KR101874763B1 - 바이오매스의 가공처리방법 - Google Patents

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질레코 인코포레이티드
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Abstract

바이오매스 공급원료(예컨대, 식물 바이오매스, 동물 바이오매스 및 도시 폐 바이오매스)가 연료 등과 같은 유용한 생성물을 생산하기 위하여 가공처리된다. 예를 들어, 공급원료 재료를 당 용액으로 전환시키고, 이어서 발효시켜 에탄올을 생산할 수 있는 시스템이 기재되어 있다. 바이오매스 공급원료는 제트 믹서의 작동에 의해 용기 내에서 당화되고, 해당 용기는 또한 유체 매질과 당화제를 수용한다.

Description

바이오매스의 가공처리방법{PROCESSING BIOMASS}
관련 출원
본 출원은 미국 특허 가출원 제61/179,995호(출원일: 2009년 5월 20일) 및 미국 특허 가출원 제61/218,832호(출원일: 2009년 6월 19일)에 대한 우선권을 주장한다. 이들 가출원의 각각의 완전한 개시 내용은 따라서 여기에 참조로 포함된다.
기술분야
본 발명은 바이오매스의 가공처리방법, 공급원료 당화장치 및 발효 시스템에 관한 것이다.
셀룰로스 재료 및 리그노셀룰로스 재료가 생산되고, 가공처리되어, 많은 용도에 대량으로 이용되고 있다. 이러한 재료는 종종 일단 사용되고 나면 쓰레기로서 폐기되거나, 또는 단순히 폐기물 재료, 예컨대, 오수(sewage), 바가스(bagasse), 톱밥 및 여물로 되는 것으로 여겨진다.
각종 셀룰로스 재료 및 리그노셀룰로스 재료, 그들의 용도 그리고 응용예가 예를 들어 미국 특허 제7,307,108호, 제7,074,918호, 제6,448,307호, 제6,258,876호, 제6,207,729호, 제5,973,035호 및 제5,952,105호 공보; 그리고 PCT/US2006/010648(출원일: 2006년 3월 23일; 발명의 명칭: "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES") 및 미국 특허출원 공보 제2007/0045456호(발명의 명칭: "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES")를 비롯한 각종 특허 출원에 기재되어 있다.
일반적으로, 본 발명은, 예컨대, 효소를 이용해서, 재료의 셀룰로스 부분을 저분자량 당으로 전환함으로써, 재료, 예컨대, 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 공급원료를 당화 혹은 액화하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 공급원료를 예컨대 발효에 의해 생성물로 전환하는 것에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 방법은 낮은 벌크 밀도 재료, 예를 들어, 약 0.5 g/㎤ 이하, 예컨대, 약 0.35 g/㎤, 0.25 g/㎤, 0.20 g/㎤, 0.15 g/㎤, 0.10 g/㎤, 0.05 g/㎤ 이하, 예컨대, 0.025 g/㎤ 이하의 벌크 밀도를 지니도록 물리적으로 전처리된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 공급원료를 이용할 수 있다.
이러한 재료는 당화, 발효 혹은 기타 가공처리를 위하여 액체, 예컨대, 물 혹은 용매계와 혼합되기 특히 어려울 수 있다. 그들의 낮은 벌크 밀도로 인해, 상기 재료는 그 내부에 분산되기보다는 오히려 액체의 표면에 떠 있는 경향이 있다. 몇몇 경우에, 해당 재료는 친수성이거나, 고도로 결정성이거나 혹은 다르게는 젖기 어려울 수 있다. 동시에, 당화된 재료 내에 최종 고농도의 당, 혹은 가공처리 후 고농도의 소망의 생성물(예컨대, 발효 후 에탄올 혹은 기타 알코올(들))을 얻기 위하여, 비교적 높은 고체 레벨의 분산액 중에서 공급원료를 처리하는 것이 바람직하다. 몇몇 경우에, 본 명세서에 기재된 방법을 이용해서, 가공처리 동안 분산액의 고체 레벨은 예를 들어 적어도 20, 25, 30, 35, 40, 45 혹은 심지어 적어도 50중량% 용해된 고체일 수 있다.
본 발명자들은 액체 혼합물 중의 공급원료의 분산액이 보강될 수 있고, 그 결과, 해당 혼합물의 고체 레벨이 소정의 혼합 수법 및 장비의 사용에 의해 증가될 수 있다는 것을 발견하였다. 본 명세서에 개시된 혼합 수법 및 장비는 또한 질량 이동, 그 결과로서, 혼합물 중의 반응 속도를 증대시키고, 해당 혼합물의 성분들, 예컨대, 미생물 및 효소를 감작(sensitive)시키는 폐해를 피하거나 최소화시킨다. 특히, 예를 들어, 제트 폭기 및 제트류 교반을 비롯한 제트 혼합 수법은, 양호한 젖음성, 분산성 및 기계적 파괴를 제공하는 것으로 발견되었다. 혼합물의 고체 레벨을 증가시킴으로써, 이 방법은 더욱 신속하고, 더욱 효율적이고 더욱 비용 효율적으로 처리될 수 있어, 얻어지는 최종 생성물의 농도가 증가될 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법들 중 몇몇은 공급 원료의 당화 및, 예컨대, 공급원료가 생산되거나 보관되어 있는 멀리 떨어진 거리로부터 제조설비로의 공급원료의 수송을 포함한다. 몇몇 경우에, 당화는 수송 동안 부분적으로 혹은 전체적으로 일어날 수 있다. 이러한 경우에, 수송 용기 내에서 혼합, 예를 들어, 제트 혼합을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 몇몇 경우에, 당화는 수송 동안 완료될 수 있다. 몇몇 경우에, 발효는 수송 동안 부분적으로 혹은 전체적으로 일어날 수 있다.
몇몇 구현예에서, 상기 방법은 당화 전에 혹은 당화 동안 공급원료의 난분해성(recalcitrance)을 감소시키는 단계를 추가로 포함한다. 상기 방법은 공급원료의 리그닌 함량을 측정하는 단계 및 측정된 리그닌 함량에 의거하여 어떠한 조건 하에서 전처리가 필요한지의 여부를 결정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
일 양상에서, 본 발명은, 제트 믹서를 이용해서, 용기 내에서 공급원료를 액체 매질 및 당화제와 혼합함으로써 바이오매스 공급원료를 당화시키는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.
몇몇 구현예는 다음과 같은 특성들을 하나 이상 포함한다. 공급원료는 약 0.5 g/㎤ 이하의 벌크 밀도를 지닐 수 있다. 공급원료는 예를 들어 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 재료일 수 있다. 액체는 물을 포함할 수 있다. 당화제는 효소를 포함할 수 있다. 제트 믹서는, 예를 들어, 제트류 교반기, 제트 폭기식 믹서 혹은 흡인실 제트 믹서를 포함할 수 있다. 제트 폭기식 믹서가 이용된다면, 제트 믹서를 통한 공기의 주입 없이 이용될 수 있다. 예를 들어, 제트 폭기식 믹서가 제1입구 라인과 제2입구 라인을 지니는 노즐을 포함한다면, 몇몇 경우에, 이들 두 입구 라인에는 액체가 공급된다. 몇몇 경우에, 혼합은 액체 매체에 공급원료를 증분식으로 첨가하는 단계와 첨가들 사이에 혼합하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 혼합 동안 공급원료와 액체 매질과 당화제의 혼합물의 글루코스 레벨을 모니터링하는 단계 및 몇몇 경우에 당화 동안 추가의 공급원료와 당화제를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 혼합 용기는, 예를 들어, 탱크, 레일 카 혹은 탱커 트럭일 수 있다. 당화는 몇몇 경우에 공급원료와 액체 매질과 당화제의 혼합물의 수송 동안 부분적으로 혹은 완전히 일어날 수 있다. 상기 방법은 용기 내에서 상기 혼합물에 유화제 혹은 계면활성제를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 본 발명은 용기 내에 대체로 토로이달 흐름(toroidal flow)을 발생하는 믹서를 이용해서 용기 내에서 공급원료를 액체 매질 및 당화제와 혼합함으로써 바이오매스 공급원료를 당화시키는 것을 특징으로 한다.
몇몇 실시형태에서, 믹서는 혼합 과정에서 액체 매질의 전체적인 온도의 증가를 5℃ 이하로 제한하도록 구성되어 있다. 이 양상은 또한 몇몇 실시형태에서 전술한 특성들 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 양상에서, 본 발명은, 제트 믹서를 이용해서, 저분자량 당을 액체 매질 중의 미생물과 혼합함으로써 저분자량 당을 생성물로 전환하는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.
몇몇 실시형태는 이하의 특성들 중 하나 이상을 포함한다. 액체 매질은 물을 포함할 수 있다. 미생물은 효모를 포함할 수 있다. 제트 믹서는 제트류 교반기, 제트 폭기식 믹서 혹은 흡인실 제트 믹서를 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 본 발명은 탱크; 상기 탱크 내에 배치된 노즐을 지니는 제트 믹서; 상기 탱크에 바이오매스 공급원료를 전달하도록 구성된 바이오매스 전달기기; 및 상기 탱크에 계량된 양의 당화제를 전달하도록 구성된 당화제 전달기기를 포함하는 장치를 특징으로 한다.
몇몇 실시형태는 이하의 특성들 중 하나 이상을 포함한다. 상기 제트 믹서는 모터를 더 포함할 수 있고, 상기 장치는 혼합 동안 상기 모터에 대한 토크를 모니터링하도록 구성된 토크 모니터링 기기를 더 포함할 수 있다. 상기 장치는 상기 토크 모니터링 기기로부터의 입력에 의거해서 공급원료 전달기기 및/또는 당화제 전달기기의 동작을 조정하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 용기 내의 바이오매스 공급원료를 당화시켜 당화된 혼합물을 형성하는 단계; 상기 용기 내의 상기 당화된 혼합물에 미생물을 접종시키는 단계; 및 접종된 상기 당화된 혼합물을 용기 내에서 발효시키는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.
몇몇 경우에, 상기 용기의 내용물을 발효 동안 수송 용기에 이송하여 해당 수송 용기 내에서 발효를 계속한다. 상기 방법은 당화 및 발효 동안 제트 믹서를 이용해서 상기 용기의 내용물을 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 방법은 발효 혼합물의 에탄올 및/또는 당 함량 및 산소 함량을 모니터링하는 단계를 더 포함한다.
다른 양상에서, 본 발명은 통기구를 지닌 용기; 상기 용기와 연통하는 산소 공급원; 상기 용기 내의 액체의 산소 함량을 모니터링하도록 구성된 산소 모니터; 및 상기 산소 모니터로부터의 입력에 응답하여, 상기 통기구와 산소 공급원을 이용해서, 상기 액체의 산소 함량을 조정하도록 구성된 제어기를 포함하는 발효 시스템을 특징으로 한다.
용기 내로의 산소의 유량은, 산소 공급이 필요로 되는 경우, 비교적 낮을 수 있다. 예를 들어, 제어기는 0.2vvm 이하, 예컨대, 0.1, 0.05, 0.025vvm 이하, 또는 심지어 0.01vvm 이하의 속도로 용기에 산소를 공급하도록 구성되어 있을 수 있다.
발효 시스템은 상기 용기 내의 액체의 당 농도 및/또는 에탄올 농도를 모니터링하도록 구성된 발효 모니터; 및 상기 발효 모니터로부터 수신된 입력에 의거해서 발효를 정지시키도록 구성된 제어기를 더 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 상기 시스템은 상기 제어기로부터 수신된 신호에 응답하여 발효를 정지시키도록 구성된 발효 정지 모듈을 포함한다.
본 명세서에 언급되거나 첨부된 모든 간행물, 특허 출원, 특허 공보 및 기타 문헌은 그들이 내포하고 있는 모든 전문이 본 명세서에 참조로 포함된다.
바이오매스 공급원료(예컨대, 식물 바이오매스, 동물 바이오매스 및 도시 폐 바이오매스)가 연료 등과 같은 유용한 생성물을 생산하기 위하여 가공처리된다. 예를 들어, 공급원료 재료를 당 용액으로 전환시키고, 이어서 발효시켜 에탄올을 생산할 수 있는 시스템이 기재되어 있다. 바이오매스 공급원료는 제트 믹서의 작동에 의해 용기 내에서 당화되고, 해당 용기는 또한 유체 매질과 당화제를 수용한다.
도 1은 글루코스 대한 셀룰로스의 효소 가수분해를 예시한 다이어그램;
도 2는 글루코스 용액의 생산 및 수송을 통해 공급원료의 에탄올로의 전환을 예시한 순서도이고, 도 2a는 일 실시형태에 따른 당화 시스템의 개략적 예시도;
도 3은 본 명세서에 개시된 용액 및 현탁액을 이용하도록 개량된 에탄올 제조설비의 개략도;
도 4 및 도 4a는 노즐을 빠져나가는 제트류를 예시한 다이어그램;
도 5는 일 실시형태에 따른 제트류 교반기의 개략적 사시도이고, 도 5a는 도 5의 제트류 교반기의 제트 튜브와 임펠러의 확대 사시도이고, 도 5b는 대안적인 임펠러의 확대 사시도;
도 6은 일 실시형태에 따른 흡인실 제트 혼합 노즐의 다이어그램이고, 도 6a는 다른 실시형태에 따른 흡인실 제트 혼합 시스템의 사시도
도 7은 다른 대안적인 실시형태에 따른 흡인실 제트 혼합 시스템의 제트 혼합 노즐의 개략적 사시도;
도 8은 탱크 및 해당 탱크 내에 위치된 제트 폭기식 혼합 시스템의 개략적 사시도로, 여기서 탱크는 제트 믹서 및 관련된 배관이 보이도록 투명한 것처럼 도시되어 있으며, 도 8a는 도 8의 제트 폭기 시스템에 이용되는 제트 믹서의 사시도이고, 도 8b는 공기 흡입구가 설치되어 있는 마찬가지 시스템의 개략적 사시도;
도 9는 일 실시형태에 따른 제트 폭기식 믹서의 단면도;
도 10은 대안적인 실시형태에 따른 제트 폭기식 믹서의 단면도;
도 11 내지 도 13은 제트 믹서의 상이한 형태를 포함하는 탱크 내의 대안적인 흐름 패턴을 예시한 다이어그램;
도 14는 일 실시형태에 따른 백플러싱(backflushing) 동안 탱크 내에서 일어나는 흐름 패턴을 예시한 다이어그램;
도 15 및 도 15a는 펄스형 공기 휴대용 혼합 시스템(pulsed air portable mixing system)을 이용해서 수송 중 혼합을 위하여 각각 설비된 탱커 트럭 및 레일 카를 도시한 도면;
도 16 및 도 16a는 대안적인 실시형태에 따른 믹서에 이용된 혼합 헤드들의 두 실시형태의 사시도;
도 17은 탱크 내의 노즐의 다단 구성을 도시한, 다른 실시형태에 따른 제트 폭기식 시스템;
도 18 및 도 18a는 각각 혼합 동안 탱크의 벽들을 따른 억류(hold up)를 최소화하는 기기의 개략적 평면도 및 사시도;
도 19, 도 20 및 도 21 내지 도 21a는 탱크 벽들을 따른 억류를 최소화하면서도 혼합을 제공하는 각종 워터 제트 장치의 도면;
도 22는 돔형상 바닥부를 지니는 탱크와 위에서부터 해당 탱크 내로 연장되는 두 제트 믹서의 단면도.
본 명세서에 기재된 방법을 이용해서, 바이오매스(예컨대, 식물 바이오매스, 동물 바이오매스 및 도시 폐 바이오매스)가 가공처리되어 본 명세서에 기재된 것들과 같은 유용한 중간생성물 및 생성물을 생산할 수 있다. 본 발명에는 쉽게 입수가능하지만 발효 등과 같은 처리에 의해 가공처리하는 것이 어려울 수 있는 셀룰로스 재료 및/또는 리그노셀룰로스 재료를 공급원료 재료로서 이용할 수 있는 시스템 및 방법이 기재되어 있다. 본 명세서에 기재된 방법의 다수는, 공급원료의 난분해성 레벨을 효율적으로 낮추어, 바이오처리(예컨대, 본 명세서에 기재된 임의의 미생물, 예를 들어, 호모아세토젠(homoacetogen) 혹은 헤테로아세토젠(heteroacetogen) 및/또는 본 명세서에 기재된 효소를 이용해서), 열처리(예컨대, 가스화 혹은 열분해) 또는 화학적 방법(예컨대, 산 가수분해 혹은 산화)에 의해 처리되기 쉽게 할 수 있다. 바이오매스 공급원료는 본 명세서에 기재된 방법들, 예컨대, 기계적 처리, 화학적 처리, 방사선 처리, 초음파 분해(sonication), 산화, 열분해 혹은 증기 폭발(steam explosion) 중 임의의 하나 이상을 이용해서 처리되거나 가공처리될 수 있다. 각종 처리 시스템 및 방법은 이들 수법 혹은 본 명세서 및 그 밖의 다른 곳에 기재된 수법 등의 둘, 셋 혹은 넷의 조합으로 이용될 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법은 낮은 벌크 밀도 재료, 예를 들어, 약 0.5 g/㎤ 이하, 예컨대, 약 0.35 g/㎤, 0.25 g/㎤, 0.20 g/㎤, 0.15 g/㎤, 0.10 g/㎤, 0.05 g/㎤ 이하, 예컨대, 0.025 g/㎤ 이하의 벌크 밀도를 지니도록 물리적으로 처리된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 공급원료를 이용할 수 있다. 벌크 밀도는 ASTM D1895B를 이용해서 결정된다. 요약하면, 이 방법은 공지의 체적의 계량 실린더를 샘플로 채우는 단계 및 해당 샘플의 중량을 구하는 단계를 포함한다. 벌크 밀도는 샘플의 중량(g)을 실린더의 공지의 체적(㎤)으로 나눔으로써 산출된다.
공급원료를 용이하게 가공처리될 수 있는 형태로 전환하기 위하여, 공급원료 내의 글루칸- 혹은 자일란-함유 셀룰로스가 당화제, 예컨대, 효소나 산, 당화라 불리는 처리에 의해 저분자량 탄수화물, 예컨대, 당으로 가수분해된다. 이 저분자량 탄수화물은 예를 들어 기존의 제조 공장, 예컨대, 단세포 단백질 공장, 효소 제조 공장 혹은 연료 공장, 예컨대, 에탄올 제조설비에 이용될 수 있다.
셀룰로스를 포함하는 재료는 해당 재료와 당화제를 액체 매질, 예컨대, 수용액 등의 용매 내에서 조합함으로써 당화제로 처리될 수 있다. 당화제, 재료 및 액체 매질은 본 명세서에 기재된 혼합 특성을 지니는 하나 이상의 믹서, 예컨대, 하나 이상의 제트 믹서를 이용해서 철저하게 혼합된다. 몇몇 구현예에서, 상기 재료 및/또는 당화제는 한번에 모두라기보다는 점증적으로 첨가된다. 예를 들어, 재료의 일부는 액체 매질에 첨가되어, 해당 재료가 적어도 부분적으로 당화될 때까지 당화제와 혼합될 수 있으며, 이 시점에서 상기 재료의 제2부분이 상기 혼합물에 첨가된다. 이 방법은 소망의 당 농도가 얻어질 때까지 계속될 수 있다.
효소, 및 바이오매스의 셀룰로스 및/또는 리그닌 부분 등과 같은 바이오매스를 파괴하는 바이오매스-파괴 유기체는 각종 셀룰로스 분해효소(셀룰라제), 리그닌분해효소 혹은 각종 소분자 바이오매스-파괴 대사산물을 포함하거나 만든다. 이들 효소는 바이오매스의 결정성 셀룰로스 혹은 리그닌 부분을 분해시키는데 상승적으로 작용하는 효소의 복합체일 수 있다. 셀룰로스 분해 효소의 예로는 엔도글루카나제류, 셀로바이오하이드롤라제류 및 셀로비아제류(β-글루코시다제류)를 들 수 있다. 도 1을 참조하면, 셀룰로스 기질은 초기에 랜덤 개소에서 엔도글루카나제에 의해 가수분해되어 올리고머 중간생성물을 생성한다. 이들 중간생성물은 이어서 셀룰로스 폴리머의 말단으로부터 셀로비오스를 생산하기 위한 셀로비오하이드롤라제 등과 같은 엑소-스플리팅(exo-splitting) 글루카나제용의 기질이다. 셀로비오스는 글루코스의 수용성 1,4-결합된 이량체이다. 최종적으로 셀로비아제는 셀로비오스를 쪼개어 글루코스를 수득한다. 적절한 셀루라제는 본 명세서에서 나중의 부분에 설명될 것이다.
당화 과정은 (a) 제조 공장 내의 탱크(예컨대, 적어도 4000, 40,000, 400,000, 4,000,000 혹은 40,000,000ℓ의 체적을 지니는 탱크)에서, 및/또는 (b) 수송 중에, 예컨대, 레일 카 내, 탱커 트럭 내, 또는 초대형 유조선이나 선박의 선창 내에서 부분적으로 혹은 완전히 수행될 수 있다. 완전한 당화를 위해 필요한 시간은 이용된 공급원료와 효소 그리고 처리 조건에 좌우될 것이다. 당화가 제어된 조건 하에 제조 공장에서 수행된다면, 셀룰로스는 약 12 내지 96시간에 글루코스로 실질적으로 완전히 전환될 수 있다. 당화가 수송 중에 부분적으로 혹은 완전히 수행된다면, 당화는 더 오랜 시간이 걸릴 수 있다.
몇몇 경우에, 당화는 약 4 내지 7, 예컨대, 약 4.5 내지 6, 또는 약 5 내지 6의 pH에서 수행된다.
일반적으로 당 용액 중의 글루코스의 최종 농도는 비교적 높은 것, 예컨대, 15% 이상, 혹은 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90% 이상 혹은 심지어 95% 이상인 것이 바람직하다. 이것은 출하될 체적을 감소시키며, 또한 용액 중의 미생물 증식을 억제한다. 당화 후, 물의 체적은 예컨대 증발 혹은 증류에 의해 감소될 수 있다.
비교적 고농도 용액이 효소를 지닌 공급원료에 첨가되는 물의 양을 제한함으로써 얻어진다. 이 농도는 또한 얼마나 많이 당화가 일어나는지를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 농도는 더 많은 공급원료를 용액에 첨가함으로써 증가될 수 있다. 매질 중의 공급원료의 용해도는 예를 들어 용액의 온도를 증가시킴으로써 및/또는 이하에 설명하는 바와 같은 계면활성제를 첨가함으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 상기 용액은 40 내지 50℃, 50 내지 60℃, 60 내지 80℃ 혹은 그 이상의 온도에서 유지될 수 있다.
도 2를 참조하면, 알코올, 예컨대, 에탄올의 제조방법은, 예를 들어, 공급원료를 임의선택적으로 물리적으로 전처리하여, 예컨대, 크기를 감소시키는 단계(스텝 110), 이 처리 전 및/또는 후에, 공급원료를 임의선택적으로 처리하여 난분해성을 감소시키는 단계(스텝 112) 및 공급원료를 당화시켜 당 용액을 형성하는 단계(스텝 114)를 포함할 수 있다. 당화는 후술하는 바와 같이, 액체 배지, 예컨대, 물 내의 공급원료의 분산액을 효소와 혼합함으로써 수행될 수 있다(스텝 111). 당화 동안 혹은 후에, 혼합물(당화가 도중에 부분적으로 혹은 완전히 수행될 필요가 있다면) 혹은 용액은 예를 들어 파이프라인, 레일카, 트럭 혹은 바지선에 의해 제조공장으로 수송될 수 있다(스텝 116). 이 공장에서, 상기 용액은 바이오처리되어 소망의 생성물, 예컨대, 에탄올을 생산할 수 있고(스텝 118), 이어서 예컨대 증류에 의해 더욱 처리된다(스텝 120). 이 방법의 개별적인 단계(즉, 스텝)들은 이하에 더욱 상세히 설명될 것이다. 필요한 경우, 리그닌 함량을 측정하는 단계(스텝 122) 및 공정 파라미터를 설정 혹은 조정하는 단계(스텝 124)가, 예를 들어, 도시된 바와 같이 공급원료의 구조를 변경시키는 데 이용되는 처리 단계(들) 직전에, 처리의 각종 단계에서 수행될 수 있다. 이들 단계가 포함된다면, 상기 공정 파라미터는, 미국 특허 가출원 제61/151,724호(출원일: 2009년 2월 11일)에 기재된 바와 같이, 공급원료의 리그닌 함량의 가변성을 보상하도록 조정되며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
혼합 단계(스텝 111) 및 당화 단계(스텝 114)는 예를 들어 도 2a에 도시된 시스템을 이용해서 수행될 수 있다. 이 시스템은 크기를 감소시키고 임의선택적으로 난분해성을 감소시키기 위하여 처리된 공급원료를(상기 스텝 110 및 112) 공급원료 전처리 모듈(132)에 의해 입수하는 컨베이어(130)를 포함한다. 공급원료(134)는 밸브 배관 시스템(도시 생략)을 통해 탱크로 전달되는 액체 매질(138), 예컨대, 물을 수용하는 탱크(136)로 전달된다. 분산 시스템은, 예컨대, 미국 특허 가출원 제61/296,658호(출원일: 2010년 1월 20일)에 개시된 바와 같이, 액체 매질 내로 공급원료의 초기 분산을 용이하게 하는데 이용될 수 있으며, 이 문헌의 전체 개시 내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
당화제는 계량 기기(142)를 포함하는 호퍼(140)로부터 탱크로 전달된다. 탱크의 내용물은 하나 이상의 제트 믹서에 의해 혼합된다. 제트 믹서(144)는 도 2a에 개략적으로 예시되어 있고; 적절한 제트 믹서의 예는 이하에 상세히 설명될 것이다. 제트 믹서는 펌프 및/또는 회전자(도시 생략)를 구동하는 모터(146)를 이용해서 제트를 생성한다. 모터(146)에 의해 작용되는 토크는 탱크 내의 혼합물의 고체 레벨과 상관이 있고, 이어서 혼합물이 당화되는 정도를 반영한다. 토크는 토크 모니터(148)에 의해 측정되어, 컨베이어(130)를 구동하는 모터(150)에 그리고 호퍼(140)의 계량 기기(142)에 신호를 전송한다. 이와 같이 해서, 처리된 공급원료 및 효소의 공급은 탱크의 내용물의 당화의 함수로서 중단되고 재개될 수 있다. 토크 모니터에 의해 측정된 데이터는, 예컨대, 회전자를 이용하는 믹서에 대해서 보다 낮은 RPM으로, 또는 펌프-구동 믹서에 대해서 보다 낮은 제트 속도로 제트 믹서를 조정하는데 이용될 수 있다. 토크 모니터 대신에 혹은 토크 모니터에 부가해서, 이 시스템은 모터의 전체 부하 전류량(amperage)을 측정하는 전류량 모니터(도시 생략)를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 제트 믹서는 모터의 속도를 조정할 수 있는 가변 주파수 구동기(variable frequency drive: VFD)를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 또한 액체의 온도를 모니터링하고, 온도의 증가에 응답하여 혼합 조건 및/또는 공급원료의 공급률을 조정하는 가열 모니터(도시 생략)를 포함할 수 있다. 이러한 온도 피드백 루프는 액체 매질이 효소를 변성할 온도에 도달하는 것을 방지하는데 이용될 수 있다.
하나 이상의 펌프가 본 명세서에 기재된 시스템에 이용될 경우, 정 변위(positive displacement: PD) 펌프, 예컨대, 추진 공동형(progressive cavity) 혹은 스트류형(screw-type) PD 펌프가 사용되는 것이 일반적으로 바람직하다.
몇몇 경우에, 제조 공장은, 예를 들어, 기존의 곡류-기반 혹은 당-기반 에탄올 공장 또는 바이오-처리 시스템으로부터 상류에 있는 장비를 제거하거나 해제함으로써 개량된 것(이것은 전형적인 에탄올 공정에 있어서 일반적으로 곡류 입수 장비, 햄머밀, 슬러리 믹서, 쿠킹 장비 및 액화 장비를 포함함)일 수 있다. 이와 같이 해서, 상기 공장에서 입수한 공급원료는 발효 장비 내로 직접 입력된다. 개량된 공장은 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 이 방식에 있어서 기존의 곡류-기반 혹은 당-기반 에탄올 공장의 사용은 미국 특허 제12/704,521호(출원일: 2010년 2월 11일)에 기재되어 있고, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
몇몇 실시형태에서, 당화된 공급원료(당 용액)를 개별의 제조 공장 혹은 심지어 개별의 탱크로 수송하기보다는 오히려, 당 용액은 동일 탱크 혹은 당화에 이용된 다른 용기에서 접종되고 발효된다. 발효는 동일 용기에서 완결될 수 있거나, 혹은 이 방식에서 시작되고 나서 전술한 바와 같이 수송 동안 완결될 수 있다. 단일 탱크 내에서의 당화 및 발효는 미국 특허 가출원 제61/296,673호(출원일: 2010년 1월 20일)에 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
일반적으로, 발효 용기 내의 산소 레벨은, 예컨대, 필요에 따라 산소 레벨을 모니터링하고 탱크를 통기시키거나 혼합물을 폭기시킴으로써 제어될 필요가 있다. 또, 용기 내의 에탄올의 레벨을 모니터링하는 것이 바람직하므로, 에탄올 레벨이 강하하기 시작할 때, 예컨대, 가열하거나 중아황산나트륨의 첨가에 의해 발효 공정이 정지될 수 있다. 발효를 정지시키는 다른 방법은 과산화물(예컨대, 퍼옥시아세트산 혹은 과산화수소)을 첨가하거나, 숙신산 혹은 그의 염을 첨가하거나, 용기의 내용물을 냉각시키거나 산소 살포율을 줄이는 것을 포함한다. 이들 방법 중 임의의 둘 이상의 방법의 조합이 이용될 수 있다. 발효가 수송 동안 수행되거나 완결되어야 한다면, 수용 용기(예컨대, 레일 카 혹은 탱커 트럭의 탱크)에는 산소 모니터 및 에탄올 모니터를 포함하는 제어 유닛, 그리고 탱크에 중아황산나트륨(혹은 기타 발효 종결 첨가제)을 전달하는 전달 시스템 및/또는 발효를 정지시키기 위하여 탱크 내의 파라미터를 조정하는 시스템이 끼워맞춤되어 있을 수 있다.
필요한 경우, 제트 혼합은 발효 동안 이용될 수 있고, 만약 발효가 당화와 동일 용기에서 수행된다면, 동일 장비가 이용될 수 있다. 그러나, 몇몇 실시형태에서, 제트 혼합은 필수는 아니다. 예를 들어, 발효가 수송 동안 수행된다면, 레일 카 혹은 탱커 트럭의 움직임은 적절한 교반을 제공할 수 있다.
공급원료, 효소 및 액체의 혼합
혼합 특성
각종 혼합 장치가 이하에 설명되어 있지만 다른 혼합 장치도 이용될 수 있다. 적절한 믹서가 공통으로 구비되어, 높은 순환 흐름, 예를 들어, 토로이달(즉, 도넛형) 혹은 타원형 패턴의 흐름을 발생한다. 일반적으로, 바람직한 믹서는 높은 벌크 유량을 나타낸다. 바람직한 믹서는 비교적 낮은 에너지 소비를 지니는 이 혼합작용을 제공한다. 또, 믹서는 비교적 낮은 전단을 발생하고 액체 매질의 가열을 피하는 것이 바람직한데, 그 이유는 전단 및/또는 가열은 당화제(혹은 예컨대, 발효의 경우, 미생물)에 유해하게 작용할 수 있기 때문이다. 이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 몇몇 바람직한 믹서는, 혼합물을 입구를 통해서 혼합 요소(mixing element) 내로 유인하고 나서, 해당 혼합 요소로부터의 혼합물을 출구 노즐을 통해서 방출하며, 이때 혼합 요소는 회전자 혹은 임펠러를 포함할 수 있다. 이 순환 작용, 및 노즐을 빠져나가는 제트의 높은 속도는, 혼합 요소의 배향에 따라서, 탱크의 바닥에 침강된 재료 혹은 액체의 표면 상에 부유하고 있는 재료를 분산시키는 것을 돕는다. 혼합 요소는 부유 재료와 침강 재료의 양쪽 모두를 분산시키기 위하여 상이한 배향에서 위치되어 있을 수 있고, 혼합 요소의 배향은 몇몇 경우에 조절가능할 수 있다.
몇몇 바람직한 혼합 시스템에서, 주위 유체가 만나는 바와 같은 제트의 속도(v0)는 약 2 내지 300 m/s, 예컨대, 약 5 내지 150 m/s 또는 약 10 내지 100 m/s이다. 혼합 시스템의 전력 소비는 100,000ℓ 탱크에 대해서 약 20 내지 1000 KW, 예컨대, 30 내지 570 KW 혹은 50 내지 500 KW, 또는 150 내지 250KW이다. 일반적으로 전력 사용은 비용 효율이 낮은 것이 바람직하다.
제트 혼합
제트 혼합은, 바이오매스 공급원료와 액체 매질과 당화제의 혼합물의 경우에, 침수된 제트의 배출량, 또는 다수의 침수된 제트 혹은 유체 매질로의 고속 액체를 포함한다. 액체의 제트는 유체 매질을 침투하고, 그의 에너지는 교란 및 몇몇 초기 열에 의해 소산된다. 이 교란은 속도 구배(유체 전단)와 연관된다. 둘러싸고 있는 유체는 가속되고 제트류 내로 유입(혹은 동반)(entrained)되며, 이 2차 유입된 흐름은 제트 노즐로부터의 거리가 증가함에 따라 증가한다. 2차 흐름의 모멘텀은 그 흐름이 벽, 바닥 혹은 기타 장애물을 치치 않는 한 제트가 뻗으므로 대체로 일정하게 유지된다. 흐름이 임의의 장애물을 치기 전에 그 흐름이 길게 계속되는 한, 2차 흐름으로 유입되는 액체가 많아져, 탱크 혹은 용기의 벌크 흐름을 증가시킨다. 2차 흐름이 장애물과 조우하게 되면, 해당 2차 흐름은 탱크의 기하학적 형태, 예컨대, 장애물에 흐름이 충돌하는 각도에 다소 좌우되어 모멘텀을 소실할 것이다. 일반적으로 탱크 벽에 대한 유압 손실이 최소화되도록 제트 및/또는 디자인을 배향시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 22에 도시된 바와 같이, 탱크에 대해서는 아치형 바닥부(예컨대, 돔형 헤드플레이트(domed headplate)를 지니는 것이 바람직할 수 있고, 또 제트 믹서에 대해서는 측벽에 비교적 가깝게 배향되는 것이 바람직할 수 있다. 탱크 바닥부(하부 헤드 플레이트)는 임의의 소망의 돔형 형태를 지닐 수 있거나, 혹은 타원형 혹은 원추형 기하 형태를 지닐 수 있다.
제트 혼합은 구동력이 기계식보다는 유압식이라는 점에서 액체/액체 및 액체/고체 혼합의 대부분의 유형과는 다르다. 유체를 전단하여 혼합 용기 둘레에 추진시키는 대신에, 기계식 교반기와 마찬가지로, 제트 믹서는 탱크 내에 하나 이상의 노즐을 통해서 유체를 가압하여, 다른 유체를 유입시키는 고속 제트를 생성한다. 그 결과는 전단(유체 대 유체) 및 순환이며, 이는 탱크 내용물을 효율적으로 혼합한다.
도 4를 참조하면, 둘레에 있는 유체와 침수된 제트로부터의 코어 흐름 간의 고속 구배는 소용돌이(즉, 와류)를 일으킨다. 도 4a는 침수된 제트의 일반적인 특성을 예시하고 있다. 침수된 제트가 둘러싸고 있는 주변 환경 내로 확장됨에 따라 속도 프로파일은 노즐로부터의 거리(x)가 증가함에 따라 평탄해진다. 또한, 속도 구배(dv/dr)는 주어진 거리(x)에서 r(제트의 중심선으로부터의 거리)에 따라 변화하므로, 와류가 작성되어 혼합 영역(노즐로부터의 원추형 확산)을 규정한다.
공기 중의 침수된 제트의 실험 연구(물을 비롯한 임의의 유체에 적용가능한 결과)에 있어서, Albertson et al.("Diffusion of Submerged Jets," Paper 2409, Amer. Soc. of Civil Engineers Transactions, Vol. 115:639-697, 1950, at p. 657)은 v(x)r=0/v 0(중심선 속도), v(r) x /v(x)r=0(주어진 x에서의 속도 프로파일), Q x /Q0(흐름 유입) 및 E x /E0(x에 따른 에너지 변화)에 대한 무치수 관계(dimensionless relationship)를 전개시켰다:
(1) 중심선 속도, v(x)r=0/v 0:
Figure 112017063740495-pat00001
(2) 임의의 x에서의 속도 프로파일, v(r) x /v(x)r=0:
Figure 112017063740495-pat00002
(3) 임의의 x에서의 흐름 및 에너지:
Figure 112017063740495-pat00003
식 중,
v(r=0) = 침수된 제트의 중심선 속도(m/s),
v 0 = 노즐로부터 나오는 제트의 속도(m/s),
x = 노즐로부터의 거리(m),
r = 제트의 중심선으로부터의 거리(m),
D0 = 노즐의 직경(m),
Q x = 노즐로부터 거리 x에서의 임의의 주어진 평면을 가로지르는 유체의 흐름(me/s),
Q0 = 노즐로부터 나오는 유체의 흐름(㎥/s),
E = 노즐로부터 거리 x에서의 임의의 주어진 평면을 가로지르는 유체의 에너지 흐름(㎥/s),
E0 = 노즐로부터 나오는 유체의 에너지 플럭스(㎥/s).
("Water Treatment Unit Processes: Physical and Chemical," David W. Hendricks, CRC Press 2006, p. 411.)
제트 혼합은 커다란 체적(1,000 gal 이상) 및 속도(1,000 cPs 하) 응용에서 특히 비용 효율적이다. 또, 일반적으로 대부분의 경우에 제트 믹서의 펌프 혹은 모터는 침수되어 있지 않은 것이 유리하며, 예컨대, 펌프가 사용될 경우 용기 외부에 일반적으로 위치된다.
제트 혼합의 하나의 이점은, 주위 유체(노즐의 출구 바로 근방 이외, 여기에 몇몇 국소화된 가열이 있을 수 있음)의 온도가, 만약 있다면, 단지 다소 증가된다는 점이다. 예를 들어, 그 온도는 5℃ 이하, 1℃ 이하만큼, 혹은 그렇지 않으면 임의의 측정가능한 정도까지 증가될 수 있다.
제트류 교반기
제트류 교반기의 하나의 유형이 도 4 및 도 4a에 도시되어 있다. 이러한 유형의 믹서는 상표명 ROTOTRON™ 하에 IKA로부터 시판되고 있다. 도 4를 참조하면, 믹서(200)는 구동 샤프트(204)를 회전시키는 모터(202)를 포함한다. 혼합 요소(206)는 구동 샤프트(204)의 단부에 장착된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 혼합 요소(206)는 슈라우드(208), 그리고 해당 슈라우드 내에 임펠러(210)를 포함한다. 화살표로 나타낸 바와 같이, 임펠러가 그의 "전방" 방향에서 회전하면, 해당 임펠러(210)는 슈라우드의 개방 상단부(212)를 통해 액체를 유인하고, 개방 하단부(214)를 통해 액체를 강제로 내보낸다. 액체 출구 단부(214)는 고속 스트림 혹은 제트의 형태이다. 임펠러(210)의 회전 방향이 역전되면, 액체는 상기 하단부(214)를 통해 유인되어 상기 상단부(212)를 통해 배출될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 탱크 혹은 용기 내의 액체의 표면 근방 혹은 표면 상에 떠있는 고체에 흡인하는데 이용될 수 있다. (단, "상부" 및 "하부"란 도 4의 믹서의 배향을 지칭하는 것이며; 해당 믹서는 상단부가 하단부 아래쪽에 있도록 탱크 내에 배향될 수도 있다.)
슈라우드(208)는 그의 단부 부근의 깔때기처럼 퍼진 영역(216), (218)을 포함한다. 이들 깔때기처럼 퍼진 영역은 이런 유형의 믹서에서 관찰되는 대체로 토로이달 흐름에 기여하는 것으로 여겨진다. 슈라우드와 임펠러의 기하학적 형태는 또한 비교적 낮은 전력 소비를 이용하는 고속 스트림 내로 흐름을 집중시킨다.
바람직하게는, 슈라우드(208)와 임펠러(210) 간의 간극은 재료의 과도한 밀링을 피하도록 충분하면 되고, 따라서, 슈라우드를 통과할 수 있게 된다. 예를 들어, 상기 간극은 혼합물 내의 고체의 평균 입자 크기의 적어도 10배, 바람직하게는 적어도 100배일 수 있다.
몇몇 구현예에서, 샤프트(204)는 해당 샤프트를 통한 기체 전달을 가능하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 샤프트(204)는 기체가 이를 통하여 전달되는 구멍(bore)(도시 생략)과, 기체가 이를 통하여 혼합물 내로 빠져나가는 하나 이상의 오리피스(orifice)를 포함할 수 있다. 오리피스는 혼합을 향상시키기 위하여 슈라우드(208) 내에 및/또는 샤프트(204)의 길이를 따른 다른 장소에 있을 수 있다.
임펠러(210)는 고속에서 슈라우드를 통해 액체를 유인하게 될 임의의 소망의 기하학적 형태를 지닐 수 있다. 임펠러는 바람직하게는 도 4a에 도시된 바와 같은 마린 임펠러(marine impeller)가 바람직하지만, 다른 디자인, 예를 들어, 도 4b에 도시된 바와 같은 러쉬톤 임펠러(Rushton impeller) 혹은 예컨대 몇몇 축방향 흐름을 제공하도록 경사진 변형된 러쉬톤 임펠러를 지닐 수도 있다.
슈라우드를 통해 고속 흐름을 발생시키기 위하여, 모터(202)는, 예컨대, 500 내지 20,000 RPM, 예컨대, 3,000 내지 10,000 RPM에서 작동하는 것이 가능한 고속의 하이 토크 모터가 바람직하다. 그러나, 믹서가 클수록(예컨대, 슈라우드가 클수록 및/또는 모터가 클수록), 회전 속도가 낮을 수 있다. 따라서, 5 hp, 10 hp, 20 hp 혹은 30 hp 이상의 대형 믹서가 사용된다면, 모터는 예컨대 2000 RPM 이하, 1500 RPM 이하 혹은 심지어 500 RPM 이하의 보다 낮은 회전 속도에서 작동하도록 설계되어 있을 수 있다. 예를 들어, 10,000-20,000ℓ 탱크를 혼합하는 크기로 된 믹서는 900 내지 1,200 RPM의 속도로 작동할 수 있다. 모터의 토크는, 혼합 조건이 시간 경과에 따라, 예컨대, 고체의 당화로 인해 변하므로 비교적 일정한 임펠러 속도를 유지하도록 자체 조정되는 것이 바람직하다.
유리하게는, 믹서는 소망의 방향으로 제트 흐름을 향하게 하도록 탱크 내의 임의의 소정의 각도 혹은 위치에서 배향될 수 있다. 게다가, 위에서 설명된 바와 같이, 임펠러의 회전 방향에 따라서, 믹서는 슈라우드의 한쪽 단부로부터 유체를 유인하는데 이용될 수 있다.
몇몇 구현예에서, 2개 이상의 제트 믹서는 용기 내에 위치결정되어 있는데, 그중 하나 이상이 유체를 상향으로("업 펌핑") 제트시키도록 구성되고, 또 하나 이상이 유체를 하향으로("다운 펌프") 제트시키도록 구성되어 있다. 몇몇 경우에, 업 펌핑 믹서는 다운 펌핑 믹서에 인접하게 배치하여, 이들 믹서들에 의해 형성되는 난류(turbulent flow)를 증대시킬 것이다. 필요한 경우, 하나 이상의 믹서를 처리 동안 상향 흐름과 하항 흐름 간에 전환시킬 수도 있다. 특히 공급원료가 액체의 표면 상에 전가되거나 내뿜어지면, 액체 매질 내의 공급원료의 초기 분산 동안 믹서의 모두 혹은 대부분을 업 펌핑 모드로 전환시키는 것이 유리한데, 그 이유는 업 펌핑은 그 표면 상에 상당한 난류를 작성하기 때문이다. 업 펌핑은 또한 통기될 수 있는 표면에 기체에 의해 기포를 형성시킴으로써 액체로부터 CO2를 제거하는 것을 돕기 위하여 발효 동안 이용될 수도 있다.
흡인실 제트 믹서
제트 믹서의 다른 유형은 펌프로부터 가압된 유체를 전단하는 1차 노즐; 해당 1차 노즐에 인접하여, 상기 1차 노즐을 통해 유체를 해당 1차 노즐과 폭이 넓은 입구 간의 압력 강하에 의해 주위 유체를 유인하는 흡인 입구; 및 상기 흡인 입구와 2차 노즐 사이에 뻗어 있는 흡인실을 포함한다. 고속 유체의 제트는 2차 노즐을 빠져나간다.
이 유형의 믹서의 일례가 도 6에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 믹서(600)에서는 펌프(도시 생략)로부터 가압된 액체가 입구 통로(602)를 통해서 흘러 1차 노즐(603)을 통해서 빠져나간다. 주위 액체는 가압된 액체의 흐름으로 인해 초래된 압력 강하에 의해 흡인실(606) 내로 흡인 입구(602)를 통해서 유입된다. 이 조합된 흐름은 흡인실로부터 2차 노즐(608)을 통해 고속으로 주위 액체 내로 빠져나간다. 혼합은 액체의 빠져나온 제트의 흡인 작용으로 인해 흡인실 내 및 주위 액체 내의 양쪽 모두에서 일어난다.
유사한 원리에 따라 작동하는 혼합 시스템이 도 6a에 도시되어 있다. 이 디자인을 구현한 믹서는 ITT Water & Wastewater사로부터 상표명 Flygt™ 제트 믹서 하에 시판되고 있다. 시스템(618)에서, 펌프(620)는 흡인 노즐 시스템(622)을 통해 탱크(도시 생략)로 전달되는 1차 흐름을 발생한다. 흡인 노즐 시스템(622)은 위에서 설명된 1차 노즐(603)과 유사한 방식으로 기능하는 1차 노즐(624)을 포함하여, 1차 노즐을 빠져나오는 유체에 의해 초래된 압력 강하로 인해 이젝터 관(ejector tube)(628)의 인접 개방 단부(626) 내로 주위 유체가 유입되도록 한다. 이어서 조합된 흐름은 고속 제트로서 2차 노즐로서 작용하는 이젝터 관(628)의 타단부(630)를 빠져나간다.
이덕터(eductor) 노즐이라 불리는 도 7에 도시된 노즐은 마찬가지 원리 하에 작동한다. 이 디자인을 구현하는 노즐은 상표명 TeeJet(등록상표) 하에 시판되고 있다. 도시된 바와 같이, 노즐(700)에서 가압된 액체가 입구(702)를 통해 흘러, 1차 노즐(704)을 빠져나와 확산기(708)의 개방 단부(706) 내로 주위 유체를 유인한다. 조합된 흐름은 입구 유량 A와 유입된 주위 유체의 유량 B의 합계인 순환 유량 A+B에서 확산기의 대향하는 개방 단부(710)을 빠져나간다.
제트 폭기식 믹서
이용될 수 있는 제트 혼합 시스템의 다른 유형은 폐수 산업에서 "제트 폭기 혼합"으로 지칭된다. 폐수 산업에서, 이들 믹서는 전형적으로 폭기를 제공하기 위하여, 액체 혼합물과 가압 공기의 제트를 전달하는데 이용된다. 그러나, 본 출원에서는, 몇몇 경우에, 제트 폭기식 믹서는, 이하에 설명하는 바와 같이, 가압된 기체 없이 이용될 수 있다. 제트 폭기 믹서의 동작의 원리는 처음에는 명확히 하기 위하여 가압된 공기와 함께 그들의 사용의 맥락에서 설명될 것이다.
도 8 내지 도 8b에 도시된 믹서(800) 등과 같은 와류 제트 믹서는, 중앙의 허브(804) 상의 방사상 패턴에 장착된 다수의 제트(802)를 포함한다. 제트의 방사상 패턴은 탱크를 통해 혼합 에너지를 균일하게 분포시킨다. 와류 제트 믹서는, 탱크의 중심축에 대해서 토로이달 흐름을 제공하기 위하여, 도시된 바와 같이 탱크 내에 중앙에 위치되어 있다. 와류 제트 믹서는 배관(806) 상에 장착되어, 와류 제트 믹서에 고속 액체를 공급한다. 도 8b에 도시된 실시형태에서, 공기는 또한 배관(812)을 통해 와류 제트 믹서에 공급된다. 고속 액체는 펌프(808)에 의해 전달되고, 해당 펌프는 탱크 위부에 위치되어, 탱크의 측벽에 있는 입구(810)를 통해 액체를 유인시킨다.
도 9 및 도 10은 기체 및 액체 스트림을 혼합하도록 설계되어 고속 제트를 방출하는 두 종류의 노즐 형태를 도시하고 있다. 이들 노즐은 도 8 및 도 8a에 도시된 와류 제트 믹서와는 다수 다르게 구성되어 있지만, 마찬가지 방식으로 기능한다. 도 9에 도시된 시스템(900)에서, 1차 혹은 원동력이 되는 유체가 액체 라인(902)을 통해 내부 노즐(904)로 향하고, 해당 노즐을 통해 액체가 고속으로 혼합 영역(906) 내로 주행한다. 제2유체, 예컨대, 가압된 공기, 질소 혹은 이산화탄소 등의 기체 또는 액체는 제2라인(908)을 통해 혼합 영역으로 도입되고, 원동력이 되는 유체 내에 유입되어 내부 노즐을 통해 혼합 영역(906)으로 도입된다. 몇몇 경우에, 제2유체는 효소의 산화를 감소시키기 위하여 질소 혹은 이산화탄소이다. 두 라인으로부터의 조합된 흐름은 외부 노즐(910)을 통해 혼합 탱크 내로 분사된다. 제2유체가 기체이면, 미세한 기포가 혼합물 중의 액체 내에 유입된다. 액체는 펌프에 의해 액체 라인(902)으로 공급된다. 기체는, 사용된다면, 압축기에 의해 제공된다. 액체가 제2유체로서 사용된다면, 액체 라인(902)을 통해서 도입되는 액체와 동일한 속도, 혹은 상이한 속도를 지닐 수 있다.
도 10은 대안적인 노즐 디자인(1000)을 도시한 것으로, 여기서 외부 노즐(1010)들(그중, 단지 하나만이 도시됨)이 제2라인(1008)과 병렬로 위치된 액체 라인(1002)을 포함하는 세장형 부재(elongated member)(1011)의 길이를 따라 위치되어 있다. 각 노즐은 단일의 외부 노즐(1010)과 단일의 내부 노즐(1004)을 포함한다. 원동력이 되는 유체와 제2유체와의 혼합은 전술한 시스템(900)에서와 마찬가지 방식으로 진행된다.
도 11 및 도 12는 노즐들이 세장형 부재의 길이를 따라 위치결정되어 있는 제트 폭기식 혼합 시스템의 예들을 예시하고 있다. 도 11에 도시된 예에서, 세장형 부재(1102)는 탱크(1104)의 직경을 따라 위치결정되고, 노즐(1106)들은 대체로 타원형 흐름의 두 영역(그중 한쪽이 중앙의 세장형 부재의 어느 한쪽 상에 있음)을 포함하는 표시된 흐름 패턴을 생성하도록 노즐로부터 반대 방향으로 연장된다. 도 12에 도시된 예에서, 탱크(1204)는 단면이 대체로 직사각형이며, 세장형 부재(1202)는 탱크의 하나의 측벽(1207)을 따라 연장된다. 이 경우, 노즐(1206)은 모두 대향하는 측벽(1209)을 향하여 동일 방향으로 면하고 있다. 이것은 도시된 흐름 패턴을 생성하며, 이때 탱크 내의 흐름은 탱크의 길이를 따라 대체로 중앙으로 연장되는 주된 축에 대해서 대체로 타원형이다. 도 12에 도시된 실시형태ㅔ서, 노즐들은 탱크 바닥을 향하여, 예컨대, 수평 방향으로부터 약 15 내지 30°의 각도로 기울어져 있을 수 있다.
도 13에 도시된 또 다른 실시형태에서, 노즐(1302), (1304) 및 흡인 입구(1306)는 탱크의 내용물이 탱크의 중앙 수직축 둘레에 토로이달의 회전 도넛 형상으로 공전 및 회전하도록 배열되어 있다. 토로이드의 표면 둘레의 흐름은, 탱크 중심의 아래쪽으로, 바닥을 따라, 벽 위쪽으로 또한 중심에 대해서 뒤쪽으로 유인되어, 회전 나선 패턴을 형성하며, 이는 중심부를 제거하여 고체가 침강되는 것을 방지한다. 이 토로이달 패턴은 또한 탱크 중앙부로 부유 중인 고체가 이동하는데 유효하며, 여기서 이들 고체는 바닥부로 끌어 당겨져서 탱크 내용물과 균일하게 된다. 그 결과는 연속적인 나선형 흐름 패턴이며 이는 탱크 사각 지대(dead spot)를 최소화한다.
백플러싱
몇몇 경우에, 본 명세서에 기재된 제트 노즐은 막히게 될 수 있어, 효율 및 비용 효율성을 감소시키게 될 수 있다. 노즐의 막힘은 해당 노즐을 통한 원동력이 되는 액체의 흐름을 역전시킴으로써 제거될 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 시스템에서, 이것은 노즐(1408)에 유입되는 액체 라인(1406)과 펌프(1404) 사이에 있는 밸브(1402)를 폐쇄하여 제2펌프(1410)를 작동시킴으로써 달성된다. 제2펌프(1410)는 노즐을 통해 유체를 유인한다. 이 유체는 이어서 폐쇄 중인 밸브(1402)로 인해 수직 파이프(1412)를 통해 상향 이동한다. 해당 유체는 수직 파이프(1412)의 출구(1414)에서 해당 수직 파이프를 빠져나가 탱크를 통해 재순환된다.
수송/휴대용 믹서 내의 혼합
위에서 언급된 바와 같이, 필요한 경우, 당화는 공급원료의 처리용의 제1처리 공장과 에탄올 등과 같은 최종 생성물의 생산용의 제2처리 공장 사이에서의 혼합물의 수송 동안 부분적으로 혹은 전체적으로 일어날 수 있다. 이 경우, 혼합은 레일 카 혹은 다른 휴대용 용도를 위해 설계된 제트 믹서를 이용해서 수행될 수 있다. 이러한 믹서의 예가 이하에 설명될 것이다. 도 15 및 도 15a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 믹서(1602), (1604)는, 예컨대, 트럭(도 15) 혹은 레일카(도 15A)의 탱크 내의 포트(1606)를 통해 삽입될 수 있다. 믹서는 탱크 외부에 있는 제어 시스템(1608)을 이용해서 작동될 수 있고, 해당 탱크는, 예를 들어, 이용된 혼합 시스템의 종류에 따라 모터 및/또는 공급 혹은 가압 공기, 그리고 믹서의 동작을 제어하도록 구성된 제어기를 포함할 수 있다.
다른 혼합 시스템/노즐
펄스형 공기/유체
믹서의 대안적인 유형은 혼합물에 펄스형태로 전달된 기체를 이용한다. 이러한 믹서는 휴대용 레일카 믹서의 예로서 도 15 및 도 15a에 개략적으로 도시되어 있다. 계량된 양의 고압 가스는 탱크 바닥부 근방에 위치된 평평한 둥근 디스크(축적기 플레이트) 밑에 주입되거나 혹은 펄스형태로 된다. 공기의 갑작스런 방출은 액체에 충격을 준다. 기체가 상기 플레이트와 탱크 바닥 사이에서 외측으로 이동함에 따라, 침강된 고체가 제거된다. 기체는 이어서 상기 플레이트 위쪽에서 커다란 타원형 기포로 축적된다. 각 기포가 표면으로 상승함에 따라, 탱크 주변 위쪽으로 또한 그 주변을 향하여 바깥쪽으로 액체를 밀어낸다. 액체는 탱크의 측면을 향하여 이동하여, 탱크 벽 아래쪽에서 바닥부로 주행한다. 이 기포의 이동은 고체를 표면으로 강제로 밀어 탱크 내의 액체의 대체로 원형 혹은 토로이달 순환을 일으킨다. 기체는, 예를 들어, 공기, 질소 혹은 이산화탄소일 수 있다. 탱크는 통기되어(도시 생략) 기체가 혼합 동안 탱크로부터 도피할 수 있게 한다.
저속 교반기
도 16 및 도 16b는 비교적 저속에서 회전 혼합하기 위한 샤프트(도시 생략) 상에 장착되도록 구성된 교반기를 예시하고 있다. 교반기는, 예를 들어, 샤프트를 입수하도록 배치된 중앙의 장착 허브(1703)에 대해서 지지 암(1701) 상에 배치된, 2개의 혼합 요소(1702)(도 16), 혹은 3개의 혼합 요소(도 16a)를 포함할 수 있다.
혼합 요소(1702)들은 절두된 원추 형태이며, 이들 각각은 제1단부(1704)와 제2단부(1706)를 지닌다. 제1단부는 제2단부의 단면보다 큰 단면을 지닌다. 혼합 요소는 해당 혼합 요소의 중심축이 혼합 요소의 회전 평면에 대해서 소정 각도로 배치되도록 위치결정되어 있다.
교반기는, 액체가 제1단부(1704)를 통해 유입되고 제2단부(1706)를 통해 고속으로 유출되도록 하는 방향으로 회전되어, 각 혼합 요소의 테이퍼 형상 단부에 난류를 발생함으로써 동적인 흐름 조건을 작성한다. 회전 평면에 대한 혼합 요소의 각도는 연속적인 폐환 흐름을 일으키는 경향이 있고, 이는 인접한 탱크 혹은 컨테이너 벽 근처에서 상향으로 흐르고 탱크 혹은 컨테이너의 중앙 부분에서 믹서 샤프트에 대해서 공축으로 하향으로 흐르며, 이때 지지암(1710) 들 사이의 개재 공간을 통과한다. 이 원형 흐름의 강도는 각도의 크기에 의존한다.
이 유형의 믹서는 상표명 Visco-Jet™ 하에 Inotec으로부터 시판되고 있다. 레일카 혹은 다른 수송 컨테이너 내에 배치할 수 있는 접힘용 믹서도 이용가능하다. 마찬가지 유형의 믹서가 미국 특허 제6,921,194호에 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
탱크 벽 상의 억류의 최소화
몇몇 상황에 있어서, 특히 이론적 혹은 실제적 한계에 접근하는 고체 레벨에서, 재료는 혼합 동안 탱크의 측벽 및/또는 바닥벽을 따라 축적될 수 있다. "억류"(hold up)라 지칭되는 이 현상은 부적절한 혼합을 초래할 수 있으므로 바람직하지 않다. 억류를 최소화하고 탱크를 통한 양호한 혼합을 확실하게 하기 위하여 수개의 접근법이 취해질 수 있다.
예를 들어, 제트 혼합 장치(들)에 부가해서, 탱크는 스크레이핑 기기(scraping device), 예를 들어, "스퀴지"(squeegee) 방식으로 탱크의 측면을 긁어내는 블레이드를 지니는 기기가 외부에서 끼워맞춤되어 있을 수 있다. 이러한 기기는 예를 들어 낙농 산업에서 충분히 알려져 있다. 적절한 교반기는 위스콘신주의 뉴 리스본 시에 소재한 Walker Engineered Product에서 제작된 스크레이퍼 블레이드 교반기(scraper blade agitator), 그리고, 측면 및 바닥부 스위프 교반기(sweep agitator)를 포함한다. 도 18에 도시된 바와 같이, 측면 및 바닥부 스위프 교반기(1800)는 탱크의 축에 대해서 회전하도록 장착된 중앙의 세장형 부재(1802)를 포함할 수 있다. 측벽 스크레이퍼 블레이드(1804)는 세장형 부재(1802)의 각 단부에 장착되어, 해당 세장형 부재에 대해서 소정 각도에 배치되어 있다. 도시된 실시형태에서, 1쌍의 바닥벽 스크레이퍼 블레이드(1806)가 세장형 부재(1802) 상의 중간 지점에 장착되어 탱크 바닥부에 축적되어 있는 어떠한 재료라도 긁어낸다. 이들 스크레이퍼는 재료가 탱크 바닥부 상에 축적되지 않는 경우에는 생략될 수 있다. 도 18a에 도시된 바와 같이, 스크레이퍼 블레이드(1804)는 측벽을 따라 위치결정된 복수개의 스크레이퍼 요소의 형태일 수 있다. 다른 실시형태에서, 스크레이퍼 블레이드는 연속적이거나 혹은 임의의 다른 소망의 기하학적 형태를 지닐 수 있다.
다른 실시형태에서, 제트 믹서 자체는 억류를 최소화하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 제트 믹서는 혼합 동안 이동하는 하나 이상의 가동식 헤드 및/또는 가요성 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제트 믹서는 그의 길이를 따라 복수개의 제트 노즐을 지니는 세장형의 회전가능한 부재를 포함할 수 있다. 이 세장형의 부재는 도 19에 도시된 바와 같이 평탄하거나 혹은 비평탄한 형상일 수 있으며, 예컨대, 이는 도 20에 도시된 바와 같이 탱크 벽의 형상을 따를 수 있다.
도 19를 참조하면, 제트 믹서 노즐은 모터(1902) 및 샤프트(1904)에 의해 구동되는 회전하는 세장형 부재(1900) 상에 위치결정될 수 있다. 물 혹은 다른 유체는 회전 부재 내의 통로를 통해서, 예컨대, 펌프 임펠러(1906)에 의해서 펌핑되어, 제트 오리피스(1908)를 통해 복수의 제트로서 배출되는 한편 부재(1900)는 회전한다. 탱크 측벽 상에서의 억류를 감소시키기 위하여, 오리피스(1910)들은 부재(1900)의 단부들에 형성되어 있다.
도 20에 도시된 실시형태에서, 탱크(200)의 특정 형상과 일치시키기 위하여, 세장형 부재는 수평 방향으로 뻗는 암(arm)(2002), 하향으로 경사진 부분(2004), 외측 및 상향으로 경사진 부분(2006) 및 수직 방향으로 연장된 부분(2008)을 포함한다. 유체는 세장형 부재 내의 통로들을 통해서 복수의 제트 오리피스(38)로 펌핑되고, 이 오리피스를 통해서 제트는 방출되는 한편 세장형 부재는 회전된다.
도 19 및 도 20에 도시된 두 실시형태에 있어서, 제트는 혼합을 제공하는 한편 또한 탱크의 측벽을 하향 세척시킨다.
다른 실시형태에서, 제트 믹서는 제트가 이를 통해 전달되는 가요성 부재 혹은 조정가능한 부재(예컨대, 구부릴 수 있거나 신축 가능한 관)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 21 및 도 21a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 제트 혼합 장치는 미국 특허 제3,883,368호에 개시된 바와 같이, 부유형의 풀 클리너(pool cleaner)의 방식으로 가요성 관을 작성할 수 있다. 도시된 시스템(2100)에서, 가요성 공급 호스(2102)는 탱크(2106)의 측벽 내에서 입구(2104)로부터 유체를 전달한다. 공급 호스(2102)는 일련의 부표(buoy)(2018) 및 회전 이음쇠(2110)(2110)를 통해서 탱크 내의 액체의 표면을 따라 연장된다. 복수개의 가요성 호스(2112)는 공급 호스(2102)의 부유 부분 내에서 이격된 T-접합부(2114)에 그들의 상단부를 고정한다. 유체는 가요성 호스(2112)의 개방 말단부로부터 분산되어, 탱크의 내용물을 혼합하고 또한 탱크 측벽 상의 억류를 제거시킨다.
몇몇 구현예에서, 전술한 실시형태의 조합이 이용될 수 있다. 예를 들어, 평탄 및 비평탄한 회전 혹은 진동하는 세장형 부재의 조합이 이용될 수 있다. 전술한 이동식 노즐 배열은 서로 조합하여 및/또는 스크레이퍼와 조합하여 이용될 수 있다. 복수개의 이동식 노즐 배열이 함께 이용될 수 있고, 예를 들어 도 19에 도시된 회전 부재의 둘 이상이 이용될 수 있다. 다수의 회전 부재가 이용될 경우, 이들은 동일 방향에서 혹은 반대 방향에서 그리고 동일 속도로 혹은 상이한 속도로 회전하도록 구성될 수 있다.
재료
바이오매스 재료
바이오매스는, 예컨대, 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 재료일 수 있다. 이러한 재료로는 종이 및 종이제품(예컨대, 폴리코팅지 및 크래프트지), 목재, 및 목재-관련 재료, 예컨대, 파티클 보드, 목초, 왕겨, 바가스, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘마, 마닐라삼, 짚, 옥수수 속대, 코코넛 헤어; 및 α-셀룰로스 함량이 높은 재료, 예컨대, 면을 들 수 있다. 공급원료는 미가공 조각 직물 재료, 예컨대, 자투리, 또는 소비자 사용 후의 폐기물, 예컨대, 천 조각들(rags)로부터 얻어질 수 있다. 종이제품이 이용될 경우, 이들은 미가공 재료, 예컨대, 미가공 조각 재료일 수 있거나, 또는 이들은 소비자 사용후의 폐기물일 수 있다. 미가공 원재료 외에, 소비자 사용후 폐기물, 공업적 폐기물(예컨대, 폐물), 및 가공처리 폐기물(예컨대, 종이 처리로부터의 유출물)은 섬유 공급원으로서 이용될 수도 있다. 또, 바이오매스 공급원료는 인간 폐기물(예컨대, 오수), 동물 폐기물 혹은 식물 폐기물로부터 얻어지거나 유래될 수 있다. 추가의 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 재료는 미국 특허 제6,448,307호, 제6,258,876호, 제6,207,729호, 제5,973,035호 및 제5,952,105호에 기재되어 있다.
몇몇 실시형태에서, 바이오매스 재료는 하나 이상의 β-1,4-결합을 지닌 동시에 약 3,000 내지 50,000의 수평균 분자량을 지닌 재료이거나 해당 재료를 포함하는 탄수화물을 포함한다. 이러한 탄수화물은 β(1,4)-글루코사이드 결합의 축합을 통하여 (β-글루코스 1)로부터 유래되는 셀룰로스(I)이거나 해당 셀룰로스로스를 포함한다. 이 결합은 그 자체가 전분 및 다른 탄수화물에 존재하는 α(1,4)-글루코사이드 결합에 대한 것과 대조를 이룬다.
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전분 재료는 전분 자체, 예컨대, 옥수수 전분, 밀 전분, 감자 전분 혹은 쌀 전분, 전분의 유도체, 혹은 식용 음식 산물 혹은 작물 등과 같은 전분을 포함하는 재료를 들 수 있다. 예를 들어, 전분 재료는 아라카차(arracacha), 메밀, 바나나, 보리, 카사바, 칡, 안데스괭이밥(oca), 사고(sago), 수수, 보통 가정의 감자, 고구마, 타로, 얌(yam), 또는 1종 이상의 콩, 예컨대, 잠두, 렌즈콩 혹은 완두 등일 수 있다. 임의의 2종 이상의 전분 재료의 배합물도 전분 재료이다
몇몇 경우에, 바이오매스는 미생물 재료이다. 미생물 공급원은, 이하에 열거하는 것들로 제한되지는 않지만, 탄수화물의 공급원(예컨대, 셀룰로스), 예를 들어, 원생생물, 예컨대, 동물 원생생물(예컨대, 편모충류, 아메바류, 섬모류 및 포자충류 등의 원생동물) 및 식물 원생생물(예컨대, 알베오레이트(alveolate), 클로라라크니오식물(chlorarachniophyte), 크립토모나드(cryptomonad), 유글레나류(euglenid), 회조류(glaucophyte), 착편모조(haptophyte), 홍조류(red algae), 부등편모조류(stramenopiles) 및 녹색식물(viridaeplantae) 등의 조류)을 제공하는 것이 가능하거나 이들을 함유하는 천연 유래 혹은 유전자 변형된 미생물 혹은 유기체의 어느 것이라도 들 수 있다. 다른 예로는 해초, 플랑크톤(예컨대, 매크로플랑크톤, 메조플랑크톤, 마이크로플랑크톤, 나노플랑크톤, 피코플랑크톤 및 펨토플랑크톤), 식물플랑크톤, 박테리아(예컨대, 그람 양성균, 그람 음성균 및 극한성 생물), 효모 및/또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. 몇몇 경우에, 미생물 바이오매스는 천연 공급원, 예컨대, 해양, 호수, 수역, 예컨대, 염수 혹은 담수로부터, 혹은 육지 상에서 얻어질 수 있다. 대안적으로 혹은 부가적으로, 미생물 바이오매스는 배양 시스템, 예컨대, 대규모 건식 및 습식 배양 시스템으로부터 얻어질 수 있다.
당화제
적절한 효소는 바이오매스를 분해시킬 수 있는 능력을 지닌 셀로비아제 및 셀룰라제를 포함한다.
적절한 셀로비아제는 상표명 NOVOZYME 188™ 하에 판매되고 있는 아스퍼질러스 나이거(Aspergillus niger)로부터의 셀로비아제를 포함한다.
셀룰라제는 바이오매스를 분해시키는 능력을 지니며, 진균 혹은 박테리아로부터 유래될 수 있다. 적절한 효소로는 바실러스(Bacillus), 슈도모나스(Pseudomonas), 후미콜라(Humicola), 푸사륨(Fusarium), 티엘라비아(Thielavia), 아크레모늄(Acremonium), 크리소스포륨(Chrysosporium) 및 트리코더마(Trichoderma) 속으로부터의 셀룰라제를 들 수 있고, 또한 후미콜라(Humicola), 코프리누스(Coprinus), 티엘라비아(Thielavia), 푸사륨(Fusarium), 마이셀리오프토라(Myceliophthora), 아크레모늄(Acremonium), 세팔로스포륨(Cephalosporium), 스키탈리듐(Scytalidium), 페니실륨(Penicillium) 혹은 아스페르길루스(Aspergillus) 속(예를 들어, EP 458162 참조), 특히 후미콜라 인솔렌스(Humicola insolens)(스키탈리듐 써모필룸(Scytalidium thermophilum)으로서 재분류됨, 예를 들어, 미국 특허 제4,435,307호 참조), 코프리너스 시네레우스 ( Coprinus cinereus), 푸사륨 옥시스포룸(Fusarium oxysporum), 마이셀리오프토라 써모필라(Myceliophthora thermophila), 메리필루스 기간테우스(Meripilus giganteus), 티엘라비아 테레스트리스(Thielavia terrestris), 아크레모늄 종(Acremonium sp.), 아크레모늄 페르시시넘(Acremonium persicinum), 아크레모늄 아크레모늄(Acremonium acremonium), 아크레모늄 브라키페늄(Acremonium brachypenium), 아크레모늄 디크로모스포룸(Acremonium dichromosporum), 아크레모늄 오브클라바툼(Acremonium obclavatum), 아크레모늄 핀커토니애(Acremonium pinkertoniae), 아크레모늄 로세오그리세움(Acremonium roseogriseum), 아크레모늄 인콜로라툼(Acremonium incoloratum) 및 아크레모늄 푸라툼(Acremonium furatum)종으로부터; 바람직하게는, 후미콜라 인솔렌스(Humicola insolens) DSM 1800, 후미콜라 옥시스포룸(Fusarium oxysporum) DSM 2672, 마이셀리오프토라 써모필라(Myceliophthora thermophila) CBS 117.65, 세팔로스포륨 종(Cephalosporium sp .) RYM-202, 아크레모늄 종 CBS 478.94, 아크레모늄 종 CBS 265.95, 아크레모늄 페르시시넘 CBS 169.65, 아크레모늄 아크레모늄 AHU 9519, 세팔로스포륨 종 CBS 535.71, 아크레모늄 브라키페늄 CBS 866.73, 아크레모늄 디크로모스포룸 CBS 683.73, 아크레모늄 오브클라바툼 CBS 311.74, 아크레모늄 핀커토니애 CBS 157.70, 아크레모늄 로세오그리세움 CBS 134.56, 아크레모늄 인콜로라툼 CBS 146.62 및 아크레모늄 푸라툼 CBS 299.70H 종으로부터 선택된 균주에 의해 생산된 것들을 들 수 있다. 셀룰로스 분해 효소는 또한 크리소스포륨, 바람직하게는 크리소스포륨 루크노웬스(Chrysosporium lucknowense)의 균주로부터 얻어질 수도 있다. 또한, 트리코더마(특히 트리코더마 비리데(Trichoderma viride), 트리코더마 레에세이(Trichoderma reesei) 및 트리코더마 코닌기이(Trichoderma koningii)), 호알칼리성 바실러스(alkalophilic Bacillus)(예를 들어, 미국 특허 제3,844,890호 및 EP 458162 참조) 및 스트렙토마이세스(Streptomyces)(예를 들어, EP 458162 참조)가 이용될 수 있다.
상표명 ACCELLERASE(등록상표), 예를 들어, Accellerase(등록상표) 1500 효소 복합체 하에 시판되고 있는 것들과 같은 효소 복합체가 이용될 수 있다. Accellerase(등록상표) 1500 효소 복합체는 다수의 효소 활성, 주로 엑소글루카나제, 엔도글루카나제(2200-2800 CMC U/g), 헤미-셀룰라제 및 베타-글루코시다제(525-775 pNPG U/g)를 함유하며, 그의 pH는 4.6 내지 5.0이다. 상기 효소 복합체의 엔도글루카나제 활성은 카복시메틸세룰로스 활성 유닛(carboxymethylcellulose activity unit: CMC U)으로 표현되는 한편, 베타-글루코시다제 활성은 pNP-글루코사이드 활성 단위(pNP-glucoside activity unit: pNPG U)로 기재되어 있다. 일 실시형태에서, Accellerase(등록상표) 1500 효소 복합체와 NOVOZYME™ 188 셀로비아제의 배합물이 이용된다.
몇몇 구현예에서, 당화제는 산, 예컨대, 무기산을 포함한다. 산이 이용될 경우, 미생물에 대해서 독성이 있는 부산물이 생성될 수 있어, 이 경우, 해당 방법은 이러한 부산물을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 제거는 예컨대, 활성 차콜과 같은 활성탄, 또는 기타 적절한 수법을 이용해서 수행될 수 있다.
발효제
발효에 이용되는 미생물(들)은 천연 미생물 및/또는 공학적으로 조작된 미생물일 수 있다. 예를 들어, 미생물은 박테리아, 예컨대, 셀룰로스 분해 박테리아, 균류, 예컨대, 효모, 식물 또는 원생생물, 예컨대, 조류, 원충 또는 균류-유사 원생생물, 예컨대, 점균류일 수 있다. 유기체가 거부반응을 일으키지 않을 경우, 유기체의 혼합물이 이용될 수 있다.
적절한 발효 미생물은 예컨대 글루코스, 자일로스, 아라비노스, 만노스, 갈락토스, 올리고당 혹은 다당류 등의 탄수화물을 발효 생성물로 전환시키는 능력을 지닌다. 발효 미생물로는 사카로마이세스종(Saccharomyces spp)의 속(genus)의 균류, 예컨대, 사카로마이세스 세레비시아(빵 효모), 사카로마이세스 디스타티쿠스(Saccharomyces distaticus), 사카로마이세스 우바룸(Saccharomyces uvarum); 클루이베로마이세스(Kluyveromyces)속, 예컨대, 클루이베로마이세스 마르시아누스(Kluyveromyces marxianus)종, 클루이베로마이세스 프라길리스(Kluyveromyces fragilis)종; 칸디다(Candida)속, 예컨대, 칸디다 슈도트로피칼리스(Candida pseudotropicalis) 및 칸디다 브라시카에(Candida brassicae), 피키아 스티피티스(칸디다 쉐하타에(Candida shehatae)와 관련됨); 클라비스포라(Clavispora)속, 예컨대, 클라비스포라 루시타니에(Clavispora lusitaniae)종 및 클라비스포라 오푼티애(Clavispora opuntiae)종; 파키솔렌(Pachysolen)속, 예컨대, 파키솔렌 탄노필루스(Pachysolen tannophilus)종; 브레탄노마이세스(Bretannomyces)속, 예컨대, 브레탄노마이세스 클라우세니이(Bretannomyces clausenii)종(Philippidis, G. P., 1996, Cellulose bioconversion technology, in Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman, C.E., ed., Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212)을 들 수 있다.
시판의 효모로는, 예를 들어, Red Star(등록상표)/Lesaffre Ethanol Red(미국 Red Star/Lesaffre사로부터 입수가능), FALI(등록상표)(미국 Burns Philip Food Inc.의 분사인 Fleischmann's Yeast사로부터 입수가능), SUPERSTART(등록상표)(Alltech사로부터 입수가능), GERT STRAND(등록상표)(스웨덴의 Gert Strand AB사로부터 입수가능) 및 FERMOL(등록상표)(DSM Specialties사로부터 입수가능)을 들 수 있다.
예컨대, 지모모나스 모빌리스 및 클로스트리듐 써모셀륨(Clostridium thermocellum)(Philippidis, 1996, 전술함) 등의 박테리아가 또한 발효에 이용될 수 있다.
첨가제
항생제
일반적으로 당화된 용액 중에 높은 당 농도를 지니는 것이 바람직하지만, 보다 낮은 농도도 이용될 수 있고, 이 경우에는 항균성 첨가제, 예컨대, 광범위 항생제를 저농도, 예컨대, 50 내지 150ppm으로 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 기타 적절한 항생제로는 암포테리신 B, 암피실린, 클로람페니콜, 시프로플록사신, 겐타마이신, 하이그로마이신 B, 카나마이신, 네오마이신, 페니실린, 푸로마이신, 스트렙토마이신 등을 들 수 있다. 항생제는 수송 및 보관 동안 미생물의 증식을 억제할 것이고 적절한 농도, 예컨대, 15 내지 1000중량ppm, 예컨대, 25 내지 500중량ppm 혹은 50 내지 150중량ppm에서 사용될 수 있다. 필요한 경우, 항생제는 당 농도가 비교적 높더라도 포함될 수 있다.
계면활성제
계면활성제의 첨가는 당화 속도를 증대시킬 수 있다. 계면활성제의 예로는 비이온성 계면활성제, 예컨대, Tween(등록상표) 20 혹은 Tween(등록상표) 80, 폴리에틸렌 글라이콜 계면활성제, 이온성 계면활성제, 또는 양성 계면활성제를 들 수 있다. 기타 적절한 계면활성제로는 다우케미컬사(Dow Chemical)로부터 시판 중인 TRITON™ X계 비이온성 계면활성제 등과 같은 옥틸페놀 에톡실레이트를 들 수 있다. 계면활성제는 또한 생산되고 있는 당을 용액 중에 특히 고농도용액 중에 유지하기 위하여 첨가될 수 있다.
당화 매질
일 실시형태에서, 상기 매질은 이하의 농도의 성분들을 지닌다:
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공급원료의 물리적 처리
몇몇 구현예에서, 공급원료는 당화 및/또는 발효 전에 물리적으로 처리된다. 물리적 처리 방법은 기계적 처리, 화학적 처리, (방사선 등의) 조사, 초음파 분해, 산화, 열분해 혹은 증기 폭발 등과 같이 본 발명에 기재된 것들의 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 처리방법은 이들 수법의 둘, 셋, 넷 혹은 모두의 조합으로 (임의의 순서로) 이용될 수 있다. 한가지보다 많은 처리 방법이 이용될 경우, 해당 방법은 동시에 혹은 다른 시기에 적용될 수 있다. 바이오매스 공급원료의 분자 구조를 변화시키는 다른 방법은 또한 단독으로 혹은 본 명세서에 기재된 방법들과 조합하여 이용될 수 있다.
기계적 처리
몇몇 경우에, 상기 방법은 바이오매스 공급원료를 기계적으로 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 기계적 처리는, 예를 들어, 절단, 밀링, 프레스, 분쇄, 전단 혹은 저미기 등을 포함한다. 밀링은 예를 들어 볼 밀링, 해머 밀링, 회전자/고정자 건식 혹은 습식 밀링, 또는 기타 유형의 밀링을 포함할 수 있다. 기타 기계적 처리는, 예컨대, 스톤 그라인딩(stone grinding), 크래킹(cracking), 기계적 째기(mechanical ripping) 혹은 찢기(tearing), 핀 그라인딩(pin grinding) 혹은 공기 마찰 밀링(air attrition milling)을 포함한다.
기계적 처리는, 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 재료를 "개방"(opening up), "응력 부여"(stressing), 파괴 및 파쇄하여, 사슬 절단되고/되거나 결정화도 저감되기 더욱 쉬운 재료의 셀룰로스로 만드는 데 유리할 수 있다. 개방된 재료는 또한 조사될 경우 산화되기 더욱 쉬울 수 있다.
몇몇 경우에, 기계적 처리는, 입수된 바와 같은 공급원료의 초기 준비, 예를 들어, 절단, 분쇄, 전단, 분체화 또는 저미기 등에 의한 재료의 크기 축소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 느슨한 공급원료(예컨대, 재생지, 전분 재료 혹은 지팽이풀)는 전단 혹은 세단(shredding)에 의해 준비된다.
대안적으로 혹은 부가적으로, 공급원료 재료는 기타 물리적 처리방법들, 예컨대, 화학적 처리, 방사선 조사, 초음파 분해, 산화, 열분해 혹은 증기 폭발 중 한가지 이상에 의해 물리적으로 처리되고 나서, 기계적으로 처리될 수 있다. 이 수순은 상기 기타 처리의 하나 이상, 예컨대, 조사 혹은 열분해에 의해 처리된 재료가 더욱 부서지기 쉬운 경향이 있기 때문에 기계적 처리에 의해 재료의 분자 구조를 더욱 변화시키기는 것이 더욱 용이할 수 있으므로 유리하다.
몇몇 실시형태에서, 상기 공급원료 재료는 섬유 재료의 형태이고, 기계적 처리는 섬유 재료 중의 섬유를 노출시키기 위한 전단을 포함한다. 전단은, 예를 들어, 회전식 나이프 커터에 의해 수행될 수 있다. 공급원료를 기계적으로 처리하는 다른 방법으로는 예를 들어 밀링 혹은 분쇄를 포함한다. 밀링은, 예를 들어, 해머 밀, 볼 밀, 콜로이드 밀, 코니컬 혹은 콘 밀, 디스크 밀, 에지 밀(edge mill), 윌리 밀(Wiley mill) 혹은 그리스트 밀(grist mill)을 이용해서 수행될 수 있다. 분쇄는, 예를 들어, 스톤 그라인더, 핀 그라인더, 커피 그라인더 혹은 버 그라인더(burr grinder)를 이용해서 수행될 수 있다. 분쇄는, 핀 밀의 경우에서처럼, 예를 들어, 핀 혹은 기타 요소를 왕복이동시킴으로써 제공될 수 있다. 기타 기계적 처리 방법은 기계적 째기 혹은 찢기, 섬유에 압력을 가하는 다른 방법 및 공기 마찰 밀링을 포함한다. 적절한 기계적 처리는 공급원료의 분자 구조를 변화시키는 임의의 기타 수법을 추가로 포함한다.
필요한 경우, 기계적으로 처리된 재료는 예컨대 평균 개구 크기가 1.59㎜(1/16 인치, 0.0625 인치) 이하인 스크린을 통과할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전단, 혹은 기타 기계적 처리 및 체거름(스크리닝)은 동시에 수행된다. 예를 들어, 회전식 나이프 커터는, 공급원료를 동시에 전단하고 체거름하는데 이용될 수 있다. 공급원료는 정지 블레이드와 회전 블레이드 사이에서 전단되어 전단된 재료를 제공하고, 이는 체를 통과하고 나서, 이어서 통 속으로 포획된다.
셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 재료는 건조 상태(예컨대, 그 표면에 물이 거의 없거나 전혀 없는 것), 수화 상태(예컨대, 물을 10중량%까지 흡수함) 또는 젖은 상태, 예컨대, 물을 약 10중량% 내지 약 75중량% 지닌 상태에서 기계적으로 처리될 수 있다. 섬유 공급원은 액체, 예컨대, 물, 에탄올 혹은 아이소프로판올 하에 부분적으로 혹은 충분히 침지된 상태에서 기계적으로 처리될 수도 있다.
셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 재료는 또한 가스(공기 이외의 가스의 스트림 혹은 분위기 등), 예컨대, 산소 혹은 질소, 또는 증기 하에 기계적으로 처리될 수도 있다.
필요한 경우, 리그닌은 리그닌을 포함하는 섬유 재료의 어느 것으로부터도 제거될 수 있다. 또한, 셀룰로스를 포함하는 재료의 파괴를 돕기 위하여, 해당 재료는 기계적 처리 혹은 조사 전 혹은 동안에 열, 화학약품(예컨대, 무기산, 염기 혹은 강산화제, 예컨대, 아염화나트륨) 및/또는 효소로 처리될 수 있다. 예를 들어, 분쇄는 산의 존재 하에 수행될 수 있다.
기계적 처리 시스템은, 예를 들어, 표면적, 다공도, 벌크 밀도 등과 같은 특정 형태 특성, 그리고 섬유 공급원료의 경우에 길이-대-폭 비 등과 같은 섬유 특성을 지니는 스트림을 생산하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 기계적으로 처리된 재료의 BET 표면적은 0.1 ㎡/g 이상, 예컨대, 0.25 ㎡/g 이상, 0.5 ㎡/g 이상, 1.0 ㎡/g 이상, 1.5 ㎡/g 이상, 1.75 ㎡/g 이상, 5.0 ㎡/g 이상, 10 ㎡/g 이상, 25 ㎡/g 이상, 35 ㎡/g 이상, 50 ㎡/g 이상, 60 ㎡/g 이상, 75 ㎡/g 이상, 100 ㎡/g 이상, 150 ㎡/g 이상, 200 ㎡/g 이상 또는 심지어 250 ㎡/g 이상이다.
기계적으로 처리된 재료의 다공도는, 예컨대, 20% 이상, 25% 이상, 35% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 92% 이상, 94% 이상, 95% 이상, 97.5% 이상, 99% 이상 또는 심지어 99.5% 이상일 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 기계적 처리 후, 상기 재료는 0.25 g/㎤ 이하, 예컨대, 0.20 g/㎤, 0.15 g/㎤, 0.10 g/㎤, 0.05 g/㎤ 이하, 또는, 예컨대, 0.025 g/㎤ 이하의 벌크 밀도를 지닌다. 벌크 밀도는 ASTM D1895B를 이용해서 결정된다. 요약하면, 이 방법은 공지의 체적의 계량 실린더를 샘플로 채우는 단계 및 해당 샘플의 중량을 구하는 단계를 포함한다. 벌크 밀도는 샘플의 중량(g)을 실린더의 공지의 체적(㎤)으로 나눔으로써 산출된다.
상기 공급원료가 섬유 재료이면, 기계적으로 처리된 재료 중의 섬유는, 1회 이상 전단되더라도, 비교적 큰(예컨대, 20-대-1보다 큰) 평균 길이-대-직경비를 지닐 수 있다. 또, 본 명세서에 기재된 섬유 재료 중의 섬유는 비교적 좁은 길이 및/또는 길이-대-직경비 분포를 지닐 수도 있다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 평균 섬유 폭(즉, 직경)은 대략 5,000개의 섬유를 랜덤하게 선택함으로써 광학적으로 결정된 것이다. 평균 섬유 길이는 보정된 길이-가중치 부여된 길이이다. BET 표면적은 다점 표면적이고, 다공도는 수은 다공도측정법에 의해 결정된 것이다.
상기 공급원료가 섬유 재료이면, 기계적으로 처리된 재료 중의 섬유의 평균 길이-대-직경비는, 예컨대, 8/1 이상, 예컨대, 10/1 이상, 15/1 이상, 20/1 이상, 25/1 이상 또는 50/1 이상일 수 있다. 기계적으로 처리된 재료의 평균 섬유 길이는, 예를 들어, 약 0.5㎜ 내지 2.5㎜, 예컨대, 약 0.75㎜ 내지 1.0㎜일 수 있고, 제2섬유 재료의 평균 폭(예를 들어, 직경)은 예컨대 약 5㎛ 내지 50㎛, 예컨대, 약 10㎛ 내지 30㎛일 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 상기 공급원료가 섬유 재료이면, 기계적으로 처리된 재료의 섬유 길이의 표준 편차는 기계적으로 처리된 재료의 평균 섬유 길이의 60% 이하, 예컨대, 해당 평균 길이의 50% 이하, 평균 길이의 40% 이하, 평균 길이의 25% 이하, 평균 길이의 10% 이하, 평균 길이의 5% 이하, 또는 심지어 평균 길이의 1% 이하이다.
몇몇 상황에서, 낮은 벌크 밀도 재료를 준비하고, 해당 재료를 치밀화한 후(예컨대, 다른 부위로 더욱 쉽고 더욱 저렴하게 수송하게 하기 위하여), 해당 재료를 보다 낮은 벌크 밀도 상태로 역전시키는 것이 바람직할 수 있다. 치밀화된 재료는 본 명세서에 기재된 방법들의 어느 하나에 의해 가공처리될 수 있거나, 또는 본 명세서에 기재된 방법의 어느 하나에 의해 가공처리된 임의의 재료는 이어서, 예컨대, 미국 특허 출원 제12/429,045호 및 국제 출원 공개 제WO 2008/073186호에 개시된 바와 같이, 치밀화될 수 있고, 이들 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
방사선 처리
하나 이상의 방사선 처리 수순은 공급원료를 가공처리하여 추가의 가공처리단계 및/또는 수순으로의 입력으로서 기능하는 구조적으로 개질된 재료를 제공하기 위하여 이용될 수 있다. 조사는 예를 들어 공급원료의 분자량 및/또는 결정화도를 감소시킬 수 있다. 방사선은 또한 상기 재료 또는 해당 재료를 바이오처리하는데 필요한 임의의 매체(혹은 배지)를 멸균시킬 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 전자를 그의 원자 궤도로부터 방출시키는 재료 내에 축적된 에너지는 상기 재료를 조사하는데 이용된다. 방사선은 (1) 무거운 하전된 입자, 예컨대, 알파 입자 혹은 양자, (2) 예를 들어, 베타 붕괴 또는 전자빔 가속기에서 생성된 전자 또는 (3) 전자기 방사선, 예를 들어, 감마선, x선, 또는 자외선에 의해 제공될 수 있다. 하나의 접근법에 있어서, 방사성 물질에 의해 생성된 방사선은 공급원료를 조사하는데 이용될 수 있다. 다른 접근법에서, 전자기 방사선(예컨대, 전자빔 이미터를 이용해서 생산됨)은 공급원료를 조사하는데 이용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 (1) 내지 (3)의 임의의 조합이 임의의 순서로 혹은 동시에 이용될 수 있다. 인가되는 선량은 소망의 효과 및 특정 공급원료에 의존한다.
몇몇 경우에, 사슬 절단이 요망되고/되거나 폴리머 사슬 작용화(functionalized)가 요망될 때, 양자, 헬륨핵, 아르곤 이온, 규소 이온, 네온 이온, 탄소 이온, 인 이온, 산소 이온 혹은 질소 이온 등과 같은 전자보다 무거운 입자가 이용될 수 있다. 개환 사슬 절단이 요망될 경우, 양으로 하전된 입자가 증가된 개환 사슬 절단을 위해 그들의 루이스산 특성을 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 최대 산화가 요망될 경우, 산소 이온이 이용될 수 있고, 최대 질화가 요망될 경우, 질소 이온이 이용될 수 있다. 무거운 입자 및 양으로 하전된 입자의 사용은 미국 출원 제12/417,699호에 기재되어 있고, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
하나의 방법에서, 제1수평균 분자량(MN1)을 지니는 셀룰로스이거나 해당 셀룰로스를 포함하는 제1재료는 조사되어, 예컨대, 이온화 방사선(예컨대, 감마 방사선, X-선 방사선, 100 ㎚ 내지 280㎚ 자외(UV)광, 전자 빔 또는 기타 하전 입자의 형태)에 의한 처리에 의해, 제1수평균 분자량보다 낮은 제2수평균 분자량(MN2)을 지닌 셀룰로스를 포함하는 제2재료를 제공한다. 제2재료(또는 제1 및 제2재료)는 제2 및/또는 제1재료 또는 그의 구성요소인 당 혹은 리그닌을 이용할 수 있는 미생물(효소 처리되거나 되지 않은 것)과 배합되어, 본 명세서에 기재된 것들과 같은 중간생성물 혹은 생성물을 생성할 수 있다.
제2재료는 제1재료에 비해서 감소된 분자량 및 몇몇 경우에 있어서, 감소된 결정화도를 또한 지니는 셀룰로스를 지니므로, 상기 제2재료는 일반적으로 미생물 및/또는 효소를 함유하는 용액 중에서 더욱 분산가능하고/하거나 팽윤가능하고/하거나 가용성이다. 이들 특성은 제2재료를 제1재료에 비해서 화학적, 효소적 및/또는 생물학적 공격에 더욱 민감하게 만들고, 따라서, 원하는 생성물, 예컨대, 에탄올의 생산 속도 및/또는 생산 수준을 크게 향상시킬 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 상기 제2수평균 분자량(MN2)은 제1수평균 분자량(MN1)보다 약 10%, 예컨대, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%, 60% 이상, 또는 심지어 약 75% 이상 낮다.
몇몇 경우에, 제2재료는 제1재료의 셀룰로스의 결정화도(C1)보다 낮은 결정화도(C2)를 지니는 셀룰로스를 지닌다. 예를 들어, (C2)는 (C1)보다 약 10% 이상, 예컨대, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40% 이상 또는 심지어 약 50% 이상 낮을 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 출발 결정화도(조사 전)는 약 40 내지 약 87.5%, 예컨대, 약 50 내지 약 75% 또는 약 60 내지 약 70%이고, 조사 후의 결정화도는 약 10 내지 약 50%, 예컨대, 약 15 내지 약 45% 또는 약 20 내지 약 40%이다. 그러나, 몇몇 실시형태에 있어서, 예컨대, 광대한 조사 후, 5% 이하의 결정화도를 가지는 것도 가능하다. 몇몇 실시형태에 있어서, 조사 후의 재료는 실질적으로 비정질이다.
몇몇 실시형태에서, 출발 수평균 분자량(조사 전)은 약 200,000 내지 약 3,200,000, 예컨대, 약 250,000 내지 약 1,000,000 또는 약 250,000 내지 약 700,000이고, 조사 후의 수평균 분자량은 약 50,000 내지 약 200,000, 예컨대, 약 60,000 내지 약 150,000 또는 약 70,000 내지 약 125,000이다. 그러나, 몇몇 실시형태에 있어서, 예컨대, 광대한 조사 후, 약 10,000 이하 또는 심지어 약 5,000 이하의 수평균 분자량을 지니는 것도 가능하다.
몇몇 실시형태에서, 제2재료는 제1재료의 산화 레벨(O1)보다 높은 산화 레벨(O2)을 지닐 수 있다. 상기 재료의 보다 높은 산화 레벨은 그의 분산성, 팽윤성 및/또는 용해도에 도움을 줄 수 있고, 더욱, 화학적, 효소적 혹은 생물학적 공격에 대한 재료 감도를 증강시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 제1재료에 비해서 제2재료의 산화 레벨을 증가시키기 위하여, 조사는 산화 환경 하, 예컨대, 공기 혹은 산소의 블랭킷 하에 수행하여, 제1재료보다 더욱 산화된 제2재료를 생성한다. 예를 들어, 제2재료는 더 많은 하이드록실기, 알데하이드기, 케톤기, 에스터기 또는 카복실산기를 지닐 수 있고, 이것은 그의 친수성을 증가시킬 수 있다.
이온화 방사선
방사선의 각 형태는 방사선의 에너지에 의해 결정된 바와 같이, 특정 상호작용을 통해 탄소-함유 재료를 이온화시킨다. 무거운 하전된 입자는 주로 쿨롱 산란을 통해 물질을 이온화시키고; 또한, 이들 상호작용은 더욱 물질을 이온화시킬 수 있는 에너지 전자를 생산한다. 알파 입자는 헬륨 원자의 핵과 동일하며, 이것은 각종 방사성 핵, 예컨대, 비스무트, 폴로늄, 아스타틴, 라돈, 프란슘, 라듐, 수개의 악티늄족 원소, 예컨대, 악티늄, 토륨, 우라늄, 넵투늄, 퀴륨, 칼리포르늄, 아메리슘 및 플루토늄 등의 동위 원소의 알파 붕괴에 의해 생산된다.
입자들이 이용될 경우, 이들은 중성(미하전), 양하전 혹은 음하전되어 있을 수 있다. 하전된 경우, 하전된 입자는 단일의 양하전 혹은 음하전 또는 다수의 전하, 예컨대, 2, 3 혹은 심지어 4개 이상의 전하를 지닐 수 있다. 사슬 절단이 요망될 경우에, 양하전 입자가 그들의 산성 특성으로 인해 부분적으로 바람직할 수 있다. 입자들이 이용될 경우, 해당 입자들은 정지 전자(resting electron)의 질량 혹은 그 이상, 예컨대, 정지 전자의 500, 1000, 1500, 2000, 10,000 혹은 100,000배 이상의 질량을 지닐 수 있다. 예를 들어, 입자들은 약 1원자 단위(amu) 내지 약 150원자 단위, 예컨대, 약 1원자 단위 내지 약 50원자 단위 또는 약 1 내지 약 25 amu, 예컨대, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 혹은 15 amu의 질량을 지닐 수 있다. 입자를 가속시키는데 이용되는 가속기는 정전 DC, 전기역학적 DC, RF 선형, 자기 유도 선형 혹은 연속 파일 수 있다. 예를 들어, 사이클로트론식 가속기로는 벨기에의 IBA로부터 로다트론(Rhodatron)(등록상표) 시스템 등이 입수가능한 한편, DC 방식 가속기로는 RDI(이제는 IBA 인더스트리얼사임)로부터 다이나미트론(Dynamitron)(등록상표) 등이 입수가능하다. 이온들 및 이온 가속기는 문헌들[Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206, Chu, William T., "Overview of Light-Ion Beam Therapy" Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 March 2006, Iwata, Y. et al, "Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators" Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland 및 Leaner, CM. et al., "Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus" Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria]에 기재되어 있다.
감마 방사선은 각종 재료 속으로의 상당한 침투 깊이의 이점을 지닌다. 감마선의 공급원으로는 코발트, 칼슘, 테크네튬, 크롬, 갈륨, 인듐, 요오드, 철, 크립톤, 사마륨, 셀레늄, 나트륨, 탈륨 및 제온의 동위원소와 같은 방사능 핵을 들 수 있다.
x 선의 공급원으로는 텅스텐 혹은 몰리브덴 혹은 합금 등의 금속 표적과의 전자빔 충돌, 또는 Lyncean에서 상업적으로 생산되는 것들과 같은 소형 광원을 들 수 있다.
자외 방사선의 공급원으로는 듀테륨 혹은 카드뮴 램프를 들 수 있다.
적외 방사선의 공급원으로는 사파이어, 아연 혹은 셀렌화물 창 세라믹 램프를 들 수 있다.
마이크로파의 공급원으로는 클라이스트론(klystron), 슬레빈형 RF 공급원(Slevin type RF source), 또는 수소, 산소 혹은 질소 가스를 이용하는 원자 빔 공급원을 들 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 전자빔은 방사선 공급원으로서 이용된다. 전자빔은 높은 선량(예컨대, 1, 5 혹은 10M㎭/sec), 높은 처리량, 낮은 오염 및 낮은 제한 장비의 이점을 들 수 있다. 전자는 더욱 효율적으로 사슬 절단을 일으킬 수 있다. 또한, 4 내지 10MeV의 에너지를 지닌 전자는 5 내지 30㎜ 이상, 예컨대 40㎜의 침투 깊이를 지닐 수 있다.
전자빔은, 예컨대, 정전기 발생기, 캐스케이드 발생기, 트랜스포머 발생기, 주사 시스템을 구비한 저 에너지 가속기, 선형 캐소드를 구비한 저 에너지 가속기, 선형 가속기 및 펄스 가속기에 의해 발생될 수 있다. 이온화 방사선 공급원으로서의 전자는, 예컨대, 비교적 얇은 파일의 재료, 예컨대, 0.5 인치 이하, 예컨대, 0.4 인치, 0.3 인치, 0.2 인치 이하, 또는 0.1 인치 이하의 재료에 대해서 유용할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전자빔의 각 전자의 에너지는 약 0.3MeV(million electron volts) 내지 약 2.0MeV, 예컨대, 약 0.5MeV 내지 약 1.5MeV 또는 약 0.7MeV 내지 약 1.25MeV이다.
전자빔 조사장치는 벨기에의 루바인-라-누브에 소재한 이온빔 애플리케이션즈(Ion Beam Applications) 또는 캘리포니아주의 샌디에이고시에 소재한 더 티탄 코포레이션(the Titan Corporation)으로부터 상업적으로 구입할 수 있다. 전형적인 전자빔 에너지는 1MeV, 2MeV, 4.5MeV, 7.5MeV 혹은 10MeV일 수 있다. 전형적인 전자빔 조사장치 전력은 1㎾, 5㎾, 10㎾, 20㎾, 50㎾, 100㎾, 250㎾ 혹은 500㎾일 수 있다. 공급원료의 탈중합 레벨은 인가된 선량과 이용된 전자 에너지에 의존하는 한편, 노광 시간은 전력과 선량에 의존한다. 전형적인 선량은 1kGy, 5kGy, 10kGy, 20kGy, 50kGy, 100kGy 혹은 200kGy의 값을 취할 수 있다.
이온 입자 빔
전자보다 무거운 입자는 탄수화물 혹은 탄수화물을 포함하는 재료, 예컨대, 셀룰로스 재료, 리그노셀룰로스 재료, 전분 재료 혹은 이들의 임의의 것과 본 명세서에 기재된 기타의 것들의 혼합물을 조사하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 양자, 헬륨 핵, 아르곤 이온, 규소 이온, 네온 이온, 탄소 이온, 인 이온, 산소 이온 혹은 질소 이온이 이용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전자보다 무거운 입자는 (보다 가벼운 입자에 비해서) 보다 많은 양의 사슬 절단을 유발할 수 있다. 몇몇 경우에, 양하전 입자는 그들의 산성도로 인해 음하전 입자보다 많은 양의 사슬 절단을 유발할 수 있다.
보다 무거운 입자 빔은 예컨대 선형 가속기 혹은 사이클로트론을 이용해서 발생될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 빔의 각 입자의 에너지는 약 1.0MeV/원자 단위 내지 약 6,000MeV/원자 단위, 예컨대, 약 3MeV/원자 단위 내지 약 4,800MeV/원자 단위 또는 약 10MeV/원자 단위 내지 약 1,000MeV/원자 단위이다.
소정의 실시형태에서, 탄소-함유 재료, 예컨대, 바이오매스 재료를 조사하는데 이용되는 이온 빔은 하나 이상의 유형의 이온을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이온 빔은 둘 이상(예컨대, 셋 혹은 넷 이상)의 상이한 유형의 이온의 혼합물을 포함할 수 있다. 예시적인 혼합물은 탄소 이온과 양자, 탄소 이온과 산소 이온, 질소 이온과 양자, 그리고 철 이온과 양자를 포함할 수 있다. 더욱 일반적으로, 전술한 이온(혹은 임의의 다른 이온)의 임의의 혼합물이 조사 이온 빔을 형성하는데 이용될 수 있다. 특히, 비교적 가벼운 이온과 비교적 무거운 이온의 혼합물이 단일 이온 빔에 이용될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 재료를 조사하기 위한 이온 빔은 양하전 이온을 포함한다. 양하전 이온은, 예를 들어, 양하전 수소 이온(예컨대, 양자), 귀금속 가스 이온(예컨대, 헬륨, 네온, 아르곤), 탄소 이온, 질소 이온, 산소 이온, 규소 이온, 인 이온 및 금속 이온, 예컨대, 나트륨 이온, 칼슘 이온 및/또는 철 이온을 포함할 수 있다. 임의의 이론에 얽매이길 원치 않지만, 이러한 양하전 이온은 재료에 노출될 경우 루이스 산 부분으로서 화학적으로 거동하여, 산화 환경에서 양이온성 개환 사슬 절단 반응을 개시시키고 유지하는 것으로 여겨진다.
소정의 실시형태에서, 재료를 조사하기 위한 이온 빔은 음하전 이온을 포함한다. 음하전 이온은, 예를 들어, 음하전 수소 이온(예컨대, 하이드라이드 이온), 및 각종 비교적 음전기 핵(예컨대, 산소 이온, 질소 이온, 탄소 이온, 규소 이온 및 인 이온)의 음하전 이온을 포함할 수 있다. 임의의 이온에 얽매이길 원치 않지만, 이러한 음하전 이온은 상기 재료에 노출될 경우 루이스 염기 부분으로서 화학적으로 거동하여, 환원 환경에서 음이온성 개환 사슬 절단 반응을 유발하는 것으로 여겨진다.
몇몇 실시형태에서, 재료를 조사하기 위한 빔은 중성 원자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수소 원자, 헬륨 원자, 탄소 원자, 질소 원자, 산소 원자, 네온 원자, 규소 원자, 인 원자, 아르곤 원자 및 철 원자의 임의의 1종 이상이 바이오매스 재료의 조사에 이용되는 빔에 포함될 수 있다. 일반적으로, 상기 유형의 원자의 임의의 2종 이상(예컨대, 3종 이상, 4종 이상 혹은 그 이상)의 혼합물이 빔에 존재할 수 있다.
소정의 실시형태에서, 재료를 조사하는데 이용되는 이온 빔은 H+, H-, He+, Ne+, Ar+, C+, C-, O+, O-, N+, N-, Si+, Si-, P+, P-, Na+, Ca+ 및 Fe+의 하나 이상 등과 같은 단일 하전 이온을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 이온 빔은 C2+ , C3+, C4+, N3+, N5+, N3-, O2+, O2-, O2 2-, Si2 +, Si4 +, Si2 - 및 Si4 -의 하나 이상 등과 같은 다가 하전된 이온을 포함할 수 있다. 일반적으로, 이온 빔은 또한 다가의 양 혹은 음 하전을 담지하는 더 많은 복합 다핵 이온을 포함할 수 있다. 소정의 실시형태에서, 다핵 이온의 구조에 의해서, 양 혹은 음 하전이 이온의 실질적으로 전체 구조에 대해서 효율적으로 분배될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 양 혹은 음 하전은 이온의 구조의 부분에 대해서 다소 편재화되어 있을 수 있다.
전자기 방사선
전자기 방사선으로 조사가 수행되는 실시형태에 있어서, 해당 전자기 방사선은, 예를 들어, 102 eV 이상, 예컨대, 103, 104, 105, 106 이상 또는 심지어 107 eV 이상의 에너지/광자(전자 볼트: eV)를 지닐 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 전자기 방사선은 104 내지 107, 예컨대, 105 내지 106 eV의 에너지/광자를 지닌다. 전자기 방사선은, 예컨대, 1016 ㎐ 이상, 1017 ㎐ 이상, 1018, 1019, 1020 이상 또는 심지어 1021 ㎐ 이상의 주파수를 지닐 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전자기 방사선은 1018 내지 1022 ㎐, 예컨대, 1019 내지 1021 ㎐의 주파수를 지닌다.
퀀칭(quenching) 및 제어된 작용화
이온화 방사선에 의한 처리 후, 본 명세서에 기재된 재료 혹은 혼합물의 어느 것이 이온화될 수 있고; 즉, 처리된 재료는 전자 스핀 공명 분광계에 의해 검출가능한 수준에서 라디칼을 포함할 수 있다. 이온화된 바이오매스가 대기 중에 남아 있다면, 카복실산기가 대기 중 산소와 반응함으로써 발생되는 정도까지 등과 같이 산화될 것이다. 몇몇 재료를 지니는 몇몇 경우에, 이러한 산화는 탄수화물-함유 바이오매스의 분자량을 더욱 파괴시키는 것을 도울 수 있기 때문에 바람직하고, 산화기, 예컨대, 카복실산기는 몇몇 경우에 용해도 및 미생물 이용을 위해 도울 수 있다. 그러나, 라디칼은 조사 후 조정 시간 동안, 예컨대, 1일, 5일, 30일, 3개월, 6개월 이상 혹은 심지어 1년 이상 동안 "살아있을" 수 있으므로, 재료 특성은 시간 경과에 따라 계속 변할 수 있어, 이것은 몇몇 경우에는 바람직하지 않을 수 있다. 따라서, 이온화된 재료를 퀀칭하는 것이 바람직할 수도 있다.
이온화 후, 이온화된 임의의 바이오매스 재료는 이온화된 바이오매스 중의 라디칼의 레벨을 감소시키도록 퀀칭될 수 있으므로, 해당 라디칼은 전자 스핀 공명 분광계에 의해 더 이상 검출가능하지 않을 수 있다. 예를 들어, 라디칼은 바이오매스에 충분한 압력의 인가에 의해 및/또는 해당 라디칼과 반응(퀀칭)하는 기체 혹은 액체 등과 같은 이온화된 바이오매스와 접촉하여 유체를 이용함으로써 퀀칭될 수 있다. 라디칼의 퀀칭을 적어도 돕기 위하여 기체 혹은 액체를 이용하는 것은 이온화된 바이오매스를, 예컨대, 카복실산기, 에놀기, 알데하이드기, 나이트로기, 나이트릴기, 아미노기, 알킬아미노기, 알킬기, 클로로알킬기 혹은 클로로플루오로알킬기 등과 같은, 소망의 양 및 종류의 작용기에 의해 작용화하는데 이용될 수 있다.
몇몇 경우에, 이러한 퀀칭은 이온화된 바이오매스 재료의 일부의 안정성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 퀀칭은 바이오매스의 산화에 대한 내성을 향상시킬 수 있다. 퀀칭에 의한 작용화는 또한 본 명세서에 기재된 임의의 바이오매스의 용해도를 향상시킬 수 있고, 그의 열 안정성을 향상시킬 수 있으며, 각종 미생물에 의한 재료 이용을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 퀀칭에 의해 바이오매스 재료에 부여된 작용기는, 예컨대, 미생물에 의한 부착용의 수용체 부위로서 작용하여, 각종 미생물에 의한 셀룰로스 가수분해를 증대시킬 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 퀀칭은 바이오매스를 기계적으로 변형시킴으로써, 예컨대, 바이오매스를 1, 2 혹은 3차원으로 직접 기계적으로 압착시키거나 바이오매스가 침지되어 있는 유체에 가압, 예컨대 등방성 가압하는 등 함으로써, 바이오매스에의 압력의 인가를 포함한다. 이러한 경우에, 재료 자체의 변형은 라디칼들을 가져오고, 이들은 종종 해당 라디칼들이 재결합하거나 다른 기와 반응할 수 있도록 충분히 밀착된 부근에서 결정 영역 내에 포획된다. 몇몇 경우에, 압력은 바이오매스의 온도를 리그닌, 셀룰로스 혹은 헤미셀룰로스 등의 바이오매스의 성분의 용융점 혹은 연화점 이상까지 승온시키도록 충분한 열량 등과 같은 열의 인가와 함께 인가된다. 열은 재료 중의 분자 이동도를 향상시킬 수 있어, 라디칼의 퀀칭을 도울 수 있다. 압력이 퀀칭하는데 이용될 경우, 해당 압력은 약 1000psi 이상, 예컨대, 약 1250psi, 1450psi, 3625psi, 5075psi, 7250psi, 10000psi 이상 또는 심지어 15000psi 이상일 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 퀀칭은 유체, 예를 들어, 액체 혹은 기체, 예컨대, 라디칼과 반응할 수 있는 능력을 가진 기체, 예를 들어, 아세틸렌 혹은 질소 중의 아세틸렌의 혼합물, 에틸렌, 염소화 에틸렌 혹은 클로로플루오로에틸렌류, 프로필렌 또는 이들 기체의 혼합물 등과 바이오매스와의 접촉을 포함한다. 다른 특정 실시형태에서, 퀀칭은 바이오매스를 액체, 예컨대, 적어도 바이오매스 내로 침투할 수 있거나 바이오매스 내에 용해가능한 액체와 접촉시키는 단계 및 1,5-사이클로옥타다이엔 등과 같은 다이엔류 등과 같은 라디칼과 반응시키는 단계를 포함한다. 몇몇 특정 실시형태에서, 퀀칭은 바이오매스를 비타민 E 등과 같은 산화방지제와 접촉시키는 단계를 포함한다. 필요할 경우, 바이오매스 공급원료는 그 안에 분산된 산화방지제를 포함할 수 있고, 퀀칭은 바이오매스 공급원료 내에 분산된 산화방지제를 라디칼과 접촉시킬 수 있다.
작용화는 본 명세서에 기재된 무거운 이온의 어느 것과 같은 무거운 하전된 이온을 이용함으로써 증대될 수 있다. 예를 들어, 산화를 증대시키는 것이 요망된다면, 하전된 산소 이온은 조사를 위해 이용될 수 있다. 질소 작용기가 요망된다면, 질소를 포함하는 질소 이온 혹은 음이온이 이용될 수 있다. 마찬가지로, 황 혹은 인기가 요망된다면, 황 혹은 인기가 조사에 이용될 수 있다.
선량
몇몇 경우에, 조사는 약 0.25M㎭/초 이상, 예컨대, 약 0.5, 0.75, 1.0, 1.5, 2.0M㎭/초 이상, 또는 심지어 약 2.5M㎭/초 이상의 선량률에서 수행된다. 몇몇 실시형태에서, 조사는 5.0 내지 1500.0kilo㎭/시간, 예컨대, 10.0 내지 750.0kilo㎭/시간 또는 50.0 내지 350.0kilo㎭/시간의 선량률에서 수행된다.
몇몇 실시형태에서, 조사(임의의 방사선 공급원 혹은 이들 공급원의 조합을 이용한) 조사는 재료가 적어도 0.1 M㎭, 적어도 0.25 M㎭, 예컨대, 적어도 1.0 M㎭, 적어도 2.5 M㎭, 적어도 5.0 M㎭, 적어도 10.0 M㎭, 적어도 60 M㎭ 또는 적어도 100 M㎭의 선량을 받을 때까지 수행된다. 몇몇 실시형태에서, 조사는 약 0.1 M㎭ 내지 약 500 M㎭, 약 0.5 M㎭ 내지 약 200 M㎭, 약 1 M㎭ 내지 약 100 M㎭ 또는 약 5 M㎭ 내지 약 60 M㎭의 선량을 받을 때까지 수행된다. 몇몇 실시형태에서, 비교적 낮은 선량, 예컨대, 60 M㎭ 이하의 방사선이 인가된다.
초음파 분해
초음파 분해는 재료, 예컨대, 본 명세서에 기재된 재료의 임의의 하나 이상, 예컨대, 1종 이상의 탄수화물 공급원, 예컨대, 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 재료 혹은 전분 재료의 분자량 및/또는 결정화도를 저감시킬 수 있다. 초음파 분해는 또한 재료를 멸균시키는데 이용될 수 있다. 방사선과 관련하여 위에서 기재된 바와 같이, 초음파 분해에 이용되는 공정 파라미터는 공급원료의 리그닌 함량에 따라 변할 것이다. 예를 들어, 리그닌 레벨이 높은 공급원료는 일반적으로 보다 높은 체류 시간 및/또는 에너지 레벨을 필요로 하므로, 공급원료에 전달되는 보다 높은 총 에너지가 얻어지게 된다.
하나의 방법에 있어서, 제1수평균 분자량(MN1)을 지니는 셀룰로스를 포함하는 제1재료는 물 등의 매질에 분산되어, 초음파 분해되고/되거나 그렇치 않으면 공동화되어, 제1수평균 분자량보다 낮은 제2수평균 분자량(MN2)을 지닌 셀룰로스를 포함하는 제2재료를 제공한다. 제2재료(또는 어떤 실시형태에서는 제1 및 제2재료)는 제2 및/또는 제1재료를 이용할 수 있는 미생물(예컨대, 효소 처리와 함께 혹은 효소처리 없이)과 배합되어, 중간생성물 혹은 생성물을 생산할 수 있다.
제2재료는 제1재료에 비해서 감소된 분자량 및 몇몇 경우에 있어서는 감소된 결정화도도 지니는 셀룰로스를 지니므로, 상기 제2재료는 일반적으로 미생물을 함유하는 용액 중에서 더욱 분산가능하고/하거나, 팽윤가능하고/하거나 가용성이다.
몇몇 실시형태에서, 상기 제2수평균 분자량(MN2)은 제1수평균 분자량(MN1)보다 약 10% 이상, 예컨대, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%, 60% 이상, 또는 심지어 약 75% 이상만큼 낮다.
몇몇 경우에, 제2재료는 제1재료의 셀룰로스의 결정화도(C1)보다 낮은 결정화도(C2)를 지니는 셀룰로스를 지닌다. 예를 들어, (C2)는 (C1)보다 약 10% 이상, 예컨대, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40% 이상 또는 심지어 약 50% 이상만큼 낮을 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 출발 결정화도(초음파 분해 전)는 약 40 내지 약 87.5%, 예컨대, 약 50 내지 약 75% 또는 약 60 내지 약 70%이고, 초음파 분해 후의 결정화도는 약 10 내지 약 50%, 예컨대, 약 15 내지 약 45% 또는 약 20 내지 약 40%이다. 그러나, 소정의 실시형태에 있어서, 예컨대, 광대한 초음파 분해 후, 5% 이하의 결정화도를 지니는 것이 가능하다. 몇몇 실시형태에 있어서, 초음파 분해 후의 재료는 실질적으로 비정질이다.
몇몇 실시형태에서, 출발 수평균 분자량(초음파 분해 전)은 약 200,000 내지 약 3,200,000, 예컨대, 약 250,000 내지 약 1,000,000 또는 약 250,000 내지 약 700,000이고, 초음파 분해 후의 수평균 분자량은 약 50,000 내지 약 200,000, 예컨대, 약 60,000 내지 약 150,000 또는 약 70,000 내지 약 125,000이다. 그러나, 몇몇 실시형태에 있어서, 예컨대, 광대한 초음파 분해 후, 약 10,000 이하 또는 심지어 약 5,000 이하의 수평균 분자량을 지니는 것이 가능하다.
몇몇 실시형태에서, 제2재료는 제1재료의 산화 레벨(O1)보다 높은 산화 레벨(O2)을 지닐 수 있다. 상기 재료의 보다 높은 산화 레벨은 그의 분산성, 팽윤성 및/또는 용해도에 도움을 줄 수 있고, 또한, 이것은 화학적, 효소적 혹은 미생물 공격에 대한 재료 감도를 더욱 증강시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 제1재료에 비해서 제2재료의 산화 레벨을 증가시키기 위하여, 초음파 분해는 산화 매질 중에서 수행되어, 제1재료보다 더욱 산화된 제2재료를 생산한다. 예를 들어, 제2재료는 더욱 하이드록실기, 알데하이드기, 케톤기, 에스터기 또는 카복실산기를 지닐 수 있어, 그의 친수성을 증가시킬 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 초음파 분해 매질은 수성 매질이다. 필요한 경우, 해당 매질은 과산화물(예컨대, 과산화수소) 등의 산화제, 분산제 및/또는 완충제를 포함할 수 있다. 분산제의 예로는, 예컨대, 라우릴황산 나트륨 등의 분산제, 및 예컨대, 폴리(에틸렌 글라이콜) 등의 비이온성 분산제를 들 수 있다.
다른 실시형태에서, 초음파 분해 매질은 비수계이다. 예를 들어, 초음파 분해는, 예컨대, 톨루엔 혹은 헵탄 등의 탄화수소, 예컨대, 다이에틸에터 혹은 테트라하이드로퓨란 등의 에터, 또는 심지어, 아르곤, 제논 혹은 질소 등의 액화 가스 내에서 수행될 수 있다.
열분해
하나 이상의 열분해 처리 수순은 광범위하게 상이한 공급원으로부터의 탄소-함유 재료를 처리하여 해당 재료로부터 유용한 물질을 추출하기 위하여, 그리고, 추가의 처리 스텝 및/또는 수순에 대한 입력으로서 기능하는 부분적으로 분해된 유기 재료를 제공하는데 이용될 수 있다. 열분해는 또한 해당 재료를 멸균화하는데 이용될 수 있다. 열분해 조건은 공급원료의 특징 및/또는 기타 인자에 따라서 변할 수 있다. 예를 들어, 리그닌 레벨이 높은 공급원료는 열분해 동안 보다 높은 온도, 보다 긴 체류 시간 및/또는 보다 높은 레벨의 산소의 도입을 필요로 한다.
일례에서, 제1수평균 분자량(MN1)을 지니는 셀룰로스를 포함하는 제1재료는, 예컨대, 관형상 로 내에서(산소의 존재 혹은 부재 하에) 제1재료를 가열함으로써 열분해되어, 제1수평균 분자량보다 낮은 제2수평균 분자량(MN2)을 지닌 셀룰로스를 포함하는 제2재료를 제공한다.
제2재료는 제1재료에 비해서 감소된 분자량 및 몇몇 경우에 있어서는, 감소된 결정화도도 지니는 셀룰로스를 지니므로, 상기 제2재료는 일반적으로 예컨대, 미생물을 함유하는 용액 중에서 더욱 분산가능하고/하거나, 팽윤가능하고/하거나 가용성이다.
몇몇 실시형태에서, 상기 제2수평균 분자량(MN2)은 제1수평균 분자량(MN1)보다 약 10% 이상, 예컨대, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%, 60% 이상, 또는 심지어 약 75% 이상 낮다.
몇몇 경우에, 제2재료는 제1재료의 셀룰로스의 결정화도(C1)보다 낮은 결정화도(C2)를 지니는 셀룰로스를 지닌다. 예를 들어, (C2)는 (C1)보다 약 10% 이상, 예컨대, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40% 이상 또는 심지어 약 50% 이상만큼 낮을 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 출발 결정화도(열분해 전)는 약 40 내지 약 87.5%, 예컨대, 약 50 내지 약 75% 또는 약 60 내지 약 70%이고, 열분해 후의 결정화도는 약 10 내지 약 50%, 예컨대, 약 15 내지 약 45% 또는 약 20 내지 약 40%이다. 그러나, 소정의 실시형태에 있어서, 예컨대, 광대한 열분해 후, 5% 이하의 결정화도를 지니는 것도 가능하다. 몇몇 실시형태에 있어서, 열분해 후의 재료는 실질적으로 비정질이다.
몇몇 실시형태에서, 출발 수평균 분자량(열분해 전)은 약 200,000 내지 약 3,200,000, 예컨대, 약 250,000 내지 약 1,000,000 또는 약 250,000 내지 약 700,000이고, 열분해 후의 수평균 분자량은 약 50,000 내지 약 200,000, 예컨대, 약 60,000 내지 약 150,000 또는 약 70,000 내지 약 125,000이다. 그러나, 몇몇 실시형태에 있어서, 예컨대, 광대한 열분해 후, 약 10,000 이하, 또는 심지어 약 5,000 이하의 수평균 분자량을 지니는 것도 가능하다.
몇몇 실시형태에서, 제2재료는 제1재료의 산화 레벨(O1)보다 높은 산화 레벨(O2)을 지닐 수 있다. 상기 재료의 보다 높은 산화 레벨은 분산성, 팽윤성 및/또는 용해도에 도움을 줄 수 있고, 또한 화학적, 효소적 또는 미생물 공격에 대한 재료 감도를 증강시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 제1재료에 비해서 제2재료의 산화 레벨을 증가시키기 위하여, 열분해는 산화 환경 중에서 수행되어, 제1재료보다 더욱 산화된 제2재료를 생산한다. 예를 들어, 제2재료는 더욱 하이드록실기, 알데하이드기, 케톤기, 에스터기 또는 카복실산기를 지닐 수 있어, 그의 친수성을 증가시킬 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 상기 재료의 열분해는 연속적이다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 재료는 미리 정해진 시간 동안 열분해되고, 이어서, 재차 열분해되기 전에 제2의 미리 정해진 시간 동안 냉각될 수 있다.
산화
한가지 이상의 산화 처리 수순은 광범위하게 상이한 공급원으로부터의 탄소-함유 재료를 처리하여 해당 재료로부터 유용한 물질을 추출하기 위하여, 그리고, 추가의 처리 스텝 및/또는 수순에 대한 입력으로서 기능하는 부분적으로 분해된 유기 재료를 제공하는데 이용될 수 있다. 산화 조건은 공급원료의 리그닌 함량에 따라 변할 것인 바, 일반적으로 보다 높은 리그닌 함량의 공급원료에 대해서는 보다 높은 산화도가 바람직하다.
하나의 방법에서, 제1수평균 분자량(MN1)을 지니는 동시에 제1산소함량(O1)을 지니는 셀룰로스를 포함하는 제1재료는, 예컨대, 공기 혹은 산소-풍부 공기의 스트림 중에서, 관형상 로 내에서 제1재료를 가열함으로써 산화되어, 제2수평균 분자량(MN2)을 지니는 동시에 제1산소함량(O1)보다 높은 제2산소함량(O2)을 지니는 셀룰로스를 포함하는 제2재료를 제공한다.
제2재료의 제2수평균 분자량은 일반적으로 제1재료의 제1수평균 분자량보다 낮다. 예를 들어, 상기 분자량은 다른 물리적 처리에 대해서 위에서 설명된 바와 같은 정도로 감소될 수 있다. 제2재료의 결정화도는 또한 다른 물리적 처리에 대해서 위에서 설명된 바와 같은 정도로 감소될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 제2산소함량은 제1산소함량보다 적어도 약 5% 높으며, 예컨대, 7.5% 이상, 10.0% 이상, 12.5% 이상, 15.0% 이상 또는 17.5% 이상 높다. 몇몇 바람직한 실시형태에 있어서, 제2산소함량은 제1재료의 산소함량보다 적어도 약 20.0% 높다. 산소 함량은 1300℃ 이상에서 작동하는 노(furnace) 내에서 샘플을 열분해시킴으로써 원소 분석에 의해 측정된다. 적절한 원소 분석기는 VTF-900 고온 열분해로를 구비한 LECO CHNS-932 분석기이다.
일반적으로, 재료의 산화는 산화 환경에서 일어난다. 예를 들어, 산화는 공기 혹은 아르곤 풍부 공기 등과 같은 산화 환경에서 열분해에 의해 영향받거나 도움받을 수 있다. 산화를 돕기 위하여, 각종 화학약품, 예컨대 산화제, 산 혹은 염기가 산화 전 혹은 동안 재료에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 산화 전에 과산화물(예컨대, 과산화벤조일)이 첨가될 수 있다.
바이오매스 공급원료의 난분해성을 저감시키는 몇몇 산화적 방법은 펜톤형 화학(Fenton-type chemistry)을 이용한다. 이러한 방법은, 예를 들어, 미국 특허 출원 제12/639,289호에 개시되어 있고, 그의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
예시적인 산화제로는 과산화수소 및 과산화벤조일 등의 과산화물, 과황산암모늄 등의 과황산염, 오존 등의 산소의 활성화 형태, 과망간산 칼륨 등의 과망간산염, 과염소산나트륨 등의 과염소산염 및 차아염소산나트륨(가정용 표백제) 등의 차아염소산염 등을 들 수 있다.
몇몇 상황에서, pH는 접촉 동안 약 5.5에서 혹은 그 이하에서, 예컨대, 1 내지 5, 2 내지 5, 2.5 내지 5 또는 약 3 내지 5에서 유지된다.
산화 조건은 또한 2 내지 12시간, 예컨대, 4 내지 10시간 혹은 5 내지 8시간의 접촉 기간을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 온도는 300℃를 초과하지 않도록, 예컨대, 온도가 250, 200, 150, 100 혹은 50℃ 이하에서 유지된다. 몇몇 경우에, 온도는 실질적으로 분위기, 예를 들어, 약 20 내지 25℃에서 유지된다.
몇몇 실시형태에서, 상기 1종 이상의 산화제는, 전자 등과 같은 입자의 빔으로 공기를 통해서 재료를 조사함으로써 인-시투(in-situ)로 오존을 발생시키는 등에 의해, 가스로서 적용된다.
몇몇 실시형태에서, 상기 혼합물은, 전자 이동 반응을 도울 수 있는, 1종 이상의 하이드로퀴논, 예컨대, 2,5-다이메톡시하이드로퀴논(DMHQ) 및/또는 1종 이상의 벤조퀴논, 예컨대 2,5-다이메톡시-1,4-벤조퀴논(DMBQ)을 추가로 포함할 수 있다.
몇몇 바람직한 실시형태에서, 상기 1종 이상의 산화제는, 인-시투로 전기화학적으로 발생된다. 예를 들어, 과산화수소 및/또는 오존은 접촉 혹은 반응 용기 내에서 전기화학적으로 생성될 수 있다.
가용화, 난분해성 저감 혹은 작용화시키는 다른 방법
이 단락의 방법의 어느 것이라도 본 명세서에 기재된 방법들의 어느 것 없이 단독으로 혹은 본 명세서에 기재된 방법들, 즉, 증기 폭발, 화학적 처리(예컨대, 산처리(황산, 염화수소산 등의 무기산, 트라이플루오로아세트산 등의 유기산에 의한 농축 및 희석 산처리를 포함함) 및/또는 염기 처리(예컨대, 석회 혹은 수산화나트륨에 의한 처리)), UV 처리, 나사 압출 처리(예컨대, 미국 특허 출원 제61/115,398호(출원일: 2008년 11월 17일) 참조), 용매 처리(예컨대, 이온성 액체에 의한 처리) 및 동결 분쇄(예컨대, 미국 특허 출원 제12/502,629호)의 조합으로 (임의의 수순으로) 이용될 수 있다.
연료 산, 에스터 및/또는 기타 생성물의 생산
전술한 가공처리 단계들 중 하나 이상이 바이오매스에 대해 수행된 후에, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스 분획에 포함된 복합 탄수화물은, 전술한 바와 같이, 당화 과정을 이용해서 발효가능한 당으로 가공처리될 수 있다.
얻어진 당 용액은 제조 설비로 이송된 후, 해당 당은 각종 생성물, 예컨대 에탄올 등의 알코올 또는 유기산으로 전환될 수 있다. 얻어진 생성물은 바이오처리가 일어나는 조건과 이용된 미생물에 좌우된다. 이들 단계는 예를 들어 옥수수-기반 에탄올 제조설비의 기존의 장비를 이용해서 수행될 수 있다.
본 명세서에 기재된 혼합 과정 및 장비는 또한 필요한 경우 바이오처리 동안에 이용될 수 있다. 유리하게는, 본 명세서에 기재된 혼합 시스템은 액체에 대해서 높은 전단을 부여하지 않고, 액체의 전체적인 온도를 상당히 높이지 않는다. 그 결과, 바이오처리에 이용되는 미생물은 해당 과정 전체를 통해서 살아 있는 상태에서 유지된다. 혼합은 반응 속도를 증대시킬 수 있고 해당 과정의 효율을 향상시킬 수 있다.
일반적으로, 발효는 각종 미생물을 이용한다. 리그노셀룰로스 재료의 당화에 의해 생성된 당 용액은 일반적으로 글루코스뿐만 아니라 자일로스를 포함할 것이다. 몇몇 통상적으로 이용되는 미생물(예컨대, 효모)가 자일로스와 작용하지 않으므로 자일로스를 예컨대, 크로마토그래피에 의해 제거하는 것이 바람직할 수도 있다. 자일로스는 수집되어, 다른 생성물, 예컨대, 동물 사료 및 감미제인 자일리톨의 제조에 이용될 수 있다. 자일로스는 발효가 수행될 제조 설비에 당 용액의 전달 전에 혹은 전달 후에 제거될 수 있다.
미생물은 천연 미생물 혹은 공학적으로 조작된 미생물, 예컨대, 본 명세서의 "재료" 부분에 기재된 미생물의 어느 것일 수 있다.
효모의 최적 pH는 약 pH 4 내지 5인 반면, 지모모나스 박테리아의 최적 pH는 약 pH 5 내지 6이다. 전형적인 발효 시간은 26℃ 내지 40℃의 범위 내의 온도에서 약 24 내지 96시간이지만, 호열성 미생물은 보다 고온인 것이 바람직하다.
카복실산기는 일반적으로 발효 용액의 pH를 낮추어, 몇몇 미생물, 예컨대, 피키아 스티피티스에 의한 발효를 저해하는 경향이 있다. 따라서, 몇몇 경우에, 발효 전 혹은 발효 동안 염기 및/또는 완충액을 첨가하여 용액의 pH를 올린다. 예를 들어, 수산화나트륨 혹은 석회를 발효 배지에 첨가하여 해당 배지의 pH를 이용된 미생물에 최적인 범위로 상승시킬 수 있다.
발효는 일반적으로 질소 공급원 혹은 기타 영양 공급원, 예컨대, 요소를 비타민 및 미량 미네랄 및 금속과 함께 함유할 수 있는 수성 성장 배지에서 수행된다. 일반적으로, 성장 배지는 무균 상태이거나 혹은 적어도 낮은 미생물 오염도(microbial load), 예컨대, 박테리아 계수를 지니는 것이 바람직하다. 성장 배지의 멸균은 임의의 바람직한 방식으로 달성될 수 있다. 그러나, 바람직한 구현예에서, 멸균은 혼합 전에 성장 배지 혹은 성장 배지의 개별적인 성분에 예컨대 방선 등을 조사함으로써 달성된다. 방사선의 선량은 에너지 소비 및 결과적인 비용을 최소화하기 위하여 일반적으로 적절한 결과를 얻으면서도 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 예를 들어, 많은 경우에, 성장 배지 자체 혹은 성장 배지의 성분들은 5 M㎭ 이하, 예컨대, 4, 3, 2 혹은 1 M㎭ 이하의 방사선 선량으로 처리될 수 있다. 구체적인 경우에, 성장 배지는 약 1 내지 3 M㎭ 이하의 선량으로 처리된다.
몇몇 실시형태에서, 발효 과정의 전부 혹은 일부는 저분자량 당이 에탄올로 완전히 전환되기 전에 중단될 수 있다. 중간생성물인 발효 생성물은 높은 농도의 당과 탄수화물을 포함한다. 이들 중간생성물인 발효 생성물은 인간 혹은 동물 소비를 위해 식품의 제조에 이용될 수 있다. 부가적으로 혹은 대안적으로, 중간생성물인 발효 생성물은 스테인레스강제 실험실 밀에서 미립자 크기로 분쇄되어 밀가루 형태 물질을 생성할 수 있다.
미국 특허 가출원 제60/832,735호(이제는 국제특허출원 공개 제WO 2008/011598호로 공개됨)에 기재된 바와 같은 이동식 발효기가 이용될 수 있다. 마찬가지로, 당화 장비는 이동식일 수 있다. 또, 당화 및/또는 발효는 수송 동안 부분적으로 전체적으로 수행될 수 있다.
후가공처리
발효 후, 얻어진 유체는, 예를 들어, "비어탑"(beer column)을 이용해서 증류되어 대부분의 물과 잔류 고체로부터 에탄올과 기타 알코올을 분리할 수 있다. 비어탑을 나온 증기는 35중량% 에탄올일 수 있고 정류탑으로 공급될 수 있다. 정류탑으로부터 거의 공비(azeotropic)(92.5%) 에탄올과 물의 혼합물은 기상 분자체를 이용해서 순수한(99.5%) 에탄올로 정제될 수 있다. 비어탑 바닥부분은 3-작용 증발기의 제1작용부에 보내질 수 있다. 정류탑 환류 응축기는 이 제1작용부를 위해 열을 제공할 수 있다. 제1작용 후, 고체는 원심기를 이용해서 분리되고 회전 건조기에서 건조될 수 있다. 원심기 유출물의 부분(25%)은 발효로 재순환될 수 있고, 나머지는 제2 및 제3증발기 작용부로 보낼 수 있다. 대부분의 증발기 응축물은 작은 부분이 폐수 처리로 분리되어 낮은 비등 화합물의 구축을 방지하면서 상당히 깨끗한 응축물로서 상기 처리로 되돌아갈 수 있다.
중간생성물 및 생성물
본 명세서에 기재된 방법을 이용해서, 상기 처리된 바이오매스는 에너지, 연료, 식품 및 재료 등과 같은 하나 이상의 생성물로 전환될 수 있다. 생성물의 구체적인 예로는, 수소, 알코올(예컨대, 1가 알코올 혹은 2가 알코올, 예를 들어, 에탄올, n-프로판올 혹은 n-뷰탄올), 예컨대, 10%, 20%, 30% 이상 혹은 심지어 40% 이상의 물을 함유하는, 수화된 혹은 함수 알코올, 자일리톨, 당, 바이오디젤, 유기산(예컨대, 아세트산 및/또는 락트산), 탄화수소, 부산물(예컨대, 셀룰로스 분해 단백질(효소) 혹은 단세포 단백질 등과 같은 단백질) 및 임의의 조합 혹은 상대적인 농도에서의 이들의 임의의 혼합물, 그리고 임의선택적으로 임의의 첨가제, 예컨대, 연료 첨가제를 들 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 기타 예로는 아세트산 혹은 뷰티르산 등의 카복실산, 카복실산의 염, 카복실산과 카복실산의 염과 카복실산의 에스터(예컨대, 메틸, 에틸 및 n-프로필 에스터)의 혼합물, 케톤류(예컨대, 아세톤), 알데하이드류(예컨대, 아세트알데하이드), 알파, 베타 불포화 산, 예컨대, 아크릴산 및 올레핀, 예컨대, 에틸렌 등을 들 수 있다. 기타 알코올 및 알코올 유도체로는 프로판올, 프로필렌 글라이콜, 1,4-뷰탄다이올, 1,3-프로판다이올, 이들 알코올의 임의의 메틸 혹은 에틸 에스터를 들 수 있다. 기타 생성물로는 메틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 락트산, 프로피온산, 뷰티르산, 숙신산, 3-하이드록시프로피온산, 이들 산의 임의의 염 및 이들 산의 임의의 것과 각각의 염과의 혼합물을 들 수 있다.
식품 및 약제학적 생성물을 비롯한 기타 중간생성물 및 생성물은 미국 특허 출원 제12/417,900호에 기재되어 있으며, 해당 문헌의 전체 개시 내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
실시예
전단된 종이 공급원료는 다음과 같이 준비되었다:
벌크 밀도가 20 lb/ft3인 미인쇄된 폴리코팅 백색 크래프트 판지로 이루어진 미가공 1/2갤론 쥬스 카턴의 1500파운드 스키드를 인터내셔널 페이퍼사(International Paper)로부터 얻었다. 각 카턴은 평탄하게 접은 후, 대략 15 내지 20 파운드/시간의 속도로 3 hp Flinch Baugh 세단기에 공급하였다. 상기 세단기는 2개의 12 인치 회전 블레이드, 2개의 고정 블레이드 및 0.30 인치 배출 스크린을 장비하고 있었다. 회전 블레이드와 고정 블레이드 사이의 간극은 0.10 인치로 조정하였다. 세단기로부터의 출력은, 폭이 0.1 인치 내지 0.5 인치, 길이가 0.25 인치 내지 1 인치 그리고 두께가 출발 재료(약 0.075 인치)의 두께와 거의 동등한 컨페티와 유사하였다.
컨페티-유사 재료는 문손(Munson) 회전식 나이프 커터인 모델 SC30에 공급되었다. 모델 SC30은 4개의 회전 블레이드, 4개의 고정 블레이드 및 1/8인치 개구를 지닌 배출 스크린을 장비하고 있었다. 회전 블레이드와 고정 블레이드 사이의 간극은 대략 0.020 인치로 설정되었다. 회전식 나이프 커터는 컨페티-유사 조각을 나이프-에지를 가로질러 전단하고 해당 조각들을 찢어서 약 1 파운드/시간의 속도로 섬유 재료를 방출하였다. 얻어진 섬유 재료는 BET 표면적이 0.9748 ㎡/g +/- 0.0167 ㎡/g, 다공도가 89.0437%, 벌크 밀도(@0.53 psia)가 0.1260 g/㎖였다. 섬유의 평균 길이는 1.141㎜였고, 섬유의 평균 폭은 0.027㎜였으므로, 42:1의 평균 L/D를 부여하였다.
종이 공급원료를 당화시키기 위하여, 첫번째로 물 7ℓ가 용기에 첨가되었다. 물의 온도는 당화 과정 동안 50℃에서 유지되었고, pH는 5에서 유지되었다. 공급원료는 이하의 표에 표시된 바와 같이 물에 증분식으로 첨가되었다. 각 첨가 후에, 공급원료가 분산될 때까지, 이하의 표에 재차 표시된 바와 같이 두 효소의 혼합물(효소 1은 Accellerase(등록상표) 1500 효소 복합체이고, 효소 2는 Novozyme™ 188 셀로비아제 효소였음)이 첨가된 후에, 혼합이 수행되었다. 각 첨가 후에, 혼합은 초기에 10,000 RPM에서 수행되었고, 믹서는 공급원료가 분산되자마자 4,000 RPM까지 하향 전환되었다. IKA Werks T-50 제트 교반기 믹서가 50K-G-45 제트 혼합 툴과 함께 이용되었다.
공급원료는, 더 많이 첨가될 수 있기 전에 해당 공급원료를 적어도 부분적으로 당화시킬 필요가 있었기 때문에 증분식으로 첨가되었고; 그렇지 않은 경우에는, 혼합물이 혼합되기 너무 어려웠다. 이전의 진탕-플라스크 실험에서 요구되었던 것보다 적은 효소가 주어진 글루코스 레벨을 얻기 위하여 필요로 된 것이 관찰되었다. 곰팡이(mold) 등과 같은 바람직하지 않은 미생물에 의한 오염이 처음 300시간 동안 관찰되지 않았다. 대략 300시간에, 곰팡이 유사 유기체가 탱크 벽에 관찰되었고, 여기서 당농도는 최저였지만, 탱크 자체에서는 그러하지 않았다.
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기타 실시형태
본 발명의 많은 실시형태가 기술되어 있지만, 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어나는 일없이 각종 변경이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
예를 들어, 본 명세서에 기재된 제트 믹서는 임의의 소망의 조합으로 및/또는 다른 유형의 믹서와 조합하여 이용될 수 있다.
제트 믹서(들)는 탱크 내의 임의의 소망의 위치에 장착될 수 있다. 샤프트-장착된 제트 믹서와 관련하여, 샤프트는 탱크의 중심축과 동일 선상에 있을 수 있거나 그로부터 벗어나 있을 수 있다. 예를 들어, 필요한 경우, 탱크는 상이한 유형, 예컨대, 마린 임펠러 혹은 러쉬톤 임펠러의 중앙 장착된 믹서가 설치될 수 있고, 제트 믹서는 중심축으로부터 벗어나서 혹은 중심축 상에 탱크의 다른 영역 내에 장착되어 있을 수 있다. 후자의 경우에, 하나의 믹서는 탱크의 상부로부터 연장될 수 있는 한편, 다른 것은 탱크의 바닥으로부터 위쪽으로 연장된다.
본 명세서에 기재된 제트 혼합 시스템의 어느 것에 있어서도, 제트 믹서를 통한 유체(액체 및/또는 기체)의 흐름은 연속적이거나 펄스 형태이거나, 혹은 연속적인 흐름의 기간과 펄스 형태 흐름의 간격과의 조합일 수 있다. 흐름이 펄스 형태인 경우, 펄스는 규칙적이거나 불규칙적일 수 있다. 후자의 경우에, 예를 들어, 유체 흐름을 구동하는 모터는 예를 들어 혼합이 "고착"(stuck)을 방지하도록 간격으로 두고 펄스 형태 흐름을 제공하도록 프로그램되어 있을 수 있다. 펄스 형태 흐름의 주파수는, 예를 들어, 약 0.5㎐ 내지 약 10㎐, 예컨대, 약 0.5㎐, 0.75㎐, 1.0㎐, 2.0㎐, 5㎐ 혹은 10㎐일 수 있다. 펄스 형태 흐름은 모터를 온/오프시킴으로써 및/또는 유체의 흐름을 중단하는 흐름 전환기를 설치함으로써 제공될 수 있다.
본 명세서에서는 탱크가 언급되어 있지만, 제트 혼합은 저수지, 풀, 연못 등을 비롯한 임의의 형태의 용기 혹은 컨테이너에서 이용될 수 있다. 혼합이 일어나는 컨테이너가 저수지와 같은 땅속에 있는 구조이면, 라인이 형성되어 있을 수 있다. 해당 컨테이너는 예컨대 옥외에 있다면 덮여 있거나, 또는 덮여 있지 않을 수도 있다.
바이오매스 공급원료가 본 명세서에서 설명되어 있지만, 다른 공급원료 및 다른 공급원료를 지니는 바람직하게는 공급원료의 혼합물이 이용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예는 미국 특허 가출원 제61/226,877호(출원일: 2009년 7월 20)에 개시된 것들과 같은 탄화수소-함유 공급원료를 지니는 바이오매스 공급원료들의 혼합물을 이용할 수 있으며, 이 문헌의 전체 개시 내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
따라서, 기타 실시형태는 이하의 특허청구범위의 범주 내이다.

Claims (50)

  1. 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법으로서, 상기 방법은 제트 믹서를 이용해서 리그노셀룰로스 공급원료를 유체 매질 및 당화제와 혼합하여 혼합물을 생성함으로써 용기 내에서 상기 리그노셀룰로스 공급원료의 입자 또는 슬러리를 당화시키는 단계를 포함하고,
    상기 제트 믹서는 제트류 교반기를 포함하고, 상기 용기는 아치형 바닥 표면을 가지고, 상기 제트류 교반기의 샤프트의 중심축은 상기 용기의 중심축으로부터 옆으로 벗어나 있고, 상기 공급원료를 당화시키는 것은 상기 혼합물을 상기 제트류 교반기로 교반하는 것을 포함하고,
    상기 제트 믹서는 당화 동안 동일한 조건에서 상기 샤프트가 상기 중심축과 나란히 있을 경우의 전력 소비보다 낮은 전력 소비를 갖는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공급원료는 0.5g/cm3 이하의 벌크 밀도를 갖는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유체 매질은 물을 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 당화제는 효소를 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제트류 교반기는 샤프트의 말단에 장착된 임펠러 및 상기 임펠러를 둘러싸는 슈라우드를 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제트 믹서는 복수개의 제트류 교반기를 포함하고,
    각각의 제트류 교반기는 노즐의 제1단부를 통해 상기 용기의 상부로 유체를 펌핑하는 제1모드와 상기 노즐의 제2단부를 통해 상기 용기의 바닥부로 유체를 펌핑하는 제2모드로 구성되는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 혼합의 적어도 일부 동안, 상기 제트류 교반기들 모두가 상기 제1모드에서 작동되는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 혼합의 적어도 일부 동안, 상기 제트류 교반기들 중 일부의 제트류 교반기들이 상기 제1모드에서 작동되고, 이와 동시에 다른 제트류 교반기들은 상기 제2모드에서 작동되는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 용기에 미생물을 첨가하는 단계 및 상기 당화된 공급원료를 발효시키는 단계를 추가로 포함하되, 발효의 적어도 일부 동안 상기 제트류 교반기들 모두가 상기 제1모드에서 작동되는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제트 믹서는 전달 노즐을 지니는 제트 폭기식 믹서(jet aeration type mixer)를 포함하고, 상기 공급원료를 당화시키는 단계는 상기 전달 노즐을 통해 제트를 전달하는 단계를 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제트 폭기식 믹서는 상기 전달 노즐을 통해 공기를 주입하는 일없이 작동되는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 당화시키는 단계는 상기 제트 폭기식 믹서의 두 입구 라인(inlet line)으로 액체를 공급하는 단계를 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제트 믹서는 흡인실 제트 믹서를 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제트 믹서는 이젝터 파이프의 제1단부와 유체 연통하는 노즐을 추가로 포함하되, 해당 이젝터 파이프의 제1단부는 상기 노즐로부터 이격되어 있고, 상기 이젝터 파이프는 액체 제트를 방출하도록 구성된 제2단부를 구비하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 당화시키는 단계는 상기 공급원료를 상기 유체 매질에 별개의 증분(discrete increment)으로 첨가하는 단계; 및
    공급 원료의 다른 증가분을 첨가하기 전에 상기 제트 믹서를 이용해서 공급원료의 각 별개의 증분을 상기 유체 매질 내에 혼합하는 단계를 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제트 믹서의 동작 동안 상기 공급원료와 상기 유체 매질과 상기 당화제의 혼합물의 글루코스 레벨을 모니터링하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 당화 동안 상기 용기에 추가의 공급원료와 당화제를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 용기는 탱크를 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 용기는 레일 카의 탱크 또는 트럭의 탱크를 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 당화는 상기 공급원료와 유체 매질과 당화제의 혼합물의 수송 동안 부분적으로 또는 완전히 일어나는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 공급원료는 종이를 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  22. 제1항에 있어서, 상기 용기 내의 혼합물에 유화제 또는 계면활성제를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  23. 제1항에 있어서, 상기 용기에 미생물을 첨가하고 당화된 공급원료를 발효시키는 단계를 추가로 포함하는 것인, 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키는 방법.
  24. 리그노셀룰로스 재료를 당화시키는 방법으로서, 상기 방법은 제트 믹서를 사용하여 리그노셀룰로스 재료를 유체 매질 및 효소와 혼합하여 혼합물을 생성함으로써 용기 내에서 상기 리그노셀룰로스 재료의 입자 또는 슬러리를 당화시키는 단계를 포함하고,
    상기 제트 믹서는 제트류 교반기를 포함하고, 상기 용기는 아치형 바닥 표면을 가지고, 상기 제트류 교반기의 샤프트의 중심축은 상기 용기의 중심축으로부터 옆으로 벗어나 있고, 상기 리그노셀룰로스 재료를 당화시키는 것은 상기 혼합물을 상기 제트류 교반기로 교반하는 것을 포함하고,
    상기 제트 믹서는 당화 동안 동일한 조건에서 상기 샤프트가 상기 중심축과 나란히 있을 경우의 전력 소비보다 낮은 전력 소비를 갖는 것인, 리그노셀룰로스 재료를 당화시키는 방법.
  25. 입자형 공급원료를 생성물로 전환하는 방법으로서, 상기 방법은 제트 믹서를 사용하여 유체 매질에서 입자형 공급원료를 미생물과 혼합하여 상기 입자형 공급원료를 생성물로 전환하는 단계를 포함하고,
    상기 제트 믹서는 제트류 교반기를 포함하고, 용기는 아치형 바닥 표면을 가지고, 상기 제트류 교반기의 샤프트의 중심축은 상기 용기의 중심축으로부터 옆으로 벗어나 있고,
    상기 입자형 공급원료는 리그노셀룰로스 공급원료의 당화에 의해 얻어진 것이고, 상기 입자형 공급원료는 저 분자량 당(low molecular weight sugar) 잔류 고체를 포함하는 것인, 입자형 공급원료를 생성물로 전환하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 유체 매질은 물을 포함하는 것인, 입자형 공급원료를 생성물로 전환하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 미생물은 효모를 포함하는 것인, 입자형 공급원료를 생성물로 전환하는 방법.
  28. 제25항에 있어서, 상기 제트 믹서는 전달 노즐을 지니는 제트 폭기식 믹서(jet aeration type mixer)를 포함하고, 상기 공급원료를 당화시키고 전환하는 단계는 상기 전달 노즐을 통해 제트를 전달하는 단계를 포함하는 것인, 입자형 공급원료를 생성물로 전환하는 방법.
  29. 제25항에 있어서, 상기 제트 믹서는 흡인실 제트 믹서를 추가로 포함하는 것인, 입자형 공급원료를 생성물로 전환하는 방법.
  30. 제25항에 있어서, 상기 제트 믹서는 상기 방법의 실시 동안 동일한 조건에서 상기 샤프트가 상기 중심축과 나란히 있을 경우의 전력 소비보다 낮은 전력 소비를 갖는 것인, 입자형 공급원료를 생성물로 전환하는 방법.
  31. 제25항에 있어서, 상기 제트 믹서는 샤프트의 말단에 장착된 임펠러 및 상기 임펠러를 둘러싸는 슈라우드를 포함하는 것인, 입자형 공급원료를 생성물로 전환하는 방법.
  32. 제25항에 있어서, 상기 제트 믹서는 복수개의 제트류 교반기들을 포함하고, 각각의 제트류 교반기는 가역적으로 작동하여 제1모드에서는 상기 용기의 상부를 향하여 유체를 펌핑하고 제2모드에서는 상기 용기의 바닥부를 향하여 유체를 펌핑하도록 구성되는 것인, 입자형 공급원료를 생성물로 전환하는 방법.
  33. 제25항에 있어서, 전환시키는 단계는 발효를 포함하는 것인, 입자형 공급원료를 생성물로 전환하는 방법.
  34. 제25항에 있어서, 당화는 상기 리그노셀룰로스 공급원료와 액체 매질을 상기 제트 믹서로 혼합하는 단계를 포함하는 것인, 입자형 공급원료를 생성물로 전환하는 방법.
  35. 아치형 바닥 표면을 갖는 용기;
    리그노셀롤로스 공급원료 및 액체 매질을 상기 용기로 전달하는 전달 시스템; 및
    상기 용기 내에 장착된 제트 믹서; 및
    상기 용기 내의 액체 중 당 농도 및/또는 에탄올 농도를 모니터하도록 구비되며 발효 제어 모듈과 연결된 모니터링 기기를 포함하고,
    상기 제트 믹서는 샤프트의 말단에 장착된 임펠러 및 상기 임펠러를 둘러싸는 슈라우드를 갖는 제트류 교반기를 포함하고, 상기 제트류 교반기의 상기 샤프트의 중심축은 상기 용기의 중심축으로부터 옆으로 벗어나 있는 것인, 시스템.
  36. 제35항에 있어서, 상기 전달 시스템은 0.5g/cm3 이하의 벌크 밀도를 갖는 공급원료를 전달하도록 구비된 것인, 시스템.
  37. 제35항에 있어서, 상기 제트 믹서는 복수개의 제트류 교반기들을 포함하고, 각각의 제트류 교반기는 가역적으로 작동하여 제1모드에서는 상기 용기의 상부를 향하여 유체를 펌핑하고 제2모드에서는 상기 용기의 바닥부를 향하여 유체를 펌핑하도록 구성되는 것인, 시스템.
  38. 제35항에 있어서, 상기 모니터링 기기는 상기 제트 믹서의 동작 동안 상기 액체 매질 중 글루코스 레벨을 모니터링하도록 구비된 것인, 시스템.
  39. 제35항에 있어서, 상기 용기는 탱크를 포함하는 것인, 시스템.
  40. 제39항에 있어서, 상기 탱크는 적어도 4000L의 체적을 지니는 것인, 시스템.
  41. 제40항에 있어서, 상기 탱크는 적어도 40000L의 체적을 지니는 것인, 시스템.
  42. 제39항에 있어서, 상기 제트 믹서는 적어도 10 hp의 전력을 갖는 모터를 포함하는 것인, 시스템.
  43. 제42항에 있어서, 상기 모터는 적어도 20 hp의 전력을 갖는 것인, 시스템.
  44. 제39항에 있어서, 계량된 양의 당화제를 상기 탱크로 전달하도록 구비된 당화제 전달기기를 추가로 포함하는 것인, 시스템.
  45. 제42항에 있어서, 상기 제트 믹서는 상기 모터의 토크가 비교적 일정한 임펠러 속도를 유지하도록 자체 조정되도록 구비된 모터를 포함하는 것인, 시스템.
  46. 제35항에 있어서, 상기 제트 믹서는 모터를 추가로 포함하고,
    상기 시스템은 혼합 동안에 상기 모터의 토크를 모니터하는 토크 모니터 및/또는 상기 모터의 전체 부하 전류량(amperage)을 모니터링하는 전류량 모니터를 추가로 포함하는 것인, 시스템.
  47. 제46항에 있어서, 상기 토크 모니터로부터 입력에 의거해서 상기 공급원료의 전달기기의 동작을 조정하거나 당화제 전달기기의 동작을 조정하는 제어기를 추가로 포함하는 것인, 시스템.
  48. 제39항에 있어서, 상기 탱크는 상기 탱크로부터 재료를 제거하기 위한 포트를 포함하는 것인, 시스템.
  49. 제46항에 있어서, 온도의 증가에 응답하여 상기 액체 매질의 온도를 모니터링하고 상기 전달 시스템 및/또는 상기 토크에 의한 상기 공급원료의 공급률 또는 상기 모터의 전체 부하 전류량을 조정하도록 구비된 가열 모니터 시스템을 추가로 포함하는 것인, 시스템.
  50. 제42항에 있어서, 상기 모터는 500 내지 20,000 RPM에서 작동할 수 있는 것인, 시스템.

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