(57)【要約】  本発明は、リグノセルロース系バイオマス原料を提供すること；加圧されたリアクターでの連続的な熱水前処理によって前記バイオマス原料の前処理を行うこと；前処理リアクターから得られる前処理済みバイオマスの出力ストリームにおいてキシランナンバーを測定すること；および前処理済みバイオマスの出力ストリームにおいて測定されるキシランナンバーがあらかじめ設定した水準に維持されるよう前処理リアクターを制御することを含むリグノセルロース系バイオマスの処理方法に関する。本発明の方法によって、前処理工程においてリグノセルロース系バイオマスの消化性を連続的に制御することが可能となり、結果として前処理のシビアリティを連続的に評価することも可能となる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
リグノセルロース系バイオマスを処理するための方法であって、
リグノセルロース系バイオマス原料を提供すること、
加圧されたリアクターでの連続的な熱水前処理によって前記バイオマス原料の前処理を行うこと、
前処理リアクターから得られる前処理済みバイオマスの出力ストリームにおいてキシランナンバーまたはリグニンナンバーを測定すること、および
前処理済みバイオマスの出力ストリームにおいて測定されるキシランナンバーまたはリグニンナンバーがあらかじめ設定した水準に維持されるよう前処理リアクターを制御すること
を含む方法。
【請求項２】
前処理済みバイオマスの出力ストリームのＮＩＲスペクトル測定によってキシランナンバーまたはリグニンナンバーを測定し、その後、該測定にＮＩＲスペクトルモデルを適用する、請求項１の方法。
【請求項３】
バイオマス原料に対して２５％ＤＭ以上で前処理を施す、請求項１の方法。
【請求項４】
バイオマスに対してｐＨ２．５〜８で前処理を施す、請求項１の方法。
【請求項５】
前処理済みバイオマスをハイドロサイクロンによってリアクターから取り出す、請求項１の方法。
【請求項６】
キシランナンバーまたはリグニンナンバーを前処理済みバイオマスの分離前のスラリーにおいて測定する、請求項１の方法。
【請求項７】
キシランナンバーまたはリグニンナンバーを前処理済みバイオマスの洗浄済み固形画分において測定する、請求項１の方法。
【請求項８】
キシランナンバーまたはリグニンナンバーを前処理済みバイオマスの未洗浄の固形画分において測定する、請求項１の方法。
【請求項９】
キシランナンバーまたはリグニンナンバーをオンラインＮＩＲ測定を用いて測定する、請求項１の方法。
【請求項１０】
１分間隔でリアクター条件を調節することによりリアクターを制御する、請求項１の方法。
【請求項１１】
リアクター温度を調節することによりリアクターを制御する、請求項１の方法。
【請求項１２】
リアクター滞留時間を調節することによりリアクターを制御する、請求項１の方法。
【請求項１３】
バイオマスに対してｌｏｇ  Ｒｏ３．２〜３．９のシビアリティで前処理を施す、請求項１の方法。
【請求項１４】
溶解固形物を０．８％より多く４％未満含むサンプルにおいてキシランナンバーを測定する、請求項１の方法。
【請求項１５】
溶解固形物を３〜９％含むサンプルにおいてキシランナンバーを測定する、請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、熱水前処理を用いたリグノセルロース系バイオマスの処理方法に関する。具体的には、前処理済みバイオマスの出力ストリームで測定される所定の前処理「終点」のフィードバック監視により前処理が制御される方法に関する。
【０００２】
Ｊａｎ  Ｌａｒｓｅｎ，  Ｋｉｔ  Ｍｏｇｅｎｓｅｎ，  Ｐｉａ  Ｊｏｒｇｅｎｓｅｎ
【背景技術】
【０００３】
農産物廃棄物（柄、穂軸、種、茎、さや、殻など）、草、わら、木材チップ、古紙などのリグノセルロース系バイオマスから有用な発酵産物が得られる、いわゆる「第二世代」バイオ精製が多大な関心を集めている。「第二世代」の技術では、発酵性の六炭糖および五炭糖を、酵素加水分解、時には純粋な化学的加水分解によってバイオマス多糖ポリマー鎖から遊離させる。「第二世代」バイオ精製所におけるバイオマス変換から得た発酵性糖は、燃料エタノール、もしくはブタノールのような他の燃料、バイオプラスチックの合成に使用される乳酸モノマー、または他の多くの生成物を生産するために使用することができる。
【０００４】
リグノセルロース系バイオマスはその物理的構造上の制約により、何らかの前処理工程を行うことなく酵素加水分解によって発酵性糖に効率的に変換することはできない。そのため、多種多様な前処理スキームが報告されている。環境性および「再生可能性」の観点からすると、熱水前処理が特に好ましい。熱水前処理は、蒸気または液体の状態にある約１６０〜２３０℃の加圧熱水を使用するものであり、ヘミセルロースやセルロースのストランドと複雑に結び付いている疎水性リグニンを静かに溶かし、五炭糖を豊富に含むヘミセルロースの主成分を可溶化し、またセルロースストランドを破壊することによって、生産的な酵素結合へのアクセシビリティーを向上させる。熱水前処理は、既存の石炭発電プラントやバイオマス発電プラントに簡便に組み込むことができ、これによってタービンの蒸気および「余剰」の電力生産能力を効率的に利用することができる。
【０００５】
熱水前処理の「シビアリティ」は、バイオマス原料が曝される条件の厳しさを表す。異なる前処理スキームを比較するために用いられるスカラー指標を提供する多種多様な合成パラメーターが提案されている。標準的な「シビアリティ」Ｒｏは、（分単位の滞留時間）×（ＥＸＰ［（前処理温度−１００）／１４．７５]）と定義され、一般的に対数値ｌｏｇ  Ｒｏで表される。希酸前処理や酸を用いた蒸気爆発等の多くの熱水前処理スキームは、比較的強い酸性条件を必要とするが、通常低めの温度で行うことができる。したがって、ｐＨレベルを含む第２のシビアリティパラメーターであるＲｏ’がしばしば用いられる。これも対数値で表されるが、ｌｏｇ  Ｒｏ’はｌｏｇ  Ｒｏ−ｐＨに過ぎない。熱水前処理スキームや他の前処理スキームには、例えばアンモニア繊維爆砕およびアルカリ湿式酸化のように、比較的高いｐＨ条件に依存するものがある。よって、ｌｏｇ  Ｒｏ”がｌｏｇ  Ｒｏ＋ｐＨに等しくなるような、ｐＨレベルを含むさらなるシビアリティパラメーターＲｏ”が報告されている。
【０００６】
熱水前処理において、前処理シビアリティを相反する傾向の間で最適化しなければならないことは当該技術分野において周知であり、広く議論されてきた。シビアリティは、生産的な酵素結合を可能にするためにリグノセルロース構造を開き、それによって酵素加水分解反応において妥当な変換収率を達成するよう、十分に高くあるべきである。しかしながら、シビアリティは、ヘミセルロースからのＣ５糖の損失、およびそれに伴う、前処理反応において生じる副産物（このような副産物は発酵に関与する微生物を阻害するおそれがある）の増加を最小限に抑えるよう、十分に低くあるべきである。
【０００７】
リグノセルロース系バイオマスの生産規模での処理では、シビアリティを固定し、酵素の消化性（多糖類の単糖類への変換）によって測定した熱水前処理の最終的な有効性は、驚くほど変動する。単一の栽培地帯から得た１種のみからなるバイオマス原料でさえ、ヘミセルロース、灰、リグニンおよびセルロースの相対組成が大幅に変化することがある。このように、シビアリティを固定して前処理を施した類似の原料であっても、酵素加水分解の最終結果は変動しうる。Ｌｉｎｄｅｄａｍら  ２０１０；  Ｌｉｕら  ２０１０；  Ｗｅｉｓｓら  ２０１０を参照のこと。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前処理された物質があらかじめ定めた前処理の「終点」に達したことの指標として有用な、該物質の何らかの特性をオンラインで監視し、それに基づいて前処理装置のフィードバック制御を行うことを通して、生産規模での処理においてより一貫した加水分解結果を得られることが他グループによってこれまでに示唆されている。Ｗｅｉｓｓら  ２０１０を参照のこと。しかしながら、どの「終点」測定を使用するかという問題については、多くの矛盾する結果が報告されており、見解が分かれたままである。
【０００９】
使用するバイオマス原料およびその前処理の方法に応じて、前処理「終点」の判断基準として使用されうる多種多様な測定値が報告されている。水不溶性固形物中にリグニン、アセチルが含有されないこと、または該固形物中でセルロースが非晶状態であることは、アンモニア繊維爆砕によって稲わらおよび木材チップの前処理を行った場合、酵素消化率に対する最良の予測因子となることが報告されている。Ｇｏｌｌａｐａｌｌｉら  ２００２；  Ｚｈｕら  ２０１０；  Ｃｈａｎｄｒａら  ２００７を参照のこと。また、ｐＨ２〜７で熱水前処理を施した麦わらにおける不溶性固形物中の残存キシラン含有量の測定値から酵素消化率を予測できたことが報告されている（Ｋａｂｅｌら  ２００７；  Ｐｅｒｅｚら  ２００７）。他の前処理を施したその他の原料については、不溶性固形物中に残存するキシラン含有量が消化率の予測因子として有用であることの一貫した証明はなされていない。希酸により前処理を施したコーンストーバーについては、残存するキシラン含有量から酵素消化率を予測できた（Ｂｕｒａら  ２００９；  Ｊｅｏｈら  ２００７）、また、予測できなかった（Ｗｅｉｓｓら  ２０１０）と様々な報告がなされている。
【００１０】
消化率を予測するために前処理済みバイオマスの不溶性固形物中に残存するキシラン含有量を使用した場合、麦わら（Ｋａｂｅｌら  ２００７）やコーンスト−バー（Ｊｅｏｈら  ２００７）ともに、前処理シビアリティが下側の閾値より高い場合にのみ場合のみに予測力を保持することができた。麦わら中に残存するキシランのレベルが７％を越える場合、消化率が不安定であることが示された（Ｋａｂｅｌら  ２００７）。コーンストーバー中に残存するキシランのレベルが７．５％を越える場合、消化率と残存するキシラン含有量との相関関係は見られなかった（Ｊｅｏｈら  ２００７）。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
先行技術の教示によれば、残存するキシランが７．５％を越えるような低シビアリティレベルでは、残存するキシランの測定自体から消化率を正確に予測することはできない。しかしながら、本発明者らは、不溶性固形物中の残存キシラン含有量の測定値と可溶性キシロース濃度または可溶性キシロオリゴマーの濃度の測定値とを組み合わせた複合測定値が、前処理の「終点」を示す信頼性の高い測定値となることを見出した。発明者らが「キシランナンバー」と命名したこの複合測定値は、オンラインで容易に測定することができ、低いシビアリティで熱水前処理を施したバイオマスの消化率を正確に予測する手段となる。
【００１２】
また、不溶性固形物中のリグニン含有量の測定値と、前処理中にヘミセルロースの分解によって生じた縮合生成物や重合生成物などの加水分解されていない様々な固形物の測定値とを組み合わせた複合「終点」測定値を用いることもできる。発明者らが「リグニンナンバー」と命名したこの複合測定値は、オンラインで容易に測定することができ、キシランナンバーと同様に、低いシビアリティで熱水前処理を施したバイオマスの消化率を正確に予測する手段となる。
【発明の効果】
【００１３】
上記した複合「終点」測定値のいずれかに基づいて前処理のフィードバック制御を行うことにより、生産規模において流入する原料の変動に応じてリアクター条件を迅速に調節することができ、それによって前処理の非効率性を最小化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（Ａ）収穫年の異なる３種のデンマーク産麦わら、（Ｂ）産地の異なる２種の乾燥コーンストーバー、ならびに（Ｃ）マレーシア産サトウキビバガスおよび空果房ならびにデンマーク産アブラナわらに関し、キシランナンバーが前処理シビアリティｌｏｇ（Ｒｏ）に依存することを示す。
【図２】（Ａ）収穫年の異なる３種のデンマーク産麦わら、（Ｂ）産地の異なる２種の乾燥コーンストーバー、ならびに（Ｃ）マレーシア産サトウキビバガスおよび空果房ならびにデンマーク産アブラナわらに関し、リグニンナンバーが前処理シビアリティｌｏｇ（Ｒｏ）に依存することを示す。
【図３】前処理した麦わらに関し、グルカンの変換がキシランナンバーの関数であることを示す。
【図４】前処理した麦わらに関し、グルカンの変換がリグニンナンバーの関数であることを示す。
【図５】前処理済みバイオマスの出力ストリームにおけるＮＩＲスペクトルの代表的な例（Ａ）原スペクトルおよび（Ｂ）Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌａｙ二次微分スペクトルを示す。
【図６】キシランナンバーのＮＩＲスペクトルモデルの回帰係数を示す。
【図７】リグニンナンバーのＮＩＲスペクトルモデルの回帰係数を示す。
【図８】キシランナンバーのオンラインＮＩＲ測定に関する予測と実測との交差検証を示す。
【図９】リグニンナンバーのオンラインＮＩＲ測定に関する予測と実測との交差検証を示す。
【図１０】Ｋａｌｕｎｄｂｏｒｇの実証プラントの前処理リアクターに関する、前処理済みバイオマスの出力ストリームにおけるキシランナンバー測定に応じたフィードバック制御を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
いくつかの実施形態において、本発明は
リグノセルロース系バイオマス原料を提供すること、
加圧されたリアクターでの連続的な熱水前処理によって前記バイオマス原料の前処理を行うこと、
前処理リアクターから得られる前処理済みバイオマスの出力ストリームにおいてキシランナンバーを測定すること、および
前処理済みバイオマスの出力ストリームにおいて測定されるキシランナンバーがあらかじめ設定した水準に維持されるよう前処理リアクターを制御すること
を含むリグノセルロース系バイオマスの処理方法に関する。
【００１６】
いくつかの実施形態において、本発明は
リグノセルロース系バイオマス原料を提供すること、
加圧されたリアクターでの連続的な熱水前処理によって前記バイオマス原料の前処理を行うこと、
前処理リアクターから得られる前処理済みバイオマスの出力ストリームにおいてリグニンナンバーを測定すること、および
前処理済みバイオマスの出力ストリームにおいて測定されるリグニンナンバーがあらかじめ設定した水準に維持されるよう前処理リアクターを制御すること
を含むリグノセルロース系バイオマスの処理方法に関する。
【００１７】
「リグノセルロース系バイオマス」は任意の種類の植物バイオマスを表す。
【００１８】
少なくとも麦わら、コーンストーバー、コーンコブ、空果房、稲わら、エンバクわら、大麦わら、カノーラわら、モロコシ、サトウモロコシ、大豆茎葉、ライグラス、スイッチグラス、バミューダグラスおよび他の草、バガス、ビートパルプ、とうもろこし繊維等のソフトリグノセルロース系バイオマスを含む任意の適切なリグノセルロース系バイオマスを用いることができ、これらを任意に組み合わせて用いてもよい。少なくとも硬材、軟材、木材パルプおよび林業廃棄物等を含むハードリグノセルロース系バイオマスを用いてもよい。リグノセルロース系バイオマスは、紙、新聞紙、段ボール紙または自治体や会社から排出される他の廃棄物等の他のリグノセルロース物質を含んでいてもよい。リグノセルロース系バイオマスは、異なる原料に由来する物質の混合物として用いることができ、新鮮であってもよく、ある程度、または完全に乾燥していてもよく、これらの任意の組み合わせでもよい。
【００１９】
適切なリグノセルロース系バイオマスは、一般的に、前処理前の乾燥質量において２０〜５０％のセルロース、１０〜４０％のリグニンおよび５〜４０％のヘミセルロースを含む。
【００２０】
リグノセルロース系バイオマスは結晶性セルロースフィブリルを含むが、このセルロースフィブリルは緩やかに組織されたヘミセルロースの基質内に埋め込まれ、疎水性リグニンが豊富な環境に封じ込められている。セルロース自体はＤ−グルコースが長い直鎖状に連なったポリマーを含むが、ヘミセルロースは、短い分枝鎖状炭水化物からなる不均質な混合物であり、５つの炭素原子を含むすべてのアルドペントース（Ｃ５糖）のモノマーや、グルコース、マンノースなど数種の六炭（Ｃ６）糖のモノマーを含む。リグニンは、疎水性フェニルプロパノイドモノマーを含むポリマーであるが、これは固有の一次構造を何ら有さない極めて不均質なポリマーである。
【００２１】
セルラーゼやヘミセルラーゼを使用するリグノセルロース系バイオマスの酵素加水分解は、一般的に「前処理」と呼ばれている何らかの処理を行わない場合、あまり効果的ではない。前処理を行うことで、セルロースが周囲のリグニンおよびヘミセルロースにしっかりと埋め込まれていることで生じている障壁、すなわちセルラーゼによる生産的結合を阻害する障壁が低下する。さらに前処理は、酵素加水分解に一般的に耐性があるセルロース鎖の結晶構造を破壊する。
【００２２】
多種多様な前処理技術が当該技術分野において知られている。最近のレビューについては、Ａｌｖｉｒａ  ２０１０を参照のこと。本願請求項は、バイオマス原料に熱水前処理を施す、リグノセルロース系バイオマスの処理方法に関する。
【００２３】
「熱水前処理」とは、バイオマスを「処理」することを目的として、酸などの化学物質の添加の有無にかかわらず、１２０℃以上の高温の液体、高温の蒸気、または高温の液体もしくは蒸気もしくはその両方を含む加圧蒸気の状態にある水を使用することを言う。いくつかの実施形態においては、湿式酸化による前処理で必要とされるような酸素補給を行わず、オルガノソルブ前処理で必要とされるような有機溶媒の添加を行わず、またはマイクロ波による前処理で必要とされるようなマイクロ波加熱の使用を行わずに、熱水前処理を行う。いくつかの実施形態において、熱水前処理は１４０℃以上、１５０℃以上または１６０℃以上の温度で行う。熱水前処理を施すバイオマスのｐＨは、前処理リアクターに投入される湿ったバイオマスまたはバイオマススラリーのｐＨを指す。熱水前処理を施すバイオマス中の総固形物量は、前処理リアクターに投入される湿ったバイオマスまたはバイオマススラリー中の水不溶性固形物と水可溶性固形物の重量パーセント（ｗ／ｗ）の合計を意味する。
【００２４】
熱水前処理を行う際の湿潤の程度すなわち乾燥物質（ＤＭ）含有量は、異なっていてもよい。加工していないバイオマス原料は、水がすべて除去された後に残る「乾燥重量」だけでなく、いくらかの量の水も含む。本明細書にて使用する「乾燥物質」（ＤＭ）は、水不溶性固形物と水可溶性固形物とを合わせた全固形物を意味する。％ＤＭは重量パーセントを指す。例えば、１８％ＤＭで前処理された（すなわち、全固形物が１８％を占める状態で前処理リアクターに投入された）バイオマス原料は、一般的に湿った繊維として存在する。一方、１０％ＤＭ以下で前処理したバイオマス原料は、一般的に液体スラリーとして存在する。いかなるＤＭレベルであっても、原料を細断、粉砕などの工程に供して粒子径を小さくするほど、液体スラリーを形成する傾向が大きくなる。
【００２５】
熱水前処理済みバイオマスの総固形物量は、液状成分（以下「液体画分」）および水不溶性の「固形」成分を含む。「固形」成分は不溶性固形物を含む。「固形」成分は液体画分と分離しているが、洗浄または他の工程を行わなければ、「液体画分」によって膨潤する。「液体画分」は、主としてＣ５糖、加えて数種のＣ６糖を含有するヘミセルロースと、前処理反応の副産物とを含む。
【００２６】
熱水前処理は当該技術分野において周知の様々な方法によって行ってよい。蒸気前処理は、一般的に「水蒸気爆発」として、または前処理したバイオマスが爆発的に放出されることのないようにして、高圧蒸気を用いて行うことができる。蒸気前処理は、通常１７０〜２２０℃の高温で、かつ４〜２０バールの高圧で行い、この条件では水は液体と蒸気の混合物として存在する。いくつかの実施形態においては、リグノセルロース系バイオマスに対して１７０〜２００℃で熱水前処理を行う。いくつかの実施形態においては、熱水前処理に先立ち、バイオマス原料を粒径縮小および／またはその他の機械的処理（細砕、粉砕、細断、切断など）に供してもよい。いくつかの実施形態においては、Ｋｎｕｄｓｅｎら  １９９８に記載されているように、前処理に先立ってバイオマス原料を洗浄する、かつ／または濾すことで有益な塩を取り除いてよい。
【００２７】
加圧された前処理リアクターへのバイオマスの流入および前記リアクターからの流出を、一時停止時以外は連続的に維持し、熱水前処理を連続的に行う。
【００２８】
熱水前処理リアクターから前処理済みバイオマスを取り出すために様々な異なる方法を利用してもよい。いくつかの実施形態において、バイオマスは爆発的放出または「水蒸気爆発」によってリアクターから取り出されるが、これによってバイオマスは突然、４バールを超える、すなわち４〜２０バールのリアクター圧力から大気圧へと移される。水蒸気爆発は、一般的にバイオマスの繊維構造を破壊し、濃いペースト中で混ざり合った「液体画分」および水不溶性の「固形」成分を含む前処理済みバイオマスが残る。いくつかの実施形態において、前処理済みバイオマスは、例えば米国特許出願公開第１３／０４３，４８６号明細書において開示されている「粒子ポンプ」のようなスルース（ｓｌｕｉｃｅ）装置によって、非爆発的に放出される。前処理リアクターからのバイオマスの取り出しに「粒子ポンプ」を使用することで、前処理済みバイオマスに含まれる「液体画分」成分および水不溶性「固形」成分も混合物の状態で得られる。
【００２９】
いくつかの実施形態においては、バイオマスを液体サイクロン装置または「冷却排出装置」へ非爆発的に放出することができ、これらの装置は水または再利用されたプロセス流体で充填することができる。国際特許出願公開第２００９／１４７５１２号明細書において開示されているような液体サイクロン装置は、真水または蒸発工程もしくは他のバイオリファイナリー工程から凝縮液として得られる比較的薄い（一般的に溶解固形物の濃度が１０ｇ／ｋｇより低い、２０ｇ／ｋｇより低い、５０ｇ／ｋｇより低い、または１００ｇ／ｋｇより低い）溶液で充填してもよい。
【００３０】
熱水前処理におけるヘミセルロースの可溶化は、固液両相間でのキシランの分布の変化に関連する。本明細書において、「キシラン」はヘミセルロースを構成している主たるＣ５糖であるキシロースのオリゴ糖およびポリ多糖のポリマーすべてを総称する。前処理は、キシランの化学副産物への変換の結果として起こるキシラン含有量の損失を必然的に伴う。しかしながら、概して、前処理のシビアリティが高くなるにつれて、不溶性固形成分から失われるキシラン含有量の割合が大きくなり、液体画分中に得られるキシラン含有量の割合が大きくなる。この関係は、乾燥物質の割合が約１６％以下である不溶性固形成分において、キシラン含有量レベルにつながる全てのシビアリティレベルで保持される。
【００３１】
最適な変換収率が、リグノセルロース系基質の「開放（ｏｐｅｎｉｎｇ）」およびセルロースのストランド構造の破壊を起こす前処理に依存することは広く一般に認められている。極端なアルカリ性のｐＨで熱水前処理を行う場合、リグニンが完全に除去されるため、水不溶性の「固形」成分中に相当な量のキシランが残存するにもかかわらず、リグノセルロース系基質は生産的な酵素結合に対して「開かれた状態（ｏｐｅｎｅｄ）」となる。極端な酸性のｐＨで熱水前処理を行う場合、いかなる温度でもヘミセルロースがより完全に可溶化し、リグノセルロース基質を、一般的に比較的低い温度と短い滞留時間で効率的な酵素加水分解がなされるように「開放する（ｏｐｅｎ）」ことができる。ｐＨ２．５〜８の領域で行う熱水前処理は、酸触媒や塩基触媒の添加に依存しないため、一般的に「自己加水分解」処理と呼ばれる。自己加水分解はいくぶん高い温度を必要とするが、工業化学物質を添加する必要はない。いくつかの実施形態においては、自己加水分解を用いて熱水前処理を行う。
【００３２】
前処理後に得られる「液体画分」は、前処理直後の、また場合によっては２５℃、大気圧で平衡化した後の前処理済みバイオマスの液相（添加した水または蒸気を含む）を指す。任意の物理的な固液分離工程の実施の有無にかかわらず「液体画分」が存在することは容易に理解されるだろう。液体画分は主として水および水可溶性物質を含む。
【００３３】
前処理後に得られる「繊維画分」は、「液体画分」が存在しない前処理済み物質の不溶性固相成分を指す。任意の物理的な固液分離工程を行う場合でも行わない場合でも「液体画分」および「繊維画分」が存在することは容易に理解されるだろう。「繊維画分」の固形物量は主としてリグニンならびに加水分解されていないセルロースおよびヘミセルロースを含む。「固形画分」は、残存するいくらかの「液体画分」を含む水不溶性固形物を指して用いられる用語であり、このような水不溶性固形物は、例えば、前処理後の溶解固形物全体の例えば約１５〜３０％が「繊維画分」に残る程度にのみ洗浄した、固液分離工程後に得られる物質中に存在する。
【００３４】
本明細書において、独立したヘミセルロース分離工程を必要としないｐＨ８未満での熱水前処理に関して用いられる「高シビアリティ」または「低シビアリティ」は、前処理済みバイオマスの水不溶性の「繊維画分」成分に残存するキシラン含有量に関連する。「高シビアリティ」での前処理では、水不溶性の「繊維画分」に残存するキシラン含有量が乾燥物質の割合として０〜５％を示す前処理済みバイオマスが得られる。「低シビアリティ」での前処理では、水不溶性の「繊維画分」に残存するキシラン含有量が乾燥物質の割合として７．５〜８％を示す前処理済みバイオマスが得られる。「より低いシビアリティ」での前処理では、水不溶性の「繊維画分」に残存するキシラン含有量が乾燥物質の割合として８〜９％を示す前処理済みバイオマスが得られる。「非常に低いシビアリティ」での前処理では、水不溶性の「繊維画分」に残存するキシラン含有量が乾燥物質の割合として９〜１６％を示す前処理済みバイオマスが得られる。
【００３５】
ｐＨ８未満で行われる熱水前処理においては、該処理自体でリグニンを前処理済みバイオマスから完全に除去することはできない。このような条件下で前処理を施したバイオマスのリグノセルロース系基質は、相当な量のリグニンおよびキシランを含む。このような前処理済みバイオマスの水不溶性固形物である「繊維画分」成分中のキシラン含有量は、酵素加水分解に害を及ぼす。繊維の表面に存在するキシランは生産的なセルラーゼ結合を妨げる。Ｋａｂｅｌら  ２００７；  Ｊｅｏｈら  ２００７を参照のこと。８より高いｐＨで前処理を施したバイオマスの水不溶性固形物である「繊維画分」成分中のキシラン含有量は、ｐＨ８未満で達成するレベルより一般的に高い。
【００３６】
国際特許出願公開第２０１１／０４３９３５号明細書、国際特許出願公開第１００９／１０８７３３号明細書および国際特許出願公開第２０１０／１１３１２９号明細書に開示されているような多段階にわたる前処理に依存する前処理スキームでは、水不溶性固形物である「繊維画分」成分に残存するキシラン含有量は一般的にかなり低く、前処理の最初の段階でヘミセルロースはほとんど完全に可溶化される。いくつかの実施形態において、前処理は一段階処理などの、多段階処理以外の方法で行われる。
【００３７】
バイオマスに対してｐＨ８未満、高シビアリティで熱水前処理を施す場合、水不溶性固形物である「繊維画分」成分に残存するキシラン含有量により、ＲｏおよびＲｏ’の代わりとなる、前処理の程度についての簡単かつ便利な評価が得られる。前記評価により、同等に効果的な前処理「終点」、すなわち、作業条件を最適化するための基準となる、同等に効果的な酵素消化率の予測因子が得られる（Ｋａｂｅｌら  ２００７）。
【００３８】
しかしながら、バイオマスに対して８ｐＨ未満、低シビアリティで熱水前処理を施す場合、残存するキシラン含有量が酵素消化率の予測因子として、または前処理「終点」の測定値として有用であるとはこれまで考えられていない。低シビアリティでは水不溶性の「繊維画分」に残存するキシラン含有量そのものが酵素消化率の十分な予測因子とはならないことが報告されている（Ｊｅｏｈら，  ２００７；  Ｋａｂｅｌら，  ２００７）。本発明者らは、リグノセルロース系バイオマスの変換のために最適化された、より新しい世代の市販のセルラーゼ製剤を用いた場合、旧世代のセルラーゼ製剤を用いるよりも残存するキシラン含有量が酵素加水分解を妨害しにくいことを見いだした。また、低シビアリティ、より低いシビアリティ、非常に低いシビアリティであっても、水不溶性である「繊維画分」に残存するキシラン含有量に関する情報と液体画分中の可溶性キシランに関する情報とを組み合わせることで、確実な前処理「終点」の測定が可能となることを見いだした。この測定値を「キシランナンバー」と呼ぶ。
【００３９】
「キシランナンバー」は、乾燥物質の重量パーセントとして表される全キシラン含有量の測定値を指し、この値には、不溶性の「繊維画分」に残存するキシランの測定値が含まれるのみならず、液体画分に由来するキシランの測定値もいくぶん（溶解固形物のうち絶対的に少なくとも０．８％が測定値に含まれるように）寄与している。
【００４０】
キシランナンバーの測定において、液体画分のキシラン含有量の寄与は、測定のためのサンプルを調製する方法に依存する。いくつかの実施形態において、キシランナンバーはスラリー全体（すなわち固液分離していない前処理済みバイオマス）を用いて測定することができる。バイオマス原料の前処理では、熱水前処理において水分を添加することにより、一般的にある程度の希釈がおこる。例えば、３５％ＤＭ、低シビアリティでのバイオマス前処理では、一般的に約２２％ＤＭの前処理済みバイオマススラリーが得られ、絶対的にこのうちの約６％が溶解固形物を含む。これらの溶解固形物の実質的な成分は、一般的に約４０〜６０％のキシランを含む。
【００４１】
いくつかの実施形態においては、キシランナンバー測定のための固形画分を得るため、前処理済みバイオマスに対して固液分離工程を行ってよい。低シビアリティ、より低いシビアリティ、非常に低いシビアリティで前処理を施したバイオマスに対し、一般的に生産規模処理に使用される固液分離技術を用いて得た固形画分は、一般的に３０〜５０％のＤＭを含む。一般的に、このＤＭ含有量のうち、絶対的に２．６〜３．７％は溶解固形物を含む。固液分離は、例えば、比較的低価格なスクリュープレスを使用して行ってよく、一般的に固形画分のＤＭ含有量を４５％まで上げることができる。また、ツインロールプレスまたはツインワイヤープレスを使用してもよく、一般的に固形画分のＤＭ含有量を３０〜４５％に上げることができる。いくつかの実施形態おいて、ベルトプレス、ドラムフィルター、遠心分離機またはデカンタ型遠心分離機を使用してもよい。
【００４２】
いくつかの実施形態においては、キシランナンバーの測定に先立って溶解固形物をさらに除去するために、固形画分を当該技術分野で周知の適切な手段で洗浄してもよい。例えば、非常に低いシビアリティで前処理し、最初に３０％ＤＭになるまで圧搾し、ＤＭ１ｋｇ当たり３．０ｋｇの水で洗浄したバイオマスから得る固形画分は、一般的に絶対的に約２％の溶解固形物を含む（すなわち、３０％ＤＭのうちの約２％ＤＭが溶解固形物を含む）。ＤＭ１ｋｇ当たりわずか１．５ｋｇの水で洗浄した同様の固形画分は、一般的に絶対的に約５％の溶解固形物を含む。洗浄していない同様の固形画分は、一般的に絶対的に約８％の溶解固形物を含む。
【００４３】
これらの実施例において、３０％ＤＭになるまで圧搾し、ＤＭ１ｋｇ当たり３．０ｋｇの水で洗浄した固形画分のキシランナンバーが１０重量％であれば、ＤＭ１ｋｇ当たりわずか１．５ｋｇの水で洗浄した同様の固形画分について測定されたキシランナンバーは約１１．４重量％、洗浄していない同様の固形画分のキシランナンバーは約１４．２重量％、同様に前処理を施したバイオマスのスラリー全体のキシランナンバーは約１７．７重量％となる。
【００４４】
キシランナンバーは、非常に低いシビアリティであっても、前処理シビアリティｌｏｇ  Ｒｏとの間に相対的な線形相関を示し、この測定値は絶対的に少なくとも０．８％の溶解固形物からの寄与を含む（すなわち、全てのＤＭ％のうちの０．８ＤＭ％が溶解固形物を含む）。いくつかの実施形態においては、絶対的に少なくとも０．８％、少なくとも１％、少なくとも２％、０．８％より多く９％未満、０．８％より多く７％未満、０．８％より多く６％未満、０．８％より多く５％未満、０．８％より多く４％未満、０．８％より多く３％未満、または０．８％より多く２％未満の溶解固形物を含むサンプルにおけるキシランナンバーを測定する。
【００４５】
キシランナンバーの絶対的な大きさが、固液分離および固形画分洗浄をそれぞれ行っても行わなくても、前処理済みバイオマスをキシランナンバー測定のためにサンプリングするのに用いたスキームによって異なることは、当業者には容易に理解されるだろう。しかしながら、一貫したサンプルスキームを用いた場合、得られるキシランナンバーの値を前処理シビリアティに容易に関連づけることができ、その結果、該値を前処理リアクターにおけるフィードバック制御のための「終点」の測定値として使用することができる。
【００４６】
いくつかの実施形態においては、前処理済みバイオマスに対して固液分離を行い、前処理後に得られる液体画分で膨潤された全固形物が２５〜５０％である固形画分を得る。この固形画分を、全固形物と水とが１：３の割合となるよう水と混合してある程度洗浄する。その後、この方法で洗浄した固形画分を全固形物が２５〜５０％となるまで圧搾すると、溶解固形物の約１５〜３０％が固形画分に残る。このようにして洗浄した固形画分のキシラン含有量を、Ａ．  Ｓｌｕｉｔｅｒらの「Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅｓ  ａｎｄ  ｌｉｇｎｉｎ  ｉｎ  ｂｉｏｍａｓｓ（バイオマス中の構造性炭水化物およびリグニンの測定）」（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  ＮＲＥＬ／ＴＰ−５１０−４２６１８，  ２００８年４月改訂；国立再生可能エネルギー研究所（ＮＲＥＬ）による研究所解析手順（ＬＡＰ），  ２００８年４月２５日発行）の方法を用いて測定する。該文献は参照によりその全体が本明細書に明示的に援用される。いくつかの実施形態において、炭水化物の測定はダイオネクス製レゼックスカラムを用いて行う。
【００４７】
いくつかの実施形態においては、バイオマス原料に対して、ｌｏｇ  Ｒｏが３．２〜４．２、または３．５〜３．９となるシビアリティで前処理を施す。いくつかの実施形態において、全固形物と水とが１:３の割合となるよう水と混合することによってある程度洗浄した３０％ＤＭの固形画分において測定されるキシランナンバーが７〜１４、７．５〜１４、７．６〜１４、７．７〜１４、７．８〜１４、７．９〜１４、８〜１４、８〜１２、または９〜１１となるようなシビアリティでバイオマス原料に対して前処理を施す。
【００４８】
キシランナンバーの決定に用いる総キシラン量の測定値は、当該技術分野において周知の様々な方法を用いて得ることができる。いくつかの実施形態において、総キシラン量は、前処理済みバイオマスの出力ストリームから取り出したサンプルに適用される、当該技術分野において周知である直接的な化学的測定によって決定することができる。いくつかの実施形態においては、キシランナンバーを、Ｈａｍｅｓら  ２００３および国際特許出願公開第２００９／０５９１７６号明細書に記載されている近赤外線（ＮＩＲ）分光法を用いてオンラインで測定することができる。これらの文献は、参照によりその全体が本明細書に援用される。一般的に、オンラインでＮＩＲ測定を行うためには、何らかの化学的測定に対する較正が必要とされる。このような実施形態においては、前処理済みバイオマスにおける複雑なＮＩＲ吸収スペクトル（８００〜２５００ｎｍ）の測定に加えて、同じサンプルにおいて着目する特定の化学的測定をも実施する。その後、着目する化学物質の含有量を「予測（測定）する」ＮＩＲスペクトルモデルを得るため、部分最小二乗回帰等の多変量校正技術を用いて、ＮＩＲスペクトルの分析を行う。
【００４９】
ＮＩＲ測定値のための較正を確定するためには、不溶性固形物のキシラン含有量と、関連する溶解固形物のキシラン含有量とをいずれも測定できる、当該技術分野において周知の方法を用いて、総キシラン量を理想的に測定することが必要である。キシランナンバーを得るためのＮＩＲスペクトルモデルの較正に用いることのできる適切な化学的キシラン測定の一例は、Ａ．  Ｓｌｕｉｔｅｒらの「Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅｓ  ａｎｄ  ｌｉｇｎｉｎ  ｉｎ  ｂｉｏｍａｓｓ（バイオマス中の構造性炭水化物およびリグニンの測定）」（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  ＮＲＥＬ／ＴＰ−５１０−４２６１８，  ２００８年４月改訂；国立再生可能エネルギー研究所（ＮＲＥＬ）による研究所解析手順（ＬＡＰ），  ２００８年４月２５日発行）に記載の方法である。
【００５０】
いくつかの実施形態においては、当該技術分野において周知の測定技術を用いて、前処理済みバイオマスの出力ストリーム、スラリー全体、固形画分、または洗浄した固形画分のＮＩＲスペクトルをオンラインで測定する。その後、参照サンプルにおいて不溶性固形物のキシラン含有量および関連する溶解固形物のキシラン含有量を測定する化学的測定に対する較正によって確定された、キシランナンバーを予測するためのＮＩＲスペクトルモデルを測定した複雑なＮＩＲスペクトルに適用することで、キシランナンバーを決定する。いくつかの実施形態において、ＮＩＲの測定に先立って、ｐＨ調整または他の化学物質の添加を行ってもよい。異なるバイオマス原料が使用される場合、または処理条件が変更される場合、再度ＮＩＲスペクトルモデルを較正することが好ましいことは当業者には容易に理解されるだろう。
【００５１】
「キシランナンバー」に代わるものとして、「リグニンナンバー」と命名したもう１つの複合測定を、前処理のフィードバック制御のための「終点」測定値として使用することができる。「リグニンナンバー」は、乾燥物質の重量パーセントで表され、酸不溶性の残渣の測定値を含む「クラソンリグニン」の測定値を指す。「リグニンナンバー」は、水不溶性固形物中の総リグニン含有量ならびに前処理中にヘミセルロース分解によって生じる縮合生成物および重合生成物を含む加水分解されていない多様な固形物の測定値を含む。
【００５２】
「リグニンナンバー」は、測定サンプル中に存在する、強酸に対して不溶性の物質の測定値である。測定が水不溶性固形物中のリグニンならびに前処理中にヘミセルロース分解によって生じた縮合生成物および重合生成物の両方の測定を含む場合、化学的測定による「リグニンナンバー」の決定に用いる酸の強さは可変である。例えば、いわゆる「クラソンリグニン」の測定に適切な、当該技術分野において周知の方法であれば、「リグニンナンバー」の化学的測定に用いることができる。
【００５３】
リグニンナンバーの決定に用いる「クラソンリグニン」の測定値は、当該技術分野において周知の様々な方法を用いて得ることができる。いくつかの実施形態において、クラソンリグニンは、前処理済みバイオマスの出力ストリームから取り出したサンプルに適用される、当該技術分野において周知である直接的な化学的測定によって決定することができる。いくつかの実施形態においては、キシランナンバーのＮＩＲ測定に関して本明細書で先述したように、近赤外線（ＮＩＲ）分光法を用いてリグニンナンバーをオンラインで測定することができる。
【００５４】
ＮＩＲ測定値のための較正を確定するためには、不溶性固形物のリグニン含有量と、不溶性固形物および関連する溶解固形物の「擬リグニン」含有量とをいずれも測定できる、当該技術分野において周知の方法を用いて、クラソンリグニンを理想的に測定することが必要である。リグニンナンバーを得るためのＮＩＲスペクトルモデルの較正に用いることのできる適切な化学的クラソンリグニンの測定の一例は、Ａ．  Ｓｌｕｉｔｅｒらの「Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅｓ  ａｎｄ  ｌｉｇｎｉｎ  ｉｎ  ｂｉｏｍａｓｓ（バイオマス中の構造性炭水化物およびリグニンの測定）」（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  ＮＲＥＬ／ＴＰ−５１０−４２６１８，  ２００８年４月改訂；国立再生可能エネルギー研究所（ＮＲＥＬ）による研究所解析手順（ＬＡＰ），  ２００８年４月２５日発行）に記載の方法である。
【００５５】
いくつかの実施形態において、前処理済みバイオマスのキシランナンバーを測定するための、先述したサンプル調製方法はいずれも、リグニンナンバーの測定にも用いることができる。リグニンナンバーの絶対的な大きさが、固液分離および固形画分洗浄をそれぞれ行っても行わなくても、前処理済みバイオマスをリグニンナンバー測定のためにサンプリングするのに用いたスキームによって異なることは、当業者には容易に理解されるだろう。しかしながら、一貫したサンプルスキームを用いた場合、得られるリグニンナンバーの値を前処理シビリアティに容易に関連づけることができ、その結果、該値を前処理リアクターにおけるフィードバック制御のための「終点」の測定値として使用することができる。
【００５６】
前処理済みバイオマスの出力ストリームにおいて測定したキシランナンバーまたはリグニンナンバーは、前処理リアクターのフィードバック制御のための前処理「終点」の測定値として用いることができる。前処理済みバイオマスの連続的な出力に関してサンプリングおよび分析を行い、「終点」であるキシランナンバーまたはリグニンナンバーの測定を決定する。その後、「終点」の測定値があらかじめ設定した水準に維持されるように、「終点」の値に応じて継続的にリアクター条件を調節する。いくつかの実施形態においては、バイオマスがリアクター内に滞留する時間を「終点」の測定値に対するフィードバック応答として調節することができ、これは、例えばバイオマスが連続的な前処理装置内で移動する速度を調節することで行うことができる。いくつかの実施形態において、「終点」の測定値に対するフィードバック応答として、連続的なバイオマスの前処理ストリームに適用する蒸気圧もしくは水温の調節または冷却水の導入を行う。いくつかの実施形態において、連続的な「終点」測定およびそれに対応するリアクター条件の調整は、ある一定間隔で、例えば1分毎、５分毎、または１時間毎に繰り返してもよい。いくつかの実施形態において、リアクター温度は約１７０〜２００℃の範囲で変更することができ、リアクター内の滞留時間は約４〜２０分、１０〜２０分、または１２〜１８分の範囲で変更することができる。
【００５７】
当業者であれば、前処理済みバイオマスの連続的な出力ストリームにおいて測定されたキシランナンバーまたはリグニンナンバーを用いて熱水前処理のフィードバック制御を管理するための種々のスキームは、容易に推測できるであろう。
【実施例】
【００５８】
実施例１
前処理シビアリティの尺度としての固形画分の「キシランナンバー」の評価
麦わら（ＷＳ）、コーンストーバー（ＣＳ）、アブラナわら（ＲＳ）、サトウキビバガス（ＳＣＢ）および空果房（ＥＦＢ）を、３５〜５０％ＤＭでの前処理に先立って、乾燥物質バイオマス１ｋｇ当たり酢酸０〜１０ｇを用い、４．０＜ｐＨ＜８．０で浸した。1時間あたり約５０ｋｇの乾燥物質バイオマスに対して、温度１７０〜２００℃、設定滞留時間１２〜１８分で前処理を施した。スルースシステムを用いてバイオマスをリアクターに取り込み、前処理済み物質をスルースシステムを用いて取り出した。加圧した前処理リアクター内の圧力は、使用する温度における飽和水蒸気の圧力に合わせた。前処理済みバイオマスに対してスクリュープレスを用いて固液分離を行い、液体画分と、乾燥物質を約３０％含む固形画分とを得た。固形画分を乾燥バイオマス１ｋｇ当たり約３ｋｇの水で洗浄した後、固形画分中に残存する溶解固形物が１５〜３０％で、再びＤＭが約３０％となるまで圧搾した。前処理リアクターおよび工程に関しては、Ｐｅｔｅｒｓｅｎら  ２００９にさらに詳細に記載されている。
【００５９】
３時間の連続的な前処理の後、固形画分のサンプルを収集した。確実に、定常状態にある前処理からのサンプルを得るために、３時間かけて３回の収集を行った。これらの固形画分についてＳｌｕｉｔｅｒら  ２００８に記載されている方法に従い、Ｒｅｚｅｘ  Ｍｏｎｏｓａｃｃｈａｒｉｄｅ  Ｈ＋  Ｍｏｎｏｓａｃｃｈａｒｉｄｅ  ｃｏｌｕｍｎを備えたダイオネクス社製Ｕｌｔｉｍａｔｅ  ３０００  ＨＰＬＣ  ｓｙｓｔｅｍを用いて、炭水化物分析を行った。
【００６０】
Ｗｅｉｓｓら  ２００９に記載されている方法により、乾燥物質含有量および懸濁物質量の分析を行った。
【００６１】
前処理工程のシビアリティは、通常、Ｏｖｅｒｅｎｄら  １９８７が最初に開発したシビアリティファクターによって記載される。このシビアリティファクターは、ｌｏｇ（Ｒ０）＝ｔ＊ｅｋｓｐ（（Ｔ−Ｔｒｅｆ）／１４．７５）のようなｌｏｇ値として一般的に表され、式中、Ｒ０はシビアリティファクター、ｔは滞留時間（分）、Ｔは温度、Ｔｒｅｆは基準温度（通常１００℃）を表す。このシビアリティファクターは、Ｂｅｌｋｅｃｅｍｉら  １９９１、ＪａｃｏｂｓｅｎおよびＷｙｍａｎ  ２０００、またはＬｌｏｙｄら  ２００３に２０として記載されているヘミセルロース可溶化の動力学に基づいている。
上記の通り調製、洗浄した固形画分についてのキシラン含有量分析は、Ｓｌｕｉｔｅｒら  ２００８に記載されている方法に従い、フェノメネックス社製Ｒｅｚｅｘ  Ｍｏｎｏｓｓａｃｈａｒｉｄｅ  Ｈ＋  ｃｏｌｕｍｎを備えたダイオネクス社製Ｕｌｔｉｍａｔｅ  ３０００  ＨＰＬＣ  ｓｙｓｔｅｍを用いて実施した。上記の通り製造、洗浄した固形画分中のキシラン含有量は、熱水による自己加水分解により前処理を行った場合、麦わら、コーンストーバー、サトウキビバガス、アブラナわらまたはＥＦＢ等、試験を行った全てのソフトリグノセルロース系バイオマスに対するシビアリティファクターｌｏｇ  Ｒｏに線形従属している。同様に調製、洗浄した固形画分中のキシラン含有量としてのシビアリティの定義は、前処理の設定によって変わり得る。キシランナンバーは洗浄した固形画分中の測定したキシラン含有量であり、可溶性物質からのいくぶんかの寄与を含む。（Ａ）同じ地域の収穫年の異なる３種の麦わら（ＷＳ  Ａ、ＷＳ  ＣおよびＷＳ  Ｄ）、（Ｂ）２種のコーンストーバー（ＣＳ  ＢおよびＣＳ  Ｄ）、ならびに（Ｃ）アブラナわら（ＲＳ）、サトウキビバガス（ＳＣＢ）およびパーム油加工で排出される空果房（ＥＦＢ）に関し、キシランナンバーが前処理シビアリティｌｏｇ（Ｒｏ）に依存することを図１に示す。直線は、視認性向上のために加えたものである。
【００６２】
図からわかるように、実験を行った自己加水分解による前処理済みバイオマス原料それぞれに関し、前処理シビアリティとキシランナンバーの間には、明瞭な負の線形相関がある。直線は、視認性向上のために加えたものである。図からわかるように、異なるバイオマス原料は、キシランナンバーとシビアリティの間にそれぞれ異なる直線的な関係を生じ、これは収穫年の異なる類似の小麦種を比較した場合にも言える。
【００６３】
実施例２
前処理シビアリティの尺度としての固形画分の「リグニンナンバー」の評価
バイオマス原料に対して前処理を施し、固形画分のサンプルを調製し、実施例１に記載するようにして、液体画分および固形画分のサンプルを得た。実施例１においてキシランナンバーが報告された各サンプルに対し、別途、クラソンリグニン含有量の測定も、Ｓｌｕｉｔｅｒら  ２００８に記載の方法に従って実施した。７２重量％の硫酸に不溶の全固形物の測定を含んだクラソンリグニンの測定を行った。
【００６４】
（Ａ）同じ地域の収穫年の異なる３種の麦わら（ＷＳ  Ａ、ＷＳ  ＣおよびＷＳ  Ｄ）、（Ｂ）２種のコーンストーバー（ＣＳ  ＢおよびＣＳ  Ｄ）、ならびに（Ｃ）アブラナわら（ＲＳ）、サトウキビバガス（ＳＣＢ）およびパーム油加工で排出される空果房（ＥＦＢ）に関し、リグニンナンバーが前処理シビアリティｌｏｇ（Ｒｏ）に依存することを図２に示す。直線は、視認性向上のために加えたものである。
【００６５】
図からわかるように、実験を行った自己加水分解による前処理済みバイオマス原料それぞれに関し、前処理シビアリティとリグニンナンバーの間には、明瞭な正の線形相関がある。
【００６６】
実施例３
「キシランナンバー」および「リグニンナンバー」と酵素消化性との相関関係
国際特許出願公開第２００６／０５６８３８号明細書において記載、使用されている６チェンバー式リアクターと原理的上同様に機能する６チェンバー式自由落下型リアクターを用いて実験を行った。この６チェンバー式加水分解リアクターは、２０％ＤＭを超える固形物濃度で前処理を施したバイオマスの液化および加水分解を伴う実験を行うために設計されたものである。このリアクターは、幅２４ｃｍ、高さ５０ｃｍの６つの独立したチェンバーに分割された、水平に配置されたドラムから成る。チェンバーはそれぞれ、３つのパドルが取り付けられた水平回転軸を有し、これを用いて混合または撹拌を行った。駆動には、回転速度が２．５〜１６．５ｒｐｍの範囲内で調整可能である１．１ｋＷのモーターを使用した。回転方向（時計回り／反時計回り）が２分毎に切り替わるようにプログラムを作成した。水で満たされた外側の加熱ジャケットにより８０℃までの温度調節が可能である。
【００６７】
キシランナンバーが５〜１６％となるよう自己加水分解による前処理を施した麦わらを実験に使用した。バイオマスを切断し、ＤＭが３５％を超えるように湿らせ、１７０〜１９０℃の蒸気によって１２分間の前処理を施した。前処理はデンマークのＳｃｈｅｒｒｅｂｅｋに位置するＩｎｂｉｃｏｎの試験工場で行った。実施例１に記載するように、前処理済みバイオマスを洗浄済み固形画分と液体画分とに分離した。
【００６８】
様々な前処理シビアリティで前処理を施し、洗浄し、１９〜２７％ＤＭとなるよう水を加えて調整を行った約１０ｋｇの固形画分を、前記６チェンバー式リアクターのチェンバーに充填した。前処理済みバイオマスに対して、リグノセルロース系バイオマス変換のために最適化された市販のセルラーゼ製剤であるＮＯＶＯＺＹＭＥＳ（登録商標）社の製品ＣＴＥＣ３（登録商標）を様々な酵素量で使用し、５０℃、ｐＨ５．０〜５．３で加水分解を行った。混合速度は６ｒｐｍとした。この加水分解実験を１００時間にわたって行った。
【００６９】
ＨＰＬＣサンプルは、セルロースおよびヘミセルロースの変換を追跡する目的で毎日採取し、Ｒｅｚｅｘ  Ｍｏｎｏｓｓａｃｈａｒｉｄｅ  ｃｏｌｕｍｎを備えたダイオネクス社製Ｕｌｔｉｍａｔｅ  ３０００  ＨＰＬＣ  ｓｙｓｔｅｍを用いて、グルコース、キシロースおよびアラビノースに関して外部標準による定量分析を行った。
【００７０】
実験は、一部実施要因実験計画に従って行った。この方法において、キシランナンバーおよび酵素使用量は同時を変化させ（Ｎ＝１８）、セルロース変換を予測するために、Ｕｍｅｔｒｉｃｓ社製ソフトウェアＭＯＤＤＥ（登録商標）を用いて数学的モデル（相互作用との線形）によって結果を相互に関連づけ、適合させた。その後、このモデルを解釈、予測および最適化に用いた。
【００７１】
図３および図４は、上記モデルから予測され、それぞれキシランナンバーおよびリグニンナンバーの関数としてプロットされた、前処理済み麦わらのセルロース変換（２５％ＤＭ、ｐＨ５、酵素使用量固定）を示す。
【００７２】
図からわかるように、「キシランナンバー」および「リグニンナンバー」の測定値と酵素消化性とは、示した範囲にわたり略線形の相関を有する。
【００７３】
実施例４
ＮＩＲスペクトルを用いた「キシランナンバー」および「リグニンナンバー」の測定
麦わらの前処理は、デンマークのＫａｌｕｎｄｂｏｒｇに位置するＩｎｂｉｃｏｎの実証プラントにおいて、Ｌａｒｓｅｎ，  ＨａｖｅｎおよびＴｈｉｒｕｐ，  ２０１２の記載に従って実施した。
【００７４】
前処理済みバイオマスを１８〜２８％ＤＭの固形画分に分離し、加圧濾過機で洗浄し、溶解固形物を１．５〜３．０％含む洗浄済み固形画分を得た。洗浄済み固形画分がｐＨ５となるよう水酸化ナトリウムで調整した後、ｌｏｇ  Ｒｏが約３．４〜４．１となるような様々なシビアリティで前処理を施した、それぞれ約３００ｇの、４００個を超える一連のサンプルを得た。サンプルは、前処理済みバイオマスの出力ストリームの代表サンプルを得るために特別に設計された試料採取器を用いて取得した。洗浄済み固形画分のサンプルは、スクリューオーガ−によってＮＩＲ拡散反射プローブを備えたチェンバーへ取り出される。このサンプリングチェンバー内でＡＢＢ社（Ｑ−ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ社）製ＦＴＰＡ２０００−２６３  ＦＴ−ＮＩＲを使用して、８００〜２５００ｎｍの範囲のＮＩＲ吸光度スペクトルを得た。このオンラインＮＩＲ測定値、すなわち前処理済みバイオマスの連続的な出力ストリームに直結したサンプリング装置による測定結果は、後の使用のため保存した。その後、オンラインでＮＩＲ測定値を得たそれぞれの物理的サンプルについて個別の測定を行い、オフライン実験室用ＦＴ−ＮＩＲ装置であるＱ−ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ（ＢＯＭＥＭ、ＡＢＢ）社製Ｑｕａｎｔを使用して、８００〜２５００ｎｍの範囲のＮＩＲ吸光度スペクトルを決定した。
【００７５】
オフライン装置は、前処理済み麦わらのキシランナンバーおよびリグニンナンバーを予測するためのＮＩＲスペクトルモデルを確定するために、事前に上述のように較正しておいたものを使用した。前処理のシビアリティが一定の範囲にある１５０を超える参考サンプルのＮＩＲスペクトルを決定した。これらの物理的サンプルは、Ｓｌｕｉｔｅｒら  ２００８に記載の化学的測定を用いて総キシラン量および総クラソンリグニン量を決定するために使用した。
【００７６】
前記参考サンプルのオフラインＮＩＲスペクトル、および該サンプルの参照化学分析の結果に基づき、当該技術分野において周知の部分最小二乗（ＰＬＳ）分析を用いて、キシランナンバーおよびリグニンナンバーのオフラインＮＩＲ測定のため多変量校正モデルを確立した。
ＮＩＲスペクトルについて、ＰＬＳによる較正に先立ち、Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌａｙ二次導関数をとることによって調節を行った。Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌａｙアルゴリズムは、データを補整するためにスペクトルの各ポイント周辺における多項式の線形最小二乗回帰の適合に基づいている。本発明においては、二次多項式を使用した。二次導関数は各ポイントにおいて適合した多項式の二次導関数を用いた。前記アルゴリズムは、曲線セグメントの多項式近似を予測するために使用される隣接する変数の数を決定する平滑化係数を含む。本発明においては、５つの隣接する変数を使用した。４８００〜９１００ｃｍ−１の波数のみを較正に用いた。
【００７７】
図５は、ＮＩＲスペクトルの代表的な例を示す。生のスペクトルを左側に、Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌａｙ二次導関数で前処理を施したスペクトルを右側に示す。
【００７８】
回帰モデルを適合に従い導き出した。
Ｙ＝ｂ０＋ｂ１Ｘ１＋．．．＋ｂｋＸｋ＋ｅ
実際の応答値Ｙ（例えばリグニンナンバーまたはキシランナンバー）を予測因子の値（調整済み波数変数）の線形結合によって近似した。キシランナンバーおよびリグニンナンバーに対する確定した組み合わせの回帰係数すなわち「Ｂ係数」を図６および図７にそれぞれ示す。
【００７９】
その後、これらのＮＩＲスペクトルモデルは、対応するオフラインＮＩＲ測定によって得られたキシランナンバーおよびリグニンナンバーの測定値に対する分割交差検証のためのオンラインＮＩＲ測定に適用した。得られたグラフは、キシランナンバーおよびリグニンナンバーそれぞれに関して、オフライン参照値とオンラインＮＩＲ予測値との比較を示している。これらを図８および図９に示す。
【００８０】
表１は、ＲＭＳＥＰ（予測の二乗平均平方根誤差）、Ｒ２ならびにキシランナンバーおよびリグニンナンバーのオンラインＮＩＲ測定値の較正に使用された主成分の数を示す。
【００８１】
【表１】
2015508835.tif 000002
【００８２】
実施例５
キシランナンバーのオンラインＮＩＲ測定に応じた熱水前処理のフィードバック制御
デンマークのＫａｌｕｎｄｂｏｒｇに位置するＩｎｂｉｃｏｎの実証プラントの前処理リアクターにおける温度および滞留時間については、２００９年以来、洗浄済み固形画分中のキシランナンバーのオンラインおよびオフライン測定からフィードバック制御を行ってきた。Ｌａｒｓｅｎ，  ＨａｖｅｎおよびＴｈｉｒｕｐ，  ２０１２を参照のこと。この最初の実験では、フィードバック制御を手動で行った。前処理済みバイオマスの出力ストリームについて、オンラインおよびオフラインのＮＩＲ測定によってキシランナンバーを測定し、この出力ストリームから、一貫した方法によって洗浄済み固形画分を分離した。キシランナンバーは４時間に１回程度測定し、リアクター滞留時間もしくはリアクター温度、またはその両方を調節し、前処理リアクターから得られるキシランナンバーを「所定」の設定点レベルである８に維持した。蒸気温度は、通常１８０〜２００℃の範囲において±１℃ずつ、リアクター滞留時間は、１０〜２０分の範囲内で±１〜５分ずつ調整した。
【００８３】
図１０は、２０１１年７〜１１月の期間にわたるキシランナンバー測定値の推移平均（最も近い４測定の平均）に加えて、同期間にわたって記録されたリアクター温度を示す。リアクター滞留時間の実際の変動を打ち消すために、リアクター温度の表示値は、滞留時間を１５分に固定した場合の対応するｌｏｇ  Ｒｏシビアリティ値を反映するように調節する。
【００８４】
図からわかるように、前処理済みバイオマスの出力ストリームのキシランナンバー測定に基づいた前処理リアクターのフィードバック制御により、キシランナンバーをほぼ±１以内で維持することができた。このことは、図３からわかるように、グルカン変換における約±１％以内の制御に相当する。この種のフィードバック制御の重要性は、図１０において収穫年２０１０年から２０１１年にかけてバイオマス原料が変更された際に平均リアクター温度の変化が観察されたことからも、見事に説明することができる。リアクター温度における約４℃の変化は、狭い地理的領域内の比較的均質なバイオマス原料産地内で観察される変化に関連する。原料のそのようなばらつきは、より大量のバイオマスを扱う、より大規模な施設（必然的に遺伝的、地理的ばらつきの影響も大きくなる）においては、大きくなることが予想される。
【００８５】
実施形態および実施例の記載内容は単なる例示であり、本発明の請求項の範囲を限定するものではない。
【００８６】
参考文献
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【図１】
2015508835.tif 000003
【図２】
2015508835.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年6月3日(2014.6.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リグノセルロース系バイオマスを処理するための方法であって、
リグノセルロース系バイオマス原料を提供すること、
加圧されたリアクターでの連続的な熱水前処理によって前記バイオマス原料の前処理を行うこと、
前処理リアクターから得られる前処理済みバイオマスの出力ストリームにおいてキシランナンバーを測定すること、および
前処理済みバイオマスの出力ストリームにおいて測定されるキシランナンバーがあらかじめ設定した水準に維持されるよう前処理リアクターを制御すること
を含み、絶対的に少なくとも０．８％の溶解固形物がキシランナンバーの測定に含まれることを特徴とする方法。
【請求項２】
前処理済みバイオマスの出力ストリームのＮＩＲスペクトル測定によってキシランナンバーを測定し、その後、該測定にＮＩＲスペクトルモデルを適用する、請求項１の方法。
【請求項３】
バイオマス原料に対して２５重量％ＤＭ以上で前処理を施す、請求項１の方法。
【請求項４】
バイオマスに対してｐＨ２．５〜８で前処理を施す、請求項１の方法。
【請求項５】
前処理済みバイオマスをハイドロサイクロンによってリアクターから取り出す、請求項１の方法。
【請求項６】
キシランナンバーを前処理済みバイオマスの分離前のスラリーにおいて測定する、請求項１の方法。
【請求項７】
キシランナンバーを前処理済みバイオマスの洗浄済み固形画分において測定する、請求項１の方法。
【請求項８】
キシランナンバーを前処理済みバイオマスの未洗浄の固形画分において測定する、請求項１の方法。
【請求項９】
キシランナンバーをオンラインＮＩＲ測定を用いて測定する、請求項１の方法。
【請求項１０】
キシランナンバー測定に対するフィードバック応答として、連続的なバイオマス前処理に適用する水蒸気圧もしくは水温を調節すること、または該前処理に冷却水を導入することによりリアクターを制御する、請求項１の方法。
【請求項１１】
バイオマスが連続的な前処理装置内で移動する速度を調節することによりリアクターを制御する、請求項１の方法。
【請求項１２】
バイオマスに対してｌｏｇ  Ｒｏ３．２〜３．９のシビアリティで前処理を施す、請求項１の方法。
【請求項１３】
水不溶性の「繊維画分」に残存するキシラン含有量が乾燥物質の割合として７．５〜１６％を示すように、ｐＨ８未満での前処理を、低シビアリティ、より低いシビアリティ、または非常に低いシビアリティで行う、請求項１の方法。
【国際調査報告】
2015508835.tif 000013
2015508835.tif 000014