KR20150006426A - 바이오매스 처리 공정 - Google Patents

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KR20150006426A
KR20150006426A KR1020147029727A KR20147029727A KR20150006426A KR 20150006426 A KR20150006426 A KR 20150006426A KR 1020147029727 A KR1020147029727 A KR 1020147029727A KR 20147029727 A KR20147029727 A KR 20147029727A KR 20150006426 A KR20150006426 A KR 20150006426A
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파르자네 테이모우리
티모시 제이. 캠벨
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더 미시간 바이오테크노로지 인스티튜트 디/비/에이 엠비아이
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Abstract

본 발명은 바이오매스 처리 공정에 관한 것이다. 상기 바이오매스는 용기 내부에서 바이오매스 팽창제로 처리되어 바이오매스의 적어도 일부가 팽창하거나 파열된다. 팽창제의 일부는 상기 처리 후 용기의 제1 단부에서 제거된다. 이후, 상기 제1 단부와 상이한 용기의 제2 단부로 스팀이 도입되어 팽창제가 상대적으로 낮은 수분 함량으로 용기에서 나가는 방식으로 상기 용기로부터 팽창제를 한층 더 제거한다.

Description

바이오매스 처리 공정{PROCESS FOR TREATING BIOMASS}
연방 정부 후원에 의한 연구 또는 개발에 의한 진술
본 발명은 협력 협약에 따라 미국 에너지부에 의해 부여된 DE/EE0005071호의 정부 지원 하에 작성되었다. 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 가진다.
본 발명은 팽창제를 이용한 바이오매스 처리 공정에 관한 것이며, 구체적으로는 팽창제를 이용하여 바이오매스를 처리하고, 팽창제의 상당 부분을 상대적으로 순수(pure)한 형태로 회수하는 공정에 관한 것이다.
바이오매스는 일반적으로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 및 리그닌으로 구성된다. 특히, 바이오매스의 셀룰로오스 부분은 미생물에 의해 다양하게 유용한 화합물로 전환될 수 있는 개별 당질 성분으로 전환될 수 있으므로 바람직하다. 일 예로, 개별 당질 성분은 미생물에 의해 에탄올로 전환 가능하며, 이는 연소 엔진의 연료 또는 연료 첨가제로 사용될 수 있다.
바이오매스의 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 부분은 리그닌과 단단히 결합되어 있다. 따라서 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스가 리그닌과 적어도 일정 부분 분리되어 있지 않다면, 이 성분들의 개별 당질 성분 및 미생물 작용에 의한 다양한 화학 성분으로의 전환은 상당히 비효율적일 수 있다. 건식 가공(dry milling), 습식 가공(wet milling), 스팀 폭발 및 암모니아 섬유소 확장(AFEX™ - MBI에 의해 사용 대기 및 등록)과 같은 것을 포함하는 바이오매스 처리 공정은 그러나, 바이오매스의 다양한 부분을 서로 결합 분리(unbind) 또는 파괴 분리(break apart)하여 개별 당질 성분으로 전환 및 궁극적으로 미생물 작용에 의해 생성된 다양한 화학 성분들로의 전환의 효율성 증대를 위해 사용되어 왔다.
예를 들어, 미국 특허 제7,915,017호(출원인: Dale)는 바이오매스 구조탄수화물을 더욱 처리 가능하고/처리 가능하거나 소화 가능하게 하는 바이오매스 처리 공정을 개시한다. 이 공정은 바이오매스를 팽창(swell)시키거나 파열(rupture)시키기 위해 암모니아를 사용한다. 암모니아는 암모니아 칼럼(column)으로부터 암모니아 증기로서 회수되고, 최종적으로 회수된 암모니아는 상대적으로 건조한 형태로 재생된다.
미국 특허 제5,171,592호(출원인: Holtzapple)는 암모니아 바이오매스 처리 공정을 개시한다. 이 공정은 처리된 바이오매스로부터 잔여 암모니아를 스트리핑(strip)하기 위해 과열된 암모니아 증기를 이용하여 암모니아를 회수 및 재생하는 단계를 포함한다.
AFEX™ 타입의 공정은 바이오매스를 처리하는데 있어서 상당히 효율적인 것으로 간주되어 왔다. 그러나 상기 공정들에서 사용된 다양한 팽창제의 회수(recovery)는, 상당한 단계들이 재사용을 위한 팽창제 회수에 관여되어 있다는 점에서 덜 바람직하였다. 따라서 전체 처리 공정의 효율성 증대를 위하여, 팽창제의 회수 및 재사용의 효율성 증대가 바람직하다.
본 발명은 바이오매스 처리에 있어 매우 효율적인 바이오매스 처리 공정을 제시한다. 본 발명은 처리제로서 팽창제를 사용하는 것을 포함한다. 전체 처리 공정은 매우 효율적이며, 특히 팽창제의 회수 및 재사용에 효율적이다. 팽창제는 상대적으로 순수(pure)한 형태로 회수될 수 있으며, 이로써 재생을 위한 하부 공정 단계 및/또는 팽창제 회수가 최소화될 수 있다.
본 발명에 따른 일 양태에서, 바이오매스 처리 공정이 제시된다. 상기 공정은 용기 내부에서 바이오매스를 바이오매스 팽창제로 처리하여 바이오매스의 적어도 일부가 팽창하거나 파열되게 하는 단계를 포함한다. 팽창제의 적어도 일부는 용기의 제1 단부로부터 제거되는 한편, 처리된 바이오매스의 적어도 대부분은 용기 내에 남아있다. 용기 내부에 남아있는 처리된 바이오매스는 이후 스팀과 접촉하고, 스팀은 상기 제1 단부와 다른 용기의 제2 단부로 주입되어 팽창제를 한 층 더 제거한다.
일 구현예에서, 용기 내부에서 처리된 바이오매스 및 스팀의 접촉은 용기가 수직으로부터 30도 이하의 베드 각도(bed angle)가 되도록 실시된다.
대안으로, 바이오매스는 적어도 85 용적%인 베드 공극률(bed porosity)로 용기에 내장된다.
본 발명에서, 다수의 팽창제들이 사용될 수 있다. 효과적인 팽창제의 한 예로 암모니아 같은 질소 함유 조성물이 있다.
팽창제는 바이오매스를 팽창시키거나 파열시킬 양 만큼 용기에 첨가된다. 예를 들어, 팽창제는 용기의 접촉 영역(contacting zone)에서 팽창제 대 바이오매스의 중량비가 적어도 0.1 : 1이 될 수 있도록 첨가될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 구현예에서, 용기 내부의 처리된 바이오매스 및 스팀의 접촉은 원하는 또는 소정의 아르키메데스수 조건에 기초하여 실시된다. 예를 들어, 용기 내부의 처리된 바이오매스 및 스팀의 접촉은 아르키메데스수가 적어도 4 가 되도록 실시될 수 있다.
팽창제는 낮은 수분 함량에서 용기로부터 제거된다. 예를 들어, 팽창제는 제1단계에서는 용기 내부의 압력을 감소시킴으로써, 또한 제2단계에서는 바이오매스를 스팀과 접촉시킴으로써 용기로부터 제거될 수 있으며, 상기 회수된 팽창제는 낮은 수분 함량을 갖는다. 팽창제는 스팀 접촉 단계 중 처리 용기로부터 직접적으로 제거 및 회수될 수 있다. 직접적으로 회수된 팽창제는 스팀 접촉 단계 중 회수된 팽창제의 총 함량의 15 중량% 이하의 수분 함량을 가질 수 있다. 팽창제는 증기로서 용기로부터 직접적으로 제거될 수 있다.
바람직하게는, 용기의 접촉 영역은 그것의 폭보다 더 큰 길이를 가진다. 예를 들어, 바이오매스는 접촉 영역이 4 초과의 길이 대 직경 비를 가질 수 있도록 용기의 접촉 영역에 내장될 수 있다.
접촉(contacting) 또는 스트리핑(stripping) 스팀은 광범위한 온도 및 압력 범위에서 용기로 공급될 수 있다. 즉, 잔여 팽창제를 제거하기 위해 용기에 공급된 스팀은 포화 또는 과열 스팀일 수 있다.
바이오매스는 팽창제와 함께 바이오매스를 팽창시키거나 파열시키는 방법으로 처리되며, 이로써 바이오매스는 효소 작용에 의해 더 쉽게 소화될 수 있다. 예를 들어, 바이오매스는 효소 소화율이 용기에 처음 공급된 그것에 비해 적어도10 % 증가하도록 팽창제와 함께 처리될 수 있다.
본 발명의 바람직한 다수의 구현예의 예들이 첨부된 도면과 같이 도시된다.
도 1은 팽창제 증기로는 암모니아 증기가 예시된, 증기로서 팽창제가 회수되는 일 구현예의 개략 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 처리 용기의 아르키메데스수를 측정하는데 사용될 수 있는 표준 암모니아-수분 이원 혼합물 밀도-온도-조성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라, 회수 가능한 팽창제 양과 비교된 팽창제의 회수 품질의 일례를 나타낸 그래프이다.
I. 바이오매스의 전체 처리 공정
본 발명은 팽창제를 이용한 바이오매스, 예를 들어 셀룰로오스 바이오매스 처리 공정에 관한 것이다. 바이오매스를 팽창제로 처리하는 것은 후속하는 공정 중 바이오매스의 화학적 및 생물학적 반응성을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 바이오매스를 팽창제와 접촉시키는 것은 바이오매스의 팽창 및 파열을 야기하여 후속 공정 중 바이오매스의 화학적 및 생물학적 반응성을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 팽창제를 처리 용기로부터 직접적으로 효과적으로 회수하고, 재사용을 위해 팽창제를 재생함으로써 알려진 처리 공정에 비해 상당한 개선점을 나타낸다. 특히, 본 발명은 스팀이 바이오매스의 적어도 일부를 팽창시키거나/팽창시키고 파열시키기 위하여 바이오매스를 팽창제로 처리한 후 잔여 팽창제의 처리 용기를 비우기 위한 추진력으로 사용될 때, 팽창제가 실질적으로 순수(pure)한 증기 형태, 즉 습기 또는 수분 함량이 거의 적거나 전혀 없는 형태로 회수 될 수 있다는 점에서 효율적이다.
II. 바이오매스
바이오매스란 연료로서 또는 산업 생산을 위하여 사용될 수 있는 생명이 있거나 최근 생명이 상실된 생물 재료를 지칭한다. 일반적으로, 바이오매스는 바이오 연료 사용 목적으로 재배된 식물 성분을 지칭하지만, 섬유, 화학물질, 또는 열을 생산하는데 사용될 수 있는 식물 또는 동물 성분 또한 포함한다. 또한, 바이오매스는 연료로서 연소될 수 있는 생분해성 폐기물을 포함할 수 있다. 여기서, 지질(geological)화 되는 공정에 의해 석탄 또는 석유와 같은 물질로 변형될 수 있는 유기 재료는 제외된다.
특히, 적절한 바이오매스는 상대적으로 높은 셀룰로오스 함량을 가진 식물 성분을 포함한다. 이러한 바이오매스 또는 식물 성분은 예시로서, 억새, 스위치그래스(switchgrass), 밀짚, 볏짚, 귀리 껍질, 옥수수(예를 들어 옥수수줄기 또는 옥수수속), 포플러(poplar) 나무, 버드나무, 사탕수수, 및 기름야자나무(야자유)를 포함한다. 또한, 신문과 같은 도시 폐기물까지도 모두 적절한 바이오매스 재료로 사용될 수 있다.
바이오매스는 다른 예시로서, 줄기, 잎, 깍지, 겨, 목재, 목재 조각, 목재 펄프, 및 톱밥을 포함한다. 종이 폐기물은 구체적인 예시로서, 폐기된 복사 용지, 컴퓨터 프린터 용지, 노트 종이, 메모지 종이, 타이프라이터 용지, 신문, 잡지, 판지, 종이 재질의 패키징(packaging) 재료를 포함한다.
일 구현예에서, 바이오매스는 우세하게 하나 이상의 C4 그래스(grass)이다. C4그래스는 4개의 탄소 원자를 가진 중간체를 포함한 이산화탄소 대사 경로로 분류된다. 이는 'Biology of Plants'(Raven, Evert, and Curtis, Worth Publishing Co., second edition, p. 1, 16-1, 17, 1976)에 개시되어 있으며, 상기 문헌은 참조로서 본원에 포함된다.
특히, 바람직한 C4 그래스는 C4 다년생화본과식물(perennial grasses)이다. 다년생화본과식물은 매년 경작 및 비옥화가 요구되지 않으므로, 일년생목초(annual grasses)에 비해 발효 및 에탄올 생산에 더 적절하다고 할 수 있다. 특히, 바람직한 C4 다년생화본과식물은 스위치그래스(switchgrass), 억새, 코드그래스(cord grass), 및 라이그래스(rye grass)를 포함한다. 이러한 풀들은 특히 빠른 성장을 한다. 코드그래스(cord grass)의 경우, 성장 주기의 일부분에서 C3 대사를 사용함에도 불구하고 C4 그래스로 분류된다.
III. 팽창제
팽창제는 용기의 접촉 또는 처리 영역 내의 바이오매스의 적어도 일부를 팽창시키거나/팽창시키고 파열시키는데 효과적인 화학 조성물이다. 처리된 바이오매스는 미처리된 바이오매스와 비교할때 발효 가능한 셀룰로오스를 상당량 가지고 있으므로 발효에 있어 매우 바람직한 연료이다. 발효는 호기(함산소) 조건뿐만 아니라 혐기(산소 부족) 조건에서도 발생할 수 있다. 호기 조건에서, 효모균과 같은 미생물은 당질을 분해하여 C02 및 H20와 같은 최종 생성물을 생산할 수 있다. 혐기 조건에서, 효모균은 대안 경로를 이용하여 C02 및 에탄올을 생산할 수 있다. 본 발명에 따른 발효 반응은 바람직하게는 혐기, 즉, 부분적으로 또는 완전히 산소가 부족한 조건 하에서 진행된다. 또한, 발효는 호기성 및 혐기성 대사의 구별이 없는 증식배지(growth medium)에서의 미생물의 대량 생장을 언급하는데 사용될 수 있다.
발효 공정의 일부로서, 처리된 바이오매스는 수성 혼합물 내의 하나 이상의 셀룰라아제 효소와 접촉할 수 있다. 상기 셀룰라아제는 정제된 효소로서 제공되거나, 상기 수성 혼합물 중 셀룰라아제 생산 미생물로 제공될 수 있다. 셀룰라아제는 가수분해에 영향을 주거나, 아니면 셀룰로오스(불용성 셀룰로오스 및 셀룰로오스의 가용성 생성물 포함)를 가용화(solublize)할 수 있는 임의의 효소도 포함할 수 있다. 셀룰라아제의 적절한 공급원에는 Spezyme™ CP, Cytolase™ Ml 04, 및 Multifect™ CL (Genencor, South San Francisco, CA)와 같은 상업적 셀룰라아제 제품이 포함된다.
팽창제는 예시로서 다음을 포함하나 이로 인해 제한되지는 않는다: 1) NRR1R2 구조의 수용성 아민 (여기서, R, R1, 및 R2는 동일하거나 상이하고; 수소, 또는 1 내지 20개의 탄소(대안으로 1 내지 10개의 탄소, 1 내지 8개의 탄소, 또는 1 내지 6개의 탄소)를 포함한 탄화수소로 이루어진 그룹에서 선택되고; 임의로 산소, 질소, 황, 또는 인으로 치환될 수 있고; 또는 2개 이상의 R기가 부착되어 고리(cyclic) 그룹(구체적인 예로는 암모니아, 메틸아민, 다이메틸아민, N-메틸, 에틸아민, 트리프로필아민, 및 모르폴린을 포함함)을 형성할 수 있다); 2) +NRR1R2R3 구조의 수용성 암모늄 이온 (여기서, R1, R2, 및 R3는 동일하거나 상이하고; 수소, 또는 1 내지 20개의 탄소(대안으로 1 내지 10개의 탄소, 1 내지 8개의 탄소, 또는 1 내지 6개의 탄소)를 포함한 탄화수소로 이루어진 그룹에서 선택되고; 임의로 산소, 질소, 황, 또는 인으로 치환될 수 있고; 또는 2개 이상의 R기가 부착되어 고리(cyclic) 그룹(구체적인 예로는 수산화암모늄, 염화암모늄, 및 염화트리메틸암모늄을 포함함)을 형성할 수 있다); 3) 하이드록시드; 카보네이트; 수산화나트륨, 탄산마그네슘, 및 탄산칼슘(석회)와 같은 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 및 칼슘의 중탄산염; 4) 탄산, 아세트산, 트리플루오로아세트산, 숙신산, 및 시트르산과 같은 1 내지 20개의 탄소(대안으로 1 내지 10개의 탄소, 1 내지 8개의 탄소, 또는 1 내지 6개의 탄소)를 포함한 수용성 모노 또는 폴리 카르복실산; 및 5) 수분에 용해될 때 아황산을 생성하는 이산화황과 같이, 수분에 용해될 때 무기산을 생성하는 물질을 포함하는 황산, 아황산, 질산, 아질산, 인산, 및 염산같은 무기산을 포함한다.
일 예에서, 팽창제는 1 대기압에서 증기 형태이다. 특히, 팽창제는 1 대기압에서 증기이며, 팽창제의 적어도 일정 부분(예를 들어 적어도 20 중량%, 40 중량%, 또는 60 중량%)은 상기 공정의 팽창 및 파열 단계 진행 중 용기 내부에서 액상이다.
바이오매스를 처리하기 위한 팽창제의 양은 사용된 구체적인 팽창제의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 또한 처리될 특정 바이오매스가 몇몇 사례에서 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로, 용기의 처리 부분에 첨가된 팽창제의 양은 바이오매스의 원하는 부분을 팽창시키거나/팽창시키고 파열시키는데 충분한 수준이다. 예를 들어, 팽창제는 용기의 처리 부분에서 팽창제 대 바이오매스의 중량비가 적어도 0.1 : 1이 되도록, 대안으로 0.1 : 1 내지 10 : 1, 또는 0.1 : 1 내지 5: 1 가 되도록 용기에 첨가된다.
IV. 용기
바이오매스는, 바이오매스를 효과적으로 팽창 및/또는 파열하기 위해 상기 바이오매스를 증기 및 액상 조성물과 접촉시키기에 적절한 임의의 용기에서라도 처리될 수 있다. 바람직하게는, 용기는 튜브형 또는 중공(hollow) 실린더이다. 구체적인 구현예에서, 상기 용기는 어느 한 단부에서 유입 및 유출 가스의 유동 및/또는 액상 유동을 허용하는 상기 용기의 축과 가까운 곳에 위치한 포트들(ports)을 포함하고 있는 튜브형 또는 중공(hollow) 실린더이다.
본 발명의 일 구현예에서, 용기는 내경(internal diameter)보다 큰 내부 축 길이를 가진다. 예를 들어, 용기는 내경보다 적어도 4배 큰 내부 축 길이를 가지며, 대안으로는 내경보다 적어도 8배, 적어도 10배, 또는 적어도 12배 큰 내부 축 길이를 가질 수 있다.
상기 용기는 회분식(batch) 또는 연속 공정 시스템의 부분으로서 배치될 수 있다. 하나 이상의 용기가 사용 가능하나, 단 하나의 용기가 사용될 수 있다. 바이오매스 재료가 내장된 하나 이상의 용기를 포함한 구현예에서, 용기들은 병렬로 또는 일렬로 배치될 수 있다.
V. 공정 조건
바이오매스 재료는 용기 내부에서 고정(static) 또는 이동(moving) 베드(bed)로서 유지될 수 있다. 고정 베드의 형태에서, 바이오매스는 용기의 유입 및 유출 단부에 맞춰진 지지체 메쉬(support mesh) 또는 스크린과 같은 투과성 지지체(permeable support)에 의해 유지될 수 있다. 바이오매스 입자보다 작은, 바람직하게는 적어도 5배 작고, 가장 바람직하게는 적어도 10배 작은, 개구부를 포함하는 메쉬 또는 스크린이 사용된다. 용기의 각 단부에서, 플리넘(plenum)은 바람직하게는 바이오매스 입자들의 베드(bed) 전체에 걸쳐 균일한 가스 유동 분배가 가능하도록 제공된다.
바람직하게는, 바이오매스 재료는 용기 안에서 다공성 충진 베드(porous packed bed)로서 배치된다. 이 배치에서, 바이오매스는 각각의 입자가 서로에 대해 위치가 고정된 미립자 형태이다.
바이오매스는 팽창제로 효과적으로 처리되어 바이오매스의 팽창 및/또는 파열을 야기하도록 용기 안에 또한 배치된다. 바이오매스는 팽창제가 수분 함량이 거의 없거나 부재하게 용기로부터 직접적으로 회수될 수 있는 방식으로 스팀과 함께 제거될 수 있도록 용기 내부에 배치된다.
용기 내부의 바이오매스 처리 후 상기 용기로부터 수분 함량이 낮은 팽창제의 적절한 제거를 보장하기 위해 다양한 파라미터(parameter)가 사용될 수 있다. 상기 파라미터의 한 예는 아르키메데스수이다. 아르키메데스수 (NAr)는 유체 시스템에서 자유 대 강제 대류(free to forced convection) 비율을 정량화한다. NAr 은 실질적으로 순수(pure)한 형태, 즉, 수분 함량이 거의 없거나 부재한 형태로서 팽창제의 회수를 허용하는 수준으로 스팀 유동 비율(steam flow rate)을 제어하는데 유용한 파라미터이다. 아래에 개시된 것과 같이, 측정 가능한 양으로부터 산출된 NAr값은 바이오매스 입자의 베드의 매스(mass) 이동 영역 내부의 자유 및 강제 대류(free to forced convection)의 상대적 힘을 지칭하며, 이는 실질적으로 순수(pure)한 증기로서 회수될 수 있는 잔여 팽창제의 분획(fraction)을 결정한다.
NAr은 레이놀즈수(NRe) 및 그라쇼프수(NGr)로부터 다음으로서 산출될 수 있다:
NAr = NGr / NRe 2
순환 단면을 포함한 실린더형의 다공성 충진 베드(cylindrical porous packed bed)에 있어서, 그라쇼프수(NGr)은 베드 지름 DBed 및 베드 각도 θBed, 스팀 및 증기 온도 Tsteam 및 Tvap, 밀도 ρsteam 및 ρvap, 점성 μsteam 및 μvap, 그리고 중력 상수 g = 9.81 m/s2로부터 다음으로서 산출될 수 있다:
NGr = [2g DBed 3 (ρsteam +ρvap)2 (Tsteam - Tvap) cos(θBed)] / [(Tsteam + Tvap) (μsteam + μvap)2]
원형 횡단면을 포함하는 실린더형의 다공성 집단 베드를 통한 축방향 스팀 유동에 있어서, 레이놀즈수 (NRe)는 베드 지름 DBed, 스팀 매스 유동 비율(steam mass flow rate) msteam, 스팀 동점성(steam dynamic viscocity) μsteam 으로부터 다음으로서 산출될 수 있다:
NRe = (4 msteam)/(πμsteam DBed)
베드 공극률(εBed, 용적%)은 베드 밀도 ρBed 및 바이오매스 순밀도 ρTrue를 이용하여 εBed = 100(1 - ρBed /pTrue)로서 산출될 수 있다. 일 구현예에서, 바이오매스 입자는 처리 용기에서 적어도 85 용적% 이상, 대안으로는 적어도 88 용적% 이상의 베드 공극률로 처리 용기 안에 포함된다.
바이오매스 베드 밀도 (ρBed, kg/m3)는 ρBed = mBed/V Bed 으로서 산출될 수 있으며, 여기서 VBed는 적절한 기하 공식을 사용하여 베드 크기로부터 산출된 베드 부피(m3)이다.
바이오매스 베드 건조 매스 (mBed, kg)은 mtotal 및 xmoist로부터 mBed = mtotal(l - xmoist / 100)로서 산출될 수 있다.
스팀 밀도 (ρsteam, kg/m3) 및 점도(μsteam, kg/ms)는 측정된 스팀 온도 Tsteam을 이용하여 표준 문헌 스팀 표의 값들로부터 보간(interpolated)될 수 있다.
증기 조성, 밀도 (ρvap, kg/m3), 및 동점성 (μvap, kg/ms)은 증기 온도 Tvap로부터 도 2를 이용하여 보간법에 의해 산출되거나, 또는 내용이 참조로서 여기에 포함된 'A Helmholtz free energy ormulation of the thermodynamic properties of the mixture {water + ammonia}' (Tillner-Roth, R., and D.G. Friend. J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 27, no. l, p 63-83, 1998)에 기재된 적정 압력에서 포화된 암모니아-수분 증기 혼합물의 성질에 관한 문헌 데이터에 대한 비교로서 산출될 수 있다.
“스팀 매스 비율(stream mass rate, msteam, kg/s)”이란 반응 또는 접촉 용기로 주입 또는 진입된 스팀의 매스를 지칭한다. 스팀 매스 비율은 소용돌이 유량계(vortex meter)와 같은 적절한 유량계를 이용하여 측정할 수 있다. 대안으로는, 스팀 매스 비율은, 무시할 수 있는 양의 스팀 유동이 베드의 출구 단부로부터 관찰되는 동안 측정된 시간 간격 동안 스티밍(steaming)을 진행하기 전과 후에 바이오매스 베드의 합성 수분 함량을 측정함으로써 측정될 수 있다.
“스팀 및 증기 온도(Tsteam and Tvap, K)”는 반응 또는 접촉 용기 입구에서의 스팀 온도, 및 반응 또는 접촉 용기로부터 나가는 팽창제 온도를 지칭하며, 이때 팽창제는 대부분 증기 상태에서 용기에서 나간다. 스팀 및 증기 온도는 베드의 유입 및 유출 단부로부터 각각 1 베드 지름(one bed diameter) 이하 만큼에 위치한 유입 스팀 및 유출 스팀에 위치하는 온도 센서를 이용하여 측정할 수 있다.
상기 스팀은 바이오매스의 잔여 팽창제의 처리 용기를 비우기 위한 추진력으로서 사용되며, 이는 포화 또는 과열될 수 있다. 스팀 압력은 처리 용기의 압력 정격(pressure rating)에 따라 달라질 수 있다. 예시로서, 5 psig 내지 500 psig의 스팀 압력이 사용될 수 있다. 대안으로서, 5 psig 내지 400 psig의 스팀 압력, 또는 5 psig 내지 300 psig 의 스팀 압력이 적용될 수 있다.
바이오매스 순(true) (골격(skeletal)) 밀도(ρtrue, kg/m3)는 용기의 반응 부분에서 바이오매스의 순밀도를 지칭하며, 이는 체적 비중측정(volumetric pycnometry) 분석에 의해 측정될 수 있다. 순밀도 값은 표준 방법에 따라 자동 가스 비중계 기구(automatic gas pycnometer instrument, Quantachrome Pentapyc 5200e)를 사용하여 측정하였다.
“베드 각도 (θBed)”는 바이오매스 베드를 통한 축방향 유동 방향 및 지역 중력 벡터(local gravity vector) 사이의 각도를 지칭한다. θBed는 카펜터(carpenter)의 플럼 라인(plumb line) 또는 기포관 수준기(spirit level)를 이용하여 편리하게 측정할 수 있다. 일 구현예에서, 베드 각도는 수직으로부터 30도 이하이며, 대안으로 수직으로부터 25도 이하, 또는 수직으로부터 20도 이하이다.
“바이오매스 수분 함량(xmoist, 매스%)”는 용기 내의 바이오매스의 수분 함량을 지칭하며, 이는 내용이 참조로써 여기에 포함된 'Standard method for determination of total solids in biomass' (Ehrman, T. N EL Laboratory Analytical Procedure LAP-001 , National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, November 1994)에 기재된 바와 같이 105°C에서 건조 상실(loss on drying)로서 열 중량적(thermo-gravimetrically)으로 측정될 수 있다.
“바이오매스의 총 베드 매스(mtotal, kg)”는 용기의 반응 부분(즉, 바이오매스가 처리되는 영역)의 전체 바이오매스를 지칭하며, 이는 용기 안의 베드로서 모인 콘테이너(container)의 전체 및 용기 매스 사이의 차이를 중량 측정(gravimetrically measuring)하여 측정할 수 있다. 동일하게, mtotal 은 바이오매스가 용기의 반응 부분으로 최소한의 매스 손실(mass loss)과 함께 이동되는 빈(bin)의 전체 및 용기 매스 사이의 차이를 중량 측정하여 측정할 수 있다.
원하는 수분 함량에서 처리된 바이오매스로부터 팽창제를 제거 및 회수하기 위하여, 회수된 팽창제는 매우 순수한 형태로 존재하기 때문에, 공정이 거의 없거나 부재하는 상황에서 아르키메데스수는 회수된 팽창제가 재사용을 위해 재생될 수 있도록 충분히 높아야 한다. 예를 들어, 아르키메데스수는 적어도 4 일 수 있으며, 대안으로는 적어도 4.5 또는 적어도 5 일 수 있다.
팽창제는 수분이 거의 없는 반응 또는 처리 용기로부터 회수될 수 있다. 예를 들어, 바이오매스 처리 및 스팀 접촉 또는 스트리핑(stripping) 후 처리 용기로부터 직접적으로 회수된 팽창제의 총 중량을 기준으로, 수분 함량이 10 중량% 이하에서, 대안으로는 수분 함량이 5 중량%, 3 중량%, 또는 1 중량% 이하로 바이오매스 처리 및 스팀 접촉 또는 스트리핑을 한 후, 팽창제는 처리 용기로부터 직접적으로 회수될 수 있다. 또한, 스팀 접촉 또는 스트리핑 단계 중 처리 용기로부터 직접적으로 회수된 팽창제의 총 중량을 기준으로, 수분 함량이 15 중량% 이하로, 대안으로는 수분 함량이 10 중량% 이하, 또는 5 중량% 이하로, 팽창제는 스팀 접촉 또는 스트리핑 단계 중 처리 용기로부터 직접적으로 회수될 수 있다. 팽창제는 증기로서 용기로부터 직접 회수될 수 있다.
바이오매스를 팽창제와 함께 처리하는 동안 용기의 온도 및 압력은 바이오매스의 팽창 및/또는 파열을 개선할 정도로 충분히 높다. 표준 조건, 즉, 1 대기압 및 25℃에서 증기인 팽창제가 사용되는 경우, 공정의 팽창 또는 파열 단계가 실시될 때 팽창제의 적어도 일부가 액상 단계에 있도록 용기의 온도 및 압력을 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 일 구현예에서, 공정은 바이오매스를 내장한 용기가 25°C 내지 200°C의 온도 범위 내에 있도록 실시된다. 바람직하게는, 상기 공정은 바이오매스를 내장한 용기가 30°C 내지 180°C의 온도 범위 내에 있도록 실시되며, 더 바람직하게는, 50°C 내지 150°C의 온도 범위 내에 있도록 실시된다.
본 발명에 따른 다른 구현예에서, 상기 공정은 상기 바이오매스를 팽창제로 처리 중 용기의 압력이 20 psia (137.9 kPaa) 내지 1000 psia (6895 kPaa) 범위 내에 있을 수 있도록 실시된다. 바람직하게는, 상기 공정의 처리 부분은 처리된 바이오매스를 내장하는 용기 압력이 40 psia (275.8 kPaa) 내지 800 psia (5516 kPaa), 더 바람직하게는 60 psia (413.7 kPaa) 내지 500 psia (3447 kPaa) 범위 내에 있도록 실시된다.
바이오매스는, 바이오매스의 적어도 일부를 팽창 및/또는 파열시키기에 충분한 시간동안, 팽창제와 접촉 또는 처리된다. 예를 들어, 바이오매스는 바이오매스 재료 중 적어도 25 중량% 또는 적어도 50 중량%가 팽창 및/또는 파열시킬 수 있도록 접촉 또는 처리될 수 있다. 바이오매스는 팽창제와 적어도 1분 동안 접촉할 수 있으며, 대안으로 적어도 2분, 또는 적어도 5분 접촉할 수 있다.
VI. 팽창제 제거
상기 바이오매스를 상기 팽창제로 처리 후, 팽창제의 적어도 일부는 처리 후 용기의 제1 단부로부터 제거되고, 반면, 처리된 바이오매스의 적어도 대부분은 용기 내부에 남아 있다. 이후, 용기 내부에 남아 있는 처리된 바이오매스를 스팀과 접촉시키는데, 상기 스팀은 잔여 팽창제, 즉 바이오매스에 흡수되지 않고 용기 안에 남아있는 팽창제의 적어도 일부를 한층 더 제거하기 위해 제1 단부와는 상이한 용기의 제2 단부로 주입된다.
팽창제는 처리 후 용기 내부의 압력을 감소시키는 방법으로 용기의 제1 단부를 개방함으로써 용기로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 밸브는 처리된 바이오매스로부터 팽창제를 제거하기 위하여 필요할 때 개방될 수 있도록 용기의 제1 단부로부터 일렬로 위치할 수 있다. 구체적인 예시로서, 용기의 압력은 팽창제와 함께 처리 중 상기 용기의 압력의 50% 미만으로 감소할 수 있다. 대안으로는, 용기의 압력은 용기 내부의 처리된 바이오매스로부터 팽창제를 제거하기 위해 상기 용기의 압력의 20% 미만, 또는 10% 미만으로 감소할 수 있다.
용기로부터 팽창제를 제거하기 위해 용기의 제1 단부를 개방한 후에도 용기 내 잔여 팽창제가 남아있을 수 있다. 이후, 이러한 잔여 팽창제는 용기의 제2 단부로 스팀을 주입함으로써 제거될 수 있다. 상기 주입은 상기에 기재된 바와 같은 조건하에 상대적으로 순수(pure) 또는 건조(dry) 형태로 팽창제의 상당 부분을 회수하기 위해 실시된다.
스팀이 용기의 제2 단부로 주입될 때, 용기의 제1 단부는 제2 단부로 나가는 스팀의 품질을 결정하기 위해 모니터링될 수 있다. 예를 들어, 상기 용기를 나가는 스팀은 스팀이 용기의 제2 단부에 적용될 때, 팽창제의 함량 및 상기 용기를 나가는 스팀의 습도 수준(moisture level)을 측정하기 위해 모니터될 수 있다. 용기를 나가는 스팀이 수용 가능하게 낮은 수분 함량 조건에 있는 한 회수된 스팀은 매우 순수한 팽창제가 될 것이므로, 스팀은 재사용을 위하여 회수될 수 있다.
VII. 추가 바이오매스 공정
본 발명에 따른 특정 구현예에서, 처리된 바이오매스 재료는 한층 더 가공될 수 있으며, 아니면 화학적으로 전환(coverted)될 수 있다. 예를 들어, 바이오매스 재료는 용기로부터 잔여 팽창제를 제거하기 위하여 스팀 적용(application) 후 제거될 수 있으며, 이후 운송 연료 또는 연료 요소로 유용한 에탄올 또는 기타 조성물을 만들기 위함과 같이 화학 유도체를 생산하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 예시에서, 바이오매스 재료는 바람직한 연료 성분들을 생산하기 위하여 발효될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 팽창제는 바이오매스의 효소 소화율을 증가시키기 위해 바이오매스 재료를 충분히 처리할 수 있다. 효소 소화율은 바이오매스 재료가 가수분해 효소에 의해 이의 당질 구성 성분으로 전환될 수 있는 능력을 지칭한다. 본 발명에 따른 효소 소화율은 표준 실험실 프로토콜(standard laboratory protocol)을 사용하여 측정될 수 있으며, 이는 예를 들어 'Enzymatic saccharification of lignocelluosic biomass' (National Renewable Energy Laboratory Technical Report TP-510- 42629, March 2008)를 참조할 수 있다.
본 발명에 따른 목적을 위하여, 효소 소화율(enzyme digestibility)은 바이오매스 재료가 셀룰라아제 또는 크실라나아제 효소를 이용하여 글루코스 및 크실로오스 중 하나 이상으로 소화될 수 있는 비율이다. 바이오매스 재료의 효소 소화율에 관하여, 바이오매스를 팽창제와 접촉 또는 처리하는 양적 효과는, 팽창제로 접촉 또는 처리된 바이오매스 샘플의 0.15 그램의 건조 매스를 유리 신틸레이션 바이알(glass scintillation vial)에 첨가하고, 접촉 또는 처리되지 않은 바이오매스의 동일 건조 매스를 별개의 바이알에 첨가함으로써 측정될 수 있다. 바람직하게는, 양 바이오매스 샘플들의 이중 바이알들(duplicate vials)이 준비된다.
이후, 각 용기에 5.0 ml, 0.1 몰(mole), pH 4.8 구연산나트륨 버퍼(buffer) 및 1.5 FPU(Filter Paper Units)와 같은 양의 셀룰라아제 효소 용액이 첨가된다. 크실라아제 효소 또한 같은 양이 각 바이알에 첨가될 수 있다.
이후, 각 용기의 총 부피를 증류수를 첨가함으로써 10.0 ml로 희석시킨다. 이후 용기를 밀봉하고 고형물이 부유되게 유지할 수 있도록 충분히 교반하면서 50±1 °C 조건으로 48시간 동안 배양한다. 배양 기간 동안 온도 및 pH를 포함한 조건은 소화에 사용되는 특정한 효소에 맞도록 필요에 따라 적절하게 조정될 수 있다.
배양 후에, 액상 분액(aliquot)은 각 바이알로부터 회수되고, 0.45 마이크론(micron) 필터로 여과되며, 그리고 이후 여과된 액체는 HPLC 또는 다른 어떠한 적절한 계량 기법을 이용하여 글루코스, 크실로오스, 또는 양자의 함량을 결정하기 위해 분석된다.
이후, 바이오매스의 증가된 효소 소화율은 Xcell = 100*[(CGlu)abs/(CGlu)-l ]로서 산출될 수 있으며, 이 때 Xcell은 셀룰로오스 소화율의 % 증가치이며, (CGlu)abs는 팽창제로 접촉 또는 처리된 바이오매스로부터 여과된 여액(filtrate) 중 글루코스 농도이고, (CGlu)는 팽창제로 접촉 또는 처리되지 않은 바이오매스로부터 여과된 여액 중 글루코스 농도이다.
유사한 계산이 여과된 액체의 분액(aliquot) 내에서 크실로오스의 농도에 기초하여 증가된 효소 소화율에 대해 실시될 수 있다. 그러한 사례에서, Xcell = 100*[(CXyl)abs/(CXyl)-l ]이며, 이때 Xcell은 크실란 소화율의 % 증가치이며, (CXyl)abs는 팽창제로 접촉 또는 처리된 바이오매스로부터 여과된 여액 중 크실로오스 농도이며, (CXyl)는 팽창제로 접촉 또는 처리되지 않은 바이오매스로부터 여과된 여액 중 크실로오스 농도이다. 바람직하게는, 바이오매스를 팽창제로 접촉 또는 처리하는 것은 효소 소화율을 적어도 5% 증가시키며, 더 바람직하게는 적어도 50%, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 100% 증가시킨다. 이러한 증가는 Xcell로 정의된 셀룰로오스 및 크실로오스 소화율 증가치 중 하나 이상에 의하여 측정될 수 있다.
본 발명에 따른 일 구현예에서, 바이오매스는 팽창제로 처리되어 용기에 처음 공급되었을 때의 소화율 대비 적어도 10% 의 효소 소화율이 증가된다. 대안적으로, 바이오매스는 팽창제로 처리되어, 용기에 처음 공급되었을 때의 소화율 대비 적어도 20%, 보다 바람직하게는 적어도 30%, 가장 바람직하게는 적어도 40%의 효소 소화율이 증가된다.
VIII. 실시예
도 1은 암모니아 증기로 예시된 팽창제 증기의 회수의 흐름도로, 여기서 암모니아 증기는 스팀이 베드의 상부으로 주입될 때 대기압에서 바이오매스의 수직 다공성 충진 베드(vertical porous packed bed) 하부로부터 축출(expelled)된다. 회수 공정 중 임의의 시점에라도, 베드는 세 영역(zone)으로 나눠질 수 있다. 베드의 상부는 스트립 영역(stripped zone)이며, 여기서 팽창제, 즉 NH3 농도는 무시할만한 양이며, 베드 온도는 유입된 스팀의 온도와 거의 같다. 베드의 하부는 NH3 포화 영역(saturated zone)으로, 여기서 스팀은 아직 상기 영역으로 관통하지 못하고, 상기 섹션(sections)으로부터 하향 유동하는 NH3가 풍부한 증기의 흡수로 인해 NH3 농도가 증가하고 베드 온도는 하락한다. NH3 포화 영역의 하부에서 나가는 증기는, 이의 조성(composition)이 포화 영역에서 흡수된 액상과 평형(equilibrium)을 이루는 증기이다.
스트립 영역과 NH3 포화 영역 사이에 매스 이동 영역이 있고, 여기서 증기는 흡수된 액상으로부터 암모니아를 기화하는 열을 응결(condensing) 및 유리(liberating)한다. 매스 이동 영역의 하부 가장자리를 따라서, 흡수된 액상은 NH3가 풍부하며, 바이오매스로부터 발생된 증기는 매스 이동 영역의 상부로 들어가는 스팀보다 확연하게 온도가 낮고 밀도가 높다. 이러한 뜨거운 스팀과 NH3가 풍부한 바이오매스로부터 발생된 차가운 증기의 밀도 차이는 증기 스트리핑 공정 중 매우 큰 부력(buoyant) 효과를 야기할 수 있다.
도 2는 NH3 회수 중 발생된(encountered) 온도 범위에서 바이오매스로부터 발생하는 증기의 조성 및 밀도를 도시한다 ('A Helmholtz free energy formulation of the thermodynamic properties of the mixture {water + ammonia}' (Tillner-Roth, R., and D.G. Friend, J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 27, no.l, 1998, p 63-83) 참조). 또한 참조로서, 도 2는 대기압에서 포화된 증기의 밀도를 도시한다. 매스 이동 영역의 하부에서, NH3가 풍부한 증기의 온도는 10℃ 미만일 수 있으며, 유입하는 스팀과 NH3가 풍부한 증기의 밀도차 Δρ는 상당히 큰 반면에, 매스 이동 영역 상부에서 온도가 스팀의 온도에 근접하는 경우 Δρ는 0에 근접한다.
스팀은 강제 대류(forced convection)에 의해 매스 이동 영역으로 운송된다. 바이오매스로부터 발생된, NH3가 풍부한 증기와 함께 유입된 증기의 강제 대류 혼합(Forced convective mixing)은 매스 이동 영역의 길이를 연장시킬 것이다. 베드의 길이에 대해 매스 이동 영역이 더 길어질 수록, 실질적으로 순수한(pure) 증기로서 베드로부터 회수될 수 있는 잔여 암모니아 %는 보다 감소할 것이다. 스팀과 NH3가 풍부한 증기 사이의 밀도차로 견인되는 자유 대류(Free convection)는 NH3가 풍부한 증기로부터 스팀을 분리하고 매스 이동 영역의 연장을 막음으로써 견인된 강제 대류 혼합(forced convection mixing)과 반대된다.
실시예 1-8 (일반 실험)
일련의 실험들이 실시되었으며, 여기에서 바이오매스는 지름이 9.7 cm, 길이가 15 cm인 6개의 동일한 원통형 콘테이너들(containers)에서 제분(milled)되고, 스크리닝(screened)되고, 충진(packed)되었다. 상기 콘테이너들은 각 콘테이너로 유입, 유출되는 증기의 축방향 유동을 허용하기 위해 개방 면적(open area)이 41%인 다공 시트(perforated sheet)로 만들어진 단판들(end plate)로 제조되었으며, 바이오매스는 상기 콘테이너들 내로 압축되었다. 상기 6개의 콘테이너들은 외경이 10.2 cm, 길이가 125 cm인 수직 스테인레스강 튜브형 베드 용기(vertical stainless steel tubular bed vessel) 내로 조립되었으며, 이웃한 콘테이너와 접촉한 각 콘테이너의 단부는 지름이 9.7 cm, 길이가 90 cm인 분할된 다공성 베드(segmented porous bed)를 형성한다.
베드는 튜브의 상부에서 초당 1 그램의 매스 유동 비율로 스팀을 주입함으로써 미리 스팀 (pre-steamed) 상태로 되게 하였으며, 스팀 및 추방된(displaced) 공기는 베드 하부에서 수직 하향으로 약 10분 동안 방출(vent)될 수 있도록 허용되었다. 그리고, 베드의 상부(top)로 압축된 무수(anhydrous) 암모니아 증기가 주입되는 동안, 베드에 베드의 하부로부터의 유동을 막음으로써 암모니아를 첨가(ammoniated)하였다. 암모니아 첨가 중 최대 압력은 200 psig에 도달하였다. 암모니아는 암모니아 대 건조 바이오매스 비율이 1 : 1에 도달할 때까지 첨가되었다.
상기 바이오매스를 암모니아로 처리 후, 베드 압력이 1 기압일 때까지 증기를 베드의 하부로 방출시켜 압력을 베드로부터 유출시켰다. 이후, 잔여 암모니아는 증기가 대기 압력에서 베드의 하부로부터 유동하는 동안 베드의 상부로 초당 1 그램의 매스 유동 비율로 주입됨으로써 베드로부터 회수되었다.
베드의 하부로부터 축출된(expelled) 증기 온도는 베드의 하부로부터 10 cm 미만 간격에 위치한 온도 센서를 사용하여 모니터링되었고; 증기의 조성은 도 2에 도시된 NH3-H2O 증기 조성 곡선을 사용한 보간법(interpolation)에 의해 상기 온도로부터 결정되었다. 증기는 매스 및 농도가 알려진 개별 구연산 분획들(fractions) 내부에 갇히고(trapped); pH 변화는 각 분획들에 갇혀있는 암모니아의 매스를 산출하기 위해 사용되었다.
후술하는 표는 각 실시예를 위한 다양한 바이오매스 성질 및 작용 조건을 개시한다. 실시예 1 및 실시예 2는 비교예로 제공된다. 실시예 3 내지 실시예 8은 전체 발명의 하나 이상의 구현예를 나타낸다. 본 발명에 따른, 회수될 수 있는 팽창제 양과 비교한 회수 품질의 예시로서, 도 3은 실시예 3에서 스팀 스트리핑 및 베드로부터 잔여 암모니아를 회수하는 중 축출된 증기의 조성에 대한 그래프를 도시한다.
[표]
Figure pct00001
상기 실시예들이 보여주는 바와 같이, 바람직한 파라미터들(예로 베드 각도, 베드 공극률, 아르키메데스수 등) 내에서 실시된 상기 실험들에서 매우 높은 순도(purity)의 암모니아가 회수되었다. 다양한 팽창제, 특히 표준 조건, 즉 1 대기압 및 25℃의 조건에서 증기 상태인 팽창제들에서도 동일한 결과가 예상될 수 있다. 상대적으로 높은 순도(purity)로 팽창제를 회수하는 것의 장점 중 하나는 팽창제가 하향 공정이 거의 없거나 부재한 상태로 재생될 수 있다는 것이다.
본 발명에 따른 작용 원칙 및 형태는 다양한 예시 및 바람직한 구현예를 참조하여 상기와 같이 기재되었다. 당업자에게 이해된 바와 같이, 전체 발명은, 청구항에 의해 정의된 바와 같이, 특별하게 여기에 언급되지 않은 다른 바람직한 실시예를 포괄한다.

Claims (20)

  1. 바이오매스를 용기 내부에서 바이오매스 팽창제로 처리하여 바이오매스의 적어도 일부가 팽창 또는 파열되게 하는 단계;
    상기 처리된 바이오매스의 적어도 대부분은 상기 용기 내부에 남겨두는 반면에, 상기 팽창제의 적어도 일부를 상기 용기의 제1 단부로부터 제거하는 단계; 및
    상기 용기 내부에 남아있는 상기 처리된 바이오매스를 상기 제1 단부와 상이한 상기 용기의 제2 단부로 주입된 스팀과 접촉시켜 상기 용기로부터 팽창제를 한층 더 제거하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 스팀과 용기 내의 상기 처리된 바이오매스가 접촉하는 중에 상기 용기가 수직으로부터 30도 이하의 베드 각도에 있는 바이오매스 처리 공정.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 바이오매스는 적어도 85 용적%인 베드 공극률로 상기 용기에 내장되는 바이오매스 처리 공정.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 팽창제가 암모니아인 바이오매스 처리 공정.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 팽창제는 상기 용기의 접촉 영역에서 팽창제 대 바이오매스의 중량비가 적어도 0.1 : 1이 되도록 상기 용기에 첨가되는 바이오매스 처리 공정.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 스팀 및 상기 용기 내의 처리된 바이오매스의 접촉은 아르키메데스수가 적어도 4 가 되도록 실시되는 바이오매스 처리 공정.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 스팀과의 접촉에 의해 상기 용기로부터 제거된 상기 팽창제는 상기 증기 접촉 단계 중 상기 처리 용기로부터 직접적으로 회수되고, 상기 직접적으로 회수된 팽창제는 상기 증기 접촉 단계 중 회수된 팽창제의 총 용량에 근거하여 15 중량% 이하의 수분 함량을 갖는 바이오매스 처리 공정.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 용기로부터 제거된 상기 팽창제는 증기로서 제거되는 바이오매스 처리 공정.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 바이오매스는 상기 용기의 접촉 영역에 내장되고, 이 때 상기 접촉 영역은 4 보다 큰 길이 대 지름 비율을 갖는 바이오매스 처리 공정.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 스팀은 상기 용기에 포화 또는 과열 스팀으로서 공급되는 바이오매스 처리 공정.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 바이오매스는 상기 팽창제로 처리되어 효소 소화율이 상기 용기에 처음 공급되었을 때의 소화율과 비교하여 적어도 10% 증가하는 바이오매스 처리 공정.
  11. 바이오매스를 용기 내부에서 바이오매스 팽창제로 처리하여 바이오매스의 적어도 일부가 팽창 또는 파열되도록 하는 단계;
    상기 처리된 바이오매스의 적어도 대부분은 상기 용기 내부에 남겨두는 반면에, 상기 팽창제의 적어도 일부를 상기 용기의 제1 단부로부터 제거하는 단계; 및
    상기 용기로부터 남아 있는 상기 처리된 바이오매스를 상기 제1 단부와 상이한 상기 용기의 제2 단부로 주입된 스팀과 접촉시켜 상기 용기로부터 팽창제를 한층 더 제거하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 스팀과 용기 내의 상기 처리된 바이오매스의 접촉이 아르키메데스수가 적어도 4가 되도록 실시되는 바이오매스 처리 공정.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 바이오매스는 적어도 85 용적% 이상의 베드 공극률로 상기 용기에 내장된 바이오매스 처리 공정.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 팽창제가 암모니아인 바이오매스 처리 공정.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 팽창제는 상기 용기의 접촉 영역에서 팽창제 대 바이오매스의 중량비가 적어도 0.1 : 1이 되도록 상기 용기에 첨가되는 바이오매스 처리 공정.
  15. 청구항 11에 있어서, 상기 스팀 및 상기 처리된 바이오매스가 접촉하는 동안 상기 용기가 수직으로부터 30도 이하의 베드 각도에 있는 바이오매스 처리 공정.
  16. 청구항 11에 있어서, 상기 스팀과의 접촉에 의해 상기 용기로부터 제거된 상기 팽창제는 상기 증기 접촉 단계 중 상기 처리 용기로부터 직접적으로 회수되고, 상기 직접적으로 회수된 팽창제는 상기 증기 접촉 단계 중 회수된 팽창제의 총 용량에 근거하여 15 중량 % 이하의 수분 함량을 갖는 바이오매스 처리 공정.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 용기로부터 제거된 상기 팽창제는 증기로서 제거되는 바이오매스 처리 공정.
  18. 청구항 11에 있어서, 상기 바이오매스는 상기 용기의 접촉 영역에 내장되고, 이 때 상기 접촉 영역은 4 보다 큰 길이 대 지름 비율을 갖는 바이오매스 처리 공정.
  19. 청구항 11에 있어서, 상기 스팀은 상기 용기에 포화 또는 과열 스팀으로서 공급되는 바이오매스 처리 공정.
  20. 청구항 11에 있어서, 상기 바이오매스는 상기 팽창제로 처리되어 효소 소화율이 상기 용기에 처음 공급되었을 때의 소화율 대비 적어도 10% 증가하는 바이오매스 처리 공정.
















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