KR101923598B1 - 바이오매스의 가공처리 - Google Patents

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Abstract

바이오매스(예컨대, 식물 바이오매스, 동물 바이오매스 및 도시 폐 바이오매스)가 가공처리되어 에너지, 연료, 식품 혹은 재료 등과 같은 유용한 중간생성물 및 생성물을 생성한다. 예를 들어, 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 물질 등과 같은 공급원료 물질을 이용해서 예컨대 발효에 의해 중간생성물 혹은 생성물을 생산하는 것이 가능한 방법이 기재되어 있다.

Description

바이오매스의 가공처리{PROCESSING BIOMASS}
관련 출원
본 출원은 미국 특허 가출원 제61/365,493호(출원일: 2010년 7월 19일)에 대한 우선권을 주장한다. 본 가출원의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 병합된다.
셀룰로스 물질 및 리그노셀룰로스 물질이 생산되고, 가공처리되어, 많은 용도에 대량으로 이용되고 있다. 이러한 물질은 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 제7,074,918호, 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, 탄수화물-함유 물질(예컨대, 바이오매스 물질, 바이오매스-유래 물질 또는 키틴), 특히 셀룰로스 및 리그노셀룰로스 물질, 및 당화된 탄수화물-함유 물질 등과 같은 탄소-함유 물질의 바이오가공처리(bioprocessing)에 관한 것이다. 본 명세서에 개시된 바이오가공처리 기술은 탄수화물-함유 물질을 해당 탄수화물-함유 물질 혹은 그의 당화된 유도체를 이용하는 미생물과 배합하여, 생성물 혹은 중간생성물을 생성하는 것을 포함한다. 이 방법은 일반적으로 유체 배지(fluid medium) 내에서 수행되고, 또한 몇몇 구현예에서는 발효를 포함한다.
전형적인 바이오매스 자원은 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 및 리그닌 + 보다 적은 양의 단백질, 추출가능물(extractables) 및 미네랄을 함유한다. 셀룰로스 분획과 헤미셀룰로스 분획 내에 포함된 이 복합체 탄수화물은 발효가능한 당으로 가공처리될 수 있고, 이것은 이어서 바이오가공처리에 의해 각종 생성물, 예컨대, 알코올 혹은 유기 산으로 전환될 수 있다. 얻어진 생성물은 이용된 미생물 및 바이오가공처리가 일어나는 조건에 의존한다.
옥수수, 포도 등과 같은 전통적인 발효 공급원료와 달리, 셀룰로스 및 리그노셀룰로스 물질은 일반적으로 영양분을 비교적 낮은 수준에서 무시가능한 수준까지 함유한다. 이것은, 특히, 예를 들어, 폐지 및 폐지 펄프 등을 펄프화함으로써 가공처리된 공급원료에도 마찬가지로 적용된다. 그 결과, 이러한 공급원료가 이용될 경우, 발효는 일반적으로 (적어도 진행한다면) 서서히 진행되어, 고농도의 에탄올을 얻는 것은 어려울 수 있다. 상업적으로 입수가능한 영양분 패키지(nutrient package), 예컨대, 펩톤 혹은 효모 영양분 기제가 발효 배지에 첨가될 수 있지만, 이러한 물질은 일반적으로 값비싸서, 대규모 발효 처리의 경제성에 영향을 미친다.
본 발명자들은, 미생물을 공급하는 바이오가공처리 배지에 특정 영양분을 첨가함으로써, 바이오가공처리의 효율이 상당히 증대될 수 있고, 그 비용도 상당히 저감될 수 있다는 것을 발견하였다. 영양분은 식품 산물, 예컨대, 곡물 혹은 채소; 식품 산물의 잔여물, 예컨대, 쌀겨 등과 같은 작물 산물의 잔여물, 또는 육류 제품의 잔여물, 예컨대, 쇠고기, 닭, 돼지 등의 스톡(stock), 정제물(rendering), 부용(bouillon) 또는 추출물; 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 이들은 본 명세서에서 일괄적으로 "식품-기반 영양분 공급원"(food-based nutrient source)이라 칭할 것이다. 식품-기반 영양분 공급원이 이용되기 때문에, 영양분은 비교적 저비용으로 발효 처리에 공급될 수 있어, 이 과정에 의해 생산된 생성물의 전체적인 비용을 저감시킬 수 있다. 식품-기반 영양분 공급원은, 해당 물질이 발효 공급원료로서라기보다는 오히려 영양분 공급원으로서 주로 혹은 단독으로 이용되므로, 당 함량이 낮을 수 있다. 따라서, 당 공급원으로서 가치를 지니지 않는 물질이 이용될 수 있다.
몇몇 구현예에서, 상기 식품-기반 영양분 공급원은, 1종 이상의 추가의 성분을 포함할 수 있는 영양분 패키지의 일부로서 전달된다. 몇몇 바람직한 구현예에서, 상기 영양분 패키지는 질소 공급원, 예컨대, 요소, 암모니아, 황산암모늄, 및 이들의 혼합물을 더 포함한다.
일 양상에 있어서, 본 발명은 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 물질 및/또는 당화된 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 물질 등과 같은 탄소-함유 물질을 포함하는 공급원료를 미생물 및 식품-기반 영양분 공급원과 배합함으로써 혼합물을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 미생물은 생성물 혹은 중간생성물을 생산하기 위하여 상기 공급원료를 이용하는 것인 방법을 특징으로 한다.
몇몇 구현예는 이하의 특성 중 하나 이상을 포함한다. 몇몇 경우에, 식품-기반 영양분 공급원은 곡물, 채소, 곡물의 잔여물, 채소의 잔여물, 육류의 잔여물(예컨대, 스톡, 추출물, 부용 또는 정제물), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 예를 들어, 영양분 공급원은 밀, 귀리, 보리, 대두, 완두콩, 레귐, 감자, 옥수수, 쌀겨, 옥수수 가루, 밀기울, 육류 제품 잔여물, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 생성물은, 예를 들어, 수소, 알코올, 유기 산, 탄화수소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 연료일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 생성물은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아이소프로판올, n-뷰탄올, 에틸렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜, 1,4-뷰탄 다이올, 글라이세린, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 알코올을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 상기 생성물은 포름산, 아세트산, 프로피온산, 뷰티르산, 발레르산, 카프로산, 팔미트산, 스테아르산, 옥살산, 말론산, 숙신산, 글루타르산, 올레산, 리놀레산, 글라이콜산, 락트산, γ-하이드록시뷰티르산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유기 산일 수 있다. 탄화수소는, 예를 들어, 메탄, 에탄, 프로판, 아이소뷰텐, 펜탄, n-헥산, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 기타 생성물 및 중간생성물도 생성될 수 있다.
이용 단계는 예를 들어, 당화 및/또는 발효를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 상기 이용 단계는 동시 당화 및 발효(simultaneous saccharification and fermentation: SSF)를 포함한다. 상기 미생물은, 예를 들어, 본 명세서에 상세히 설명된 것들 중 임의의 것 등과 같은 효모 및/또는 효소를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 당화는 약 3.8 내지 4.2의 pH에서 행해질 수 있고, 발효는 약 4.8 내지 5.2의 pH에서 행해질 수 있으며, 상기 방법은 당화와 발효 간의 pH를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 혼합물은, 몇몇 경우에, 영양분 패키지의 일부 일 수 있거나 개별적으로 첨가될 수 있는 질소 공급원을 포함할 수 있다. 질소 공급원은, 예를 들어, 요소, 암모니아, 황산암모늄, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
몇몇 바람직한 구현예에서, 상기 혼합물은 상기 식품-기반 영양분 공급원으로부터 선택된 영양분, 예컨대, 질소, 아미노산 및 지방을 유리시키도록 선택된 효소계를 더 포함한다. 예를 들어, 상기 효소계는 아밀라제, 프로테아제, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 효소를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 효소계는 프로테아제와 아밀라제를 포함한다.
달리 규정되어 있지 않는 한, 본 명세서에서 이용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 같은 의미를 지닌다. 본 명세서에 기재된 것과 유사 혹은 등가의 방법 및 물질이 본 발명의 실시 혹은 시험에 이용될 수 있지만, 적절한 방법과 물질은 이하에 설명된다. 본 명세서에서 언급된 모든 공보, 특허 출원 및 기타 참고 문헌은 그들의 전문이 참조로 포함된다. 상충하는 경우에, 정의를 비롯하여 본 명세서가 조절할 것이다. 또, 물질, 방법 및 예들은 단지 예시적인 것일 뿐 제한적인 것으로 의도되어 있지 않다.
본 발명의 기타 특징 및 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 공급원료가 글루코스 용액의 생성을 통해 에탄올로 전환되는 과정을 예시한 순서도;
도 2는 에탄올 제조 설비의 개략도;
도 3은 셀룰로스의 글루코스로의 효소 가수분해를 예시한 다이어그램.
본 명세서에 기재된 방법 및 영양분 패키지를 이용하면, 셀룰로스 및 리그노셀룰로스 물질 그리고 그들의 당화된 유도체 등과 같은 탄소-함유 물질이, 예컨대, 발효를 이용해서 바이오가공처리되어, 본 명세서에 기재된 것들과 같은 유용한 중간생성물 및 생성물을 생산할 수 있다.
본 발명자들은 낮은 수준의 식품 산물 및/또는 식품 잔여물을 발효 배취(batch)에 첨가함으로써, 효과적인 발효가 얻어져, 비교적 고농도, 예컨대, 10%, 15%, 20%, 25%까지 혹은 심지어 30%까지의 에탄올이 얻어질 수 있다는 것을 발견하였다. 몇몇 경우에, 식품-기반 영양분 공급원의 농도는, 액체 배지의 부피에 의거해서, 예를 들어, 약 0.1 내지 80 g/ℓ, 예컨대, 약 0.1 내지 40 g/ℓ, 약 0.5 내지 20 g/ℓ, 약 1 내지 10 g/ℓ 또는 몇몇 구현예에서는 약 1 내지 5 g/ℓ일 수 있다. 이용되는 농도는 이용되는 물질(들)의 영양분 프로파일에 따라서 다양할 것이다.
적절한 식품-기반 영양분 공급원은 곡물, 예컨대, 밀, 귀리 및 보리, 및 채소, 예컨대, 대두, 완두콩, 레귐, 감자 및 옥수수, 그리고 이러한 물질의 잔여물, 예컨대, 쌀겨, 옥수수 가루, 및 밀기울을 포함한다. 그러나, 이들은 이용될 수 있는 많은 곡물 및 채소의 소수의 예만을 대표한다. 위에서 논의된 바와 같이, 부가적으로 혹은 대안적으로, 식품-기반 영양분 공급원은 쇠고기, 닭, 돼지 혹은 기타 육류의 스톡, 부용, 추출물 혹은 정제물 등과 같은 육류 잔여물을 포함할 수 있다. 식품-기반 영양분 공급원은 2종 이상의 곡물 및/또는 채소 및/또는 육류 잔여물의 혼합물을 포함할 수 있다. 대안적으로, 이러한 물질은 일반적으로 저렴하다. 몇몇 경우에, 다르게는 폐기물, 예컨대, 식품 산물 혹은 다르게는 매립되어야만 하는 잔여물로 여겨지는 물질이 이용된다.
식품-기반 영양분 공급원에 부가해서, 바람직한 영양분 패키지는 질소 공급원을 함유한다. 적절한 질소 공급원은, 예를 들어, 요소, 암모니아, 황산암모늄, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 몇몇 구현예에서, 질소 공급원은 액체 배지의 부피에 의거해서 약 1 내지 10, 2 내지 8 혹은 바람직하게는 3 내지 6 g/ℓ의 농도로 첨가된다.
영양분 패키지에 포함될 수 있는 기타 화합물은 반복실험을 위하여 미생물에 의해 이용되는 인산염을 포함한다.
바람직한 구현예에서, 영양분 패키지는 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 물질에 대해 당화시키도록 선택된 1종 이상의 효소와, 식품-기반 영양분 공급원으로부터 영양분(예컨대, 질소, 아미노산 및 지방)을 유리시키도록 선택된 1종 이상의 효소를 포함하는 효소들의 특정 조합으로 이용된다. 몇몇 경우에, 효소의 조합은 영양분 공급원 중의 전분을 파괴시키는 아밀라제와, 영양분 공급원으로부터 단백질을 가수분해시켜 펩타이드를 생산하는 프로테아제를 포함한다. 바람직한 효소 조합은 이하에 상세히 논의될 것이다.
식품-기반 영양분 공급원 혹은 영양분 패키지가 이용될 수 있는 가공처리에 대해서 이하에 논의될 것이다.
셀룰로스 및 리그노셀룰로스 물질의 알코올로의 전환
도 1을 참조하면, 알코올, 예컨대, 에탄올의 제조방법은, 예를 들어, 공급원료를 임의선택적으로 물리적으로 전처리하는 단계(스텝 110), 이 처리 전 및/또는 후에, 공급원료를 다른 물리적 처리, 예를 들어, 방사선 조사(예컨대, 전자 빔 조사)를 이용해서 임의선택적으로 처리하여 난분해성(recalcitrance)을 더욱 감소시키는 단계(스텝 112), 공급원료를 당화시켜 당 용액을 형성하는 단계(스텝 114), 얻어진 용액(또는 당화가 도중에 수행된다면, 공급원료, 효소 및 및 물)을 예를 들어 파이프라인, 레일카, 트럭 혹은 바지선에 의해 제조 공장으로 임의선택적으로 수송하는 단계(스텝 116) 및 이어서, 처리된 공급원료를 바이오가공처리하여 목적으로 하는 생성물을 생산하는 단계(스텝 118), 그 후, 이 생성물을 추가로 예를 들어 증류에 의해 처리하는 단계(스텝 120)를 포함할 수 있다. 필요한 경우, 리그닌 함량이 측정될 수 있고(스텝 122), 또한, 미국 특허 가출원 제61/151,724호(출원일: 2009년 2월 11일)(이 문헌의 전체 개시 내용은 참조로 본 명세서에 포함됨)에 기재된 바와 같이, 이 측정치에 의거해서 공정 파라미터가 설정 혹은 조정될 수 있다(스텝 124).
식품-기반 영양분 공급원 혹은 영양분 패키지는 바이오가공처리(스텝 118), 예컨대, 발효 동안 제공되며, 이것은 몇몇 바람직한 구현예에 있어서는 당화 단계(스텝 114) 동안에도 제공될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 식품-기반 영양분 공급원 혹은 영양분 패키지는 스텝 114의 개시 시 당화, 발효 및 식품-기반 영양분 공급원으로부터 영양분의 유리에 적합한 효소의 조합과 함께 첨가된다. 당화는 처리 조건(예컨대, 온도 및 pH)의 제1세트 하에 행해지고, 이어서 당화가 목적으로 하는 정도까지 진행되면, 상기 처리 조건은 (예컨대, pH를 4 내지 5로 조정함으로써) 조정되어 발효를 진행시킬 수 있다.
스텝 118 내지 120(및 몇몇 경우에 위에서 기재된 단계들 모두)에서 이용된 제조공장은, 예를 들어, 기존의 전분기반 혹은 당 기반 에탄올 공장, 또는 바이오가공처리 시스템(전형적인 에탄올 공장에서 일반적으로 곡물 입수 장비, 햄머밀, 슬러리 믹서, 쿠킹 장비 및 액화 장비를 포함함)으로부터 상류에 있는 장비를 제거하거나 해체시킴으로써 개조된 것일 수 있다. 몇몇 경우에, 상기 공장에서 입수된 공급원료는 직접 발효 장비 속으로 입력될 수 있다. 개조된 공장은 도 2에 개략적으로 도시되어 있다.
스텝 110 내지 112는, 예를 들어, 미국 특허 출원 제12/429,045호(출원일: 2009년 4월 23일)에 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 내용은 참조로 본 명세서에 병합된다. 바이오가공처리에 의한 알코올의 생산에 관한 스텝 114, 118 및 120(당화, 발효 및 증류)는, 이제 더욱 논의될 것이다.
당화
공급원료를 발효가능한 당으로 전환시키기 위하여, 공급원료 중의 셀룰로스는, 당화라 불리는 과정에서, 당화제, 예컨대, 효소에 의해 가수분해된다. 셀룰로스를 포함하는 물질은, 예컨대, 용매, 예컨대, 수용액 중에서 상기 물질과 효소를 배합함으로써, 효소로 처리된다.
효소, 및 바이오매스, 예컨대, 해당 바이오매스의 셀룰로스 및/또는 리그닌 부분 등을 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 셀로바이아제류(β-글루코시다제류)를 들 수 있다. 도 3을 참조하면, 셀룰로스 기질은 초기에 랜덤한 개소에서 엔도글루카나제에 의해 가수분해되어 올리고머 중간생성물을 생성한다. 이들 중간생성물은 이어서 셀룰로스 폴리머의 말단으로부터 셀로바이오스를 생산하기 위한 셀로바이오하이드롤라제 등과 같은 엑소-스플리팅(exo-splitting) 글루카나제용의 기질이다. 셀로바이오스는 글루코스의 수용성 1,4-결합된 이량체이다. 최종적으로 셀로바이아제는 셀로바이오스를 쪼개어 글루코스를 수득한다.
적절한 당화제는, 예를 들어, 이하의 물질 부문에서 설명된다.
위에서 언급된 바와 같이, 식품-기반 영양분 공급원 혹은 영양분 패키지는 바람직하게는 당화 전 혹은 당화 동안 첨가되고, 식품-기반 영양분 공급원으로부터 영양분을 유리시키도록 선택된 효소가 첨가된다. 적절한 효소는, 예를 들어, 이하의 물질 부문에서 설명된다.
당화 과정은 제조 공장에서 탱크(예컨대, 적어도 4000, 40,000, 400,000, 혹은 1,000,000ℓ의 부피를 지니는 탱크)에서 부분적으로 혹은 완전히 수행될 수 있고/있거나, 수송 시, 예컨대, 레일카, 탱커 트랙에서, 또는 초대형 유조선 혹운 선박의 선반에서 부분적으로 혹은 완전히 수행될 수 있다. 완전한 당화를 위해 필요한 시간은 처리 조건과, 이용된 공급원료 및 효소에 좌우될 것이다. 당화가 제어된 조건 하에서 제조 공장에서 수행된다면, 셀룰로스는 약 12 내지 96시간에 글루코스로 실질적으로 전체적으로 전환될 수 있다. 당화가 수송 시 부분적으로 혹은 완전히 수행된다면, 당화는 보다 긴 시간이 걸릴 수 있다.
일반적으로 탱크 내용물은 당화 동안 예컨대 미국 특허 가출원 제61/218,832호(이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 병합됨)에 기재된 바와 같은 제트 혼합을 이용해서 혼합되는 것이 바람직하다.
계면활성제의 첨가는 당화 속도를 증대시킬 수 있다. 계면활성제의 예로는 Tween(등록상표) 20 혹은 Tween(등록상표) 80 폴리에틸렌 글라이콜 계면활성제 등과 같은 비이온성 계면활성제, 이온성 계면활성제, 혹은 양쪽성 계면활성제를 들 수 있다.
일반적으로 얻어진 글루코스 용액의 농도는 비교적 높은, 예컨대, 40중량% 이상, 혹은 50, 60, 70, 80, 90중량% 이상 혹은 심지어 95중량% 이상인 것이 바람직하다. 이것은, 당화 및 발효가 상이한 장소에서 수행된다면, 출하될 부피를 줄이고, 또한 용액 중 미생물 성장을 저해한다. 그러나, 보다 낮은 농도가 이용될 수도 있고, 그 경우에 항균성 첨가제, 예컨대, 광범위항생제를, 예컨대, 50 내지 150 ppm의 낮은 농도로 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 기타 적합한 항생제로는, 암포테리신 B, 암피실린, 클로람페니콜, 시프로플록사신, 젠타마이신, 하이그로마이신 B, 카나마이신, 네오마이신, 페니실린, 퓨로마이신, 스트렙토마이신을 들 수 있다. 항생제는 수송 및 보존 동안 미생물의 성장을 저해할 것이고, 적절한 농도, 예컨대, 15 내지 1000 중량ppm, 예컨대, 25 내지 500 중량ppm, 혹은 50 내지 150 중량ppm에서 이용될 수 있다. 필요한 경우, 항생제는 당 농도가 비교적 높더라도 포함될 수 있다.
비교적 고농도 용액은 효소와 함께 공급원료에 첨가될 물의 양을 제한함으로써 얻어질 수 있다. 농도는 예컨대 얼마나 많은 당화가 일어나는지를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 농도는 더 많은 공급원료를 용액에 가함으로써 증가될 수 있다. 용액 중에서 생성되고 있는 당을 유지하기 위하여, 계면활성제, 예컨대, 위에서 논의된 것들 중 하나가 첨가될 수 있다. 용해도는 또한 용액의 온도를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 용액은 40 내지 50℃, 60 내지 80℃ 또는 그보다 높은 온도에서 유지될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 공급원료는, 예컨대, 분체화된 과립체 혹은 입상체 형태에서 편리하고 농축된 고체 물질로 전환되도록 가공처리된다. 농축된 물질은 정제되거나 미가공 혹은 조질 형태일 수 있다. 농축된 형태는, 예를 들어, 약 90중량% 내지 약 100중량%, 예컨대, 92, 94, 96 혹은 98중량%의 당의 총 당 농도를 지닐 수 있다. 이러한 형태는, 선박으로, 예컨대, 바이오연료 제조장치 등과 같은 바이오가공처리 설비로 특히 비용 효율적일 수 있다. 이러한 형태는, 보존과 취급에 유리하고 제조가 더욱 용이하며 또한 제조되는 생성물에 관하여 바이오리파이너리(biorefinery)에 대한 옵션을 제공하는, 중간생성물과 생성물의 양쪽 모두로 될 수 있다.
몇몇 경우에, 분체화된 과립체 혹은 입상체 물질은 또한 1종 이상의 물질, 예를 들어, 본 명세서에 기재된 첨가제 혹은 화학물질, 예컨대, 식품 기반 영양분 혹은 영양분 패키지, 질소 공급원, 예컨대, 요소, 계면활성제, 효소, 또는 본 명세서에 기재된 임의의 미생물을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 바이오가공처리에 필요로 되는 모든 물질은 분체화된 과립체 혹은 입상체 물질에 배합된다. 이러한 형태는 원격 바이오가공처리 설비, 예컨대, 원격 바이오연료 제조 설비로 수송하기 위한 특히 편리한 형태일 수 있다. 이러한 형태는 또한 보존 및 취급하기에 유리할 수 있다.
몇몇 경우에, 분체화된 과립체 혹은 입상체 물질(첨가제 혹은 화학물질 등과 같은 첨가된 물질을 지니거나 혹은 이들을 지니지 않음)은 위에서 참조로 병합된 미국 특허 출원 제12/429,045호에 기재된 물리적 처리들 중 어느 하나에 의해 처리될 수 있다. 예를 들어, 분체화된 과립체 혹은 입상체 물질을 조사하는 것은, 바이오가공처리 설비가 상정되는 중간생성물 혹은 생성물을 위하여 필요로 될 수 있도록 직접 그들의 가공처리 내에 물질을 통합할 수 있도록 용해도를 증가시킬 수 있고 또한 물질을 멸균화시킬 수 있다.
소정의 경우에, 분체화된 과립체 혹은 입상체 물질(첨가제 혹은 화학물질 등과 같은 첨가된 물질을 지니거나 혹은 이들을 지니지 않음)은 수송, 보존 혹은 취급의 용이성을 위하여 구조체 혹은 캐리어 내에 반송될 수 있다. 예를 들어, 구조체 혹은 캐리어는 분해가능한 백(bag) 혹은 라이너(liner) 등과 같은 백 혹은 라이너를 포함하거나 내포할 수 있다. 이러한 형태는 바이오가공처리 시스템에 직접 부가하기 위하여 특히 유용할 수 있다.
발효
미생물은 처리된 바이오매스 물질을 당화시킴으로써 생산된 저분자량 당을 발효시킴으로써 다수의 유용한 중간생성물 및 생성물을 생산할 수 있다. 예를 들어, 발효 또는 기타 바이오프로세스는 알코올, 유기산, 탄화수소, 수소, 단백질 혹은 이들 물질 중 임의의 것의 혼합물을 생산할 수 있다.
효모 및 지모모나스(Zymomonas) 박테리아는, 예를 들어, 발효 혹은 전환에 이용될 수 있다. 기타 미생물은 이하의 물질 부문에 논의되어 있다. 효모를 위한 최적 pH는 약 pH 4 내지 5인 반면, 지모모나스용의 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.
몇몇 실시형태에 있어서, 발효 과정의 전부 혹은 일부는 저분자량 당이 에탄올로 완전히 전환되기 전에 중단될 수 있다. 중간 발효 생성물은 고농도의 당 및 탄수화물을 포함한다. 이들 중간 발효 생성물은 인간 혹은 동물 소비용의 식품의 제조에서 이용될 수 있다. 부가적으로 혹은 대안적으로, 중간 발효 생성물은 가루 형태 물질을 생산하기 위하여 스테인레스 강제 실험실 제분기에서 미립자 크기로 분쇄될 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 혹은 전체적으로 수행될 수 있다.
증류
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 예컨대 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 논의된 가공처리 및 영양분은 탄수화물-함유 물질, 예컨대, 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 물질을, 에너지, 연료, 식품 및 물질들 등과 같은 하나 이상의 생성물로 전환시키는 데 이용될 수 있다. 생성물의 구체적인 예로는 수소, 알코올(예컨대, 에탄올, n-프로판올 혹은 n-뷰탄올 등과 같은 1가 알코올 혹은 2가 알코올), 예컨대, 10%, 20%, 30% 이상 혹은 심지어 40% 이상의 물을 함유하는 수화된 혹은 수화 알코올, 당, 바이오디젤, 유기 산(예컨대, 아세트산 및/또는 락트산), 탄화수소, 부산물(예컨대, 셀룰로스분해 단백질(효소) 혹은 단세포 단백질 등과 같은 단백질), 및 이들의 조합 혹은 상대적 농도, 그리고 임의선택적으로 예컨대 연료 첨가제 등과 같은 임의의 첨가제와의 조합에서의 이들의 임의의 혼합물을 들 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 기타 예로는, 아세트산 혹은 뷰티르산 등과 같은 카복실산, 카복실산의 염, 카복실산과 카복실산염과의 혼합물, 및 카복실산의 에스터(예컨대, 메틸, 에틸 및 n-프로필 에스터), 케톤, 알데하이드, 예컨대, 아크릴산 등과 같은 알파, 베타 불포화 산, 및 예컨대, 에틸렌 등과 같은 올레핀을 들 수 있다. 기타 알코올 및 알코올 유도체로는 프로판올, 프로필렌 글라이콜, 1,4-뷰탄다이올, 1,3-프로판다이올, 이들 알코올 중 임의의 것의 메틸 혹은 에틸 에스터를 들 수 있다. 기타 생성물로는 메틸 아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 락트산, 프로피온산, 뷰티르산, 숙신산, 3-하이드록시프로피온산, 이들 산 중 임의의 것의 염 및 이들 산 중 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 병합된다.
물질
영양분 패키지 성분
위에서 논의된 바와 같이, 바람직한 영양분 패키지는 식품-기반 영양분 공급원, 질소 공급원, 및 몇몇 경우에 기타 성분, 예컨대, 인산염을 함유한다. 적절한 식품-기반 영양분 공급원은 위에서 논의된 것들 및 기타 많은 것들을 비롯한 곡물 및 채소를 포함한다. 식품-기반 영양분 공급원은 2종 이상의 곡물 및/또는 채소의 혼합물을 포함할 수 있다.
바람직한 영양분 패키지는 약 2 내지 5 부피%의 식품-기반 영양분 공급원, 예컨대, 3 내지 4 부피%의 쌀겨 가루 혹은 4 내지 5부피%의 옥수수 가루, 약 3 내지 4 g/ℓ의 질소 공급원, 예컨대, 약 3.5 g/ℓ 요소, 및 약 8 내지 12 g/ℓ의 비이온성 계면활성제, 예컨대, 약 10 g/ℓ Tween(등록상표) 80 계면활성제를 포함할 수 있다.
영양분을 유리시키기 위한 효소
위에서 논의된 바와 같이, 당화 및/또는 발효 혼합물은 영양분, 예컨대, 식품-기반 영양분 공급원으로부터의 질소, 아미노산 및 지방을 유리시키도록 선택된 효소계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 효소계는 아밀라제, 프로테아제, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 효소를 포함할 수 있다.
몇몇 경우에, 효소계는 프로테아제와 아밀라제를 포함한다. 적절한 프로테아제의 예는 Danisco의 분사인 Genencor(등록상표)로부터 상업적으로 입수가능한 FERMGEN(상표명) 산 단백질가수분해 효소이다. 이 효소는 글라이세롤, 황산나트륨 및 벤조산 나트륨을 지니는 수용액 중 5 내지 10% 아스퍼길로펩신(Aspergillopepsin) 1 로 구성된 진균성 프로테아제이다. 적절한 아밀라제의 예는 Danisco의 분사인 Genencor(등록상표)로부터 상업적으로 입수가능한 STARGEN(상표명) 효소이다. 이 효소는 트리코데마 리제이(Trichoderma reesei)로부터의 글루코-아밀라제 및 트리코데마 리제이에서 발현된 아스퍼질러스 카와치(Aspergillus kawachi) 알파-아밀라제를 함유하는, 글루코아밀라제와 알파-아밀라제 배합물이다.
몇몇 바람직한 구현예에서, 아밀라제와 프로테아제는 각각 첨가된 식품-기반 영양분의 중량에 의거해서 약 0.5 내지 1.5중량%, 예컨대, 각각 약 1중량%의 농도로 포함된다. 이들은 동일한 식품-기반 물질이 영양분 공급원으로서라기보다는 당화 및 발효용의 공급원료로서 이용될 경우 일반적으로 요구되는 농도에 비해서 매우 낮은 농도이다. 예를 들어, FERMGEN(상표명) 효소 및 STARGEN(상표명) 효소의 권장된 농도는 각각, 이들 효소가 옥수수 및 곡물의 에탄올로의 당화 및 발효에 이용될 경우, 26 내지 38% w/w 및 20 내지 34% w/w이다.
프로테아제와 아밀라제의 조합이 이용되는 것이 바람직하지만, 몇몇 경우에는 하나 혹은 다른 것이 단독으로 이용될 수 있고/있거나, 식품-기반 영양분 공급원으로부터 영양분을 유리시키는 능력을 지니는 다른 효소들이 이용될 수 있다.
바이오매스 물질
바이오매스는, 예컨대, 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질일 수 있다. 이러한 물질로는 종이 및 종이제품(예컨대, 폴리코팅지 및 크래프트지), 목재, 목재-관련 물질, 예컨대, 파티클 보드, 목초, 왕겨, 바가스, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘마, 마닐라삼, 짚, 지팽이풀, 알팔파(alfalfa), 건초, 옥수수 속대, 옥수수 대, 코코넛 헤어; 및 α-셀룰로스 함량이 높은 물질, 예컨대, 면을 들 수 있다. 공급원료는 미가공 조각 직물 소재, 예컨대, 자투리, 소비자 사용 후의 폐기물, 예컨대, 천 조각들(rags)로부터 얻어질 수 있다. 종이제품이 이용될 경우, 이들은 미가공 소재, 예컨대, 미가공 조각 소재일 수 있거나, 또는 이들은 소비자 사용후의 폐기물일 수 있다. 미가공 원료 소재 외에, 소비자 사용후 폐기물, 공업적 폐기물(예컨대, 폐물), 및 가공처리 폐기물(예컨대, 종이 처리로부터의 유출물)은 섬유 공급원으로서 이용될 수도 있다. 또, 바이오매스 공급원료는 인간으로부터의 폐기물(예컨대, 오수), 동물 혹은 식물 폐기물로부터 얻어지거나 유래될 수 있다. 추가의 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질은 미국 특허 제6,448,307호, 제6,258,876호, 제6,207,729호, 제5,973,035호 및 제5,952,105호에 기재되어 있다.
몇몇 실시형태에서, 바이오매스 물질은 하나 이상의 β-1,4-결합을 지닌 동시에 약 3,000 내지 50,000의 수평균 분자량을 지닌 물질이거나 해당 물질을 포함하는 탄수화물을 포함한다. 이러한 탄수화물은 β(1,4)-글루코사이드 결합의 축합을 통하여 (β-글루코스)로부터 유래되는 셀룰로스이거나 해당 셀룰로스를 포함한다. 이 결합은 그 자체가 전분 및 다른 탄수화물에 존재하는 α(1,4)-글루코사이드 결합에 대한 것과 대조를 이룬다.
당화제
적절한 효소는 바이오매스를 분해시키는 능력을 지니는 셀로바이아제 및 셀룰라제를 포함한다.
적절한 셀로바이아제는 상표명 NOVOZYME 188(상표명) 하에 판매되는 아스퍼질러스 니거(Aspergillus niger)로부터의 셀로바이아제를 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 아스퍼질러스(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)하에 Genencor(등록상표)로부터 시판되고 있는 효소 복합체가 이용될 수도 있는데, 예를 들어, Accellerase(등록상표) 1500 효소 복합체를 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, 4.6 내지 5.0의 pH를 지닌다. 상기 효소 복합체의 엔도글루카나제 활성은 카복시메틸세룰로스 활성 단위(carboxymethylcellulose activity unit: CMC U)로 표현되는 한편, 베타-글루코시다제 활성은 pNP-글루코사이드 활성 단위(pNP-glucoside activity unit: pNPG U)로 보고되어 있다. 다른 적절한 효소 복합체는 Accellerase(등록상표) Duet 효소 복합체이다. Accellerase(등록상표) Duet 효소 복합체는 또한 다수의 효소 활성, 주로 엑소글루카나제, 엔도글루카나제(2400-3000 CMC U/g), 헤미-셀룰라제(자일라나제를 포함함, > 3600 ABX U/g), 및 베타-글루코시다제(> 400 pNPG U/g)를 함유하고, 4.3 내지 4.6의 pH를 지닌다. 효소 복합체의 엔도글루카나제 활성은 카복시메틸세룰로스 활성 단위(CMC U)로 표현되는 한편, 베타-글루코시다제 활성은 pNP-글루코사이드 활성 단위(pNPG U)로 보고되고, 자일라나제 활성은 산 버치우드 자일라나제 단위(Acid Birchwood Xylanase Unit: ABXU)로 보고된다. 몇몇 실시형태에서, NOVOZYME(상표명) 188 셀로바이아제와의 Accellerase(등록상표) 1500 혹은 Accellerase(등록상표) Duet 효소 복합체의 배합물이 이용된다.
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, 유기체들의 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(Saccharomyces cerevisiae)(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.
상업적으로 입수가능한 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)(Alltech사(현재는 Lalemand사)로부터 입수가능), GERT STRAND(등록상표)(스웨덴의 Gert Strand AB사로부터 입수가능) 및 FERMOL(등록상표)(DSM Specialties사로부터 입수가능)을 들 수 있다.
예컨대, 지모모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis) 및 클로스트리듐 써모셀륨(Clostridium thermocellum)(Philippidis, 1996, 전술함) 등의 박테리아가 또한 발효에 이용될 수 있다.
실시예 1
공급원료(실시예 2에서는 "XP"라 지칭됨)가 이하의 절차를 이용해서 생산되었다.
벌크 밀도 30 lb/ft3를 지니는 미사용의 표백된 백색 크래프트 보드 1500 파운드 스키드(pound skid)를 인터네셔널 페이퍼사(International Paper)로부터 얻었다. 이 재료를 길로틴 커터(guillotine cutter)를 이용해서 8 1/4인치 × 11인치의 조각으로 자르고 문손 회전식 나이프 커터(Munson rotary knife cutter), 모델 SC30으로 공급하였다. 배출 망은 1/8인치 개구를 지녔다. 회전식 블레이드와 고정식 블레이드 간의 간극은 대략 0.020인치로 설정되었다. 상기 회전식 나이프 커터는 상기 절단된 조각을 전단하여 섬유질 재료를 방출하였다.
실시예 2
4ℓ 탈이온수를 50℃까지 가열하고 혼합하는 한편, 4부피%의 쌀겨 가루, 3.405 g/ℓ 요소, 및 10 g/ℓ Tween 80(등록상표) 계면활성제를 가하여 배지를 제조하였다. 다음에, 3종의 효소를 다음과 같은 양으로 첨가하였다:
ACCELLERASE(등록상표) 효소 0.25 ㎖/1 그램 XP 공급원료
STAGEN(상표명) 효소 1 겨 중량%(% by bran weight)
FERMGEN(상표명) 효소 1 겨 중량%
ACCELLERASE를 0시간 째에 가하고, 나머지 두 효소는 3시간째에 가하였다.
이어서 XP 공급원료는 혼합물의 점조도(consistency) 및 혼합 속도에 의해 결정된 양과 빈도의 증분량으로 가하였다. 이 재료를 27 시간 기간에 걸쳐서 150 내지 275그램의 증분량의 증분으로 가하였다. 총 첨가된 양은 1096그램이었다.
온도 변동은, 효소가 변성되는 경향이 있는 55℃를 넘어 가열되는 것을 방지하기 위하여, 혼합 동안 모니터링되었다.
이 과정 전체에 걸쳐서, 혼합은 IKA ROTOTRON(등록상표) 믹서를 이용해서 250 rpm에서 수행되었다. 온도는 대략 50℃에서 유지되었고, pH는 약 3.7이었다.
공급원료의 최종 증분량이 첨가된 후, 27시간째에, 그 배취는 이 과정의 개시로부터 총 70시간까지 계속 당화되었다. 이 시점에서 글루코스 농도는 90 g/ℓ였다.
당화된 혼합물은 발효를 위하여 BioFlow(등록상표) 115 바이오리액터로 이송되었다. 파라미터는 이어서 변화되었고, 혼합물은 발효를 개시시키기 위하여 접종되었다. 혼합은 0.025 vvm에서 공기가 제공되는 상태에서 250 rpm에서 Rushton 임펠러를 이용해서 수행하였고, pH는 약 5.0으로 조정되었다. 온도는 약 30℃로 감소되었다. pH 제어는 1M H3PO4(산 제어) 및 1M NaOH(염기 제어)를 이용해서 제공되었다. 접종은 이하의 비율에 의거하였다: 글루코스 1g에 대한 Superstart(상표명) 효모 1㎎. 이 효모는 냉동 건조 접종물로서 상기 혼합물에 직접 첨가되었다.
이들 조건 하의 발효 20시간 후, 상기 혼합물 중의 에탄올의 농도는 약 50 g/ℓ였고, 글루코스의 농도는 약 0 g/ℓ로 떨어졌다. 이것은 동일한 처리 조건 하에서 1.7 g/ℓ YNB, 2.27 g/ℓ 요소 및 6.6 g/ℓ 대두 펩톤을 함유하는 배지 중에서 150 g/ℓ 글루코스 및 40 g/ℓ 자일로스를 발효시킴으로써 얻어진 에탄올 농도보다 단지 다소 낮았다.
기타 실시형태
본 발명의 많은 실시형태가 기술되어 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어나는 일없이 각종 변경이 행해질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
예를 들어, 본 명세서에 개시된 영양분이 오로지 식품-기반(및 특히 채소 및/또는 곡물) 영양분 공급원을 포함하는 것은 비용의 이유에서 바람직하지만, 필요에 따라 영양분 패키지는 이들 영양분 공급원의 기타 비식품 기반 혹은 비곡물/비채소 식품 공급원과의 혼합물을 포함할 수 있다.
따라서, 기타 실시형태는 이하의 특허청구범위의 범주 내이다.

Claims (25)

  1. 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 물질로부터 발효 및/또는 당화 생성물을 생산하는 방법으로서,
    상기 방법은 액체 배지에서 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 물질 및/또는 당화된 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 물질을 포함하는 공급원료를 미생물 및 식품-기반 영양분 공급원(food-based nutrient source)과 배합하여 혼합물을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 미생물은 생성물을 생산하기 위하여 상기 공급원료를 이용하는 것이고,
    상기 식품-기반 영양분 공급원은 상기 공급원료에 추가로 존재하고 상기 미생물을 배양하는데 주로 또는 단독으로 사용되는 것이고,
    상기 식품-기반 영양분 공급원의 농도는 상기 액체 배지의 부피에 의거해서 0.1 내지 80 g/L이고, 및
    상기 혼합물은 상기 식품-기반 영양분 공급원으로부터 영양분을 유리시키도록 선택된 효소계(enzyme system)를 더 포함하고, 상기 효소계는 아밀라제, 프로테아제, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 효소를 포함하는 것인, 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 물질로부터 발효 및/또는 당화 생성물을 생산하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 식품-기반 영양분 공급원은 곡물, 채소, 곡물의 잔여물, 채소의 잔여물, 육류 제품의 잔여물, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 발효 및/또는 당화 생성물은 수소, 알코올, 유기 산, 탄화수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 연료를 포함하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 이용은 발효를 포함하는 것인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 미생물은 효모를 포함하는 것인 방법.
  6. 제4항에 있어서, 발효는 4.8 내지 5.2의 pH에서 행해지는 것인 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 이용은 당화를 포함하는 것인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 미생물은 효소를 포함하는 것인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 효소는 헤미셀룰라제 혹은 셀룰라제를 포함하는 것인 방법.
  10. 제7항에 있어서, 당화는 3.8 내지 4.2의 pH에서 행해지는 것인 방법.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물은 질소 공급원을 더 포함하는 것인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 질소 공급원은 요소, 암모니아, 황산암모늄, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 방법.
  13. 제2항에 있어서, 상기 식품-기반 영양분 공급원은 밀, 귀리, 보리, 대두, 완두콩, 레귐(legume), 감자, 옥수수, 쌀겨, 옥수수 가루, 밀기울, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서, 상기 효소계는 프로테아제와 아밀라제를 포함하는 것인 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 효소계는 헤미셀룰라제 또는 셀룰라제를 더 포함하는 것인 방법.
  18. 삭제
  19. 제1항에 있어서, 상기 액체 배지 중의 상기 식품-기반 영양분 공급원의 농도는 약 0.1 내지 10 g/ℓ인 것인 방법.
  20. 제3항에 있어서, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아이소프로판올, n-뷰탄올, 에틸렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜, 1,4-뷰탄 다이올, 글라이세린, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 방법.
  21. 제3항에 있어서, 상기 유기 산은 포름산, 아세트산, 프로피온산, 뷰티르산, 발레르산, 카프로산, 팔미트산, 스테아르산, 옥살산, 말론산, 숙신산, 글루타르산, 올레산, 리놀레산, 글라이콜산, 락트산, γ-하이드록시뷰티르산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 방법.
  22. 제3항에 있어서, 상기 탄화수소는 메탄, 에탄, 프로판, 아이소뷰텐, 펜탄, n-헥산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 방법.
  23. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 물질은 난분해성(recalcitrance)을 저감시키도록 처리된 것인 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 물질은 방사선에 의해 처리된 것인 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 방사선은 전자 빔을 포함하는 것인 방법.
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