JP6133407B2 - バイオ燃料に有用な材料を生産するためのバイオマスの連続的または半連続的な処理方法 - Google Patents

バイオ燃料に有用な材料を生産するためのバイオマスの連続的または半連続的な処理方法 Download PDF

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Description

本発明は、バイオマスの処理方法に関し、より具体的には、バイオ燃料または他の高価値製品で使用するための、多糖類を含有する材料および組成物から糖を生産するためのバイオマスの前処理に関する。
リグノセルロース系バイオマスは、植物細胞壁中に存在する糖のために、燃料および化学物質のための豊富な再生可能資源とみなされている。地球表面上の有機炭素の５０％より多くが、植物中に含有されている。このリグノセルロース系バイオマスは、ヘミセルロース、セルロース、ならびに比較的少量のリグニンおよびタンパク質で構成される。これらの構造的成分は、主として単糖のペントースおよびヘキソースで構成される。セルロースは、主として縮合重合したグルコースで構成されるポリマーであり、ヘミセルロースは、ペントース糖、主としてキシロースの前駆体である。これらの糖は、それを含有する細胞壁およびポリマーから解放されれば、容易に燃料や有用な成分に変換することが可能である。しかしながら、植物の細胞壁は、構成糖を生成する微生物的、機械的、または化学的破壊に対して進化した顕著な耐性を有する。強い耐性を克服するために、前処理として知られている化学的方法によって、粉砕したバイオマスを改変させる。前処理の目的は、ヘミセルロースを加水分解することにより、保護的なリグニン構造を壊してセルロースの結晶構造を分断することである。これらの工程は全て、それに続く加水分解（糖化）工程中におけるセルロースへの酵素の接近しやすさを強化する。
前処理は、リグノセルロース系エタノールにおける主要な原価作用因の１つとみなされていることから、多種多様の供給材料のタイプに対して多数の前処理アプローチが調査されてきた。セルロースの酵素糖化は、より穏やかな条件下でより多くの糖を生産する可能性を秘めており、したがって、多くの人々からより経済的に魅力的であると考えられている。未加工バイオマスは酵素加水分解に対して強い耐性を有するため、前処理をしてセルロースの加水分解酵素に対しる感受性を強化する必要がある。バイオマスの構造的および化学的な組成を変更して酵素変換を向上させるために、多数の前処理方法、例えばNathan Mosier、Charles Wyman、Bruce Dale、Richard Elander、Y.Y.Lee、Mark Holtzapple、Michael Ladisch「Features of promising technologies for pretreatment of Lignocellulosic biomass」、Bioresource Technology 96（2005）673〜686頁で説明されている方法などが開発されてきた。ごく近年の「先駆的前処理」技術の比較がBiomass Refining Consortium for Applied Fundementals and Innovation（CAFI）によってなされ、２０１１年１２月にBioresource Technologyというジャーナルで発表された。このような方法としては、米国特許第４，４６１，６４８号で説明されている希酸の蒸気爆発での処理、ＷＯ２００７／００９４６３Ａ２で説明されている化学物質の添加を用いない熱水前処理、AFEX；Holtzapple, M.T.、Jun, J.、Ashok, G.、Patibandla, S.L.、Dale, B.E.、1991、The ammonia freeze explosion (AFEX)process-a practical lignocellulose pretreatment、Applied Biochemistry and Biotechnology 28/29、59〜74頁で説明されているアンモニア凍結爆砕、および米国特許第４，４０９，０３２号で説明されているオルガノソルブ抽出などが挙げられる。それにもかかわらず、前処理は、バイオマスから燃料への変換において最も費用がかかる過程として引き合いに出される（「Methods for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuel Production」Ind.Eng.Chem.Res.、2009、48（8）、3713〜3729）。
広範囲に調査されている前処理の１つは、高温の希硫酸（Ｈ２ＳＯ４）法であり、これは、効果的にバイオマスのヘミセルロース部分を可溶性糖に加水分解して、酵素糖化がうまくいくようにセルロースを露出させる方法である。前処理の条件および有効性を制御するために使用可能なパラメーターは、時間、温度、および酸の含量である。これらは、厳しさ係数の組み合わせ（combined severity factor）と呼ばれる数学的方程式で組み合わされることが多い。一般的には、より多くの量の酸が採用されると、採用可能な温度がより低くなり、それにより酸とそれに続く中和が犠牲になる。逆に、温度がより低いと、前処理過程にかかる時間がより長くなり、それにより容量生産性が犠牲になる。ペントース糖は容易に分解して、収量損失の一因となるフルフラールおよび他の種を形成し、さらにこれらの化合物は下流で起こる発酵にとって毒物であることから、温度をより低くすることが望ましい。しかしながら、フルフラール形成が容易になる温度未満に前処理温度を低くするのに必要なより高い濃度の酸の使用（B．P．Lavarack、G．J．Griffin、D．Rodman「The acid hydrolysis of sugarcane bagasse hemicelluloses to product xylose, arabinose, glucose and other products．」 Biomass and Bioenergy 23 （2002）367〜380頁）は、十分な量の酸を必要とすることから、強酸の回収が経済的に不可避である。希酸ストリームおよびより高温が採用されると、前処理反応はフルフラール量の増加をもたらし、下流を通過する酸は中和されなければならないため、結果的に無機塩が生じ、下流での加工を複雑にし、さらに高価な廃水処理システムが必要になる。
前処理で採用される水の量はさらに、下流のエネルギーバランスと燃料エタノール処理の全体的な経済学とに影響を与える。さらに、希硫酸による前処理で生産された前処理済みのトウモロコシの茎や葉の酵素加水分解への、総固体含量の経済的な影響を研究した近年の総論がある（Humbird, D.、Mohagheghi, A.、Dowe, N.、Schell D.J.「Economic Impact of Total Solids Loading on Enzymatic Hydrolysis of Dilute Acid Pretreated Corn Stover」Biotechnol.Prog.、2010、26巻、5号、1245〜1251.（２０１０年５月２６日にオンラインで公開）。所定スケールでの商業的に重要なセルロース系エタノール処理において、より高い総固体含量で前処理済みスラリー全体に対するセルロースの酵素加水分解を実行することが必要であろうと考えられる。高い総固体含量で酵素加水分解を行うことは、経済的に必要な場合があると論文では述べられているが、酵素利用による収量低下に関して課題が残ったままである。これは、部分的に、より高濃度の前処理方法で生成する毒性不純物の増加に起因する。
米国特許第４，４６１，６４８号 ＷＯ２００７／００９４６３Ａ２ 米国特許第４，４０９，０３２号
Nathan Mosier、Charles Wyman、Bruce Dale、Richard Elander、Y.Y.Lee、Mark Holtzapple、Michael Ladisch「Features of promising technologies for pretreatment of Lignocellulosic biomass」、Bioresource Technology 96（2005）673〜686頁 AFEX；Holtzapple, M.T.、Jun, J.、Ashok, G.、Patibandla, S.L.、Dale, B.E.、1991、The ammonia freeze explosion (AFEX)process-a practical lignocellulose pretreatment、Applied Biochemistry and Biotechnology 28/29、59〜74頁 「Methods for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuel Production」Ind.Eng.Chem.Res.、2009、48（8）、3713〜3729） B．P．Lavarack、G．J．Griffin、D．Rodman「The acid hydrolysis of sugarcane bagasse hemicelluloses to product xylose, arabinose, glucose and other products．」 Biomass and Bioenergy 23 （2002）367〜380頁 Humbird, D.、Mohagheghi, A.、Dowe, N.、Schell D.J.「Economic Impact of Total Solids Loading on Enzymatic Hydrolysis of Dilute Acid Pretreated Corn Stover」Biotechnol.Prog.、2010、26巻、5号、1245〜1251
上記の情報を考慮すると、より優れた酵素利用による収量を達成できるセルロースの酵素加水分解のための高い総固体含量をもたらすバイオマス前処理方法を提供することが望ましい。さらに、バッチ法ではなく連続的または半連続的な方式で稼働可能なバイオマス前処理方法を提供することが望ましい。
本発明の一実施態様において、バイオマスの連続的または半連続的な処理方法は：
（ａ）多糖類を含有するバイオマスを提供すること；
（ｂ）バイオマスと、少なくとも１種のα−ヒドロキシスルホン酸を含有する溶液とを５０℃〜１５０℃の範囲内の温度および１ｂａｒｇ〜１０ｂａｒｇの範囲内の圧力で接触させ、バイオマス溶液を提供することにより（ここで前記バイオマス溶液は、溶液に基づき１ｗｔ％〜２５ｗｔ％の範囲のバイオマスを含有する）、バイオマスを加水分解して、少なくとも１種の発酵性糖を含有する生成物を生産すること；
（ｃ）加熱および／または圧力低下によって生成物からα−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α−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；
（ｄ）前記酸を除去した生成物から高固体／液体混合物を分離して、湿潤固体ストリームに基づき少なくとも１２ｗｔ％の未溶解固体を含有する湿潤固体ストリームと、少なくとも１種の発酵性糖を含有するバルク液体ストリームとを形成すること；
（ｅ）前記除去したα−ヒドロキシスルホン酸を、構成成分として、またはその再結合した形態で工程（ｂ）に再利用すること；および
（ｆ）（ｄ）からのバルク液体ストリームの少なくとも一部を工程（ｂ）に再利用すること；
を含み、
ここでバルク液体ストリームは、バルク液体ストリームに基づき２ｗｔ％より多い発酵性糖を含む。
さらにその他の実施態様において、本方法は、湿潤固体ストリームをさらに加水分解することを含む。
本発明の特性および利点は、当業者にとって明白であると予想される。当業者によって多数の変化がなされてもよいが、このような変化は、本発明の本質の範囲内である。
この図面は、いくつかの本発明の実施態様の所定の形態を例示しており、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１は、リグノセルロースの前処理のブロックフロー図を図式的に例示する。 図２は、本発明のバイオマス処理方法の実施態様のブロックフロー図を図式的に例示する。
バイオマスへの水の量を低下させると、追加の複雑な状態が続いて起こる。水に対するバイオマスの重量比（これは、典型的には稠度として知られている）が１２％から１５％を超えると、その混合物は、もはやポンプ注送可能な溶液でなくなり、どちらかといえば湿潤固体としての挙動をとる。これらの湿潤固体または高い稠度の混合物の加工（移動、混合、および熱伝達）に必要な器具は、さらに高価で、エネルギー非効率的で、扱いにくいものになる。これらの新しい、試されていない器具類をいかにスケールアップするかの知識がさらに新しい燃料生産方法の開発を複雑にしている。
本発明は、糖およびバイオ燃料の生産方法において、工業的な規模のバイオマスを前処理するための改良法を提供することがわかった。本発明の方法は、ポンプ注送可能な前処理方法に、再利用可能な回収可能な酸を取り入れるものであって、それにより、残留した酸性度が極めて低く（低塩濃度）、さらに前処理により生産された毒素（例えばフルフラールなど）が低いレベルの、糖高含有の高固体バイオマスの低含水量の前処理済み混合物が得られる。
低温での前処理方法は、液体／固体の基質（湿潤固体ストリーム）を生じ、この基質は、Humbird, Dらが論文で報告した方法とは対照的に、前処理用液体の存在下で、前処理用液剤なしで前処理済みの固体をすすぎ洗いする場合と同等かまたはそれよりも良好に加水分解される。
本方法において、フルフラールをほとんど生じない比較的低い温度で（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１００℃）、バイオマスを、発酵性糖、例えばキシロース等のペントースに加水分解するバイオマス処理にとって、α−ヒドロキシスルホン酸が効果的である。またセルロースの一部は、これらの比較的穏やかな条件下でも加水分解することも示されている。また例えばデンプンなどの他の多糖類も、α−ヒドロキシスルホン酸によって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、例えば硫酸、リン酸、または塩酸などの無機酸とは異なり、α−ヒドロキシスルホン酸は、分離可能で再利用可能な材料に容易に戻すことができる。バイオマス処理で採用される温度と圧力を低くすれば、器具にかかるコストが低くなる。壊れやすいペントース糖を、フルフラールのような望ましくない材料に続いて変換させずに、前処理の出口から前処理の入口へと再利用することができることにより、前処理反応自体の低い稠度が可能となり、それでもなお高可溶性の糖を含有する高稠度の固体混合物を前処理から産出することができる。この方式で前処理されたバイオマスは、追加の糖化、特に酵素が媒介する糖化を極めて受けやすいことが示されている。
高温および高い希酸量での前処理を使用すると、遊離のキシロースが容易に脱水されて毒性の副産物であるフルフラールが形成される。したがって、高温の希酸プロセスでは、キシロース分解を最小化するために、キシランの大部分が加水分解されたらすぐに前処理反応を終わらせることが望ましい。高温での前処理方法の準備段階に再利用される遊離の糖はいずれも即座に分解して、糖の実質増加を起こさずに、極めて高レベルのフルフラールが生じると予想される。これは、前処理液体を再利用して可溶性糖レベルを高めるあらゆる試みを不可能にするだろう。したがって、より高温でのワンススルー式の前処理において、前処理に導入されるバイオマスの「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。これは、バイオマスの吸収性の性質と相殺されて、バイオマスの液体に対する固体の相対量が増加するにつれて、混合、輸送、および熱伝達がますます難しくなる。本発明の方法は、より高濃度のα−ヒドロキシスルホン酸を使用する前処理の下で可能となる低過酷度の条件（例えば低温）を利用しており、それにより前処理反応器段階での糖の再利用と蓄積が可能になる。より低温のプロセスは、例えばフルフラールなどの他の種へのＣ５およびＣ６糖の分解速度を劇的に低下させる。したがって、低温プロセスの準備段階に（再利用を介して）遊離の糖を導入でき、これらの糖は大部分が不変のままで前処理を通過すると予想される。それにより、前処理方法で、高濃度の定常状態濃度の糖を、より低い稠度で取り扱いながら蓄積することが可能になる。このようなより低い温度は、報告されているリグニンの融点より温度が低い場合、バイオマス中のリグニンの大部分が構造の点で変更されないという他の利点を有し、それにより汚れのない流動性の前処理材料が得られる。これは、前処理の最後で、容易な液体／固体分離を可能にする。本発明を使用すれば、高濃度の可溶性糖を含み、例えばフルフラールなどの阻害因子が少ない高稠度のバイオマススラリーが得られる。したがって、前処理からの最終的な未溶解固体の濃度は、本方法の前に投入される未使用の水とバイオマスとの割合によって決定される。
一般式
Figure 0006133407
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。
Figure 0006133407
式中Ｒ１およびＲ２はそれぞれ水素であるか、または最大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。
本発明で使用されるアルファ−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が見出されており、例えば、
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）
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）
Ｒ１＝Ｈ、Ｒ２＝Ｃ（＝Ｏ）Ｈ（グリオキサール）
Figure 0006133407
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）
である。
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、高温でアセトアルデヒドに熱的に戻ることが公知のメタアルデヒド（metaldehdye）、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などであってもよい。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日〜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。
有機カルボニル化合物、ＳＯ２、および水を組み合わせてα−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。
Figure 0006133407
α−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、酸の容易な可逆性が生じる。すなわち、加熱すると、平衡が、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）の方へとシフトする。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。本発明者らは、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を発見した。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、下流での加工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。
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。
一実施態様において、アルファ−ヒドロキシスルホン酸を生産するためのアセトアルデヒド出発原料は、本発明の方法の処理済みバイオマスの発酵から生産されたエタノールを、脱水素または酸化でアセトアルデヒドに変換することによって提供されてもよい。脱水素は、典型的には亜鉛、コバルト、またはクロムで活性化された銅触媒の存在下で実行されてもよい。２６０〜２９０℃の反応温度で、通過１回あたりのエタノール変換は３０〜５０％であり、アセトアルデヒドへの選択性は９０から９５モル％の間である。副産物としては、クロトンアルデヒド、酢酸エチル、および高級アルコールなどが挙げられる。使用済みの水素豊富なガスをエタノールと水とで洗浄することによって、アセトアルデヒドおよび未変換のエタノールを分離する。純粋なアセトアルデヒドを蒸留によって回収し、追加のカラムを使用して、再利用のためにより高沸点の生成物からエタノールを分離する。上記のα−ヒドロキシスルホン酸プロセスに供給されるアルデヒドは必ずしも純粋でなくてもよく、それでも十分な粗生成物ストリームを得ることができる。水素豊富な排ガスは、水素添加反応に好適であり、あるいはエタノール脱水素反応の吸熱による熱の一部を供給するための燃料としても使用できる。銅ベースの触媒の寿命は数年であるが、定期的な再生が必要である。酸化過程において、空気または酸素の存在下で、細目金網またはバルク結晶の形態の銀触媒を使用して、エタノールをアセトアルデヒドに変換してもよい。典型的には、この反応は、エタノールと空気との比率に応じて５００℃から６００℃の間の温度で実行される。またアセトアルデヒドの一部は脱水素によっても形成され、さらなる水素の燃焼により水が生産される。所定の反応温度で、脱水素の吸熱による熱は部分的に酸化の発熱による熱と相殺される。通過１回あたりのエタノール変換は典型的には５０から７０％の間であり、アセトアルデヒドへの選択性は９５〜９７モル％の範囲である。副産物としては、酢酸、ＣＯ、およびＣＯ２などが挙げられる。分離工程は、反応器の流出ストリームの熱回収により水蒸気が生成されることを除いて、脱水素過程での分離工程と同じようにして行われた。排ガスの水蒸気は、多少のメタン、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を含有する窒素からなり、このような水蒸気は、低い発熱量の希薄燃料として使用できる。Ｆｅ−Ｍｏ触媒存在下でのエタノールの空気酸化によりアセトアルデヒドを生産する代替法がある。この反応は、１８０〜２４０℃および大気圧で、多管式反応器を使用して実行できる。本発明の実施例によれば、８０％を超えるエタノール変換レベルで、９５から９９モル％の間のアセトアルデヒドへの選択性が達成される可能性がある。
用語「バイオマス」は、本明細書で使用される場合、植物（例えば、葉、根、種、および茎）から生産された有機材料を意味する。一般的なバイオマス源としては：農業廃棄物（例えば、トウモロコシの茎、わら、種の外殻、サトウキビの残留物、絞りかす、堅果の殻、ならびにウシ、トリ、およびブタからの堆肥）；木質材料（例えば、木材または樹皮、おがくず、間伐材、および製材所から出た端材）；都市ごみ（例えば、紙屑、および庭の刈込で出た端切れ）；およびエネルギー作物（例えば、ポプラ、ヤナギ、スイッチグラス、アルファルファ、プレーリー・ブルーストリーム（prairie bluestream）、トウモロコシ、ダイズ、藻類、および海藻）などが挙げられる。また用語「バイオマス」は、上記全てのものの一次的なビルディングブロックも指し、例えば、これらに限定されないが、糖類、リグニン類、セルロース、ヘミセルロース、およびデンプンなどを指す。用語「多糖類」は、グリコシド結合により一体化した反復単位（単糖または二糖のいずれか）の高分子炭水化物構造を指す。これらの構造は直鎖状であることが多いが、様々な程度の分岐を含有していてもよい。例としては、例えばデンプンおよびグリコーゲンなどの貯蔵多糖、ならびに例えばセルロースおよびキチンなどの構造多糖などが挙げられる。バイオマスは、典型的には好適な粒子サイズになるように前処理され、このような前処理は粉砕などを含んでいてもよい。本発明の範囲を制限する意図はないが、一般的にはより小さい粒子のバイオマスを処理するほうがより簡単であることがわかっている。取り扱いを容易にするためにサイズを小さくしたバイオマス（例えば１．３ｃｍ未満）は、特に加工しやすい材料である。
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１ｗｔ％以上、好ましくは５ｗｔ％以上、５５ｗｔ％以下、好ましくは４０ｗｔ％以下、より好ましくは２０ｗｔ％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８０℃以上、最も好ましくは少なくとも１００℃である。より好ましい条件において、温度は、９０℃から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、１ｂａｒｇもの低い圧力で、好ましくは４ｂａｒｇで、最大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。
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（稠度）は、選ばれる器具とバイオマスの性質に応じて、１％もの低さでもよいし、またはそれより高くてもよい（特殊な器具を開発または使用する場合は３３％もの高さであってもよい）。固体のパーセントは、乾燥固体に基づく重量パーセントであり、液体のｗｔ％は、バイオマス中の水を含有する。好ましい実施態様において、比較的一般的な器具が望ましい場合、稠度は、少なくとも１ｗｔ％以上、好ましくは少なくとも２ｗｔ％以上、より好ましくは少なくとも８ｗｔ％以上、２５ｗｔ％以下、好ましくは２０ｗｔ％以下、より好ましくは１５ｗｔ％以下である。
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。前処理の成功に必要な温度は、反応時間、溶液のｐＨ（酸濃度）、および反応温度によって制御される。したがって、酸濃度が上昇するにつれて、同じ目的を達成するためには温度を低下させてもよく、および／または反応時間を長くしてもよい。反応温度を低くする利点は、脆い単量体の糖が、例えばフルフラールなどの脱水された化学種に分解されないようにすること、さらにリグニンの鞘を溶解または融解させずに、バイオマス上に再堆積させることである。十分に高いレベルの酸が採用される場合、糖の分解またはリグニンの堆積が問題となる温度よりも温度を低くしてもよく、すなわちこれは順に、可逆的なα−ヒドロキシスルホン酸の使用によって可能となる。このような低温のプロセスでは、前処理方法の後から前処理方法の前に糖の混合物を再利用することが可能になる。それにより、前処理方法でポンプ注送可能なスラリーを取り扱いながらも、高い定常値の糖の構築が可能になる。このようなプロセスを以下のスキームで概説する。このプロセスにおいて、酸加水分解工程でバイオマス、水、およびα−ヒドロキシスルホン酸を合わせて反応させることにより、バイオマス前処理を行う。上述したようにして反応混合物から酸を分離し、前処理反応器に再利用する。次いでバルク液体から濃縮した高固体/液体混合物（湿潤固体ストリーム）を分離して、これを同様に反応器に再利用する。この方式において、バイオマスと液体との比率は、これらの成分のフィード速度と、湿潤バイオマスを酵素加水分解に移行させるための最適化された目標値とによって設定される。
いくつかの実施態様において、複数の反応器の容器を使用して、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。好適な反応器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、下向流式、または流動床式反応器などが挙げられる。最も経済的な解決法に到達するように反応器の多段化（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、扱いにくい固体をより過酷な条件で処理してもよいし、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器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。
好適な反応器の設計としては、これらに限定されないが、逆反応反応器（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器（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、α−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器を採用できることも想定される。
いくつかの実施態様において、以下で説明される反応は、連続流（例えばＣＳＴＲおよび栓流反応器など）、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器、ならびに充填層型流通式反応器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（５〜２０％ｗｔ．）の使用が採用されることから、反応器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器、２２０５タイプの反応器などの二相ステンレス反応器などの、価格をより安くできる加工システムの使用が可能になる。
図１は、バイオマスを糖に変換するための本発明の実施態様を示す。この実施態様において、バイオマス供給材料１１２を、再利用ストリーム１１８と共に加水分解反応システム１１４に導入する。加水分解反応システム１１４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」は、本明細書で使用される場合、全体のプロセス内で生産される成分を指す；すなわちこの用語は生産または使用のための特定の反応器に限定されず、したがってプロセス中に生成した成分と同義である。加水分解反応システム１１４は、１つまたはそれより多くの反応器、および場合により固体またはスラリー抽出器を含有していてもよい。１１４からの反応済み生成物ストリーム１１６を酸除去システム１２０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（１２２）（さらに場合により浄化し（１２４））、１１４への再利用ストリーム１１８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１２６が生産される。場合により、α−ヒドロキシスルホン酸を含有する生成物ストリーム１１６における液体の少なくとも一部を加水分解反応システム１１４に再利用してもよい。生成物ストリーム１２６を分離システム２００に供給し、そこで酸を除去した生成物ストリームから高固体／液体混合物を分離し、発酵性糖（例えばペントース、場合によりヘキソース）を含有する酸を除去した生成物ストリームから、湿潤固体ストリームに基づき少なくとも１２ｗｔ％の未溶解セルロース含有固体、好ましくは１５ｗｔ％〜３５％ｗｔの範囲の未溶解固体、より好ましくは２０ｗｔ％〜２５ｗｔ％の範囲の未溶解固体を含有する湿潤固体ストリーム２２０と、最大２０〜８０ｗｔ％の液体を構成する可能性があるバルク液体ストリーム２１０とを形成する。バルク液体ストリーム２１０の少なくとも一部は加水分解反応システムに再利用され、ここでバルク液体ストリームは、バルク液体ストリームに基づき２ｗｔ％より多く、好ましくは５ｗｔ％またはそれより多く、より好ましくは８ｗｔ％またはそれより多くの発酵性糖を含む。加水分解反応器中でポンプ注送可能な、好ましくは１５ｗｔ％またはそれ未満の固体含量の加水分解反応を維持するような方式で、バルク液体ストリームが再利用される。一実施態様として、システム中の加水分解反応器のバイオマス入口の方向に、および／または反応器底部（または反応器システムの出口）での固体抽出を簡易化するために、バルク液体の再利用ストリーム２１０の一部を使用して加水分解反応システム１１４を希釈してもよいし、または希釈のためにそれらを抽出装置に、または反応器の生成物ストリーム１１６の方向に添加してもよい。場合により、発酵性糖を含有するバルク液体ストリーム２１０の一部を除去して（２５０）、さらに加工することにより、バイオ燃料成分または他の化学物質を生産してもよい。望ましい結果を達成するために、一次的な前処理システム１１４に、または多数の他の位置で必要な補給水を導入してもよい。例えば、すすぎ洗い済みのバイオマスが生産されるような方式で固体／液体分離工程２００に必要な補給水を導入してもよく、それにより、主要なペントースストリームを別のストリーム２５０として処理することが可能になる。
図２は、バイオマスをアルコールに変換するための本発明の実施態様を示す。この実施態様において、バイオマス供給材料１１２を、再利用ストリーム１１８と共に加水分解反応システム１１４に導入する。加水分解反応システム１１４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」は、本明細書で使用される場合、全体のプロセス内で生産される成分を指す；すなわちこの用語は生産または使用のための特定の反応器に限定されず、したがってプロセス中に生成した成分と同義である。加水分解反応システム１１４は、１つまたはそれより多くの反応器、および場合により固体またはスラリー抽出器を含有していてもよい。１１４からの反応済み生成物ストリーム１１６を酸除去システム１２０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（１２２）（さらに場合により浄化し（１２４））、１１４への再利用ストリーム１１８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１２６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１１４に再利用する。場合により、α−ヒドロキシスルホン酸を含有する生成物ストリーム１１６における液体の少なくとも一部を加水分解反応システム１１４に再利用してもよい。生成物ストリーム１２６を分離システム２００に供給し、そこで酸を除去した生成物ストリームから高固体／液体混合物を分離し、発酵性糖（例えばペントース、場合によりヘキソース）を含有する酸を除去した生成物ストリームから、湿潤固体ストリームに基づき少なくとも１２ｗｔ％の未溶解セルロース含有固体、好ましくは１５ｗｔ％〜３５ｗｔ％の範囲の未溶解固体、より好ましくは２０ｗｔ％〜２５ｗｔ％の範囲の未溶解固体を含有する湿潤固体ストリーム２２０と、最大２０〜８０ｗｔ％の液体を構成する可能性があるバルク液体ストリーム２１０とを形成する。バルク液体ストリーム２１０の少なくとも一部は加水分解反応に再利用され、ここでバルク液体ストリームは、バルク液体ストリームに基づき２ｗｔ％より多く、好ましくは５ｗｔ％またはそれより多く、より好ましくは８ｗｔ％またはそれより多くの発酵性糖を含む。加水分解反応器中でポンプ注送可能な、好ましくは１５ｗｔ％またはそれ未満の固体含量の加水分解反応を維持するような方式で、バルク液体ストリームが再利用される。一実施態様として、システム中の加水分解反応器のバイオマス入口の方向に、および／または反応器底部（または反応器システムの出口）での固体抽出を簡易化するために、バルク液体の再利用ストリーム２１０の一部を使用して加水分解反応システム１１４を希釈してもよいし、または希釈のためにそれらを抽出装置に、または反応器の生成物ストリーム１１６の方向に添加してもよい。場合により、湿潤固体ストリーム２２０の少なくとも一部を洗浄システムに供給してもよく、ここで洗浄システムは、１つまたはそれより多くの水での洗浄工程を有していてもよい。本発明の特性の１つは、本発明の連続的または半連続的な方法によって生産された生成物ストリームおよび湿潤固体ストリームの組成によっては洗浄工程が必要でない場合もあることである。洗浄工程が採用される場合、液体洗浄ストリーム（図に示さず）は、水の入口ストリームの一部として前処理反応器１１４に戻してもよいし、および／または分離システム２００に供給してもよい。場合により、バルク液体ストリーム２１０の少なくとも一部を処理して、存在するあらゆる酢酸を除去して回収してもよい。主成分として水中のペントース糖で構成されるバルク液体ストリーム２１０の少なくとも一部を、独立して加工して生成物を形成してもよいし、または発酵システム４００へのフィードとして加水分解物３１０と再度組み合わせてもよい。（場合により洗浄された）湿潤固体ストリーム２２０は、高固体供給材料として酵素加水分解システム３００に供給される。酵素加水分解システム３００で、バルクの溶液ストリームの一部からの前処理済みバイオマス、および場合によりヘミセルロースを酵素溶液で加水分解することにより加水分解物（水性糖ストリーム）３１０を生産して、微生物（複数可）の存在下で発酵システム４００中で発酵させ、少なくとも１種のアルコールを含有する発酵生成物ストリーム（アルコールストリーム４１０）を生産する。次いで回収システム５００でアルコールストリーム４１０からアルコール５１０を回収してもよく、それにより水性流出ストリーム５２０も生産される。リグニンは、場合により、酵素加水分解システムの後で、発酵システムの後で、または回収システムの後でリグニン分離システムによって除去してもよい（示さず）。場合により、リグニン除去後の水性流出ストリームを、水性流出再利用ストリームとして加水分解反応に再利用してもよく、それによりプロセス全体における淡水の取り込み量を少なくすることができる。
処理反応生成物は、発酵性糖、またはさらなる加工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。場合により、発酵性糖を含有する生成物ストリームからの残留したアルファ−ヒドロキシスルホン酸を含有する液体ストリームの少なくとも一部を処理反応に再利用してもよい。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１ｗｔ％以下であり、より好ましくは０．２ｗｔ％以下であり、最も好ましくは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５０℃以上、好ましくは８０℃以上、より好ましくは９０℃以上、１１０℃以下、最大１５０℃の範囲の温度で行われてもよい。圧力は、０．５ｂａｒａから２ｂａｒｇまで、より好ましくは０．１ｂａｒｇから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、反応器の配置および多段化に応じて、処理反応１１４および酸の除去１２０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、反応器の容器１１４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１２０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、構成成分として、またはその再結合した形態で反応システム１１４に再利用してもよい。
加水分解反応システムでバイオマスをα−ヒドロキシスルホン酸と接触させる好ましい滞留時間は、５分〜４時間の範囲であってもよく、最も好ましくは１５分〜１時間である。
したがって、典型的な加水分解反応混合物は、（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。経時的に酸が濃縮するにつれて、反応混合物中でベータ−スルホアルデヒドまたはケトン化合物が生成することが発見された。これは、本発明の連続的または半連続的な方法で液体を再利用しながら定常状態まで続くと予想される。α−ヒドロキシスルホン酸が除去された後、流れ出たバルク液体が除去され、湿潤固体ストリームには、（ａ）多糖類を含有するバイオマス（未溶解固体）、（ｂ）水、および（ｃ）少なくとも１種のベータ−スルホアルデヒドまたはケトン化合物が含有される可能性がある。理論に縛られるつもりはないが、酸性度が極めて低く（低塩濃度）、さらに前処理により生産された毒素（例えばフルフラールなど）が低レベルであることにより、従来のバイオマス前処理方法では必要であった事前の洗浄工程を行わなくても湿潤固体をさらに酵素加水分解させることが可能になると考えられる。さらに理論に縛られるつもりはないが、湿潤固体ストリームに基づき、少なくとも０．０１ｗｔ％、好ましくは少なくとも０．０３ｗｔ％、より好ましくは少なくとも０．５ｗｔ％、最大５ｗｔ％、より好ましくは最大２ｗｔ％の濃度で存在するベータ−スルホアルデヒドまたはケトン化合物の存在が、酵素加水分解を容易にするのに役立つ可能性があると考えられる。
ベータ−スルホアルデヒドまたはケトン化合物は、以下の一般式：
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を有すると考えられ、式中Ｒ１およびＲ２はそれぞれ水素であるか、または最大９個の炭素原子を有するヒドロカルビルである。Ｒ１がメチル基であり、Ｒ２が水素であるスルホン化されたクロトンアルデヒドが好ましい。
分離システムは、湿潤固体と液体とを分離するためのあらゆる分離方法によって実行できる。好適な分離方法の例としては、例えば、遠心力、ろ過、デカンテーション、および他の類似の方法などが挙げられる。
一実施態様において、セルロースを含有する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号で開示されたようなアルコールを生産してもよい。
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１２０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。
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加工して、１つまたはそれより多くの加工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。
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加工して、例えば米国特許公報ＵＳ２０１１／０１５４７２１号およびＵＳ２０１１／０２８２１１５号で説明されているようなバイオ燃料に有用な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加工して、例えば米国特許公報２００８０２１６３９１号で説明されているようなバイオ燃料に有用な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。
用語「発酵性糖」は、発酵過程において微生物により炭素源として使用できるオリゴ糖および単糖（例えば、ペントースおよびヘキソース）を指す。発酵性糖は、上述したようにして発酵させてもよいが、発酵を用いないで上述したように燃料を生産する他の方法によって処理される可能性があることも考慮される。用語「ペントース」は、５個の炭素原子を有する単糖を指す。用語「ヘキソース」は、６個の炭素原子を有する単糖を指す。
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３．０〜７．０の範囲内、またはその間のあらゆるｐＨに調節される。
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１５℃〜１００℃、２０℃〜８５℃、好ましくは３０℃〜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を調整する前に、その間に、またはその後に、セルロース加水分解に必要なセルラーゼ、β−グルコシダーゼ、および他のアクセサリー酵素（accessory enzymes）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酵素を添加する。
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）、グリコシルヒドロリアーゼファミリー６１タンパク質（ＧＨ６１）、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、ＧＨ６１、およびβ−グルコシダーゼ酵素などが挙げられる。
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。
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。
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１〜１００ｍｇの酵素（乾燥重量）であってもよい。
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器を包含していてもよい。システム中の加水分解反応器の数は、反応器のコスト、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（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。
次いで、発酵システムにおいて、１種またはそれより多くの発酵微生物によって水性糖ストリームを発酵させ、バイオ燃料として有用なアルコール発酵産物を含む発酵ブロスを生産する。発酵システムにおいて、糖をエタノールまたは他のアルコール発酵産物に変換するために、多数の公知の微生物のいずれか一種（例えば、酵母または細菌）を使用してもよい。微生物は、これらに限定されないが、精製糖溶液中に存在するグルコース、マンノース、およびガラクトースなどの糖を発酵産物に変換する。
本発明の方法では、多くの公知の微生物を使用して、バイオ燃料で使用するための望ましいアルコールを生産できる。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、米国特許第７，７４１，１１９号、および米国特許第７，７４１，０８４号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）の遺伝子組換え株は、このような細菌の例の一部である。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。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、６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。
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で発酵が行われる。例えば、温度は、２５℃から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、反応器の体積、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。
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、一連の発酵反応器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。
発酵システムは、好ましくは２〜１８個の炭素原子を有するアルコールを少なくとも１種含有するアルコールストリームを生産する。回収システムにおいて、回収しようとするアルコールストリーム中の生成物が、例えばエタノールなどの蒸留可能なアルコールである場合、このようなアルコールを水性ストリームから分離する公知の方式で蒸留によりアルコールを回収できる。回収しようとするアルコールストリーム中の生成物が、例えば脂肪族アルコールなどの蒸留可能なアルコールではない場合、発酵容器からアルコールを固体または油として除去することで、水性流出ストリームから分離することによりアルコールを回収できる。
本発明は様々な改変および代替形態を受け入れるが、それらの具体的な実施態様を一例として示し、本明細書で詳細に説明する。それらの詳細な説明は、開示された特定の形態に本発明を限定することは意図しておらず、それとは逆に、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の本質および範囲に含まれる全ての改変、等価物、および代替物を包含することを意図することが理解されよう。以下の例示的な実施態様によって本発明を例示するが、これは単に例証のために示されたものであり、特許請求された発明をどのような形であれ制限するものとは解釈されないこととする。
例示的な実施態様
一般的な方法および材料
実施例において、アルデヒドまたはアルデヒド前駆体は、シグマ−アルドリッチ社（Sigma-Aldrich Co.）から入手した。
以下の成分を有する麦わら全体を標準的なＴＡＰＰＩ法（Ｔ−２４９、Ｔ−２２２、Ｔ−２１１）を使用して分析したところ、乾燥基準で以下の平均組成を有していた：
グルカン ３８．８ｗｔ．％
キシラン ２３ｗｔ．％
リグニン ２２ｗｔ．％
灰分 ５．９ｗｔ．％
その他 １０．３ｗｔ％。
分析方法
水層中の酸素含有成分の決定
バイオ−ラッド（Bio-Rad）のカラム（アニメックス（Aminex）ＨＰＸ−８７Ｈ、３００ｍｍ×７．８ｍｍ）を流れる移動相のストリームにサンプルまたは標準を注入することによってそれらを分析した。逆相ＨＰＬＣシステム（島津（Shimadzu））にＲＩおよびＵＶ検出器の両方を備えつけ、データ収集およびデータ加工システムでシグナルをピークとして記録した。既知濃度の標的成分の注入に基づく検量線による外部補正を使用して、成分を定量した。標準の単一点を使用することによっていくつかの成分を計算した。参照サンプルは、水中に０．５ｗｔ％のグルコース、キシロース、およびソルビトールを含有していた。
ＨＰＬＣ機器の条件は以下の通りである：
カラム：バイオ−ラッド製のアニメックスＨＰＸ−８７Ｈ（３００ｍｍ×７．８ｍｍ）
流速：０．６ｍｌ／分
カラムオーブン：３０℃
注入量：１０μｌ
ＵＶ検出器：３２０ＮＭ
ＲＩ検出器：モード−Ａ；レンジ−１００
稼働時間：７０分
移動相：水中の５ｍＭの硫酸。
サンプルを直接注入するか、まず水で希釈した（ただし注意事項がないことを確認すること）。サンプルまたは希釈サンプル中に沈殿がある場合、０．２μｍのシリンジフィルターに通過させた。グルコース、キシロース、ギ酸、酢酸、アラビノース、ヒドロキシメチルフルフラール、およびフルフラール含量に関してサンプルを分析した。
一般的なα−ヒドロキシスルホン酸の形成方法
アルデヒドおよびケトンは、上記の式１に従って水中で容易に二酸化硫黄と反応して、α−ヒドロキシスルホン酸を形成すると予想される。これらの反応は一般的に急速であり、ある程度の発熱性を有する。添加の順番（ＳＯ２の次にカルボニル、またはカルボニルの次にＳＯ２）は反応結果に影響を与えないようである。カルボニルがアルドール反応可能な場合、副反応を最小化するために周囲温度未満の温度で濃縮混合物（＞３０％ｗｔ．）の製造を行うことが最もよい。本発明者らは、圧力反応容器またはシステムに挿入可能なプローブを採用したその場赤外分光法（ＩＳＩＲ）を使用して反応の経過をたどることが有益であることを見出した。このようなシステムの多数の製造元があり、例えばメトラー・トレド（Mettler Toledo）製オートケム（Autochem）のセンチネル（Sentinal）プローブなどがある。出発原料：水（１６４０ｃｍ−１）、カルボニル（有機カルボニルの構造に応じて約１７５０ｃｍ−１から１６５０ｃｍ−１）、およびＳＯ２（１３３１ｃｍ−１）が観察されたことに加えて、α−ヒドロキシスルホン酸の形成は、ＳＯ３ −基の特徴的なバンド（約１２００ｃｍ−１の幅広のバンド）およびα−ヒドロキシ基のストレッチ（約１１２５ｃｍ−１の単一バンドから多重バンド）の形成が付随していた。α−ヒドロキシスルホン酸の形成をモニターすることに加えて、あらゆる温度および圧力における相対的な平衡の位置は、初発の成分および酸複合体の相対的なピーク高さにより容易に判別できる。またバイオマス加水分解条件下でのα−ヒドロキシスルホン酸の確定的な存在もＩＳＩＲを用いて確認でき、適切なＩＲバンドをモニターすることによって反応混合物中での糖の生産をモニターすることが可能である。
実施例１
メタアルデヒドからの４０％ｗｔのα−ヒドロキシエタンスルホンの形成
ディコンプ（DiComp）ＩＲプローブを備えた密封した２Ｌのパー（Parr）オートクレーブに、９９９．９８グラムの窒素を吹き込んだ脱イオン水および２１２．０２グラムのメタアルデヒドを投入した。それぞれ１７１．１９グラムおよび１６７グラム、合計３３８．１９グラムの二酸化硫黄を含有する２つのホーク（Hoke）容器を、「ブローケースインジェクター」として反応器に取り付けた。反応器を閉じて、窒素ガスで圧力を試験した。撹拌器を１０００ｒｐｍで始動させ、ＩＲの獲得を開始した。ボール弁を介して反応器に二酸化硫黄を注入し、その反応混合物中の蓄積をＩＲスペクトルで記録したところ、１３３１ｃｍ−１で強い吸収がみられた。メタアルデヒドの低い水溶性のために、この材料に起因する吸収バンドは記録されなかった。α−ヒドロキシスルホン酸の形成をその場ＩＲでモニターした。二酸化硫黄を添加した後、反応器をおよそ５０℃でゆっくり加熱し、α−ヒドロキシエタンスルホン酸の形成が確実に起こるようにしたところ、この化学種に関するバンド、すなわち中心が１１７５ｃｍ−１の幅広のバンドと、１０３８ｃｍ−１および１０１５ｃｍ−１に２つの鋭いバンドとが生じ、α−ヒドロキシエタンスルホン酸の形成が増加すると同時に、二酸化硫黄のバンドが低下し、発熱反応により温度が最大６８℃まで上昇した。完了後にこの反応液を１時間撹拌したところ、さらなるＩＲスペクトルの変化は起こらなかった。反応混合物を室温に冷却し、アルカリスクラバー（caustic scrubber）を介して残留した圧力をベントし、ガスキャップを窒素で数回パージし、遊離の二酸化硫黄を全て除去した。透明な淡黄色の酸溶液を、風袋測量済みのボトルに移し、１４６８．７４ｇのα−ヒドロキシエタンスルホン酸溶液を回収した。プロトンＮＭＲ分析から、これは３６．７％ｗｔ．のα−ヒドロキシエタンスルホン酸であることが解明された。
実施例２
アセトアルデヒド（acetaldehdye）からの４０％ｗｔ．のα−ヒドロキシエタンスルホン酸の形成
およそ２４５グラムの氷冷アセトアルデヒドを、２リットルのエルレンマイヤーフラスコ中の１１０７グラムの窒素で脱気した冷たい（＜５℃）水に移した。フラスコを穏やかに撹拌して、アセトアルデヒドを水に溶解させた。この溶液を室温に温め、２４２．７７グラムのアセトアルデヒドを含有する１３４０．６８グラムの水溶液を、ＩＲ光学装置を備えた２０００ｍｌのパーオートクレーブに移した。次いで液体温度が５℃未満になるように反応器と内容物を冷却した。合計３６１．０７グラムの二酸化硫黄を含有する２つの片口ホーク容器を、ブローケースインジェクターとして反応容器の入口に連結した。この混合物を１０００ｒｐｍで撹拌し、ＩＲデータの獲得を開始した。二酸化硫黄をアセトアルデヒド／水溶液に注入し、急速な発熱反応が確実に起こるように反応混合物の温度を３９℃に高めた。二酸化硫黄およびアセトアルデヒドのＩＲバンドが低下し、α−ヒドロキシエタンスルホン酸のＩＲバンドが急速に上昇したことから、反応物が酸生成物に変換されたことが示された。この反応混合物をそのまま室温に冷却させ、アルカリスクラバーを介してベントし、ガスキャップを窒素で２〜３分パージして、残留した全てのＳＯ２またはアセトアルデヒドを除去した。反応器の内容物を、風袋測量済みのガラスボトルに移した。合計１６９１．４１グラムが回収された。プロトンＮＭＲ分析から、これは、はっきりと認められる副産物を含まない水中４０．０１％ｗｔ．のα−ヒドロキシエタンスルホン酸であることが示された。
実施例３〜７
再利用による前処理反応；１２０℃、１５分、１５００ｒｐｍの撹拌
その場ＩＲ光学装置を備えた２リットルのＣ２７６パーリアクター（Parr reactor）に、公称０．５ｃｍの粒子に細断されたおよそ１２０グラムの組成が特定された麦わら［乾燥基準：キシラン２３ｗｔ％；グルカン３８．８ｗｔ％］を添加した。列ｂにバイオマスの正確な乾燥重量を示す。これに、４０ｗｔ％の酸ストック溶液または反応サイクルの最後に成分の蒸発から再利用された酸の希釈によって製造されたおよそ１０００グラムの５ｗｔ％のα−ヒドロキシエタンスルホン酸（ＨＥＳＡ）を脱イオン水と共に添加した。酸の目標濃度を、水および酸に関するピーク全体にわたり積分した初発混合物のプロトンＮＭＲによって確認した。４つのブレードを有するダウンピッチインペラー（down pitch impeller）を備えた反応器の上部を反応容器の上部に置き、反応器を密封した。窒素で１００ｐｓｉｇまで加圧して、密封した反応器を圧力を漏らさずに１５分保持し、続いて大気圧になるまで圧力をベントすることにより、反応器システムの圧力漏れがないことと空気雰囲気の交換とを達成し、ＩＲ獲得を開始し、この反応混合物を１５００ｒｐｍで撹拌した。次いで反応器を１２０℃に加熱し、目標温度で１５分保持した。この期間中、その場ＩＲから、平衡な混合物中のＨＥＳＡ、ＳＯ２、およびアセトアルデヒドの存在が明らかになった。ＩＲスペクトルから糖の増加が確認され、キシロースおよびグルコースに典型的なバンド高さの増加がはっきりと示された。反応期間の最後に、酸回収のためのオーバーヘッドの濃縮システムに向かって反応器のガスキャップを開き、同時に反応器の温度の設定値を１００℃に調節することにより酸の逆反応が達成された。反応器からの蒸発により、反応器の内容物は１００℃の設定値に迅速に冷却された。オーバーヘッドの濃縮システムは、光ファイバーベースのその場ＩＲプローブ、出口にドライアイス・アセトンコンデンサー、およびガス入口を備えた１リットルのジャケット付きフラスコで構成されており、ここでガス入口には、排液が下方へ流れて回収フラスコに集められるシェル−イン−チューブコンデンサー（shell-in-tube condenser）を構築するのに適した連結部を有する１／２インチのステンレス鋼管材料の内部に装着された直径１／４インチのＣ−２７６管材料のコアで作製された長さ１８インチのスチールコンデンサーを介して到達する。回収フラスコにおよそ４００グラムの脱イオン水を投入し、１℃で保持された循環流体を用いてコンデンサーとジャケット付きフラスコを冷却した。パーリアクターとオーバーヘッドの濃縮フラスコの両方でその場ＩＲを使用することによって、酸の逆反応の進行をモニターした。逆反応中、パーリアクターから放出された第一の成分はＳＯ２であり、それに続いてＨＥＳＡに関するバンドの減少が迅速に起こった。それに応じて、回収フラスコ中のＳＯ２に関するバンドが上昇し、次いで気化したアセトアルデヒドとこの成分とが組み合わされてＨＥＳＡが形成されるにつれて迅速に低下した。パーリアクターのその場ＩＲにより残存するα−ヒドロキシエタンスルホン酸の痕跡が示されなくなるまで、逆反応は続いた。オーバーヘッドのＩＲから、この時点のＨＥＳＡ濃度が最大値に達し、次いで、回収フラスコ中に蓄積されたα−ヒドロキシエタンスルホン酸成分非含有の濃縮された水での希釈のために減少し始めたことが明らかになった。列ｃにオーバーヘッドで濃縮された材料の総質量を示す。プロトンＮＭＲで濃縮物を分析したところ、採用されるα−ヒドロキシエタンスルホン酸が回収されたことが判明し、列ｄにこの値を示す。次いでこの反応混合物を室温に冷却し、ふたを開き、漏斗を通して液体を引き出すのに真空アスピレーターを使用して、内容物を中程度のろ紙を備えたブーフナー漏斗に通過させてろ過した。ブーフナー漏斗から湿潤固体を移動させて、フィルタープレス中に置き、ここで追加の液体の一部を固体から圧縮して出し、酵素加水分解とさらなる分析のための高稠度のバイオマス混合物を作製した。固体の一部を水で洗浄し、次いで一定の重量になるまでオーブンで乾燥させることによって固体の乾燥重量を決定し、列ｅに前処理サイクルで取り出されたバイオマスの量を示した。ＨＰＬＣ、ＮＭＲ、およびＸＲＦによる元素分析で分析するために、少量の液体ろ液と圧搾液（pressate）とを合わせたもの（列ｆに総質量を示す）を取り出し、残りを次の新しいバイオマスを用いたサイクルのために保存した。十分な量のＨＥＳＡを含む一次ろ液と圧搾液、前の試行のオーバーヘッドからの再利用物または４０％ｗｔ．ストック溶液からの新しい酸のいずれか、および水を組み合わせることによって再利用実験を行ったところ、１０００グラムの５％ｗｔ．酸溶液が生成し、これを２リットルのＣ２７６パーリアクターに戻し、ここでこれらを新しいバイオマスの追加の１２０グラムと混合した。前処理サイクル、ベントおよび回収、ならびにろ過を数回繰り返して、有意な量の可溶性糖の生産を実証した。表１にサイクルごとの分析結果を示し、この表で、ろ液中の糖のキシロース、グルコース、およびアラビノースの（単量体としての）生産、加えて酢酸濃度を容易に観察できる（それぞれ列ｆ、ｇ、ｈ、およびｉ）。列ｊで示されているように、フルフラールの量は全ての再利用にわたり極めて低いままであった。通過１回毎のキシロースおよびグルコースの正味の増加量（それぞれ列ｋおよびｌ）は実質的に一定を保っていたが、オリゴマーの存在量が増加したためにわずかに単量体が低下した（示さず）。
Figure 0006133407
実施例８〜１２
再利用物による前処理反応；１２０℃、６０分、１５００ｒｐｍの撹拌
この一連の再利用実験を実施例３〜７に関して説明したようにして行い、表２に結果を示した。これらの結果から、より長い反応期間で糖がわずかに増加し、バイオマスの溶解の大部分は迅速に起こり、α−ヒドロキシスルホン酸の回収は概してより短い反応時間で向上することが示された。
Figure 0006133407
実施例１３〜１７
再利用物による前処理反応；１２０℃、１２０分、１５００ｒｐｍの撹拌
この一連の再利用実験を実施例３〜７に関して説明したようにして行い、表３に結果を示した。これらの結果から、反応時間を延長した場合でもなお高収量の糖が得られ、分解はほとんどなくフルフラール生産は少なかったことが示された。
Figure 0006133407
さらに界面活性物質であると考えられるものの存在をプロトンＮＭＲ、２ｄ ＮＭＲ、質量分析、分離技術などの技術を組み合わせることにより組成に関して分析したところ、それはスルホン化クロトンアルデヒドであることがわかり、さらにＮＭＲで定量した。
実施例１１では、界面活性物質がおよそ０．２ｗｔ％の量で存在した。
実施例１８
α−ヒドロキシスルホン酸で処理したバイオマスの酵素加水分解
この実施例で、酵素加水分解を受けやすい基質を生産する開示された前処理方法の能力を実証する。
実施例１１からの前処理済みスラリーの一部を、酵素加水分解のための基質として使用した。加水分解の程度を、遊離したグルコースの量によって決定した。実験は３連で行われた。
ｐＨ５の５０ｍＭ酢酸ナトリウム緩衝液中に５．０％（未洗浄）セルロース（スラリー１００ｍＬあたりのセルロースのグラム）を含む１２５ｍＬの密封したフラスコで酵素加水分解を行った。使用した酵素は、ノボザイムズ（Novozymes）のセリックＣＴｅｃ２（Cellic CTec2）（商標）であり、酵素濃度はセルロース１グラムあたり１５．０ｍｇ（乾燥重量）であった。５０℃に予熱された酵素と、同様に５０℃に予熱された固形の前処理済みバイオマス基質とを混合することによって反応を開始させた。この反応混合物を、振盪インキュベーター（インフォース（Infors）のＨＴマルチトロン（HT Multitron）（商標））で、２５０ｒｐｍ、５０℃で９６時間までインキュベートした。
未洗浄の前処理済みサンプルの場合、加水分解反応のｐＨを厳密にモニターし、５Ｍ水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液を使用してｐＨを４．９〜５．１の範囲に維持した。
加水分解中または加水分解後の適切なタイムポイントで反応混合物から採取した０．５ｍＬのアリコートから、グルコース濃度を高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）によって決定した。反応混合物から取り出した直後に、アリコートを１３０００ｇで１分遠心分離した。次いで１００μＬの得られた上清を９００μＬの１０ｍＭ硫酸で希釈して、加水分解を止め、続いてバイオ−ラッドのアニメックス（商標）ＨＰＸ−８７Ｐカラムを使用してＨＰＬＣ分析を行った。測定されたグルコースレベルと元の基質のセルロース含量とからセルロース変換のパーセンテージを計算し、ここで後者の元の基質のセルロース含量は、セルロースを完全に加水分解させることによって遊離したグルコースの最大量から決定された。
以下の表４に結果を示す。
Figure 0006133407
データから、リグノセルロースのα−ヒドロキシスルホン酸処理によって生産された基質は、セルロース加水分解酵素によって容易に加水分解されることが実証される。リグノセルロースの酵素加水分解では典型的なことであるが、α−ヒドロキシスルホン酸処理によって生産されたセルロースの変換速度は、開始時は高く、経時的にセルラーゼ活性が減少するにつれて次第に低くなる。他の多くの前処理済みリグノセルロース基質でも類似の傾向が観察された。さらにデータから、セルロースからグルコースへのほぼ完全な変換が示される。総合すると、これらのデータから、α−ヒドロキシスルホン酸処理は、セルラーゼで処理しやすい材料をうまく作製できることが示唆される。
１１２ バイオマス供給材料
１１４ 加水分解反応システム、前処理反応器
１１６ 生成物ストリーム
１１８ 再利用ストリーム
１２０ 酸除去システム
１２２ 回収
１２４ 浄化
１２６ 生成物ストリーム
２００ 分離システム
２１０ バルク液体ストリーム
２２０ 湿潤固体ストリーム
２５０ 別のストリーム
３００ 酵素加水分解システム
３１０ 加水分解物
４００ 発酵システム
４１０ アルコールストリーム
５１０ アルコール
５００ 回収システム
５２０ 水性流出ストリーム

Claims (5)

  1. （ａ）多糖類を含有するバイオマスを提供すること；
    （ｂ）バイオマスと、少なくとも１種のα−ヒドロキシスルホン酸を含有する溶液とを５０℃〜１５０℃の範囲内の温度および１ｂａｒｇ〜１０ｂａｒｇの範囲内の圧力で接触させ、バイオマス溶液を提供することにより（ここで前記バイオマス溶液は、溶液に基づき１ｗｔ％〜２５ｗｔ％の範囲のバイオマスを含有する）、バイオマスを加水分解して、少なくとも１種の発酵性糖を含有する生成物を生産すること；
    （ｃ）加熱および／または圧力低下によって生成物からα−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α−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；
    （ｄ）前記酸を除去した生成物から高固体／液体混合物を分離して、湿潤固体ストリームに基づき少なくとも１２ｗｔ％の未溶解固体を含有する湿潤固体ストリームと、発酵性糖を含有するバルク液体ストリームとを形成すること；
    （ｅ）前記除去したα−ヒドロキシスルホン酸を、構成成分として、またはその再結合した形態で工程（ｂ）に再利用すること；および
    （ｆ）バルク液体ストリームの少なくとも一部を工程（ｂ）に再利用すること；
    を含み、
    ここでバルク液体ストリームは、バルク液体ストリームに基づき２ｗｔ％より多い発酵性糖を含む、バイオマスの連続的または半連続的な処理方法。
  2. 前記α−ヒドロキシスルホン酸が、溶液に基づき１ｗｔ％．から５５ｗｔ％の量で存在する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記バイオマス溶液が、５ｗｔ％より多くの発酵性糖を含有する、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記α−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）水で生産される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記バイオマスが、１２０℃またはそれ未満の温度でα−ヒドロキシスルホン酸と接触する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
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