KR101588096B1 - 고형분 함량이 높은 효소 반응기 또는 혼합기 및 방법 - Google Patents

Abstract

반응기 장치는 내부 혼합 챔버에 대해 바이오매스 입구로부터 제 2 챔버 구역으로 넓어지는 단면적을 구비하는 제 1 챔버 구역을 포함하는 내부 혼합 챔버; 제 1 챔버 구역의 타단에서 혼합 챔버의 배출 단부로 실질적으로 균일한 단면적을 구비하는 제 2 챔버 구역; 반응기 용기의 외부에 있는 전처리된 바이오매스의 공급원에 연결되는 바이오매스 입구; 및 제 1 챔버 구역의 축과 동축이고 내부 혼합 챔버 내에 있는 회전하는 혼합 디바이스를 포함한다.

Description

고형분 함량이 높은 효소 반응기 또는 혼합기 및 방법{HIGH SOLIDS ENZYME REACTOR OR MIXER AND METHOD}

본 출원은 2010년 10월 15일에 출원된 미국 가 실용신안 출원 61/393,740에 우선권을 주장하며, 그것의 전체 내용은 참조로서 포함된다.

본 발명은 일반적으로 단량체 당류들로 바이오매스의 효소 전환법의 분야에 관련되며 특히 가수 분해를 촉진시키기 위해 효소들과 함께 바이오매스를 혼합하는 것에 관련된다.

바이오매스 공급 원료는 리그노셀룰로오스 물질 단독으로 또는 리그노셀룰로오스 및 다른 물질들의 혼합물일 수 있다. 다당류 바이오매스는 일반적으로 전분 및 리그노셀룰로오스 물질들의 혼합물이다. 전분은 바이오매스를 형성하기 위해 공급 원료로서 추가된 곡물들 또는 정제된 전분으로 포함될 수 있다. 바이오매스 공급 원료는 도한 폴리머들 및 다른 물질들을 포함할 수 있다.

셀룰라아제 같은 효소들은 가수분해를 촉진시키기 위해 바이오매스와 혼합된다. 혼합하는 것은 효소들이 바이오매스 내에 화학 반응 장소들과 접촉하여 연속적으로 그리고 반복되게 이동하는 것을 확실하게 한다. 효소들과 더불어 또는 대신에 호열 세균(thermophilic bacterium) 또는 효모 같은 유기체들 및 생체 촉매들을 분해하는 다른 셀룰로오스가 가수분해 또는 바이오매스의 다른 분해를 촉진시키기 위해 바이오매스에 추가될 수 있다.

다른 공급 원료 물질들 및 효소들(또는 다른 분해하는 물질들)은 바이오매스 혼합물을 형성하기 위해 함께 혼합된다. 바이오매스 혼합물은 함량이 높은 분말과 유사한 특성들을 구비할 수 있다. 액체 또한 높은 유동성의 슬러리(slurry)를 형성하기 위해 바이오매스 혼합물에 추가될 수 있다. 액체는 그것들의 특성들에서 상당한 차이들을 구비하는 액체들 및 공급 원료의 형상으로 된 균일한 바이오매스 에멀젼(emulsion)을 생성하기 위해 그리고 바이오매스 고형분들을 액화시키기 위해 추가된다.

혼합기들, 일정한 휘젓기 반응기들 및 다른 혼합 또는 교반(agitation) 디바이스들은 바이오매스 혼합물을 형성하기 위해 효소들 및 공급 원료를 액화시키고 혼합하는 데 사용될 수 있다. 이러한 디바이스들이 종래에는 방사상의 암들 및 블레이드들을 구비하는 교반기들 같이 기계적인 혼합 디바이스들을 구비하고 수직으로 배치된 원통형의 용기들이다. 이러한 디바이스들은 일반적으로 수직 샤프트에 대해 회전하고 바이오매스를 통해 이동한다. 바이오매스 혼합물을 위해 요구되는 혼합 기간은 바이오매스를 형성하기 위해 사용되는 공급 원료들에 의존한다.

리그노셀룰로오스 바이오매스의 효소 액화는 몇 시간의 혼합을 요구할 수 있다. 이러한 혼합 공정은 바이오매스가 일반적으로 고형분인 구성으로부터 액화된 슬러리로 전환하면서 바이오매스의 속도를 감소시킨다. 단량체 당류들로의 효소 전환을 위해 전처리된 바이오매스는 일반적으로 섬유의 또는 진흙-같은 밀도(consistency)를 구비하는 혼합 공정을 시작한다. 효소들은 바이오매스에 대해 일반적으로 상대적으로 낮은 농도를 구비하여 바이오매스에 추가된다. 바이오매스 및 효소 혼합물은 하나 이상의 가수분해 반응기 용기들을 포함하는, 혼합 및 전처리 반응기 시스템에 들어가면서 점성이 높아지는 경향이 있다.

가수분해 반응기 용기를 들어가는 바이오매스의 높은 점성에 의해, 큰 힘(토크)이 혼합 디바이스들을 돌리기 위해 그리고 바이오매스와 효소들을 적절하게 혼합하기 위해 요구된다. 혼합 챔버 내의 혼합 암들 및 다른 혼합기 구성요소들의 혼합 속도는 일반적으로 300분당 회전수(rpm)보다 낮다. 요구되는 혼합 힘은 통상적으로 혼합 용기들의 크기를 제한한다. 혼합 암들을 회전시키기 위해 요구되는 토크가 암들의 방사상 길이와 함께 기하급수적으로 증가하므로 종래의 혼합 디바이스들은 작은 직경의 용기들인 경향이 있다. 바이오매스의 높은 점성에 의해, 암들의 방사상 길이는 통상적으로 바이오매스를 통해 암들을 이동시킬 수 있도록 짧다. 유사하게, 혼합 암들을 돌리는 모터들은 혼합 암들의 최대 길이를 제약하는 최고 출력 한계들을 구비한다. 혼합 구성요소들의 기계적인 강도 및 모터의 제약들에 의해, 점성이 큰 전처리된 바이오매스를 혼합하기 위한 용기들이 종래에는 작고 좁았다.

게다가, 리그노셀룰로오스 바이오매스의 효소 액화를 위한 혼합 용기들은 통상적으로 연속적인 모드보다 배치 모드(batch mode)로 작동된다. 배치 모드는 대개 몇몇의 더 작은 혼합 용기들이 증해기 또는 다른 반응기 용기 같이, 더 큰 하류의 용기로 공급하는 상태에서 더 적합하다.

들어오는 전처리된 바이오매스를 희석시키기 위해 액화된 물질의 재순환은 점성을 감소시키기 위해, 그리고 혼합을 향상시키기 위해 제안된다. 재순환은 추가적인 혼합 부피가 용기 내에서 바람직한 체류 시간을 얻기 위해 요구된다는 단점이 있다. 배치 처리는 시간이 용기를 채우고 비우기 위해 제공됨에 따라, 시스템에 부피를 추가한다.

효소들과 점성이 큰 바이오매스를 혼합할 수 있는 큰 혼합 용기들이 필요하다. 이러한 용기들은 바람직하게 바이오매스가 연속적으로 용기 안으로, 용기를 통해 그리고 용기의 밖으로 흐르는 연속적인 흐름 용기들일 수 있다. 큰 용기는 바이오매스 및 효소들의 혼합을 위해 효율적인, 높은 흐름 용량을 제공할 수 있다.

본 발명의 장치 및 방법이 바이오매스의 혼합, 예를 들어 액화를 위해 여기에 개시된다. 장치 및 방법은 더 건조한 물질의 10% w/w(중량/중량) 이상의 함량을 구비할 수 있는 바이오매스들을 포함하는 다당류의 당화 및 액화를 위해 이용될 수 있다. 장치 및 방법은 바이오매스들이 전단 및 인열 강도들(tear forces) 같이 기계적인 힘들을 받게 하기 위해, 중력 및 원심력 같은 물리적인 힘들에 의존하는 혼합 공정과 효소 가수분해를 결합한다.

여기에 개시된 장치 및 방법은 바이오-가스를 형성하는, 음식물 및 먹이를 위해 탄수화물들에게 특수성을 형성하는, 탄수화물 공급 원료를 형성하는, 에탄올 또는 부탄올 같은 바이오-알코올들에 대한 바이오매스의 발효를 위해 그리고 플라스틱들 및 화학약품들로 바이오매스를 처리하기 위해 같이, 바이오매스들의 공정들 내에 적용될 수 있다.

여기에 개시된 혼합 및 반응기 용기는 다음을 포함한다: 바이오매스 입구로부터 제 2 챔버 구역에 대한 내부 혼합 챔버로 넓어지는 단면적을 구비하는 제 1 챔버 구역을 포함하는 내부 혼합 챔버, 제 2 챔버 구역은 제 1 챔버 구역의 타단으로부터 혼합 챔버의 배출 단부로 실질적으로 균일한 내부 단면적을 구비함; 반응기 용기의 외부에 있는 전처리된 바이오매스의 공급원에 연결된 바이오매스 입구; 및 반응기 용기의 축과 동축이고 내부 혼합 챔버 내에 있는 회전하는 혼합 디바이스.

반응기 및 혼합 용기 내에서 바이오매스 및 효소를 혼합하기 위한 방법이 여기에 개시되며 다음의 단계들을 포함한다: 용기에 바이오매스 및 효소를 공급하는 단계, 입구는 용기의 제 1 내부 혼합 챔버의 좁은 단부와 정렬됨; 제 1 내부 혼합 챔버의 좁은 단부에서 넓은 단부로 흐르는 바이오매스 및 효소를 혼합하고 이동시키는 단계, 제 1 내부 혼합 챔버는 챔버를 통해 바이오매스 및 효소의 이동 방향을 따라 단면이 넓어짐; 제 1 내부 혼합 챔버로부터 이동 방향으로 실질적으로 균일한 단면적을 구비하는 제 2 내부 혼합 챔버로 바이오매스 및 효소의 혼합물을 추가적으로 혼합하고 이동시키는 단계; 제 2 내부 혼합 구역의 배출 출구에서 바이오매스 및 효소를 용기로부터 배출시키는 단계. 이러한 바이오매스 및 효소의 혼합물은 셀룰라아제, 호열 세균 또는 유기체 또는 생체 촉매를 분해하는 다른 셀룰로오스 같은 효소일 수 있다.

제 1 내부 혼합 챔버는 용기 내의 다른 높이들에서 다양한 영역들을 구비할 수 있다. 이러한 영역들은 슬러리로 바이오매스 고형물들의 단계식(step-wise) 변환을 최적화하기 위해 용기 내의 예를 들어 배플들(baffles) 또는 트레이들(trays) 같이, 임의의 그리고 가능한 조절 가능한 바닥들을 통해 분리될 수 있다. 이러한 중간 바닥들은 바람직하게 수평하며 플랫폼이 위치되는 높이에서 용기의 전체 단면을 실질적으로 연장시킨다. 바닥들은 또한 수평에 대해 약간 기울어질 수 있다. 중간 바닥들 내의 조절 가능한 개구들은 하나의 영역에서 옆의 영역으로 그리고 바닥들을 통해 흐름을 변화시키도록 제공될 수 있다. (효소 혼합물일 수 있는) 논의 중인 혼합 슬러리 및 건조한 물질의 공급 원료에 의존하여, 용기 내에 중간 바닥들이 없을 수 있어 바이오매스 혼합물의 하류로의 이동은 반응기 용기를 통해 유도된 물질의 플러그 흐름 하강기류 및 중력에 단독으로 의존된다.

이미 조절된(액화된) 슬러리는 혼합 용기의 하부 영역들(또는 바닥)로부터 흐른다. 슬러리 흐름의 일부는 용기의 상부 높이들에서 바이오매스 공급 원료의 점성이 천천히 변화하는 것을 조절하기 위해 용기 내의 상부 영역들로 펌핑되거나 순환될 수 있다.

원뿔형 상부는 물질이 혼합기를 통해 흐르면서 대체로 일정한 토크를 제공할 수 있다. 점성 감소가 처음에는 빠르고 그런 다음 느려지므로 원뿔의 각도는 직경이 증가함에 따라 변화할 수 있다. 용기 상부는 또한 상부로부터 바닥으로 증가하는 직경들을 구비하는 몇몇의 적층된 동심의 원통형들로 이루어질 수 있다. 상기 축은 수직할 수 있고 상기 바이오매스 입구는 상기 장치의 하부 높이에 있을 수 있고 상기 배출 단부는 상기 장치의 상부 높이에 있을 수 있다.

본 명세서 내에 포함되어 있음.

도 1은 수직으로 정렬된 바이오매스를 위한 혼합 및 가수분해 반응 용기를 단면으로 도시하는 개략적인 다이어그램이다.
도 2는 용기 내의 바이오매스의 체류 시간의 상관 관계로서 도 1에 도시된 반응 용기 내의 바이오매스의 예상되는 점성을 도시하는 차트이다.
도 3은 원통형의 혼합 및 가수분해 반응 용기에 연결된 원뿔형 혼합 및 가수분해 용기를 단면으로 도시하는 개략적인 다이어그램이다.

도 1은 원뿔형의 상부 구역(12) 및 원통형의 하부 구역(14)을 구비하는 반응기 및 혼합 용기(10)를 개략적으로 도시한다. 이러한 구역들(12, 14)은 바이오매스(biomass)가 효소(들)와 혼합되고 가수분해되는 내부 반응 챔버를 정의한다. 내부 반응 챔버는 50㎥ 내지 2500㎥의 범위 내의 부피를 구비할 수 있다. 200㎥ 내지 1200㎥ 또는 400㎥ 내지 800㎥의 더 좁은 범위들은 또한 반응 및 혼합 공정의 특정한 적용에 따라 적합할 수 있다. 반응 챔버는 점성이 큰 바이오매스를 혼합하기 위해 종래에 사용된 배치(batch) 혼합/반응기 용기들보다 실질적으로 부피가 더 클 수 있다.

용기는 용기의 수직 축을 따라 연장하는 회전 가능한 샤프트(rotatable shaft; 16)를 포함한다. 샤프트는 용기의 상부 또는 바닥에 장착될 수 있는, 모터 및 기어 박스 구동 어셈블리(motor and gear box drive assembly; 18)에 의해 구동된다(회전된다). 샤프트(16)는 용기의 수직 축에 있을 수 있으며 용기의 높이를 연장시킬 수 있다. 샤프트는 예를 들어 혼합 암들(arms) 및 패들들(paddles) 같은 혼합 디바이스(28)를 돌려, 용기 내에서 바이오매스를 통해 이동하고 교반한다.

바이오매스 및 효소들의 공급원(20)은 용기(10)의 상부 입구(22)로 연속적으로 공급될 수 있다. 바이오매스 및 효소들은 용기에 분리하여 공급되거나 용기에 혼합물로서 공급될 수 있다. 공급원(20)은 바이오매스 및 효소들이 서로 접촉하여 처음으로 가져와지는 짧은 체류 시간(retention time)의 수평 혼합기를 포함할 수 있다. 원한다면, 재사용된 낮은 점성의 가수분해된 물질(21)이 용기의 상부 입구(22) 또는 공급원(20)으로 안내될 수 있다.

입구(22)는 원뿔형의 상부 구역(22)의 좁은 영역으로 바이오매스를 공급한다. 상부 구역(22)의 단면적은 상부 좁은 영역으로부터 상부 구역(12) 및 하부 구역(14)의 사이의 전이부(transition; 24)로 넓어진다. 하부 구역(14)의 단면적은 그것의 전체 길이를 따라 균일할 수 있다. 하부 구역의 바닥은 용기(10)에서 증해기, 발효통 또는 연속적인 효소 가수분해 용기들 같은 다른 처리 유닛들로 연속적으로 흐르는 가수분해된 바이오매스를 위한 배출 출구(discharge outlet; 26)에 인접한다. 하부 구역의 바닥은 하부 구역의 바닥의 전체 단면적으로부터 균일한 배출을 제공하기 위해 기울어질 수 있다.

(도 1에 회전하는 암들(30)의 나무 모양에 의해 개략적으로 도시된) 혼합 디바이스(28)는 샤프트(16)에 장착되며 용기의 상부 및 하부 구역들(12, 14)을 통해 아래로 이동하는 바이오매스 및 효소들을 통해 회전한다. 혼합 디바이스(28)는 용기 내의 다양한 높이들에서 방사상으로 연장하는 암들 또는 스포크들(spokes; 30)을 포함할 수 있다. 암들은 수평으로 연장하거나 수평에 대해 기울어질 수 있다. 암들(30)은 샤프트로부터 연장하는 스포크들 같이 배치될 수 있다. 암들은 각각의 암들의 방사상 길이를 따라 다양한 위치들에서 임의로 그리고 암들의 방사상 단부에 배치된 혼합 패들들, 블레이드들 또는 핑거들(fingers; 32)을 구비할 수 있다.

암들(30)은 용기 내의 다양한 높이들 및 위치들에서 위치되도록 조절될 수 있다. 유사하게, 패들들, 블레이드들 또는 핑거들(32)은 각각의 암들 상에 조절 가능하게 장착될 수 있다. 조절장치는 예를 들어 패들들, 블레이드들 또는 핑거들이 암들의 회전 방향에 대해 향해지는 각도를 변화시킬 수 있다. 패들들, 블레이드들 또는 핑거들의 방향은 용기의 단면적을 통해 균일하게 바이오매스를 분포시키기 위해 바이오매스에 약간 외측 방사상의 흐름을 제공하도록 설정될 수 있다. 패들들, 블레이드들 또는 핑거들을 구비하는 암들의 회전은 하나 이상의 높이들 또는 반경들에서 제공될 수 있으며 또한 용기를 통해 위로부터 아래로 흐르는 바이오매스의 단락(short-circuiting)을 방지하도록 약간의 들어올리기(uplift)를 적용할 수 있다.

암들은 용기 내의 바이오매스를 통해 원형의 회전 패턴으로 돈다. 암들은 회전하는 샤프트(16)에 의해 돌려진다. 암들 및 회전하는 패들들, 블레이드들 또는 핑거들의 이동은 바이오매스 안으로 효소를 혼합시키며 그에 의해 효소가 바이오매스 안의 반응 장소들과 접촉하게 한다. 효소 및 바이오매스 사이의 반응들은 용기 내의 바이오매스의 가수분해를 촉진시킨다.

혼합 배플들(Mixing baffles; 32)은 상부 구역(12)에 임의로 그리고 하부 구역(14)의 용기 벽 내부에 설치될 수 있다. 하부 구역을 통해 흐르는 바이오매스는, 용기 내부에서의 점성에 비해, 상대적으로 낮은 점성을 구비할 것이다. 혼합 배플들은 혼합 용기를 통한 낮은 점성의 흐름들에 가장 적합하다. 트레이들 또는 배플들은 또한 바이오매스 물질의 분포를 돕기 위해 혼합 암들 사이에 설치될 수 있다.

샤프트 및 혼합 암들은 암들 내의 냉각 또는 가열 경로들 같이, 바이오매스에 간접적인 냉각 또는 가열을 제공할 수 있다. 유사하게, 용기의 내부 벽들은 재킷으로 씌워지거나(jacketed) 냉각 또는 가열 코일들(34)이 제공될 수 있다.

예시로서, 바이오매스가 25%의 고형분(solids) 부하를 구비하는 곳에서, 하루당 1200톤의 바이오매스를 가수분해하기 위해, 반응기 용기는 용기 내에서 24시간의 체류 시간 동안 약 5000㎥의 바이오매스를 처리할 수 있는 크기로 될 수 있다. 바이오매스 체류 기간이 72 내지 120 시간 같이 길다면, 용기는 더 커질 수 있다. 15000㎥ 내지 25000㎥의 내부 챔버 부피를 구비하는 용기는 가수분해되는 예를 들어 하루당 1200톤 같이 바이오매스의 큰 양의 연속적인 흐름에 대해 긴 체류 기간들을 제공하도록 요구될 수 있다.

용기의 직경, 높이 및 다른 치수들은 용기 내의 바이오매스의 체류 기간 및 바이오매스의 흐름에 의존한다. 예시에 의해, 반응기 용기(10)는 6시간의 체류 기간 및 25%의 고형분 부하에서 하루당 1200톤의 바이오매스를 처리하도록 약 1200㎥의 유효 내부 체적을 요구할 수 있다. 용기의 형상 비(직경 대 높이)가 6이라고 가정했을 때, 용기의 직경은 약 5.4m이고 그것의 높이는 33m보다 클 수 있다.

원뿔형의 상부 구역(12)은 용기에 들어가는 점성이 높은 바이오매스를 수용하는 상부 입구에서 가장 좁다. 바이오매스의 점성은 용기의 상부 입구에서 가장 크다. 높은 점성이 혼합 디바이스를 돌리기 위해 요구되는 초기 토크를 증가시키는 반면, 토크는 좁은 상부에서 짧은 혼합 암들에 의해 줄어든다. 바이오매스는 그것이 효소와 혼합하고 용기를 통해 아래로 이동함에 따라 점성이 작아진다. 줄어든 점성은 혼합 암들이 샤프트를 돌리기 위해 요구되는 토크를 증가시키지 않고 더 길어지는 것을 허용한다. 상부 원뿔형 구역의 하부 부분들 내의 암들은 대부분 또는 모든 상부 암들(30)보다 길다. 바이오매스의 점성이 일정하게 유지된다고 가정했을 때, 더 긴 암들은 바이오매스를 통해 돌려지기 위해 더 큰 토크를 요구한다. 바이오매스의 점성의 감소 및 더 긴 암들의 결합된 효과들은 상부 원뿔형 구역 내에서 혼합 디바이스를 위한 수용 가능한 토크 필요 조건을 야기한다.

상부 구역의 원뿔형 기하학 구조는 초기 토크 필요 조건을 감소시킨다. 더 작은 동력이 혼합을 위해 요구되고, 바이오매스는 더 완전히 혼합될 수 있으며, 바이오매스는 용기를 통해 아래로 채널링(channeling)에 대해 덜 영향을 받을 수 있다. 원뿔형 형상은 또한 혼합이 가수분해를 촉진시키기 위해 가장 유익할 수 있는, 용기의 입구 근처에서 상대적으로 빈번하고 그리고 확고한 혼합을 초래한다.

토크는 직경의 제곱으로 증가한다. 원형 내의 유체를 이동시키기(혼합하기) 위해 요구되는 토크는 회전의 중심으로부터 그 힘의 반경을 곱하여 유체를 이동시키기 위해 요구되는 힘과 상관 관계가 있다. 유체를 이동시키기 위해 요구되는 힘은 유체 속도, 이동의 속도 및 유체가 이동해야 하는 거리와 상관 관계가 있다.

혼합 디바이스의 일정한 회전 및 일정한 유체 점성을 가정했을 때, 혼합 디바이스를 돌리기 위해 요구되는 토크는 용기의 반경의 제곱에 의존한다. 토크 및 용기 직경의 제곱 관계에 의해, 용기 직경을 크게 감소시키는 것은 토크의 크기를 감소시키거나 동일한 크기의 토크로 매우 점성이 큰 바이오매스 흐름을 혼합하게 한다.

원뿔형 상부 구역(12)은 점성이 높은 용기의 상부 영역 내에 짧은 혼합 암들을 위해 적합하다. 가장 짧은 혼합 암들은 바이오매스 점성이 가장 크고 기계적인 혼합에 대한 바이오매스의 저항이 높은 용기의 상부에 있다. 바이오매스가 상부 구역을 통해 아래로 이동하면서, 바이오매스의 점성은 줄어들고, 혼합에 대한 저항이 감소되며 용기의 원뿔형 부분의 증가하는 직경을 고려하여 더 긴 혼합 암들이 사용될 수 있다.

상부 구역(12) 내의 다양한 높이들에서 바이오매스의 점성을 아는 것에 의해, 상부 구역의 원뿔의 각도는 혼합 암들의 반경이 각각의 높이에서 암들 상에 균일한 토크를 초래하는 속도로 증가하도록 선택될 수 있다. 그러므로, 원뿔형 구역의 직경이 아래 방향으로 증가함에도 불구하고, 각각의 혼합기 암은 물질을 혼합하기 위해 동일한 토크를 요구할 수 있다.

중간 바닥들, 트레이들 또는 배플들(38)은 원래의 바이오매스보다 높은 액체 함량을 구비하는 슬러리에 대한 바이오매스 혼합물의 단계식 변환을 최적화하기 위해 다중의 영역들로 상부 구역(12)을 분리하도록 조절되고 설치될 수 있다. 영역들은 일반적으로 용기 내에서 수직하게 정렬될 수 있다. 이러한 중간 및 조절 가능한 바닥들은 용기 내에서 수평일 수 있으며 또한 수평에 대해 약간 기울어질 수 있다. 게다가, 중간 바닥들 내의 조절 가능한 개구들은 바닥들에 의해 정의된 영역들 사이에 흐름을 변화시키도록 이용될 수 있다. 유사하게, 중간 바닥들, 트레이들 또는 배플들(39)은 다중의 영역들 안으로 하부 구역(14) 내에 배치될 수 있다.

도 2는 시간에 따른 용기(10) 내의 바이오매스의 점성의 차트(40)를 포함한다. 차트는 설명적인 목적을 위한 것이다. 차트는 20rpm에서 회전하는 혼합 디바이스들을 구비하는 용기 내에서 그리고 50℃의 온도에서 혼합되는 증기 분해된 옥수수 대(steam exploded corn stover)인 바이오매스의 점성을 도시한다. 차트는 당화를 진행하는 바이오매스에 대해 밀리파스칼-초(mPas)로 점성 값들의 범위를 도시한다. 범위는 바이오매스를 위해 사용되는 두 개의 다른 초기 혼합 패턴들로부터 초래된다.

차트(40) 내에 도시된 바와 같이, 점성이 용기 내에서 6시간의 체류 시간이후에 절반 이상까지 감소되도록 바이오매스의 점성이 빨리 감소될 수 있다. 약 6시간의 체류 시간(또는 다소 많은 체류 시간)만이 점성의 바이오매스 흐름을 흐르는, 농후한 밀도로 변환하기 위해 용기 내에 요구된다는 것을 알게 된다. 초기 반응 기간 동안(예를 들어, 15분 내지 8시간, 바람직하게 1시간 내지 6시간, 가장 바람직하게 2시간 내지 4시간), 효소들이 더 작은 분자 사슬들로 바이오매스의 폴리머 당류들을 파괴함에 따라 바이오매스의 외관상 점성은 빨리 감소된다.

용기를 통한 바이오매스의 아래로의 흐름 속도는 종래의 수단에 의해 측정되거나 계산될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연속 흐름 용기(10) 내 바이오매스의 반응 시간은 용기를 통한 아래로의 바이오매스의 이동과 관련된다. 용기는 도 1에 도시된 바와 같이 혼합 디바이스, 가열 코일들 및 중간 바닥들을 구비할 수 있다. 용기를 통한 연속적인 바이오매스 흐름은 용기의 도면 내에 도시된 대각선의 점선들에 의해 나타내진다.

50% 또는 더 작은(예를 들어, 25%) 점성 감소 같이, 특정 수준으로 바이오매스 점성을 감소시키기 위해 반응 시간 및 용기를 통한 흐름의 속도를 이용하여, 용기를 통해 아래로 수직 거리는 바이오매스가 용기를 들어가는 바이오매스의 절반의 점성을 구비하는 높이/반응 시간(42)에서 결정하도록 계산될 수 있다. 원뿔형 상부 구역(12)는 하부 원통형 구역(14)으로 전이부(24)가 바이오매스의 점성이 절반으로 감소되는 동일한 높이에서 발생하도록 설계될 수 있다.

도 3은 원통형 혼합 및 가수분해 반응 용기(52)에 연결된 원뿔형 혼합 및 가수분해 용기(50)를 단면으로 도시하는 개략적인 다이어그램이다. 이러한 용기들을 통해 흐르는 바이오매스는 대각선의 점선들에 의해 가리켜진다. 원뿔형 혼합 및 가스분해 용기(50)는 도 1 및 3에 공통의 참조 부호들에 의해 가리켜진 것과 같이, 도 1에 도시된 용기(10)의 원뿔형 부분에 대해 많은 측면들에서 유사하다.

바이오매스 및 효소들은 공급원(20)으로부터 원뿔형 혼합기 및 반응 챔버(50)의 좁은 단부의 상부 입구(22)로 공급된다. 혼합 디바이스(28)는 원뿔형 혼합기의 직경이 증가함에 따라 길이가 증가하는 암들(36)을 구비한다. 예를 들어 배플들, 트레이들 또는 다른 평판들(38) 같은 중간 바닥들은 용기를 통해 바이오매스의 아래로의 흐름을 조절하기 위해 원뿔형 용기 내에 배치될 수 있다. 바이오매스의 점성은 바이오매스가 혼합되고 용기(50) 내에서 반응함에 따라 떨어진다. 점성은 바이오매스가 포트(port; 54)에서 용기로부터 배출될 때 용기에 들어가는 바이오매스(20)의 점성에 비해, 절반까지 감소될 수 있다. 점점 가늘어지거나 경사진 바닥(tapered or sloped bottom; 56)은 포트(54) 안으로 바이오매스를 향하게 할 수 있다.

운송 도관, 예를 들어 파이프(58) 및 펌프(60)는 원통형 용기(52)의 상부 입구 포트(62)로 액화된 바이오매스를 운송하기 위해 이용될 수 있다. 원통형 용기는 혼합 디바이스(64) 및 임의로 배플들(32)을 포함한다. 혼합 디바이스는 구동 및 기어 어셈블리(68)에 의해 구동되는 샤프트(66)에 연결된다. 가수분해된 바이오매스는 원통형 용기로부터 포트(70)에서 배출된다.

본 발명은 이해 및 명확성의 목적들을 위해 상세히 설명되었다. 그러나, 본 발명의 개시된 실시예에 대한 특정 변화들 및 변형들이 첨부된 청구항들의 범위 내에서 실시될 수 있음은 당연하다.

10: 혼합 용기
12: 상부 구역
14: 하부 구역
16: 샤프트
18: 모터 및 기어 박스 구동 어셈블리
20: 공급원
21: 가수분해된 물질
22: 상부 입구
24: 전이부
26: 배출 출구
28: 혼합 디바이스
30; 암
32: 패들들, 블레이드들 또는 핑거들
34: 냉각 또는 가열 코일들
38: 중간 바닥들, 트레이들 또는 배플들
39: 중간 바닥들, 트레이들 또는 배플들
40: 차트
50: 혼합 및 가수분해 반응 용기
52: 원통형 용기
54: 포트
56: 점점 가늘어지거나 경사진 바닥
58: 파이프
60: 펌프
62: 입구 포트
64: 혼합 디바이스
66: 샤프트
68: 구동 및 기어 어셈블리
70: 포트

Claims (30)

1. 내부 혼합 챔버에 대해 바이오매스 입구로부터 제 2 챔버 구역으로 넓어지는 단면적을 구비하는 제 1 챔버 구역을 포함하는 내부 혼합 챔버;
   상기 제 1 챔버 구역의 타단으로부터 상기 혼합 챔버의 배출 단부로 실질적으로 균일한 내부 단면적을 구비하는 제 2 챔버 구역;
   상기 제 1 챔버 구역의 외부에 있는 전처리된 바이오매스의 공급원에 연결되는 바이오매스 입구; 및
   상기 제 1 챔버 구역의 축과 동축이고 상기 내부 혼합 챔버 내에 있는 회전하는 혼합 디바이스;
   를 포함하고,
   상기 제 1 챔버 구역에서, 상기 회전하는 혼합 디바이스는 상기 제 1 챔버 구역의 단면적이 증가함에 따라 증가하는 길이를 가지는 다수의 암들을 구비하는, 반응기 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제 1 챔버 구역은 원뿔형이고 상기 제1 챔버 구역의 단면적은 바이오매스 입구로부터 제2 챔버 구역까지 선형적으로 증가하는 반응기 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제 2 챔버 구역은 원통형인 반응기 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2 챔버 구역은 단일의 반응 용기 내부에 있으며, 상기 제 1 챔버 구역은 상기 제 2 챔버 구역보다 위에 있는 반응기 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 혼합 디바이스는 상기 축과 동축인 회전하는 샤프트로부터 외측 방사상으로 연장하는 암들을 포함하는 반응기 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 내부 혼합 챔버는 적어도 50㎥의 부피를 구비하는 반응기 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 내부 혼합 챔버 내 바이오매스의 체류 시간은 15분 내지 8시간인 반응기 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 반응기 장치는 효소의 공급원에 연결된 입구를 포함하고, 상기 효소는 셀룰라아제, 호열 세균, 또는 유기체나 생체 촉매를 분해하는 다른 셀룰로오스를 포함하는 반응기 장치.
9. 제8항에 있어서,
   효소의 공급원에 연결된 입구는 바이오매스 및 효소를 혼합물로서 수용하는 바이오매스 입구인 반응기 장치.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반응기 장치의 축은 수직하며 상기 바이오매스 입구는 상기 반응기 장치의 상부 높이에 있으며 상기 배출 단부는 상기 반응기 장치의 하부 높이에 있는 반응기 장치.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 축은 수직하며 상기 바이오매스 입구는 상기 반응기 장치의 하부 높이에 있으며 상기 배출 단부는 상기 반응기 장치의 상부 높이에 있는 반응기 장치.
12. 반응기 및 혼합 장치로 바이오매스 및 효소를 공급하는 단계, 입구는 장치의 제 1 내부 혼합 챔버의 좁은 단부와 정렬됨;
    상기 제 1 내부 혼합 챔버의 좁은 단부로부터 넓은 단부로 흐르는 바이오매스 및 효소를 상기 제 1 내부 혼합 챔버 내에 위치된 다수의 암들에 의해 혼합하고 이동시키는 단계, 상기 제 1 내부 혼합 챔버는 상기 제 1 혼합 챔버를 통해 상기 바이오매스 및 효소의 이동 방향을 따라 단면이 넓어지고, 상기 암들의 길이는 상기 제 1 내부 혼합 챔버의 단면적이 증가함에 따라 증가함;
    상기 제 1 내부 혼합 챔버로부터 상기 이동 방향으로 실질적으로 균일한 단면적을 구비하는 제 2 내부 혼합 챔버로 상기 바이오매스 및 효소의 혼합물을 더욱 혼합하고 이동시키는 단계; 및
    상기 제 2 내부 혼합 챔버의 배출 출구에서 상기 바이오매스 및 효소 혼합물을 장치로부터 배출시키는 단계;
    를 포함하는 반응기 및 혼합 장치 내 효소 및 바이오매스를 혼합하기 위한 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 바이오매스 및 효소 혼합물이 상기 제 1 내부 혼합 챔버를 통해 이동할 때 상기 혼합물의 점성이 상기 장치에 공급된 바이오매스의 점성의 적어도 50%까지 감소되는 방법.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 바이오매스 및 효소 혼합물은 상기 제 1 내부 혼합 챔버를 통해 이동할 때 상기 혼합물의 점성이 상기 장치에 공급된 바이오매스의 점성의 적어도 25%까지 감소되는 방법.
15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제 1 챔버 구역은 원뿔형이고 상기 제 1 챔버 구역의 단면적은 바이오매스 이동 방향을 따라 증가하는 방법.
16. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제 2 챔버 구역은 원통형인 방법.
17. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    혼합 챔버는 상기 장치의 축과 동축인 회전하는 샤프트로부터 외측 방사상으로 연장하는 암들을 포함하는 방법.
18. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    제 1 및 제 2 내부 혼합 챔버들의 부피는 적어도 50㎥인 방법.
19. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 장치는 수직으로 향해지며 바이오매스 입구는 상기 장치의 상부 높이에 있으며 배출 단부는 상기 장치의 하부 높이에 있는 방법.
20. 바이오매스 입구로부터 바이오매스 출구로 넓어지는 단면적을 구비하는 제 1 원뿔형 혼합 챔버;
    상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버의 바이오매스 출구로부터 바이오매스를 수용하는 제 2 반응기 챔버, 상기 제 2 반응기 챔버는 상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버의 출구로부터 제 2 반응기 챔버의 배출 단부로 실질적으로 균일한 내부 단면적을 구비함;
    상기 제1 원뿔형 혼합 챔버의 외부에 있는 전처리된 바이오매스의 공급원에 결합되는 바이오매스 입구; 및
    제 1 원뿔형 혼합 챔버의 축과 동축이고 상기 제1 원뿔형 혼합 챔버 내에 있는 회전하는 혼합 디바이스;
    를 포함하고,
    상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버에서, 상기 회전하는 혼합 디바이스는 상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버의 단면적이 증가함에 따라 증가하는 길이를 가지는 다수의 암들을 구비하는 효소 시스템.
21. 제20항에 있어서,
    상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버는 제 1 장치 내에 있고 상기 제 2 반응기 챔버는 제 2 장치 내에 있으며 상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버와 유체 소통하는 효소 시스템.
22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버의 단면적은 선형적으로 증가하는 효소 시스템.
23. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 제 2 반응기 챔버는 원통형인 효소 시스템.
24. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버 및 제 2 반응기 챔버는 단일의 반응 용기 내부에 있으며, 상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버는 상기 제 2 반응기 챔버보다 위에 있는 효소 시스템.
25. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 혼합 디바이스는 회전하는 샤프트로부터 외측 방사상으로 연장하는 암들을 포함하는 효소 시스템.
26. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버 및 제 2 반응기 챔버의 부피는 적어도 50㎥인 효소 시스템.
27. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버 및 제 2 반응기 챔버는 15분 내지 8시간의 전체 체류 시간을 가지는 연속적인 흐름 챔버들인 효소 시스템.
28. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버는 효소의 공급원에 연결된 입구를 포함하고, 상기 효소는 셀룰라아제, 호열 세균, 또는 유기체나 생체 촉매를 분해하는 다른 셀룰로오스를 포함하는 효소 시스템.
    
    
29. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버 및 제 2 반응기 챔버는 1시간 내지 6시간의 전체 체류 시간을 가지는 연속적인 흐름 챔버들인 효소 시스템.
30. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 제 1 원뿔형 혼합 챔버 및 제 2 반응기 챔버는 2시간 내지 4시간의 전체 체류 시간을 가지는 연속적인 흐름 챔버들인 효소 시스템.
    

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