(57)【要約】  バイオマスを処理するための装置が開発され、ここでは反応物質がバイオマスに添加され、かつバイオマス混合物が非圧縮性ピストンの力の下で圧縮を伴わずに装置を通って移動する。この反応器において使用される処理システムはその後の糖化に特に適する有効に処理されたバイオマスをもたらし、発酵性糖が生産される。
2010536557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを処理するための装置であって、
ａ）ピストンを装備した第１の端部および排出弁を装備した第２の端部を有する円筒状バレルと、
ｂ）場合により、１つのオフセット端部で円筒状バレルの第１の端部の近傍の円筒状バレルに装着されるオフセットであって、該オフセットは未装着のオフセット端部に密封可能な弁を有し、
ｃ）円筒状バレル内またはオフセット内の少なくとも２つの密封可能なポートと、
ｄ）場合により、バレルを別々の第１および第２のチャンバに分割する円筒状バレル内の弁であって、該第１のチャンバが上記ピストンを装備したバレルの第１の端部を有し、かつ上記第２のチャンバが排出弁を備えたバレルの第２の端部を有する、弁と、
ｅ）バレルの第２の端部で排出弁に装着されたフラッシュタンクと、
を組み合わせて含み、
ここで、該装置は密封可能な不透過性バレルおよび処理バイオマスの非圧縮性流れを与える、装置。
【請求項２】
円筒状バレルが水平に配向され、かつフラッシュタンク内部に第１および第２の端部を有する下方に向けられたエルボーが、バレルの第２の端部で排出弁に、第１のエルボー端部がバレルの第２の端部内の排出弁を取り囲む状態で装着され、かつ第２のエルボー端部はフラッシュタンク内部で開口する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
バレルが、絶縁ジャケット、蒸気ジャケット、バンドヒーター、またはそれらの組み合わせによって覆われる請求項１に記載の装置。
【請求項４】
（ｂ）の任意のオフセットが存在し、かつホッパーがオフセットの弁端部に接続される請求項１に記載の装置。
【請求項５】
ホッパーが非圧縮性流れの誘導装置に装着される請求項４に記載の装置。
【請求項６】
排出弁が漸増ベンチューリである請求項１に記載の装置。
【請求項７】
漸増ベンチューリがＶポートバルブまたはスイングチェックバルブである請求項６に記載の装置。
【請求項８】
（ｅ）のフラッシュタンクがフラッシュタンクの底部において少なくとも１つの密封可能なポートを含む請求項１に記載の装置。
【請求項９】
パドルミキサーがフラッシュタンクの底部で装着される請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
（ｅ）のフラッシュタンクがフラッシュタンクの上部において少なくとも１つの密封可能なポートを含む請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
コンデンサが管を通してフラッシュタンクの上部におけるポートに装着される請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の装置内でバイオマスを処理するための方法であって、
ａ）バイオマスを、非圧縮性フィーダーを使用し、開口した第１の端部またはオフセットを通して円筒状バレル内に装填するステップと、
ｂ）ピストンを装備するステップと、
ｃ）場合により、円筒状バレルにおける少なくとも１つのポートを介して真空を適用するステップと、
ｄ）蒸気以外の少なくとも１つの反応物質を、円筒状バレルまたはオフセットにおける少なくとも１つのポートを介して添加するステップと、
ｅ）蒸気を円筒状バレルにおける少なくとも１つのポートを介して添加し、バレル内部を適切な温度に到達させるステップと、
ｆ）ｃ）、ｄ）、およびｅ）のポート、ならびにすべての弁を密封し、不透過性チャンバを備えるステップと、
ｇ）上記バイオマスおよび少なくとも１つの反応物質を約３０秒間〜約４時間反応せしめるステップと、
ｈ）排出弁を開口し、かつステップ（ｇ）からの反応させたバイオマスを不透過性チャンバからピストンによる変位によってフラッシュタンクに移動させるステップと、
を含み、
ここで、ステップａ）およびｂ）はいずれの順序でもよく、ここでｄ）およびｅ）は任意の順序または同時でもよく、かつそれにより、非圧縮性処理バイオマスを生産する、方法。
【請求項１３】
ｉ）円筒状バレルは、バレルを別々の第１および第２のチャンバに分割する弁を含み、該第１のチャンバはピストンを装備したバレルの第１の端部を有し、かつ上記第２のチャンバは排出弁を備えたバレルの第２の端部を有し、
ｉｉ）上記弁はステップ（ｆ）において閉じられ、それにより上記第１のチャンバは不透過性にされ、
ｉｉｉ）ステップ（ｇ）は該第１の不透過性チャンバ内で行なわれ、かつ
ｉｖ）ステップ（ｈ）に先立ち、該不透過性の第１のチャンバからのバイオマス生成物は、ピストンによる変位によって上記第２のチャンバに移動され、かつ該第２のチャンバ内で約２分間〜約４時間保持され、ここで該バイオマスは圧縮されない、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
脱圧縮ステップを含まない請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
（ｇ）におけるバイオマスの乾燥質量がバイオマス、反応物質および蒸気混合物の質量に対して少なくとも約１５％の高固体濃度である請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１６】
（ｇ）におけるバイオマスの乾燥質量がバイオマス、反応物質および蒸気混合物の質量に対して少なくとも約２０％の高固体濃度である請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
装填される（ｇ）におけるバイオマスの乾燥質量がバイオマス、反応物質および蒸気混合物の質量に対して少なくとも約３０％の高固体濃度である請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
適切な温度が約８５℃〜約３００℃の間である請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
温度が約１２０℃〜約２１０℃の間である請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
バイオマスが、スイッチグラス、紙くず、製紙汚泥、トウモロコシ粒、トウモロコシ穂軸、トウモロコシの皮、コーンストーバー、トウモロコシ繊維、草、小麦、麦かん、乾草、大麦、大麦わら、稲わら、サトウキビバガス、モロコシ、大豆、穀物の粉砕から得られる成分、木、枝、根、葉、ウッドチップ、おがくず、低木およびブッシュ、野菜、果物、花ならびに動物の糞尿からなる群から選択される請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項２１】
バイオマスが、トウモロコシ穂軸、コーンストーバー、トウモロコシ繊維、トウモロコシの皮、サトウキビバガス、おがくず、スイッチグラス、麦かん、乾草、稲わら、および草からなる群から選択される請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
バイオマスが、トウモロコシ穂軸、コーンストーバー、トウモロコシ繊維、おがくず、およびサトウキビバガスからなる群から選択される請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
バイオマスが複数の供給原料に由来する請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項２４】
バイオマスが少なくとも１つの反応物質と予備混合される請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項２５】
反応物質が、塩基、酸、有機溶媒、酸化剤、蒸気、ならびに塩基、酸、有機溶媒、酸化剤、および蒸気の組み合わせからなる群から選択される請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項２６】
請求項１２または１３に記載の方法によって生産される処理バイオマス。
【請求項２７】
請求項１２または１３に記載の方法によって生産された処理バイオマスの糖化によって生産される加水分解物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府の権利に関する声明
本発明は、エネルギー省によって授与された契約番号０４−０３−ＣＡ−７０２２４およびＤＥ−ＦＣ３６−０３ＧＯ１３１４６の下で米国政府後援でなされたものであった。政府は本発明における特定の権利を有する。
【０００２】
バイオマスを処理するための装置が提供される。本装置は、それを介してバイオマスが非圧縮状態を維持しながら移動するものである。また、反応物が装置内のバイオマスに添加される場合、バイオマスを処理するための方法も提供される。
【背景技術】
【０００３】
農業残渣、木材廃棄物、林業廃棄物、製紙汚泥、および都市および産業固体廃棄物などのセルロース系およびリグノセルロース系の供給原料および廃棄物は、燃料および他の化学物質などの貴重な生産物の生産を目的とした潜在的に大きい再生可能供給原料を提供する。セルロース、ヘミセルロース、グルカンおよびリグニンを含んでなる炭水化物ポリマーよりなる、セルロース系およびリグノセルロース系の供給原料および廃棄物は、一般に種々の化学的、機械的および酵素的手段によって処理されることで主にヘキソースおよびペントース糖が放出され、次いで有用な生産物に発酵されうる。
【０００４】
まず、バイオマス供給原料が、糖化酵素におけるセルロース系およびリグノセルロース系材料の炭水化物ポリマーのより容易に使用可能になるように処理され、それは前処理と称されることが多い。次いで、前処理バイオマスは、糖化酵素の存在下でさらに加水分解され、加水分解物においてオリゴ糖および／または単糖が放出される。前処理バイオマスから発酵性糖を生産するのに使用される糖化酵素は、典型的には、１つもしくはそれ以上のグリコシダーゼ、例えばセルロースを加水分解するグリコシダーゼ、ヘミセルロースを加水分解するグリコシダーゼ、および澱粉を加水分解するグリコシダーゼ、ならびにペプチダーゼ、リパーゼ、リグニナーゼおよび／またはフェルロイルエステラーゼを含む。糖化酵素およびバイオマス処理のための方法については、非特許文献１に記載されている。
【０００５】
大規模での使用にとって有効かつ経済的であるバイオマスを処理するためのシステムおよび／または方法を有することは望ましい。製品に対する発酵にとって必要とされる高濃度の発酵性糖を経済的に生産するため、濃縮された高乾燥重量材料としてのバイオマスの処理が必要とされる。したがって、バイオマスの高乾燥重量画分を含む材料が反応器を通って移動する一方、最小の化学物質およびエネルギー入力の使用に加え、糖化のためにバイオマスを透過させかつ最適に調製する処理反応物質の能力を維持することは、バイオマス処理工程における課題である。また、低い資本コストの装置を含むシステムまたは方法が所望される。攪拌または反応器の回転に対する要件を伴わない反応器を含むシステムまたは方法は、装置に対してより低い資本コストおよびより低いエネルギー入力を提供しうる。
【０００６】
攪拌または反応器の回転を必要とせず、かつ反応器を通ってバイオマスを移動させるための手段を規定するシステムについては記載がなされている。特許文献１では、微粒子材料、例えば木片、わら、バガスおよび他の繊維性材料を運搬するための装置が開示され、それは材料を固形の「プラグ（ｐｌｕｇ）」状態に圧縮する。スクリューコンベヤは材料を事前に圧縮すると共に、往復ピストンによりさらなる圧縮を行う。圧縮プラグは、非常に高密度であることから、システム内での吹返しを有効に阻止することが可能である。次いで、プラグは材料を加工するための手段に供給されうる。バイオマス材料の高密度プラグであれば、前処理反応物により最適に接近可能とはならない。
【０００７】
同様に、特許文献２では、材料を機械的に圧縮し始める、反芻動物によって可消化性が高められた、セルロース系材料を調製するための方法が開示される。次いで、それは化学試薬の不在下で高い蒸気圧を受け、さらに圧縮され、バイオマスの固形プラグが形成され、それは入口を通る蒸気の散逸を防ぐ。次いで、材料のごく一部が排出され、それは急速な圧力低下を受ける。バイオマスをプラグに圧縮することで、前処理で使用される反応物による最適な接近性が許容されないことになる。
【０００８】
特許文献３では、押出機のバレル内に装着された回転可能なスクリューを使用した、セルロース系材料を処理するための装置が開示される。加圧下での液体アンモニアがバレルに供給され、バレル内のリグノセルロース系材料と混合され、次いでアンモニアを含有するリグノセルロース系材料は、バレルから加熱されたダイを通って排出する際、液体アンモニアの気体への変化によって爆発的に拡大される。大規模な商業用の工程において押出機を使用すれば、非常にコスト高となり、それ故に経済的な方法が提供されることはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第４１８６６５８号明細書
【特許文献２】米国特許第４１３６２０７号明細書
【特許文献３】米国特許第６１７６１７６号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｌｙｎｄ  Ｌ．Ｒ．ら、Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．Ｒｅｖ．（２００２年）６６：５０６−５７７頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
糖化のためにバイオマスを調製するための、低コストの反応器を通って高乾燥重量のバイオマスを移動させる一方、反応物による最大の接近性を可能にする、バイオマスを処理するための経済的な反応器に対する需要が依然としてある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、糖化前にバイオマスを処理するための装置および前記装置を使用してバイオマスを処理するための方法を提供する。さらに、本発明は、本装置内で本方法によって生産される処理バイオマス、およびその後の前処理バイオマスの糖化によって生産される発酵性糖を含有する加水分解物を提供する。本装置は、
ａ）ピストンを装備した第１の端部および排出弁を装備した第２の端部を有する円筒状バレルと、
ｂ）場合により、１つのオフセット端部で円筒状バレルの第１の端部の近傍の円筒状バレルに装着されるオフセットであって、未装着のオフセット端部に密封可能な弁を有するオフセットと、
ｃ）円筒状バレル内またはオフセット内の少なくとも２つの密封可能なポート；
ｄ）場合により、バレルを別々の第１および第２のチャンバに分かれた円筒状バレル内の弁であって、前記第１のチャンバは前記ピストンを装備したバレルの第１の端部を有し、かつ前記第２のチャンバは排出弁を伴うバレルの第２の端部を有する、弁と、
ｅ）バレルの第２の端部で排出弁に装着されたフラッシュタンクと、
を含み、
前記装置は密封可能な不透過性バレルおよび処理バイオマスの非圧縮性流れを提供する。
【００１３】
別の態様では、装置内でバイオマスを処理するための方法は、
ａ）非圧縮性フィーダーを使用し、円筒状バレルに開いた第１の端部またはオフセットを介してバイオマスを装填するステップと、
ｂ）ピストンを装備するステップと、
ｃ）場合により、円筒状バレルにおける少なくとも１つのポートを介して真空を適用するステップと、
ｄ）円筒状バレルまたはオフセットにおける少なくとも１つのポートを介して蒸気以外の少なくとも１つの反応物を添加するステップと、
ｅ）円筒状バレルにおける少なくとも１つのポートを介して蒸気を添加し、バレル内部を適切な温度にするステップと、
ｆ）ｃ）、ｄ）、およびｅ）のポートならびにすべての弁を密封し、不透過性チャンバを提供するステップと、
ｇ）前記バイオマスおよび少なくとも１つの反応物を約３０秒間〜約４時間の時間、反応させておくステップと、
ｈ）排出弁を開放し、ステップ（ｇ）からの反応したバイオマス生成物を、不透過性チャンバからピストンによる変位によってフラッシュタンクに移動させるステップと、
を含み、
ステップａ）およびｂ）はいずれの順序でもよく、ｄ）およびｅ）はいずれかの順序または同時でもよく、またそれにより、非圧縮性処理バイオマスが生産される。
【００１４】
さらに、本発明のさらなる態様は、本処理方法に従って本装置内で調製されている処理バイオマス、ならびに本方法により本装置内で処理されているバイオマスの糖化によって生産される発酵性糖を含有する加水分解物を対象とする。
【００１５】
バイオマスは、バイオエネルギー作物、農業残渣、都市固形廃棄物、工業固形廃棄物、工場廃棄物、木材および林業廃棄物またはそれらの組み合わせを含みうる任意のセルロース系および／またはリグノセルロース系材料を示す。エネルギーは、サイズを低減するため、暴露表面積を増加させるため、および／またはバイオマス中に存在するセルロース、ヘミセルロースおよび／またはオリゴ糖の接近性を増大するため、（ａ）の前のバイオマスに適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の装置の一実施形態の概略図である。
【図２】本発明の装置の第２の実施形態の概略図である。
【図３】排出弁として使用される漸増（ｇｒａｄｕａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）ベンチューリの弁が閉じた状態での一実施形態の概略図である。
【図４】図３の漸増ベンチューリの実施形態の弁が開いた状態での概略図である。
【図５】Ｖポートバルブの漸増ベンチューリの実施形態の概略図である。
【図６Ａ】スイングチェックバルブの漸増ベンチューリの実施形態の弁が閉じた状態での概略図である。
【図６Ｂ】スイングチェックバルブの漸増ベンチューリの実施形態の弁が開いた状態での概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
出願人らは、本開示中にすべての引用文献の内容全体を具体的に援用する。さらに、量、濃度、または他の値もしくはパラメーターが、ある範囲、好ましい範囲、またはより高い好ましい値とより低い好ましい値のリストとして与えられる場合、これは、任意のより高い範囲限界または好ましい値と任意のより低い範囲限界または好ましい値との任意のペアから形成されるあらゆる範囲を、範囲が別々に開示されるか否かにかかわりなく具体的に開示するものとして理解されるべきである。本明細書中で数値の範囲が挙げられる場合、特に指定のない限り、同範囲は、その端点、ならびに範囲内のすべての整数および分数を含むように意図されている。本発明の範囲が範囲を規定する場合に挙げられる特定の値に限定されるようには意図されていない。
【００１８】
本発明は、バイオマスを糖化を受けるために調製し、発酵性糖を生産することを目的とした、バイオマスを処理するための装置を提供する。糖類は発酵され、燃料および他の化学物質などの貴重な製品の生産が可能である。前処理、糖化および発酵ステップを介し、廃棄物バイオマスを含む再生可能なバイオマスを使用し、オイルに対する必要性を低下しうる貴重な化学物質が生産されうる。
【００１９】
定義：
本開示では、多数の用語が用いられる。以下の定義が提供される：
「バイオマス」は、任意のセルロース系またはリグノセルロース系材料を示し、セルロースを含んでなる、かつ場合によりヘミセルロース、リグニン、澱粉、オリゴ糖および／または単糖をさらに含んでなる材料を含む。バイオマスは、タンパク質および／または脂質などの追加成分を含んでなる場合もある。本発明によると、バイオマスは単一のソースから誘導されうるか、またはバイオマスは２つ以上のソースから誘導される混合物を含んでなる可能性がある。すなわち、例えばバイオマスであれば、トウモロコシ穂軸とコーンストーバーまたはトウモロコシ線維の混合物、または草と葉の混合物を含んでなる可能性がある。バイオマスは、バイオエネルギー作物、農業残渣、都市固体廃棄物、産業固体廃棄物、製紙汚泥、工場廃棄物、木材および林業廃棄物を含むがこれらに限定されない。バイオマスの例として、トウモロコシ粒、トウモロコシ穂軸、トウモロコシの皮などの作物残渣、コーンストーバー、トウモロコシ線維、草、小麦、小麦のわら、まぐさ、稲わら、スイッチグラス、紙くず、サトウキビバガス、モロコシの茎、大豆皮または茎、穀物のミリングから得られる成分、木、枝、根、葉、ウッドチップ、おがくず、低木およびブッシュ、野菜、果物、花ならびに反芻動物の糞尿が挙げられるがこれらに限定されない。一実施形態では、本発明にとって有用なバイオマスは、比較的高い炭水化物値を有し、比較的密度が高く、かつ／または回収、運搬、保存および／または処理を行うのが比較的容易であるバイオマスを含む。本発明の一実施形態では、有用なバイオマスは、トウモロコシ穂軸、コーンストーバー、トウモロコシ線維およびサトウキビバガスを含む。
【００２０】
用語「発酵性糖」または「糖類」は、標的化学物質まで容易に発酵可能なオリゴ糖および単糖を示す。
【００２１】
用語「リグノセルロース系」は、リグニンおよびセルロースの双方を含有する材料を示す。リグノセルロース系材料はまた、ヘミセルロースを含有しうる。
【００２２】
用語「セルロース系」は、セルロースを含有する材料を示す。
【００２３】
用語「糖化」は、多糖類からの発酵性糖の生産を示す
【００２４】
バイオマスの「乾燥重量」は、すべてまたは実質的にすべての水が除去されたバイオマスの重量を意味する。乾燥重量は、典型的には、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＡＳＴＭ）のＳｔａｎｄａｒｄ  Ｅ１７５６−０１（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔｏｔａｌ  Ｓｏｌｉｄｓ  ｉｎ  Ｂｉｏｍａｓｓ）またはＴｅｃｈｎｉｃａｌ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｐｕｌｐ  ａｎｄ  Ｐａｐｅｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｉｎｃ．（ＴＡＰＰＩ）のＳｔａｎｄａｒｄ  Ｔ−４１２  ｏｍ−０２（Ｍｏｉｓｔｕｒｅ  ｉｎ  Ｐｕｌｐ，  Ｐａｐｅｒ  ａｎｄ  Ｐａｐｅｒｂｏａｒｄ）に従って測定される。
【００２５】
「アンモニアを含有する水溶液」は、水性培地中での、アンモニアガス（ＮＨ３）、水酸化アンモニウムまたは硫酸アンモニウムなどのアンモニウムイオン（ＮＨ４+）を含有する化合物、尿素などの分解時にアンモニアを放出する化合物、およびそれらの組み合わせを使用したものを示す。
【００２６】
用語「処理」は、材料に対して作用する反応物の工程を示し、ここで材料の物理および／または化学特性は改変される。
【００２７】
用語「反応物」は、処理工程で使用される条件下で、標的材料の物理および／または化学特性を改変可能な組成物を示す。
【００２８】
糖化における「酵素共同体」は、バイオマス混合物に作用し、発酵性糖を生産することが可能な酵素の組み合わせである。典型的には、糖化酵素共同体は１つもしくはそれ以上のグリコシダーゼを含有する場合があり、グリコシダーゼは、セルロースを加水分解するグリコシダーゼ、ヘミセルロースを加水分解するグリコシダーゼおよび澱粉を加水分解するグリコシダーゼからなる群から選択されうる。糖化酵素共同体における他の酵素は、ペプチダーゼ、リパーゼ、リグニナーゼおよびフェルロイルエステラーゼを含みうる。
【００２９】
バイオマスに関連する用語「処理する」および「前処理する」は、以下のように関連している。バイオマスが反応物で処理され、処理バイオマス生成物が形成され、それはまた、前処理バイオマスを形成するために処理するか、または前処理バイオマスを形成するために前処理すると称されうる。「前」の使用は、バイオマスを処理することがバイオマスの糖化前であることを区別する。
【００３０】
バイオマス処理装置
本発明の装置は、高濃度バイオマスを反応物質で処理し、糖化のためのバイオマスを調製する工程を操作するように設計される。高濃度バイオマスの処理は、任意の段階でバイオマスの圧縮を回避し、またそれにより処理反応物質のバイオマスへの接近がバイオマスの圧縮を含む工程において生じる場合全般で改善できることから、本装置において奏功している。バイオマスが圧縮される装置においては、バイオマスは処理反応物質との反応を改善するために脱圧縮されうるが、これには高エネルギー入力が必要であり、それにより装置を運転するコストが上昇する。本発明の装置を使用する場合、脱圧縮機能は全く必要とされない。本装置におけるさらなる節約が、反応チャンバの定位置態様によって提供される。チャンバ内部に、反応チャンバ、またはパドルもしくは他のミキサーの回転が全く存在しない。したがって、驚くべきことに、本装置は、低コストな方法で前処理バイオマスを有効に作製するため、処理反応物質の高濃度バイオマスへの有効な透過を提供する。
【００３１】
本装置においては、バイオマスが圧縮を伴わない定位置装置に添加され、圧縮を伴わない装置を通って移動する。バイオマスを非圧縮状態で維持することにより、バイオマス材料の天然の孔およびチャンネルが圧壊されない。反応チャンバ内でバイオマスに添加される処理反応物質は、非圧縮性天然バイオマスの孔およびチャンネルを貫通することができ、バイオマスのセルロース系またはリグノセルロース系材料に対して迅速かつ徹底的な効果をもたらす。この装置は、有効な糖化を受けて発酵性糖を生産する前処理バイオマスの生産において、バイオマス炭水化物から解重合された糖類への酵素用量および反応時間あたりで高効率の変換をもたらす点で極めて有効である。
【００３２】
本バイオマス処理装置は、ピストン／バレル型装置の２つの実施形態を示す図１および２における概略図、ならびに処理システムおよび／または方法における装置の使用に関する以下の説明を参照することによって最もよく理解されうる。これらの図面は例示を明確にするために簡略化され、ここでは図３および４に示されるフランジなど、一部の要素が省略されている。図１における装置は試験規模の反応器である。それは、バイオマス（１１）を添加するための開いた第１の端部（次いで可動プラグ（１２）の挿入により、バイオマスの装填後に密封される）を有する水平円筒状バレルチャンバ（１０）を含み、それはピストンの１タイプとして使用される。円筒状チャンバは、円筒状チャンバ内で処理反応物質をバイオマスに添加するための第１の密封可能なポート（１３）および第２の密封可能なポート（１４）、ならびに真空を適用するための第３の密封可能なポート（１５）を有する。絶縁ジャケット（１６）は円筒状チャンバを覆う。
【００３３】
バイオマスの装填および真空の適用の後、典型的には処理反応物質および蒸気はポートを通って添加され、次いですべてのポートは密封され、所望温度が維持される。ある期間後、過去に閉じられた排出弁（１７）が、円筒状バレルの第２の端部（１８）において弁シャフト（１９）を動かすことによって開けられる。弁シャフトは、隣接したフラッシュタンク（２１）内で下方に向けられた内部を分けるエルボー（２０）内の穴およびアクチュエータ（２３）に対峙するフラッシュタンクの反対側のパッキン押さえ（２２）を貫通して延在する。バイオマスおよび反応混合物は、円筒状バレルの第１の端部におけるプラグを第２の端部方向に動かすことによって排出弁（１７）を通過する。バイオマス混合物は排出弁を通過し、エルボー（２０）を介してフラッシュタンク（２１）に注入される。フラッシュタンクの底部における開口部を覆うカバー（２４）は前処理バイオマスに接近可能である。フラッシュタンクの頂部におけるポート（２５）は蒸気の排出を可能にし、管（２６）を通ってコンデンサ（２７）に接続される。
【００３４】
図１の装置の実施形態のさらなる説明および本明細書中の実施例におけるその使用は以下の通りである。この大型バレルピストン反応器は、ピストンを装備した５．１ｃｍ×６８．６ｃｍのステンレス鋼バレルで水平方向に構成された。ピストンは、４つのＯリングでバレルに密封され、吐出行程中、ピストンの裏面を窒素（最大約５６００ｋＰａ）で加圧された。６８．６ｃｍのバレルに、４つずつ頂部および底部表面に沿って８つの複数の使用ポートが装備され、真空の適用、反応物質の注入、およびバレル内部の温度を測定するための熱電対の挿入を可能にした。反応器バレルに、バレルのさらなる加熱のための蒸気ジャケットが装備された。反応器バレルは、１５．２ｃｍ×６１ｃｍのステンレス鋼フラッシュタンクに垂直方向に直接装着された。バレルは、円錐状ノズルおよびシート端部剪断弁装置により、フラッシュタンクから隔てられた。端部の弁を剪断するダイの直径は３．５ｃｍであった。円錐状ノズルおよびシートに対する背圧は調整可能であり、大部分の試験が、端部剪断弁のコーン部に接続された１０．２ｃｍ直径のエアシリンダへの約１３８ｋＰａ（ゲージ圧）の背圧を用いて実施された。端部剪断弁のコーン部は最大で１．６ｃｍ戻ることができ、粒子のフラッシュタンクへの排出が可能であった。固形物がタンクの底部におけるドーム状端部フランジのボルトを緩めることによって容易に除去される場合、端部剪断弁の出口にあるエルボーが処理固形物をフラッシュタンクの底部へと下方誘導した。フラッシュタンクに対して上部にあるドーム状フランジはフラッシュタンクの軸に対して直角に機械加工されたスロットに適合する特別な出口を組み込んだことで、放出された蒸気のコーナ軌跡周辺から出口フィッチングへの移動が引き起こされ、それは同伴されるバイオマス粒子および水滴のベントコンデンサへのキャリーオーバーの防止に役立った。３つの電気バンドヒーター（６０℃に設定）および絶縁部をフラッシュタンクに沿って追加し、熱処理された固形物の加熱容器へのフラッシュを可能にし、商業規模の工程のシミュレーションが改善された。
【００３５】
別の実施形態では、小型バレルピストン反応器が、４５．７ｃｍのバレル、蒸気ジャケットなし、３つの電気バンドヒーター、絶縁としてシリコーンが添着されたファイバーグラスジャケットで覆われた２．５ｃｍ厚のファイバーグラスマット、および３つの複数の使用ポートを有することを除いて上記のように構成された。フラッシュタンク、剪断弁、およびエルボーを含む他の特徴は、大型バレルピストン反応器についての記載の通りであった。
【００３６】
図２で具体化された本発明の装置は、商業用反応器として設計されたものである。それは、第１の端部（３３）にピストン（３４）および第２の端部（４１）に排出弁（４０）を装備した水平円筒状バレルを含む。バレルは絶縁され、不透過性壁を有する。オフセット（３１）が第１の端部近傍に装着され、送入弁である弁（３５）がオフセットの未装着の端部に位置する。ホッパー（３０）がオフセットの弁端部に装着される。バイオマスはホッパーを通して添加される。ホッパー（３０）からオフセット（３１）へのバイオマスの添加を制御するための非圧縮性流れを誘導する手段がありうる。オフセットは、バイオマスが円筒状バレル内に移動する際、オフセットにおいて処理反応物質をバイオマスに添加するための第１の密封可能なポート（３６）および第２の密封可能なポート（３７）を有する。第２の弁（３８）は、バレルを第１の円筒状チャンバ（３２）および第２の円筒状チャンバ（３９）を分離する。バイオマスおよび反応物質は、オフセットを通過し、所望される温度および圧力に達している第１のチャンバに入る。不透過性バレルを通るピストンの運動は、バイオマスおよび反応混合物を開かれた第２の弁（３８）を介して第１のチャンバから第２のチャンバに押し出し、かつ第２のチャンバ（３９）内の内容物を開かれた排出弁（４０）を介してフラッシュタンク（４２）に移動させる。第２のチャンバの内容物は、このチャンバ内に過去に移動されかつ使用条件下で処理反応にとって必要とされるだけの期間保持されたバイオマスおよび反応物質である。次いで、第１の円筒状チャンバ（３２）の再装填および工程サイクルの反復に備え、第２の弁（３８）は閉じられ、ピストン（３４）は引っ込む。フラッシュタンク（４２）においては、バイオマスは下方に導かれたエルボー（４３）を介して移動する。フラッシュタンクの底部における開口部を覆うカバー（４４）は、前処理バイオマスへの接近を可能にする。フラッシュタンクの頂部におけるポート（４５）は蒸気の排出を可能にし、管（４６）を介してコンデンサ（４７）に接続される。
【００３７】
図１および２で示される実施形態は、バイオマスが反応器に添加され、圧縮されることなく反応器を通って移動する点では同様に機能する。１つのチャンバを有する図１の実施形態は、バイオマスの１つの試料をある時点で処理するためのバッチシステムである。弁によって分離される２つのチャンバを有する図２の実施形態は、半連続またはバイオマスの複数の装填が同時に処理されるフェドバッチ操作を可能にする。この第２の実施形態では、バイオマスの各連続的装填が第２のチャンバに進入する場合の各ピストン変位サイクルは、一旦第２のチャンバが十分に装填されると、排出オリフィスを介した対応する容積の排出を伴う。ある時点での第２のチャンバにおけるピストン変位サイクルの数、およびそれによる第２のチャンバのサイズは、各バイオマス試料に必要とされる滞留時間に関連する。滞留時間については、本装置を使用した本方法における処理のための温度および時間に関連して以下にさらに考察される。したがって、第１のチャンバに対する第２のチャンバのサイズは、当業者によって容易に測定されるように、使用されている特定の処理に必要とされる特定の条件に依存して変動しうる。
【００３８】
本装置および処理方法は、処理反応のバイオマス、反応物質および蒸気混合物の重量に対して高乾燥重量のバイオマスでのバイオマスの処理に特に適合する。バイオマスを高乾燥重量濃度で処理し、糖化後に高糖濃度の加水分解物を生産することになるバイオマスを提供することが望ましい。バイオマスが圧縮されないようにする本装置の特徴は、高乾燥重量濃度のバイオマスの効果的処理を可能にする。本装置および処理方法で使用されるバイオマスの初期乾燥重量は、処理反応のバイオマス、反応物質および蒸気混合物の全重量の少なくとも約１５％である。より典型的には、バイオマスの乾燥重量は、少なくとも約２０％であり、かつ少なくとも約３０％、４５％、５０％、もしくはそれ以上でありうる。バイオマスの乾燥重量パーセントは変動する可能性があり、最適なパーセントは異なるタイプのバイオマスに対して異なりうる。例えば、少なくとも約２４％のバイオマスはトウモロコシ穂軸を使用する場合に望ましく、糖化され、エタノールへの費用効果的な発酵のために十分に濃縮された発酵性糖を生産する前処理バイオマスが提供される。より適切なものが、少なくとも約３０％のトウモロコシ穂軸バイオマスである。高糖類加水分解物を生産するための、本方法で使用される特定のタイプのバイオマスの好ましい乾燥重量パーセントは、当業者によって容易に測定される。
【００３９】
バイオマスは、ソースから得られるように直接的に使用されうるか、あるいはエネルギーをバイオマスに加えることにより、サイズが低減され、暴露表面積が増加し、かつ／あるいはバイオマス中に存在するセルロース、ヘミセルロース、および／またはオリゴ糖の可用性が増大する可能性がある。この目的にとって有用なエネルギー手段は、バイオマスの超微細構造が破壊されないように、バイオマスを圧壊または圧縮しないものを含む。例えば、バイオマスは、破砕、チョッピング、または断片化（ｃｈｉｐｐｅｄ）されうる。ジョークラッシャーもまた、超微細構造を破壊することなくバイオマスを剪断する方法で使用される場合、使用されうる。トゥースディスクリファイナー（ｔｏｏｔｈ  ｄｉｓｋ  ｒｅｆｉｎｅｒ）もまた、本方法における処理前にバイオマスのサイズを低減するために有用である。
【００４０】
本装置および処理方法では、バイオマスが、非圧縮性フィーダーを使用して円筒状バレルに移動する。バレル内に２つのチャンバがある場合、装填は第１のチャンバに施される。最も簡単な場合、非圧縮性フィーダーは手動でのバイオマスの装填を示す。この方法は、図１に示される装置を用い、本明細書中の実施例において説明される。図２の装置に例示される非圧縮性フィーダーはホッパーである。ホッパーは、自己ダンピング（ｓｅｌｆ−ｄｕｍｐｉｎｇ）であり、かつ／または圧縮力をもたらさない流れ誘導デバイス（ｆｌｏｗ−ｉｎｄｕｃｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ）が装備されうる。例えば、様々なタイプの底部攪拌式容器（ｌｉｖｅ−ｂｏｔｔｏｍ  ｂｉｎ）の流れ誘導装置（ｆｌｏｗ  ｉｎｄｕｃｅｒ）と、その後に、流れ計測用コンベヤ（ｆｌｏｗ  ｍｅｔｅｒｉｎｇ  ｃｏｎｖｅｙｏｒ）、例えば様々なタイプのドラッグチェーン、バケットエレベータ、または回転ヘリックス（Ａｃｒｉｓｏｎ（登録商標）デバイスなど）が使用されうる。第１の円筒状チャンバ内に装填されるバイオマスの量は、処理反応物質の添加時に生じうるバイオマスの拡大に対して空間が許容される程度に制限される。
【００４１】
真空は、バイオマスを有する円筒状バレルに適用されうる。バレル内に２つのチャンバがある場合、真空はバイオマスを有する第１のチャンバに適用される。典型的には、真空は、適用される場合、圧力を約２０ｋＰａ未満に低減する。円筒状バレルまたはオフセットにおける１つもしくはそれ以上のポートを通し、少なくとも１つの反応物質が添加される（２つ以上が添加されうる）。バレル内に２つのチャンバがある場合、反応物質がバイオマスを有する第１のチャンバに添加される。本装置は、当業者に既知の、様々なタイプの反応物質が利用される処理工程で使用されうる。例えば、反応物質は、酸、塩基、有機溶媒（ｏｒｇａｎｏｓｏｌｖｅｎｔ）、酸化剤、蒸気、またはこれらの様々な組み合わせでありうる。より適切には、蒸気は、本装置における処理工程において、単独使用されるか、あるいは酸、酸および酸化剤、塩基、塩基および酸化剤、または有機溶媒と併用されうる。
【００４２】
高濃度バイオマスの反応物質として低アンモニアおよび蒸気による処理の例が、共同所有される同時係属中の米国特許出願第ＮＡ１１／４０２７５７号明細書に記載されている。高バイオマスの低アンモニアおよび蒸気による処理の方法での本装置の使用については、以下のように、共同所有される同時係属中の米国特許出願第ＣＬ３９５０号明細書に記載されている。アンモニアを含有する水溶液は、アンモニアがチャンバ内のバイオマス乾燥重量に対して約１２重量パーセント未満であるような量で、第１の円筒状チャンバまたはそのオフセットにおける１つもしくはそれ以上のポートを通して添加される。ポートが分布されている２つ以上のポートが、アンモニア溶液接触部（ｃｏｎｔａｃｔ）がバイオマスに実質的に均一に分布されるように使用されうる。また、アンモニアは、チャンバ内のバイオマス乾燥重量に対して約４％〜約６％の間の量で添加されうる。アンモニア溶液は予熱される場合があり、それはバイオマスの温度上昇に寄与することになる。他の実施形態では、水性アンモニア溶液は、第１の円筒状チャンバへの装填前に、バイオマスと予備混合される。バイオマスと水性アンモニアは、第１の円筒状チャンバに供給する容器内で予備混合されうる。例えば、水性アンモニアはインラインヒーターを通してポンピングされ、バイオマスを有するパドルミキサーに注入される。次いで、バイオマスと水性アンモニアの混合物は第１の円筒状チャンバに供給され、そこではチャンバ閉鎖後に蒸気が注入される。蒸気が注入され、約８５℃〜約１８０℃の間の所望温度にされる。反応時間は、温度および使用される特定のバイオマスに依存し、数分間〜約４時間でありうる。必要とされる時間は、温度が上昇するにつれて減少する。低アンモニア処理においては、トウモロコシ穂軸を含有するバイオマスにとって典型的に適切な条件は、約６０分間〜約５分間における約１２０℃〜約１６０℃の間での処理を含む。特に適切な条件は、約３０分間〜約１０分間における約１４０℃〜約１５０℃の間である。
【００４３】
高濃度のアンモニアでの処理については、バイオマスが中程度の温度、無水アンモニアで短時間処理される場合で、Ｔｅｙｍｏｕｒｉらによって記載されている（Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、９６：２０１４−２０１８頁（２００５年））。この処理は、例として、本装置において以下の方法で実施されうる。バイオマスは、圧縮を伴わずに予備混合機に装填される。水がバイオマスに添加され、水分含有率が約６０％になる。次いで、液体アンモニアがバイオマスの乾燥重量に等しい量で添加される。この混合物は、本シングルチャンバ装置の第１の円筒状チャンバに移され、次いでそれは密封される。蒸気が注入され、チャンバ温度が９０℃になる。混合物はこの温度で５分間保持され、次いで圧縮を伴わないピストンの変位により、排出オリフィスを介してフラッシュタンクへと移動する。２チャンバ型装置は、バイオマスの複数の装填ならびに第１および第２の円筒状チャンバの間でのピストン変位による非圧縮性移動の場合、同様に使用されうる。
【００４４】
酸処理の方法の例が、Ａｄｅｎら（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  ｒｅｐｏｒｔ  ＴＰ−５１０−３２４３８（２００２年））に記載されている。この方法では、希釈Ｈ２ＳＯ４がバイオマスに添加され、混合物は直接蒸気注入によって所望温度まで加熱される。本方法は、連続またはバッチプロセスとして実施されうる。酸処理は、例として、以下の方法で本装置において使用されうる。バイオマスは、非クラッシング手段によって本シングルチャンバ反応器の第１の円筒状チャンバに装填され、次いで希釈硫酸（約１％ｗ／ｗ以下）が少なくとも１つのポートを通して添加され、全混合物中で約３０％の乾燥バイオマス濃度が得られる。蒸気がポートを通して注入され、チャンバ温度が約１９０℃になる。バイオマス−酸混合物がチャンバ内で約５分間保持され、次いで圧縮を伴わないピストンによる変位により、排出弁を介してフラッシュタンクへと移動する。２チャンバ型装置は、バイオマスの複数の装填ならびに第１および第２の円筒状チャンバの間でのピストン変位による非圧縮性移動の場合、同様に使用されうる。
【００４５】
蒸気のみでのバイオマス処理の例が、５０％乾燥バイオマス濃度でのコーンストーバーがスチームガン反応器に装填され、かつ蒸気の注入によって混合物が１５０〜２１０℃の温度になる場合で、ＬｌｏｙｄおよびＷｙｍａｎによって記載されている（Ａｐｐｌ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．  ａｎｄ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．  １０５：５３−５７頁（２００３年）およびＢｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．９６：１９６７−１９７７頁（２００５年））。混合物は、２〜１０７分間温度が保持され、次いで爆発的に排出された。このタイプの処理は、例として、以下の方法で本装置において使用されうる。約５０％（ｗ／ｗ）乾燥バイオマス濃度での水中のバイオマスが、圧縮を伴わずに本シングルチャンバ装置の第１の円筒状チャンバに装填される。蒸気がポートを通してチャンバに注入され、チャンバ温度が２１０℃になる。混合物は１０分間温度が保持され、次いで圧縮を伴わないピストンによる変位により、排出弁を介してフラッシュタンクへと移動する。２チャンバ型装置は、バイオマスの複数の装填ならびに第１および第２の円筒状チャンバの間でのピストン変位による非圧縮性移動の場合、同様に使用されうる。
【００４６】
有機溶媒でのバイオマス処理の例が、セルロース系材料が少量の鉱酸を含有する水性溶媒混合物で圧力容器内で処理される場合で、米国特許第４４０９０３２号明細書に記載されている。処理後、混合物は急速冷却され、糖類の非糖類への分解が阻止される。このタイプの処理は、例として、以下の方法で本装置において使用されうる。バイオマスが本シングルチャンバ装置の第１の円筒状チャンバに装填され、０．２５％Ｈ２ＳＯ４を含有するアセトン：水の容量比６０：４０が少なくとも１つのポートを通して添加される。蒸気がポートを通してチャンバに注入され、温度が約２００℃になる。混合物は１０分間温度が保持され、次いで圧縮を伴わないピストンによる変位により、排出オリフィスを介してフラッシュタンクへと移動する。前処理バイオマスの冷却がフラッシュタンク内で生じる。２チャンバ型装置は、バイオマスの複数の装填ならびに第１および第２の円筒状チャンバの間でのピストン変位による非圧縮性移動の場合、同様に使用されうる。
【００４７】
リグノセルロース系基質のアルカリ性過酸化物処理の例が、第１の期間の処理がアルカリ性溶液、その後のマグネシウムイオンおよび過酸化物の添加による場合で、米国特許第４８５９２８３号明細書に記載されている。処理全体は２５℃〜１００℃の間で行われる。このタイプの処理は、例として、以下の方法で本装置において使用されうる。バイオマスが圧縮を伴わずに予備混合機に装填され、水性ＮａＯＨが添加され、バイオマス乾燥重量を基準として１０％ＮａＯＨの濃度になる。硫酸マグネシウムの添加により、初期バイオマス乾燥重量を基準として０．２％マグネシウムイオンの濃度になり、その後のＨ２Ｏ２の添加により、初期バイオマス乾燥重量を基準として５％Ｈ２Ｏ２の濃度になる。十分に混和されたバイオマス混合物が圧縮を伴わずに本シングルチャンバ装置の第１の円筒状チャンバに装填され、次いでそれは密封される。蒸気がポートを通してチャンバに注入され、温度が約９５℃になる。混合固形物は９５℃で１時間維持され、次いで圧縮を伴わないピストンによる変位により、排出オリフィスを介してフラッシュタンクへと移動する。２チャンバ型装置は、バイオマスの複数の装填ならびに第１および第２の円筒状チャンバの間でのピストン変位による非圧縮性移動の場合、同様に使用されうる。
【００４８】
これらの処理方法のすべてにおいて、複数のポートが反応物質および／または蒸気のバイオマスへの導入に使用されうる。複数の反応物質が１つもしくは複数のポートを介して添加されうる。反応物質は、その導入前に予熱可能であり、それ故にバイオマスの温度上昇に寄与する。反応物質およびバイオマスは、第１の円筒状チャンバへの装填、例えば第１の円筒状チャンバに供給する容器内への装填前に予備混合されうる。
【００４９】
任意のタイプの処理においては、本装置は、処理において使用される特定の反応物質および条件に適合する材料で構成される。ほとんどの場合、装置は炭素鋼またはステンレス鋼を使用して構成されうる。しかし、酸を反応物質として使用する場合、酸の腐食性に耐える材料が使用される。例えば、反応器チャンバはＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）などの高性能アロイを使用して作製されうる。材料適合性は当業者に周知である。
【００５０】
本装置では、円筒状バレルは、図１および２に示されるように水平でありうるか、または垂直でありうる。直立型バレルの場合、図２に示されるオフセットおよびホッパーであれば、バイオマスのバレルチャンバへの装填を可能にするように、例えば９０度未満の角度で再構成されることになる。当業者であれば、直立型バレルを有する装置を容易に構成できるであろう。例えば、排出弁を通る流れであれば既に下方に導かれることになるので、直立型バレルは、フラッシュタンクの上部に位置し、流れを下方に導くエルボーなしに接続されうる。フラッシュタンクを垂直または水平に方向づけることはまた、当業者の能力の範囲内にある。所望される方向とは、装置内で使用中の特定の処理に最も適合するものとなる。例えば、フラッシュタンク内に放出されるアンモニアガスの除去および捕捉を容易にするアンモニア処理の場合、直立型タンクがより適切である。
【００５１】
バイオマスは本装置および方法において圧縮されないことから、蒸気の通過を圧縮されたバイオマスを伴うシステム内で生じる際、阻止できない。したがって、蒸気が添加されるチャンバは蒸気注入前に閉鎖される。蒸気が添加されつつある１つもしくはそれ以上のポート以外のポートが密封される。バレルの第１の端部のピストン、またはピストンとしての機能を果たすプラグが導入され、弁は閉じられる。使用される弁は、任意の開放型および閉鎖型の弁、例えばポペット弁または回転するナイフゲート弁でありうる。
【００５２】
蒸気は、バイオマスおよび反応混合物の温度を所望されるポイントまで上昇させるのに必要な量で、第１の円筒状バレルまたはオフセットにおける１つもしくはそれ以上のポートを通して添加される。２つ以上のポートを使用し、蒸気接触がバイオマス全体に分布されるようにポート同士の間隔を置くことがより適切である。蒸気は、バイオマスおよび反応混合物の温度を約８５℃〜約３００℃の間に上昇させるように添加される。より典型的な温度は、約８５℃〜約２７５℃の間であり、装置内で使用されている特定の処理方法に依存する。使用される温度での処理の数例が先に説明されたが、追加的な処理が当業者に周知である。所望温度を維持することが必要とされる場合、さらなる蒸気が第２の円筒状チャンバ（存在する場合）内のポートを介して添加されうる。本装置は、温度の上昇および／または維持に寄与する、加熱ジャケット、蒸気ジャケット、バンドヒーター、または絶縁ジャケットを含みうる。加熱または蒸気ジャケットは特に小型反応器に適合する一方、絶縁ジャケットは大型反応器に適合する。加熱は、処理または前処理に先立つバレルの予熱を含む、異なる段階で行われうる。
【００５３】
異なる処理が、特定の反応物質について上記に例示されるように、異なる温度および時間で実施された。処理されているバイオマスのタイプはまた、当業者によって容易に評価されうるように、本装置および方法での処理における最適な時間および温度に影響しうる。広範囲の時間および温度が本装置において使用されうる。図２の装置で使用されるバッチ供給サイクルの機能は、複数の装填に対して十分な時間を必要とする。したがって、限られた（使用される装置の実施形態の機能にとって十分に長い）時間を有する特定の処理に対する時間および温度の組み合わせであっても、経済的な方法をもたらすような中程度の温度を選択することが望ましい。本装置において中程度の温度を使用する便益性は、より低いコストを有するより低圧の蒸気が使用可能である点である。
【００５４】
バイオマスが反応器チャンバ内で所望温度で保持される時間は滞留時間である。第１のチャンバのみを有する装置を使用する場合、滞留時間は第１のチャンバ内で生じる。第１のチャンバおよび第２のチャンバを有する装置を使用する場合、第１のチャンバ内での時間は、混合物の第２のチャンバへの移動前にバイオマスと反応物質を結合させるのに十分に長い時間であると共に、滞留時間の大部分は第２のチャンバ内で生じうる。この場合、第１のチャンバ内での時間は約３０秒程度に過ぎず、第２のチャンバ内での時間は約２分間〜４時間でありうる。
【００５５】
本装置内で蒸気を使用してバイオマスを上記の温度にする結果、バレルチャンバ内で約６０ｋＰＡ〜約８６００ｋＰａの間の圧力がもたらされる。使用されるより典型的な圧力は、使用される処理反応物質に依存し、約３００ｋＰＡ〜約４７００ｋＰＡまたは約３００ｋＰＡ〜約２２００ｋＰＡの間である。
【００５６】
本装置および方法では、バイオマスは、圧縮を伴わず、第１のチャンバ、および第２のチャンバ（存在する場合）を通って移動する。これは、ピストンおよび不透過性シリンダチャンバを使用して行われうる。本開示を目的として、ピストンは、チャンバに押し込まれるプラグなど、ピストンとして使用可能な任意の部品、ならびに標準ピストンの任意のタイプを含みうる。図１に例示される装置のタイプのプラグは、バイオマスを移動させるのに十分な圧力を加える任意の方法を用い、チャンバに押し込まれうる。特に適切な方法は、プラグの挿入後にチャンバの端部に静的クロージャ（ｃｌｏｓｕｒｅ）、例えばボルト締めシリンダヘッドを提供し、次いでクロージャとプラグの間に窒素を導入し、圧力を高め、プラグを移動させることである。プラグは、他の手段により、例えば油圧、空気圧、または電気式アクチュエータに接続された押し棒を使用して、移動されうる。
【００５７】
装置のバレルは、密封されていない壁の透過物がない点で（すべてのポートおよび弁が閉鎖された状態で）不透過性であることから、液体がバレルから排出されることがない。液体の保持により、ピストンはバイオマスを圧縮することなく移動させうる。装置で使用される処理方法における液体は限られており、チャンバ壁の潤滑に役立ち、ピストン圧力に応答した非圧縮性流れを可能にするものである。実際、ピストン圧力は一時的にバイオマスをスポンジのようにやや圧搾しうるが、ここではバイオマスの孔およびチャンネルが破壊されるほど十分に圧搾されることはない。ピストン圧力の除去時、バイオマスは圧壊されていない孔およびチャンネルに液体を再吸収させうる。バイオマス流れを補助するため、植物油石鹸などの潤滑液体がチャンバに導入されうる。流れは内部チャンバ壁のライフリングにより促進可能であり、ここでは傾斜溝などの切れ目を付けることで摩擦が低減され、それにより降伏応力が低減されかつバイオマス流れが改善されうる。圧縮を伴わないバイオマスの移動は、処理によって生成される膨張した液体充填孔を維持し、その後の糖化を促進する。
【００５８】
本装置では、バイオマスおよび反応混合物は、所望温度で所望時間かけて処理された後、円筒状バレルの端部で排出弁を介してフラッシュタンクに移動する。排出弁は所望温度でのバイオマスと反応物質との反応中に閉じ、次いでバイオマスの通過に対して開く。図２に例示される２チャンバ型反応器では、第１のチャンバの内容物の容量によって第２のチャンバの全内容物を移動させるため、ピストンが第１のチャンバ内の圧力を高めた後、排出弁は第１および第２のチャンバの間の弁の開放と同時に開く。
【００５９】
使用可能な排出弁は、回転式Ｖポートバルブ、スイングチェックバルブ、およびポペット排出弁によって例示される。図１に例示されるようなより小型の反応器内では、ピストン作動式ポペット型排出弁が特に有用であり、この場合、バルブシートの表面硬化された（ｈａｒｄｆａｃｅｄ）上流側は排出オリフィスであり、かつバルブシートのより軟化した下流側は表面硬化された弁プランジャに対して密封し、弁プランジャが後退され開く際、流れ領域はバルブシートを超えて継続的に拡大する。
【００６０】
最も適切な場合、ポペット型排出弁は漸増ベンチューリを組み込むことになる。漸増ベンチューリのポペット弁の一実施形態は、図１に例示される小型反応器にとって適切であり、図３に図示される。この弁は、円錐状ノズルおよびシート端部を剪断する弁装置を組み込む。プラギングを回避するため、図３（閉鎖位置）および図４（開放位置）に例示される漸増ベンチューリが、ベンチューリの不動外部コーン（５０）と弁シャフト（５２）の末端に装着されたベンチューリの可動内部コーン（５１）の間での徐々に拡大するギャップを介して固形物を加速するように設計された。ベンチューリの外部コーンは、反応器チャンバ（５４；図１中の１０に相当）出口のフランジ（５３）とフラッシュタンク入口フランジ（５５）の間に固定された一般に環状のベンチューリ形状である。ベンチューリの内部コーン（５１）は、反応器出口弁シャフト（５２）の末端側の突出部である。ベンチューリの内部コーンおよび弁シャフトは、フラッシュタンク（５７；図１中の２１に相当）内部の排気エルボー（５６；図１中の２０に相当）内部にある。弁シャフトは、運動の制御用のアクチュエータ（５８）に装着されている。アクチュエータは、弁シャフトを水平運動において前後に移動させることが可能な任意のデバイス、例えば、電気式、空気圧もしくは油圧モーター、空気圧弁アクチュエータ、または油圧ピストンでありうる。弁シャフトがその左端位置にある場合、内部コーンの外縁を外部コーンの内縁に対向的に位置づけ、処理中に反応器の排出端部が密封される。チャンバ内容物を排気する時点では、弁シャフトは右側に動かされ、フラッシュベンチューリにとって所望される開口部のサイズがもたらされる。
【００６１】
この設計は、流れの方向にスムーズに拡大する大規模なフラッシュ領域を提供する。この設計では、バイオマス固形物が徐々に開放する環状コーンの軸まで加速降下され、そこでは半径の急速な拡大によりプラギングの余地が回避される。
【００６２】
特に図２に例示される大型装置での排出弁として適切な漸増ベンチューリの別の実施形態が図５に図示される。これは、フラッシュベンチューリの拡大が弁体内に加工される場合のＶポートプラグコックの実施形態である。フラッシュベンチューリの静止体（７０）内部には、反応チャンバ（７２）の出口端部から狭窄部（７１）およびフラッシュタンク（７４）への入口に向かう拡大部（７３）がある。プラグコックの回転コア（７５）には、開放位置にある場合、反応器チャンバの狭窄部（７１）およびフラッシュタンクに向かう拡大部（７３）と合わせる傾斜開口部（７６）がある。回転コア（７５）は全周回転の半分回転することで、弁を閉じるプラグコックの一致を妨げる。
【００６３】
特に図２に例示される大型反応器での排出弁として適切な漸増ベンチューリのさらなる実施形態が図６に図示される。これは、反応器チャンバ（７２）とフラッシュタンク（７４）への入口の間の狭窄接合部（８１）に適合するコーン（８０）を有するスイングチェックバルブの実施形態である（図６Ａ）。コーンは、パッキン押さえを通って回転弁アクチュエータまで延在するシャフト（８３）に装着されたアーム（８２）上にある。シャフトは点線の方向に回転され、逆時計回りにアームが移動し、接合部が開放され、漸増ベンチューリが形成される（図６Ｂ）。漸増ベンチューリ用に使用されるスイングチェックバルブの別の実施形態では、コーンは数フィートの直径であると共に、弁を開くための逆時計回りの移動距離はほんの数インチ、つまり８ｃｍ未満でもよい。
【００６４】
排出弁を通って移動するバイオマスおよび反応物質がフラッシュタンクに入ると、真空を保持することができる。アンモニアを含む処理を使用する場合、糖化に備え、アンモニアは処理バイオマスから放出され、バイオマスはフラッシュタンク内で冷却される。任意の典型的なフラッシュタンクは、最適な分離エルボーの機能を提供するタンジェンシャルまたはボリュート入口を有するものの場合に使用されうる。異なる圧力で次々と数回のフラッシングを施し、アンモニアを処理バイオマスから放出することは特に適切である。例えば、大気圧近くの圧力への１回目のフラッシュは、典型的には遊離アンモニアの大部分を除去し、材料を約１００℃に冷却する。約２０ｋＰａ未満の圧力への２回目のフラッシュは残存する遊離アンモニアを除去し、材料を約５０℃の温度に冷却し、それは糖化にとって望ましい。
【００６５】
排出弁を通過したバイオマスおよびアンモニア混合物からフラッシュタンク内に放出されるアンモニア蒸気は、フラッシュタンクから回収され、再生されうる。より低圧のフラッシュからの蒸気は、中間冷却を伴わない標準の蒸気再圧縮装置（タービンまたは蒸気ジェットポンプなど）を使用して再生されうる。したがって、アンモニア蒸気は直接再生され、凝縮なしに処理されうるか、または再利用前に凝縮されうる。後者の場合、回収された蒸気は図１などのようにコンデンサに供給される。処理バイオマス中のアンモニアを低減することで、ｐＨが低下し、糖化酵素の活性にとって満足できるｐＨにするのに必要とされる酸の量が減少することになる。これは、酸のさらなる添加の結果、糖化酵素または微生物成長に対して阻害性がある濃度で塩の形成がもたらされうることから望ましい。他方、バイオマス中に残存したアンモニアは、発酵の間での微生物成長を補助するための窒素源として役立ちうる。したがって、残存するアンモニアにより、発酵の間に使用される成長培地に窒素源を補給する必要性が低下するかまたはなくなる可能性がある。典型的には、アンモニアの少なくとも一部が除去され、ｐＨが低下するが、その後の発酵において使用されるこの栄養素を提供する一部の窒素が残る。
【００６６】
他の反応物を使用する場合、フラッシュ蒸気は水および存在する任意の揮発性成分を含むことになる。前処理バイオマスはフラッシュタンク内で冷却される。前処理バイオマスがフラッシュタンクの底部で蓄積する際、それはフラッシュタンクの底部に装着されうるパドルミキサーによって撹拌されうる。前処理バイオマスは、フラッシュタンクから、典型的にはタンクの底部におけるカバーを開くことによって除去される。前処理バイオマスを連続的に抽出するための底部攪拌式機械的手段が特に適切である。本装置内でのバイオマスの複数のバッチの加工においては、バイオマスおよび反応物質の１つのバッチがバレルチャンバ内に存在しうる一方、別のバッチがフラッシュタンク内に存在する。２チャンバ型装置においては、両方のチャンバ内およびフラッシュタンク内にバッチが並行して存在しうる。さらに、前処理バイオマスの複数のバッチが、除去前にフラッシュタンク内で回収されうる。
【００６７】
処理後、生成物は、典型的には、反応物質の混合物、特に分解されたバイオマスおよび一部の発酵性糖を含む。可溶性および不可溶性分画の双方を含む前処理バイオマス全体は、フラッシュタンクから除去され、糖化反応において利用されうる。あるいは、バイオマス乾燥重量が糖化反応において高く維持されるように、一部の液体が糖化前に前処理バイオマス混合物から排出されうる。過剰な液体が、処理後、特に大量の蒸気が処理におけるバイオマスの温度の上昇および維持に必要とされる場合に存在しうる。いくつかの処理に伴い、過剰な液体が発酵で使用するために単離されうる糖類を含有しうるか、または糖類を含有する液体が発酵の間に使用されうる。
【００６８】
別の代替案においては、バイオマス固形物が、本装置および方法における処理を通して再生されうる。
【００６９】
糖化
本装置から得られる前処理バイオマスは糖化酵素（糖化酵素共同体と称されうる）の存在下でさらに加水分解され、加水分解物においてオリゴ糖および／または単糖が放出される。バイオマス処理における糖化酵素および方法は、Ｌｙｎｄ  Ｌ．Ｒ．ら（Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．Ｒｅｖ．（２００２年）６６：５０６−５７７頁）にレビューされている。
【００７０】
糖化前、前処理バイオマスは処理され、糖化酵素共同体の酵素が活性を示すことになるように、ｐＨ、組成物または温度が改変されうる。ｐＨは、固形または液体形態での酸または塩基の添加を介して改変されうる。あるいは、発酵から回収されうる二酸化炭素（ＣＯ２）が使用され、ｐＨが低下されうる。例えば、ＣＯ２は、発酵槽から回収され、フラッシュタンク内のヘッドスペースの前処理生成物に供給されるか、または所望されるｐＨが得られるまでｐＨを監視する間、十分な液体が存在する場合、前処理バイオマスを介して泡立たせられる場合がある。温度は、下記のように、糖化酵素活性に適合する温度にされうる。糖化において使用される酵素の活性のために必要とされる任意の共同因子が添加されうる。
【００７１】
糖化酵素共同体は、主に、二糖、オリゴ糖、および多糖のエーテル結合を加水分解する群「グリコシダーゼ」より選択される（がこれらに限定されない）１つもしくはそれ以上の酵素を含んでなり、酵素分類として、一般群「加水分解酵素」（ＥＣ３．）のＥＣ３．２．１．ｘ（Ｅｎｚｙｍｅ  Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅ  １９９２年、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ（Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，ＣＡ）に加え、Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ  １（１９９３年）、Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ  ２（１９９４年）、Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ  ３（１９９５）、Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ  ４（１９９７年）およびＳｕｐｐｌｅｍｅｎｔ  ５［各々、Ｅｕｒ．Ｊ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．（１９９４年）２２３：１−５頁、Ｅｕｒ．Ｊ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．（１９９５年）２３２：１−６頁、Ｅｕｒ．Ｊ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．（１９９６年）２３７：１−５頁、Ｅｕｒ．Ｊ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．（１９９７年）２５０：１−６頁、およびＥｕｒ．Ｊ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．（１９９９年）２６４：６１０−６５０頁］）において見出される。本方法において有用なグリコシダーゼを、それらが加水分解するバイオマス成分によって分類してもよい。本方法において有用なグリコシダーゼは、セルロースを加水分解するグリコシダーゼ（例えば、セルラーゼ、エンドグルカナーゼ、エキソグルカナーゼ、セロビオヒドロラーゼ、β−グルコシダーゼ）、ヘミセルロースを加水分解するグリコシダーゼ（例えば、キシラナーゼ、エンドキシラナーゼ、エキソキシラナーゼ、β−キシロシダーゼ、アラビノキシラナーゼ、マンナーゼ、ガラクターゼ、ペクチナーゼ、グルクロニダーゼ）、および澱粉を加水分解するグリコシダーゼ（例えば、アミラーゼ、α−アミラーゼ、β−アミラーゼ、グルコアミラーゼ、α−グルコシダーゼ、イソアミラーゼ）を含む。さらに、ペプチダーゼ（ＥＣ３．４．ｘ．ｙ）、リパーゼ（ＥＣ３．１．１．ｘおよび３．１．４．ｘ）、リグニナーゼ（ＥＣ１．１１．１．ｘ）、ならびにフェルロイルエステラーゼ（ＥＣ３．１．１．７３）などの糖化酵素共同体に他の活性を付加することで多糖のバイオマスの他の成分からの放出を促進することは有用でありうる。多糖を加水分解する酵素を生産する微生物が、異なる基質特異性を有する数種の酵素または酵素群によって触媒される、セルロース分解などの活性を示すことが多いことは当該技術分野で周知である。したがって、本方法の糖化酵素共同体は酵素活性、例えば「セルラーゼ」を含みうるが、この活性が２つ以上の酵素によって触媒されうることが理解される。
【００７２】
糖化酵素は、Ｓｐｅｚｙｍｅ（登録商標）ＣＰセルラーゼ（Ｇｅｎｅｎｃｏｒ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ，ＮＹ））およびＭｕｌｔｉｆｅｃｔ（登録商標）キシラナーゼ（Ｇｅｎｅｎｃｏｒ）など、商用的に入手可能である。さらに、糖化酵素は、例えば組換え微生物を使用し、生物学的に生産されうる。
【００７３】
当業者は、共同体において使用される酵素の有効量を決定する方法および最適な酵素活性のための条件を調節する方法を認識しているであろう。当業者はまた、選択された条件下で所与の前処理生成物の最適な糖化を得るのに必要とされる共同体中の酵素活性のクラスを最適化する方法を認識しているであろう。
【００７４】
好ましくは、糖化反応は糖化酵素にとって最適な温度およびｐＨまたはそれらの近傍で行われる。本方法において糖化酵素共同体の場合に使用される最適温度は、約１５℃〜約１００℃の間の範囲である。別の実施形態では、最適温度は約２０℃〜約８０℃の間の範囲である。最適ｐＨは約２〜約１１の間の範囲である。別の実施形態では、本方法において糖化酵素共同体の場合に使用される最適ｐＨは約４〜約１０の間の範囲である。
【００７５】
糖化は、約数分〜約１２０時間、および好ましくは約数分〜約４８時間の時間かけて実施されうる。反応における時間は、酵素濃度および比活性、ならびに使用される基質および環境条件、例えば温度およびｐＨに依存することになる。当業者は、特定の基質および糖化酵素共同体の場合に使用されるべき温度、ｐＨおよび時間の最適条件を容易に決定できる。
【００７６】
糖化は、バッチ式または連続プロセスとして実施されうる。糖化はまた、１つのステップまたは多数のステップで実施されうる。例えば、糖化に必要とされる異なる酵素は異なるｐＨまたは温度の最適値を示しうる。一次処理はある温度およびｐＨで酵素を使用して実施された後、二次または三次（またはより高次の）処理が異なる温度および／またはｐＨで異なる酵素を使用して実施されうる。さらに、連続ステップでの異なる酵素を使用した処理は、同じｐＨおよび／もしくは温度で、または異なるｐＨおよび温度で、例えばより高いｐＨおよび温度で安定でかつより活性のあるヘミセルラーゼとその後のより低いｐＨおよび温度で活性のあるセルラーゼを使用して実施されうる。
【００７７】
糖化後のバイオマスからの糖類の可溶化の程度は、単糖およびオリゴ糖の放出を測定することによって監視されうる。単糖およびオリゴ糖を測定するための方法は当該技術分野で周知である。例えば、還元糖の濃度は１，３−ジニトロサリチル（ＤＮＳ）酸アッセイを用いて測定されうる（Ｍｉｌｌｅｒ  Ｇ．Ｌ．、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．（１９５９年）  ３１：４２６−４２８頁）。あるいは、糖類は、本明細書中の一般的方法の項において記載のように、適切なカラムを使用するＨＰＬＣによって測定されうる。
【００７８】
発酵
バイオマスから放出される発酵性糖は適切な微生物によって使用され、標的化学物質が生産されうる。糖化後（但し発酵前）、糖化混合物は例えば蒸発によって濃縮され、発酵性糖の濃度が高められうる。場合により、糖化生成物中の液体は、バッチまたは連続方法で固形物から分離されうる。場合により、液体または全糖化生成物は発酵前に滅菌されうる。発酵中に使用される微生物および糖化の間に使用されるｐＨに依存し、ｐＨは発酵に適するｐＨに調整されうる。さらに、糖化混合物には、微生物成長に必要とされる追加的栄養素が補足されうる。補助栄養素は、例えば、酵母抽出物、特定アミノ酸、リン酸塩、窒素源、塩、および微量元素を含みうる。特定の生体触媒によって作製される特定の製品の生産に必要とされる成分、例えば酵素触媒反応において必要とされるプラスミドまたは共同因子を維持するための抗生物質もまた含まれうる。また、全糖濃度を上昇させるためのさらなる糖類が含まれうる。糖化混合物は、例えば最終媒体の約１００％〜約１０％を構成する発酵培養液の成分として使用されうる。
【００７９】
温度および／またはヘッドスペースガスはまた、発酵微生物にとって有用な条件に依存して調整されうる。発酵は好気性または嫌気性でありうる。発酵は、糖化後に行われうるか、または同時糖化および発酵（ＳＳＦ）によって糖化と同時に生じうる。ＳＳＦにより、糖化によってもたらされる糖レベルが低く保持され、それにより糖化酵素の潜在的な生成物阻害が低減され、汚染微生物における糖の可用性が低下し、かつ前処理バイオマスから単糖および／またはオリゴ糖への変換が改善されうる。
【００８０】
発酵によって生産されうる標的化学物質は、例えば、酸、アルコール、アルカン、アルケン、芳香族化合物、アルデヒド、ケトン、生体高分子、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、ビタミン、抗生物質、および医薬品を含む。アルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロパンジオール、ブタンジオール、グリセロール、エリスリトール、キシリトール、およびソルビトールを含むがこれらに限定されない。酸は、酢酸、乳酸、プロピオン酸、３−ヒドロキシプロピオン酸、酪酸、グルコン酸、イタコン酸、クエン酸、コハク酸およびレブリン酸を含む。アミノ酸は、グルタミン酸、アスパラギン酸、メチオニン、リジン、グリシン、アルギニン、トレオニン、フェニルアラニンおよびチロシンを含む。追加の標的化学物質は、メタン、エチレン、アセトンおよび工業用酵素を含む。
【００８１】
標的化学物質への糖類の発酵が、単一または多段階の発酵において、１つもしくはそれ以上の適切な生体触媒により行われうる。生体触媒は、細菌、糸状真菌および酵母より選択される微生物でありうる。生体触媒は、野生型微生物または組換え微生物である場合があり、エスケリキア（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ）、ジモモナス（Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ）、サッカロミセス（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ）、カンジダ（Ｃａｎｄｉｄａ）、ピキア（Ｐｉｃｈｉａ）、ストレプトマイセス（Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓ）、バチルス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）、ラクトバチルス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ）、およびクロストリジウム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ）を含む。別の実施形態では、生体触媒は、組換え大腸菌（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ  ｃｏｌｉ）、ジモモナス・モビリス（Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ  ｍｏｂｉｌｉｓ）、バチルス・ステアロサーモフィラス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ  ｓｔｅａｒｏｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ）、サッカロミセス・セレビシェ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ  ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）、クロストリジア・サーモセルム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉａ  ｔｈｅｒｍｏｃｅｌｌｕｍ）、サーモアナエロバクテリウム・サッカロリチクム（Ｔｈｅｒｍｏａｎａｅｒｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｓａｃｃｈａｒｏｌｙｔｉｃｕｍ）、およびピキア・スチピチス（Ｐｉｃｈｉａ  ｓｔｉｐｉｔｉｓ）からなる群から選択される。
【００８２】
標的化学物質を生産するための発酵にて用いられる多数の生体触媒については記載がなされており、他のものは発見されるか、突然変異によって生産されるか、または組換え手段によって設計されうる。本装置および方法を使用した、前処理バイオマスの糖化から生成される発酵性糖を用いる任意の生体触媒を使用し、発酵による生成が知られている標的化学物質が作製されうる。
【００８３】
特に、エタノールおよびブタノールを含む生物燃料を生産する生体触媒が重要である。例えば、溶媒生成クロストリジウム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉａ）による炭水化物からアセトン、ブタノール、およびエタノールへの発酵（ＡＢＥ発酵）は周知である（ＪｏｎｅｓおよびＷｏｏｄｓ（１９８６年）  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｒｅｖ．５０：４８４−５２４頁）。クロストリジウム・アセトブチリクム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ）の変異株を用いる、高レベルのブタノールを生産し、さらにアセトンおよびエタノールを生産するための発酵方法が、米国特許第５，１９２，６７３号明細書に記載されている。高レベルのブタノールを生産し、さらにアセトンおよびエタノールを生産するためのクロストリジウム・バイジェリンキー（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｂｅｉｊｅｒｉｎｃｋｉｉ）の変異株の使用については、米国特許第６，３５８，７１７号明細書に記載されている。共同所有される同時係属中の特許出願の国際公開第２００７／０４１２６９号パンフレットおよび国際公開第２００７／０５０６７１号パンフレットは、遺伝子操作された微生物宿主内での１−ブタノールおよびイソブタノールのそれぞれの生産について開示している。共同所有される同時係属中の米国特許出願第１１／７４１８９２号明細書および米国特許出願第１１／７４１９１６号明細書は、遺伝子操作された微生物宿主内での２−ブタノールの生産について開示している。イソブタノール、１−ブタノールまたは２−ブタノールは、開示される方法に従い、微生物宿主により、本装置および本方法を用いて生産される加水分解物の発酵から生産されうる。
【００８４】
大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）の遺伝子組換え株は、エタノール生産用の生体触媒としても用いられている（Ｕｎｄｅｒｗｏｏｄら、（２００２年）Ａｐｐｌ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．６８：６２６３−６２７２頁）。エタノールの生産を改善しているジモモナス・モビリス（Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ  ｍｏｂｉｌｉｓ）の遺伝子組換え株については、米国特許出願公開第２００３／０１６２２７１Ａ１号明細書に記載されている。アルコール発酵菌（Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ  ｍｏｂｉｌｉｓ）のさらに改変されたエタノール生産株およびエタノール生産のためのその使用については、共同所有される同時係属中の米国仮特許出願第６０／８４７８１３号明細書および米国仮特許出願第６０／８４７８５６号明細書においてそれぞれ記載されている。エタノールは、開示される方法に従い、アルコール発酵菌（Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ  ｍｏｂｉｌｉｓ）により、本装置および本方法を用いて生産される加水分解物の発酵から生産されうる。
【００８５】
乳酸は、大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）の組換え株（Ｚｈｏｕら、（２００３年）Ａｐｐｌ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．６９：３９９−４０７頁）、バチルス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）の天然株（米国特許出願公開第２００５／０２５０１９２号明細書）、および糸状菌（Ｒｈｉｚｏｐｕｓ  ｏｒｙｚａｅ）（ＴａｙおよびＹａｎｇ（２００２年）Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂｉｏｅｎｇ．８０：１−１２頁）による発酵において生産されている。大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）の組換え株は、１，３プロパンジオール（米国特許第６，０１３，４９４号明細書、米国特許第６，５１４，７３３号明細書）およびアジピン酸（Ｎｉｕら、（２００２年）Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｐｒｏｇ．１８：２０１−２１１頁）を生産するための発酵における生体触媒として用いられている。酢酸は、組換えクロストリジア（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉａ）（Ｃｈｅｒｙａｎら、（１９９７年）Ａｄｖ．Ａｐｐｌ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．４３：１−３３頁）および新規に同定された酵母株（Ｆｒｅｅｒ、（２００２年）Ｗｏｒｌｄ  Ｊ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．１８：２７１−２７５頁）を用いた発酵により作られている。組換え大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）および他の細菌によるコハク酸の生産については、米国特許第６，１５９，７３８号明細書中で、および変異組換え大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）によるものについてはＬｉｎら、（２００５年）Ｍｅｔａｂ．Ｅｎｇ．７：１１６−１２７頁中で記載されている。ピルビン酸は、トルロプシス・グラブラータ（Ｔｏｒｕｌｏｐｓｉｓ  ｇｌａｂｒａｔａ）変異酵母（Ｌｉら、（２００１年）Ａｐｐｌ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．５５：６８０−６８５頁）および変異大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）（Ｙｏｋｏｔａら、（１９９４年）Ｂｉｏｓｃｉ．Ｂｉｏｔｅｃｈ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．５８：２１６４−２１６７頁）により生産されている。大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）の組換え株は、パラ−ヒドロキシケイ皮酸（米国特許出願公開第２００３／０１７０８３４号明細書）およびキナ酸（米国特許出願公開第２００６／０００３４２９号明細書）を生産するための生体触媒として用いられている。
【００８６】
プロピオン酸を生産するための発酵においては、プロピオニバクテリウム・アシジプロピオニシ（Ｐｒｏｐｉｏｎｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ａｃｉｄｉｐｒｏｐｉｏｎｉｃｉ）の変異体が用いられており（ＳｕｗａｎｎａｋｈａｍおよびＹａｎｇ（２００５年）Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂｉｏｅｎｇ．９１：３２５−３３７頁）、酪酸についてはクロストリジウム・チロブチリカム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｔｙｒｏｂｕｔｙｒｉｃｕｍ）により作られている（ＷｕおよびＹａｎｇ（２００３年）Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂｉｏｅｎｇ．８２：９３−１０２頁）。プロピオン酸塩およびプロパノールについては、クロストリジウム属（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｓｐ．）株１７ｃｒ１（Ｊａｎｓｓｅｎ、（２００４年）Ａｒｃｈ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．１８２：４８２−４８６頁）によるトレオニンからの発酵により作られている。酵母様の黒酵母（Ａｕｒｅｏｂａｓｉｄｉｕｍ  ｐｕｌｌｕｌａｎｓ）を用い、アスペルギルス・ニガー（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ  ｎｉｇｅｒ）の変異体（Ｓｉｎｇｈら、（２００１年）Ｉｎｄｉａｎ  Ｊ．Ｅｘｐ．Ｂｉｏｌ．３９：１１３６−４３頁）によりグルコン酸が作られている（Ａｎａｎｔａｓｓｉａｄｉｓら、（２００５年）Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂｉｏｅｎｇ．９１：４９４−５０１頁）。５−ケト−Ｄ−グルコン酸がグルコノバクター・オキシダンス（Ｇｌｕｃｏｎｏｂａｃｔｅｒ  ｏｘｙｄａｎｓ）の変異体により作られ（Ｅｌｆａｒｉら、（２００５年）Ａｐｐｌ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｂｉｏｔｅｃｈ．６６：６６８−６７４頁）、イタコン酸がアスペルギルス・テレウス（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ  ｔｅｒｒｅｕｓ）の変異体により生産され（ＲｅｄｄｙおよびＳｉｎｇｈ（２００２年）Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．８５：６９−７１頁）、クエン酸がアスペルギルス・ニガー（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ  ｎｉｇｅｒ）変異株により生産され（Ｉｋｒａｍ−Ｕｌ−Ｈａｑら、（２００５年）Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．９６：６４５−６４８頁）、かつキシリトールがカンジダ・ギリエルモンディ（Ｃａｎｄｉｄａ  ｇｕｉｌｌｉｅｒｍｏｎｄｉｉ）ＦＴＩ  ２００３７により生産された（ＭｕｓｓａｔｔｏおよびＲｏｂｅｒｔｏ（２００３年）Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．９５：３３１−３３７頁）。４−ヒドロキシバレレートを含有するバイオポリエステルは、大量の３−ヒドロキシ酪酸、３−ヒドロキシ吉草酸も含有するものであり、シュードモナス・プチダ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｐｕｔｉｄａ）およびラルストニア・ユートロファ（Ｒａｌｓｔｏｎｉａ  ｅｕｔｒｏｐｈａ）の組換え体により生産された（Ｇｏｒｅｎｆｌｏら、（２００１年）Ｂｉｏｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ  ２：４５−５７頁）。Ｌ−２，３−ブタンジオールが組換え大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）により作られた（Ｕｉら、（２００４年）  Ｌｅｔｔ．Ａｐｐｌ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．３９：５３３−５３７頁）。
【００８７】
発酵によるアミノ酸の生産は、栄養要求株およびコリネバクテリウム（Ｃｏｒｙｎｅｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、ブレビバクテリウム（Ｂｒｅｖｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ）およびセラティア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）のアミノ酸類似体−耐性菌を用いて行われている。例えば、ヒスチジン類似体に耐性を示す株を用いたヒスチジンの生産が日本特許出願公開第８５９６／８１号公報に、組換え株を用いた同生産が欧州特許第１３６３５９号明細書に記載されている。トリプトファン類似体に耐性がある株を使用するトリプトファンの生産については、日本特許出願公開第４５０５／７２号公報および同第１９３７／７６号公報に記載されている。イソロイシン類似体に耐性がある株を使用するイソロイシンの生産については、日本特許第３８９９５／７２号公報、同第６２３７／７６号公報、同第３２０７０／７９号公報に記載されている。フェニルアラニン類似体に耐性がある株を使用するフェニルアラニンの生産については、日本特許第１００３５／８１号公報に記載されている。成長にフェニルアラニンを必要とし、チロシンに耐性を示す株（Ａｇｒ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ  ５０（１）Ｒ７９−Ｒ８７（１９７６年））または組換え株（欧州特許第２６３５１５号明細書、欧州特許第３３２２３４号明細書）を用いたチロシンの生産、およびＬ−アルギニン類似体に耐性を示す株を用いたアルギニンの生産（Ａｇｒ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．（１９７２年）３６：１６７５−１６８４頁、日本特許出願公開第３７２３５／７９号公報および日本特許出願公開第１５０３８１／８２号公報）が記載されている。フェニルアラニンは、大腸菌（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｉａ  ｃｏｌｉ）株ＡＴＣＣ３１８８２、３１８８３、および３１８８４内での発酵によっても生産された。組換えコリネフォルム細菌におけるグルタミン酸の生産が、米国特許第６，９６２，８０５号明細書に記載されている。大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）の変異株によるトレオニンの生産が、ＯｋａｍｏｔｏおよびＩｋｅｄａ（２０００年）Ｊ．Ｂｉｏｓｃｉ  Ｂｉｏｅｎｇ．８９：８７−７９頁に記載されている。メチオニンが、コリネバクテリウム・リリウム（Ｃｏｒｙｎｅｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｌｉｌｉｕｍ）の変異株によって生産された（Ｋｕｍａｒら、（２００５年）Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．９６：２８７−２９４頁）。
【００８８】
有用なペプチド、酵素、および他のタンパク質もまた、生体触媒（例えば、米国特許第６，８６１，２３７号明細書、米国特許第６，７７７，２０７号明細書、米国特許第６，２２８，６３０号明細書）によって作られている。
【００８９】
発酵性糖に向けてのバイオマスの前処理および糖化、その後の糖類の標的化学物質への発酵は、エタノールへの糖類の発酵のための生体触媒としてアルコール発酵菌（Ｚ．ｍｏｂｉｌｉｓ）を使用する、前処理トウモロコシ穂軸からのエタノールの生産を目的とした本明細書中の実施例５において例示される。本発明の方法はまた、バイオマスからの１，３−プロパンジオールの生産のために用いられうる。本装置および方法を用いて処理されたバイオマスは糖化可能であり、糖化後、大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）を使用し、共同所有される同時係属中の米国特許出願第１１／４０３０８７号明細書の実施例１０に記載の１，３−プロパンジオールが生産される。
【００９０】
生体触媒による発酵にて生産される標的化学物質は、当該技術分野で既知の様々な方法を用いて回収されうる。生産物は、遠心分離、濾過、精密濾過、およびナノ濾過により、他の発酵成分から分離されうる。生産物は、イオン交換、溶媒抽出、または電気透析により抽出されうる。凝集剤を使用することで、生産物の分離が促進される。具体例として、バイオ生産された１−ブタノールは、ＡＢＥ発酵についての当該技術分野で既知の方法を用いて発酵培地から単離されうる（例えば、Ｄｕｒｒｅ、Ａｐｐｌ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．４９：６３９−６４８頁（１９９８年）、Ｇｒｏｏｔら、Ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．２７：６１−７５頁（１９９２年）、およびそれらの中の参考文献を参照）。例えば、遠心分離、濾過、デカンテーションまたは同類のものにより、固体が発酵培地から除去されうる。次いで、１−ブタノールは、蒸留、共沸蒸留、液体−液体抽出、吸着、ガスストリッピング、膜蒸発、または透析蒸発などの方法を用いて発酵培地から単離されうる。発酵媒体からの１，３プロパンジオールの精製が、例えば、反応混合物に有機溶媒、蒸留、およびカラムクロマトグラフィーによる抽出を施すことにより実施されうる（米国特許第５，３５６，８１２号明細書）。この方法にとって特に良好な有機溶媒はシクロヘキサンである（米国特許第５，００８，４７３号明細書）。アミノ酸は、イオン交換樹脂吸着および／または結晶化などの方法により発酵培地から回収されうる。
【実施例】
【００９１】
一般的方法および材料
以下の略語が使用される。すなわち、「ＨＰＬＣ」は高性能液体クロマトグラフィー、「Ｃ」は摂氏、「ｋＰａ」はキロパスカル、「ｍ」はメートル、「ｍｍ」はミリメートル、「ｋＷ」はキロワット、「μｍ」はマイクロメートル、「μＬ」はマイクロリットル、「ｍＬ」はミリリットル、「Ｌ」はリットル、「ｍｉｎ」は分、「ｍＭ」はミリモル、「ｃｍ」はセンチメートル、「ｇ」はグラム、「ｋｇ」はキログラム、「ｗｔ」は重量、「ｈｒ」は時間、「ｔｅｍｐ」もしくは「Ｔ」は温度、「ｔｈｅｏｒｅｔ」は理論、「ｐｒｅｔｒｅａｔ」は前処理、「ＤＷＢ」はバイオマス乾燥重量、「ＡＳＭＥ」はＡｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、「ｓ．ｓ．」はステンレス鋼、または「ｉｎ」はインチである。
【００９２】
硫酸、水酸化アンモニウム、酢酸、アセトアミド、酵母抽出物、グルコース、キシロース、ソルビトール、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、リン酸およびクエン酸を、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）から入手した。
【００９３】
処理を実施例においては前処理と称する。
【００９４】
小型バレルピストン反応器
ピストンを装備した５．１ｃｍ×４５．７ｃｍのステンレス鋼バレルで水平方向に構成される小型バレルピストン反応器（ピストン／バレル反応器）を組み立てた。ピストンを４つのＯリングでバレルに密封し、吐出行程中、ピストンの裏面を窒素で加圧した。４５．７ｃｍのバレルに３つの複数の使用ポートを装備し、真空の適用、水性アンモニアの注入、蒸気の注入、およびバレル内部での温度測定用の熱電対の挿入を可能にした。蒸気注入時の過剰な蒸気凝縮を回避するため、バレルの外側を３つのバンドヒーターで加熱し、シリコーンが添着されたファイバーグラスジャケットで覆われた２．５ｃｍ厚のファイバーグラスマットで絶縁した。
【００９５】
反応器バレルを、１５．２ｃｍ×６１ｃｍのステンレス鋼フラッシュタンクに垂直方向に直接取り付けた。バレルを、円錐状ノズルおよびシート端部剪断弁装置によってフラッシュタンクから隔てた。端部剪断弁のダイの直径は３．５ｃｍであった。円錐状ノズルおよびシートに対する背圧を、端部剪断弁のコーン部に接続された１０．２ｃｍ直径のエアシリンダへの約１３８ｋＰａ（ゲージ圧）の背圧に調整した。端部剪断弁のコーン部は最大で１．６ｃｍ後方移動でき、フラッシュタンク内の粒子を排出できた。端部剪断弁の出口のエルボーは前処理固形物をフラッシュタンクの底部に下方誘導し、そこでは固形物はタンクの底部におけるドーム状端部フランジのボルトを緩めることによって容易に除去された。フラッシュタンクに対して上部のドーム状フランジに、フラッシュタンクの軸に対して直角に加工されたスロットに適合する特定の出口を組み込むことで、放出された蒸気のコーナ軌跡周辺から出口フィッチングへの移動が引き起こされ、それは同伴されるバイオマス粒子および水滴のベントコンデンサへのキャリーオーバーの防止に役立った。
【００９６】
大型バレルピストン反応器
（ＡＳＭＥコードがスタンプされた）ピストン反応器における第２のバレルを、同じ５．１ｃｍの直径であるが長さがより長い６８．６ｃｍで組み立て、追加的なバイオマスの容量を保持した。ピストンを４つのＯリングでバレルに密封し、吐出行程中、ピストンの裏側を窒素で加圧した。６８．６ｃｍのバレルに、４つずつ頂部および底部表面に沿って８つの複数の使用ポートを装備し、真空の適用、水性アンモニアの注入、蒸気の注入、およびバレル内部の温度を測定するための熱電対の挿入を可能にした。反応器バレルに、バレルのさらなる加熱のための蒸気ジャケットを装備した。反応器バレルを、１５．２ｃｍ×６１ｃｍのステンレス鋼フラッシュタンクに垂直方向に直接取り付けた。バレルを、円錐状ノズルおよびシート端部の剪断弁装置によってフラッシュタンクから隔てた。ダイを剪断する端部弁の直径は３．５ｃｍであった。円錐状ノズルおよびシートに対する背圧は調整可能であり、大部分の試験を、端部剪断弁のコーン部に接続された１０．２ｃｍ直径のエアシリンダへの約１３８ｋＰａ（ゲージ圧）の背圧を用いて実施した。端部剪断弁のコーン部は最大で１．６ｃｍ戻ることができ、粒子のフラッシュタンクへの排出が可能であった。端部剪断弁の出口にあるエルボーが前処理固形物をフラッシュタンクの底部へと下方誘導し、そこでは固形物はタンクの底部におけるドーム状端部フランジのボルトを緩めることによって容易に除去された。フラッシュタンクに対して上部にあるドーム状フランジが、フラッシュタンクの軸に対して直角に加工されたスロットに適合する特別な出口を組み込んだことで、放出された蒸気のコーナ軌跡周辺から出口フィッチングへの移動が引き起こされ、それは同伴されるバイオマス粒子および水滴のベントコンデンサへのキャリーオーバーの防止に役立った。３つの電気バンドヒーター（６０℃に設定）および絶縁部をフラッシュタンクに沿いに追加し、熱で前処理された固形物の加熱容器へのフラッシュを可能にし、商業用の方法の模倣が改善された。
【００９７】
スチームガン反応器のバッチ式消化システム
４リットルのスチームガン反応器（Ａｕｔｏｃｌａｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（Ｅｒｉｅ，ＰＡ））は、２つのボールバルブによって閉じられる長さ１０２ｍｍのスケジュール８０のＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）パイプから構成される蒸気ジャケット付き反応器である。さらなる電気ヒーターを反応器のすべての暴露されたジャケットのない表面上に配置し、前処理の設定値温度に制御した。また、直接蒸気注入を用い、速やかにバイオマスを最高の前処理温度にした。蒸気圧を調節・制御し、所望される前処理温度を維持した。反応器の底部を５１ｍｍまでネックダウンした。すべての前処理材料を、反応器の底部で交換可能なダイを通して排出させ、厚肉のジャケット付き冷却フラッシュタンク内部で支持された０．２１ｍ３のナイロン（Ｈｏｔｆｉｌｌ（登録商標））製バッグで収集した。
【００９８】
前処理および酵素加水分解反応器（ＰＥＨＲｅａｃｔｏｒ）
９ＬのＰＥＨＲｅａｃｔｏｒ（ＮＲＥＬ，Ｇｏｌｄｅｎ，ＣＯで構成；同時係属中の米国特許出願第１１／４０２４６４号明細書を参照）は、約１５ｃｍ×５１ｃｍのステンレス鋼反応容器を有し、３．２ＬのＰＥＨＲｅａｃｔｏｒは１５ｃｍ×１８ｃｍのステンレス鋼反応容器を有する。各容器は、処理反応物質を導入するための反応容器の縦中心を通って延在する注入ランスを有する。注入ランスは、ロータリージョイントを用いて容器の一端部に面するカバー内のポートに接続される一方、容器への接近のためにさらなるポートを有する。４つのバッフルは容器壁の全長にわたり、壁に垂直に装着される。バッフルおよび容器内に浮遊する３．２ｃｍ×３．２ｃｍのセラミック製摩擦媒体シリンダ（Ｅ．Ｒ．Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ（Ｅａｓｔ  Ｐａｌｅｓｔｉｎｅ，ＯＨ））を、容器が回転される際のバイオマスおよび反応物質の機械的混合に適用し、反応物質のバイオマスへの同化が促進される。７つのシリンダを小型反応器内で使用し、２２を大型反応器内で使用する。ＰＥＨＲｅａｃｔｏｒを、回転における機構を提供するＢｅｌｌｃｏ  Ｃｅｌｌ−Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｒｏｌｌｅｒ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ（Ｂｅｌｌｃｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｖｉｎｅｌａｎｄ，ＮＪ））上に配置し、ローラー装置を有する反応器を、熱をもたらす温度制御されたチャンバ内に収容する。真空および圧力は、外部ソースをカバー内のランス接続ポートに取り付けることによって反応容器に適用されうる。
【００９９】
フェドバッチ糖化反応器
フェドバッチ糖化反応器は、循環ポンプ、酸および塩基用ポンプ、ソレノイド弁、温度制御用熱交換器、蒸気供給、プロセス水、空気供給制御弁および濾過、背圧制御弁、ならびに排気フィルタを有する、ＢｉｏＳｔａｔ  ＥＤデータ制御ユニットおよびそれに関連する制御モジュールによって制御される１５Ｌの発酵糖（Ｂ．Ｂｒａｕｎ  Ｂｉｏｔｅｃｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（Ａｌｌｅｎｔｏｗｎ，ＰＡ））である。発酵槽に２つの１１．４ｃｍ直径の３枚羽根高効率Ｌｉｇｎｔｎｉｎ  Ａ−３１０インペラーを装備した。底部インペラーを反応器底部から７．６ｃｍの所に位置づけ（底部を貫通する駆動シャフトにおけるシャフトの底部近傍に大型シール装置が存在することから、それをより近い任意の場所に位置させることができなかった）、上部インペラーを反応器底部から２２．９ｃｍの所に位置づけた。発酵糖容器は、１９．０ｃｍの直径および５５．９ｃｍの最大高さを有する。４つの取り外し可能なバッフルを設置し、その各々は１．６ｃｍの幅および４８．３ｃｍの長さを有し、容器底部から頂部の約７．６ｃｍ以内に延在している。ＡＰＶローブポンプ（モデルＭ１／０２８／０６）、１〜１／２−ｉｎ（３．８１ｃｍ）のフレキシブルホースおよびＴｅｆｌｏｎサイトフローインジケータ（ｓｉｇｈｔ  ｆｌｏｗ  ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）で構成されるポンプアラウンドループを、発酵槽システム上の頂部および底部ポートに垂直に配置した（ｐｌｕｍｂｅｄ）。ポンプアラウンドループを、ＣＦ８Ｍボディ、３１６ＳＳボール、およびＰＴＦＥシートを有する１〜１／２インチ（３．８１ｃｍ）のＶａｌｍｉｃｒｏおよびＳＶＦフルポートボールバルブを有する発酵容器から隔てた。さらに、Ｖポート剪断弁（Ｔｒｉａｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌｓ）を、ボールバルブに先行し、ローブポンプの下流に位置づけることで、発酵槽の頂部ポートからポンプを隔てる。再循環サイクル中、この弁を最大６０°まで徐々に閉じることで、再循環する前処理固形物のさらなる剪断をもたらした。
【０１００】
分析法
セルロース定量
各出発バイオマス試料中のセルロースの量を、当該技術分野で周知の方法、例えばＡＳＴＭ  Ｅ１７５８−０１「Ｓｔａｎｄａｒｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅｓ  ｂｙ  ＨＰＬＣ」を用いて測定した。
【０１０１】
糖、アセトアミド、乳酸および酢酸含有量の測定
糖化液中または発酵培養液中の可溶性糖（グルコース、セロビオース、キシロース、ガラクトース、アラビノースおよびマンノース）、酢酸およびエタノールを、適切な保護カラムを有するＢｉｏ−Ｒａｄ  ＨＰＸ−８７ＰおよびＢｉｏ−Ｒａｄ  ＨＰＸ−８７Ｈカラム（Ｂｉｏ−Ｒａｄ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ（Ｈｅｒｃｕｌｅｓ，ＣＡ））を使用し、ＨＰＬＣ（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｍｏｄｅｌ  １１００、Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（Ｐａｌｏ  Ａｌｔｏ，ＣＡ））によって測定した。試料のｐＨを測定し、必要に応じて硫酸で５〜６に調整した。次いで、試料を、０．２μｍのシリンジフィルタを通過させ、ＨＰＬＣバイアルに直接移した。ＨＰＬＣ実行条件は次の通りであった。
ＨＰＸ−８７Ｐ（炭水化物用）：
注入容量：濃度および検出器限界に依存して１０〜５０μＬ
移動相：０．２μｍで濾過され、脱気されたＨＰＬＣグレード水
流速：０．６ｍＬ／分
カラム温度：８０〜８５℃、保護カラム温度＜６０℃
検出器温度：可能な限り主なカラム温度に近づける
検出器：屈折率
実行時間：３５分間のデータ収集に加え、実行後の１５分間（後の溶出化合物のために可能な調節を伴う）
Ｂｉｏｒａｄ  Ａｍｉｎｅｘ  ＨＰＸ−８７Ｈ（炭水化物、酢酸およびエタノール用）
注入容量：濃度および検出器限界に依存して５〜１０μＬ
移動相：０．２μｍで濾過され、脱気された０．０１Ｎ硫酸
流速：０．６ｍＬ／分
カラム温度：５５℃
検出器温度：可能な限りカラム温度に近づける
検出器：屈折率
実行時間：２５〜７５分間のデータ収集
実行後、試料中の濃度を各化合物における標準曲線から判定した。
【０１０２】
実施例１
小型バレルピストン反応器内での穂軸の前処理
全粒トウモロコシ穂軸を、約０．９５ｃｍのジョー間隔を有するジョークラッシャー（２．２ｋＷモーター）、その後にデランパー（ｄｅｌｕｍｐｅｒ）（１．５ｋＷモーター、Ｆｒａｎｋｌｉｎ  Ｍｉｌｌｅｒ  Ｉｎｃ．（Ｌｉｖｉｎｇｓｔｏｎ，ＮＪ）で処理し、その後に１．９ｃｍの米国標準スクリーンを備えたスウェコ（Ｓｗｅｃｏ）スクリーンでスクリーニングし、全粒トウモロコシ穂軸を小片に粉砕した。小型バレルピストン反応器（一般的方法に記載）に、１１５ｇ（乾燥重量基準）の粉砕穂軸を、穂軸をピストンが除かれた反応器の端部に手で入れることによって装填した。ピストンを再配置し、末端にプラグを押し込んだ。真空を反応容器に適用し、反応器圧力を１０ｋＰａ（０．１バール）未満にし、希釈水酸化アンモニウム溶液を注入し、（表１に示されるように）１００ｇバイオマス乾燥重量あたり４ｇまたは６ｇのいずれかのアンモニア濃度および１００ｇ全バイオマス−水性アンモニア混合物あたり５０ｇのバイオマス乾燥重量濃度を得た。アンモニア溶液を装填後、蒸気を注入し、反応器内部の温度を１４５℃にした。バイオマスを２０分間温度保持し、次いでピストンを駆動することによってフラッシュタンクに排出した。２０分間の前処理中、温度を監視し、蒸気を必要に応じて添加し、温度を維持した。前処理穂軸を、フラッシュタンクの底部から採取した。過剰な遊離液体を除去し、残存する固形物を糖化において使用した。
【０１０３】
糖化においては、約４７０ｇの前処理バイオマスを、一般的方法に記載の３．２ＬのＰＥＨＲ反応器に添加した。内容物のｐＨを、ｐＨ４．８の１Ｍクエン酸緩衝液の注入に加えてクエン酸一水和物の添加によって約５．５に調整した。一旦、所望されるｐＨに達すると、β−グルコシダーゼ、キシラナーゼ、β−キシロシダーゼおよびアラビノフラノシダーゼからなる、Ｓｐｅｚｙｍｅ（登録商標）ＣＰセルラーゼ（Ｇｅｎｅｎｃｏｒ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ，ＮＹ））の１２．９ｍｇ／ｇセルロースまたは２５．８ｍｇ／ｇセルロース、およびヘミセルラーゼ酵素共同体（Ｄｉｖｅｒｓａ（Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，ＣＡ））の４．２ｍｇ活性タンパク質／ｇセルロースまたは８．４ｍｇ活性タンパク質／ｇセルロースを反応器に装填した。緩衝液、酵素および水を、反応器内の最終混合物が２３ｇの乾燥バイオマス／１００ｇの前処理バイオマス−糖化酵素共同体混合物からなるように添加した。反応器を、インキュベーター内で、１９ｒｐｍ、５０℃でのローリングで７２時間保持した。下の表１で示される収率は、理論収率のパーセントとしての放出である。
【０１０４】
【表１】
2010536557.tif 000003
【０１０５】
実施例２
異なる時点での大型バレルピストン反応器内での前処理
蒸気をバレルのジャケットに添加し、（一般的方法に記載の）大型バレルピストン反応器のバレルを約１３０℃に予熱した。フラッシュレシーバーをバンドヒーターで約６０℃に予熱した。粉砕穂軸を実施例１に記載のように調製した。これらの穂軸（１７５ｇ、乾燥重量基準）を、穂軸をピストンを取り出した反応器の端部に手作業で入れることにより、大型バレル反応器に装填した。ピストンを元に戻し、端部に差し込んだ。反応容器およびフラッシュレシーバーに真空を適用して、１０ｋＰａ未満に降圧し、希釈水酸化アンモニウム溶液を反応器に注入し、６ｇ／１００ｇバイオマス乾燥重量のアンモニア濃度および４５ｇ／１００ｇ全バイオマス−水性アンモニア混合物のバイオマス乾燥重量濃度を得た。一旦、アンモニアを装填すると、蒸気を反応器に注入し、温度を１４５℃にした。混合物を、温度を監視し、必要に応じて蒸気を添加することにより、この温度で１０分間または２０分間保持し、次いでピストンを駆動することによって予熱したフラッシュタンクに排出した。フラッシュレシーバーが約５９℃に達するまでフラッシュタンクに対して真空を引いた。３回の１０分間の前処理および６回の２０分間の前処理の実施に伴い、同じ期間前処理されたすべての材料を端部でプールした。遊離液体を、フラッシュレシーバーからの回収時、前処理固形物から分離し、糖化のために再び添加しなかった。その後、前処理穂軸の試料を、小型ＰＥＨＲｅａｃｔｏｒ内で実施例１に記載のように糖化した。すべての糖化を、キシラナーゼ、β−キシロシダーゼ、アラビノフラノシダーゼおよびβ−グルコシダーゼを含む、Ｓｐｅｚｙｍｅ（登録商標）ＣＰセルラーゼの１２．９ｍｇ／ｇセルロースおよびヘミセルラーゼ酵素共同体（Ｄｉｖｅｒｓａ）の４．２ｍｇ活性タンパク質／ｇセルロースを使用し、５０℃およびｐＨ５．５で７２時間行った。下の表２で示される収率は、理論収率のパーセントとしての放出である。
【０１０６】
【表２】
2010536557.tif 000004
【０１０７】
実施例３
スチームガンに対する大型バレルピストン反応器内での前処理
サイズが低減された穂軸を実施例１に記載のように調製した。大型バレルピストン反応器内での前処理を実施例２に記載のように実施した。スチームガンにおける前処理では、穂軸をまず９ＬのＰＥＨＲｅａｃｔｏｒに装填した。反応器を、外部表面上で氷と接触させて回転することによって４℃に冷却した。真空を容器に適用し、４℃の冷室内で予冷され、氷槽内に漬けられた管を通過された希釈水酸化アンモニウム溶液を注入し、６ｇ／１００ｇバイオマス乾燥重量のアンモニア濃度および４５ｇ／１００ｇ全バイオマス−水性アンモニア混合物のバイオマス乾燥重量濃度を得た。アンモニアおよび穂軸を装填したＰＥＨＲｅａｃｔｏｒを、氷を回転反応容器の表面に適用することによって４℃に冷却し、４℃で３０分間回転した。この時点で、内容物を一般的方法に記載のスチームガン反応器に移した。一旦、スチームガン反応器にアンモニア−穂軸混合物を装填すると、温度を蒸気の直接注入によって１４５℃に上昇させた。穂軸−アンモニア混合物をこの温度で２０分間保持し、次いで混合物をフラッシュタンクに排出した。
【０１０８】
前処理穂軸の試料を大型バレルピストン反応器およびスチームガン反応器の双方から採取し、実施例１に記載のように糖化した。糖化を、β−グルコシダーゼ、キシラナーゼ、β−キシロシダーゼおよびアラビノフラノシダーゼからなる、１２．９ｍｇ／ｇセルロースのＳｐｅｚｙｍｅ（登録商標）ＣＰセルラーゼ（Ｇｅｎｅｎｃｏｒ）およびヘミセルラーゼ酵素共同体（Ｄｉｖｅｒｓａ）の４．２ｍｇ活性タンパク質／ｇセルロースを使用して実施した。反応器を、インキュベーター内、５０℃および１９ｒｐｍで７２時間保持した。各反応器内で前処理において得られるグルコース収率を下の表３に示す。
【０１０９】
【表３】
2010536557.tif 000005
【０１１０】
実施例４
大型バレルピストン反応器内でのトウモロコシ穂軸および線維混和物の前処理
粉砕トウモロコシ穂軸を実施例１に記載のように調製した。粉砕穂軸単独およびＣａｒｇｉｌｌ  Ｂｒａｎ  ８０（Ｃａｒｇｉｌｌ（Ｍｉｎｎｅｔｏｎｋａ，ＭＮ））と混和した粉砕穂軸を大型バレルピストン反応器内で前処理した。粉砕穂軸およびＣａｒｇｉｌｌ  Ｂｒａｎ  ８０トウモロコシ線維を、線維が混合試料の全乾燥バイオマス約３３％であるように結合させた。それぞれの場合、１７５ｇ（乾燥重量基準）の供給原料を反応器に添加した。前処理を実質的に実施例２に記載のように実施した。しかし、これらの実験では、アンモニア溶液の添加後、反応器内容物を蒸気注入前の１０分間保持し、温度を１４５℃にした。蒸気注入後、温度を蒸気の添加によって１４５℃で１０分間保持した（必要な場合）。前処理後、試料を、ピストンの駆動と共にフラッシュタンクに排出した。
【０１１１】
前処理穂軸および穂軸−線維混和物の試料を大型バレルピストン反応器のフラッシュタンクから採取し、実施例１に記載のように小型ＰＥＨＲｅａｃｔｏｒ内で糖化した。バイオマスを、反応器容量の２０％が満たされる程度に添加した。糖化を、Ｓｐｅｚｙｍｅ（登録商標）ＣＰセルラーゼ（Ｇｅｎｅｎｃｏｒ）の１２．９ｍｇ／ｇセルロースおよびＭｕｌｔｉｆｅｃｔキシラナーゼ（Ｇｅｎｅｎｃｏｒ）の１５ｍｇ／ｇセルロースを使用して実施した。ＰＥＨＲｅａｃｔｏｒを、インキュベーター内、５０℃および１９ｒｐｍで７２時間保持した。前処理における得られたグルコースおよびキシロース収率を下の表４に示す。
【０１１２】
【表４】
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【０１１３】
実施例５
大型バレルピストン反応器内で前処理されたトウモロコシ穂軸からのエタノールの生産
トウモロコシ穂軸の前処理を、実施例２に記載のように１０分間実施した。合計１７のかかる前処理を実施した。４つの前処理から得られた前処理穂軸を糖化のためにプールし、フェドバッチ糖化用に初期加水分解物を提供した。残りの１３のランから得られた前処理穂軸をフェドバッチ糖化で使用するためにプールした。
【０１１４】
フェドバッチ糖化を開始するため、一般的方法に記載のフェドバッチ糖化反応器にまず加水分解物を装填し、反応器容量を最大で第１のインペラーの底まで満たした。この加水分解物を、前処理穂軸を２．８Ｌの振とうフラスコ内で糖化することによって調製した。これらの振とうフラスコに、４６５ｇの前処理固形物、ＤＩ水１０００ｍｌ、ならびに、β−グルコシダーゼ、キシラナーゼ、β−キシロシダーゼおよびアラビノフラノシダーゼを含む、２８．４ｍｇ  Ｓｐｅｚｙｍｅ（登録商標）ＣＰ／ｇセルロースおよび４．２ｍｇ活性タンパク質／ｇセルロースのヘミセルラーゼ酵素共同体（Ｄｉｖｅｒｓａ）の酵素を装填した。酵素添加前、ｐＨを８．５％Ｈ３ＰＯ４で５に調整した。振とうフラスコを、回転振とう器内、５０℃および１５０ｒｐｍで４８時間維持し、その時点で加水分解物をフェドバッチ反応器に装填した。
【０１１５】
一旦、初期加水分解物を装填し、前処理バイオマス−アンモニア混合物の第１の一定分量（約７００ｇ）を反応器に添加した。ｐＨを８．５％Ｈ３ＰＯ４の添加によって設定値５．５に調整した。一旦、ｐＨを設定値に再調整してから、β−グルコシダーゼ、キシラナーゼ、β−キシロシダーゼおよびアラビノフラノシダーゼを含む、２８．４ｍｇ  Ｓｐｅｚｙｍｅ（登録商標）ＣＰ／ｇセルロースおよび４．２ｍｇ活性タンパク質／ｇセルロースのヘミセルラーゼ酵素共同体（Ｄｉｖｅｒｓａ）を添加した。さらなる一定分量の前処理バイオマス−アンモニア混合物、Ｓｐｅｚｙｍｅ（登録商標）ＣＰセルラーゼおよびヘミセルラーゼ酵素共同体を、ｔ＝４、８、１２、２２、２６、３０および３４時間に添加した。ポンプアラウンドループを、一般に酵素添加の約１時間後に開始し、約１時間から最大で２２時間にわたる固形物添加を実行した。２６時間および３０時間の添加後、ポンプを酵素添加の約５０分後に開始し、３０分間実行した。３４時間の添加後、ポンプを酵素添加の約３時間後に開始し、３０分間実行した。また、ポンプをｔ＝２９、３３、４７および４９時間に３０分間実行した。全糖化時間は１２０時間であった。この時点で、加水分解物は、約６０ｇ／Ｌの単量体グルコース、２５ｇ／Ｌの単量体キシロースおよび１０ｇ／Ｌの酢酸を含有した。
【０１１６】
この加水分解物を、アルコール発酵菌（Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ  ｍｏｂｉｌｉｓ）株ＺＷ８００またはＺＷ６５８（ＡＴＣＣ＃ＰＴＡ−７８５８）の発酵に使用した。ＺＷ６５８は、エタノールへのキシロース発酵のために改変されているアルコール発酵菌（Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ  ｍｏｂｉｌｉｓ）の株であり、共同所有される同時係属中の米国仮特許出願第６０／８４７８１３号明細書に記載されている。ＺＷ６５８は、キシロースイソメラーゼ、キシルロキナーゼ、トランスアルドラーゼおよびトランスケトラーゼをコードする４つのキシロース利用遺伝子を有する２つのオペロン、ＰｇａｐｘｙｌＡＢおよびＰｇａｐｔａｌｔｋｔを連続転位事象を介してＺＷ１（ＡＴＣＣ＃３１８２１）のゲノムに統合し、その後にキシロースを含有する選択培地に適応させることによって作成した。ＺＷ８００は、グルコース−フルクトースオキシドレダクターゼをコードする遺伝子が不活性化されたＺＷ６５８株であり、また共同所有される同時係属中の米国仮特許出願第６０／８４７８１３号明細書に記載されている。
【０１１７】
発酵を、５００ｍｌの初期作動容積（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｖｏｌｕｍｅ）を有する１リットルの滅菌発酵槽（ＢＩＯＳＴＡＴ（登録商標）  Ｂ−ＤＣＵシステム、Ｓａｒｔｏｒｉｕｓ  ＢＢＩ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎｃ．（Ｂｅｔｈｌｅｈｅｍ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ，ＵＳＡ））内で実施した。接種材料を、添加後の培養液中でＯＤ６００が約１であるように、１０％（ｖ／ｖ）のレベルで発酵糖に添加した。加水分解物は、水との均衡状態で、８０％または４０％（ｖ／ｖ）で存在した。さらなるグルコースおよびキシロースを添加し、培養液中の最終濃度をそれぞれ９２ｇ／Ｌおよび８２ｇ／Ｌにした。また、培養液に１０ｍＭソルビトールおよび１ｇ／ＬのＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏを補充した。発酵を、１５０ｒｐｍで撹拌しながら、３３℃、ｐＨ５．８で７２時間実施した。ＺＷ８００株における最終のエタノール滴定濃度は、４０％加水分解物中で８ｇ／Ｌ、８０％加水分解物中で７ｇ／Ｌであった。ＺＷ６５８においては、最終のエタノール滴定濃度は、４０％加水分解物中で８ｇ／Ｌ、８０％加水分解物中で６．５ｇ／Ｌであった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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