａｒｇ〜約１０ｂａｒｇの範囲内の圧力で酸溶液と接触する、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
加熱および／または圧力低下によって生成物からアルファ−ヒドロキシスルホン酸をその構成成分の形態で除去して、少なくとも１種の発酵性糖を含有し実質的にアルファ−ヒドロキシスルホン酸を含まない酸を除去した生成物を生産することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
酸を除去した生成物を加水分解して発酵させることにより、複数種のＶＯＣを含む発酵済み生成物を生成することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記加圧された区画に導入されるバイオマス材料が、収穫された作物の固体状態での発酵プロセスから得られる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記作物が、モロコシ（sorghum）、サトウキビ（sugar cane）、トウモロコシ（corn
）、熱帯性のトウモロコシ（tropical corn）、砂糖大根（sugar beet）、エネルギー原料用キビ（energy cane）、およびあらゆるそれらの組み合わせからなる群より選択され
る、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記加圧された区画が、ループ形状の円柱体を含み、その中を過熱蒸気ストリームが流れる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記分離工程が、加圧された区画に連結されたサイクロン式の分離要素を使用して達成され、ここでサイクロン式の分離要素は、加圧された成分から分離された固形成分が吐出されるように設計される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記バイオマスが、微生物、ならびに任意に酸および／または酵素を含む少なくとも１種の添加剤をバイオマスに添加すること；および調製済みバイオマス材料を、貯蔵施設で少なくとも約２４時間貯蔵して、糖の少なくとも一部から少なくとも１種の揮発性有機化合物を生産させることによって生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記バイオマスが、約３ｍｍ〜約８０ｍｍの平均粒度分布を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
無溶媒回収システムから接触工程に固形成分の少なくとも一部を直接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１７】
前記糖化を促進するように適合させた溶液と接触させた固形成分が、接触している期間のうちの少なくとも一部において撹拌されていない、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
バイオマス材料を処理する方法であって：
保存され調製済みバイオマス材料の固形成分を、糖化が容易に起こるように適合させた溶液と接触させることを含み、ここで固形成分は：
１種またはそれより多くの揮発性有機化合物を含有する保存された調製済みバイオマス材料を無溶媒回収システムの加圧された区画に前記バイオマス材料を導入すること、ここで、前記保存された調製済みバイオマス材料は固体バイオマスに少なくとも１種の添加剤を加えることにより製造され、少なくとも１種の添加剤は微生物、ならびに場合により酸および／または酵素を含み；および固体バイオマス材料を少なくとも１種の添加剤と共に少なくとも約２４時間保存すること；
加圧された区画中で、少なくとも１種の揮発性有機化合物を含む過熱蒸気ストリームと前記保存された調製済みバイオマス材料とを接触させ、バイオマス材料中の最初の液状内容物の少なくとも一部を蒸発させて蒸気成分を生成させること、ここで、前記最初の液状内容物を基準に最初の液状内容物が２ｗｔ％〜５０ｗｔ％のエタノールを含む；
蒸気成分の少なくとも一部を、過熱蒸気ストリームの一部として使用するために保持すること；および
蒸気成分を収集すること、ここで、収集した蒸気成分が４ｗｔ％〜１５ｗｔ％のエタノールを含有する、上記方法。
【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、２０１２年５月１７日付けで出願された米国特許出願第６１／６４８，１０９号、および２０１３年３月１５日付けで出願された米国特許出願第６１／７８６，８４４号、および２０１３年３月１５日付けで出願された米国仮出願第６１／７８６，８６０号の利益を主張し、これらの開示は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み入れられる。
【０００２】
発明の分野
本発明の実施態様は、一般的に、バイオマス材料から揮発性有機化合物を製造する方法に関し、より詳細には、容易に入手可能な発酵性糖の発酵を使用した揮発性有機化合物の製造および回収、ならびにバイオマス材料中のリグノセルロース系材料のさらなる処理による発酵性糖の生産に関する。
【背景技術】
【０００３】
この章は、本発明の典型的な実施態様に関連する可能性がある分野の様々な形態を紹介することが意図されている。この議論は、本発明の特定の形態のより優れた理解を容易にするための枠組みを提供するのに役立つと考えられる。したがって、この章はこの観点で読み取られるべきであり、必ずしも全ての従来技術を容認しているわけではないことが理解されるものとする。
【０００４】
世界の石油供給が減少し続けるにつれて、様々な石油製品、特に輸送燃料と置き換えることができる代替材料への必要性がますます高くなっている。かなりの量の努力が、化石燃料以外に資源からエネルギーを提供する新しい方法およびシステムを開発することに注がれている。現在のところ、再生可能なバイオマス材料からバイオエタノールならびに他の輸送燃料および化学物質を生産するための多数の試みが進行中である。バイオマスのタイプの１つは植物バイオマスであり、これは、例えば糖、スターチ、セルロース、リグノセルロース、ヘミセルロースなどの大量の炭水化物を含有する。特に、容易に入手可能な発酵性糖由来のエタノール、およびセルロース系材料由来のエタノールに対して努力が注がれている。
【０００５】
従来のトウモロコシからのエタノール生産は、典型的には、有用な食料資源と競合しており、この問題はさらに、１年で収穫される作物の量に悪影響を与える干ばつや洪水などのますます厳しくなる気候条件により増幅される可能性がある。従来のエタノール生産による競合は、食料の値段を釣り上げる可能性がある。エタノール生産用のバイオマス材料としてその他の作物が利用されてきたが、これらは通常、そのような作物の気候面の必要条件のために地球規模の実施には好適ではない。例えば、エタノールはサトウキビからも効率的に生産できるが、例えばほぼ一年中の収穫を維持できる気候のブラジルなどの世界の所定の地域に限られている。
【０００６】
さらに、ヘミセルロース、セルロース、およびより少量のリグニンおよびタンパク質を含むリグノセルロース系バイオマスから追加の発酵性糖が放出されてもよい。セルロースには、細胞壁およびそれらを含有するポリマーから解離されると燃料および有用な化学物質に変換できる糖が含まれる。
【０００７】
リグノセルロース系バイオマスを処理することを目的とする現行のプロセスは、未加工のバイオマス材料または都市廃棄物（ＭＳＷ）を包含する供給材料に限定されている。未加工のバイオマスとしては、サトウキビの絞りかす、森林資源、作物残渣、および収穫された湿潤／乾燥エネルギー作物が挙げられる。これらの従来の供給材料源は、貯蔵、輸送、粒度の低減、および追加の準備段階の処理を必要とし、その後、それらをリグノセルロース系材料のさらなる処理に導入できる。例えば、バイオマスのベーリングは高価であり、さらに例えば火炎（または燃焼）、ネズミ類、ほこり、不要な残骸（例えば岩など）、およびハンタウイルスなどの危険をもたらす可能性がある。さらにベールおよび森林資源は、より高密度の材料よりも輸送に費用がかかり、加えてすでに粒度が小さくそれ以上形を整える必要がない材料よりも取扱いに費用がかかる。ＭＳＷはさらに、燃料の品質低下のリスク、加えて健康状態および安全性リスクに寄与する可能性がある規制された有害金属での汚染に関する課題を有する。例えば木などの森林資源の輸送には困難が伴う。さらに、森林資源は、皮を剥いで、望ましい厚さの木材チップに細断し、洗浄して残留したあらゆる土壌、汚れなどを除去することを必要とする。それゆえに、これらの問題に取り組むバイオマスがなお求められている。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の実施態様は、上述の課題に取り組み、さらに他の利点および特徴を提供することができる。一実施態様において、供給材料は、揮発性有機化合物回収システムから出る固形成分に由来するものでもよい。その実施態様において、供給材料が工業的システム中ですでに流動性を有していれば、要求に応じて追加の発酵性糖が生成されるように、供給材料を反応装置に直接送ることができる。本発明の実施態様は、発酵相から生成物を回収するための揮発性有機化合物回収装置、および互いに近くに配置されるリグノセルロース系材料のさらなる処理用の装置を提供することが可能である。さらなる処理により、様々な揮発性有機化合物に変換可能な追加の発酵性糖を得ることができる。このような実施態様は、リグノセルロース系材料の発酵からの揮発性有機化合物の生産とさらなる処理を可能にすることから、リグノセルロース系材料のさらなる処理を生産するための流れに入ることができるようになる前の他の供給材料に関連する貯蔵、取り扱い、および輸送にかかるコストを低減する。またこのような実施態様は、リグノセルロース系材料の処理のためのバイオマスプラントに到着したとき、または到着する前に貯蔵、輸送、および／または調整を必要とすることが多い従来の供給材料に対して、すでに調整されている供給材料の連続供給も提供でき、それに伴う特定のコストも低減する。
【０００９】
また所定の実施形態の供給材料が、リグノセルロース系材料の処理のために他の場所に輸送される場合、その取り扱いおよび輸送コストをより低くすることができる。例えば森林資源などの他の従来の供給材料源とは異なり、所定の実施形態の供給材料が、粒子サイズを小さくした調整済みの方式で揮発性有機化合物回収システムから出ることにより、供給材料がリグノセルロース系材料の処理に入ることができるようになる前の準備段階の処理コストを低減または除去することが可能になる。本発明の所定の実施態様の供給材料の調整済みの粒度分布は、それを他の従来の供給材料源よりも高密度の形態にし、単位体積あたりより多くのこれら実施態様の供給材料を輸送できるために、輸送コストを下げることができる。本発明の実施態様は、バイオマス材料に固有の収穫期間とは無関係に一年中利用可能な供給材料の供給を可能にすることから、さらなる処理プラントのための貯蔵の必要性およびコストを下げて、人間のための有用な食物源と競合しない。
【００１０】
さらに、所定の実施形態において、本発明の形態に従って得られた固形成分は、例えばトウモロコシの茎や葉などの他のバイオマス供給材料源と比較してより優れた糖化、特に前処理および酵素加水分解を可能にする。特定の実施態様において、アルファ−ヒドロキシエタンスルホン酸（ＨＥＳＡ）での前処理と、前処理反応混合物のかきまぜまたは混合（例えば撹拌）を行わない酵素加水分解との後に、固形成分は同等またはより優れたグルコース生産を達成できる。少なくとも前処理中にこのような混合またはかきまぜの必要性を最小化するかまたはなくすことにより、より簡単で且つより経済的なスケールアップ（例えば工業的な規模）での稼働を可能にする。前処理の目標を達成するために混合しなくてもよい可能性がある所定の実施形態では、特にバイオマス／水系などの不均一な繊維系の場合、例えば単位体積あたりのパワー、単位体積あたりのインペラーのポンプ注送能力、剪断応力曲線、反応装置の構造、および最終的なレイノルズ数などのパラメーターをスケールアップする際にそれほど多くの考察を要しない。そのようなものとして、本発明の所定の実施態様は、装置のコストを下げ、混合するには必要となり得る関連するメンテナンスをより少なくすることを可能にする。
【００１１】
一実施態様において、バイオマス材料は、揮発性有機化合物が生成するように調製される。揮発性有機化合物は、無溶媒回収システムの区画に調製済みバイオマス材料を導入すること；区画中でバイオマス材料を過熱蒸気ストリームと接触させ、調製済みバイオマス材料中の最初の液状内容物の少なくとも一部を蒸発させること（ここで過熱蒸気ストリームは、少なくとも１種の揮発性有機化合物を含む）；加熱したバイオマス材料から蒸気成分と固形成分とを分離すること（ここで蒸気成分は、少なくとも１種の揮発性有機化合物を含む）；およびガス成分の少なくとも一部を、過熱蒸気ストリームの一部として使用するために保持することによって、調製済みバイオマス材料から回収される。蒸気成分中の化合物を適切な蒸留プロセスを介してさらに精製してもよい。固形成分の少なくとも一部はさらに、追加の発酵性糖が生成するように処理される。一実施態様において、さらなる処理は、固形成分の少なくとも一部を、糖化が容易に起こるように適合させた溶液と接触させることを含む。一実施態様において、追加で生成した発酵性糖は、発酵して例えばエタノールなどの複数種の揮発性有機化合物を生産する。特定の実施態様において、発酵した混合物からの液体を蒸気成分の蒸留プロセスに送ってもよく、それにより、バイオマス材料中に含有される炭水化物（例えば、容易に入手可能な発酵性糖、およびリグノセルロース系材料のさらなる処理から生成したもの）の大部分からエタノールを生成するためのシステムの統合が可能になる。
【００１２】
一実施態様において、調製済みバイオマスは、バイオマスに少なくとも１種の添加剤を添加すること（ここで前記少なくとも１種の添加剤は、微生物、ならびに場合により酸および／または酵素を含む）；および調製済みバイオマス材料を、貯蔵施設で少なくとも約２４時間貯蔵して、糖の少なくとも一部から少なくとも１種の揮発性有機化合物を生産させることによって生成する。
【００１３】
上記で説明した特徴に加え、本発明の実施態様は、例えば貯蔵および輸送コスト、短い収穫期間、迅速な糖の劣化、および多大な装置への投資などの課題に取り組むことによって、発酵性糖を含有する植物からの、例えばエタノール、他の揮発性有機化合物、炭化水素、および他の化学物質などの代替燃料の経済的な生産を可能にする。本明細書で説明される実施態様の形態は、例えば発酵性糖を含有する植物などのあらゆるバイオマス材料に適用される。本発明の実施態様は、代替燃料および化学物質を生産するために様々な植物を経済的に使用することを可能にし、さらにモロコシや類似の問題を有する他の植物に限定されないことを特徴とする。本明細書ではこのような扱いにくい作物を強調しているが、これは、他の方法およびシステムでは、燃料および化学物質を生産するのにこれらの扱いにくい作物を経済的に使用できていなかったためである。したがって、具体的にはモロコシが述べられているが、これは限定を意図したものではなく、本発明の実施態様の特定の適用の１つを例示したに過ぎない。
【００１４】
本発明の実施態様は、収穫期間とは無関係に、制御された方法で一年中連続的に回収施設を稼働させることを可能にし、それによって、回収施設および／またはリグノセルロース系材料を処理する施設を設置するのに利用できる地質学的な位置例えば収穫期間が比較的短い地域なども含めて増やすことができる。
【００１５】
以下の詳細な説明から、本発明の実施態様の他の利点および特徴が明らかになると予想される。しかしながら、詳細な説明および具体的な実施例は本発明の好ましい実施態様を示すものであるが、この詳細な説明から、本発明の本質および範囲内の様々な変化および改変が当業者には明らかであると予想されることから、単に例証として示されただけであることが理解されよう。
【００１６】
これらの図面は、本発明の実施態様のうちいくつかの所定の形態を例示するものであり、本発明を限定または定義するのに使用されないものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の所定の形態に従ってバイオマス材料を処理する一実施態様を示す図である。
【図２】図２は、本発明の所定の形態に従ってバイオマス材料を処理する他の実施態様を示す図である。
【図３】図３は、所定の本発明の形態に従って固形成分を糖化する特定の実施態様を示す図である。
【図４】図４は、所定の本発明の形態に従って固形成分を糖化する他の実施態様を示す図である。
【図５】図５は、所定の本発明の形態に従って固形成分を糖化するさらに他の実施態様を示す図である。
【図６】図６は、本発明の所定の形態に係る希硫酸前処理に関するグルカン収量の％に対する前処理温度のグラフを示す。
【図７】図７は、本発明の所定の形態に係る希硫酸前処理に関するキシラン収量の％に対する前処理温度のグラフを示す。
【図８】図８は、本発明の所定の形態に係る熱水前処理に関するグルカン収量の％に対する前処理温度のグラフを示す。
【図９】図９は、本発明の所定の形態に係る熱水処理に関するキシラン収量の％に対する前処理温度のグラフを示す。
【図１０】図１０は、本発明の所定の形態に係る低い酵素レベルで処理した前処理済み固形成分の実施態様の洗浄済みサンプルの経時的なグルコース濃度を示すグラフである。
【図１１】図１１は、本発明の所定の形態に係る高い酵素レベルで処理した前処理済み固形成分の実施態様の洗浄済みサンプルの経時的なグルコース濃度を示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明の所定の形態に係る低い酵素レベルで処理した前処理済み固形成分の実施態様の未洗浄サンプルの経時的なグルコース濃度を示すグラフである。
【図１３】図１３は、本発明の所定の形態に係る低い酵素レベルで処理した前処理済み固形成分の実施態様の未洗浄サンプルの経時的なグルコース濃度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施態様は、固体バイオマス材料からのエタノールまたは例えば酢酸などの他の揮発性有機化合物の効率的かつ経済的な生産および回収、加えて発酵性糖が生成するようにリグノセルロース系材料をさらに処理するための供給材料を提供できる。本発明の一形態によれば、バイオマス材料は、揮発性有機化合物が生成するように調製される。揮発性有機化合物は、無溶媒回収システムの区画に調製済みバイオマス材料を導入すること；区画中でバイオマス材料を過熱蒸気ストリームと接触させ、調製済みバイオマス材料中の最初の液状内容物の少なくとも一部を蒸発させること（ここで過熱蒸気ストリームは、少なくとも１種の揮発性有機化合物を含む）；加熱したバイオマス材料から蒸気成分と固形成分とを分離すること（ここで蒸気成分は、少なくとも１種の揮発性有機化合物を含む）；およびガス成分の少なくとも一部を、過熱蒸気ストリームの一部として使用するために保持することによって、調製済みバイオマス材料から回収される。固形成分の少なくとも一部はさらに、追加の発酵性糖が生成するように処理される。一実施態様において、さらなる処理は、固形成分の少なくとも一部を、糖化が容易に起こるように適合させた溶液と接触させることを含む。一実施態様において、追加で生成した発酵性糖は、発酵して例えばエタノールなどの複数種の揮発性有機化合物を生産する。
【００１９】
バイオマスの調製
本明細書で使用される用語「固体バイオマス」または「バイオマス」は、少なくとも生きている、またはごく最近まで生きていた生物からの生物学的な物質を指す。固体バイオマスは、繊維または例えば生物燃料などの他の工業用化学物質に変換できる植物または動物系の物質を包含する。固体バイオマスは、ススキ、アメリカクサキビ、麻、トウモロコシ、熱帯性のポプラ、ヤナギ、モロコシ、サトウキビ、砂糖大根、およびあらゆるエネルギー原料用キビ、ならびにユーカリからアブラヤシ（パーム油）に至る様々な樹種などの多数のタイプの植物または樹木から誘導できる。一実施態様において、固体バイオマスは、少なくとも１種の発酵性糖産生植物を含む。固体バイオマスは、発酵性糖産生植物を包含する２種またはそれより多くの異なる植物種を含んでいてもよい。好ましい実施態様において、本発明の範囲を制限する意図はないが、生産性の高くない土地でも収量が高く、糖含量も高いことから、モロコシが選択される。
【００２０】
用語「発酵性糖」は、嫌気および／または好気条件下で例えばアルコール、有機酸、エステル、およびアルデヒドなどの有機生成物を生産するために微生物によって炭素源として使用できるオリゴ糖および単糖類（例えば、ペントースおよびヘキソース）を指す。このような有機生成物の生産は、一般的には発酵と呼ぶことができる。少なくとも１種の発酵性糖産生植物は、成長周期中のある時点で植物材料の水相に溶解した発酵性糖を含有する。発酵性糖産生植物の非限定的な例としては、モロコシ、サトウキビ、砂糖大根、およびエネルギー原料用キビが挙げられる。特に、サトウキビ、エネルギー原料用キビ、およびモロコシは、発酵性糖の生産が可能な最大値に近いかまたは最大値であるときに（例えば、発酵性糖濃度が最大のときに）、典型的には水相中で約５％から約２５％（ｗ／ｗ）の可溶性糖を含有し、湿潤基準で約６０％から約８０％の間の含水量を有する。
【００２１】
用語「湿潤基準」は、少なくとも質量の一部として水を包含する質量パーセンテージを指す。好ましい実施態様において、糖産生植物は、モロコシである。炭水化物から揮発性有機化合物（ＶＯＣ）への微生物による変換をもたらすモロコシのあらゆる種または様々な属が使用できる。モロコシを使用する実施態様の場合、この植物は、例えば水効率がよく、加えて干ばつや暑さにも強いといった所定の利点をもたらす。これらの特性により、例えば中国、アフリカ、オーストラリアなどの地球上の様々な場所などの多くの地域で、加えて米国では例えば台地の一部、西部、および南テキサス全域などにおいてもこの作物は好適である。
【００２２】
モロコシ（sorghum）を使用する実施態様において、モロコシは、より高い発酵性糖濃度で収穫できるあらゆる種または種の組み合わせを包含していてもよい。好ましい特性を有するモロコシの所定の種は、「サトウモロコシ（sweet sorghum）」と称される場合もある。モロコシとしては、サトウキビ圧搾機の稼働中のジュース化工程を維持するのに十分な水分を包含する種、またはそのような水分を含有しない種が挙げられる。好ましい実施態様において、固体バイオマスとしては、アドバンタ（Advanta）によって商業的に生産されたシュガーＴ（Sugar T）というモロコシ種、および／またはシュガーＴの雄性の親種（これもアドバンタの市販品である）が挙げられる。好ましい実施態様において、使用される作物は、約５から約２５のブリックス度、好ましくは約１０から約２０のブリックス度、およびより好ましくは約１２から約１８のブリックス度を有する。用語「ブリックス」は、本明細書では、少なくとも水溶液中のグルコース、フルクトース、およびスクロースの含量を指し、ここで１ブリックス度とは、溶液１００グラム中、グルコース、フルクトース、および／またはスクロースが１グラムであり、重量パーセンテージ（％ｗ／ｗ）として溶液の強度を示す。他の好ましい実施態様において、使用される作物の含水量は、約５０％から８０％であり、好ましくは少なくとも６０％である。
【００２３】
一実施態様において、作物は、約１８のブリックス値と約６７％の含水量を有するシュガーＴの雄性の親種である。他の実施態様において、作物は、約７３％の含水量で約１２のブリックス値を有するシュガーＴである。これらの特定の実施態様において、ブリックス値および含水量値は、手持ち式の屈折計によって決定された。
【００２４】
固体バイオマスに少なくとも１種の添加剤（微生物、場合により酸および／または酵素）が添加された後、その固体バイオマスは、その少なくとも１種の添加剤によって発酵性糖からＶＯＣ（例えばエタノールなど）への変換が促進される調製済みバイオマス材料になる。上述したように、さらに以下で説明されるように、調製済みバイオマス材料は、変換プロセスによってより多くのＶＯＣが生成するような所定期間にわたり保存が可能である。次いで、調製済みバイオマス材料から少なくとも１種の揮発性有機化合物が回収される。揮発性有機化合物は、当業者公知である。米国環境保護庁（ＥＰＡ）は、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の説明を示しており、そのうち１つは、環境保護庁によってごくわずかな光化学反応性しか有さないと指定されたものを除き、大気の光化学反応に関与する、一酸化炭素、二酸化炭素、炭酸、金属炭化物または金属炭酸塩を除くあらゆる炭素化合物、および炭酸アンモニウムである（http://www.epa.gov/iaq/voc2.html#definitionを参照）。また揮発性有機化合物またはＶＯＣは、通常の室内の大気温度および大気圧条件下で蒸発が起こるような組成を有するあらゆる有機化学物質であるとも説明されている。これは、科学文献で使用されるＶＯＣの一般的な定義であり、室内の大気品質に関して使用される定義と一致する。通常の室内の大気温度および大気圧条件は、人間によって占有されている建築物内で通常見出される条件の範囲を指し、したがって建築物のタイプやその地理上の位置に応じて異なる可能性がある。典型的な通常の室内の大気条件の１つは、国際純正応用化学連合（International Union of Pure and Applied Chemistry；IUPAC）および国立標準技術局（National Institute of Standards and Technology ；NIST）によって示されたものである。ＩＵＰＡＣの標準は、０℃（２７３．１５Ｋ、３２°Ｆ）の温度および１００ｋＰａ（１４．５０４ｐｓｉ）の絶対圧力であり、ＮＩＳＴの定義は、２０℃（２９３．１５Ｋ、６８°Ｆ）の温度および１０１．３２５ｋＰａ（１４．６９６ｐｓｉ）の絶対圧力である。
【００２５】
一般的に化合物の揮発性が高ければその沸点温度は低くなるため、有機化合物の揮発性は、それらの沸点で定義され分類されることもある。したがって、ＶＯＣは、その沸点によって説明できる。ＶＯＣは、約１０１．３ｋＰａの標準大気圧で測定した場合に約５０℃〜２６０℃の範囲の沸点を有するあらゆる有機化合物である。本発明の実施態様で回収されたＶＯＣから回収され、および／またはさらに処理される可能性がある多くの揮発性有機化合物は、香料および香料産業において用途を有する。このような化合物の例は、エステル、ケトン、アルコール、アルデヒド、炭化水素、およびテルペンであり得る。以下の表１に、調製済みバイオマス材料から回収されたＶＯＣから回収され、および／またはさらに処理される可能性がある揮発性有機化合物の非限定的な例をさらに示す。
【００２６】
【表１】
0006291482.tif 000002
【００２７】
エタノールは、好ましい揮発性有機化合物である。したがって、多くの例においてエタノールが具体的に述べられている。しかしながら、このような具体的な言及は、本発明を限定することを意図していない。本発明の形態は他の揮発性有機化合物にも等しく適用されることが理解されるものとする。他の好ましい揮発性有機化合物は、酢酸である。
【００２８】
本発明の実施態様は、調製済みバイオマス材料に含有される揮発性有機化合物において有意な劣化を起こさない固体バイオマス材料の長期保存を実現化し、さらに本発明の実施態様は、ＶＯＣの連続生成を可能にする糖の保存も実現化する。「有意な」は、本発明の状況において使用される場合、調製済みバイオマス材料中の揮発性有機化合物の量または濃度を測定した場合に少なくとも誤差の許容範囲内であることを指す。一実施態様において、誤差の許容範囲は、約０．５％である。
【００２９】
したがって、本発明の実施態様は、収穫の長さに頼ることなくＶＯＣを連続生産することを可能にし、それによって従来のジャストインタイムの収穫および回収プロセスにおける回収プラントの休止期間をなくしたり、またはそれを最小化したりすることを可能にする。そのようなものとして、本発明の実施態様は、典型的には例えばピーク時間よりもわずかに収穫を早めるか遅めることで収穫期を延長させるといった妥協をすることなく、ピーク時における作物の収穫を可能にする。すなわち本発明の実施態様は、たとえ収穫期間が短くなったとしても、選択された作物が、揮発性有機化合物に変換可能な発酵性糖のピークの濃度または量に達したときのような、高い収穫量および高い糖濃度での収穫を可能にする。一実施態様において、固体バイオマスは、その可能な最大の発酵性糖濃度の約８０％、約８５％、約９０％、約９５％、または約１００％であるときに、収穫または調製される。したがって、本発明の実施態様、特に回収期は、固体バイオマスおよびそれに含有されるＶＯＣが腐敗する恐れによる時間の制約を受けずに年間を通して連続的に稼働させることができる。本発明の実施態様は、糖生産がその可能な最大値に近いかまたは最大値であるときに固体バイオマスの収穫を可能にすると同時に、固体バイオマス材料は、好適な糖の量を含有するとみなされるあらゆる時点で収穫することも可能である。さらに、収穫期間は、作物のタイプと地理的な位置に応じて様々である。例えば、北アメリカにおけるモロコシの収穫期間は、約１ヶ月から７ヶ月の範囲であり得る。しかしながら、ブラジルおよび他の赤道直下および赤道付近の地域では、収穫期間は、最長１２ヶ月の場合もある。
【００３０】
固体バイオマスとして植物を使用する実施態様において、当業者公知のあらゆる好適手段を使用して畑から固体バイオマスを収集または収穫できる。一実施態様において、固体バイオマスは、植物の茎の部分と葉の部分を含む。他の実施態様において、固体バイオマスは、穀類の部分をさらに含む。好ましい実施態様において、固体バイオマスは、飼料またはサイレージ収穫機（飼料またはサイレージチョッパー）を用いて収穫される。サイレージ収穫機（silage harvester）または飼料収穫機（forage harvester）は、サイレージを作製するのに使用される農機具を指し、サイレージとは、小片に細断され、貯蔵サイロ、サイレージバンカー、またはサイレージバッグ中で一まとめに圧縮された牧草、トウモロコシまたは他の植物のことである。サイレージ収穫機または飼料収穫機は、ドラム（カッターヘッド）または多数のナイフが固定されたフライホイールのいずれか一方のような切断メカニズムを有し、これは、材料を細断して細断済み材料を収穫機またはそれに沿って稼働する別の運搬具のいずれかに連結された入れ物に移す。飼料収穫機は、サトウキビ収穫機（sugar cane harvester）または乾燥ベールシステム（dry baled system）を超える利点をもたらすことから、好ましい。例えば、飼料収穫機は、サトウキビ収穫機よりもより高密度の材料をもたらし、それによって収穫した材料のより効率的な輸送を可能にする。一実施態様において、サトウキビ収穫機を用いて収穫された約３００ｋｇ／ｍ３の密度を有するサトウキビや、サトウキビ収穫機を用いて収穫された約２００ｋｇ／ｍ３の密度を有するモロコシと比較して、飼料収穫機の使用により約４００ｋｇ／ｍ３のかさ密度を有する収穫されたモロコシが得られる。一般的には、材料のかさ密度を高くすることにより、収穫された作物であるサトウキビを供給できる地理上の地域を限定しがちな輸送費を安くできる。
【００３１】
したがって、例えばモロコシなどの選択されたバイオマスを収穫するためには、サトウキビ収穫機または乾燥ベールシステムよりも飼料収穫機が全体的に安価な方法である。理論に縛られることはないが、コスト節約は、部分的に、飼料収穫機によって収穫された固体バイオマスのより高い材料処理能力およびより高いかさ密度に起因すると考えられる。固体バイオマスは、どのような長さに切断されてもよい。一実施態様において、収穫機の細断長さは、約３ｍｍ〜約８０ｍｍの範囲、好ましくは約３ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲に設定されてもよく、約３ｍｍ〜約１３ｍｍの細断長さの例が最も好ましい。これらの好ましい細断長さにおいて、飼料収穫機において観察できるほどの水分の放出はなかったことから、損失は最小であった。細断長さを選択すると、収穫機から、選択された細断長さに近い平均サイズまたは長さの分布を有するバイオマスが供給される。一実施態様において、回収システムから出る固形成分の平均粒度分布は、要求に応じて調節が可能であり、これは、収穫機の細断長さを調節することにより行うことができる。
【００３２】
適切な炭水化物から揮発性有機化合物への変換を容易にしたり、および／または促進したりするために、固体バイオマスに少なくとも１種の添加剤が添加される。選択された添加剤（複数可）が添加された後、その固体バイオマスは、調製済みバイオマス材料と称される場合がある。一実施態様において、調製済みバイオマス材料は、上記で列挙した発酵性糖産生植物の少なくとも１種またはそれらのあらゆる組み合わせを含んでいてもよい。好ましい実施態様において、収穫中に収穫機を使用して選択された添加剤（複数可）を添加することが都合がよい場合がある。
【００３３】
一実施態様において、少なくとも約７００トン、好ましくは少なくとも約１００万トン、例えば少なくとも１２０万トン、またはより好ましくは少なくとも約５００万トンの調製済みバイオマス材料が、具体的な地域の生育状態に基づき特定の収穫期間で生成し、例えばモロコシの場合は北アメリカで約１〜７ヶ月で生成する。
【００３４】
収穫プロセス中および／または収穫プロセス後のあらゆる時点で、少なくとも１種の添加剤を添加できる。飼料収穫機を使用する好ましい実施態様において、収穫プロセス中に添加剤を固体バイオマスに添加することにより、調製済みバイオマス材料が生成する。特に、飼料収穫機は、収穫中に固体添加剤と液体添加剤の両方が効率的に添加されるように設計される。上述したように、添加される添加剤としては、少なくとも微生物（例えば酵母）、および場合により酸および／または酵素が挙げられる。好ましい実施態様において、選択された添加剤（複数可）は、溶液として添加される。以下で可能性のある添加剤の追加の詳細をさらに示す。
【００３５】
飼料収穫機または類似の装置を使用する実施態様の場合、選択された添加剤（複数可）は、収穫中の全ての期間で、例えば取り込み用フィードローラーの前に、取り込み中に、細断時に、細断後に、ブロワーを通過中に、ブロワー後に、加速器中で、ブーム（または吐出口）中で、および／またはブーム後に添加できる。酸および酵素が添加される一実施態様において、酸は、取り込み用フィードローラー付近で添加され、微生物および酵素は、ブーム中で添加される。特定の実施態様において、幅約３０フィートのヘッダーを有するＶ１２モーターを備えたクローネ（Krone）のビッグＸ（Big X）飼料収穫機が使用される。クローネシステムを使用する実施態様では、酸は、溶液として、フィードローラーのちょうど前に溶液を吐出するフレキシブルな管材料を介して添加される。この方式では、液体の流れを視覚的にモニターすることが可能であり、それにより細断チャンバー内部で酸溶液および固体バイオマスが迅速に混合される様子が示される。他の実施態様において、酸の添加も、ケースニューホランド（Case New Holland）のＦＸ５８飼料収穫機を使用して実施可能であることが実証された。所定の実施形態において、添加剤を内蔵させるための内部搭載型のラックが、使用される飼料収穫機に包含されていてもよく、それにより、収穫中に添加剤の少なくとも１種（複数）が選択されて添加される。他の実施態様において、収穫中に添加される選択された添加剤（複数可）は、トレーラー上で収穫機の後ろに牽引されて存在していてもよい。例えば、一実施態様において、酵母、酵素、および酸の添加剤溶液を含有するタンクを備えた改造ユーティリティートレーラーの採用が、収穫機の通常運転への干渉を最小限にできることが実証され、それによって期待される収穫プロセスのコストと持続時間が実質的に維持される。例えば、約４マイル／時間で走行するサイレージ収穫機を採用した場合の通常の収穫用配置およびバイオマス収量は、一実施態様で上述したような所定の添加剤を備えている場合でも、それと類似した約４マイル／時間の収集速度を維持する。
【００３６】
本発明の実施態様において、調製済みバイオマス材料は最終的に、貯蔵施設に輸送され、そこで、固体バイオマスの発酵性糖の少なくとも一部から少なくとも１種の揮発性有機化合物が生産されるような期間にわたり調製済みバイオマス材料は保存される。以下に貯蔵期の詳細をさらに示す。所定の実施形態において、選択された添加剤（複数可）は貯蔵施設で添加されてもよい。例えば、一実施態様において、固体バイオマスの積み降ろし中に、または固体バイオマスが貯蔵施設で積み降ろされた後に、選択された添加剤（複数可）を添加してもよい。一実施態様において、貯蔵施設で選択された添加剤（複数可）の添加を促進するために、運搬システムが使用される。貯蔵施設で固体バイオマスに添加される添加剤（複数可）は、まだ添加されていない添加剤（複数）であってもよいし、またはすでに添加された添加剤（複数）の追加の量であってもよい。したがって、収穫プロセスの開始時から、貯蔵エリアまたは施設での、例えば材料が移された地点での調製済みバイオマス材料貯蔵の前までのあらゆる時点で、選択された添加剤（複数可）が添加される。
【００３７】
上述したように、本発明の実施態様のための添加剤（複数可）は、少なくとも微生物、ならびに場合により酸および／または酵素を包含する。選択された添加剤（複数可）はあらゆる順番で固体バイオマスに添加できる。好ましい実施態様において、微生物を添加する前に酸を固体バイオマスに添加することにより、微生物にとって魅力的な増殖環境が提供されるように材料を準備する。
【００３８】
好ましい実施態様において、酸を添加することにより、エタノールおよび／または揮発性有機化合物の生産を増加させる選択された自生種の微生物または添加された微生物の増殖を容易にする、および／または促進する範囲に、固体バイオマスのｐＨを低下させる。また酸は、その後のＶＯＣ生産を目的とした発酵性糖を消費する植物の呼吸を止めたりまたは遅くしたりすることも可能である。一実施態様において、酸は、固体バイオマスのｐＨが、約２．５から約５．０の間、好ましくは約３．７〜約４．３の範囲、より好ましくは約４．２になるまで添加される。使用される酸としては、例えば硫酸、ギ酸、またはリン酸などの公知の酸が挙げられる。以下の表２に、個々にまたは組み合わせて使用できる酸の非限定的な例を示す。
【００３９】
【表２】
0006291482.tif 000003
【００４０】
好ましい実施態様において、酸の添加により固体バイオマスが望ましいｐＨに達した後、微生物が添加される。添加剤が存在する状況下の微生物は、少なくとも、固体バイオマスに添加された、調製済みバイオマス材料に作用し得る、または影響を与え得る生物を指す。添加された微生物（複数可）による作用または影響の典型例の１つとしては、発酵または他の代謝を起こして、セルロース系材料などの様々な源からの発酵性糖をエタノールまたは他の揮発性有機化合物に変換することが挙げられる。他の典型的な作用または影響は、調製済みバイオマス材料中のセルロースを分解して、エタノールまたは他のＶＯＣに代謝させることができる発酵性糖にすることを促進する所定の酵素（複数可）の生産であってもよい。微生物によって提供されるさらに他の典型的な作用または影響としては、動物用飼料として役立つ可能性がある最終的な副産物の品質、すなわち価値を向上させることができるビタミン、補因子、およびタンパク質などの化合物の生産が挙げられる。さらに、微生物活性は、パイルのための熱を供給する。また微生物細胞壁または他の異化生成物もしくは同化生成物の一部も、回収ユニットで回収できる付加価値のある化学物質を供給する可能性がある。これらの影響および作用はまた、固体バイオマスに自生している微生物によって提供される可能性もある。
【００４１】
調製済みバイオマス材料に作用し得る、または影響を与える得るあらゆる微生物を添加することが可能である。好ましい実施態様において、微生物（複数可）としては、サイレージ、動物用飼料、ワイン、および工業用エタノール発酵用途で使用される微生物が挙げられる。一実施態様において、選択された微生物は、用途や製造しようとする有機分子の望ましいプロファイルに従って、酵母、菌類、および細菌を包含していてもよい。好ましい実施態様において、選択された微生物は、酵母である。他の実施態様において、乳酸または酢酸を製造するのに、細菌を添加してもよい。これらの酸を製造するのに所定の菌類も添加してもよい。例えば、酢酸を生成するためには、アセトバクテリウム・アセチイ（Acetobacterium acetii）を添加してもよく；乳酸を生成するためには、乳酸桿菌属（Lactobacillus）、ストレプトコッカス・サーモフィラス（Streptococcus thermophilus）を添加してもよく；コハク酸を生成するためには、アクチノバチルス・サクシノゲネス（Actinobacillus succinogenes）、マンヘミア・サクシニシプロデュセンス（Mannheimia succiniciproducens）、および／またはアネロビオスピリルム・サクシニシプロデュセンス（Anaerobiospirillum succiniciproducens）を添加してもよく；アセトンおよびブタノールを生成するためには、クロストリジウム・アセトブチリクム（Clostridium acetobutylicum）を添加してもよく；および／またはブタンジオールを生成するためには、アエロバクター・アエロゲネス（Aerobacter aerogenes）を添加してもよい。
【００４２】
以下の表３に、個々にまたは組み合わせて使用できる好ましい微生物の非限定的な例を示す。
【００４３】
【表３】
0006291482.tif 000004
【００４４】
また好ましい微生物としては、高いエタノール濃度に耐えることができ、その各々の微生物集団において強力な競合種であるサッカロミセス・セレビジエ株も挙げられる。微生物は、中温菌であってもよいし、または高温菌であってもよい。高温菌は、約４５℃より高い温度で最もよく成長する生物であり、３つ全ての生物界、すなわち細菌、古細菌、および真核生物で見出される。中温菌は、一般的に、約２０℃から４５℃の間で活性である。サッカロミセス・セレビジエ株を使用する実施態様において、その株は、例えばレサフル（Lesaffre）製のバイオサフ（Biosaf）、フィブロ（Phibro）製のエタノールレッド（Ethanol Red）、およびラレマンド（Lallamand）製の活性化液体酵母などの商業的な供給源に由来するものでもよい。微生物を商業的な供給源から入手する場合、供給元が推奨する割合に従って微生物を添加してもよく、この割合は、典型的には、質量計算に水分を包含する１ウェットトンあたりの期待される糖含量に基づく。用語「ウェットトン」は、少なくとも水分を含めた質量単位を指す。推奨量は、反応条件に従って調節される場合がある。添加された微生物は、特定の微生物の１種の株を含んでいてもよいし、または複数の株を含んでいてもよい。一実施態様において、微生物は、固体バイオマス１ウェットトンあたり最大５００ｍＬの割合で添加される。市販の酵母を使用する特定の実施態様において、固体バイオマス１ウェットトンあたり約３００ｍＬのラレマンド酵母調製物が添加される。他の実施態様において、追加の酵母株が添加されてもよい。例えば、エタノールレッドは、約０．００１ｋｇ／ウェットトンから約０．５ｋｇ／ウェットトンの間の割合で、特に約０．１ｋｇ／ウェットトンの割合で添加されてもよい。さらにその他の実施態様において、別の酵母株、例えばバイオサフなどは、約０．００１ｋｇ／ウェットトンから約０．５ｋｇ／ウェットトンの間の割合で、特に約０．１ｋｇ／ウェットトンの割合で添加されてもよい。いずれかの酵母株の追加量が添加されてもよいことが理解される。例えば、供給された微生物量の約１０％、約２０％、約３０％、約４０％、約５０％、約６０％、約７０％、約８０％、約９０％、約１．５倍、約２倍、約２．５倍、または約３倍が添加されてもよい。
【００４５】
所定の実施形態において、酵素がさらに添加される。酵素は、例えば異なるセルロース系材料などの微生物にとって代謝することがより難しい植物材料からの発酵性糖の生成を補助する酵素であってもよいし、および／または例えば飼料をより消化しやすくすることによって動物用飼料として役立つ最終的な副産物の価値を向上させるための酵素であってもよい。酵素はまた、抗生物質であってもよく、例えば以下でさらに論じられるようなリゾチームなどであってもよい。添加される酵素は、１種の酵素を包含していてもよいし、または複数種の酵素を包含していてもよい。酵素は、市販の酵素調製物から得られるものでもよい。所定の代謝が難しい植物材料を発酵性糖に変換することを補助する酵素の非限定的な例としては、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ、フェルラ酸エステラーゼ、および／またはプロテアーゼなどが挙げられる。追加の例としては、供給材料からの発酵性糖の生産を提供したり、もしくはその提供を補助したりする他の酵素、または最終的な飼料副産物の価値を高める他の酵素のいずれかが挙げられる。
【００４６】
所定の実施形態において、所定の代謝が難しい植物材料を発酵性糖に変換することを補助する酵素は、植物それ自身によって、例えば植物内で（in-plantae）生産されてもよい。セルラーゼ、ヘミセルラーゼ、および他の植物性高分子を分解する酵素を生産できる植物の例は、成長中の植物中で生産されるものであってもよく、特許公報および特許ＷＯ２０１１０５７１５９、ＷＯ２００７１００８９７、ＷＯ９８１１２３５、およびＵＳ６８１８８０３で説明されており、これらは、植物中で植物細胞壁を解重合させる酵素が生産される可能性があることを示している。他の実施態様において、エンシレージを使用して、このような植物が生産する酵素を活性化し、さらに追加処理のためにバイオマスを調整してもよい。一例が特許公報ＷＯ２０１０９６５１０で説明されている。このようなトランスジェニック植物が使用される場合、それらは、収穫物中にどのような量で包含されていてもよい。例えば、所定の実施形態では、植物中で生産された植物界内の酵素を採用してもよく、これは、供給材料として特定のトランスジェニック植物のみを使用することによって、または類似の作物または異なる作物に散在させてトランスジェニック植物を取り入れることによってなされる。
【００４７】
このような植物性高分子を分解する酵素を包含する所定の実施形態において、エタノールは、植物のセルロース画分から生産されてもよい。特定の実施態様において、モロコシ貯蔵システムにノボザイムズ（Novazymes）製のＣＴＥＣ２酵素が、推奨量より多く、すなわち推奨量よりも約１００倍多い量で添加される場合、最初の遊離の糖含量に基づき理論上のエタノール変換効率の約１５２％が達成された。市販の調合物を使用してこのような酵素量を添加することもできるが、そうすると費用が高くなる可能性がある。一方で、このような酵素量は、これらの酵素を生産するトランスジェニック植物をバイオマス作物中に散布して生育させることによってより費用効率が高い方式で得ることもできる。
【００４８】
例えばサイレージ内で貯蔵期中にセルロースからのエタノール生産が起こり、約１０２日の貯蔵期間中そのままにし、その後実験を終了させた。これから、その特定の実験条件下で、このような過剰な酵素活性により、セルロースからの発酵性糖を使用して少なくとも約５２％のエタノール生産が起こることが実証される。理論に縛られるつもりはないが、所定の実施形態に関して、この実験では収穫中の即時の酸添加によりｐＨが低下したことによって酵素活性が誘導された可能性があり、これは別の状況では、植物がまだ成長しているときに生産されると植物にダメージを与える可能性がある。
【００４９】
好ましい実施態様において、酵素が添加される場合、酵素は、どのようなセルラーゼファミリーの調製物であってもよい。一実施態様において、使用されるセルロース調製物は、ノボザイムズのセリック（Cellic）ＣＴｅｃ２またはＣＴｅｃ３である。他の実施態様において、線維溶解酵素調製物が使用され、特にリキセル（Liquicell）２５００が使用される。酵素が使用される場合、植物性高分子を分解するために添加される酵素の量は、植物材料から発酵性糖への望ましい変換を達成できればどのような量であってもよく、例えば推奨量である。特定の実施態様において、バイオマス１ウェットトンあたり約８０，０００ＦＰＵ〜約９０，０００，０００ＦＰＵ、好ましくは約４００，０００ＦＰＵから約４５，０００，０００ＦＰＵ、より好ましくは約８００，０００ＦＰＵから約１０，０００，０００ＦＰＵの酵素が添加される。用語「ＦＰＵ」は、ろ紙単位（Filter Paper Unit）を指し、これは少なくとも、５０℃、およそｐＨ４．８で１時間のうちにワットマン（Whatman）番号１の５０ｍｇのろ紙片から２ｍｇの還元糖（例えばグルコース）が放出されるのに必要な酵素の量を指す。
【００５０】
所定の他の実施態様において、添加される選択された添加剤（複数可）は、細菌増殖を遅延または制御できる他の物質を包含していてもよい。これらの他の物質の非限定的な例としては、抗生物質（例えば抗生作用のある酵素など）、例えばリゾビン（Lysovin）（リゾチーム）およびラクトロール（Lactrol）（登録商標）（バージニアマイシン、細菌阻害剤）などが挙げられる。細菌増殖を制御することにより、適切な微生物において揮発性有機化合物の生産を促進および／または実現化することが可能になる。抗生物質は、生命を抑制したりまたは殺したりするものを示す一般用語である。抗生物質の例は、細菌阻害剤である。一実施態様において、細菌には作用するが他の微生物には作用しないように意図された選択的な抗生物質が使用される。選択的な抗生物質の一例はラクトロールであり、これは、細菌には影響するが酵母には影響しない。
【００５１】
特定の実施態様において、使用される場合、ラクトロールを、調製済みバイオマス材料の水相に溶解させた場合、約１〜２０百万分率（ｐｐｍ）ｗ／ｖ（ラクトロールの重量／液体の体積）の割合で、例えば約５ｐｐｍ  ｗ／ｖで添加してもよい。細菌増殖を制御するために酵素を使用する実施態様において、好ましくはリゾチームが使用される。リゾチームは、商業的な供給源に由来するものでもよい。典型的な市販のリゾチーム調製物はリゾビンであり、これは、例えばワインなどの食物で使用できることが公表されているリゾチーム酵素の調製物である。
【００５２】
酵素および／または他の抗生物質材料は、使用される場合、独立して添加してもよいし、または互いにおよび／もしくは微生物と共に添加されてもよい。所定の実施形態において、揮発性有機化合物の生産を容易にする、および／または揮発性有機化合物を供給する微生物への栄養素として役立つ他の化合物を添加剤として添加してもよい。以下の表４に、固体バイオマスに添加できる抗生物質等の物質の非限定的な例を示す。
【００５３】
【表４】
0006291482.tif 000005
【００５４】
小さい集合体またはバイオフィルムとして個々に固体に付着する酵母および他の微生物は、阻害化合物に対する耐性を高めることが示されている。理論に縛られるつもりはないが、長期発酵の一部は、このような微生物と固体との結合によって可能になり、または強化され得る。そのようなものとして、微生物の結合に関して最適化された微生物と、それに加えて微生物と結合する可能性がある添加剤とを包含する調製済みバイオマス材料は、より大きい程度の発酵および／または発酵効率を得る可能性がある。長期にわたる発酵をもたらす、および／または容易にする物質は、発酵速度を高める物質とは異なる。所定の実施形態において、発酵速度の増加は、特に数週間または数ヶ月の期間にわたる長い発酵期間ほど重要な要素ではない。
【００５５】
以下に具体的な一実施態様に適用される添加剤の具体的な量を示す。使用される場合、酸を添加する速度および量は、特定の酸が添加される特定の固体バイオマスの緩衝能力に応じて様々である。硫酸を使用する特定の実施態様において、約４．２のｐＨを達成するには、９．３％ｗ／ｗの硫酸が、最大約１０リットル／トン（湿潤バイオマス）、例えば約３．８リットル／トン（湿潤バイオマス）の割合で添加される。他の実施態様において、この割合は、酸、液体、ならびに他の内容物の濃度およびタイプ、ならびに特定の固体バイオマスの緩衝能力、ならびに／または望ましいｐＨに応じて様々であると予想される。この特定の実施態様において、ラクトロールは、約３．２ｇ／ウェットトン（固体バイオマス）の割合で添加される。酵母または他の微生物は、例えば期待される糖含量／ウェットトンに従って供給者からの推奨される割合に従って添加される。１つの特定の実施態様において、ラレマンドという安定化された液体酵母は、約１８液量オンス／ウェットトンで添加され、ノボザイムズのセリックＣＴｅｃ２は、約２０液量オンス／ウェットトンで添加される。
【００５６】
好ましい実施態様において、上記で説明した本発明の形態に従って収穫する間に、選択された添加剤（複数可）を固体バイオマスストリームに添加して、調製済みバイオマス材料を作製する。好ましくは、調製済みバイオマス材料を貯蔵施設に輸送して、そのまま調製済みバイオマス材料の炭水化物を望ましい量の揮発性有機化合物に変換させて、および／または揮発性有機化合物を回収するために待機させる。あらゆる好適な輸送方法および／またはデバイスを使用でき、このようなものとしては、例えば輸送手段、列車等、および調製済みバイオマス材料を輸送手段の上に置くためのあらゆる好適な方法などが挙げられる。バイオマス材料の輸送に使用できる輸送手段の非限定的な例としては、後部で積み降ろすタイプのダンプトラック（end-unloading dump truck）、サイドで積み降ろすタイプのダンプトラック（side-unloading dump truck）、および自動積み降ろし可能なサイレージトラック（self-unloading silage truck）が挙げられる。好ましい実施態様において、サイレージトラックが使用される。バイオマスを収集するのに飼料収穫機を使用する実施態様において、このような固体バイオマスの輸送は、例えばサトウキビ用ビレット（sugar cane billet）などの従来の手段によって収集された材料の輸送よりも効率的であり、これはなぜなら、飼料収穫機で切断した固体バイオマスのかさ密度のほうが高いためである。すなわち、より小さい断片に細断された材料は、ビレット中の材料よりも高密度にパッキングされる。一実施態様において、サイレージトラック中のかさ密度の範囲は、約１５０ｋｇ／ｍ３と約３５０ｋｇ／ｍ３との間で様々であり、例えば約２５６ｋｇ／ｍ３である。所定の実施形態において、全ての選択された添加剤は、収穫中に、好ましくは収穫機で添加されて、輸送中に微生物とバイオマスとの相互作用を開始させることができるために、この方式における輸送はプロセス全体にとって不利益ではない。
【００５７】
バイオマスは、調製済みかまたはそうでないかにかかわらず、少なくとも１つの貯蔵エリアまたは施設に送達される。貯蔵施設は、収穫場所からどのような距離に配置されていてもよい。添加剤がまだ添加されていない場合、または調製済みバイオマス材料を生成するのに追加の量またはタイプをさらに添加する必要がある場合、選択された添加剤（複数可）を添加してもよい。好ましい実施態様において、調製済みバイオマスは、所定期間にわたり整備された表面上の少なくとも１つのパイルで保存される。このような施設は、人工または天然の構造物を取り入れてもよい。人工の構造は、例えば運河や水処理用の池などの元々サイレージ用に指定されていない場所に既存の構造を取り入れたものでもよい。整備された表面の非限定的な例としては、コンクリート、アスファルト、フライアッシュ、または土壌表面が挙げられる。少なくとも１つのパイルは、どのような寸法または形状を有していてもよく、このような寸法または形状は、例えば利用可能なスペース、バイオマスの量、望ましい貯蔵期間などの稼働条件によって決まる可能性がある。
【００５８】
発酵性糖の変換プロセスは、発熱反応である。しかしながら、温度が調製済みバイオマス材料中の微生物にとって致命的な範囲になると、過剰な熱が変換プロセスにとって有害になる可能性がある。しかしながら、約７００ウェットトンのバイオマスおよび最大約１２フィートへのパイル化を使用する実施態様では、エタノール生産および安定性は十分であった。それゆえに、それよりも大きいパイルでも、過熱の問題を受けない可能性が高いと予想される。一実施態様において、例えば高温菌などのあらゆるタイプの微生物で、パイルの内部の部分は、約２０℃〜約６０℃の範囲の温度を維持する。高温菌を採用しない一実施態様において、パイルの内部の部分は、約３５℃〜約４５℃の範囲の温度を維持する。
【００５９】
また貯蔵施設で少なくとも１つのパイルとして保存される調製済みバイオマス材料は、保存された湿式バイオマス集合体と称される場合もある。選択された添加剤（複数可）を添加した後、固体バイオマスの少なくとも一部は揮発性有機化合物に変換され、例えば糖からエタノールに発酵する。一実施態様において、調製済みバイオマス材料は、嫌気的な環境を達成するのに十分な期間保存される。好ましい実施態様において、嫌気的な環境は、約２４時間で達成される。他の実施態様において、嫌気的な環境は、約４時間より長い時間で達成される。さらにその他の実施態様において、嫌気的な環境は、最大約７２時間で達成される。
【００６０】
パイルは、独立型であってもよいし、または水性の流出液や浸出液を収集するための手段、バイオマス上への防水シートの設置を包含し、効率的な最初のサイレージトラックのバンカーへの積み降ろしと、それに加えて通年のバイオマス除去の両方を容易にする、例えばサイレージを受け入れられるように設計されたサイレージバンカーなどの別の構造中に形成されていてもよい。個々のバンカーは、約７００ウェットトン〜１０，０００，０００ウェットトンまたはそれよりも多くの１年の供給材料の要求を支えるおよそのサイズを有していてもよい。例えば、貯蔵施設は、５０個のバンカーを有していてもよく、その場合、常に合計で最大約５００万ウェットトンの材料が保存されるように、それぞれ個々のバンカーは１００，０００ウェットトンの調製済みバイオマス材料を受け入れることができる。選択された揮発性有機化合物がエタノールである好ましい実施態様において、１ウェットトンの調製済みバイオマス材料あたり約１４ガロン〜約１６ガロンのエタノールが回収される。示された数値は典型的な数値であり、貯蔵施設が収容できる調製済みバイオマス材料の量を限定する意図はない。
【００６１】
特定の実施態様において、貯蔵パイルはさらに、浸出液収集システムを包含する。一実施態様において、この収集システムは、貯蔵パイルから収集された浸出液を除去するのに使用される。例えば、浸出液収集システムは、貯蔵期間中に所定のポイントでパイルからの液体が除去されるように適合されていてもよい。他の実施態様において、浸出液収集システムは、貯蔵パイル中の液体を循環させるように適合されている。例えば、循環は、回収された液体の少なくとも一部を取り、それをパイルの好ましくは頂上部分またはその近くに戻すことを含んでいてもよい。このような再循環は、調製済みバイオマス材料の回収期が始まり、調製済みバイオマス材料の液体以外の成分の部分が回収ユニットに送られるときでも、パイル中の液体の所定量をより長く保持させることを可能にする。より長い保持により微生物の反応時間がより長くなることから、例えばエタノールなどの有機揮発性化合物がより高濃度で得られる。
【００６２】
当業者公知のあらゆる好適な浸出液収集システムを説明されているようにして採用してもよい。特定の実施態様において、浸出液収集システムは、パイルの底部に沿って配置された、好ましくは貯蔵パイルまたはバンカーが使用される場合、その中央の近くに配置された少なくとも１つのトラフを含み、その場合、貯蔵パイルは、調製済みバイオマス材料からの液体をトラフに向かわせて望ましい収集容器に排出させるか、または他の用途に導くように設計されたグレードで製造される。
【００６３】
他の実施態様において、浸出液収集システムは、１本またはそれより多くの穴の開いたコンジットを含み、好ましくはコンジットで収集された液体をパイルの外に向かわせるようにパイルの底部に沿って走る塩化ビニル（ＰＶＣ）製パイプも含む。
【００６４】
一実施態様において、調製済みバイオマス材料をバンカーに加えたり、または整備された表面の上に載置したりするとき、パッキングしやすくするために、パイル上でトラクターまたは他の重機を繰り返して走行させる。一実施態様において、パッキングは、調製済みバイオマス材料１立方フィートあたり約７ｌｂｓ／ｆｔ３から約５０ｌｂｓ／ｆｔ３の範囲である。好ましい実施態様において、パッキングは、約３０ｌｂｓ／ｆｔ３から約５０ｌｂｓ／ｆｔ３であり、特に約４４ｌｂｓ／ｆｔ３である。一実施態様において、パイル中での調製済みバイオマス材料の締固めは、上記で説明した好ましい期間での嫌気的な環境の達成を容易にする、および／または可能にする。他の実施態様において、パッキングが行われた後、またはパッキングが行われている期間中に、空気不浸透性の膜、典型的には目的にあったプラスチック製の防水シートがパイル上に置かれる。特定の実施態様において、防水シートは、実用的な範囲で早くパイル上に置かれる。例えば防水シートは、２４時間以内にパイル上に置かれる。
【００６５】
一実施態様において、調製済みバイオマス材料は、例えばエタノールなどの揮発性有機化合物が生産されるように、少なくとも約２４時間、好ましくは少なくとも約７２時間（または３日）保存される。一実施態様において、調製済みバイオマス材料は、約３日、好ましくは１０日、より好ましくは１０日より長く保存される。一実施態様において、調製済みバイオマスの貯蔵期間は、約１日〜約７００日、好ましくは約１０〜７００日である。他の実施態様において、バイオマス材料は、最大約３年保存される。一実施態様において、少なくとも１種の揮発性有機化合物への糖の変換効率が、関連する生化学的経路の化学量論的な評価により計算した場合に理論上の生産効率の少なくとも約９５％になるのに十分な期間、調製済みバイオマス材料は保存される。他の実施態様において、少なくとも１種の揮発性有機化合物への糖の計算された変換効率が少なくとも約１００％になるのに十分な期間、調製済みバイオマス材料は保存される。さらにその他の実施態様において、少なくとも１種の揮発性有機化合物への糖の計算された変換効率が、最初の利用可能な発酵性糖の量に基づく理論値の最大約１５０％になるように例えば酵素などの所定の添加剤と共に調製済みバイオマス材料は調製される。理論に縛られるつもりはないが、最初に利用可能な発酵性糖と、調製済みバイオマス材料中のセルロース系材料または他の高分子材料由来の発酵性糖との両方から、揮発性有機化合物（複数可）は１００％の効率または１００％を超える効率で生産され、ここでこの生産は、バイオマスに適用された所定の添加剤（複数可）によって促進される酵素加水分解または酸加水分解によって達成可能であると考えられる。
【００６６】
生産された例えばエタノールなどの揮発性有機生成物は、貯蔵期間中、保存された調製済みバイオマス材料中で安定性を保つ。特に、調製済みバイオマス材料は、揮発性有機化合物への有意な分解を起こすことなく最大７００日の保存が可能である。「有意な」は、この状況において、調製済みバイオマス材料中の揮発性有機化合物の量または濃度を測定する際に、少なくとも誤差の範囲内であることを指す。一実施態様において、誤差の範囲は、０．５％である。エタノールは、少なくとも約３３０日後、有意なエタノールの損失が観察されることなくパイル中で安定性を保つことが実証されている。本発明の実施態様のこの形態は、少なくとも８ヶ月間の安定な貯蔵をもたらし、わずか約４ヶ月の収穫期間で一年中のＶＯＣ生産および回収を可能にするため、重要である。本発明の実施態様は、年間４ヶ月の収穫期間しか稼働させることができないであろう従来のジャストインタイムの処理に勝る有意な利点を提供する。すなわち、本発明の実施態様は、わずか４ヶ月の収穫期間を使用してプラントを一年中稼働させることを可能にすることによって、ジャストインタイムの処理に使用されるプラントと同じサイズのプラントにかかる資本コストを削減することができる。
【００６７】
また、防水シートを採用する一実施態様において、防水シートの周りやへりに土壌または他の輸送手段を置いて、１）防水シートを押さえつける重しにしたり；さらに２）パイルからのオフガスのバイオフィルターとして機能させることも想定される。このような実施態様において、バイオフィルターは、有機物質および一酸化炭素の解毒／分解に効率的である。また調製済みバイオマス材料は、パイル、バンカー、サイロ、バッグ、チューブ、または包装されたベールまたは他の嫌気性貯蔵システム上で駆動する圧縮モジュールとして保存してもよい。
【００６８】
一実施態様において、調製済みバイオマス材料のパイルからのオフガスストリームをモニターしたところ、ほんのわずかなレベルの有機物質とさらに極めて低レベルの窒素酸化物が存在していたことを見出した。例えば以下の表５．１、５．２、および５．３は、本発明の所定の実施態様を実施した際の貯蔵期中に収集された様々なオフガスサンプルの分析を示す。記号「ＢＤＬ」は、検出可能な限界より下の量であることを指す。スーマ（Summa）およびテドラー（Tedlar）は、市販のガスサンプリング用のコンテナを指す。
【００６９】
【表５】
0006291482.tif 000006
【００７０】
【表６】
0006291482.tif 000007
【００７１】
【表７】
0006291482.tif 000008
【００７２】
本発明の実施態様は、比較的バンカーに収容されることはないが、環境に優しいと予想される。そうであったとしても、実際には防水シートの下からのガスは放射状に逸散するため、本発明の所定の形態は、土壌または他の輸送手段をバンカーの周りやその上に配置されたバイオフィルターとして使用することによく適している。そのようなものとして、蒸気は、パイルのエッジと接触するより大きい表面積を有する。バイオフィルターを使用する実施態様において、蒸気相の放出物は、大気中に出る前に、エッジにある物質の近くに配置されたバイオフィルター（例えば土壌または堆肥など）を通過する。バイオフィルターは、貯蔵パイルによって放出された多くの存在し得る環境汚染物質および悪臭を保持し、貯蔵パイルから放出された有害な可能性があるオフガスを除去したり、または大幅に減少させたりする。
【００７３】
一実施態様において、調製済みバイオマス材料は、液体の含有量が約８０ｗｔ％以下になるまで保存される。調製済みバイオマス材料は、最初の内容量よりも少なくとも約４〜約５％高い内容量になるまで保存される。この段階で、保存された湿式バイオマス集合体は、約２０％を超える固体をなお含有するために、まだ「ビール」とはみなされない。一実施態様において、調製済みバイオマス材料は、約２ｗｔ％から約５０ｗｔ％の間のエタノール、好ましくは約４ｗｔ％から約１０ｗｔ％の間のエタノールを含有するまで保存される。液体の残り部分は主として水であるが、例えば酢酸、乳酸などの他の多くの有機化合物を含有していてもよい。
【００７４】
本発明の実施態様では、典型的なサトウキビのジュース化操作よりもかなり短い収穫期間で固体バイオマスを収穫することができ、それにより、
１）施設を設置できる地理的地域を大幅に拡大すること、
２）作物がその最高の生産力を示すときに作物を収穫すること、
３）その最高の糖濃度となり得る状態で作物を収穫すること、
４）それでもなお経済的なより短い収穫期間、および
５）発酵のためにバイオマスからジュースをとる必要性をなくすこと
を可能にする。
【００７５】
また本発明の実施態様のバイオマス材料の調製は、一般的に固体状態での発酵と称される場合もある。
【００７６】
ＶＯＣ回収
調製済みバイオマス材料が望ましい時間保存されたか、および／またはそこに含まれる例えばエタノールなどの揮発性有機化合物が望ましい濃度になったら、その材料を、特定の揮発性有機化合物を回収するためのＶＯＣ回収システムに送ってもよい。回収システムおよび貯蔵施設は、互いにどのような距離に配置されていてもよい。本明細書で説明されるシステムおよび方法の実施態様は、双方の地理的な場所と互いに関連するそれらの配置の柔軟性をもたらす。特定の実施態様において、回収システムは、貯蔵施設から約０．５〜約２マイルに配置される。あらゆる好適な方法および／または装置を使用して、貯蔵施設から回収システムに調製済みバイオマス材料を移動させることができる。一実施態様において、供給ホッパーが使用される。一実施態様において、サイレージ用フェーサー、フロントエンドローダー、またはペイローダー、スイープオーガーもしくは他のオーガーシステムを使用して、調製済みバイオマス材料を供給ホッパーに入れることができる。これらの材料は、供給ホッパーに直接入れてもよいし、または例えばベルトシステムなどのコンベヤーシステムによって移してもよい。次いで調製済みバイオマス材料を含有する供給ホッパーを運転して、回収システムに向かってもよい。
【００７７】
回収システムは無溶媒であるため、調製済みバイオマス材料中の液体を蒸発させてガス成分にするのに過熱蒸気ストリームを使用してもよく、このガス成分を収集してもよい。過熱蒸気とは、稼働圧力下でその飽和温度を超えて加熱される蒸気である。好ましい実施態様において、回収システムが定常状態に達した後、過熱蒸気ストリームには、それまでに調製済みバイオマス材料から蒸発させた蒸気のみが含まれ、他のガスが導入されないようにすることによって、揮発性有機化合物が燃焼したりおよび／または回収された揮発性有機化合物の生成物ストリームが希釈されたりする危険を低下させる。蒸気の一部は生成物として取り除かれ、その残部は、入ってくる新鮮な調製済みバイオマス材料への熱の移動で使用するために再利用される。残りの固形成分はシステムから吐出されるが、このような固形成分はそれに続く様々な用途を有する可能性がある。また固形成分も、場合によっては固体生成物と称される場合もある。過熱蒸気はバイオマスと直接接触して、エネルギーを移動させてそこに存在する液体を蒸発させる。熱または熱エネルギー源は調製済みバイオマス材料と直接接触しない。したがって、ＶＯＣ回収システムは、「間接的な」熱の接触を提供することと説明される場合もある。
【００７８】
揮発性有機化合物の無溶媒での回収を行うために、回収システムは、過熱蒸気を連続的な方式で、すなわちストリームとして流すことを可能にする区画を含む。一実施態様において、このような区画は、ループの形状を有する。他の実施態様において、このような区画は、回転ドラムを含む。このような区画は、調製済みバイオマス材料を入れるための注入口を有する。一実施態様において、注入口は、気密式回転弁、プラグねじ、または他の類似のデバイスを含んでおり、これらは、調製済みバイオマス材料を分離して過熱蒸気ストリームに晒される表面積を大きくするのに役立つ可能性がある。
【００７９】
さらにその他の実施態様において、本システムは、液体を気化させる前に、調製済みバイオマス材料中の液体の少なくとも一部を除去する脱水メカニズムを含む。液体の除去は、調製済みバイオマス材料を区画に入れる前に行ってもよいし、および／または入れながら行ってもよい。調製済みバイオマス材料からの液体は、少なくとも１種の揮発性有機化合物を含有し、この化合物は、液体をさらに処理することによって、例えば液体を蒸留塔に供給することによって回収できる。例えば蒸留塔などのさらなる処理ユニットに液体を直接送ってもよい。その代わりに、またはそれに加えて、本システムはさらに、調製済みバイオマス材料から除去された液体を収集するための収集ユニットを包含する。次いで収集された液体のいずれかの部分をさらに処理してもよい。
【００８０】
一実施態様において、脱水メカニズムは、調製済みバイオマス材料からの液体が搾り出されるように適合させた構成要素を含む。このような実施態様において、搾り出しは、調製済みバイオマス材料を区画に供給しながら行うことができる。例えば、注入口は、調製済みバイオマス材料が区画に導入されるときに、それから液体を搾り出すための搾り出しメカニズムを含んでいてもよい。その代わりに、またはそれに加えて、調製済みバイオマス材料が区画に入る前に、別々に搾り出しを行ってもよい。このような搾り出しメカニズムの非限定的な例は、スクリュープラグフィーダー（screw plug feeder）である。
【００８１】
一実施態様において、液体除去メカニズムは、機械プレスを含む。機械プレスのタイプの非限定的な例としては、ベルトフィルタープレス、Ｖ型プレス、リングプレス、スクリュープレス、およびドラムプレスが挙げられる。ベルトフィルタープレスの特定の実施態様において、調製済みバイオマス材料を２つの多孔質のベルトの間に挟み、ローラーの上と下でプレスすることにより、水分が搾り出される。他の特定の実施態様において、ドラムプレスは、内部に回転するプレスロールを含む穴の開いたドラムを含み、このプレスロールにより材料は穴の開いたドラムに押し付けられる。さらにその他の実施態様において、ボウル型遠心分離機の場合、材料は回転する円錐型のボウルに入れられ、その外辺部に固体が蓄積される。
【００８２】
区画は、過熱蒸気ストリームと調製済みバイオマス材料とを接触させて調製済みバイオマス材料からの液体を蒸発させるスペースを提供する。液体の少なくとも一部を蒸発させることにより、調製済みバイオマス材料はガス成分と固形成分とに分けられる。本システムは、ガス成分から調製済みバイオマス材料の固形成分を分離できる分離ユニットをさらに含んでおり、そのため要求に応じてさらなる処理のために各成分を除去できる。一実施態様において、分離ユニットは、遠心捕集器を含む。このような遠心捕集器の例は、高効率のサイクロン装置である。好ましい実施態様において、分離ユニットはまた、固形成分用の流出口としても役立つ。例えば、分離ユニットは、無溶媒回収システムから固形成分を吐出させることができる。例えば蒸留などのさらなる処理のためにガス成分をシステムから出すことができるガス成分用の別々の流出口がある。一実施態様において、分離ユニットはさらに、固形成分を押し出したりまたは吐出させたりするための第二の気密式回転弁または同種のものに連結される。一実施態様において、過熱蒸気は、熱源に連結された熱交換のための構成要素によってその飽和温度より高い望ましい温度に維持され、この場合、過熱蒸気は熱源と接触しない。熱源と本システムとの熱伝達は、過熱蒸気への対流を介して起こる。一実施態様において、熱源としては、適切な熱交換器を介した電気的な要素または熱い蒸気が挙げられる。一実施態様において、稼働圧力は、約１ｐｓｉｇから約１２０ｐｓｉｇの範囲である。好ましい実施態様において、稼働圧力は、約３ｐｓｉｇから約４０ｐｓｉｇの範囲である。特に好ましい実施態様において、本システムを約６０ｐｓｉｇの稼働圧力で加圧して、システムから蒸気成分を出す。
【００８３】
一実施態様において、回収システムの始動時に、調製済みバイオマス材料は注入口を介して区画に導入される。最初のうちは水蒸気を過熱蒸気として使用して、まず調製済みバイオマス材料中の液体を蒸発させる。過熱蒸気は連続的に区画を通って移動する。調製済みバイオマス材料が過熱蒸気ストリームに入ると、このような材料は流動化し始めて、流体のように区画を通って流れる。調製済みバイオマス材料が導入されるとき、このような材料は過熱蒸気ストリームと接触した状態になる。過熱蒸気からの熱が調製済みバイオマス材料に移動すると、調製済みバイオマス材料中の液体の少なくとも一部が蒸発し、固形成分から分離されるが、この固形成分はそれでもなお水分を含有する可能性がある。ガス成分は、調製済みバイオマス材料で生産された揮発性有機化合物（複数可）を含有する。好ましい実施態様において、調製済みバイオマス材料からの液体が蒸発し始めると、気化した液体の少なくとも一部を過熱した流体としてシステムで再利用できる。すなわち、いずれか１つのサイクル中、追加の調製済みバイオマス材料がシステムに供給される次のサイクルまで、気化した液体の少なくとも一部は、さらなる処理のために収集されるのではなく、区画中に残留して過熱蒸気として役立つ。
【００８４】
好ましい実施態様において、最初の始動手順の間、過熱蒸気が調製済みバイオマス材料の気化させた液体のみを含む定常状態が達成されるまで、必要に応じて、好ましくは連続的に（断続的に、または常に）過熱した流体をパージしてもよい。ガス成分および固形成分は、それぞれの流出口を介して収集することが可能である。過熱蒸気の温度を維持するために、システム中で望ましいまたは目標とする稼働圧力を維持するために、または目標とする蒸発速度を維持するために、熱源に連結された熱交換器を介してシステムに連続的に（断続的に、または常に）熱を加えてもよい。例えば過熱蒸気ストリームの流速、圧力、および温度などの様々なシステムの条件を調節することにより、望ましい液体および／または揮発性有機化合物の除去速度を達成できる。
【００８５】
一実施態様において、収集されたガス成分は、さらなる処理のために濃縮され、例えば精製プロセスに移行させて選択されたより高濃度の揮発性有機化合物（複数可）を得るために濃縮される。好ましい実施態様において、収集されたガス成分を蒸留塔に直接供給して、ガス成分を濃縮するのに使用されないエネルギーを節減できる。他の実施態様において、ガス成分を濃縮して、次の精製工程に液体として供給する。
【００８６】
一実施態様において、回収期に入る前、調製済みバイオマス材料中の最初の液状内容物の含量は、バイオマス材料に基づき少なくとも約１０ｗｔ％および最大約８０ｗｔ％である。特定の実施態様において、最初の液状内容物は、バイオマス材料に基づき少なくとも約５０ｗｔ％である。一実施態様において、最初の液状内容物は、最初の液状内容物に基づき約２から５０ｗｔ％、好ましくは約４から１０ｗｔ％のエタノールを含む。
【００８７】
一実施態様において、収集された固形成分は、エタノール除去の目標量に応じて、約５ｗｔ％から約７０ｗｔ％、好ましくは約３０ｗｔ％から約５０ｗｔ％の液体を含有する。他の構成要素において、収集されたガス成分は、約１ｗｔ％〜約５０ｗｔ％のエタノール、好ましくは約４ｗｔ％〜約１５ｗｔ％のエタノールを含有する。一実施態様において、回収システムは、調製済みバイオマス材料に含有される揮発性有機化合物の約５０％から約１００％を回収する。調製済みバイオマスの滞留時間は、例えば揮発性有機化合物除去の目標量など多数の要因に基づき様々である。一実施態様において、区画中の調製済みバイオマス材料の滞留時間は、約１〜約１０秒の範囲である。一実施態様において、回収システムは、約０，０６ｂａｒｇ〜約１６ｂａｒｇの間で操作されてもよい。用語「ｂａｒｇ」は、当業者により理解されている通りバールゲージ（ゲージ圧）を指し、１ｂａｒは、０．１メガパスカルに等しい。一実施態様において、回収システム中のガスは、約１００℃〜約３７５℃の範囲、特に約１０４℃から約３７２℃の温度を有し、システムから出る固形成分は、約５０℃未満の温度を有する。収集された固形成分は他の用途に使用できる。非限定的な例としては、動物用飼料、プロセスエネルギーの供給もしくは発電のためのバイオマス用バーナーへのフィード、もしくはさらにセルロース系エタノールプロセスを用いてエタノールに変換されるフィード（サイレージパイル中での再発酵、またはあらゆるセルロース系エタノールプロセスのための前処理ユニットへのフィードのいずれか）、またはリグノセルロース系バイオマスを必要とする他のあらゆるバイオ燃料プロセスのためのフィードなどが挙げられる。
【００８８】
無溶媒回収システムの稼働条件としては、温度、圧力、流れの速度、および滞留時間のうち少なくとも１つが挙げられる。これらの条件のうちいずれか１つまたはそれらの組み合わせを制御して、例えば除去された最初の液状内容物の量、または回収システムから出た液体成分を分離したものの中に残存する液体の量などの、目標とする、または望ましい除去の目標量を達成してもよい。一実施態様において、少なくとも１つの稼働条件を制御することにより、最初の液状内容物の約１０〜９０ｗｔ％、好ましくは約４５〜６５ｗｔ％、より好ましくは約５０ｗｔ％の除去が達成される。
【００８９】
好ましい実施態様において、システムの温度を一定圧力で増加させることにより、バイオマス中の液体がより迅速に気化すると予想されるため、所定の滞留時間で、より高いパーセンテージのバイオマス中の液体が蒸発すると予想される。システムから出る蒸気流速は、定常状態を達成するためにバイオマスからの液体の蒸発速度と釣り合うように制御する必要があり、またシステム圧力を制御するためのメカニズムとしても使用できる。システム圧力を増加させることにより、システム中の蒸気相でより多くのエネルギーが保存されると予想され、次いでこのエネルギーは、さらなる処理で役立たせるのに使用してもよいし、または次の下流の処理ユニットへの蒸気の移動を助けるのに使用してもよい。システム中でのバイオマスの滞留時間を長くすることにより、蒸気相からバイオマスにより多くの熱を移動させ、その結果としてより多くの液体を気化させる。
【００９０】
具体的な典型的な実施態様において、回収システムは、閉ループの空気式過熱蒸気乾燥機を含み、これは商業的な供給元から得ることができる。一実施態様において、閉ループの空気式過熱蒸気乾燥機は、ＧＥＡバー−ロジン社（GEA Barr-Rosin Inc.）のＳＳＤ（商標）モデルである。他の好適な市販の装置としては、過熱蒸気プロセッサー、ＧＥＡバー−ロジン社製のＳＳＰ（商標）、ＧＥＡバー−ロジン社やダップス（Dupps）等のいくつかの会社によるリングドライヤー；ダップス製のエアレス式乾燥機；ダップスエバクサーモ（DuppsEvactherm（商標））製のクアッドパス（QuadPass（商標））回転式ドラム乾燥機、アイリッヒ（Eirich）製の真空過熱蒸気乾燥；スイス・コンビ・エコドライ（Swiss Combi Ecodry）製の過熱蒸気を使用する回転式ドラム乾燥機；およびセラミック・ドライング・システム社（Ceramic Drying Systems Ltd.）製のエアレス式乾燥機が挙げられる。
【００９１】
本プロセスのための揮発性有機物質の回収ユニットとして役立たせることができる間接的な乾燥機のさらにその他のタイプは、バッチ式トレイドライヤー、間接接触式の回転乾燥機、回転バッチ式真空乾燥機、および撹拌乾燥機である。これらの乾燥機の基本原理は、乾燥機が閉められて真空系に連結されることにより、蒸気が生成すると同時に固体から蒸気を除去することである（さらに、真空で圧力を低くすることによっても、揮発物質をより容易に除去できる）。湿潤固体が例えばトレイまたはパドルなどの熱い表面と接触すると、熱が湿潤固体に移行して液体が蒸発するので、この液体を真空系で収集して濃縮してもよい。
【００９２】
図１は、システム１００と称される過熱蒸気乾燥機を採用する典型的なＶＯＣ回収システムおよびプロセスを例示する。特定の実施態様において、過熱蒸気乾燥機は、ＧＥＡバー−ロジン社から入手できる。図１において、サイレージパイル中での固体状態での発酵後にエタノールおよび／または他のＶＯＣを含有する調製済みバイオマス材料１は、投入口２を介して区画３に供給される。示された特定の実施態様において、投入口２は、スクリュー押出機を含む。図１で示されるように、調製済みバイオマス材料１の液体の少なくとも一部は、区画３に入る前に除去される。脱水メカニズムはスクリュープラグフィーダーであってもよく、そこを調製済みバイオマス材料１が通過する。バイオマス材料１から除去された液体の少なくとも一部は、回収システム１００を経ずに、ストリーム１５を介して蒸留工程１１に直接送られてもよい。場合により、デランパー（delumper）が、脱水メカニズムのアウトプットに連結されていてもよく、これは、脱水したバイオマス材料を区画３に導入しやすくするのに使用できる。
【００９３】
図１を参照すると、回収システム１００は区画３を含み、ここで区画３は、例えば調製済みバイオマス材料１の滞留時間、過熱蒸気への熱伝達、ならびに稼働圧力および温度などの望ましい稼働条件が達成されるように適合させた適切な直径、長さ、および形状を有するコンジットとして示されており、加圧される場合もある。調製済みバイオマス材料１は、システム１００を介して流動している過熱蒸気と望ましい温度で接触して、流動化するようになる。上記で説明したように、好ましい実施態様において、過熱蒸気、またはそれらの少なくとも一部は、それまでにＶＯＣ回収のためにシステム１００に供給された調製済みバイオマス材料から得られた蒸気成分である。流動化したバイオマスは目標とする流速で区画３を通って流れ、調製済みバイオマス材料１から望ましい量の液体を蒸発させるのに十分な目標とする滞留時間にわたり過熱蒸気と接触した状態を保つ。示される実施態様において、システム１００を通る過熱蒸気および調製済みバイオマス材料１の流れは、システムファン１４によって促進される。システム１００は、１つまたはそれより多くのファンを有していてもよい。過熱蒸気およびバイオマス材料１の流速または速度は、システムファン１４によって制御可能である。バイオマス材料１は区画３を通ってを流れて分離ユニット４に到達するが、ここで分離ユニット４は好ましくはサイクロンセパレーターであり、そこでバイオマス材料１の蒸気成分と固形成分とが互いに分離される。示した通り、蒸気成分は、オーバーヘッドストリーム５を介して固形成分から離れる進路をとり、バイオマス材料１の残部が固形成分とみなされ、この固形成分は、固形成分７として分離ユニット４から好ましくはスクリュー押出機６により吐出される。吐出した固形成分７の少なくとも一部は、動物用飼料、バーナー燃料、または他のバイオ燃料プロセスのためのバイオマス供給材料として使用できる。
【００９４】
例えば、固形成分７の少なくとも一部は、固形成分７に含有されるリグノセルロース系材料をさらに処理するプロセス４００のための供給材料として役立つ可能性がある。プロセス４００は図３で例示され、以下ではそれに従ってさらに論じられる。図１を参照すると、ストリーム８と称される蒸気成分の一部は、新たに導入された調製済みバイオマス材料を蒸発させるのに使用される過熱蒸気の一部として保持され再利用される。示された実施態様において、ストリーム８中に保持された蒸気成分は、熱交換器９を経由してそれを目標とする稼働温度に加熱する。熱源としては、水蒸気、電気、熱い煙道ガスまたは当業者公知の他のあらゆる適用可能な加熱源が挙げられる。
【００９５】
好ましい実施態様において、システム中の圧力が目標値で維持されて、望ましい量の液体を蒸発させるのに十分な量のエネルギーが存在するように、温度が制御される。また圧力は、過熱蒸気ストリームの流速および熱交換器９への熱の投入によっても制御できる。好ましくは、回収システム１００は連続的に稼働し、その場合、調製済みバイオマス材料１は望ましい速度で連続供給され、蒸気成分１０および固形成分６は連続的な速度で連続除去される。好ましい実施態様において、１回の試行からの「新鮮な」蒸気成分８は、次の試行のための過熱蒸気ストリームとして使用するために、目標速度で連続的に保持される。これらの速度はいずれも、望ましい稼働条件が達成されるように調節できる。述べられているように、システムファン１４は、過熱蒸気ストリームをシステム１００を介して循環させることにより、目標とする流速または速度が達成されるように調節することが可能である。
【００９６】
図１を参照すると、数字１０で表示される蒸気成分ストリーム５の残部は蒸留工程１１に送られる。蒸留の配置に応じて、蒸気成分部分１０は、さらなる精製の前に濃縮してもよいし、または好ましくは蒸気として蒸留塔に直接供給してもよい。好ましい実施態様において、蒸留工程１１からの蒸留生成物は、エタノール約９５．６ｗｔ％のエタノール含量（エタノール／水の共沸）を有し、これをさらに、工程１２として示される一般的なエタノール脱水技術を使用して約９９ｗｔ％より高く精製してもよい。次いで最終的なエタノール生成物１３は、典型的にはガソリンとブレンドするためのバイオ燃料として使用されると予想される。
【００９７】
図２は、別の典型的な回収システムと、様々な製造元が供給しているリングドライヤーの代表例であるシステム２００と称される過熱蒸気乾燥機とを採用するプロセスを例示する。調製済みバイオマス材料２０１を、投入口２０２を介してシステム２００に供給し、ここで投入口２０２は、好ましくはスクリュー押出機を含む。一実施態様において、調製済みバイオマス材料２０１の液体の少なくとも一部を、システム２００に入る前に除去する。脱水メカニズムはスクリュープラグフィーダーであってもよく、それを介して調製済みバイオマス材料２０１が通過する。バイオマス材料２０１から除去された液体の少なくとも一部は、回収システム２００を経ないで、直接ストリーム２１５を介して蒸留工程２１１に送ってもよい。場合により、デランパーが、脱水メカニズムのアウトプットに連結されていてもよく、これを使用して、脱水したバイオマス材料を区画２０３に導入しやすくすることができる。
【００９８】
図２を参照すると、回収システム２００は区画２０３を含み、この区画２０３は、好ましくは、調製済みバイオマス材料２０１の滞留時間、過熱蒸気への熱伝達、ならびに稼働圧力および温度などのＶＯＣ回収のための目標稼働条件をもたらす回転ドラムを含む。調製済みバイオマス材料２０１は、区画２０３に入った後、定常状態で稼働する間に、システム２００を介して流動する過熱蒸気と稼働温度および流速で接触することにより、流動化するようになる。上記で説明したように、好ましい実施態様において、過熱蒸気、または少なくともそれらの一部は、それまでにＶＯＣ回収用にシステム２００に供給された調製済みバイオマス材料から得られた蒸気成分である。流動化したバイオマスは、区画２０３を目標とする流速で介して流れ、目標とする滞留時間にわたり過熱蒸気と接触した状態を保つことにより、バイオマスからの液体の目標とする蒸発が達成される。次いで流動化したバイオマスは分離ユニット２０４に到達するが、ここで分離ユニット２０４は好ましくはサイクロンセパレーターであり、蒸気成分と固形成分とが互いに分離される。示した通り、蒸気成分は、オーバーヘッドストリーム２０５を介して固形成分から離れるような進路を取り、固形成分２０７は分離ユニット２０４から吐出される。示した通り、固形成分２０７は押出機２０６を介してシステム１００から出るが、その少なくとも一部は、固形成分２０７に含有されるリグノセルロース系材料をさらに処理するプロセス４００のための供給材料として役立つ可能性がある。図３にプロセス４００を例示しており、それに対応して以下でさらに論じられる。固形成分２０７は、直接プロセス４００に送られてもよい。それに加えて、またはその代わりに、固形成分２０７は、プロセス４００に供給するために輸送されてもよい。ストリーム２０８と称される蒸気成分の一部は、新たに導入された調製済みバイオマス材料を蒸発させるのに使用される過熱蒸気の一部として保持され再利用される。示した通り、保持された蒸気成分２０８は、熱交換器２０９を経由してそれを目標温度または望ましい温度加熱する。熱または熱エネルギー源としては、水蒸気、電気、熱い煙道ガスまたは他のあらゆる望ましい加熱源が挙げられる。示した通り、熱い煙道ガスが使用される。システム中の圧力が目標値で維持されて、望ましい量の液体を蒸発させるのに十分な量のエネルギーが存在するように、温度が制御される。また圧力は、過熱蒸気ストリームの流速および熱交換器２０９への熱の投入によっても制御できる。
【００９９】
図２を参照すると、数字２１０で表示される蒸気成分ストリーム２０５の残部は、蒸留工程に送られる。蒸留の配置に応じて、蒸気成分部分２１０は、さらなる精製の前に濃縮してもよいし、または好ましくは蒸気として蒸留塔に直接供給してもよい。蒸留工程からの生成物を公知のプロセスを使用してさらに濃縮してもよい。
【０１００】
好ましくは、回収システム２００は連続的に稼働し、その場合、調製済みバイオマス材料２０１は望ましい速度で連続供給され、蒸気成分２１０および固形成分２０６は連続的な速度で連続除去される。好ましい実施態様において、１回の試行からの「新鮮な」蒸気成分２０８は、次の試行のための過熱蒸気ストリームとして使用するために、目標速度で連続的に保持される。これらの速度は全て、望ましい稼働条件が達成されるように調節できる。システムファン２１４は、過熱蒸気ストリームの循環ループを作り出し、目標とする流速が達成されるように調節が可能である。
【０１０１】
本発明の形態に従って無溶媒回収システムを使用することにより、好ましい実施態様では、システム中の熱伝達のポイント、すなわちシステムへの熱の添加および調製済みバイオマス材料への熱伝達が蒸気相で起こる。断熱性を有するため悪い伝熱体である調製済みバイオマス材料中での固相の熱伝達（伝導）よりも、蒸気相の熱伝達（対流）は効率的であり、有利である。上述したように、所定の実施形態において、定常状態に達すれば、調製済みバイオマス材料の液体から気化したもの以外の蒸気は、システム中の調製済みバイオマス材料の固形成分およびガス成分と接触しないことから、プロセス水蒸気または過熱蒸気ストリームにつぎ足される他の蒸気の添加に起因すると思われる希釈を予防したりまたは低減させたりする。収集されたガス成分は、望ましい揮発性有機化合物（複数可）を分離するために直接蒸留塔に供給されてもよく、それにより有意にエネルギーを節約できる。このシステムの利点は、湿潤固体と接触する蒸気が、それまでに固体から除去された蒸気のみであるため、希釈または爆発の危険等が生じないという点である。
【０１０２】
リグノセルロース系材料のさらなる処理
図１および２を参照すると、例えばシステム１００および２００などの回収システムから吐出した固形成分７および成分２０７などの固形成分の少なくとも一部は、さらなる処理システム４００への供給材料として役立つ可能性があり、発酵性糖が生成するようにさらに処理される。さらなる処理システム４００への供給材料として役立つ固形成分は、「バイオベースの供給材料」、「固形成分供給材料」、または「バイオマス供給材料」と称することもできる。さらなる処理システム４００は、固形成分中のリグノセルロース系材料を処理して、例えば追加の発酵などのそれに続く反応で使用できる発酵性糖を生成させる。好ましい実施態様において、例えばシステム４００などのさらなる処理システムは、例えばシステム１００または２００などのＶＯＣ回収システムの近くに配置され、さらに、回収システムから吐出した固形成分の少なくとも一部が、供給材料としてさらなる処理システム４００に直接送られるようにＶＯＣ回収システムに連結され、ここで処理システム４００は、好ましくは連続的または半連続的な流れの様式で稼働する。その好ましい実施態様において、固形成分供給材料は、同調する工業的システム中に存在しており、その場合、固形成分供給材料は工業的システムですでに流動しているため、固形成分供給材料を貯蔵から取り出しそれをさらなる処理システムに導入するメカニズムを必要としない。さらに、さらなる処理システムにＶＯＣ回収システムを連結させた実施態様は、１つの部位で、様々な源から、例えば容易に利用可能な発酵性糖およびリグノセルロース系材料からの揮発性有機化合物の生産を可能にすることから、すでに同調するシステム中に存在しない他の供給材料源に関連する貯蔵、取り扱い、および輸送にかかるコストを低減する。またこのような実施態様は、リグノセルロース系材料を追加処理するための施設に到着したとき、または到着する前に貯蔵、輸送、および／またはサイズの低減を必要とすることが多い従来の供給材料とは対照的に、すでに粒度が小さい供給材料の連続供給も提供でき、それに伴う特定のコストも低減される。その代わりに、またはそれに加えて、異なる位置に配置された他のさらなる処理システムに固形成分を輸送してもよい。輸送を容易にして、および／または輸送コストを低減するために、固形成分をペレット化してもよいし、またはさらに調整してもよい。本発明の実施態様において、固形成分はすでに粒度が小さいため、他の供給材料源と比較してペレット化または他の調整プロセスのコストと困難さが低減される。
【０１０３】
所定の実施形態において、さらなる処理は、固形成分の少なくとも一部を、糖化が容易に起こるように適合させた溶液と接触させることを含む。用語「糖化」は、その通常の意味を有し、少なくとも複合型の炭水化物（例えばスターチまたはセルロース）を単糖または発酵性糖に変換するプロセスを指す。例えば化学的な糖化プロセスおよび／または酵素による糖化プロセスなどのあらゆる糖化プロセスもしくは糖化プロセスのあらゆる組み合わせが使用できる。図３に、リグノセルロース系材料の場合の２つの典型的な糖化経路を示す：一方は、濃縮した酸の加水分解を介した経路であり、他方は前処理および酵素加水分解を介した経路である。好ましい実施態様において、糖化プロセスは、それに続く酵素加水分解のために固形成分供給材料を前処理することを含む。また固形成分供給材料の前処理により、部分的な糖化または少なくともある程度の糖化をもたらすこともできることが理解される。リグノセルロースは構造的な複雑さのために酵素加水分解を受けにくいために、前処理が好ましい。固形成分供給材料を前処理は、典型的にはヘミセルロースを除去してセルロースをセルラーゼ酵素とより接触しやすくすることにより、その酵素での消化しやすさを向上させることができる。例えば、これらに限定されないが、希酸、熱水、アンモニア、アルカリ、ＳＰＯＲＬ、水蒸気爆発、イオン液体、オルガノソルブなどの様々な化学的および機械的な前処理方法が考察されており、これらは文献で詳細に説明されている（例えば、ZhuおよびPan（2010）、Bioresource Technology、101：4992〜5002；HendriksおよびZeeman（2009）、Bioresource Technology、100：10〜18を参照、これら両方の論文の開示は、参照によりそれらの全体があらゆる目的において本明細書に組み入れられる）。
【０１０４】
例えば、一実施態様において、前処理は、熱水を約１７０℃から約２００℃の範囲で使用することを含む。他の実施態様において、前処理は、高温での希硫酸プロセスを使用することを含み、このプロセスは、バイオマスのヘミセルロース部分を効果的に可溶性糖に加水分解して、酵素による糖化がうまくいくようにセルロースを露出させるものである。一実施態様において、希酸溶液での前処理の温度は、約１４０℃から約１７０℃の範囲である。希酸前処理条件を制御するのに採用できるパラメーターとしては、時間、温度、および酸含有量が挙げられる。これらは、複合的厳しさ係数（combined severity factor）と称される数学的な式で組み合されることが多い。一般的には、より高い酸含有量採用されると、前処理で採用可能な温度がより低くなる。逆に言えば、より低い温度が使用されると、前処理プロセスにかかる時間がより長くなる。
【０１０５】
一実施態様において、さらなる処理システム４００はさらに、前処理済みの生成物の少なくとも一部を酵素加水分解させて、追加の発酵性糖を生成することを包含する。酵素加水分解に関する追加の情報はさらに以下に示される。次いで、特定の実施態様において、リグノセルロース系材料のさらなる処理からの発酵性糖を、本明細書で説明されるような様々な微生物を使用して；例えば、炭化水素が生産されるように適合させた微生物を使用して発酵させてもよい。これは、一般的に、リグノセルロース発酵と称される場合がある。
【０１０６】
図１および２を参照すると、一実施態様において、リグノセルロース発酵からの液体（ＶＯＣを含有する）の少なくとも一部をストリーム４３０に通過させて、上記で説明したような無溶媒回収システム１００または２００を使用して調製済みバイオマス１または２０１から回収された蒸気成分１０または２１０および／または液体生成物１５または２１５の蒸留プロセス１１または２１１と合流させてもよい。同様に、さらなる処理４００におけるリグノセルロース発酵からのいずれかの固体材料の少なくとも一部に含まれるＶＯＣは、ストリーム４３２で示されるように、無溶媒回収システム１００または２００を使用して回収してもよい。したがって、本発明の所定の実施態様は、バイオマス中の容易に入手可能な発酵性糖からのＶＯＣ生成、これらのＶＯＣの回収、１回目の発酵および回収からのリグノセルロース系材料の処理、リグノセルロース系材料からの追加のＶＯＣの生成、およびそれらの回収のための統合された総合システムを提供することが可能である。このような実施態様におけるシステムは、追加の装置にかかるコスト、すなわち設備投資が必要なく、同じ装置が全てのＶＯＣ生産に使用できる。
【０１０７】
特に好ましい実施態様において、少なくとも１種のアルファ−ヒドロキシスルホン酸を含む酸溶液が使用される。より低温で、例えばα−ヒドロキシメタンスルホン酸またはα−ヒドロキシエタンスルホン酸の場合は約１００℃でバイオマスをペントースのような発酵性糖（例えばキシロースなど）に加水分解して、プロセス中にフルフラールをわずかしか生産しないかまったく生産しないために、α−ヒドロキシスルホン酸は効果的である。またセルロースの一部も、これらの比較的穏やかな条件下で加水分解することが示されている。例えばスターチなどの他の多糖類も、α−ヒドロキシスルホン酸により構成糖に容易に加水分解されることが発見された。さらに、α−ヒドロキシスルホン酸は、例えば硫酸、リン酸、または塩酸などの鉱酸とは異なり、容易に除去できるように可逆的であり、且つ再利用可能な材料である。バイオマス処理で採用されるより低い温度および圧力により、装置にかかるコストが少なくなる。この方式で前処理されたバイオマスは、追加の糖化、特に酵素が介在する糖化に対する感受性が極めて高くなることが示されている。
【０１０８】
一般式
【０１０９】
【化１】
0006291482.tif 000009
【０１１０】
で示されるアルファ−ヒドロキシスルホン酸が、本発明の処理で使用でき、ここで上記式中Ｒ１およびＲ２はそれぞれ水素であるか、または最大約９個の炭素原子を有するヒドロカルビルであり、このヒドロカルビルは、酸素を含有していてもよいし、または含有していなくてもよい。アルファ−ヒドロキシスルホン酸は、上述の酸の混合物であってもよい。このような酸は、一般的には、以下の一般的な式１に従って少なくとも１種のカルボニル化合物またはカルボニル化合物の前駆体（例えば、トリオキサンおよびパラホルムアルデヒド）を、二酸化硫黄または二酸化硫黄の前駆体（例えば、硫黄および酸化剤、または三酸化硫黄および還元剤）および水と反応させることによって製造できる。
【０１１１】
【化２】
0006291482.tif 000010
【０１１２】
式中Ｒ１およびＲ２はそれぞれ水素であるか、または最大約９個の炭素原子を有するヒドロカルビルであるか、またはそれらの混合物である。
【０１１３】
アルファ−ヒドロキシスルホン酸を製造するのに有用なカルボニル化合物の説明に役立つ例としては、
Ｒ１＝Ｒ２＝Ｈ（ホルムアルデヒド）
Ｒ１＝Ｈ、Ｒ２＝ＣＨ３（アセトアルデヒド）
Ｒ１＝Ｈ、Ｒ２＝ＣＨ２ＣＨ３（プロピオンアルデヒド）
Ｒ１＝Ｈ、Ｒ２＝ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３（ｎ−ブチルアルデヒド）
Ｒ１＝Ｈ、Ｒ２＝ＣＨ（ＣＨ３）２（ｉ−ブチルアルデヒド（butyraidehyde））
Ｒ１＝Ｈ、Ｒ２＝ＣＨ２ＯＨ（グリコールアルデヒド）
Ｒ１＝Ｈ、Ｒ２＝ＣＨＯＨＣＨ２ＯＨ（グリセルアルデヒド（glyceraldehdye））
Ｒ１＝Ｈ、Ｒ２＝Ｃ（＝Ｏ）Ｈ（グリオキサール）
【０１１４】
【化３】
0006291482.tif 000011
【０１１５】
Ｒ１＝Ｒ２＝ＣＨ３（アセトン）
Ｒ１＝ＣＨ２ＯＨ、Ｒ２＝ＣＨ３（アセトール）
Ｒ１＝ＣＨ３、Ｒ２＝ＣＨ２ＣＨ３（メチルエチルケトン）
Ｒ１＝ＣＨ３、Ｒ２＝ＣＨＣ（ＣＨ３）２（メシチルオキシド）
Ｒ１＝ＣＨ３、Ｒ２＝ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）２（メチルｉ−ブチルケトン）
Ｒ１、Ｒ２＝（ＣＨ２）５（シクロヘキサノン）または
Ｒ１＝ＣＨ３、Ｒ２＝ＣＨ２Ｃｌ（クロロアセトン）
が挙げられる。
【０１１６】
カルボニル化合物およびその前駆体は、上述した化合物の混合物であってもよい。例えば、上記混合物は、カルボニル化合物または前駆体であってもよく、例えば、高温でホルムアルデヒドに熱的に戻ることが公知のトリオキサン、またはあらゆる公知の方法によるアルコールからアルデヒドへの脱水素によってアルデヒドに変換され得るアルコールであってもよい。このようなアルコールからアルデヒドへの変換の例は、以下で説明される。カルボニル化合物源の例は、ヒドロキシアセトアルデヒドと、例えば「Fast Pyrolysis and Bio-oil Upgrading, Biomass-to-Diesel Workshop」、Pacific Northwest National Laboratory、ワシントン州リッチランド、２００６年９月５〜６日で説明されているような迅速な熱分解油から生産された他のアルデヒドおよびケトンとの混合物であってもよい。またカルボニル化合物およびその前駆体は、好ましくは炭素原子が１〜７個の範囲のケトンおよび／またはアルデヒドに変換される得るアルコール含有または非含有のケトンおよび／もしくはアルデヒドの混合物であってもよい。
【０１１７】
有機カルボニル化合物、ＳＯ２、および水を組み合わせてアルファ−ヒドロキシスルホン酸を製造することが一般的な反応であり、式２でアセトンに関して例示する。
【０１１８】
【化４】
0006291482.tif 000012
【０１１９】
アルファ−ヒドロキシスルホン酸の付加物の水溶液は、ＮａＣｌと反応してより弱い酸のＨＣｌを放出することが報告されていることから（ＵＳ３，５４９，３１９を参照）、α−ヒドロキシスルホン酸は、ＨＣｌよりも強くないとしてもそれと同等に強いようである。式１における反応は真の平衡であるため、容易に酸の可逆性が生じる。すなわち、加熱すると、平衡シフトが出発物のカルボニル、二酸化硫黄、および水（構成成分の形態）に向かう。揮発性成分（例えば二酸化硫黄）が蒸発または他の方法により反応混合物から失われる場合、酸の反応が完全に逆向きになり、溶液は効果的に中性になる。したがって、温度を増加させること、および／または圧力を低くすることにより、二酸化硫黄が追い出される可能性があり、ルシャトリエの原理により反応が完全に逆向きになることから、カルボニル化合物がどうなるかは採用される材料の性質によって左右される。カルボニルも揮発物質（例えばアセトアルデヒド）である場合、この材料も蒸気相で容易に除去される。例えば水に溶けにくいベンズアルデヒドなどのカルボニル化合物は、第二の有機相を形成して、機械的な手段により分離することが可能である。したがって、カルボニルは、例えば、熱および／または真空の継続的な適用、水蒸気および窒素でのストリッピング、溶媒洗浄、遠心分離などの従来の手段によって除去できる。それゆえに、温度が上昇するにつれて、混合物から二酸化硫黄および／またはアルデヒドおよび／またはケトンの状態になり、再利用するためにこれらを濃縮するかまたはどこかに吸収させることができるという点で、これらの酸の形成は可逆的である。強い無機酸とほぼ同等に強いこれらの可逆的な酸は、バイオマス処理反応において効果的であることが発見された。望ましくない副産物のフルフラールは、他の従来の無機酸では生産されるが、これらの処理反応ではほとんど生産されないことが見出された。加えて、このような酸は、処理後に反応混合物から効果的に除去されるため、下流での処理を複雑にする塩基での中和と塩の形成が実質的に回避される。またこれらの酸を逆反応させ再利用する能力はさらに、別の方法で経済的または環境的に実用的であると予想される濃度よりも高い濃度の使用も可能にする。直接的な結果として、バイオマス処理で採用される温度を低下させることで、例えばフルフラールまたはヒドロキシメチルフルフラールなどの副産物の形成を減らすことができる。
【０１２０】
式１で示されるあらゆる所定の温度および圧力における平衡の位置は、採用されるカルボニル化合物の性質、酸の熱安定性に強い影響を有する立体的および電子的な作用の影響を強く受けることが発見された。カルボニル周辺が立体的に嵩高になればなるほど、酸の形態のより低い熱安定性のほうに傾く。したがって、適切なカルボニル化合物を選択することによって酸の強度および容易な分解の温度を調節できる。
【０１２１】
いくつかの実施態様において、説明される反応は、連続流（例えばＣＳＴＲおよび栓流反応装置など）、バッチ、セミバッチまたはマルチシステムの容器および反応装置、ならびに充填層型流通式反応装置を含むシステムなどの好適な設計を有するあらゆるシステムで実行される。厳密には経済的実行可能性の理由から、本発明は、平衡定常状態で連続流システムを使用して実施されることが好ましい。本方法の利点の１つにおいて、残留した酸が反応混合物中に残る希酸（１％ｗｔ．未満の硫酸）での前処理反応とは対照的に、より低温ではこれらの酸（１０〜２０％ｗｔ）の使用が採用されることから、反応装置中の圧力が実質的により低くなり、その結果として、例えば内張りがプラスチックの反応装置、二相ステンレス反応装置、および２２０５タイプの反応装置などの、価格をより安くできる処理システムの使用が可能になる。
【０１２２】
図４は、本発明の形態に従って得られた固形成分供給材料を糖に変換するための実施態様を示す。示された実施態様において、供給材料４１２は、本発明の実施態様の形態に従って生成した固形成分の少なくとも一部、例えば図１および２に記載の固形成分７または２０７を含む。この実施態様において、バイオマス供給材料４１２を、再利用ストリーム４１８と共に加水分解反応４１４に導入する。加水分解反応４１４は、その場で生成したα−ヒドロキシスルホン酸などの多数の成分を含んでいてもよい。用語「その場で」は、本明細書で使用される場合、全プロセス内で生産される成分を指し、生産または使用に関して特定の反応装置に限定されず、したがってプロセス中に生成した成分と同義である。４１４からの反応済みの生成物ストリーム４１６を酸除去システム４２０に導入し、そこで酸をその構成成分の形態で除去し、次いで回収し（４２２）（さらに場合により浄化し（４２４））、４１４への再利用ストリーム４１８を介して再利用することにより、少なくとも１種の発酵性糖（例えばペントース、場合によりヘキソース）を含有するが実質的にアルファ−ヒドロキシスルホン酸を含まない生成物ストリーム４２６がさらなる処理のために生産される。構成成分として除去した酸を、構成成分として、および／またはその再結合した形態で４１４に再利用する。
【０１２３】
図５は、本発明の形態に従って得られた固形成分供給材料を糖に変換するための他の実施態様を示す。示された実施態様において、供給材料４１２は、例えば図１および２の固形成分７または２０７などの、本発明の実施態様の形態に従って生成した固形成分の少なくとも一部を含む。この実施態様において、供給材料４１２を、再利用ストリーム４１８と共に加水分解反応４１４に導入する。加水分解反応４１４は、その場で生成したα−ヒドロキシスルホン酸などの多数の成分を含んでいてもよい。４１４からの反応済みの生成物ストリーム４１６を酸除去システム４２０に導入し、そこで酸をその構成成分の形態で除去し、次いで回収し（４２２）（さらに場合により浄化し（４２４））、４１４への再利用ストリーム４１８を介して再利用することにより、少なくとも１種の発酵性糖（例えばペントース、場合によりヘキソース）を含有するがアルファ−ヒドロキシスルホン酸を含まない生成物ストリーム４２６が生産される。構成成分として除去した酸を、構成成分として、および／またはその再結合した形態で４１４に再利用する。５００で生成物ストリーム４２６をろ過して、発酵性糖（例えばペントース、場合によりヘキソース）を含有する液体ストリーム５１０と、セルロースおよびリグニンを含有する湿潤固体ストリーム５２０とを生産する。
【０１２４】
一実施態様において（示さず）、生成物ストリーム４２６および／または湿潤固体ストリーム５２０の少なくとも一部を酵素加水分解させて、追加の発酵性糖を生成させてもよい。酵素加水分解に関する追加の情報はさらに以下に示される。特定の実施態様において、次いでリグノセルロース系材料のさらなる処理からの発酵性糖（液体ストリーム５１０を包含する）を上記で説明したような様々な微生物を使用して発酵させて、複数種の揮発性有機化合物を生成させてもよい。これは、一般的に、リグノセルロース発酵と称される場合がある。一実施態様において、リグノセルロース発酵からの液体（ＶＯＣを含有する）の少なくとも一部を送って、上記で説明したような無溶媒回収システムを使用して調製済みバイオマスから回収された蒸気および／または液体生成物の蒸留プロセスに合流させてもよい。同様に、リグノセルロース発酵からのいずれかの固体材料の少なくとも一部に含まれるＶＯＣは、調製済みバイオマス材料からのＶＯＣを回収するのに使用されるものと同じ無溶媒回収システムを使用して回収してもよい。
【０１２５】
様々な要因が、加水分解反応におけるバイオマス供給材料の変換に影響を与える。カルボニル化合物または初発のカルボニル化合物（例えばトリオキサンなど）は、二酸化硫黄および水と共に、アルファ−ヒドロキシスルホン酸を形成するのに有効な量および条件下で添加されると予想される。加水分解反応の温度および圧力は、アルファ−ヒドロキシスルホン酸を形成してバイオマスを発酵性糖に加水分解するような範囲内であると予想される。カルボニル化合物またはその前駆体および二酸化硫黄の量は、総溶液に基づき、約１ｗｔ％以上、好ましくは約５ｗｔ％以上、最も好ましくは約１０ｗｔ％以上、約５５ｗｔ％以下、好ましくは約５０ｗｔ％以下、より好ましくは約４０ｗｔ％以下の範囲でアルファ−ヒドロキシスルホン酸を生産するような量であると予想される。反応について、過量の二酸化硫黄は必ずしも必要ではないが、過量の二酸化硫黄を使用することにより、高温で酸の形態に傾くように式１における平衡を動かすことができる。加水分解反応の接触条件は、使用されるアルファ−ヒドロキシスルホン酸に応じて好ましくは少なくとも約５０℃以上の温度で行われてもよいが、このような温度は、使用される酸および圧力に応じて室温程度の低さであってもよい。加水分解反応の接触条件は、使用されるアルファ−ヒドロキシスルホン酸に応じて好ましくは約１５０℃を含むそれ以下の温度範囲であってもよい。より好ましい条件において、温度は、少なくとも約８０℃以上、最も好ましくは少なくとも約１００℃である。より好ましい条件において、温度は、約９０℃から約１２０℃を含むそれ以下の範囲である。反応は、過量の二酸化硫黄を含有するという必要条件を考慮して、好ましくは可能な限り低い圧力で行われる。また反応は、約１ｂａｒｇもの低い圧力で、好ましくは約４ｂａｒｇで、最大約１０ｂａｒｇもの高い圧力で行われてもよい。最適に利用される温度および圧力は、選ばれた特定のアルファ−ヒドロキシスルホン酸によって決まり、当業者によって実施される冶金および格納容器の経済上の考慮に基づき最適化されると予想される。
【０１２６】
バイオマスの「乾燥重量」に対する酸溶液の量が、得られた発酵性糖の最終的な濃度を決定する。したがって、できる限り高いバイオマス濃度が望ましい。これは、バイオマスの吸収性の性質と相殺されて、液体に対するバイオマス固体の相対量が増加するために混合、輸送、および熱伝達がますます難しくなる。これらの混合、輸送、および熱伝達に対する障害を回避するために多数の方法が当業者により利用されている。したがって、総液体に対するバイオマス固体の重量パーセンテージ（粘稠度）は、選ばれる装置とバイオマスの性質に応じて、１％もの低さでもよいし、または３３％もの高さであってもよい。
【０１２７】
加水分解反応の温度は、分解産物の形成を制限しながら最大限の量の抽出可能な炭水化物が加水分解されて、バイオマス供給材料から発酵性糖（より好ましくはペントースおよび／またはヘキソース）として抽出されるように選ぶことができる。
【０１２８】
いくつかの実施態様において、複数の反応装置の容器を使用して、加水分解反応を実行してもよい。これらの容器は、加水分解反応を実行できるのであればどのような設計を有していてもよい。いくつかの実施態様において、複数の反応装置の容器を使用して、加水分解反応を実行してもよい。これらの容器は、加水分解反応を実行できるのであればどのような設計を有していてもよい。好適な反応装置の容器の設計としては、これらに限定されないが、バッチ式、トリクルベッド式、並流式、向流式、撹拌槽式、または流動床式反応装置などが挙げられる。最適なまたは望ましい経済的な解決法に到達するように反応装置の多段化（Staging）を採用してもよい。次いで、場合により残存するバイオマス供給材料の固体を液体ストリームから分離して、処理し難い固体により過酷な処理を行ってもよいし、または液体ストリーム内で直接的に例えば酵素加水分解、発酵、抽出、蒸留および／または水素添加などを含むさらなる処理に移行させてもよい。他の実施態様において、各容器で望ましい糖画分が抽出されるように、温度を増加させるプロファイルを利用して一連の反応装置の容器を使用してもよい。次いでストリームを合わせる前に各容器の出口を冷却してもよいし、またはそれぞれ個々にストリームを次の変換反応に供給してもよい。
【０１２９】
好適な反応装置の設計としては、これらに限定されないが、逆反応反応装置（backmixed reactor）（例えば、撹拌槽、気泡塔、および／またはジェット混合反応装置（jet mixed reactor））などが挙げられ、これらは、部分的に消化されたバイオベースの供給材料および液状の反応媒体の粘度および特徴が、（積層型の消化装置（stacked pile digester）とは対照的に）バイオベースの供給材料の固体が過量の液相に懸濁される方式で稼働するのに十分な程度であれば採用される可能性がある。また、バイオマスが固定相として存在し、アルファ−ヒドロキシスルホン酸の溶液がその材料を通過するような場合、トリクルベッド式反応装置を採用できることも想定される。
【０１３０】
処理反応生成物は、発酵性糖、またはさらなる処理に好適なペントースおよび／もしくはヘキソースなどの単糖を含有する。熱および／または真空の適用により、アルファ−ヒドロキシスルホン酸の形成を逆方向に向けてその出発原料に戻し、発酵性糖を含有するが実質的にα−ヒドロキシスルホン酸を含まないストリームを生産することによって、発酵性糖を含有する生成物ストリームから残留したアルファ−ヒドロキシスルホン酸を除去してもよい。特に、生成物ストリームは、実質的にアルファ−ヒドロキシスルホン酸を含まず、これは、生成物ストリーム中に存在する量が約２ｗｔ％以下であることを意味し、好ましくは生成物ストリーム中に存在する量が約１ｗｔ％以下であり、より好ましくは約０．２ｗｔ％以下であり、最も好ましくは約０．１ｗｔ％以下である。温度および圧力は、使用される具体的なアルファ−ヒドロキシスルホン酸によって決まると予想され、処理反応中に得られる糖を維持するためには採用される温度をできる限り低くすることが望ましい。除去は、典型的には約５０℃以上、好ましくは約８０℃以上、より好ましくは９０℃以上、約１１０℃以下、最大約１５０℃の範囲の温度で行われてもよい。圧力は、約０．５ｂａｒｇから約２ｂａｒｇまで、より好ましくは０．１ｂａｒａから約１ｂａｒｇまでの範囲であってもよい。アルファ−ヒドロキシスルホン酸の形成および維持、ならびに（構成成分として）逆反応に適した除去に好都合な条件下で反応が行われるようにシステムが設計されている限りは、反応装置の配置および多段化に応じて、処理反応４１４および酸の除去４２０は同じ容器でなされてもよいし、または異なる容器で、もしくは多数の異なるタイプの容器でなされてもよいことが、当業者であれば理解できるものと思われる。一例として、反応装置の容器４１４中の反応は、およそ１００℃および４ｂａｒｇの圧力で、アルファ−ヒドロキシエタンスルホン酸の存在下で行われてもよく、除去容器４２０は、およそ１１０℃で、０．５ｂａｒｇの圧力で行われてもよい。さらに、逆反応は、形成されたアルファ−ヒドロキシスルホン酸の反応蒸留によって促進される可能性があることも考えられる。除去した酸の再利用の際に、場合により追加のカルボニル化合物、ＳＯ２、および水を必要に応じて添加してもよい。除去された出発原料および／またはアルファ−ヒドロキシスルホン酸を水と接触させることによって濃縮および／または浄化して、反応システム４１４に再利用してもよい。
【０１３１】
したがって、典型的な反応混合物は、（ａ）多糖類を含有するバイオマス、（ｂ）少なくとも１種のα−ヒドロキシスルホン酸、および（ｃ）水を含有する。バイオマスの一部が加水分解されたら、反応混合物は、（ａ）多糖類を含有するバイオマス、（ｂ）少なくとも１種のα−ヒドロキシスルホン酸（ｃ）水、および（ｄ）少なくとも１種の発酵性糖を含有する。
【０１３２】
一実施態様において、いずれかの前処理プロセスからの生成物ストリームをさらに、他の方法によって、例えば酵素によって加水分解して、ペントースおよびヘキソース（例えば、グルコース）を含有する糖生成物にバイオマスをさらに加水分解し、さらに発酵させて、例えば米国特許公報第２００９／００６１４９０号および米国特許第７，７８１，１９１号（これらの開示は参照により本明細書に組み入れられる）で開示されたようなアルコールを生産してもよい。
【０１３３】
さらにその他の実施態様において、発酵性糖をフルフラールまたはヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）に変換して、さらにアルコールまで発酵させてもよい。いくつかの実施態様ではフルフラールの形成を最小化することが望ましい可能性があるが、フルフラールの形成が望ましい場合、工程（ｂ）の酸を含有する溶液を、１１０から１６０℃の範囲、より好ましくは４２０から１５０℃の範囲の温度までさらに加熱して、少なくとも１種のフルフラールを含有する生成物ストリームを形成してもよい。一実施態様において、生成物ストリーム中で生成するフルフラールを最小限にすることが望ましい場合、工程（ｂ）の温度は、１００℃またはそれ未満の温度に維持される。
【０１３４】
さらにその他の実施態様において、酵素および発酵によるさらなる加水分解ではなく接触水素化および縮合技術を使用して、バイオ燃料成分として高級炭化水素に発酵性糖を変換してもよい。典型的には、水素化分解触媒の存在下で発酵性糖を含有する生成物を水素と接触させ、複数の酸素含有中間体を形成し、次いで酸素含有中間体をさらに処理して、１つまたはそれより多くの処理反応で燃料ブレンドを生産する。一実施態様において、他の反応と共に縮合反応を使用して燃料ブレンドを生成してもよいし、酸性もしくは塩基性官能部位またはその両方を含む触媒で処理して液体燃料を生成してもよい。用語「高級炭化水素」は、本明細書で使用される場合、炭素に対する酸素の比率が、バイオマス供給材料の少なくとも１種の成分よりも小さい炭化水素を指す。本明細書で使用される場合、用語「炭化水素」は、主として水素と炭素原子とを含む有機化合物であって、非置換炭化水素でもある有機化合物を指す。所定の実施形態において、本発明の炭化水素はさらにヘテロ原子（例えば、酸素または硫黄）も含み、したがって用語「炭化水素」は、置換炭化水素も包含する場合がある。
【０１３５】
このような例の１つにおいて、発酵性糖を含有する生成物ストリームをさらに処理して、例えば米国公報第ＵＳ２０１１／０１５４７２１号および２０１１年５月１２日付けで出願された米国特許出願第１３／１０６５０９号（これらの開示は参照により本明細書に組み入れられる）で説明されているような生物燃料に有用なＣ４＋化合物の混合物を生産してもよい。その他の例として、発酵性糖を含有する生成物ストリームをさらに処理して、例えば米国特許公報２００８０２１６３９１号（この開示は、参照により本明細書に組み入れられる）で説明されているような生物燃料に有用なＣ４＋化合物の混合物を生産してもよい。また固体フィードも、燃料および化学物質を製造する迅速な熱分解反応で使用するのに好適な場合がある。
【０１３６】
酵素加水分解−発酵過程において、酵素加水分解に対して前処理済み供給材料のｐＨは、典型的には、使用されるセルラーゼ酵素にとって最適な範囲内になるように調節される。前処理済み供給材料のｐＨは、一般的には約３．０〜約７．０の範囲内、またはその間のあらゆるｐＨに調節される。
【０１３７】
処理済みの供給材料の温度は、セルラーゼ酵素の活性にとって最適な範囲内になるように調節される。一般的には約１５℃〜約１００℃、約２０℃〜約８５℃、好ましくは約３０℃〜約７０℃の温度またはその間のあらゆる温度が、ほとんどのセルラーゼ酵素にとって好適である。前処理後の水性スラリーの温度およびｐＨを調節する前に、その間に、またはその後に、セルラーゼ酵素およびβ−グルコシダーゼ酵素を前処理済みの供給材料に添加する。好ましくは、スラリーの温度およびｐＨを調整した後に、前処理済みのリグノセルロース系供給材料にセルラーゼ酵素およびβ−グルコシダーゼ酵素を添加する。
【０１３８】
用語「セルラーゼ酵素」または「セルラーゼ」は、セルロースを加水分解する酵素の混合物を意味する。この混合物としては、セロビオヒドロラーゼ（ＣＢＨ）、グルコビオヒドロラーゼ（glucobiohydrolase）（ＧＢＨ）、エンドグルカナーゼ（ＥＧ）、およびβ−グルコシダーゼなどが挙げられる。用語「β−グルコシダーゼ」は、グルコース二量体のセロビオースをグルコースに加水分解するあらゆる酵素を意味する。非限定的な例において、セルラーゼの混合物としては、ＥＧ、ＣＢＨ、およびβ−グルコシダーゼ酵素などが挙げられる。
【０１３９】
また１種またはそれより多くのキシラナーゼ酵素の存在下で酵素加水分解を実行してもよい。この目的のためにも使用可能なキシラナーゼ酵素の例としては、例えば、キシラナーゼ１、２（Ｘｙｎ１およびＸｙｎ２）ならびにβ−キシロシダーゼなどが挙げられ、これらは、典型的にセルラーゼ混合物中に存在するものである。
【０１４０】
本方法は、それらの源に関係なくあらゆるタイプのセルラーゼ酵素を用いて実行できる。使用可能なセルラーゼの非限定的な例としては、アスペルギルス属（Aspergillus）、フミコーラ属（Humicola）、およびトリコデルマ属（Trichoderma）、ミセリオフトラ属（Myceliophthora）、クリソスポリウム属（Chrysosporium）の菌類から、ならびにバチルス属、サーモビフィダ属（Thermobifida）、およびサーモトガ属（Thermotoga）の細菌から得られたものなどが挙げられる。いくつかの実施態様において、糸状菌の宿主細胞は、アクレモニウム属（Acremonium）、アスペルギルス属（Aspergillus）、オーレオバシディウム属（Aureobasidium）、ビヤーカンデラ属（Bjerkandera）、セリポリオプシス属（Ceriporiopsis）、クリソスポリウム属（Chrysosporium）、ヒトヨタケ属（Coprinus）、カワラタケ属（Coriolus）、クリプトコックス属（Cryptococcus）、フィロバシディウム属（Filibasidium）、フザリウム属（Fusarium）、フミコーラ属（Humicola）、マグナポルテ属（Magnaporthe）、ムコール属（Mucor）、ミセリオフトラ属（Myceliophthora）、ネオカリマスティクス属（Neocallimastix）、アカパンカビ属（Neurospora）、ペシロミセス属（Paecilomyces）、ペニシリウム属（Penicillium）、ファネロケーテ属（Phanerochaete）、フィレビア属（Phlebia）、ピロミセス属（Piromyces）、ヒラタケ属（Pleurotus）、スエヒロタケ属（Schizophyllum）、タラロミセス属（Talaromyces）、サーモアスカス属（Thermoascus）、チエラビア属（Thielavia）、トリポクラジウム属（Tolypocladium）、ホウロクタケ属（Trametes）、またはトリコデルマ属（Trichoderma）の細胞である。
【０１４１】
セルラーゼ酵素の使用量は、前処理済みの供給材料のセルロースをグルコースに変換するような量が選ばれる。例えば、適切なセルラーゼの使用量は、セルロース１グラムあたり約０．１〜約４０．０ろ紙単位（ＦＰＵまたはＩＵ）、またはその間のあらゆる量であってもよい。ろ紙単位（Filter Paper Unit）という用語は、５０℃、およそｐＨ４．８で１時間のうちにワットマン（Whatman）番号１の５０ｍｇのろ紙片から２ｍｇの還元糖（例えばグルコース）が放出されるのに必要な酵素の量を指す。
【０１４２】
実際には、加水分解は加水分解システムで行ってもよく、ここで加水分解システムは一連の加水分解反応装置を包含していてもよい。システム中の加水分解反応装置の数は、反応装置のコスト、水性スラリーの体積、および他の要因によって決まる。セルラーゼ酵素を用いた酵素加水分解は、グルコース、未変換のセルロース、リグニンおよび他の糖成分を含む水性糖ストリーム（加水分解物）を生産する。加水分解は二段階で実行してもよいし（参照により本明細書に組み入れられる米国特許第５，５３６，３２５号を参照）、または一段階で行ってもよい。
【０１４３】
次いで、一実施態様において、発酵性糖を含む処理済みの固形成分を１種またはそれより多くの微生物によって発酵させ、望ましい化学物質を含む発酵ブロスを生産してもよい。リグノセルロース発酵システムでは、多数の公知の微生物のうちいずれか１種を使用して、糖を望ましい発酵産物に変換してもよい。微生物は、少なくとも、処理済みの固形成分または加水分解産物中に存在する糖（例えば、これらに限定されないが、グルコース、マンノース、およびガラクトースなど）を発酵産物に変換することが可能である。特定の発酵産物は、例えばエタノールなどのアルコールである。しかしながら、適切な生物を添加することによってその他の化合物も生成可能である。
【０１４４】
本発明の方法では、多くの公知の微生物を使用して、望ましい化学物質を生産できる。例えば、上記の表１に微生物の非限定的な例を示す。生物燃料で使用するためのアルコールを対象とした特定の実施態様の場合、クロストリジウム属（Clostridia）、大腸菌（Escherichia coli、E.coli）、ならびに例えばＵＳ２００３／０１６２２７１、６０／８４７，８１３、および６０／８４７，８５６（これらの開示は、参照により本明細書に組み入れられる）などので説明されているような大腸菌の組換え株、ザイモモナス・モビリス（Zymomonas mobilis）の遺伝子組換え株が、このような微生物の例の一部である。微生物はさらに、サッカロミセス属（Saccharomyces）、クルイベロマイセス属（Kluyveromyces）、カンジダ属（Candida）、ピチア属（Pichia）、シゾサッカロミセス属（Schizosaccharomyces）、ハンセヌラ属（Hansenula）、クロエケラ属（Kloeckera）、シュワニオミセス属（Schwanniomyces）、ヤロウイア属（Yarrowia）、アスペルギルス属（Aspergillus）、トリコデルマ属（Trichoderma）、フミコーラ属（Humicola）、アクレモニウム属（Acremonium）、フザリウム属（Fusarium）、およびペニシリウム属（Penicillium）の酵母または糸状菌であってもよい。またアルコール以外の化学物質は、例えばバチルス属（Bacillus）、乳酸桿菌属（Lactobacillus）、連鎖球菌属（Streptococcus）、クラミドモナス属（Chlamydomonas）、クモノスカビ属（Rhizopus）、アクチノバチルス属（Actinobacillus）、ラルストニア属（Ralstonia）、ロドスピリルム属（Rhodospirillum）、およびユーロチウム属（Eurotium）などの微生物によって生産されてもよい。
【０１４５】
所定の実施形態において、リグノセルロース発酵はまた、ヘキソースおよびペントース糖の両方をエタノールに発酵させるように操作された組換え酵母を用いて行ってもよい。ペントース糖のキシロースおよびアラビノースの一方または両方をエタノールに発酵させることができる組換え酵母は、米国特許第５，７８９，２１０号、米国特許第６，４７５，７６８号、欧州特許ＥＰ１，７２７，８９０、欧州特許ＥＰＩ８６３，９０１、およびＷＯ２００６／０９６１３０（これらの開示は、参照により本明細書に組み入れられる）で説明されている。キシロースの利用は、キシロースレダクターゼ／キシリトールデヒドロゲナーゼ経路（例えば、１９９７年１１月１３日公開のＷＯ９７４２３０７Ａ１、および１９９５年５月１８日公開のＷＯ９５１３３６２Ａ１）、またはキシロースイソメラーゼ経路（例えば、ＷＯ２００７０２８８１１またはＷＯ２００９１０９６３１）を媒介していてもよい。また、例えばＷＯ２００８／１１９０８２およびＰＣＴ／ＵＳ０７／０１１９２３（この開示は、参照により本明細書に組み入れられる）で説明されているように、発酵微生物はさらに脂肪族アルコールを生産する可能性があることも考慮される。他の実施態様において、例えばサーモサック（Thermosacc）およびスーパースタート（Superstart）などの市販の株を使用することによって、Ｃ６糖を優勢に発酵させることができる酵母によって発酵を行ってもよい。
【０１４６】
好ましくは、発酵微生物にとって最適な温度およびｐＨまたはそれに近い温度およびｐＨでリグノセルロース発酵が行われる。例えば、温度は、約２５℃から約５５℃、またはあらゆるその間の温度であってもよい。発酵微生物の使用量は、例えば発酵微生物の活性、望ましい発酵時間、反応装置の体積、および他のパラメーターなどの他の要因によって決まると予想される。これらのパラメーターは、最適な発酵条件を達成するために、当業者により要求に応じて調節が可能であることが理解されよう。
【０１４７】
発酵は、撹拌しながら、または撹拌せずに、バッチ式、連続または流加モードで行うことができる。発酵システムは、一連の発酵反応装置を採用する場合もある。いくつかの実施態様において、加水分解システムおよび発酵システムは、同じ容器で行うことができる。一実施態様において、加水分解を部分的に完了させてもよいし、部分的に加水分解されたストリームを発酵させてもよい。一実施態様において、並行の糖化および発酵（ＳＳＦ）過程で、最終的な固体パーセントの目標に達するまで加水分解システムを稼働させてもよいし、次いで加水分解されたバイオマスを発酵システムに移してもよい。
【０１４８】
所定の実施形態において、本発酵システムは、好ましくは少なくとも１種の２〜１８個の炭素原子を有するアルコールを含有するアルコールストリームを含む発酵産物を生産できる。特定の実施態様において、発酵産物は、本明細書で説明されているようなＶＯＣ無溶媒回収システムを対象にしたものでもよい。それに加えて、またはその代わりに、アルコールの回収は別々に行われてもよい。
【０１４９】
本発明の実施態様のより優れた理解を容易にするために、以下にいくつかの実施態様の所定の形態の実施例を示す。以下の実施例は、本発明の全体の範囲を限定したり、または定義したりする目的で決して解釈されないものとする。
【実施例】
【０１５０】
例示的な実施態様
実施例ＡおよびＢは、以下で説明したようにして得られた固形成分を使用した。
【０１５１】
バイオマスの調製
この実施例において、新鮮な細断済みモロコシの様々なサンプルを表６で列挙したような様々な添加された成分と混合して、サイレージバッグ中で約２０日間保存した。具体的な添加剤およびそれぞれの添加率を表７に示す。
【０１５２】
【表８】
0006291482.tif 000013
【０１５３】
【表９】
0006291482.tif 000014
【０１５４】
ＶＯＣ回収
無溶媒回収ユニットとしてＧＥＡ  ＳＳＤ（商標）を使用して、実施例ＡおよびＢの調製済みバイオマス材料からのＶＯＣを回収した。以下の表８に、（ｉ）無溶媒回収ユニットに供給された調製済みバイオマス材料、（ｉｉ）無溶媒回収ユニットから出る固形成分、および（ｉｉｉ）無溶媒回収ユニットの稼働条件の所定の特性を示す。
【０１５５】
【表１０】
0006291482.tif 000015
【０１５６】
さらなる処理：糖化
実施例Ａ：
他の標準的なバイオマスサンプルと共に試験するために、上記で説明したようにして得られた固形成分を国立再生可能エネルギー研究所（National Renewable Energy Laboratory）に送った。ＮＲＥＬは、以下の５つのサンプルで反応性による選別を行った：
１．固形成分サンプル（サンプル番号２）
２．サトウキビの絞りかすの標準品（ＮＩＳＴ８４９１）
３．モントレーマツの標準品（ＮＩＳＴ８４９３）
４．麦わらの標準品（ＮＩＳＴ８４９４）
５．ＮＲＥＬトウモロコシの茎や葉の標準品（クレーマー（Kramer）３３Ｂ５１）、これは、トウモロコシの茎や葉の典型的な抵抗性挙動（recalcitrance behavior）の代表例であり、例えば「普通」から高に至る抵抗性挙動が予想される。
６．ＮＲＥＬトウモロコシの茎や葉の標準品（クレーマー３３Ａ１４）、これは、極めて低い抵抗性挙動を有する。
【０１５７】
反応性による選別では、連続的な前処理および酵素加水分解アッセイを行った。前処理アッセイを、Ryan Nessによりダイオネクス（Dionex）ＡＳＥ３５０溶媒抽出装置を使用して行った。前処理実験を、希酸（１％ｖ／ｖ硫酸：Ｈ２ＳＯ４）または熱水を用いて行った。各触媒について、ＮＲＥＬは、３種の温度（酸触媒の場合は１４０℃、１５０℃、または１７０℃、熱水の場合は１７０℃、１９０℃、または２００℃）で実験を行った。前処理アッセイでは、水でバイオマスサンプルをすすぐことにより、前処理された液剤による干渉を発生させずに酵素加水分解を行った。酵素加水分解アッセイを、標準的なＮＲＥＬプロトコールに従って小さい振盪フラスコで行ったが、このプロトコールは、http://www.nrel.gov/biomass/analytical_procedures.htmlで見出されるLaboratory Analytical Procedureの「Enzymatic Saccharification of Lignocellulosic Biomass」と実質的に同様である。
【０１５８】
ＮＲＥＬは、前処理および酵素加水分解から放出されたグルカンおよびキシランを別々に測定した。ＮＲＥＬは、以前のデータが利用できなくなっているサンプルに関して出発原料の組成を前もって決定した。以下の計算を使用して全グルカンの収量を計算した：
【０１５９】
【数１】
0006291482.tif 000016
【０１６０】
式中：グルカンＰＴ（ｇ）は、前処理中に溶液に放出されたグルカンの重量であり、
グルカンＥＨ（ｇ）は、酵素加水分解中に溶液に放出されたグルカンの重量であり、
ＰＴ固体湿潤重量（ｇ）は、ＡＳＥ３５０から除去された洗浄済みの前処理された湿潤固体の重量であり、
ＥＨ固体湿潤重量（ｇ）は、酵素加水分解に使用された洗浄済みの前処理された湿潤固体の重量であり、
グルカン全バイオマス（ｇ）は、ＮＲＥＬによって前もって行われた組成分析に基づく開始時のバイオマス中に存在するグルカンの重量である。
【０１６１】
収量計算はキシランの場合と同じであり、上記の式においてグルカンをキシランで置き換えた。さらに、結果は、小規模での酵素加水分解アッセイの測定を使用して得られたので、より大規模での前処理の結果と異なる場合があることに留意されたい。
【０１６２】
以下の表９に５種のサンプルに関する結果の要約を示す。コントロールとして使用されたサンプルクレーマー３３Ｂ５１は、指定された条件下でトウモロコシの茎や葉のサンプルとして期待されるものの例である。このデータセットは、指定されたＮＩＳＴ標準品、固形成分サンプル、ＮＲＥＬのクレーマー３３Ｂ５１、およびＮＲＥＬのクレーマー３３Ａ１４を包含する。ＮＩＳＴ８４９１は、温度１７０での熱水前処理で酵素失活を起こしたため、データが得られなかった。
【０１６３】
【表１１】
0006291482.tif 000017
【０１６４】
図６は、グルカン収量の％に対する前処理温度のグラフを示し、図７は、希硫酸処理の場合のキシラン収量の％に対する前処理温度のグラフを示す。図８は、グルカン収量の％に対する前処理温度のグラフを示し、図９は、熱水処理の場合のキシラン収量の％に対する前処理温度のグラフを示す。
【０１６５】
両方のグラフのセットから、固形成分サンプル（サンプル番号２）は、麦わらおよびトウモロコシの茎や葉のように高いグルカンおよびキシラン収量を達成するためには、前処理温度の変化に関してほぼ同じ処理エネルギーを必要とすることが示される。固形成分サンプル（サンプル番号２）は、セルロースからグルコースを産生するのに、サトウキビの絞りかすおよびマツ材と比較して顕著に少ないエネルギーしか必要としない。これは、本発明の実施態様の固形成分は、サトウキビの絞りかすおよびマツ材と比較した場合に最小の装置および操作上の変更のみで既存の希酸または熱水前処理装置に導入することが可能であることを意味する。さらに、これらのグラフから、固形成分サンプルは、それほど過酷な前処理条件を必要としないでも、サトウキビの絞りかすおよびマツ材と類似のまたはそれらと同等のキシロース生産量を達成できることが示される。過酷度がより低い前処理条件では、同じｐＨおよび同じ温度を有する溶液をより短い処理時間で使用するため、同じ期間中により多くの材料を処理することが可能になり、効率が高くなる。
【０１６６】
全てのケースにおいて、キシラン収量は１５０℃でピークを示し、次いで１７０℃で減少した。これは、共通して観察され、５炭糖キシロースがより高温で過剰に処理されたためにキシロースがフルフラール反応生成物に分解したことに起因する可能性が最も高い。
【０１６７】
実施例Ｂ：アルファ−ヒドロキシエタンスルホン酸
これは、実施例ＢのサンプルＢ．１からＢ．３までの一般的な方法である。表１０に利用された条件および結果を示す。特に、Ｂ列に目標温度を列挙し、Ｃ列に反応温度での時間を列挙し、Ｄ列に反応装置に入れられた固形成分の量（「投入された固形成分」）を列挙し、Ｅ列に反応混合物総量に基づくおよそのアルファ−ヒドロキシエタンスルホン酸（ＨＥＳＡ）溶液のｗｔ％を列挙し、Ｆ列に推定の完全乾燥バイオマス（ＢＤＢＭ）を列挙し、Ｇ列に溶解または除去された元のＢＤＢＭ材料の％を列挙し、Ｈ列にろ液中で回収されたグルコース％を列挙し、Ｉ列にろ液中で回収されたキシロース％を列挙した。
【０１６８】
上記で説明したようにして得られた固形成分の所定量を、ディコンプ（DiComp）ＩＲプローブを備えた２リットルのオートクレーブに入れた。反応装置中の固形成分上に所定量のα−ヒドロキシエタンスルホン酸（ＨＥＳＡ）溶液を穏やかに流し込むことにより、上記溶液を固形成分に添加した。
【０１６９】
この反応混合物を目標温度に加熱し、決められた期間保持した。この反応混合物は撹拌しなかった。加熱を中止した。反応装置を遅い窒素流で２〜３分パージして、ガスキャップ中の全ての二酸化硫黄を除去した。反応装置を室温に冷却し、もう一度窒素でパージした。
【０１７０】
反応装置の内容物をブーフナー漏斗に移し、ワットマンの５４１無灰硬質ろ紙（１８５ｍｍ）で真空ろ過した。反応装置の内容物からできる限り多くの液体を除去した。ろ液および除去された液体の累積重量を得た。次いでろ液をＨＰＬＣで分析し、バイオマスからの材料の回収量を、バイオマス中に存在する前駆体の量との比較により計算した。
【０１７１】
【表１２】
0006291482.tif 000018
【０１７２】
実施例Ｂ．１〜Ｂ．３から、本発明の所定の形態に従って得られた固形成分は、トウモロコシの茎や葉よりも優れた性能を示すことが示される。特に、ＨＥＳＡでの処理は、乾燥バイオマス量／乾燥バイオマス量基準で開始時の固形成分の５０重量％より多くを溶解させた。それに対して、トウモロコシの茎や葉の類似の条件下での試行では、バイオマスのおよそ３分の１が溶解または除去された。
【０１７３】
加えて、推定の開始時のキシラン量に基づきキシロース単量体として約９０％のキシロースが回収された。残留した前処理済み固形成分の分析から、実質的に全てのヘミセルロースがバイオマスから除去されたことが示された。さらに、開始時の固形成分バイオマス中のグルカンの約１０％がグルコースに変換された。トウモロコシの茎や葉の比較では、キシロース単量体として約７５〜８０％のキシランしか回収されなかった。トウモロコシの茎や葉の場合、残留した前処理済み材料中のキシランはおよそ１５％残留した。これは、本発明の形態に従って得られた固形成分は、他のバイオマス源（例えば麦わら、トウモロコシの茎や葉、または絞りかすなど）よりも不応性が低いバイオマスであることを示す。さらに、これらの結果は、反応内容物をまったく撹拌またはかきまぜを行うことなく達成された。
【０１７４】
サンプルＢ．１〜Ｂ．３をブーフナー漏斗を介して蒸留水で洗浄し、さらに酵素加水分解処理した。また比較のために、未洗浄サンプルおよび未処理サンプル（「天然」）も同じ酵素加水分解条件で処理した。２種の酵素供給条件：（１）加水分解産物溶液１グラムあたり０．００４１グラムのＣＴＥＣ２セルラーゼ酵素を使用することを含む低い酵素供給量条件、および（２）加水分解産物溶液１グラムあたり０．０１２２グラムのＣＴＥＣ２セルラーゼ酵素溶液を使用することを含む高い酵素供給量条件を用いた。加水分解産物溶液の濃度（洗浄済みおよび未洗浄）は、１０％ｗ／ｗの溶解していない固体である。表１１は、約１４４時間にわたり異なる加水分解条件下で加水分解された各サンプルで生成したグルコース濃度を示す。
【０１７５】
【表１３】
0006291482.tif 000019
【０１７６】
図１０は、加水分解処理期間中の以下のタイムポイント：０時間、２４時間、４８時間、７２時間、および１４４時間における低い酵素レベルで処理した洗浄済みサンプルのグルコース濃度のグラフである。図１１は、加水分解処理期間中の以下のタイムポイント：０時間、２４時間、４８時間、７２時間、および１４４時間における高い酵素レベルで処理した洗浄済みサンプルのグルコース濃度のグラフである。図１２は、加水分解処理期間中の以下のタイムポイント：０時間、２４時間、４８時間、７２時間、および１４４時間における低い酵素レベルで処理した未洗浄サンプルのグルコース濃度のグラフである。図１３は、加水分解処理期間中の以下のタイムポイント：０時間、２４時間、４８時間、７２時間、および１４４時間における高い酵素レベルで処理した未洗浄サンプルのグルコース濃度のグラフである。
【０１７７】
これらのサンプルは、本発明の所定の実施態様による前処理済み固形成分は、約４８時間でグルコースに加水分解される可能性があることを示す。これから、前処理済み材料は酵素活性を阻害しないことが実証される。
【０１７８】
実施例Ｃ
以下の実施例において、所定の本発明の形態に従って得られた固形成分バイオマス材料をアルファ−ヒドロキシエタンスルホン酸で処理し、その後、酵素加水分解で処理した。
【０１７９】
バイオマスの調製
実施例Ｃでは、新鮮な細断済みモロコシの様々なサンプルを表１２で列挙したような様々な添加された成分と混合して、サイレージバッグ中で約２０日間保存した。具体的な添加剤およびそれぞれの添加率を表１３に示す。
【０１８０】
【表１４】
0006291482.tif 000020
【０１８１】
【表１５】
0006291482.tif 000021
【０１８２】
ＶＯＣ回収
無溶媒回収ユニットとしてＧＥＡ  ＳＳＤ（商標）を使用して実施例Ｃの調製済みバイオマス材料からのＶＯＣを回収した。以下の表１４に、（ｉ）無溶媒回収ユニットに供給された調製済みバイオマス材料、（ｉｉ）無溶媒回収ユニットから出る固形成分、および（ｉｉｉ）無溶媒回収ユニットの稼働条件の所定の特性を示す。
【０１８３】
【表１６】
0006291482.tif 000022
【０１８４】
さらなる処理：糖化
４リットルのボトルに２１６０．０２グラムの脱イオン水を添加し、５４０．１２グラムの４０％ｗｔ．のＨＥＳＡを混合して、８．５％ｗｔ．のＨＥＳＡ溶液を形成した。ディコンプ（DiComp）ＩＲプローブを備えた１ガロンのパー（Parr）機器Ｃ２７６オートクレーブに、４３３．８２グラムの実施例Ｃの固形成分を入れた。固形成分は、２８９．６７グラムのＢＤＢＭを有すると推定された。反応装置中の湿潤バイオマス上に酸溶液を穏やかに注いだ。反応装置は、７．３％ｗｔ．のＨＥＳＡ溶液（反応装置の全内容物に基づき）と接触した状態のおよそ９．５３％ｗｔ．の乾燥バイオマスを含む混合物を含有していた。
【０１８５】
この反応混合物を１２０℃に加熱し、決められた期間保持した。反応装置の内容物を最初は１００ｒｐｍで撹拌し、反応物が１２０℃に熱せされ内容物が少なくなってきたら、撹拌速度を２５０ｒｐｍ、続いて４００ｒｐｍに高めた。反応装置を１２０℃で１時間保持した。加熱を中止した。反応装置を遅い窒素流で２〜３分でパージし、ガスキャップ中の全ての二酸化硫黄を除去した。反応装置を室温に冷却し、もう一度窒素でパージした。
【０１８６】
反応装置の内容物をブーフナー漏斗に移し、ワットマン５４１無灰硬質ろ紙（１８５ｍｍ）で真空ろ過した。反応装置の内容物からできる限り多くの液体を除去した。ろ液および除去された液体の累積重量を得た。次いでろ液をＨＰＬＣで分析し、バイオマスからの材料の回収量を、バイオマス中に存在する前駆体の量との比較により計算した。回収されたグルコース％は、バイオマス中の利用可能なグルコースの理論量に基づき１１．３％であった。回収されたキシロース％は、バイオマス中の利用可能なキシロースの理論量に基づき９１％であった。
【０１８７】
処理したサンプルをさらに酵素加水分解で処理した。１４４グラムのＨＥＳＡ処理からの材料を５００ｍＬの脱イオン水で３回洗浄した。１回目の洗浄後、材料のｐＨを１０に調節した。次いで液体を排出し、水を添加し、ｐＨを５．６に調節した。約１４４グラムの洗浄済み材料を含む水（１Ｌ）中に、５０グラムのＣＴＥＣ２セルラーゼを添加した。この溶液を５３℃で３日振盪した後、含量を測定したところ、セロビオース：１．９３ｇ／Ｌ、グルコース：５２．６ｇ／Ｌ、キシロース：６．１２ｇ／Ｌ、アラビノース：０ｇ／Ｌ、グリセロール：１．４ｇ／Ｌ、酢酸：０．９２ｇ／Ｌ、エタノール：０．０ｇ／Ｌであった。
【０１８８】
発酵
次いで、加水分解混合物を、それ以上分離しないでバチルス・ズブチリスおよびサッカロミセス・セレビジエを使用して直接発酵させた。条件および結果は以下の通りである。
【０１８９】
輸送手段および微生物：
３ｇ／Ｌの肉由来ペプトンタイプＩのシグマ−アルドリッチ（Sigma-Aldrich）Ｐ７７５０、および５ｇ／Ｌの酵母抽出物のシグマ−アルドリッチ９２１４４の調製物（ストック）を、加水分解混合物と組み合わせるために調製した。次いで３０ｍＬのペプトン／酵母抽出物ストックを、２０ｍＬの加水分解混合物、および１ｍＬの各微生物の接種材料と共に添加した。使用した微生物は、サッカロミセス・セレビジエ（ＡＴＣＣ２４７０２）およびバチルス・ズブチリス（ＡＴＣＣ３１７８５）であり、これらをトリプトンダイズ培地で再溶解して、４８時間増殖させ、次いで１ｍＬの接種材料として２５０ｍＬのエルレンマイヤーフラスコに直接使用した。フラスコを３３℃で２日間振盪し、分析のために回収した。
【０１９０】
化学分析：
機器：島津（Shimadzu）ＨＰＬＣシステム、制御器：ＳＣＬ−１０Ａ、ポンプ；ＬＣ−２０ＡＤ、オートサンプラー：ＳＩＬ−１０Ａ、オーブン：ＣＴＯ−１０Ａ、検出器：ＲＩＤ−１０Ａ、カラム：バイオ・ラッド（Bio-Rad）のアニメックス（Aminex）ＨＰＸ−８７Ｈ（３００×７．８ｍｍ）、移動相：５ｍＭ硫酸水溶液、流速：０．６ｍｌ／分、温度：３０℃、ランタイム：６５分により、スクロース、コハク酸、乳酸、プロピオン酸、２，３−ブタンジオール、および１，２−ブタンジオールを分析した。
【０１９１】
６５℃でのサンプルラン、２５分のランタイムで６ｍＬ／分の流速、５０℃で保持されたＲＩ−１０１ショウデックス（Shodex）カラムを備えたＨＰＬＣダイオネクス・アルティメット（Dionex ultimate）３０００装置を使用して、セロビオース、グルコース、キシロース、アラビノース、グリセロール、酢酸、およびエタノールを分析した。分析に使用されたコンピュータープログラムは、クロメレオン・コンソール（chromeleon console）であった。
【０１９２】
結果：
微生物の増殖：
ゼロ時間のフラスコから２日目に回収されたフラスコにかけてグルコース量が減少していたことから、加水分解混合物を使用した微生物の増殖が確認された。例えば、バチルス・ズブチリス培養を２０．５ｇ／Ｌのグルコース量で開始したところ、２日目には０．２５ｇ／Ｌと測定された。同様に、サッカロミセス・セレビジエ培養を１９．７ｇ／Ｌのグルコース量で開始したところ、２日目にこれが０．２３ｇ／Ｌのグルコース量に低下した。またどちらのフラスコも、特徴的な臭いと識別可能な濁度の増加を示した。例えば、Ｓ．セレビジエは、強いパンの臭いがした。それに対して、同じように構成されたが、加水分解混合物の代わりに最小塩培地しか与えられていない培養は、微生物の増殖の徴候は示さなかった。
【０１９３】
微生物による生成物への変換：
以下の表１６および１７は、バチルス・ズブチリスおよびサッカロミセス・セレビジエそれぞれの発酵産物から分析された化学物質を示す。「０」は、機器によって化学物質が検出されなかったことを示す。「ｎｄ」という表記は、これらの化学物質のために測定にサンプルが提出されなかったことを示す。
【０１９４】
【表１７】
0006291482.tif 000023
【０１９５】
【表１８】
0006291482.tif 000024
【０１９６】
サンプルのＨＰＬＣによれば、他の化合物も生成された。例えばＢ．ズブチリスのサンプル中で、２−ペンタノンおよび３−ヒドロキシ、２−ブタノンも同定された。Ｓ．セレビジエのサンプル中で、アセトアルデヒド、ｎ−プロパノール、および２，３−メチル、１−プロパノールも同定された。
【０１９７】
この実施例から、微生物が、加水分解混合物中のグルコースを使用して、特定の化学物質を生産したことが示される。例えば、Ｂ．ズブチリスは、１０．１ｇ／Ｌのプロピオン酸、１．１ｇ／Ｌのコハク酸、０．２１ｇ／Ｌの２，３−ブタンジオール、および０．２４ｇ／Ｌのブタンジオールを生産した。Ｓ．セレビジエは、０．６４ｇ／Ｌのグリセロール、０．１６ｇ／Ｌの酢酸、および１０．９ｇ／Ｌのエタノールを生産した。これから、加水分解混合物中のグルコースは、微生物にとって利用可能であり、さらに加水分解混合物は微生物にとって毒性ではなかったことが示される。
【０１９８】
この説明を考慮すれば、本発明の様々な形態のさらなる改変および代替の実施態様は、当業者には明白であると予想される。したがって、この説明は単なる例示と解釈されるものとし、本発明を実行する一般的な方式を当業者に教示することを目的とする。当然のことながら、本明細書で示され説明された本発明の形態は、現時点で好ましい実施態様と解釈されるものとする。要素および材料は、本明細書で例示され説明されたもので置き換えてもよいし、部品およびプロセスは逆転させてもよく、本発明の所定の特徴は独立して利用してもよく、いずれも本発明のこの記載の利益を得る当業者には明らかであると予想される。以下の特許請求の範囲で説明されているような本発明の本質および範囲から逸脱することなく、本明細書で説明される要素に変更を施すことができる。
【符号の説明】
【０１９９】
１  調製済みバイオマス材料、    ２  投入口、    ３  区画、
４  分離ユニット、    ５  蒸気成分ストリーム、    ６  スクリュー押出機、
７  固形成分、    ８  蒸気成分、    ９  熱交換器、    １０  蒸気成分、
１１  蒸留工程、    １２  工程、    １３  エタノール生成物、
１４  システムファン、    １５  ストリーム、    １００  回収システム、
２００  回収システム、    ２０１  調製済みバイオマス材料、
２０２  投入口、    ２０３  区画、    ２０４  分離ユニット
２０５  蒸気成分ストリーム、    ２０６  押出機、    ２０７  固形成分、
２０８  蒸気成分、    ２０９  熱交換器、    ２１０  蒸気成分部分、
２１１  蒸留工程、    ２１４  システムファン、    ２１５  ストリーム、
４００  さらなる処理、    ４１２  バイオマス供給材料、    ４１４  加水分解反応、
４１６  生成物ストリーム、    ４１８  再利用ストリーム、
４２０  酸除去システム、    ４２２  回収、    ４２４  浄化、
４２６  生成物ストリーム、    ４３０  ストリーム、    ４３２  ストリーム、
５１０  液体ストリーム、    ５２０  湿潤固体ストリーム
出願時の特許請求の範囲の内容を以下に記載する。
［１］
バイオマス材料を処理する方法であって：
（ｉ）１種またはそれより多くの揮発性有機化合物を含有するバイオマス材料を無溶媒回収システムの加圧された区画に導入すること；
（ｉｉ）加圧された区画中で、少なくとも１種の揮発性有機化合物を含む過熱蒸気ストリームとバイオマス材料とを接触させ、バイオマス材料中の最初の液状内容物の少なくとも一部を蒸発させること；
（ｉｉｉ）加熱したバイオマス材料から、少なくとも１種の揮発性有機化合物を含む蒸気成分と固形成分とを分離すること；
ガス成分の少なくとも一部を、過熱蒸気ストリームの一部として使用するために保持すること；
（ｉｖ）無溶媒回収システムから固形成分を吐出させること；および
（ｖ）固形成分の少なくとも一部を、糖化を促進するように適合させた溶液と接触させること
を含む、上記方法。
［２］
前記溶液が、少なくとも約１７０℃の温度を有する水を含む、前記１に記載の方法。
［３］
前記溶液が、固形成分の少なくとも一部が加水分解されて、発酵性糖を含む生成物が生産されるように適合させた酸溶液を含む、前記１に記載の方法。
［４］
前記酸溶液が、少なくとも１種のアルファ−ヒドロキシスルホン酸を含む、前記３に記載の方法。
［５］
前記アルファ−ヒドロキシスルホン酸が、溶液に基づき約１％ｗｔから約５５％ｗｔの量で存在する、前記４に記載の方法。
［６］
前記アルファ−ヒドロキシスルホン酸が、（ａ）カルボニル化合物またはカルボニル化合物の前駆体から、（ｂ）二酸化硫黄または二酸化硫黄の前駆体および（ｃ）水と共に生産される、前記３に記載の方法。
［７］
前記固形成分が、約５０℃〜約１５０℃の範囲の温度で、１ｂａｒｇ〜約１０ｂａｒｇの範囲内の圧力で酸溶液と接触する、前記３に記載の方法。
［８］
加熱および／または圧力低下によって生成物からアルファ−ヒドロキシスルホン酸をその構成成分の形態で除去して、少なくとも１種の発酵性糖を含有し実質的にアルファ−ヒドロキシスルホン酸を含まない酸を除去した生成物を生産することをさらに含む、前記１に記載の方法。
［９］
酸を除去した生成物を加水分解して発酵させることにより、複数種のＶＯＣを含む発酵済み生成物を生成することをさらに含む、前記８に記載の方法。
［１０］
前記加圧された区画に導入されるバイオマス材料が、収穫された作物の固体状態での発酵プロセスから得られる、前記１に記載の方法。
［１１］
前記作物が、モロコシ（sorghum）、サトウキビ（sugar cane）、トウモロコシ（corn）、熱帯性のトウモロコシ（tropical corn）、砂糖大根（sugar beet）、エネルギー原料用キビ（energy cane）、およびあらゆるそれらの組み合わせからなる群より選択される、前記１０に記載の方法。
［１２］
前記加圧された区画が、ループ形状の円柱体を含み、その中を過熱蒸気ストリームが流れる、前記１に記載の方法。
［１３］
前記分離工程が、加圧された区画に連結されたサイクロン式の分離要素を使用して達成され、ここでサイクロン式の分離要素は、加圧された成分から分離された固形成分が吐出されるように設計される、前記１に記載の方法。
［１４］
前記バイオマスが、微生物、ならびに任意に酸および／または酵素を含む少なくとも１種の添加剤をバイオマスに添加すること；および調製済みバイオマス材料を、貯蔵施設で少なくとも約２４時間貯蔵して、糖の少なくとも一部から少なくとも１種の揮発性有機化合物を生産させることによって生成する、前記１に記載の方法。
［１５］
前記バイオマスが、約３ｍｍ〜約８０ｍｍの平均細孔径分布を有する、前記１に記載の方法。
［１６］
無溶媒回収システムから接触工程に固形成分の少なくとも一部を直接供給することをさらに含む、前記１に記載の方法。
［１７］
前記糖化を促進するように適合させた溶液と接触させた固形成分が、接触している期間のうちの少なくとも一部において撹拌されていない、前記１に記載の方法。
［１８］
バイオマス材料を処理する方法であって：
バイオマス材料の固形成分を、糖化が容易に起こるように適合させた溶液と接触させることを含み、ここで固形成分は：
１種またはそれより多くの揮発性有機化合物を含有するバイオマス材料を無溶媒回収システムの加圧された区画にバイオマス材料を導入すること；
加圧された区画中で、少なくとも１種の揮発性有機化合物を含む過熱蒸気ストリームとバイオマス材料とを接触させ、バイオマス材料中の最初の液状内容物の少なくとも一部を蒸発させること；
加熱したバイオマス材料から、少なくとも１種の揮発性有機化合物を含む蒸気成分と固形成分とを分離すること；
ガス成分の少なくとも一部を、過熱蒸気ストリームの一部として使用するために保持すること；
無溶媒回収システムから固形成分を吐出させること
を含む方法によって生成される、上記方法。
【図１】
0006291482.tif 000025
【図２】
0006291482.tif 000026
【図３】
0006291482.tif 000027
【図４】
0006291482.tif 000028
【図５】
0006291482.tif 000029
【図６】
0006291482.tif 000030
【図７】
0006291482.tif 000031
【図８】
0006291482.tif 000032
【図９】
0006291482.tif 000033
【図１０】
0006291482.tif 000034
【図１１】
0006291482.tif 000035
【図１２】
0006291482.tif 000036
【図１３】
0006291482.tif 000037