KR20130088006A

KR20130088006A - 바이오매스의 가공처리

Info

Publication number: KR20130088006A
Application number: KR1020127026552A
Authority: KR
Inventors: 마샬 메도프; 해리슨 메도프
Original assignee: 질레코 인코포레이티드
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2013-08-07
Also published as: EA029133B1; NZ733115A; US20160060661A1; EA201790127A3; JP2013529088A; EA201290848A1; ZA201209288B; CA2796789A1; JP2018007681A; EP2576213A1; MX2012013351A; MY169292A; KR101778821B1; US20160244795A1; AU2015261591A1; AU2011258646B2; US9206453B2; CN102844181B; CN105567743A; WO2011149774A1

Abstract

바이오매스 공급원료(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 시스템이 기재되어 있다.

Description

바이오매스의 가공처리{PROCESSING BIOMASS}

관련 출원

본 출원은 미국 특허 가출원 제61/347,692호(출원일: 2010년 5월 24일)에 대한 우선권을 주장한다. 해당 가출원의 완전한 개시내용은 참조로 본 명세서에 병합된다.

셀룰로스 재료 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 또는 바이오매스-유래 물질), 이러한 물질의 구조를 변화시키기 위하여 해당 물질을 처리하는 방법, 그리고, 구조적으로 변화된 물질로부터 제조된 중간생성물 및 생성물에 관한 것이다. 상기 방법의 다수는 유용한 중간생성물 및 생성물, 예컨대, 에너지, 에탄올 등과 같은 연료, 식품 혹은 재료를 생산하기 위하여 각종 미생물에 의해 더욱 용이하게 이용될 수 있는 물질을 제공한다.

본 명세서에 기재된 방법은 염수, 및/또는 기타 오염물, 불순물 혹은 공해물질을 함유하는 물을 단독으로 혹은 담수와 조합하여 이용함으로써, 신선한 오염되지 않은 물의 공급원에 대한 필요성을 저감 혹은 제거한다.

일 양상에서, 본 발명은 염분이 함유되고/되거나 오염된 수원(water source)을 이용해서 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 공급원료를 중간생성물 혹은 생성물로 전환하는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.

몇몇 구현예는 이하의 특성들 중 하나 이상을 포함한다. 상기 공급원료는 그의 난분해성(recalcitrance)을 저감시키기 위하여 처리될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 상기 공급원료는 기계적 처리, 방사선(radiation), 초음파 분해(sonication), 열분해, 산화, 증기 폭발(steam explosion), 화학적 처리, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물리적 처리로 처리되어 있다. 몇몇 경우에, 상기 공급원료는 절단, 밀링, 분쇄, 프레스, 전단 및 저미기(chopping)로 이루어진 군으로부터 선택된 기계적 처리되어 있다.

상기 공급원료를 중간생성물 혹은 생성물로 전환하는 단계는 해당 공급원료를 수성 용액 중에서 미생물과 접촉시키는 단계를 포함한다. 상기 미생물은 염분이 함유되거나 혹은 오염된 물 중에서 기능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 미생물은 해양 미생물, 또는 공학적으로 조작된 미생물일 수 있다.

상기 방법은 염도 혹은 오염을 저감시키기 위하여 상기 수원을 처리하고, 해당 상기 처리된 물을 수성 용액 중에서 이용하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 수원은, 예를 들어, 해수 혹은 기수(brackish water)를 포함할 수 있다. 부가적으로 혹은 대안적으로, 상기 수원은 폐수, 그레이 워터(grey water) 또는 수집된 우수(collected rainwater), 미생물로 오염된 담수 공급부(microbially contaminated freshwater supply), 또는 이들 중 임의의 것 혹은 담수와 함께 이들 중 임의의 것의 혼합물을 포함할 수 있다.

바이오매스 공급원료는 예를 들어 종이, 종이제품, 목재, 목재-관련 재료, 목초(grasses), 왕겨, 바가스, 면, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘마, 마닐라삼, 짚, 옥수수 속대, 코코넛 헤어, 조류(algae), 해초, 미생물 소재(microbial material), 합성 셀룰로스 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

본 명세서에서 이용되는 어구인 바이오매스 공급원료를 "구조적으로 변경하는"이란, 공급원료의 화학 결합 배열, 결정 구조 혹은 입체형태를 비롯하여 어떠한 방식으로든 공급원료의 분자구조를 변화시키는 것을 의미한다. 해당 변화는, 예컨대, 해당 물질의 결정화도의 회절 측정치에 의해 반영되지 않을 수도 있는, 구조 내에 미세균열화(microfracture)에 의해 예를 들어 결정 구조의 무결성(integrity)의 변화일 수 있다. 상기 물질의 구조적 무결성의 이러한 변화는 상이한 수준의 구조 변경 처리에서 생성물의 수율을 측정함으로써 간접적으로 측정될 수 있다. 부가적으로 혹은 대안적으로, 분자구조의 변화는 물질의 초분자구조의 변화, 공급원료의 산화, 평균 분자량의 변화, 평균 결정화도의 변화, 표면적의 변화, 중합도의 변화, 다공도의 변화, 분기화도의 변화, 다른 물질의 그라프트화, 결정성 영역 크기의 변화, 또는 전체적인 영역 크기의 변화를 포함할 수 있다.

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 바이오매스의 생성물 및 부산물로의 전환을 예시한 블록도;
도 2는 바이오매스의 처리 및 처리된 바이오매스의 발효 과정에서의 이용을 예시한 블록도.

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 물질 및/또는 리그노셀룰로스 물질을 공급원료 물질로서 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, 산화, 열분해 혹은 증기 폭발 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 기재된 방법은, 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 물질로부터, 염 및/또는 기타 오염물을 함유하는 물을 이용해서, 유용한 중간생성물 및 생성물을 제조하는 것이 가능해진다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 방법은 염분을 함유하는 물, 예컨대, 0.5 내지 50 ppt(parts/thousand) 염(NaCl)을 함유하는 물을 이용할 수 있다. 염분을 함유하는 물은, 전형적으로 30 내지 50 ppt 염을 함유하는 해수, 및 전형적으로 0.5 내지 30 ppt 염을 함유하는 기수를 포함한다.

본 명세서에 기재된 방법은 또한 기타 물질, 예컨대, 화학물질, 중금속 혹은 미생물 오염물이 있거나 이들로 오염된 담수 혹은 염분을 함유한 물을 이용할 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 폐수, 그레이 워터, 또는, 오염되거나 더럽혀진 지하수 혹은 지표수, 또는 이들 공급원의 임의의 오염물을 서로 지니거나 혹은 담수, 미오염수 혹은 처리된 물을 지니는 것을 이용할 수 있다. 이들 유형의 물의 어느 것이라도 처리된, 부분적으로 처리된 혹은 미처리된 형태로 이용될 수 있다. 이들 유형의 물의 어느 것이라도 담수 혹은 처리된 물과 예컨대 오염된 물 대 담수 혹은 처리된 물의 임의의 바람직한 비, 예를 들어, 약 1:1, 1:2 내지 2:1, 1:5 내지 5:1, 1:10 내지 10:1, 1:20 내지 20:1, 1:50 내지 50:1, 또는 1:100 내지 100:1로 배합될 수 있다.

바이오매스를 처리하는 시스템

도 1은 바이오매스, 특히 상당한 셀룰로스 및 리그노셀룰로스 성분을 지닌 바이오매스를 유용한 중간생성물 및 생성물로 전환시키는 방법(10)을 도시한다. 방법(10)은 예를 들어, 공급원료(110)의 크기를 저감시키기 위하여, 공급원료(12)를 초기에 기계적으로 처리하는 단계를 포함한다. 이 기계적으로 처리된 공급원료는 이어서 물리적 처리(14)에 의해 처리되어, 예컨대 해당 물질의 결정 구조 내의 결합을 약화시키거나 미세균열화시켜 그의 구조를 변경시킨다. 다음에, 이 구조적으로 변경된 물질에 몇몇 경우에 추가의 기계적 처리(16)를 실시한다. 이 기계적 처리는 초기의 기계적 처리와 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 초기의 처리는 크기 감축(예컨대, 절단) 단계에 이어서 전단 단계일 수 있는 한편, 추가의 처리는 분쇄 혹은 밀링 단계일 수 있다.

상기 물질은, 추가의 가공처리 전에 추가의 구조 변화(예컨대, 난분해성 저감)가 요망된다면, 이어서 추가의 구조 변경 처리 및 기계적 처리가 실시될 수 있다.

다음에, 상기 처리된 물질은, 예컨대, 당화 및/또는 발효 등과 같은 1차 가공처리 단계(18)로 처리되어, 중간생성물 및 생성물(예컨대, 에너지, 연료, 식품 및 재료)을 생성한다. 몇몇 경우에, 1차 가공처리 단계의 출력은 직접 유용하지만, 다른 경우에는 후가공처리 단계(20)에 의해 제공되는 추가의 가공처리를 필요로 한다. 예를 들어, 알코올의 경우, 추가의 가공처리는, 증류 및 몇몇 경우에 변성을 포함할 수 있다.

단, 본 명세서에 기재된 처리방법에서는 물이 몇 가지 방법으로 이용된다.

첫째로, 물은, 예컨대, 당화 및 발효 동안 매질로서 이용된다. 많은 경우에, 이 방식에 이용되는 물의 대부분은 예컨대 증류 혹은 기타 후가공처리 동안 제거된 물을 수집함으로써 재활용될 수 있다. 둘째로, 물은 예컨대 냉각탑 및 보일러 시스템에서 제조장비에 의해 이용된다. 제조장비에 이용되는 물은, 사용되는 장비가 이용된 물의 종류에 견디도록, 예컨대, 염분을 함유한 물이 이용된다면 내식성으로 되도록 설계된다는 조건 하에, 오염되고/되거나 염분을 함유할 수 있다.

몇몇 경우에, 가공 매질로서 및/또는 냉각 혹은 보일러 물로서의 본 명세서에 기재된 방법에서 이용되는 물은, 오염물의 일부 혹은 전부를 제거하도록 처리된다.

예를 들어, 염분을 함유하는 물의 경우에, 해당 물은 염분을 저감 혹은 제거하기 위하여 부분적으로 혹은 완전히 탈염될 수 있고/있거나, 오일 등과 같은 기타 오염물, 기타 공해물질 및/또는 미생물 오염물을 제거하도록 처리될 수 있다.

탈염은 임의의 소정의 방법을 이용해서 수행될 수 있다. 예를 들어, 탈염은 멤브레인 기반 수법, 예컨대, 전기투석 혹은 역삼투, 또는 증류 등과 같은 열 수법, 예컨대, 다단 플래시 증류, 다효과 증류 혹은 증기 압축 증류를 이용해서 수행될 수 있다.

탈염이 수행될 경우, 염수 및/또는 염이 당해 공정의 부산물로서 회수될 수 있다.

본 명세서에 기재된 수원의 어느 것도, 예를 들어 방사선(예컨대, UV, 전자 빔), 열, 산화제(표백제, 오존), 순간 살균 혹은 기타 멸균화 수법을 이용해서 멸균화될 수 있다.

필요한 경우, 물, 또는 물을 이용해서 생성된 중간생성물 혹은 생성물이 항생제로 처리될 수 있다.

본 명세서에 기재된 수원의 어느 것도 또한 생물학적 교정(bioremediation)을 이용해서 본 명세서에 기재된 공정 전 혹은 동안 처리될 수 있다.

몇몇 경우에, 오염물이 부산물로서 회수될 수 있다. 예를 들어, 금속, 오일 혹은 기타 화학물질 또는 화합물이 물로부터 분리되어 회수될 수 있다.

이들 수 처리 방법 혹은 기타 수 처리 방법의 어느 것도 수중 오염물을 부분적으로 혹은 완전히 제거하거나 불활성화시키는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 오염물의 수준은 10,000 ppm 미만, 5,000 ppm 미만, 1,000 ppm 미만, 500 ppm 미만, 또는 100 ppm 미만으로 저감될 수 있다.

몇몇 경우에, 물은, 예컨대, 미처리수 중에서 기능하도록 구성된 미생물을 이용해서, 상기 공급원으로부터 입수되는 바와 같은 미처리된 형태로 이용된다.

도 2는 알코올을 생산하기 위하여 바이오매스를 처리하고 나서 해당 처리된 바이오매스를 발효 과정에서 이용하기 위하여 전술한 단계들을 이용하는 시스템(100)을 도시하고 있다. 시스템(100)은 바이오매스 공급원료가 초기에 기계적으로 처리되는(상기 스텝 12) 모듈(102), 상기 기계적으로 처리된 공급원료를 예컨대, 방사선 조사에 의해 구조적으로 변경시키는(상기 스텝 14) 모듈(104), 및 상기 구조적으로 변경된 공급원료에 추가의 기계적 처리를 실시하는(상기 스텝 16) 모듈(106)을 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 모듈(106)은 모듈(102)과 동일한 유형 혹은 상이한 유형일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 구조적으로 변경된 공급원료는 별도의 모듈(106)에서 추가로 기계적으로 처리되기보다 오히려 추가의 기계적 처리를 위하여 모듈(102)로 되돌아갈 수 있다.

목적으로 하는 공급원료 특성을 얻는데 필요한 횟수만큼 많이 반복될 수도 있는 이들 처리 후, 처리된 공급원료는 발효 시스템(108)으로 전달된다. 혼합은 발효 동안 수행될 수 있고, 이 경우, 혼합은 효소 및 기타 미생물 등과 같은 민감한 성분을 전단하는데 손상을 최소화하기 위하여 비교적 완만한(저 전단인) 것이 바람직하다. 몇몇 실시형태에서, 미국 특허 출원 제61/218,832호 및 미국 특허 출원 제61/179,995호에 기재된 바와 같은 제트 혼합이 이용되며, 이들 출원의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 병합된다.

재차 도 2를 참조하면, 발효는 조질의 에탄올 혼합물을 생성하며, 이는 유지 탱크(110)로 유입된다. 물 혹은 기타 용매와, 기타 비에탄올 성분이 스트리핑 탑(stripping column)(112)을 이용해서 상기 조질의 에탄올 혼합물로부터 스트리핑되고, 에탄올은 이어서 증류 유닛(114), 예컨대, 정류기를 이용해서 증류된다. 증류는 진공 증류에 의해 실시될 수 있다. 마지막으로 에탄올은 분자체(molecular sieve)(116)를 이용해서 건조되고/되거나, 필요한 경우 변성되어 목적으로 하는 출하방법으로 출력된다.

몇몇 경우에, 본 명세서에 기재된 시스템 및 그의 부품은 휴대용일 수 있으므로, 해당 시스템은 하나의 장소에서 다른 장소로 (예컨대, 철도, 트럭 혹은 선박에 의해) 수송될 수 있다. 본 명세서에 기재된 이 방법의 단계들은 하나 이상의 장소에서 수행될 수 있고, 몇몇 경우에 하나 이상의 단계가 수송 중에 수행될 수 있다. 이러한 이동식 처리는 미국 특허 출원 제12/374,549호 및 국제 특허출원 공개 제WO 2008/011598호 공보에 기재되어 있고, 이들의 전체 개시 내용은 참조로 본 명세서에 병합된다.

본 명세서에 기재된 방법의 단계들의 어느 것 혹은 모두는 분위기 온도에서 수행될 수 있다. 필요한 경우, 냉각 및/또는 가열이 소정 단계 동안 이용될 수 있다. 예를 들어, 공급원료는 기계적 처리 동안 냉각되어 그의 취성을 증가시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 냉각은 초기의 기계적 처리 및/또는 후속의 기계적 처리 전, 동안 및 후에 이용된다. 냉각은 미국 특허 출원 제12/502,629호 공보에 기재된 바와 같이 수행될 수 있고, 그의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 병합된다. 또한, 발효 시스템(108) 내의 온도는 당화 및/또는 발효를 향상시키기 위하여 제어될 수 있다.

이제 위에서 기재된 방법의 개별적인 단계뿐만 아니라 이용된 바이오매스를 더욱 상세히 설명할 것이다.

물리적 처리

물리적 처리 방법은 기계적 처리, 화학적 처리, 방사선 조사, 초음파 분해, 산화, 열분해 혹은 증기 폭발 등과 같은 본 명세서에 기재된 것들 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 처리방법은 이들 수법 둘, 셋, 넷 혹은 심지어 모드를 (임의의 순서로) 조합하여 이용될 수 있다. 하나보다 많은 처리방법이 이용될 경우, 이 방법은 동시에 혹은 상이한 시기에 적용될 수 있다. 바이오매스 공급원료의 분자 구조를 변화시키는 기타 처리가 또한 단독으로 혹은 본 명세서에 개시된 처리방법과 조합하여 이용될 수도 있다.

기계적 처리

몇몇 경우에, 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 물질을 "개방"(opening up), "응력 부여"(stressing), 파괴 및 파쇄하여, 해당 물질의 셀룰로스를 사슬 절단 및/또는 결정화도 저감되기 더욱 쉽게 한다. 개방된 물질은 또한 조사될 경우 더욱 산화되기 쉬울 수 있다.

몇몇 경우에, 기계적 처리는, 예를 들어, 절단, 분쇄, 전단, 분체화 또는 저미기 등에 의한 물질 크기 감소 등과 같이, 입수된 바와 같은 공급원료의 초기 준비를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 느슨한 공급원료(예컨대, 재활용 페이퍼, 전분 물질 혹은 지팽이풀(switchgrass))가 전단 혹은 세단(shredding)에 의해 준비된다.

대안적으로 혹은 부가적으로, 상기 공급원료 물질은 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 처리 중 하나 이상, 예컨대, 조사 혹은 열분해에 의해 처리된 물질이 더욱 부서지기 쉬운 경향이 있기 때문에 기계적 처리에 의해 물질의 분자 구조를 더욱 변화시키는 것이 더욱 용이할 수 있으므로 유리하다.

몇몇 실시형태에서, 상기 공급원료 물질은 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 물질은 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 물질은 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 물질의 파괴를 돕기 위하여, 해당 물질은 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 물질의 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 물질의 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 물질은 0.25 g/㎤ 이하, 예컨대, 0.20 g/㎤, 0.15 g/㎤, 0.10 g/㎤, 0.05 g/㎤ 이하, 또는, 예컨대, 0.025 g/㎤의 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 물질이면, 기계적으로 처리된 물질 중의 섬유는, 1회 이상 전단되더라도, 비교적 큰(예컨대, 20-대-1보다 큰) 평균 길이-대-직경비를 지닐 수 있다. 또, 본 명세서에 기재된 섬유 물질 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 물질이면, 기계적으로 처리된 물질 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 물질의 평균 섬유 길이는, 예를 들어, 약 0.5㎜ 내지 2.5㎜, 예컨대, 약 0.75㎜ 내지 1.0㎜일 수 있고, 제2섬유 물질(14)의 평균 폭(예를 들어, 직경)은 예컨대 약 5㎛ 내지 50㎛, 예컨대, 약 10㎛ 내지 30㎛일 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 상기 공급원료가 섬유 물질이면, 기계적으로 처리된 물질의 섬유 길이의 표준 편차는 기계적으로 처리된 물질의 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 물질을 준비하여, 해당 물질을 치밀화하고(예컨대, 다른 장소로 수송하기에 더욱 용이하고 저 비용화하고), 이어서 해당 물질을 낮은 벌크 밀도 상태로 역전시키는 것이 바람직할 수 있다. 치밀화된 물질은 본 명세서에 기재된 방법들 중 어느 것에 의해 처리될 수 있거나, 또는, 본 명세서에 기재된 방법들 중 어느 것에 의해 처리된 어떠한 물질도, 이어서, 예컨대, 제WO2008/073186호에 개시된 것과 같이, 치밀화될 수 있다.

방사선 처리

하나 이상의 방사선 처리 수순은 공급원료를 가공처리하여 추가의 가공처리단계 및/또는 수순으로의 입력으로서 기능하는 구조적으로 개질된 물질을 제공하기 위하여 이용될 수 있다. 조사는 예를 들어 공급원료의 분자량 및/또는 결정화도를 감소시킬 수 있다. 방사선은 또한 상기 물질 또는 해당 물질을 바이오처리하는데 필요한 임의의 매질(혹은 배지)을 멸균시킬 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 전자를 그의 원자 궤도로부터 방출시키는 물질 내에 축적된 에너지는 상기 물질을 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, 헬륨 핵, 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 병합된다.

하나의 방법에서, 제1수평균 분자량(M_N1)을 지니는 셀룰로스이거나 해당 셀룰로스를 포함하는 제1물질은 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(M_N2)을 지니는 셀룰로스를 포함하는 제2물질을 제공한다. 제2물질(또는 제1 및 제2물질)은 제2 및/또는 제1물질 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.

제2물질은 제1물질에 비해서 감소된 분자량 및 몇몇 경우에 있어서, 감소된 결정화도를 또한 지니는 셀룰로스를 지니므로, 상기 제2물질은 일반적으로 미생물 및/또는 효소를 함유하는 용액 중에서 더욱 분산가능하고/하거나 팽윤가능하고/하거나 가용성이다. 이들 특성은 제2물질을 제1물질에 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(M_N2)은 제1수평균 분자량(M_N1)보다 약 10% 이상, 예컨대, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%, 60% 이상, 또는 심지어 약 75% 이상 낮다.

몇몇 경우에, 제2물질은 제1물질의 셀룰로스의 결정화도(C₁)보다 낮은 결정화도(C₂)를 지니는 셀룰로스를 포함한다. 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 지수(crystallinity index)(조사 전)는 약 40 내지 약 87.5%, 예컨대, 약 50 내지 약 75% 또는 약 60 내지 약 70%이고, 조사 후의 결정화도 지수는 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 결정화도 지수를 가지는 것도 가능하다. 몇몇 실시형태에 있어서, 조사 후의 물질은 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, 제2물질은 제1물질의 산화 레벨(O₁)보다 높은 산화 레벨(O₂)을 지닐 수 있다. 상기 물질의 보다 높은 산화 레벨은 그의 분산성, 팽윤성 및/또는 용해도에 도움을 줄 수 있고, 더욱, 화학적, 효소적 혹은 생물학적 공격에 대한 물질 감도를 증강시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 제1물질에 비해서 제2물질의 산화 레벨을 증가시키기 위하여, 조사는 산화 환경 하, 예컨대, 공기 혹은 산소의 블랭킷 하에 수행하여, 제1물질보다 더욱 산화된 제2물질을 생성한다. 예를 들어, 제2물질은 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 물질을 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 물질 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㎭/초), 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 단면의 물질, 예컨대, 0.5 인치 이하, 예컨대, 0.4 인치, 0.3 인치, 0.2 인치 이하, 또는 0.1 인치 이하의 물질에 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 전자 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 1k㏉, 5k㏉, 10k㏉, 20k㏉, 50k㏉, 100k㏉ 혹은 200k㏉의 값을 취할 수 있다.

이온 입자 빔

전자보다 무거운 입자는 탄수화물 혹은 탄수화물을 포함하는 물질, 예컨대, 셀룰로스 물질, 리그노셀룰로스 물질, 전분 물질 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 물질, 예컨대, 바이오매스 물질을 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, 물질을 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 물질에 노출될 경우 루이스 산 부분으로서 화학적으로 거동하여, 산화 환경에서 양이온성 개환 사슬 절단 반응을 개시시키고 유지하는 것으로 여겨진다.

소정의 실시형태에서, 물질을 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 이론에 얽매이길 원치 않지만, 이러한 음하전 이온은 상기 물질에 노출될 경우 루이스 염기 부분으로서 화학적으로 거동하여, 환원 환경에서 음이온성 개환 사슬 절단 반응을 유발하는 것으로 여겨진다.

몇몇 실시형태에서, 물질을 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 물질의 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, 물질을 조사하는데 이용되는 이온 빔은 H⁺, H^-, He⁺, Ne⁺, Ar⁺, C⁺, C^-, O⁺, O^-, N⁺, N^-, Si⁺, Si^-, P⁺, P^-, Na⁺, Ca⁺ 및 Fe⁺ 중 하나 이상 등과 같은 단일 하전 이온을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 이온 빔은 C²⁺ _,C³⁺, C⁴⁺, N³⁺, N⁵⁺, N^3-, O²⁺, O^2-, O₂ ^2-, Si²⁺, Si⁴⁺, Si^2- 및 Si^4- 중 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 eV 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.

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 1500.0 킬로㎭/시간, 예컨대, 10.0 내지 750.0 킬로㎭/시간 또는 50.0 내지 350.0 킬로㎭/시간의 선량률에서 수행된다.

몇몇 실시형태에서, (임의의 방사선 공급원 혹은 이들 공급원의 조합을 이용한) 조사는 물질이 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 물질, 예컨대, 본 명세서에 기재된 물질의 임의의 하나 이상, 예컨대, 1종 이상의 탄수화물 공급원, 예컨대, 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질 혹은 전분 물질의 분자량 및/또는 결정화도를 저감시킬 수 있다. 초음파 분해는 또한 물질을 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(M_N1)을 지니는 셀룰로스를 포함하는 제1물질은 물(예컨대, 식염수, 폐수, 또는 담수의 첨가와 함께 혹은 없이 본 명세서에 기재된 기타 유형의 오염된 물의 어느 하나) 등의 매질에 분산되어, 초음파 분해되고/되거나 그렇치 않으면 공동화되어(cavitated), 제1수평균 분자량보다 낮은 제2수평균 분자량(M_N2)을 지닌 셀룰로스를 포함하는 제2물질을 제공한다. 제2물질(또는 어떤 실시형태에서는 제1 및 제2물질)은 제2 및/또는 제1물질을 이용할 수 있는 미생물(예컨대, 효소 처리와 함께 혹은 효소처리 없이)과 배합되어, 중간생성물 혹은 생성물을 생산할 수 있다.

제2물질은 제1물질에 비해서 감소된 분자량 및 몇몇 경우에 있어서는 감소된 결정화도도 지니는 셀룰로스를 지니므로, 상기 제2물질은 일반적으로 미생물을 함유하는 용액 중에서 더욱 분산가능하고/하거나, 팽윤가능하고/하거나 가용성이다.

몇몇 실시형태에서, 상기 제2수평균 분자량(M_N2)은 제1수평균 분자량(M_N1)보다 약 10% 이상, 예컨대, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%, 60% 이상, 또는 심지어 약 75% 이상만큼 낮다.

몇몇 경우에, 제2물질은 제1물질의 셀룰로스의 결정화도(C₁)보다 낮은 결정화도(C₂)를 지니는 셀룰로스를 포함한다. 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 지수(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 결정화도 지수는 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 결정화도 지수를 지니는 것이 가능하다. 몇몇 실시형태에 있어서, 초음파 분해 후의 물질은 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, 제2물질은 제1물질의 산화 레벨(O₁)보다 높은 산화 레벨(O₂)을 지닐 수 있다. 상기 물질의 보다 높은 산화 레벨은 그의 분산성, 팽윤성 및/또는 용해도에 도움을 줄 수 있고, 또한, 이것은 화학적, 효소적 혹은 미생물 공격에 대한 물질 감도를 더욱 증강시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 제1물질에 비해서 제2물질의 산화 레벨을 증가시키기 위하여, 초음파 분해는 산화 매질 중에서 수행되어, 제1물질보다 더욱 산화된 제2물질을 생산한다. 예를 들어, 제2물질은 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 이온성 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 물질을 처리하여 해당 물질로부터 유용한 물질을 추출하기 위하여, 그리고, 추가의 처리 스텝 및/또는 수순에 대한 입력으로서 기능하는 부분적으로 분해된 유기 물질을 제공하는데 이용될 수 있다. 열분해는 또한 해당 물질을 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(M_N1)을 지니는 셀룰로스를 포함하는 제1물질은, 예컨대, 관형상 로 내에서(산소의 존재 혹은 부재 하에) 제1물질을 가열함으로써 열분해되어, 제1수평균 분자량보다 낮은 제2수평균 분자량(M_N2)을 지닌 셀룰로스를 포함하는 제2물질을 제공한다.

제2물질은 제1물질에 비해서 감소된 분자량 및 몇몇 경우에 있어서는, 감소된 결정화도도 지니는 셀룰로스를 지니므로, 상기 제2물질은 일반적으로 예컨대, 미생물을 함유하는 용액 중에서 더욱 분산가능하고/하거나, 팽윤가능하고/하거나 가용성이다.

몇몇 경우에, 제2물질은 제1물질의 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 지수(열분해 전)는 약 40 내지 약 87.5%, 예컨대, 약 50 내지 약 75% 또는 약 60 내지 약 70%이고, 열분해 후의 결정화도 지수는 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 결정화도 지수를 지니는 것도 가능하다. 몇몇 실시형태에 있어서, 열분해 후의 물질은 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, 제2물질은 제1물질의 산화 레벨(O₁)보다 높은 산화 레벨(O₂)을 지닐 수 있다. 상기 물질의 보다 높은 산화 레벨은 분산성, 팽윤성 및/또는 용해도에 도움을 줄 수 있고, 또한 화학적, 효소적 또는 미생물 공격에 대한 물질 감도를 증강시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 제1물질에 비해서 제2물질의 산화 레벨을 증가시키기 위하여, 열분해는 산화 환경 중에서 수행되어, 제1물질보다 더욱 산화된 제2물질을 생산한다. 예를 들어, 제2물질은 제1물질보다 더욱 하이드록실기, 알데하이드기, 케톤기, 에스터기 또는 카복실산기를 지닐 수 있어, 그의 친수성을 증가시킬 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 상기 물질의 열분해는 연속적이다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 물질은 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 물질을 처리하여 해당 물질로부터 유용한 물질을 추출하기 위하여, 그리고, 추가의 처리 스텝 및/또는 수순에 대한 입력으로서 기능하는 부분적으로 분해된 유기 물질을 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(M_N1)을 지니는 동시에 제1산소함량(O₁)을 지니는 셀룰로스를 포함하는 제1물질은, 예컨대, 공기 혹은 산소-풍부 공기의 스트림 중에서, 관형상 로 내에서 제1물질을 가열함으로써 산화되어, 제2수평균 분자량(M_N2)을 지니는 동시에 제1산소함량(O₁)보다 높은 제2산소함량(O₂)을 지니는 셀룰로스를 포함하는 제2물질을 제공한다.

제2물질의 제2수평균 분자량은 일반적으로 제1물질의 제1수평균 분자량보다 낮다. 예를 들어, 상기 분자량은 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 제1물질의 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, 물질의 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 물질에 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 병합된다.

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℃에서 혹은 그 이하에서, 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 물질을 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

전형적인 바이오매스 자원은 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌 + 보다 적은 양의 단백질, 추출물 및 미네랄을 함유한다. 위에서 논의된 처리 공정의 하나 이상이 바이오매스에 대해 수행된 후, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스 분획 중에 함유된 복합 탄수화물이, 몇몇 경우에, 임의선택적으로 산 혹은 효소 가수분해와 함께, 발효가능한 당으로 가공처리될 수 있다. 유리된 당은 각종 생성물, 예컨대, 알코올 혹은 유기산 등으로 전환될 수 있다. 얻어진 생성물은 이용된 미생물과, 바이오처리가 일어나는 조건에 좌우된다. 다른 실시형태에서, 상기 처리된 바이오매스 물질에는 열화학적 전환, 또는 다른 처리가 실시될 수 있다.

처리된 바이오매스 물질을 추가로 처리하는 방법의 예는 이하의 부문에 논의되어 있다.

당화

처리된 공급원료를 용이하게 발효될 수 있는 형태로 전환시키기 위하여, 몇몇 구현예에서, 공급원료 중의 셀룰로스는, 우선, 당화라 불리는 과정에서, 당화제, 예컨대, 효소에 의해, 당 등과 같은 저분자량 탄수화물로 가수분해된다. 몇몇 구현예에서, 당화제는 산, 예컨대, 무기산을 포함한다. 산이 이용될 경우, 미생물에 독성인 부산물이 발생될 수 있고, 이 경우, 해당 과정은 이러한 부산물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제거는 활성탄, 예컨대, 활성 숯, 또는 기타 적절한 수법을 이용해서 수행될 수 있다.

셀룰로스를 포함하는 물질은, 예를 들어, 용매 중에, 예컨대, 수용액 중에 상기 물질과 효소를 배합함으로써, 해당 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 셀로비아제류(β-글루코시다제류)를 들 수 있다. 셀룰로스 기질은 초기에 랜덤한 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.

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.

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.

열화학적 전환

열화학적 전환은 하나 이상의 목적으로 하는 중간생성물 및/또는 생성물을 생산하기 위하여 상기 처리된 바이오매스에 대해 수행될 수 있다. 열화학적 전환 과정은 탄소-함유 물질의 분자 구조를 상승된 온도에서 변화시키는 것을 포함한다. 구체적인 예로는, 기화, 열분해, 개질(reformation), 부분 산화 및 이들의 혼합(임의의 순서로)을 들 수 있다.

기화는 탄소-함유 물질을 합성 기체(합성 가스)로 전환시키고, 해당 합성 기체는 메탄올, 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함할 수 있다. 아세토젠 혹은 호모아세토젠 등과 같은 미생물은, 알코올, 카복실산, 카복실산의 염, 카복실산 에스터 혹은 이들의 임의의 혼합물을 포함하는 생성물을 생산하기 위하여, 바이오매스의 열화학적 전환으로부터 합성 가스를 이용할 수 있다. 바이오매스(예컨대, 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질)의 기화는 각종 수법에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 기화는 유동상 반응기에서 단계별 증기 개질을 이용해서 달성되되, 여기서는, 탄소질 물질이 먼저 산소의 부재 하에 열분해되고 나서 열분해 증기가 첨가된 수소와 산소를 제공하는 증기와 함께 합성 기체로 개질된다. 이러한 수법에 있어서, 공정 열은 숯의 연소로부터 기인된다. 다른 수법은 습기와 산소가 열분해 단계에서 도입되는 스크루 오제 반응기(screw auger reactor)를 이용하고, 공정 열은 후자의 단계에서 생성된 기체의 일부의 연소로부터 발생된다. 다른 수법은 동반되는 유량 개질을 이용하되, 여기서는 외부 증기와 공기가 모두 단일 단계 기화 반응기에 도입된다. 부분 산화 기화에서는, 순수한 산소가 증기 없이 이용된다.

후가공처리

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 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

예컨대 이러한 1차 가공처리 및/또는 후가공처리를 이용해서, 상기 처리된 바이오매스는 에너지, 연료, 식품 및 재료 등과 같은 하나 이상의 생성물로 전환될 수 있다. 기타 예로는, 아세트산 혹은 뷰티르산 등의 카복실산, 카복실산의 염, 카복실산과 카복실산의 염과 카복실산의 에스터(예컨대, 메틸, 에틸 및 n-프로필 에스터)의 혼합물, 케톤류, 알데하이드류, 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 병합된다.

물질

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 1)로부터 유래되는 셀룰로스(I)이거나 해당 셀룰로스를 포함한다. 이 결합은 그 자체가 전분 및 다른 탄수화물에 존재하는 α(1,4)-글루코사이드 결합에 대한 것과 대조를 이룬다.

몇몇 구현예에서, 전분 물질이 이용될 수 있다. 전분 물질은 전분 자체, 예컨대, 옥수수 전분, 밀 전분, 감자 전분 혹은 쌀 전분, 전분의 유도체, 혹은 식용 음식 산물 혹은 작물 등과 같은 전분을 포함하는 물질을 들 수 있다. 예를 들어, 전분 물질은 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 물질의 배합물도 전분 물질이다

기타 적용가능한 물질은 당, 사탕수수, 사탕수수 추출물 및 바가스를 포함한다.

몇몇 경우에, 바이오매스는 미생물 물질이다. 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), 유글레나(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

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.

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, 셀룰로스 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(Zymomonas mobilis) 및 클로스트리듐 써모셀륨(Clostridium thermocellum)(Philippidis, 1996, 전술함) 등의 박테리아가 또한 발효에 이용될 수 있다.

당화 및/또는 발효용의 적합화된 미생물

당화 및/또는 발효에 이용되는 미생물은 수원 내의 염도 및/또는 오염에 견디도록 유전학적으로 적합화되어 있을 수 있다. 예를 들어, 미생물은 극한성 생물일 수 있다.

몇몇 경우에, 미생물은 염분 조건 하에서 기능하도록 적합화된 호염성 혹은 내염성 유기체이다. 이러한 미생물은 호염성 세균, 예를 들어, 해양 박테리아, 예컨대, 아밀라제-생산 박테리아, 예를 들어, 슈도알테리모나스 운디나(Pseudoalterimonas undina) NKMB 0074, 및 크로모할로박터 종(chromohalobacter sp.), 예컨대, 크로모할로박터 종 TVSP 101 및 크로모할로박터 베이저링키이(chromohalobacter beijerinkckii)를 포함한다. 호염성 세균의 예로는 할로아쿨라 히스파니카(Haloarcula hispanica), 마이크로코커스 할로비우스(Micrococcus halobius), 마이크로코커스 배리언즈 아종 할로필루스(Micrococcus varians subspecies halophilus), 할로박테리움 살리나룸(Halobacterium salinarum), 나트로노코커스 종 균주(Natronococcus sp. strain) Ah-36, 할로모나스 메리디아나(Halomonas meridiana) 및 바실러스 딥소사우리(Bacillus dipsosauri)를 들 수 있다. 기타 내염성 및 호염성 미생물로는 염 용액 중에서 식료품을 발효시키는데 이용되는 것들, 예를 들어, 아스페르길루스 소예(Aspergillus sojae), 아스페르길루스 오리재(Aspergillus oryzae), 사카로마이세스 룩시이(Saccharomyces rouxii), 지코사카로마이세스 룩시이(Zycosaccharomyces rouxii), 칸디다 에첼시이(Candida etchellsii), 칸디다 베르사틸리스(Candida versatilis) 및 토룰롭시스 베르사틸리스(Torulopsis versatilis)를 들 수 있다.

기타의 경우에, 미생물은 염분을 함유하고/하거나 오염된 수원에서 기능하도록 대사작용되거나 다르게는 유전자조작되어 있을 수 있다.

혼합 배양액이 종종 더 양호하게 오염에 견딜 수 있으므로, 그러한 배양액에 미생물의 조합을 이용하는 것이 바람직할 수도 있다. 몇몇 경우에, 미생물의 혼합물은 물, 예컨대, 생물적 환경 정화에 이용되는 미생물 배양액 중의 오염물을 소화시키도록 적응된 미생물, 및 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 공급원료를 당화시키고/시키거나 당을 발효시키도록 적응된 미생물을 포함할 수 있다. 상이한 미생물이 예를 들어 혼합물로서, 개별적으로 혹은 순차적으로 첨가될 수 있다.

기타 실시형태

본 발명의 많은 실시형태가 기술되어 있지만, 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어나는 일없이 각종 변경이 행해질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

예를 들어, 본 명세서에서 논의된 가공처리 단계들의 임의의 것의 처리 파라미터는, 예를 들어, 미국 특허 출원 제12/704,519호에 개시된 바와 같이, 공급원료의 리그닌 성분에 의거해서 조정될 수 있고, 해당 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 병합된다.

본 명세서에 기재된 가공처리는 모두 하나의 물리적 장소에서 수행되는 것이 가능하지만, 몇몇 실시형태에서, 이들 처리는 다수의 장소에서 완료되고/되거나 수송 동안 수행될 수도 있다.

본 명세서에 기재된 임의의 처리공정에서 유리된 리그닌은 포획되어 이용될 수 있다. 예를 들어, 리그닌은 플라스틱으로서 포획되는 것처럼 이용될 수 있거나, 또는 기타 플라스틱으로 합성적으로 업그레이드될 수 있다. 몇몇 경우에, 에너지원으로서 이용될 수 있고, 예컨대, 연소되어 열을 제공할 수 있다. 몇몇 경우에, 결착제, 분산제, 에멀전화제 혹은 금속이온 봉쇄제(sequestrant)로서 이용될 수 있다.

출발 공급원료의 리그닌 함량의 측정은 이러한 리그린-포획 과정에서 공정 제어에서 이용될 수 있다.

결착제로서 이용될 경우, 리그닌 혹은 리그노설포네이트는, 예컨대, 연탄에, 세라믹에, 카본블랙 결합용으로, 비료 및 제초제 결합용으로, 먼지 억제제로서, 합판 및 파티클 보드 제조에서, 동물 사료 결합용으로, 유리섬유의 결착제로서, 리놀륨 페이스트에서의 결착제로서 그리고 토양 안정제로서 이용될 수 있다.

분산제로서, 리그닌 혹은 리그노설포네이트는, 예컨대, 콘크리트 믹서, 점토 및 세라믹, 염료 및 안료, 가족 무두질용 및 석고보드에 이용될 수 있다.

에멀전화제로서, 리그닌 혹은 리그노설포네이트는, 예컨대, 아스팔트, 안료 및 연료, 살충제 및 왁스 에멀전에 이용될 수 있다.

금속이온 봉쇄제로서, 리그닌 혹은 리그노설포네이트는, 예컨대, 미량영양소 시스템, 세정 화합물 및 수 처리 시스템에, 예컨대, 보일러 및 냉각 시스템용으로서 이용될 수 있다.

가열원으로서, 리그닌은, 호모셀룰로스보다 많은 탄소를 함유하므로, 일반적으로 홀로셀룰로스(holocellulose)(셀룰로스 및 헤미셀룰로스)보다 높은 에너지 함량을 지닌다. 예를 들어, 건조 리그닌은, 홀로셀룰로스의 7,000 내지 8,000 BTU/파운드에 비해서, 약 11,000 내지 12,500 BTU/파운드의 에너지 함량을 지닐 수 있다. 그와 같이, 리그닌은 치밀화되어 연소용의 조개탄 및 펠릿으로 전환될 수 있다. 예를 들어, 리그닌은 본 명세서에 기재된 임의의 방법에 의해 펠릿으로 전환될 수 있다. 보다 느린 연소 펠릿 혹은 조개탄을 위하여, 리그닌은 약 0.5 M㎭ 내지 5 M㎭의 방사선 선량의 인가 등에 의해 가교 결합될 수 있다. 가교 결합은 보다 느린 연소 형태 인자를 만들 수 있다. 펠릿 혹은 조개탄 등과 같은 형태 인자는, 예컨대, 400 내지 950℃에서 공기의 부재 하에 열분해시킴으로써 "합성 석탄" 혹은 숯으로 전환될 수 있다. 열분해 전에, 구조적 무결성을 유지하기 위하여 리그닌은 가교 결합되는 것이 바람직할 수 있다.

따라서, 기타 실시형태는 이하의 특허청구범위의 범주 내이다.

Claims

염분이 함유되고/되거나 오염된 수원(water source)을 이용해서 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 공급원료를 중간생성물 혹은 생성물로 전환하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 공급원료는 해당 공급원료의 난분해성(recalcitrance)을 저감시키기 위하여 처리된 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 공급원료를 중간생성물 혹은 생성물로 전환하는 단계는 해당 공급원료를 수성 용액 중에서 미생물과 접촉시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
제3항에 있어서, 상기 미생물은 염분이 함유되거나 혹은 오염된 물 속에서 기능하도록 구성된 것인 방법.
제3항에 있어서, 염도 혹은 오염을 저감시키기 위하여 상기 수원을 처리하고, 해당 처리된 물을 수성 용액 중에서 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 수원은 해수 혹은 기수(brackish water)를 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 수원은 폐수, 그레이 워터(grey water) 또는 수집된 우수(collected rainwater)를 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 수원은 미생물로 오염된 담수 공급부(microbially contaminated freshwater supply)를 포함하는 것인 방법.
제2항에 있어서, 상기 공급원료는 기계적 처리, 방사선(radiation), 초음파 분해(sonication), 열분해, 산화, 증기 폭발(steam explosion), 화학적 처리, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물리적 처리로 처리된 것인 방법.
제9항에 있어서, 상기 공급원료는 절단, 밀링, 분쇄, 프레스, 전단 및 저미기로 이루어진 군으로부터 선택된 기계적 처리로 처리된 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 바이오매스 공급원료는 종이, 종이제품, 목재, 목재-관련 재료, 목초(grasses), 왕겨, 바가스(bagasse), 면, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘마, 마닐라삼, 짚, 옥수수 속대, 코코넛 헤어, 조류(algae), 해초, 미생물 소재(microbial material), 합성 셀룰로스 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 방법.
제4항에 있어서, 상기 미생물은 해양 미생물을 포함하는 것인 방법.
제4항에 있어서, 상기 미생물은 공학적으로 조작된 미생물을 포함하는 것인 방법.