KR20120120394A - 헤미셀룰로스와 셀룰로스 물질을 선택적으로 가수분해하기 위해 산을 조합하여 이용하는 당 생산방법 - Google Patents
헤미셀룰로스와 셀룰로스 물질을 선택적으로 가수분해하기 위해 산을 조합하여 이용하는 당 생산방법 Download PDFInfo
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Abstract
바이오매스 내 헤미셀룰로스와 셀룰로스 물질을 가수분해하기 위하여 산 조합을 이용하여 당을 생산하는 방법에 관한 것으로, 상기 산 조합은 배치(batch) 방식, 반연속 또는 연속 방식을 기초로 하여 바이오매스 내 헤미셀룰로스 물질을 가수분해하여 펜토스 생성물 또는 스트림을 제공하는 제1의 (아세트산 또는 포름산과 같은) 약한 유기산과, 바이오매스 내 셀룰로스 물질을 가수분해하여 헥소스 생성물 또는 스트림을 제공하는 제2의 (황산과 같은) 강한 무기산을 포함하는 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 셀룰로스와 헤미셀룰로스를 함유하는 물질의 가수분해 완수를 위해 개선된 공정에 관한 것으로, 특히 화학물질 합성 또는, 바이오기반 연료 또는 연료 첨가제 제조에 추가로 이용하기 위한 리그노셀룰로스 바이오매스의 가수분해 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 옥수수 또는 기타 곡류로부터, 사탕수수(에탄올의 경우)로부터, 그리고 다양한 식물성 유지(바이오디젤의 경우)로부터 상품 규모로 생산되었다.
그러나 일반적으로 6%(건조 중량 기준) 이상의 산성 세제 불용성 리그닌을 함유하는 리그노셀룰로스 바이오매스와 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 첨가제를 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, 식량용 작물 또는 기타 목적을 위해 이미 경작 중인 토지에 관해서는, 발생한 바이오매스의 약 4분의 3이 폐기물로 추정되었고, 따라서 문제의 바이오매스가 경작에 토지를 바친 식량용 작물 또는 다른 기타 작물 생산의 폐기물이든 또는 어떠한 경작된 작물과도 관련이 없는 공급원에서 유래하였든 간에 이용 가능한 리그노셀룰로스 원료는 풍부하다고 볼 수 있으므로, 리그노셀룰로스 바이오매스로 출발하여 제조할 수 있는, 우리가 필요로 하는 다양한 화학물질과 연료 제품은 사실 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 구성하는 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 공급원료 즉, 리그노셀룰로스 바이오매스가 구성성분별로 효과적이며 효율적으로 분별될 수 있는지와, 이들 구성성분이 효과적이며 효율적으로 차례차례 추가 처리되어 원하는 원자재 화학물질과 연료 제품 교체물 또는 대체제를 생산할 수 있는지에 달려 있다.
본 발명에 관해서는, 리그노셀룰로스 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 나타내고, 따라서 추가 처리를 위해 셀룰로스를 C6 당 또는 헥소스로 가수분해하기 위해 제안되었던 효소 또는 산 촉매에 대해 낮은 접근성을 나타낸다. 이와 대조적으로 헤미셀룰로스는 쉽게 가수분해되는 무정형의 헤테로폴리머이고, 리그닌은 방향성의 3차원 고분자로, 식물 섬유 세포 내의 셀룰로스와 헤미셀룰로스 사이사이에 있으며, 또 다른 처리 옵션에 적합하다.
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 함량을 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 목적을 위해, 우리는 특별히, 반추동물에는 상대적으로 영양가가 낮아, 결과적으로 대부분 다른 용도로 전용되는 다 자란 한지형 목초와 적어도 리그닌 함량이 일반적으로 일치하는 리그노셀룰로스 바이오매스에 관심이 있으며, 이러한 풀은 일반적으로 6% 이상(건조 중량 기준)의 산성 세제 불용성 물질을 특징으로 한다.
바이오매스의 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획의 차이뿐만 아니라, 다양한 바이오매스에 서로 다른 정도로 존재하는 기타 적은 양의 분획을 고려할 때, 패론 등의 미국 특허 제5,562,777호(Farone et al., "Method of Producing Sugars Using Strong Acid Hydrolysis of Cellulosic and Hemicellulosic Materials")에서 언급한 바와 같이, 리그노셀룰로스 바이오매스 분별 및 셀룰로스와 헤미셀룰로스 분획의 가수분해를 위한 여러 가지 공정들이 수년에 걸쳐 개발되었거나 제안되었다.
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. 패론 등의 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.
추가적인 어려움은 앞서 언급한 바와 같이, 경작지와 초지에서 발생되는 바이오매스의 약 4분의 3이 폐기물로 추산되었다는 사실로부터 발생한다. 이들 폐기물 바이오매스는 다양한 바이오기반 화학물질과 연료 제품 생산을 위한 광범위한 잠재력 있는 자원을 의미하지만, 석유 기반 물질에 대한 대안으로 그러한 화학물질과 연료 제품의 제조 및 유통을 위한 수단뿐만 아니라 그러한 화학물질과 연료 제품을 위한 최종 용도 시장은 일반적으로는 폐기물 바이오매스가 생산되거나 발생되는 지역(또는 그 지역과 가까운 곳)에 있지 않다. 이는 제안된 바 있거나 고려 중인, 특별한 목적으로 재배되는 비식량용 바이오매스 작물의 경우에도 마찬가지이다. 그 결과, 화학물질, 연료 및 연료 대체재 또는 첨가제 제조를 위해 이용 가능한 다양한 리그노셀룰로스 바이오매스를 이용하고자 하는 이는 이전에는 바이오매스가 수집 또는 발생되는 장소 근처에, 그러나 유통 채널과 소비자와는 떨어진 곳에 다수의 소규모 미개발 공장 또는 정제소를 건설하거나, 바이오매스를 중간체 생성물(예를 들어, 당 시럽 또는 당 알코올)로 처리하기 위해 다수의 처리 설비를 건설하고 중간체 생성물을 (대체로) 유통 채널과 소비자에 가깝게 위치한 추가의 화학물질 또는 연료 제조 및/또는 정제 설비로 운송하거나, 또는 바이오매스가 수집 또는 발생된 곳으로부터 바이오매스를 처음부터 처리할 중심 설비까지 바이오매스를 운송하는 일에 직면해왔다.
방금 언급했던 처리 및 관련된 수송/물류/유통 및 판매 옵션과 관련하여, 석유 기반의 공급원료에서는 마주치지 않지만, 리그노셀룰로스 바이오매스 원료 이용에 내재하는 한 가지 어려움은 바이오매스가 살아있는 물질로부터 유래한다는 사실로부터 발생한다. 예를 들어, 발효에 의해 에탄올을 생산하는 경우든 또는 옥수숫대 원료로부터 출발하여 제조할 수 있는 기타 화학물질, 바이오기반 연료 또는 연료 대체재를 생산하는 경우(예를 들어, 디올과 폴리올, 아크릴산, 하이드록시메틸푸르푸랄 및 기타 퓨란 화합물, 레불린산, 에피클로로하이드린)든 간에 바이오매스 원료로서 옥수숫대를 이용함에 있어서 과제 중 하나는 얼마나 많은 옥수숫대를 수집해야 하느냐와 알맞은 품질로 일정한 바이오매스 원료를 공급하기 위해 자르고, 포장하거나 묶고, 저장하고, 수송하는 방법을 결정하는 일이었다. 이 점과 관련하여, 어떠한 변형 공정에서도 공급원료의 일관성은 항상 우려가 되며, 바이오매스가 살아있는 유기체로부터 유래하기 때문에 수집된 바이오매스의 품질은 본질적으로 다소 변동 가능성이 있으므로, 바이오매스 선택에서 저장, 수송 및 처리 설비와의 근접성을 고려할 필요가 있다.
본 발명은 위에서 언급한 어려움의 일부 또는 전부를 해결하고 극복할 수 있는 방식으로 리그노셀룰로스 바이오매스를 처리하는 방법을 제공하는 데에 있다. 특히, 본 발명은 바이오매스 내 헤미셀룰로스와 셀룰로스 물질을 가수분해하기 위하여 산을 조합 이용하여 당을 생산하는 방법에 관한 것으로, 상기 산 조합은 배치(batchwise) 방식, 반연속 또는 연속적인 방식을 기초로 하여 바이오매스 내 헤미셀룰로스 물질을 가수분해하여 펜토스 생성물 또는 스트림을 제공하는 제1의 (아세트산 또는 포름산과 같은) 약한 유기산과, 바이오매스 내 셀룰로스 물질을 가수분해하여 헥소스 생성물 또는 스트림을 제공하는 제2의 (황산과 같은) 강한 무기산을 포함한다.
본 발명의 제1 측면에서, 동물 사료 또는 비료로 바람직할 수 있는 단백질 함량이 높은 구성성분을 분리하기 위해 (일례로서, 바이오매스를 기계적으로 분해하여 그리고 공기 분급하여) 및/또는 하류 공정에서 제거하기가 훨씬 더 어려운 종 또는 물질이 상대적으로 높은 함량으로 있어서, 의도한 하류 전환을 방해할 수 있거나 훨씬 더 어렵게 만들, 그리고/또는 추가적인 처리에서 예상되는 생성물(예를 들어, 질소 화합물, 황 화합물, 회분 함량이 높은 구성성분)에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 구성성분을 분리하기 위해 바이오매스를 선택적으로 선처리한 후, 바이오매스 집결지 근처에서 바이오매스 내의 헤미셀룰로스 물질을 해중합하고 리그닌을 용해시키기에 충분한 조건 하에서(예를 들어, 산 농도, 온도, 압력 및 체류시간의 면에서) 제1의 약한 유기산을 바이오매스에 처리한다. 그 다음, "증해되어(cooked)" 산성화된 바이오매스를 건조시켜, 건조된 고체를 중심 설비로 운송하고자 펠릿화할 수 있을 정도까지 물을 제거한다. 그 다음, 중심 설비에서, 펠릿화한, 약한 산을 처리한 바이오매스를 바이오매스의 셀룰로스 분획으로부터 용해되고 해중합된 헤미셀룰로스와 리그닌을 분리하는 데 효과적인 용매 또는 용매 혼합물로 세척한 다음, 헥소스 생성물 또는 스트림을 제공하기에 적합한 조건 하에서 셀룰로스 분획을 제2의 강한 무기산(들)과 접촉시킨다. 바람직하게는, 제1의 약한 유기산은 어느 정도 펩티제이션 단계 전에 건조 부담을 줄이기 위해 높은 온도에서 증기의 형태로 바이오매스에 처리한다.
관련된 제2 측면에서는, 제1의 약한 유기산, 즉, 제2의 강한 무기산과 관련하여 공통적으로, 그러한 특징이 있는 단일 산뿐만 아니라, 그러한 특징이 있는 산들의 조합을 포괄한다고 이해할 수 있을 제1의 약한 유기산을, 바이오매스 내 헤미셀룰로스 물질을 가수분해하기에 적절한 조건 하에서 바이오매스(또는 상술한 바와 같이, 전체로서 바이오매스를 선택적으로 선처리한 후, 남은 바이오매스 부분)에 처리한 다음, 약한 산을 처리한 바이오매스를 용매 또는 용매 혼합물로 세척하여 주로 셀룰로스 고체 분획이 대부분인 나머지로부터 (바이오매스 내 헤미셀룰로스 물질의 가수분해로부터 생성된) 펜토스 생성물 또는 스트림을 분리한다. 그 후, 셀룰로스 고체 분획은 건조하고 펠릿화하여 제2의 강한 무기산으로 추가 처리하기 위한 중심 위치로 운송하고, 한편, 용해된 헤미셀룰로스 물질과 리그닌은 바이오매스 집결지 근처의 제1의 장소에서 보유하거나 선택적으로 추가 처리한다. 일반적으로, 이러한 추가 처리는 바이오매스 내 헤미셀룰로스 물질의 가수분해로부터 나오는 펜토스 생성물 또는 스트림으로부터 수불용성 리그닌을 고체 잔여물로서 분리하는 결과를 가져오기 위해, 적어도 물 세척을 포함할 것이다. 또한, 지역의 시장 조건을 기다리는 동안, "증해되어" 산성화된 바이오매스 또는 셀룰로스 고체는 사료 성분으로 이용할 수 있다고 여겨지고 있다.
관련된 추가 측면에서는, 제1의 약한 유기산을 바이오매스(또는 바이오매스의 선택적인 선처리 후의 나머지)에 처리하지만 그 다음으로, 약한 산을 처리한 바이오매스를 용매 또는 용매 혼합물로 세척하여 주로 셀룰로스 고체인 분획으로부터 용해된 헤미셀룰로스 물질과 리그닌을 분리한 다음, 셀룰로스 고체 분획을 강한 무기산(들)과 접촉시키며, 이때 약한 산과 강한 산 가수분해는 같은 장소에서 일어난다. 바람직하게는, 제1의 약한 유기산은 다시 뜨거운 증기 형태로 바이오매스에 처리한다.
집하한 바이오매스를 중심 처리 설비로 옮기거나 또는 그러한 제품이 시장과 소비자에게 제공하는 파생상품 입수와 관련된 물류와 같은 종래의 입지적인 고려사항, 유틸리티에의 접근성, 노동력 및 기타 공정 투입 등에 의존하여, 당업자는 본 발명 공정의 이러한 최종적인 일반 구상에서, 문제의 장소는 이상적으로는 바이오매스 집결지로 함께 묶이는 장소 근처일 수 있거나, 더욱 바람직하게는 중심 설비가 의존할 바이오매스 공급원에 따라, 그리고 중심 설비가 시장과 소비자들에게 상품을 제공하기에 편리한, 중심적인 장소에 있을 수 있음을 인정할 것이다.
도 1은 제1 측면에 의한, 본 발명에 따른 공정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 제2 측면에 의한, 본 발명에 따른 공정을 나타내는 개략도이다.
도 3은 상술한 추가 측면에 의한, 본 발명에 따른 공정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 제2 측면에 의한, 본 발명에 따른 공정을 나타내는 개략도이다.
도 3은 상술한 추가 측면에 의한, 본 발명에 따른 공정을 나타내는 개략도이다.
리그노셀룰로스 바이오매스 내 헤미셀룰로스와 셀룰로스 물질을 가수분해하여 당을 생산하기 위한 혼합 산 공정은 본 발명을 제1 측면 또는 일반적인 실시예 100(도 1), 제2 측면 또는 일반적인 실시예 200(도 2), 및 추가적인 측면 또는 일반적인 실시예 300(도 3)으로 도시한 첨부 도면을 참조하면 더욱 쉽게 이해된다.
먼저 도 1을 살펴보면, 일반적으로 6% 이상의 산성 세제 불용성 리그닌을 함유하고, 바람직하게는 다른 상당한 대안적인 용도를 갖지 않거나 사람이 이용할 식품 제조를 위한 것이 아닌, 바람직한 실시예의 리그노셀룰로스 바이오매스는 단계 102에서 바이오매스가 자라거나 생산되는 곳에서 가까운 편리한 장소(A 장소)에서 처음으로 수집한다.
식량용 농작물의 수확 및 처리로부터 유래하는 바이오매스를 포함한, 다양한 출처의 바이오매스 혼합물도 명백히 고려하며, 이는 단수형의 "리그노셀룰로스 바이오매스(a lignocellulosic biomass)" 사용에 의해 포함되는 것으로 간주하여야 한다. 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 원료의 한 예는 옥수숫대와 옥수수 섬유로 이루어질 것이며, 바람직하게는 옥수숫대가 원료에서 옥수수 섬유보다 더 큰 비율을 차지한다. 또한, 석유 의존성 원료를 필요로 하는 설비와 마찬가지로, 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, 혼합 바이오매스 원료는 단순히 전체 식물 사일리지, 예를 들어, 수확하여 주로 혐기적으로 저장한, 즉, 사일리지를 형성하기 위해 '사일로에 저장한' 통옥수수일 수 있으며, 사일리지는 다르게 처리한 바이오매스보다 그러한 설비 운영자에 훨씬 더 "알려진 원자재"를 나타낸다.
바이오매스를 재배하거나 생산하는 곳에서 가까운 편리한 장소인 A 장소로부터 더욱 경제적으로 수송할 수 있는 조건에서 일반적으로 원하는 바이오기반 화학물질과 연료 제품의 제조 및 유통을 위한 수단에 더 가깝게, 그리고 궁극적으로 이들 화학물질과 연료 제품을 구입할 소비자에 더 가깝게 위치한 중심 처리 설비("중심 설비")에 물질을 배치하기 위해, 실시예 100에서 본 발명은 기본적으로 단계 102에서 수집한 바이오매스를 (A 장소에서) 부분적으로 처리한다. 전통적으로 A 장소와 중심 설비는 서로 50킬로미터 이상(30마일 이상) 떨어져 있을 것으로 기대되며, 많은 A 장소들은 평균적으로 중심 설비로부터 적어도 같은 거리로 떨어져 있을 것으로 기대된다. 자주, A 장소는 중심 설비로부터 평균적으로 80킬로미터(50마일) 이상 멀리 떨어져 있을 것이다.
명백하게 중심 설비와 A 장소는 지리적으로 훨씬 더 가까울 수도 있다. 예를 들어, 원하는 바이오기반 화학물질 또는 연료를 제조하는 수단이 이미 A 장소 근처에 있는 경우 - 또는 A 장소가 수요 출처 근처에 있는 경우, 도 3의 실시예가 보통 선호될 수 있지만, A 장소에 특이적인 고려사항(예를 들어, 지역제 및 허가 고려사항 또는 공간 제한사항)이 도 3의 실시예의 실현을 막는다.
이제 도 1로 돌아가서, 공정100의 첫 단계로서 바이오매스가 수집되고 흙 및 기타 오염물질을 제거하기 위해 세척된다. 그 후, 바이오매스 물질은 바람직하게는 10% 이하의 수분 함량까지 선택적으로 건조된다. 그 후, 바이오매스를 분쇄, 세절 및 해머 분쇄를 포함하는, 그러나 제한 없이, 여러 가지 수단 가운데 어느 것에 의해 잘게 부순다. 바이오매스에 따라, 그리고 의도한 하류 공정 처리 및 바이오매스의 다양한 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획으로부터 생산할 제품에 따라, 포함된 바이오매스의 선처리는 동물 사료와 비료에 사용하기 위해 바이오매스의 고단백 부분을 (공기 분급 또는 기타 알려진 분리법을 통해) 분리 하고 회수하는 과정을 포함할 수 있다. 예를 들어 옥수숫대의 잎 분획은 질소의 함량이 더 많고 대략 건초의 영양가를 지닌다. 통옥수수 사일리지와 같은 혼합 바이오매스의 경우, 이 바이오매스의 선처리는 낟알로부터 부가적인 가치를 지닌 부산물로서 옥수수유의 회수를 수반할 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 그리고 다시 바이오매스에 따라, 그리고 의도한 하류 공정 처리 및 바이오매스의 다양한 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획으로부터 생산할 제품에 따라, 전체 바이오매스 중에서 하류 공정에서 제거하기가 훨씬 더 어려운 종 또는 물질이 상대적으로 높은 함량으로 있어서, 의도한 하류 전환을 방해하거나 훨씬 더 어렵게 만들고 그리고/또는 추가 처리에서 예상되는 생성물에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 부분을 분리 및 제거하기 위해 바이오매스를 선처리할 수 있다. 예를 들어, 많은 유용한 화학물질이 다양한 촉매 변환을 통해 펜토스 및/또는 헥소스 생성물로부터 유래 가능한 것으로 제안되었으며, 바이오매스 중 일부분은 코킹, 중합, 촉매의 활성 부위 블로킹 또는 기타 메커니즘을 통해, 예상되는 촉매를 비활성화시키는 경향이 있는 물질(또는 그러한 물질의 전구체)을 함유할 수 있다. 마찬가지로, 위에서 제안한 바와 같이, 바이오매스 처리로부터 의도한 생성물은 동물 사료일 수 있으며, 리그노셀룰로스 바이오매스 내에 질산염이 추가 처리 전에 분리 및 제거할 수 있는 바이오매스의 일부분 내에 더욱 농축된 상태로 존재한다면, 이 질산염은 전체 바이오매스를 선처리하여 바람직하게 제거할 수 있다.
수집 또는 선처리한 바이오매스는 그 후, 약한 유리산과 접촉시켜, 헤미셀룰로스 물질과 바람직하게는 바이오매스 내 리그닌 일부도 약한 산 단계 104에서 적어도 부분적으로 용해/해중합시킨다. 바람직한 산으로는 포름산, 말산, 아세트산, 숙신산 및 프로피온산을 포함하며, 포름산과 아세트산이 더욱 바람직하다. 바람직하게 약한 산(들)은 이후의 건조 단계 106에서 물 제거 요건을 최소화하기 위해, 뜨거운 증기의 형태로 바이오매스에 처리한다.
우리는 이 점에서 50% 이상의 아세트산 수용액 증기를 충분히 가열할 경우, 바이오매스 내 헤미셀룰로스 및 리그닌 물질을 충분히 해중합할 수 있으며, 이때 해중합 정도는 부분적으로 해중합된 물질이 사실상 이후의 펩티제이션 또는 고밀화 단계에서 바인더로 작용할 수 있을 정도임을 발견했다. 바람직하게는, 아래에서 더 논의하는 바와 같이, 원하는 내구성 있는 펠릿을 이루기 위해 추가적인 바인더는 필요 없다.
따라서, 약한 유기산은 바람직한 실시예에서 50% 이상의 뜨거운 증기의 형태로 처리할 수 있으나, 더욱 바람직하게는 약한 유기산을 70% 이상 90%를 초과하는 범위로 함유하는 농축된 증기로써, 섭씨 50도 내지 섭씨 160도의 온도, 대기압 내지 3.5Mpa, 게이지(500psig)의 압력, 및 최소한 약 30분의 체류시간 동안 처리하여, 이후에서 형성되는 펠릿의 내구성을 상당량의 바인더를 첨가해야 하는 과도한 정도까지 손상시키지 않은 채, 바이오매스 내 헤미셀룰로스 분획과 적어도 리그닌 일부를 가능한 많이 분해한다.
약한 산을 처리한 바이오매스는 그 다음, 단계 108에서 건조시킨 바이오매스를 펠릿화할 수 있도록 건조 또는 탈수 단계 106를 거쳐 충분한 수분을 제거한다. 건조/탈수 단계 106는 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 106을 떠나는 바이오매스는 펩티제이션을 촉진하고 수송비를 줄이기 위해 10중량% 이하, 더욱 바람직하게는 8중량% 이하, 가장 바람직하게는 6중량% 이하의 수분 함량을 나타낼 것이다.
동물 사료의 펠릿화와 연료용 목질계 바이오매스의 펠릿화는 잘 확립되었으므로, 건조 단계 106을 떠나는 고체의 펠릿화는 당업자에게 일반적으로 알려진 방법과 장비를 이용하여 단계 108에서 할 수 있고, 바람직하게는 물질이 공기로 운반되든 또는 컨베이어 벨트/시스템으로, 트럭, 선박 또는 철도로, 또는 어떤 다른 물질 운반 수단으로, 또는 이들 수단의 조합으로, A 장소에서 중심 설비로의 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 아니며, 이렇게 펠릿화한 물질을 A 장소로부터 제2의 장소로 옮길 수 있는 모든 방법을 포함하는 것으로 이해하여야 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 사이에서, 그리고 중심 설비에서 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 펠릿화한 물질을 처리하는 방식에 의한 것이든, 물질에 첨가된 바인더 때문이든, 또는 둘 다 모두이든, 펠릿화하고 부분적으로 처리한 바이오매스는 펩티제이션 단계 108의 완료에서부터 중심 설비에서 용매 세척 개시에 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.
펠릿화하고 부분적으로 처리한 바이오매스는 그 다음, 추가적인 처리를 위해 중심 설비로 편리하게 운송하며, 추가적인 처리는 단계 110에서 하나의 용매 또는 용매들의 조합으로 세척하는 단계를 적어도 포함하고, 용매는 바이오매스 내의 헤미셀룰로스 물질의 가수분해로부터 펜토스를 포함하는 생성물 또는 스트림112 내의 적어도 부분적으로 해중합된 헤미셀룰로스 물질 및 셀룰로스 고체 분획114를 효과적으로 분리하기 위해 선택한다. 용매 세척 단계 110은 선택적으로 원하는 만큼 세척 및 여과를 수회 반복하는 과정을 포함할 수 있다.
선택적으로, 바이오매스의 리그닌 분획118을 분리해내기 위해, 추가적인 용매 세척 단계 116(세척 및 여과를 1회 이상 반복)을 용매 세척 단계 110과 함께 이용한다. 단계 110과 116을 수행하는 방식은 바이오매스가 A 장소에서 어떻게 처리되었느냐에 달려 있을 것이나, 모든 경우에서 단계 110과 116은 단계 124에서 강한 무기산에 노출시킴으로써 가수분해를 통해 헥소스 생성물 또는 스트림122를 얻을 수 있는, 깨끗한 셀룰로스 펄프 생성물 또는 스트림114를 제공하기 위해 수행할 것이다.
예를 들면, A 장소에서, 예를 들어, 뜨거운 50% 아세트산 수용액 처리는 위에서 논의한 바와 같이, 바이오매스 내 헤미셀룰로스와 리그닌을 적어도 부분적으로 해중합하기에 충분하며, 따라서 바이오매스 물질을 효율적으로 펠릿화하여 수송할 수 있으며, 바이오매스 내 리그닌은 50% 용액에 대체로 녹지 않을 것이다. 단계 110의 경우, 바람직한 접근법은 적어도 부분적으로 해중합된 헤미셀룰로스와 가용성 염을, 수불용성 리그닌도 함유할 셀룰로스 고체 분획114로부터 분리하기 위해 뜨거운 물을 사용하는 것일 것이다. 그 다음, 용매 세척 단계 116은 분획114에 대해 수행하여 리그닌을 용해하여 스트림118로 분리시키고, 강한 무기산으로 산 가수분해할 수 있는 생성물 또는 스트림114 내의 물질을 얻을 수 있다. 이러한 목적을 위한 유용한 용매는 나머지 셀룰로스 분획으로부터 리그닌을 용해시켜 분리하기 위해 필요한 온도에서 처리한 더욱 농축된 유기산 용액이다.
대안적인 실시예에서는, 더욱 농축된(예를 들어, 70% 산 및 그 이상 대 50%) 약한 유기산을 A 장소에서 이용하지만, 추가적인 용매 세척 단계 116를 거칠 필요 없이 단계 110에서 깨끗한 셀룰로스 펄프114를 회수할 수 있다. 이 실시예에서는 에틸 아세테이트가 단계 110에 사용하기에 효율적인 용매라는 점이 밝혀졌다. 다른 효율적인 용매로는 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 에틸 포름산 및 에틸 아세테이트를 포함한다. 이 실시예에서 선택적인 용매 세척 단계 116은 리그닌 분획118을 분리하기 위해 이용할 수 있으며, 바람직하게는 스트림118에서 수불용성 리그닌을 회수하기 위해 단순히 뜨거운 물로 세척하는 단계를 수반한다.
이러한 방식으로 회수 또는 분별된 셀룰로스 고체 분획114는 그 후, 종래의 강한 무기산 가수분해124를 통해 이러한 전환을 수행하기에 적합한 조건 하에서 헥소스 생성물 또는 주로 헥소스 스트림122로 전환된다. 몇 가지 실시예에서 본 발명에 의해 생산된 헥소스 생성물 또는 스트림(도 1의 스트림122, 도 2의 스트림220 및 도 3의 스트림314로서)은 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 것으로 제안했던 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, 몇 가지 실시예에서 본 발명에 의해 생산된 펜토스 생성물 또는 스트림(도 1의 스트림112/120, 도 2의 스트림208 및 도 3의 스트림316으로서)은 바람직하게는 대체로 전부 C5 단당류로 이루어질 것이며, 그러한 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.
단계 124를 위한 바람직한 강한 무기산은 황산으로, 1 내지 80%, 바람직하게는 40 내지 80% 농도의 황산 수용액을 섭씨 25 내지 섭씨 100도의 온도에서, 대기압에서 0.7Mpa, 게이지(100psig)에 이르는 압력, 및 사용된 온도 조건에 주로 의존하여 15분 내지 2시간의 체류시간을 처리한다.
리그닌 분획(도 1의 스트림118, 도 2의 스트림212 및 도 3의 스트림 318로서)은 마찬가지의 방식으로 추가로 실용화할 수 있으며, 예를 들어, 미국 공개특허출원 제2009/0718498A1호의 가르침을 기초로 하여 오존분해를 통해 방향성 연료 첨가제로, 합성가스 생성을 위한 가스화 원료로서, 연소 연료로서, 또는 오존분해를 통해 바이오기반의 선형 알킬벤젠 설포네이트 생산을 위한 방향성 설포네이션 원료 생성을 위해 실용화할 수 있다.
이제 도 2에 대안적인 실시예 200을 개략적으로 도시하였다. 실시예 200에서는, 바이오매스로부터 셀룰로스 분획만 고체 형태로 수집하여, 수송과 중심 설비에서 처리하기 위해 펠릿화하여 헥소스 생성물 또는 스트림을 생산한다. 반면, 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획은 바람직하게는 바이오매스가 생산되었거나 재배된 곳에서 편리한 장소인 제1의 장소, A 장소에서 가수분해한다. 대안적인 실시예 200은 바이오매스가 상대적으로 높은 리그닌 함량을 지니고 있지만, 셀룰로스 또는 리그닌 분획으로부터 제조될 생성물을 위해 준비된 배출수단이 없을 경우에 유리할 것으로 기대된다.
더욱 상세하게는, 일반적인 실시예 200에서는, 상술한 바와 같이 실시예100의 단계 102에서와 마찬가지의 방식으로, 단계 202에서 리그노셀룰로스 바이오매스를 수집하여 이후의 약한 산 가수분해를 위해 준비한다. 수집하여 선처리한 바이오매스는 그 후 다시 바람직하게는 실시예 100의 약한 산 가수분해 단계 104에 해당하는 약한 산 가수분해 단계 204를 거친다. 적어도 부분적으로 해중합한 리그닌과 헤미셀룰로스 물질, 그리고 셀룰로스 고체 분획을 포함하는 약한 산으로 가수분해한 바이오매스는 실시예 100에 대해 상술한 용매 세척 단계 110과 마찬가지로 용매 세척 단계 206에서 1회 이상 반복하여 용매 세척하고 여과한다. 바이오매스 내 헤미셀룰로스의 약한 산 가수분해로부터 얻어지는 펜토스 생성물 또는 스트림208("생성물"은 여기서 배치 방식 또는 일반적으로 비연속적인 작동방식으로 간주되고, "스트림"은 연속적인 작동방식을 언급하는 것으로 전통적으로 여겨진다.)은 그 후 단계 210에서 선택적으로 세척 및 여과를 1회 이상 반복하여 고체 리그닌 생성물 또는 스트림212와 액체 펜토스 생성물 또는 스트림214를 생산한다.
동시에, 용매 세척 단계 206의 셀룰로스 고체는 단계 218에서 도 2의 "중심 설비"에서 가장 두드러지는, 제2의 장소로 이송을 위해 펠릿화하기 전에 고체로부터 수분을 제거하기 위해 건조 단계 216에서 건조시킨다. 건조 단계 216과 펠릿화 단계 218은 실시예 200의 경우, 도 1의 건조 단계 106과 펠릿화 단계 108에 대해 상술한 바와 같이, 일반적으로 수행될 것이다.
"중심 설비"에서, 바람직하게는 단계 218에서 펠릿화한 셀룰로스 고체로부터 생산되는 헥소스 생성물 또는 스트림220의 중요한 수요 출처 가까이에 위치하는 "중심 설비"에서, 주어진 A 장소에서 단계 218로부터 이렇게 펠릿화한 셀룰로스 고체는 바람직하게는 다른 지엽적인 A 장소에서 단계 218로부터 펠릿화한 셀룰로스 고체와 결합하여, 강한 무기산 가수분해 단계 222에서 가수분해될 것이다. 실시예 200에서 강한 무기산 가수분해 단계 222는 바람직하게는 실시예 100의 단계 124에 대해 기술한 바와 같을 것이다.
이제 도 3을 살펴보면, 제3의 일반적인 실시예 300이 개략적으로 나타나 있으며, 제3의 일반적인 실시예 300은 실시예 100 및 실시예 200과 마찬가지로 수행되는, 동일한 기본적인 바이오매스 수집 및 선처리, 약한 산 가수분해, 용매 세척, 선택적인 물 세척 및 강한 산 가수분해 단계를 포함하지만, 실시예 300은 처리할 바이오매스가 재배 또는 생산되는 곳에서 이상적으로 가까운, 주어진, 지엽적인 장소에서 고려되므로, 예를 들어, 실시예 200에서 건조 및 펩티제이션 단계를 생략하는 것으로 간략하게 기술할 수 있다. 따라서, 바이오매스는 수집 단계 302에서 수집하여 선처리한 후, 약한 산 가수분해 단계 304 이후, 용해/가수분해된 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획310으로부터 고체 셀룰로스 분획308을 상당히 분리하기 위한 용매 세척 및 여과 공정306을 거친다. 셀룰로스 고체 308은 강한 산 가수분해 단계 312에서 차례차례 가수분해되어 헥소스 생성물 또는 스트림314를 생산하지만, 수불용성 펜토스와 수불용성 리그닌은 스트림310에 대해 세척 단계 320을 수행하여 생성물(또는 스트림316 및 318)로 선택적으로 분리 및 회수한다.
따라서, 처리할 바이오매스가 예를 들어, 바이오기반 화학물질, 연료 및/또는 연료 첨가제 제조를 위해 상기 바이오매스로부터 생산될 펜토스 및/또는 헥소스의 수요 출처 가까이에서 재배 또는 생산되는 경우에 실시예 300이 유리하게 이용된다. 일례로서, 사탕수수-그리고 사탕수수 및 관련된 제품을 제조하기 위해 처리 과정에서 남은 버개스-가 미국 루이지애나 주 배턴루지와 뉴올리언즈 사이의 미시시피 강 석유화학 처리지대에서 집중적으로 재배된다. 당업자는 본 발명에 따라 처리할 수 있는 리그노셀룰로스 바이오매스의 다양성 덕분에, 적절한 바이오매스의 충분한 공급이 펜토스 및/또는 헥소스의 수요 출처 가까이에 존재하는 수많은 기타 비슷한 예들을 고려할 수 있음을 인정할 것이다. 대규모 인구밀집지역 가까이에 위치한 잘 개발된 화학물질 및 연료 산업의 경제에서는 (실시예 100과 실시예 200과는 반대로) 실시예 300을 이용할 기회가 상대적으로 더욱 제한될 수 있지만, 개발되었거나 개발 중인 화학물질 및 연료 산업 그리고 더 적은 대규모 인구밀집지역 - 또는 화학물질 및 연료 산업이 대규모 인구밀집지역에서 멀리 떨어져 있으며, 농업지역에 더 가까운 곳에서 발달한 지역 - 의 경제를 위해서는 실시예 300이 바람직할 수 있다. 어떠한 경우라도, 당업자는 여기서 기술한 세 실시예 가운데 어느 것이 일련의 특정한 환경에서 바람직할지를 잘 결정할 수 있을 것이다.
또한, 실시예 100, 200, 및 300은 추가적인 단계를 물론 포함할 수 있다. 예를 들어, 약한 유기산(들) 및 강한 무기산(들) 가운데 어느 하나 또는 둘 다를 재사용하기 위해 회수 및 재활용하는 산 회수 및 재활용을 포함하는 것은 일반적으로 바람직할 것이며, 당업자는 본 발명의 공정에서 당 스트림으로부터 산(들) 분리를 수행하기 위한 적절한 수단을 잘 선택하여 이용할 수 있을 것이다. 약한 산으로써 사용되었을 때, 아세트산은 단순증류에 의해 회수할 수 있지만, 포름산을 펄핑 기술에 농축된 수성 액체 용액으로서 처리할 때에는 포름산은 물과 공비혼합물을 형성하여 공비증류법이 필요하다. 그러나 포름산을 매우 농축된 증기로서 소량의 수증기와 함께 처리하는 경우, 바람직하게는 에틸 포름산을 분리용 매제로 이용하는 단순증류를 통해 포함된 물을 분리시킬 필요 없이 포름산을 농축된 형태로 회수하여 재활용 및 재사용할 수 있다. 강한 무기산인 황산을 회수하여 재사용하는 다양한 방법이 미국 특허 제5,562,777호에 기술되어 있다. 대안적으로는, 약한 유기산(들) 및 강한 무기산(들) 중 어느 하나 또는 둘 다를 단순히 중화시킬 수 있다. 농축된 증기상의 약한 유기산(들) 처리에서, 특히 이용된 산의 양이 회수 및 재활용 비용을 정당화하기에는 불충분할 수 있으므로, 중화가 바람직할 수 있다.
각 실시예 100, 200 및 300의 약한 산 가수분해 단계에서 사용한 산 회수를 단순화하기 위한 추가적인 정제는 약한 산 가수분해 단계로 이어지는 바이오매스를 수성 슬러리로 준비하여, 약한 산을 여과에 의해 회수할 수 있는 고체 형태로 제공하는 단계를 수반할 것이다. 제올라이트는 사용할 수 있는 산성 고체의 모범적인 형태가 될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 여기에 기재하였지만, 당업자는 많은 변형과 대안이 비슷한 방식으로 착상될 수 있음을 인정할 것이다. 예를 들어, 특정 바이오매스의 분별 효율성을 향상시키기 위해 언급한 산 가수분해 이외에도 또는 그것과 함께 효소적 가수분해를 이용할 수 있다. 바이오매스를 위해 사일리지를 이용할 경우, 일정 기간에 걸친 사일리지 그 자체의 혐기성 발효는 락트산을 생성하며, 이 락트산은 초기의 가수분해를 위한 약한 유기산으로써, 단독으로 또는 다른 공급원에서 유래하는 약한 유기산들과의 조합하여 이용할 수 있다. 또한, 다음의 청구항에 나타난 바와 같은 본 발명의 진정한 범위로부터 벗어나지 않는 다른 변형은 당업자에게 명백할 것이다.
Claims (32)
- 바이오매스 내 헤미셀룰로스와 리그닌 물질을 적어도 부분적으로 해중합(depolymerize)하기 위하여 약한 유기산을 바이오매스에 가하는 단계;
펠릿화할 수 있도록 고체 함량이 충분히 높은 물질을 제공하기 위하여 약한 산으로 처리된 바이오매스를 건조하는 단계;
건조 단계의 물질을 펠릿화하는 단계;
펠릿화한 물질을 제2의 장소로 운송하는 단계;
제2의 장소에서, 펠릿화한 물질로부터 셀룰로스 고체 생성물을 회수하는 단계; 및
분리한 셀룰로스 고체를 강한 무기산과 접촉시켜 상기 셀룰로스 고체를 가수분해하여 헥소스 생성물 또는 스트림을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획을 포함하는 리그노셀룰로스 바이오매스의 처리방법. - 제1항에 있어서,
펠릿화한 물질을 1회 이상 반복하여 용매 세척하여 펠릿화한 물질로부터 셀룰로스 고체 생성물을 회수함으로써, 펠릿화한 물질로부터 적어도 부분적으로 해중합된 헤미셀룰로스 및 리그닌 물질을 함께 나머지 셀룰로스 고체로부터 분리시키는 것을 특징으로 하는 방법. - 제2항에 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. - 제1항에 있어서,
적어도 부분적으로 해중합된 헤미셀룰로스 물질은 펠릿화한 물질을 1회 이상 반복하여 물로 세척 및 여과하여 펠릿화한 물질로부터 먼저 분리하고, 리그닌은 별도의 용매 세척 및 여과를 1회 이상 반복하여 셀룰로스 고체 생성물로부터 나중에 분리하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제3항 또는 제4항에 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. - 제5항에 있어서,
헤미셀룰로스 물질의 추가적인 산 가수분해 생성물을 발효시켜 에탄올, 라이신, 트레오닌, 락트산, 글루콘산 또는 기타 유기산을 생산하거나, 추가적인 산 가수분해 단계의 생성물을 수소화 및 수소처리하여 수송 연료용 연료 첨가제 생성물을 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제3항 또는 제4항 에 있어서,
수불용성 리그닌을 오존분해하거나 또는 하나 이상의 다른 산화제에 노출 시키거나, 연료로서 연소시키거나, 액체 탄화수소 생성물 및 코크스 제조를 위한 코킹공정에 공급하거나, 합성가스 생산을 위한 기화 장치에 제공하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
헥소스 생성물 또는 스트림을 발효시켜 에탄올, 라이신, 트레오닌, 락트산, 글루콘산 또는 기타 유기산을 생산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
리그노셀룰로스 바이오매스는 산성 세제 불용성 리그닌 함량이 건조 중량을 기준으로 6중량 % 이상인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제9항에 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. - 제10항에 있어서,
처리한 리그노셀룰로스 바이오매스는 옥수숫대와 옥수수 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제11항에 있어서,
처리한 리그노셀룰로스 바이오매스는 사일로에 저장된 통옥수수이며, 사일로에 저장된 통옥수수의 적어도 하나의 구성성분에 약한 유기산을 가하여 분리 및 제거하기 전에, 바이오매스를 선처리하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제12항에 있어서,
사일로에 저장된 통옥수수를 약한 유기산과 접촉시키기 전에, 사일로에 저장된 통옥수수의 바이오매스로부터 옥수수유를 회수하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제12항에 있어서,
사일로에 저장된 통옥수수를 약한 유기산과 접촉시키기 전에, 사일로에 저장된 통옥수수의 바이오매스로부터 옥수숫대의 잎 분획을 기계적으로 분리하여 제거하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제12항에 있어서,
사일로에 저장된 통옥수수를 약한 유기산과 접촉시키기 전에, 사일로에 저장된 통옥수수의 바이오매스로부터 황, 질소 또는 회분 함량이 높은 하나 이상의 구성성분을 기계적으로 분리하여 제거하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
약한 유기산은 섭씨 50도 이상의 높은 온도에서 증기상으로 가해지는 것을 특징으로 하는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 유기산은 아세트산 또는 포름산이고, 상기 산은 섭씨 50도 내지 섭씨 160도의 온도, 대기압 내지 3.5MPa 게이지의 압력에서, 30분 이상의 시간 동안 가해지는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
약한 유기산 또는 유기산들은 적어도 50% 수용액의 농도로 리그노셀룰로스 바이오매스에 가해지는 것을 특징으로 하는 방법. - 제18항에 있어서,
약한 유기산 또는 유기산들은 70% 이상의 수용액 농도로 바이오매스에 가해지는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
약한 유기산으로 처리된 바이오매스를 10중량 % 이하의 수분 함량이 되도록 건조하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제20항에 있어서,
건조된 바이오매스에 추가적인 바인더를 추가하지 않고 펠릿화하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
약한 유기산 처리, 건조 및 펠릿화 단계를 복수 장소에서 행하고 펠릿화한 물질을 공동의 제2의 장소로 운송하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제22항에 있어서,
복수 장소는 공동의 제2의 장소로부터 평균적으로 50킬로미터 이상의 거리에 있는 것을 특징으로 하는 방법. - 제23항에 있어서,
복수 장소는 공동의 제2의 장소로부터 평균적으로 80킬로미터 이상의 거리에 있는 것을 특징으로 하는 방법. - 제20항에 있어서,
약한 산 가수분해, 건조 및 펠릿화 단계는 제2의 장소에서 적어도 50킬로미터 떨어진 장소에서 펠릿화한 물질을 생산하도록 처리하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
약한 유기산과 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. - 바이오매스 내 헤미셀룰로스와 리그닌 물질을 가수분해하기 위해 약한 유기산을 바이오매스에 가하는 단계;
약한 유기산으로 처리된 물질을 용매 또는 용매 혼합물로 1회 이상 반복하여 세척 및 여과하여 여과액 내의 헤미셀룰로스 및 리그닌 물질과, 고체 잔여물로서 셀룰로스 물질을 분리하는 단계; 및
펠릿화할 수 있도록 고체 함량이 충분히 높은 물질을 제공하기 위해 고체 잔여물을 건조하는 단계;
건조 단계의 물질을 펠릿화하는 단계;
펠릿화한 물질을 제2의 장소로 운송하는 단계; 및
제2의 장소에서, 분리한 셀룰로스 물질을 강한 무기산과 접촉시켜 셀룰로스 물질을 가수분해하고 헥소스 생성물 또는 스트림을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획을 포함하는 리그노셀룰로스 바이오매스의 처리방법. - 바이오매스 내 헤미셀룰로스와 리그닌 물질을 가수분해하기 위해 약한 유기산을 바이오매스에 가하는 단계;
약한 유기산으로 처리된 물질을 용매 또는 용매 혼합물로 1회 이상 반복하여 세척 및 여과하여 여과액 내의 헤미셀룰로스 및 리그닌 물질과, 고체 잔여물로서 셀룰로스 물질을 분리하는 단계; 및
분리한 셀룰로스 물질을 강한 무기산과 접촉시켜 셀룰로스 물질을 가수분해하고 헥소스 생성물 또는 스트림을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌 분획을 포함하는 리그노셀룰로스 바이오매스의 처리방법. - 제27항 또는 제28항에 있어서,
약한 유기산은 섭씨 50도 이상의 높은 온도에서 증기상으로 가해지는 것을 특징으로 하는 방법. - 제29항에 있어서,
약한 유기산은 아세트산 또는 포름산이고, 상기 산은 섭씨 50도 내지 섭씨 160도의 온도, 대기압 내지 3.5MPa 게이지의 압력에서, 30분 이상의 시간 동안 가해지는 것을 특징으로 하는 방법. - 제30항에 있어서,
약한 유기산 또는 유기산들은 적어도 50% 수용액의 농도로 리그노셀룰로스 바이오매스에 가해지는 것을 특징으로 하는 방법. - 제31항에 있어서,
약한 유기산 또는 유기산들은 70% 이상의 수용액 농도로 바이오매스에 가해지는 것을 특징으로 하는 방법.
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