KR101970859B1 - 전처리된 치밀화 바이오매스 미립자의 가수분해 방법 및 그와 관련된 시스템 - Google Patents

Abstract

전처리된 치밀화 셀룰로스 바이오매스 미립자가 성긴 가수분해성 셀룰로스 바이오매스 섬유의 고체 로딩율에 비하여, 높은 고체 로딩율에서 가수분해될 수 있는 방법이 제공된다. 얻어진 고농도 당-함유 스트림은 바이오연료 또는 다른 유용한 바이오산물의 전체 모음으로 용이하게 전환될 수 있다.

Description

전처리된 치밀화 바이오매스 미립자의 가수분해 방법 및 그와 관련된 시스템{METHODS OF HYDROLYZING PRETREATED DENSIFIED BIOMASS PARTICULATES AND SYSTEMS RELATED THERETO}

본 출원은 2012년 4월 27일에 출원된 미국 특허 출원 제13/458,830호에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원은 2011년 8월 17일에 출원된 미국 특허 출원 제13/202,011호의 부분계속출원이고, 이 출원은 2010년 8월 24일에 출원되고, 2011년 3월 10일에 WO 2011/028543호로 영어로 공개된 국제 출원 제PCT/US2010/046525호의 35 U.S.C. 371 하에서의 미국 국내 출원 단계이며, 이 출원은 35 U.S.C. 119 (e) 하에 2009년 8월 24일에 출원된 미국 가출원 제61/236,403호의 이익을 주장하며, 이들 모두는 그들 전문이 본원에 참조로 포함된다.

정부 권리의 선언

본 발명은 미국 에너지부 선그랜트(Sungrant) 연구 프로젝트 보조금 번호 DE-FG36-08-GO88073 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 소정의 권리를 갖는다.

셀룰로스계 에탄올을 생성하려는 현재의 시도는 비용이 많이 들고, 다수의 단계를 수반한다.

본 발명의 목적은, 전처리된 치밀화 바이오매스 미립자의 가수분해 방법 및 그와 관련된 시스템을 제공하는 것이다.

요약

한 구현예에서, 결합제가 부가되지 않고, 복수의 리그닌-코팅된 식물 바이오매스 섬유로 구성된 적어도 하나의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 포함하는 생성물이 제공되며, 여기서, 적어도 하나의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자는 결합제-함유 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자와 실질적으로 등가의 고유 밀도(intrinsic density)를 가지며, 실질적으로 매끄러운 비-박편형(non-flakey) 외표면을 갖는다. 한 구현예에서, 신규한 생성물은 미량의 암모니아를 함유한다. 한 구현예에서, 제품은 하나 이상의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 포함하며, 각 미립자는 결합제가 부가되지 않고, 결합제-함유 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자와 실질적으로 등가의 고유 밀도를 갖는 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 형성하기에 충분한 양의 리그닌-코팅된 식물 바이오매스 섬유를 갖는다.

한 구현예에서, 결합제가 부가되지 않은 적어도 하나의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자는 결합제-함유 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자와 비교하여, 증가된 내변형성, 증가된 경도, 증가된 내분해성, 향상된 저장 수명 또는 그들의 조합을 갖는다. 한 구현예에서, 신규한 생성물은 결합제-함유 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자와 비교하여, 응력에 대한 저항성이 더 클 수 있으며, 아마도 취성이 더 작을 것이다.

한 구현예에서, 신규한 생성물은 제공되는 동일한 질량의 결합제-함유 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자보다 더 경질이며, 예를 들어, 적어도 21% 더 경질이고, 경도 가변성은 적어도 20% 미만이다.

본원에 기재된 신규한 생성물은 예를 들어, 실질적으로 직사각형 또는 실질적으로 원통형을 포함하는 임의의 적절한 형상 및 크기일 수 있다.

한 구현예에서, 가수분해성 치밀화 미립자 내의 복수의 리그닌-코팅된 식물 바이오매스 섬유 각각은 리그닌으로 완전히 코팅된다. 한 구현예에서, 복수의 리그닌-코팅 바이오매스 섬유 중 적어도 일부는 헤미셀룰로스로도 코팅된다. 한 구현예에서, 가수분해성 치밀화 미립자 내의 복수의 리그닌-코팅 식물 바이오매스 섬유들의 대부분도 또한 헤미셀룰로스로 코팅된다. 한 구현예에서, 가수분해성 치밀화 미립자 내의 실질적으로 모든 복수의 리그닌-코팅 식물 바이오매스 섬유들도 또한 헤미셀룰로스로 코팅되어, 헤미셀룰로스 및 리그닌이 개별 성분으로서 보다는 "패키지(package)"로 표면화되는 것으로 나타나게 한다.

옥수수대(corn stover), 스위치그래스(switchgrass), 소나무(pine) 및/또는 프레어리 코드 그래스(prairie cord grass)를 포함하나 이들에 한정되지 않는 임의의 적절한 식물 바이오매스를 사용하여 본원에 기재된 신규한 생성물을 생성할 수 있다.

한 구현예에서, 신규한 생성물은 결합제-함유 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자와 비교시, 향상된 저장 수명, 증가된 내분해성, 증가된 유동성 및 보다 큰 벌크 밀도(bulk density)를 갖는다.

한 구현예에서, 컨테이너(container); 및 컨테이너 내에 위치한, 결합제가 부가되지 않은 일정량의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 포함하는 패키징된 생성물이 제공되며, 여기서, 일정량의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자는 동일한 양의 결합제-함유 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자의 벌크 밀도보다 더 큰 벌크 밀도를 갖는다. 컨테이너는 강성(rigid) 컨테이너 또는 가요성 백(flexible bag)일 수 있다.

한 구현예에서, 일정량의 바이오매스 섬유가 암모니아 처리를 받게 하는 단계로서, 각 섬유에 포함된 리그닌의 적어도 일부가 각 섬유의 외표면으로 이동하여, 일정량의 점착성(즉, 접촉시 끈적거리는) 바이오매스 섬유를 생성하는 단계; 및 일정량의 점착성 바이오매스 섬유를 치밀화시켜, 하나 이상의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 생성하는 단계로서, 일정량의 점착성 바이오매스 섬유가 부가되는 결합제 없이 치밀화되는 단계를 포함하는 통합 공정이 제공된다. 한 구현예에서, 암모니아 처리는 각 섬유 내에 포함되는 헤미셀룰로스의 적어도 일부가 각 섬유의 외표면으로 이동하게 한다. 한 구현예에서, 암모니아 처리는 암모니아 섬유 팽창(ammonia fiber expansion, AFEX™) 처리, 예를 들어, 기체상 AFEX™ 처리이다.

한 구현예에서, 통합 공정은 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자가 높은, 즉 12% 초과의 고체 로딩(loading)을 사용하여 가수분해되는 가수분해 단계를 추가로 포함한다. 높은 고체 로딩의 사용에 의해, 셀룰로스 당 스트림은, 유리 당이 발효를 통하여 바이오연료(예를 들어, 발효가능한 당의 중량 기준으로 적어도 약 6 내지 약 8%) 또는 다른 유용한 바이오산물(bioproduct)의 전체 모음(entire suite)으로 전환되게 하기에 충분히 농축하게 된다. 한 구현예에서, 전환은 발효를 포함한다.

셀룰로스 당 스트림 및/또는 전환된 셀룰로스 바이오매스를 생성하기 위한 다양한 시스템도 또한 제공된다.

한 구현예에서, 결합제가 부가되지 않고, 복수의 리그닌-코팅된 식물 바이오매스 섬유로 구성된, 제공된 질량의 적어도 하나의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 포함하는 바이오연료가 제공되며, 여기서, 적어도 하나의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자는 제공된 동일한 질량의 결합제-함유 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자와 실질적으로 등가의 고유 밀도를 가지며, 실질적으로 매끄러운 비-박편형 외표면을 갖는다. 이러한 바이오연료는 바이오매스-연소 스토브(stove) 또는 보일러(boiler)에서 유용할 수 있다.

한 구현예에서, 결합제가 부가되지 않고, 복수의 리그닌-코팅된 식물 바이오매스 섬유로 구성된, 제공된 질량의 적어도 하나의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 포함하는 동물 사료가 제공되며, 여기서, 적어도 하나의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자는 제공된 동일한 질량의 결합제-함유 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자와 실질적으로 등가의 고유 밀도를 가지며, 실질적으로 매끄러운 비-박편형 외표면을 갖고, 동물 사료는 결합제-함유 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 포함하는 동물 사료와 비교하여, 소화성이 향상된다.

한 구현예에서, 결합제가 부가되지 않고, 복수의 리그닌-코팅된 식물 바이오매스 섬유로 구성된, 제공된 질량의 적어도 하나의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 포함하는 고형물(solid material)이 제공되며, 여기서, 적어도 하나의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자는 제공된 동일한 질량의 결합제-함유 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자와 실질적으로 등가의 고유 밀도를 가지며, 실질적으로 매끄러운 비-박편형 외표면을 갖고, 고형물은 건축에, 예를 들어, 섬유판(fiberboard) 또는 압출 섬유상 건축재에 유용하다.

얻어진 치밀화 바이오매스 미립자는 동물 사료의 생성, 화학 촉매 또는 화학 전환을 사용한 다른 바이오산물의 전체 모음, 다른 생화학 응용, 전기 생성 응용(예를 들어, 보일러에서의 연소, 바이오매스-연소 스토브 등)을 위한 것을 포함하는 바이오연료, 고형물, 예를 들어, 섬유판 및 압출 섬유상 건축재에서의 한 성분으로서의 응용 등을 포함하나 이들에 한정되지 않는 다양한 응용에 유용하다.

도 1은 다양한 구현예에 따른 AFEX™ 전처리 옥수수대(AFEX™-CS), AFEX™ 전처리 스위치그래스(AFEX™-SG), AFEX™-CS 브리켓(briquette) 및 AFEX™-SG 브리켓을 보여주는 이미지를 포함한다.
도 2는 다양한 구현예에 따른 결합제-함유 비-AFEX™-CS 브리켓 및 AFEX™-CS 브리켓의 이미지를 포함한다.
도 3a 내지 도 3e는 다양한 구현예에 따른 AFEX™-CS, AFEX™-CS 브리켓 및 침지된 AFEX™-CS 브리켓을 포함하는 3가지 바이오매스 샘플을 다양한 시간에 찍은 이미지이다.
도 4는 다양한 구현예에 따른 도 3c 내지 도 3e에 나타낸 바이오매스 샘플에 대한 6시간, 24시간 및 72시간에서의 글루칸 전환% 대 바이오매스를 보여주는 그래프이다.
도 5는 다양한 구현예에 따른 도 3c 내지 도 3e에 나타낸 바이오매스 샘플에 대한 6시간, 24시간 및 72시간에서의 자일란 전환% 대 바이오매스를 보여주는 그래프이다.
도 6은 다양한 구현예에 따라 4가지 상이한 함수율로 생성된 AFEX™-처리 옥수수대 펠렛에 대한 글루코스 농도를 보여주는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7h는 다양한 구현예에 따른 가수분해성 치밀화 미립자를 사용한 가수분해 공정(7a 내지 7d)과 성긴(loose) 바이오매스 섬유를 사용한 종래의 가수분해 공정(7e 내지 7h)의 시각적 비교를 제공하는 개략도이다.
도 8은 다양한 구현예에 따른 다수의 크기 및 함수율로 생성된 AFEX™-처리 옥수수대 펠렛에 대한 벌크 밀도를 보여주는 그래프이다.

하기의 상세한 설명에서, 구현예는 당업자가 그들을 실시하기에 충분히 상세히 기재되어 있으며, 다른 구현예가 사용될 수 있고, 화학적 변경 및 절차의 변경이 본 발명의 대상의 목적과 범주로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 하기의 상세한 설명은 제한의 의미로 이해하여서는 안되며, 구현예의 범주는 오직 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정의된다.

본원에 사용되는 용어 "바이오매스"는 일반적으로 에너지원으로서 재생가능한 생물 자원으로부터 획득하거나 수집한 유기물을 말한다. 재생가능한 생물 자원은 식물 물질, 동물 물질 및/또는 생물학적으로 생성된 물질을 포함할 수 있다. 용어 "바이오매스"는 재생가능하지 않은 화석 연료를 포함하는 것으로 간주되지 않는다.

본원에 사용되는 용어 "식물 바이오매스" 또는 "리그노-셀룰로스 바이오매스(LCB)"는 재생가능성에 근거하여, 에너지를 생성하기 위해 이용가능한 그의 주요 탄수화물(목질 또는 비-목질)로서 셀룰로스 및/또는 헤미셀룰로스를 함유하는 사실상 임의의 식물-유래의 유기물을 지칭하는 것으로 의도된다. 식물 바이오매스는 농작물 폐기물 및 잔류물, 예를 들어, 옥수수대, 밀짚, 볏짚, 사탕수수 버개스(sugar cane bagasse) 등을 포함할 수 있으나 이들에 한정되지 않는다. 식물 바이오매스는 목질 에너지 작물, 목재 폐기물 및 잔류물, 예를 들어, 나무, 예컨대, 과실 나무, 예를 들어, 유실수(예를 들어, 사과 나무, 오렌지 나무 등), 침엽수림 간벌목재, 나무껍질 폐기물, 톱밥, 종이 및 펄프 산업 폐기물 스트림, 목재 섬유 등을 추가로 포함하나 이들에 한정되지 않는다. 또한, 초본 작물, 예를 들어, 다양한 프레어리 그래스, 예컨대 프레어리 코드 그래스, 스위치그래스, 빅 블루스템(big bluestem), 리틀 블루스템(little bluestem), 사이드 오츠 그라마(side oats grama) 등은 추가의 식물 바이오매스 공급원으로서 대량 생성능을 갖는다. 시가지에 있어서, 잠재적인 식물 바이오매스 공급원료는 마당 폐기물(예를 들어, 깍아낸 풀, 잎, 베어낸 나무, 덤블 등) 및 식물성 가공 폐기물을 포함한다. 식물 바이오매스는 자연에서 이용가능한 탄수화물의 가장 일반적인 형태인 것으로 알려져 있으며, 옥수수대는 현재 미국에서 용이하게 이용가능한 식물 바이오매스의 가장 큰 공급원이다. 수식어구 없이 사용되는 경우, 용어 "바이오매스"는 LCB를 지칭하는 것으로 의도된다.

본원에 사용되는 용어 "바이오연료"는 생물학적으로 및/또는 화학적으로 생성되는 임의의 재생가능한 고체, 액체 또는 기체 연료, 예를 들어, 바이오매스로부터 유래되는 것을 지칭한다. 대부분의 바이오연료는 원래 생물학적 과정, 예를 들어, 광합성 과정으로부터 유래되며, 이에 따라, 태양 에너지원 또는 화학적 에너지원으로 여겨질 수 있다. 다른 바이오연료, 예를 들어, 천연 폴리머(예를 들어, 키틴 또는 미생물 셀룰로스의 소정의 공급원)는 광합성 동안 합성되지 않으나, 그럼에도 불구하고, 그들이 생분해가능하기 때문에, 바이오연료로 여겨질 수 있다. 일반적으로, 광합성 동안 합성되는 바이오매스로부터 유래된 바이오연료의 3가지 유형, 즉, 농업 바이오연료(하기에 정의), 도시 폐기물 바이오연료(대부분의 재활용가능한 물질, 예를 들어, 유리 및 금속이 제거된 주거 및 소형 상업 쓰레기 또는 폐기물) 및 산림 바이오연료(예를 들어, 나무, 목재 제품 유래의 폐기물 또는 부생성물 스트림, 목재 섬유, 펄프 및 종이 산업)이 존재하는 것으로 여겨진다. 광합성 동안 합성되지 않는 바이오매스로부터 생성되는 바이오연료는 N-아세틸 글루코사민 폴리머로 알려져 있는 셀룰로스의 화학적 변형 형태인 키틴으로부터 유래된 것들을 포함하나 이들에 한정되지 않는다. 키틴은 양식 산업에 의해 생성되는 폐기물의 중요한 성분이인데, 이는 폐기물이 해산물의 껍데기를 포함하기 때문이다.

본원에 사용되는 용어 "농업 바이오연료"는 농작물, 리그노셀룰로스 작물 잔류물, 곡물 가공 시설 폐기물(예를 들어, 밀/귀리 껍질, 옥수수/콩 미세분, 규격외 물질 등), 가축 생산 시설 폐기물(예를 들어, 분뇨, 도체 등), 가축 가공 시설 폐기물(예를 들어, 원치않는 부분, 세척 스트림, 오염 물질 등), 식품 가공 시설 폐기물(예를 들어, 분리된 폐기물 스트림, 예를 들어, 기름, 지방, 줄기, 껍질, 중간 공정 잔류물, 헹굼/세정 스트림 등), 부가 가치 농업 시설 부생성물(예를 들어, 습윤 주모(distiller's wet grain, DWG) 및 에탄올 생성 시설 유래의 시럽 등) 등으로부터 유래된 바이오연료를 말한다. 가축 산업의 예에는 소고기, 돼지고기, 칠면조, 닭, 산란 시설 및 낙농 시설이 포함되나 이들에 한정되지 않는다. 농작물의 예에는 임의의 유형의 비-목질 식물(예를 들어, 면), 곡물, 예를 들어, 옥수수, 밀, 대두, 수수, 보리, 귀리, 호밀 등, 허브(예를 들어, 땅콩), 단기 육성 초본 작물, 예를 들어, 스위치그래스, 알파파 등이 포함되나 이들에 한정되지 않는다.

본원에 사용되는 용어 "전처리 단계"는 고유 바이오매스를 변경시켜, 그것이 더욱 효율적이고 경제적으로 반응성 중간체 화합물, 예를 들어, 당, 유기산 등으로 전환될 수 있게 하고자 하는 임의의 단계, 즉 처리를 말하며, 상기 반응성 중간체 화합물은 이어서 다양한 최종 생성물, 예를 들어, 에탄올, 아이소-부탄올, 장쇄 알칸 등으로 가공될 수 있다. 전처리는 폴리머 기질의 결정도를 감소시키며, 리그닌이 바이오매스 전환을 방해하는 것을 줄이고, 구조 탄수화물의 일부를 가수분해시킴으로써, 이에 의해 그들의 효소에 의한 분해성을 증가시키고, 유용한 생성물로의 바이오매스의 분해를 가속화시킬 수 있다. 전처리 방법은 다양한 농도의 산(황산, 염산, 유기산 등 포함) 및/또는 알칼리, 예를 들어, 암모니아, 수산화암모늄, 수산화나트륨, 석회 등을 이용할 수 있다. 전처리 방법은 부가적으로 또는 대안적으로 물, 열, 스팀 또는 가압 스팀을 포함하는 수열 처리를 사용할 수 있다. 전처리는 다양한 유형의 컨테이너, 반응기, 파이프, 셀을 통한 유동 등에서 발생하거나 사용될 수 있다. 대부분의 전처리 방법은 리그닌의 부분 또는 완전 가용화 및/또는 불안정화, 및/또는 펜토스 당으로의 헤미셀룰로스의 가수분해를 야기할 것이다.

본원에 사용되는 용어 "함수율"은 바이오매스의 수분 백분율을 말한다. 함수율은 습윤 바이오매스(바이오매스 건조 물질 + 액체)의 그램당 액체, 예를 들어, 물의 그램에 100%를 곱한 것으로 계산된다. 이와 같이, 본원에서 단서조건 없이 사용되는 경우, 함수율%는 총 중량 기준을 말한다.

본원에 사용되는 용어 "암모니아 섬유 팽창"(이하 "AFEX™") 전처리는 바이오매스를 암모니아로 전처리하여, 식물 세포벽으로부터 리그닌을 가용화시키고, 바이오매스의 표면에 재침착시키는 공정을 말한다. AFEX™ 전처리는 리그노셀룰로스 매트릭스를 파괴시켜, 이에 따라, 리그닌의 구조를 변형시키고, 헤미셀룰로스를 부분적으로 가수분해시키고, 이후의 효소에 의한 분해에 대한 셀룰로스 및 잔류 헤미셀룰로스의 접근성을 증가시킨다. 리그닌은 고유 바이오매스의 효소에 의한 가수분해의 주요 장애이며, 리그닌의 제거, 재배치 또는 변화는 AFEX™를 포함하는 몇몇의 선도 전처리 기술의 예상 메커니즘이다.

그러나, 많은 다른 전처리와 대조적으로, AFEX™ 공정의 보다 낮은 온도와 비-산성 조건은 리그닌 및/또는 당이, 미생물 활성에 부정적으로 영향을 미칠 수 있는 푸르푸랄, 하이드록시메틸 푸르푸랄 및 유기산으로 전환되지 않게 한다. 상기 공정은 추가로 셀룰로스 섬유를 팽창 및 팽윤시키고, 추가로 리그노셀룰로스 바이오매스 내의 무정형 헤미셀룰로스를 파괴시킨다. 이들 구조적 변화는 식물 세포벽 구조를 개방시켜, 물질의 영양가와 조성을 보존시키면서 리그노셀룰로스 바이오매스를 보다 효율적이고 완전하게 부가 가치 생성물로 전환시킬 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제6,106,888호; 제6,176,176호; 제5,037,663호; 및 제4,600,590호에 기재된 방법을 참조하며, 이들 모두는 본원에 완전히 기재되는 것처럼 그들 전문이 본원에 참조로 포함된다.

본원에 사용되는 용어 "응축 AFEX™ 전처리"는 액체 암모니아 대신에 기체 암모니아를 사용하는 본원에 정의된 AFEX™ 전처리를 말한다. 고온 암모니아 기체가 보다 차가운 바이오매스 상에서 직접 응축되게 함으로써, 바이오매스는 신속하게 가열되고, 암모니아와 바이오매스는 친밀하게 접촉된다.

본원에 사용되는 용어 "부가되는 결합제"는 치밀화 바이오매스 미립자의 안정성을 향상시키기에 충분한 양으로 전처리된 바이오매스 섬유에 부가되거나 적용되는 천연 및/또는 합성 물질, 및/또는 에너지 형태를 말한다. 통상적으로 부가되는 결합제의 예에는 외인성 열, 스팀, 물, 옥수수 전분, 리그닌 화합물, 갈탄, 커피 찌꺼기, 수액, 피치(pitch), 폴리머, 염, 산, 염기, 당밀, 유기 화합물, 우레아 및 타르가 포함되나 이들에 한정되지 않는다. 또한, 특수 첨가제를 사용하여 결합 및 다른 특성, 예를 들어, 색상, 맛, pH 안정성 및 내수성을 향상시킨다.

부가되는 에너지 형태의 부가되는 결합제는 전형적으로 명백히 첨가되는 열, 즉, 외인성 열, 예를 들어, 대류열 또는 전도열의 형태이지만, 방사열도 또한 동일한 목적을 위해 사용될 수 있다. 의도적인 외인성 열의 부가는 치밀화 장비에서 운영 동안 발생하는 마찰열과 같이, 물질을 가공한 결과로서 발생하는 내인성 열과 대조적이다. 이와 같이, 바이오매스의 전처리 및/또는 치밀화에 고유한 열은 본원에서 "부가되는 결합제"로 고려되지 않는다. 부가되는 결합제는 치밀화 공정 전, 그 동안 또는 그 후의 임의의 시간에 전처리된 바이오매스에 부가될 수 있다. 부가되는 결합제의 양은 치밀화되는 기질에 따라 달라질 수 있다.

본원에 사용되는 용어 "미립자" 또는 "바이오매스 미립자"는 개별 조각으로 분할가능한 단일 미립자 생성물을 형성하도록 압축되는 복수의 성긴 바이오매스 섬유로부터 형성되는 치밀화(즉, 단단한) 바이오매스를 말한다. 미립자는 가수분해성 또는 비-가수분해성일 수 있으며, 크기는 작은 미세한 입자(분말보다 큼)로부터 펠렛 및 브리켓 또는 큰 물체, 예를 들어, 벽돌 이상의 크기, 예를 들어, 건초 베일(bale) 이상의 크기의 범위일 수 있으며, 임의의 적절한 질량을 갖는다. 미립자의 특정 기하학 및 질량은 사용되는 바이오매스의 유형, 미립자를 생성하기 위해 사용되는 압력의 양, 요망되는 미립자의 길이, 특정한 최종 용도 등을 포함하는 다양한 인자에 따라 달라질 것이다.

본원에 사용되는 용어 "브리켓"은 압축된 미립자를 말한다.

본원에 사용되는 용어 "펠렛"은 압출된 미립자, 즉, 물질이 강제로 다이를 통과하도록 하는 성형 공정으로 형성된 압축된 미립자를 말한다.

본원에 사용되는 용어 "유동성"은 오직 중력만을 사용하여 컨테이너 외측으로 유동하는 미립자의 능력을 말한다. 이에 따라, 유동성이 증가된 생성물은 유동성이 보다 낮은 생성물에 비하여 더 빠른 속도로 컨테이너 외측으로 유동할 것이다.

본원에 사용되는 용어 "수송 특성"은 저장, 취급 및 운송과 관련된 미립자의 하나 이상의 특성을 말하며, 이는 안정성, 저장 수명, 유동성, 높은 벌크 밀도, 높은 진밀도(true density), 압축성, 내구성, 이완성, 스프링백(springback), 투과성, 1축 항복 강도(unconfined yield strength) 등을 포함할 수 있지만, 이들에 한정되지 않는다.

본원에 사용되는 용어 "고체 로딩"은 고체, 액체 및 가수분해 첨가제(예를 들어, 효소)를 포함하는 가수분해 혼합물 중의 고체의 중량 백분율을 말한다. 고체는 성긴 셀룰로스 섬유 또는 치밀화 셀룰로스 미립자일 수 있다.

리그노셀룰로스 바이오매스로부터의 셀룰로스 바이오연료 생성은 환경 및 사회 지속성 이익 둘 모두 때문에 상당히 탄력을 받는다. 그러나, 기술은 아직 완전히 상용화되어 있지 않다. 당 플랫폼을 사용한 셀룰로스 바이오연료 생성을 방해하는 하나의 문제는 리그노셀룰로스 바이오매스 내의 특정 성분의 내가수분해성이다.

리그노셀룰로스 바이오매스, 즉, 식물 바이오매스, 예를 들어, 외떡잎 식물의 거의 모든 형태는 3가지의 주요 화학 분획을 포함한다: 헤미셀룰로스, 셀룰로스 및 리그닌. 페놀 분자의 폴리머인 리그닌은 식물에 구조적 무결성을 제공하며, 가수분해되기 어렵다. 이와 같이, 바이오매스 내의 당이 바이오산물, 예를 들어, 알콜로 발효된 후에, 리그닌은 잔류 물질(즉, 난분해성(recalcitrant) 리그닌 매트릭스)로 남아 있다.

식물 세포벽 내의 셀룰로스 및 헤미셀룰로스는 난분해성 리그닌 매트릭스 내에 복잡한 구조로 존재한다. 헤미셀룰로스는 대부분 5-탄소 펜토스 당(자일로스 및 아라비노스) 및 더 적게는 6-탄소 헥소스 당(갈락토스, 글루코스 및 만노스)의 짧은, 고분지쇄의 폴리머이다. 헤미셀룰로스는 그의 분지 구조 때문에, 무정형이며, 상대적으로 효소 또는 희산 처리에 의해 그의 개별 구성 당으로 가수분해되기 용이하다. 셀룰로스는 습식 분쇄(mill) 에탄올 식물 및 건조 곡물에서의 옥수수 곡물의 주요 기질인 α(1→4) 연결 D-글루코스로 구성된 선형/분지형 폴리머를 갖는 전분과 매우 유사하게, 식물 세포벽 내에 β(1→4) 연결 D-글루코스로 구성된 선형 폴리머이다. 그러나, 전분과 달리, 셀룰로스의 글루코스 당은 셀룰로스가 밀접-회합된 선형 쇄를 형성하게 하는 β-글루코시드 결합에 의해 함께 결합된다. 셀룰로스 사슬 간에 발생할 수 있는 고도의 수소 결합 때문에, 셀룰로스는 매우 안정적이며, 전분 또는 헤미셀룰로스 폴리머보다 화학 또는 효소에 의한 공격에 의한 가수분해에 훨씬 더 저항성인 단단한 결정질 구조를 형성한다. 헤미셀룰로스 당이 바이오연료로의 전환을 위해 쉽게 달성할 수 있는 대상을 대표하지만, 실질적으로 더 높은 셀룰로스 함량은 식물 바이오매스의 톤(ton)을 기준으로 하여, 바이오연료 수율을 최대화시키기는 능력이 더 큰 것을 나타낸다.

따라서, 전처리 공정을 사용하여, 세포벽 매트릭스를 변경시키고 개방시키며, 헤미셀룰로스를 가수분해시키고, 결정성을 감소시킨다. 전처리는 리그노셀룰로스 바이오매스, 예를 들어, 셀룰로스 및 리그닌의 난분해성 부분을 파괴하여, 이에 따라, 그의 분해성을 향상시킨다. 전처리 후에, 다수의 바이오매스는 용이하게 분해가능하게 되는 한편, 상당한 양이 난분해성으로 유지된다. 궁극적으로, 전처리 공정은 (이후의 가수분해 공정 동안) 셀룰로스가 발효성 당으로의 탄수화물 폴리머의 전환에 더욱 접근가능하게 한다(문헌[Balan et al. 2008]; 문헌[Sierra et al. 2008]; 문헌[Sun and Cheng 2002]). 예를 들어, 암모니아 섬유 팽창(AFEX™)은 산 전처리에 비하여 분해 생성물을 크게 감소시키면서, 농업 잔류물 내의 세포벽을 개방시킬 수 있지만(문헌[Chundawat et. al., 2010]), 산 전처리는 여전히 실행가능한 옵션이다.

다른 전처리 방법은 예를 들어, 암모니아 재순환 침출(ARP), 고농도 산 가수분해 전처리, 희산 가수분해, 2-단계 산 가수분해 전처리, 고압 고온수 기반의 방법, 즉, 수열 처리, 예를 들어, 스팀 폭발 및 수성 고온수 추출, 반응기 시스템(예를 들어, 회분식, 연속 유동, 역류, 관류 등), 석회 처리 및 pH-기반의 처리, 수열 또는 화학적 전처리 이후의 효소에 의한 가수분해(즉, 효소-촉매작용 가수분해) 또는 동시의 효소에 의한 가수분해 및 당화를 포함한다. 상기 언급된 바와 같이, 일부 방법은 높은 수율의 가용성 펜토스 당의 효율적인 회수를 위해 헤미셀룰로스 분획의 거의 완전한 가수분해를 생성한다. 이들 당의 회수는 또한 주위 헤미셀룰로스와 리그닌의 물리적 제거를 용이하게 하며, 이에 따라, 셀룰로스를 이후의 가공에 노출시킨다.

셀룰로스가 전처리 후의 가수분해 동안 그의 성분 당으로의 전환에 더욱 이용가능하지만, 다운스트림에서 발효가 일어나기 위하여, 얻어진 당 농도는 적절한 수준(예를 들어, 적어도 약 6 중량%의 발효성 당, 또는 한 구현예에서, 적어도 약 7% 또는 약 8% 또는 그 이상, 최대 약 9% 또는 그 이상, 예를 들어, 최대 약 18% 또는 그 이상(그 안의 임의의 범위 포함))으로 존재해야 한다. 당 스트림 농도를 증가시키는 일부 시도에는 보다 적은 양의 전처리된 바이오매스를 사용하여, 더욱 희석된 셀룰로스 당 스트림을 생성한 다음, 이러한 스트림을 농축시켜, 보다 높은 당 수준을 달성하는 것이 포함된다. 그러나, 이러한 방식의 당 스트림의 농축은 비용이 많이 든다.

또한, 전처리된 성긴 바이오매스 섬유가 액체를 신속하게 흡수하기 때문에, 보다 많은 양의 성긴 바이오매스 섬유, 즉, 12%(예를 들어, 바이오매스, 액체 및 효소의 총 중량 1㎏당 전처리된 성긴 바이오매스 섬유 120g) 초과 또는 그 이상의 바이오매스의 고체 로딩의 사용에 의해, 혼합되기 어려울 수 있고/거나 효율적으로 가수분해되지 않는 생성물이 생성된다. 이러한 문제를 극복하려는 시도에는 각각의 연이은 로드를 이전에 첨가된 바이오매스 섬유의 액화가 달성된 후에만 가수분해 탱크에 가하면서, 전처리된 성긴 바이오매스 섬유를 소량 첨가함으로써 회분식으로 운영하는 것이 포함된다. 회분식 공정이 오직 2회 또는 3회분을 포함하더라도, 연속 액화 단계가 요구되기 때문에, 연장된 초기 액화 기간이 초래된다.

이러한 문제를 극복하기 위한 다른 옵션에는 반응기 및 임펠러(impeller)를 사용하는 것이 포함되며, 이는 반응기의 내경에 비한 임펠러의 크기 때문에, 현재 "특수화"된 것으로 간주된다. 이러한 반응기는 반응기의 내경과 실질적으로 동일한 길이의 직경을 갖는 임펠러를 가지며, 다시 말하면, 임펠러 크기 대 반응기 직경 비는 약 3:4 초과이다. 예에는 수평 패들 혼합기, 수평 리본 배합기, 수직 나선형 리본, 앵커(anchor)-형 임펠러 등이 포함되나 이들에 한정되지 않는다. 그러나,이러한 반응기는 더 작은 임펠러를 지닌 것보다 더욱 고가인 경향이 있다. 또한, 그들은 그들의 중량 때문에, 큰 용기(vessel)(500,000ℓ 초과)에 언제나 적절한 것은 아니다.

다양한 구현예는 가수분해성 전처리된 치밀화 바이오매스 미립자(이하에서 "가수분해성 미립자")를 생성하기 위한 성긴 바이오매스 섬유의 전처리 및 치밀화 방법을 제공한다. 종래의 치밀화 공정과 대조적으로, 본원에 기재된 구현예는 얻어진 가수분해성 미립자의 수송 특성 또는 안정성을 향상시키기 위해 부가되는 결합제를 필요로 하지 않는다. 오히려, 본원에 논의된 바와 같이, 본 발명자들은 놀랍게도 그리고 예기치 않게, 매우 안정한 고품질의 가수분해성 미립자가 결합제의 부가 없이, 즉, 치밀화 단계 동안 "부가되는 결합제 없이", 그리고 다양한 구현예에서, 치밀화 전의 전처리 단계 동안 또는 치밀화 후의 임의의 시점에서 부가되는 결합제 없이 생성될 수 있는 것으로 결정하였다.

이러한 미립자는 시간 및/또는 수율의 면에서 가수분해 효율을 향상시키며, 궁극적으로, 다운스트림에서 전환이 일어나게 하는 것으로 이제 밝혀졌다. 이들 향상은 부분적으로 본원에 기재된 가수분해성 미립자가 예기치 않게 심지어 전처리된 성긴 바이오매스 섬유를 포함하는 성긴 바이오매스 섬유에 비하여 가수분해 동안 보다 높은 고체 로딩을 가능하게 하기 때문에 발생한다. 가수분해성 치밀화 미립자를 사용한 본원에 기재된 신규한 가수분해 공정의 일 구현예와 성긴 바이오매스 섬유를 사용한 종래의 가수분해 공정의 시각적 비교는 도 7a 내지 도 7h의 개략도에 나타나 있다. 도 7a 내지 도 7h는 이러한 시각적 표현이 실시예 8에 수행된 시험과 상관되기 때문에, 실시예 8에 추가로 기재되어 있다. 효율적인 전환을 제공하기에 충분히 높은 농도로 당 스트림이 얻어질 뿐 아니라, 다운스트림 바이오산물이 이제 더욱 효율적으로, 그리고 비용 효율적으로 생성될 수 있다.

한 구현예에서, 가수분해성 미립자는 높은 고체 로딩(즉, 가수분해성 미립자, 액체 및 효소의 조합물의 12% 초과, 최대 약 15% 또는 그 이상, 예를 들어, 최대 약 35%(그 안의 임의의 범위 포함)의 가수분해성 미립자 함량)을 사용하여 효소에 의해 가수분해된다. 가수분해성 미립자의 높은 고체 로딩을 사용하여, 셀룰로스 당 스트림이 전환, 예를 들어 발효를 위해 충분히 농축되게 한다.

임의의 적절한 전처리 방법이 사용될 수 있다. 한 구현예에서, 암모니아 섬유 팽창 방법(AFEX™) 전처리가 사용된다.

한 구현예에서, 성긴 바이오매스 섬유를 고농도 암모니아의 존재 하에 약 60℃ 내지 약 100℃의 온도로 가열한다. 예를 들어, 문헌[Dale, B.E. et al., 2004, Pretreatment of corn stover using ammonia fiber expansion (AFEX™) , Applied Biochem, Biotechnol. 115: 951-963]을 참조하며, 상기 문헌은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 이어서, 신속한 압력 강하에 의해 바이오매스 구조의 물리적 파괴가 야기되어, 많은 전처리에 통상적인 극심한 당 분해 없이, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스 섬유가 노출된다.

거의 모든 암모니아가 회수되고 재사용될 수 있는 한편, 잔여 암모니아는 발효에서 미생물을 위한 질소원으로 소용된다. 한 구현예에서, 약 일(1) 내지 이(2) wt%의 암모니아가 전처리된 바이오매스에 남아 있다.

또한, 공정에서 세척 스트림이 존재하지 않기 때문에, AFEX™ 처리 후의 건조 물질 회수는 본질적으로 정량적이다. 이는 AFEX™가 기본적으로 건조 대 건조 공정이기 때문이다.

또한, AFEX™-처리 바이오매스는 비-AFEX™-처리 바이오매스보다 더 긴 기간(예를 들어, 최대 적어도 1년) 동안 안정적이며, 용이하게 20% 고체를 초과할 수 없는 희산 또는 다른 수성 전처리에 비하여 효소에 의한 가수분해 또는 발효 공정에서 매우 높은 고체 로딩(예를 들어, 적어도 약 40%)으로 공급될 수 있다.

또한, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스는 AFEX™ 공정에서 잘 보존되어, 거의 분해를 보이지 않는다. 이와 같이, AFEX™-처리 바이오매스의 효소에 의한 가수분해 전에 중화가 필요 없다. 또한, AFEX™-처리 바이오매스의 효소에 의한 가수분해는 이후의 발효를 위한 깨끗한 당 스트림을 생성한다.

또한, AFEX™-처리 바이오매스로부터의 분해 생성물을 확인하고 정량화하였다. 이러한 한 연구는 LC-MS/GC-MS 기술을 사용하여 AFEX™와 산-전처리 옥수수대를 비교하였다. 산-전처리 공급원료에서, 유기산, 푸란, 방향족 화합물, 페놀류, 아미드 및 올리고당류를 포함하는 40개가 넘는 주요 화합물이 검출되었다. 온건한 알칼리성 조건 하에서 수행된 AFEX™ 전처리에 의해 아주 적은 아세트산, HMF 및 푸르푸랄이 생성되었다. 상기 문헌[Dale, B.E. et al., 2004] 및 문헌[Dale, B.E. et al, 2005b, Pretreatment of Switchgrass Using Ammonia Fiber Expansion (AFEX™), Applied Biochemistry and Biotechnology. Vol. 121-124. pp. 1133-1142]을 참조한다. 또한, 문헌[Dale, B.E. et al., 2005a. Optimization of the Ammonia Fiber Explosion (AFEX™) Treatment Parameters for Enzymatic Hydrolysis of Corn Stover, Bioresource Technology. Vol. 96, pp. 2014-2018]을 참조한다.

한 구현예에서, 변형된 AFEX™ 전처리 공정, 즉, 기체 AFEX™ 전처리가 실시예 1에 기재된 바와 같이 사용된다. 이러한 방법에서, 기체 암모니아가 사용되며, 이는 바이오매스 그 자체 상에서 응축된다.

한 구현예에서, AFEX™ 전처리 조건은 특정 바이오매스 유형에 대해 최적화된다. 이러한 조건은 암모니아 로딩, 바이오매스의 함수율, 온도 및 체류 시간을 포함하나 이들에 한정되지 않는다. 한 구현예에서, 옥수수대는 약 90℃의 온도, 1:1의 암모니아:건조 옥수수대 질량비, 37.5%의 옥수수대의 함수율 및 오(5)분의 체류 시간(표적 온도로 유지)으로, AFEX™ 전처리를 받는다. 한 구현예에서, 스위치그래스는 오(5)분 체류 시간에서, 약 100℃의 온도, 1:1의 암모니아(㎏):건조 물질(㎏)의 암모니아 로딩 및 45%의 함수율(총 중량 기준)로 AFEX™ 전처리를 받는다.

AFEX™-처리 및 미처리 샘플의 가수분해 결과는 각각 93% 대 16% 글루칸 전환을 보인다. 최적화된 AFEX™-처리 스위치그래스의 에탄올 수율은 약 0.2 g(에탄올)/g(건조 바이오매스)인 것으로 측정되었으며, 이는 미처리 샘플의 에탄올 수율보다 2.5배 더 크다. 상기 문헌[Dale, B.E. et al., 2005b]을 참조한다.

한 구현예에서, 이론적 글루코스 수율의 대략 98%는 60 FPU(filter paper units)의 셀룰라제 효소/g(글루칸)(22 FPU/g(건조 옥수수대)과 등가)을 사용하는 AFEX™-처리 옥수수대의 효소에 의한 가수분해 동안 수득된다.

에탄올 수율은 미처리 샘플의 에탄올 수율에 비하여 최대 2.2배 증가하는 것으로 보인다. 한 구현예에서, 15 및 7.5 FPU/g(글루칸)의 보다 낮은 효소 로딩은 60 FPU와 비교하여, 글루코스 수율에 유의미한 영향을 미치지 않는다. 이러한 구현예에서, 처리 온도가 증가함에 따라 상이한 효소 수준에서의 효과 간의 차이가 감소한다. 예를 들어, 상기 문헌[Dale, B.E. et al., 2004]; 및 상기 문헌[Dale, B.E. et al., 2004]을 참조한다.

또한, 스위치그래스 및 옥수수대의 가수분해 및 발효를 위한 최적의 AFEX™ 전처리 조건이 상기 문헌[Dale, B.E. et al., 2004]; 상기 문헌[Dale, B.E. et al, 2005b]; 및 상기 문헌[Dale, B.E. et al., 2005b]에 논의되어 있다.

한 구현예에서, 암모니아 로딩이 상당히 감소되고, 요구되는 암모니아 농도가 더 낮은 변형된 AFEX™ 전처리가 사용된다. 문헌[Elizabeth (Newton) Sendich, et al., Recent process improvements for the ammonia fiber expansion (AFEX™) process and resulting reductions in minimum ethanol selling price, 2008, Bioresource Technology 99: 8429-8435] 및 미국 특허 출원 공개 제2008/000873호(Dale, B.E)를 참조한다.

한 구현예에서, 스팀은 AFEX™ 처리 대신에 또는 그에 더하여 전처리로서 사용된다. 그러나, 스팀은 당의 이용가능성을 감소시키는 경향이 있으며, 이에 따라 동물 사료의 전반적 품질을 낮춘다. 그럼에도 불구하고, 스팀은 전처리를 위해 실행가능한 선택적 구현예로 남아 있다.

바이오매스 섬유가 치밀화 중인 경우, 섬유 그들 자체는 그들이 가수분해성 미립자로 형성됨에 따라 전형적으로 고온이 된다. 이러한 내인성 열은 당업계에 공지된 바와 같이, 압출 또는 압축 공정 동안 발생하는 마찰열을 포함할 수 있다. 본원에 정의된 바와 같이, 이러한 열은 "부가되는 결합제"인 것으로 여겨지지 않는다.

부가되는 결합제가 본원에 기재된 치밀화 공정 동안 사용되지 않지만, 부가되는 결합제는 일 구현예에서, 치밀화 전에 성긴 바이오매스 섬유에 첨가되거나 적용될 수 있다. 전처리 동안 물과 같은 액체의 첨가는 가수분해성 미립자의 함수율을 약 10 내지 약 50%로 상승시킬 수 있다.

스팀은 전처리, 예를 들어, AFEX™ 전처리 전에 및/또는 그 동안에 반응 용기에서 사용될 수 있다. 전처리 동안 성긴 바이오매스 섬유로 스팀을 첨가하면, 가수분해 동안 가수분해성 미립자의 도처에 물이 더욱 균일하게 분포되게 할 수 있다. 한 구현예에서, 부가되는 결합제는 가수분해성 미립자에 적용되거나 부가되지만(즉, 치밀화 후에), 이러한 단계는 가공 비용을 증가시킬 수 있다.

치밀화 공정이 완료된 경우, 스팀은 가수분해된 미립자에서 증발되어, 충분히 건조된, 즉, 전형적으로 약 오(5) 내지 약 20% 함수율의 생성물이 남지만, 상기 구현예는 그렇게 제한되지 않는다.

"부가되는 결합제"의 정의에서 언급된 다양한 기질 및 에너지원의 최소량이 전처리 및/또는 치밀화 공정 중의, 및/또는 치밀화 공정 후의 임의의 시점에, 바이오매스 미립자의 수송 특성 및/또는 안정성을 향상시키지 않는 양으로 부가될 수 있으며, 이에 따라 기술적으로 본원에 정의된 바와 같은 "부가되는 결합제"로 기능하지 않는 것이 주목되어야 한다. 그러나, 이러한 부가는 가공 비용을 증가시킬 수 있다.

또한, 비-휘발성 염기, 예를 들어, 수산화나트륨을 사용하여, 리그닌을 표면으로 이동시킬 수 있지만, 증발 후에 남아 있는 수산화나트륨은 처리된 물질의 추가의 응용, 예를 들어, 동물 사료 및 다른 응용에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다.

섬유 내의 올리고머(예를 들어, 리그닌, 헤미셀룰로스)의 유리 전이 온도에 도달하는 온도 때문에, 전처리, 예를 들어, AFEX™ 및/또는 스팀)는 또한 이들 올리고머(주로, 리그닌), 일부 구현예에서는 소정량의 헤미셀룰로스를 표면으로 전달한다. 일단 표면 상에 전달되면, 리그닌 및 헤미셀룰로스는 점착성이 된다. 놀랍게도, 이들 올리고머(리그닌 또는 리그닌 및 헤미셀룰로스)는 부가되는 결합제(이 용어는 본원에 정의된 바와 같음)로 치밀화된 가수분해성 미립자의 특성과 적어도 유사한 특성을 제공하기에 충분한 점착성을 포함한다. 다양한 구현예에서, 부가되는 결합제는 치밀화 이전, 그 동안 또는 그 이후를 포함하는 공정의 임의의 시점에 사용되지 않는다.

이와 같이, 본 발명자들은 전처리된 바이오매스를 가수분해성 미립자로 형성하기 전에, "부가되는 결합제"(전형적으로 부가되는 스팀의 사용을 통한 "경화"로도 지칭될 수 있음)를 전처리된 바이오매스에 적용하거나 부가(예를 들어, 외인성 열 사용)할 필요가 없음을 발견하였다. 또한, 놀랍게도, 그리고 예기치 않게도, 부가되는 결합제를 포함하는 종래의 가수분해성 미립자보다 더 낫지 않다면, 적어도 그만큼 우수한 수송 특성을 갖는 가수분해성 미립자를 생성하기 위하여, 치밀화 동안 임의의 형태의 "부가되는 결합제"를 적용하거나 부가할 필요가 없는 것(그리고, 다양한 구현예에서, 치밀화 이전 또는 이후에 "부가되는 결합제"를 적용하거나 부가할 필요가 없는 것)이 발견되었다. 공정 동안, 특히 치밀화 동안 아무 때나 부가되는 결합제를 부가 및/또는 적용하는 단계를 생략하는 능력은 추가로, 생성 동안 상당한 비용 절감을 제공하여, 생성물이 환경 친화적일 뿐 아니라 매우 경제적이며, 종래의 수단에 의해 운송가능한 것을 포함하여 운송가능하게 된다.

한 구현예에서, 치밀화 장치는 기어 맞물림(gear mesh) 시스템을 사용하여 인접한 기어 톱니 간의 테이퍼링 채널(tapering channel)을 통해 바이오매스를 압축시킨다. 이러한 치밀화 장치는 60℃ 미만의 온도에서 작동한다(실시예 2 참조). 이러한 치밀화 장치를 사용하여 브리켓을 제조할 수 있으며, 상기 용어는 본원에 정의된 바와 같다. 한 구현예에서, 에너지 소비가 최소화되며, 물리적 특성 및 다운스트림 가공 특성이 최적화된다.

한 구현예에서, 치밀화 장치는 이제 통상적으로 펠렛으로 지칭되는, 종래의 실질적으로 원통 형상의 미립자를 형성할 수 있는 압출 장치이다(실시예 4 참조).

한 구현예에서, 통합된 바이오매스 전처리 및 치밀화 공정이 제공된다. 특정 구현예에서, 암모니아 처리, 예를 들어, 암모니아 섬유 팽창(AFEX™) 전처리 또는 응축 AFEX™ 전처리를 압축 공정과 함께 사용하여, 부가되는 결합제를 필요로 하지 않는 공정에서 가수분해성 미립자를 생성한다.

한 구현예에서, 가수분해성 미립자는 초핑된(chopped) 바이오매스의 벌크 밀도(이는 약 50 ㎏/㎥임)의 적어도 열(10) 배의 벌크 밀도를 갖는 가수분해성 브리켓이다. 한 구현예에서, 가수분해성 미립자는 약 550 ㎏/㎥의 벌크 밀도를 갖는 가수분해성 펠렛이다. 본원에 기재된 바와 같은 통합 공정의 사용에 의해 가공 공장에서의 추가의 전처리가 필요 없게 되며, 저밀도 공급원료 베일(bale)이 수송되어야 하는 거리가 더욱 최소화된다.

한 구현예에서, 가수분해성 미립자는 다양한 바이오산물을 생성하기 위해, 추가의 가공 및/또는 가수분해 및/또는 전환(예를 들어, 발효)과 같은 추가의 가공을 위해 곡물에 사용되는 기존의 운송 및 취급 기반시설을 사용하여 중앙집중(centralized) 가공 시설로 운송된다.

한 구현예에서, AFEX™ 조건을 가공 중인 바이오매스의 유형에 따라 최적화하여, 성긴 바이오매스 입자의 고유 결합 특성을 향상시키고, 치밀화 및 저장 후의 가수분해 효율을 향상시킨다.

브리켓에 대한 다운스트림 가공 특징은 전환율(예를 들어, 발효율), 수율 등의 면에서 비-치밀화 바이오매스보다 더 낫거나, 적어도 그만큼 우수할 것이 추가로 예상된다. 실제로, 본원에 언급된 바와 같이, 펠렛에 대한 가수분해 향상은 예기치 않게, 적어도 부분적으로 가수분해성 미립자의 물 흡수능의 감소의 결과이다.

종래의 지식은 불량한 물 흡수가 효소 가수분해의 효율을 감소시킬 것임을 시사할 것이다. 오히려, 가수분해성 미립자는 가수분해성 펠렛의 물 흡수능이 감소되어, 심지어 가수분해성 펠렛이 완전히 붕해된 후에도, 높은 고체 로딩에서 액체 및 효소 용액 내에서 자유롭게 이동할 수 있다. 한 구현예에서, 가수분해성 미립자는 심지어 높은 고체 로딩에서도, 물질의 혼합을 조장하는 그들의 능력의 결과로서 가수분해를 향상시킨다.

한 구현예에서, 가수분해는 1:4 내지 1:2의 임펠러 크기 대 탱크 직경 비를 갖는 수직 교반형 반응기에서 발생한다. 한 구현예에서, 가수분해는 약 1:3의 임펠러 크기 대 탱크 직경 비를 갖는 수직 교반형 반응기에서 발생하지만, 다양한 구현예가 그렇게 제한되지 않는다. 한 구현예에서, 다운스트림 전환, 예를 들어, 발효도 또한 이러한 반응기에서 발생할 수 있다. 이러한 임펠러 길이 대 반응기 직경의 비를 갖는 임펠러를 지니는 반응기의 예에는 선박용 임펠러, 경사 블레이드 터빈( pitched blade turbine), 루쉬톤 임펠러(Rushton impeller) 등이 포함되나 이들에 한정되지 않는다. 이는 가수분해 및/또는 전환 단계 내내 더욱 고가의 특수 반응기를 필요로 하는 고체 현탁액을 포함하지 않는 종래의 운영과는 대조적이다.

한 구현예에서, 효소에 의한 가수분해가 사용된다. 선택된 바이오매스를 가수분해시킬 수 있는 임의의 적절한 효소가 사용될 수 있으며, 이에는 엔도글루카나제, 셀로비오하이드롤라제(cellobiohydrolases), 자일라나제, 펙티나제, 리그니나제, 스왈레닌(swollenin) 등이 포함된다.

한 구현예에서, 결합제가 부가되지 않는 AFEX™-처리 가수분해성 미립자가 제공된다. 종래의 결합제-함유 미립자와 대조적으로, 본원에 기재된 신규한 AFEX™-처리 가수분해성 미립자는 아마도 본질적으로 코팅의 한 유형으로서 역할을 하는 가수분해성 미립자의 외표면 상의 리그닌, 일부 구현예에서는 헤미셀룰로스의 존재 때문에, 실질적으로 매끄러운 비-박편형 외표면을 갖는다. 이와 같이, AFEX™-처리 가수분해성 미립자는 코팅을 갖지 않고 그의 외표면에 제거가능한 박편을 함유하는 종래의 결합제-함유 미립자에서와 같이 박리(flaking)(질량의 소실)에 감수성이 아니다.

일부 구현예에서, 리그닌 및/또는 헤미셀룰로스의 존재는 표면에만 제한되지 않을 뿐 아니라, 가수분해성 미립자의 미세한 포어 내측 더 깊은 곳에서 관찰된다. 따라서, AFEX™-처리 가수분해성 미립자는 오직 결합제-함유 미립자의 표면에만 화학적으로 제한되는 결합제가 부가되는 종래의 결합제-함유 미립자보다 더욱 효율적인 연소/갈탄과의 공동-착화와 같은 이익이 부가될 수 있다.

AFEX™-처리 가수분해성 미립자는 또한 종래의 비-전처리 미립자보다 굽힘성(bendable)이 더 낮으며, 이에 따라, 더 직선형인 경향이 있다. 놀랍게도, 신규한 AFEX™-처리 가수분해성 미립자는 종래의 비-전처리 미립자의 보다 부드러운 감촉에 비하여, 그들에 대하여 더 단단한 "감촉"을 갖는다(그리고 아마도 취성이 더 낮을 것임).

경도 시험(예를 들어, 실시예 4)에 의해, AFEX™-처리 펠렛이 초기에 갑작스러운 파괴 전에 더 강한 것으로 드러났다. 대조적으로, 종래의 펠렛은 보다 긴 시간 동안 강도를 유지하면서 본원에 기재된 신규 AFEX™-처리 가수분해성 펠렛보다 본질적으로 더욱 "압착가능"하거나, 더 "으깨어진다"("시가"의 연성과 더욱 유사). 한 구현예에서, AFEX™-처리 옥수수대(CS) 가수분해성 펠렛은 비-전처리 CS 가수분해성 펠렛에 비하여 적어도 21% 더 경질이며, 적어도 20% 미만의 경도의 가변성을 나타낸다. 한 구현예에서, 신규한 AFEX™-처리 가수분해성 펠렛은 종래의 비-전처리 CS 가수분해성 펠렛보다 더 적은 변형을 나타낸다(예를 들어, 표 7 참조). 아마도, AFEX™-처리 가수분해성 펠렛 및 AFEX™-처리 가수분해성 브리켓, 및 다른 유형의 바이오매스로부터 제조된 기타 미립자가 유사하거나 더 나은 결과를 나타낼 것이다.

리그닌은 일반적으로 식물 물질 내의 다른 성분보다 더 어두워서, 얻어진 물질은 실질적으로 리그닌에 의해 둘러싸이지 않은 물질보다 외양이 현저히 더 어둡다.

한 구현예에서, AFEX™-처리 CS 펠렛은 최대 1.16의 비중을 가지며, 이는 0.87 이하의 비중을 가질 수 있는 비-전처리 CS 펠렛과 비교되지만, 다양한 구현예는 그렇게 제한되지 않는다. AFEX™-처리 가수분해성 펠렛은 종래의 비-전처리 펠렛에 비하여, 공극률이 더 적은 것으로 보이며, 뛰어난 경도 특성을 나타냄에 따라, AFEX™-처리 가수분해성 펠렛은 아마도 열, 벌레 등으로 인한 분해에 대한 감수성 감소와 함께, 향상된 단기간 및 장기간 저장성, 예를 들어, 유동성, 압축 강도, 수용해도, 흡수 및 전반적 저장 수명을 나타낼 것이다.

또한, AFEX™-처리 가수분해성 미립자가 향상된 유동성을 가질 것으로 예상된다. 예측예에 언급된 바와 같은 추가의 시험은 개선의 양을 정량화할 것이다.

한 구현예에서, 상기 언급된 특징의 일부 또는 전부는 또한 펠렛(예를 들어, 브리켓) 이외의 가수분해성 미립자에도 존재한다. 한 구현예에서, 상기 언급된 특징의 일부 또는 전부는 추가로 또는 대안적으로 AFEX™ 이외의 방법, 예를 들어, 본원에 기재된 다른 암모니아 처리 또는 다른 전처리 방법에 의해 전처리된 가수분해성 미립자에 존재한다. 또한 실시예 6 내지 11을 참조한다.

한 구현예에서, 약 12% 초과 약 35% 이하(예를 들어, 약 18% 내지 약 24%)의 고체 로딩에서 하나 이상의 가수분해성 치밀화 셀룰로스 바이오매스 미립자를 가수분해(효소에 의해 가수분해)시켜, 전환가능한 당-함유 스트림을 생성하는 것을 포함하는 방법이 제공된다. 한 구현예에서, 전환은 바이오산물을 생성하기 위한 당-함유 스트림의 발효를 포함한다. 한 구현예에서, 가수분해성 치밀화 셀룰로스 바이오매스 미립자 내의 바이오매스는 옥수수대, 스위치그래스, 목재, 프레어리 코드 그래스 또는 그들의 조합이다.

한 구현예에서, 가수분해성 치밀화 셀룰로스 바이오매스 미립자는 일정량의 성긴 셀룰로스 섬유가 전처리(예를 들어, 암모니아 전처리)를 받게 하는 단계로서, 각 섬유에 포함된 리그닌의 적어도 일부가 각 섬유의 외표면으로 이동하여, 일정량의 성긴 점착성 셀룰로스 바이오매스 섬유를 생성하는 단계; 및 일정량의 성긴 점착성 셀룰로스 바이오매스 섬유를 치밀화시켜, 하나 이상의 가수분해성 치밀화 셀룰로스 바이오매스 미립자를 생성하는 단계로서, 일정량의 점착성 바이오매스 섬유가 부가되는 결합제의 사용 없이 치밀화되는 단계에 의해 생성된다. 한 구현예에서, 전처리 단계 및 치밀화 단계는 통합 공정을 형성한다. 한 구현예에서, 암모니아 전처리는 암모니아 섬유 팽창(AFEX™) 처리, 예를 들어, 기체 AFEX™ 처리이다. 한 구현예에서, 상기 방법은 전처리 단계 동안 물 및/또는 스팀을 첨가하는 단계를 추가로 포함한다.

상기 방법에서, 바이오산물은 바이오연료(예를 들어, 에탄올 또는 부탄올)이다.

한 구현예에서, 약 12% 초과 약 35% 이하의 고체 로딩에서 하나 이상의 가수분해성 치밀화 셀룰로스 바이오매스 미립자를 가수분해시켜, 전환가능한 당-함유 스트림을 생성하기 위한 가수분해 시설을 포함하는 시스템이 제공된다. 가수분해 시설은 바이오산물 생성 시설, 예를 들어, 에탄올 생성 시설의 부분일 수 있다. 한 구현예에서, 바이오매스 미립자 내의 바이오매스는 옥수수대이다.

한 구현예에서, 시스템은 일정량의 성긴 셀룰로스 바이오매스 섬유가 전처리를 받게 하는 전처리 시설로서, 각 섬유에 포함된 리그닌의 적어도 일부가 각 섬유의 외표면으로 이동하여, 일정량의 성긴 점착성 셀룰로스 바이오매스 섬유를 생성하는 전처리 시설; 및 일정량의 성긴 점착성 셀룰로스 바이오매스 섬유를 치밀화시켜, 하나 이상의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 생성하는 치밀화 시설로서, 일정량의 점착성 바이오매스 섬유가 부가되는 결합제의 사용 없이 치밀화되는 치밀화 시설을 추가로 포함한다. 한 구현예에서, 전처리 시설 및 치밀화 시설은 공동 배치된다.

얻어진 가수분해성 미립자는 동물 사료의 생성, 화학 촉매 또는 화학 전환(예를 들어, 발효)을 사용한 다른 바이오산물의 전체 모음, 다른 생화학 응용, 전기 생산 응용(예를 들어, 보일러에서의 연소, 바이오매스-연소 스토브 등)을 위한 것을 포함하는 바이오연료, 고형물, 예를 들어, 섬유판 및 압출 섬유상 건축재에서의 한 성분으로서의 응용 등을 포함하나 이들에 한정되지 않는 다양한 응용에 유용하다.

본원에 기재된 다양한 AFEX™ 공정에서 암모니아 전처리는 소정량의 리그닌을 용해시키며, 추가로 상당량의 리그닌을 식물 물질의 내부로부터 섬유의 외표면 또는 외측 가장자리로 가져온다. 결과적으로, 물질은 동물에 의해 보다 용이하게 소화된다. 한 구현예에서, 전처리된 가수분해성 미립자, 예를 들어, 본원에 기재된 바와 같은 AFEX™-처리 브리켓 또는 펠렛과 당업계에 공지된 바와 같은 적절한 첨가제 및 충전제의 조합물은 신규한 동물 사료를 생성한다.

한 구현예에서, 전처리된 가수분해성 미립자, 예를 들어, AFEX™-처리 브리켓 또는 펠렛과 석탄의 배합에 의해 발전소에서의 신규한 공급 물질이 제공된다.

낮은 벌크 밀도 공급원료의 획득, 취급, 운송 및 저장의 실행계획은 발전하는 바이오경제에 대한 상당한 도전 과제이다. 70 gal/ton의 수율을 가정하여, 120 ㎏/㎥의 밀도로 베일을 만든(baled) 바이오매스는 옥수수 곡물과 비교하여 주어진 부피의 에탄올을 위하여 10배 초과의 부피의 물질을 필요로 할 것이다. 이러한 보다 낮은 벌크 밀도는 트럭이 최대 중량 용량에 도달하지 못하게 하여, 추가로 공급원료 공급에 필요한 트럭수를 증가시킬 것이다.

대체 바이오산물에 대한 바이오경제가 발전함에 따라, 개별 생성자가 경제적 이유로, 그들의 바이오매스를 바이오에너지 시장으로 판매하는 융통성이 필요할 것이다. 예를 들어, 지역 바이오매스 가공 센터(RBPC)(예를 들어, 5 내지 10 마일 구역 이내)를 이용하여, 둥근 베일은 기존의 기반시설과 운송 산업의 장비를 사용하여 수송될 수 있다. RBPC가 적절하게 스케일링될 것이기 때문에, 둥근 베일에 대한 운송 거리는 최소화될 수 있다. 더욱이 다수의 분포된 RBPC의 존재에 의해 둥근 베일의 장기간 저장에 대한 필요성이 최소화될 수 있다. 보다 짧은 기간의 저장은 베일 포장(bale wrap) 및 비용을 최소화하기 위한 다른 현행의 방법을 사용할 수 있다. 본원에 기재된 신규한 통합 전처리(예를 들어, AFEX™-전처리)/치밀화 시스템을 사용하여, 가수분해성 미립자는 더욱 효율적으로 중앙집중 가공 위치로 운송될 수 있다.

다양한 구현예는 하기의 실시예를 참조로 추가로 기재될 것이며, 하기의 실시예는 다양한 구현예를 추가로 예시하기 위해 제공된다. 그러나, 다양한 구현예의 범주에 있으면서, 많은 변경과 변형이 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다.

실시예 1

미시간 주립 대학교(MSU) 농경학 센터 필드(Agronomy Center Field)에서 성장한 잡종 옥수수 식물(지 메이즈 엘.(Zea mays L.)) 유래의 옥수수대(CS)(전형적으로 옥수수 속대(cob)가 없는 줄기와 잎을 포함하는, 곡물을 획득한 후에 남아있는 전부)를 2007년 10월에 획득하고, 30-gal 쓰레기 통에 보관된 개별 오(5) ㎏ 백(bag)에서 실온에 보관하였다. MSU에서 팜 레인(Farm Lane)에 위치한 텔렌 필드(Thelen Field)에서 성장한 "Alamo" 저지대 종자, 파니쿰 비르가툼 엘.(Panicum virgatum L.) 유래의 스위치그래스(SG)를 2005년 10월에 획득하고, 사(4)?의 냉동고에서 밀봉된 Ziploc® 브랜드 플라스틱 백에 보관하였다.

CS 및 SG가 각각 상기 언급된 미국 특허 '888호, '176호, '663호 및 '590호에 기재된 방법과 유사하나 소정의 변형이 있는 AFEX™ 처리를 받게 하였다. 구체적으로, 액체 암모니아를 바이오매스에 적용하고, 암모니아와 바이오매스가 종래의 AFEX™ 처리에서와 같이 반응하게 하는 것 대신에, 기체 암모니아를 사용하였다. 고온 암모니아 기체가 더 차가운 바이오매스에서 직접 응축되게 함으로써, 암모니아와 바이오매스는 잘 혼합된다.

기체 AFEX™ 전처리를 미시간 주립 대학교(미국 미시간주 이스트 랜싱 소재)의 바이오매스 전환 연구 실험실(Biomass Conversion Research Laboratory)에서 수행하였다. 달리 언급되지 않는 한, 통상적으로 갖추어진 실험실에서 이용가능한 표준 실험실 장비를 사용하였다. AFEX™ 전처리를 75 피트/분의 보호 유리 새시 최소 면속도를 갖는 승인된 환기 후드에서 수행하였다.

파르 기기 모델(Parr Instruments Model) 4524 벤치 탑(bench top) 반응기(하기에 "4254 반응기")를 이러한 시험을 위해 사용하였다. 반응 챔버를 먼저 4254 반응기의 가열 맨틀(heating mantle)에 배치하였다. J-형 T-결합 온도 프로브를 반응 챔버(대략 그 중간 아래)의 내벽에 대하여 배치함으로써, J-형 T-결합 온도 프로브를 일단은 파르 기기 모델 4843 모듈러(Modular)(열) 조절기(하기에 "4843 조절기")에, 그리고 타단은 반응 챔버에 연결시켰다. 그 다음, 반응 챔버를 온도 프로브를 위해 절단된 대략 12.7 ㎝(약 오(5) 인치) 직경의 릴리프(relief)를 갖는 주문-제작 원형 스테인리스 시트 금속 피스(piece)로 덮었다. 조절기를 저온으로 턴 온(turn on)시키고(적색 히터 스위치 사용), J-형 온도(청색) 조절기는 약 25℃±5℃의 실온 측정값을 보였다.

조절기로부터 (황색) K-형 열전대(적색 디스플레이) 및 (녹색) 오메가(Omega) 브랜드 CX105 압력 연결기(미국 코네티컷주 스탬포드에 사무소가 소재함)(녹색 디스플레이)를 간단히 연결하여, 4254 반응기 커버 프로브를 시험하였다. 적색 디스플레이는 약 25℃ ± 5℃의 실온 판독치를 보였다. 녹색 디스플레이는 -0.34 내지 약 0.34 atm(약 -5 내지 약 5 psig)의 일(1) atm 게이지 압력 판독치를 보였다. 그 다음, 황색 및 녹색 연결기 및 4254 반응기 커버를 확보하고, 청색 사전가열 온도를 턴 온시켜, 4254 반응기를 실온 + 20℃의 표적 온도로 사전가열하였다. 청색 디스플레이를 약 오(5)분 동안 관찰하여, 청색 온도가 약 삼(3)℃/분의 속도로 증가되는 것을 보장하였다.

사토리우스(Sartorius) MA35 수분 분석기(독일 괴팅겐 소재)를 사용하여, 바이오매스 샘플 각각의 함수율을 결정하였다. 샘플에 대한 초기 수분 측정치는 전형적으로 오(5) 내지 십(10)%였다. 4254 반응기에 첨가되는 각 샘플의 중량은 150 g 건중량, 즉, "건조 바이오매스"였다. 그 다음, 바이오매스의 양을 150 g의 건조 바이오매스가 되도록 칭량하였다(총 수분 계산에 의해 제공되는 바와 같음). 예를 들어, 오(5)% 함수율을 함유하는 바이오매스 샘플에 대하여, 하기의 계산이 이루어질 것이다: 바이오매스 내의 x(g)의 물 = (150 g(건조 바이오매스)/(1 - 0.05) - 150 g(건조 바이오매스)). "x"에 대한 해를 구하여, 7.9 g의 물이 바이오매스 내에 존재함을 이끌어 냈다. 따라서, 이러한 실시예에서, 150 g 건중량의 바이오매스의 첨가는 5% 함수율로 157.9 g의 바이오매스 샘플을 칭량하고 이를 첨가하는 것을 포함할 것이다.

그 다음, 계산을 행하여, 각 샘플에 첨가되어야 할 탈이온수의 양을 결정하였다. 옥수수대에 있어서, 요망되는 함수율은 37.5%였다. 스위치그래스에 있어서, 요망되는 함수율은 45%였다. 이들 값이 AFEX™ 후의 효소에 의한 가수분해로부터 최대 글루코스 및 자일로스 수율을 위한 최적의 각각의 바이오매스 수분을 나타내기 때문에, 이들 값을 선택하였다.

따라서, 7.9 g의 물이 이미 존재하나, 37.5% 함수율을 필요로 하는 옥수수대 샘플에 있어서, 하기의 계산이 이루어질 것이다: 바이오매스에 첨가되어야 하는 x(g)의 물 = (150 g(건조 바이오매스)/(1 - 0.375) - 150 g - 7.9 g(바이오매스에 이미 존재하는 물). "x"에 대한 해를 구하여, 82.1 g의 물이 첨가되어야 함을 이끌어 냈다. 이러한 예에서 150 g 건중량의 옥수수대 샘플의 총 중량은 82.1 +g + 7.9 g + 150 g = 240 g일 것이다. 총 중량(건조 바이오매스(g) + 요망되는 물(g))이 달성될 때까지, 물을 물병을 사용하여 각각의 바이오매스 샘플에 뿌렸다. 바이오매스를 교반시킴으로써 바이오매스를 균일하게 물로 덮었다.

스와젤로크 컴퍼니(Swagelok Co.)(미국 일리노이주 시카고에 사무소가 소재함)에 의해 제조된, 각 단부에 고압 스와젤로크® 시리즈 83 양방향 볼 밸브가 장착된 208 g 최대 충전 수준을 갖는 비어 있는 500 ㎖ 암모니아 실린더(파커(Parker) 500 ㎖ 회전 316 스테인리스 강 압력 용기(하기에 "파커 실린더"))를 칭량하였다. 이러한 단계의 완료 후에 실린더에 남아 있는 대략적 잔류 암모니아가 팔(8) g인 것으로 결정되었기 때문에, 팔(8) g을 필요한 암모니아 중량에 더함으로써 실린더 및 AFEX™ 전처리에 필요한 암모니아의 총 중량을 결정하였다.

암모니아 탱크 상의 유입 밸브를 개방시킨 다음, 파커 실린더 상의 유입 밸브를 개방시킴으로써 파커 실린더를 에어가스, 인코포레이티드(Airgas, Inc.)(미국 펜실베니아주 라드너 소재)에 의해 제조된 에어가스™ 브랜드 스톡 암모니아 탱크(사이펀 튜브가 존재)에 부착시켰다. 파커 실린더를 그것이 냉각되고, 실린더로부터의 더 이상의 충전 노이즈를 들을 수 없을 때까지 충전되게 하였다(경과 시간은 약 일(1)분이었음). 암모니아 탱크 상의 유출 밸브를 약 1/4 개방시켰다. 수회의 시도 후에, 파커 실린더에 158 g의 암모니아를 첨가하는데 약 20초가 걸리는 것으로 결정되었다. 이후에, 파커 실린더의 유출 밸브에서 시작하여, 마지막으로 암모니아 탱크 상의 유출 밸브까지 모든 밸브를 폐쇄시켰다. Parker 실린더를 칭량하여, 총 중량이 예상된 중량과 동일함을 확인하였다. 중량이 너무 컸다면, 일부 암모니아를 후드 하에 방출시켰다. 그것이 충분하지 않은 경우, 상기 단계를 반복하였다.

먼저, 이제 암모니아를 함유하는 파커 실린더를 BH 써멀(Thermal) 브랜드 브리스크히트(Briskheat)(미국 오하이오주 컬럼버스 소재) 열 테이프로 둘러싸고, BH 써멀 브랜드 브리스크히트(미국 오하이오주 컬럼버스 소재) 열 테이프 조절기에 연결함으로써, 파커 실린더를 가열하였다. 실린더 압력을 0 내지 125 psig에서 시작하였다(실린더 내부 암모니아가 충전 단계 동안 차가워짐에 따라 실린더 내부 암모니아의 온도에 따라 달라짐). 파커 실린더를 600 psig(40 bar)로 가열하였으며, 이는 "보다 저온의" 반응(80℃)을 위하여 400 psig(27 bar)로부터 고온 반응(160℃)을 위하여 1000 psig(70 bar)까지 조정가능하다. 압력을 천천히, 항상 0.034 atm/초(오(5) psig/초) 미만의 속도로 증가시켰다.

그 다음, 요망되는 바이오매스를 반응 챔버에 첨가하였다. (흑색) 온도 프로브를 반응 챔버로부터 제거하고, 가열기 맨틀의 측면 상의 슬롯에 배치하여, 반응 챔버의 외표면 온도가 측정되게 하였다. (청색) 디스플레이 온도를 (화살표 키를 사용하여) 원래 사전가열보다 +20℃ 더 높게 조정하여, 반응 챔버의 연속 가열을 가능하게 하였다.

반응 챔버의 커버를 교체하고, 깔대기를 추가하였다. 그 다음, 선택된 바이오매스 샘플을 깔대기 아래로 반응 챔버로 부었다. 일단 첨가되면, (황색) 온도 프로브 팁을 바이오매스로 완전히 덮고, 커버의 암모니아 유입 노즐로부터 약 2.54 cm(약 일(1) 인치)인 것을 관찰하였다. 그 다음, 깔대기를 제거하고, 커버를 4254 반응기의 상측으로 돌려보내고, 브래킷을 볼트를 사용하여 조여서, 그를 제자리에서 밀봉하였다.

그 다음, 파커 실린더를 반응 챔버에 부착시켰다. 또한, 웰치 모델(Welch Model) 8803 진공 펌프(미국 일리노이주 나일스 소재)도 반응 챔버에 부착시켰다. 4524 반응기 상의 진공 밸브를 개방시키고, 진공을 턴 온시켜, 일(1)분 동안 4254 반응기로부터 공기를 펌핑시켰다. 진공 밸브를 폐쇄시키고, 진공을 턴 오프(turn off)시켰다. (황색) 온도 프로브 및 (녹색) 압력 연결기를 4843 조절기에 연결하였다. 반응 챔버를 향해 안내하는 (유일한) 암모니아 실린더 상의 밸브를 개방하였다.

파커 실린더에 연결된 4254 반응기 밸브를 개방시킴으로써 AFEX™ 반응을 시작하였다. 파커 암모니아 실린더와 반응 챔버 간의 압력이 동등하게 된 경우, 암모니아 실린더와 반응 챔버 사이의 밸브를 폐쇄하였다(즉, 약 일(1)분 후). 또한, 파커 실린더 상의 열 테이프를 턴 오프시켰다. 4843 반응기 가열기를 사전-가열에서 사용된 원래 온도보다 20℃ 높은 온도의 저온 설정으로 놔두었다. 약 일(1)분 후에, 피크(적색) 디스플레이 온도와 (녹색) 압력을 기록하였다. (적색) 디스플레이 온도가 1분 내에 100℃ 초과에 도달하지 않는 경우, 이는 공급원료가 온도 프로프와 접촉하지 않고 있음을 의미한다. 온도 및 압력은 이후 대략 오(5)분 마다 기록하였다.

진공을 하기에 언급된 팽창 단계 대략 5분 전에 시작하여, 4524 반응 챔버 커버로부터 분리하였다. 암모니아 실린더 파이프를 반응 챔버 커버로부터 제거하였다. 반응 챔버를 돌려서, 4524 압력 해제 밸브가 연기 환기 후드의 배면을 향하게 하였다. 환기 후드 새시(sash)를 최대 면속도(권고된 75 feet/분)에 대해 조정하였다. 팽창 단계: 귀 보호 장비를 착용하였다. 압력 해제 밸브를 신속하게 개방시킴으로써 4524 내의 암모니아 압력을 해제하였다.

반응 챔버 커버를 제거하였다. 바이오매스를 회수하고, 트레이에 배치하고, 환기 후드 하에 놔두어, 암모니아 증기가 휘발되게 하였다. AFEX™ 바이오매스를 밤새 자연 건조되게 하였다. 파커 실린더를 칭량하여, 바이오매스에 적용되는 잔류 암모니아의 그램을 결정하고, 중량을 기록하였다. 잔류 암모니아(대략 8 g)를 환기 후드 내측에 파커 실린더로부터 방출시켰다.

실시예 2

시재료 및 샘플 제조

실시예 1에 기재된 바와 동일한 공급처로부터 수득된 옥수수대(CS)를 사용하였다. 그 다음, 각각 이(2) ㎏의 각 유형의 바이오매스가 실시예 1에 기재된 방법에 따른 AFEX™ 전처리를 받게 하였다. 전처리 후에, 샘플을 브리켓팅 장치(미국 노스다코타주 파고 소재의 페더럴 머신 컴퍼니(Federal Machine Co.) d/b/a ComPAKco, LLC)를 사용하여 치밀화시켜, AFEX™ 옥수수대(AFEX™-CS) 브리켓 및 AFEX™ 스위치그래스(AFEX™-SG) 브리켓을 생성하였다.

도 1은 얻어진 4개의 생성물의 이미지를 보여주며, 이에는 칠(7) g의 AFEX™-CS(102), 12 g의 AFEX™-SG(104), 22 g의 AFEX™-CS(106) 브리켓 및 23 g의 AFEX™-SG 브리켓(108)이 포함된다. AFEX™-CS 및 AFEX™-SG 브리켓(각각 106 및 108)은 실질적으로 직사각형 형상을 가졌다. 둘 모두의 브리켓(106 및 108)은 폭이 약 2.54 ㎝(약 일(1) 인치)이고, 깊이가 약 1.27(0.5 인치)이며, 길이가 약 10.16 내지 약 12.7 ㎝(약 사(4) 내지 약 오(5) 인치)이다. (브리켓 길이는 ComPAKco 기계에서의 특정 설정 이용에 따라 달라진다).

이러한 이미지는 단지 칠(7) 내지 12 g의 비브리켓형(unbriquetted)(즉, 성긴) 바이오매스, 예를 들어, AFEX™-CS(102) 및 AFEX™-SG(104)가 22 또는 23 g의 브리켓, 예를 들어, AFEX™-CS 브리켓(106) 및 AFEX™-SG 브리켓(108)보다 더 많은 공간을 차지하는 것을 예시한다. 이러한 예에서, 비브리켓형 바이오매스(102 및 104)는 브리켓형 바이오매스(106 및 108)보다 약 570 내지 약 980% 더 많은 공간을 차지한다.

도 2는 다양한 구현예에 따른 결합제-함유 비-AFEX™-CS 브리켓 및 AFEX™-CS 브리켓의 이미지를 포함한다.

수행된 시험

몇몇의 추가의 샘플을 상기 기재된 방식으로 제조하고, 문헌[Carr, R. L. Jr. 1965. Evaluating flow properties of solids. Chemical Engineering 72(3): 163-168]에 기재된 방법에 따른 안식각(^o)과 같은 예비 물리 시험을 받게 하였다.

열 전도율(W/m^oC)을 문헌[Baghe-Khandan, M., S. Y Choi, and M.R. Okos. 1981, Improved line heat source thermal conductivity probe, J. of Food Science 46(5):1430-1432]에 기재된 선열원 프로브 기술을 사용하는 열 특성 측정기(KD2, 미국 워싱턴주 풀만 소재의 데카곤 디바이스즈(Decagon Devices))로 결정하였다.

보정된 수분 활성 측정기(AW Sprint TH 500, 스위스 탈스트라세 소재의 노바시나(Novasina))를 사용하여 수분 활성을 측정하였다.

벌크 밀도(㎏/㎥), 진밀도(㎏/㎥) 및 공극률을 문헌[Sahin, S. and S. G. Sumnu. 2006, Physical properties of foods, New York, NY: Springer Science Media, LLC]에 기재된 바와 같은 다중부피 피크노미터(multivolume pycnometer)(마이크로메리틱스(Micromeritics) 모델 1305, 미국 조지아주 노르크로스 소재)를 사용하여 결정하였다.

문헌[ASAE Standards. 51^sted. 2004. S352.1: Moisture measurement -- Grain and seeds, St. Joseph, Mich.: ASABE]에 기재된 바와 같은 ISOTEMP 실험실 규모(모델 번호: 838F, 미국 펜실베니아주 피츠버그 소재의 피셔 사이언티픽(Fisher Scientific))를 사용하는 ASAE 표준 방법 S352.1에 의해 함수율을 결정하였다.

분광비색계(랩스캔(LabScan) XE, 미국 버지니아주 레스톤 소재의 헌터 어소시에이츠 래보러터리(Hunter Associates Laboratory))를 사용하여 색상 특성(L*, a*, b*)을 측정하였다.

DP 디지털 카메라가 구비된 올림푸스(Olympus) SZH10 스테레오(stereo) 현미경을 사용하여 원마도 및 구형도를 결정한 다음, 이미지 프로 플러스(Image Pro Plus)® 소프트웨어를 사용하여 입자의 이미지를 분석하였다.

수용해도 지수(%) 및 물 흡수 지수(-)를 문헌[Anderson, R. A., H. F. Conway, V. F. Pfeifer, and E. L. Griffin. 1969, Gelatinization of corn grits by roll and extrusion cooking, Cereal Science Today 14 (1): 4]에 기재된 방법을 사용하여 계산하였다.

결과는 하기 표 1에 나타나 있다:

결론

AFEX™-CS 브리켓(예를 들어, 106) 및 AFEX™-SG 브리켓(예를 들어, 108)은 상대적으로 매끄러운 표면을 가지며, 취급 동안 함께 잘 유지된다. 옥수수대 및 스위치그래스 둘 모두의 AFEX™ 브리켓은 비-브리켓형 AFEX™ 샘플에 비하여 더 낮은 공극률, 물 흡수 지수, 수분 활성 및 함수율을 갖는다. 이러한 특성은 브리켓형 바이오매스에 대한 향상된 저장성을 나타낸다. 브리켓의 보다 낮은 공극률, 보다 높은 벌크 밀도 및 보다 높은 진밀도도 또한 배송비 감소를 나타낸다.

브리켓은 표 1에 나타낸 바와 같은 다른 요망되는 특성을 나타낸다. 특히, 브리켓은 높은 안식각을 나타낸다. 브리켓의 안식각은 상측 브리켓이 하측 브리켓 위에서 이제 막 슬라이딩되는 경우, 수평면과, 2개의 브리켓 간의 접촉면 사이의 각으로 정의된다. 이는 또한, 마찰각으로 알려져 있다. 따라서, 입자는 45도의 예상치를 갖는다. 본원에 시험된 옥수수대 브리켓 및 스위치그래스 브리켓 둘 모두는 표 1에 나타낸 바와 같이 각각 57.4 및 60.6의 예상되는 안식각보다 더 크게 나타났다. 이들 값은 아마도 브리켓의 실질적으로 직사각형의 기하학적 구조와 관련이 있을 것이다.

실시예 3

이러한 실험의 목적은 AFEX™-CS 브리켓의 가수분해 특성을 AFEX™-CS 바이오매스(즉, 비브리켓형)와 비교하는 것이었다.

시재료

실시예 1에 기재된 바와 동일한 공급처로부터 수득된 옥수수대(CS)를 사용하였다. AFEX™ 전처리를 실시예 1에 기재된 바와 동일한 방식으로 CS에서 수행하였다. 브리켓을 실시예 2에 기재된 방법에 따라 제조하였다.

시험된 샘플에는 1.7 g의 AFEX™-CS 바이오매스, 1.6 g의 AFEX™-CS 브리켓, 및 침지된 AFEX™-CS 브리켓을 생성하기 위하여 가수분해 전 오(5)분 동안 25℃에서 100 ㎖의 양의 탈이온수 중에 침지된 2.2 g의 AFEX™-CS가 포함된다.

절차

500 ㎖ 비커에 배치한 후에, 일(1)% 고체 로딩으로, 표준 실험실 프로토콜에 따라 각 샘플에서 효소에 의한 가수분해를 수행하였다. 예를 들어, 문헌[Shishir P.S. Chundawat , Balan Venkatesh, Bruce E. Dale, 2005, Effect of particle size based separation of milled corn stover on AFEX™ pretreatment and enzymatic digestibility, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 96, Issue 2, pp 219-231]을 참조한다.

15 FPU(Filter Paper Unit)의 효소, 구체적으로, 스페자임(Spezyme)® CP(제넨코어(Genencor)® 다니스코(Danisco) 자회사, 미국 뉴욕주 로체스터에 사무소 소재) 전체 셀룰로스를 첨가하였다. 샘플을 뉴 브룬스위크 인큐베이터 이노바(New Brunswick incubator Innova) 44(미국 뉴저지주 에디슨 소재)에서 50℃에서 인큐베이션시키는 한편, 인큐베이터에서 150 RPM으로 진탕시켰다. 6시간, 24시간 및 72시간 인큐베이션 시간에 관찰하고, 샘플을 취하였다.

결과

얻어진 가수분해물의 육안의 검사에 의해, 3가지 샘플 각각이 물 첨가 시에 즉시 완전히 용해되는 것으로 나타났다(도 3b). 따라서, 모든 3개의 샘플이 실질적으로 동일한 양의 시간 내에, 실질적으로 동일한 정도로 가수분해되는 것이 명백하다.

인큐베이터로부터 취한 대략 이(2) ㎖의 샘플을 여과하고, 시마쥬(Shimadzu) 고압 액체 크로마토그래피(HPLC) 모델 LC-2010HT w/ELSD-LT를 통해 작동시켜, 글루칸 및 자일란 전환을 결정하였다.

도 3a 내지 도 3e는 AFEX-CS, AFEX-CS 펠렛 및 침지된 AFEX-CS 펠렛을 포함하는 3가지 바이오매스 샘플을 다양한 시간에 찍은 이미지이다. 도 4a 및 도 4b는 도 3a 내지 도 3e에 나타낸 샘플의 글루칸 전환을 보여주는 상대적 가수분해 그래프이다. 관찰될 수 있는 바와 같이, 글루칸 전환은 각 샘플에 걸쳐 실질적으로 동일하게 유지된다.

표 2는 샘플 각각에서 다양한 시간에 글루코스로 전환된 글루칸의 백분율을 나타낸다.

표 3은 샘플링 간에 생성된 총 글루코스의 백분율을 보여준다.

표 4는 가수분해 전 각 샘플 내의 자일로스로 전환된 총 자일란의 백분율 및 총 자일란을 보여준다.

표 5는 샘플링 간에 생성된 총 자일로스의 백분율을 보여준다.

결론

AFEX™-CS 브리켓에서의 실질적으로 즉각적인 가수분해(예를 들어, 습윤 및 분산)에 의해, 옥수수대 바이오매스의 브리켓화가 가수분해에 영향을 미치지 않는 것이 입증된다. 아마도 다른 바이오매스 물질로부터 제조된 다른 AFEX™ 브리켓이 유사한 방식으로 거동할 것이다. 실제로, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 각 브리켓에서 대부분의 바이오매스는 여섯(6) 시간 내에 당으로 전환되며 이는 비브리켓화 AFEX™ CS 바이오매스 샘플에 비해 더 낫다. 또한, 둘 모두의 브리켓(AFEX™-CS 브리켓 및 침지된 AFEX™-CS 브리켓)은 비브리켓화 샘플과 거의 동일한 정도로 가수분해된다. 이러한 결정은 72시간 후에 남아 있는 고체가 없는 것을 관찰함으로써 이루어졌다(도 3e). 3가지 샘플이 사실상 동일한 전환을 가졌기 때문에, 시험을 72시간에 끝냈다. 이들 결과는 도 4a 및 도 4b에서 확인된다.

실시예 4

이러한 시험을 수행하여, AFEX™-CS 펠렛과 비-AFEX™-CS 펠렛, 즉, 전처리에 노출되지 않은 펠렛 간의 상대 경도를 결정하였다.

시재료

실시예 1에 기재된 바와 같은 동일한 공급처로부터 수득된 CS를 이러한 시험에 사용하였다. 일부의 CS가 실시예 1에 기재된 바와 같은 AFEX™ 전처리를 받게 하였다. 부가되는 결합제를 포함하지 않고, 인공의 건조(실온에서 옥외에서 발생하는 임의의 증발은 시험 절차의 공정 동안 무시할 수 있는 것으로 간주됨)를 포함하지 않는 것을 포함하여, 펠렛화 전에 AFEX™ 처리 바이오매스에 대하여 추가의 처리를 수행하지 않았다.

나머지 부분은 상이한(비-AFEX™) 절차를 받게 하였으며, 이에는 CS 100 g당 대략 오(5) 내지 십(10) g의 물을 첨가하여, 펠렛화 전에 바이오매스의 함수율이 15%가 되게 하는 것이 포함된다.

조지아 대학교(미국 조지아주 아텐스 소재)의 드리프트마이어 엔지니어링 래보러터리(Driftmier Engineering Laboratory)로부터의 로지폴 파인(Lodgepole pine) 바이오매스도 또한 유사한 비-AFEX™ 절차를 받게 하였으며, 바이오매스 수분이 15% 초과인 것으로 측정되었기 때문에, 그것이 12 내지 15% 함수율이 될 때까지 그것을 건조기에 넣었다.

열(10)개의 AFEX™-CS 펠렛 및 열(10)개의 비-AFEX™-CS 펠렛을 양키 펠렛 머신 모델(Yankee Pellet Machine Model) 400(미국 뉴햄프셔주 에핑엄 소재의 양키 펠렛 밀(Yankee Pellet Mill)), 현재 산업 표준으로 여겨지는 펠렛을 생성하는 원심 다이 밀(centrifugal die mill)로 형성하였다. 열(10)개의 비-AFEX™ 소나무 펠렛을 캘리포니아 펠렛 머신(California Pellet Machine), 모델 CL(미국 인디애나주 크로퍼즈빌 소재의 CPM)을 사용하여 펠렛화하였다.

둘 모두의 이들 장치에서 생성된 펠렛은 실질적으로 원통형 형상을 가지며, 직경이 약 육(6) ㎜이다. 길이는 요망되는 대로 달라질 수 있으나, 일반적으로 실시예 2에서 상기 사용된 장치보다 더욱 균일하다. 시험의 목적을 위한 펠렛은 약 일(1) 인치였다.

절차

400PSI 게이지(미국 인디애나주 와바쉬 소재의 카르버(Carver))가 장착된 12T 카르버 래보러터리 수압 프레스/경도(Carver Laboratory Hydraulic Press/Hardness) 시험 장치를 사용하여 펠렛을 경도에 대하여 시험하였다. 구체적으로, 이러한 시험으로 그의 항복 강도를 넘어서 각 펠렛을 파쇄시키는데 필요한 힘의 양을 측정하였다. "항복 강도"의 결정은 훈련된 관찰 및 "감촉"을 통해 이루어졌다. 구체적으로, 시험기가 펠렛이 "찌그러지는(give)" 것을 관찰하고 느낄 때까지 압력을 각 펠렛에 가하였다. 다수의 펠렛을 시험하고, 평균 경도, 즉, 펠렛이 항복하게 하는데 필요한 압력(표 6) 및 평균 변형(표 7)을 결정하였다.

결과

상대적 경도 결과는 하기 표 6에 나타나 있다:

각 펠렛이 "찌그러진" 후에 각 펠렛의 최종 직경의 측정도 또한 행하였다. 이들 측정은 표 7에 나타나 있다. (데이터가 표 6과 비교하여 무작위화되는 것을 주목한다).

미처리, 결합제-부가된 옥수수대 펠렛 평균 항복점은 98 psi + 25 psi였다. AFEX™ 결합제가 부가되지 않은 옥수수대 펠렛 평균 항복점은 119 psi + 20 psi였으며, 비-AFEX™ 결합제-부가된 소나무 펠렛 평균 항복점은 98 psi + 23 psi였다.

모든 원통형 펠렛은 6.00 ㎜의 출발 직경을 가졌다. 미처리, 결합제-부가된 옥수수대 펠렛 평균 항복 변형은 1.06 ㎜ + 0.36 ㎜였다. AFEX™ 결합제가 부가되지 않은 옥수수대 펠렛 평균 항복 변형은 0.95 ㎜ + 0.24 ㎜였으며, 비-AFEX™ 결합제-부가된 소나무 펠렛 평균 항복 변형은 1.06 ㎜ + 0.23 ㎜였다.

결론

AFEX™ 펠렛은 비-AFEX™ 펠렛과 비교하여 더 큰 내구성을 보인다. AFEX™ 펠렛 품질은 또한 비-AFEX™ 펠렛보다 더욱 일관성이 있다. 이와 같이, 임의의 제공된 AFEX™ 펠렛이 비-AFEX™펠렛과 비교하여 변형되거나 망가질 가능성이 적은 것으로 예상된다(원통형 형상 아님).

실시예 5

이러한 시험을 수행하여, 비-AFEX™-CS 펠렛에 비한 AFEX™-CS 펠렛의 벌크 밀도를 결정하였다.

실시예 4에 기재된 방법에 따라 생성된 AFEX™-CS 펠렛 및 비-AFEX™ CS(직경이 약 육(6) ㎜이고, 길이가 약 일(1) 인치임)를 500 ㎖ 비커에 첨가하고, 칭량하였다.

비-AFEX™-CS 펠렛은 약 36 lb/ft³(553 g/ℓ)의 벌크 밀도를 갖는 한편, AFEX™-CS 펠렛은 약 38 lb/ft³(578 g/ℓ)의 벌크 밀도를 가졌다.

이러한 예비 시험에 의해 나타난 바와 같이, AFEX™-CS 펠렛은 비-AFEX™ CS 펠렛보다 더 높은 벌크 밀도를 보였다. 이는 아마도 비-AFEX™ 펠렛의 거친 박편형 외표면에 비하여 그들의 매끄러운 비-박편형 외표면(이는 또한 그들의 유동성을 향상시키는 것으로 예상됨) 때문일 것이다. 보다 큰 규모로 수행된 시험에 의해 벌크 밀도의 훨씬 더 큰 차이가 입증될 것으로 예상된다. 이와 같이, 작은 크기의 컨테이너에 의해 야기되는 에지 효과(edge effect)는 이러한 예비 시험에서 중요한 요인이다.

또한, 일(1) 인치 펠렛보다 더 긴 펠렛이 서로 짓눌려, 보다 높은 밀도로 보다 높은 질량을 생성할 수 있는 것이 가능하다. 대안적으로, 보다 짧은 펠렛은 더 잘 팩킹될 수 있다. 추가의 시험(보다 큰 컨테이너에서의 시험 포함)을 수행하여, 주어진 응용을 위하여 펠렛 크기를 최적화시키고, 이에 따라 전체 벌크 밀도를 최적화시킬 것이다.

실시예 6

이러한 시험에서, 미처리 옥수수대 브리켓의 다양한 특성을 AFEX™-처리 옥수수대 브리켓과 비교하였다.

시재료

실시예 1에 기재된 바와 동일한 공급처로부터 수득된 옥수수대(CS)를 사용하였다. AFEX™ 전처리를 실시예 1에 기재된 바와 동일한 방식으로 CS에서 수행하였다. 브리켓을 실시예 2에 기재된 방법에 따라 제조하였다.

절차

표준 절차를 따라, 표 8 및 9에 나타낸 결과를 수득하였다. 구체적으로, 총 수분: ASTM E871; 회분 함량: ASTM D1102; 황 함량: ATSM D4239; 정적 총 칼로리 양(Gross Caloric Value at Constant Volume): ASTM E711; 염소 함량: ASTM D6721; 벌크 밀도: ASTM E873; 미립자(0.32 ㎝(0.125 in) 미만의 입자): 트윈 피크스 시험(Twin Peaks Test) CH-P-06; 내구성 지수: 캔서스 스테이트 방법(Kansas State Method); 3.8 ㎝(1.5 in) 초과의 샘플: 트윈 피크스 시험 CH-P-06; 최대 길이: 트윈 피크스 시험 CH-P-06; 직경, 범위: 트윈 피크스 시험 CH-P-05. 본원에 언급된 내구성 지수에 도달하는데 사용되는 텀블링(tumbling) 방법은 "캔서스 스테이트 방법"으로 공지되어 있다.

결과

결과는 하기 표 8 및 9에 나타나 있다:

결론

표 8 및 9의 결과에 의해 나타난 바와 같이, AFEX™ 브리켓은 증가된 총 칼로리 양을 가지며, 다시 말하면, AFEX™ 브리켓은 미처리 브리켓에 비하여 AFEX™ 브리켓에서의 보다 적은 수분의 존재 때문에 약 4.8% 더 효율적으로 연소한다. 구체적으로, 비-AFEX™에서 AFEX™의 칼로리 증가는 7388 Btu/lb - 7048 Btu/lb = 340 Btu/lb(또는 748 Btu/kg)와 같이 계산하였으며, 이에 따라, 비-AFEX™에서 AFEX™의 증가%는 (340 Btu/lb)/(7048 Btu/lb) * 100% = 4.8%이다. 또한, 벌크 밀도는 평균 칠(7)% 증가되었으며, 대략 동일한 중량을 갖는 미처리 옥수수대의 브리켓 백과 비교하여, 약 3.5 lb(1.6 kg)로 칭량되는 AFEX™ 브리켓 백에서 미립자(즉, 0.125 ㎝ 미만의 직경을 갖는 파괴된 피스)의 양의 대략 65% 감소가 존재한다.

또한, AFEX™와 비-AFEX™ 브리켓 간의 "내구성 지수"가 이러한 시험에서 실질적으로 동일하지만, 내구성 시험 방법은 상기 실시예에 기재된 파괴적인 시험에 비하여 간단한 텀블링 실험("캔서스 스테이트 방법")이었다. 이와 같이, 브리켓 간을 적절하게 구별할 수 있는데 필요한 분리를 일으키기 위한 불충분한 에너지가 제공된다. 그럼에도 불구하고, 높은 내구성 지수는 AFEX™ 브리켓이 브리켓 산업에 사용하기에 적절한 것을 보여준다.

실시예 7

이러한 시험을 수행하여, 비-펠렛화 AFEX™ 처리 옥수수대에 비한 펠렛화 AFEX™ 처리 옥수수대의 물 흡수능을 결정하였다.

종래의 다회-통과(multi-pass), 로우 코브 옥수수대(low cob corn stover)를 획득하고, 2011년 10월 23일에 아이오와 주립 대학교(Iowa State University, ISU)에서 베일을 만들었다. 옥수수대를 (북 42.21, 서 -93.74)의 GPS 좌표에 위치한 필드로부터 공급받았다. 곡물 획득 후에, 옥수수대를 히니커(Hiniker) 5600 시리즈 사이드 디스차지 윈드로윙 스토크 초퍼(side discharge windrowing stalk chopper)를 사용하여 줄지어 널어 놓고, 마세이 페르구슨(Massey Ferguson) MF2170XD 대형 사각 베일러를 사용하여 베일을 만들었다. 베일을 방수포 아래에 보관한 다음, 베르미어(Vermeer) BG 480 밀을 사용하여 대략 1-인치 입자 크기로 분쇄하였다. 그 다음, 베일을 만든 옥수수대를 5% 미만의 함수율로 건조시켰다.

또한, 옥수수대를 다수의 공급처의 배합물로부터 수득하였으며, 주요 공급처는 초핑된 옥수수대로서 2002년에 미국 콜로라도주 레이 소재의 농장에 의해 제공되는 바와 같은 국립 재생 에너지 실험실(National Renewable Energy Laboratory)이었다. 옥수수대를 건조시킨 다음, 사용 전에 윌리 밀(Wiley Mill)(미국 뉴저지주 스웨데스보로 소재의 토마스 사이언티픽(Thomas Scientific))에서 대략 5 ㎜ 입자 크기로 분쇄하였다.

ℓ당 100 g의 건조 물질의 밀도로 각각을 10 ㎝의 내경 및 90 ㎝의 높이를 갖는 수직 압력 용기(이하에서 "용기")로 팩킹시킴으로써, AFEX™ 전처리를 2개의 옥수수대 샘플에서 수행하였다. 증류수를 첨가하여, 함수율을 약 25%로 증가시킴으로써 수분 수준을 조정하였다. 10-15 psig 및 초당 1 그램의 질량 유속으로 포화 스팀을 용기의 상측에 도입하고, 대략 10분 동안 바닥에서 통기시킴으로써, 얻어진 옥수수대의 베드(bed)를 가열하였다. 옥수수대의 최종 함수율은 대략 40%였다.

용기의 바닥을 밀봉시키면서, 압축된 무수 암모니아 증기를 상측에 도입하였다. 이러한 암모니아 처리 단계 동안의 최대 압력은 200 psig에 도달하였다. 1:1의 암모니아:건조 옥수수대의 비가 달성될 때까지 암모니아를 첨가하였다. 옥수수대의 온도는 초기에 약 80 내지 약 100℃였으며, 약 30 내지 약 50℃로 점차 감소되었다.

대략 30분의 체류 시간 후에, 증기가 바닥을 통해 유출되게 함으로써 용기로부터 압력을 해제하였다. 그 다음, 초당 1 그램의 질량 유속으로 스팀을 용기의 상측에 도입하면서, 바닥으로부터 통기시킴으로써 잔류 암모니아를 옥수수대로부터 제거하였다. 대략 20분 후에, 스팀 유동을 중단시키고, 옥수수대를 용기로부터 제거하였다. 그 다음, AFEX™-처리 옥수수대를 50℃ 컨벡션 오븐(블루(Blue) M 일렉트릭 컴퍼니 클래스(Electric Company Class) A 뱃치 오븐(Batch Oven), 미국 일리노이주 블루 아일랜드 소재)에서 건조시켰다.

부스키르크 엔지니어링(Buskirk Engineering)(미국 인디애나주 오시안 소재) PM610 플랫 다이(flat die) 펠렛 밀(이하에서 "펠렛 밀")을 사용하여 펠렛화를 수행하였다. 직경 0.25 인치의 원형 홀을 갖는 다이를 사용하였다. 수돗물을 AFEX™처리 옥수수대에 첨가하고, 요망되는 함수율이 수득될 때까지 수동으로 혼합하였다. 약 3 내지 약 5 ㎏으로 칭량되는 옥수수대의 3가지 샘플을 다이 상에 옥수수대의 매트를 유지하기에 충분한 속도로 펠렛 밀에 수동으로 첨가하였다. 그 다음, 롤러는 다이를 통해 옥수수대를 압축시켜, 펠렛을 생성하였다. 펠렛을 수집하고, 블루 M 컨벡션 오븐에서 건조시켰다.

샘플 번호 1 및 2는 콜로라도로부터 공급받은 옥수수대로 구성되며, 5 ㎜ 입자 크기로 분쇄하고, 각각 12% 수분 및 50% 수분으로 펠렛화시켰다. 샘플 번호 3 및 4는 ISU로부터 수득된 1-인치 옥수수대였으며, 각각 20% 수분으로 펠렛화시키고, 펠렛화시키지 않았다.

샘플을 500 ㎖ 삼각 배플형 플라스크에 250 g 총 중량으로 증류수에 첨가하고, 50℃ 진탕 플라스크 인큐베이터에 하룻밤 두어, 물을 흡수시키고, 펠렛 형상을 파괴하였다. 펠렛화 바이오매스 및 성긴 바이오매스에 대한 함수율을 오하우스(OHaus)(미국 뉴저지주 파시파니 소재(Parsippanny, NJ)) MB25 수분 분석기를 사용하여 측정하였다. 펠렛화 샘플(번호 1 내지 3)에 있어서, 37.5 g의 건중량의 옥수수대 샘플을 각 플라스크에 첨가하는 한편, 샘플 번호 4에 대해서는 25 g 건중량의 옥수수대를 첨가하였다. 증류수를 각 플라스크에 첨가하여, 총 중량을 250 g으로 증가시켰다. 하룻밤 침지시킨 후에, 샘플을 제거하고, 진공 여과를 통해 와트만(Whatman) #1 셀룰로스 필터를 통하여 여과하였다.

일단 모든 액체가 배수되면, 진공을 턴 오프시켰다. 그 다음, 액체의 부피를 측정하였다. 물 흡수능을 회수된 액체의 최종 부피와 첨가되는 물의 총 부피 간의 차이로서 측정하였다. 이러한 측정에 의해, 완전한 혼합을 가정하고 초기 가수분해 단계에서 15% 고체에서 존재하는 자유수의 계산(성분의 총 중량의 백분율로서)이 가능하게 되었다.

이들 결과는 다양한 함수율에서 펠렛화 옥수수대가 15% 고체 로딩으로 물에 첨가될 수 있으며, 물이 액체로서 그의 총 질량의 약 18 내지 약 26%로 유지되게 함을 보여준다. 자유수의 양은 5 ㎜ 입자 크기로 생성된 펠렛에 비하여 1 인치 입자 크기 옥수수대(샘플 번호 3)를 사용하여 생성된 펠렛에서 상당히 증가된다. 이는 다이를 통한 보다 큰 입자 크기 옥수수대의 압축 증가 때문일 수 있으며, 이는 옥수수대 내의 모세관 부피를 감소시켜, 이에 의해, 수분 흡수능을 감소시킨다. 이러한 자유수의 양은 고체가 현탁액 중에 남아 있는 것을 보장할 수 있으며, 이는 다운스트림 공정, 예를 들어, 가수분해를 위하여 균일한 혼합을 가능하게 할 것이다.

실시예 8

이러한 시험을 수행하여, 펠렛화 AFEX™-처리 옥수수대의 벌크 밀도 및 저장 수명, 및 초기 가수분해 속도에 대한 혼합의 영향을 결정하였다.

저장성 및 벌크 밀도

옥수수대를 실시예 7에 기재된 방식으로 공급받고, AFEX™-처리하고, 치밀화시켰다. 이전에 기재된 펠렛에 더하여, 펠렛을 또한 미국 콜로라도주 레이로부터 수득된 AFEX™-처리 옥수수대로부터 25% 및 35%의 함수율로 생성하고, 5 ㎜ 스크린을 통해 분쇄하였다.

펠렛화 후에, 약 10 g의 펠렛을 밀봉된 플라스틱 백에 두고, 1개월의 과정에 걸쳐 관찰하였다. 또한, 15% 미만의 함수율로 건조된 펠렛을 플라스틱 컨테이너에 밀봉하고, 이 또한 1개월의 과정에 걸쳐 관찰하였다. 가시적인 진균 성장이 발생하지 않는다면, 샘플이 충분한 저장 수명을 갖는 것으로 간주하였다. 남아 있는 펠렛을 15% 미만의 함수율이 수득될 때까지 실시예 7에 기재된 50℃ 컨벡션 오븐에서 건조시켰다.

1000 ㎖ 비커에 건조된 펠렛을 배치함으로써 벌크 밀도를 측정하였다. 비커를 약간 진탕시켜, 펠렛의 균일한 침전을 보장하고, 0.01 g의 감도를 갖는 저울(오하우스 GT 4000)을 사용하여 칭량하였다. 펠렛의 벌크 밀도를 (충 중량 - 비커 중량) * (1 - 함수율)/1ℓ로 계산하였다.

50% 함수율로 생성되고, 플라스틱 백에 배치된 펠렛은 24시간 후에 진균 성장의 징후를 보이기 시작했다. 7일 이내에, 펠렛은 백색 진균으로 완전히 덮였다. 35% 함수율로 생성되고, 플라스틱 백에 배치된 펠렛은 3일 이내에 진균 성장을 보이기 시작했다. 7일 이내에, 펠렛은 백색 진균으로 완전히 덮였다. 상대적으로, 12%, 20% 및 25% 함수율로 생성된 펠렛은 적어도 1개월 동안 어떠한 진균 성장도 발생하는 것으로 나타나지 않았다. 마찬가지로, 펠렛이 20% 미만의 함수율로 건조되는 경우, 모든 샘플은 적어도 1개월 동안 진균 성장을 갖지 않는 것으로 보인다.

대조군으로서 성긴 미처리 옥수수대 및 성긴 AFEX™ 처리 옥수수대와 함께 펠렛의 벌크 밀도는 도 8에 나타나 있다. 도 8에서 나타낸 바와 같이, 펠렛의 벌크 밀도는 미처리 옥수수대에 대한 50 g/ℓ로부터 12% 함수율로 펠렛화된 물질에 대한 거의 600 g/ℓ로 증가되었다. 보다 높은 함수율로 펠렛화된 옥수수대에서는 벌크 밀도의 상당한 감소가 관찰되었지만, 벌크 밀도는 약 80 ㎏/㎥의 벌크 밀도를 가졌던 성긴 AFEX™-처리 옥수수대와 종래의 베일(120 ㎏/㎥)에 대해서보다 훨씬 더 컸다.

AFEX™-처리 옥수수대 펠렛은 벌크 밀도에 관하여, 총 중량 기준 12 내지 50%의 임의의 함수율로 생성될 수 있으며, 2 ㎜ 내지 25 ㎜(1 인치) 범위의 입자 크기로 생성될 수 있고, 200 ㎏/㎥ 초과의 벌크 밀도를 유지한다. 펠렛이 훨씬 더 높고/거나 낮은 함수율로 생성될 수 있는 것이 가능하다. 그러나, 보다 건조한 펠렛은 보다 큰 벌크 밀도 및 보다 긴 기간의 저장성을 제공한다.

가수분해율에 대한 혼합의 영향

ISU로부터 수득된 1-인치 옥수수대를 사용하였다. 또한, 동일한 옥수수대를 수득하고, AFEX™-처리하나, 펠렛화시키지 않았다.

샘플 번호 1, 2 및 3에 있어서, 효소에 의한 가수분해를 18% 고체 로딩에서 수행하였다. 2.8 ℓ 배플형 삼각 플라스크에서 가수분해를 수행하였다. 각 플라스크에 500 ㎖의 0.1 M 시트르산나트륨/시트르산 완충제(미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 시그마 알드리치(Sigma Aldrich)), pH 4.5를 첨가하였다. 노보자임스(Novozymes) CTec2 셀룰로오스(cellulosic) 효소 및 노보자임스 HTec2 헤미셀룰로오스(hemicellulosic) 효소를 각각 1260 ㎎ 및 540 ㎎(옥수수대 g당 7 mg 및 3 mg)의 단백질 수준으로 각 플라스크에 첨가하였다. 증류수를 첨가하여, 용액의 총 중량이 180 g의 옥수수대의 건중량의 중량을 제하고 1000 g이 되게 하였다.

샘플 번호 4에 있어서, 효소에 의한 가수분해를 24% 고체 로딩으로 수행하였다. 가수분해를 125 ㎖ 배플형 삼각 플라스크에서 수행하였다. 각 플라스크에, 25 ㎖의 0.1M 시트르산나트륨/시트르산 완충제(미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 시그마 알드리치), pH 4.5를 첨가하였다. 노보자임스 CTec2 셀룰로오스 효소 및 노보자임스 HTec2 헤미셀룰로오스 효소를 각각 84 ㎎ 및 36 ㎎(옥수수대 g당 7 ㎎ 및 3 ㎎)의 단백질 수준으로 각 플라스크에 첨가하였다. 증류수를 첨가하여, 용액의 총 중량이 12 g의 옥수수대의 건중량의 중량을 제하고 50 g이 되게 하였다.

샘플 번호 1에서, 비펠렛화 AFEX™-처리 옥수수대를 유가식으로 첨가하고, 물질의 절반(90g 건중량)을 가수분해의 시작 시에 첨가하고, 절반(90g 건중량)을 3시간 후에 첨가하였다. 샘플 번호 2에서, 비펠렛화 AFEX™-처리 옥수수대를 모두 즉시 첨가하였다(180 g 건중량). 샘플 번호 3에서, 펠렛화 AFEX™-처리 옥수수대를 모두 즉시 첨가하였다(180 g 건중량). 샘플 번호 4에서, 펠렛화 AFEX™-처리 옥수수대를 유가식으로 첨가하고, 절반(6 g 건중량)을 가수분해의 시작 시에 첨가하고, 절반(6 g 건중량)을 3시간 후에 첨가하였다. 처음 바이오매스를 첨가한 후에, 플라스크를 50℃에서 진탕 플라스크 인큐베이터에 배치하고, 200 RPM으로 회전시켰다. 샘플을 매시간 육안으로 검사하고, 수동으로 와류시켜, 액체 매질의 유동성 및 바이오매스 미립자의 현탁화 능력을 결정하였다.

1 ㎖ 샘플을 효소 첨가 6시간 및 24시간 후에 수득하고, HPLC를 통하여 당 생성에 대하여 분석하였다. 바이오라드(Biorad)(미국 캘리포니아주 허큘리스 소재) 아미넥스(Aminex) HPX 87P 컬럼을 사용하여, 0.6 ㎖/분의 유속으로 개별 당을 분리하고, 컬럼을 85℃로 가열하였다. 워터스(Waters) 2414 굴절률 검출기(미국 매사추세츠주 밀퍼드 소재)를 사용하여 당을 정량화시켰다.

본원에 기재된 다양한 구현예에 따라 수행될 수 있는 예시적인 가수분해, 예를 들어, 이러한 실시예에서 수행된 가수분해의 시각적 표현은 도 7a 내지 도 7h에 나타나 있다. 가수분해성 치밀화 미립자(706)(예를 들어, 샘플 번호 3)의 가수분해는 도 7a 내지 도 7d에 나타나 있다. 가수분해는 도 7a에 나타낸 바와 같이 0시간에 시작하며, 다수의 가수분해성 치밀화 미립자(706)는 수위(704A)를 갖는 소정량의 액체, 예를 들어, 물과 함께 컨테이너(702)에 배치된다. 도 7b에 나타낸 바와 같이 0.5 시간 내에, 입자(709)를 함유하는 현탁액(708A)이 형성되며, 수위(704A) 위로 가수분해성 치밀화 미립자(706)가 보이지 않는다. 입자는 도 7c 및 도 7d에 나타낸 바와 같이, 가수분해 처음 6시간 내내 그리고 그를 지나서, 현탁액에 유지된다. 필요에 따라, 추가의 가수분해성 치밀화 미립자(706)는 임의로 3시간 시점에 첨가되어, 도 7c에 나타낸 바와 같이 고체 로딩을 추가로 증가시킬 수 있다(예를 들어, 샘플 번호 4).

대조적으로, 도 7e 내지 도 7h에 나타낸 바와 같이, 성긴 바이오매스 섬유(예를 들어, 샘플 번호 2)의 종래의 가수분해 동안 성긴 바이오매스 섬유 및 액체, 예를 들어, 물을 즉시 조합하여, 도 7e에 나타낸 바와 같은 성긴 습윤 바이오매스 섬유(710)를 형성하고, 도 7f에 나타낸 바와 같이 심지어 0.5 시간 시점에, 혼합이 발생하지 않았다. 도 7g에 나타낸 바와 같이 3시간 시점까지 수위(704B)는 처음에는 눈에 보인다. 비슷한 양의 시재료에 있어서, 이러한 수위(704B)는 도 7a 내지 도 7d에 나타낸 수위(704a), 다시 말하면, 가수분해성 치밀화 미립자(706)가 기질로 사용되는 경우보다 더 낮다.

도 7g에 나타낸 자유수의 종국의 존재에도 불구하고, 입자(709)를 함유하는 현탁액(708B)은 수위(704B) 위와 아래 둘 모두에 존재하는 혼합되지 않은 성긴 습윤 바이오매스 섬유(710)의 존재에 의해 지체된다. 그러나, 도 7h에 나타낸 바와 같이, 6시간 시점에, 성긴 습윤 바이오매스 섬유(710)는 충분히 가수분해되어, 모든 고체(710)가 이제 입자(709)로 전환되며, 이는 도 7d와 유사하게, 현탁액(708B) 중에 유지되지만, 현탁액(708B) 중의 당 농도는 더 낮다.

이들 개략도가 나타내는 바와 같이, 가수분해는 가수분해성 치밀화 미립자(706)를 사용하여 초기에 더욱 신속하게 발생할 뿐 아니라, 추가의 가수분해성 치밀화 미립자(706)가 임의로, 상대적으로 짧은 기간, 예를 들어, 대략 절반 이하의 가수분해 사이클 후에 첨가될 수 있으며, 다시 말하면, 보다 높은 고체 로딩이 가능하여, 도 7d의 얻어진 현탁액(708A)이 도 7h의 현탁액(708B)의 당 농도에 비하여 더 높은 당 농도를 갖게 한다.

표 11은 샘플 번호 1, 2 및 3에 대한 효소 첨가 후 처음 6시간 동안의 바이오매스의 용해의 육안의 관찰을 나타낸다.

이들 결과는 치밀화 옥수수대의 사용이 초기 가수분해 단계를 상당히 향상시키는 것을 보여준다. 처음 6시간에 방출된 글루코스는 유가식 첨가가 없는 성긴 바이오매스에 대해서보다 31% 더 높았으며, 유가식 첨가를 사용한 성긴 바이오매스보다 11% 더 높았다. 향상된 가수분해 성능은 24시간 내내 계속되었다. 추가로, 펠렛 가수분해물은 낮은 겉보기 점도로 유지되었으며, 처음 6시간 내내 용이하게 혼합되었으며, 이는 표준 임펠러가 바이오매스를 현탁액 중에 유지할 수 있음을 시사한다. 바이오매스가 현탁액 중에 용이하게 유지될 수 있기 때문에, 고체 로딩은 용이하게 증가될 수 있다. 샘플 번호 4에서, 바이오매스는 현탁액 중에 유지되며, 증가된 고체 로딩에도 불구하고, 처음 6시간 동안 용이하게 혼합되었다. 71 g/ℓ의 글루코스 농도는 24시간 후에 수득되었으며, 18% 고체 로딩에서의 펠렛에 비하여 30% 증가하였다.

상대적으로, 유가식 가수분해는 가수분해 처음 1시간 뿐 아니라, 효소의 2차 첨가 후 처음 1시간에 용이하게 혼합가능하지 않았다. 유가식 첨가가 없는 성긴 바이오매스는 최대 5시간 동안 혼합가능하지 않게 유지되었다.

실시예 9

이러한 시험을 수행하여, AFEX™-처리 옥수수대 펠렛을 사용한 18% 고체 로딩 가수분해가 1:3의 임펠러 크기 대 탱크 직경 비를 갖는 수직 교반형 탱크 반응기에서 수행될 수 있는지를 결정하였다.

옥수수대는 실시예 7에서 샘플 번호 1에 대하여 기재된 방식으로 AFEX™-처리하고, 펠렛화시켰다. 6개의 날이 있는 루쉬톤 임펄러 및 3개의 날이 있는 선박용 임펠러가 장착된 유리 6 리터 마이크로펌(Microferm) 반응기(미국 코네티컷주 엔필드 소재의 뉴 브룬스위크 사이언티픽(New Brunswick Scientific))를 사용하였다. 0.35 또는 약 1.3의 임펠러 크기 대 탱크 직경 비를 위하여, 임펠러 직경은 약 7.5 ㎝였으며, 탱크 내경은 약 21.5 ㎝였다. 4개의 균일하게 이격된 수직 배플도 또한 반응기에 존재하였다. 증류수 및 효소를 총 4.60 ㎏의 중량에 첨가하였다. 사용된 효소는 7,000 ㎎의 노보자임스 CTec2 및 3,000 ㎎의 HTec2였다. 대략 1 ㎏의 건중량의 펠렛을 용액에 첨가하였다. 온도를 50℃로 유지하고, pH를 4M NaOH(미국 미주리주 세인트루이스 소재의 시그마 알드리치)를 사용하여 수동으로 5로 조정하였다. 임펠러를 400 rpm에서 회전시켰다. 육안의 관찰을 처음 30분의 가수분해 내내 기록하고, 20 ㎖의 샘플을 펠렛의 첨가 후 1, 4 및 6시간에 수득하였다. 이들 샘플을 이전의 실시예에 따라 당 분석에 대하여 정량화하였다.

48시간의 가수분해 후에, 가수분해물 브로쓰를 원심분리하여, 바이오매스 미립자를 제거하였다. 그 다음, 상청액을 발효 유기체로서 자이모모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis) AX101을 사용하여 발효시켰다. pH를 6으로 조정하고, 온도를 30℃로 감소시켰다. 자이모모나스 모빌리스를 효모 추출물에서 성장시키고, 600 ㎚에서의 1의 초기 OD로 가수분해물에 첨가하였다. 1%(v/v) 로딩의 옥수수 침지액 및 2 g/l의 인산칼륨을 영양소로 첨가하였다. 샘플을 접종 후 24시간에 취하여, 에탄올 생성 및 당 이용을 평가하였다. 샘플을 실시예 8에 기재된 바와 같은 HPLC를 통하여 에탄올 생성 및 당 소비에 대하여 분석하였다. 에탄올 생성을 위하여, 바이오라드 아미넥스 87H 컬럼을 아미넥스 87P 대신 사용하였다.

교반이 개시되는 경우, 옥수수대 펠렛이 즉시 현탁화되었으며, 10분 내에 개별 미립자로 신속하게 파괴되었다. 펠렛이 파괴됨에 따라, 옥수수대의 층이 용기의 표면을 따라 침착되었다. 이러한 층은 얇은 것으로 보이며, 섹션이 계속 파괴되고, 현탁액에 재유입됨에 따라, 영구적이지 않았다. 20분 내에, 모든 옥수수대는 현탁화되고, 48시간 기간의 가수분해 동안 현탁화가 유지되었다. 글루코스 농도는 진탕 플라스크에서의 성능과 일치하게, 1, 4 및 6시간 후에 21.9 g/ℓ, 34.2 g/ℓ 및 44.1 g/ℓ였다.

글루코스 및 자일로스 역가는 발효의 시작 시에 51.6 g/ℓ 및 24.3 g/ℓ였다. 24시간 후에, 글루코스가 완전히 소비되고, 자일로스가 부분적으로 소비되어, 최종 농도가 13.1 g/ℓ가 되었다. 이러한 부분적인 소비는 이러한 미생물을 사용한 AFEX™-처리 옥수수대의 발효에 통상적이며, 일 예로서 문헌[Lau MW et al., Biotechnology for Biofuels 3:11 (2010)]을 참조한다. 최종 에탄올 농도는 32.3 g/ℓ였다.

입증된 바와 같이, 효소에 의한 가수분해 및 발효는 18% 고체 로딩만큼 높은 수준으로 수행될 수 있으며, 여전히 30 g/ℓ의 과량의 최종 에탄올 농도가 달성된다. 약 1:3의 임펠러 크기 대 탱크 직경 비는 현탁액 중에 고체를 유지하고, 균일한 혼합을 가능하게 하는데 충분하다. 아마도 훨씬 더 높은 고체 로딩이 사용될 수 있지만 추가의 시험을 수행하여, 이러한 가설을 확인할 것이다.

실시예 10

이러한 시험에서, 상이한 함수율로 생성된 펠렛을 높은 고체 로딩으로 가수분해시켜, 얻어진 글루코스 수율에 대한 그의 영향을 결정하였다.

옥수수대를 다수의 공급처, 그러나, 주로 실시예 7에 기재된 바와 같이 미국 콜로라도주 레이로부터 수득하였다. 이러한 옥수수대를 실시예 7에 기재된 바와 같이 5 ㎜ 입자 크기로 분쇄하고, AFEX™ 처리하고, 펠렛화시켰다. 펠렛을 12% 함수율, 25% 함수율, 35% 함수율 및 50% 함수율로 생성하였다. 효소에 의한 가수분해를 100 g 총중량으로, 250 ㎖ 삼각 플라스크에서 18% 고체 로딩으로 수행하였다. 18 그램(건중량)의 펠렛을 각 플라스크에 첨가하고, 물을 첨가되는 모든 성분에 대하여 100 g의 총 중량을 야기하는 양으로 첨가하였다.

테트라사이클린 및 사이클로헥스이미드를 각각 20 mg/ℓ 및 15 mg/ℓ의 최종 농도로 첨가하여, 진균 오염을 방제하였다. 시트레이트 완충제를 사용하여, 실시예 8에 기재된 바와 같이 pH를 조절하였다. 노보자임스 CTec2 및 HTec2 효소를 각각 펠렛 g당 7 ㎎ 및 3 ㎎의 단백질 로딩으로 첨가하였다. 효소 첨가 후에, 플라스크를 밀봉하고, 50℃ 및 200 rpm 회전수로 설정된 진탕 플라스크 인큐베이터에 배치하였다. 1 ㎖ 샘플을 효소를 첨가한 후 1, 6, 24, 48 및 72시간에 수득하고, 실시예 9에 기재된 바와 같이 당 함량에 대하여 분석하였다. 결과는 도 6에 나타나 있다. (50% 수분에 대한 선을 명확히 나타내기 위해 좌측으로 0.5시간 이동시킴을 주목한다).

도 6에 나타낸 바와 같이, 60 g/ℓ 초과의 글루코스 농도가 48시간 내에 모든 AFEX™ 처리 옥수수대 펠렛에 대하여 수득되었다. 이러한 농도는 에탄올 또는 기타 부가 가치 생성물로의 효율적인 발효에 충분하다. 또한, 펠렛은 신속한 속도로 가수분해되어, 총 당의 50% 초과의 당이 처음 6시간 내에 생성된다. 보다 높은 함수율로 생성된 펠렛은 낮은 함수율로 생성된 펠렛보다 더 큰 당 수율을 갖는 경향이 있다. 그러나, 50% 함수율로 생성된 펠렛은 35% 함수율로 생성된 펠렛보다 인식가능하게 더 많은 글루코스를 방출하지 않았다.

입증된 바와 같이, AFEX™-처리 바이오매스는 넓은 범위의 함수율에 걸쳐 펠렛화될 수 있으며, 여전히 발효성 당 생성을 위한 공급원료로 이용가능하다. 소비자의 자본과 요망에 따라, 함수율을 맞춤화시켜, 임의의 수의 응용을 위해 저장성 대 당 농도의 적절한 조합을 제공하는 것이 가능할 수 있다.

실시예 11(예측)

바이오매스, 예를 들어, 스위치그래스 및 프레어리 코드 그래스의 샘플은 다양한 숙도로 수집될 것이며, 옥수수대는 곡물 수집 후에 수집될 것이다. 바이오매스 조성은 획득 시에, 둥근 베일에서의 저장 동안, 초기 AFEX™ 처리 및 치밀화 후에, 그리고 치밀화 펠렛의 저장 후에, 결정될 것이다. AFEX™ 전처리는 시간, 온도, 바이오매스 수분 및 암모니아 대 바이오매스 비의 파라미터에 기초하여 가수분해 및 결합 특성에 대하여 통계적으로 최적화될 것이다. 적어도 90%의 글루칸 전환 및 80% 자일란 전환을 제공하는 AFEX™ 조건을 사용하여 치밀화를 위한 물질을 제조할 것이다.

치밀화는 실시예 2, 3 또는 8에 사용된 방법을 포함하는 임의의 적절한 방법을 사용하여 수행될 것이다.

얻어진 펠렛이 장기간 저장을 모의하도록 다양한 환경 조건을 받게 한 다음, 유동성, 압축 강도 등에 대해 평가될 것이다. 다운스트림 가공 특징은 개별 가수분해 및 발효(SHF) 대 동시 당화 및 발효(SSF)를 포함하는 표준화 가수분해 및 발효 조건의 세트를 사용하여 평가될 것이다. 일 구현예에서, 이들 특성의 비교는 신선하게 제조된 펠렛(즉, 약 일(1) 개월 이내), 저장된 펠렛 및 비-치밀화 바이오매스 간에 이루어질 것이다.

실시예 12(예측)

프레어리 코드 그래스의 AFEX™ 전처리는 시간, 온도, 바이오매스 수분 및 암모니아 대 바이오매스 비에 대하여 통계적으로 최적화될 것이다. 상당히 넓은 범위의 AFEX™ 전처리 조건은 유사한 가수분해 결과를 제공하여, 본 발명자들에게 결합 특성을 향상시키는 전처리 조건의 세트도 또한 존재한다는 확신을 제공한다. 적어도 90%의 글루코스 전환 및 80% 자일란 전환을 제공하는 AFEX™ 전처리 조건을 확인하고 사용하여, 치밀화를 위한 물질을 제조할 것이다. 본 발명자들이 본 발명자들의 실험실에서 개발된 다양한 방법(ESCA, 프러시안 블루(Prussian blue) 염색, SEM)을 사용하여 표면 특성에 대하여 이들 전처리 물질을 특성화할 것이며, 그들 특성은 펠렛 밀도 및 내구성과 상호관련될 것이다.

실시예 13(예측)

전처리 바이오매스를 치밀화 펠렛으로 전환시키기 위한 운영 조건을 최적화시키기 위하여, 운영 변수를 조사할 것이다. 이들 변수에는 AFEX™ 전처리 조건, 함수율, 입자 크기, 다이 온도 대 결합 세기, 압축률 대 산출물의 품질, 에너지 사용, 존재하는 표면 화학물질 및 변형, 압축 비와 얻어진 밀도 및 압축된 패키지 크기 및 형상이 포함된다. 기계적 성분의 소모와 마모도 또한 평가할 것이다.

실시예 14(예측)

임의의 공지된 AFEX™ 절차를 사용하여, 또는 실시예 1의 절차에 따라, 또는 AFEX™ 절차의 임의의 다른 적절한 변형을 사용하여 전처리된 바이오매스를 실시예 2 및 3에 기재된 방법을 포함하는 임의의 적절한 방법을 사용하여 치밀화시킬 것이다.

그 다음, 치밀화 바이오매스가 온도(25 내지 40℃), 상대 습도(60 내지 90%), 압밀 응력(0 내지 120 ㎪) 및 저장 시간(0 내지 6 mo)을 포함하는 다양한 환경 조건을 받게 할 것이다. 저장 후에, 물리적 특징이 하기 기재된 바와 같이 평가될 것이다:

유동성을 다수의 AFEX™-펠렛이 컨테이너, 예를 들어, 트럭의 베드 내에 배치되고, 약 45도 기울이는 간단한 시험으로 평가할 수 있다. 종래의 펠렛과의 비교는 펠렛이 컨테이너 외측으로 유동하는데 걸리는 시간을 주목함으로써 이루어질 수 있다.

또한, 유동성은 카르 지수(Carr Indices)를 사용하여 평가될 것이다. 문헌[ASTM D6393. 1999, Standard test method for bulk solids characterization by Carr indices, ASTM Standards, W. Conshohocken. PA]을 참조한다. 유동성은 주어진 환경 조건 하에서 갑작스럽지 않게 물질이 유동하는 능력으로서 완전히 정의된다. 유동성 측정은 흔하게는, 총 유동성 지수 및 총 침수성 지수를 계산함으로써 카르 지수에 의해 행해진다. 문헌[Carr, R. L. Jr. 1965, Evaluating flow properties of solids, Chemical Engineering 72(3): 163-168]을 참조한다.

총 유동성 지수에 대한 보다 높은 값과, 총 침수성 지수에 대한 보다 낮은 값은 유동 문제가 적거나 없는 이상적인 물질을 제공할 것이다. 유동성을 정량화하는 다른 방법은 제니케 전단 응력(Jenike Shear Stress) 특성을 측정함으로써 이루어진다. 문헌[Jenike, A. W. 1964, Storage and flow of Bulletin No. 123, Utah Engineering station, Bulletin of University of Utah]을 참조한다. 또한, 제니케의 방법을 사용하여 입자 응집력, 항복 궤적, 내부 마찰각, 항복 강도 및 유동 함수 및 입자 크기 분포를 결정할 것이다. 문헌[ASTM D6128. 2000, Standard Test Method for Shear Testing of Bulk Solids Using the Jenike Shear Cell, ASTM Standards, W. Conshohocken. PA] 및 문헌[ASAE S19.3. 2003, Method of determining and expressing fineness of feed materials by sieving, ASAE Standards. St Joseph, MI: ASABE]을 참조한다.

또한, 글루칸, 자일란, 갈락탄, 아라비난, 만난, 리그닌, 회분 및 섬유 수준을 평가하여, 저장 및 유동성 거동에 대한 그들의 영향을 결정할 것이다. 또한, 몇몇 다른 물리적 특성(즉, 입자 크기, 입자 형상, 열 특성, 수분 특성 및 색상)을 불량한 유동성의 지표로서 측정할 것이다. 문헌[Selig, M, et al., 2008, Enzymatic saccharification of lignocellulosic biomass, Technical report NREL/TP-510-42629]; 문헌[Sluiter, A, B. Hames, R. Ruiz, C.Scarlata, J. Sluiter, and D. Templeton, 2008a, Determination of ash in biomass, Technical report NREL/TP-510-42622]; 문헌[Sluiter, A, B. Hames, R. Ruiz, C. Scarlata, J. Sluiter, D. Templeton, and D. Crocker. 2008b, Determination of structural carbohydrates and lignin in biomass, Technical report NREL/TP-510-42618]을 참조한다.

바이오매스가 치밀화 전과 후에 취급되는 능력에 영향을 미치는 유동학적 물질 특성을 널리 확립할 것이다. 이러한 특성에는 벌크 밀도, 진밀도, 압축성, 이완성, 스프링백, 투과성, 1축 항복 강도 및 마찰 품질이 포함되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 특성은 공급원료 입자 크기 및 분포, 형상 인자, 수분 조건 및 압밀 압력 및 시간의 함수이다. 상용의 유동학적 시험기가 전형적으로 작은 곡물과 미세한 분말에서의 사용을 위해 고안되고; 결과적으로, 직경이 1/4인치 초과인 미립자를 수용하기 못하기 때문에; 본 발명자들은 보다 큰 공급원료 입자를 특성화하기 위한 신규한 측정 시스템을 개발할 것이다. 시스템은 다양한 물질 크기에 대해 크기 조정될 수 있으며, 상용의 로드 프레임이 통합될 수 있고, 다양한 압밀 압력에 걸쳐 작동될 수 있는 압축 및 전단 셀을 포함한다.

데이터를 분석하여, 정규 통계학 방법, 예를 들어, 일반 선형 모델, 회귀, 반응 표면 분석, 다변량 분석 및 적절한 다른 기술을 사용하여 향상된(또는 최적화된) 유동성을 야기하는 조건을 결정할 것이다. 문헌[Myers, H. R. 1986, Classical and modern regression applications, 2^nd edition. Duxbury publications, CA. USA. Draper, N. R.] 및 문헌[Smith, H. 1998, Applied Regression Analysis, New York, NY: John Wiley and Sons, Inc]을 참조한다.

실시예 15(예측)

적어도 3가지 유형의 바이오매스, 즉, 옥수수대, 스위치그래스 및 프레어리 코드 그래스를 평가할 것이다. 이들 공급원료 각각에 대하여, 분쇄된 미가공(raw) 바이오매스, AFEX™ 전처리 바이오매스 및 AFEX™ 전처리 및 치밀화 바이오매스(저장 전과 후)의 샘플을 수집할 것이다. 따라서, 3 x 4 = 12개의 총 바이오매스 샘플 유형을 평가할 것이다. 개별 가수분해 및 발효(SHF)를 평가할 것이다. 당화를 위하여, 플라스크를 오비탈(orbital) 진탕기에서 50℃ 및 250 rpm에서 48시간 동안 인큐베이션시킬 것이다. 샘플을 0, 2, 4, 6, 8, 18, 24, 30, 36 및 48시간에 제거할 것이다. 그 다음, 플라스크를 30℃로 냉각시키고, 이(2) g/ℓ의 글루코스 및 이(2) g/ℓ의 효모 추출물을 함유하는 배지에서 성장시킨 펜토스-발효능을 갖는 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae)의 재조합 균주의 12 내지 18시간 배양물 2 ㎖을 접종하였다. 플라스크를 오비탈 진탕기에서 30℃ 및 150 rpm에서 추가 96시간 동안 인큐베이션시킬 것이다. 샘플을 발효 동안 0, 3, 6, 9, 18, 24, 36, 48, 60, 72, 84 및 96시간에 제거할 것이다.

또한, 동시 당화 및 발효(SSF)를 수행하여, 전환을 평가할 것이다. 주요 차이는 플라스크에 효소를 투여하고, 상기 언급된 바와 같은 효모를 즉시 접종한 다음, 30℃에서 144시간 동안 인큐베이션시킬 것이라는 점일 것이다. 샘플을 0, 2, 4, 6, 8, 18, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 120 및 144시간에 제거할 것이다. 효소 및 바이오매스 로딩 및 다른 조건은 상기 열거된 것들과 동일할 것이다.

신규한 치밀화 바이오매스 생성물 및 이의 제조 및 이용 방법이 본원에 기재된다. 일 구현예에서, 종래의 전처리를 사용하여 점착성 바이오매스를 생성하며, 이는 놀랍게도, 부가되는 결합제를 사용하지 않고, 고체 가수분해성 미립자로 용이하게 전환가능하다. 또한, 가수분해성 미립자는 놀랍게도, 적어도 부가되는 결합제(들)를 사용하여 생성되고/거나 부가되는 결합제(들)를 함유하는 종래의 치밀화 미립자만큼 치밀하고, 그에 비하여 뛰어난 경도 특성을 나타낸다.

한 구현예에서, 1종 초과의 바이오매스 물질(예를 들어, 옥수수대, 풀 및/또는 목재 등)을 포함하는 가수분해성 미립자가 제공된다. 이러한 방식으로, 바이오매스 가공 산업으로 더욱 용이하게 적합화될 수 있는 상대적으로 균일한 특성을 갖는 가수분해성 고체 바이오매스 생성물 물품이 제공된다. 이러한 특성은 BTU 함량, 당 함량 등을 포함할 수 있으나 이들에 한정되지 않는다.

임의의 적절한 유형의 치밀화 공정을 사용하여, 다양한 크기 및 형상을 갖는 생성물을 생성할 수 있다. 한 구현예에서, 치밀화 공정 장치는 기어 맞물림 시스템을 사용하여 인접한 기어 톱니 간의 테이퍼링 채널을 통해 바이오매스를 압축시켜, 고밀도 가수분해성 미립자를 형성한다. 한 구현예에서, 상기 시스템은 종래의 공정보다 낮은 온도, 압력 및 에너지 요건에서 운영된다.

한 구현예에서, 전처리 가수분해성 미립자는 더 잘 "유지되며", 다시 말하면, 전처리되지 않는 미립자에 비하여, 운송, 취급 및/또는 저장 동안 물리력에 대하여 더욱 저항성이 있다. 한 구현예에서, 얻어진 생성물은 종래의 바이오매스 고체에 비하여 증가된 유동성을 가지며, 이는 수송 차량과 저장 시스템의 자동화 로딩 및 언로딩(unloading) 및 가공 시설을 통한 운송을 가능하게 한다.

모든 공보, 특허 및 특허 문헌은 개별적으로 참조로 포함되는 것처럼 본원에 참조로 포함되며, 각각은 개별적으로 참조로 포함되는 것처럼, 그들 전문이 참조로 포함된다. 불일치되는 경우에, 임의의 정의를 포함하는 본 개시내용이 우선할 것이다.

비록 특정 구현예가 본원에 예시되고 기재되어 있지만, 동일한 목적을 달성하기 위하여 산출되는 임의의 절차가 나타낸 특정 구현예를 대신할 수 있음이 당업자에 의해 인식될 것이다. 예를 들어, 공정이 특정 유형의 식물 바이오매스를 사용하여 논의되었지만, 임의의 유형의 식물 바이오매스 또는 다른 유형의 바이오매스 또는 바이오연료, 예를 들어, 농업 바이오연료가 사용될 수 있다. 본 출원은 본 발명의 대상 물질의 임의의 조정 또는 변형을 포괄하는 것으로 의도된다. 따라서, 본 발명의 구현예가 명백히 특허청구범위 및 그의 등가물에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

Claims (23)

1. 교반형 반응기 내에서 하나 이상의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 효소로 가수분해하여 당-함유 스트림(stream)을 생성하는 단계를 포함하는, 당-함유 스트림의 제조방법으로서,
   상기 교반형 반응기는 그 안에 배치되는 임펠러를 가지며 임펠러 대 반응기의 직경 비율이 1:4 내지 3:4이거나, 또는 6 리터 이상의 용량을 갖는 반응기이며, 상기 가수분해는 12% 내지 24%의 범위에서 상기 반응기 내의 상기 치밀화 바이오매스 미립자의 고체 로딩을 포함하고,
   상기 치밀화 바이오매스 미립자는
   a) 리그닌 및/또는 헤미셀룰로스를 함유하는 식물 바이오매스 섬유를 암모니아 또는 수산화 나트륨으로 전처리하여, 상기 바이오 매스 섬유 내의 리그닌 및/또는 헤미셀룰로스의 적어도 일부를 외표면으로 이동시키고, 일정량의 전처리된 점착성(tacky) 식물 바이오매스 섬유를 생성하는 단계; 및
   b) 상기 전처리된 점착성 식물 바이오매스 섬유를 치밀화하여 하나 이상의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 생성하는 단계로서, 상기 치밀화 식물 바이오매스 섬유는 부가되는 결합제(binder)의 사용 없이 치밀화되는 것을 특징으로 하는 단계에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는, 당-함유 스트림의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 반응기의 용량은 500,000 리터 이상인 것을 특징으로 하는, 당-함유 스트림의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 임펠러 대 반응기의 직경 비율은 1:2 내지 3:4 또는 1:4 내지 1:2인, 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 고체 로딩은 12% 내지 20%, 또는 18% 내지 24%의 범위인, 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 바이오매스 섬유는 옥수수대(corn stover) 섬유, 스위치그래스(switchgrass) 섬유, 목재 섬유, 프레어리 코드 그래스(prairie cord grass) 섬유 또는 그들의 조합인, 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 a) 단계 및 상기 b) 단계는 단일의 위치에서 통합 공정으로서 수행되는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 암모니아 전처리는 액체 암모니아 섬유 팽창(ammonia fiber expansion, AFEX™) 전처리 또는 기체 AFEX™ 전처리인, 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 암모니아 전처리는 전처리 용기 내에서 수행되고, 상기 방법은 스팀을 전처리 용기 내에 도입함으로써 전처리 후에 전처리 용기 내에 남아있는 잔류 암모니아를 제거하는 단계를 더 포함하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 방법은 전처리 전에 및/또는 전처리 동안 상기 식물 바이오매스 섬유에 물 및/또는 스팀(steam)을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
10. 제1항에 있어서, 전환가능한 당-함유 스트림을 발효시켜 바이오산물(bioproduct)을 생성하는 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 바이오산물이 바이오연료(biofuel)인 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 당-함유 스트림이 상기 치밀화 바이오매스 미립자 내에 50% 초과의 이용가능한 당을 함유하는, 방법.
13. 제 1항에 있어서, 상기 효소로 가수분해하는 것은 가수분해 활성 기간에 의해 분리된 2 이상의 단계에서 상기 치밀화 바이오매스 미립자를 상기 교반형 반응기에 첨가하는 단계를 포함하는, 방법.
14. 제10항에 있어서, 전환가능한 당-함유 스트림 중의 당은 비-치밀화 바이오매스를 사용하여 제조된 당-함유 스트림과 비교하여 빠른 속도로 상기 치밀화 바이오매스 미립자로부터 제조되는 것인, 방법.
15. 제1항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전처리는 수직 반응기에서 수행되는 것인 방법.
16. 1) 전처리 용기 내에서, 리그닌 및/또는 헤미셀룰로스를 함유하는 식물 바이오매스 섬유를 암모니아 또는 수산화 나트륨으로 전처리하여, 상기 바이오매스 섬유 내의 리그닌 및/또는 헤미셀룰로스의 적어도 일부를 상기 섬유의 외표면으로 이동시키고, 전처리된 점착성 식물 바이오매스 섬유를 생성하는 단계;
    2) 스팀을 상기 전처리 용기 내에 도입함으로써 상기 전처리 용기 내에 남아있는 잔류 암모니아를 제거하는 단계;
    3) 상기 전처리된 점착성 식물 바이오매스 섬유를 치밀화하여 하나 이상의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 생성하는 단계로서, 상기 바이오매스 섬유는 부가되는 결합제의 사용 없이 치밀화되는 것을 특징으로 하는 단계; 및
    4) 교반형 반응기 내에서 하나 이상의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 효소로 가수분해하여 전환가능한 당-함유 스트림을 생성하는 단계를 포함하는, 전환가능한 당-함유 스트림의 제조방법으로서,
    상기 교반형 반응기는 그 안에 배치되는 임펠러를 가지며 임펠러 대 반응기의 직경 비율이 1:4 내지 3:4이거나, 또는 6 리터 이상의 용량을 갖는 반응기이며,
    상기 1) 단계, 3) 단계 및 4) 단계는 단일의 위치에서 통합 공정으로서 수행되고,
    상기 가수분해는 12% 내지 24%의 범위에서 상기 반응기 내의 상기 치밀화 바이오매스 미립자의 고체 로딩을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전환가능한 당-함유 스트림의 제조방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 방법은 전처리 전 및/또는 전 처리 동안 상기 식물 바이오매스 섬유에 물 및/또는 스팀을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
18. 제 16항에 있어서, 반응기의 용량은 500,000 리터 이상인 것을 특징으로 하는, 당-함유 스트림의 제조방법.
19. 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자 또는 복수의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 제공하는 단계로서, 상기 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자는 섬유의 외표면에 리그닌 및/또는 헤미셀룰로스를 함유하는 복수의 식물 바이오매스 섬유를 포함하고, 상기 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자는 압축된 미립자 형태이며 첨가된 바인더가 없는 것을 특징으로 하는, 단계; 및
    교반형 반응기 내에서 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자 또는 복수의 가수분해성 치밀화 바이오매스 미립자를 효소로 가수분해하여 전환가능한 당-함유 스트림을 생성하는 단계를 포함하는, 전환가능한 당-함유 스트림의 제조방법으로서,
    상기 교반형 반응기는 그 안에 배치되는 임펠러를 가지며 임펠러 대 반응기의 직경 비율이 1:4 내지 3:4이거나, 또는 6 리터 이상의 용량을 갖는 반응기이며, 상기 가수분해는 12% 내지 24%의 범위에서 상기 반응기 내의 상기 치밀화 바이오매스 미립자의 고체 로딩을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전환가능한 당-함유 스트림의 제조방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 임펠러 대 반응기의 직경 비율은 적어도 1:2인, 방법.
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