KR20170038831A - 리그노셀룰로오스 물질의 가수분해 방법 - Google Patents

리그노셀룰로오스 물질의 가수분해 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20170038831A
KR20170038831A KR1020177003678A KR20177003678A KR20170038831A KR 20170038831 A KR20170038831 A KR 20170038831A KR 1020177003678 A KR1020177003678 A KR 1020177003678A KR 20177003678 A KR20177003678 A KR 20177003678A KR 20170038831 A KR20170038831 A KR 20170038831A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lignocellulosic material
acid
alkali
partially hydrolyzed
weight
Prior art date
Application number
KR1020177003678A
Other languages
English (en)
Inventor
알렉스 베이커
레슬리 앨런 에디
Original Assignee
리프 사이언시스 피티와이 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from AU2014902667A external-priority patent/AU2014902667A0/en
Application filed by 리프 사이언시스 피티와이 리미티드 filed Critical 리프 사이언시스 피티와이 리미티드
Publication of KR20170038831A publication Critical patent/KR20170038831A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08H—DERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08H6/00—Macromolecular compounds derived from lignin, e.g. tannins, humic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08H—DERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08H8/00—Macromolecular compounds derived from lignocellulosic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/02—Monosaccharides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/14—Preparation of compounds containing saccharide radicals produced by the action of a carbohydrase (EC 3.2.x), e.g. by alpha-amylase, e.g. by cellulase, hemicellulase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
    • C12P7/10—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate substrate containing cellulosic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/16—Butanols
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/64—Fats; Fatty oils; Ester-type waxes; Higher fatty acids, i.e. having at least seven carbon atoms in an unbroken chain bound to a carboxyl group; Oxidised oils or fats
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/64—Fats; Fatty oils; Ester-type waxes; Higher fatty acids, i.e. having at least seven carbon atoms in an unbroken chain bound to a carboxyl group; Oxidised oils or fats
    • C12P7/6436—Fatty acid esters
    • C12P7/6445—Glycerides
    • C12P7/6463—Glycerides obtained from glyceride producing microorganisms, e.g. single cell oil
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K1/00—Glucose; Glucose-containing syrups
    • C13K1/02—Glucose; Glucose-containing syrups obtained by saccharification of cellulosic materials
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C1/00—Pretreatment of the finely-divided materials before digesting
    • D21C1/04—Pretreatment of the finely-divided materials before digesting with acid reacting compounds
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C1/00—Pretreatment of the finely-divided materials before digesting
    • D21C1/06—Pretreatment of the finely-divided materials before digesting with alkaline reacting compounds
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C3/00—Pulping cellulose-containing materials
    • D21C3/02—Pulping cellulose-containing materials with inorganic bases or alkaline reacting compounds, e.g. sulfate processes
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C3/00—Pulping cellulose-containing materials
    • D21C3/04—Pulping cellulose-containing materials with acids, acid salts or acid anhydrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M45/00—Means for pre-treatment of biological substances
    • C12M45/06—Means for pre-treatment of biological substances by chemical means or hydrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P2201/00—Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P2203/00—Fermentation products obtained from optionally pretreated or hydrolyzed cellulosic or lignocellulosic material as the carbon source
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/582—Recycling of unreacted starting or intermediate materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)
  • Saccharide Compounds (AREA)

Abstract

리그노셀룰로오스 물질을 산 및/또는 알칼리로, 그리고 이후에, 폴리올로 처리하는 단계를 포함하는 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 제조 방법이 제공된다. 또한, 상기 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질로부터 발효성 당 또는 발효 산물을 제조하는 방법이 제공된다. 이러한 방법에 의해 제조된 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질, 발효성 당 및 발효 산물이 또한 제공된다. 또한, 예를 들어, 상술된 방법에 의해 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 제조하기 위한 장치가 제공된다.

Description

리그노셀룰로오스 물질의 가수분해 방법{METHODS FOR HYDROLYSING LIGNOCELLULOSIC MATERIAL}
본 발명은 발효성 당(fermentable sugar)과 같은, 유용한 제품을 제조하기 위해 후속하여 사용될 수 있는 적어도 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 제조 방법에 관한 것이다.
리그노셀룰로오스 물질은 다른 것들 중에서, 바이오연료(biofuel)(예를 들어, 바이오에탄올) 및 생화학물질(biochemical)을 제조하기 위해 사용될 수 있고, 이에 따라, 화석 연료에 대한 대체물이다. 리그노셀룰로오스 물질로부터 효율적인 바이오연료 생산을 위하여, 리그노셀룰로오스 물질의 셀룰로오스 성분 및/또는 헤미셀룰로오스 성분은 에탄올 또는 부탄올로 발효될 수 있는 단당류(즉, 모노당(monosugar))로 전환될 필요가 있다. 이러한 분야에서의 종래 연구에서는 리그노셀룰로오스 물질의 자연적인 구조를 파괴하기 위한 화학적 및/또는 물리적 전-처리, 이후 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 성분의 모노당으로의 효소적 가수분해를 포함하는 리그노셀룰로오스 물질로부터 발효성 당을 제조하는 공정이 제안되어 있다. 모노당은 이후에, 에탄올 또는 부탄올을 포함하는 바이오연료 및/또는 유기산 및/또는 다른 알코올과 같은 다른 발효 산물을 제조하기 위해 발효될 수 있다. 추가적으로, 모노당은 E. coli 또는 종속영양 조류(heterotrophic algae)로부터의 미생물 지질과 같은 다른 유용한 분자로의 미생물 전환을 위한 탄소 소스로서 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 공정들은 현재, 고비용, 낮은 효율, 유해 반응 조건, 및 전-처리 공정과 관련된 다른 문제들로 인해 상업되지 않았다. 또한, 이러한 공정들은 환경 친화적이지 않으며, 효과적이고 효율적인 가수분해를 달성하기 위해, 상당한 효소의 첨가가 요구되며, 이는 비용을 추가로 증가시킨다.
이에 따라, 발효성 당을 제조하기 위해 다운스트림 적용에서 사용될 수 있는 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 제조하기 위한 개선된 방법이 요구된다.
본 발명은 리그노셀룰로오스 물질을 순차적으로 산 및/또는 알칼리, 및 이후 폴리올, 및 특히 글리세롤로 처리하는 것이 산 및/또는 알칼리 및 폴리올 둘 모두를 포함하는 용액으로의 단일 단계 공정과 비교하여 리그노셀룰로오스 물질의 더욱 효율적이고 개선된 가수분해 또는 액화를 야기시킨다는 놀라운 발견으로부터 일부 예측된다.
제1 양태에서, 본 발명은
(ⅰ) 리그노셀룰로오스 물질을 산 및/또는 알칼리로 처리하는 단계;
(ⅱ) 단계 (ⅰ)의 리그노셀룰로오스 물질을, 폴리올을 포함하거나 이로 이루어지거나 이를 필수적으로 포함하는 제제로 처리하여 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 제조하는 단계를 포함하는, 적어도 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 제조 방법을 제공한다.
특정 구현예에서, 단계 (ⅰ)에서, 리그노셀룰로오스 물질은 (a) 산 단독으로; (b) 알칼리 단독으로; (c) 순차적으로 산 및 이후 알칼리로; 또는 (d) 순차적으로 알칼리 및 이후 산으로 처리된다.
적합하게는, 산은 황산, 염산, 인산, 불화수소산, 브롬화수소산, 질산, 산 금속 염 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
바람직하게는, 산은 황산이다.
적합하게는, 알칼리는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 알칼리 금속 염 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
바람직하게는, 알칼리는 수산화나트륨이다.
바람직한 구현예에서, 단계 (ⅰ)은 리그노셀룰로오스 물질 내에 및/또는 위에 산 및/또는 알칼리를 스팀 함침(steam impregnating)시키는 것을 포함한다.
바람직한 구현예에서, 산은 리그노셀룰로오스 물질의 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량%의 양으로 존재한다.
바람직한 구현예에서, 알칼리는 리그노셀룰로오스 물질의 약 0.1 중량% 내지 약 15 중량%의 양으로 존재한다.
적합하게는, 폴리올은 글리세롤, 에틸렌 글리콜 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
바람직하게는, 폴리올은 글리세롤이다.
일 구현예에서, 글리세롤은 미정제 글리세롤이거나 이를 포함한다.
적합하게는, 단계 (ⅰ)은 약 20℃ 내지 약 99℃, 또는 바람직하게는, 약 25℃ 내지 약 75℃의 온도에서 수행된다.
적합하게는, 단계 (ⅱ)는 약 120℃ 내지 약 200℃의 온도에서 수행된다.
바람직하게는, 단계 (ⅱ)는 약 160℃의 온도에서 수행된다.
적합하게는, 단계 (ⅰ)은 약 5분 내지 약 30분의 기간 동안 수행된다.
적합하게는, 단계 (ⅱ)는 약 15분 내지 약 60분의 기간 동안 수행된다.
바람직하게는, 단계 (ⅱ)는 약 30분의 기간 동안 수행된다.
특별한 구현예에서, 단계 (ⅰ)은 단계 (ⅱ)의 개시 전에 산 및/또는 알칼리로의 처리 후에 리그노셀룰로오스 물질을 세척, 배수 및/또는 가압하여서 적어도 부분적으로 산 및/또는 알칼리를 제거하는 것을 추가로 포함한다.
적합하게는, 폴리올은 리그노셀룰로오스 물질의 약 10 중량% 내지 약 200 중량%의 양으로 존재한다.
제2 양태에서, 본 발명은 제1 양태의 방법에 의해 제조된 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 제공한다.
제3 양태에서, 본 발명은 발효성 당을 제조하기 위해 제1 양태에 따라 제조된 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 효소적으로 가수분해하는 단계를 포함하는 발효성 당의 제조 방법을 제공한다.
바람직하게는, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 효소적으로 가수분해시키는 단계는 적어도 부분적으로 상기 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을, 셀룰라아제, 리그니나아제, 헤미셀룰라아제, 자일라나아제, 리파아제, 펙티나아제, 아밀라아제, 프로티나아제, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 효소와 접촉시킴으로써 수행된다.
제4 양태에서, 본 발명은 제3 양태의 방법에 의해 제조된 발효성 당을 제공한다.
바람직하게는, 제3 양태 및 제4 양태에 따르면, 발효성 당은 글루코오스, 자일로오스, 아라비노오스, 갈락토오스, 만노오스, 람노오스, 수크로오스, 프룩토오스, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
일 구현예에서, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 효소적으로 가수분해시키는 단계는 약 2% 내지 약 30%의 액체에 대한 고체 비율로 수행된다.
특별한 구현예에서, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질은 낮은 농도의 하나 이상의 효소와 접촉된다.
제5 양태에서, 본 발명은 제3 양태에 따라 제조된 발효성 당을 처리하여 발효 산물을 제조하는 단계를 포함하는 발효 산물의 제조 방법을 제공한다.
제6 양태에서, 본 발명은 제5 양태의 방법에 의해 제조된 발효 산물을 제공한다.
바람직하게는, 제5 양태 및 제6 양태에 따르면, 발효 산물은 에탄올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택된다.
제7 양태에서, 본 발명은 리그노셀룰로오스 물질을, 폴리올을 포함하거나 이로 이루어지거나 이를 필수적으로 포함하는 제제로 처리하기 위한 증해 챔버(digestion chamber)와 연통하는 리그노셀룰로오스 물질을 산 및/또는 알칼리로 처리하기 위한 처리 챔버(treatment chamber)를 포함하는 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 제조하기 위한 장치를 제공한다.
적합하게는, 처리 챔버는 리그노셀룰로오스 물질을 산 및/또는 알칼리로 함침시킬 수 있다.
특정 구현예에서, 장치는 예를 들어, 리그노셀룰로오스 물질을 습윤화시키거나 및/또는 예열시키기 위해, 리그노셀룰로오스 물질을 스팀처리할 수 있는 전-처리 챔버를 추가로 포함한다.
일부 구현예에서, 장치는 액체 분획으로부터 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 적어도 부분적으로 분리시키기 위한 분리기(separator)를 추가로 포함한다.
특별한 구현예에서, 장치는 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질로부터 산, 알칼리 및/또는 폴리올의 적어도 부분적으로 제거를 촉진시키기 위해 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 세척할 수 있는 세척 디바이스(washing device)를 추가로 포함한다. 바람직하게는, 세척 디바이스는 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 연속 역류 세척을 촉진시키도록 구성된 벨트 진공 필터(belt vacuum filter) 또는 워킹 중력 세척 테이블(walking gravity wash table)이다.
적합하게는, 장치는 제1 양태의 방법에서 사용하기 위해 적합하다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 달리 명시하지 않는 한, "포함하다," 및 "포함하는"은, 기술된 정수 또는 정수의 그룹이 하나 이상의 다른 기술되지 않은 정수 또는 정수의 그룹을 포함할 수 있도록, 배타적이기 보다는 오히려 포괄적으로 사용된다. 반대로, 용어 "이루어지다," 및 "이루어지는"은 배타적으로 사용되는데, 이에 따라, 기술된 정수 또는 정수의 그룹은 필수적이거나 의무적이며, 다른 정수는 존재하지 않을 수 있다. 구 "필수적으로 포함하는(consisting essentially of)"은 기술된 정수 또는 정수의 그룹이 필수적이거나 의무적이지만, 기술된 정수 또는 정수의 그룹의 활성 또는 작용을 방해하거나 기여하지 않는 다른 구성요소들은 선택적이라는 것을 명시한다.
단수 명사가 단수 명사로서 뿐만 아니라 그렇지 않은 경우에 단수 명사가 지칭하는 하나 초과 또는 단일 대상을 초과하는 것을 배제하는 것으로서 판독되지 않는다. 예를 들어, 단백질은 하나의 단백질, 하나 이상의 단백질 또는 복수의 단백질을 포함한다.
일 예로서, 본 발명의 구현예는 첨부된 도면을 참조로 하여 하기에서 보다 충분히 기술된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 세척 디바이스의 개략도이다.
도 3은 유칼립투스 칩의 산 함침 및 증해 이전에 알칼리 탈아세틸화(alkali deacetylation)를 포함하는 실시예 3의 전-처리 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 유칼립투스 칩의 산 함침 및 증해 이전에 알칼리 탈아세틸화를 포함하는 실시예 3의 전-처리 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 알칼리 탈아세틸화를 포함하는 전-처리 방법의 다양한 단계 후에 실시예 3으로부터의 유칼립투스 칩의 이미지를 제공한다.
도 6은 (A) 피치아 홀스티이(Pichia holstii), (B) 사카로마이세스 세레비시애(Saccharomyces cerevisiae) 및 (C) 에스캐리키아 콜라이(Escherichia coli)에 의한 발효를 위해 각각에 대해 하기에 나타낸 글루코오스 농도의 감소 및 세포 밀도의 상응하는 증가를 나타낸 것이다.
본 발명은 발효성 당 및 궁극적으로 생화학물질을 제조하기 위해 다운스트림 적용에서 사용될 수 있는, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 제조하는 신규한 방법의 확인으로부터 일부 이루어진 것이다. 특히, 이러한 신규한 방법은 추가 액화 또는 가수분해를 위해 처리될 수 있는 개선된 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 제공한다. 추가적으로, 본원에 기술된 방법은 통상적으로, 낮은 자본 비용 및 운전 비용을 가지고, 당해 분야에 이전에 기술된 것에 비해 더욱 효율적이다.
본원에 기술된 공정은 바이오매스(biomass)를, 이후에 녹색 재생가능한 바이오-기반 제품(green renewable bio-based product)을 제조하기 위한 베이스(base)로서 사용될 수 있는 당으로 전환시키는 경제학을 위해 중요한 더욱 많은 당을 빠르게 제조하는 능력을 제공한다. 본원에 기술된 공정은 상당한 증해 시간을 절약할 수 있고, 달성된 결과를 기초로 하여, 최대 당을 보다 빠르게 제조할 수 있다. 이러한 결과는 본 공정의 경제학적 잇점에 유의미하게 부가한다. 본 공정의 중요한 특징은 단일 스테이지 연속 공정; 짧은 체류 시간; 낮은 온도 및 낮은 압력; 저비용의 재활용 가능한 시약; 매우 증해 가능한 탄수화물 스트림; 확장 가능하고 효율적인 입증된 처리; 및 비-목질 공급원료 및 목질 공급원료 둘 모두를 포함한다. 예를 들어, 본원에 기술된 공정은 사탕수수 버개스(sugar cane bagasse)로부터 6시간 후에 글루코오스를 이론적 질량 수율의 99%로 제조할 수 있고, 유칼립투스 글로불러스(eucalyptus globulus)로부터 24시간 후에 글루코오스를 이론적 질량 수율의 98%로 제조할 수 있다. 무시될 정도의 분해 산물, 예를 들어, 푸르푸랄 및 HMF가 제조된다.
일 양태에서, 본 발명은
(ⅰ) 리그노셀룰로오스 물질을 산 및/또는 알칼리로 처리하는 단계;
(ⅱ) 단계 (ⅰ)의 리그노셀룰로오스 물질을, 폴리올을 포함하거나 이로 이루어지거나 이를 필수적으로 포함하는 제제로 처리하여 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 제조하는 단계를 포함하는 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 제조 방법을 제공한다.
본원에서 사용되는 용어 "리그노셀룰로오스(lignocellulosic, lignocellulose)"는 리그닌 및/또는 셀룰로오스를 포함하는 물질을 지칭한다. 리그노셀룰로오스 물질은 또한, 헤미셀룰로오스, 자일란, 단백질, 지질, 탄수화물, 예를 들어, 전분 및/또는 당, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 리그노셀룰로오스 물질은 살아있거나 이전에 살아있던(previously living) 식물 물질(예를 들어, 리그노셀룰로오스 바이오매스)로부터 유도될 수 있다. 본원에서 사용되는 "바이오매스(biomass)"는 임의의 리그노셀룰로오스 물질을 지칭하는 것으로서, 에너지원으로서 사용될 수 있다.
리그노셀룰로오스 물질(예를 들어, 리그노셀룰로오스 바이오매스)은 단일 물질 또는 물질들의 조합으로부터 유도될 수 있거나 및/또는, 개질되지 않거나 및/또는 개질될 수 있다. 리그노셀룰로오스 물질은 유전자 도입될 수 있다(즉, 유전학적으로 변경될 수 있다). 리그노셀룰로오스는 일반적으로, 예를 들어, 식물의 섬유, 펄프, 줄기, 잎, 외피, 케인(cane), 겉껍질(husk), 및/또는 코브(cob), 또는 나무 및/또는 관목(bush)의 섬유, 잎, 가지, 나무껍질, 및/또는 목재에서 발견된다. 리그노셀룰로오스 물질의 예는 농업 바이오매스, 예를 들어, 농업 및/또는 임업 물질 및/또는 잔부, 가지, 관목, 줄기, 삼림, 곡물, 풀, 짧은 회전 목질 작물(short rotation woody crop), 초본 작물(herbaceous crop), 및/또는 잎; 오일 팜 섬유 폐기물, 예를 들어, 비어있는 과일 송이(empty fruit bunch) 및 팜 나무 몸통(palm trunk); 에너지 작물, 예를 들어, 옥수수, 수수 및/또는 대두; 에너지 작물 잔부; 종이 밀 잔부; 제재소 잔부; 도시 종이 폐기물; 과수원 전지물(orchard prunings); 윌로우 잡목숲(willow coppice) 및 말리나무 잡목숲(Malle coppice); 목재 폐기물; 목재 칩, 벌목 폐기물(logging waste); 산림 간벌(forest thinning); 짧은-회전 목질 작물' 버개스, 예를 들어, 사탕수수 버개스 및/또는 수수 버개스, 부초; 밀짚; 귀리짚; 볏짚; 보리짚; 호밀짚; 아마짚; 대두 겉껍질; 쌀겨; 볏짚;; 담배; 옥수수 글루텐 사료; 귀리 겉껍질; 옥수수 낱알; 낱알로부터의 섬유; 옥수수 여물; 옥수수 줄기; 옥수숫대(com cob); 옥수수 껍질(corn husk); 카놀라; 억새; 에너지 줄기(energy cane); 대초원 목초(prairie grass); 가마그래스(gamagrass); 폭스테일(foxtail); 사탕무 펄프; 감귤류 펄프; 종자 껍질; 잔디밭 절단물(lawn clipping); 무명, 해초; 나무; 관목; 밀; 밀짚; 낱알의 습식 또는 건식 밀링으로부터의 생성물 및/또는 부산물; 야드 폐기물(yard waste); 식물 및/또는 나무 폐기 산물; 초본 물질 및/또는 작물; 삼림; 열매; 꽃; 니들(needle); 통나무; 뿌리; 묘목; 관목(shrub); 스위치 목초(switch grass); 채소; 과일 껍질; 덩굴 식물(vine); 밀 분쇄물(wheat midling); 귀리 껍질; 경질목재 및 연질목재; 또는 이들의 조합을 포함하지만 이로 제한되지 않는다.
본 발명에 대하여, 리그노셀룰로오스 물질은 건식 그라인드 에탄올 생산 설비(dry grind ethanol production facility), 종이 펄핑 설비(paper pulping facility), 나무 수확 작업, 사탕수수 공장, 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 프로세서(processor)에 의해 가공될 수 있다.
일부 구현예에서, 리그노셀룰로오스 물질은 버개스(bagasse)이다.
다른 구현예에서, 리그노셀룰로오스 물질은 바람직하게는 유칼립투스 글로불루스, 가문비나무(Spruce) 종, 아프리카산 오일 야자(엘라에이스 구이닌시스(Elaeis guineensis)) 또는 이들의 임의의 조합으로부터의 목재 칩, 물질 및/또는 잔부를 포함한다.
"가수분해"는 리그노셀룰로오스 물질을 함께 유지시키는 화학 결합의 분열 또는 파괴를 의미한다. 예를 들어, 가수분해는 사카라이드(즉, 당)를 연결시키는 글리코시드 결합의 파괴 또는 분열을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않고, 또한 당화(saccharification)로 알려져 있다. 리그노셀룰로오스 물질은, 일부 구현예에서, 셀룰로오스 및/또는 헤미셀룰로오스를 포함할 수 있다. 셀룰로오스는 글루칸으로서, 이는 다당류이다. 다당류는 글리코시드 결합에 의해 함께 연결된 사카라이드의 반복 단위(예를 들어, 단당류 또는 이당류)로 구성되는 폴리머 화합물이다. 사카라이드의 반복 단위는 동일하여(즉, 동종으로) 호모 다당류(homopolysaccharide)를 야기시킬 수 있거나, 상이하여(즉, 이종으로) 헤테로 다당류(heteropolysaccharide)를 야기시킬 수 있다. 셀룰로오스는 셀로덱스트린(즉, 가수분해 반응 전 다당류 단위와 비교하여 보다 짧은 다당류 단위) 및/또는 글루코오스(즉, 단당류)를 형성시키기 위해 가수분해될 수 있다. 헤미셀룰로오스는 헤테로 다당류이고, 자일란, 글루쿠로녹실란, 아라비녹실란, 글루코만난 및 자일로글루칸을 포함하지만, 이로 제한되지 않는 다당류를 포함할 수 있다. 헤미셀룰로오스는 보다 짧은 다당류 단위, 및/또는 자일로오스, 만노오스, 글루코오스, 갈락토오스, 람노오스, 아라비노오스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만 이로 제한되지 않는 단당류를 형성시키기 위해 가수분해될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 방법은 리그노셀룰로오스 물질을 부분적으로 가수분해시킨다. 본원에서 사용되는 "부분적 가수분해" 또는 "부분적으로 가수분해하다" 및 이의 임의의 문법적 변형은 리그노셀룰로오스 물질을 함께 유지시키는 화학적 결합의 100% 미만으로 분열시키거나 파괴하는 가수분해 반응을 지칭한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 가수분해 반응은 리그노셀룰로오스 물질에 존재하는 셀룰로오스 및/또는 헤미셀룰로오스의 글리코시드 결합을 100% 미만으로 분열시키거나 파괴시킨다. 일부 구현예에서, 부분적 가수분해 반응은 셀룰로오스의 약 20%, 15%, 10%, 또는 5% 미만을 글루코오스로 전환시킬 수 있다. 본 발명의 다른 구현예에서, 부분적 가수분해 반응은 헤미셀룰로오스의 약 20%, 15%, 10%, 또는 5% 미만을 단당류로 전환시킬 수 있다. 단당류의 예는 자일로오스, 글루코오스, 만노오스, 갈락토오스, 람노오스, 및 아라비노오스를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 추가적으로, 부분적 가수분해 반응은 본원에 기술된 방법으로의 처리 전에 리그노셀룰로오스 물질에 존재하는 글루칸의 양과 비교하여 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질에 존재하는 글루칸의 약 80%, 85%, 90%, 또는 95% 보다 높은 회수율을 야기시킬 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 부분적 가수분해 반응은 본 양태의 방법으로의 처리 전에 리그노셀룰로오스 물질에 존재하는 자일란의 양과 비교하여 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질에서 약 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 또는 5% 낮은 자일란의 회수율을 야기시킬 수 있다. 추가적으로, 부분적 가수분해 반응은 리그노셀룰로오스 물질에 존재하는 헤미셀룰로오스에서의 아세틸화된 우론산 모노머로부터 아세테이트를 제거할 수 있다.
당업자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같이, 본원에 기술된 방법은 리그노셀룰로오스 물질에 존재하는 리그닌을 파괴시키거나 및/또는 제거할 수 있다. 리그닌은 리그노셀룰로오스 물질을 함께 유지시키는 화학 결합의 가수분해에 의해 리그노셀룰로오스 물질로부터 제거될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일부 구현예에서, 본 방법은 본 발명으로의 처리 전에 리그노셀룰로오스 물질에 존재하는 리그닌 양과 비교하여 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질 중 리그닌의 약 80% 또는 그 미만(예를 들어, 약 80%, 75%, 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 등) 또는 여기에서의 임의의 범위의 제거를 야기시킨다. 일부 구현예에서, 본 방법은 본 양태의 방법으로의 처리 전에 리그노셀룰로오스 물질에 존재하는 리그닌의 양과 비교하여 처리된 리그노셀룰로오스 물질 중 리그닌의 약 20% 또는 그 초과(예를 들어, 약 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 등) 또는 여기에서의 임의의 범위의 회수율을 야기시킨다.
또한, 본원에 기술된 방법은 리그노셀룰로오스 물질의 구조에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 본 방법은 리그노셀룰로오스 물질에서 섬유의 분해를 야기시킬 수 있거나, 리그노셀룰로오스 물질의 다공도를 증가시킬 수 있거나, 리그노셀룰로오스 물질의 비표면적을 증가시킬 수 있거나, 이들의 임의의 조합일 수 있다. 일부 구현예에서, 본 방법은 예를 들어, 셀룰로오스의 일부를 결정질 상태에서 비정질 상태로 변경시킴으로써 셀룰로오스의 결정도를 감소시킨다.
본원에서 사용되는 "처리하는" 또는 "처리"는 예를 들어, 접촉, 액침, 스팀 함침, 분무, 현탁, 수침, 포화, 딥핑(dipping), 습윤화, 린싱(rinsing), 세척, 침수(submerging), 및/또는 이들의 임의의 변형 및/또는 조합을 지칭할 수 있다.
적합하게는, 단계 (ⅰ)에 대하여, 리그노셀룰로오스 물질은 산으로 처리된다.
당업자는 본원에서 사용되는 용어 "산"이 염을 형성시키기 위해 알칼리로 반응될 수 있는 7 미만의 pH를 갖는 다양한 수용성 화합물을 지칭하는 것으로 용이하게 이해할 것이다. 산의 예는 일가염기(monoprotic) 또는 다가염기(polyprotic)일 수 있고, 1개, 2개, 3개 이상의 산 작용기를 포함할 수 있다. 산의 예는 미네랄 산, 루이스산, 산성 금속 염, 유기산, 고체 산, 무기산, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 특정 산은 염산, 황산, 인산, 불화수소산, 브롬화수소산, 요오드화수소산, 질산, 포름산, 아세트산, 메탄설폰산, 톨루엔설폰산, 붕소 트리플루오라이드 디에틸에테레이트, 스칸듐 (III) 트리플루오로메탄설포네이트, 티탄 (IV) 이소프로폭사이드, 주석 (IV) 클로라이드, 아연 (II) 브로마이드, 철 (II) 클로라이드, 철 (III) 클로라이드, 아연 (II) 클로라이드, 구리 (I) 클로라이드, 구리 (I) 브로마이드, 구리 (II) 클로라이드, 구리 (II) 브로마이드, 알루미늄 클로라이드, 크롬 (II) 클로라이드, 크롬 (III) 클로라이드, 바나듐 (III) 클로라이드, 몰리브덴 (III) 클로라이드, 팔라듐 (II) 클로라이드, 백금 (II) 클로라이드, 백금 (IV) 클로라이드, 루테늄 (III) 클로라이드, 로듐 (III) 클로라이드, 제올라이트, 활성화된 제올라이트, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.
바람직하게는, 산은 황산, 염산, 인산, 불화수소산, 브롬화수소산, 질산, 산 금속 염 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
더욱더 바람직하게는, 산은 황산이다.
적합하게는, 단계 (ⅰ)에 대하여, 리그노셀룰로오스 물질은 알칼리로 처리된다.
당업자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같이, 본원에서 사용되는 "알칼리"는 염을 형성하기 위해 산과 반응될 수 있는 7 보다 높은 pH를 갖는 다양한 수용성 화합물을 지칭한다. 일 예로서, 알칼리는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 수산화마그네슘 및 알칼리 금속 염, 예를 들어, 비제한적으로, 나트륨 카보네이트 및 칼륨 카보네이트를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.
바람직하게는, 알칼리는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 알칼리 금속 염 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
더욱더 바람직하게는, 알칼리는 수산화나트륨이다.
특정 구현예에서, 단계 (ⅰ)은 리그노셀룰로오스 물질을 순차적으로 산 및 이후 알칼리, 또는 알칼리 및 이후 산 중 어느 하나로 처리하는 것을 포함한다.
특히 바람직한 구현예에서, 단계 (ⅰ)은 리그노셀룰로오스 물질 내에 및/또는 위에 산 및/또는 알칼리를 스팀 함침시키는 것을 포함한다. 일부 구현예에서, 리그노셀룰로오스 물질은 스팀에 의해 습윤화되고 예열되도록 산 및/또는 알칼리를 함침시키기 전에 먼저 사전-스팀처리된다. 이와 관련하여, 사전-스팀처리는 통상적으로, 리그노셀룰로오스 물질 내의 공동, 예를 들어, 목재 칩 내의 모세관을 액체로 적어도 부분적으로 채워지게 한다. 스팀 처리는 추가로, 리그노셀룰로오스 물질 내의 공기를 이로부터 적어도 부분적으로 팽창시키고 배출되게 할 수 있다. 후속하여, 사전-스팀처리된 리그노셀룰로오스 물질을 함침시키는 것은 이후에, 리그노셀룰로오스 물질의 공동 내의 액체를 산 및/또는 알칼리로 대체시킬 수 있다. 대안적으로, 산 및/또는 알칼리의 함침은 리그노셀룰로오스 물질을 1차 사전-스팀처리 없이 수행될 수 있다.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 단계 (ⅰ)은 간단하게 산 및/또는 알칼리 베쓰를 통한 리그노셀룰로오스 물질의 통과를 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 단계 (ⅰ)은 배치 용기(batch vessel)를 통한 리그노셀룰로오스 물질의 통과를 포함하며, 여기서, 배치 용기는 산 및/또는 알칼리를 재순환시킨다.
다른 구현예에서, 리그노셀룰로오스 물질은 단계 (ⅰ)에서 하나 이상의 산 및/또는 알칼리로 처리될 수 있다. 예를 들어, 리그노셀룰로오스 물질은 1, 2, 3, 4, 5개 이상의 산 및/또는 알칼리로 처리될 수 있다.
단계 (ⅰ)에 대하여, 산은 리그노셀룰로오스 물질의 약 0.1 중량% 내지 5 중량% 또는 그 안의 임의의 범위, 예를 들어, 비제한적으로, 약 0.3 중량% 내지 약 3 중량%, 또는 약 0.5 중량% 내지 약 1 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 본 발명의 특정 구현예에서, 산 및/또는 알칼리는 단계 (ⅰ)에서 리그노셀룰로오스 물질의 약 0.1 중량%, 0.2 중량%, 0.3 중량%, 0.4 중량%, 0.5 중량%, 0.6 중량%, 0.7 중량%, 0.8 중량%, 0.9 중량%, 1 중량%, 1.2 중량%, 1.5 중량%, 1.75 중량%, 2 중량%, 2.25 중량%, 2.5 중량%, 2.75 중량%, 3 중량%, 3.25 중량%, 3.5 중량%, 3.75 중량%, 4 중량%, 4.25 중량%, 4.5 중량%, 4.75 중량%, 5 중량%, 또는 그 안의 임의의 범위의 양으로 존재한다. 본 발명의 특정 구현예에서, 산 및/또는 알칼리는 단계 (ⅰ)에서 리그노셀룰로오스 물질의 약 0.5 중량% 내지 약 2 중량%의 양으로 존재한다.
단계 (ⅰ)에 대하여, 알칼리는 리그노셀룰로오스 물질의 약 0.1 중량% 내지 약 15 중량% 또는 그 안의 임의의 범위, 예를 들어, 비제한적으로, 약 0.3 중량% 내지 약 13 중량% 또는 약 1 중량% 내지 약 10 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 본 발명의 특정 구현예에서, 산 및/또는 알칼리는 단계 (ⅰ)에서 리그노셀룰로오스 물질의 약 0.1 중량%, 0.2 중량%, 0.3 중량%, 0.4 중량%, 0.5 중량%, 0.6 중량%, 0.7 중량%, 0.8 중량%, 0.9%, 1 중량%, 1.2 중량%, 1.5 중량%, 1.75 중량%, 2%, 2.25 중량%, 2.5 중량%, 2.75 중량%, 3 중량%, 3.25 중량%, 3.5 중량%, 3.75 중량%, 4 중량%, 4.25 중량%, 4.5 중량%, 4.75 중량%, 5 중량%, 5.25 중량%, 5.5 중량%, 5.75 중량%, 6 중량%, 6.25 중량%, 6.5 중량%, 6.75 중량%, 7 중량%, 7.25 중량%, 7.5 중량%, 7.75 중량%, 8 중량%, 8.25 중량%, 8.5 중량%, 8.75 중량%, 9 중량%, 9.25 중량%, 9.5 중량%, 9.75 중량%, 10 중량%, 10.25 중량 중량%, 10.5 중량 중량%, 10.75 중량%, 11 중량%, 11.25 중량 중량%, 11.5 중량 중량%, 11.75 중량%, 12 중량%, 12.25 중량 중량%, 12.5 중량 중량%, 12.75 중량%, 13 중량%, 13.25 중량 중량%, 13.5 중량 중량%, 13.75 중량%, 14 중량%, 14.25 중량 중량%, 14.5 중량 중량%, 14.75 중량%, 15 중량% 또는 그 안의 임의의 범위의 양으로 존재한다. 본 발명의 특정 구현예에서, 알칼리는 단계 (ⅰ)에서 리그노셀룰로오스 물질의 약 5 중량% 내지 약 15 중량%의 양으로 존재한다.
당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 이러한 양태의 방법의 하나 이상의 단계, 또는 이의 일부는 압력 하에서 수행될 수 있다. 일 예로서, 본 발명의 방법의 하나 이상의 단계, 또는 이의 일부는 약 20 psi 내지 약 100 psi 또는 그 안의 임의의 범위, 예를 들어, 비제한적으로, 약 25 psi 내지 약 75 psi, 또는 약 40 psi 내지 약 60 psi의 압력에서 수행된다. 본 발명의 특별한 구현예에서, 본 방법의 하나 이상의 단계, 또는 이의 일부는 약 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100 psi 또는 그 안의 임의의 범위의 압력에서 수행된다. 일 구현예에서, 단계 (ⅰ), 또는 이의 일부는 약 25 psi의 압력에서 수행된다. 일 구현예에서, 단계 (ⅱ), 또는 이의 일부는 약 75 psi의 압력에서 수행된다.
특별한 구현예에서, 단계 (ⅰ)은 예를 들어, (a) 산 또는 알칼리로의 추가 순차적 처리; 또는 (b) 단계 (ⅱ)의 개시 전에 산 및/또는 알칼리로의 처리 후 리그노셀룰로오스 물질을 세척하여서 적어도 부분적으로 산 및/또는 알칼리를 제거하는 것을 추가로 포함한다. 바람직한 일 구현예에서, 단계 (ⅰ)에서 리그노셀룰로오스 물질은 알칼리 및 이후 산으로 순차적으로 처리되며, 여기서, 단계 (ⅰ)은 알칼리로의 처리 후 및 산으로의 처리 전에 리그노셀룰로오스 물질을 세척하는 것을 추가로 포함한다. 다른 바람직한 구현예에서, 단계 (ⅰ)에서 리그노셀룰로오스 물질은 산 및 이후 알칼리로 순차적으로 처리되며, 여기서, 단계 (ⅰ)은 산으로의 처리 후 및 알칼리로의 처리 전에 리그노셀룰로오스 물질을 세척하는 것을 추가로 포함한다.
이와 관련하여, 세척은 세척 용액 및/또는 물로 수행될 수 있다. 리그노셀룰로오스 물질은 물 및/또는 세척 용액으로 1회 이상, 예를 들어, 2, 3, 4회 이상 세척될 수 있다. 바람직하게는, 리그노셀룰로오스 물질이 단계 (ⅰ)에서 산으로 세척되는 경우에, 이는 이후에 알칼리성 세척 용액(즉, 7 초과의 pH) 및/또는 이후에 물로 세척된다. 바람직하게는, 리그노셀룰로오스 물질이 단계 (ⅰ)에서 알칼리로 처리되는 경우에, 이는 이후에 산성 세척 용액(즉, 7 미만의 pH) 및/또는 이후에 물로 세척된다. 추가적으로, 리그노셀룰로오스 물질은 단계 (ⅰ)에서 산 및/또는 알칼리로 처리 후에 물로 1회 이상 세척될 수 있으며, 이후에, 리그노셀룰로오스 물질은 알칼리성 또는 산성 세척 용액으로 각각 1회 이상 세척되고 이후에, 리그노셀룰로오스 물질을 다시 물로 1회 이상 선택적으로 세척된다. 1회 이상의 물 및/또는 세척 용액 세척 후에, 리그노셀룰로오스 물질은 본원에 기술된 방법의 단계 (ⅱ)에서의 제제로 처리하기 전에, 비제한적으로, 진공 여과, 막 여과, 시브 여과, 일부 또는 조대 분리(partial or coarse separation) 또는 이들의 임의의 조합과 같은 방법을 통해 물 및/또는 세척 용액으로부터 분리될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "폴리올"은 다수의 히드록실 기를 함유하는 알코올을 지칭한다. 본 발명의 폴리올의 예는 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 글리세롤, 2,3-부탄디올, 1,3-부탄디올, 2-메틸-1,3-프로판디올, 1,2-펜탄디올, 1,3-펜탄디올, 1,4-펜탄디올, 1,5-펜탄디알, 2,2-디메틸-1,3-프로판디올, 2-메틸-1,4-부탄디올, 2-메틸-1,3-부탄디올, 1,1,1-트리메틸올에탄, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 1,1,1-트리메틸올프로판, 1,7-헵탄디올, 2-에틸-1,6-헥산디올, 1,9-노난디올, 1,11-운데칸디올, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 올리고에틸렌 글리콜, 2,2'-티오디글리콜, 1,2-프로필렌 옥사이드, 프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜, 소르비톨, 디부틸렌 글리콜, 트리부틸렌 글리콜, 테트라부틸렌 글리콜, 디헥실렌 에테르 글리콜, 트리헥실렌 에테르 글리콜, 테트라헥실렌 에테르 글리콜, 1,4-시클로헥산디올, 1,3-시클로헥산디올, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 제조된 디글리콜 또는 폴리글리콜을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.
바람직하게는, 폴리올은 글리세롤, 에틸렌 글리콜 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
더욱더 바람직하게는, 폴리올은 글리세롤이다.
폴리올은 순수한(예를 들어, 고해된 또는 전문 등급) 형태 또는 순수하지 않은(예를 들어, 미가공 또는 정제된 미가공) 형태로 존재할 수 있다. 본 발명의 특정 구현예에서, 폴리올은 약 70% 내지 약 99.9% 또는 그 안의 임의의 범위, 예를 들어, 비제한적으로, 약 80% 내지 약 99.9%, 또는 약 80% 내지 약 97%의 순도를 갖는다. 본 발명의 특정 구현예에서, 폴리올의 순도는 약 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.1%, 99.2%, 99.3%, 99.4%, 99.5%, 99.6%, 99.7%, 99.8%, 99.9%, 또는 그 안의 임의의 범위이다. 폴리올의 순도 형태 또는 등급(예를 들어, 고해된, 미가공, 또는 정제된 미가공)은 바이오디젤 생산 공정으로부터의 부산물로서 형성된 순도 등급일 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 본 발명의 특정 구현예에서, 폴리올은 순수한 형태(예를 들어, 99% 이상의 순도를 가짐)이며, 다른 구현예에서, 폴리올은 미가공 형태(예를 들어, 약 70% 내지 약 98%의 순도를 가짐)이다.
다른 구현예에서, 폴리올은 본원에 기술된 것과 같이, 리그노셀룰로오스 물질-폴리올 혼합물로부터 회수되거나 재활용된다. 이와 관련하여, 회수되거나 재활용된 폴리올은 일부 정제되거나 제련된 형태로 존재할 수 있다. 이를 위하여, 폴리올은 당업자에게 공지된 임의의 방법 또는 수단에 의해 리그노셀룰로오스 물질-폴리올 혼합물로부터 회수되거나 재활용될 수 있다. 일부 정제된 폴리올의 회수 방법은 여과, 크로마토그래피 분리, 증류, 증발, 오염물을 제거하는 흡착 공정, 예를 들어, 활성탄 또는 규조토 또는 일부 다른 흡착성 물질을 함유한 컬럼을 통한 삼출, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 바람직하게는, 폴리올은 여과, 크로마토그래피 분리 및/또는 증발에 의해 회수되거나 재활용된다.
일 구현예에서, 글리세롤은 미가공 글리세롤이거나 이를 포함한다. 미가공 글리세롤은 통상적으로, 글리세롤, 메탄올, 무기 염, 물, 오일 또는 지방, 비누, 및 다른 "오염물"을 함유한다. 미가공 글리세롤은 다양한 천연 공정 및 합성 공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 미가공 글리세롤은 바이오디젤 생산 공정 동안 형성될 수 있다. 추가적으로, 미가공 글리세롤은 비누화 공정(예를 들어, 오일 또는 지방으로부터 비누 또는 양초를 제조하는 공정) 동안 형성될 수 있다. 바이오디젤 생산의 부산물로서 형성된 미가공 글리세롤은 통상적으로 약 40 내지 90%의 글리세롤 함량을 가지고, 메탄올, 물, 염 및 비누와 같은 불순물을 제거하거나 감소시키기 위해 부분 정제될 수 있다. 부분 정제는 전문 등급 글리세롤과 관련된 순도에 접근하는, 최대 약 90% 글리세롤, 보다 특히 최대 약 95% 글리세롤, 및 특정 경우에 최대 약 97% 글리세롤의 글리세롤 함량을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 특정 구현예에서, 미가공 글리세롤의 글리세롤 함량은 약 40%, 41%, 42%, 43%, 44%, 45%, 46%, 47%, 48%, 49%, 50%, 51%, 52%, 53%, 54%, 55%, 56%, 57%, 58%, 59%, 60%, 61%, 62%, 63%, 64%, 65%, 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97% 또는 그 안의 임의의 범위이다.
추가적으로, 본원에 기술된 회수되거나 재활용된 글리세롤을 포함하는, 본 발명의 미가공 글리세롤은 이를 "순수한" 또는 전문 등급/고해된(예를 들어, >97% 순도) 글리세롤로 전환시키지 않으면서 본 발명에서 사용하기에 더욱 적합하거나 및/또는 유리하도록 제공하기 위해 하나 이상의 공정으로 처리될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 방법에서 사용하기 위한 미가공 글리세롤은 고형물 및 다른 큰 물질들을 제거하기 위해 여과 단계로 처리될 수 있다.
본 발명의 방법에서 사용되는 글리세롤이 본원에 기술된 회수되거나 재활용된 글리세롤과 같은 일부 정제되거나 고해된 글리세롤을 포함하는, 미가공 및 고해된(예를 들어, >97% 순도) 글리세롤의 혼합물을 포함할 수 있다는 것이 당업자에 의해 인식될 것이다. 특정 구현예에 따르면, 미가공 글리세롤의 양은 중량 기준으로 미가공 글리세롤 및 전문 등급 글리세롤의 전체 혼합물의 적어도 5 중량%, 보다 특히, 적어도 25 중량%, 보다 더 특히, 적어도 50 중량%, 보다 더 특히, 적어도 75 중량% 또는 보다 더 특히, 적어도 95 중량%일 수 있다. 다른 구현예에 따르면, 글리세롤은 실질적으로 100% 미가공 글리세롤을 포함한다.
바람직하게는, 하나 이상의 폴리올은 제제에 존재할 수 있다. 예를 들어, 1, 2, 3, 4, 5개 이상의 폴리올이 제제에 존재할 수 있다. 폴리올은 제제에 제제의 약 1 중량% 내지 약 99 중량% 또는 그 안의 임의의 범위, 예를 들어, 비제한적으로, 제제의 약 1 중량% 내지 약 80 중량%, 약 10 중량% 내지 약 50 중량%, 약 15 중량% 내지 약 35 중량%, 약 20 중량% 내지 약 99 중량%, 약 40 중량% 내지 약 99 중량%, 또는 약 80 중량% 내지 약 97 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 본 발명의 특정 구현예에서, 폴리올은 제제에 제제의 약 1 중량%, 2 중량%, 3 중량%, 4 중량%, 5 중량%, 6 중량%, 7 중량%, 8 중량%, 9 중량%, 10 중량%, 11 중량%, 12 중량%, 13 중량%, 14 중량%, 15 중량%, 16 중량%, 17 중량%, 18 중량%, 19 중량%, 20 중량%, 21 중량%, 22 중량%, 23 중량%, 24 중량%, 25 중량%, 26 중량%, 27 중량%, 28 중량%, 29 중량%, 30 중량%, 31 중량%, 32 중량%, 33 중량%, 34 중량%, 35 중량%, 36 중량%, 37 중량%, 38 중량%, 39 중량%, 40 중량%, 41 중량%, 42 중량%, 43 중량%, 44 중량%, 45 중량%, 46 중량%, 47 중량%, 48 중량%, 49 중량%, 50 중량%, 51 중량%, 52 중량%, 53 중량%, 54 중량%, 55 중량%, 56 중량%, 57 중량%, 58 중량%, 59 중량%, 60 중량%, 61 중량%, 62 중량%, 63 중량%, 64 중량%, 65 중량%, 66 중량%, 67 중량%, 68 중량%, 69 중량%, 70 중량%, 71 중량%, 72 중량%, 73 중량%, 74 중량%, 75 중량%, 76 중량%, 77 중량%, 78 중량%, 79 중량%, 80 중량%, 81 중량%, 82 중량%, 83 중량%, 84 중량%, 85 중량%, 86 중량%, 87 중량%, 88 중량%, 89 중량%, 90 중량%, 91 중량%, 92 중량%, 93 중량%, 94 중량%, 95 중량%, 96 중량%, 97 중량%, 98 중량%, 99 중량%, 100 중량% 또는 그 안의 임의의 범위의 양으로 존재한다. 본 발명의 특히 바람직한 구현예에서, 폴리올은 제제에 제제의 약 80 중량% 내지 약 100 중량%의 양으로 존재한다.
단계 (ⅱ)의 제제가 99 중량% 미만의 폴리올을 포함하는 그러한 구현예에 대하여, 제제는 예를 들어, 물, 산 또는 알칼리를 추가로 포함할 수 있다. 그러나, 제제가 산을 추가로 포함하는 경우에, 산은 제제의 약 0.1 중량% 이하의 양으로 존재한다. 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 제제의 약 0.1 중량% 이하의 이러한 양의 산은 단계 (ⅱ)에서 제제와 후속하여 혼합할 수 있는 단계 (ⅰ)에서 산으로의 처리 후에 리그노셀룰로오스 물질 내에 및/또는 위에 잔류하는 임의의 잔류 산을 포함하지 않을 것이다.
단계 (ⅱ)에 대하여, 제제는 바람직하게는, 리그노셀룰로오스 물질의 약 10 중량% 내지 약 200 중량% 또는 그 안의 임의의 범위, 예를 들어, 비제한적으로, 약 20 중량% 내지 약 150 중량%, 약 30 중량% 내지 약 100 중량%, 또는 약 50 중량% 내지 약 70 중량%의 양으로 존재한다(즉, 리그노셀룰로오스 물질에 대한 제제의 비율). 특정 구현예에서, 제제는 리그노셀룰로오스 물질의 약 10 중량%, 11 중량%, 12 중량%, 13 중량%, 14 중량%, 15 중량%, 16 중량%, 17 중량%, 18 중량%, 19 중량%, 20 중량%, 21 중량%, 22 중량%, 23 중량%, 24 중량%, 25 중량%, 26 중량%, 27 중량%, 28 중량%, 29 중량%, 30 중량%, 31 중량%, 32 중량%, 33 중량%, 34 중량%, 35 중량%, 36 중량%, 37 중량%, 38 중량%, 39 중량%, 40 중량%, 41 중량%, 42 중량%, 43 중량%, 44 중량%, 45 중량%, 46 중량%, 47 중량%, 48 중량%, 49 중량%, 50 중량%, 51 중량%, 52 중량%, 53 중량%, 54 중량%, 55 중량%, 56 중량%, 57 중량%, 58 중량%, 59 중량%, 60 중량%, 61 중량%, 62 중량%, 63 중량%, 64 중량%, 65 중량%, 66 중량%, 67 중량%, 68 중량%, 69 중량%, 70 중량%, 71 중량%, 72 중량%, 73 중량%, 74 중량%, 75 중량%, 76 중량%, 77 중량%, 78 중량%, 79 중량%, 80 중량%, 81 중량%, 82 중량%, 83 중량%, 84 중량%, 85 중량%, 86 중량%, 87 중량%, 88 중량%, 89 중량%, 90 중량%, 91 중량%, 92 중량%, 93 중량%, 94 중량%, 95 중량%, 96 중량%, 97%, 98%, 99 중량%, 100 중량%, 101 중량%, 102 중량%, 103 중량%, 104 중량%, 105 중량%, 106 중량%, 107 중량%, 108 중량%, 109 중량%, 110 중량%, 111 중량%, 112 중량%, 113 중량%, 114 중량%, 115 중량%, 116 중량%, 117 중량%, 118 중량%, 119 중량%, 120 중량%, 121 중량%, 122 중량%, 123 중량%, 124 중량%, 125 중량, 126 중량%, 127 중량%, 128 중량%, 129 중량%, 130 중량%, 131 중량%, 132 중량%, 133 중량%, 134 중량%, 135 중량%, 136 중량%, 137 중량%, 138 중량%, 139 중량%, 140 중량%, 141 중량%, 142 중량%, 143 중량%, 144 중량%, 145 중량%, 146 중량%, 147 중량%, 148 중량%, 149 중량%, 150 중량%, 151 중량%, 152 중량%, 153 중량%, 154 중량%, 155 중량%, 156 중량%, 157 중량%, 158 중량%, 159 중량%, 160 중량%, 161 중량%, 162 중량%, 163 중량%, 164 중량%, 165 중량%, 166 중량%, 167 중량%, 168 중량%, 169 중량%, 170 중량%, 171 중량%, 172 중량%, 173 중량%, 174 중량%, 175 중량%, 176 중량%, 177 중량%, 178 중량%, 179 중량%, 180 중량%, 181 중량%, 182 중량%, 183 중량%, 184 중량%, 185 중량%, 186 중량%, 187 중량%, 188 중량%, 189 중량%, 190 중량%, 191 중량%, 192 중량%, 193 중량%, 194 중량%, 195 중량%, 196 중량%, 197 중량%, 198 중량%, 199 중량%, 200 중량% 또는 그 안의 임의의 범위로 존재한다.
적합하게는, 단계 (ⅰ)은 약 20 내지 99℃, 또는 그 안의 임의의 범위, 예를 들어, 비제한적으로, 약 20℃ 내지 약 90℃ 또는 약 25℃ 내지 약 80℃의 온도에서 수행된다. 특정 구현예에서, 단계 (ⅰ)은 약 21℃, 22℃, 23℃, 24℃, 25℃, 26℃, 27℃, 28℃, 29℃, 30℃, 31℃, 32℃, 33℃, 34℃, 35℃, 36℃, 37℃, 38℃, 39℃, 40℃, 41℃, 42℃, 43℃, 44℃, 45℃, 46℃, 47℃, 48℃, 49℃, 50℃, 51℃, 52℃, 53℃, 54℃, 55℃, 56℃, 57℃, 58℃, 59℃, 60℃, 61℃, 62℃, 63℃, 64℃, 65℃, 66℃, 67℃, 68℃, 69℃, 70℃, 71℃, 72℃, 73℃, 74℃, 75℃, 76℃, 77℃, 78℃, 79℃, 80℃, 81℃, 82℃, 83℃, 84℃, 85℃, 86℃, 87℃, 88℃, 89℃, 90℃, 91℃, 92℃, 93℃, 94℃, 95℃, 96℃, 97℃, 98℃ 및 99℃의 온도에서 수행된다. 바람직하게는, 단계 (ⅰ)는 약 25℃ 내지 약 75℃의 온도에서 수행된다.
적합하게는, 단계 (ⅱ)는 약 100℃ 내지 약 220℃ 또는 그 안의 임의의 범위, 예를 들어, 비제한적으로, 약 120℃ 내지 약 200℃, 약 140℃ 내지 약 180℃, 또는 약 150℃ 내지 약 170℃의 온도에서 수행된다. 특정 구현예에서, 단계 (ⅱ)는 약 100℃, 101℃, 102℃, 103℃, 104℃, 105℃, 106℃, 107℃, 108℃, 109℃, 110℃, 111℃, 112℃, 113℃, 114℃, 115℃, 116℃, 117℃, 118℃, 119℃, 120℃, 121℃, 122℃, 123℃, 124℃, 125℃, 126℃, 127℃, 128℃, 129℃, 130℃, 131℃, 132℃, 133℃, 134℃, 135℃, 136℃, 137℃, 138℃, 139℃, 140℃, 141℃, 142℃, 143℃, 144℃, 145℃, 146℃, 147℃, 148℃, 149℃, 150℃, 151℃, 152℃, 153℃, 154℃, 155℃, 156℃, 157℃, 158℃, 159℃, 160℃, 161℃, 162℃, 163℃, 164℃, 165℃, 166℃, 167℃, 168℃, 169℃, 170℃, 171℃, 172℃, 173℃, 174℃, 175℃, 176℃, 177℃, 178℃, 179℃, 180℃, 181℃, 182℃, 183℃, 184℃, 185℃, 186℃, 187℃, 188℃, 189℃, 190℃, 191℃, 192℃, 193℃, 194℃, 195℃, 196℃, 197℃, 198℃, 199℃, 200℃, 201℃, 202℃, 203℃, 204℃, 205℃, 206℃, 207℃, 208℃, 209℃, 210℃, 211℃, 212℃, 213℃, 214℃, 215℃, 216℃, 217℃, 218℃, 219℃, 220℃, 또는 그 안의 임의의 범위의 온도에서 수행된다. 특정의 바람직한 구현예에서, 단계 (ⅱ)는 약 160℃의 온도에서 수행된다. 당업자에 의해 잘 이해되는 바와 같이, 단계 (ⅰ) 및 단계 (ⅱ)는 상이한 온도에서 수행될 수 있다.
단계 (ⅰ)은 바람직하게는 약 5분 내지 약 30분 또는 그 안의 임의의 범위, 예를 들어, 비제한적으로, 약 5분 내지 약 25분, 또는 약 10분 내지 약 15분의 기간 동안 실시되거나 수행된다. 특정 구현예에서, 단계 (ⅰ)은 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30분, 또는 그 안의 임의의 범위의 기간 동안 수행된다. 특히 바람직한 구현예에서, 단계 (ⅰ)은 약 10분의 기간 동안 수행된다.
단계 (ⅱ)는 바람직하게는, 약 5 내지 약 120분 또는 그 안의 임의의 범위, 예를 들어, 비제한적으로, 약 15분 내지 약 60분, 또는 약 20분 내지 약 40분의 기간 동안 실시되거나 수행된다. 특정 구현예에서, 단계 (ⅱ)는 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120분, 또는 그 안의 임의의 범위의 기간 동안 수행된다. 특히 바람직한 구현예에서, 단계 (ⅱ)는 약 30분의 기간 동안 수행된다.
본원에 기술된 방법에 의한 리그노셀룰로오스 물질의 처리 후에, 리그노셀룰로오스 물질은 당업자에게 공지된 임의의 수단에 의해 액체 분획으로부터 분리될 수 있다. 액체 분획으로부터 리그노셀룰로오스 물질을 분리하는 방법은 진공 여과, 막 여과, 시브 여과, 일부 또는 조대 분리(partial or coarse separation) 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 분리 단계는 액체 분획(즉, 여액 또는 가수분해물) 및 고체 잔부 분획(즉, 리그노셀룰로오스 물질)을 형성할 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에서, 물 및/또는 세척 용액은 분리 전, 동안, 및/또는 후에 처리된 리그노셀룰로오스 물질에 첨가된다. 세척 용액은 물, 산성 용액, 알칼리성 용액, 및/또는 유기 용매일 수 있거나 이를 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 또한, 일부 연속 분리 공정에서, 물 및/또는 세척 용액은 리그노셀룰로오스 물질의 이동 흐름에 대해 동류(co-current) 또는 역류로 첨가될 수 있다. 예를 들어, 진공 여과 벨트 또는 중력 세척 테이블 상에서, 세척 용액은 벨트 운동에 대해 역류로 흐르는 리그노셀룰로오스 물질을 통해 수차례 순환시킬 수 있고, 이러한 방식으로, 리그노셀룰로오스 물질을 효과적으로 세척하기 위해 요구되는 세척 용액의 양을 제한할 수 있다. 이에 따라, 처리된 리그노셀룰로오스 물질은 제제, 잔류 산, 잔류 알칼리 및/또는 처리 공정으로부터의 부산물, 예를 들어, 비제한적으로, 폴리올(들), 글리세롤 잔부, 및 처리 공정으로부터 형성된 생성물을 포함할 수 있다.
선택적으로, 본원에 기술된 방법으로 리그노셀룰로오스 물질의 처리 후에, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질은 세척 용액으로 세척될 수 있다. 세척 용액은 산성 용액, 알칼리성 용액, 및/또는 유기 용매를 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다.
이러한 방식으로, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질은 당해 분야에 공지된 임의의 수단 또는 방법에 의해 세척될 수 있다. 특정 구현예에서, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질은 본원에 기술된 것과 같은, 벨트 진공 필터 또는 워킹 중력 세척 테이블에 의해 적어도 부분적으로 세척된다.
다른 양태에서, 본 발명은 상기에 기술된 방법에 의해 제조된 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 제공한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 발효성 당을 제조하기 위해 상술된 방법에 따라 제조된 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 효소적으로 가수분해시키는 단계를 포함하는 발효성 당의 제조 방법을 제공한다.
당업자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같이, 상술된 방법은 본 방법으로 처리되지 않은 리그노셀룰로오스 물질과 비교하여 리그노셀룰로오스 물질을 더욱 쉽게 효소적 증해 또는 가수분해시킬 수 있다. 이에 따라, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 동일한 효소 투여량에서의 효소 가수분해는 본원에 기술된 방법에 의해 처리되지 않은 리그노셀룰로오스 물질의 효소적 증해와 비교하여 2배, 3배, 4배, 5배, 6배, 7배, 8배, 또는 그 초과의 배수까지 증가될 수 있다. 대안적으로, 보다 적은 용량의 효소가 보다 적은 비용에서 유효 속도 및 수율을 얻기 위해 사용될 수 있다.
효소는 미생물학적으로 생산되거나 및/또는 식물 생산될 수 있고, 셀룰라아제, 헤미셀룰라아제, 자일라나아제, 리그니나아제, 펙티나아제, 프로테아제, 아밀라아제, 카탈라아제, 쿠티나아제, 글루카나아제, 글루코아밀라아제, 글루코오스 이소머라아제, 리파아제, 리카제, 피타아제, 풀룰라나아제, 자일로오스 이소머라아제, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 효소 조성물은 액체, 슬러리, 고체 또는 젤로서 제조될 수 있다.
본원에서 사용되는 "셀룰라아제" 또는 "셀룰라아제들"은 셀룰로오스를 글루코오스로 가수분해시킬 수 있는 효소를 지칭한다. 셀룰라아제의 비-제한적인 예는 만난 엔도-1,4-β-만노시다아제, 1,3-β-D-글루칸 글루카노하이드롤라아제, 1,3-β-글루칸 글루코하이드롤라아제, 1,3-1,4-β-D-글루칸 글루카노하이드롤라아제 and 1,6-β-D-글루칸 글루카노하이드롤라아제를 포함한다.
본원에서 사용되는 "자일라나아제" 또는 "자일라나아제들"은 자일란을 자일로비오스 및 자일로트리오스로 적어도 가수분해시킬 수 있는 효소를 지칭한다. 자일라나아제의 예는 딕티오글로무스 테르모필륨(Dictyoglomus thermophilum) Rt46B.1을 포함하지만, 이로 제한되지 않는 딕티오글로무스 sp.(Dictyoglomus sp.)으로부터 유도될 수 있다[예를 들어, 문헌[Gibbs et al. (1995) AppL Environ. MicrobioL 61:4403-4408] 참조].
효소의 추가적인 비제한적인 예는 α-L-아라비노푸라노시다아제, α-글루쿠로니다아제, 아세틸 만난 에스테라아제, 아세틸 자일란 에스테라아제, α-갈락토시다아제, β-글루코시다아제, 엑소자일라나아제, β-1,4-자일로시다아제, 엔도-1,4-β-자일라나아제, 엔도-갈락타나아제, 엔도-β-1,4-만나나아제, 1,4-β-D-글루칸 셀로비오하이드롤라아제, 엔도-1,4-β-D-글루카나아제, β-글루코시다아제, 엔도-α-1,5-아라비나나아제, 엑소-β-1,4-만노시다아제, 셀로비오하이드롤라아제s, 엔도글루카나아제, 엑소-β-1,4-자일로시다아제, 페룰로일 에스테라아제, 페룰산 에스테라아제, p-쿠마르산 에스테라아제, 글루쿠로노자일란 자일라노하이드롤라아제, 자일로글루칸 엔도트랜스글리코실라아제, 디아릴프로판 퍼옥시다아제, 글루코오스 옥시다아제, 글리옥살 옥시다아제, 리그닌 퍼옥시다아제(LiP), 망간 퍼옥시다아제, 메탄올 옥시다아제, 메탄올 옥시도리덕타아제, 페놀 옥시다아제(라카아제), 페놀 퍼옥시다아제, 베라트릴 알코올 옥시다아제, 펙토실라아제, 펙토자임, 폴리갈락투로나아제, 아스클레파인, 브로멜라인, 카리카인, 키모파파인, 콜라게나아제, 글리실 엔도펩티다아제, 펩신, 프로나아제, 서브틸리신, 테르몰리신 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
추가적으로, 효소적 가수분해는 이중 활성 효소, 예를 들어, 자일라나아제 활성 및 셀룰라아제 활성 둘 모두를 갖는 효소일 수 있는 하나 이상의 효소를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 효소적으로 가수분해시키는 단계는 적어도 부분적으로 상기 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을, 셀룰라아제, 리그니나아제, 헤미셀룰라아제, 자일라나아제, 리파아제, 펙티나아제, 아밀라아제, 프로티나아제, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 효소와 접촉시킴으로써 수행된다.
효소는 일부 또는 전부 정제된 전장 효소, 또는 활성 변형체 또는 이의 분절로서 제공될 수 있거나, 효소-생산 미생물로서 제공될 수 있다. 또한, 이러한 효소들 중 임의의 것은 산 및/또는 알칼리, 제제 및/또는 본 방법으로부터의 부산물, 예를 들어, 비제한적으로 폴리올(들), 글리세롤 잔부, 및 처리 공정으로부터 형성된 산물을 선택적으로 포함할 수 있는 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 증해시키거나 가수분해시키기에 효과적인 양으로, 예를 들어, 물질의 약 0.001 중량% 내지 약 50 중량%, 약 0.01 중량% 내지 약 50 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 50 중량%, 약 1 중량% 내지 약 50 중량%, 약 10 중량% 내지 약 50 중량%, 약 20 중량% 내지 약 50 중량%, 약 30 중량% 내지 약 50 중량%, 약 40 중량% 내지 약 50 중량%, 또는 그 초과의 양으로 제공될 수 있다.
일 구현예에서, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 효소적으로 가수분해시키는 단계는 약 2% 내지 약 30%, 또는 그 안의 임의의 범위, 예를 들어, 비제한적으로, 약 3% 내지 약 12%, 또는 약 5% 내지 약 10%의 액체에 대한 고체 비율로 수행된다. 특정 구현예에서, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 촉매적으로 가수분해시키는 것은 약 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5%, 5.5%, 6%, 6.5%, 7%, 7.5%, 8%, 8.5%, 9%, 9.5%, 10%, 10.5%, 11%, 11.5%, 12%, 12.5%, 13%, 13.5%, 14%, 14.5%, 15%, 16.5%, 17%, 17.5%, 18%, 18.5%, 19%, 19.5%, 20%, 20.5%, 21%, 21.5%, 22%, 22.5%, 23%, 23.5%, 24%, 24.5%, 25%, 25.5%, 26%, 26.5%, 27%, 27.5%, 28%, 28.5%, 29%, 29.5% 및 30% 또는 그 안의 임의의 범위의 액체에 대한 고체의 비율로 수행된다. 특별히 바람직한 구현예에서, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 효소적으로 가수분해시키는 것은 약 15%의 액체에 대한 고체의 비율로 수행된다.
특별한 구현예에서, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질은 저농도의 하나 이상의 효소 중 하나 이상과 접촉된다. "저농도"는 통상적으로 당화에서 사용되는 통상적인 수준 보다 낮지만 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 효소적 가수분해가 효과적인 속도 및 수율로 여전히 일어나거나 진행하는 효소 농도를 의미한다. 당업자는 특별한 효소에 대한 적합한 낮은 농도를 용이하게 결정할 수 있다. 일 예로서, 하나 이상의 효소 중의 하나 이상의 농도는 당화에서 통상적으로 사용되는 통상적인 효소 수준의 10% 이하, 바람직하게는, 20% 이하, 더욱 바람직하게는, 30% 이하 또는 더욱더 바람직하게는, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% 또는 90% 이하일 수 있다. 특별한 구현예에서, 하나 이상의 효소 중 하나 이상의 농도는 글루칸 1 그램 당 약 2 mg 내지 약 10 mg이다.
효소 조성물은 또한, 염소, 세제, 차아염소산염(hypochlorite), 과산화수소, 옥살산, 과산, pH-조절제, 트리나트륨 포스페이트, 나트륨 클로라이트, 나트륨 니트레이트, 계면활성제, 우레아, 완충제(들), 및/또는 물을 포함하지만, 이로 제한되지 않는, 리그노셀룰로오스 물질(예를 들어, 바이오매스)을 가공하는데 사용하기 위해 당업자에게 공지된 추가 제제를 포함할 수 있다.
세제의 예는 음이온성 세제, 양이온성 세제, 또는 중성 세제, 예를 들어, Nonidet (N)P-40, 나트륨 도데실 설페이트(SDS), 나트륨 라우릴 설페이트(SLS), 설포베타인, n-옥틸글루코사이드, 데옥시콜레이트, Triton® X-100(Dow Chemical Co.; Midland, MI) 및/또는 Tween® 20(ICI Americas, Inc.; Bridgewater, NJ)을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 계면활성제의 비-제한적인 예는 2차 알코올 에톡실레이트, 지방 알코올 에톡실레이트, 노닐페놀 에톡실레이트, 지방 알코올의 포스페이트 에스테르, 폴리옥시에틸렌 에테르, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리옥시에틸렌화된 알킬 페놀, 스테아르산 및/또는 트리데실 에톡실레이트를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.
임의의 추가 제제는 일부 또는 전부 정제된 것으로서 제공될 수 있다. 또한, 임의의 이러한 추가 제제는 기재(substrate)의 약 0.001 중량% 내지 약 50 중량%, 약 0.01 중량% 내지 약 50 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 50 중량%, 약 1 중량% 내지 약 50 중량%, 약 10 중량% 내지 약 50 중량%, 약 20 중량% 내지 약 50 중량%, 약 30 중량% 내지 약 50 중량%, 약 40 중량% 내지 약 50 중량%, 또는 그 초과의 양으로 제공될 수 있다.
본 발명의 효소 조성물은 또한, 리그노셀룰로오스 물질을 가공하거나 및/또는 파괴시키거나 및/또는 분해시키는데 도움을 줄 수 있는, 진균 또는 다른 효소 형성 미생물, 특히, 에탄올생성 및/또는 리그닌-가용화 미생물을 포함할 수 있다. 에탄올생성 및/또는 리그닌-가용화 미생물의 비-제한적인 예는 박테리아 및 효모를 포함한다. 일반적으로, 문헌[Burchhardt & Ingram (1992) Appl. Environ. Microbiol. 58:1128-1133; Dien et al. (1998) Enzyme Microb. Tech. 23:366-371; Keating et al. (2004) Enzyme Microb. Tech. 35:242-253; Lawford & Rousseau (1997) AppL Biochem. Biotechnol. 63-65:221-241; Handbook on Bioethanol: Production and Utilization (Wyman ed., CRC Press 1996)], 뿐만 아니라, 미국특허출원공개번호 제2009/0246841호 및 제2009/0286293호; 및 미국특허번호 제6,333,181호을 참조한다. 이러한 미생물은 알코올 데하이드로게나아제, 피루베이트 디카르복실라아제, 트랜스알돌라아제, 트랜스케톨라아제피루베이트 디카르복실라아제, 자일로오스 리덕타아제, 자일리톨 데하이드로게나아제 또는 자일로오스 이소머라아제 자일룰로키나아제를 포함하지만, 이로 제한되지 않는, 리그노셀룰로오스 물질을 처리하는데 도움을 주는 효소를 형성시킬 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에서, 에탄올생성 및/또는 리그닌-가용화 미생물은 칸디다(Candida), 에르비니아(Erwinia), 에쉐리키아(Escherichia), 케브시엘라(Kebsiella), 피치아(Pichia), 사카로마이세스(Saccharomyces), 스트렙토마이세스(Streptomyces) 및 지모모나스(Zymomonas) 속의 일원을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다[예를 들어, 문헌[Dien (1998), supra; Ingram & Conway (1988) Appl. Environ. Microbiol 54:397-404; Jarboe et al. (2007) Adv. Biochem. Engin./Biotechnot 108:237-261; Keating et al (2004) J' Indust. Microbiol. Biotech 31:235-244; Keating et al. (2006) Biotechnol Bioeng. 93:1196-1206; Pasti et al (1990) Appl Environ. Microbiol 56:2213-2218; 및 Zhang et al (1995) Science 267:24010 243.] 참조].
본원에서 사용되는 "발효성 당"은 발효 공정에서 미생물에 의해 탄소 소스로서 사용될 수 있는 올리고당 및/또는 단당류를 지칭한다. 발효성 당의 예는 글루코오스, 자일로오스, 아라비노오스, 갈락토오스, 만노오스, 람노오스, 수크로오스, 프룩토오스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 본원에 기술된 방법에 의해 제조된 발효성 당을 제공한다.
바람직하게는, 상기 양태에 대하여, 발효성 당은 글루코오스, 자일로오스, 아라비노오스, 갈락토오스, 만노오스, 람노오스, 수크로오스, 프룩토오스, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 본원에 기술된 방법에 따라 제조된 발효성 당을 처리하여 발효 산물을 제조하는 단계를 포함하는 발효 산물의 제조 방법을 제공한다.
당업자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같이, 본원에 기술된 방법에 의해 제조된 발효성 당은 이후에, 유용한 가치-부가된 발효 산물로 전환될 수 있으며, 이의 비-제한적인 예는 아미노산, 예를 들어, 라이신, 메티오닌, 트립토판, 트레오닌, 및 아스파르트산; 비타민; 약제; 동물 사료 보충물; 특수 화학물; 화학적 공급원료; 플라스틱; 용매; 연료 또는 다른 유기 폴리머; 락트산; 연료 에탄올 및/또는 연료 부탄올, 일 예로서 바이오연료를 포함하는 부탄올 및/또는 에탄올; 아세트산, 시트르산, 숙신산 및 말레산을 포함하는 유기산; 바이오디젤 생산을 위해 적어도 부분적으로 사용될 수 있는 미생물 지질 또는 오일; 및/또는 산업 효소, 예를 들어, 프로테아제, 셀룰라아제, 아밀라아제, 글루카나아제, 락타아제, 리파아제, 리아제, 옥시도리덕타아제, 트랜스퍼라아제 및 자일라나아제를 포함한다.
이에 따라, 이러한 양태의 방법은 산, 알칼리, 제제 및/또는 본 방법으로부터의 부산물(예를 들어, 폴리올(들), 글리세롤 잔부, 및 본 방법으로부터 제조된 제품)을 선택적으로 포함하는 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을, 에탄올생성 박테리아, 효모, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이로 제한되지 않는 미생물과 접촉(예를 들어, 발효)시키는 것을 추가로 포함할 수 있다. 접촉은 약 2 내지 약 9 범위의 pH에서 일어날 수 있다. 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질은 이후에, 발효성 당의 생산을 위해 및/또는 바이오연료(예를 들어, 에탄올 및/또는 부탄올) 생산을 위해 가공될 수 있다.
추가적으로, 이러한 양태의 방법은 산, 알칼리, 제제 및/또는 본 방법으로부터의 부산물(예를 들어, 폴리올(들), 글리세롤 잔부, 및 본 방법으로부터 제조된 생성물)을 선택적으로 포함하는 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을, 미생물, 바람직하게는, 박테리아, 효모, 진균, 조류, 곰팡이 또는 이들의 조합을 포함하지만 이로 제한되지 않는 유성 미생물과 접촉시켜 하나 이상의 미생물 지질을 제조하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
인식되는 바와 같이, 진핵 효모, 곰팡이 및 미세조류는 지질, 예를 들어 트리아실글리세롤(TAG)을 합성할 수 있는데, 이는 식물성 오일의 조성과 유사하며, 원핵 박테리아는 특정 지질을 합성할 수 있다. 여러 유성 미생물은 오일, 특히 TAG를 축적할 수 있는데, 이는 이후에, 바이오디젤 생산을 포함하는 다양한 다운스트림 적용을 위한 물질로서 사용될 수 있다.
바람직하게는, 발효 산물은 에탄올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택된다.
부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 효소적 가수분해 후에, 생성물(들)(예를 들어, 발효성 당, 에탄올, 부탄올, 등)은 액체, 슬러리, 고체, 또는 겔로부터 분리될 수 있다. 추가적으로, 폴리올(들), 알칼리(들) 및/또는 산(들)은 추가 리그노셀룰로오스 물질을 부분적으로 가수분해시키는데 및/또는 추가적인 처리 단계에서 다시 사용하기 위한 분리(즉, 폴리올(들) 및/또는 산(들)의 재순환) 후에 수집될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 상술된 방법에 의해 제조된 발효 산물을 제공한다.
다른 양태에서, 본 발명은 리그노셀룰로오스 물질을, 폴리올을 포함하거나, 이로 이루어지거나, 또는 이를 필수적으로 포함하는 제제로 처리하기 위한 증해 챔버와 연통하는, 리그노셀룰로오스 물질을 산 및/또는 알칼리로 처리하기 위한 처리 챔버를 포함하는, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 제조하기 위한 장치를 제공한다.
적합하게는, 처리 챔버는 리그노셀룰로오스 물질을 산 및/또는 알칼리로 함침시킬 수 있다.
특정 구현예에서, 장치는 예를 들어, 리그노셀룰로오스 물질을 습윤화시키거나 및/또는 예열시키기 위해, 리그노셀룰로오스 물질을 스팀처리할 수 있는 전-처리 챔버를 추가로 포함한다.
일부 구현예에서, 장치는 액체 분획으로부터 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 적어도 부분적으로 분리시키기 위한 분리기를 추가로 포함한다.
특별한 구현예에서, 장치는 이로부터 산, 알칼리 및/또는 폴리올의 적어도 부분적으로 제거를 촉진시키기 위해 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 세척할 수 있는 세척 디바이스를 추가로 포함한다. 바람직하게는, 세척 디바이스는 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 연속 역류 세척을 촉진시키도록 구성된 벨트 진공 필터 또는 워킹 중력 세척 테이블이다.
적합하게는, 장치는 상술된 방법에서 사용하기 위한 것이다.
장치의 바람직한 구현예는 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조로 하여, 장치(10)는 처리되거나 증해될 리그노셀룰로오스 물질를 수용하기 위한 유입구(11)를 포함한다. 유입구(11)로부터, 리그노셀룰로오스 물질은 전-처리 챔버(12)로 진입하게 되는데, 이러한 전-처리 챔버는 리그노셀룰로오스 물질을 사전-습윤화시키고 예열시키기 위해 저압 스팀을 적용하기 위해 설계된 것이다. 사전-습윤화된 및 예열된 리그노셀룰로오스 물질은 이후에 도관(17)을 통해 통상적으로 중력 공급법(gravity feed)에 의해 처리 챔버(14)로 이송되며, 여기서, 이는 이후에 후속하여 고압 스팀을 통해 산 및/또는 알칼리로 함침된다. 대안적으로, 리그노셀룰로오스 물질은 회전 밸브(13)에 의해 장치(10)로 들어갈 수 있고, 이에 의해 전-처리 챔버(12)의 사전-스팀처리/사전-습윤화 공정을 우회한다.
장치(10)는 리그노셀룰로오스 물질을 폴리올, 및 특히 글리세롤을 포함하는 제제로 처리하거나 증해시키기 위한 증해 챔버(16)를 추가로 포함한다. 증해 챔버(16)는 사용자 특정된 온도 및/또는 압력 하에서 도관(19)을 통해 처리 챔버(14)로부터 중력 공급된 산 및/또는 알칼리 처리된 리그노셀룰로오스 물질을 증해 또는 처리하도록 설계된 것이다. 바람직하게는, 증해 챔버(16)는 리그노셀룰로오스 물질을 낮은 액체 대 고체 비로 증해하거나 처리하도록 구성되고, 배플(baffle)을 구비한 회전 드럼을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 증해 챔버(16)는 액체, 예를 들어 글리세롤을 리그노셀룰로오스 물질 상에 분무하기 위한 다수의 노즐을 포함할 수 있다. 또한, 대안적인 구현예에서, 도관(17 및/또는 19)이 상술된 바와 같이 리그노셀룰로오스 물질의 이동을 촉진시키는 벨트 컨베이어 또는 스크류 아우거(screw augur)를 포함하거나 이에 의해 대체될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 장치(10)는 예를 들어, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 물리적으로 가압시킴으로써, 임의의 나머지 액체 분획으로부터 증해된 리그노셀룰로오스 물질(즉, 고체 분획)의 분리를 증진시키도록 구성된 분리기(18)를 추가로 포함한다. 분리기(18)를 통과한 후에, 증해된 리그노셀룰로오스 물질은 증해 챔버(16)에서 리그노셀룰로오스 물질에 첨가된, 임의의 제제, 특히 글리세롤과 같은 액체 제제로부터 적어도 부분적으로 분리될 수 있다.
도 1에 나타내어 있지는 않지만, 전-처리 챔버(12), 스팀처리 챔버(14); 증해 챔버(16); 및 분리기(18)를 포함하는, 장치(10)의 상술된 챔버를 통한 및 이들 사이의 요망되는 속도로 리그노셀룰로오스 물질을 이동시키기 위해 컨베이어가 사용된다. 또한, 컨베이어는 다음 챔버 상으로 리그노셀룰로오스 물질을 이동시키기 전에 각 챔버에서 요망되는 체류 시간을 달성하기 위해 사용자-규정된 속도로 작동할 수 있다.
분리기(18)에서 분리 후에, 고체 분획은 세척 디바이스(100)에 의해 추가로 세척될 수 있으며, 이의 구현예는 도 2에 제공된다. 도 2를 참조로 하여, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질은 먼저 컨베이어(105) 상에 공급되며, 이는 세척 디바이스(100)를 통해 상기 물질을 요망되는 속도로 이동시킨다. 바람직하게는, 세척 디바이스(100)를 통한 통과 후에, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질은 상기 물질의 다운스트림 당화를 위해 적합한 고체:액체 비를 포함한다.
세척 디바이스(100)를 통해 이동함에 따라, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질은, 분무기(111, 112, 113, 114, 115, 116)를 경유하여 컨베이어(105) 상에서 점진적으로 세척된다. 분무기(111, 112, 113, 114, 115, 116)는 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질 상에 물 또는 세척 용액을 전달하며, 그 후에, 물 또는 세척 용액은 이로부터 배수되고, 중력 또는 진공(진공 펌프는 미도시됨)에 의해 이의 개개 수집 트레이(121, 122, 123, 124, 125, 126)에 수집시킨다. 도 2에서 관찰될 수 있는 바와 같이, "새로운" 물 및/또는 세척 용액은 분무기(111)에 의해 제공되며, 그 후에, 이는 최종 수집 트레이(121)에서 진입하고, 세척 디바이스(100)를 통해 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 이동에 대해 역으로 흐른다.
이와 관련하여, 수집 트레이(121, 122, 123, 124, 125)에 수집된 물 및/또는 세척 용액은 이후에, 파이프 또는 도관(131, 132, 133, 134, 135)을 통해 이의 개개 분무기(112, 113, 114, 115, 116)로 역으로 펌핑된다. 이러한 방식으로, 세척 디바이스(100)는 최소 물 및/또는 세척 용액의 사용으로 리그노셀룰로오스 물질로부터 산, 알칼리, 폴리올 및/또는 용질을 일부 또는 전부 제거하기 위해 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 연속 역류 세척을 가능하게 한다. 수집 트레이(126)에 수집된 물 및/또는 세척 용액은 통상적으로, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질로부터 세척된 가장 높은 농도의 폴리올, 산, 알칼리, 용질, 등을 함유하며, 이는 후속하여, 파이프(136)에 의해 제거된다. 이에 따라, 가장 깨끗하거나 가장 새로운 물 및/또는 세척 용액은 "가장 깨끗한" 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질과 접촉하며, 보다 많이 오염된 물 및/또는 세척 용액은 세척 디바이스(100)로 진입한 직후에 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질과 접촉한다. 이러한 물 및/또는 세척 용액 제사용의 방법은 모든 세척 스테이지에서 깨끗한 물 및/또는 세척 용액을 공급하는 전통적인 세척 방법과는 상반되는 것이다.
본 발명이 용이하게 이해되고 실제적인 효과를 더할 수 있기 위하여, 특정의 바람직한 구현예가 하기 비제한적인 실시예에 의해 기술될 것이다.
실시예 1
실시예 1의 목적은 이미 기술된 리그노셀룰로오스 물질을 글리세롤과 황산의 조합물로 전-처리하는 방법을 평가하기 위한 것이다[예를 들어, 문헌[Zhang et al., Bioresource Technology, 2013]].
물질 및 방법
사탕수수 버개스(sugar cane bagasse)를 연속 수평 증해기(Andritz 418 Pressurized Horizontal Digester/Conveyor)에서 전-처리하였다. 상이한 글리세롤:"버개스 자체(as is bagasse)" 비 및 증해기 온도 및 압력을 평가하였다. 글리세롤과 황산의 조합물을 포함하는 용액으로의 증해 후에, 버개스를 전-처리된 버개스의 고체상 및 액체상(가수분해물)의 분리를 위해 스크류 프레스(screw press)(Andritz Model 560 Pressafiner)를 이용하여 탈수시켰다.
간단하게, 원료 버개스를 먼저 계량하고 이후에 압력 하에서 418 증해기 시스템에 공급하였다. 직후에, 시스템 내에, 버개스 상에 소정 각도로 글리세롤 및 황산을 분무하기 위한 두 개의 사출 노즐이 존재한다. 요망되는 생산률의 설정 시에, 리커(liquor)의 흐름을 요망되는 글리세롤 대 버개스 "자체" 비를 달성하기 위해 요망되는 유량으로 펌핑하였다. 탱크에 첨가되는 황산의 중량을 필요한 경우에 조정하여 O.D. 버개스 상에 대략 1% 내지 1.1%의 적용을 수득하였다. 버개스를 이후에 증해기에서 요망되는 체류 시간을 달성하기 위해 요망되는 속도로 컨베이어 벨트 상에서 증해기를 통해 이동시켰다. 증해 후에, 전-처리된 버개스를 이후에 8:1의 용적 압축비로 작동하는 560 Pressafiner로 이송시켰다. 이의 모든 함유물을 탈수시키고 모든 가수분해물을 수집할 때까지 Pressafiner를 작동시켰다. 각 실행(run)으로부터의 고체 분획 및 액체 분획을 추가 분석 및 후속하여 효소적 증해(가수분해)를 위해 수집하였다. 전-처리된(세척된) 고체를 알파 셀룰로오스, 카파수, %애시, 탄수화물 함량, 산 불용성 리그닌 함량, 및 효소적 당화에 대해 시험하였다. 가수분해물 샘플을 탄수화물 함량, 산 가용성 리그닌 함량, %애시, 및 분해 산물에 대해 시험하였다.
418 증해기 시스템에서의 6개의 별도의 전-처리 조건을 버개스 상에서 시험하였고 이러한 것들은 하기 표 1에 개략되어 있다. 상세하게, 표 1은 실행 A1 내지 A6에 대한 글리세롤:"버개스 자체" 비, 황산 적용, 증해기 체류 시간 및 작동 압력을 제공한다. 증해기 처리량 및 평균 섬유 길이가 또한 표 1 및 표 3에 각각 포함되어 있다.
표 1 - 증해기 작동 조건 및 화학물질 적용
Figure pct00001
결과
상기 시험(trial)의 수행 시에, 이미 기술된 전-처리 방법이 갖는 여러 문제점이 분명하게 나타났다. 특히, 문헌[Zhang et al. supra]에서 이미 기술된 바와 같은 130℃의 증해기 온도는 적절한 섬유 파괴를 제공하지 못하였다. 160℃의 보다 높은 증해기 온도는 이와 관련하여 개선된 섬유 반응성을 제공하였다. 또한, 비교적 낮은 생산율은 거의 이의 낮은 밀도로 인하여 버개스에서 달성되었다. 이와 같이, 버개스의 물질 조작은 상업적 생산까지 확장시키기 위한 상당한 장애를 나타낸다.
표 2 - 세척된 전-처리된 고체에 대한 카파 , 애시 , 점도 및 알파 셀룰로오스
Figure pct00002
표 3 - 세척된 전-처리된 고체 분획의 탄수화물 조성
Figure pct00003
표 4 - 세척된 전-처리된 액체 분획의 탄수화물 조성
Figure pct00004
표 5 - Ctec 3 셀룰라아제에 의한 글루칸의 글루코오스로의 효소적 가수분해(HPLC)
Figure pct00005
표 6 - Ctec 3 셀룰라아제에 의한 자일란의 자일로오스로의 효소적 가수분해(HPLC)
Figure pct00006
실시예 2
이러한 시험의 목적은 이미 기술된 리그노셀룰로오스 물질에 대한 전-처리 방법을 개선시키려는 시도에서, 세 가지 상이한 기재인, 버개스, 하얀 가문비나무 목재 칩, 및 유캅립투스 글로불루스(Eucalyptus globulus) 목재 칩에 적용된 상이한 글리세롤 및 황산 처리를 평가하기 위한 것이다.
물질 및 방법
버개스와 관련된 시험 실행을 위하여, 버개스를 플러그 스크류 공급기를 사용한 418 수평 가압 증해기에 바로 공급하였으며, 여기에서, 글리세롤 및 황산 둘 모두는 유입구에서 증해기로 첨가되었다. 이러한 공정은 실시예 1에 대해 기술된 것과 유사하다. 이러한 시험에서, 스팀 함침이 버개스 상에서 수행되지 않았다. 그러나, 후속 시험은 버개스의 산으로의 효과적인 사전-증해 함침을 나타내었다.
가문비나무 및 유캅립투스 목재 칩과 관련된 시험 실행을 위하여, 418 수평 가압 증해기에 공급되기 전에 Andritz 560 GS Impressafiner 상에서 목재 칩을 초기에 가압시키고, 구조를 파괴하고, 물 또는 황산 중 어느 하나로 함침시켰다. 황산과 함께 또는 이의 없이 글리세롤을 이후에, 증해기에 유입구로 함침된 목재 칩에 첨가하였다. 초기 칩 구조 파괴 및 함침을 전-처리 공정 동안 이의 섬유 구조를 보다 잘 투과시키기 위한 시험으로 목재 기재 상에서 수행하였다.
하기 표 7은 버개스, 가문비나무 및 유캅립투스 물질의 전-처리 시험 각각에 대한 반응 파라미터를 제공한다. 모든 진행에 대한 418 증해기에서의 체류 시간은 30분이었다.
표 7 - 증해기 작동 조건 및 화학물질 적용
Figure pct00007
418 증해기에서의 증해는 실행 A6 내지 실행 A11이 여기에서 추가 황산을 수용하지 않는 것을 제외하고 실시예 1에 대해 기술된 것과 유사하게 수행되었다. 증해 이후에, 특정 진행(A1 내지 A5, A8 내지 A11)로부터의 전-처리된 샘플을 이후에 560 Pressafiner로 이송시켰으며, 이에 따라, 고체 분획 및 액체 분획을 추가 분석 및 후속한 효소적 증해(가수분해)를 위해 수집하였다. 전-처리된(세척된) 고체를 알파 셀룰로오스, 카파수, %애시(표 10), 탄수화물 함량, 산 불용성 리그닌 함량(표 11), 및 효소적 당화(표 13)에 대해 시험하였다. 가수분해물 샘플을 탄수화물 함량 및 산 가용성 리그닌 함량(표 12)에 대해 시험하였다. 모든 펄프를 캐나다 표준 여수도, L&W 섬유 시험, 벌크 밀도 및 고형물 함량을 포함하는 표준 Tappi 절차로 추가로 시험하였다.
효소적 당화를 위하여, 동일한 실험 조건을 문헌[NREL Enzymatic Saccharification of Lignocellulosic Biomass Laboratory Analytical Procedure (M. Selig, N. Weiss, and Y. Ji, NREL/TP-510-42629 March 2008)]에 기술된 바와 같이 적용하였다. 절차는 최대 효소 로딩을 기초로 하여 제공된 전-처리의 효능을 측정하고, 이론적 질량 수율의 백분율로서 보고된다. 사용된 셀룰라아제 효소 칵테일은 표 13에 보고된 초기 샘플에 적용된 2% 셀룰로오스 중량 로딩에서의 20 FPU/g 셀룰로오스에서의 Cellic® CTec3 (Cellic® CTec3은 Novozymes의 등록 상표임)이다.
효소적 가수분해에 대한 증가하는 바이오매스 고체 로딩의 효과를 관찰하기 위해 샘플 A2(버개스 전-처리된 바이오매스) 및 A8(유칼립트 전-처리된 바이오매스)로서 발생된 물질을 추가로 평가하였다. 5.0의 pH 및 50℃의 온도는 최적 반응 조건이다. 20 mg/g 글루칸 효소 용량을 시험하였다.
결과
세 가지 리그노셀룰로오스 기재 상에서의 상기 시험으로부터, 증해 또는 반응 정도는 첨가된 황산의 백분율에 상당히 영향을 받는다. 이에 따라, 리그노셀룰로오스 기재에 대한 글리세롤의 양은 시각적 평가에 따라 증해된 물질에 대한 임의의 명백한 영향 없이 상당히 감소될 수 있다. 이에 따라, 전-처리 반응은 매우 낮은 고체에 대한 액체 비율에서 성공적으로 수행되었으며, 이에 따라, 증해기 내에서 액체가 거의 존재하지 않거나 전혀 존재하지 않는다. 예를 들어, 유캅립투스 목재 칩은 칩 상에 산 0.7% 및 0.3kg/kg 글리세롤/칩에서 매우 잘 반응되었으며, 이는 단지 0.24:1의 증해를 위한 액체 대 고체 비를 나타낸다.
버개스에 대하여, 2.4% 산에서 130℃는 160℃에서 증해된 버개스와 비교하여 섬유를 완전히 반응시키지 못하였는데, 이는 실시예 1에서 나타낸 것을 보강하는 것이다. 160℃ 및 2.4% 산에서 버개스의 증해는 가압되지 않을 수 있는 머드-유사(mud-like) 물질을 야기시켰는데, 이는 기재가 전부 반응되었음을 나타낸다. 증해기에서 산을 감소시킴으로써, 일부 섬유는 보유되었지만, 증해된 버개스는 더욱 용이하게 가압되었다.
흥미롭게도, 칩이 Impressfiner에 의해 황산으로 함침된 가문비나무 시험 실행(A6: 1.5% 산, 0.6 글리세롤 비율)에 대하여, 황산이 증해기에서 첨가된 가문비나무 시험 실행(A7: 1.5% 산, 0.6 글리세롤 비율)에 대한 것 보다 더욱 낮은 여수도가 관찰되었다(표 9). 이는, 글리세롤로의 증해 및 처리 이전에 산으로 함침된 목재 칩이 산으로 함침되지 않은 것 보다 더욱 잘 반응되었지만, 조합된 산 및 글리세롤의 용액으로 증해되었다는 것을 시사한다. 이와 같이, 증해 단계에서 글리세롤의 첨가 이전에 리그노셀룰로오스 물질의 황산으로의 함침은 증해기에 글리세롤과 동시에 산을 첨가하는 것에 비해 우수하였다.
유칼립투스 시험 실행은, 리그노셀룰로오스 기재의 증해에 영향을 미치지 않으면서 글리세롤 적용에서의 상당한 감소가 가능함을 시사한다. 그러나, 전-처리 반응(A11: 0.5% 산)으로부터 글리세롤을 함께 제거하는 것은 가장 높은 여수도를 나타내었으며, 이에 의해 보다 낮은 증해 반응성을 명시한다. 글리세롤 이외에 유사한 산 농도에서 수행되는 유칼립투스 진행(A10: 0.5% 산, 0.3 글리세롤 비율)은 상당히 낮은 여수도(159 mL 대 467 mL)를 갖는데, 이는 보다 높은 반응성을 명시하는 것이다. 또한, A11 물질과 비교하여 A10 물질의 효소적 증해는 공정 순서에서 글리세롤의 효과를 지지하는데, 이는 72시간에 글루코오스 수율의 7.08% 차이에 의해 입증되었다(A10 = 94.82% STDe 0.46%; A11 = 87.74% STDe 0.80%)
효소적 가수분해에 대한 증가하는 바이오매스 고체의 효과와 관련하여, 2%에서 10%까지의 고체 로딩의 증가는 증해율 및 글루칸의 글루코오스로의 % 전환율에 악영향을 미치지 않는다(표 15). 이는 얻어진 바이오매스의 산업적 적용 및 발효성 당으로의 이의 전환과 관련하여 중요한 양태이다.
표 8 - 물질 특징
Figure pct00008
표 9 - 반응 개요
Figure pct00009
표 10 - 세척된 전-처리된 고형물에 대한 카파 , 애시 , 점도 및 알파 셀룰로 오스
Figure pct00010
표 11 - 고체 탄수화물
Figure pct00011
표 12 - 액체 탄수화물
Figure pct00012
표 13 - Ctec 3 셀룰라아제에 의핸 글루칸의 글루코오스로의 효소적 가수분해(HPLC)
Figure pct00013
표 14 - Ctec 3 셀룰라아제에 의핸 자일란의 자일로오스로의 효소적 가수분해(HPLC)
Figure pct00014
표 15 - 고체 로딩 및 글루칸에서 글루코오스로의 효소적 전환
Figure pct00015
실시예 3
이러한 시험을 목적은 이미 기술된 리그노셀룰로오스 물질을 위한 전-처리 방법에 대해 개선시키려는 시도로, 산 함침 이전 알칼리 탈아세틸화 및 유칼립투스 칩의 글리세롤로의 증해를 평가하기 위한 것이다.
물질 및 방법
산 함침 이전 탈아세틸화를 수반하는 시운전을 도 3 및 도 4에 따른 탈아세틸화 사전-증해 단계 이외에 실시예 2와 유사한 방식으로 수행하였다. 탈아세틸화를 스팀 주입과 함께 재순환 배치 반응기에서 수행하였다. 탈아세틸화는 리그노셀룰로오스 물질의 헤미셀룰로오스 성분에 공유 결합된 하이드록사이드 기 및 아세테이트 기의 화학양론적 반응이다. 이에 따라, 요망되는 하이드록사이드 이온의 양은 하기 방식에서 적정에 의해 결정되었다. 유칼립투스 칩을 그라인딩하여 2.83 mm (No.7) 스크린으로 통과시켰다. 20 g의 그라이딩된 목재(대략 50% 수분을 함유함)를 대략 250 ml의 물 및 몇 방울의 페놀프탈레인을 함유한 비이커에 배치시켰다. 혼합물을 교반하고, 대략 90℃까지 가열시키고, 0.5% 수산화나트륨로 90분에 걸쳐 종결점까지 적정하여 완전한 탈아세틸화를 확인하였다. 재순환 배치 반응기로의 최대 용량의 수산화나트륨를 이러한 적정으로부터 순환시켰다. 이는 또한, 하이드록사이드의 완전한 반응을 확인하였고, 단계 (ⅰ), 산 함침 단계에서 적절한 반응 조건을 달성하기 위해 요구되는 산의 양을 최증해시켰다.
결과
도 5에서 관찰될 수 있는 바와 같이, A1(물 대조군) 및 A2(글리세롤을 가짐) 둘 모두는 시각적으로 잘 반응되었다. I2 함침 후 칩으로부터의 여액은 대략 1.4 pH이었다. A2(글리세롤을 가짐) 샘플은 대조군 A1 샘플에 비해 시각적으로 더욱 짙고 외견상 더욱 많이 증해되었다.
실시예 4
이러한 시험의 목적은 본원에 기술된 처리 방법으로부터 제조된 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질로부터 헥소오스 풍부 당 시럽을 제공하기 위한 것으로서, 그렇게 해서, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 당으로의 효소 촉매화된 당화 또는 가수분해를 나타낸다. 이러한 시험의 추가 목적은 헥소오스 풍부 당 시럽을 4개의 상이한 미생물로 발효시키기 위한 것으로서, 그렇게 해서, 헥소오스 풍부 당 시럽이 미생물 성장을 위해 적합한 탄소 소스임을 나타낸다(즉, 이는 본원에 기술된 것 이외의 방법에 의해 리그노셀룰로오스 물질로부터 제조된 당 시럽에서 발견될 수 있는 성장에 대한 억제제를 함유하지 않음).
물질 및 방법
포플러 목재 칩을 초기에, 직접 스팀 주입에 의해 스팀처리하고, 이후에, 가압하고, 구조를 파괴하고, Andritz 560 GS Impressafiner에서 황산에 함침시키고, 이후에, 418 수평 가압식 증해기(horizontal pressurized digester)에 공급하였다. 글리세롤을 이후에, 증해기의 유입구로 함침된 목재 칩에 첨가하였다. 전-처리 공정 동안 이의 섬유 구조를 보다 잘 침투하려는 시도로, 초기 칩 구조파괴 및 함침을 목재 기재 상에서 수행하였다. 418 수평 가압식 증해기에서 160℃에서 30분 동안 증해 후에, 증해된 리그노셀룰로오스 물질을 드럼에 수집하였다.
30 kg의 증해된 리그노셀룰로오스 물질을 140 L의 정제수에서 세척하여 잔류 글리세롤 및 용질을 제거하였다. 세척된 물질을 스테인레스강 혼합 용기 MV-11에 첨가하고, 정제수에서 현탁시키고, 1M NaOH로 pH를 4.5까지 조정하였다. 정제수를 110 L의 최종 부피까지 첨가하였다. 현탁액을 71℃까지의 가열에 의해 저온 살균하고, 이후에, 63℃까지 냉각시키고, 여기서, 이를 30분 동안 유지시켰다. 12.5 L의 상업적으로 입수 가능한 셀룰로오스 효소 칵테일을 현탁액에 첨가하고, 반응기를 교반하면서 50℃에서 유지시켰다. 글루코오스 생산을 시간에 따라 모니터링하였다.
당화 공정이 완료된 것으로 여겨지는 기간 후에, 혼합물을 1.5 bar의 압력 하에서 미세한 메시 필터로 여과하고, 액체 성분을 Pall Supradisc II 깊이 필터를 이용하여 추가로 폴리싱하고, 이후에, 67.6 g/100 g 농도(consistency)의 시럽까지 농축시켰다.
이러한 당 시럽의 일부를 하기 표 16에 명시된 바와 같이 물 및 매질 성분으로 희석시키고, 피치아 홀리스티(Pichia holisti), 사카로마이세스 세레비시애 및 에스캐리키아 콜라이의 배양물로 접종하였다.
결과
각 발효물에 대해 표 17 내지 표 19 및 도 6에 나타낸 글루코오스 농도의 감소 및 세포 밀도의 상응하는 증가는 본원에 기술된 방법에 의해 제조된 글루코오스 용액이 탄소 소스로서 사용될 수 있음을 나타낸다.
표 16: 발효 파라미터
Figure pct00016
표 17 - 피치아 홀스티이
Figure pct00017
표 18 - 사카로마이세스 세레비시애
Figure pct00018
표 19 - 에스캐리키아 콜라이
Figure pct00019
실시예 5
효소적 가수분해에 대한 바이오매스 고체 로딩 증가 및 효소 용량 감소의 효과를 관찰하기 위해 상기 실시예 4와 동일한 방식으로 제조된 Glycell 전-처리된 포플러 칩을 평가하였다.
물질 및 방법
두 개의 샘플을 비교하였다:
● 실시예 4에 따른 Glycell 처리 공정(즉, 순차적인 산 및 글리세롤 처리) - 바이오매스 기준 1.15% 산, 55% 글리세롤
● 단지 묽은 산 - 바이오매스 기준 1.07% 산, 글리세롤 함유하지 않음
효소적 가수분해의 조건:
● 15% 고체, pH 5.5, 12 mg/g의 셀룰로오스(로딩 시 40% 미만 효소)에서의 CTEC 3
결과
Glycell 전-처리된 바이오매스의 초기 셀룰로오스 당화율은 묽은 산 전-처리의 3.0배이었다. Glycell 전-처리된 바이오매스로부터의 단당류의 최종 수율은 묽은 산 전-처리의 166.6%이었다. 이에 따라, 본원에 기술된 방법에 의해 부분적으로 가수분해된 높은 고체 농도의 리그노셀룰로오스 물질은 상당히 낮은 농도의 효소에 의해 성공적으로 효소적으로 가수분해될 수 있다.

Claims (36)

  1. (ⅰ) 리그노셀룰로오스 물질을 산 및/또는 알칼리로 처리하는 단계;
    (ⅱ) 단계 (ⅰ)의 상기 리그노셀룰로오스 물질을, 폴리올을 포함하거나 이로 이루어지거나 이를 필수적으로 포함하는 제제로 처리하여, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 제조하는 단계를 포함하는, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    단계 (ⅰ)에서, 상기 리그노셀룰로오스 물질은 (a) 산 단독으로; (b) 알칼리 단독으로; (c) 산 및 이후에 알칼리로 순차적으로; 또는 (d) 알칼리 및 이후에 산으로 순차적으로 처리되는 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 산은 황산, 염산, 인산, 불화수소산, 브롬화수소산, 질산, 산 금속 염 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 산은 황산인 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 알칼리는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 알칼리 금속 염 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 알칼리는 수산화나트륨인 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ⅰ)은 상기 산 및/또는 알칼리를 상기 리그노셀룰로오스 물질 내에 및/또는 위에 함침시키는 단계를 포함하는 방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    (ⅰ) 상기 산은 리그노셀룰로오스 물질의 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량%의 양으로 존재하고/하거나; (ⅱ) 상기 알칼리는 상기 리그노셀룰로오스 물질의 약 0.1 중량% 내지 약 15 중량%의 양으로 존재하는 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리올은 글리세롤, 에틸렌 글리콜 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 폴리올은 글리세롤인 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ⅰ)은 약 20℃ 내지 약 99℃, 또는 바람직하게는 약 25℃ 내지 약 75℃의 온도에서 수행되는 방법.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ⅱ)는 약 120℃ 내지 약 200℃의 온도에서 수행되는 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    단계 (ⅱ)는 약 160℃의 온도에서 수행되는 방법.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ⅰ)은 약 5분 내지 약 30분의 기간 동안 수행되는 방법.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ⅱ)는 약 15분 내지 약 60분의 기간 동안 수행되는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    단계 (ⅱ)는 약 30분의 기간 동안 수행되는 방법.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ⅰ)은 단계 (ⅱ)의 개시 전에 상기 산 및/또는 알칼리로의 처리 후에 상기 리그노셀룰로오스 물질을 세척, 배수 및/또는 가압하여서 적어도 부분적으로 상기 산 및/또는 알칼리를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  18. 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리올은 상기 리그노셀룰로오스 물질의 약 10 중량% 내지 약 200 중량%의 양으로 존재하는 방법.
  19. 발효성 당을 제조하기 위해 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 효소적으로 가수분해시키는 단계를 포함하는 발효성 당의 제조 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 효소적으로 가수분해시키는 단계는 적어도 부분적으로 상기 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 셀룰라아제, 리그니나아제, 헤미셀룰라아제, 자일라나아제, 리파아제, 펙티나아제, 아밀라아제, 프로티나아제 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 효소와 접촉시킴으로써 수행되는 방법.
  21. 청구항 19 또는 청구항 20에 있어서,
    상기 발효성 당은 글루코오스, 자일로오스, 아라비노오스, 갈락토오스, 만노오스, 람노오스, 수크로오스, 프룩토오스 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  22. 청구항 19 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 효소적으로 가수분해시키는 단계는 약 2% 내지 약 30%의 액체에 대한 고체의 비율로 수행되는 방법.
  23. 청구항 20 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질은 낮은 농도의 하나 이상의 효소와 접촉되는 방법.
  24. 발효 산물을 제조하기 위해 청구항 19 내지 청구항 23 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 발효성 당을 처리하는 단계를 포함하는 발효 산물의 제조 방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 발효 산물은 에탄올 및 부탄올로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  26. 청구항 24에 있어서,
    상기 발효 산물은 하나 이상의 미생물 지질이거나 이를 포함하는 방법.
  27. 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질.
  28. 청구항 19 내지 청구항 23 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 발효성 당.
  29. 청구항 24 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 발효 산물.
  30. 리그노셀룰로오스 물질을, 폴리올을 포함하거나 이로 이루어지거나 이를 필수적으로 포함하는 제제로 처리하기 위한 증해 챔버(digestion chamber)와 연통하는, 리그노셀룰로오스 물질을 산 및/또는 알칼리로 처리하기 위한 처리 챔버를 포함하는, 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 제조 장치.
  31. 청구항 30에 있어서,
    상기 처리 챔버는 상기 리그노셀룰로오스 물질을 상기 산 및/또는 알칼리로 함침시킬 수 있는 장치.
  32. 청구항 30 또는 청구항 31에 있어서,
    상기 리그노셀룰로오스 물질을 습윤화시키고/시키거나 예열시키기 위한 것과 같이, 상기 리그노셀룰로오스 물질을 스팀처리할 수 있는 전-처리 챔버를 추가로 포함하는 장치.
  33. 청구항 30 내지 청구항 32 중 어느 한 항에 있어서,
    액체 분획으로부터 상기 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 적어도 부분적으로 분리하기 위한 분리기를 추가로 포함하는 장치.
  34. 청구항 30 내지 청구항 33 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질로부터 산, 알칼리 및/또는 폴리올의 적어도 부분적으로 제거를 촉진하기 위해 상기 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질을 세척할 수 있는 세척 디바이스를 추가로 포함하는 장치.
  35. 청구항 34에 있어서,
    상기 세척 디바이스는 상기 부분적으로 가수분해된 리그노셀룰로오스 물질의 연속 역류 세척을 촉진하도록 구성된 벨트 진공 필터 또는 워킹 중력 세척 테이블(walking gravity wash table)인 장치.
  36. 청구항 30 내지 청구항 35 중 어느 한 항에 있어서,
    청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 따른 방법에서 사용하기 위한 장치.
KR1020177003678A 2014-07-10 2015-07-10 리그노셀룰로오스 물질의 가수분해 방법 KR20170038831A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2014902667A AU2014902667A0 (en) 2014-07-10 Methods for hydrolysing lignocellulosic material
AU2014902667 2014-07-10
AU2014904984A AU2014904984A0 (en) 2014-12-09 Methods for hydrolysing lignocellulosic material
AU2014904984 2014-12-09
PCT/AU2015/050390 WO2016004482A1 (en) 2014-07-10 2015-07-10 Methods for hydrolysing lignocellulosic material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20170038831A true KR20170038831A (ko) 2017-04-07

Family

ID=55063408

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177003678A KR20170038831A (ko) 2014-07-10 2015-07-10 리그노셀룰로오스 물질의 가수분해 방법

Country Status (12)

Country Link
US (1) US11332768B2 (ko)
EP (1) EP3167112B1 (ko)
JP (1) JP6884695B2 (ko)
KR (1) KR20170038831A (ko)
CN (1) CN106574440B (ko)
AU (1) AU2015286230B2 (ko)
BR (1) BR112017000391A2 (ko)
CA (1) CA2953715A1 (ko)
MX (1) MX2017000277A (ko)
MY (1) MY182109A (ko)
WO (1) WO2016004482A1 (ko)
ZA (1) ZA201700422B (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3577210B1 (en) * 2017-02-03 2020-10-28 Advanced Substrate Technologies A/S System for treating biomass with a gas
MX2020007409A (es) 2018-01-12 2020-09-14 Circ Llc Metodos para reciclar fibras de algodon y poliester de textiles residuales.
FR3090422B1 (fr) * 2018-12-21 2021-05-21 Ifp Energies Now Procede de nettoyage d’un reacteur de traitement d’une biomasse lignocellulosique
WO2020124168A1 (en) * 2018-12-21 2020-06-25 Leaf Resources Limited Separation method
JP7546614B2 (ja) 2019-07-01 2024-09-06 コットン インコーポレーテッド 糖を製造するためのバイオマスとして使用される綿織物の廃棄布
CN114657215A (zh) * 2020-12-22 2022-06-24 中国石油化工股份有限公司 利用好氧菌和厌氧菌共培养发酵生产丁醇的方法及装置
CN114763680B (zh) * 2021-01-15 2024-01-30 中国石油天然气股份有限公司 从木质纤维素原料中去除木质素的方法

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB421379A (en) * 1933-06-12 1934-12-12 Henry Dreyfus Improvements in or relating to the production of cellulose from lignocellulosic materials
GB576785A (en) * 1942-03-11 1946-04-18 Henry Dreyfus Improvements in or relating to the manufacture of cellulose
GB604599A (en) 1945-08-09 1948-07-07 Thomas Robert Mcelhinney Synthetic resin and process of making same
DE2827111A1 (de) 1978-06-21 1980-01-10 Bayer Ag Mittel zur verwendung bei der zellstoffgewinnung
AT372991B (de) 1978-11-27 1983-12-12 Thermoform Bau Forschung Lignocelluloseaufschlussverfahren
JP3012296B2 (ja) 1990-08-24 2000-02-21 信夫 白石 リグノセルロース物質の液化溶液の製造法
US6333181B1 (en) 1997-04-07 2001-12-25 University Of Florida Research Foundation, Inc. Ethanol production from lignocellulose
GB0218019D0 (en) 2002-08-05 2002-09-11 Ciba Spec Chem Water Treat Ltd Production of a fermentation product
CN101160409B (zh) * 2005-04-12 2013-04-24 纳幕尔杜邦公司 获得可发酵糖的生物质处理方法
CA2650505A1 (en) 2006-05-01 2008-02-14 University Of Florida Research Foundation, Inc. Ethanol production in non-recombinant hosts
US7666637B2 (en) * 2006-09-05 2010-02-23 Xuan Nghinh Nguyen Integrated process for separation of lignocellulosic components to fermentable sugars for production of ethanol and chemicals
SE531091C2 (sv) 2007-03-08 2008-12-16 Sekab Biofuel Ind Ab Apparatur för utvinning av sockerarter ur lignocellulosamaterial medelst hydrolys och användning av visst material i apparaturen
CA2681265A1 (en) 2007-03-19 2008-09-25 Sued-Chemie Ag Generation of chemical building blocks from plant biomass by selective depolymerization
US20090246841A1 (en) 2008-03-26 2009-10-01 Jamieson Andrew C Methods and compositions for production of acetaldehyde
WO2009124240A1 (en) 2008-04-03 2009-10-08 Cellulose Sciences International, Inc. Highly disordered cellulose
PT104160A (pt) * 2008-08-20 2010-02-22 Univ Aveiro Processo para a produção de polióis líquidos de origem renovável por liquefação da biomassa agro-florestal e agro-alimentar
US8853478B2 (en) 2008-09-08 2014-10-07 Basf Se Method for the integrated production of cellulose and low-molecular-weight reusable materials
CN101497668A (zh) 2009-02-24 2009-08-05 华南理工大学 一种离子液体中均相改性纤维素的方法
BRPI1006378B1 (pt) * 2009-03-05 2019-09-17 Dow Global Technologies Llc Processo para a produção de celulose alcalina
US8022257B2 (en) 2009-09-03 2011-09-20 The Ohio State University Research Foundation Methods for producing polyols using crude glycerin
CN101748651B (zh) 2010-02-04 2011-07-27 广东省造纸研究所 一种绝缘钢纸板及其制造工艺
US9157031B2 (en) 2010-12-30 2015-10-13 Virent, Inc. Solvolysis of biomass to produce aqueous and organic products
EP4223730A3 (en) 2010-12-30 2023-10-04 Virent, Inc. Organo-catalytic biomass deconstruction
US9212314B2 (en) 2010-12-30 2015-12-15 Virent, Inc. Solvolysis of biomass using solvent from a bioreforming process
CA2838072A1 (en) * 2011-06-10 2012-12-13 Syngenta Participations Ag Methods for converting lignocellulosic material to useful products
US20130164804A1 (en) 2011-12-27 2013-06-27 David C. Walther Low Severity Pretreatment of Lignocellulosic Biomass
FR2985736B1 (fr) 2012-01-18 2020-01-10 IFP Energies Nouvelles Procede de pretraitement de la biomasse lignocellulosique avec un sel inorganique hydrate permettant d'obtenir une fraction cellulosique et une fraction hemicellulosique
WO2014070579A1 (en) 2012-10-31 2014-05-08 Shell Oil Company Methods for hydrothermal digestion of cellulosic biomass solids using a glycerol solvent system
US9631316B2 (en) * 2012-12-31 2017-04-25 Api Intellectual Property Holdings, Llc Biomass fractionation processes employing sulfur dioxide
CN103255659B (zh) 2013-04-26 2016-09-28 安徽安生生物化工科技有限责任公司 氨联合稀碱常压处理木质纤维素类生物质的方法
JP6702959B2 (ja) 2014-07-10 2020-06-03 リーフ サイエンシーズ プロプライエタリー リミテッドＬｅａｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｐｔｙ Ｌｔｄ リグノセルロース系材料の加工方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106574440B (zh) 2020-09-11
CA2953715A1 (en) 2016-01-14
AU2015286230B2 (en) 2018-11-08
BR112017000391A2 (pt) 2018-01-23
US11332768B2 (en) 2022-05-17
CN106574440A (zh) 2017-04-19
JP2017522440A (ja) 2017-08-10
US20170211108A1 (en) 2017-07-27
WO2016004482A1 (en) 2016-01-14
MX2017000277A (es) 2017-04-27
EP3167112A4 (en) 2018-03-07
JP6884695B2 (ja) 2021-06-09
MY182109A (en) 2021-01-18
AU2015286230A1 (en) 2017-02-23
EP3167112B1 (en) 2021-05-26
ZA201700422B (en) 2021-06-30
EP3167112A1 (en) 2017-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2016213871B2 (en) Methods for Converting Lignocellulosic Material to Useful Products
CN106574440B (zh) 用于水解木质纤维素材料的方法
US20140093920A1 (en) Methods for treating lignocellulosic materials
US20080057555A1 (en) Integrated process for separation of lignocellulosic components to fermentable sugars for production of ethanol and chemicals
KR20140072866A (ko) 발효 전 향상된 c5/c6 당류 방출을 위한 바이오매스의 조절
Michelin et al. Application of lignocelulosic residues in the production of cellulase and hemicellulases from fungi
WO2016141432A1 (en) Apparatus, system and method for treating lignocellulosic material
KR101847983B1 (ko) 순차적 산­염기 전처리를 통한 셀룰로즈 함량이 증가된 팜 열매 껍질 섬유질 유래 바이오매스의 제조방법
Hamdihun Investigate the effect of two stage pretreatments on production of reducing sugar from field pea (Pisum sativum L.) straw
JP2014103949A (ja) リグノセルロース系バイオマスからの糖の製造方法
NZ618720B2 (en) Methods for converting lignocellulosic material to useful products