KR20120116501A - 개선된 리그노셀룰로스 바이오매스 분별 공정 - Google Patents

개선된 리그노셀룰로스 바이오매스 분별 공정 Download PDF

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KR20120116501A
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아처 다니엘 미드랜드 캄파니
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Abstract

바이오매스를 수확하여 집하한 지역 또는 그 인근 지역에서 농축된 유기산 증기를 높은 온도에서 바이오매스에 처리하여 바이오매스 내 헤미셀룰로스와 리그닌을 적어도 부분적으로 해중합하거나 또는 상당히 용해시키는, 리그노셀룰로스 바이오매스를 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획으로 효율적으로 분별하는 방법이 제공된다. 어느 하나의 경우에서, 유기산 처리한 바이오매스는 대량으로 장기간 보관 및/또는 약간 떨어진 곳에 있는 제2의 설비로 운송하고자 건조하여 펠릿화한다. 유기산 처리한 바이오매스는 지역의 처리 장소 또는 지역의 처리 장소에서 떨어진 제2의 설비에서 원하는 화학물질, 연료 및/또는 연료 첨가제로 처리할 수 있거나, 펠릿화한 물질은 지역에서 또는 지역의 처리 장소로부터 약간 떨어진 가축 사육장에서 반추동물 사료로서 이용할 수 있다.

Description

개선된 리그노셀룰로스 바이오매스 분별 공정{IMPROVED PROCESS FOR FRACTIONATION OF LIGNOCELLULOSIC BIOMASS}
본 발명은 특히, 화학물질 합성 또는 바이오기반 연료 또는 연료 첨가제 제조에 추가로 이용하기 위한, 리그노셀룰로스 바이오매스의 분별 완수를 위한 개선된 공정에 관한 것이다.
화석 유래 물질 공급이 위태로워지거나 점점 어려워지거나 확보 및 이용 비용이 많이 들면서 현재는 석유와 같은 화석 유래 물질로부터 파생되는 화학물질과 연료 제품의 제공, 또는 그러한 화학물질과 연료 제품에 대한 허용 가능한 바이오 기반의 기능성 대체재 제공을 위한 바이오매스 즉, 탄소 함유량이 화석에서 유래하기 보다는 생물 활동에서 유래하는 물질의 활용은 최근 수년간 점차 연구 개발 투자와 노력의 초점이 되고 있다.
특정 화학물질 및 연료 제품의 교체물 또는 대체재는 이미 바이오매스로부터 대량 상품 규모로 생산되고 있다. 액체 연료 제품 영역에서는 에탄올과 바이오 디젤(지방산 알킬 에스테르)이 옥수수와 사탕수수(에탄올의 경우), 그리고 다양한 식물성 유지로부터 상품 규모로 생산되었다. 그러나 이러한 예의 경우에도 바이오매스 활용에는 개선의 여지가 있다.
예를 들어, 실질적으로 식품으로 활용되지 않는 리그노셀룰로스 바이오매스, 또는 수확하거나 원료를 얻어서 토지 사용 양식과 행동(예를 들어, 추가적인 콩, 옥수수, 또는 비슷한 농작물 생산을 위한 삼림 벌채)에 물질적으로 부정적인 영향을 미치지 않고 활용할 수 있는 리그노셀룰로스 바이오매스로부터 적절한 액체 연료와 연료 첨가제(또는 마찬가지로, 관심 있는 바이오 유래 비연료 화학물질)를 제조할 수 있다면 바람직하리라는 점은 사람들이 오랫동안 인정해왔다. 이러한 특성에 대해, 특별한 목적을 위해 재배된 (풀, 단수수, 빠르게 성장하는 나무와 같은) 비식량성 바이오매스 작물 또는 더욱 상세하게는 (전정(prunings), 목재칩, 톱밥과 같은) 목재 폐기물 및 녹색 폐기물(예를 들어, 잎, 잔디 깎을 때 발생하는 잔디 폐기물, 채소 및 과일 쓰레기)을 포함하는 여러 가지 비식량성 리그로셀룰로스 바이오매스를 고려하였을 것이다. 또한, 이미 경작 중인 토지에 관해서는 발생한 바이오매스의 약 4분의 3이 폐기물로 추정되었고, 따라서 문제의 바이오매스가 폐기물이든 아니든, 리그노셀룰로스 바이오매스로 출발하여 제조할 수 있는, 관심 있는 다양한 화학물질과 연료 제품은 사실상 경제적으로 제조할 수 있어야 한다.
불행히도 이 문제의 진실은 이러한 명제가 유효하기 위해서는 극복해야 할 실질적이고도 현실적인 어려움이 많다는 데 있다. 첫 번째 어려움은 리그노셀룰로스 바이오매스를 포함하는 다양한 구성성분들의 매우 다른 특성에서 비롯한다.
이 점에서, 석유와 같은 화석 기반의 물질과 마찬가지로, 필요하거나 필요하게 될 전 범위의 원자재 화학물질과 연료 제품 교체물 또는 대체재를 규모면에서, 그리고 필요한 품질과 경제성, 효율성을 갖추어 실제로 생산할 수 있는 능력은 리그노셀룰로스 바이오매스가 다양한 구성성분으로 완전히 그리고 효율적으로 분별되어서, 이들 구성성분이 직접적으로 이용되거나 또는 다른 유용한 형태로 전환될 수 있는지에 달려 있다. 물론, 석유는 정유공장에서 다양한 공정을 통해 이러한 분별이 일어나지만, 리그노셀룰로스 바이오매스는 비슷한 공정이 현재까지 개발되지 않았다.
본 발명에 관해서는, 리그로셀룰로스 바이오매스는 주로 셀룰로스와 헤미셀룰로스, 리그닌 분획으로 이루어져 있고, 셀룰로스가 이들 세 구성성분 가운데 가장 많은 부분을 차지한다. 셀룰로스는 식물의 구조 조직에서 유래하며, 1번과 4번 위치를 통해 연결된 베타 글루코사이드 잔기의 긴 사슬로 이루어져 있다. 이러한 연결 덕분에 셀룰로스는 높은 결정도를 나타낸다. 이와 대조적으로 헤미셀룰로스는 무정형의 헤테로폴리머이고, 리그닌은 식물 섬유 세포 내의 셀룰로스와 헤미셀룰로스 사이사이에 있는 방향성의 3차원 고분자이다.
리그닌 분획에 관해 덧붙이자면, "리그닌"이라는 용어 내로 포함된다고 이해했던 리그닌 분획 물질과, 리그닌 함량을 바이오매스 내에서 대응시켜 정량했던 방법은 리그닌 함량을 정확한 분자 구조가 없고 바이오매스마다 경험적으로 그 양이 결정되는 "리그닌"으로 간주했던 맥락에 역사적으로 의존했다. 동물학과 농업경제학에서는 리그노셀룰로스 바이오매스 중에서 소화할 수 있는 에너지 함량을 고려함에 있어서, 예를 들면, 흔히 산성 세제 리그닌 법(Goering and Van Soest, Forage Fiber Analyses (Apparatus, Reagents, Procedures, and Some Applications), Agriculture Handbook No. 379, Agricultural Research Service, United States Dept of Agriculture (1970); Van Soest et al., "Methods for Dietary Fiber, Neutral Detergent Fiber, and Nonstarch Polysaccharides in Relation to Animal Nutrition", J. Dairy Sci., vol. 74, pp 3583-3597 (1991))을 이용하여 주어진 바이오매스 내 리그닌 양을 결정하였다. 이와 대조적으로, 종이와 펄프 산업에서는 전통적으로 클라슨 리그닌(Klason lignin) 법(Kirk and Obst, "Lignin Determination", Methods in Enzymology, vol 16, pp.: 89-101 (1988))으로 주어진 바이오매스 내 리그닌 함량을 결정해왔다.
본 발명의 참고틀로서, 6% 이상(건조 중량 기준)의 산성 세제 불용성 리그닌 함량은 반추동물에는 상대적으로 영양가가 낮아, 결과적으로 대부분 다른 용도로 전용되는 다 자란 한지형 목초와 일반적으로 일치한다. 이러한 일반적인 특성의 리그노셀룰로스 바이오매스가 본 발명과 가장 직접적으로 관련되어 있으나, 본 발명에 의해 제공되는 개선은 일반적으로 전 범위의 리그노셀룰로스 바이오매스를 위해 유용할 것이다.
바이오매스의 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획의 차이뿐만 아니라, 다양한 바이오매스에 서로 다른 정도로 존재하는 기타 적은 양의 분획을 고려할 때, 미국 특허 제5,562,777호(Farone et al., "Method of Producing Sugars Using Strong Acid Hydrolysis of Cellulosic and Hemicellulosic Materials")에서 언급된 바와 같이, 리그노셀룰로스 바이오매스 분별을 위한 여러 가지 공정들이 수년에 걸쳐 개발되었거나 제안되었고, 그 중 대부분은 셀룰로스와 헤미셀룰로스 분획을 C6 및 C5 당으로 가수분해하는 단계를 수반한다.
기본적으로 생물학적 및 비생물학적 공정 모두가 개시되었지만, 가장 오래되고 잘 알려진, 셀룰로스로부터 당을 생산하는 비생물학적 방법은 산 가수분해를 수반하며, 황산을 기초로 하는 가수분해가 가장 흔하고, 묽은 산 처리 방법, 농축 산 처리 방법, 또는 이들 둘의 혼합 처리 방법을 이용한다. 상기 미국 특허 '777호는 당업계에 알려진 다양한 황산 기반 공정의 장점과 단점을 기술하고 있으며, 강산/황산 가수분해를 이용하고 바이오매스(및/또는 이전 반복의 재결정 단계에서 남은 고체를 포함하는 바이오매스)를 25-90% 황산 용액과 혼합하여 바이오매스 일부분을 녹인 다음, 황산을 20 내지 30%로 희석하고 혼합물을 바람직하게는 섭씨 80도 내지 100도로 일정 시간 가열하여 셀룰로스 분획 및 가수분해되지 않은 헤미셀룰로스 물질을 녹이는, 재결정 단계의 조합을 1회 이상 반복하는 추가적인 변형을 제안하고 있다.
효율적인 분별법이 주어진다 하더라도, 리그노셀룰로스 바이오매스를 화학물질, 연료 및 연료 첨가제로 전환하는 제안에 제기되는 추가적인 과제는 단순히 a) 예를 들면, 대규모의 지리적 지역으로부터 대량의 농업 잔여물을 수확 또는 수집한 다음, 이들을 보통 일정 거리에 있는 대규모 화학 또는 석유화학 처리 및 유통 허브로 운반, 또는 b) 저장 및 운반 조건에 의해 바이오매스가 (영향) 받는 것보다는 적게 영향 받고, 그렇지 않으면 화학물질과 연료를 위한 처리 및 유통 허브로 운반하기에 더욱 적합한 중간체, 예를 들어 시럽 내 C5 및 C6 당 또는 C5 및 C6 당 알코올/폴리올로 바이오매스를 예비적으로 처리하는 지역 공장 건설, 또는 c) 완성된 화학물질, 연료 또는 연료 첨가제를 생산하는 다수의 소규모 미개발 공장을 리그노셀룰로스 바이오매스 공급원 인근에 건설, 그 중의 어느 하나와 같은 물류로부터 발생한다. b) 옵션이 a)나 c)보다는 바람직하다고 여겨지지만, 불행히도 현재까지 제안된 리그노셀룰로스 바이오매스 정제 개념은 여전히 경제적으로 운송하기 어렵다고 판명될 중간체를 고려한다.
또한, 이들 바이오매스가 살아있는 물질로부터 유래한다는 사실로부터 추가적인 어려움이 발생한다. 어떠한 변형 공정에서도 공급원료의 일관성은 항상 우려가 되고, 바이오매스가 살아있는 유기체로부터 유래하기 때문에 공급원료의 품질은 본질적으로 다소 변동 가능성이 있을 것이며, 공급원료의 수확, 저장 및 수송의 일관성이라는 측면에서 특별한 과제가 존재할 것이다.
본 발명은 위에서 언급한 어려움의 일부 또는 전부를 해결하고 극복할 수 있는 방식으로 리그노셀룰로스 바이오매스를 처리하는 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 제1 방법은 바이오매스를 수확하고 집하한 지역 또는 그 인근 지역에서 농축된 유기산 증기를 높은 온도에서 바이오매스에 처리하여, 바이오매스 내 헤미셀룰로스와 리그닌을 적어도 부분적으로 해중합하는 리그로셀룰로스 바이오매스를 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획으로 효율적으로 분별하는 방법을 제공한다. 그런 다음, 유기산 처리한 바이오매스를, 수요 출처에 더 가깝게 위치하거나, 또는 원하는 화학물질, 연료 또는 연료 첨가제의 유통 수단에 더 가깝게 위치하거나, 또는 기존의 화학물질 또는 연료 처리 설비를 이용하는 제2 설비로 장기간 대량 저장 또는 운송하기 위해 건조된 고체를 펠릿화할 수 있는 정도까지 건조시킨다. 대안적으로, 상기 재료는 지역의 처리 장소에서 저장된 후, 원하는 화학물질, 연료 및/또는 연료 첨가제로 처리될 수 있고, 또는 문제의 제2 설비(인접하거나, 가깝든지 또는 멀든지 상관없이)는 반추동물을 위한 가축 사육장일 수 있으며, 펠릿화한 물질은 반추동물 사료로 이용할 수 있다.
제2 설비에서 연료, 연료 첨가제 및 화학물질 제품 생산을 위해, 적어도 부분적으로 해중합된 헤미셀룰로스와 염은 적절한 용매에 용해 및 여과하여 하나의 분획으로 회수하고, 리그닌 분획은 대체로 물에 녹지 않으므로 용매는 전형적으로 뜨거운 물이며, 적어도 부분적으로 해중합된 리그닌 분획은 차례차례/결국 더욱 고도로 농축된 유기산 또는 기타 적절한 용매에 용해 및 여과하여 회수한다. 남아있는 고체는 대체로 깨끗한 셀룰로스 펄프를 포함한다. 그런 다음, 헤미셀룰로스, 셀룰로스 및 리그닌 유래 분획은 연료, 연료 첨가제 또는 기타 바람직한 화학물질 제품 제조를 위해 아래에 더 기술한 바와 같이 추가로 처리할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 리그노셀룰로스 바이오매스 내 헤미셀룰로스와 리그닌은 보통 더 농축된 유기산 증기를 높은 온도에서 노출시켜 상당히 용해시키며, 그런 다음 지역의 처리 설비에서 적절한 용매로 세척하고 여과하여 셀룰로스 고체가 대부분인 나머지 분획으로부터 분리한다. 그런 다음, 나머지 고체는 건조시키며 바람직하게는 지역에서 처리하기 위해 저장하거나, 또는 더욱 일반적으로는 전과 같이 수요 출처에 더 가깝게, 또는 원하는 화학물질, 연료 또는 연료 첨가제를 위한 유통 수단에 더 가깝게 위치하거나, 또는 기존의 화학물질 또는 연료 처리 설비를 이용하는 제2 설비로 운반할 수 있는, 건조되고 압축된 셀룰로스 분획을 제공하기 위해 펠릿화한다. 나머지 고체는 또한 펠릿화하여 연료, 화학물질 또는 연료첨가제를 만들기 위한 재료보다는 (대안적인 제2 설비로서) 반추동물을 위한 가축 사육장에 사료용으로 제공할 수 있다.
두 번째 실시예의 변형에서는, 추가 처리로, 용해된 헤미셀룰로스와 리그닌을 증발시켜, 펠릿으로 만들어 경제적으로 제2 설비로 운송할 수 있는 혼합 고체로 부피를 줄이거나, 또는 저장한 다음 지역에서 처리하는 대안이 있으며, 어느 경우이든, 헤미셀룰로스를 용해시키기에는 효과적이나 리그닌 분획은 대체로 녹지 않는 용매(또는 용매 혼합물)로 추출하여 헤미셀룰로스와 리그닌 성분을 분리하고, 여기서 적절한 용매는 단순히 물이며, 그런 다음, 헤미셀룰로스, 셀룰로스 및 리그닌 유래 분획의 전부 또는 일부를 처리하여 원하는 화학물질, 연료 또는 연료 대체재를 얻는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예의 공정을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예 변형에 따른 공정을 개략적으로 도시한다.
유기산, 특히 포름산을 포함한 유기산은 오랫동안 펄프 및 종이산업에서 리그노셀룰로스 바이오매스 처리에 이용되었다.
현재 펄핑 공정은 전형적으로 섭씨 90 내지 150도의 온도에서 농축된 포름산 수용액(예를 들어, 80 내지 90% 포름산)을 사용하여 4:1 이상의 용매:바이오매스 고체의 비율로 바이오매스 내 리그닌과 저분자량의 헤미셀룰로스를 (해중합을 통해) 용해시키며, 따라서 이들은 나중에 제거할 수 있다. 원하는 셀룰로스 펄프 고체는 리그닌과 헤미셀룰로스를 함유하는 증해액으로부터 분리한 다음, 세척하고 원하는 대로 표백한다. 한편, 리그닌은 대체로 물에 불용성이나, 헤미셀룰로스는 물에 녹으므로, 리그닌과 헤미셀룰로스는 그 후 물을 추가하여 분리한다.
농축된 포름산은 리그노셀룰로스 바이오매스의 셀룰로스 성분으로부터 리그닌과 헤미셀룰로스 성분 모두를 녹여서 분리하는 데 효과적이지만, 이 공정은 펄프 슬러리 생성에 충분한 포름산과 물을 가열하기 위해 상당한 에너지를 사용하며, 용매를 재활용하기에 충분한 농도로 포름산을 제거 및 회수하기란 물, 아세트산 및 포름산의 공비혼합물 생성 때문에 어렵고, 비싸다.
그러나 화학물질의 합성 또는 바이오기반 연료 또는 연료 첨가제 제조를 위한 리그노셀룰로스 바이오매스 활용에 관해서는, 이러한 알려진 유기산 기반의 분별 공정과 관련된 에너지 소비와 용매(그리고 용매 회수)의 부담이 화학물질과 바이오기반 연료 또는 연료 첨가제 생산 비용을 석유로부터 시작하는 물질 생산 비용에 비해 비현실적으로 높게 만들 것이다.
이와는 대조적으로, 본 발명은 헤미셀룰로스와 리그닌을 바이오매스를 침투하는 뜨거운 유기산 증기를 활용하여 쉽게 추출할 수 있는 분획으로 용해시킴으로써, 이전의 펄핑 공정에 사용했던 만큼 대량의 포름산과 물을 처리할 필요가 없다. 더구나 우리는 종래 액체 기반의 포름산 분별법에 비해 더 묽은 농도의 포름산을 사용하여, 분별 시 포름산 회수 요건을 더 축소할 수 있음을 발견했다. 사용되는 포름산은 펄핑 형태의 적용에 고려되는 대로 공비증류에 의해 회수할 수 있다. 대안적으로, 정확하게는 물과, 포함된 산의 양이 더 적기 때문에, 재활용을 위해 회수하고자 하는 포름산은 우리가 밝혀낸 유기 공용매 활용과 단순 증류를 통해 간단하면서도, 물과 포름산 공비혼합물을 분해할 필요 없이 회수할 수 있다. 물론, 이전에 알려진 펄핑 처리에 비해 리그노셀룰로스 바이오매스의 추가 처리를 위한 분별을 완수하기 위해 우리 공정에 사용하는 유기산의 양은 상대적으로 훨씬 적기 때문에, 분별 완수 후 남은 유기산은 또한 (산 회수 비용을 고려할 때) 전체 또는 부분적으로 간단하게 중화할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예 10의 본 발명의 공정을 개략적으로 도시한 도 1을 참조하면 더욱 쉽게 이해될 것이다. 일반적으로 6% 이상의 산성 세제 불용성 리그닌(건조 중량 기준)을 함유하는 리그노셀룰로스 바이오매스(12)는 초기에 바람직하게 수집하여, 바이오매스 생산 또는 발생에 편리한 지역(A 장소)에서 필요에 따라 흙, 기타 오염물질 제거를 위해 세척한 다음, 선택적으로 단계 14에서 선처리하여 동물 사료 또는 비료로 바람직할, 단백질 함량이 높은 구성성분을 분리(일례로서, 바이오매스를 기계적으로 분해하고 공기 분급하여), 및/또는 하류 공정을 제거하기가 훨씬 더 어려운 종 또는 물질이 상대적으로 높은 함량으로 있어서, 의도한 하류 전환을 방해하거나 훨씬 더 어렵게 만드는 구성성분, 그리고/또는 추가적인 처리에서 예상되는 생성물(예를 들어, 질소 화합물, 황 화합물, 회분 함량이 높은 구성성분)에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 하나 또는 다수의 구성성분(16)을 분리한다. 선처리 단계 14에서 바람직하게 제거되는 유망한 바이오매스 내 구성성분의 예로는 질소 함량은 높지만 반추동물 사료로 고려할 때, 대략 건초의 영양가를 지닌 옥수숫대의 잎 분획을 들 수 있다.
단계 14에서 바이오매스(12)를 선택적으로 선처리한 후, 바이오매스(12)(또는 구성성분(들)(16)을 선택적으로 제거한 다음의 바이오매스(12)의 잔여물)는 바람직하게는 단계 20에서 농축된 뜨거운 유기산 증기(22)와 나중에 접촉하도록 추가로 단계 18에서 제조/선처리된다. 선처리 단계 18은 농축된 산 증기(22)가 더욱 쉽게 바이오매스(12)를 침투할 수 있고, 바이오매스(12) 내의 리그닌과 헤미셀룰로스를 적어도 부분적으로 해중합(depolymerize)하거나 상당히 용해시키기 위해 바이오매스(12)를 단계 14에서는 달성하지 못했던 정도까지 기계적으로 분해하는 단계를 포함한다. 마찬가지로, 당업자는 산 침지 단계 20에서 수분 수준을 예를 들어, 농축된 뜨거운 유기산 증기(22)의 농도 및 공급량을 통해 다른 수단으로도 관리할 수 있음을 이해하겠지만, 단계 18은 바람직하게는 10% 이하의 수분 함량이 되도록 바이오매스(12)를 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 18에서 바이오매스를 기계적으로 분해하기 위한 많은 수단, 예를 들어 그리고 제한 없이, 분쇄, 세절 및 해머 분쇄 등이 당업자에게 알려져 있으며, 바이오매스(12) 내의 리그닌과 헤미셀룰로스를 적어도 부분적으로 해중합하거나, 또는 단계 20의 농축된 뜨거운 유기산 증기(22)와 효율적이며 효과적으로 접촉시켜 상당히 용해될 수 있도록 바이오매스(12)를 분해하는 수단을 선택하는 일은 당업자의 능력 내에서 충분히 할 수 있을 것이다.
바이오매스(12)는 상술한 바와 같이 어떠한 리그노셀룰로스 바이오매스도 될 수 있지만, 상기에서 언급한 바와 같이 바람직하게는 인간의 식량 공급원으로 대부분 사용하지 않으며, 더욱 바람직하게는 바이오매스로 제조될 화학물질, 바이오기반 연료 및 연료 대체재에 대한 수요가 가장 큰 장소에서 쉽게 이용할 수 있는 (또는 쉽게 이용 가능하게 될 수 있는) 바이오매스일 것이다. 고려할 수 있는 바이오매스의 예로는 다 자란 풀, 각각의 곡류 농작물 잔여물 또는 곡류 사일리지에 포함된 대로의 곡류 농작물 잔여물, 옥수숫대, 밀짚, 보리짚, 억새(miscanthus) 종, 지팽이풀(switchgrass), 바히아그라스(bahia grass), 수수 종, 사탕수수 버개스, 오리새(orchardgrass), 리드 카나리그라스(reed canarygrass) 및 씨아찌꺼기가 있다. 식량용 농작물의 수확 및 처리로부터 유래하는 바이오매스를 포함한, 다양한 출처의 바이오매스 혼합물 또한 명백히 고려되며, 이는 단수형의 "바이오매스(a biomass)"와 "리그노셀룰로스 바이오매스(a lignocellulosic biomass)"의 사용에 의해 포함되는 것으로 간주되어야 한다. 전체 식물 사일리지, 예를 들어, 수확하여 사일리지를 형성하기 위해 주로 혐기적으로 저장된/사일로에 저장된 통옥수수는 혼합 바이오매스 사료의 일종으로 고려될 것이며, 재생 가능 공급원을 기초로 하는 화학물질과 연료 및 연료 첨가제 제조를 위한 대부분 설비는 바이오매스 또는 바이오매스를 기초로 하는 원료를 일년 내내 이용할 수 있어야 하므로 전체 식물 사일리지는 관심의 대상이다. 몇 가지 서로 다른 바이오매스가 다양한 공급원으로부터 이용되지만, 바람직하게는 특별한 목적을 위해 재배된 비식량용 바이오매스 또는 농업 폐기물 바이오매스가 혼합물 내의 그러한 몇 가지 바이오매스 중에서 가장 큰 분획을 차지한다. 혼합 바이오매스 사료의 한 예는 옥수숫대와 옥수수 섬유로 이루어질 것이며, 바람직하게는 옥수숫대가 사료에서 옥수수 섬유보다 더 큰 비율을 차지한다.
부언하자면, 당업자는 특정 화학물질, 연료 및 첨가제 (또는 원하는 비율의 특정 생성물) 제조 시 특정 바이오매스가 다른 것보다 더 적합할 수 있음을 인정할 것이나, 본 발명의 장점은 일반적으로 리그노셀룰로스 바이오매스의 분별에 대한 적용가능성으로, 앞으로 볼 수 있듯이, 특히, 원하는 화학물질, 연료 및/또는 연료 첨가제 생산을 위한 설비까지 멀리 떨어져 있기 때문에 실행 가능하다고 여겨지지 않을 바이오매스의 분별에 적용가능성이 있다.
이제 도 1을 살펴보면, 산 증기 침지 단계 20에서 부분적으로는 사용된 산의 농도에 따라, 농축된 뜨거운 유기산(22)는 선처리 단계 18의 바이오매스에 들어 있는 헤미셀룰로스와 리그닌을 적어도 부분적으로 해중합하거나, 리그닌 또는 저분자량의 헤미셀룰로스를 상당히 용해시키는 역할을 하며, 액체와, 바이오매스의 셀룰로스 분획을 포함하는 잔여 섬유 고체를 제공한다. 바람직하게는 농축된 산 증기(22)는 아세트산, 프로피온산, 말산, 숙신산 또는 포름산과 같은 유기산의 증기이거나 또는 그러한 산의 혼합물로 이루어진다. 가장 바람직하게는, 농축된 포름산 또는 아세트산 증기(22)가 이용되며, 이때 산은 50 내지 90부피% 이상으로 존재하고, 나머지는 수증기이다.
우리는 이 점에서 50% 이상의 아세트산 수용액 증기가 충분한 가열과, 잘 분리되어 혼합된 옥수숫대 바이오매스와 접촉하는 시간이 있으면, 옥수숫대 내의 헤미셀룰로스 및 리그닌 물질을 해중합하기에 충분하며, 이때 해중합 정도는 부분적으로 해중합된 물질이 건조 및 펩티제이션 또는 고밀화, 각각 단계 26 및 28에서 얻어지는 펠릿화한 물질(24)에 대한 바인더로 작용할 수 있을 정도로 해중합할 수 있음을 발견했다. 바람직하게는, 아래에서 더 논의한 바와 같이, 장기간 지역에서 대량으로 저장하거나, 반추동물 사료로 이용하고자 제2의 장소로 수송하거나, 제2의 또는 중심 설비(도면에 그와 같이 표시함)에서 추가적인 분별 및 처리에 바람직한, 내구성 있는 펠릿을 이루기 위한 추가적인 바인더는 필요하지 않다.
70% 산 내지 90%를 초과하는 산을 포함하는 고농도의 산 증기는 바이오매스 내 헤미셀룰로스와 리그닌을 상당히 용해시키는 데 사용할 수 있으며, 리그닌은 50% 농도의 용액에 대체로 녹지 않는다. 바이오매스(12) 내의 헤미셀룰로스와 리그닌을 상당히 용해시키는 것에 기초한 실시예를 도 2와 도 3에 개략적으로 도시하였으며, 도시한 몇몇 실시예 간의 공통적인 특성은 같은 참조번호를 부여하였다. 이들 실시예는 도 2 및 도 3과 관련하여 아래에 더욱 상세하게 기술한다.
그러나 도시한 실시예 각각에서, 바이오매스(12)는 바람직하게는 농축된 산 증기(22)가 침투하여, 산 증기 침지단계 20에서 일정 시간과, 경우에 따라 바이오매스(12) 내의 리그닌과 헤미셀룰로스를 적어도 부분적으로 해중합하거나 상당히 용해시키기에 충분한 압력과 온도의 해당 조건하에서, 증기(22)와 접촉하는 상태를 유지한다. 바이오매스(12)는 농축된 산 증기(22)와 접촉하도록 배치하기 전에 가열할 수 있으며, 농축된 산 증기(22)는 과열시킨 후에 바이오매스(12)에 처리하거나, 또는 증기(22)와 바이오매스(12)를 함께 가열하여 산 증기 침지단계 20으로 연결하거나, 산 증기 침지단계 20 도중에 증기(22)와 바이오매스(12)를 함께 가열할 수 있다. 또한, 농축된 산 증기(22)는 바이오매스(12) 및 바이오매스(12)와 접촉하는 농축된 유기산 용액 모두에 열 처리하거나, 농축된 유기산 용액을 뜨거운 바이오매스(12)와 접촉시킴으로써 그 자리에서 발생시킬 수 있다.
주어진 바이오매스(12) 내의 리그닌과 헤미셀룰로스를 적어도 부분적으로 해중합하거나 상당히 용해시키기 위해 필요한 압력, 온도 및 체류시간의 조건은 어느 정도 처리되는 특정 바이오매스와 그 조성, 미세하게 나뉜 바이오매스가 산 증기 침지단계에 어떻게 들어갈 수 있는지, 선택된 특정 유기산뿐만 아니라 사용되는 산 농도에 따라 다양할 것이나, 일반적으로는 산 증기 침지단계는 대기압 내지 500psig 범위의 압력, 약 섭씨 50도 이상의 온도 및 30분 이상의 시간에서 수행할 것으로 기대된다. 도 2 및 도 3의 실시예와 비교했을 때, 도 1의 실시예에는 더 낮은 산 농도, 덜 혹독한 온도와 압력 조건 및 더 짧은 체류기간이 필요할 것이다.
산 증기 침지 단계 20 후, 부분적으로 처리한 바이오매스를 펩티제이션 또는 고밀도화 단계 28에서 펠릿화할 수 있도록 상기 물질은 단계 26에서 건조시켜 충분히 수분을 제거한다. 건조/탈수 단계 26는 여러 가지 종래 장비, 또는 수성 슬러리를 농축시켜 나머지 고체의 펩티제이션에 적합한 수준으로 물을 제거하기 위한 장비들, 예를 들어, 원심분리기, 하이드로클론, 벨트 필터 프레스 건조기, 유동층 건조기, 간접 또는 직접 회전 드럼 건조기, 스핀 플래시 건조기 등의 조합을 통해 할 수 있다. 바람직하게는, 건조단계 26를 떠나는 바이오매스는 펩티제이션을 촉진하고 수송비를 줄이기 위해 10중량% 이하, 바람직하게는 8중량% 이하, 가장 바람직하게는 6중량% 이하의 수분 함량을 나타낼 것이다.
동물 사료 및 연료용 목질계 바이오매스의 펩티제이션은 잘 확립되었으므로, 마찬가지로 당업자에게 일반적으로 알려진 방법과 장비를 이용하여 단계 28의 펩티제이션을 할 수 있고, 바람직하게는 물질이 공기로 운반되든 또는 컨베이어 벨트/시스템으로, 트럭 또는 철로로, 어떤 다른 수단으로, 또는 수단의 조합으로 운반되든지, 선택된 수송 수단에 의해 제2의 장소 또는 중심 설비(30)로의 수송을, 만족할 정도로 충분히 견딜 수 있는 응집성과 온전성이 있는 물질을 얻을 수 있을 것이다. 편의상, A 장소로부터 제2의 장소로 펠릿화한 물질의 수송은 아래 청구항 및 명세서 다른 곳에서 지역의 A 장소로부터 제2의 장소로의 "운송"으로 설명하며, "운송"이라는 용어의 사용은 선박, 항공기, 열차 또는 트럭, 또는 비슷한 운수 수송 수단으로 제한하기 위한 의도가 아니라, 이렇게 펠릿화한 물질이 A 장소로부터 제2의 장소로 옮겨질 수 있는 모든 방법을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이 점과 관련하여, 원칙적으로 펠릿이 취급, 수송 및 저장에 과량의 부담금을 발생시키지 않음을 의미하는, 펠릿화한 물질에 필요한 내구성은 주어진 A 장소에서, A 장소와 주어진 중심 설비/제2의 장소 사이에서, 그리고 중심 설비/제2의 장소에서 물질이 어떻게 취급, 수송 및 저장되는지에 더욱 특별히 의존할 것이다. 또한, 펠릿 내구성에 접근하기 위해 개발된 몇 가지 장치 및 관련된 방법이 있으며, 따라서 합리적으로 내구성을 위한 정확한 절대값은 연역적으로 지정되지 않을 수 있다. 그러나 바람직하게는 모든 경우(도 1 내지 도 3 및 그것으로부터 청구된 본 발명의 범위 내에서 포괄하는 어떠한 변형)에서, 펠릿화하고 부분적으로 처리한 바이오매스는 펩티제이션 단계 28의 완료에서부터 펠릿화한 물질의 최종 배치에 이르기까지 더스팅(dusting) 또는 미세분 형성에 의해 5%를 초과하는 중량 손실을 겪지 않을 정도로 충분히 내구성이 있으며, 바람직하게는 펠릿화하고 부분적으로 처리한 바이오매스의 3% 미만이 이러한 이행에서 미세분으로 손실될 것이다.
펠릿화한 물질(24)은 가축 사육장 형태의 제2의 장소(30)로 수송하여 반추동물 사료로 직접적으로 이용할 수 있다. 재생 가능한 공급원을 기초로 하는 연료, 연료 첨가제 및/또는 화학물질이 바람직한 최종 물질인 경우, 펠릿화하고 부분적으로 처리한 바이오매스(24)는 추가적인 처리를 위해 중심 설비/제2의 장소(30)로 편리하게 운송되며, 추가적인 처리는 적어도 용매 세척 단계 32에서 하나의 용매 또는 용매들의 조합으로 세척하는 단계를 포함하며, 용매(들)는 바이오매스 내의 헤미셀룰로스 물질의 가수분해로부터 펜토스를 포함하는 생성물 또는 스트림(34) 내의 적어도 부분적으로 해중합된 헤미셀룰로스 물질 및 주로 셀룰로스 고체 분획(36)을 효과적으로 분리하기 위해 선택한다. 도 1에서, 단계 32에서 헤미셀룰로스 분획으로부터 대체로 물에 불용성인 리그닌과 셀룰로스 분획을 분리하기 위해 뜨거운 물을 바람직하게 이용하며, 셀룰로스 고체 분획(36) 및 리그닌 분획(38)을 최종적으로 생산하기 위한 1회 이상의 반복에는 (부분적으로 해중합된 리그닌을 용해시킬 수 있는) 더욱 농축된 유기산 세척 및 여과 공정이 이용된다.
펠릿화한 물질이 재생 가능한 공급원을 기초로 하는 연료 및 연료 첨가제 및/또는 화학물질을 얻는 추가적인 처리를 위해 제2의 장소(30)로 수송하는 것이 바람직한 경우의 특별한 시나리오에서는 중심 공장 주변의 지역 처리 장소를 분산 배치하는 것을 고려할 수 있는데("허브 앤 스포크(hub and spoke)" 개념), 여기서 보통 평균적으로 지역의 처리 장소(A 장소)는 중심 공장으로부터 50킬로미터 이상 멀리 있을 것이며, 자주 평균적으로 중심 공장으로부터 80킬로미터 이상 멀리 있을 수 있다.
당업자는 물론 이렇게 분리하기 위해 다른 용매 또는 용매의 조합도 유리하게 이용할 수 있음을 인정할 것이다. 예를 들어, 셀룰로스 고체 분획(36)으로부터 나머지 헤미셀룰로스와 리그닌 물질을 녹여서 제거하고자 도 2 및 도 3의 실시예를 참고로 하여 아래 기술한 바와 같은 유기 공용매를 이용할 수 있다.
이러한 방식으로 회수 또는 분별된 셀룰로스 고체 분획(36)은 전환을 수행하기에 적합한 조건하에서 강한 무기산 가수분해에 의해 헥소스 생성물 또는 대체로 헥소스인 스트림으로 전환할 수 있다. 헥소스 생성물 또는 스트림은 바람직하게는 대체로 전부 C6 단당류로 이루어질 것이며, 최소한의 추가적인 처리와 청소로 원하는 바이오기반 화학물질과 연료 제품의 등급을 향상시키기에 적합한 특성을 가질 것이다. C6 단당류로부터 유래할 수 있는 바이오기반 화학물질과 연료 제품의 예로는 수소화 및 수소처리를 통한 연료 첨가제 제품, 또는 발효를 통한 에탄올, 라이신, 트레오닌, 락트산, 글루콘산 또는 기타 유기산이 있다.
마찬가지로, 바이오매스(12) 내의 헤미셀룰로스 가수분해에 의해 생산된 펜토스 생성물 또는 스트림(34)은 바람직하게는 대체로 전부 C5 단당류로 이루어질 것이며, C5 단당류, 예를 들어, 발효에 의한 에탄올, 트레오닌, 라이신, 락트산, 글루콘산 또는 기타 유기산, 수소화 및 수소처리에 의한 푸르푸랄, 푸르푸릴 알코올, 메틸 테트라하이드로푸르푸랄, 푸르푸릴산 및 연료 첨가제로부터 유래할 수 있는 바이오기반 화학물질과 연료 제품의 등급을 향상시키기에 적합한 특성을 가질 것이다.
셀룰로스 고체 분획(36)을 가수분해하기 위한 바람직한 강한 무기산은 황산으로, 1 내지 80퍼센트, 바람직하게는 40 내지 80퍼센트 농축된 황산 수용액을 섭씨 25 내지 100도의 온도에서, 대기압에서 0.7Mpa, 게이지(100psig)에 이르는 압력, 및 사용된 온도 조건에 주로 의존하여 15분 내지 2시간의 체류시간 처리한다.
리그닌 분획(38)은 마찬가지의 방식으로 추가로 실용화할 수 있으며, 예를 들어, 합성가스 생성을 위한 가스화 원료로서, 연소 연료로서, 또는 오존분해를 통해 바이오기반의 선형 알킬벤젠 설포네이트 생산을 위한 방향성 설포네이션 원료 생성을 위해 미국 공개특허출원 제2009/0718498A1호의 가르침을 기초로 하여 오존분해를 통해 방향성 연료 첨가제로 실용화할 수 있다.
이제 도 2에서, 대안적인 실시예를 개략적으로 도시하였다. 실시예 40에서는, 바이오매스(12)로부터 얻어진 셀룰로스 분획은 반추동물 사료의 원료로 추가로 처리하기 위한 중심 설비(30)나 바이오기반 연료와 연료 첨가제 또는 화학물질을 위한 헥소스 생성물 또는 스트림으로 운송되는 펠릿화한 물질(24)에 포함되지만, 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획은 바람직하게는 바이오매스가 생산되었거나 재배된 곳에서 편리한 장소인 제1의 장소, A 장소에서 가수분해된다.
도 2의 실시예 40뿐만 아니라 도 3의 실시예 70에서는 앞서 논의한 바와 같이, 건조하고 펠릿화하여 중심 설비에서 추가로 처리할 수 있도록 운송하거나 동물 사료에 사용할 수 있는 깨끗한 셀룰로스 고체 펄프를 생산하기 위해, 헤미셀룰로스와 리그닌이 하나 이상의 약한 유기산(포름산 또는 아세트산이 다시 바람직하다)을 포함하는 용매 내에 가능한 한 많이 녹는 편이 바람직하다. 따라서, 70 내지 90퍼센트를 초과하는 산으로 이루어진, 산 증기 침지 단계 20을 위한 고농도의 뜨거운 산 증기 스트림(22)을 이용하는 것 외에도, 바람직하게는 유기 공용매를, 용매 세척 단계 32에서 세척/용해 및 여과를 1회 이상의 반복하여 추가로 농축된 산 용액과 함께 이용한다.
도 2에 도시된 실시예 40의 경우, 이러한 방식으로 여과액에 용해된 리그닌과 헤미셀룰로스는 실시예 10에 기술한 바와 같이 A 장소에서 스트림 또는 생성물 (38 및 34)로, 그리고 해당 단계 26 및 28에서 건조되고 펠릿화한 나머지 셀룰로스 고체 분획은 동물 사료로 사용하거나 도 1에 대해 상술한 추가 처리를 위해 제2의 장소/중심 설비로 스트림 또는 생성물(24)로서 수송하기 위해 분리할 수 있다.
도 3에 나타낸 실시예 70의 경우, 단계 32에서 수행된 세척 및 여과에서 용해되었던 헤미셀룰로스와 리그닌 대부분을 포함하는 여과액은 단계 26의 셀룰로스 고체와 함께 증류시킬 수 있으며, 침전을 통해 생성된 고체는 단계 28에서 펠릿화하여 제2의 장소/중심 설비로 수송하거나, 나중에 A 장소에서 추가로 활용 및/또는 처리하기 위해 저장할 수 있다. 따라서 두 가지로 펠릿화한 생성물을 도 3에 제공하였으며, 바이오매스(12)의 셀룰로스 구성성분은 펠릿화한 생성물(24b)의 대부분을 차지하고, 바이오매스(12)의 헤미셀룰로스와 리그닌 구성성분은 펠릿화한 생성물(24a)의 대부분을 차지한다. 이러한 점에서 (분별법에 익숙한) 당업자라면 각 실시예 10, 실시예 40 및 실시예 70에서, 펠릿화한 생성물(24a)은 바이오매스(12)에서 본래 발견되는 셀룰로스 물질 일부를 함유할 가능성이 높고, 펠릿화한 생성물(24b)은 특히 고분자량의 헤미셀룰로스와 리그닌 물질 일부를 함유할 가능성이 높다고 특별히 인정할 것이다.
펠릿화한 생성물(24a)에서 발견되는 (단계 20 및 32에서 바이오매스(12) 내의 헤미셀룰로스 산 가수분해로부터 생성된) 펜토스와 리그닌 구성성분은 예를 들어, 제2의 장소/중심 설비에서 뜨거운 물 또는 일부 적절한 용매로 고체(24a)를 세척 및 여과하는 1회 이상의 반복을 통해 제2의 장소/중심 설비에서 동물 사료로 이용하거나, 생성물 또는 스트림(34 및 38)으로 각각 분리할 수 있다.
도 2의 물질(24) 내 또는 도 3의 물질(24b) 내의 셀룰로스 고체는 도 1의 셀룰로스 고체 분획(36)에 대해 기술한 방식으로 이용하거나 추가로 처리할 수 있으며, 스트림 또는 생성물(34)에서 발견된 펜토스뿐만 아니라, 스트림 또는 생성물(38)에 함유된 리그닌은 마찬가지로 앞서 도 1과 함께 기술한 바와 같이 이용하거나 추가로 처리할 수 있다.
상술한 바와 같이, 농축된 포름산은 펄프 및 종이 산업에서 리그노셀룰로스 바이오매스의 셀룰로스 구성성분으로부터 리그닌과 헤미셀룰로스 구성성분 모두를 용해시켜 분리해내는 데 효과적이라고 알려져 있지만, 펄프 제조의 맥락에서 이러한 목적을 위해 농축된 포름산을 이용하는 상세한 내용은 재생 가능한 공급원 기반의 연료, 연료 첨가제 및/또는 화학물질 제조를 위한 원료 개발을 위해 리그노셀룰로스 바이오매스를 분별하는 맥락에서 같거나 비슷한 공정을 실현 가능하게 적용할 수는 없다는 것이다. 농축된 포름산을 이용하여 바이오매스로부터 펄프를 제조할 때, 펄프 슬러리를 생성하기에 충분한 대량의 포름산과 물을 가열하기 위해서는 매우 상당한 에너지가 필요하며, 물과 아세트산, 포름산의 공비혼합물이 형성되기 때문에 용매 재활용을 위해 충분히 높은 농도의 포름산을 제거하고 회수하는 일은 어렵고 비싸다.
그러나 본 발명의 맥락에서, 바이오매스를 완전히 적시기 위해, 그리고 (경우에 따라) 바이오매스에 들어 있는 리그닌과 헤미셀룰로스를 부분적으로 중합하거나 상당히 용해시키기 위해, 단지 증기 형태의 포름산을 이용함으로써 포름산을 유기산으로 이용할 경우, 물과 관련하여 건조단계 26에서 물질 내에서 증발되어 날아간 포름산의 농도는 산 증기 침지 단계 20에서와 동일하게 유지할 수 있으며, 따라서 전체 포름산은 농축하여, 스트림(22)를 위해 재활용 및 재사용할 수 있으며, 알려진 포름산 펄핑 공정과 관련된, 매우 에너지 소모적이고 값비싼 공비증류 회수법을 피할 수 있다. 또한, 종이 제조를 위한 고체 슬러리 생산에 비해, 우수한 펩티제이션을 가능하게 하는 잔여 수분만을 포함하는, 적어도 부분적으로 해중합되었거나 상당히 용해시킨 헤미셀룰로스와 리그닌이 있는 물질의 생산을 고려하는 목적 하에서는, 일반적으로 훨씬 적은 양의 물과 포름산이 필요하므로, 이에 따라 에너지 요구량도 훨씬 줄어든다.
본 발명에 따른 공정에서 포름산을 단독으로 또는 기타 약한 유기산과 조합하여 사용하든, 또는 물과 공비혼합물을 형성하지 않는 또 다른 약한 유기산을 사용되든, 사용할 수 있는 유기산의 양은 어떠한 회수 및 재활용 비용을 정당화하기에는 사실상 불충분할 수 있으므로, 중화가 바람직할 수 있다. 그러나 산 회수 및 재활용이 바람직한 경우에는, 당업자는 산 회수 및 재활용을 위한 적절한 수단을 잘 선택하여 이용할 수 있을 것이다. 즉, 건조단계 26에서 증발된 물질을 회수하고 재활용함으로써, 그리고 추가 공정으로부터 최종적으로 펜토스와 헥소스 스트림으로부터 약한 유기산을 회수하고 재활용함으로써 그렇게 할 수 있을 것이다. 후자의 경우에는, 포름산 대신 아세트산을 사용하는 경우, 단순 증류에 의해 아세트산을 회수할 수 있다. 포름산을 사용하는 경우 공비증류를 사용할 수 있거나, 소량의 증기와 함께 포름산을 매우 높은 농도로 처리할 때, 포함된 물을 분리할 필요 없이 단순증류에 의해 포름산을 농축된 형태로 회수하여 재활용 및 재사용할 수 있다. 우리는 이러한 환경 내에서 셀룰로스 고체로부터 헤미셀룰로스와 리그닌의 용해 및 분리를 완성시키는 데 유용하다고 밝혀진 특정 유기 공용매가 단순증류 및 포름산 회수를 위한 효율적인 공비제로서도 작용함을 발견했다. 우리가 확인한 적절한 유기 공용매로는 에틸 포름산, 에틸 락트산 및 하이드록시메틸 테트라하이드로퓨란이 포함되며, 에틸 포름산이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예를 여기에 기재하였지만, 당업자는 많은 변형과 대안이 비슷한 방식으로 착상될 수 있음을 인정할 것이다. 예를 들어, 바이오매스의 헤미셀룰로스와 셀룰로스 분획을 가수분해하기 위해 산과 함께 효소를 사용할 수 있다. 바이오매스를 위해 사일리지를 이용할 경우, 일정 기간에 걸친 사일리지 그 자체의 혐기성 발효는 락트산을 생성하며, 이 락트산은 산 증기 침지단계 20에서 약한 유기산으로 이용할 수 있다. 또한, 다음의 청구항에 나타난 바와 같은 본 발명의 진정한 범위로부터 벗어나지 않는 다른 변형은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (36)

  1. 바이오매스 내 헤미셀룰로스와 리그닌 물질을 적어도 부분적으로 해중합(depolymerize)하기 위하여 하나 이상의 유기산을 적어도 50중량%로 함유하는 농축된 유기산 증기를 바이오매스에 가하는 단계;
    펠릿화할 수 있도록 고체 함량이 충분히 높은 물질을 제공하기 위하여 약한 산으로 처리된 바이오매스를 건조하는 단계; 및
    건조 단계의 물질을 펠릿화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획을 포함하는 리그노셀룰로스 바이오매스의 처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    펠릿화한 물질을 반추동물 사료로 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    펠릿화한 물질을 여과와 함께 1회 이상 반복하여 용매 세척함으로써 펠릿화한 물질로부터 셀룰로스 고체 생성물을 회수함으로써, 펠릿화한 물질로부터 적어도 부분적으로 해중합된 헤미셀룰로스와 리그닌 물질이 함께 나머지 셀룰로스 고체로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    적어도 부분적으로 해중합된 헤미셀룰로스와 리그닌 물질을 1회 이상 반복하여 세척 및 여과하여 수용성 헤미셀룰로스 물질로부터 수불용성 리그닌 고체를 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    적어도 부분적으로 해중합된 헤미셀룰로스 물질은 펠릿화한 물질을 1회 이상 반복하여 물로 세척 및 여과시켜 펠릿화한 물질로부터 분리하고, 리그닌은 별도의 용매 세척 및 여과를 1회 이상 반복하여 셀룰로스 고체로부터 나중에 분리하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    적어도 부분적으로 해중합된 헤미셀룰로스 물질을 리그닌 및 셀룰로스 고체 생성물로부터 분리한 후에, 적어도 부분적으로 해중합된 헤미셀룰로스 물질을 대상으로 한 추가적인 산 가수분해 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    헤미셀룰로스 물질의 추가적인 산 가수분해 생성물을 발효시켜 에탄올, 라이신, 트레오닌, 락트산, 글루콘산 또는 기타 유기산을 생성하거나, 추가적인 산 가수분해 단계의 생성물을 수소화 및 수소처리하여 수송 연료용 연료 첨가제 생성물을 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    수불용성 리그닌을 오존분해하거나 또는 하나 이상의 다른 산화제에 노출 시키거나, 연료로서 연소시키거나, 액체 탄화수소 생성물 및 코크스 제조를 위한 코킹 공정에 공급하거나, 합성가스 생산을 위한 기화 장치에 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제3항에 있어서,
    셀룰로스 고체를 강한 무기산과 접촉시켜 셀룰로스 고체를 가수분해하여 헥소스 생성물 또는 스트림을 제공하고, 헥소스 생성물 또는 스트림을 발효시켜 에탄올, 라이신, 트레오닌, 락트산, 글루콘산 또는 기타 유기산을 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    리그노셀룰로스 바이오매스는 산성 세제 불용성 리그닌 함량이 건조 중량을 기준으로 6중량% 이상인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    리그노셀룰로스 바이오매스는 다 자란 풀, 각각의 곡류 농작물 잔여물 또는 곡류 사일리지에 포함된 대로의 곡류 농작물 잔여물, 옥수숫대, 밀짚, 보리짚, 억새(miscanthus) 종, 지팽이풀(switchgrass), 바히아그라스(bahia grass), 수수 종, 사탕수수 버개스, 오리새(orchardgrass), 리드 카나리그라스(reed canarygrass) 및 씨아찌꺼기 가운데 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    처리한 리그노셀룰로스 바이오매스는 옥수숫대와 옥수수 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    처리한 리그노셀룰로스 바이오매스는 사일로에 저장된 통옥수수이며, 농축된 유기산 증기를 가하여 사일로에 저장된 통옥수수 중 적어도 하나의 구성성분을 분리하여 제거하기 전에, 바이오매스를 선처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    사일로에 저장된 통옥수수를 농축된 유기산 증기와 접촉시키기 전에, 사일로에 저장된 통옥수수의 바이오매스로부터 옥수수유를 회수하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    사일로에 저장된 통옥수수를 농축된 유기산 증기와 접촉시키기 전에, 사일로에 저장된 통옥수수의 바이오매스로부터 옥수숫대의 잎 분획을 기계적으로 분리하여 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    사일로에 저장된 통옥수수를 농축된 유기산 증기와 접촉시키기 전에, 사일로에 저장된 통옥수수의 바이오매스로부터 황, 질소 또는 회분 함량이 높은 하나 이상의 구성성분을 기계적으로 분리하여 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    농축된 유기산 증기를 섭씨 50도 이상의 높은 온도에서 바이오매스에 가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    바이오매스에 가해지는 하나 이상의 유기산은 아세트산, 프로피온산, 말산, 숙신산, 포름산 및 아세트산 중 하나 이상으로 이루어지고, 농축된 유기산 증기를 섭씨 50도 내지 섭씨 160도의 온도, 대기압 내지 3.5MPa 게이지의 압력에서 30분 이상의 시간 동안 가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    50중량% 이상의 포름산 또는 아세트산 또는 포름산과 아세트산의 조합물을 포함하고 나머지는 물인 농축된 유기산 증기를 바이오매스에 가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    농축된 유기산 증기는 하나 이상의 산을 70중량% 이상, 나머지는 물을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    유기산 처리한 바이오매스는 10중량% 이하의 수분 함량이 되도록 건조하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    건조된 바이오매스에 추가적인 바인더를 추가하지 않고 펠릿화하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    유기산 증기 침지, 건조 및 펠릿화 단계를 복수의 장소에서 행하고 펠릿화한 물질을 공동의 제2의 장소로 운송하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    복수의 장소는 공동의 제2의 장소로부터 평균적으로 50킬로미터 이상의 거리에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    복수의 장소는 공동의 제2의 장소로부터 평균적으로 80킬로미터 이상의 거리에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제22항에 있어서,
    유기산 증기 침지, 건조 및 펠릿화 단계를 제2의 장소에서 적어도 50킬로미터 떨어진 장소에서 펠릿화한 물질을 생산하도록 행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제1항에 있어서,
    유기산 증기와 접촉 전에 바이오매스를 선처리하여, 단백질 함량이 높고 동물 사료 내 또는 동물 사료용으로 사용하기에 적합하거나, 원하는 황, 질소 또는 회분 함량보다 더 높은 함량으로 황, 질소 또는 회분을 함유하는 바이오매스의 적어도 하나의 구성성분을 분리하여 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 아세트산, 프로피온산, 말산, 숙신산, 포름산 및 아세트산으로부터 선택되는 하나 이상의 유기산의 농축된 유기산 증기를 바이오매스 내 헤미셀룰로스와 리그닌 물질을 상당히 용해시키기에 충분한 조건하에서 바이오매스에 처리하는 단계;
    용매 또는 용매 혼합물로 처리된 바이오매스를 1회 이상 반복하여 세척 및 여과하여 여과액 내의 헤미셀룰로스 및 리그닌 물질과, 고체 잔여물로서 셀룰로스 물질을 분리하는 단계;
    펠릿화할 수 있도록 고체 함량이 충분히 높은 물질을 제공하기 위해 고체 잔여물을 건조하는 단계; 및
    건조 단계의 물질을 펠릿화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획을 포함하는 리그노셀룰로스 바이오매스의 처리방법.
  29. 제28항에 있어서,
    여과액 내 헤미셀룰로스와 리그닌 물질을 1회 이상 반복하여 물 세척 및 추가적인 여과를 하여 수용성 헤미셀룰로스 물질로부터 수불용성 리그닌 고체를 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제28항에 있어서,
    농축된 포름산, 아세트산 또는 포름산/아세트산 증기를 섭씨 50도 내지 섭씨 160도의 온도, 대기압 내지 3.5MPa 게이지의 압력에서 30분 이상의 시간 동안 바이오매스에 가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    증기는 유기산 또는 유기산들이 70중량% 이상이고 나머지가 물인 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    증기는 유기산 또는 유기산들이 90중량% 이상이고 나머지가 물인 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    고체 잔여물을 건조하는 단계에서 증발되는 물질은, 상기 물질에 함유된 유기산 및 물을 먼저 분리하지 않은 채 수집되어 유기산 증기 침지단계에 재활용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제28항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    농축된 유기산 증기와 접촉 전에 바이오매스를 선처리하여, 단백질 함량이 높고 동물 사료 내 또는 동물 사료용으로 사용하기에 적합하거나, 원하는 황, 질소 또는 회분 함량보다 더 높은 함량으로 황, 질소 또는 회분을 함유하는 바이오매스 중 적어도 하나의 구성성분을 분리하여 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제28항에 있어서,
    상당히 용해된 헤미셀룰로스와 리그닌을 함유하는 여과액을 건조하여 펠릿화하기에 충분히 높은 고체 함량의 물질을 제공하는 단계와 생성된 상기 물질을 펠릿화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제28항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    리그노셀룰로스 바이오매스는 산성 세제 불용성 리그닌 함량이 6중량% 이상인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
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