KR20150067050A - 가압된 저극성 물 추출 장치 및 사용방법 - Google Patents

Abstract

가압된 저극성 물로 바이오매스 공급원료로부터 성분들을 추출하고 회수하기 위한 장치. 상기 장치는, 가압된 물, 가압되고 가열된 물 및 가압되고 냉각된 물의 공급원과 각각 개별적으로 소통하는 2개 이상의 반응 칼럼으로 구조화되어 있다. 가압된 물로 칼럼을 개별적으로 쇄도하고, 상기 물이 가압된 저극성(PLP) 물이 되는 지점까지 상기 칼럼 및 그의 내용물을 가열시키고, 추출된 성분들을 포함하는 PLP 물을 회수하고, 상기 칼럼을 PLP 물로 냉각시키고, 소모된 바이오매스 물질을 상기 칼럼으로부터 제거함으로써 바이오매스로부터 성분들이 추출된다.

Description

가압된 저극성 물 추출 장치 및 사용방법{PRESSURIZED LOW POLARITY WATER EXTRACTION APPARATUS AND METHODS OF USE}

본원에 개시된 다양한 실시양태들은 일반적으로 바이오매스 공급원료(biomass feedstock)로부터 성분들을 추출하기 위한 장비, 장치 및 시스템에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 이 개시내용은 바이오매스 공급원료들로부터 성분들을 추출하기 위한 용매로서 가압된 저극성 물(pressurized low polarity water)의 발생과 사용을 위한 장비, 장치 및 시스템에 관한 것이다.

식물화학물질(Phytochemical)은, 식물에서 자연적으로 발생하고, 다른 것들 중에서도 칼라, 예컨대 블루베리(blueberry)의 진한 보라색, 및 관능적 성질(organoleptic property), 예컨대 마늘의 냄새를 담당하는 화학물질이다. 일부 식물화학물질은 식품과 통상적으로 연관되지 않은 의약 형태로 일반적으로 판매되는 기능식품성(nutraceutical) 제품에 사용되고 있다.

특별히 관심을 갖는 3가지 부류의 식물화학물질, 즉 폴리페놀, 특정 탄수화물 및 글루코사이드가 존재한다. 페놀(phenolic)로서도 지칭되는 폴리페놀은 인간에 의해 소화되는 경우 항산화제 및 소염제로서 주로 기능하는 화합물이다. 항산화제는 다른 분자들의 산화를 억제하는 분자이다. 살아있는 세포에서의 산화는 세포를 손상 또는 사멸시킬 수 있다. 항산화제는 세포 구성성분(구성요소) 대신에 그 자체를 산화시킴으로써 이 손상을 방지한다. 항산화제는 식이요법 보충재에서 널리 사용되고 있으며, 다른 것들 중에서도 암, 관산동맥 심장질환, 고공병(altitude sickness) 등과 같은 질환의 예방에 대하여 연구되어 왔다. 또한, 이들은 식품 및 화장품에서 보존제로서 사용되고 있다. 항산화제는 인간 식이요법에서 소모되는 식품에서 그리고 일부 문화의 전통 약물에서 사용되는 식물에서 존재하기 때문에, 인간의 건강과 질환에서의 이들의 역할은 수많은 연구의 대상이다. 폴리페놀은 공업적으로 합성될 수 있지만, 이들은 주로 식물 및 미생물로부터 입수 가능하게 제조된다.

탄수화물은 살아있는 유기체들에서 다수의 역할을 수행하는 당류(saccharide)이다. 탄수화물은 신체의 에너지 공급원으로서(예컨대, 전분 및 글라이코겐) 그리고 구조적 성분으로서(예컨대, 식물에서의 셀룰로스, 및 진균류 및 절지동물에서의 키틴(chitin)) 제공된다. 단쇄 탄수화물은 또한 당으로서 지칭되며, 장쇄 또는 복잡한 탄수화물은 사라카이드 또는 올리고당류로서 공지되어 있다. 탄수화물 및 이로부터 유래된 기타 성분은 다른 것들 중에서도 포유동물 면역계, 발효, 질환 또는 감염의 예방, 혈류 응고(blood clotting)에서 주요 역할을 담당할 수 있다.

다른 기능성 분자에 결합된 당(페놀에 결합된 당)은 글라이코사이드로서 알려져 있다. 글라이코사이드는 살아있는 유기체들에서 여러 중요한 역학을 담당한다. 다수의 식물은 화합물들을 비활성 글라이코사이드의 형태로 저장한다. 이들은 가수분해 반응에 의해 활성화될 수 있으며, 이로 인해 사용하는 데 허용 가능하도록 당 부분이 분할하게 만든다. 이러한 다수의 식물 글라이코사이드는 약물로서 사용되고 있다.

식물 성분들의 추출에 대한 현재의 접근은 이들 성분들을 식물 바이오매스로부터 용해 및 제거하기 위하여 유기 용매 또는 미가압된 고온의 물을 사용하는 것이다. 유기 용매 시스템은 통상적으로 하나 이상의 에탄올, 메탄올, 에틸 아세테이트 및 아세톤을 사용한다. 그러나, 유기 용매는 일반적으로 독성을 가지며, 이들의 상업적 용도에서는 독성 및 가연성 화학물질과의 사용에 대한 인증된 저장 및 취급 장비가 제공된 방폭(explosion-proof) 시설들이 요구된다. 더욱이, 용매는 최종 산물에서 미량의 병적(unhealthy) 화학물질로서 잔존할 수 있으며, 이들의 독성 성질들로 인해 인간 소비에 대한 안전성 우려가 상승된다.

고온의 물 시스템은 유기 용매계 시스템보다 덜 효율적인 경향을 가지며 단지 식물 바이오매스로부터 잠재적으로 입수 가능한 식물화학물질의 일부만을 추출할 수 있는 것으로 알려져 있다.

기능식품(nutraceutical)에 덧붙여, 바이오매스는 화학적 산물의 가치있는 공급원일 수 있다. 리그노셀룰로스 바이오매스는 전세계에서 가장 풍부한 물질들 중 하나이며, 에너지 및 화학물질의 생산을 위한 미가공 물질로서 그의 용도에 대해 상당한 관심이 있어 왔다. 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌의 그의 구성적 성분들의 활용을 개선시키기 위한 리그노셀룰로스 바이오매스의 분획화(fractionation)는 다양한 물리학적, 생물학적, 열적 또는 화학적 방법들을 사용하여 달성될 수 있다. 열수(Hydrothermal) 처리(또한, 자기가수분해(autohydrolysis), 수소화열분해(hydrothermolysis)로서도 공지되어 있음)는, 바이오매스 내의 탄수화물을 가수분해하기 위해, 가공 조건 및 동일반응계 산(예컨대, 아세틸기로부터 발생된 아세트산)의 생성으로 인해 물 이온화로부터 하이드로늄(hydronium) 이온들의 촉매 활성을 사용하는 스팀 폭발, 가압된 저극성 물(pressurized low polarity water)(PLPW, 또한 통상적으로 과열된 물, 초임계 물, 가압된 열수, 압축된 열수로서도 지칭됨)을 포함한다. 물을 그의 비점 초과의 온도까지 압력 하에서 가열하면, 그의 주요 성질들의 변화, 예컨대 pH 및 극성의 변화가 초래되고, 그의 유전상수가 용매, 예컨대 에탄올 및 메탄올의 것에 근접하는 값까지 감소된다.

다른 것들 중에서 유칼립투스, 포플러, 루에카에나종(Luecaena sp.), 단풍나무(maple), 스위트 검(sweet gum)으로부터의 경질목재 칩, 식물 물질(vegetative material) 및 일년생 식물로부터의 짚, 예컨대 밀짚(wheat straw), 보리짚, 호밀짚, 귀리짚, 브라시카종(Brassica sp.) 짚, 플랙스 샤이브(flax shive), 수수(sorghum), 스위치그라스(switch grass), 사탕수수(sugarcane)를 포함하는 광범위한 리그노셀룰로스 공급원료를 매우 작은 부피의 시스템에서 가공하기 위해, 열수 물 처리를 사용하는 배치식 가공 및 연속식 관류(flow-through) 시스템이 사용되어 왔다. 관류 열수 처리로부터의 생성 수율은 배치식 시스템으로 생성된 것과 크게 다른 것으로 알려져 있다. 관류 반응기들은 더욱 많은 헤미셀룰로스 및 리그닌을 제거하는 것으로 나타났으며, 배치식 시스템에서보다 더 적은 분해 산물이 형성된다. 관류 시스템으로는 거의 완전한 헤미셀룰로스 제거가 가능한 반면, 배치식 시스템에서는 단지 60% 제거가 달성되었다(루이(Lui) 등의 문헌 [2002, The Effect of Flow Rate of Compressed Hot Water on Xylan , Lignin , and Total Mass Removal from Corn Stover. Ind. Eng. Chem. Res. 2003(42):5409-5416]). 더욱이, 리그닌 제거는 배치식 반응기들에서 30% 미만이지만, 관류 시스템에서 높은 유동 속도에서 75% 리그닌 제거가 가능하다(루이 등의 2003년 문헌). 추가로, 관류 반응기들에서의 헤미셀룰로스가 대개는 올리고당으로서 회수된다(루이 등의 2003년 문헌).

그러나, 공급원료 물질의 일정한 생산량을 유지하면서 일정한 압력과 온도를 제공하기 위한 큰 추출 용기에서 높은 압력의 도달과 유지와 연관된 문제점들 때문에, 대량 생산량(large throughput) 상업용 부피 시스템까지의 작은 실험실 시스템의 성공적인 스케일-업은 아직 달성되지 못하였다. 이러한 스케일-업 시도들에서 통상적으로 맞닿는 문제점들은 물질 집괴화(agglomeration), 유체 채널링(fluid channelling)의 개발, 공급원료 물질 생산량에서의 봉쇄(blockage), 및 작은 실험실-스케일 장비에서 달성된 결과들과 비교되는 경우 유의적으로 감소된 추출 효율 및 이질적 추출이 초래되는 백믹싱(back mixing)을 포함한다.

루이(Lui) 등의 문헌 [2002, The Effect of Flow Rate of Compressed Hot Water on Xylan, Lignin, and Total Mass Removal from Corn Stover. Ind. Eng. Chem. Res. 2003(42):5409-5416]

본 개시내용은 가압된 저극성(PLP) 물을 발생시키기 위한 장치, 및 바이오매스 공급원료로부터 성분들을 추출하고 회수기 위한 그의 용도에 관한 것이다.

예시적인 가압된 저극성 물(PLPW) 추출 장치는 2개 이상의 반응 칼럼들로 구조화되며, 각각의 칼럼은 가압된 물, 가압되고 가열된 물, 및 가압되고 냉각된 물의 공급원과 개별적으로 소통한다. 바이오매스 공급원료를 반응 칼럼들 내에 적재시킨 후, 바이오매스 물질들을 포함하는 성분들은, 각 칼럼을 통해 물의 순차적으로 유동하는 4개의 개별 회로들을 포함하는 5-단계 공정으로 각 칼럼에서 바이오매스 물질로부터 추출되고 회수된다. 초기에, 제 1 칼럼은 새로운 바이오매스 공급원료로 적재되고, 장치는 에너지화된다. 에너지화가 완료된 후, 공정은 가압된 물로 칼럼을 쇄도하는 제 1 단계, 칼럼 및 그의 내용물을 가온시키는 제 2 단계, 칼럼 내의 바이오매스 물질을 PLP 물로 가공하는 제 3 단계, 칼럼을 가압된 냉각 물로 냉각시키는 제 4 단계, 및 칼럼을 배수하고 소모된 바이오매스 물질을 제거하는 제 5 단계를 포함한다. 그 다음, 칼럼은 새로운 바이오매스 공급원료로 재충전될 수 있다. 추출된 성분들을 포함하는 물, 즉 액체 산물 유동은 하나 이상의 분취물들에서 제 3 단계 동안 칼럼으로부터 수거된다.

본 발명은 하기 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은, 4개의 독립 공정 회로들을 갖는 5-칼럼 시스템을 사용하는 본 개시내용의 예시적인 가압된 저극성 물(pressurized low polarity water, PLPW) 추출 시스템의 작동을 나타내는 개략적 흐름도이다.
도 2는 도 1로부터의 예시적인 5-칼럼 PLPW 시스템의 개략적 다이어그램이다.
도 2a는 도 2로부터의 섹션 2A 의 확대도(close-up view)이다.
도 3은 도 2에 제시된 5-칼럼 PLPW 시스템을 위한 예시적인 쇄도 회로의 개략적 다이어그램이다.
도 4는 도 2에 제시된 5-칼럼 PLPW 시스템을 위한 예시적인 가온 회로의 개략적 다이어그램이다.
도 5는 도 2에 제시된 5-칼럼 PLPW 시스템을 위한 예시적인 가공 회로의 개략적 다이어그램이다.
도 6은 도 2에 제시된 5-칼럼 PLPW 시스템을 위한 예시적인 냉각 회로의 개략적 다이어그램이다.
도 7은, 3개의 독립적인 가공 회로를 갖는 5-칼럼 시스템을 사용하는 본 개시내용의 또다른 예시적인 PLPW 공정의 개략적 흐름도이다.
도 8은 예시적인 2-칼럼 파일롯-스케일 PLPW 시스템의 개략적 다이어그램이다.
도 9는 예시적인 벤치-스케일 PLPW 시스템의 개략적 다이어그램이다.
도 10은 예시적인 스케일-업(scale-up) PLPW 시스템의 개략적 다이어그램이다.
도 11a 내지 도 11c는, 도 10에 제시된 파일롯 플랜트-스케일 PLPW 시스템에서 밀짚(wheat straw)의 PLPW 가공 후 반응 칼럼에서 셀룰로스(11A), 헤미셀룰로스(11B) 및 리그닌(11C)의 분포를 나타내는 챠트(chart)이다.
도 12a는, 벤치-스케일 반응 칼럼, 스케일-업 반응 칼럼 및 파일롯-스케일 반응 칼럼에서 PLPW 가공으로 밀짚으로부터의 탄수화물 추출물의 회수를 비교하는 챠트인 한편, 도 12b는 3개의 칼럼을 통한 동일한 가공 진행 동안 비-탄수화물 추출물의 회수를 비교하는 챠트이다.
도 13a 내지 도 13c는, 스케일-업 반응 칼럼 및 파일롯-스케일 반응 칼럼을 사용하는 PLPW 가공으로부터의 셀룰로스(13A), 헤미셀룰로스(13B) 및 리그닌(13C)의 수율을 나타낸다.
도 14a 및 14b는 280 nm(14A) 및 520 nm(14B)에서 벤치-스케일 PLPW 시스템으로 콘코드 그레이프 포미스(Concord grape pomace)의 가공으로부터의 크로마토그램이다.
도 15는, 파일롯-스케일 PLPW 시스템으로 콘코드 그레이프 포미스를 가공하는 "Feb 1st C2 long run"(표 12 참조)으로부터 280 및 520 nm에서의 선택된 예시적인 크로마토그램을 나타낸다.
도 16a 및 16b는 280 nm(16A) 및 520 nm(16B)에서 벤치-스케일 PLPW 시스템으로 크랜베리 포미스(cranberry pomace)의 가공으로부터의 크로마토그램이다.
도 17a 및 17b는 280 nm(16A) 및 520 nm(16B)에서 파일롯-스케일 PLPW 시스템으로 크랜베리 포미스의 가공으로부터의 크로마토그램이다.
도 18a 및 18b는 상업용 아피인 스탠다드(commerical apiin standard)(18A) 및 MeOH-물로 추출된 그라운드 파슬리(ground parsley)(18B)로부터 270 nm에서의 크로마토그램이다.
도 19a 내지 도 19c는, 110℃(도 19a), 120℃(도 19c) 및 130℃(도 19c)에서 파슬리의 PLPW 추출물의 HPLC 분석의 크로마토그램이다.
도 20은 30 mL/g의 용매/고체 비율을 사용하는 PLPW 시스템에서 로디올라 로제아(Rhodiola rosea) 뿌리 바이오매스(건조한 출발 물질 14.49 g)로부터 추출된 누적성(cumulative) 건조물 수율을 나타내는 챠트이다.
도 21a 내지 도 21c는, 250 nm(도 21a), 276 nm(도 21b) 및 SIM 포지티브 모드 전기분무 질량 현미경(SIM positive mode electrospray mass spectroscopy)(도 21c)에서 로사린(rosarin), 로사빈(rosavin), 로진(rosin) 및 살리드로시드(salidroside)의 100 μg/mL의 대표적인 크로마토그램이다.
도 22a 내지 도 22c는, 250 nm(도 22a), 276 nm(도 22b) 및 SIM 포지티브 모드 전기분무 질량 현미경(도 22c)에서 건조된 PLPW 로디올라 로제아 추출물의 용액 10 mg/mL(70% 메탄올)의 대표적인 크로마토그램이다.
도 23a 내지 도 23c는, 250 nm(도 23a), 276 nm(도 23b) 및 SIM 포지티브 모드 전기분무 질량 현미경(도 23c)에서 기준(reference) 로디올라 로제아 뿌리 바이오매스 추출물 10 mg/mL(70% 메탄올)의 대표적인 크로마토그램이다.

본 개시내용의 예시적인 실시양태들은 가압된 저극성(PLP) 물을 발생시키기 위한 장치, 및 바이오매스 공급원료로부터 성분들을 추출하고 회수기 위한 그의 용도에 관한 것이다.

바이오매스 공급원료로부터 성분들을 추출하고 회수기 위한 가압된 저극성 물(PLPW)을 위한 예시적인 반연속식 공정은, 도 2, 2a, 3 내지 6에서 제시된 예시적인 PLPW 장치를 사용하는 도 1에 제시되며, 상기 PLPW 장치는 평행하게 설정된 5개의 추출/반응 칼럼들을 포함한다. 일반적으로, PLPW 공정은 예비조건화된 물을 대략 750 psi까지 가압한 후, 가압된 물의 온도를 대략 180℃까지 상승시키며, 이어서 공급원료로부터 성분들을 추출하기 위하여, 가열되고 가압된 물을 선택된 반응 칼럼을 통해 통과시킨다. 예시적인 PLPW 장치의 용량은 유량(flow rate)에 대하여 약 2 L/분 내지 약 30 L/분, 약 4 L/분 내지 약 20 L/분, 약 6 L/분 내지 약 15 L/분, 약 8 L/분 내지 약 12 L/분, 약 10 L/분의 범위이다. 경제적인 작동을 촉진시키기 위하여, 하나의 반응 칼럼이 항상 가공되고 시스템으로부터 PLPW 추출의 연속적 유동이 존재하는 반연속식 공정으로서 예시적인 PLPW 장치가 작동될 수 있다.

도 1에서 제시된 PLPW 공정 및 도 2, 2a, 3 내지 6에서 제시된 예시적인 PLPW 장치에 대한 제어 계획은 부분적으로 자동화될 수 있고, 공정 순서의 수동적 제어를 포함할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 작동자는 각 공정 단계를 활성화시키기 위하여 수동 푸쉬 단추를 사용해야 한다. 일단 활성화되면, 시스템은 자동적으로 장비, 완전한 밸브 가동 및 모니터 주요 기구들을 선택된 단계에 대해 요구되는 대로 가동/정지시킬 수 있다(enable/disable). 제어 계획은 장치의 안전한 작동을 보장하기 위하여 측정기구 사용의 오류 점검 및 각 가공 단계의 시간설정된 순서에 기초하여 자동화될 수 있다.

공정 및 장치 설명:

도 2, 2a에서 제시된 PLPW 장치(5)는, 각각의 반응 칼럼(10, 20, 30, 40, 50)을 통하는 PLPW의 유동을 제어하는 4개의 독립 공정 회로(100(도 2a, 3), 200(도 2a, 4), 300(도 2a, 5), 400(도 2a, 6) )를 포함한다. 각각의 반응 칼럼(10, 20, 30, 40, 50)에 대한 유동 회로는 각각의 반응 칼럼 회로 내에서 밸브 작동의 순서를 제어하는 자동화된 제어 시스템에 의해 선택된다. 용어 "가열기(heater)"는 가공 물을 가열하는 데 사용된 장비를 규정하는 데에 사용되며, 플랜트 스팀(plant steam) 시스템에 연결될 수 있는 "침지(immersion) 가열기" 또는 "쉘(shell) 및 튜브(tube) 열 교환기"를 포함한다.

회로 바이패스 모드 :

PLPW 장치(5)에는, PLPW 장치의 잔여부로부터 개별 반응 칼럼 회로들 중 하나 이상 또는 이들 모두의 단리시킬 수 있는 회로 바이패스 모드(도 2, 2a)가 제공된다. 회로 펌프(120, 220, 320, 420) 중 임의의 것은, 저장기(110, 210)로부터 물을 (i) 열 교환기(130, 230, 330, 430)의 입력 측부, (ii) 가열기(140, 240, 340), (iii) 열 교환기(130, 230, 330, 430)의 출력 측부, (iv) 배압 조절기(150, 250, 350, 450), (v) 제 2 열 교환기(260, 360)를 통해 및 이어서 (vi) 저장기(110)까지 또는 폐수 드레인(drain)까지 유동시킨다. 회로 펌프(120, 220, 320, 420)로부터 배출되는 각각의 물 라인들에는 압력 구제 밸브(pressure relief valve)(170, 270, 370, 470)가 제공된다. 회로 바이패스 모드의 목적은 가압하고 시스템 압력을 유지하는 것이고, PLP 물이 다른 회로들 내에 도입되기 전, 가압된 저극성(PLP) 물 온도를 조정하는 것이다.

쇄도 회로(100):

추출되는 바이오매스 공급원료가 충전된 선택된 반응 칼럼에는 100℃ 미만의 열수가 쇄도된 후, 가압된다. 이 작업은 적어도 2개의 방식들 중 하나에서 달성될 수 있다. 제 1 방법은, 펌프(120)가 제 1 물 저장기(110)로부터 물을 열 교환기(130)의 입력 측부를 통해, 이어서 가열기(140)를 통해, 칼럼(10, 20, 30, 40, 50) 중 하나를 통해, 열 교환기(130)의 출력 측부, 배압 조절기(150)를 통해 시스템 밖으로 폐수 드레인까지 밀어내는 독립 쇄도 회로(100)(도 3)를 활용한다. 이 선택사양은 쇄도 물 온도의 더욱 큰 제어를 허용한다. 쇄도 회로(100)는 칼럼(10, 20, 30, 40, 50)을 쇄도 회로부터 단리시키기 위해 바이패스 밸브(145)를 추가로 포함한다.

제 2 방법은, 이후 더욱 상세하게 설명되는 냉각 회로(도 6)를 활용한다. 제 2 방법은 쇄도되는 반응 칼럼 내로의 배압 조절기로부터의 PLP 물의 전환을 포함한다. 제 2 배압 조절기는 칼럼이 가압되도록 허용한다. 제 2 쇄도 방법의 이점은 칼럼 가압 작업을 달성하는 데 요구되는 장비에서의 감소(추가 펌프 및 가열기)이며, 그리고 이로 인해 (i) 더욱 많은 물이 재순환되도록, 그리고 (ii) 추가의 산물 추출물의 회수가 허용된다. 결점은, 쇄도 물 온도가 독립 회로보다 낮아야 하고(잠재적으로 60℃ 이하), 다수의 칼럼들이 가공 전에 가공 시작 일자에 바이오매스 공급원료로 충전되어야 하는 것이다.

가온 회로:

가온 회로(200) 동안(도 4), 펌프(220)는 제 2 물 저장기(210)로부터 물을 열 교환기(230)의 입력 측부를 통해, 이어서 가열기(240)를 통해, 칼럼(10, 20, 30, 40, 50)의 자켓(jacket)을 통해, 열 교환기(230)의 출력 측부, 배압 조절기(250), 제 2 열 교환기(260)를 통해 시스템 밖으로 제 1 물 저장기(110)까지 밀어낸다. 가온 회로(200)는 가온 회로로부터 칼럼(10, 20, 30, 40, 50)을 단리시키기 위하여 바이패스 밸브(245)를 추가로 포함한다.

가온 회로의 목적은, 추출 동안 PLP 물로부터 장비까지의 열의 손실을 최소화하기 위하여 선택된 목적하는 가공 온도까지 칼럼을 가온시키는 것이다. 가온 회로를 다른 회로들로부터 분리시키는 것은 선택적이어서, 펌프, 열 교환기, 및 가온 회로에 대해 특정화된 가열기에 의해 독립적으로 운용될 수 있다. 대안적으로, 반응 칼럼 자켓들은, 자켓 내에서 가열 매질로서 스팀으로 가공 시설로부터의 스팀을 사용하도록, 또는 열 교환기 및 물 펌프의 사용을 통하여 칼럼 자켓들에 대해 물을 간접적으로 가열하게 스팀을 사용하도록 구조화될 수 있다.

가공 회로:

가공 회로(300) 동안(도 5), 펌프(320)는 제 2 물 저장기(210)로부터 물을 열 교환기(330)의 입력 측부를 통해, 이어서 가열기(340)를 통해 밀어내며, 이후에 PLP 물은 추출되는 바이오매스 공급원료로 패킹되는 칼럼(10, 20, 30, 40, 50) 중 하나를 통해 유동한다. PLP 물은 칼럼 밖으로, 열 교환기(330)의 출력 측부를 통해, 배압 조절기(350)를 통해, 제 2 열 교환기(360)를 통해 그리고 시스템 밖으로 수거 용기(380)까지 유동한다. 가공 회로(300)는 가공 회로로부터 칼럼(10, 20, 30, 40, 50)을 단리시키기 위하여 바이패스 밸브(345)를 추가로 포함한다. 가공 회로(도 5)의 목적은, 관심있는 화합물들을 공급원료 물질로부터 용해시키고 추출하는 것이다. PLP 물은 최하부로부터 최상부까지 반응 칼럼을 통해 단일 패스로 운행한다. 최소 농축된 물은 우선적으로 최대 추출된 공급원료 물질을 통과하며, 따라서 추출된 산물의 양이 최대화된다. 추가적으로, 추출 시스템의 연속적 관류 속성으로 인해, 산물은 작동 조건에 노출되면서 낮은 체류 시간으로 시스템으로부터 일정하게 제거되며, 잠재적 산물 분해의 양이 감소된다.

냉각 회로:

최종 가공 회로, 냉각 회로(400)(도 6)는 공급원료 물질이 2개의 단계에서 완전하게 추출된 후 반응 칼럼들을 냉각시킨다. 냉각 회로(400)에서, PLP 물은 추출된 공급원료 물질로 패킹된 반응 칼럼을 통과하며, 여기서 펌프(420)가 물을 열 교환기(430)의 입력 측부를 통해, 이어서 칼럼(10, 20, 30, 40, 50) 중 하나를 통해, 이어서 칼럼 밖으로 열 교환기(430)의 산물 측부를 통해, 배압 조절기(450)를 통해 시스템 밖으로 드레인까지 밀어낸다. 냉각 회로의 목적은, 추출된 공급원료의 안전한 제거가 가능하도록, 추출된 공급원료 물질 및 반응 칼럼의 온도를 포화 온도 미만의 수준까지 저하시키는 것이다. 일단 온도가 충분하게 낮다면, 시스템은 제 1 냉각 회로로 역으로 스위칭될 수 있고, 칼럼에는 물이 배수될 수 있고, 추출된 공급원료가 제거될 수 있고, 다음 추출 운용을 위해 새로운 물질이 첨가될 수 있다.

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추출 공정이 완료된 후, 가압된 반응 칼럼은 탈압되어야 하며, 반응 칼럼 앞서 진공화된 물은 가공된 바이오매스 공급원료의 하적(unload)을 위해 개방된다. 이후 가공을 위한 반응 칼럼 내에 삽입되는 하나 이상의 슬리브 내에 바이오매스 공급원료를 적재하는 것은 선택적이며, 슬리브는 반응 칼럼으로부터 제거되고, 바이오매스는 슬리브로부터 제거된다. 대안적으로, 바이오매스는 반응 칼럼 내에 직접적으로 적재될 수 있으며 가공 후에 그로부터 회수될 수 있다. 소모된 바이오매스 공급원료를 반응 칼럼 밖으로 밀어내어 그의 하적을 촉진시키기 위하여, 압축된 공기 공급 또는 물 공급 또는 스팀 공급을 제공하는 것은 선택적이다.

5개의 반응 칼럼에 대하여, (i) 쇄도 회로를 제거함으로써 그리고 (ii) 도 7에 제시된 바와 같이 냉각 회로뿐만 아니라 쇄도 회로를 제공하도록 냉각 회로를 사용함으로써 3개의 독립 회로들로 감소될 수 있는 4개의 독립 회로들, 즉 쇄도(도 3), 가온(도 4), 가공(도 5) 및 냉각(도 6)을 포함하는 것이 선택적인 것임을 유의해야 한다.

2개의 반응 칼럼들을 포함하는 다른 예시적인 PLPW 장치(700)는 도 8에 제시되며, 칼럼(720, 721)은 204℃의 작동 온도에서 6200 kPa(900 psi)의 최대 작동 압력을 갖는다. 칼럼 자켓들은, 자켓이 가압되고 칼럼이 존재하지 않는 경우 칼럼의 붕괴를 방지하기 위하여, 204℃의 작동 온도에서 2,580 kPa(375 psi)의 더욱 낮은 최대 작동 압력으로 설계된다. 그러나, 장비의 일부 다른 구획(piece)들, 예컨대 어큐뮬레이터(accumulator)(725, 726)가 온도 및 압력에 대하여 칼럼(720, 721)의 것보다 낮게 인증되어 있기 때문에, 이 2-칼럼 시스템의 최대 작동 압력 및 온도는 대체로 5500 kPa(800 psi) 및 180℃로 설정되고, 자켓 회로(750)의 최대 작동 압력은 2400 kPa(350 psi)이다. 도 8에 제시된 PLPW 시스템의 주요 부분들에 대한 명세사항들과 설명들은 표 1 내지 6에 열거된다.

가압된 저극성 물 추출 시스템을 위한 공정 유동(718)은 도 8에 제시된다. 공정 물은 포지티브 대체 펌프(712)(즉, 공정 펌프)로 물 저장기(710)로부터 유인되고, 열 교환기(714)를 통과하며, 여기서 공정 물은 우선 시스템으로부터 배출되는 액체 추출물로부터 열을 냉각시키고 회수하는 데 사용된다. 그 다음, 부분적으로 가열된 물은 침지 가열기(716) 내에 유입되며, 여기서 목적하는 공정 온도까지 가열된다. 시스템은, 장비를 가온시키기 위해 칼럼 자켓들을 통해 또는 추출되는 공급원료로 패킹된 칼럼(720)을 통해, 가열된 물을 가하도록 제어된다. 존재하는 액체 추출물/공정 물은 열 교환기(714)를 통해 역으로 유동하며, 여기서 에너지는 회수되고, 산물 온도는 배압 조절기(751)에 도달하기 전에 비점 미만까지 저하된다. 배압 조절기(751)의 목적은, 스팀의 형성을 방지하기 위하여 작동하는 가공 온도에서 포화 압력 초과의 지점으로 시스템 압력을 유지하는 것이다.

특성 바이오매스 용량(35 kg; 46% MC)

내부 직경 20 cm 길이 203 cm 칼럼 부피 65,700 cm3 샘플 매스(건조물) 18,900 g 베드(bed) 깊이 162 cm 샘플 부피 52,400 cm3 샘플 벌크 밀도 0.33 g/cm3 길이 대 직경 비율* 5.4:1 용매;고체 비율 7.5 mL/g 수거된 부피 142,000 mL 유량 4,000 mL/분 겉보기 속도(superficial velocity) 13.4 cm/분 체류 시간** 12.1분 추출 시간*** 30.0분

* 여기서의 길이 = 베드 깊이 ** 체류 시간 = 베드 깊이/겉보기 속도 *** 추출 시간 = 수거된 부피/유량

2-칼럼 PLPW 장치를 위한 전기 장비

명칭 동력 볼트/상/주파수 명세사항

공정 펌프 2HP 208V/3Φ/60Hz Hydra-Cell M03 with 2hp Baldor motor, Baldor VFD, Hydra-Cell C62 pulsation dampener 냉각 펌프 2HP 208V/3Φ/60Hz Hydra-Cell M03 with 2hp Baldor motor, Baldor VFD, Hydra-Cell C62 pulsation dampener 침지 가열기 w/패널 123kW 600V/3Φ/60Hz Wattco model#MFLS15123X1050-TM 액츄에이터(QTY 18) 24VDC TBD/TBD/TBD Promation P1-24N4 시스템 제어 패널 N/A 120/208V/3Φ/60Hz Harlok/Cedarcore custom panel, includes parts and labour

2-칼럼 PLPW 장치를 위한 밸브

명칭 설명 명세사항

BVH 가열 회로 바이패스 밸브 MAS G-3-HD-FS BVC 냉각 회로 바이패스 밸브 MAS G-3-HD-FS ICV1 냉각 회로 유입구 밸브, 칼럼 1 MAS G-3-HD-FS ICV2 냉각 회로 유입구 밸브, 칼럼 2 MAS G-3-HD-FS IHV1 가열 회로 유입구 밸브, 칼럼 1 MAS G-3-HD-FS IHV2 가열 회로 유입구 밸브, 칼럼 2 MAS G-3-HD-FS OCV1 냉각 회로 유출구 밸브, 칼럼 1 MAS G-3-HD-FS OCV2 냉각 회로 유출구 밸브, 칼럼 2 MAS G-3-HD-FS OHV1 가열 회로 유출구 밸브, 칼럼 1 MAS G-3-HD-FS OHV2 가열 회로 유출구 밸브, 칼럼 2 MAS G-3-HD-FS JIV1 자켓 유입구 밸브, 칼럼 1 MAS G-3-HD-FS JOV1 자켓 유출구 밸브, 칼럼 1 MAS G-3-HD-FS JIV2 자켓 유입구 밸브, 칼럼 2 MAS G-3-HD-FS JOV2 자켓 유출구 밸브, 칼럼 2 MAS G-3-HD-FS CWV 냉각 물 밸브 MAS G-3-HD-FS CVV 수거 용기 밸브 MAS G-3-HD-FS WWV 폐수 밸브 MAS G-3-HD-FS LPV 저압 밸브(자켓 작동) MAS G-3-HD-FS DV1 드레인 밸브, 칼럼 1 MAS G-3-HD-FS DV2 드레인 밸브, 칼럼 2 MAS G-3-HD-FS

2-칼럼 PLPW 장치를 위한 열 교환기

명칭 설명 명세사항

열 교환기 1 가온 회로(회수) Sentry model#WSW8221U Special 열 교환기 2 도시 물(안전) Sentry model#DTC-SSB/SSD-8-1-1 열 교환기 3 냉각 회로(회수) Sentry model#WSW8221U Special

2-칼럼 PLPW 장치를 위한 기계적 조절기 및 안전 밸브

명칭 명세사항 압력 설정

배압 조절기 A Equilibar EB2NL2 <750psi(질소 기준으로부터) 배압 조절기 B Equilibar EB2NL2 <750psi(질소 기준으로부터) 배압 조절기 C Equilibar EB2NL2 <350psi(질소 기준으로부터) 압력 조절 밸브 PP Hydra-Cell C62 750psi < 설정 지점 > 800psi 압력 조절 밸브 CP Hydra-Cell C62 750psi < 설정 지점 > 800psi 압력 구제 밸브 R1 Consolidated 19000 series 850psi 압력 구제 밸브 R2 Consolidated 19000 series 850psi 압력 구제 밸브 J1 Consolidated 19000 series 350psi 압력 구제 밸브 J2 Consolidated 19000 series 350psi 압력 구제 밸브 IH Consolidated 19000 series 850psi 어큐뮬레이터 A Blacoh H2420A 750psi 어큐뮬레이터 B Blacoh H2420A 750psi 어큐뮬레이터 C Blacoh H2420A 350psi 어큐뮬레이터 D Blacoh H2420A 350psi

2-칼럼 PLPW 장치를 위한 기구

명칭 설명 명세사항

FM(H) 공정 유량계, 공정 회로 Burkert 8619 controller, SE30 sensor and gear fitting FM(C) 공정 유량계, 냉각 회로 Burkert 8619 controller, SE30 sensor and gear fitting FS(H) 유동 스위치, 공정 회로 Burkert turning fork 560986 PCO(J) 압력 스위치, 가온 (자켓) 회로 United Electric H100 PCO(H) 압력 스위치, 가공 회로 United Electric H100 PCO(C) 압력 스위치, 냉각 회로 United Electric H100 P(C1) 압력, 칼럼 1 Wika, 233.53 gauge, 2 1/2" IT(C1) 유입구 온도, 칼럼 1 Trident PD743 meter, WESC12C29- 3E03.00C1A RTD OT(C1) 유출구 온도, 칼럼 1 Trident PD743 meter, WESC12C29- 3E03.00C1A RTD P(J1) 압력, 자켓 1 Wika, 233.53 gauge, 2 1/2" T(J1) 온도, 자켓 1 Trident PD743 meter, WESC12C29- 3E03.00C1A RTD P(C2) 압력, 칼럼 2 Wika, 233.53 gauge, 2 1/2" IT(C2) 유입구 온도, 칼럼 2 Trident PD743 meter, WESC12C29- 3E03.00C1A RTD OT(C2) 유출구 온도, 칼럼 2 Trident PD743 meter, WESC12C29- 3E03.00C1A RTD P(J2) 압력, 자켓 2 Wika, 233.53 gauge, 2 1/2" T(J2) 온도, 자켓 2 Trident PD743 meter, WESC12C29- 3E03.00C1A RTD ET(C) 출구 온도, 냉각 회로 Trident PD743 meter, WESC12C29- 3E03.00C1A RTD BP(H) 배압, 공정 회로 Wika, 233.53 gauge, 2 1/2" BP(C) 배압, 냉각 회로 Wika, 233.53 gauge, 2 1/2" IT(HE2) 유입구 온도, 열 교환기 2 Trident PD765 meter, WESC12C29- 3E03.00C1A RTD OT(HE2) 유출구 온도, 열 교환기 2 Trident PD743 meter, WESC12C29- 3E03.00C1A RTD

시스템 내. 배압 조절기(751) 후, 나오는(outgoing) 액체 추출물/공정 물의 최종 온도를 제어하는 데 사용될 수 있는 추가의 열 교환기(730)가 존재한다. 이 열 교환기(730)는 또다른 물 공급원에 연결되며, 여기서 존재하는 액체를 목적하는 온도까지 냉각시키도록 밸브에 의해 유동이 조정될 수 있다. 액체 추출물/공정 물은 공정의 다른 위치에 사용하기 위해 수거 용기(732) 또는 폐수 용기(734)에 가해진다.

추출 시스템 내에 일부 유동 회로들이 존재한다. 유동 회로는 자동화된 제어 시스템으로 선택되며, 이는 각각의 회로를 작동하도록 배열하는 밸브를 제어한다.

고온 바이패스 회로:

고온 바이패스 회로는 PLPW 장치의 잔여부로부터 반응 칼럼들(720, 721) 및 자켓들을 단리시킨다. 공정 펌프(712)는 물 저장기(710)로부터 물을 열 교환기(714)(입력 측부), 침지 가열기(716)를 통해, 바이패스 밸브 BVH, 열 교환기(714)(산물 측부), 배압 조절기(751), 열 교환기(730)를 통해 그리고 시스템 밖으로 폐수 용기(734)까지 통과시킨다. 고온 바이패스 회로의 목적은 가압하고 시스템 압력을 유지하며, 물이 다른 회로들 내에 도입되기 전에 공정 물 온도를 조정하는 것이다.

가온 회로:

가온 회로는 공정 물을 반응 칼럼 자켓들을 통해 밀어낸다. 공정 펌프(712)는 물을 열 교환기(714), 침지 가열기(716), 칼럼 자켓, 열 교환기(714)의 출력 측부를 통해, LPV 및 배압 조절기(753), 열 교환기(730)를 통해 그리고 시스템 밖으로 폐수 용기(734)까지 통과시킨다. 이 회로의 목적은, 추출 동안 가공 물로부터 장비까지의 열의 손실을 최소화하기 위하여, 칼럼(720)을 목적하는 가공 온도까지 가온시키는 것이다. 이 회로는 다른 회로들로부터 분리되고 독립적으로 운용하는 것임을 유의한다. 이는 또다른 펌프(제시되어 있지 않음), 열 교환기(제시되어 있지 않음) 및 침지 가열기(제시되어 있지 않음)를 부가함으로써 달성된다. 대안적으로, 자켓들은 자켓 내의 가열 매질로서 스팀으로 유용 시설로부터 스팀을 사용하도록, 또는 열 교환기 및 물 펌프의 사용을 통해 자켓을 위해 물을 간접적으로 가열하도록 변환될 수 있다.

가공:

가공 회로 동안, 공정 물은 바이오매스 공급원료로 패킹된 반응 칼럼(예컨대, 720 또는 721)을 통해 유동한다. 공정 펌프(712)는 물을 열 교환기(714)의 입력 측부, 침지 가열기(716), 칼럼(720 또는 721), 열 교환기(714)의 산물 측부, 배압 조절기(731), 열 교환기(730)를 통해 그리고 PLPW 장치 밖으로 수거 용기(732)까지 밀어낸다. 가공 회로의 목적은 바이오매스 공급원료를 포함하는 성분들을 용해시키고 추출하는 것이다. PLP 물은 그의 최하부로부터 그의 최상부까지 반응 칼럼들(720 또는 721)을 통해 단일 패스로 운행한다. 최소 농축된 물은 우선적으로 최대 추출된 공급원료 물질을 통과하며, 따라서 추출된 산물의 양이 최대화된다. 추가적으로, 추출 시스템의 연속적 관류 속성으로 인해, 산물은 작동 조건에 노출되면서 낮은 체류 시간으로 시스템으로부터 일정하게 제거되며, 잠재적 산물 분해의 양이 감소된다.

냉각 회로:

냉각 회로는 바이오매스 공급원료가 완전하게 추출된 후 반응 칼럼들(720, 721)을 냉각시킨다. 제 1 냉각 회로(740)에서의 물은, 물 저장기(710) 또는 폐수 용기(734)로부터 취해지며, 냉각 펌프(742)에 의해 열 교환기(744)의 입력 측부, 바이패스 밸브 BVC를 통해, 그리고 열 교환기(744)의 산물 측부, 배압 조절기(745)를 통해 그리고 PLPW 장치 밖으로 드레인까지 역으로 펌핑된다. 제 1 냉각 회로(740)의 목적은 가압하며 냉각 회로에서의 시스템 압력을 추출로부터의 칼럼 압력과 동일하게 유지하는 것이다.

제 2 냉각 회로에서, PLP 물은 소모된(즉, 추출된) 바이오매스 공급원료로 패킹된 반응 칼럼(720 또는 721)을 통해 유동하며, 여기서 냉각 펌프(742)가 물을 열 교환기(744)의 입력 측부, 반응 칼럼(720 또는 721), 열 교환기(744)의 산물 측부, 배압 조절기(450)를 통해 그리고 PLPW 장치 밖으로 드레인까지 유동시킨다. 제 2 냉각 회로의 목적은, 추출된 바이오매스 공급원료의 안전한 제거가 가능하도록, 추출된 바이오매스 공급원료 물질 및 반응 칼럼(720 또는 721)의 온도를 포화 온도 미만의 수준까지 저하시키는 것이다. 일단 온도가 충분하게 낮다면, PLPW 장치는 제 1 냉각 회로로 역으로 스위칭될 수 있고, 반응 칼럼에는 물이 배수될 수 있고, 추출된 바이오매스 공급원료가 제거될 수 있고, 다음 추출을 위해 새로운 바이오매스 공급원료 물질이 적재될 수 있다.

이들 분야의 숙련자에게는, 약 50℃ 내지 약 65℃, 약 50℃ 내지 약 85℃, 약 50℃ 내지 약 100℃, 약 50℃ 내지 약 125℃, 약 55℃ 내지 약 150℃, 약 55℃ 내지 약 175℃, 약 55℃ 내지 약 185℃, 약 55℃ 내지 약 195℃, 약 55℃ 내지 약 205℃, 약 55℃ 내지 약 225℃, 약 55℃ 내지 약 250℃, 약 55℃ 내지 약 275℃, 약 55℃ 내지 약 300℃, 약 55℃ 내지 약 325℃, 약 55℃ 내지 약 350℃, 약 55℃ 내지 약 375℃, 약 55℃ 내지 약 400℃, 및 이들 사이의 온도까지, 그리고 약 100 psi 내지 약 500 psi, 약 125 psi 내지 약 450 psi, 약 150 psi 내지 약 400 psi, 약 165 psi 내지 약 375 psi, 약 175 psi 내지 약 350 psi, 약 175 psi 내지 약 325 psi, 약 175 psi 내지 약 300 psi, 약 175 psi 내지 약 275 psi, 약 175 psi 내지 약 250 psi, 약 175 psi 내지 약 225 psi, 및 이들 사이의 압력까지, 적어도 물 공급, 물을 가열하기 위한 하나 이상의 가열기 또는 열 교환기, 및 물을 가압시키기 위한 펌프와 소통하는 배관 기반구조물이 각각의 칼럼에 제공되는, 적어도 2개의 반응 칼럼들을 포함하는 PLPW 장치를 제조하기 위해 본원에 개시된 다양한 장비 선택사양들을 조정하고/하거나 변형시킬 수 있을 것임을 유의한다.

본원에 개시된 PLPW 장치는, 도 8에 제시된 바와 같이, 가압된 물, 가압되고 가열된 물, 및 가압된 냉각 물의 단독 공급원과 각각 개별적으로 소통하는 2개의 반응 칼럼들로 구조화될 수 있다. 대안적으로, PLPW 장치는 3개의 반응 칼럼, 4개의 반응 칼럼, 5개의 반응 칼럼, 6개의 반응 칼럼, 7개의 반응 칼럼, 8개의 반응 칼럼, 9개의 반응 칼럼, 10개의 반응 칼럼으로 구조화될 수 있다. 본 개시내용의 범위 내에서 가압된 물, 가압되고 가열된 물 및 가압된 냉각 물의 백업(backup) 공급을 제공한다.

PLPW 장치는, 각각의 초기 웜업(warm-up) 회로, 쇄도 회로, 가온 회로 및 냉각 회로 동안 반응 칼럼들로부터 배출되는 폐수 스트림을 안에 수용하고 가공하기 위한 그리고 이어서 가공된 물을 쇄도 회로, 가온 회로 및 냉각 회로 중 하나 이상으로 역으로 재순환시키기 위한 물 정제 장비를 추가로 포함한다.

본원에 개시된 예시적인 PLPW 장치는, 바이오매스 공급원료로부터의 성분들, 예컨대 과일 펄프, 식물 펄프, 포미스, 뿌리 물질, 식물 물질, 목재 물질, 짚, 초본 물질, 종자, 견과류, 미일(meal), 버개스(bagasse) 등과 같은 리그노셀룰로스 물질의 추출 및 회수에 적합하다. 예시적인 PLPW 장치는 비-식물 바이오매스 물질, 예컨대 조류 바이오매스, 어분(fish meal) 등의 추출 및 회수에도 또한 적합하다.

실시예

실시예 1: 밀짚의 PLPW 가공

2개의 상이한 PLPW 관류 반응기 시스템 및 3개의 상이한 스케일 반응 칼럼을 본 실시예에 기재된 실험에 사용하였다. 모든 연결, 피팅(fitting), 튜빙(tubing), 밸브 및 용기는 부식에 내성적이도록 스테인리스강으로 구성되었으며, 250℃에서 13.1 Mpa(1900 psi)의 최대 작동 압력으로 디자인되었다.

실험실-벤치 스케일 PLPW 반응 시스템(800)(도 9)은 내부에서(in-house) 제작되었으며, 물 공급기(805), 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC) 펌프(810)(Waters 515 model, Milford, MA), 온도-조절 오븐(815)(Model 851F, Fisher Scientific, Pittsburg, PA), 2.0 m [3.2 mm(1/8") o.d.를 갖는 스테인리스강 튜빙] 예열 코일(820), 반응기 칼럼(825), 1.0 m 냉각 코일(830)(3.2 mm(1/8") o.d.를 갖는 스테인리스강 튜빙], 시스템에서 압력을 유지하기 위한 5.2 MPa(750 psi)의 카트리지를 갖는 배압 조절기(835)(Upchurch Scientific, Oak Harbor, WA), 및 수거 용기(840)를 포함하였다. 또한, 압력 구제 밸브(822)가 예열 코일(820)과 반응기 칼럼(825) 사이에 배치하였다. 스테인리스강 튜빙(3.2 mm(1/8") o.d.) 및 커넥터를 사용하여 장비 부품들(즉, HPLC 펌프, 반응 칼럼 및 배압 조절기)을 연결하였다.

스케일-업 반응 칼럼 및 파일롯-스케일 반응 칼럼을 작동하기 위해 사용된 PLPW 반응 시스템(900)(도 10)을 내부에서 제작하였으며, 벤치-스케일 시스템의 디자인에 기초하였다(도 9). 시스템내의 압력은 배압 조절기(950)(Tescom, Elk River, MN)를 조절하여 모든 실험에 대해 11 MPa(1500 psi)로 유지하였다. 물 저장기(water reservoir)(910)로부터 증류수를 펌프(915) 뒤에 설치된 맥동 감쇠기(pulsation dampener)(920)(Wanner Engineering Inc., Minneapolis, MN, USA)가 장착된 계량 펌프(915)(모델 P300, Wanner Engineering Inc., Minneapolis, MN)를 이용하여 일정한 유량으로 가압하고 펌핑하여 시스템내의 안정한 흐름을 확실히 하였다. 튜브-인-튜브 열 교환기(925)(Exergy LLC, Garden City, NY, USA)는 시스템내에서 2가지 역할을 수행하였다: (i) 첫째, 열 교환기(925)는 수거 용기(955)로 탈기되기 전, 반응기 칼럼(935) 후에 용매를 냉각시키며; (ii) 둘째, 배기 용매로부터 제거된 열은 침지 가열기(930)(ASB Heating Elements Ltd., Bethridge, ON, CA)에 들어가기 전에 유입된 용매로 이송된다. 이러한 방식으로, 열 교환기(925)는 물을 예열하고, 시스템의 에너지 요구를 감소시킨다. 압력 구제 밸브(945)는 열 교환기(925)와 침지 가열기(930) 사이에 제공된다. 스테인리스강 튜빙(12.7 mm(1/2") o.d.) 및 커넥터를 사용하여 장치 부품들을 연결하였으며, 다만 스케일-업 반응 칼럼만 6.35 mm(1/4") o.d. 튜빙을 이용하여 시스템에 연결하였다.

벤치-스케일 반응 칼럼(825)(도 9)은 스테인리스강 튜빙(1.27cm(1/2") o.d., 1.0 cm i.d. x 10 cm i.d. x 10 cm 길이)으로 구성되었으며, 크로마토그래피-칼럼 단부 피팅(Chromatographic Specialties Inc, Brockville, ON, CA)로 캡핑되었다. 스케일-업 반응 칼럼(935)은 벤치-스케일 유닛으로부터 5의 인자(factor)에 의해 스케일-업되었다(표 7). 상기 유닛은 그라파이트 o-링 가스켓 및 스테인리스강 단부 플레이트로 실링되고, PLPW 반응 시스템에 연결되도록 탭핑 및 트레딩된, 5 cm i.d. x 50 cm 길이의 스테인리스강 플랜지 반응 칼럼(MODcol, Mandel Scientific Company Inc., Guelph, ON, CA)이었다. 파일롯-스케일 반응 칼럼은 주문 제작된 스테인리스강 플랜지 칼럼(Enterprise Steel Fabricators Ltd., Kelowna, BC, CA)이었으며, 스케일-업 유닛에 비해 3.56의 인자에 의해 스케일-업되었다(표 7). 단부들은 캡핑되고, 스테인리스강 플레이트 및 o-링 가스켓으로 실링되고, 탭핑 및 트레딩되어 PLPW 반응 시스템에 연결되도록 하였다. 밸브들은 비 사용시 PLPW 반응 시스템의 나머지로부터 스케일-업 및 파일롯-스케일 유닛을 분리하였다. 스케일-업 및 파일롯-스케일 반응 칼럼의 증가량에 기인하여, 가열 및 칼럼 온도 유지를 돕기 위해 이들은 밴드 가열기(940)(ASB Heating Elements LTd., Bethridge, ON, CA)가 장착되었다.

특성	벤치 스케일	작은 스케일	파일롯 스케일
내부 직경	1.0 cm	5 cm	17.8 cm
길이	10 cm	50 cm	178 cm
유량a	6.0 mL/분	150 mL/분	1900 mL/분
칼럼 용량	7.85 ㎤	981.7 ㎤	44300 ㎤
샘플량(건조물)	0.96 g	120 g	5400 g
베드 깊이	8.0 cm	40 cm	142 cm
샘플 벌크 밀도	0.15 g/cm	0.15 g/cm	0.15 g/cm
길이 대 직경 비b	8:1	8:1	8:1
a1.27 x 10-3 m/s의 칼럼내 등가 겉보기 속도(equivalent superficial velocity) b길이가 베드 깊이인 경우

반응 칼럼 치수 스케일-업에 부가적으로, 실험 조건의 적절한 스케일링을 수행하였다(표 7). 이들 실험을 위해 165℃의 온도 및 60 mL/g의 용매:고체 비율이 선택되었다. 벤치-스케일, 스케일-업 및 파일롯-스케일 반응 칼럼에 대해 각각, 6, 150 및 1900 mL/분의 유량에 상응하는 1.27 x 10^-3 m/s의 겉보기 속도를 포함하는 유량이 선택되었다. 동일한 베드 깊이 대 직경 비가 유지되었으며, 샘플량은 각 칼럼 스케일내에 동일한 벌크 밀도 (및 다공성)을 유지하도록 조절되었다. 반응 칼럼 내부에 밀짚 샘플을 유지하기 위해, 그리고 PLPW의 분산 촉진을 돕기 위해, 칼럼의 각 단부에서 빈 용적을 스테인리스강 모(wool)로 패키징하고 유입구 및 유출구에서 각각 20 ㎛ 및 100 ㎛ 스테인리스강 프릿(frit)으로 캡핑하였으며; 다만 파일롯 스케일 유닛에 대해서는 프릿을 사용하지 않았다.

가수분해 반응 절차는 우선 반응 칼럼을 물로 플러딩한 다음, 시스템을 실험 온도로 가온시키고, 그 다음 샘플의 온도가 칼럼 내부와 평형을 유지하도록 충분한 시간 동안 그 온도를 유지한 후에, 반응 칼럼을 통해 흐름을 시작함으로써 착수되었다. 반응 칼럼을 통한 흐름의 시작시, 분석물질을 함유하지 않은 용액의 제 1 부분(반응 칼럼의 상부로부터 수거 용기에 이르는 시스템내의 데드 부피(dead volume)에 상응함)을 버리고, 선택된 용매:고체 비율에 기초한 미리 정해진 용량의 용액을 수거하였다. 액체 추출물의 일부(약 60 mL)를 각 실험으로부터 수거하고, 분석을 위해 4℃에 보관하고, 액체 추출물의 나머지를 고체 잔류물과 함께 동결 건조하고, 이들을 분석할 때까지 -20℃에 보관하였다.

고체 잔류물 및 동결 건조된 액체 추출물을 구조 탄수화물, 리그닌, 아세틸기 및 애쉬 함량에 대해 분석한 다음, NREL 스탠다드 분석 절차(Hyman et al., 2007, Determination of Acid Soluble Lignin Concentration Curve by UV - Vis Spectroscopy; Laboratory Analytical Procedure (LAP). NREL/TP-510-42617; National Renewable Laboratory: Golden, CO, USA; Sluiter et al., 2008, Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass ; Laboratory Analytical Procedure (LAP) NREL/TP-510-42618; National Renewable Laboratory: Golden, CO, USA)가 이루어졌다. 산 불용성 리그닌(AIL) 및 산 불용성 리그닌(ASL)은 샘플들을 30℃ 워터 배스에서 1시간 동안 72% 황산으로 1차 가수분해한 다음, 4% 황산으로 희석하고, 밀봉된 유리 압력 튜브에서 1시간 동안 121℃에서 오토클래이브함으로써 검출되었다. AIL은 셀룰로스 및 헤미셀룰로스의 가수분해 후 중량측정에 의해 분석되었다. 가수분해물내에서 ASL은 320 nm에서 분광 측색 방법에 의해 측정되었다(Sluiter et al., 2008). 흡광도 판독을 매스 값으로 전환하기 위해 30 L g^-1 cm^-1의 흡수성이 사용되었다. 샘플들의 리그닌 함량의 결과는 AIL과 ASL의 합으로 보고되며, 단백질 함량에 대해 보정된다.

구조 탄수화물, 셀룰로스(글루코스) 및 헤미셀룰로스(자일로스, 갈락토스, 아라비노스 및 만노스)를 굴절률 지수 검출기가 장착된 Agilent 1100(Agilent Technologies, Palo Alto, CA)을 사용하여 HPLC에 의해 가수분해물로부터 정량적으로 검출하였다. HPLC 분석은 75℃에서 작동하는 디애슁 가드 카트리지(deashing guard cartridge)(Bio-Rad Laboratories Corp.(Hercules, CA, USA)가 장착된 AMINEX® HPX-87P 칼럼(300 x 7.8 mm)(AMINEX는 Bio-Rad Laboratories Corp.(Hercules, CA, USA)의 등록상표임)을 이용하여 수행하였다. HPLC 시스템은 Agilent CHEMSTATION(등록상표) Plus software (CHEMSTATION은 Agilent Technologies Inc.(Santa Clara, CA, USA)의 등록상표임)에 의해 제어되는 G1329A 오토샘플러 및 G1312A 운반 시스템으로 구성되었다. HPLC-등급 여과물이 0.5 mL/분의 유량으로 이동상으로 사용되었으며, 각 샘플에 대해, 50 μL의 사전여과된 분취물을 자동적으로 주입하였다. 탄수화물 농도는 일련의 알려진 당 기준에 대해 비교하고 Sluiter 등(2008)에 의해 교시된 방법에 따라 당 회수 인자를 적용하여 검출되었다.

아세틸기, 포름산 및 레불린산은 굴절률 지수 검출기가 장착된 Agilent 1100(Agilent Technologies, Palo Alto, CA)를 사용하여 HPLC에 의해 가수분해물로부터 정량적으로 검출하였다. HPLC 분석은 0.6 mL/분의 유량에서 0.005M H₂SO₄ 이동상으로 55℃에서 작동하는 Cation H 리필 카트리지 가드 칼럼(30 x 4.6 mm, Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA)이 장착된 Bio-rad AMINEX(등록상표) HPX-87H 칼럼(300 x 7.8 mm, Bio-Rad Laboratories, Hercules, Ca)을 사용하여 수행되었다.

가수분해물에서 우론산은 Scott(2002, Colorimetric determination of hexuronic acids in plant materials . Anal. Chem. 51:936-941)에 의해 교시된 방법에 따라 정량되었다. 가수분해물의 분취물(0.125 mL)을 시험 튜브에 담긴 0.125 mL의 2% NaCl-3% H₃BO₃ 용액에 첨가하였다. 농축된 H₂SO₄를 아이스 배스에 담긴 시험 튜브에 첨가하고 혼합하였다. 그 다음, 시험 튜브를 워터 배스에서 70℃로 40분간 가열하였다. 그 다음, 시험 튜브를 제거하고 실온으로 냉각되도록 하였으며, 그 후, 글래시얼 아세트산에 담긴 0.1 mL의 0.1% 3,5-디메틸페놀을 반응물에 첨가하였다. 10분 후, 우론산 농도는 400 및 450 nm에서 흡광도를 평균화하고, 이를 D-글루쿠론산(Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO)의 표준 곡선과 비교함으로써 검출되었다.

고체의 애쉬 함량은 온도 조절기(Furnatrol II series 413, Thermolyne Corporation, Dubuque, IA)가 장착된 머플 로(Model F-A1730, Thermolyne Corporation, Dubuque, IA)에서 샘플의 완전 연소에 의해 검출되었다. 온도 조절기는 실온으로부터 105℃ 증가되고, 180분 유지되고, 105℃ 저하되고, 샘플이 제거될 때까지 유지되도록 설정되었다. 도가니내에 남아있는 잔류물을 애쉬 함량으로 취하였다.

단백질 함량은 AOAC 공식 방법 997.09(2008, Nitrogen in beer , wort , and brewing grains , protein ( total ) by calculation . AOAC International)에 개시된 방법으로 질소 함량으로부터 추정되었다. 분석 전에, 고체 잔류물은 햄머 밀(MF 10, IKA-Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Germany)에서 분쇄되어 0.5 mm 방출 스크린을 통해 통과되었다. 샘플들을 60℃ 진공 오븐에서 밤새도록 건조한 후에 분석하였다. 질소 함량은 건조된 샘플을 Leco FP-528 질소 분석기(Leco Corporation, St. Joseph, MI)를 사용하여 850℃에서 연소함으로써 검출되었다. 질소에 대한 표준 곡선은 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA) 및 옥수수 분말(Leco Corporation, St. Joseph, MI)을 이용하여 생성되었다. 단백질 함량은 질소 함량(%)에 6.25의 인자를 곱함으로써 추정되었다.

액체 추출물은 칼슘 카보네이트로 중화되고, 0.20 μm 주사기 필터를 통해 여과하고, 탄수화물 단량체의 직접적인 HPLC 검출을 위해 사용하였다. 그 다음, 탄수화물 올리고머의 농도는 동결 건조된 추출물로부터 측정된 가수분해된 총 탄수화물 함량과 액체 샘플로부터 측정된 모노머 함량 사이의 차이를 취함으로써 산출되었다. 분해 산물 5-히드록시-2-메틸푸르푸랄(HMF) 및 푸르푸랄은 DAD 검출을 이용하여 직접적인 HPLC 검출에 의해 동일한 샘플로부터 검출되었다.

데이터는 SigmaStat30(Version 3.5, Systat Software, Inc., Point Richmond, CA, USA)을 이용하여 분석되었다. ANOVA 방법을 사용하여 반응기 스케일의 영향을 분석하였으며, 차이가 발견된 경우에 터키 검증에 의한 평균 비교를 수행하였다. p≤0.05를 갖는 차이는 유의한 것으로 간주하였다.

열수 처리를 수행하기 전에, 고유 짚(straw)의 조성을 일차 검출하였다(표 8). 조성적 분석은 NREL 실험실 절차에 의해 명시된 바와 같이 추출물을 제거하기 위해 물 및 에탄올을 이용하여 추출된 물질이 아닌, 고유 짚 물질을 사용하여 수행하였다.

성분	함량(%)*
글루칸	40.15 ? 1.00
자일란	20.38 ? 0.18
갈락탄	1.17 ? 0.11
아라비난	1.85 ? 0.08
만난	0.52 ? 0.10
리그닌†	17.32 ? 0.23
아세틸기	1.60 ? 0.07
우론산	1.40 ? 0.07
단백질	4.54 ? 0.49
애쉬	5.15 ? 0.42
*평균 ? 표준 편차, n=4 †단백질에 대해 보정됨

매스 밸런스( mass balance ):

열수 처리 후 밀짚에 대한 매스 밸런스는 모든 스케일의 반응 칼럼에 대해 우수한 일치에 있었다(표 9). 손실은 7.67%에서 스케일-업 유닛에 대해 최고였으며, 벤치 스케일에 대해 최저였다. 26-40%의 용존 고체 총량 및 57-72%의 나머지 고체 잔류물은 PLPW를 이용한 관류 열수 처리를 받은 다른 작물들에 대하여 문헌에 보고된 범위(13-56% 용존 고체 총량 및 40-77% 나머지 고체 잔류물)(Mok 등, 1992, Uncatalysed solvolysis of whole biomass hemicellulose by hot compressed liquid water . Ind. Eng. Chem. Res. 31:1157-1161)내이다.

	반응기*
	벤치 스케일	작은 스케일	파일롯 스케일
고체 잔류물(%)	71.88a	56.57b	56.78b
용해된 매스(%)	26.04b	35.77ab	39.91a
합계(%)	97.92	92.33	96.69
미계량 물질(손실)? (%)	2.08	7.67	3.31
*다른 어깨 글자 문자가 있는 열에서 평균 값은 유의하게 상이하다(p<0.05). ?출발물질 - 고체 잔류물 - 용존 고체로 산출됨

가수분해 및 추출된 물질의 양 또는 스케일-업 또는 파일롯-스케일 시스템의 반응 칼럼에 남은 잔류물의 양에서 유의한 차이가 없었다(p>0.05). 벤치 스케일 시스템에서, 보다 적은 물질이 가수분해되고 추출되어, 반응 칼럼에 상당히 보다 많은 양의 잔류물이 남았다. 이론적으로, 유닛이 적절히 스케일되면, 반응 칼럼의 크기에 기인한 추출 차이는 없어야 한다. 그러나, 열수 처리는 가용화 및 추출 현상뿐만 아니라, 바이오매스내 탄수화물의 가수분해 형태로 포함된 화학 반응의 양상을 나타낸다. 가수분해가 진행되고, 이에 따라 탄수화물 폴리머는 물 분자의 첨가에 의해 부서진다. 반응은 시간 의존적이며, 물 이온화 및 산 발생을 위해 제공되는 이온량을 받으며, 부가적으로 방출된 화합물로부터 어느 용해도 제한에 영향을 받을 수 있다. 이러한 인자들 중에, 열수 처리를 위한 체류 시간만이 이러한 실험에서 다른 칼럼 스케일에 대해 변하는 것이다.

반응 칼럼내의 등가 용매:고체 비율 및 겉보기 속도에서, 필요한 양의 용매를 수거하기 위한 시간은 벤치 스케일에 대해 10분 미만이며, 스케일-업에 대해 48분이며, 그리고 파일롯 스케일에 대해 170분이다. 벤치 스케일 칼럼내의 10분 가공 시간은 아마도 가수분해가 완전히 완료되기에는 충분하지 않다.

고체 잔류물 및 액체 분획의 조성:

3가지 스케일의 반응 칼럼에서 PLPW를 이용한 CPS 밀짚의 열수 처리로부터 고체 잔류물 및 액체 분획의 조성을 표 10에 나타내었다. 파일롯 스케일에서 고체 잔류물은 베드 깊이를 갖는 조성에서 차이에 대해 분석되었다(도 11a, 11b, 11c). 다양한 베드 깊이에서 파일롯 스케일 반응 칼럼에 대한 고체 잔류물의 조성의 결과를 평균내었다(표 10).

스케일-업과 파일롯 스케일 시스템 사이의 고체 잔류물과 액체 분획 조성에 있어서 거의 차이가 없었다(표 10). 두 스케일들 사이에 상이한 성분들은 단지 고체 잔류물의 자일란 함량 및 리그닌 함량이었다. 자일란 함량은 스케일-업 칼럼에서 약간 더 낮았으며, 리그닌 함량은 액체 분획에서 더 높았다. 액체 분획에서 더 높은 리그닌에 부가적으로 잔류물에서 더 낮은 자일란은 예측된 조합일 수 있다. 왜냐하면, 리그닌은 셀룰로스 및 헤미셀룰로스와 결합하여 이들과 복합체를 형성하기 때문이다. 리그닌은 헤미셀룰로스 주위에 실드로서 작용하며, 가수분해 공정을 위한 헤미셀룰로스에 매체의 접근을 제한한다. 리그닌의 액체 추출물로의 증가된 제거는 잔류 헤미셀룰로스에 대해 보다 큰 접근을 허용할 수 있으며, 열수 처리에 의해 가수분해 및 추출된 양을 증가시킨다. 스케일-업 칼럼에서 증가된 리그닌 추출에 대하여 가능한 한 가지 원인은, 파일롯 스케일 칼럼과 비교하여 착수시 보다 높은 그리고 고른 온도 분포이다. 파일롯-스케일 칼럼은 유닛을 작동하기 전에 가열하기 어려운 상당히 보다 많은 열 용량을 함유하였으며, 작동 중에 어느 온도 변동시 댐패닝(dampening) 효과를 가졌을 것이다. 또한, 큰 플랜지 및 캡은 유닛상에서 큰 열 싱크로 작용하였다. 작동 시작시 플로우가 개시되면, 파일롯 스케일 반응 칼럼이 작동 온도에 이르는 데 약 20분 걸렸으나, 이에 반해 스케일-업 반응 칼럼은 플로우 개시 1분내에 작동 온도에 도달하였다. 스케일-업 칼럼에서 이러한 단기 고온 기간은 보다 많은 부분의 리그닌을 초기에 가용화하고 보다 많은 양의 헤미셀룰로스를 가수분해에 노출시키기에 충분하였다. 분해 산물 HMF 및 푸르푸랄의 보다 많은 농도 및 스케일-업 칼럼에서 자일로-올리고사카라이드의 감소된 농도는 또한 다른 스케일 시스템에 비해 상승된 가공 온도를 나타낸다.

벤치-스케일 시스템으로부터 고체 잔류물 및 액체 분획의 조성은 스케일-업 및 파일롯-스케일 시스템 모두와 유사하였으며, 몇 가지 주요 차이점이 있었다. 자일란 함량이 다른 유닛에서보다 거의 3배 더 많았기 때문에, 고체 잔류물의 글루칸 함량은 벤치-스케일 시스템에서 거의 25% 적었다. 이는 짧은 가공 시간에 기인한 불완전환 가수분해의 개념과 부합하며, 벤치 스케일 반응 칼럼의 용존 고체 감소와 일치한다(표 9). 또한, 벤치-스케일 시스템의 고체 잔류물내의 보다 큰 아세틸기 함량은, 아세트산의 감소된 생성에 기인한 열수 처리 중의 감소된 가수분해 작용을 가리킨다. 또한, 벤치-스케일 반응 칼럼으로부터의 액체 분획은 보다 많은 아라비노-올리고사카라이드 및 만노스 모노사카라이드를 함유하였으나, 이에 반해 자일로스 모노사카라이드의 농도는 더 낮았다. 아라비난의 구조는 이를 가수분해에 매우 민감적이도록 만들어, 고체 잔류물에서 아라비난의 보존(표 10) 및 액체 분획에서 올리고사카라이드의 보존은 또한 감소된 체류 시간에 기인하여 덜 심한 처리를 가리킨다. 또한, 이는 액체 분획에서 분해 산물 푸르푸랄의 낮은 양에 의해 입증된다.

성분(%)	반응기*
	벤치 스케일	작은 스케일	파일롯 스케일
고체 잔류물
글루칸	52.96 b	71.95 a	66.19 a
자일란	15.30 a	5.23 c	6.44 b
갈락탄	0.51a	0.43a	0.49a
아라비난	0.92a	0.32b	0.36b
만난	0.78a	0.29b	0.30b
리그닌†	18.63a	18.34a	17.89a
아세틸기	1.11a	0.35b	0.39b
우론산	0.68a	0.19a	0.17a
단백질	3.55a	3.84a	3.80a
애쉬	4.77a	2.74b	2.67b
기타(차감에 의함)	0.78	+3.67	1.33
액체 분획(용해된 매스 )
글루코-올리고사카라이드	6.45a	5.63a	6.29a
자일로-올리고사카라이드	30.39a	26.26a	31.07a
갈락토-올리고사카라이드	1.98a	1.13a	1.27a
아라비노-올리고사카라이드	2.68a	0.44b	0.84b
만노-올리고사카라이드	0.27a	0.50a	0.89a
글루코스	0.99a	1.34a	0.81a
자일로스	1.09b	4.90a	3.33ab
갈락토스	0.42b	0.57b	1.99a
아라비노스	2.74a	2.48a	2.22a
만노스	2.24a	0.70b	0.42b
HMF	0.03b	0.39a	0.11b
푸르푸랄	0.48b	3.69a	1.63ab
리그닌†	15.26b	20.96a	14.60b
아세틸기	1.77a	1.95a	2.01a
우론산	2.26a	1.22a	1.61a
포름산	1.00a	0.82a	0.86a
레불린산	0.27b	0.38a	0.25b
단백질	7.76a	6.63a	6.38a
애쉬	9.96a	9.60a	10.53a
기타(차감에 의함)	11.97	10.42	12.89
*: 여러 윗첨자 문자들을 갖는 열에서의 중간 값들은 유의적으로 상이하다(p<0.05). †: 단백질에 대해 수정됨.

3가지 스케일의 반응 칼럼들 사이에서 조성의 현저한 차이가 거의 없더라도, 보다 큰 스케일에서 반응 칼럼내의 조성에 여전히 차이가 있을 수 있다. 파일롯-스케일 시스템에서 고체 잔류물의 베드 깊이를 갖는 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌의 3 주요 성분의 변화를 측정하였다. 셀룰로스는 고체 잔류물의 글루칸 함량으로 기록되고, 펜토스(D-자일로스 및 L-아라비노스) 및 헥소스(D-갈락토스, D-글루코스 및 D-만노스)로 구성된 분지 폴리사카라이드인 헤미셀룰로스는 고체 잔류물의 자일란, 갈락탄, 아라비난 및 만난 함량의 총합으로 기록되었다. 셀룰로스 함량은 파일롯-스케일 반응 칼럼으로부터 상부로 거의 15% 감소하였다(도 11a). 반응 칼럼의 상부 3 섹션에서 헤미셀룰로스 함량의 차이는 없었다(도 11b). 상기 칼럼의 하부 섹션에서만 헤미셀룰로스 함량이 더 낮았으나, 그 차이는 1%가 조금 넘었다. 이는 반응 칼럼의 하부 섹션에서 보다 낮은 리그닌 함량에 일부 기인할 수 있으며, 헤미셀룰로스의 가수분해 접근성을 증가시킨다(도 11c).

고체 잔류물의 리그닌 함량은 파일롯-스케일 반응 칼럼의 하부로부터 상부로 거의 2배이었다. 리그닌 용해도는 용매 특성에 의해 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다. PLPW의 용매화력은 하부에서 가장 높을 수 있으며, 여기서 반응 칼럼에 들어간다. 반응 칼럼의 하부에서 밀짚내의 리그닌은, PLPW가 칼럼을 통해 위쪽을 향해 운행함에 따라 포화되기 전에 쉽게 가용화될 수 있다. 따라서, 보다 많은 리그닌이 상부보다 반응 칼럼의 보다 낮은 섹션에서 가용화될 수 있다. 리그닌은 파일롯-스케일 장치내에서 가용화되지만, 액체 분획에서보다 낮은 리그닌 함량에 의해 보여지는 바와 같이, 스케일-업 칼럼에서보다 보다 낮은 양으로 추출된다(표 10).

Liu 등(2003, The Effect of Flow Rate of Compressed Hot Water on Xylan , Lignin, and Total Mass Removal from Corn Stover . Ind. Eng. Chem. Res. 42:5409-5416)은 리그닌 가용화에 대한 메커니즘에 대해 제시하였으며, 이에 의하면 리그닌은 그 자체 및 다른 화합물들과 반응하여 보다 큰 분자를 형성하며, 이는 긴 체류 시간 또는 반응 온도의 저하에 기인하여 침전될 수 있다. 용해성 물질은 동일한 겉보기 속도에서 스케일-업 칼럼을 통해 운행하는 것보다 파일롯-스케일 반응 칼럼을 통해 이동하는 데 약 3.5배 더 걸렸다. 하부 섹션으로부터 가용화된 리그닌은 상기 칼럼을 통해 위를 향해 운행할 수 있다. 가용화된 리그닌이 다른 리그닌 및 화합물들과 반응한 경우에, 이는 보다 큰 분자를 형성하고 PLPW 밖으로 침전될 수 있다. 이러한 리그닌-함유 분자는 반응 칼럼을 빠져나가기 전에 상부 섹션에 디포짓될 수 있으며, 이는 고체 잔류물의 증가된 리그닌 함량이 생기게 된 이유가 된다.

탄수화물 및 비-탄수화물 산물의 회수:

밀짚으로부터 탄수화물 및 비-탄수화물 산물의 회수는 반응 칼럼의 스케일에 의해 크게 영향을 받지 않았다(도 12a, 12b). 모든 칼럼 스케일에 대해 글루코스 또는 소수의 헤미셀룰로스 탄수화물 갈락토스, 아라비노스 및 만노스의 회수에서 차이가 관찰되지 않았다(도 12a). 파일롯-스케일 장치는 스케일-업 유닛이 수행한 것 보다 건 밀짚 킬로그램당 약 26g 이상의 자일로스를 더 생성하였다(도 12a). 그러나, 양쪽 모든 스케일로부터 얻어진 고체 잔류물은 동등한 양의 잔류 자일란을 수득하였다. 스케일-업 칼럼은 파일롯-스케일 칼럼 보다 상당히 빠르게 작동 온도로 이르러, 자일로스 생산의 차이는 아마도 열수 처리의 초기 단계 중에 보다 높은 온도로부터 푸르푸랄이 생성된 것에 기인한 것으로 보였다. 벤치-스케일 장치로부터 자일로스의 생산은 스케일-업보다 밀짚 kg당 30g 적었으며, 파일롯-스케일 장치보다 kg당 56g 적었으며, 액체 분획에서 39%의 총 수율을 나타내었다. 고체 잔류물에서 잔류 자일란은 다른 스케일 반응 칼럼보다 3배 더 많았으며, 포텐셜 자일란의 40%가 잔류하였다. 이에 따라, 그 차이는 불충분한 체류 시간에 기인한 불완전한 가수분해에 거의 기인하였다.

리그닌의 추출은 벤치-스케일 및 파일롯-스케일 반응 칼럼에서 보다 스케일-업 반응 칼럼에서 거의 50% 더 많았다(도 12b). 벤치-스케일 반응 칼럼에서 리그닌의 감소된 생산은 불완전한 가수분해 반응의 부산물인 것으로 보였다. 고체 잔류물내에 잔존하는 리그닌은 스케일-업 반응 칼럼 및 파일롯-스케일 반응 칼럼에서보다 거의 25% 더 많았다. 스케일-업과 파일롯-스케일 칼럼 사이의 리그닌 생산의 차이는 증가된 체류 시간의 결과였으며, 가용화의 차이나 두 칼럼내의 흐름 분포에 기인하지 않았다. 파일롯-스케일 반응 칼럼에서 리그닌 자체 또는 다른 화합물들과의 리그닌 변성 및 반응은 일부 리그닌이 칼럼으로부터 제거되기 전에 침전되는 것을 야기하였다. 이는 칼럼내의 리그닌 농도의 축 구배(axial gradient)를 야기하였으며, 이는 또한 열수 처리로부터 잔류하는 모든 고체의 진정한(true) 리그닌 함량을 적절히 산출하는 것을 어렵게 하였다. 잔존하는 비-탄수화물 성분들의 생산에 대한 칼럼 스케일에 기인하여 몇 가지 차이가 있었다(도 12b).

고유 CPC 밀짚의 특성화는 PLPW을 이용한 열수 처리로부터 수율 산출이 이루어지도록 하였다. 수율은 고유 밀짚내 성분의 포텐셜 양으로 나눈 액체 추출물에 수거된 성분의 양으로 산출되었으며, 퍼센트로 나타내었다. 스케일-업 및 파일롯-스케일 칼럼에 대한, 리그노셀룰로스 바이오매스의 3가지 주요 성분들, 셀룰로스, 헤미셀룰로스(자일로스, 갈락토스, 아라비노스 및 만노스의 합) 및 리그닌에 대한 수율 곡선을 도 13a, 13b, 13c에 도시하였다. 벤치-스케일 시스템은 열수 처리 중에 여러 지점을 분석하는 데 추출된 물질이 불충분하였기 때문에, 벤치-스케일 시스템에 대해서는 수율 곡선을 생성하지 않았다. 이는 아주 작은 스케일 시스템의 주된 결점 중 하나이며, 보다 나은 동력학의 이해가 검출될 수 있도록 이러한 공정을 왜 스케일 업 해야할 필요가 있는지 나타내어 준다.

반응 칼럼 스케일에 기인한 글루코스의 수율 차이는 없었으며, 전체 수율은 낮게 유지되었다(도 13a). 스케일-업 칼럼에서 헤미셀룰로스의 수율은 파일롯-스케일 칼럼에 비해 작았으나, 스케일-업 칼럼에서 헤미셀룰로스 변화는 상당히 더 컸다(도 13b). 수율은 스케일-업 칼럼 및 파일롯 스케일 칼럼 각각에 대해 오리지널 CPS 밀짚에서 포텐셜 헤미셀룰로스의 55% 및 66%에 이르렀다. 열수 처리의 거의 처음 20%에 대해, 반응 동력학은 동등하였으며, 그 후 동력학 및 수율의 편차가 시작되었다. 상술한 바와 같이, 고체 잔류물에서 헤미셀룰로스의 잔류량은 동일하였으므로, 동등한 양의 헤미셀룰로스가 양쪽 모든 반응 칼럼 스케일에서 가수분해되었다. 상이한 스케일들 사이의 수율 편차는 스케일-업 반응 칼럼에서 헤미셀룰로스의 분해에 기인하였다. 리그닌의 수율은 두 반응 칼럼 스케일에 대해 매우 상이하였다(도 13c). 전체 수율 및 초기 추출 속도는 스케일-업 반응 칼럼에 대해 상당히 더 높았다. 리그닌 수율은 스케일-업 반응 칼럼 및 파일롯 스케일 반응 칼럼 각각에 대해 CPS 밀짚에서 포텐셜 리그닌의 43% 및 32%에 이르렀다. 리그닌의 생산과 관련하여, 보다 큰 파일롯-스케일 반응 칼럼에서 감소된 리그닌 수율은 스케일-업 절차에 의해 야기된 증가된 체류 시간에 기인한 반응기내의 리그닌의 반응 및 변성의 결과이었다.

이러한 시험에서, CPS 밀짚의 열수 처리의 성공적인 스케일-업은 고체 잔류물 및 액체 분획을 생성하였으며, 이는 조성 및 수율에서 단지 경미하게 차이가 있었다. 대부분의 차이는 자일란 가수분해 정도 및 추출된 리그닌의 양에 있었다. 용해도 및 물질 전달이 그 공정의 가이드 현상인 추출 시스템에 있어서, 용기의 스케일-업을 위한 열쇠는 동등한 겉보기 속도 및 용매:고체 비율의 유지이다. 리그노셀룰로스 바이오매스의 열수 처리는 용해도 양상을 그 공정에 포함시키나, 또한 화학 반응의 동력학에 의해 지배된다. 본 실험에서, 벤치 스케일 반응 칼럼은 스케일-업 반응 칼럼 및 파일롯-스케일 칼럼과 비교하여 헤미셀룰로스 분획의 불완전한 가수분해를 생성하였다. 스케일-업 칼럼과 비교하여 파일롯-스케일 칼럼에서 리그닌의 불완전한 추출이 있었으며, 이는 아마도 리그닌이 제거되기 전에 반응 칼럼내에서 리그닌 침전에 기인한 것으로 보인다. 열수 처리와 같은 반응 양상을 포함하는 시스템에서, 체류 시간은 중요하다. 반응 칼럼의 스케일 업 중에 겉보기 속도를 유지하는 것이 반드시 행해져야 하며, 그 이유는 내부 및 외부 물질 전달이 반응 동력학에 2차 역할을 하기 때문이며, 이는 체류 시간에 따라 달라진다. 열수 처리를 위한 장치의 미래의 스케일-업을 위해, 칼럼내의 겉보기 속도(유량)는 체류 시간을 동등하게 되도록 조절되어야 한다. 반응 칼럼을 가온시켜 건조하는 것은 밀짚으로부터 헤미셀룰로스의 수율을 증가시키는 데 도움이 될 수 있다.

실시예 2: 콘코드 그레이프 포미스의 PLPW 가공

2011년 가을 중에 콘코드 포도의 상업적인 주스 가공으로부터 생성된 그레이프 포미스는 상업적인 과일 가공 회사에 의해 제공되었다. 그레이프 포미스를 받으면, 75℃에서 강제 대류 오븐(Model 40AF, Quincy Lab Inc., Chicago, IL, USA)에서 밤새도록 건조시켜 이의 수분 함량을 검출하였다. 나머지의 그레이프 포미스는 가공이 필요할 때까지 -20℃ 급속 냉동고에 보관하였다.

그레이프 포미스는 10 mL/분의 단일 유량 및 30 mL/g의 용매:고체 비율을 이용하여 5가지 온도(85℃, 120℃, 150℃, 175℃)에서 벤치-스케일 PLPW 시스템으로 가공되었다(도 9). 또한, 추출 공정에서 가변성 정도를 측정하기 위해 120℃에서 삼중 운용(triplicate run)을 수행하였다. 총 8 배치의 그레이프 포미스를 벤치-스케일 시스템으로 가공하였다. 최상의 가공 조건은 120℃ 및 7.5 mL/g 용매:고체 비인 것으로 검출되었으며, 파일롯-스케일 PLPW 시스템을 이용한 그레이프 포미스 가공을 위한 작업 조건으로 사용하였다(도 10).

7 배치의 그레이프 포미스는 파일롯-스케일 시스템으로 가공하였다. 또한, 2 배치는 22.5 mL/g 용매:고체 비, 플러스 하나 더의 배치의 가공 조건으로 가공하였으며, 그리고 하나의 운용에 대해 총 15분획이 매 5-10분마다 수거되어 가공 시간에 따른 페놀 및 안토시아닌의 용리를 추가 확인하였다. 총 9 배치의 그레이프 포미스를 파일롯-스케일 시스템으로 가공하였다.

벤치-스케일 추출:

벤치-스케일 시스템으로 가공된 배치들로부터 수거된 데이터는 가공 온도의 증가에 따라 추출된 건조물의 증가가 있었음을 보여주었다(표 7). 액체 추출물에서 건조물 농도는 30 mL/g의 전체 운용 동안 85℃에서보다 175℃에서 4배 이상 더 높았다(각각, 0.86% 대 0.21%). 이는 175℃에서 23.1%의 유용한 건조량 수율 및 85℃에서 6.2%의 수율을 나타내었다. 그러나, 다수의 건조량은 추출 운용의 처음 7.5 mL/g에서 추출되었다. 따라서, 처음 7.5 mL/g에서만 추출하는 것이 가장 효율적이며, 이에 의한 수율은 상당히 높으며, 액체 추출물에서 산물의 농도는 최대 수준이다.

150℃ 및 175℃의 가공 온도에서, 추출물은 이들의 특징적인 보라색을 잃으며, 탄 냄새와 함께 두드러지게 갈색으로 되어, 바람직하지 않은 산물을 생성한다. 150℃ 및 175℃에서 추출물의 페놀 함량은 높지만, 바람직한 안토시아닌은 고온에 기인하여 추출물로부터 제거되었다(도 14a, 14b). 85℃ 및 120℃의 나머지 가공 온도에 있어서, 최대 수율 및 총 페놀 함량은 120℃에서 달성되었으며, 최대 수율 및 안토시아닌 함량은 85℃에서 달성되었다(표 11). 농도와 수율의 전체적인 최상의 조합은 120℃에서 달성되었다.

120℃의 가공 온도에서 수거된 추출물로부터, 모든 분획에 대해 건조된 추출물에서 총 페놀의 농도는 9.05%이었으며, 이는 그레이프 포미스에서 유용한 페놀의 114.6%의 수율을 나타낸다. PLPW에서 그레이프 포미스의 반응 공정은 가공되지 않은 그레이프 포미스로부터 이용가능한 것에 비해 더 많은 페놀을 제공하였다. 120℃ 추출로부터 모든 분획에 대해 추출물에서 안토시아닌의 농도는 0.36%이었으며, 이는 19.4%의 수율을 나타낸다.

파일롯 -스케일 추출:

10 배치의 그레이프 포미스를 파일롯-스케일 PLPW 시스템(도 8)으로 120℃에서 가공하여 1500 L(400 gal)의 추출물을 생성하였다. 액체 추출물의 증발 효율을 평가하기 위해 2 세트의 추출(첫 번째 세트는 최대 추출 농도(7.5 mL/g)에서 70 L가 되는 것으로 설정하고, 두 번째 세트는 최대 수율(22.5 mL/g 용매:고체 비)에서 750L가 되는 것으로 설정됨)을 평가하였다.

파일롯-스케일 PLPW 추출의 결과를 표 12에 정리하였다. 7.5 mL/g 용매:고체 비율에서 액체 추출물에서 평균 건조물 농도 및 수율은 각각 1.0% 및 7.6%이었다. 건조 추출물에서 총 페놀의 농도는 평균 12.9%이었으며, 그레이프 포미스에서 96.0%의 유용한 페놀의 수율을 나타내었다. 건조 추출물에서 안토시아닌의 농도는 평균 1.1%이었으며, 그레이프 포미스에서 33.7%의 유용한 안토시아닌의 수율을 나타내었다. 하나의 배치는 칼럼 내부의 슬리브의 일부 바이패싱이 있었기 때문에, 다른 운용에 비해 보다 낮은 건조물 함량 및 수율을 생성하였다. 이는 다음의 모든 운용에서 보정되었다. 또 다른 배치에 있어서, 웜업 시간은 자켓을 웜업 온도로 가온된 후에 1시간에서 0시간으로 감소되었다. 다른 운용들에 비해 건조물 수율 또는 농도에 있어 변화가 없었다. 총 페놀 수율은 경미하게 더 낮았지만, 건조된 추출물에서 농도는 다른 운용과 동일하였다. 그러나, 건조 추출물에서 안토시아닌 수율 및 농도는 각각 59% 및 85% 더 높았다. 이는 아마도 웜업 단계의 제거로 인해, 상승된 온도에서 안토시아닌의 보다 낮은 분해에 기인한 것으로 보인다.

22.5 mL/g 용매:고체 비에서 액체 추출물에서 평균 건조물 농도 및 수율은 각각 0.56% 및 12.5%이었다(표 12). 건조된 추출물에서 총 페놀의 농도는 평균 11.7%이었으며, 그레이프 포미스에서 108.1%의 유용한 페놀 수율을 나타내었다. 건조된 추출물에서 안토시아닌의 농도는 평균 1.07%이었으며, 그레이프 포미스에서 49.9%의 유용한 안토시아닌 수율을 나타내었다. 건조된 추출물에서 총 페놀 및 안토시아닌의 농도는 단기 및 장기 운용에서 유사하였다. 그러나, 수율은 7.5 mL/g에서 추출에 비해 증가하였으나, 액체 추출물에서 건조물의 농도가 훼손되었다.

2월 1일 C2 운용에 있어서(표 12 참고), 건조물의 수율 및 농도, 총 페놀 및 안토시아닌은 추출의 초기 단계에서 가장 높았다(표 13). 7.5 mL/g 샘플 후에, 산물의 수율은 후속 분획에서 대단히 줄었다(표 13). 또한, 추출되는 화합물들의 생산에 있어서 시프트는 없었으며, 이후의 분획들에서 증가하였다(도 15). 따라서, 7.5 mL/g의 용매:고체 비를 넘어서 추출을 확장하는 것은 이득이 거의 없다는 초기의 관찰이 맞다.

7.5 mL/g의 용매:고체 비에서 그레이프 포미스의 PLPW 추출은 추출물에서 12.9%의 농도에서 96.0%의 유용 페놀 화합물을 생성하였으며, 추출물에서 1.10%의 농도에서 발생 물질에서 33.7%의 안토시아닌을 생성하였다(표 12). 12.3 mL/g의 용매:고체 비에서 그레이프 포미스의 배치 추출은 추출물에서 8.64%의 농도에서 62.8%의 유용한 페놀 화합물을 생성하였으며, 추출물에서 1.98%의 농도에서 발생 물질에서 61.4%의 안토시아닌을 생성하였다. PLPW 기술은 배치 온수 추출 기술에 비해 1.5배 농도에서 40% 더 많은 페놀을 획득하였다. 또한, PLPW 시스템은 이와 대등한 산업 온수 추출의 물의 반을 사용하였으며, 이는 건조 추출물을 생성하기 위해 물을 제거하기 위한 증발 비용의 막대한 절감을 이끈다.

스케일의 영향:

벤치-스케일 PLPW 시스템(도 9)은 칼럼 직경을 2.2cm에서 20.3cm로 증가시킴으로써 스케일 업되었다(도 8). 나머지 칼럼 및 추출 시스템 파라미터들은 양쪽 모든 추출기에 대해 동등한 샘플 벌크 밀도 및 체류 시간을 유지하면서, 9배 스케일-업에 기초하여 적절히 스케일 업하였다(표 14).

다수의 모든 건조물 및 폴리페놀은 추출의 처음 30%(7.5 mL/g 용매:고체 비)에서 추출하였으며, 이는 벤치 및 파일롯 스케일 시스템에서 총 건조물의 76% 및 72%를 각각 나타낸다(표 15). 동시에, 추출된 건조물에서 페놀의 농도가 존재하였다. 오리지널 콘코드 그레이프 포미스는 총 0.94%의 페놀 함량을 가졌으며, 이는 벤치 및 파일롯-스케일 시스템의 건조된 추출물에서 8.98% 내지 14.26%로 농축되었다(표 15).

특성	벤치 스케일	파일롯 스케일	슬리브를 갖는 파일롯
내부 직경	2.2 cm	20.3 cm	19.5 cm
길이	22 cm	203 cm	203 cm
칼럼 용량	83.6 cm3	65701 cm3	60625 cm3
샘플 매스(건조물)	22.09 g	17303 g	16000 g
베드 깊이	17.6 cm	162 cm	162 cm
샘플 부피	66.9 cm3	52400 cm3	48380 cm3
샘플 벌크 밀도	0.33 g/cm3	0.33 g/cm3	0.33 g/cm3
길이:직경 비율b	8:1	8:1	8.3:1
용매-고체 비율	30 mL/g	30 mL/g	30 mL/g
수거된 부피	662.7 mL	519077 mL	480000 mL
유량	10.3 mL/분	8059 mL/분	8000 mL/분
겉보기 속도	2.71 cm/분	24.9 cm/분	24.9 cm/분
체류 시간	6.5분	6.5분	6.5분
추출 시간	64.3분	64.3분	64.3분
b: 길이가 베드 깊이인 경우 체류 시간 = 베드 깊이/겉보기 속도 추출 시간 = 수거된 부피/유량

벤치-스케일 또는 파일롯-스케일 시스템으로부터 추출된 물질의 양은 유의한 차이가 없었다(p≥0.05). 이론적으로, 유닛이 적절히 스케일되면, 반응기 크기에 기인한 추출 차이는 없어야 한다. 그러나, PLPW 추출에서는, 가용화 및 추출 편상이 일어날 뿐만 아니라, PLPW 시스템에서 바이오매스를 브레이크다운시키기 위해 결합되며 온도 및 시간과 관련된 화학적 반응이 일어난다. 이에 따라, 스케일과 관련된 액체 추출물의 총 페놀 농도에서 유의한 차이가 있었다(p≤0.05). 타르타르 에스테르 및 플라보놀 농도는 상이하지 않았으나(p≥0.05), 다른 PLPW 추출 시스템으로부터 안토시아닌 농도에 유의한 차이가 있었다(p≤0.05). 파일롯-스케일 PLPW 시스템은 벤치-스케일 PLPW 시스템이 생성한 것에 비해 두 배량의 안토시아닌을 생성하였다. 이는 아마도 반응 칼럼의 크기 및 웜업 절차의 차이에 기인한 것으로 보인다. 벤치-스케일 PLPW 시스템에서, 칼럼은 온수로 플러딩되고, 칼럼은 공급스톡 및 칼럼이 추출 온도에 있도록 하는 것을 확실히 하기 위해 45분간 오븐에서 가온시켰다. 파일롯-스케일 PLPW 시스템에서, 칼럼은 온수로 플러딩되고, 자켓은 추출 온도로 상승되고, 그 다음 시스템을 60분간 가온시켰다.

가온시키는 시간이 보다 긴 칼럼의 직경에 기인하여 파일롯-스케일 PLPW 시스템에서보다 더 길었음에도 불구하고, 칼럼의 중심에서 물질이 가온되는 데 더욱 오래 걸렸다. 따라서, 파일롯-스케일 칼럼의 중심에서 물질은 상당히 보다 작은 벤치-스케일 칼럼내의 물질에 비해 상당히 더 서서히 그리고 보다 적은 정도로 가온시켰다. 안토시아닌은 온도에 민감한 것으로 알려져 있어(Mazza et al., 1993, Anthocyanins in Fruits , Vegetables , and Grains; CRC Press: Boca Raton, FL), 따라서 고온에서의 체류 시간에 기인하여 벤치-스케일 칼럼에서 보다 쉽게 부서지고 사라지는 경향이 있다.

실시예 3: 크랜베리 포미스 의 PLPW 가공

2012년 가을 중에 상업적인 주스 가공으로부터 생성된 크랜베리 포미스는 상업적인 과일 가공 회사에 의해 제공되었다. 크랜베리 포미스를 받으면, 75℃에서 강제 대류 오븐(Model 40AF, Quincy Lab Inc., Chicago, IL, USA)에서 밤새도록 건조시켜 이의 수분 함량을 검출하였다. 나머지의 크랜베리 포미스는 가공이 필요할 때까지 -20℃ 급속 냉동고에 보관하였다.

크랜베리 포미스는 6가지 추출 온도(85℃, 110℃, 120℃, 130℃, 140℃, 150℃)에서 벤치-스케일 PLPW 시스템으로 가공되었다(도 9). 실시예 2에서 콘코드 그레이프 포미스에 대해 검출된 가장 효율적인 용매:고체 비는 7.5 mL/g으로 측정되었으므로, 동일한 용매:고체 비가 크랜베리 포미스 추출을 위해 사용하였다. 웜업 시간은 추출물에서 브레이크다운 및 피토케미컬의 손실을 억제하기 위해 15분으로 설정되었다.

파일롯-스케일 시스템(도 8)을 이용한 다른 타입의 바이오매스 공급스톡으로 수행한 이전 시험은 벤치-스케일 반응기 칼럼에서의 체류 시간(10 L/분의 벤치-스케일 유량)과 동등한 파일롯-스케일 반응기 칼럼에서의 체류 시간을 유지하도록 디자인되었으며, 파일롯-스케일 반응기 칼럼에서 8 mL/분의 유량은 칼럼내의 크랜베리 포미스의 깊이에 기인하여 흐름에 대한 바이오매스 내성이 베드를 붕괴시키는 데 충분하도록 상당히 높았으며, 이에 따라 칼럼의 플러깅을 야기하였다. 플러깅은 유량이 파일롯-스케일 PLPW 시스템에서 4 L/분으로 감소된 경우에 문제가 없는 것으로 발견되었으며, 이는 벤치-스케일 시스템에서 5 mL/분의 유량에 상응하는 것이다. 추출 공정에 미치는 유량의 영향을 검출하기 위해, 두 유량, 5 mL/분 및 10 mL/분을 벤치 시스템에서 85℃ 및 120℃에서 운용되었다.

파일롯-스케일 PLPW 시스템(도 8)을 통한 여러 시험 운용은 최상의 추출 온도가 120℃인 것으로 검출되었다. 벤치 스케일 운용으로부터 액체 추출물에서 고 건조물 농도에 기인하여, 용매:고체 비율은 파일롯 시스템에서 8.5 mL/g으로 증가하였다. 후속적으로, 7 배치의 크랜베리 포미스가 파일롯-스케일 PLPW 시스템으로 가공되었다.

변형 버전의 글로리법(Glories' method)(1979, Reserches sur la matiere colorante des vins rouges . Bull. Cim. 9:649-2655)을 사용하여 크랜베리 포미스의 페놀 성분을 측정하고, 건조된 추출물을 다음과 같이 검출하였다. 샘플들을 메탄올에 용해된 3% 포름산으로 2배 희석한 다음, 50% 희석 산성화 메탄올(50% MeOH, 1.5% 포름산, 48.5% 물)로 5 내지 50배 희석하였다. 각 용액을 보텍싱하고, 약 15분간 가라앉힌 후, 분광 광도계(DU-65, Beckman Instruments Inc., Fullerton, CA)로 280 nm, 320 nm, 360 nm 및 520 nm에서 흡광도를 판독하였다.

280 nm에서의 흡광도(A)는 총 페놀 함량을 평가하는 데 사용되었고, A320 nm는 타르타르 에스테르를 평가하는 데 사용되었고, A360 nm는 플라보놀을 평가하는 데 사용되었으며, 그리고 A520 nm는 안토시아닌을 평가하는 데 사용되었다. 사용된 스탠다드는 총 페놀에 대해 갈릭산이었고, 타르타르 에스테르에 대해 카페인산이었고, 플라보놀에 대해 퀘세틴이었고, 그리고 안토시아닌에 대해 쿠로마닌 클로라이드이었다. 모든 스탠다드는 희석 산성화된 메탄올에서 제조되었다. 모든 스탠다드는 Sigma-Aldrich(Oakville, ON)로부터 획득되었다.

산성 부탄올 어세이는 Porter 등에 의해 교시된 바와 같이 조 크랜베리 포미스 및 건조된 추출물에서 프로안토시아니딘 함량의 검출을 위해 사용되었다(1985, The conversion of procyanidins and prodelphinidins to cyanidin and delphinidin. Phytochem. 25:223-230). 분말 추출물의 샘플을 30 mL의 70% 메탄올에 용해하였다. 이에 15 mL의 농축 HCL 및 10 mL의 물을 첨가하였다. 각 용액을 80 mL에 대해 환류한 다음, 냉각하고 70% 메탄올로 250 mL로 희석하였다. 그 용액의 50 mL를 회전 증발기(Rotovapor-R, Buchi, Switzerland)에서 약 3 mL로 증발시키고, 그 내용물을 분리 깔때기에 옮기고, 플라스크를 물로 린스하고 상기 깔때기에 부가하였다. 부탄올을 상기 분리 깔때기에 첨가하고, 그 내용물을 흔들어 유기층을 분리하였다. 프로안토시아니딘 분획을 수거하고, 부탄올로 100 mL로 적정하였다. 545 nm에서 흡광도를 분광 광도계(DU-65, Beckman Instruments Inc., Fullerton, CA)로 측정하고, 프로안토시아니딘 함량을 시안화 클로라이드로 표기하였다.

크랜베리 포미스의 수분 함량은 그레이프 포미스보다 높았다(각각, 64% 대 46%). 증가된 수분 함량은 그만큼 크랜베리 포미스 물질을 칼럼내로 패킹하는 것을 어렵게 하였으며, 이는 그레이프 포미스에 비하여 운용당 생성되는 추출물의 용량을 적어지게 하였다. 벤치-스케일 PLPW 시스템을 통해 크랜베리 포미스 샘플을 운용하는 데 문제가 없었다. 그러나, 크랜베리 포미스는 파일롯-스케일 PLPW 시스템에서 그레이프 포미스에 비해 더 플러깅되기 쉬웠으며, 이에 따라 유량은 면밀히 모니터되어야 했다.

벤치-스케일 추출:

유량은 크랜베리 포미스의 가공에 유의한 영향을 미쳤다(표 16). 건조물 및 프로안토시아니딘 수율 및 농도는 모두 5 mL/분 유량에 비해 10 mL/분의 보다 높은 유량에서 더 낮았다. 그러나, 총 페놀 수율 및 농도는 5 mL/분의 유량에서 더 낮았다. 시스템에서 유량을 변화시킴으로써, 칼럼내에서 추출물의 체류 시간 또한 영향을 받았다. 5 mL/분 유량에서, 체류 시간은 10 mL/분의 유량에 비해 2배이었다. 체류 시간의 증가는 추출물이 빠져나가고 냉각되기 전에 칼럼에서 PLPW 내에서 일어나는 반응이 증가된 시간동안 일어나도록 한다. 프로안토시아니딘의 경우에, 증가된 체류 시간은 보다 큰 불용성 올리고머 분자 및 중합 분자가 보다 작은 가용성 형태로 분해되도록 할 것이다. 그러나, 보다 긴 체류 시간은 다른 열 민감성 페놀을 분해되도록 할 것이다. 따라서, 프로안토시아니딘 수율은 보다 낮은 유량에서 증가될 수 있으나, 총 페놀 수율은 분해 반응에 기인하여 감소될 수 있다.

벤치-스케일 PLPW 시스템에서 가공 온도의 증가와 함께 추출된 건조물의 증가가 있었다(표 11). 액체 추출물에서 건조물 농도는 85℃에서보다 150℃에서 두 배 이상 더 높았다(각각, 2.00% 대 0.78%). 이는 150℃에서 15.38%의 유용한 건조물 수율 및 85℃에서 5.88%의 유용한 건조물 수율을 나타낸다.

결과는, 5 mL/분에서 10 mL/분로의 유량 증가는 건조물 및 프로안토시아니딘의 수율을 10-20% 감소시킨 것으로 나타났다. 추출물의 페놀 농도는 120℃ 및 130℃에서 최고였으나(표 16), 바람직한 안토시아닌은 110℃ 이상의 온도에서 추출물로부터 제거되었다(도 16a, 16b). 100% 이상의 총 페놀 수율은 PLPW에서 크랜베리 포미스의 반응 공정에 기인하였으며, 이는 미가공된 포미스로부터 유용한 보다 많은 페놀을 제공하였다. 120℃에서 건조된 추출물에서 프로안토시아니딘의 최대 농도는 2.88%이었으며, 이는 크랜베리 포미스에서 31.55%의 유용한 프로안토시아니딘 수율을 나타낸다. 종합적으로, 페놀과 프로안토시아니딘의 농도와 수율의 최상의 조합은 120℃의 가공 온도에서 달성되었다.

파일롯 -스케일 추출:

630 L의 추출물을 생성하기 위해 최적화된 조건을 이용하여 파일롯-스케일 PLPW 시스템(도 8)으로 7 배치의 크랜베리 포미스를 가공하였다(표 17). 큰 시스템에서 운용들 사이의 전체적인 가변성은 운용 3을 제외하고는 낮았다. 운용 3에서 슬리브의 플로우 바이패싱으로 문제가 있었으나, 그 결과는 비교 목적으로 나타내었다. 액체 추출물에서 평균 건조물 농도는 1.26%이었으며, 유용한 건조물의 10.9% 수율을 나타내었으며, 이는 벤치-스케일 시스템(각각, 1.21% 및 9.2% 농도 및 수율)과 동일한 것이었다. 파일롯-스케일 PLPW 시스템으로부터 얻어진 추출물은 벤치-스케일 PLPW 시스템으로 회수된 추출물에 비해 더 우수한 품질의 것이었다. 벤치-스케일 PLPW 시스템으로부터 520 nm에서 크로마토그램은, 안토시아닌이 110℃ 이상의 온도에서 건조된 추출물로부터 크게 제거된 것으로 나타났다(도 17a, 17b). 120℃에서 파일롯-스케일 PLPW 시스템 운용은 85℃ 및 110℃에서 벤치-스케일 PLPW 시스템과 유사한 안토시아닌 함량을 갖는 건조된 추출물을 생성하였다. 파일롯-스케일 PLPW 시스템으로부터 얻어진 건조된 추출물에서 프로안토시아니딘의 농도는 평균 3.50%이었으며, 크랜베리 포미스에서 45.5%의 유용한 프로안토시아니딘 수율을 나타내었으며, 이는 2.88% 및 31.55%의 프로안토시아니딘의 농도 및 수율을 각각 갖는 벤치-스케일 PLPW 시스템으로 회수된 것보다 현저히 더 우수하였다(표 16). 페놀 함량 및 수율은 두 시스템에서 유사하였다.

크랜베리 포미스의 파일롯-스케일 PLPW 추출은 추출물에서 3.50%의 농도에서 45.5%의 유용한 프로안토시아니딘을 생성하였다(표 17). 배치 온수 추출은 건조된 추출물에서 1.21%의 농도에서 단지 19.5%의 유용한 프로안토시아니딘을 생성하였다(표 16). PLPW 기술은 배치 온수 추출 기술에 비해 건조된 추출물에서 거의 3배 농도로 프로안토시아니딘을 133% 더 획득하였다. 또한, 파일롯-스케일 PLPW 시스템은 동등한 양의 포미스를 가공하는 데 배치 온수 추출의 물의 반 미만을 사용하였다. 이는 건조 추출물의 제조와 관련되어 가장 큰 비용 중 하나인 추출 및 공정으로부터 물을 제거하는 데 덜 비용적이다. PLPW 추출 기술을 이용한 물 소비의 이러한 감소는 건조된 추출물을 생성하기 위한 시도에서 산업적으로 큰 비용 절감을 나타낼 수 있다.

보다 낮은 유량 및 증가된 체류 시간은 크랜베리 포미스로부터 프로안토시아니딘의 추출에 유익하였다. 프로안토시아니딘의 최대 수율 및 농도는 콘코드 그레이프 포미스로 수행된 이전 작업에 비해 보다 농축된 액체 추출물로 120℃의 온도에서 발생하였다. 따라서, 파일롯-스케일 PLPW 시스템은 120℃의 온도, 4 L/분의 유량(벤치 시스템에 대해 동등한 5 mL/분) 및 8.5 mL/g의 보다 긴 용매:고체 비에서 수행되었다.

실시예 4: 헴프 미일( hemp meal )의 PLPW 가공

굵은 헴프 미일은 헴프 오일의 상업적 생산자에 의해 제공되었다. 샘플들을 대 입자 크기를 갖는 균일한 분말로 분쇄하였다. 헴프 미일의 수분 함량은 75℃에서 강제 대류 오븐(Model 40AF, Quincy Lab Inc., Chicago, IL, USA)에서 밤새도록 건조시켜 검출하였다. 나머지의 헴프 미일은 시험이 필요할 때까지 -20℃ 급속 냉동고에 보관하였다.

벤치-스케일 PLPW 시스템으로 두 추출 운용을 수행하였다(도 9). 후속적으로, 두 부가적인 운용을 다른 셋트의 조건하에서 수행하였다. 양쪽 모든 경우에, 벤치-스케일 칼럼에 헴프 미일을 적재하고, 35℃ 물로 플러딩하였다.

처음의 항온에서, 칼럼을 플러딩한 후에, 흐름을 정지시키지 않고 온도를 10분 동안 70℃까지 상승시켰다. 나머지 추출물은 이전 실시예에 기재된 바와 같이 가공되었다(표 18). 온도 경사 분획을 포함하여 벤치-스케일 PLPW 추출 시스템의 유량은 5 mL/분으로 유지되고, 30 mL/g의 총 용매:고체 비가 사용되었다.

분획	온도(℃)	추출 부피(mL)	분획 용매:고체 비율(mL/g)	누적성 용매:고체 비율(mL/g)	시간(분)
1	35~70℃ 급격함	50	2.7	2.7	10
2	70℃ 일정함	75	4.1	6.8	15
3	70℃ 일정함	75	4.1	10.9	15
4	70℃ 일정함	75	4.1	15.0	15
5	70℃ 일정함	75	4.1	19.1	15
6	70℃ 일정함	75	4.1	23.2	15
7	70℃ 일정함	125	6.8	30.0	25

보다 많은 물질을 추출하기 위해 그리고 (i) 추출물에서 보다 많은 단백질을 얻기 위해 또는 (ii) 잔류물을 정제하여 이의 단백질 함량을 증가시키기 위해, 2-온도 운용을 수행하였다(표 19). 칼럼을 플러딩한 후에, 흐름을 정지시키지 않고 온도를 10분간 70℃로 상승시켰다. 온도를 10분간 70℃에서 120℃로 상승시키지 전에 두 분획을 수거하였다. 나머지 분획들은 일정한 120℃ 추출 온도에서 수거하였다(표 19). 온도 경사 분획을 포함하여 벤치-스케일 PLPW 추출 시스템의 유량은 5 mL/분으로 유지하였으며, 30 mL/g의 총 용매:고체 비가 사용되었다.

분획	온도(℃)	추출 부피(mL)	분획 용매:고체 비율(mL/g)	누적성 용매:고체 비율(mL/g)	시간(분)
1	35~70℃ 급격함	50	2.7	2.7	10
2	70℃ 일정함	75	4.1	6.8	15
3	70℃ 일정함	75	4.1	10.9	15
4	70~120℃ 급격함	50	2.7	13.6	10
5	120℃ 일정함	75	4.1	17.7	15
6	120℃ 일정함	75	4.1	21.8	15
7	120℃ 일정함	150	8.2	30	30

굵은 헴프 미일은 약 35%의 출발 단백질 함량 및 10% 지질을 함유하였으며, 건조물의 나머지는 탄수화물 및 무기물을 포함하였다.

동결 건조된 추출물의 단백질 분석은 독립적인 제 3의 파티 분석을 위해 발송되었다. 분획들은 다음과 같이 그루핑되었다:

운용 1(일정한 70℃)

잔류물(70/05/30 GCHM 2013/06/06 잔류물)

분획 1(70/05/30 GCHM 2013/06/06 F1)

분획 2 및 3 조합(70/05/30 GCHM 2013/06/06 F2; 70/05/30 GCHM 2013/06/06 F3)

분획 4, 5, 6 및 7 조합(70/05/30 GCHM 2013/06/06 F4; 70/05/30 GCHM 2013/06/06 F5; 70/05/30 GCHM 2013/06/06 F6; 70/05/30 GCHM 2013/06/06 F7)

운용 2(2개의 단계 70℃/120℃)

잔류물(70-120/05/30 GCHM 2013/06/06 잔류물)

분획 1(70-120/05/30 GCHM 2013/06/06 F1)

분획 2 및 3 조합(70-120/05/30 GCHM 2013/06/06 F2; 70-120/05/30 GCHM 2013/06/06 F3)

분획 4, 5, 6 및 7 조합(70-120/05/30 GCHM 2013/06/06 F4; 70-120/05/30 GCHM 2013/06/06 F5; 70-120/05/30 GCHM 2013/06/06 F6; 70-120/05/30 GCHM 2013/06/06 F7)

80℃ 이상의 온도에서, 헴프 미일에서 단백질은 달걀 흰자위처럼 익혀져, 추출 칼럼내에 고체을 형성하고, 후속적으로 시스템을 막히게 하는 것으로 나타났다. 실험을 통해, (i) 흐름이 칼럼 플러딩 후에 유지되었는지 및 (ii) 추출 온도가 80℃ 아래로 유지되고, 그 다음 단백질이 응집없이 추출될 수 있었는지, 그리고 칼럼이 막히지 않았는지 검출하였다.

a: 오리지널 건조한 출발 물질에서의 35% 단백질을 추정함.

b: 분획 2 및 3의 평균

c: 분획 4, 5, 6 및 7의 평균

추출 성능은, 분획 2 내지 4에 대하여 추출물들의 유백색 외관에 기인하여 단백질이 가용화되고, 바이오매스로부터 제거되었음을 나타내었다. PLPW 추출은 항온 운용에 대해 액체 추출물에서 20.1%의 출발 물질을 생성하였고, 2 단계 운용에 대해 액체 추출물에서 25.5%의 출발 물질을 생성하였다.

일정한 70℃ 온도 추출에서, 최고 단백질 농도 및 수율은 분획 2 및 3에서 일어났다(표 20). 2 단계 70℃/120℃ 추출에서, 처음 3 분획들은 추출 프로토콜이 항온 운용과 동일하였기 때문에 분석하지 않았다. 마지막 4 분획들은, 다수의 수용성 단백질이 추출된 경우에 PLPW 추출의 마지막 부분에 비해 온도 상승의 영향을 조사하기 위해 분석하였다. 2단계 추출의 분획 4 내지 7에서 단백질 수율은 11.65%로 더 높았으나, 건조된 추출물에서 농도는 46.47%로 더 낮았다.

이러한 결과는 헴프 미일이 PLPW에 의해 추출된 현저한 양의 수 용해성 단백질을 함유할 수 있음을 제시한다. 항 70℃에서 성공적인 운용은 건조된 추출물에서 77.74%의 최대 농도에서 36%의 단백질을 생성하였다. 이후에, 2-단계 운용이 완료되고, 이에 의해 가공 온도는 대부분 쉽게 가용화된 물질이 헴프 미일으로부터 추출된 후에 120℃로 상승되었다. 이는 건조된 추출물에서 보다 우수한 단백질 수율을 형성하였으나, 여전히 잔류물에 49%에 가까운 오리지널 단백질이 남아있었다. 다량의 단백질이 잔류물에 남아있었으나, 이 단백질은 아마도 추출된 단백질과 상당히 다른 것으로 보였다.

실시예 5: 아피인( 아피게닌 -7-(2-O- 아피오실글루코사이드 )의 추출을 위한 파슬리의 PLPW 가공

탈수된 파슬리 플레이크들은 미국에서 상업적 공급자로부터 공급받았다. 물질을 수용하자마자, 75℃에서 강제 대류 오븐(forced convection oven)(Model 40AF, Quincy Lab Inc., Chicago, IL, USA)에서 밤새도록 건조시킴으로써 그의 수분 함량을 결정하였다. 파슬리 플레이크를 가공이 필요할 때까지 -20℃에서 급속 동결 상태로 저장하였다.

탈수된 파슬리 플레이크를 벤치-스케일 PLPW 시스템으로 가공하였다(도 9). 탈수된 파슬리(18.5 g, 건조한 중량 및 미연마됨)를 양 단부에서 프릿(frit)으로 스테인레스 스틸 추출 칼럼(22 cm 길이 × 2.2 cm ID) 내에 패킹하였다. 5 mL/분의 유량으로 물을 벤치-스케일 PLPW 시스템 내에 펌핑시켜서 압력을 300 psi까지 증가시킴으로써 추출 공정을 시작하였다. 15분 동안 칼럼을 가온시킨 후, 110℃, 120℃ 및 130℃에서 시스템을 통하여 물을 펌핑하였다. 파슬리 추출물의 4개의 분획(F1, F2, F3 및 F4)을 각 온도에서 수거하였으며, 동결-건조시켰다. 루트리아(Luthria)(2006)에 의해 교시된 방법들을 사용하는 페놀 화합물 분석을 위하여, 동결-건조된 샘플들을 MeOH-H2O(2:1, v/v)로 추출하였다.

조성 분석을 위하여, 파슬리 플레이크를 연마하고, 표준 체(425 μm)를 통과시켜서 미세 입자들을 제조하였다. 연마된 샘플 약 0.250 mg을 30분 동안 초음파분산기(sonicator)에서 MeOH-H₂O(2:1, v/v) 10 mL로 추출하였다. 추출 후, 샘플을 15분 동안 원심분리시키고(10,000 rpm), 상청액을 25-mL 부피 플라스크 내에 수거하였다. 잔여물을 추가의 MeOH 용액 10 mL로 재현탁시키고 재추출하였다. 상청액을 제 1 추출물과 합치고, 전체 부피를 25 mL로 만들었다. 합쳐진 추출물의 분취물(1 mL)을 15분 동안 9,000 rpm에서 재원심분리시켜서 임의의 잔여 입자들을 제거하고, 루트리아(Luthria) 등의 교시에 따르는 폴린-시오칼토(Folin-Ciocalteus)(FC) 방법 및 HPLC 방법에 의해 페놀 함량 분석을 위해 사용하였다(2006, A systematic approach for extraction of phenolic compounds using parsley ( Petroselinum crispum ) flakes as a model substrate. J. Sci. Food Agric. 86:1350-1358). 파슬리 추출물의 HPLC 분석은, CHEMSTATION(등록상표) 소프트웨어와 커플링되어 있는 Agilent HP 1100 series HPLC(Agilent Technologies, Waldbronn, Germany), 2원(binary) 고압 펌프, 진공 탈가스장치(degasser) 및 포토다이오드 어레이 검출기를 사용하여 실시하였다. 모든 크로마토그래피 분리는, Luna RP C-18 (100Å, 150 X 3 mm) 칼럼 위에서 PHENOMENEX(등록상표) 가드 칼럼(C-18, 4 X 2 mm) (PHENOMENEX는 Phenomenex, Torrance, CA, USA의 등록상표임)으로 실시하였다. 칼럼 오븐 온도는 30℃이었다. 구배 시스템은 5분 동안 5% 포름산(A) 및 메탄올(B):이소크레틱(isocratic) 30% MeOH로 이루어지며, 이어서 21분에 걸쳐 100% MeOH까지 증가시키고, 5분 동안 MeOH의 100%에 고정하였다. 다이오드 어레이 검출기를 사용하여 아피인을 검출하였다(270 nm에서).

아피인의 순수한 스탠다드(≥93.9%)을 ChromaDex(Santa Ana, CA, USA)로부터 구입하였다. 스탠다드 5 mg을 메탄올-물(2:1, 원료 용액) 10 mL 중에 용해시키고; 원료 용액을 메탄올-물 중에 희석하는 추가의 희석액들을 제조하였다. (270 nm에서) 아피인에 대한 회귀 방정식 및 계수(R2)는 y = 47515x - 149.19(R² = 0.9999, 0.23 내지 0.02 mg/mL)이었다.

오리지널 탈수된 파슬리의 수분 함량은 5.5%이었다. 연마된 파슬리 플레이크 및 PLPW 추출물들로부터 아피인의 추출에 대하여 MeOH-물(2:1)로 이루어진 용매를 성공적으로 사용하였다. 순수한 외부 스탠다드를 사용하여 파슬리의 추출물에서의 아피인의 존재를 확인하고 예측하였다. 순수한 아피인 스탠다드의 대표적인 크로마토그램은 도 18a에 제시하는 한편, 건조한 파슬리로부터의 추출물의 대표적인 크로마토그램은 도 18b에 제시한다. 파슬리 추출물에서 확인된 주요 피크는 아피인이었으며, 그의 보유 시간(12.4분) 및 UV-스펙트럼은 정체성(identity) 및 피크의 순도가 확인되는 상업용 스탠다드와 연관되었다. 순수한 아피인 스탠다드에 대한 선형 회귀 라인을 플로팅함으로써 샘플에서의 아피인 농도를 예측하였다(x축 위의 농도 및 y축 위의 피크 영역). 270 nm에서 아피인에 대한 회귀 방정식은 y = 47515x - 149.19(R² = 0.9999)이었다. 파슬리의 미가공 물질 추출물에서 아피인 함량 및 TP는 각각 2.65 및 1.78%이었다.

3가지 상이한 온도 설정(110℃, 120℃ 및 130℃) 및 일정한 액체:고체 비율(30 mL/g), 유량(5 mL/분), 압력(300 psi) 및 추출 시간(111분)에서 PLPW에 의해 파슬리를 추출하였다. PLPW에 의한 파슬리에 대한 추출 조건, 건조물 수율 및 페놀 조성을 포함하는 데이터를 표 21에 요약한다. 일정한 펌프 압력에서 플리깅(plugging) 또는 칼럼 블리딩(column bleeding) 없이 파슬리 추출에 대해 PLPW 추출 시스템을 매우 우수하게 실시하였다. PLPW 추출물들의 제 1 분획들의 칼라는 밝은 황색이었으며, 파슬리에서 존재하는 베타-카로틴 및 제악산틴에 기인하는 것으로 보인다. 용매:고체 비율의 최초 7.5 mL/g에서 더욱 많은 양의 건조물이 수득되었다. 120℃ 가공 온도로부터 가장 많은 양의 전체 건조물 11.6 g이 회수되었다. 파슬리의 PLPW 추출물로부터 확인된 주요 피크는 아피인이었다. 파슬리 추출물을 순수한 아피인 스탠다드와 스파이킹함으로써(spike) 화합물을 확인하였으며, 이는 UV-스펙트럼 및 보유 시간을 공개된 기술 보고서들과 비교되는 것이다. 120℃ 온도 설정의 제 1 분획(도 19b)에서는, 건조물 함량 9.96 g과 함께 아피인(7.7%) 및 TP(3.3%)의 최고 양이 산출되었다. 이들 결과에 기초하여, 가공 온도는 파슬리로부터 건조물의 추출에 영향을 미친다. 110℃에서, 극성(도 19a), 샘플 매트릭스에 대한 용매 확산성, 열적 반응이 아피인의 더욱 낮은 추출 가능성에 대해 영향을 미칠 수 있는 한편, 130℃(도 19c)에서, 아피인의 일부는 더욱 높은 온도로 인해 분해되었다.

온도 (℃)	PLPW 분획	추출 부피(mL)	용매;고체 비율(mL/g)	건조물 함량(g)	건조물 함량(g)	건조된 추출물의 아피인 함량(%)a	건조된 추출물의 TP 함량(%)b	아피인 수율(%)c	TP 수율(%)c
110	F1	138	7.5	8.42	5.88	2.85	3.50	48.70	89.48
	F2	138	7.5	1.26	0.91	5.37	3.19	13.80	12.20
	F3	138	7.5	0.42	0.30	4.43	2.52	3.80	3.19
	F4	138	7.5	0.22	0.16	4.09	2.86	1.80	1.91
	합계	552	30	10.32	1.87	3.24	3.41	68.27	106.78
120	F1	138	7.5	9.96	6.88	7.69	3.60	156.20	109.10
	F2	138	7.5	1.14	0.79	5.60	3.30	13.00	11.40
	F3	138	7.5	0.32	0.24	3.87	2.90	2.50	2.90
	F4	138	7.5	0.22	0.15	3.79	3.10	1.70	2.10
	합계	552	30	11.64	2.11	7.31	3.55	173.40	94.59
130	F1	138	7.5	10.15	7.09	6.80	3.90	141.20	119.00
	F2	138	7.5	0.77	0.52	3.90	2.80	6.20	6.50
	F3	138	7.5	0.36	0.25	2.10	2.80	1.50	3.10
	F4	138	7.5	0.24	0.19	1.50	2.80	0.70	2.00
	합계	552	30	11.52	2.09	6.35	3.74	149.60	105.42
파슬리 26.5 mg/g 17.8 mg/g (연마됨) (2.65%) (1.78%)
a: 아피인(HPLC에 의한 270 nm에서의 아피인 등가물) b: 전체 페놀(755 nm에서 검정에 의한 갈산 등가물 FC) c: 산물의 중량/입수 가능한 중량(%); 5.5%까지 표준화된 샘플들의 수분 함량

실시예 6: 로디올라 로제아 뿌리의 PLPW 가공

건조된 로디올라 로제아 뿌리들은 어드밴스드 오쏘몰레큘라 리서치 인코포레이티드(Advanced Orthomolecular Research Inc.)(Calgary, AB, CA)에 의해 공급받았다. 샘플들은 다양한 입자 분포 및 덩어리(chunk)로 균일하게 굵었으나, 추출 전에는 어떠한 연마 또는 쵸핑(chopping)도 실시하지 않았다. 75℃에서 강제 대류 오븐(Model 40AF, Quincy Lab Inc., Chicago, IL)에서 밤새도록 건조시킴으로써 로디올라 로제아 뿌리들의 수분 함량을 결정하였다. 로디올라 로제아 바이오매스의 수분 함량은 3.4%인 것으로 결정되었다. 로디올라 로제아의 잔여부는 시험이 필요할 때까지 -20℃에서 저장하였다.

벤치-스케일 PLPW 시스템으로 로디올라 로제아 뿌리들의 가공을 위하여 3개의 추출 온도(110℃, 130℃, 150℃)를 시험하였다. 30 mL/g의 용매:고체 비율을 사용하고, 각 부피의 추출물들을 7.5 mL/g 용매:고체 비율의 4개의 분획으로 분할하였다. 유량을 5 mL/분으로 유지하고, 가온 시간을 15분으로 설정하여서 추출물에서 식물화학물질의 붕괴와 손실을 방지하였다. 추출 칼럼을 물질 15 g으로 패킹하였다.

추출물 및 미가공 물질의 분석:

로디올라 로제아 건조된 추출물들의 샘플들을 전반적으로 70% 메탄올 중의 10 mg/mL의 농도에서 용해시켰다. 샘플들을 원심분리에 의해 정화시키고, 상청액 20 μL를 LC/MS 장치 위에 주입하였다. 샘플을 2회 운용하였다. 비교를 위하여, 하나의 추출 샘플은 70% 메탄올 40 mL 중에 2 g을 용해시킴으로써 평가하고, 70% 메탄올로 1:5 희석하였다(10 mg 뿌리/mL). 보유 시간에 의해 신호들을 확인하고, 살리드로시드, 로디올로시드, 로사린, 로사빈, 로진 및 로시드린(rosidrin)에 대한 분자량은 DAD 흡광도 검출에 커플링된 구배 HPLC 분리를 사용하여 수득하고 포지티브 모드 전기분무 질량 현미경에 의해 확인하였다. 살리드로시드, 로사린, 로사빈 및 로진의 양들은, ChromaDex(Santa Ana, CA, USA)로부터 수득된 순수한 스탠다드와의 비교에 의해 예측하였다.

하기 단계들을 포함하는, 살리드로시드 및 로사빈의 분석을 위한 방법을 개발하였다. 오리지널 뿌리 물질에서의 살리드로시드 및 로사빈의 초기 수준을 결정하기 위하여, 로디올라 로제아 뿌리의 대표적인 샘플은 커피 연마기를 사용하여 미세하게 연마한 후, 25분 동안 음파처리에 의해 80% 수성 메탄올(20:80, 메탄올:물) 25 mL로 추출하였다. 추출물은 실온에서 15분 동안 9000 rpm에서 원심분리하였으며, 마오(Mao) 등에 의해 교시된 방법들에 따라 살리드로시드 및 로사빈에 대한 HPLC 분석을 위해 상청액 10 μL를 주입하였다(2007, Simultaneous determination of salidroside and tyrosol in extracts of Rhodiola L. by microwave assisted extraction and high -performance liquid chromatography. J. Pharm. Biomed. Anal. 45:510-515; Ganzera et al., 2001, Analysis of the Marker Compounds of Rhodiola rosea L.( Golden Root ) by Reversed Phase High Performance Liquid Chromatography. Chem Pharm Bull. 49:465-467). 살리드로시드 및 로사빈의 스탠다드는 Sigma-Aldrich(Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA)로부터 구입하였다. 각 스탠다드 2.5 mg을 80% 수성 메탄올 10 mL 중에 용해시켰다(원료 용액). 80% 수성 메탄올 중에 원료 용액을 희석시킴으로써 희석액들을 제조하였다. (278 nm에서의) 살리드로시드 및 (250 nm에서의) 로사빈에 대한 회귀 방정식 및 계수(R²)는 y = 2693.1x - 11.727(R² = 0.9983, 내지 0.023 mg/mL) 및 y = 82174x - 89.367(R² = 0.9995, 0.035 내지 0.0125 mg/mL)이었다.

동결-건조된 PLPW 로디올라 로제아 뿌리 추출 샘플들은 전술된 바와 같이 HPLC 분석을 위한 80% 수성 메탄올 25 mL로 추출하였다. 화합물 분석은, CHEMSTATION(등록상표) 소프트웨어(CHEMSTATION은 Agilent Technologies Inc.(Santa Clara, CA, USA)의 등록상표임)와 커플링되어 있는 Agilent HP 1100 series HPLC(Agilent Technologies, Waldbronn, Germany), 2원 고압 펌프, 진공 탈가스장치 및 포토다이오드 어레이 검출기를 사용하여 실시하였다. 모든 크로마토그래피 분리는, Luna RP C-18 (100Å, 150 X 3 mm) 칼럼 위에서 PHENOMENEX(등록상표) 가드 칼럼(C-18, 4 X 2 mm) (PHENOMENEX는 Phenomenex Inc., Torrance, CA, USA의 등록상표임)으로 실시하였다. 칼럼 오븐 온도는 30℃이었다. 구배 시스템은 25분 동안 물(A) 및 메탄올(B):이소크레틱 20% A로 이루어지며, 이어서 15분에 걸쳐 90% A까지 증가시키고, 10분 동안 100% A에 고정하였다. 다이오드 어레이 검출기를 사용하여 (278 nm에서의) 살리드로시드 및 (250 nm에서의) 로사빈을 검출하였다. 로디올라 추출물을 스탠다드 화합물과 스파이킹함으로써 피크를 확인하였으며, 이는 UV-스펙트럼과 보유 시간의 비교이다.

추출에서는 110℃에서 액체 추출물에서 1.7%의 농도에서 출발 물질의 48%로 산출되었다(도 20). 130℃에서, 수율은 액체 추출물에서 1.7%의 농도에서 출발 물질의 52%이었다(도 20). 150℃에서, 수율은 액체 추출물에서 2.1%의 농도에서 출발 물질의 60%이었다(도 20). 15 mL/g 용매;고체 비율을 대표하는 최초 2개의 수거된 분획들은 건조물의 최고 풍부한 수율을 함유하였다.

HPLC/DAD 분석으로부터의 결과에서는, 로사빈(로사린, 로사빈 및 로진의 합) 및 살리드로시드의 농도는 130℃ 가공 온도에서 가장 높으며, 각각 추출물의 0.79% 및 0.62%이었다(표 22). 로사린, 로사빈, 로진 및 살리드로시드에 대한 피크는 도 21a 내지 도 21c에서 확인한다. 이들 화합물의 함량은, 출발 로디올라 로제아 뿌리 물질의 메탄올 추출물(도 23a 내지 도 23c)에서보다 건조된 PLPW 추출물들(도 22a 내지 도 22c)에서 더 낮았다. PLPW 추출물들의 낮은 살리드로시드 및 로사빈 함량은 아마도 용해 및 추출되는 다량의 물질에 기인하는 것이다. 샘플들은 물 중에서 완전하게 가용성이지만, 70% 메탄올 중에서 불용성인 상당량의 물질을 함유하였다. 이 불용성 분획은 아마도 사라카이드이었으며, 이는 하이드로-알코올(hydro-alcoholic) 추출에서 효과적으로 추출되지 않지만 PLPW 시스템에서는 추출된다. 이들 사라카이드는 아마도 PLPW 추출물에서 살리드로시드 및 로사빈의 농도를 저하시키는 데 있어 책임을 갖는다.

샘플	복제	건조된 추출물의 살리드로시드 함량(중량%)	건조된 추출물의 로사린 함량(중량%)	건조된 추출물의 로사빈 함량(중량%)	건조된 추출물의 로진 함량(중량%)
110℃, 분획 1	1	0.41	0.23	0.28	0.056
	2	0.41	0.23	0.28	0.056
110℃, 분획 2	1	0.40	0.23	0.36	0.056
	2	0.41	0.23	0.36	0.056
130℃, 분획 1	1	0.58	0.21	0.56	0.052
	2	0.66	0.21	0.56	0.053
130℃, 분획 2	1	0.65	0.19	0.53	0.052
	2	0.58	0.19	0.53	0.052
150℃, 분획 1	1	0.48	0.18	0.39	0.072
	2	0.49	0.18	0.40	0.072
150℃, 분획 2	1	0.47	0.13	0.36	0.092
	2	0.48	0.13	0.37	0.092

오리지널 로디올라 로제아 뿌리 바이오매스 및 건조된 PLPW 추출물들은 마오 등(2007)에 의해 교시된 방법들에 따라 분석하여서 수율을 계산하였다(표 24). 로사빈의 결과들은 독립적 상업용 실험실로부터 수득된 것들에 견줄만 하지만, 살리드로시드 함량은 상기 상업용 실험실에 의해 보고된 것의 2배이었다. 표 23에서의 데이터는 스탠다드 추가 시험으로 확인하였다. 마오 등(2007)의 방법은 살리드로시드에 대해 특이적인 것이며, 상업용 실험실에 의해 사용되는 방법보다 상기 화합물에 대해 더욱 민감하다. PLPW 추출에서는 130도의 추출 온도에서 최초 2개의 분획들에 걸쳐 살리드로시드 및 로사빈의 가장 높은 농도 및 수율을 달성하였다. 살리드로시드의 수율은 최초 2개의 분획들에서 거의 100%이었고, 건조된 추출물들에서의 농도는 1.5%이었으며, 이는 로디올라 로제아 뿌리 추출물들에 대한 명세사항을 초과하는 것이었다. 로사빈의 수율은 최초 2개의 분획들에서 거의 85%이었고, 건조된 추출물들에서의 농도는 단지 0.65%이었으며, 이는 로디올라 로제아 뿌리 추출물들에 대해 특정화된 3% 미만이었다. 따라서, PLPW는 로디올라 로제아에서 입수 가능한 살리드로시드 및 로사빈을 추출하는 데 효과적이지만, 비선택적 추출이며, 건조된 추출물들에서의 농도는 낮다. 살리드로시드 및 로사빈의 수율들은 비록 건조물 수율이 더욱 높은 온도로 인한 화합물들의 분해 때문에 증가하였을지라도 150℃의 추출 온도에서 감소하였다.

온도	분획	용매:고체 비율	추출 부피	건조물	건조물 수율	건조물 농도	살리드로시드 수율	로사빈 수율	건조된 추출물의 살리드로시드 함량	건조된 추출물의 로사빈 함량
		(mL/g)	(mL)	(g)	(%)	(%)	(산물 wt/유용물 wt)	(산물 wt/유용물 wt)	(산물 wt/건조물 wt)(%)	(산물 wt/건조물 wt)(%)
110℃	1	7.5	109	3.47	23.94	3.30	35.2	28.6	0.92	0.36
	2	15	109	1.74	12.03	1.60	15.0	16.9	0.81	0.42
130℃	1	7.5	109	4.73	32.67	4.46	79.3	67.4	1.51	0.62
	2	15	109	1.26	8.67	1.17	17.0	17.2	1.22	0.59
150℃	1	7.5	109	5.63	38.88	5.45	56.8	60.4	0.91	0.47
	2	15	109	1.95	13.44	1.77	13.2	23.9	0.62	0.54
130℃ 세척	세척	7.5	109	1.01	6.99	1.99	9.8	8.7	0.87	0.38
	1	7.5	109	3.83	26.42	3.57	29.4	35.5	0.69	0.40
	2	15	109	1.84	12.71	1.78	20.9	9.1	1.03	0.21
미가공 물질 0.66 0.30

Claims (15)

1. 각각의 칼럼이 (i) 가열된 물의 공급, (ii) 가열되고 가압된 물의 공급 및 (iii) 냉각되고 가압된 물의 공급과 개별적으로 소통하며, 액체 산물 유동을 배출시키기 위한 출구를 갖는 2개 이상의 반응 칼럼;
   상기 각각의 반응 칼럼을 가압시키기 위한 펌프;
   (iv) 상기 각각의 반응 칼럼을 선택된 압력까지 가압하도록, (v) 선택된 기간 동안 상기 각각의 반응 칼럼에서의 선택된 압력을 유지하도록, 그리고 (vi) 가압된 상기 각각의 반응 칼럼에서의 압력을 해제하도록, 상기 각각의 반응 칼럼 및 상기 펌프와 협력하는 복수의 밸브; 및
   상기 각각의 칼럼이 가압되는 기간 동안, 상기 각각의 칼럼으로부터 액체 산물 유동을 수용하기 위한 수거 용기
   를 포함하는,
   가압된 저극성 물(pressurized low polarity water)로 바이오매스 공급원료(biomass feedstock)로부터 성분들을 추출하고 회수하기 위한 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   폐수 유동을 안에 수용하고 정제하기 위한 하나 이상의 물 처리 장치를 추가로 포함하는 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   정제된 물을 가열 및 pH 조정 중 하나 이상에 의해 가공하기 위한 장치를 추가로 포함하는 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   정제된 물의 일부를 저장하기 위한 저장기를 추가로 포함하는 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   폐수 유동의 일부를 저장하기 위한 저장기를 추가로 포함하는 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 각각의 칼럼이 가압되는 기간 동안, 상기 각각의 칼럼으로부터 액체 산물 유동을 안에 순차적으로 수용하기 위한 하나 이상의 수거 용기를 추가로 포함하는 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 가열된 물의 공급은, 물의 공급원(source), 적어도 하나의 열 교환기, 적어도 하나의 가열기, 및 상기 각각의 반응 칼럼을 고온 물로 쇄도하기(flood) 위한 그리고 가압된 저극성 물을 발생시키기 위한 배압 조절기(back pressure regulator)와 소통하는 배관 기반구조물(piping infrastructure)을 포함하는 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 가열된 물의 공급은, 물의 공급원, 적어도 하나의 열 교환기, 적어도 하나의 가열기, 및 선택된 온도까지 상기 각각의 반응 칼럼을 가온시키기 위한 배압 조절기와 소통하는 배관 기반구조물을 포함하는 장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 가열되고 가압된 물의 공급은, 물의 공급원, 적어도 하나의 열 교환기, 적어도 하나의 가열기, 및 상기 각각의 반응 칼럼을 통해 고온 가압된 저극성 물을 연속적으로 유동시키기 위한 배압 조절기와 소통하는 배관 기반구조물을 포함하며,
   상기 제 3 배관 기반구조물은 상기 수거 용기와 추가로 소통하는 장치.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 냉각되고 가압된 물의 공급은, 물의 공급원, 적어도 하나의 열 교환기, 적어도 하나의 가열기, 및 선택된 온도까지 상기 각각의 반응 칼럼을 냉각시키기 위한 배압 조절기와 소통하는 배관 기반구조물을 포함하는 장치.
    
11. 제1항에 있어서,
    2개 이상의 반응 칼럼, 가열된 물의 공급, 가열되고 가압된 물의 공급, 냉각되고 가압된 물의 공급, 상기 각각의 반응 칼럼을 가압시키기 위한 펌프, 및 (i) 물의 공급원, 적어도 하나의 열 교환기, 적어도 하나의 가열기, 및 상기 각각의 반응 칼럼을 고온 물로 쇄도하기 위한 그리고 가압된 저극성 물을 발생시키기 위한 배압 조절기와 소통하는 제 1 배관 기반구조물, (ii) 물의 공급원, 적어도 하나의 열 교환기, 적어도 하나의 가열기, 및 선택된 온도까지 상기 각각의 반응 칼럼을 가온시키기 위한 배압 조절기와 소통하는 제 2 배관 기반구조물, (iii) 물의 공급원, 적어도 하나의 열 교환기, 적어도 하나의 가열기, 및 상기 각각의 반응 칼럼을 통해 고온 가압된 저극성 물을 연속적으로 유동시키기 위한 배압 조절기와 소통하며 상기 수거 용기와 추가로 소통하는 제 3 배관 기반구조물, 및 (iv) 물의 공급원, 적어도 하나의 열 교환기, 적어도 하나의 가열기, 및 선택된 온도까지 상기 각각의 반응 칼럼을 냉각시키기 위한 배압 조절기와 소통하는 제 4 배관 기반구조물 내에 물의 유동을 제어적이고 순차적으로 가하기 위한 복수의 밸브와 소통하는 자동화된 제어 시스템를 추가로 포함하는 장치.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 자동화된 제어 시스템은 프로그램 가능한 것인 장치.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 자동화된 제어 시스템은 수동으로 작동될 수 있는 장치.
    
14. 제11항에 있어서,
    2개 이상의 반응 칼럼, 가열된 물의 공급, 가열되고 가압된 물의 공급, 냉각되고 가압된 물의 공급, 상기 각각의 반응 칼럼을 가압시키기 위한 펌프, 및 제 1 배관 기반구조물, 제 2 배관 기반구조물, 제 3 배관 기반구조물 및 제 4 배관 기반구조물 내에 물의 유동을 제어적이고 순차적으로 가하기 위한 복수의 밸브와 소통하는 수동 제어 시스템을 추가로 포함하는 장치.
    
15. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 칼럼이 감압된 후, 상기 각각의 반응 칼럼으로부터 배출되는 폐수 유동을 수용하기 위한 용기를 추가로 포함하는 장치.
    

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