セルロースバイオマスの消化のための簡易化された方法
本発明のプロセスはセルロースバイオマスを適切な酵素によって容易に加水分解されるゲル様状態に変換する。第１に、バイオマスは機械的にサイズを縮小される。次に、バイオマスは、コンディショニング剤または共溶媒として作用する親水性ポリマーの水溶液と混合および混練される。混合の際、バイオマスにおいてセルロース（およびヘミセルロース）は膨潤し、水和し、粘性のゲル様材料を形成する。その後、処理された材料は水の添加によって薄くでき、そこで、加水分解酵素が材料に混合され、遊離糖への迅速な加水分解が起こる。デキストリンはコンディショニングバイオマスのための有効な親水性ポリマーである。ポリビニルアルコールは、ホウ酸イオンを添加することで粘性のゲルに変換された場合、バイオマスによる使用のための特に有効なコンディショニング剤である。
【発明の詳細な説明】
【先行する出願に対する相互参照】
【０００１】
［０００１］本願は、２００８年４月１日に出願された米国仮出願第６１／０４１，３７９号の非仮出願であり、当該米国出願の優先権および利益を主張する。
【米国政府の支援】
【０００２】
［０００２］適用できない。
【背景技術】
【０００３】
［０００３］過去数十年の間、エネルギー不足に関する警告が繰り返されている。一般的なパターンは、エネルギー価格が急激に上昇し、深刻な景気低迷がもたらされ、それが一時的にエネルギー供給の圧力を取り除くというものであった。同時に、不熱心な省エネルギー措置が確立されている。過去、このことはエネルギー価格の一時的な下落をもたらし、過剰なエネルギー消費がすぐに再発し、省エネルギーおよび長期的エネルギー計画は完全に忘れられた。この時、中国およびインドの急速な発展は、エネルギー供給に対する圧力の増大をもたらしている。この要求は、恐らく価格の典型的に周期的な下落を緩和するように見える。最近、オイルの価格は、バレル当たり１５０．００ドル以上まで上昇し、省エネルギーが改善されず、新規のエネルギー源が見つからない場合、価格はそれらのレベルに結局戻ると考えられる。
【０００４】
［０００４］更に、エネルギー供給は有限である。最も良い推定であっても、石油供給は４０年程度以内にほとんど消耗されると予想されている。新規油田の発見および既存の油田の改良された回収でさえ、この推定によれば、恐らく２倍の８０年に増大することはないだろうとされる。したがって、効率の徹底的な改善または多大な維持の努力がなければ、何世代も前ではない我々の祖先が、馬を動力とする技術の終わりを見たのと同様に、現在生きているいくらかの個人は、ほぼ確実に石油を動力とする世界の終わりを目撃するだろう。幾人かは原子力に希望をかけている。不運にも、核燃料の供給もまた、現在使用する非能率的な原子炉を特に考慮すれば限定的である。更に、核廃棄物問題は非常に批判的であるため、燃料供給の制限がないとしても、我々の文明は核エネルギーを安全に頼ることができないだろう。
【０００５】
［０００５］その他の一般的な化石燃料の状況は、オイルよりもあまり明るくない。現在の天然ガス供給は約６０年後に使い尽くされると推測される。見積時間が２倍になっても、天然ガスに対する広い依存は１２０年以内に終了すると考えられる。石炭は恐らく最も豊富な化石燃料である；少なくとも２００年分の供給量があると予想される。このことは、代替エネルギー技術がすぐに開発されなければ、我々の文明は次の５０〜１００年以内に完全に石炭に依存することになるということを意味する。しかし、石炭は、最も初期に開発され、大部分がオイルおよび天然ガスに取って代わられた化石燃料である。これは、石炭の燃焼は汚く、大量の灰をもたらすためである。採炭のひどい環境上のコストは言うまでもない。
【０００６】
［０００６］しかしながら、恐らく、石炭の不足に起因して、石炭の使用を中止しなければならなくなることはないだろう。むしろ、化石由来の二酸化炭素の継続的な大気への放出という環境上の影響に起因するだろう。しばしば地球温暖化と呼ばれるこの問題は、あらゆる化石燃料の燃焼に起因する。その問題の十分な衝撃を実感する前に、恐らくオイルが使い尽くされるだろう。地球温暖化は恐らく適切な用語ではない。というのは、過剰な大気中二酸化炭素により全体的なグローバルな温度が上昇する一方で、現実の問題は本質的に温暖化ではなく、激烈な気候変化であるためである。地球の気候は常に変化するが、時折その他の時期よりも急速に変化する。例えば、相対的に最近では、氷河時代の終わりに起こった過去の激烈な気候変化が挙げられる；この気候変化は地質学の基準によれば迅速であるものの、生きた生物が新たな気候に適合し、またはより適用可能な気候の地域へと移転するのに十分なほど遅かった。したがって、氷河が退却し、気温が上がると、寒い温度に適した「北極の」種は、北へまたはより高い高地へ移動した。化石燃料の燃焼に起因する気候変化は迅速すぎて、生きる生物の移動が出来ないというあらゆる徴候がある。その結果、多くの種が絶滅し、種絶滅率は、我々の文明の拡散によって生じた絶滅率よりもはるかに高くなり、生物学的多様性が低下するだろう。
【０００７】
［０００７］融合といった完全に新規のエネルギー源が完成されるまで、エネルギー問題に対する最良の答えは、再生可能エネルギー源の排他的な使用と結び付いた、保存の大幅な増大であると考えられる。我々の惑星のほとんどのエネルギーは、究極的に太陽から来る。それ故、光起電力の電気形態の太陽エネルギーおよび太陽熱暖房が理想的である。しかしながら、直接の太陽エネルギーは、我々のニーズのすべてを満たすことができるとは限らない。水力発電および風力発電は再生可能な太陽ベースのエネルギーのその他の形態の２つである。これらの動力源のいずれも、大気中の二酸化炭素の変化をもたらさない。バイオマスエネルギー（すなわち木材およびその他の植物物材料）は太陽エネルギーを理想的に補完する可能性がある。バイオマスエネルギーは、バイオマスの燃焼によって通常得られ、そのような燃焼は大気へ二酸化炭素を放出するため、このことは驚くべきことと思われるかもしれない。しかしながら、バイオマスは再生可能である。緑色植物のプランテーションがバイオマスの製造のために育てられれば、放出された二酸化炭素は新規の植物材料に迅速に隔離されるだろう。したがって、二酸化炭素は繰り返し使用され、大気の二酸化炭素の全レベルは、化石燃料を燃焼する場合のように増大し続けない。現実の問題は、我々の経済へバイオマスエネルギーを統合する方法である。現在、木材を燃焼する流れる列車および木材を燃焼する自動車が著しく不足している。また、発電所におけるバイオマスの直接の燃焼も特に実行可能ではない。というのは、我々の電気生成システムは、液体のオイルまたは天然ガス、または粉砕された石炭の使用に適しているためである。
【０００８】
［０００８］バイオマスから液体燃料（主としてエタノール）を製造することについて多大な努力がなされてきた。これは、トウモロコシといった植物製品から直接的に由来する、またはセルロースバイオマスから発酵性糖への消化による間接的に由来する糖の発酵に関与する。糖に直接的に由来する発酵のための技術はよく確立されている。現在、アメリカは、トウモロコシ由来のエタノールに基づく燃料システムに次第に移行している。このアプローチは、トウモロコシの栽培地域から政治的に支持されるかもしれないが、それは潜在的に致命的な欠点を含んでいる。食糧からのトウモロコシの転換は、食品価格の劇的な上昇をもたらす可能性がある。トウモロコシの有効な培養のための窒素肥料が大量に必要となるのは更なる問題である。窒素肥料の主要な源は、エネルギー集約的な工業プロセスであり、トウモロコシ由来のエタノールで獲得できるエネルギーとほとんど同じ量のエネルギーを消費する。トウモロコシ穀物をエタノールに変換することで獲得できるのは、トウモロコシ植物のごく一部のエネルギーのみであるため、これは特に該当する。多くのエネルギーは植物のセルロースバイオマスに残り、エタノールとして再利用されない。
【０００９】
［０００９］恐らく、再生可能エネルギーの最も大きな潜在的な源はセルロースバイオマスに存在する。セルロースから発酵性糖への転換は困難であり、現在全く効率的でない。典型的に、酵素または酸が、セルロースバイオマスを発酵性糖へ加水分解するために使用される。バイオマスの適切な機械的な前処理が不可欠である。いくつかのプロセスにおいて、バイオマスは化学的に前処理され、次に温度および圧力の急速な変化により「爆発」される。そのようなプロセスは、大量の危険な化学廃棄物を作る可能性がある。その他のプロセスでは、製紙のための木材パルプの製造に使用されるもののように、装置にて酸における木材チップを処理する。現在まで、これらのアプローチのいずれも、高度に成功するとは示されていない。本発明者は、以前に、バイオマスを十分に小さな粒子へ縮小することにより、現在の技術の問題を解決しようとした。本発明者は、そのような粒子（いわゆるセルロース微粉末）は、酵素によって、または化学的加水分解によって、糖およびその他の有機的なモノマーに容易に加水分解することができることを発見した。恐らく粒子の非常に小さいサイズのため、加水分解酵素は、その他の方法にて調製されたセルロースバイオマスよりもはるかに有効である。このアプローチの主な欠点は、微粉末およびそれらによるエネルギー消費量を作るために使用される装置が複雑であることと考えられる。それ故、本発明者は、セルロースバイオマスを発酵性糖に変換するより効率的な方法を開発することを試みた。
【発明の概要】
【００１０】
［００１０］本発明に係るプロセスは、セルロースバイオマスを、適切な酵素によって容易に加水分解されるゲル様状態に転換する。本発明者はこのプロセスを「コンディショニング」または「共溶媒和」と称する。第１に、バイオマスは機械的にサイズが縮小される。バイオマス源の明確な特徴に依存して、そのプロセスは、最大の寸法が約２ｍｍ未満である材料において有用と成りうる。しかしながら、最適な結果は、最大寸法が１００マイクロメートル未満、好ましくは２０−７０マイクロメーターのサイズ幅のバイオマス粒子にて達成される。当然、さらに小さな寸法を有するバイオマス粉末は完全に機能するが、可能であるならば、そのようなより小さな寸法を有する材料の使用を改善することは、バイオマス粒子のサイズをさらに低減する際の付加的な努力を正当化するようには見えない。その後、バイオマスは、コンディショニング剤または共溶媒として作用する親水性ポリマーの水溶液と混合／混練される。得られる混合物は混合および混練され、バイオマスにおけるセルロース（およびヘミセルロース）は膨潤し、水和される。これは粘性のゲル様材料をもたらす。その後、処理された材料は、水の追加によって薄くすることができ、加水分解酵素が材料と混合される。多糖類が遊離糖に分割されるため、混合物の粘性は急速に減少する。バイオマスが完全にコンディショニングされる場合、遊離糖への加水分解は数時間内に生じる。
【００１１】
［００１１］デキストリンはバイオマスのコンディショニングのための有効な親水性ポリマーである。実験により、最初のコンディショニング液は有意な粘性を有しているべきであり、さもないと、コンディショニングプロセスが非常に遅くなることが示されている。本発明者は、粘性液がバイオマス粒子への混合／混練エネルギーの伝達をもたらすと信じている。この伝達されたエネルギーはバイオマスの水和およびバイオマス粒子の細胞構造の破壊に関与する。デキストリンを用いる場合、混合／混練は、高い温度（例えば７０−９０℃）にて非常に効率的である。この理由の一部は、高い温度が混合物の柔軟性を維持するためである。バイオマスは水を吸収するため、塊はますます濃くなる。濃い塊を冷やすと、それは完全に強固になる可能性がある。デキストリンを使用する場合、周期的に少量の水を添加して、塊が濃くなり過ぎないようにすることは有効である。過剰な水の添加は避けるべきである。というのは、粘性があまりに低下する場合、コンディショニングプロセスの速度が劇的に減速するためである。デキストリンコンディショニング剤の最適な実施は、水およびバイオマスの添加を交互に行い、最適の加工条件を維持することである。本プロセスは、混合物がバイオマスの重量の約３０％から５０％である場合に有効である。一般に、完全なプロセスでは、５−１０時間の混合／混練を必要とする。
【００１２】
［００１２］ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）はバイオマスにて使用するための別の有効なコンディショニング剤である。ＰＶＡはデキストリンおよび同様の多糖類よりも有効と成りうるようである。というのは恐らく、ＰＶＡを架橋するホウ酸塩といった薬剤を添加することにより、ＰＶＡ溶液を粘性のゲルに変換することが可能であるためである。バイオマス粒子がそのようなＰＶＡゲルへ混合／混練される場合、コンディショニングプロセスは室温で急速に進行する。デキストリンのコンディショニング材料と異なり、ＰＶＡのコンディショニング材料はその柔軟性を維持し、処理を増強するローリングおよびスタッキング操作の使用を可能にする。デキストリンコンディショニングと同様に、混合物の粘性を制御するために、必要に応じて水を添加することができる；しかしながら、水の添加は一般的に必要ではない。デキストリンコンディショニングと同様に、ＰＶＡプロセスは、バイオマス重量の約３０％−５０％の混合物を扱うことができる。ＰＶＡ処理はデキストリンプロセスよりも一般的に速く、１から２時間ほどで完了に達する。コンディショニング後、濃いゲルは水の添加によって薄くされ、その後加水分解酵素が混合される。混合物の粘性は酵素的加水分解によって急速に低減され、それは大体５時間以内に完了する。
【００１３】
［００１３］本プロセスの鍵は、粘性の親水性高分子溶液の存在下でバイオマス粒子を混合することである。粘性の溶液を作ることができるその他の親水性ポリマーも有効であると予想され、これには、架橋されたポリアクリル酸（および共重合体）および多糖類、例えば、ホウ素イオン、カルシウムイオンまたはその他の二価陽イオンによって架橋できるペクチン、ローカストビーンガム、グアーゴム、コンニャクガムおよびアルギン酸塩が含まれる。コンディショニング剤の選択は、材料の入手可能性の経済問題およびもしあれば使用済み材料の処分の問題にある程度依存する。デキストリンの場合、それらは容易にαアミラーゼによって加水分解し、酵母による発酵を受けることができる。ＰＶＡの場合、材料は加水分解液から回収し、再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明に係るコンディショニングプロセスの実施における全体的な工程の模式図である。
【図２】図２は、セルロースバイオマスを処理するためのデキストリンの使用を示す流れ図である。
【図３】図３は、セルロースバイオマスを処理するためのＰＶＡの使用を示す流れ図である。
【図４】図４は、ＰＶＡ処理されたセルロースバイオマスの酵素的加水分解を示すグラフである。
【図５】図５は、デキストリン処理対ＰＶＡ処理におけるゲル形成を対比する流れ図である。
【図６】図６は、ＰＶＡを使用するプロセス全体の流れ図である。
【発明の詳細な説明】
【００１５】
［００２０］以下の記述は、当業者が本発明を作製し且つ使用することを可能にするために提供され、本発明の実施において本発明者によって意図された最良の様式を述べる。しかしながら、当業者にとって、様々な修飾が容易に明白であるだろう。それは、本発明の一般的な根本方針をここに記載するためであり、特に、親水性ポリマーによる化学的コンディショニング／溶媒和の使用によって、バイオマスを容易に加水分解できる形態へ分解するための改良された方法を提供するためである。
【００１６】
［００２１］本発明者は、デンプンを発酵性糖に分解するために使用される過程を分析した。トウモロコシをエタノールに変換する工場において、トウモロコシデンプン（主としてグルコース１−４ポリマー）は、水中で「調理」することでまず水和される。高い温度での水の存在下にて、デンプンポリマーは水和され、ゲルを形成する。デンプンポリマーは一般に長すぎるため、完全に可溶性にはならない；しかしながら、ポリマーは、水和されたゲルとして、酵素の処理に対して容易にアクセス可能となる。アミラーゼといった酵素は１−４結合を開裂し、デンプンゲルを、１−６分枝および単糖（グルコース）を含むより短いポリマーの液体の溶液に分解する。グルコアミラーゼの添加は１−６結合を開裂し、デンプンの発酵性糖（グルコース）への転換を完了する。
【００１７】
［００２２］デンプンと同様の方式でセルロースバイオマスを水和することが可能である場合、水和セルロースを非常に効率的に単糖に変換することが可能であるに違いない。産業上、セルロースの処理について多くの知見が存在し、セルロースの半可溶性ゲルへの水和は容易に行えないことが一般的に既知である。セルロースバイオマス（例えば木材チップ）が、一定の化学薬品の存在下、高い温度で調理され撹拌された場合、セルロースからリグニンを分離し、相対的に純粋な（しかしまだ不溶性の）セルロースを作ることが可能である。これは本質的に、木材チップを製紙用パルプに変換するために使用されるプロセスである。また、一定のアルカリ組成物および有機溶媒、例えば二硫化炭素は、セルロースを実際に溶かすために使用できることも既知である。より最近、より温和なイオン液体（例えば、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム塩化物）がセルロースを溶かすことがわかった。これらのいずれかのアプローチは、繊維または材料用途（例えばセロハン）のためのセルロースの再生に有用である一方、これらの化合物は、毒性がありおよび／または高価であり、消化されたセルロースの単糖へのさらなる分解のための酵素として一般的に適合しない。
【００１８】
［００２３］したがって、本発明者は、セルロースを水和するための、より単純でより安全な方法を探した。セルロースバイオマスにおいて見つかるセルロースの周知の準結晶領域は、水和に対するセルロースの抵抗性の少なくとも部分的な原因であるようであった。セルロースバイオマスのウェット（ＷＯ／２００２／０５７３１７を参照）およびドライ（ＷＯ／２００７／１０６７７３を参照）分解についての本発明者の初期の実験において、水の繰り返しの適用によって（ウェットプロセス）また、さらには機械的力（ドライプロセス）によって直接的に、少なくともある準結晶セルロースを分解することが可能であることが示された。本発明者は、親水性ポリマーの水溶液の存在下でセルロースを激しく混合または混練する理論を開発し、本発明者によるウェットプロセスおよびドライプロセスの効果を組み合わせることができた。親水性ポリマーは水の粘性を増加させ、それによって混合からの力学的エネルギーのより効率的な伝達を可能にする。また、ポリマーの存在は周囲の培地の誘電率を変更するが、これは水素結合の強度に対して効果を有し得る。実際、親水性ポリマー分子は表面のセルロース分子と相互作用し、セルロースの不溶性の塊からそれらを「むく」のを支援する。同時に、親水性ポリマーはセルロースポリマー鎖間にインターカレートし、準結晶領域を分裂させ、セルロースを水和された半可溶性形態に維持する。本質的に、親水性ポリマーはセルロースのための「共溶媒」または「コンディショナー」として作用するだろう。「共溶媒」という用語が適宜使用されるものの、親水性ポリマーは、セルロースを完全に溶液の状態にする真の溶媒としては作用しないと認識すべきである。むしろ、ポリマーはセルロースの条件を整え、それを迅速に酵素的に加水分解できるゲル様形態に変換する。以下に実証されるように、親水性ポリマーはセルロースのための共溶媒として作用し、それらは、バイオマスを、酵素によって容易に加水分解できるセルロースの形態に変換する作業を非常に単純化する。
【００１９】
［００２４］図１に、プロセスの全体的な概要が示される。第１ステップ１０において、プロセスにおける続くステップを容易にするために、バイオマスのサイズが低減される。バイオマスの調製は比較的単純である；汚れ、石、樹皮およびその他の非セルロース成分を可能な限り除く。そのようにして得られる「洗浄」された主としてセルロースであるバイオマスまたは供給原料は、次に、切断または同様の操作により分解され、最大の寸法が約２ｍｍ以下とされる。本発明者の以前の特許出願に記載される切断装置が、この作業に理想的である。のこくずまたはその他の実質的に２ｍｍ未満の寸法の塊は、より迅速に処理されるだろう。２ｍｍ未満に寸法を分解することは実質的に必要でない一方、混練／混合工程に費やされる時間／エネルギーとバイオマスの寸法の分解に費やされる時間／エネルギーとの間でトレードオフの関係があることが認識されるだろう。本発明者の以前の出願（同上）に記載される機構が理想的であるものの、その他の適切な装置が当業者にとって明白であるだろう。バイオマスの好ましいサイズは２ｍｍ未満の直径である；より好ましいサイズは直径１ｍｍ未満である；最も好ましいサイズの範囲は、直径約２０−７０マイクロメートルである粒子であり、すなわち１００マイクロメートル未満である。植物細胞は一般に直径１００マイクロメートル未満であり、多数の植物細胞は２０−７０マイクロメートルの範囲である。したがって、バイオマスをこの範囲の粒子にするのは比較的簡単である。粗製のバイオマスは完全にはセルロース・グルコース・ポリマーでないことが認識されるだろう。それはさらに変動する量のヘミセルロース（キシロース、マンノース、ガラクトース、ラムノース、グルコースおよびアラビノースといった糖を含む多糖類、並びにマンヌロン酸およびガラクツロン酸）を含む。ヘミセルロースにおける優勢な糖はペントース糖であるキシロースである。ほとんどのバイオマスはさらにリグニンを含み、これは、コンフェリルアルコール、ｐ−クマリルアルコールおよびシナピルアルコール（リグノールとして知られている）の誘導体の複雑な疎水性ポリマーである。リグニンは、セルロース構造およびヘミセルロース構造を相互に固めていると考えられる。
【００２０】
［００２５］第２のステップ１２において、バイオマス粒子はゲル反応コンディショニング剤と混合される。バイオマスはコンディショニング剤と混合または混練され、その間、バイオマスの細胞構造が分解される。セルロースおよびヘミセルロースは部分的に水和され、これらの多糖類およびリグニンの間の相互作用は分裂し、植物細胞壁の微細構造が分解される。得られる生成物は完全に粘性であり、水の添加によって粘性を低減する必要がある。ステップ１４では、加水分解酵素が混合され、コンディショニングされたバイオマスの粘性は急速に低下する。酵素的加水分解の後、グルコース１８およびキシロース１６（およびその他のヘミセルロースモノマー）が溶液中に存在する。リグニン２０は小さな粒子として存在するが、部分的に分解したリグニンの化学構造はまだ特徴づけられていない。リグニンはろ過または遠心分離によって除去することができる。キシロース（貴重な天然産物）を回収する必要がある場合、当該分野で周知の方法（例えばクロマトグラフ法）によって可溶性糖を精製することができる。糖溶液（分離の前またはその後のいずれか）は、次に、当該分野において周知のように、エタノールを製造するための酵母によるアルコール発酵に供される。
【００２１】
［００２６］本プロセスは、最初に、バイオマスコンディショナーとしてオリゴ類を使用して開発された。さらに粘性を増加させる共溶媒として作用するその他の親水性ポリマーがさらに効果的であることが示された；これらすべての材料は低価格であり、一般的に無毒である。現在好ましいオリゴ類は、デキストリン（比較的短い１−４グルコースポリマー）、マルトデキストリンおよびマルトースなどである。ポリマー長が長くなると、デキストリンポリマーの水溶液の粘性は増加する。有効性は十分な粘性を達成するために必要とされるオリゴ類の量と関係があるようである。マルトースのように非常に短いポリマーの場合、非常に濃縮した溶液が最適な結果のために使用される。ポリビニルアルコールは、現在好ましい非炭水化物親水性ポリマーである。
【００２２】
［００２７］オリゴ類を使用するプロセスは、調製したバイオマスを準備し、デキストリン「共溶媒」溶液を添加し、その後、得られた塊を、粘性の半透明または透明なゲル様混合物が生じるまで高い温度（６０℃から９０℃）で混合する。混合の間、バイオマスは膨潤−水和ステップを経験する。最後に、セルロースは、いくぶん粘性のゲルに完全に「分解」される。デキストリンを使用する場合バイオマス混合物の柔軟性を維持するために、一般的に加熱する必要がある。
【００２３】
［００２８］一実験において、サイズを低減したバイオマスの１０−２０重量％の混合物をデキストリン共溶媒において撹拌し、その後、粘性のゲルが形成されるまで、高い温度（６０℃から９０℃）で「混練」（混合）した。「混練」とは、固体および液体の混合処理を意味し、パン生地の形成において小麦粉および水に適用されるそれと異ならない。高い温度を維持する方法がある限り、小麦粉ベースの生地の生産に適したものと同様の市販される混合装置を使用することができる。本発明者は、コーティングまたは射出成形のためのプラスチック樹脂の作製に伝統的に使用される２重のスクリュー・ミキサー／押し出し成形機が特に適切であることを発見した。通常、セルロースバイオマスを水和し、それを非常に粘性の半透明または透明なゲルに転換するために、約１時間の混合は必要である。ろ紙のような精製されたセルロースを試験出発原料として使用する場合、得られるゲルは無色で透明である。通常、多数の気泡がゲルに閉じ込められ、それが澄んだ水となることを阻害する。さらに、植物色素および不溶性材料が、ゲルの透明性を低下させる。混合物における固体重量は５０％以上に達する場合がある。
【００２４】
［００２９］通常、バイオマスはセルロースと同様にリグニンおよびヘミセルロースも含むだろう。例えば、バガス（破砕されたサトウキビから糖を抽出した後に残るパルプ）が、デキストリン共溶媒と混合され、高い温度で約１時間混練される場合、得られるゲルはやや黄色または褐色を帯びた色調を有し、精製されたセルロースから作られたゲルほど透明ではない。ゲルの顕微鏡観察から、ほとんどの細胞構造が大部分破壊されていることがわかる。しかしながら、サトウキビの表皮細胞はいくぶんケイ酸化され、この細胞構造の一部は混練プロセスを生き残っている。さらに、微量の極度に木質化された血管要素も存続するものの、より長い処理がそれらを完全に破壊するだろう。
【００２５】
［００３０］様々な植物材料を用いた実験から、いくつかの材料は、他のものよりも共溶媒和に強いことが実証された。粒子サイズが直径２０−７０マイクロメートルの範囲、すなわち１００マイクロメーター以下のバイオマス粉末によって開始する場合に、有意に速い結果が得られることがわかった。様々な機械的処理装置が、不必要な処理を行うことなく、容易にセルロースバイオマスをこのサイズ範囲の粒子に分解することができる。本発明者の以前の特許出願において使用される装置が適切である。上記特許出願にて議論されるように、バイオマスを１マイクロメートルまたはサブマイクロメートルサイズの範囲に小さくすることはより困難である。現在のプロセスの利点は、それが引き継ぎ、通常の機械装置によって容易に生産できるバイオマス粒子を最適に処理することである。
【００２６】
［００３１］特に高い温度にて、デキストリン共溶媒でバイオマスを混練することは、固体のセルロースを非常に粘性のゲルまたは生地に転換することをもたらし、これは、少なくとも外観上は、調理におけるデンプンのゲルへの転換と完全に異なるわけではない。より高い濃度のバイオマスを有する混合物はより効率的に溶媒和できることが発見された；溶媒和は粘性の溶液において最も容易に生じるように見える。高い温度はそのような粘性の混合物の柔軟性を維持するのに必要であり、それらが冷却される場合、凝固する傾向がある。本発明者は、添加されるバイオマスによって生じる混練する際のより高いレベルの粘性が溶媒和の速度を増加させると信じる。プロセスの次のステップはデンプンプロセス（すなわちゲルの液化）と類似する。ほとんどの場合、混練されたバイオマスは、非常に粘性があるか、または生地状となるため、水を添加して、酵素添加に先立って粘性を低減することが必要となる。
【００２７】
［００３２］セルロースゲルの場合、液化は、継続的に混合しながら、ゲルに液化酵素（エンド−セルラーゼおよびエンド−グルカナーゼ）を添加することで達成される。ゲルの液化に続き、糖化酵素（エキソ−セルラーゼ、セロビオグルカナーゼおよび混合グルカナーゼ）が添加され、残るセルロースが遊離グルコースに分解される。また、両タイプの酵素を同時に添加し、液化および糖化を同時に進行させることもできる。好ましい酵素は、トリコデルマ・リーゼイおよびビリデ並びにアスペルギルス、アクレモニウムおよびペニシリウムの種が生産したものである。明治製菓株式会社（日本、東京）からの酵素（例えば、メイセラーゼ；セルラーゼ、キシラナーゼ、β−グルコシダーゼおよびα−Ｌ−アラビノシダーゼを含むＴ．ビリデ酵素の混合物）を様々な実験に使用したものの、その他の生物および市販品からの適切な酵素を同様に使用できる。本発明は、本質的に適切な特異性を有する任意の酵素によって、セルロースをより容易に加水分解される形態に変換するということを認識することが重要である。一般に、添加する酵素の重量はセルロース供給原料の重量の約１／１００である。使用される酵素に依存して、約４５℃から６０℃の間で最適の反応が生じる。液化酵素と糖化酵素との間で酵素活性のタイプが相当オーバーラップすることが当業者に認識されるだろう；したがって、液化酵素はかなりの量の遊離糖を放出する。
【００２８】
［００３３］典型的な実験を以下に詳細に記述する。５０ｇのデキストリン（例えばマルトース）を１２．５ｇの水に添加することで（８０重量％溶液）、水にデキストリンを含む開始溶液またはシロップを作製する。より高いＤＥ率（デキストロース当量）を有するデキストリンは、より高い粘性を有した溶液を作り、より低い重量パーセンテージにて有効である。このことは、共溶媒の粘性は重要であり、より高い粘性の溶液は著しくより有効であることを意味する。当然、粘性の共溶媒は、バイオマス／共溶媒混合物に対して、混合または混練するにはあまりに高い粘性を付与するという不都合がある可能性がある。典型的に、膨潤および水和ステップのｐＨは中性付近である。この実験において、セルロースとデキストリンとの間の重量比は少なくとも５：２だった。最初に、１０ｇのセルロース（１ｃｍ角に切られたろ紙の形態）をデキストリン溶液に添加し、得られる混合物を８０℃で１時間程度混合−混練した。セルロースは、このプロセスによって膨潤し、透明なゲルまたは「ドウ」を形成した。ゲルがこの時点で室温まで冷却される場合、粘性が著しく増加する。次に、少なくともさらに１０ｇのセルロース（セルロース混合物の２０重量％）を添加し、同様の時間にわたってゲルに吸収させた。さらなる処理の間、比較的少量の水（ここでは５ｍｌ）をゆっくり添加し、粘性を一時的に減少させ、処理のし易さを向上させた。粘性の低下は、溶液に剪断応力を与え、小繊維およびその他の植物細胞壁構造を分解することを助ける「ビーティング」を含むより激しい混合を可能にする。セルロースがますます膨潤し水和すると、粘性は増加し、さらに一定分量の水（ここでは１０ｍｌ）を添加し、これによって再び粘性を著しく減少させる。この点で、一定分量のセルロースが添加され、この添加のループ（図１を参照）を５−１０回繰り返した。セルロースの量が増加すると、各々の繰り返しの処理時間がわずかに減少した。添加プロセスを５回繰り返すと、最終溶液は約３０重量％のセルロースとなった。
【００２９】
［００３４］混合−混練（「ビーティング」剪断力を含む）は、生物学的物質（植物細胞壁）を小繊維および副小繊維に分解する機械的効果を有する。同時に、加熱および共溶媒は、セルロースの準結晶領域を可溶性領域に分解することを助ける。残る小繊維は、このプロセスの間に膨潤しばらばらになり、結局ゲル溶液へ完全に吸収される。混合−混練および「ビーティング」剪断力の適用度合いに依存して、プロセス速度は増大できるが、処理装置の正確な機械的な構成は重要ではない。水の周期的な添加（図２を参照）は、過度の粘性の低下を助け、これによって、最も迅速な膨潤および水和を達成できる。驚くべきことに、天然のバイオマスにおけるリグニンの存在は、このプロセスを助けるようである。紙を作る際にリグニンを化学的に除去すると、セルロース分子は膨潤および水和に対してより耐性をもつ。このことは、セルロース構造が、脱リグニンにおいて、溶媒和に対してより強固となりまたは抵抗性を有することを示唆する。
【００３０】
［００３５］膨潤および水和が完了すると、温度は６０℃まで（またはより低く、上記参照）低下し、液化酵素を添加し、約０．０２重量％の酵素溶液を形成した。ゲルは、約３０分以内のさらなる混合により、完全に液化された。その後、温度を約５０℃に低下し、糖化酵素を添加して、約０．０５重量％の酵素溶液を作製し、ｐＨを４．５に調節した。酵素対バイオマスの重量比は約１：１００であった。３時間の継続的な混合後、セルロースからグルコースへの転換は少なくとも８０％完了し、さらなる加水分解をより長いインキュベーションにより行った。適切な酵素が含まれていれば、ヘミセルロースもまた、構成する糖に加水分解されるだろう。より低い量の酵素が有効と成りうるものの、より長い処理時間をもたらすと認識されるだろう。時間、温度およびｐＨは、使用される明確な酵素に依存して変更すべきである。
【００３１】
［００３６］ろ紙、ヒノキ（スギ属）軟材チップ（２ｍｍ）、トウモロコシの茎および葉、バガス、サトウモロコシのわら、稲わら、米の殻およびギネアアブラヤシの廃棄物（ＥＦＢまたはパームの空の果物房）を、本デキストリンプロセスで試験した。これらのバイオマス材料はすべて本共溶媒方法によって溶かすことができる。本方法は本質的にあらゆるセルロースバイオマスにおいて機能すると考えられる。表１は、多数の様々なセルロースの粒子（上述のとおり製造され、直径２０−７０マイクロメートル）による結果を示す。所定重量の粉末を所定重量の８２％デキストリン溶液に添加し、上記の通り混合／混練した。上記のとおり、１以上の水の添加を行った。水の追加が混練の際の粘性のために必要となった。容易に溶媒和される材料は、それほど粘性はなく、水の添加はほとんど必要としない（または不要であった）。
【表１】
【００３２】
［００３８］混練操作の後、得られるそれぞれのゲル−ドウを加水分解した。最初に、材料を、２部の蒸留水で１部の混練されたバイオマス（重量による）を希釈し、反応槽において撹拌することで（１００−４００ＲＰＭ）スラリーを形成した。材料のｐＨを中性付近（ｐＨ６．５）に調節し、材料を少なくとも１時間６０℃に加熱し、低温殺菌した。次に、撹拌したバイオマスを、約５０℃未満まで冷却し、１：１００（酵素対バイオマス）の重量比のメイセラーゼおよびβ−グルコシダーゼが豊富な酵素（同様に１：１００の重量）を添加し、スラリーを２４時間撹拌した。液化および糖化が同時に生じたことに留意される。サンプルを周期的に回収し、ＨＰＬＣによって試験した。その結果から、加水分解が６時間で５０％以上完了し、２０時間で８０％−ほぼ１００％完了したことが示された。これらの結果から、加水分解の完了の程度は出発原料に依存することが示される。更に、その結果から、大多数の加水分解が最初の数時間に生じ、その後低下することが示された。
【００３３】
［００３９］本発明者は、上記の実験に示される酵素的加水分解の速度および程度は、セルロースの共溶媒和が完了していないことを示唆するものと考える。共溶媒和されるセルロースは、最初の数時間内に急速に加水分解される。その後、残る部分的に共溶媒和されたセルロースはよりゆっくり加水分解される。使用される酵素混合物は、十分な時間が与えられる場合には、未処理のバイオマスの加水分解を達成できることが既知である。予想通り、そのような加水分解の速度は、バイオマスの粒子サイズに依存する（表面／体積の効果）。例えば、植物全体は、有意な酵素的加水分解を示すには多くの日数を要する場合がある。１−２ｍｍの範囲における最大直径を有するバイオマス材料は、数日から１週間の間に顕著な加水分解を示す。ここで試験したサイズ範囲内（２０−７０マイクロメートル）の材料は２−３日において顕著な加水分解を示す。ここに示された結果に基づいて、完全に共溶媒和されるバイオマスは、最大で数時間内に加水分解の完了を示すと考えられる。しかしながら、デキストリン共溶媒−溶媒和プロセスは、セルロース加水分解の速度を非常に促進することが明らかである。
【００３４】
［００４０］本発明者は、共溶媒としてデキストリンを使用することの短所は、混練−混合において有効な共溶媒和を引き起こすのに十分な粘性を提供するために、非常に濃縮した溶液の使用を必要とすることであると考える。この濃縮溶液は、高濃度でバイオマスを含むゲルを、溶媒和の進行に伴ってますますドウ状にする。これは、有効な混練を可能にするために、温度の上昇および水の添加を必要とする。ドウは混合されず冷却されると、それは柔軟性がない固体になる。したがって、本発明者は、はるかに低い濃度の共溶媒で適切な粘性を製造する親水性の共溶媒を探した。そのような共溶媒によって、バイオマスが水和され共溶媒和されても、バイオマスによる水の継続的な吸収が混合物の硬化をもたらすことはないだろう。これは、本質的にすべてのセルロースが水和され共溶媒和されるまで、混練を継続させる。そのような共溶媒の可能性ある１つは、より高いＤＥ数（上述の通り）を有するデキストリンである。しかしながら、本発明者は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）のような親水性ポリマーはより効果的な溶液を提供すると信じる。本発明者はいくつかのタイプのＰＶＡ（５重量％、１０重量％および２０重量％の濃縮物を含んだ水溶液として）を試験した。試験されたＰＶＡは、クラレケミカル株式会社（日本、大阪）によって作られており、Ｐｏｖａｌ１０５、Ｐｏｖａｌ１１７、Ｐｏｖａｌ２０５およびＰｏｖａｌ２１７として販売されている。製品名における１つ目の数字はタイプ１またはタイプ２ＰＶＡのいずれかを意味する。タイプ１ＰＶＡは９８−９９％の加水分解レベルを有し、タイプ２ＰＶＡはわずか８７−８９％の加水分解レベルを有する。続く２つの数字はポリマーのサイズを意味する。それらの製品名のうちの「０５」とついた材料は重合数５００を意味し、１１７の製品は重合数１７００を意味する。溶液の粘性は、加水分解の程度および重合度（重合数）の両方に影響を受ける。重合度が増加すると、所定の重量パーセンテージ溶液はより粘性になる。しかしながら、加水分解レベルが所定の重合数において上昇すると、溶液の粘性は減少する。
【００３５】
［００４１］ＰＶＡの興味深い特徴は、ホウ酸塩、チタン酢酸塩、銅およびその他の金属塩といった多数の化学物質によって架橋できるということである。架橋結合は、ホウ酸塩イオンの４つの負電荷がＰＶＡの正電荷に作用するホウ酸塩との電荷の架橋、または金属塩の場合において架橋する金属結合部位の形成の何れかによって生じる。粘性の非ニュートン流体である架橋されたＰＶＡを作る能力は、デキストリンで共溶媒和されたバイオマスと同様に、過度に濃くならず、混練の際に硬くなることもない初期の高い粘性を有した親水性ポリマー共溶媒の使用を可能とする。５重量％のＰＶＡ溶液がテトラホウ酸ナトリウムの飽和溶液と組み合わせられる場合（１部のＰＶＡ溶液に対して０．５−１部の間のホウ酸塩溶液）、細工可能な「スライム」が製造される。粉末のバイオマス（直径２０−７０マイクロメートルの粒子）が添加され混練される場合、この材料は比較的プラスチックのままである。得られる混合物は、バイオマス材料が完全に水和され共溶媒和されるまで、容易に混練または混合され、さらにはローラー間で繰り返しプレスされる。
【００３６】
［００４２］ＰＶＡスライムを使用するプロセスが図３に示される。代表例において、１０重量％のＰＶＡ−２０５の溶液が蒸留水によって作られる。混合物を撹拌し、７０℃まで加熱してＰＶＡを溶液に入れる。得られる溶液は、水よりわずかに粘性だった。溶液を室温に冷却した後、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）の２ｍｌの飽和した水溶液を添加して混合した。得られる溶液はｐＨ５．０であった。ホウ酸ナトリウムの少量の飽和した水溶液（約０．５ｍｌ）が添加され混合された。得られる粘性のスライムはｐＨ６．５であった。ＥＦＢ（ヤシ油の空の果物房）（直径２０−７０マイクロメートルの粒子）をこのゲルに添加し、室温で混練した。得られるゲルは比較的柔軟だったが、混練が続くと、水（２０ｇ−３０ｇ）が蒸気として失われ、水がバイオマスに吸収され、ゲルはよりドウ状態となった。材料は、容易にロールして水平にし、積み重ねることができるかもしれない。積み重ねられた材料はドウを壊すために折り返され、その後、１つにまとめられ、さらにロールされた。少量の材料を時々回収し、水で希釈し、顕微鏡観察した。処理の進行にともなって、粒子サイズが低下し、細胞構造が破壊される様子が確認できた。分解プロセスは厚い固いゲルにおいて迅速だったが、薄いゲルではほとんど生じなかった。このことは、機械的な力の伝達がプロセスの本質的部分であることを意味する。多くのバイオマス粉末の添加は、粘性を増加させて、プロセスを促進する。バイオマス固体の最適な含有量は、約４０重量％であるようである。より低い量のバイオマスは、薄すぎて混練および効率的なロールが出来ない材料をもたらす傾向にある。より高い量のバイオマスは、あまりにも粘性であるため効率的に機能しない塊を作る可能性がある。ＰＶＡの濃度およびタイプを変えることはまた、粘性を調節するために使用してよい。最適の条件の下では、混練プロセスは約１時間で完了する。これはデキストリン処理より一般的にはるかに速く、デキストリン処理では、それぞれのセルロースの添加に１時間を要する。
【００３７】
［００４３］（顕微鏡で判断して）混練の完了後、約１３０ｍｌの蒸留水を得られるゲル−ドウに混合して、その粘性を低下させる。その後、少量のＨＣｌを添加し、ｐＨ６．０に調整する。これは、加水分解酵素がいくぶん酸性環境を好むためである。得られる液体は溶けたチョコレートと同程度の中間的な粘性だった。メイセラーゼ（明治製菓株式会社）およびアクレモニウムセルラーゼ（菌類アクレモニウム・セルロリティカスから作製される市販のセルラーゼであって、明治製菓株式会社から入手）を、それぞれの酵素混合物について、酵素対バイオマスの重量比が１：１００で添加した。得られた混合物を５０℃の温度で反応槽にて撹拌した。酵素添加から数分内に、混合物の粘性が顕著に減少した。図４は、時間に対するバイオマスの加水分解を示す時間経過グラフである。分解された糖の実際の測定量と多糖類の加水分解からのバイオマスにおいて利用可能なそのような糖の理論的な量とを比較することで、パーセント加水分解を得た。加水分解の程度の測定が厳密な重量に基づくこのアプローチの利点は、非加水分解性成分（例えばミネラルの封入体、表皮、リグニン等）を自動的に考慮しなくてよいという点である。欠点は、１００％の図が理論的な量に基づくということであり、実際のバイオマスサンプルが加水分解される多糖類の計算された量を正確に含む見込みが若干ない。グラフは、加水分解が急速に進み４時間後に大部分完了したことを示す。４時間後において、計算される加水分解は８７％であり、１６時間後、加水分解のパーセントは、わずか９％増加して、９６％となった。９％の上昇は、ＰＶＡコンディショニング処理により完全に分解された粒子のゆっくりとした加水分解に起因したようである。それが真実である場合、より長い混練が、加水分解の全体的な時間を減少させるだろう。算定方式の本来的なエラーのため、任意の加水分解可能な多糖類が２０時間後に残るかどうかは現在知られていない。残る炭水化物の真の濃度を知るために、残留物が分析されるだろう。
【００３８】
［００４４］いずれにせよ、ほぼ完全な加水分解を数時間内に達成できることがここに実証される。ＰＶＡプロセスは、デキストリンプロセスと比較して、バイオマスのコンディショニング／分解をより速く達成し、最適のプロセスは室温で起こる。たとえ処理がより迅速でも、加水分解はより完了する。加水分解時間に対するプロセス時間と酵素量との最適の組み合わせは、まだ成し遂げられていない。当業者は、最速で、最低コストのプロセスが目標であることがわかるだろう。最初のバイオマスの粒子サイズを減少させることは、コンディショニング／混練プロセスの速度の上昇をもたらす。しかしながら、粒子サイズを減少させることは時間およびエネルギーを必要とする。コンディショニング／混練時間の増加は加水分解時間および必要な酵素量を減少させるが、細胞構造の分解の点を越えるコンディショニング混練は、あまりまたは全く有益ではない。一旦最適なコンディショニング／混練が達成されれば、酵素の量は、加水分解時間を増加させることで減少させることができる。現実のスケールアップしたプロセスでは、これらの様々な因子はコスト（時間、エネルギー、労働力および材料コスト）を最小化するために調節および選択されるだろう。
【００３９】
［００４５］概念的に、デキストリンプロセスは、開始のデキストリン溶液がかなり粘性であるものの、ゲル状ではないという点で、ＰＶＡプロセスと異なる。デキストリンプロセスにより、デキストリンおよびバイオマスは高い温度で混合され、ゲルが形成される。ゲルの存在は、機械的に混合（混練）してセルロースを分解する能力を強く増強すると信じられている。ＰＶＡプロセスにより、ＰＶＡ溶液はゲルを形成するためのホウ酸塩の添加によって最初に架橋される。その後、バイオマスがこのゲルと混合される。ゲルが前もって形成されるため、コンディショニング作用ははるかにより迅速でより有効である。これらのプロセス間の差異は、図５に図示される。
【００４０】
［００４６］図６は、更新された図１のバージョンを示し、ＰＶＡプロセスのためのレイアウトを示す。まず、バイオマス供給原料９が最適な粒子サイズ（粉末）にされる（ステップ１０）。ＰＶＡにより、ゲル形成およびコンディショニングステップが独立していることに留意される。ステップ１１において、ＰＶＡゲルがＰＶＡの架橋によって形成される。ステップ１３において、バイオマス粉末がＰＶＡゲルに添加され、混合−混練が、セルロースの水和および細胞組織の分解を促す。コンディショニングの後、ステップ１５にて水が添加され、粘性を低下させる。酵素１４’が混合され、ステップ１４にて加水分解が起こる。ステップ１９にて、リグニン２０が混合されたＣ５およびＣ６糖１７から分離される。酵母の添加により発酵２１が開始され、エタノール２０が製造される。エタノールは、キシロース１６を残す蒸留により混合物から分離され、キシロース１６は酵母混合物から回収することができる。あるいは、キシロースは例えばクロマトグラフによって混合糖１７から分けることができる。エタノールおよびキシロースの両方は貴重な製品である。リグニンもまた、化学用途のために売られる製品として考えられ、またリグニンは燃えて、直接エネルギーを放出できる。
【００４１】
［００４７］特許請求の範囲は、特に上に示され記述されるもの、概念的に等価なもの、明らかに置換できるものおよび本発明の本質的に新規の特徴を組込むものを含むと解される。当業者は、記載された実施形態自体の様々な適応および修飾を、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができると理解するだろう。記載された実施形態は、例示の目的としてのみ示されており、本発明の限定を意味するものではない。したがって、追加されたクレームの範囲内において、本発明を特にここに記述されたもの以外として実施してもよい。
【先行する出願に対する相互参照】
【０００１】
［０００１］本願は、２００８年４月１日に出願された米国仮出願第６１／０４１，３７９号の非仮出願であり、当該米国出願の優先権および利益を主張する。
【米国政府の支援】
【０００２】
［０００２］適用できない。
【背景技術】
【０００３】
［０００３］過去数十年の間、エネルギー不足に関する警告が繰り返されている。一般的なパターンは、エネルギー価格が急激に上昇し、深刻な景気低迷がもたらされ、それが一時的にエネルギー供給の圧力を取り除くというものであった。同時に、不熱心な省エネルギー措置が確立されている。過去、このことはエネルギー価格の一時的な下落をもたらし、過剰なエネルギー消費がすぐに再発し、省エネルギーおよび長期的エネルギー計画は完全に忘れられた。この時、中国およびインドの急速な発展は、エネルギー供給に対する圧力の増大をもたらしている。この要求は、恐らく価格の典型的に周期的な下落を緩和するように見える。最近、オイルの価格は、バレル当たり１５０．００ドル以上まで上昇し、省エネルギーが改善されず、新規のエネルギー源が見つからない場合、価格はそれらのレベルに結局戻ると考えられる。
【０００４】
［０００４］更に、エネルギー供給は有限である。最も良い推定であっても、石油供給は４０年程度以内にほとんど消耗されると予想されている。新規油田の発見および既存の油田の改良された回収でさえ、この推定によれば、恐らく２倍の８０年に増大することはないだろうとされる。したがって、効率の徹底的な改善または多大な維持の努力がなければ、何世代も前ではない我々の祖先が、馬を動力とする技術の終わりを見たのと同様に、現在生きているいくらかの個人は、ほぼ確実に石油を動力とする世界の終わりを目撃するだろう。幾人かは原子力に希望をかけている。不運にも、核燃料の供給もまた、現在使用する非能率的な原子炉を特に考慮すれば限定的である。更に、核廃棄物問題は非常に批判的であるため、燃料供給の制限がないとしても、我々の文明は核エネルギーを安全に頼ることができないだろう。
【０００５】
［０００５］その他の一般的な化石燃料の状況は、オイルよりもあまり明るくない。現在の天然ガス供給は約６０年後に使い尽くされると推測される。見積時間が２倍になっても、天然ガスに対する広い依存は１２０年以内に終了すると考えられる。石炭は恐らく最も豊富な化石燃料である；少なくとも２００年分の供給量があると予想される。このことは、代替エネルギー技術がすぐに開発されなければ、我々の文明は次の５０〜１００年以内に完全に石炭に依存することになるということを意味する。しかし、石炭は、最も初期に開発され、大部分がオイルおよび天然ガスに取って代わられた化石燃料である。これは、石炭の燃焼は汚く、大量の灰をもたらすためである。採炭のひどい環境上のコストは言うまでもない。
【０００６】
［０００６］しかしながら、恐らく、石炭の不足に起因して、石炭の使用を中止しなければならなくなることはないだろう。むしろ、化石由来の二酸化炭素の継続的な大気への放出という環境上の影響に起因するだろう。しばしば地球温暖化と呼ばれるこの問題は、あらゆる化石燃料の燃焼に起因する。その問題の十分な衝撃を実感する前に、恐らくオイルが使い尽くされるだろう。地球温暖化は恐らく適切な用語ではない。というのは、過剰な大気中二酸化炭素により全体的なグローバルな温度が上昇する一方で、現実の問題は本質的に温暖化ではなく、激烈な気候変化であるためである。地球の気候は常に変化するが、時折その他の時期よりも急速に変化する。例えば、相対的に最近では、氷河時代の終わりに起こった過去の激烈な気候変化が挙げられる；この気候変化は地質学の基準によれば迅速であるものの、生きた生物が新たな気候に適合し、またはより適用可能な気候の地域へと移転するのに十分なほど遅かった。したがって、氷河が退却し、気温が上がると、寒い温度に適した「北極の」種は、北へまたはより高い高地へ移動した。化石燃料の燃焼に起因する気候変化は迅速すぎて、生きる生物の移動が出来ないというあらゆる徴候がある。その結果、多くの種が絶滅し、種絶滅率は、我々の文明の拡散によって生じた絶滅率よりもはるかに高くなり、生物学的多様性が低下するだろう。
【０００７】
［０００７］融合といった完全に新規のエネルギー源が完成されるまで、エネルギー問題に対する最良の答えは、再生可能エネルギー源の排他的な使用と結び付いた、保存の大幅な増大であると考えられる。我々の惑星のほとんどのエネルギーは、究極的に太陽から来る。それ故、光起電力の電気形態の太陽エネルギーおよび太陽熱暖房が理想的である。しかしながら、直接の太陽エネルギーは、我々のニーズのすべてを満たすことができるとは限らない。水力発電および風力発電は再生可能な太陽ベースのエネルギーのその他の形態の２つである。これらの動力源のいずれも、大気中の二酸化炭素の変化をもたらさない。バイオマスエネルギー（すなわち木材およびその他の植物物材料）は太陽エネルギーを理想的に補完する可能性がある。バイオマスエネルギーは、バイオマスの燃焼によって通常得られ、そのような燃焼は大気へ二酸化炭素を放出するため、このことは驚くべきことと思われるかもしれない。しかしながら、バイオマスは再生可能である。緑色植物のプランテーションがバイオマスの製造のために育てられれば、放出された二酸化炭素は新規の植物材料に迅速に隔離されるだろう。したがって、二酸化炭素は繰り返し使用され、大気の二酸化炭素の全レベルは、化石燃料を燃焼する場合のように増大し続けない。現実の問題は、我々の経済へバイオマスエネルギーを統合する方法である。現在、木材を燃焼する流れる列車および木材を燃焼する自動車が著しく不足している。また、発電所におけるバイオマスの直接の燃焼も特に実行可能ではない。というのは、我々の電気生成システムは、液体のオイルまたは天然ガス、または粉砕された石炭の使用に適しているためである。
【０００８】
［０００８］バイオマスから液体燃料（主としてエタノール）を製造することについて多大な努力がなされてきた。これは、トウモロコシといった植物製品から直接的に由来する、またはセルロースバイオマスから発酵性糖への消化による間接的に由来する糖の発酵に関与する。糖に直接的に由来する発酵のための技術はよく確立されている。現在、アメリカは、トウモロコシ由来のエタノールに基づく燃料システムに次第に移行している。このアプローチは、トウモロコシの栽培地域から政治的に支持されるかもしれないが、それは潜在的に致命的な欠点を含んでいる。食糧からのトウモロコシの転換は、食品価格の劇的な上昇をもたらす可能性がある。トウモロコシの有効な培養のための窒素肥料が大量に必要となるのは更なる問題である。窒素肥料の主要な源は、エネルギー集約的な工業プロセスであり、トウモロコシ由来のエタノールで獲得できるエネルギーとほとんど同じ量のエネルギーを消費する。トウモロコシ穀物をエタノールに変換することで獲得できるのは、トウモロコシ植物のごく一部のエネルギーのみであるため、これは特に該当する。多くのエネルギーは植物のセルロースバイオマスに残り、エタノールとして再利用されない。
【０００９】
［０００９］恐らく、再生可能エネルギーの最も大きな潜在的な源はセルロースバイオマスに存在する。セルロースから発酵性糖への転換は困難であり、現在全く効率的でない。典型的に、酵素または酸が、セルロースバイオマスを発酵性糖へ加水分解するために使用される。バイオマスの適切な機械的な前処理が不可欠である。いくつかのプロセスにおいて、バイオマスは化学的に前処理され、次に温度および圧力の急速な変化により「爆発」される。そのようなプロセスは、大量の危険な化学廃棄物を作る可能性がある。その他のプロセスでは、製紙のための木材パルプの製造に使用されるもののように、装置にて酸における木材チップを処理する。現在まで、これらのアプローチのいずれも、高度に成功するとは示されていない。本発明者は、以前に、バイオマスを十分に小さな粒子へ縮小することにより、現在の技術の問題を解決しようとした。本発明者は、そのような粒子（いわゆるセルロース微粉末）は、酵素によって、または化学的加水分解によって、糖およびその他の有機的なモノマーに容易に加水分解することができることを発見した。恐らく粒子の非常に小さいサイズのため、加水分解酵素は、その他の方法にて調製されたセルロースバイオマスよりもはるかに有効である。このアプローチの主な欠点は、微粉末およびそれらによるエネルギー消費量を作るために使用される装置が複雑であることと考えられる。それ故、本発明者は、セルロースバイオマスを発酵性糖に変換するより効率的な方法を開発することを試みた。
【発明の概要】
【００１０】
［００１０］本発明に係るプロセスは、セルロースバイオマスを、適切な酵素によって容易に加水分解されるゲル様状態に転換する。本発明者はこのプロセスを「コンディショニング」または「共溶媒和」と称する。第１に、バイオマスは機械的にサイズが縮小される。バイオマス源の明確な特徴に依存して、そのプロセスは、最大の寸法が約２ｍｍ未満である材料において有用と成りうる。しかしながら、最適な結果は、最大寸法が１００マイクロメートル未満、好ましくは２０−７０マイクロメーターのサイズ幅のバイオマス粒子にて達成される。当然、さらに小さな寸法を有するバイオマス粉末は完全に機能するが、可能であるならば、そのようなより小さな寸法を有する材料の使用を改善することは、バイオマス粒子のサイズをさらに低減する際の付加的な努力を正当化するようには見えない。その後、バイオマスは、コンディショニング剤または共溶媒として作用する親水性ポリマーの水溶液と混合／混練される。得られる混合物は混合および混練され、バイオマスにおけるセルロース（およびヘミセルロース）は膨潤し、水和される。これは粘性のゲル様材料をもたらす。その後、処理された材料は、水の追加によって薄くすることができ、加水分解酵素が材料と混合される。多糖類が遊離糖に分割されるため、混合物の粘性は急速に減少する。バイオマスが完全にコンディショニングされる場合、遊離糖への加水分解は数時間内に生じる。
【００１１】
［００１１］デキストリンはバイオマスのコンディショニングのための有効な親水性ポリマーである。実験により、最初のコンディショニング液は有意な粘性を有しているべきであり、さもないと、コンディショニングプロセスが非常に遅くなることが示されている。本発明者は、粘性液がバイオマス粒子への混合／混練エネルギーの伝達をもたらすと信じている。この伝達されたエネルギーはバイオマスの水和およびバイオマス粒子の細胞構造の破壊に関与する。デキストリンを用いる場合、混合／混練は、高い温度（例えば７０−９０℃）にて非常に効率的である。この理由の一部は、高い温度が混合物の柔軟性を維持するためである。バイオマスは水を吸収するため、塊はますます濃くなる。濃い塊を冷やすと、それは完全に強固になる可能性がある。デキストリンを使用する場合、周期的に少量の水を添加して、塊が濃くなり過ぎないようにすることは有効である。過剰な水の添加は避けるべきである。というのは、粘性があまりに低下する場合、コンディショニングプロセスの速度が劇的に減速するためである。デキストリンコンディショニング剤の最適な実施は、水およびバイオマスの添加を交互に行い、最適の加工条件を維持することである。本プロセスは、混合物がバイオマスの重量の約３０％から５０％である場合に有効である。一般に、完全なプロセスでは、５−１０時間の混合／混練を必要とする。
【００１２】
［００１２］ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）はバイオマスにて使用するための別の有効なコンディショニング剤である。ＰＶＡはデキストリンおよび同様の多糖類よりも有効と成りうるようである。というのは恐らく、ＰＶＡを架橋するホウ酸塩といった薬剤を添加することにより、ＰＶＡ溶液を粘性のゲルに変換することが可能であるためである。バイオマス粒子がそのようなＰＶＡゲルへ混合／混練される場合、コンディショニングプロセスは室温で急速に進行する。デキストリンのコンディショニング材料と異なり、ＰＶＡのコンディショニング材料はその柔軟性を維持し、処理を増強するローリングおよびスタッキング操作の使用を可能にする。デキストリンコンディショニングと同様に、混合物の粘性を制御するために、必要に応じて水を添加することができる；しかしながら、水の添加は一般的に必要ではない。デキストリンコンディショニングと同様に、ＰＶＡプロセスは、バイオマス重量の約３０％−５０％の混合物を扱うことができる。ＰＶＡ処理はデキストリンプロセスよりも一般的に速く、１から２時間ほどで完了に達する。コンディショニング後、濃いゲルは水の添加によって薄くされ、その後加水分解酵素が混合される。混合物の粘性は酵素的加水分解によって急速に低減され、それは大体５時間以内に完了する。
【００１３】
［００１３］本プロセスの鍵は、粘性の親水性高分子溶液の存在下でバイオマス粒子を混合することである。粘性の溶液を作ることができるその他の親水性ポリマーも有効であると予想され、これには、架橋されたポリアクリル酸（および共重合体）および多糖類、例えば、ホウ素イオン、カルシウムイオンまたはその他の二価陽イオンによって架橋できるペクチン、ローカストビーンガム、グアーゴム、コンニャクガムおよびアルギン酸塩が含まれる。コンディショニング剤の選択は、材料の入手可能性の経済問題およびもしあれば使用済み材料の処分の問題にある程度依存する。デキストリンの場合、それらは容易にαアミラーゼによって加水分解し、酵母による発酵を受けることができる。ＰＶＡの場合、材料は加水分解液から回収し、再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明に係るコンディショニングプロセスの実施における全体的な工程の模式図である。
【図２】図２は、セルロースバイオマスを処理するためのデキストリンの使用を示す流れ図である。
【図３】図３は、セルロースバイオマスを処理するためのＰＶＡの使用を示す流れ図である。
【図４】図４は、ＰＶＡ処理されたセルロースバイオマスの酵素的加水分解を示すグラフである。
【図５】図５は、デキストリン処理対ＰＶＡ処理におけるゲル形成を対比する流れ図である。
【図６】図６は、ＰＶＡを使用するプロセス全体の流れ図である。
【発明の詳細な説明】
【００１５】
［００２０］以下の記述は、当業者が本発明を作製し且つ使用することを可能にするために提供され、本発明の実施において本発明者によって意図された最良の様式を述べる。しかしながら、当業者にとって、様々な修飾が容易に明白であるだろう。それは、本発明の一般的な根本方針をここに記載するためであり、特に、親水性ポリマーによる化学的コンディショニング／溶媒和の使用によって、バイオマスを容易に加水分解できる形態へ分解するための改良された方法を提供するためである。
【００１６】
［００２１］本発明者は、デンプンを発酵性糖に分解するために使用される過程を分析した。トウモロコシをエタノールに変換する工場において、トウモロコシデンプン（主としてグルコース１−４ポリマー）は、水中で「調理」することでまず水和される。高い温度での水の存在下にて、デンプンポリマーは水和され、ゲルを形成する。デンプンポリマーは一般に長すぎるため、完全に可溶性にはならない；しかしながら、ポリマーは、水和されたゲルとして、酵素の処理に対して容易にアクセス可能となる。アミラーゼといった酵素は１−４結合を開裂し、デンプンゲルを、１−６分枝および単糖（グルコース）を含むより短いポリマーの液体の溶液に分解する。グルコアミラーゼの添加は１−６結合を開裂し、デンプンの発酵性糖（グルコース）への転換を完了する。
【００１７】
［００２２］デンプンと同様の方式でセルロースバイオマスを水和することが可能である場合、水和セルロースを非常に効率的に単糖に変換することが可能であるに違いない。産業上、セルロースの処理について多くの知見が存在し、セルロースの半可溶性ゲルへの水和は容易に行えないことが一般的に既知である。セルロースバイオマス（例えば木材チップ）が、一定の化学薬品の存在下、高い温度で調理され撹拌された場合、セルロースからリグニンを分離し、相対的に純粋な（しかしまだ不溶性の）セルロースを作ることが可能である。これは本質的に、木材チップを製紙用パルプに変換するために使用されるプロセスである。また、一定のアルカリ組成物および有機溶媒、例えば二硫化炭素は、セルロースを実際に溶かすために使用できることも既知である。より最近、より温和なイオン液体（例えば、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム塩化物）がセルロースを溶かすことがわかった。これらのいずれかのアプローチは、繊維または材料用途（例えばセロハン）のためのセルロースの再生に有用である一方、これらの化合物は、毒性がありおよび／または高価であり、消化されたセルロースの単糖へのさらなる分解のための酵素として一般的に適合しない。
【００１８】
［００２３］したがって、本発明者は、セルロースを水和するための、より単純でより安全な方法を探した。セルロースバイオマスにおいて見つかるセルロースの周知の準結晶領域は、水和に対するセルロースの抵抗性の少なくとも部分的な原因であるようであった。セルロースバイオマスのウェット（ＷＯ／２００２／０５７３１７を参照）およびドライ（ＷＯ／２００７／１０６７７３を参照）分解についての本発明者の初期の実験において、水の繰り返しの適用によって（ウェットプロセス）また、さらには機械的力（ドライプロセス）によって直接的に、少なくともある準結晶セルロースを分解することが可能であることが示された。本発明者は、親水性ポリマーの水溶液の存在下でセルロースを激しく混合または混練する理論を開発し、本発明者によるウェットプロセスおよびドライプロセスの効果を組み合わせることができた。親水性ポリマーは水の粘性を増加させ、それによって混合からの力学的エネルギーのより効率的な伝達を可能にする。また、ポリマーの存在は周囲の培地の誘電率を変更するが、これは水素結合の強度に対して効果を有し得る。実際、親水性ポリマー分子は表面のセルロース分子と相互作用し、セルロースの不溶性の塊からそれらを「むく」のを支援する。同時に、親水性ポリマーはセルロースポリマー鎖間にインターカレートし、準結晶領域を分裂させ、セルロースを水和された半可溶性形態に維持する。本質的に、親水性ポリマーはセルロースのための「共溶媒」または「コンディショナー」として作用するだろう。「共溶媒」という用語が適宜使用されるものの、親水性ポリマーは、セルロースを完全に溶液の状態にする真の溶媒としては作用しないと認識すべきである。むしろ、ポリマーはセルロースの条件を整え、それを迅速に酵素的に加水分解できるゲル様形態に変換する。以下に実証されるように、親水性ポリマーはセルロースのための共溶媒として作用し、それらは、バイオマスを、酵素によって容易に加水分解できるセルロースの形態に変換する作業を非常に単純化する。
【００１９】
［００２４］図１に、プロセスの全体的な概要が示される。第１ステップ１０において、プロセスにおける続くステップを容易にするために、バイオマスのサイズが低減される。バイオマスの調製は比較的単純である；汚れ、石、樹皮およびその他の非セルロース成分を可能な限り除く。そのようにして得られる「洗浄」された主としてセルロースであるバイオマスまたは供給原料は、次に、切断または同様の操作により分解され、最大の寸法が約２ｍｍ以下とされる。本発明者の以前の特許出願に記載される切断装置が、この作業に理想的である。のこくずまたはその他の実質的に２ｍｍ未満の寸法の塊は、より迅速に処理されるだろう。２ｍｍ未満に寸法を分解することは実質的に必要でない一方、混練／混合工程に費やされる時間／エネルギーとバイオマスの寸法の分解に費やされる時間／エネルギーとの間でトレードオフの関係があることが認識されるだろう。本発明者の以前の出願（同上）に記載される機構が理想的であるものの、その他の適切な装置が当業者にとって明白であるだろう。バイオマスの好ましいサイズは２ｍｍ未満の直径である；より好ましいサイズは直径１ｍｍ未満である；最も好ましいサイズの範囲は、直径約２０−７０マイクロメートルである粒子であり、すなわち１００マイクロメートル未満である。植物細胞は一般に直径１００マイクロメートル未満であり、多数の植物細胞は２０−７０マイクロメートルの範囲である。したがって、バイオマスをこの範囲の粒子にするのは比較的簡単である。粗製のバイオマスは完全にはセルロース・グルコース・ポリマーでないことが認識されるだろう。それはさらに変動する量のヘミセルロース（キシロース、マンノース、ガラクトース、ラムノース、グルコースおよびアラビノースといった糖を含む多糖類、並びにマンヌロン酸およびガラクツロン酸）を含む。ヘミセルロースにおける優勢な糖はペントース糖であるキシロースである。ほとんどのバイオマスはさらにリグニンを含み、これは、コンフェリルアルコール、ｐ−クマリルアルコールおよびシナピルアルコール（リグノールとして知られている）の誘導体の複雑な疎水性ポリマーである。リグニンは、セルロース構造およびヘミセルロース構造を相互に固めていると考えられる。
【００２０】
［００２５］第２のステップ１２において、バイオマス粒子はゲル反応コンディショニング剤と混合される。バイオマスはコンディショニング剤と混合または混練され、その間、バイオマスの細胞構造が分解される。セルロースおよびヘミセルロースは部分的に水和され、これらの多糖類およびリグニンの間の相互作用は分裂し、植物細胞壁の微細構造が分解される。得られる生成物は完全に粘性であり、水の添加によって粘性を低減する必要がある。ステップ１４では、加水分解酵素が混合され、コンディショニングされたバイオマスの粘性は急速に低下する。酵素的加水分解の後、グルコース１８およびキシロース１６（およびその他のヘミセルロースモノマー）が溶液中に存在する。リグニン２０は小さな粒子として存在するが、部分的に分解したリグニンの化学構造はまだ特徴づけられていない。リグニンはろ過または遠心分離によって除去することができる。キシロース（貴重な天然産物）を回収する必要がある場合、当該分野で周知の方法（例えばクロマトグラフ法）によって可溶性糖を精製することができる。糖溶液（分離の前またはその後のいずれか）は、次に、当該分野において周知のように、エタノールを製造するための酵母によるアルコール発酵に供される。
【００２１】
［００２６］本プロセスは、最初に、バイオマスコンディショナーとしてオリゴ類を使用して開発された。さらに粘性を増加させる共溶媒として作用するその他の親水性ポリマーがさらに効果的であることが示された；これらすべての材料は低価格であり、一般的に無毒である。現在好ましいオリゴ類は、デキストリン（比較的短い１−４グルコースポリマー）、マルトデキストリンおよびマルトースなどである。ポリマー長が長くなると、デキストリンポリマーの水溶液の粘性は増加する。有効性は十分な粘性を達成するために必要とされるオリゴ類の量と関係があるようである。マルトースのように非常に短いポリマーの場合、非常に濃縮した溶液が最適な結果のために使用される。ポリビニルアルコールは、現在好ましい非炭水化物親水性ポリマーである。
【００２２】
［００２７］オリゴ類を使用するプロセスは、調製したバイオマスを準備し、デキストリン「共溶媒」溶液を添加し、その後、得られた塊を、粘性の半透明または透明なゲル様混合物が生じるまで高い温度（６０℃から９０℃）で混合する。混合の間、バイオマスは膨潤−水和ステップを経験する。最後に、セルロースは、いくぶん粘性のゲルに完全に「分解」される。デキストリンを使用する場合バイオマス混合物の柔軟性を維持するために、一般的に加熱する必要がある。
【００２３】
［００２８］一実験において、サイズを低減したバイオマスの１０−２０重量％の混合物をデキストリン共溶媒において撹拌し、その後、粘性のゲルが形成されるまで、高い温度（６０℃から９０℃）で「混練」（混合）した。「混練」とは、固体および液体の混合処理を意味し、パン生地の形成において小麦粉および水に適用されるそれと異ならない。高い温度を維持する方法がある限り、小麦粉ベースの生地の生産に適したものと同様の市販される混合装置を使用することができる。本発明者は、コーティングまたは射出成形のためのプラスチック樹脂の作製に伝統的に使用される２重のスクリュー・ミキサー／押し出し成形機が特に適切であることを発見した。通常、セルロースバイオマスを水和し、それを非常に粘性の半透明または透明なゲルに転換するために、約１時間の混合は必要である。ろ紙のような精製されたセルロースを試験出発原料として使用する場合、得られるゲルは無色で透明である。通常、多数の気泡がゲルに閉じ込められ、それが澄んだ水となることを阻害する。さらに、植物色素および不溶性材料が、ゲルの透明性を低下させる。混合物における固体重量は５０％以上に達する場合がある。
【００２４】
［００２９］通常、バイオマスはセルロースと同様にリグニンおよびヘミセルロースも含むだろう。例えば、バガス（破砕されたサトウキビから糖を抽出した後に残るパルプ）が、デキストリン共溶媒と混合され、高い温度で約１時間混練される場合、得られるゲルはやや黄色または褐色を帯びた色調を有し、精製されたセルロースから作られたゲルほど透明ではない。ゲルの顕微鏡観察から、ほとんどの細胞構造が大部分破壊されていることがわかる。しかしながら、サトウキビの表皮細胞はいくぶんケイ酸化され、この細胞構造の一部は混練プロセスを生き残っている。さらに、微量の極度に木質化された血管要素も存続するものの、より長い処理がそれらを完全に破壊するだろう。
【００２５】
［００３０］様々な植物材料を用いた実験から、いくつかの材料は、他のものよりも共溶媒和に強いことが実証された。粒子サイズが直径２０−７０マイクロメートルの範囲、すなわち１００マイクロメーター以下のバイオマス粉末によって開始する場合に、有意に速い結果が得られることがわかった。様々な機械的処理装置が、不必要な処理を行うことなく、容易にセルロースバイオマスをこのサイズ範囲の粒子に分解することができる。本発明者の以前の特許出願において使用される装置が適切である。上記特許出願にて議論されるように、バイオマスを１マイクロメートルまたはサブマイクロメートルサイズの範囲に小さくすることはより困難である。現在のプロセスの利点は、それが引き継ぎ、通常の機械装置によって容易に生産できるバイオマス粒子を最適に処理することである。
【００２６】
［００３１］特に高い温度にて、デキストリン共溶媒でバイオマスを混練することは、固体のセルロースを非常に粘性のゲルまたは生地に転換することをもたらし、これは、少なくとも外観上は、調理におけるデンプンのゲルへの転換と完全に異なるわけではない。より高い濃度のバイオマスを有する混合物はより効率的に溶媒和できることが発見された；溶媒和は粘性の溶液において最も容易に生じるように見える。高い温度はそのような粘性の混合物の柔軟性を維持するのに必要であり、それらが冷却される場合、凝固する傾向がある。本発明者は、添加されるバイオマスによって生じる混練する際のより高いレベルの粘性が溶媒和の速度を増加させると信じる。プロセスの次のステップはデンプンプロセス（すなわちゲルの液化）と類似する。ほとんどの場合、混練されたバイオマスは、非常に粘性があるか、または生地状となるため、水を添加して、酵素添加に先立って粘性を低減することが必要となる。
【００２７】
［００３２］セルロースゲルの場合、液化は、継続的に混合しながら、ゲルに液化酵素（エンド−セルラーゼおよびエンド−グルカナーゼ）を添加することで達成される。ゲルの液化に続き、糖化酵素（エキソ−セルラーゼ、セロビオグルカナーゼおよび混合グルカナーゼ）が添加され、残るセルロースが遊離グルコースに分解される。また、両タイプの酵素を同時に添加し、液化および糖化を同時に進行させることもできる。好ましい酵素は、トリコデルマ・リーゼイおよびビリデ並びにアスペルギルス、アクレモニウムおよびペニシリウムの種が生産したものである。明治製菓株式会社（日本、東京）からの酵素（例えば、メイセラーゼ；セルラーゼ、キシラナーゼ、β−グルコシダーゼおよびα−Ｌ−アラビノシダーゼを含むＴ．ビリデ酵素の混合物）を様々な実験に使用したものの、その他の生物および市販品からの適切な酵素を同様に使用できる。本発明は、本質的に適切な特異性を有する任意の酵素によって、セルロースをより容易に加水分解される形態に変換するということを認識することが重要である。一般に、添加する酵素の重量はセルロース供給原料の重量の約１／１００である。使用される酵素に依存して、約４５℃から６０℃の間で最適の反応が生じる。液化酵素と糖化酵素との間で酵素活性のタイプが相当オーバーラップすることが当業者に認識されるだろう；したがって、液化酵素はかなりの量の遊離糖を放出する。
【００２８】
［００３３］典型的な実験を以下に詳細に記述する。５０ｇのデキストリン（例えばマルトース）を１２．５ｇの水に添加することで（８０重量％溶液）、水にデキストリンを含む開始溶液またはシロップを作製する。より高いＤＥ率（デキストロース当量）を有するデキストリンは、より高い粘性を有した溶液を作り、より低い重量パーセンテージにて有効である。このことは、共溶媒の粘性は重要であり、より高い粘性の溶液は著しくより有効であることを意味する。当然、粘性の共溶媒は、バイオマス／共溶媒混合物に対して、混合または混練するにはあまりに高い粘性を付与するという不都合がある可能性がある。典型的に、膨潤および水和ステップのｐＨは中性付近である。この実験において、セルロースとデキストリンとの間の重量比は少なくとも５：２だった。最初に、１０ｇのセルロース（１ｃｍ角に切られたろ紙の形態）をデキストリン溶液に添加し、得られる混合物を８０℃で１時間程度混合−混練した。セルロースは、このプロセスによって膨潤し、透明なゲルまたは「ドウ」を形成した。ゲルがこの時点で室温まで冷却される場合、粘性が著しく増加する。次に、少なくともさらに１０ｇのセルロース（セルロース混合物の２０重量％）を添加し、同様の時間にわたってゲルに吸収させた。さらなる処理の間、比較的少量の水（ここでは５ｍｌ）をゆっくり添加し、粘性を一時的に減少させ、処理のし易さを向上させた。粘性の低下は、溶液に剪断応力を与え、小繊維およびその他の植物細胞壁構造を分解することを助ける「ビーティング」を含むより激しい混合を可能にする。セルロースがますます膨潤し水和すると、粘性は増加し、さらに一定分量の水（ここでは１０ｍｌ）を添加し、これによって再び粘性を著しく減少させる。この点で、一定分量のセルロースが添加され、この添加のループ（図１を参照）を５−１０回繰り返した。セルロースの量が増加すると、各々の繰り返しの処理時間がわずかに減少した。添加プロセスを５回繰り返すと、最終溶液は約３０重量％のセルロースとなった。
【００２９】
［００３４］混合−混練（「ビーティング」剪断力を含む）は、生物学的物質（植物細胞壁）を小繊維および副小繊維に分解する機械的効果を有する。同時に、加熱および共溶媒は、セルロースの準結晶領域を可溶性領域に分解することを助ける。残る小繊維は、このプロセスの間に膨潤しばらばらになり、結局ゲル溶液へ完全に吸収される。混合−混練および「ビーティング」剪断力の適用度合いに依存して、プロセス速度は増大できるが、処理装置の正確な機械的な構成は重要ではない。水の周期的な添加（図２を参照）は、過度の粘性の低下を助け、これによって、最も迅速な膨潤および水和を達成できる。驚くべきことに、天然のバイオマスにおけるリグニンの存在は、このプロセスを助けるようである。紙を作る際にリグニンを化学的に除去すると、セルロース分子は膨潤および水和に対してより耐性をもつ。このことは、セルロース構造が、脱リグニンにおいて、溶媒和に対してより強固となりまたは抵抗性を有することを示唆する。
【００３０】
［００３５］膨潤および水和が完了すると、温度は６０℃まで（またはより低く、上記参照）低下し、液化酵素を添加し、約０．０２重量％の酵素溶液を形成した。ゲルは、約３０分以内のさらなる混合により、完全に液化された。その後、温度を約５０℃に低下し、糖化酵素を添加して、約０．０５重量％の酵素溶液を作製し、ｐＨを４．５に調節した。酵素対バイオマスの重量比は約１：１００であった。３時間の継続的な混合後、セルロースからグルコースへの転換は少なくとも８０％完了し、さらなる加水分解をより長いインキュベーションにより行った。適切な酵素が含まれていれば、ヘミセルロースもまた、構成する糖に加水分解されるだろう。より低い量の酵素が有効と成りうるものの、より長い処理時間をもたらすと認識されるだろう。時間、温度およびｐＨは、使用される明確な酵素に依存して変更すべきである。
【００３１】
［００３６］ろ紙、ヒノキ（スギ属）軟材チップ（２ｍｍ）、トウモロコシの茎および葉、バガス、サトウモロコシのわら、稲わら、米の殻およびギネアアブラヤシの廃棄物（ＥＦＢまたはパームの空の果物房）を、本デキストリンプロセスで試験した。これらのバイオマス材料はすべて本共溶媒方法によって溶かすことができる。本方法は本質的にあらゆるセルロースバイオマスにおいて機能すると考えられる。表１は、多数の様々なセルロースの粒子（上述のとおり製造され、直径２０−７０マイクロメートル）による結果を示す。所定重量の粉末を所定重量の８２％デキストリン溶液に添加し、上記の通り混合／混練した。上記のとおり、１以上の水の添加を行った。水の追加が混練の際の粘性のために必要となった。容易に溶媒和される材料は、それほど粘性はなく、水の添加はほとんど必要としない（または不要であった）。
【表１】
【００３２】
［００３８］混練操作の後、得られるそれぞれのゲル−ドウを加水分解した。最初に、材料を、２部の蒸留水で１部の混練されたバイオマス（重量による）を希釈し、反応槽において撹拌することで（１００−４００ＲＰＭ）スラリーを形成した。材料のｐＨを中性付近（ｐＨ６．５）に調節し、材料を少なくとも１時間６０℃に加熱し、低温殺菌した。次に、撹拌したバイオマスを、約５０℃未満まで冷却し、１：１００（酵素対バイオマス）の重量比のメイセラーゼおよびβ−グルコシダーゼが豊富な酵素（同様に１：１００の重量）を添加し、スラリーを２４時間撹拌した。液化および糖化が同時に生じたことに留意される。サンプルを周期的に回収し、ＨＰＬＣによって試験した。その結果から、加水分解が６時間で５０％以上完了し、２０時間で８０％−ほぼ１００％完了したことが示された。これらの結果から、加水分解の完了の程度は出発原料に依存することが示される。更に、その結果から、大多数の加水分解が最初の数時間に生じ、その後低下することが示された。
【００３３】
［００３９］本発明者は、上記の実験に示される酵素的加水分解の速度および程度は、セルロースの共溶媒和が完了していないことを示唆するものと考える。共溶媒和されるセルロースは、最初の数時間内に急速に加水分解される。その後、残る部分的に共溶媒和されたセルロースはよりゆっくり加水分解される。使用される酵素混合物は、十分な時間が与えられる場合には、未処理のバイオマスの加水分解を達成できることが既知である。予想通り、そのような加水分解の速度は、バイオマスの粒子サイズに依存する（表面／体積の効果）。例えば、植物全体は、有意な酵素的加水分解を示すには多くの日数を要する場合がある。１−２ｍｍの範囲における最大直径を有するバイオマス材料は、数日から１週間の間に顕著な加水分解を示す。ここで試験したサイズ範囲内（２０−７０マイクロメートル）の材料は２−３日において顕著な加水分解を示す。ここに示された結果に基づいて、完全に共溶媒和されるバイオマスは、最大で数時間内に加水分解の完了を示すと考えられる。しかしながら、デキストリン共溶媒−溶媒和プロセスは、セルロース加水分解の速度を非常に促進することが明らかである。
【００３４】
［００４０］本発明者は、共溶媒としてデキストリンを使用することの短所は、混練−混合において有効な共溶媒和を引き起こすのに十分な粘性を提供するために、非常に濃縮した溶液の使用を必要とすることであると考える。この濃縮溶液は、高濃度でバイオマスを含むゲルを、溶媒和の進行に伴ってますますドウ状にする。これは、有効な混練を可能にするために、温度の上昇および水の添加を必要とする。ドウは混合されず冷却されると、それは柔軟性がない固体になる。したがって、本発明者は、はるかに低い濃度の共溶媒で適切な粘性を製造する親水性の共溶媒を探した。そのような共溶媒によって、バイオマスが水和され共溶媒和されても、バイオマスによる水の継続的な吸収が混合物の硬化をもたらすことはないだろう。これは、本質的にすべてのセルロースが水和され共溶媒和されるまで、混練を継続させる。そのような共溶媒の可能性ある１つは、より高いＤＥ数（上述の通り）を有するデキストリンである。しかしながら、本発明者は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）のような親水性ポリマーはより効果的な溶液を提供すると信じる。本発明者はいくつかのタイプのＰＶＡ（５重量％、１０重量％および２０重量％の濃縮物を含んだ水溶液として）を試験した。試験されたＰＶＡは、クラレケミカル株式会社（日本、大阪）によって作られており、Ｐｏｖａｌ１０５、Ｐｏｖａｌ１１７、Ｐｏｖａｌ２０５およびＰｏｖａｌ２１７として販売されている。製品名における１つ目の数字はタイプ１またはタイプ２ＰＶＡのいずれかを意味する。タイプ１ＰＶＡは９８−９９％の加水分解レベルを有し、タイプ２ＰＶＡはわずか８７−８９％の加水分解レベルを有する。続く２つの数字はポリマーのサイズを意味する。それらの製品名のうちの「０５」とついた材料は重合数５００を意味し、１１７の製品は重合数１７００を意味する。溶液の粘性は、加水分解の程度および重合度（重合数）の両方に影響を受ける。重合度が増加すると、所定の重量パーセンテージ溶液はより粘性になる。しかしながら、加水分解レベルが所定の重合数において上昇すると、溶液の粘性は減少する。
【００３５】
［００４１］ＰＶＡの興味深い特徴は、ホウ酸塩、チタン酢酸塩、銅およびその他の金属塩といった多数の化学物質によって架橋できるということである。架橋結合は、ホウ酸塩イオンの４つの負電荷がＰＶＡの正電荷に作用するホウ酸塩との電荷の架橋、または金属塩の場合において架橋する金属結合部位の形成の何れかによって生じる。粘性の非ニュートン流体である架橋されたＰＶＡを作る能力は、デキストリンで共溶媒和されたバイオマスと同様に、過度に濃くならず、混練の際に硬くなることもない初期の高い粘性を有した親水性ポリマー共溶媒の使用を可能とする。５重量％のＰＶＡ溶液がテトラホウ酸ナトリウムの飽和溶液と組み合わせられる場合（１部のＰＶＡ溶液に対して０．５−１部の間のホウ酸塩溶液）、細工可能な「スライム」が製造される。粉末のバイオマス（直径２０−７０マイクロメートルの粒子）が添加され混練される場合、この材料は比較的プラスチックのままである。得られる混合物は、バイオマス材料が完全に水和され共溶媒和されるまで、容易に混練または混合され、さらにはローラー間で繰り返しプレスされる。
【００３６】
［００４２］ＰＶＡスライムを使用するプロセスが図３に示される。代表例において、１０重量％のＰＶＡ−２０５の溶液が蒸留水によって作られる。混合物を撹拌し、７０℃まで加熱してＰＶＡを溶液に入れる。得られる溶液は、水よりわずかに粘性だった。溶液を室温に冷却した後、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）の２ｍｌの飽和した水溶液を添加して混合した。得られる溶液はｐＨ５．０であった。ホウ酸ナトリウムの少量の飽和した水溶液（約０．５ｍｌ）が添加され混合された。得られる粘性のスライムはｐＨ６．５であった。ＥＦＢ（ヤシ油の空の果物房）（直径２０−７０マイクロメートルの粒子）をこのゲルに添加し、室温で混練した。得られるゲルは比較的柔軟だったが、混練が続くと、水（２０ｇ−３０ｇ）が蒸気として失われ、水がバイオマスに吸収され、ゲルはよりドウ状態となった。材料は、容易にロールして水平にし、積み重ねることができるかもしれない。積み重ねられた材料はドウを壊すために折り返され、その後、１つにまとめられ、さらにロールされた。少量の材料を時々回収し、水で希釈し、顕微鏡観察した。処理の進行にともなって、粒子サイズが低下し、細胞構造が破壊される様子が確認できた。分解プロセスは厚い固いゲルにおいて迅速だったが、薄いゲルではほとんど生じなかった。このことは、機械的な力の伝達がプロセスの本質的部分であることを意味する。多くのバイオマス粉末の添加は、粘性を増加させて、プロセスを促進する。バイオマス固体の最適な含有量は、約４０重量％であるようである。より低い量のバイオマスは、薄すぎて混練および効率的なロールが出来ない材料をもたらす傾向にある。より高い量のバイオマスは、あまりにも粘性であるため効率的に機能しない塊を作る可能性がある。ＰＶＡの濃度およびタイプを変えることはまた、粘性を調節するために使用してよい。最適の条件の下では、混練プロセスは約１時間で完了する。これはデキストリン処理より一般的にはるかに速く、デキストリン処理では、それぞれのセルロースの添加に１時間を要する。
【００３７】
［００４３］（顕微鏡で判断して）混練の完了後、約１３０ｍｌの蒸留水を得られるゲル−ドウに混合して、その粘性を低下させる。その後、少量のＨＣｌを添加し、ｐＨ６．０に調整する。これは、加水分解酵素がいくぶん酸性環境を好むためである。得られる液体は溶けたチョコレートと同程度の中間的な粘性だった。メイセラーゼ（明治製菓株式会社）およびアクレモニウムセルラーゼ（菌類アクレモニウム・セルロリティカスから作製される市販のセルラーゼであって、明治製菓株式会社から入手）を、それぞれの酵素混合物について、酵素対バイオマスの重量比が１：１００で添加した。得られた混合物を５０℃の温度で反応槽にて撹拌した。酵素添加から数分内に、混合物の粘性が顕著に減少した。図４は、時間に対するバイオマスの加水分解を示す時間経過グラフである。分解された糖の実際の測定量と多糖類の加水分解からのバイオマスにおいて利用可能なそのような糖の理論的な量とを比較することで、パーセント加水分解を得た。加水分解の程度の測定が厳密な重量に基づくこのアプローチの利点は、非加水分解性成分（例えばミネラルの封入体、表皮、リグニン等）を自動的に考慮しなくてよいという点である。欠点は、１００％の図が理論的な量に基づくということであり、実際のバイオマスサンプルが加水分解される多糖類の計算された量を正確に含む見込みが若干ない。グラフは、加水分解が急速に進み４時間後に大部分完了したことを示す。４時間後において、計算される加水分解は８７％であり、１６時間後、加水分解のパーセントは、わずか９％増加して、９６％となった。９％の上昇は、ＰＶＡコンディショニング処理により完全に分解された粒子のゆっくりとした加水分解に起因したようである。それが真実である場合、より長い混練が、加水分解の全体的な時間を減少させるだろう。算定方式の本来的なエラーのため、任意の加水分解可能な多糖類が２０時間後に残るかどうかは現在知られていない。残る炭水化物の真の濃度を知るために、残留物が分析されるだろう。
【００３８】
［００４４］いずれにせよ、ほぼ完全な加水分解を数時間内に達成できることがここに実証される。ＰＶＡプロセスは、デキストリンプロセスと比較して、バイオマスのコンディショニング／分解をより速く達成し、最適のプロセスは室温で起こる。たとえ処理がより迅速でも、加水分解はより完了する。加水分解時間に対するプロセス時間と酵素量との最適の組み合わせは、まだ成し遂げられていない。当業者は、最速で、最低コストのプロセスが目標であることがわかるだろう。最初のバイオマスの粒子サイズを減少させることは、コンディショニング／混練プロセスの速度の上昇をもたらす。しかしながら、粒子サイズを減少させることは時間およびエネルギーを必要とする。コンディショニング／混練時間の増加は加水分解時間および必要な酵素量を減少させるが、細胞構造の分解の点を越えるコンディショニング混練は、あまりまたは全く有益ではない。一旦最適なコンディショニング／混練が達成されれば、酵素の量は、加水分解時間を増加させることで減少させることができる。現実のスケールアップしたプロセスでは、これらの様々な因子はコスト（時間、エネルギー、労働力および材料コスト）を最小化するために調節および選択されるだろう。
【００３９】
［００４５］概念的に、デキストリンプロセスは、開始のデキストリン溶液がかなり粘性であるものの、ゲル状ではないという点で、ＰＶＡプロセスと異なる。デキストリンプロセスにより、デキストリンおよびバイオマスは高い温度で混合され、ゲルが形成される。ゲルの存在は、機械的に混合（混練）してセルロースを分解する能力を強く増強すると信じられている。ＰＶＡプロセスにより、ＰＶＡ溶液はゲルを形成するためのホウ酸塩の添加によって最初に架橋される。その後、バイオマスがこのゲルと混合される。ゲルが前もって形成されるため、コンディショニング作用ははるかにより迅速でより有効である。これらのプロセス間の差異は、図５に図示される。
【００４０】
［００４６］図６は、更新された図１のバージョンを示し、ＰＶＡプロセスのためのレイアウトを示す。まず、バイオマス供給原料９が最適な粒子サイズ（粉末）にされる（ステップ１０）。ＰＶＡにより、ゲル形成およびコンディショニングステップが独立していることに留意される。ステップ１１において、ＰＶＡゲルがＰＶＡの架橋によって形成される。ステップ１３において、バイオマス粉末がＰＶＡゲルに添加され、混合−混練が、セルロースの水和および細胞組織の分解を促す。コンディショニングの後、ステップ１５にて水が添加され、粘性を低下させる。酵素１４’が混合され、ステップ１４にて加水分解が起こる。ステップ１９にて、リグニン２０が混合されたＣ５およびＣ６糖１７から分離される。酵母の添加により発酵２１が開始され、エタノール２０が製造される。エタノールは、キシロース１６を残す蒸留により混合物から分離され、キシロース１６は酵母混合物から回収することができる。あるいは、キシロースは例えばクロマトグラフによって混合糖１７から分けることができる。エタノールおよびキシロースの両方は貴重な製品である。リグニンもまた、化学用途のために売られる製品として考えられ、またリグニンは燃えて、直接エネルギーを放出できる。
【００４１】
［００４７］特許請求の範囲は、特に上に示され記述されるもの、概念的に等価なもの、明らかに置換できるものおよび本発明の本質的に新規の特徴を組込むものを含むと解される。当業者は、記載された実施形態自体の様々な適応および修飾を、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができると理解するだろう。記載された実施形態は、例示の目的としてのみ示されており、本発明の限定を意味するものではない。したがって、追加されたクレームの範囲内において、本発明を特にここに記述されたもの以外として実施してもよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下のステップを含む、セルロースバイオマスを容易に加水分解可能な混合物に転換するためのプロセス：
バイオマス粒子と親水性ポリマーの水溶液とを合わせて、ポリマー−バイオマス混合物を形成すること；および
前記ポリマー−バイオマス混合物を混合−混練して、前記バイオマスを、酵素的加水分解を適用できるゲル様状態で、膨潤し水和したバイオマスに転換すること。
【請求項２】
前記バイオマス粒子が約１００マイクロメーター未満の平均直径を有する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記バイオマス粒子が約２０−７０マイクロメーター未満の平均直径を有する、請求項２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記親水性ポリマーが、多糖類およびポリビニルアルコールから成る群から選択される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
前記多糖類がデキストリンである、請求項４に記載のプロセス。
【請求項６】
混合−混練の前記ステップの間に、前記ポリマー−バイオマス混合物を少なくとも約７０℃まで加熱することをさらに含む、請求項５に記載のプロセス。
【請求項７】
前記ポリビニルアルコールが架橋結合され、ゲルが形成される、請求項４に記載のプロセス。
【請求項８】
液化酵素および糖化酵素が前記膨潤し水和したバイオマスに添加され、それを液化し且つ遊離糖に加水分解する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９】
以下のステップを含む、セルロースバイオマスを容易に加水分解可能な混合物に転換するためのプロセス：
ポリビニルアルコール水溶液を架橋結合してゲルを形成すること；
バイオマス粒子と前記架橋結合されたポリビニルアルコールゲルとを合わせて、ゲル−バイオマス混合物を形成すること；および
前記バイオマスが、酵素的加水分解を適用できるゲル様状態で、膨潤し水和したバイオマスに転換されるまで、前記ゲル−バイオマス混合物を混合−混練すること。
【請求項１０】
ポリビニルアルコールの前記水溶液にホウ酸イオンを添加することで、前記ポリビニルアルコールゲルが形成される、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記バイオマス粒子が約１００マイクロメーター未満の平均直径を有する、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記バイオマス粒子が約２０−７０マイクロメーター未満の平均直径を有する、請求項１１に記載のプロセス。
【請求項１３】
液化酵素および糖化酵素が前記膨潤し水和したバイオマスに添加され、それを液化し且つ遊離糖に加水分解する、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１４】
以下のステップを含む、セルロースバイオマスを容易に加水分解可能な混合物に転換するためのプロセス：
バイオマス粒子と濃縮されたデキストリン溶液とを合わせて、デキストリン−バイオマス混合物を形成すること；および
前記バイオマスが、酵素的加水分解を適用できるゲル様状態で、膨潤し水和したバイオマスに転換するまで、前記混合物を少なくとも約７０℃に加熱しながら、前記デキストリン−バイオマス混合物を混合−混練すること。
【請求項１５】
周期的に水を添加して、前記デキストリン−バイオマス混合物の粘性を一時的に低下させるステップをさらに含む、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記デキストリン−バイオマス混合物に付加的なバイオマスを周期的に添加するステップをさらに含む、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１７】
液化酵素および糖化酵素が前記膨潤し水和したバイオマスに添加され、それを液化し且つ遊離糖に加水分解する、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記バイオマス粒子が約１００マイクロメーター未満の平均直径を有する、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記バイオマス粒子が約２０−７０マイクロメーター未満の平均直径を有する、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１】
以下のステップを含む、セルロースバイオマスを容易に加水分解可能な混合物に転換するためのプロセス：
バイオマス粒子と親水性ポリマーの水溶液とを合わせて、ポリマー−バイオマス混合物を形成すること；および
前記ポリマー−バイオマス混合物を混合−混練して、前記バイオマスを、酵素的加水分解を適用できるゲル様状態で、膨潤し水和したバイオマスに転換すること。
【請求項２】
前記バイオマス粒子が約１００マイクロメーター未満の平均直径を有する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記バイオマス粒子が約２０−７０マイクロメーター未満の平均直径を有する、請求項２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記親水性ポリマーが、多糖類およびポリビニルアルコールから成る群から選択される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
前記多糖類がデキストリンである、請求項４に記載のプロセス。
【請求項６】
混合−混練の前記ステップの間に、前記ポリマー−バイオマス混合物を少なくとも約７０℃まで加熱することをさらに含む、請求項５に記載のプロセス。
【請求項７】
前記ポリビニルアルコールが架橋結合され、ゲルが形成される、請求項４に記載のプロセス。
【請求項８】
液化酵素および糖化酵素が前記膨潤し水和したバイオマスに添加され、それを液化し且つ遊離糖に加水分解する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９】
以下のステップを含む、セルロースバイオマスを容易に加水分解可能な混合物に転換するためのプロセス：
ポリビニルアルコール水溶液を架橋結合してゲルを形成すること；
バイオマス粒子と前記架橋結合されたポリビニルアルコールゲルとを合わせて、ゲル−バイオマス混合物を形成すること；および
前記バイオマスが、酵素的加水分解を適用できるゲル様状態で、膨潤し水和したバイオマスに転換されるまで、前記ゲル−バイオマス混合物を混合−混練すること。
【請求項１０】
ポリビニルアルコールの前記水溶液にホウ酸イオンを添加することで、前記ポリビニルアルコールゲルが形成される、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記バイオマス粒子が約１００マイクロメーター未満の平均直径を有する、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記バイオマス粒子が約２０−７０マイクロメーター未満の平均直径を有する、請求項１１に記載のプロセス。
【請求項１３】
液化酵素および糖化酵素が前記膨潤し水和したバイオマスに添加され、それを液化し且つ遊離糖に加水分解する、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１４】
以下のステップを含む、セルロースバイオマスを容易に加水分解可能な混合物に転換するためのプロセス：
バイオマス粒子と濃縮されたデキストリン溶液とを合わせて、デキストリン−バイオマス混合物を形成すること；および
前記バイオマスが、酵素的加水分解を適用できるゲル様状態で、膨潤し水和したバイオマスに転換するまで、前記混合物を少なくとも約７０℃に加熱しながら、前記デキストリン−バイオマス混合物を混合−混練すること。
【請求項１５】
周期的に水を添加して、前記デキストリン−バイオマス混合物の粘性を一時的に低下させるステップをさらに含む、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記デキストリン−バイオマス混合物に付加的なバイオマスを周期的に添加するステップをさらに含む、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１７】
液化酵素および糖化酵素が前記膨潤し水和したバイオマスに添加され、それを液化し且つ遊離糖に加水分解する、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記バイオマス粒子が約１００マイクロメーター未満の平均直径を有する、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記バイオマス粒子が約２０−７０マイクロメーター未満の平均直径を有する、請求項１４に記載のプロセス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１１−５１６０６６（Ｐ２０１１−５１６０６６Ａ）
【公表日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５０３１０３（Ｐ２０１１−５０３１０３）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０３８９９３
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１２４０７２
【国際公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【出願人】（５０８２７４３３４）バイオマス・コンバージョンス・エルエルシー (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０３８９９３
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１２４０７２
【国際公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【出願人】（５０８２７４３３４）バイオマス・コンバージョンス・エルエルシー (2)
【Ｆターム（参考）】
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