特許 7314172 セルロース材料を糖に変換するためのシステム及びその使用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-14

(45)【発行日】2023-07-25

(54)【発明の名称】セルロース材料を糖に変換するためのシステム及びその使用方法

(51)【国際特許分類】

   C12M 1/00 20060101AFI20230718BHJP

   B02C 4/02 20060101ALI20230718BHJP

   B02C 4/30 20060101ALI20230718BHJP

   B02C 25/00 20060101ALI20230718BHJP

   C13K 1/02 20060101ALI20230718BHJP

【ＦＩ】

C12M1/00 Z

B02C4/02

B02C4/30

B02C25/00 B

C13K1/02

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2020560121

(86)(22)【出願日】2019-01-16

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-04-30

(86)【国際出願番号】 US2019013869

(87)【国際公開番号】W WO2019143736

(87)【国際公開日】2019-07-25

【審査請求日】2022-01-12

(31)【優先権主張番号】62/617,900

(32)【優先日】2018-01-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】520257463

【氏名又は名称】ベンジャミン スレイガー

(73)【特許権者】

【識別番号】520257474

【氏名又は名称】ピーター ジェームズ コーエン

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ベンジャミン スレイガー

(72)【発明者】

【氏名】ピーター ジェームズ コーエン

【審査官】山▲崎▼ 真奈

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２３３３０７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／００２４８０７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１５－５２４８５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２６５９９９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１２－５２７２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／００２４８０８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ１２Ｍ

Ｃ１３Ｋ

ＣＡｐｌｕｓ／ＭＥＤＬＩＮＥ／ＥＭＢＡＳＥ／ＢＩＯＳＩＳ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の制御コンポーネントを備える反応チャンバと、
前記反応チャンバと前記制御コンポーネントのそれぞれとに動作可能に接続された制御アセンブリであって、前記制御コンポーネントが制御信号を送信及び受信するように構成される、制御アセンブリと、
セルロース原料と固体酸触媒との混合物を受け取るように構成されたクラッシャアセンブリであって、前記クラッシャアセンブリが、前記セルロース原料と前記固体酸触媒との間において固固相互作用を引き起こして糖を生成する化学反応を引き起こすために、前記混合物を加圧下で粉砕するように構成される、クラッシャアセンブリと、
前記クラッシャアセンブリによって送達された前記粉砕された混合物中の物質の比率を判定するように構成された検出器を有する出口ホッパであって、前記制御アセンブリが、前記粉砕された混合物の再処理が必要か否かを判定し、前記再処理が必要である場合、糖生成を最適化するように前記制御コンポーネントを調整するように構成される、出口ホッパと
を備える、セルロースを前記糖に変換するためのデバイスであって、
前記クラッシャアセンブリがローラを備える、デバイス。

【請求項2】

ｐＨデータ、温度データ、酸素データ、水分データ、及び圧力データを含む、前記反応チャンバの１つ又は複数の条件を前記制御アセンブリに送信するように構成されたセンサアセンブリをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記反応チャンバ内の蒸気の流れを調整するように構成された蒸気入口と、前記反応チャンバ内の二酸化炭素の流れを調整するように構成された二酸化炭素入口とをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項4】

前記ローラが一対のローラを含み、前記ローラが内側コアから外側コアまで複数の層を備え、前記複数の層のそれぞれが異なる材料で形成され、前記材料のそれぞれが異なる硬度を有する、請求項１に記載のデバイス。

【請求項5】

前記ローラが、相対的に最も高い硬度を有する外側層と、相対的に最も低い硬度を有する内側層と、相対的に前記外側層の硬度と前記内側層の硬度との間にある硬度を有する中間層とを含む複数の層を備える、請求項４に記載のデバイス、

【請求項6】

原料触媒混合物中の物質の比率データを受信して分析するように構成された検出器を有する入口ホッパと、制御アセンブリと通信し、前記原料と触媒とを混合するように構成された混合装置とをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項7】

前記原料触媒混合物を前記反応チャンバ内に供給するために、前記混合装置と前記入口ホッパとを接続する供給ラインをさらに備える、請求項６に記載のデバイス。

【請求項8】

前記クラッシャアセンブリが、少なくとも一対のロールアセンブリを備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項9】

前記クラッシャアセンブリが、複数対の噛み合う歯車アセンブリ又はローラアセンブリを備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項10】

前記制御アセンブリ、前記反応チャンバ、及び前記混合装置と通信する駆動アセンブリをさらに備える、請求項６または７に記載のデバイス。

【請求項11】

前記制御アセンブリが、前記原料からの前記糖生成を最適化するために前記コンポーネント及び前記駆動アセンブリに対して調整を実行する必要があるか否かを判定するために、前記反応チャンバの前記制御コンポーネント及び前記駆動アセンブリからデータを受信するように構成される、請求項１０に記載のデバイス。

【請求項12】

前記反応チャンバ内に負又は正の圧力をかけるように構成されたポンプをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項13】

前記反応チャンバを加熱するように構成されたヒータをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項14】

前記反応チャンバを冷却するように構成されたヒートシンク又は冷却装置をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項15】

前記出口ホッパと前記入口ホッパとを接続し、前記粉砕された混合物を再処理のために前記反応チャンバに供給するように構成された戻り供給ラインをさらに備える、請求項６または７に記載のデバイス。

【請求項16】

前記センサアセンブリが、ｐＨセンサ、温度センサ、酸素センサ、水分センサ、及び圧力センサを含む、請求項２に記載のデバイス。

【請求項17】

前記出口ホッパから前記粉砕された混合物を受け取るように構成された回収デバイスをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項18】

前記物質が、たんぱく質、セルロース、デンプン、単糖類、水、リグニン、灰、及び油を含む、請求項１に記載のデバイス。

【請求項19】

前記原料がバイオマスを含み、前記バイオマスの前記固体酸に対する比が、１：０．１～１０ｋｇ／ｋｇであり、前記固体酸が、カオリン、ベントナイト、及びモンモリロナイトを含む、請求項１に記載のデバイス。

【請求項20】

セルロースを糖に変換するための方法であって、
セルロース原料と固体酸触媒とを混合装置において混合し、原料触媒混合物を提供するステップと、
前記原料触媒混合物を、検出器を備えた反応チャンバの入口ホッパに供給するステップであって、前記反応チャンバが複数の制御コンポーネントを備え、前記制御コンポーネントが、入口ホッパと、クラッシャアセンブリと、出口ホッパと、センサアセンブリと、蒸気入口と、二酸化炭素入口とを含む、ステップと、
前記検出器によって、原料触媒混合物中の物質の比率データを受信して分析するステップと、
前記反応チャンバによって、前記入口ホッパから前記原料触媒混合物を受け取るステップと、
前記セルロース原料と前記固体酸触媒との間に固固化学反応を引き起こして糖を生成するために、前記混合物を加圧下で粉砕するステップであって、前記クラッシャアセンブリが駆動アセンブリによって駆動され、前記クラッシャアセンブリが、前記セルロース原料と前記固体酸触媒との間の固固化学反応を引き起こして糖を生成するために、前記混合物を加圧下で粉砕するように構成される、ステップと、
前記クラッシャアセンブリによって送達された前記粉砕された混合物中の物質の比率データを前記検出器により判定するステップと、
前記反応チャンバと通信する制御アセンブリにおいて、前記粉砕された混合物の再処理が必要であるか否かを判定するステップであって、前記制御アセンブリが、前記糖生成を最適化するために前記コンポーネント及び駆動アセンブリに対して調整を行う必要があるか否かを判定するために、前記反応チャンバの前記制御コンポーネント及び駆動アセンブリからデータを受信するように構成される、ステップと、
再処理の要求に応じて、前記粉砕された混合物を再処理のために供給ラインを介して前記反応チャンバに供給するステップと、
前記再処理を受けた生成された糖を、前記出口ホッパから回収デバイスによって受け取るステップと
を含む、方法。

【請求項21】

前記クラッシャアセンブリが一対のローラを備え、前記ローラが内側コアから外側コアまで単一の物質又は複数の層を備え、前記複数の層のそれぞれが異なる材料で形成され、前記材料のそれぞれが異なる硬度を有する、請求項１９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、セルロース材料の加水分解に関する。より具体的には、本発明は、加水分解を引き起こしてセルロースのグリコシド結合を開裂して単糖類を生成するために使用され得るデバイスにおける、代替生成物の形成や単糖類の損失を減らしながら時間的に最大の収率をもたらす、特定の新しく有用な進歩に関する。本明細書の一部を構成する添付の図面を参照する。

【背景技術】

【0002】

セルロースは、一般式が（Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５）_ｎである有機化合物であり、数百から数千のβ（１→４）結合されたＤ－グルコース単位の線状鎖からなる多糖類であり、酸素（エーテル）結合によって結合されて実質的に直線状である長い分子鎖を形成する。これらの結合は、セルロースの結晶化度を高めるため、酵素や酸触媒へのアクセス性が低下する。この現象は、抵抗性として知られている。

【0003】

セルロースは、緑色植物、藻類の多くの形態、及び卵菌の一次細胞壁の重要な構造要素である。セルロースは、植物繊維細胞の主要な成分を共に構成するヘミセルロース及びリグニンのすぐ近くに存在する。加えて、いくつかの種の細菌はセルロースを分泌してバイオフィルムを形成する。植物によって天然に形成されるため、セルロースは、地球上で最も豊富な有機ポリマーである。

【0004】

加水分解を行うのは酵素である。酵素は、液体又は固体酸のような特定のタイプの触媒である。セルロースは、ナノセルロース、微結晶性セルロース、グルコースを含む多くの物質、エタノールを含むグルコースから作ることができる多くのもの、及び化学的な節約としてエタノールから作ることができる多くのものへの多くの経路を有する。

【0005】

加水分解、つまり水解は、水を用いて分子内の結合を切断することを含む反応である。セルロースの加水分解により、単糖の還元糖、主にグルコースの混合物が生成される。これらの加水分解生成物は、石油に取って代わる液体燃料として使用され得るエチルアルコールに変換でき、より完全でクリーンな燃焼をもたらし、他の燃料への経路において燃料又は中間体としても機能し得る。加えて、加水分解生成物は、現在石油から生産されている様々な有機化学物質の製造にも使用され得る。セルロース又はセルロースから理論的に得られるグルコース生成物の燃焼熱として表される利用可能なエネルギーに関して、１ポンドのセルロースは約０．３５ポンドのガソリン又は他の燃料に相当する。

【0006】

地球上では、毎年約６．４５×１０^１１トンの炭素が光合成によって固定及び堆積されており、そのうち半分はセルロースの形であると考えられると推定されている。加えて、耕作地や草地で生成されたバイオマスの約３／４が現在廃棄物産出の一因となっていると推定されている。燃料、化学物質、及び他の有用な物質の代替源を開発するためにそのような廃棄物を利用することが長い間望まれてきた。しかしながら、セルロースを加水分解する試みは、主にセルロースの結晶構造及びセルロース中のリグニンの存在に起因して、糖を生成するための経済的に実行可能な方法を提供することにまだ成功していない。この潜在的な供給源の絶対的な大きさが、セルロース利用のための方法及びシステムを改善する必要性を決定づけている。

【0007】

さらに、既知のプロセス及び方法では、特に非常に粘性が高く置換度の高い物質を処理する場合、高分子に対する化学的又は熱的ストレスが非常に強いため、変換中に高分子が鎖切断の形で分解される場合があり、これは、程度の差はあるが粘度が出発物質と比べて大幅に低下することにより特に顕著である。また、予備脆化や乾燥工程で処理された物質の表面は粗くなる。さらに、既知のプロセスは、予備乾燥、脆化、又は圧縮後のセルロース誘導体の変換に費やされる大量のエネルギーを共通の特徴としている。

【0008】

したがって、本明細書でより詳細に説明するように、費用効果が高く、時間的に最大の糖収率をもたらす、セルロース材料を糖に変換するための改善されたデバイス、システム、及び方法が必要とされている。

【発明の概要】

【0009】

以下の本発明の概要は、本発明のいくつかの態様及び特徴の基本的な理解を確実にするために提供される。本概要は、本発明の広範な概要ではなく、そのため、本発明の主要又は重要な要素を特に特定すること、又は本発明の範囲を線引きすることは意図されていない。本概要の唯一の目的は、その後に提示されるより詳細な説明の前置きとして、本発明のいくつかの概念を簡略化した形で提示することである。

【0010】

上述の態様及び他の態様を実現するために、また本発明の目的に従って、セルロース含有材料中のセルロースを糖に変換するためのデバイス並びにデバイスを使用するためのシステム及び方法が提示される。

【0011】

本発明は、セルロース含有材料の原料からの最適化された糖の生成量を実現するために少なくとも一組のローラを使用する、セルロースを糖に変換するために固固反応を利用するシステム、デバイス、及び方法に関する。本システム、デバイス、及び方法は、浪費されるエネルギーを低減しながら糖の生成量を最大化するために、雰囲気平衡センサ、セルロース原料、及び固体酸を使用して内部条件を最適化する。

【0012】

本発明は、一般には混合であるが、具体的にはマイクロ混合を利用して、セルロースの反応点を最大化しながら、原料が反応しなければならない時間を確実に増加させる。マイクロ混合により、反応サイトと触媒との相互作用が改善され、エネルギー性能が最適化される。ローラは十分に調整できるように設定できるため、機械的、温度、雰囲気、及び化学反応のパラメータが制御される。これは、反応速度及びプロセス効率を実現するための理想的な条件を確保するためである。

【0013】

したがって、本発明の目的は、糖を生成するためにセルロース材料を利用するための効率的かつ経済的な方法を提供することである。

【0014】

本発明の別の目的は、短時間に高収率で単糖類を作り出すことができる新しい改良されたデバイスを提供することである。

【0015】

本発明の別の目的は、代替物質の形成及び単糖類の損失をも削減する、新しい改良されたデバイスを提供することである。

【0016】

より具体的には、本発明の目的は、構築するのが容易かつ安価であり、セルロースの糖化プロセスで使用され得る同種のデバイスよりも持ち運びに適した、より小さなフットプリントを有する新しい改良されたデバイスを提供することである。

【0017】

例示的な実施形態では、セルロースを糖に変換するためのデバイス並びにデバイスを使用するためのシステム及び方法が提示される。本デバイスは、セルロースの糖化プロセスで使用されるように特に設計されたミルの形態をしている。

【0018】

本発明によれば、セルロースを糖に変換するためのデバイス／ミルが提示され、本デバイスは、複数の制御コンポーネントを備える反応チャンバと、反応チャンバと制御コンポーネントのそれぞれとに動作可能に接続された制御アセンブリであって、制御コンポーネントが相互運用性信号を送信及び受信するように構成され、複数の制御コンポーネントが、セルロース原料及び固体酸触媒の混合物を受け取るためのクラッシャアセンブリを備え、クラッシャアセンブリが、セルロース原料と固体酸触媒との間の固固化学反応を引き起こして糖を生成するために混合物を加圧下で粉砕するように構成される、制御アセンブリと、クラッシャアセンブリによって送達された粉砕された混合物中の物質の比率を判定するように構成された検出器を有する出口ホッパであって、制御アセンブリが、粉砕された混合物の再処理が必要か否かを判定し、再処理が必要である場合、糖生成を最適化するように制御コンポーネントを調整するように構成される、出口ホッパとを備える。

【0019】

一実施形態では、複数の制御コンポーネントが、入口ホッパと、クラッシャアセンブリと、出口ホッパと、センサアセンブリと、蒸気入口と、二酸化炭素入口とを含む。一実施形態では、入口ホッパが検出器をさらに備える。一実施形態では、入口ホッパは、原料触媒混合物中の元素又は物質の比率を受信して分析するように構成される。物質は、たんぱく質、セルロース、デンプン、単糖類、リグニン、灰、水若しくは油、又は任意の他の形態のセルロース物質から構成され得る。固体酸は、現在又は将来知られる任意のタイプの固体酸であり得る。一実施形態では、検出器はＮＩＲ検出器であるが、物質の特性及び組成を判定するために観測値を受動的又は能動的に検出することができる他の任意の検出器であってもよい。

【0020】

一実施形態では、クラッシャアセンブリは、原料触媒混合物を入口ホッパから受け取る。クラッシャアセンブリは、糖を生成するための化学反応を引き起こすために、混合物を粉砕する、又は混合物に極度の圧力を加えるように構成される。一実施形態では、クラッシャアセンブリは、様々な表面状態の少なくとも一対のローラを備える。別の実施形態では、クラッシャアセンブリは、歯（例えば、歯車の歯）を有する少なくとも一対の噛み合う又は相互に接続するローラアセンブリを備える。いくつかの実施形態では、クラッシャアセンブリは、複数組の噛み合う歯車又は略平滑な表面のローラアセンブリを備える。

【0021】

出口ホッパは検出器を備える。一実施形態では、出口ホッパは、反応進行度を判定し、クラッシャアセンブリによって送達されたクラッシャアセンブリの粉砕された混合物の条件をさらに調整するように制御システムに信号を送信するように構成される。このようにして、制御アセンブリは、粉砕された混合物の再処理が必要か否かを判定するように構成される。

【0022】

センサアセンブリは、ｐＨデータ、温度データ、酸素データ、水分データ、及び圧力データを含むがこれらに限定されない反応チャンバの１つ又は複数の現象を制御アセンブリに送信するように構成される。センサアセンブリは、ｐＨセンサ、温度センサ、酸素センサ、水分センサ、及び圧力センサを含むが、これらに限定されない。

【0023】

蒸気入口は、反応チャンバ内の蒸気の流れを調整するように構成され、二酸化炭素入口は、反応チャンバ内の二酸化炭素の流れを調整するように構成される。二酸化炭素は、窒素やアルゴンなどの酸化を防ぐための任意の他の物質、又は特定の特性や特定の組成を有することにより反応を促進するガスの追加を防ぐための任意の他の物質で置き換えられてもよい。

【0024】

本デバイスは、混合装置と供給ラインとをさらに備える。混合装置は、制御アセンブリと通信し、原料と触媒とを混合するように構成される。供給ラインは、原料触媒混合物を反応チャンバに供給するために、混合装置と入口ホッパとを接続する。

【0025】

本デバイスは、真空ポンプ及びヒータなどの雰囲気調整モジュール又は平衡装置と、半閉鎖式システムのための圧力バルブ又は圧力ポンプとをさらに備える。ポンプは、反応チャンバに正圧又は負圧をかけるように構成される。ヒータは、反応チャンバを加熱するように構成される。ヒートシンク又は冷却装置は、反応チャンバを冷却するように構成される。本デバイスは、粉砕された混合物を再処理のために反応チャンバに供給するように構成された、出口ホッパ及び入口ホッパに接続された戻り供給ラインをさらに備える。本デバイスは、粉砕された混合物を出口ホッパから受け取るように構成された回収デバイスをさらに備える。

【0026】

一実施形態では、セルロースを糖に変換するための方法は、原料と触媒とを混合装置において混合するステップと、原料触媒混合物を反応チャンバの入口ホッパに投入するステップとを含む。別のステップにおいて、原料触媒混合物中の物質の比率データが、少なくとも１つの検出器によって受信されて分析される。別のステップにおいて、原料触媒混合物が、糖を生成するための化学反応を引き起こすために混合物を粉砕するために、入口ホッパからクラッシャアセンブリに受け取られる。別のステップにおいて、クラッシャアセンブリによって送達された粉砕された混合物中の物質の比率データが判定される。別のステップにおいて、粉砕された混合物の再処理は、反応チャンバと通信する制御システムにおいて判定され、再処理を要求される。別のステップにおいて、再処理の要求に応じて、粉砕された混合物は、再処理のために供給ラインを介して反応チャンバに供給される。さらなるステップにおいて、再処理を受けた生成された糖は、出口ホッパから回収デバイスによって受け取られる。

【0027】

本発明の他の特徴、利点、及び態様は、添付の図面と併せて読まれるべき以下の詳細な説明からより明らかになり、より容易に理解されるはずである。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明の一実施形態による、セルロースの糖化プロセスにおいて使用され得るデバイス、すなわちミルを示す一実施形態の正面斜視図である。

【図2】本発明の一実施形態による、ミル内で使用されるクラッシャアセンブリの正面斜視図である。

【図3】本発明の一実施形態による、３組の歯車を備えるミルの正面図である。

【図4】本発明の一実施形態による、３組のローラを備えるミルの正面図である。

【図5】本発明の実施形態による、セルロースの糖化プロセスにおいてミルを使用することにより、加水分解を引き起こしてセルロースのグリコシド結合を開裂させて単糖類を生成するシステム及び方法を示す、一実施形態の流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

本発明は、本明細書に記載されている詳細な図面及び説明を参照することによって最もよく理解される。

【0030】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。ただし、当業者であれば、これらの図面に関連して本明細書で与えられる詳細な説明は、これらの限定された実施形態を本発明の範囲が超えることから、説明目的のためであることを容易に理解するはずである。例えば、当業者は、本発明の教示に照らせば、本明細書で説明される任意の所与の詳細を有する機能を、説明及び図示される以下の実施形態における特定の実装の選択肢を超えて実施するために、特定の用途における必要性に応じて、多数の代替的かつ適切な手法を認識するはずであることを理解されたい。つまり、列挙するには数が多すぎるが、すべて本発明の範囲内に収まる、本発明の多数の修正及び変形が存在する。また、必要に応じて、単数形の単語は複数形として読まれるべきであり、またその逆も同じであり、男性形は女性形として読まれるべきであり、またその逆も同じであり、代替的な実施形態は、必ずしもこの２つが相互に排他的であることを意味しない。

【0031】

本明細書に記載される特定の方法論、化合物、材料、製造技法、使用法、及び用途は変わり得るため、本発明はこれらに限定されないことをさらに理解されたい。また、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的でのみ使用され、本発明の範囲を限定することを意図するものではないことも理解されたい。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈上明確に別段の規定をしているのでない限り、複数の指示対象を含むことに留意されたい。よって、例えば、「要素」への言及は、１つ又は複数の要素への言及であり、当業者に知られているその均等物を含む。同様に、別の例では、「ステップ」又は「手段」への言及は、１つ又は複数のステップ又は手段への言及であり、サブステップ及び従属的手段を含み得る。使用されるすべての接続詞は、可能な限り最も包括的な意味で理解されたい。よって、「又は」という語は、文脈上明確に別段の要請のない限り、論理的な「排他的論理和」の定義ではなく、論理的な「論理和」の定義を有するものとして理解されたい。本明細書に記載される構造は、そのような構造の機能的均等物を指すことも理解されたい。近似を表すと解釈され得る言葉は、文脈上明確に別段の指示のない限り、そのように理解されたい。

【0032】

本明細書で使用される場合、「材料」は、セルロースの糖化プロセスの一部として処理されるためにミルに導入される材料、並びにプロセスの完了後にミルを出る材料を指す。

【0033】

「相互作用」とは、原料と固体酸との間の相互作用が化学反応を起こして糖を形成することを意味する。

【0034】

別段の定義のない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語及び科学用語は、本発明が属する分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。好ましい方法、技法、デバイス、及び材料が記載されるが、本明細書に記載されているものと同様又は均等な任意の方法、技法、デバイス、又は材料を本発明の実施又は試験に使用することができる。本明細書に記載される構造は、そのような構造の機能的均等物を指すことも理解されたい。次に、添付の図面に示されているような本発明の実施形態を参照して、本発明を詳細に説明する。

【0035】

ここで図１を参照すると、図１は、本発明の一実施形態による、セルロースの糖化プロセスにおいて使用され得るデバイス、すなわちミルを示す一実施形態の正面斜視図が、概して参照番号１００で示されている。本実施形態１００は、本発明の一実施形態によるミルの機能コンポーネントを示す。ミル／デバイス１００の様々なコンポーネント、及びセルロースの糖化プロセスにおけるそれらの役割について、図１～図３に関連して以下でさらに説明する。ミル／デバイス１００は、複数の制御コンポーネントを備えた反応チャンバ１０２を備える。一実施形態では、複数の制御コンポーネントは、入口ホッパ１２０と、クラッシャアセンブリ１２８と、出口ホッパ１２２と、センサアセンブリと、蒸気入口１１８と、二酸化炭素入口１２４とを含む。

【0036】

さらに図１を参照すると、制御システム／アセンブリ１３２は、駆動アセンブリ１３０に接続され、両方とも反応チャンバ１０２に接続される。一実施形態では、駆動アセンブリ１３０は、モータを備える。一実施形態では、モータ１３０は、電源を介して電力を供給される。制御アセンブリ１３２は、反応チャンバ１０２に接続されることにより、様々なセンサ１０４～１１２、真空ポンプ１１６、ヒータ１２６、クラッシャアセンブリ１２８、蒸気入口１１８、二酸化炭素（ＣＯ^２）入口１２４、及び検出器１１４Ａ～１１４Ｂから情報を伝達及び受信することができる。その相互接続性を通じて、制御アセンブリ１３２は、プロセスが確実に最適化されるようにリアルタイムの監視、分析、及び調整を可能にする。上記は、デバイスの他のコンポーネントを説明するときに、本明細書においてさらに説明される。

【0037】

本開示では、クラッシャアセンブリ１２８は、原料と触媒（例えば、粘土）との間で固相での化学反応を引き起こすように構成される。一実施形態では、クラッシャアセンブリ１２８は、単一組の略平滑なローラ（例えば、円形のローラ）であり得るが、適切な圧力をもたらす限り、任意の形状のローラが使用され得る。別の実施形態では、クラッシャアセンブリ１２８は、高硬度の歯車の形態をした噛み合いローラの組であり得る。いくつかの実施形態では、クラッシャアセンブリ１２８は、極めて高い圧力で固体を圧縮するための任意の機構であり得る。クラッシャアセンブリ１２８は、極めて高い圧力及び所定の温度で固体を一緒に圧縮又は押すように構成されており、このことが、原料を利用して糖を生成又は合成するための原料と含水粘土との間の固固分子反応を助ける。一実施形態では、固体は、リグノセルロース系バイオマス及び固体酸を含むが、これらに限定されない。一実施形態では、バイオマスの固体酸に対する比は、１：０．１～１０ｋｇ：ｋｇであり得るが、これに限定されない。一実施形態では、固体酸は、カオリン、ベントナイト、及びモンモリロナイト、又は現在又は将来存在する任意の固体酸であり得るが、これらに限定されない。

【0038】

さらに図１を参照すると、駆動アセンブリ１３０及び制御アセンブリ１３２はまた、原料と触媒とが混合される場所である混合装置１３４に接続され、材料は、混合されると、供給ライン１３８を介して入口ホッパ１２０に送られる。入口ホッパ１２０の内側に入ると、検出器１１４Ａは他の必要なセンサ又は検出器と共に物質を分析し、たんぱく質含有量、セルロース、デンプン、及び単糖類、水、リグニン、灰、油、並びに機械的特性などのプロセスにおいて有用な情報を計算する。一実施形態では、検出器（１１４Ａ及び１１４Ｂ）はＮＩＲ検出器であるが、混合物中の化合物及び物質を分析する任意の検出器又はセンサであってもよい。この情報は、材料を分析して、プロセスが確実に最適なレベルで実行されるようにして、一貫性及び最高の歩留まりを確保できるようにするために使用される。一実施形態では、検出器１１４Ａからの読み値が、プロセスが確実に最適化されるようにクラッシャアセンブリ１２８の速度を調整するために、制御アセンブリ１３２によって利用され得る。材料が入口ホッパ１２０の内側で分析されると、供給バルブ１４４を用いて入口ホッパ１２０を開き、材料を入口ホッパ１２０から下方の供給ガイド１４０に通し、供給ガイドが材料を反応チャンバ１０２内に配置されたクラッシャアセンブリ１２８の間に案内する。上述のように、クラッシャアセンブリ１２８は、反応チャンバ１０２に接続された駆動アセンブリ１３０及び制御アセンブリ１３２を介して電力を供給される。一実施形態では、クラッシャアセンブリ１２８及び駆動アセンブリ１３０は、駆動シャフトを介して接続される。プロセスが完了すると、材料は出口ホッパ１２２を介して反応チャンバ１０２を出る。出口ホッパ１２２に入ると、検出器１１４Ａ及び１１４Ｂは、他の必要なセンサ又は検出器と共に、材料を分析して、材料がミルに再び通されなければならないか否かを判定する。材料が再び通されなければならないと判定された場合、材料は戻り供給ライン１４２を介して入口ホッパ１２０に戻され、入口ホッパ１２０において、検出器１１４Ａが材料を再度分析すると共に、材料を再処理するためにデバイスに対して行わなければならない調整を判定する。プロセスが完了し、材料がクラッシャアセンブリ１２８にこれ以上通される必要がなくなると、材料は出口供給ライン１４０を介して最終回収デバイス１３６に送られる。一実施形態では、出口弁が、材料の流れを制御するために、供給ガイド又はライン１４０に設けられ得る。一実施形態では、密封シールが、材料の漏出を防止するために、供給ライン１４０及び１４２に設けられる。２つ以上のクラッシャアセンブリ１２８がチャンバ１０２で使用され得ることに留意することが重要である。

【0039】

さらに図１を参照すると、入口ホッパ１２０及び出口ホッパ１２２が、反応チャンバ１０２に接続され、それぞれ材料を回収デバイス１０２に導入するため、及び回収デバイス１０２から材料を出すために使用される。材料が反応チャンバ１０２に入ることができるように入口ホッパ１２０を開閉するために、供給バルブ１４４が使用される。本実施形態では、入口ホッパ１２０及び出口ホッパ１２２は、システム内の材料の搬送を向上するために反応チャンバ１０２内の圧力を調整する雰囲気制御システムに基づいて動作される。他の実施形態では、入口ホッパ１２０及び出口ホッパ１２２は、電子システムを介して制御され、制御アセンブリ１３２に接続されてもよい。

【0040】

さらに図１を参照すると、制御アセンブリ１３２は駆動アセンブリ１３０に接続され、駆動アセンブリ１３０はクラッシャアセンブリ１２８にさらに接続され、クラッシャアセンブリ１２８は反応チャンバ１０２にさらに結合される。駆動アセンブリ１３０は、毎分所定の又は最適な回転数でクラッシャアセンブリ１２８を回転させるのに必要な十分な電力及びトルクを提供しなければならず、時間的に速度及び電力出力を変化させることができなければならない。実施形態では、クラッシャアセンブリ１２８のローラのそれぞれが、反応を最適化するために、異なるＲＰＭで回転することができる。一実施形態では、制御アセンブリ１３２は、センサ１０４～１１２を読み取り、所定のパラメータに自動的に応答するプロセッサである。リアルタイム測定により、クラッシャアセンブリ１２８が最適に動作することを確保するためのリアルタイム調整が可能になる。一例として、駆動アセンブリ１３０及び制御アセンブリ１３２は、糖生成及びパラメータ監視からの応答に基づいて、クラッシャアセンブリ１２８のトルク及び出力を調整するために、必要に応じて毎分回転数を変えることができる。別の例では、温度センサ１０６が、温度が所定の範囲の外にあるという読み値を制御アセンブリ１３２に送信すると、制御アセンブリ１３２は、反応チャンバ１０２を加熱するために、対応する信号をヒータ１２６に送信する。

【0041】

さらに図１を参照すると、ミル１００は、センサアセンブリをさらに備える。一実施形態では、センサアセンブリは様々なセンサ１０４～１１２を備え、様々なセンサ１０４～１１２は、反応ミル１０２の内部に接続され、ｐＨセンサ１０４、温度センサ１０６、酸素センサ１０８、水分センサ１１０、及び圧力センサ１１２を含み、これらのすべてについて、ここでさらに詳しく説明する。すべてのセンサ１０４～１１２はまた、セルロースの生成がその最適なレベルであることを確実にするために反応チャンバ１０２に接続され得る他のシステム及びデバイスと通信するために、制御アセンブリ１３２に接続され、これらのすべてについて、ここでさらに説明する。ｐＨセンサ１０４は、反応チャンバ１０２に接続され、反応環境の実効酸性度を測定するのを助ける。ｐＨセンサは、各サイト及びいくつかの酸性点の実効酸性度を確立するのを助ける、溶液の水素イオン濃度を測定するように構成される。加水分解は触媒上の酸性点によって触媒作用を受けるため、ｐＨが低いほど酸性点が多くなり、加水分解が発生するための変化が大きくなる。加えて、ｐＨレベルを監視し、特定のレベルが確実に満たされるようにすることも、反応チャンバ１０２プロセスに入れた材料の発酵及び／又は変換に影響を与える。温度センサ１０６は、反応チャンバ１０２に接続することができ、水とセルロースとの間で起こる加水分解反応を活性化して糖を作るのに十分高い温度に到達していると同時に、この温度は糖が分解する原因となる反応を避けるために十分低くなければならないことを確実にするために、反応チャンバ１０２内の摩擦熱温度を監視するために使用される。

【0042】

さらに図１を参照すると、酸素センサ１０８は、反応チャンバ１０２に接続することができ、反応チャンバ１０２内の酸素レベルを監視するために使用される。酸素は糖生成物の酸化を引き起こす可能性があるため、セルロースの糖化プロセスが完了され得る前に、反応チャンバ１０２から酸素を除去しなければならない。上記を実現するために、酸素センサ１０８は、反応チャンバ１０２にこれも接続されている真空ポンプ１１６と連携して、酸素センサ１０８が反応チャンバ１０２内で酸素を検出すると、酸素センサ１０８が、酸素センサ１０８及び真空ポンプ１１６の両方が接続されている制御アセンブリ１３２を介して真空ポンプ１１６に伝達して、反応チャンバ１０２からそのような酸素を放出するように機能する。これらのセンサ／デバイスは、ミル１００内の条件を最適化するために他者と連携して動作する雰囲気平衡センサ／デバイスと本明細書で呼ばれ得る。

【0043】

さらに図１を参照すると、酸素センサ１０８はまた、ＣＯ_２入口１２４と連携して機能し、ＣＯ_２入口１２４もまた、反応チャンバ１０２及び制御アセンブリ１３２に接続される。よって、酸素センサ１０８が反応チャンバ１０２内の酸素を検出し、酸素を放出するように制御アセンブリ１３２を介して真空出口１１６に伝達する場合、二酸化炭素入口１２４は、反応チャンバ１０２内で正のＣＯ_２圧力を維持するために、保護不活性二酸化炭素ガスを反応チャンバ１０２に自動的に追加する。

【0044】

さらに図１を参照すると、水分センサ１１０が反応チャンバ１０２に接続され、反応チャンバ１０２内の水分量を監視するために使用される。本発明の一実施形態では、水分は、セルロースの糖化プロセス中に糖を生成するための反応物として作用し、反応によって消費される。糖が生成されると、反応チャンバ１０２内の水分レベルが低下し、水分が局所化して、生成されているより吸湿性の高い単糖類を水和する。したがって、本実施形態では、水分センサ１１０は、反応チャンバ１０２の水分レベルが最良の反応のための最適レベルに確実に留まるようにするために重要である。本実施形態では、水分レベルは、０．００質量％より高く、５０質量％未満であり得る。上記の水分レベルが確実に維持されるようにするために、蒸気入口１１８も反応チャンバ１０２に結合され、追加の蒸気を反応チャンバ１０２内に分散させるために水分センサ１１０が制御アセンブリ１３２を介して蒸気入口１１８と通信し得るように、追加の蒸気を反応チャンバ１０２内に分散させるために使用される。

【0045】

さらに図１を参照すると、スペクトル検出器１１４Ａ～１１４Ｂは、任意の他の必要なセンサ又は検出器と共に、それぞれ入口ホッパ１２０及び出口ホッパ１２２に接続され、組成物がホッパを通過するときに組成物を分析するために使用され得る。検出器１１４Ａ～１１４Ｂは、任意の他の必要なセンサ又は検出器と共に、たんぱく質含有量、セルロース、デンプン、水、単糖類、リグニン、灰分、及び油に関するデータを提供する。将来の実施形態では、制御アセンブリ１３４を介して応答を自動化するためのアルゴリズムを使用することができる。一実施形態では、出口ホッパ１２２に接続された検出器１１４Ｂは、材料をデバイスに再び通さなければならないか否かを判定し、スペクトル検出器１１４Ｂが、材料を再度通さなければならないと判定した場合、材料は戻り供給ライン１４２を介して入口ホッパ１２０に戻される。一実施形態では、材料を入口ホッパ１２０に戻すために、供給ライン１４２に供給ポンプが設けられる。

【0046】

さらに図１を参照すると、圧力センサ１１２が反応チャンバ１０２に接続され、反応チャンバ１０２内の圧力を監視するために使用される。加水分解を引き起こすために必要な圧力は、反応チャンバ１０２内のクラッシャアセンブリ１２８によって作られるが、圧力が温度の変化に伴って増減するため、反応のための最適な圧力を維持するために、ＣＯ^２入口１２４を介して反応チャンバ１０２にＣＯ^２を追加する必要があるため、反応チャンバ１０２の圧力を監視する必要がある。

【0047】

さらに図１を参照すると、ヒータ１２６が反応チャンバ１０２の底部に接続される。セルロースの糖化プロセスが生じるために必要な熱は、プロセス中に反応チャンバ１０２内で作成された摩擦から得られるのが大半であるが、反応チャンバ１０２の最初の加熱はヒータ１２６を使用して行われる。他の任意の実施形態では、冷却プロセスが、反応チャンバ又は歯車又はロール自体１０２に接続され、制御アセンブリ１３２を介して制御されるヒートシンクと共にファンを使用して実行され得る。クラッシャアセンブリ自体はまた、内部の加熱若しくは冷却要素又は外部の加熱若しくは冷却要素のいずれかによって温度制御され得る。

【0048】

図２を参照すると、ミル内で使用されるクラッシャアセンブリ１２８の正面斜視図が、概して参照番号２００で示されている。クラッシャアセンブリ１２８は、ばね２０４を使用して一緒に押し付けられた２つの個々の平滑なローラ２０２Ａ～２０２Ｂを備えているが、高い圧力を生成し得る任意のデバイス、例えば油圧ピストン、ねじ、及び任意の他の圧力を生じるメカニズムを使用でき、また反応に必要な力を生み出し得る他の圧力付与部材をここでは使用できる。図１を参照して本明細書で論じられているように、クラッシャアセンブリ１２８は、様々なセンサ１０４～１１２のすべてからの読み値を使用して最適速度を判定する駆動アセンブリ１３０によってある速度で回転される。平滑なローラは、高い圧力での長い稼働時間に耐える優れた摩耗特性を有する材料で作られ、実施形態では、異なる硬度を有する様々な材料を使用して製造される。

【0049】

ローラ２０２Ａ及び２０２Ｂのそれぞれは、様々な程度の硬度を有する材料（すなわち、異なる材料で形成された層）で形成され得る。例示的な実施形態では、ローラ２０２Ａ及び２０２Ｂは、３つの層２０６Ａ及び２０６Ｂ、２０８Ａ及び２０８Ｂ、並びに２１０Ａ及び２１０Ｂを有する。外側層２０６Ａ及び２０６Ｂは、相対的に最も高い硬度を有する。内側層２１０Ａ及び２１０Ｂは、最も低い硬度を有し、中間層２０８Ａ及び２０８Ｂは、外側層の硬度と内側層の硬度との間に入る硬度を有する。動作中、様々な硬度で形成されているローラ２０２Ａ及び２０２Ｂを有することにより、材料のミクロ反応が増えるため、反応が最適化される。高い硬度を有する外側層２０６Ａ及び２０６Ｂにより、材料に対する圧力が確実に高いままになり、異なる硬度（又はより軟硬度）を有する中間層により、外側層の圧縮力が高すぎること、またローラ材料の圧縮を防ぐことに起因してエネルギーが失われないことが確保される。ローラの深さにわたって圧力を変化させることにより、表面、ひいては反応空間を調整し、エネルギー効率を調整できる。層の数、厚さ、アスペクト比、長さ、直径、及び材料タイプは、原料に応じて最適化でき、硬度、靱性、圧縮強度、及び耐摩耗性の特性に影響を与える。

【0050】

一実施形態では、ローラは、硬い表面を有し、負荷応力を効果的に低下させる有益な圧縮残留応力を生じるため、歯車の歯で作られてもよく、他の実施形態では、ローラは、強い金属及び合金、タングステンカーバイド、ダイヤモンド、プラスチック、セラミック、及び複合材料などで作られてもよい。一実施形態では、ローラを回転させるために原動力を利用する軸は、適切な粘度を有する低温、清浄、かつ乾燥した潤滑剤の適切な供給によって供給され得、高い圧力－粘度係数が、ピッティング、すなわち歯車の歯の表面又は表面下のわずかな深さで疲労亀裂が発生したときに発生する疲労現象を防止するのを助けるために使用され得る。一実施形態では、軸受は、玉軸受であり得るが、これに限定されない。個々の歯車２０２Ａ～２０２Ｂの歯も、最も効率的な摩耗特性並びに接触面積及び圧力に関する反応効率を考慮して設計されなければならない。２組のローラしか示されていないが、無数のローラが直列に存在し得る。ローラ及び歯車は、反応の目的のための表面で構成され、供給混合物と接触し、他方、ローラ又は歯車支持体の表面は、摩擦を減らし、耐摩耗性を高める表面で構成され、プーリ、ベルト、スプロケット、チェーン、カップリング、及びダイレクトドライブアタッチメントの使用のために駆動表面が強化される。

【0051】

図３を参照すると、クラッシャアセンブリ１２８の正面図は、３組の歯車ローラ３０２を備える。別の実施形態では、クラッシャアセンブリ１２８の歯車の組は、極めて高い圧力及び必要な温度で固体を一緒に効率的に圧縮又は押し付けるために使用され、このことが、原料から糖を生成又は合成するために原料と含水粘土との間の分子反応を助ける。３組の歯車ローラ３０２は、制御アセンブリ１３２を介して制御され得る。別の実施形態では、クラッシャアセンブリ１２８は、図４に示すように、３組の平滑なローラ１４６をさらに備える。原料と粘土との混合物は、ローラ１４６によって掴まれ、強い力で一緒に押し付けられる。３組のローラ１４６は、制御アセンブリ１３２を介して制御され得る。当然のことながら、原料に応じて、平滑なローラ又は歯車ローラの追加の組を利用することもできる。

【0052】

次に図５を参照すると、本発明の実施形態による、セルロースの糖化プロセスにおいてミルを使用することにより、加水分解を引き起こしてセルロースのグリコシド結合を開裂させて単糖類を生成するシステム及び方法を示す流れ図が、概して５００で示されている。本方法は、セルロース含有材料３０６及び触媒３０２を混合装置１３０に加えることから始まる。セルロース含有材料３０６は、概して、緑色植物、多くの形態の藻類、及び卵菌の細胞壁、並びに任意の植物由来の材料を含む。セルロース含有材料３０６はまた、植物ベースの材料に加えて、植物の樹皮、木質、又は葉から取得され得る。

【0053】

さらに図５を参照すると、混合装置１３０内に含まれる材料が混合されると、次に、材料は入口ホッパ１２０を介して反応チャンバ１０２に導入される。入口ホッパ１２０に接続された検出器１１４Ａは、物質が入口ホッパ１２０を通過するときに物質の組成を監視する。検出器１１４Ａによって収集された情報は、物質のリアルタイム分析のために制御アセンブリ１３２に伝達される。制御アセンブリ１３２は、システムに調整を加えて最適な糖生成を確実にするために、反応チャンバ１０２に接続されたセンサ１０４～１１２を自動的に読み取る。例えば、制御アセンブリ１３２は、温度が所定の範囲を超える場合に反応チャンバを加熱し得る、又は水分が低い場合に蒸気を追加し得る、又は歯車を加速又は減速させ得る。

【0054】

さらに図５を参照すると、セルロースの糖化プロセスの終わりに、材料は、出口ホッパ１２２を介して反応チャンバ１０２から出る。出口ホッパ１２２に接続された検出器１１４Ｂは、材料が反応チャンバ１０２を出るときの材料の組成を監視する。物質がさらに処理されなければならないと検出器１１４Ｂが判定した場合、物質は再処理のために入口ホッパ１２０に送り返される。検出器１１４Ａ～１１４Ｂによって収集された情報は、情報が分析されて、最適な性能を得るためにシステムに調整を加えるために、制御アセンブリ１３２に送り返される。物質が完成したと見なされると、物質は最終回収デバイス１３６に渡され、プロセスが完了する。物質は、たんぱく質、セルロース、水、デンプン、単糖類、リグニン、灰、及び油を含む。

【0055】

一実施形態では、セルロースを糖に変換するための方法は、一工程において、原料と触媒とが混合装置において混合されることを含む。別のステップにおいて、原料触媒混合物は、反応チャンバの入口ホッパに供給される。別のステップにおいて、原料触媒混合物中の物質の比率データが、検出器によって受信されて分析される。別のステップにおいて、原料触媒混合物が、糖を生成するための化学反応を引き起こすために混合物を粉砕するために、入口ホッパからクラッシャアセンブリに受け取られる。別のステップにおいて、クラッシャアセンブリによって送達された粉砕された混合物中の物質の比率データが判定される。別のステップにおいて、粉砕された混合物の再処理は、反応チャンバと通信する制御システムにおいて判定され、再処理を要求される。別のステップにおいて、再処理の要求に応じて、粉砕された混合物は、再処理のために供給ラインを介して反応チャンバに供給される。さらなるステップにおいて、再処理を受けた生成された糖は、出口ホッパから回収デバイスによって受け取られる。

【0056】

添付の図面を参照して上述した本発明の特定の構成及び配置は、例示のみを目的とする。本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者の専門範囲内にある他の構成及び配置を作成、使用、又は販売することができる。例えば、「要素」への言及は、１つ又は複数の要素への言及であり、当業者に知られているその均等物を含む。使用されるすべての接続詞は、可能な限り最も包括的な意味で理解されたい。よって、「又は」という語は、文脈上明確に別段の要請のない限り、論理的な「排他的論理和」の定義ではなく、論理的な「論理和」の定義を有するものとして理解されたい。本明細書に記載される構造は、そのような構造の機能的均等物を指すことも理解されたい。

【0057】

本発明は、現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関連して説明されているが、本発明は、本明細書に開示されるこれらの実施形態に限定されないことを理解されたい。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲内に含まれる様々な修正及び均等な構成を含むことが意図されている。

【0058】

本発明の様々な実施形態の特定の特徴は、いくつかの図面に示され、他の図面には示されない場合があるが、これは便宜上のものに過ぎない。本発明の原理によれば、１つの図面の特徴（複数可）は、他の図面のいずれかにおける特徴のいずれか又はすべてと組み合わせることができる。本明細書で使用される場合、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、及び「備える（ｗｉｔｈ）」という用語は、広く包括的に解釈されるべきであり、いかなる物理的な相互接続にも限定されない。さらに、本明細書に開示されている実施形態は、唯一可能な実施形態として解釈されるべきではない。むしろ、修正及び他の実施形態は、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】