KR20150041665A

KR20150041665A - 효소와 혼합 전에 전처리된 바이오매스의 냉각 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20150041665A
Application number: KR1020157007037A
Authority: KR
Inventors: 로돌포 로메로; 버틸 스트롬버그; 알렌 터너
Original assignee: 안드리츠 인코포레이티드
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-04-16
Also published as: EP2892994A1; CA2883621A1; US20150232902A1; MX2015002892A; AU2013312212A1; EP2892993A1; AU2013312214A1; MX2015002896A; CN104619829A; US9528135B2; RU2015113274A; BR112015004830A2; KR20150041666A; JP2015527087A; US9528084B2; ZA201501223B; JP2015531227A; US20150240198A1; ZA201501222B; RU2015113126A

Abstract

본 발명은 바이오매스, 예를 들면, 리그노셀룰로오스 물질을 처리하는 방법으로서, 바이오매스에 전처리를 수행하고 전처리된 바이오매스를 방출하는 단계; 액화 물질을 생성하고 액화물질의 적어도 일부를, 고온의 전처리된 바이오매스의 냉각제의 적어도 일부로서 적어도 제1반응기로부터 효소 첨가의 상류 위치로 재순환하는 단계를 포함한다.

Description

효소와 혼합 전에 전처리된 바이오매스의 냉각 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR COOLING PRETREATED BIOMASS PRIOR TO MIXING WITH ENZYMES}

본 출원은 2012년 9월 10일에 출원된 미국 가출원 제61/698,877호 및 2012년 11월 5일에 출원된 미국 가출원 제61/722,514호의 우선권을 주장하는 것이다. 상기 기재된 우선권 출원은 본원에 참조로 포함되어 있다.

"바이오매스"는 일반적으로 생체 또는 최근에 유기체로부터 유도된 임의의 물질을 의미한다. 그러나, 식물 재료에 관해서 사용되는 에너지의 문맥에서, 축사, 음식물 처리 및 준비 및 생활폐기물로부터 발생하는 부산물 및 폐기물이 모두 바이오매스의 소스를 형성할 수 있다. 바이오매스는, 널리 이용 가능하고 고 비율의 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 함유한다. 바이오매스의 4개의 주요한 범주는 (1) 목재 잔류물(제재 및 제지 잔류물을 포함), (2) 도시의 제지 폐기물, (3) 농촌 잔류물(옥수수 줄기 및 옥수수속 및 사탕수수 버개스(bagasses)를 포함) 및 (4) 전용 에너지 작물(대부분 빠르게 자라고 키가 큰, 목질 그라스, 예를 들면, 스위치 그라스 및 미스칸투스로 이루어짐)이다. 리그노셀룰로오스 바이오매스는 식물 세포벽을 구성하는 3개의 주요한 폴리머를 포함하고, 즉 (1) D-글루코오스의 폴리머인 셀룰로오스; (2) 2개의 상이한 폴리머(즉 자일란, 글루코오스 및 만노스의 폴리머, 자일로오스 및 글루코만난의 폴리머)를 함유하는 헤미셀룰로오스, (3) 구아이아실 프로판 및 시린길 프로판 유닛의 폴리머인 리그닌. 이들 성분 중에서, 셀룰로오스는, 에탄올로 발효될 수 있는 글루코오스 모노머로 전환될 수 있기 때문에, 가장 바람직한 것으로 여겨진다.

본원에 기재된 예시의 실시형태는 일반적으로 단당(monomeric suger)을 얻기 위해서 바이오매스(예를 들면, 리그노셀룰로오스 물질)의 효소 가수분해로 알려진, 효소 전환반응 분야에 관한 것으로, 구체적으로 전처리된 바이오매스의 액화 단계 중의 최대 효소 성능/효율에 관한 것이다.

바이오매스로부터 에탄올의 제조는, 일반적으로 (1) 바이오매스의 수집 및 처리 플랜트로 수송 단계; (2) 스팀 폭발, 약품(예를 들면, 산 또는 염기의 첨가 유무에 따라), 물리적 수단, 생물학적 수단 등에 의한 바이오매스 전처리(사전 가수분해) 단계; (3) 셀룰로오스가 글루코오스로의 탈중합을 촉진하는 매우 특수한 효소를 사용하는 효소 가수분해 단계; (4) 글루코오스의 에탄올로의 발효 단계; 및 수용성 발효조로부터 에탄올의 분리 단계를 포함한다. 최종적으로, 분리 단계에 의해서 최종적으로 남아 있는 물을 제거하면, 가솔린과의 혼합에 적합한 물이 없는 에탄올을 제조할 수 있다.

바이오매스 물질의 전처리 단계에 대한 다수의 기술로는 발효 가능한 당을 형성하기 위해 빠르고 효율적으로 가수분해될 수 있는 기질을 생성할 목적으로 연구되었다. (예를 들면, Zheng , Yi , et al., "Overview of Biomass Pretreatment for Cellulosic Ethanol Production," Int . J. Agric & Biol . Eng ., Vol. 2, No. 3, pp. 51-68 (2009) 참조). 이러한 접근 방법은 일반적으로 반응물 및 효소가 접근하는 표면적이 증가하도록 설계된 사용 조건 및 절차를 포함한다. 스팀 폭발을 사용하는 전처리의 경우, 바이오매스가 섬유화되고 셀룰로오스가 분해된다. 효소와 전처리된 바이오매스 사이의 반응을 수행하기 위해, 특히 조작 온도 범위 내에 존재한다.

바이오매스의 효소 가수분해 전에, 바이오매스는 산성 조건 가수분해(산의 첨가 유무), 스팀 폭발, 암모늄 가수분해, 라임 가수분해 등과 같은 그 외의 전처리 중 하나 이상을 포함하는 전처리를 수행할 수 있다. 특히, 효소 가수분해 (액화) 처리 단계 중에 효소 성능을 개선하기 위해 전처리된 바이오매스를 냉각시키는 것이 필요할 수 있다.

예를 들면, 바이오매스, 예를 들면, 리그노셀룰로오스 물질은 반셀룰로오스 및 셀룰로오스와 같은 당-기반 폴리머가 효소에 접근할 수 있도록 전처리될 수 있다. 전처리 후, 바이오매스는 효소가 반-셀룰로오스 및 셀룰로오스 폴리머가 모노머로 가수분해(예를 들면, 분해)되는 효소 가수분해 반응 용기에서 처리된다. 전처리된 바이오매스는 점도가 높아지는 경우가 있다. 효소 가수분해 중, 전처리된 바이오매스는, 전처리된 바이오매스의 폴리머가 모노머로 전환되기 때문에 액화된다. 단당은 에탄올, 부탄올 또는 그 외의 당 기반 제품으로 더 처리된다.

전처리된 바이오매스의 효소 가수분해에는 많은 문제가 있다. 이러한 문제는, 전처리된 바이오매스 및 그 유도체의 생화학 복잡성을 갖는 효소들의 상호 작용으로부터 액체/섬유, 모노머/올리고머 혼합물(일괄적으로 "슬러리"라고 칭한다)의 물리적 특징 및 그 레올로지 형태에 이른다.

연속 효소 가수분해에 사용되는 종래의 반응기(주입 흐름 및 배출 흐름이 있으며, 반응 용기가 일정하게 유지되는 공정)는 효소와 슬러리를 혼합하기 위해서 고가이며 강력한 임펠러가 장착된 대형 탱크가 필요하다. 바이오매스의 효소 가수분해 또는 액화는 대형 탱크 내에서 혼합 시 수 시간(일반적으로 12 시간 초과)이 필요하다. 혼합 공정은 일반적으로 고체 조성물로부터의 바이오매스가 액화된 슬러리로 전환되어 바이오매스의 외관 점도가 감소한다. 일반적으로, 전처리된 바이오매스는 반고체이며 머드와 유사한 농도를 갖는 혼합 공정을 개시한다.

추가의 종래 효소 가수분해 시스템은 배치 및 페드 배치(fed-batch)를 포함한다. 배치 공정에서, 모든 성분(pH 조절 기질을 포함)은 효소 가수분해 초기에 반응 용기 내에 배치된다. 바이오매스의 효소 가수분해 공정 중, 반응 용기로부터 주입 또는 배출이 없다. 교대의 배치 공정은 페드 배치 공정이다. 페드 배치 공정(미국 특허공보 제2010/0255554호에 기재됨)에서 공정 중 반응 용기로부터 어떠한 것도 제거되지 않지만, 기질의 농도에 따라 반응 속도를 조절하기 위해 하나의 기질 성분이 점진적으로 첨가된다. 공정이 완료될 때까지(배치 공정의 경우와 같이), 임의의 가수분해물을 제거하지 않고 효소 가수분해 기간 동안 기질은 반응기로 연속적으로 공급한다.

바이오매스는 전처리된 후 단당으로 전환되는 효소 가수분해를 수행한다. 일반적으로 전처리된 바이오매스에 첨가되는 효소는 전처리된 바이오매스의 고체 함량에 대한 농도가 비교적 낮다. 전처리된 바이오매스 및 효소 혼합물은, 혼합 및 효소 가수분해 반응기 시스템에 진입하기 때문에 점도가 높아지는 경우가 있다. 혼합물의 높은 외관 점도는 반응 용기 내에서 혼합물과의 혼합에 필요한 토크를 줄이기 위해 비교적 작은 반응 용기를 사용해서 구동된다. 이러한 시스템은 일반적으로 하나 이상의 효소 가수분해 반응 용기를 포함한다. 효소 가수분해 반응 용기의 온도는 적당한 효소 활성이 얻어지도록 하는 것이 중요하다. 일반적으로 효소는 20℃ 내지 65℃의 온도 환경이 필요하다. 온도가 높으면, 효소를 손상시킬 수 있기 때문에, 온도 수준 및 온도 수준 조절은 반응기 내 및 반응기 주위에서 중요한 조건이다. 일반적으로 효소 가수분해 반응/유지에 대해 산업적 적용에서 예상되는 타임 스팬(time span)은 적어도 48시간, 일반적으로 적어도 72 시간이다.

종래의 바이오매스 처리 시스템의 또 다른 문제는 전처리된 바이오매스를 효소 가수분해에 적합한 온도까지 냉각하는 것이다. 일례로, 전처리된 바이오매스를, 효소 가수분해의 반응 용기에 진입하기 전에, 전처리 용기의 배출시 높은 온도(예를 들면, 100℃)로부터 실질적으로 냉각 장치 온도(예를 들면, 20℃ 내지 65℃)까지 냉각하는 것이 필요하다.

종래의 효소 가수분해 반응기 시스템은 미국 특허 공보 제2012/0125549호에 기재되어 있고, 효소 가수분해 반응 용기로 수송하기 전에, 전처리된 바이오매스의 온도를 약 100℃로부터 효소 활성 온도(40℃ 내지 50℃)까지 감소시키기 위해 스팀 폭발을 수행하는, 전처리된 바이오매스 물질에 냉수를 첨가하는 단계가 개시되어 있다. 성공적인 효소 가수분해 반응을 위해 바람직한 전체 고체(전체 고체는 용해 가능한/용융 가능한 고체 및 불용성/용해되지 않는 고체로 정의) 농도뿐 아니라, 바람직한 저온을 얻기 위해서는, 또한 대량의 냉수가 고온의 전처리된 바이오매스에 첨가되어야 한다. 이러한 대량의 물은 효소 가수분해 반응 용기로 공급되는 액체 부피를 현저히 증가시키고, 효소 가수분해 반응 용기에 대한 부피 및 온도의 균일한 조절을 더욱 곤란하게 한다.

전처리된 바이오매스의 농도는 물에 대한 전처리된 바이오매스의 비로 나타낸다. 효소 가수분해 단계로부터 발생된 생성물 내에서 고농도의 당을 보장하기 위해, 고농도의 전처리된 바이오매스 및 저농도의 물을 유지하는 것이 바람직하다. 전처리된 바이오매스를 냉각하기 위해 물을 첨가하는 것은 효과적이지만, 물이 첨가되면, 전처리된 바이오매스 및 구체적으로 전처리된 바이오매스의 효소 가수분해에 의해 생성된 당 용액을 희석시키는 경우는 바람직하지 않다.

도 1은 50톤/h(건조 기준)의 속도로 바이오매스를 처리하기 위한 종래의 연속 시스템을 도시하는 공정 흐름도를 도시한다. 바이오매스는 전처리 용기(110) 에서 전처리된다. 이러한 공정에서 바이오매스는 상승된 온도(예를 들면, 100℃ 초과) 및 산성 환경에서 전처리된다. 그 외의 전처리 공정은, 스팀 폭발 또는 암모늄 가수분해 또는 라임 가수분해를 포함하지만, 이들로 한정되지 않는 것이 사용될 수 있다. 전처리된 바이오매스(111)는, 적어도 100℃ 온도에서 25% 내지 50% 바이오매스 고체의 총 고체 함량(전처리 반응 용기로 공급된 바이오매스 기준, 이 예에서 25% 총 고체 함량이 사용되었다)이 166 m³/h 속도로 전처리 용기(110)로부터 방출되었다. 바이오매스 전처리 공정에 대한 총 고체 함량은 25% 내지 50%일 수 있다.

바이오매스의 전처리에 필요한 조건은 효소 가수분해에 바람직한 조건과 실질적으로 상이하기 때문에, 전처리된 바이오매스(111)는 일반적으로 효소 가수분해하는 데에 지나치게 산성이고 지나치게 고온이다. 효소 가수분해는, 통상 약 4 내지 6.5의 pH, 및 예를 들면, 약 50℃ 내지 55℃의 온도 환경에서 발생한다. 효소 가수분해에 그 외의 온도 범위가 사용될 수 있다. 이스트 기반 효소 반응은, 예를 들면, 약 28℃ 내지 40℃의 온도에서 발생할 수 있고, 호열성 세균 기반 효소 가수분해는 약 80℃ 정도 높은 온도에서 발생할 수 있고, 중온 세균(mesophilic bacteria) 기반 효소 가수분해는 약 20℃ 내지 약 45℃의 온도에서 발생할 수 있다. 혼합 용기와 같은 혼합 단계(112)는, pH를 조절하고 전처리된 바이오매스(111)를 냉각하기 위해서 사용된다. 적절한 염기(114)(이 예에서 전처리 조건이 산성이기 때문에 염기가 사용된다), 예를 들면, 암모니아, 라임 또는 그 외의 토금속 기반 수산화물 또는 탄산염은 전처리된 바이오매스(111)의 pH를 효소 가수분해에 적합한 수준까지 조절하기 위해 혼합 단계(112) 중에 첨가된다.

냉각 액체는 혼합 단계(112)에서 도관(116)을 통해 전처리된 바이오매스(111)에 첨가된다. 냉각 액체는 일반적으로 물, 증류폐액(stillage), 분쇄장치로부터의 그 외의 적합한 액체이다. 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스 생성물(121)을 사용하는 것이 제안되었다. 일반적으로 전처리 및 효소 가수분해 후의 바이오매스는, 적어도 30%의 단당 수율을 포함하고 대형 효소 가수분해 반응 용기(118)로부터 방출된다. 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스(121)가 분리되고, 그 일부가 도관(123)을 통과한 후, 냉각 단계(122)를 거쳐 도관(116)을 통과해서 혼합 단계(112)로 펌프(120)에 의해 펌핑된다.

혼합 단계(112)에서 배치 모드 혼합 용기는, 전처리된 바이오매스(111)를 효소 가수분해에 적합한 조건으로 전환하기 위해 사용된다. 배치 모드는 일반적으로 더 큰 하류 용기(미도시)로 공급하는 다수의 더 작은 혼합용기(예를 들면, 소화기 또는 그 외의 반응 용기)를 포함한다. 배치 처리를 수행하면, 혼합 단계(112) 용기에 각 사이클의 충진부 및 배기부를 수용하기 위해서 혼합 단계(112) 용기의 부피를 증가시킬 필요가 있다.

전처리된 바이오매스의 효소 가수분해는 일반적으로 완료되는 데에 수 시간이 필요하다. 대형 효소 가수분해 반응 용기(118) 또는 용기 어셈블리 내의 유지 기간은, 예를 들면, 24 내지 72 시간 이상일 수 있다. 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스 생성물(121)은 효소로 가수분해된 반응 용기(118)로부터 방출되고 제조된 단당 용액(119)으로서 사용된다. 효소 가수분해의 처리 기간이 길기 때문에, 대형 효소 가수분해 반응 용기(118)(예를 들면, 탱크)의 부피는 37,000m³ 이상 정도 클 수 있다. 종래의 연속 시스템에 필요한 고용량, 대형 효소 가수분해 용기에서는 처리될 바이오매스 물질이 제한된다.

효소 가수분해에 대한 종래의 대형 효소 가수분해 반응 용기(118)는 바이오매스를 전처리하는 데에 사용되는 상응하는 전처리 용기(110)보다 훨씬 큰 경우가 있다. 전처리 용기(110)는, 전처리 기간이 일반적으로 효소 가수분해의 처리 기간보다 훨씬 짧기 때문에 훨씬 작은 경우가 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 혼합 단계(112)에서 고농도의 전처리된 바이오매스(111)를 유지하기 위해 전체 또는 일부의 물(130)을 대체하기 위해 냉각 액체로서 기존에 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스(121)을 사용하는 것이 알려져 있다. 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스 생성물(121)은 충분히 가수분해되고(전처리 공정 및 효소 가수분해로부터) 제조된 단당 용액(119)으로서 사용될 수 있다. 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스 생성물(121)을 냉각 액체로서 사용하면 냉각수(130)의 지나친 희석을 피할 수 있다. 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스 생성물(121)을 냉각 액체로서 사용하면, 대형 효소 가수분해 반응 용기(118)(예를 들면, 탱크)의 부피를 증가시킨다. 대형 효소 가수분해 반응 용기(118)는 주로 폴리머 셀룰로오스 및 반셀룰로오스로 이루어진 전처리 용기(110)로부터 전처리된 바이오매스(111)의 단당 용액(119)으로의 적절한 전환에 필요한 것으로, 긴 유지 시간(예를 들면, 24 내지 72 시간 이상) 동안 수용하는 것이 필요하다.

전처리된 바이오매스(111)를 냉각하기 위한 그 외의 수단(예를 들면, 냉각 기체 또는 냉각 재킷 컨베이어 시스템)은 공지되어 있지만, 모든 공정 흐름 시스템에 적합한 것은 아닐 수 있다. 예를 들면, 냉각 기체는 종종 전처리된 바이오매스(111)의 미립자의 크기 때문에 전처리된 바이오매스(111)를 쉽게 통과하지 못한다. 간접적인 열 교환기는 고점성(예를 들면, 머드-유사 농도)의 전처리된 바이오매스(111)가 열 교환기의 통로를 쉽게 흐르지 못하기 때문에 적합하지 않다. 전처리 용기(110)와 대형 효소 가수분해 반응 용기(118) 사이의 냉각 재킷 컨베이어 시스템은 전처리된 바이오매스(111)을 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 냉각 재킷 컨베이어 시스템 내에서 달성되는 열 전달량은, 전처리된 바이오매스(111)와 튜브 표면 사이의 접촉이 불량하고 냉각 재킷 컨베이어 시스템의 큰 직경의 튜브 내에서 면적 대 부피의 비가 작기 때문에, 전처리된 바이오매스(111)를 효소 가수분해에 적합한 온도까지 냉각하는 것이 충분하지 않을 수 있다.

적합한 전처리 공정으로부터 고온의 전처리된 바이오매스에 신선한 냉각 액체(예를 들면, 물)이 첨가될 필요성을 줄이고, 반응기에 전처리된 바이매스 물질의 온도 및 부피 조절이 오랫동안 요구되고 있다.

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달리 정의되지 않으면, 본원에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 당업자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 허용되는 방법 및 물질이 기재되지만, 본원에 기재된 것과 유사하거나 동일한 임의의 방법 및 물질이 사용될 수 있다.

개시된 예시의 실시형태의 상기 및 그 외의 특징은, 에탄올을 포함하는 연료 생성과 같은 그 외의 적용에 사용하기 위해 목재, 펄프, 섬유, 리그노셀룰로오스 물질 등(바이오매스)으로부터 간단한 화합물을 유도, 생성 또는 추출하는 효율적인 장치, 방법 및/또는 시스템을 제공해서 달성된다. 그 외의 형태에서, 예시의 실시형태는 그 외의 공정으로 용이하게 물질을 수송하기 위해 점성의 셀룰로오스-함유 물질의 외관 점도를 감소시키는 데에 적용될 수 있다. 또한, 예시의 실시형태는 셀룰로오스 함유 물질, 예를 들면, 리그노셀룰로오스 물질(바이오매스)로부터 특정 화합물의 모노머를 추출해서 구현될 수 있다. 또한, 예시의 실시형태는 단당을 생성하기 위해 전처리된 바이오매스를 효소 가수분해하는 데에 적용될 수 있다. 바이오매스의 전처리는 산성 조건의 가수분해(산의 첨가 유무), 스팀 폭발, 암모늄 가수분해 또는 라임 가수분해 등을 포함하지만 이들로 한정되지 않는 공정 중 하나 이상 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다.

바이오매스의 산성 조건의 가수분해를 사용하는 전처리는 산의 첨가 유무에 따라 수행되는 것일 수 있다. 산이 첨가되지 않는 산성 조건의 가수분해는 물의 첨가가 필요하기 때문에 주로 "자동가수분해"라고 한다. 자동가수분해는 150℃와 220℃ 사이의 온도 및 약 1 내지 6의 pH가 필요하다. 산성 조건의 가수분해를 촉진하기 위해 산성 용액이 첨가되는 경우, 온도는 pH 1 내지 6에서 150℃ 미만일 수 있다.

전처리 단계로서 바이오매스의 스팀 폭발은, 약 8 bar 내지 25.5 bar (800 kPa 내지 2,550 kPa)의 게이지 압력에서 약 2 내지 5분(이상) 동안 약 170℃ 내지 230℃의 온도에서 발생할 수 있다. 스팀 폭발 전처리 중에, 스팀은 열 에너지를 제공하기 위해 전처리 용기에 직접 주입될 수 있고, 스팀, 증기 및 액체 물 중 하나 이상이 바이오매스의 내부 구조로 확산될 수 있다. 스팀 및 수증기는 바이오매스의 내부 구조의 모세관-유사 미세 다공성 구조 내에서 액체 물로 부분적으로 응축된다. 스팀 폭발 전처리를 수행하는 바이오매스의 압력은 1 내지 2 bar 게이지까지 급속도로 현저하게 감소하고 0 bar 게이지는 실질적으로 대기압이다. 이러한 크고 빠른 압력 강하는 바이오매스에 스팀 폭발 전처리를 일으킨다. 빠른 압력 강하, 예를 들면, "플래싱"은 전처리될 바이오매스의 셀 내에서 응축된 액체 물을 스팀으로 전환한다. 바이오매스의 셀 내에서 액체 물의 스팀으로의 전환에 의해 바이오매스의 셀의 대규모 파괴, 예를 들면, "폭발"을 일으킨다. 바이오매스 셀 내에서 스팀에 의해 차지된 부피는 액체 물에 의해 차지된 부피보다 훨씬 크기 때문에 이러한 파괴가 발생한다. 대규모 파괴는 바이오매스의 개개의 셀을 파열시키고 바이오매스의 셀룰로오스 구조의 원통형 튜브 및 섬유 사이와 같은, 비정질 또는 결정질 셀룰로오스를 따라 섬유를 절단시킨 것을 포함한다.

바이오매스의 또 다른 전처리 공정은 전처리제로서 액체 암모니아, 라임 등의 사용을 포함할 수 있다. 바이오매스를 전처리하기 위해 이러한 약품을 사용하면 다음의 효소 가수분해 단계의 효율을 개선시킬 수 있다.

예시의 실시형태는, 하나 이상의 효소, 선택적으로 용액 상태의 효소를 전처리된 바이오매스에 첨가하기 전에, 냉각 액체(예를 들면, 냉각수) 및/또는 pH 조절물질(일반적으로, 알칼리, 일부 상황에서는 산성 물질)의 직접적인 첨가 후, 전, 또는 동시에, 냉각 액화 물질을 생성하기 위해, 필요에 따라 하나 이상의 제1효소 가수분해 반응 용기로부터 고온의 전처리된 바이오매스를 방출한 후 냉각되는, 하나 이상의 제1효소 가수분해 반응 용기로부터 배출된 액화 물질의 재순환을 포함할 수 있다. pH가 일반적으로 4 내지 6.5의 범위 내에서 유지되는 효소 가수분해 환경을 제공하는 것이 중요하다. 이러한 pH 조절은, pH 조절 물질의 첨가에 의해 달성될 수 있고, pH를 달성 및 조절하기 위해, 일부 경우에 알칼리 물질이 첨가될 수 있고, 그 외의 경우 산성 물질이 첨가될 필요가 있고, 또 다른 경우 임의의 pH 조절 물질이 첨가될 필요가 없다.

이러한 적용에 대해 정의된 바와 같이, 바이오매스가 적어도 부분적인 효소 가수분해에 의해 유체로 되는 경우에 액화 물질이 형성된다. 본원에 사용된 바와 같이, 효소 가수분해 공정 단계는 효소의 사용이 제한되지 않지만, 이스트, 호열성 세균, 중온 세균, 또는 그 외의 생물학적 촉매의 사용을 포함할 수 있다. 이러한 예시의 실시형태에 따르면, 액화 물질은 부분적인 효소 가수분해 후 생성된다. 공정에서 기존에 존재하지 않은 신선한 또는 새로운 효소(공정에서 기존에 존재하지 않은 새로운 또는 신선한 효소는 효소 용액으로 칭함)가 첨가된 상류의 냉각 액체로서 재순환에 적합한 액화 물질은, 제1효소 가수분해 반응 용기 내에 존재하는 효소(재순환 효소)를 함유하고, 셀룰로오스의 당 또는 글루코오스로의 전환율(셀룰로오스의 당 또는 글룰코오스로의 전환은 "가수분해"로 칭함)이 약 30% 미만이고 약 20% 미만 또는 약 15% 미만이고, 외관 점도가 약 5,000 mPa·s 이하, 예를 들면, 약 3,000 mPa·s 미만, 또는 약 2,000 mPa·s 미만, 약 1,000 mPa·s 미만, 또는 약 800 mPa·s 미만이다. 외관 점도는, 당업자에 의해 뉴톤 유체 점도를 얻는 데에 사용되는 적합한 보조식을 비뉴톤 유체의 점도계 측정에 적용함으로써 얻어진 값으로서 정의된다. 본 출원의 액화 물질은 비-뉴톤 유체이기 때문에, 점도계 모델, 스핀들 및 속도의 실험 변수는 모두 액화 물질의 점도 측정에 영향을 미치고, 점도는 "외관 점도"로 기재된다. 외관 점도 측정은 제한 없이 원통형 스핀들이 장착된 허용되는 부룩필드 점도계(구체적으로 4 스핀들을 갖는 LV DV-II+)를 사용하고 0.1 내지 200 rpm의 속도 조작해서 얻어질 수 있다. 특정 장치를 사용해서 본원에 기재된 목적으로 얻어진 외관 점도는 20 rpm의 속도에서 측정되었다. 이러한 예시의 실시형태에서, 냉각 물질로서 재순환되는 액화 물질은, 셀룰로오스의 당으로 전환율이 약 30% 미만일 수 있고, 소망의 외관 점도는, 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기에서 반응/유지 시간이 약 6 시간 미만이면, 약 5,000 mPa·s 미만일 수 있다.

적어도 제1효소 가수분해 반응 용기로부터 또는 반응 용기 다음에 방출되는 액화 물질이 사용되면, 약 20℃와 50℃ 사이로 냉각되고, 고온의 전처리된 바이오매스에 적어도 일부 냉각 액체를 제공하기 위해 재순환에 적합한 냉각된 액화 물질을 제공하고(종래에 냉각수를 첨가할 필요성을 줄이거나 제거함), 이를 사용해서 시스템의 전체 고체 함량이 유지된다. 냉각된 액화 물질을, 전처리된 바이오매스용 냉각제의 적어도 일부로서 재순환함으로써, 필요한 냉각수(신선한 물 또는 공정 내에서 또 다른 위치로부터의 물)의 양이 감소한다. 따라서, 물만 사용하는 경우만큼 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기의 크기를 증가시킬 필요는 없다. 냉각된 액화 물질이 고온의 전처리된 바이오매스의 냉각 액체의 적어도 일부로서 사용되는 시스템은 연이은(제2 이상)의 효소 가수분해 반응 용기의 크기/부피가 감소되는 이점이 있다. 액화 물질이 재순환되는 시스템에서, 제2효소 가수분해 반응 용기로부터 연이은 용기로 유입되는 유체의 부피는, 재순환된 냉각된 액체 물질의 부피만큼 감소된다. 냉각수의 첨가량이 감소한 결과, 최종 당도 수율이 증가하고, 발효 및 증류와 같은 영역 내의 하류 처리 비용이 감소한다. 연이은 효소 가수분해 반응 용기로부터 방출되는, 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스 생성물은 냉각 액체로서 재순환되지 않고; 최종 생성물로서 또는 최종 생성물 처리에 이용 가능하다.

바이오매스의 전처리에 의해 생성된 물질(전처리 바이오매스)은 일반적으로 약 100℃의 온도에 있다. 효소가 활성화되고 전처리된 바이오매스와 반응하는 데에 적합한 환경을 얻기 위해, 효소 첨가 전에 전처리된 바이오매스 온도는 약 30℃와 80℃ 사이, 약 40℃와 60℃ 사이, 약 45℃와 50℃ 사이로 감소되어야 한다. 예시의 실시형태는 약 6 시간 미만, 약 4 시간 미만, 약 3 시간 미만, 약 1 시간 미만의 짧은 기간에 액화 물질을 얻기 위해 급속한 효소 가수분해를 사용한다. 모든 전처리 방법은 이러한 예시의 실시형태의 급속한 효소 가수분해 액화 공정을 사용하는 것은 아니며, 전처리 공정 또는 공정들을 선택에 주의해야 한다. 예시의 실시형태의 급속한 효소 가수분해 공정에 도입하기 전에 전처리 바이오매스의 pH를 조절할 뿐 아니라 고체 농도를 조절할(줄이거나 늘릴) 필요가 있다.

효소 가수분해는 전처리된 바이오매스로부터 단당을 생성하기 위해 사용된다. 일반적으로 바람직한 효소 반응을 촉진하기 위해 전처리된 바이오매스의 조건은 약 40 내지 60℃의 범위 내의 온도 및 약 4 내지 6.5의 pH이다. 효소 가수분해 반응은 흡열반응이고, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스가 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기를 통해 이동하기 때문에, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스를 약간 냉각시킬 수 있다. 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기로부터 방출된 액화 물질의 일부는, 제거되고 냉각된 후, 일반적으로 pH 조절 물질, 필요에 따라 추가의 냉각 액체, 예를 들면, 물(재순환된 냉각 액화 물질은, pH 조절 물질로 또는 pH 조절 물질의 첨가 후에 첨가될 수 있다)의 첨가 시 또는 하류 및 효소 용액의 첨가 상류에서 고온의 전처리된 바이오매스로 재순환된다. 냉각 액체로서 첨가되기 전에, 재순환될 액화 물질은 간접(또는 직접) 열교환기를 사용해서 냉각되고, 냉각 액화 물질을 생성하기 위해 냉각 액체로서 신선한 냉각된 물, 또는 증류폐액, 또는 분쇄장치로부터 재순환된 공정 액체를 사용해서 재순환된 액화 물질의 온도를, 약 20℃ 내지 40℃의 범위까지 감소시킨다. 냉각된 재순환 냉각 액화 물질은 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기에 진입하는 흐름보다, 적어도 약 5℃ 낮고, 적어도 약 10℃ 낮고, 적어도 약 15℃ 낮고, 적어도 약 20℃ 낮다. 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기에 진입하는 적절한 흐름의 온도를 보장하면서, 분쇄장치로부터 적어도 부분적으로 물 또는 재순환 공정 액체 대신에 냉각 액화 물질이 사용되면, 분쇄장치로부터 재순환 공정 액체 또는 물만 사용되는 경우에 비해 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기에 진입하는 흐름의 높은 고체 농도가 얻어진다. 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기에 흐름의 고체 함량이 높으면, 글루코오스 생성량 및 농도가 높아진다.

재순환된 냉각 액화 물질은, pH조절 물질(일반적으로 알칼리 일부 상황에서 산성 물질일 수 있음)의 첨가 후 도입될 수 있지만, 전처리된 바이오매스의 pH가 효소 변성을 피하기 위해서 필요한 범위 내에 있지만 효소 첨가의 상류에 있으면, pH 조절 물질과 함께 또는 전에 도입될 수 있다. 일부 경우에, 재순환된 냉각 액화 물질 또는 pH 조절 물질과 함께 추가의 냉각 액체(예를 들면, 냉각수)를 도입하는 것이 바람직하다.

리그노셀룰로오스 물질의 효소 가수분해는 특히 효소와 리그노셀룰로오스 물질(및 그 유도체) 사이의 상호작용에 대한 문제가 있는데, 이는 전처리된 리그노셀룰로오스 입자 또는 섬유의 물성, 모노머/올리고머 혼합물, 예를 들면, 슬러리, 및 리그노셀룰로오스 물질의 레올로지 형태 때문이다. 효소 첨가 전에, 고온 스팀 폭발된 리그노셀룰로오스 물질에 재순환된 효소 가수분해 반응기 방출 물질을 도입함으로써, 필요한 냉각 액체의 총량, 특히 필요한 냉각수의 양을 줄이는 것이 오랫동안 요구되고 있다.

전처리 단계 및 효소 가수분해 단계를 포함하는 바이오매스가 당으로 전환되는 많은 산업적 공정에서, 효소 가수분해는 약 96 시간, 약 48 시간, 또는 약 24 시간 동안 적어도 한 단계로 수행될 수 있다. 예시의 실시형태는 적어도 한 단계의 효소 가수분해가 필요하고, 적어도 한 단계로 급속한 효소 가수분해의 액화 물질이 생성되는 것으로, 이는 액화 물질을 생성하기 위해 약 0.5 시간 내지 6 시간 및 모든 하위 범위 내에 전처리된 바이오매스 냉각제 물질로서 재순환하는 데에 적합하다. 액화 물질이 생성된 후 효소 가수분해가 지속된다.

예시의 실시형태에 따른 냉각 액화 물질의 재순환은 냉각제로서 물 첨가에 대한 필요성을 줄이고, 증가된 농도의 고체는, 액화 물질이 생성되는 초기의 급속 효소 가수분해 단계가 완료된 후에 효소 가수분해에 이용 가능하다. 냉각 후 전처리된 바이오매스의 냉각 액체의 적어도 일부로서 액화 물질의 적어도 일부를 재순환하는 단계는, 72 시간 효소 가수분해 점에서 글루코오스의 수율을, 전처리된 바이오매스 냉각제로서 물만 사용하는 종래의 시스템에 비해 적어도 1% 정도 증가시킨다. 이러한 수율 증가는 사용된 전처리 공정에 의존하고, 수율은 종래 공정에 비해 적어도 5% 증가가 달성되었다.

장치, 시스템(공정 흐름 시스템을 포함) 및 방법은, 액화 물질이 더 처리되기 전에 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기로부터 추출된 액화 물질을 사용해서, 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기에 진입하기 전에 전처리된 바이오매스를 냉각 및 pH 조절하기 위한 것으로 생각되었다. 액화 물질은 냉각되고 전처리된 바이오매스와 혼합된다. 제1효소 가수분해 반응 용기로부터 유출될 때 및 물질이 연이은 제2이상의 효소 가수분해 반응 용기로 유입되기 전에, 액화 물질이 추출될 수 있다.

액화 물질은 실질적으로 액화되고, 바이오매스는, 예를 들면, 약 0.5 내지 6 시간(약 6 시간 미만, 약 5 시간 미만, 약 4 시간 미만, 약 3시간 미만, 약 2시간 미만, 약 1시간 미만)와 같은 비교적 짧은 기간 동안 효소로 가수분해되었다. 액화 물질은 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스의 외관 점도와 유사할 수 있는 낮은 외관 점도를 갖는다. 이러한 적용을 위해, 액화 물질의 당 수율은 30% 미만인 반면, 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스의 당 수율은 30%를 초과한다. 낮은 외관 점도의 액화 물질은 냉각 장치(예를 들면, 간접적인 열교환기)를 통해 냉각 액화 물질을 생성하고, 혼합단계로 펌핑될 수 있다. 혼합 단계는 연속 혼합 장치일 수 있다. 혼합 장치 후의 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스의 총 고체 (용해된 고체 및 용해되지 않은 고체) 함량은, 혼합기 후에 수송 시스템을 통해 유입되는 총 질량의 약 30 % 초과, 약 25 % 초과, 약 20 % 초과, 약 15 % 초과, 약 10 % 초과할 수 있다. 액화 물질을 형성하기 위해 바이오매스를 통과하고 효소 가수분해하는 공정은 배치 또는 페드 배치 공정이 아니라 연속 공정일 수 있다. 액화 물질 생성 후, 다음의 효소 가수분해 공정은 연속 또는 배치일 수 있다.

공정의 상이한 위치에서 효소 용액(신선한 효소 또는 공정에 기존에 존재하지 않은 효소)을 포함하기 위해 다수 형태의 효소를 사용하는 것이 유리한 것으로 인지되었다. 예를 들면, 엔도글루카나제 효소(사슬의 중심을 공격하고 사슬을 짧은 폴리머 또는 올리고머 분획으로 분해하는 효소)는 제1효소 가수분해 반응 용기 전에 첨가하는 것이 유용할 수 있다. 제1효소 가수분해 반응 용기 후, 예를 들면, 효소 가수분해 중에, 효소 가수분해를 지속하기 위해 엑소글라카나제 효소(사슬의 말단을 공격하고 사슬을 분해해서 모노머 분획을 생성하는 효소)를 첨가하는 것이 유리할 수 있다. 2개 형태의 효소가 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기 전에 첨가될 수 있기 때문에, 하나의 위치에서 엔도글루카나제 효소를 도입하고 상이한 위치에서 엑소글루카나제 효소를 도입하면서, 재순환된 냉각 흐름에서 하나의 형태의 효소 또는 2개의 형태의 효소가 발생할 수 있다.

하나의 방법은, 전처리된 바이오매스를 생성하기 위해 바이오매스 상에 전처리 단계를 수행하는 단계; 전처리된 바이오매스의 pH 를 약 4 내지 6.5(또는 약 4.5 내지 6.5)로 조절하는 단계 - 전처리된 바이오매스의 pH 를 약 4 내지 6.5(또는 약 4.5 내지 6.5)로 조절하는 단계는, 전처리된 바이오매스의 평균 pH가 약 4 내지 6.5 또는 약 4.5 내지 6.5 가 될 때까지, 전처리된 바이오매스를 pH 조절 물질과 혼합할 필요가 있다(일반적으로, 알칼리 기반 화합물, 일부 상황에서 산성 화합물, 그 외의 상황에서 pH 조절 물질이 첨가되지 않음) -; 총 고체 농도(냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스의 총 중량에 대해 총 고체 중량%)가 약 10% 내지 약 35%인 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스를 생성하기 위해, 전처리된 바이오매스의 평균 온도가 약 40℃ 내지 약 60℃에 도달하도록, 적어도 제1용기에서 단지 부분적으로 효소로 가수분해되고 생성된 적어도 재순환 냉각 액화 물질을 전처리된 바이오매스에 첨가하는 단계; 적어도 제1용기에 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스를 수송하는 단계; 수송 개시 시, 수송 중, 수송 후, 또는 임의의 조합으로, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스에 효소 용액의 적어도 제1부분을 적어도 제1용기에 첨가하는 단계를 포함하고, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스가 혼합되고 높은 외관 점도로부터 낮은 외관 점도로 전이되어 실질적으로 액체 물질을 형성하고, 효소 용액의 적어도 제1부분을 첨가하기 직전에 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스의 온도는, 적어도 제1용기로부터 방출될 때까지, 약 40℃ 내지 60℃ 또는 약 45℃ 내지 55℃의 온도로 유지된다.

또 다른 실시형태에서, 방법은,

전처리된 바이오매스를 생성하기 위해 바이오매스 상에 전처리 단계를 수행하는 단계; 전처리된 바이오매스의 pH 를 약 4 내지 6.5(또는 약 4.5 내지 6.5)로 조절하는 단계 - 전처리된 바이오매스의 pH 를 약 4 내지 6.5(또는 약 4.5 내지 6.5)로 조절하는 단계는, 전처리된 바이오매스의 평균 pH가 약 4 내지 6.5 또는 약 4.5 내지 6.5 가 될 때까지, 전처리된 바이오매스를 pH 조절 물질과 혼합할 필요가 있다(일반적으로, 알칼리 기반 화합물, 일부 상황에서 산성 화합물, 그 외의 상황에서 pH 조절 물질이 첨가되지 않음) -; 총 고체 농도(냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스의 총 중량에 대해 전체 고체 중량%)가 약 10% 내지 약 35%인 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스를 생성하기 위해, 전처리된 바이오매스의 평균 온도가 약 40℃ 내지 약 60℃에 도달하도록, 적어도 제1용기에서 재순환된 냉각 액화 물질을 전처리된 바이오매스에 첨가하는 단계; 적어도 제1용기에 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스를 수송하는 단계; 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스에 효소 용액의 적어도 제1부분을 적어도 제1용기에 첨가하는 단계를 포함하고, 제1용기에서는 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스가 혼합되고 높은 외관 점도로부터 낮은 외관 점도로 전이되어 실질적으로 액체 물질을 형성하고, 효소 용액의 적어도 제1부분이 첨가되기 직전에 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스의 온도는, 적어도 제1용기로부터 방출될 때까지 약 40℃ 내지 60℃ 또는 약 45℃ 내지 55℃의 온도로 유지된다.

또 다른 실시형태에서, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스에 효소 용액의 적어도 제1부분을, 수송 개시 시, 수송 중, 또는 수송 후 또는 임의의 조합으로 적어도 제1용기에 첨가하는 단계로, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스가 혼합하되 높은 외관 점도로부터 낮은 외관 점도로 전이되어 실질적으로 액체 물질을 형성하고, 효소 용액의 적어도 제1부분의 첨가 직전에 냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스의 온도는, 적어도 제1용기로부터 방출될 때까지 약 40℃ 내지 60℃ 또는 약 45℃ 내지 55℃의 온도에서 유지된다.

또 다른 실시형태는, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스를 혼합장치로 용적형 펌프(positive displacement pump)를 통해 수송하는 단계; 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스를 혼합 장치에서 약 400 내지 4,000 rpm의 속도로, 약 0.05 내지 200 초 동안 혼합하는 단계로, 상기 혼합 중에 효소 용액의 제1부분이 첨가되는 단계; 냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스를 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기로 수송하는 단계로, 효소 용액의 제2부분이 첨가되고, 물질이 높은 외관 점도로부터 낮은 외관 점도로 전이되어 실질적으로 액체 물질을 형성할 수 있고, 효소 용액의 제1부분의 첨가 직전에 냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스의 온도는 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기로부터 방출될 때까지 약 40℃ 내지 60℃, 또는 약 45℃ 내지 55℃에서 유지된다.

또 다른 실시형태에서, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스에 효소 용액의 적어도 제1부분을, 수송 개시 시, 수송 중, 수송 후, 또는 임의의 조합으로 적어도 제1용기에 첨가하는 단계 - 제1용기는 400 내지 4,000 rpm의 속도로 약 0.05 내지 200 초 동안 수행하는 혼합장치임 - ; 상기 냉각되고 pH 조절된 전처리된 물질을 제1용기로부터 제1효소 가수분해 반응 용기인 제2용기로 수송하는 단계로, 효소 용액의 제2부분이 첨가되고, 물질이 높은 외관 점도로부터 낮은 외관 점도로 전이되어 실질적으로 액체 물질을 형성하고, 효소 용액의 제1부분의 첨가 직전에 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스의 온도는 제1효소 가수분해 반응 용기로부터 방출될 때까지 약 40℃ 내지 60℃, 또는 약 45℃ 내지 55℃에서 유지된다.

그 외의 실시형태는 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스에 효소 용액의 적어도 제1부분을, 수송 개시 시, 수송 중, 또는 수송 후 또는 임의의 조합으로 적어도 제1용기에 첨가하는 단계 - 제1용기는 400 내지 4,000 rpm의 속도로 약 0.05 내지 200 초 동안 수행하는 혼합기임 -, 효소 용액의 제2부분이 혼합장치에 첨가되는 단계; 상기 냉각되고 pH 조절된 전처리된 물질을 제1용기(혼합기)로부터 제2용기(적어도 제1효소 가수분해 반응 용기)로 수송하는 단계를 포함하고, 물질이 높은 외관 점도로부터 낮은 외관 점도로 전이되어 실질적으로 액체 물질을 형성하고, 효소 용액의 제1부분의 첨가 직전에 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스의 온도는 제1효소 가수분해 반응 용기로부터 방출될 때까지 약 40℃ 내지 60℃, 또는 약 45℃ 내지 55℃에서 유지된다.

또한, 또 다른 실시형태에서는, 혼합기인 제1용기 전에 효소 용액이 첨가되지 않고 혼합기에 첨가될 수 있고, 혼합기로부터 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기인 제2용기에 수송되는 단계를 제공하고, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스가 혼합되고 높은 외관 점도로부터 낮은 외관 점도로 전이되어 실질적으로 액체 물질을 형성하고, 효소 용액의 제1부분의 첨가 직전에 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스의 온도는 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기로부터 방출될 때까지 약 40℃ 내지 60℃, 또는 약 45℃ 내지 55℃에서 유지된다.

또 다른 실시형태에서는, 혼합기인 제1용기 전에 효소 용액이 첨가되지 않고 혼합기에 효소 용액의 적어도 일부가 첨가되는 단계; 혼합기로부터 적어도 효소 가수분해 제1반응용기인 제2용기로 수송하는 단계; 수송 중 적어도 효소 용액의 제2부분을 적어도 제1효소 가수분해 반응용기에 첨가하는 단계를 제공하고, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스가 높은 외관 점도로부터 낮은 외관 점도로 전이되어 실질적으로 액체 물질을 형성하고, 효소 용액의 첨가 직전에 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스의 온도는, 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기로부터 방출될 때까지 약 40℃ 내지 60℃, 또는 약 45℃ 내지 55℃에서 유지된다.

전처리된 바이오매스의 적어도 제1용기로의 수송은, 적어도 하나의 컨베이어를 사용해서 달성될 수 있고, 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기로부터 재순환된 냉각 액화 물질 및 pH 조절 물질(일반적으로 알칼리 기반 화합물이지만, 일부 상황에서 산성 화합물일 수 있고, 일부 상황에서 pH 조절 물질이 첨가되지 않음)이, 전처리된 바이오매스의 평균 pH가 약 4 내지 6.5(또는 약 4.5 내지 6.5)로 될 때까지 하나의 컨베이어에 첨가되는 단계로서, 전처리된 바이오매스의 평균 온도가 약 40℃ 내지 60℃이고, 냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스는 총 고체 농도가 약 10 내지 35%임(냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스의 총중량에 비해 전체 고체의 중량%); 적어도 하나의 컨베이어 내에서 냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스에 효소 용액의 제1부분을 첨가하는 단계로서, 효소는 적어도 하나의 컨베이어의 내측에 2개 이상의 위치로부터 컨베이어에 첨가되는 단계; 냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스를 제1용기에 수송하는 단계이다.

전처리된 바이오매스를 적어도 제1용기로의 수송은 다수(2개 이상) 컨베이어를 포함하고, 재순환된 냉각 액화 물질 및 pH 조절물질(필요에 따라)은 제1컨베이어에 첨가되고, 효소 용액은 적어도 제1용기에 진입하기 전에 임의의 다수의 컨베이어에 첨가될 수 있다.

또 다른 실시형태에서 다수의 컨베이어 내에 다수의 위치에서 효소 용액의 첨가가 가능하다.

또 다른 방법은 냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스에 효소 용액의 제1부분을 첨가하는 단계를 포함하고, 효소는 제2이상의 컨베이어 내측에 2개 이상의 위치에서 제2이상의 컨베이어에 첨가된다.

적어도 하나의 효소 가수분해 반응 용기는 연속적인 효소 가수분해 반응기로, 물질을 높은 외관 점도로부터 낮은 외관 점도로 전이시켜서 실질적으로 액화 물질을 형성하고, 효소 용액의 제1부분을 첨가하기 직전에 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스의 온도는, 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기로부터 방출될 때까지 약 40℃ 내지 60℃, 약 45℃ 내지 50℃로 유지된다.

일부 예시의 실시형태에서, 효소는 하나의 위치에서 첨가될 수 있고, 냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스는 제1용기에 수송되고, 제1용기는 혼합기이고, 수송은 용적형 펌프를 통해서 수행된다. 효소의 단일 첨가는, 재순환된 냉각 액체 물질을, pH 조절 물질(필요에 따라)의 첨가 전 또는 동시에 첨가하고, pH 조절 물질과 함께 냉각수를 첨가하거나 첨가하지 않은 임의의 위치에서 수행될 수 있다.

적어도 일부 실시형태의 혼합기는 유동 혼합기일 수 있다. 적어도 일부 실시형태에서, 혼합기의 유지시간은 약 200 초 미만, 0.5초 미만, 그 사이의 임의의 시간에 있다. 적어도 일부 실시형태에서 혼합기의 속도는 약 400 rpm 초과 약 4,000 rpm 미만이다.

혼합은 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기뿐 아니라 제1용기 또는 혼합단계의 혼합기에서 발생할 수 있다. 제1용기 또는 혼합 단계의 혼합기는 고전단 혼합기일 수 있지만, 적어도 제1효소 가수분해 반응 용기를 혼합하는 단계는 느린 이동의 혼합기로부터 수행될 수 있다.

추가의 방법은

적어도 약 100℃의 온도에서 바이오매스를 전처리하는 단계; 전처리된 바이오매스를 냉각 액화 물질을 사용해서 80℃ 이하 또는 약 50℃ 이하의 온도로 냉각하고, pH 조절 물질을 사용해서 약 1 내지 6의 pH로 조절하는 단계; 효소, 이스트, 호열성 세균, 중온 세균 중 적어도 하나, 또는 그 외의 생물학적 촉매를 사용해서 냉각되고 전처리된 바이오매스를 효소 가수분해해서 액화 물질을 형성하는 단계; 효소 가수분해 단계에서 냉각된 전처리된 바이오매스로부터 생성된 액화 물질의 연속적 흐름을 추출하고 재순환하는 단계를 포함하는 바이오매스 처리하는 것에 관한 것이다.

효소 가수분해 단계는 액화 물질을 생성하기 위해 제1효소 가수분해 반응 용기 그 다음에 제2이상의 효소 가수분해 반응 용기에서 냉각되고 전처리된 바이오매스를 효소 가수분해하는 단계를 포함할 수 있고, 연속적인 흐름의 액화 물질의 추출은 제1효소 가수분해 반응용기와 제2효소 가수분해 반응용기 사이에서 또는 제1효소 가수분해 반응기 배출 시 발생한다.

또 다른 예시의 실시형태에서, 공정 흐름 시스템은,

적어도 약 100℃의 온도에서 바이오매스를 전처리하도록 구성된 전처리 반응용기; 전처리된 바이오매스의 연속 흐름을, 냉각 액화 물질의 연속 흐름을 이용하여 80℃ 이하 또는 약 50℃ 이하의 온도로 냉각하도록 구성된 냉각 장치; 전처리된 바이오매스에 pH 조절 물질을 첨가하도록 구성된 pH 조절 장치; 효소, 이스트, 호열성 세균, 중온 세균 중 적어도 하나, 또는 그 외의 생물학적 촉매를 사용해서 냉각되고 전처리된 바이오매스를 효소 가수분해해서 액화 물질을 형성하도록 구성된 제1효소 가수분해 반응 용기; 효소, 이스트, 호열성 세균, 중온 세균 중 적어도 하나, 또는 그 외의 생물학적 촉매를 사용해서 제1효소 가수분해 반응 용기에서 생성된 액화 물질을 효소 가수분해하도록 구성된 제2이상의 효소 가수분해 반응 용기로, 효소 가수분해 반응 용기는 제1 효소 가수분해 반응용기로부터 방출된 액화 물질의 적어도 일부를 수용하도록 커플링됨; 및 냉각 장치에 액화 물질의 일부를 펌핑하도록 구성된 펌프를 포함한다.

도 1은 바이오매스를 전처리하고, 전치리된 바이오매스를 냉각하고 냉각된, 전처리된 바이오매스를 효소 가수분해하기 위한 예시의 종래 기술 시스템의 공정 흐름도를 도시한다.
도 2는 바이오매스를 전처리하고, 전치리된 바이오매스를 냉각하고, 냉각된, 전처리된 바이오매스를 효소 가수분해하기 위한 새로운 시스템의 공정 흐름도를 도시한다.
도 3은 단당 또는 그 외의 유용한 부산물을 재순환된 액화 물질을 사용해서 냉각하기 위해 효소 가수분해 반응에서 하나 이상의 효소 또는 효소 함유 용액과 리그노셀룰로오스 물질이 혼합된 전체 공정의 공정 흐름도를 도시한다.
도 4는 단당 또는 그 외의 유용한 부산물을 재순환된 액화 물질을 사용해서 냉각하기 위해 효소 가수분해 반응에서 단일 효소 첨가를 사용해서 하나 이상의 효소 또는 효소 함유 용액과 리그노셀룰로오스 물질이 혼합된 전체 공정의 공정 흐름도를 도시한다.
도 5는 단당 또는 그 외의 유용한 부산물을 pH 조절물질의 첨가 후 재순환된 액화 물질을 사용해서 냉각하기 위해 효소 가수분해 반응에서 하나 이상의 효소 또는 효소 함유 용액과 리그노셀룰로오스 물질이 혼합된 전체 공정의 공정 흐름도를 도시한다.
도 6은 점도 측정 장치의 rpm 대 외관 점도를 도시하는 전처리된 버개스의 당화 중 점도 프로파일의 선 그래프를 도시한다.
도 7은 점도 측정 장치의 rpm 대 외관 점도를 도시하는 전처리된 버개스의 당화 중 점성 프로파일의 막대 그래프를 도시한다.
도 8은 냉각제로서 액화 물질을 재순환해서 원스 쓰로우(once through)를 비교한 글루칸의 글루코오스로의 전환율 실험 1의 선 그래프를 도시한다.
도 9는 냉각제로서 액화 물질을 재순환해서 원스 쓰로우(once through)를 비교한 글루칸의 글루코오스로의 전환율 실험 1의 막대 그래프를 도시한다.
도 10은 냉각제로서 액화 물질을 재순환해서 원스 쓰로우(once through)를 비교한 글루칸의 글루코오스로의 전환율 실험 2의 선 그래프를 도시한다.
도 11은 냉각제로서 액화 물질을 재순환해서 원스 쓰로우(once through)를 비교한 글루칸의 글루코오스로의 전환율 실험 2의 막대 그래프를 도시한다.

본원에 기재된 예시의 방법 및 공정은, 예를 들면, 단당을 생성하기 위해 전처리된 바이오매스를 효소 가수분해하기 위해 적용될 수 있다. 이러한 방법 및 공정은, 에탄올을 포함하는 연료 생성 및 그 외의 적용에 사용하기 위해 목재, 펄프, 섬유, 농업 폐기물, 재순환 섬유를 포함하지만, 이들로 한정되지 않는 것으로부터 간단한 화합물을 유도, 생성 또는 추출하기 위해 사용될 수 있다. 마찬가지로, 기재된 방법 및 공정은 셀룰로오스 함유 물질, 예를 들면, 리그노셀룰로오스 물질(바이오매스)에서 화합물의 모노머를 추출해서 구현될 수 있다. 효소 가수분해는 효모, 이스트, 호열성 세균, 중온 세균, 또는 그 외의 생물학적 촉매 중 하나 이상을 사용하는 것을 포함하지만, 이들로 한정되지 않는다.

도 1은 50톤/h(건조 기준)의 속도로 바이오매스를 처리하기 위한 종래의 연속 시스템의 공정 흐름도를 도시한다. 바이오매스는 전처리 용기(110)에서 전처리된다. 이러한 공정에서, 바이오매스는 상승된 온도(예를 들면, 100℃ 초과) 및 산성 환경에서 전처리된다. 그 외의 전처리 공정은 스팀 폭발 또는 암모늄 가수분해 또는 라임 가수분해를 포함하지만 이들로 한정되지 않는 것이 사용될 수 있다. 전처리된 바이오매스(111)는 적어도 100℃의 온도에서 25% 내지 50% 바이오매스의 총 고체 함량 (전처리 반응 용기로 공급된 바이오매스 기준, 이 예에서 25% 총 고체 함량이 사용되었다)이 166 m³/h 속도로 전처리 용기(110)로부터 방출되었다. 바이오매스 전처리 공정에 대한 총 고체 함량은 25% 내지 50%일 수 있다.

전처리된 바이오매스(111)는 지나치게 산성이고 고온이어서 일반적으로 효소 가수분해에 의해 처리되거나, 가수분해 효과에 민감하게 된다. 바이오매스 전처리에 대한 조건은 실질적으로 효소 가수분해에 대한 조건과 상이하다. 효소 가수분해는 통상 약 4 내지 6.5의 pH 및 예를 들면, 약 50℃ 내지 55℃의 온도의 환경에서 발생한다. 효소 가수분해에 그 외의 온도 범위가 사용될 수 있다. 이스트 기반 효소 반응은, 예를 들면, 약 28℃ 내지 40℃의 온도에서 발생할 수 있고, 호열성 세균 기반 효소 가수분해는 약 80℃ 만큼 높은 온도에서 발생할 수 있고, 중온 세균(mesophilic bacteria) 기반 효소 가수분해는 약 20℃ 내지 약 45℃의 온도에서 발생할 수 있다. 혼합 용기와 같은 혼합 단계(112)는 pH를 증가하고 전처리된 바이오매스(111)를 냉각하기 위해서 사용된다. 적절한 염기(114)(이 예에서 전처리 조건이 산성이기 때문에 염기가 사용된다), 예를 들면, 암모니아, 라임 또는 그 외의 토금속 기반 수산화물 또는 탄산염은 전처리된 바이오매스(111)의 pH를 효소 가수분해에 적합한 수준까지 조절하기 위해 혼합 단계(112) 중에 첨가된다.

냉각 액체는 혼합 단계(112)에서 도관(116)을 통해 전처리된 바이오매스(111)에 첨가된다. 냉각 액체는 일반적으로 물, 증류폐액, 분쇄장치로부터의 그 외의 적합한 액체이다. 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스 생성물(121)을 사용하는 것이 제안되었다. 일반적으로 전처리 및 효소 가수분해 후 바이오매스는 적어도 30%의 단당 수율을 가지며 대형 효소 가수분해 반응 용기(118)로부터 방출된다. 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스(121)는 분리되고, 그 일부가 도관(123)을 통과하고, 냉각 단계(122)를 거쳐 도관(116)을 통과해서 혼합 단계(112)로 펌프(120)에 의해 펌핑된다.

혼합 단계(112)에서, 배치 모드 혼합 용기는 전처리된 바이오매스(111)를 효소 가수분해에 적합한 조건으로 전환하기 위해 사용된다. 배치 모드는 일반적으로 하류 용기(미도시)로 공급하는 다수의 작은 혼합용기(예를 들면, 소화기 또는 그 외의 반응 용기)를 포함한다. 배치 처리를 수행하면, 혼합 단계(112) 용기 내에 각 사이클의 충진부 및 배기부를 수용하기 위해서 혼합 단계(112) 용기의 부피를 증가시킬 필요가 있다.

효소 가수분해는 일반적으로 완료되는 데에 수 시간이 필요하다. 대형 효소 가수분해 반응 용기(118) 또는 용기 어셈블리 내의 유지 기간은, 예를 들면, 24 내지 72 시간 이상일 수 있다. 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스 생성물(121)은 효소로 가수분해된 반응 용기(118)로부터 방출되고 제조된 단당 용액(119)으로서 사용된다. 효소 가수분해 처리 기간이 길기 때문에, 대형 효소 가수분해 반응 용기(118)(예를 들면, 탱크)의 부피는 37,000m³ 이상만큼 클 수 있다. 종래에 필요한 시스템의 고용량 대형 효소 가수분해 용기는 처리될 바이오 물질을 제한하거나 효소 가수분해 시스템의 비용을 증가시킨다.

도 1에 도시된 바와 같이, 혼합 단계(112)에서 고농도의 전처리된 바이오매스(111)를 유지하기 위해, 전체 또는 일부의 물(130)을 대체하기 위한 냉각 액체로서 기존에 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스(121)을 사용하는 것이 알려져 있다. 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스 생성물(121)은 충분히 가수분해되고(전처리 공정 및 효소 가수분해로부터) 제조된 단당 용액(119)으로서 사용될 수 있다. 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스 생성물(121)을 냉각 액체로서 사용하면 냉각수(130)의 지나친 희석을 피할 수 있다. 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스 생성물(121)을 냉각 액체로서 사용하면, 대형 효소 가수분해 반응 용기(118)(예를 들면, 탱크) 부피를 증가시킬 필요가 있다. 대형 효소 가수분해 반응 용기(118)는 주로 폴리머 셀룰로오스 및 반셀룰로오스로 이루어진, 전처리 용기(110)로부터 전처리된 바이오매스(111)의 단당 용액(119)으로의 적절한 전환에 필요한 것으로, 유지 시간(예를 들면, 24 내지 72 시간 이상) 동안 수용하는 것이 필요하다.

냉각 전처리된 바이오매스(111)의 그 외의 수단(예를 들면, 냉각 기체 또는 냉각 재킷 컨베이어 시스템)이 이용 가능하지만 모든 공정 흐름 시스템에 적합한 것은 아닐 수 있다. 예를 들면, 냉각 기체는 종종 전처리된 바이오매스(111)의 미립자의 크기 때문에 전처리된 바이오매스(111)를 쉽게 통과하지 못한다. 간접적인 열 교환기는 고점성(예를 들면, 머드-유사 농도)의 전처리된 바이오매스(111) 가 열 교환기의 통로를 쉽게 흐르지 못하기 때문에 적합하지 않다. 전처리 용기(110)와 대형 효소 가수분해 반응 용기(118) 사이에 냉각 재킷 컨베이어 시스템은 전처리된 바이오매스(111)를 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 냉각 재킷 컨베이어 시스템 내에서 달성되는 열 전달량은, 전처리된 바이오매스(111)와 튜브 표면 사이의 접촉이 불량하고 냉각 재킷 컨베이어 시스템의 큰 직경의 튜브 내에서 면적 대 부피의 비가 작기 때문에, 전처리된 바이오매스(111)를 효소 가수분해에 대해 적합한 온도까지 냉각하는 것이 충분하지 않을 수 있다. 충분히 열이 전달되지 않으면, 매우 크고 고가의 간접적인 냉각 시스템이 요구될 수 있다.

도 2는 50톤/h(건조 기준)의 속도로 바이오매스를 처리하기 위한 새로운 시스템의 공정 흐름도를 도시한다. 시스템은 도 1의 시스템과 유사하고 동일한 참조 부호가 사용되어 동일한 공정 구조 및 단계를 의미한다. 바이오매스는 전처리된 용기(110)에서 예를 들면, 100℃ 초과의 온도 및 산성 환경에서 전처리된다. 전처리된 바이오매스(111)는 약 166 m³/h 속도로 전처리 용기(110)로부터 방출될 수 있다.

혼합 단계(112)는 연속 흐름 혼합기(예를 들면, 혼합 탱크 또는 스크루 컨베이어)일 수 있다. 적합한 염기(114), 예를 들면, 암모니아, 라임 또는 그 외의 토금속 기반 수산화물 또는 탄산염이 혼합 단계(112)에 첨가되고, 전처리된 바이오매스의 pH를 효소 가수분해에 적합한 수준까지 조절(예를 들면, 증가 또는 감소)한다.

냉각 액체는 혼합 단계(112)에서 도관(116)을 통해 전처리된 바이오매스(111)에 첨가된다. 냉각 액체는 제1효소 가수분해 반응 용기(126)로부터 방출된 액화 물질(부분적으로 효소로 가수분해된 바이오매스 물질)(131)이다. 액화 물질(131)을 도관(123)을 통과하고 냉각 단계(122)를 거쳐서 도관(116)을 통해 혼합 단계(112)로 펌프(120)를 사용해서 펌핑된다. 냉각 단계(122)는 부분적으로 효소로 가수분해된 바이오매스의 수송 도관 주위에 간접적인 냉각 장치, 예를 들면, 열 교환기 또는 냉각 재킷일 수 있다. 냉각 단계는 액화 물질의 온도를 약 50℃ 내지 30℃로 감소시키고 냉각 액화 물질을 생성할 수 있다.

제1효소 가수분해 반응 용기(126)는 비교적 작은 용기일 수 있다. 예를 들면, 1,550 m³, 또는 약 750 내지 500 m³의 범위의 부피이다. 용기(126)는 용기의 좁은 말단에 상부 입구를 갖는 원추형 용기일 수 있다. 교반 암(mixing arm)은, 용기의 상류(상부)영역에서 비교적 짧고, 용기의 하류(하부) 영역에서 비교적 길 수 있다. 제1효소 가수분해 반응 용기(126)의 상부 영역은 높은 외관 점도의 전처리된 바이오매스(111)을 처리하는 데에 적합하고, 이는 종종 미립자 고체-물 혼합물이거나 매우 높은 외관 점도의 머드 유사 물질이다. 제1효소 가수분해 반응 용기(126)에서 효소 가수분해 중, 전처리된 바이오매스(111)의 고체는 비교적 낮은 외관 점도를 갖는 액체로 전환된다. 낮은 외관 점도 때문에, 제1효소 가수분해 반응 용기(126)의 하부 영역에서 긴 교반 암을 이동하는 데에 요구되는 토크는, 실질적으로 제1효소 가수분해 반응 용기(126)의 상부 영역에서 고점도의 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)가 짧은 교반 암을 이동하는 데에 필요한 토크와 유사할 수 있다.

냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)는 제1효소 가수분해 반응 용기(126)에서 비교적 짧은 유지 기간(예를 들면, 약 0.5 내지 6.0 시간) 동안 유지될 수 있다. 제1효소 가수분해 반응 용기(126) 내에서, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)의 셀룰로오스의 고체로부터 당으로 그리고 액화물질(131)로 부분적으로 전환하는 데에 필요한 유지 시간은 약 6 시간 미만일 수 있고 3 시간 미만 또는 2 시간 미만일 수 있다. 짧은 유지 기간(예를 들면, 약 6 내지 0.5 시간) 후, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)의 효소 가수분해는 완료되지 않고, 즉, 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스가 생성되지 않았다.

제1효소 가수분해 반응 용기(126)에서 효소 가수분해 공정은, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)의 긴 사슬 폴리머가 짧은 분자로 분해되기 때문에 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)의 외관 점도를 감소시킨다. 액화 물질(131)은 실질적으로 액체이고 낮은 외관 점도(전처리된 바이오매스에 대해)를 갖기 때문에, 액화 물질(131)의 적어도 일부는 도관(123)을 통해 분리될 수 있고, 냉각 단계(122)를 거쳐서 도관(116)을 통해 혼합 단계(112)로 펌프(120)를 사용해서 연속적으로 펌핑될 수 있다.

혼합 단계(112)는 연속적인 공정일 수 있다. 연속적인 공정에서, 제1효소 가수분해 반응 용기(126)의 방출로부터의 액화 물질(131)의 연속적인 흐름은, 냉각 액화 물질이 생성되면, 냉각 단계(122)(예를 들면, 간접적인 냉각 장치 또는 냉각 재킷이 장착된 도관)를 거쳐 펌프(120)를 사용해서 펌핑되고, 혼합 단계(112)에서 혼합 장치(예를 들면, 스크루 컨베이어 및 혼합기)로 유입된다. 액화 물질(131)의 일부가 도관(123)을 통해 냉각 단계(122)로 유입되는 속도는, 상부 입구에서 제1효소 가수분해 반응 용기(126)로 주입된, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)와 전처리된 바이오스매스(111)의 혼합물의 온도를 조절하도록 한다. 또한, 염기성 물질(114)은 전처리된 바이오매스(111)와 액화 물질(131)의 혼합물의 pH를 조절(예를 들면, 증가)하기 위해 첨가될 수 있고, 냉각하기 위해 물(130)이 첨가될 수 있다.

액화 물질(131)의 일부는 전처리된 바이오매스(111)를 냉각하기 위해 우회되지 않고, 도관(132)을 통해 제2효소 가수분해 반응 용기(128)로 유입된다. 액화 물질(131)의 일부는 제2효소 가수분해 반응 용기(128)로 펌프(미도시)를 통해 수송될 수 있다. 제2효소 가수분해 반응 용기(128)(예를 들면, 제2효소 가수분해 반응 용기는 약 11,500 m³의 부피를 필요로 할 수 있다)는 종래의 탱크, 예를 들면, 원통형 용기일 수 있고, 제1효소 가수분해 반응 용기(126)(제1효소 가수분해 반응 용기(126)는 약 1,550 m³의 부피를 가질 수 있다)와 상이한 부피를 가질 수 있다. 액화 물질(131)의 일부는 전처리된 바이오매스(111)를 냉각하기 위해 사용되기 때문에, 제2효소 가수분해 반응 용기(128)에 필요한 용량은, 도 1의 종래의 시스템의 하나의 효소 가수분해 반응 용기(118)만큼 크지 않은 것이 요구될 수 있다. 제2효소 가수분해 반응용기(128)는 연속적인 또는 배치 모드에서 조작될 수 있다. 제2효소 가수분해 반응 용기(128)에서 효소 가수분해를 완료하기 위한 기간은 비교적 길 수 있고, 예를 들면, 약 21 내지 69 시간 이상일 수 있다. 제1효소 가수분해 반응 용기(126) 및 제2효소 가수분해 용기(128)에서 발생하는 효소 가수분해 기간은 도 1에 도시된 바와 같은 공정에서 종래의 효소 가수분해 기간과 유사할 수 있지만, 예시의 실시형태(도 2)의 제1효소 가수분해 반응 용기(126) 및 제2효소 가수분해 용기(128)의 총 부피는 도 1의 종래의 시스템의 약 37,000 m³ 에 비해 약 13,050 m³으로 상당히작을 수 있다. 종래의 시스템(도 1) 및 예시의 실시형태 시스템(도 2) 은, 효소 가수분해에 대한 총 용량이 상당히 감소하고, 장치에 대한 비용이 크게 절약된다.

상술한 바와 같이, 제1 및 제2효소 가수분해 반응용기(126, 128)의 조합된 부피는 도 1에 도시된 효소 가수분해 반응 용기의 부피보다 상당히 작을 수 있다. 전처리된 바이오매스(111)의 고체를 냉각하고 그 농도를 조절하기 위해 물(130)과 함께 액화 물질(131)(부분적으로 효소로 가수분해된 바이오매스)을 사용하고, 혼합 및 효소 가수분해용 연속 공정을 사용하기 때문에, 도 2에 도시된 공정에 도시된 혼합 단계(112) 및 효소 가수분해 반응 용기(126, 128)에서 필요한 부피는 도 1에 도시된 공정에 필요한 부피에 비해 실질적으로 작다.

도 3은, 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 동일한 참조 부호가 사용되어 동일한 공정 구조 및 단계를 의미하고, 전처리된 바이오매스와 효소를 혼합하기 위한 예시의 장치를 도시한다. 전처리된 리그노셀룰로오스 바이오매스(9)는 버퍼 탱크(110)(버퍼 탱크(110)는 사이클론 또는 그 외의 용기일 수 있다)에 진입하고, 일부 실시형태에서 전처리된 리그노셀룰로오스 바이오매스(9)는 슬러리로서 버퍼 탱크(110)에 진입하고 전처리된 바이오매스(111)로서 버퍼 탱크(110)로부터 방출되고, 특정한 예시의 실시형태에서 전처리된 바이오매스(111)는 버퍼 탱크(110)로부터 제1컨베이어(12)로 수송된다. 전처리된 리그노셀룰로오스 바이오매스(9)는 외관 점도가 약 10,000 mPa·s 초과, 약 15,000 mPa·s 초과, 그 외의 예시의 실시형태에서 약 20,000 mPa·s, 또는 약 25,000 mPa·s 초과한다. 버퍼 탱크(110)에서 전처리된 리그노셀룰로오스 바이오매스(9)는 약 100℃의 온도에서(약 15℃ 내지 100℃ 내)에 있을 수 있고, 40중량% 고체를 함유할 수 있고, pH가 약 1 내지 4일 수 있다. 버퍼 탱크(110)로부터 방출된 전처리된 바이오매스(111)는 제1컨베이어(12)로 수송된다. 제1컨베이어(12)는 스크루일 수 있고, 구체적으로 "냉각되고 pH 조절된 스크루"일 수 있다. 이러한 제1컨베이어(12)에서, 특정한 예에서, 전처리된 바이오매스(111)의 온도 또는 pH는 상기 기재된 바와 같이 변경되어, 효소에 대한 이상적인 조건일 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 전처리된 바이오매스(111)의 온도가 감소하고 pH는 증가한다. 액화 물질(131)은 제1효소 가수분해 반응 용기(126)의 방출 장치(38)로부터 방출되고 버퍼 탱크(110) 및/또는 제1컨베이어(12)로 재순환된 제1액화 물질 부분(38''')으로 분리될 수 있다. 제1액화 물질 부분(38''')은 냉각된 제1액화 물질 부분(40)을 생성하기 위해 냉각 장치(8)에서 냉각된다. 제1컨베이어(12)에서 버퍼 탱크(110)로부터 방출된 전처리된 바이오매스(111)의 온도는 재순환 액화 물질(131), 구체적으로 냉각된 제1액화 물질 부분(40)을 첨가해서 감소될 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으로, 항상 전처리 중 또는 후에 혼합물의 온도 또는 pH에 따르는 것은 아닐 수 있다.

제1효소 가수분해 반응기(126)로부터 방출되는 액화 물질(131)은 약 40℃ 내지 55℃의 온도에서 반응기 방출 장치(38)를 통해 방출된다. 장치(38)를 통해 방출되는 액화 물질(131)의 일부는 도관(39')을 통해 버퍼 탱크(110)로 및/또는 도관(39)을 통해 제1컨베이어(12)로 재순환될 수 있다. 반응기 방출 장치(38)로부터 방출된 재순환된 제1액화 물질 부분(38''')을 냉각하기 위해, 냉각 장치(예를 들면, 간접적인 열교환기 또는 그 외의 적합한 장치)(8)는 냉각 수 또는 냉각된 제1액화 물질 부분(40)을 형성하는 그 외의 적합한 냉각 액체를 사용해서 재순환된 제1액화 물질 부분(38''')의 온도를 약 20℃ 내지 40℃로 감소시키는 데에 사용될 수 있다.

특정한 예시의 실시형태에서, 제1컨베이어(12)에서, pH 조절 물질(3)(예를 들면, 알칼리 화합물 또는 필요에 따라 산성 화합물, 또는 온도 변경 물질(도관(39)를 통해), 예를 들면, 재순환된 냉각된 제1액화 물질 부분(40) 및/또는 냉각 액체(5)(예를 들면, 냉각수, 증류폐액 또는 분쇄장치로부터의 공정 액체)가 전처리된 바이오매스(111)의 pH, 총 고체 농도 또는 온도를 조절하기 위해 전처리된 바이오매스(111)에 첨가될 수 있고, 이러한 값은 효소 가수분해에 필요한 범위 내에 있다. 센서(11), 예를 들면, 온도 및/또는 pH 센서는 제1컨베이어(12)에 의해 방출된 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)를 모니터링하고, 제1컨베이어(12)에 공급된 전처리된 바이오매스(111)의 pH 및 온도를 조절하기 위한 데이터를 제공할 수 있다.

특정한 예에서, 재순환 냉각된 제1액화 물질(40)의 적어도 일부는 도관(39')를 통해 버퍼 탱크(110)에 첨가될 수 있고, pH 조절 물질(3)은 전처리된 바이오매스(111)에 도관(39)을 통해 추가의 재순환되고 냉각된 제1액화 물질(40)이 첨가되거나 첨가되지 않은 알칼리 기반 화합물(또는 필요에 따라 산성 화합물)일 수 있다.

특정한 예에서, 재순환 냉각된 제1액화 물질(40)은 버퍼 탱크(110)에 도관(39')을 통해 첨가될 수 있고, pH 조절 물질(3)은 알칼리 기반 화합물(또는 필요에 따라 산성 화합물)이며, 냉각 액체(5), 예를 들면, 냉각수, 증류폐액 또는 분쇄장치로부터 공정 흐름과 함께 전처리된 바이오매스(111)에 첨가될 수 있다.

그 외의 예시의 실시형태에서, 전처리된 바이오매스(111)의 pH가 너무 크면, 전처리된 바이오매스(111)의 pH를 조절하기 위해 산성 화합물을 포함한 pH 조절 물질(3)이 첨가될 수 있고, 이러한 값은 상기 기재된 범위 내에 있는 값이다. 또한 예시의 실시형태에서, 제1컨베이어(12) 내에 있으면, 전처리된 바이오매스(111)의 총 고체 농도가 약 10 내지 30중량%, 또는 약 15 내지 30% 또는 약 18 내지 25%로 감소된다.

전처리된 바이오매스(111)의 pH, 온도, 또는 총 고체 농도가 효소 성능에 대해 더욱 이상적인 또는 바람직한 범위 내에 있도록, pH 조절 물질(3), 예를 들면, 알칼리 화합물 및 도관(39' 및/또는 39)를 통과하는 온도 변경 물질 및/또는 예를 들면, 재순환 냉각 제1액화 물질(40), 및 냉각 액체(5)를 제1 컨베이어(12)에 첨가해서 변경된다. 그 후, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)가 스크루 컨베이어일 수 있는 제2컨베이어(14)로 수송될 수 있다. 이러한 제2컨베이어(14)에서, 효소 용액(7)의 제1부분(7')이 분무되거나 제2컨베이어(14)에서 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)와 결합될 수 있다. 일부 경우에, 효소 용액의 제1부분(7')은 분무 노즐(15)을 통해 제2컨베이어(14)에 균일하게 분포되도록 제2컨베이어(14) 내에 분무될 수 있다. 그 외의 예시의 실시형태에서, 효소 용액의 제1부분(7')은 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)에 축 입구(13)(입구는 제2컨베이어(14)의 양 말단에 위치될 수 있다), 또는 제2컨베이어(14) 상에 다수의 불규칙하게 이격된 위치에 위치하는 입구를 통해 첨가될 수 있다.

슬러리(150)에 효소 용액의 제1부분(7')의 첨가 후, (냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)를 갖고 효소 용액의 제1부분(7')을 갖는 슬러리는) 용기(16)에 수송될 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서, 슬러리(150)는, 추가의 슬러리(150)가 잔류 처리 단계를 위해 용기(16)에 첨가할 때까지 용기(16)에 존재할 것이다. 용기(16)는 버퍼 탱크일 수 있다. 그 외의 예시의 실시형태에서, 슬러리(150)는 제2컨베이어(14)로부터 용기(16)로 진입하지 않고 혼합기(18)로 직접 수송될 수 있다. 일부 실시형태에서, 혼합기(18)는 유동 혼합장치일 수 있다. 일부 예에서, 용적형 펌프(17')는, 슬러리(150)를 용기(16)로부터 배관(23)을 통해 혼합기(18)로 수송하기 위해 사용될 수 있다. 용적형 펌프(17')는 중간 농도의 용적형 펌프일 수 있다. 용적형 펌프(17')는 제2컨베이어(14)로부터 혼합기(18)로 직접 확장하는 배관(23') 내에서 위치할 수 있다.

특정한 예시의 실시형태에서, 슬러리(150)가 혼합기(18)에 수송되는 경우, 슬러리(150)는 2,000 mPa·s 내지 3,000 mPa·s만큼 낮은 외관 점도를 가질 수 있다.

혼합기(18)는 중간 농도의 혼합장치일 수 있다. 효소 용액의 제2부분(7'')은 슬러리(150)와 함께 혼합기(18)에 첨가될 수 있다. 또한, 슬러리(150)가 혼합기(18)로 수송되면, 슬러리(150)가 혼합된 후 효소 용액의 제2부분(7'')가 슬러리(150)에 첨가될 수 있다. 일부 경우, 효소 용액의 제2부분(7'')은 슬러리(150) 및 효소 용액 제2부분(7'')를 혼합하기 전에 첨가될 수 있다. 그 외의 예시의 실시형태에서, 효소 용액의 제2부분(7'')은 혼합 개시와 동시에 또는 차후에 첨가될 수 있다. 예시의 실시형태에서, 슬러리(150) 및 효소 용액의 제2부분(7'')은 혼합 개시 전에 존재하도록, 효소 용액의 제2부분(7'')은 슬러리(150)가 혼합기(18)에 첨가되는 것과 동시에 혼합기(18)에 첨가될 수 있다.

예시의 실시형태에서, 효소 용액의 제2부분(7'') 및 슬러리(150)는 실질적으로 동시에 혼합기(18)에 첨가되고, 혼합기(18)는 약 200 내지 6,000 rpm, 약 300 내지 5,000 rpm, 및 약 400 내지 4,000 rpm의 범위에서 속도와 같은 회전 속도에서 조작된다. 슬러리(150) 및 효소 용액의 제2부분(7'')은 약 0.05 내지 500 초, 약 0.1 내지 300 초, 약 0.1 내지 100 초의 범위의 기간과 같은 특정한 소정 기간 동안 혼합될 수 있다. 혼합기(18)에서 슬러리(150)와 효소 용액의 제2부분(7'')를 상기 기재된 속도에서 혼합하면, 효소 용액(7)으로부터 효소를 상당히 열화 또는 변성시키지 않고, 바람직하게 슬러리(150) 내의 다당 및 리그노셀룰로오스 입자가 효소에 의해 빠르게 소화될 수 있다.

효소 용액의 제1부분(7') 및 효소 용액의 제2부분(7'')는 슬러리(150)에 혼합된 후, 슬러리(150)가 또 다른 용기인 제1효소 가수분해 반응 용기(126)로 수송, 예를 들면, 펌핑될 수 있다. 제1효소 가수분해 반응 용기(126)는 고농도 반응기 또는 혼합기일 수 있다. 특정한 예시의 실시형태에서 제1효소 가수분해 반응 용기(126)에서는 고점성 물질로부터 저점성 물질 또는 액체로의 스무스 전이가 가능하다.

일부 실시형태에서, 혼합기(18) 및 제1효소 가수분해 반응 용기(126)는 하나의 장치(예를 들면, 혼합기/반응기, 미도시)일 수 있고, 이 하나의 장치 내에서 혼합 및 효소 가수분해에 의해 액화 물질이 제공될 수 있다.

냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)에 임의의 효소 용액을 첨가하기 전에, 하나의 수송 장치에서 수송, 냉각 및 pH 조절 기능이 가능할 수 있고, 수송 장치는 하나의 스크루 컨베이어 또는 다수의 스크루 컨베이어로 제한되지 않는다. 임의의 실시형태에서, 혼합기(18) 및 제1효소 가수분해 반응 용기(126) 또는 결합된 하나의 혼합장치/반응기 전에, 냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스(134)의 수송 중에만 효소 용액(7)이 첨가될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 효소 용액은 혼합기(18) 또는 제1효소 가수분해 반응 용기(126) 또는 결합된 하나의 혼합기/반응기에서 첨가될 수 있다.

재순환 루프는 반응기 방출 장치(38)를 통해 방출된 액화 물질(131)을 사용해서 형성된다. 액화 물질(131)은 적어도 2개의 부분으로 분리될 수 있고, 2개의 부분은, 추가의 처리를 위해 액화 물질 펌프(21)로 공급된 하나의 부분(38'')(제2액화 물질 부분(38'')), 및 전처리된 용기(110) 및/또는 제1컨베이어(12) 또는 필요에 따라 효소 용액(7) 및 pH 조절 물질(3) 주입 전의 또 다른 적합한 위치로 냉각되고 재순환되는 냉각장치(8)로 공급되는 또 다른 부분(38''')(제1액화 물질 부분(38''')) 이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 슬러리(150)는 액화 물질(131)로 형성되고, 제1효소 가수분해 반응 용기(126)에서 반응기 방출 장치(38)를 통해 방출된 후, 제2액화 물질 부분(38'')을 적어도 하나의 제2효소 가수분해 반응 용기(128',128'',128''')로 수송하기 위해 액화 물질 펌프(21)가 사용될 수 있고, 특정한 예시의 실시형태에서 액화 또는 효소 가수분해가 발생할 수 있다. 제2액화 물질 부분(38'')을 제2효소 가수분해 반응 용기(128', 128'',128''')로 수송하기 위해 사용되는 액화 물질 펌프(21)는 특정한 예시의 실시형태에서 원심 또는 용적형 펌프일 수 있다. 또 다른 예시의 실시형태에서, 적어도 하나의 제2효소 가수분해 반응 용기(128', 128'',128''')는 하나의 제2효소 가수분해 반응 용기일 수 있다. 일부 경우에, 실질적으로 완료된 효소 가수분해는 하나 이상의 제2효소 가수분해 반응 용기(128', 128'',128''')에서 각각 회전 혼합 장치에서 수행될 수 있다. 제2효소 가수분해 반응 용기(128', 128'',128''')로부터 방출된 생성물(119)은 충분히 효소로 가수분해된 바이오매스의 흐름일 수 있다.

특정한 예시의 실시형태에서, 효소 가수분해 공정의 생성물(119)은 당, 예를 들면, 단당을 포함할 수 있고, 다양한 분야 또는 용도에서 사용되는 생성물 펌프(46)로 펌핑될 수 있다. 생성물 펌프(46)는 용적형 펌프일 수 있다. 생성물(119)은 에탄올 또는 임의의 그 외의 부가가치 물질을 생성하기 위해 사용될 수 있다.

도 4(도 1 내지 3과 동일한 장치 및 흐름은 동일한 참조 부호가 사용된다)는, 도관(7''')을 통해 효소 용액(7)이 혼합기(18)에 단일 첨가되면, 제2컨베이어(14)에서 효소 용액(7)이 첨가되지 않는 또 다른 실시형태를 도시한다. 이러한 예에서, 제2컨베이어(14)가 필요하지 않을 수 있다. 효소 용액 부분(7)은 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)와 함께 혼합기(18)에 첨가될 수 있다. 또한, 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134)는 혼합기(18)에 수송되면, 냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스(134)가 혼합된 후 효소 용액(7)은 냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스(134)에 첨가될 수 있다. 일부 경우, 효소 용액(7)은 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스(134) 및 효소 용액(7)을 혼합하기 전에 첨가될 수 있다. 그 외의 예시의 실시형태에서, 효소 용액(7)은 혼합 개시와 동시 또는 후에 첨가될 수 있다. 또 다른 예시의 실시형태에서, 효소 용액(7)은 냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스(134)가 혼합기(18)에 첨가됨과 동시에 혼합기(18)에 첨가될 수 있고, 혼합 개시 전에 혼합기(18)에 존재하도록 한다.

도 5는 효소 가수분해 반응기로부터 냉각된 액화 물질 첨가 전에 pH가 조절되는 스팀 폭발 바이오매스의 효소 가수분해 공정(300)의 추가의 실시형태를 도시한다.

일반적으로 약 60℃를 초과하는 온도에서 고온의, 전처리된 스팀 폭발 리그노셀룰로오스 물질(바이오매스) 피드스톡(301)이 버퍼 탱크(302)에 공급된다. 냉각 물질(312) 첨가에 의해 부분적으로 온도 조절 및 pH 조절이 수행된다. 냉각 물질(312)은 물, 또는 pH 조절 액체(309)의 첨가에 의해 공정 내에서 어느 곳으로부터의 여액(311)일 수 있고, 열교환기 또는 냉각장치(308)에 의해 냉각될 수 있다. 버퍼탱크(302)로부터의 물질은 효소 가수분해 공급 장치(303)에 공급되고, 효소 가수분해 연속 반응기 방출(305)의 적어도 일부는 도관(306) 및 냉각장치(307)를 통해 효소 가수분해 공급 장치(303)로 공급되고 냉각된 반응기 피드스톡(315)을 생성한다. 냉각된 반응기 피드스톡(315)은 혼합기(313)로 수송되고 혼합기에서 도관(314)을 통해 효소 용액이 제1효소 혼합기(313)에 또는 그 전에 첨가되고, 적어도 하나의 연속적인 효소 가수분해 반응기(304)에서 처리 및/또는 추가의 효소 가수분해 반응기, 연속 또는 배치 반응기에서 추가의 처리를 위해 냉각된 반응기 피드스톡 및 효소 혼합물(316)을 생성한다. 연속적인 효소 가수분해 반응기(304)로부터 효소로 가수분해된 연속 반응기 방출(305)의 일부는 추가의 또는 차후의 효소 가수분해의 그 외의 공정에 공급된다.

흐름 시스템은 연속적인 흐름 시스템으로서 본원에 기재되었다.

피드스톡(301)의 온도 또는 pH는 효소 가수분해 공정에서 약간 변동될 수 있지만, 효소 성능을 증가시키기 위해서 특정한 예시 실시형태에서 온도는 약 40℃ 내지 55℃(또는 약 50℃)하에서 유지되고 pH는 약 4 내지 6.5(또는 약 4.5 내지 6.5)로 유지되는 것이 유리하다.

도 6은 점도 실험 장치 내에서 혼합 작용 rpm 대 전처리된 바이오매스(이 경우에 버개스)의 외관 점도의 관계를 도시하는 선 그래프이다. 외관 점도의 측정에 사용되는 rpm은 그 측정에서 중요하다. 이러한 적용에서, 외관 점도 측정은 널리 사용되는, 원통 스핀들이 장착된 브룩필드 점도계(구체적으로 4 스핀들을 갖는 LV DV-II+)를 사용하고 0.1 내지 200 rpm의 속도로 조작될 수 있다. 본 출원의 목적에 대해 보고된 외관 점도는 약 20 rpm에서 측정되었다.

도 7은 효소 가수분해 처리 단계 중에 본 연구에서 다시 바이오매스로서 사용되는 버개스의 다양한 시간의 외관 점도를 도시한다. 1 내지 3 시간 전처리된 버개스는 임의의 재순환된 액화 물질을 포함하지 않는다. 제1효소 가수분해 반응 용기는 연속적인 조작에 의해 3시간 동안 유지하고, 따라서 제1효소 가수분해 반응 용기의 개시 시에 첨가된 물질은 3시간 동안 제1효소 가수분해 반응 용기 내에서 유지되고 대조 시료로 고려될 수 있다. 조작의 처음 3시간 동안 전처리된 버개스는, 냉각 물질로서 냉수만 첨가되었다.

1 시간에서의 외관 점도는 약 3,000 mPa·s를 초과하고, 3 시간 후의 외관 점도는 약 1,000 mPa·s를 초과해서 유지되고, 효소 가수분해 반응 용기로부터 방출된 액화 물질은, 필요에 따라 액화 물질을 바람직한 냉각제의 온도로 냉각시키는 냉각제로서 사용하기 전에, 냉각제로서 사용하는 데에 적합하다. 연속 조작 3시간 후 (처음 3시간은 대조 시료로 생각됨), 효소 가수분해 반응 용기로부터 생성되고 방출되는 액화 물질의 일부는 효소 가수분해 반응 용기로 공급된 전처리된 버개스에 대한 냉각제로서 사용되었다. 재순환 액화 물질로 냉각된 전처리된 버개스의 외관 점도는 약 3.1 시간에 샘플링되었다. 외관 점도의 상승은, 조작 처음 3시간 동안 냉각제로서 물이 사용되는 것보다, 냉각제로서 사용되는 재순환된 액화 물질 중의 고체 함량이 높기 때문에 발생한다. 조작은 6시간 지속되기 때문에, 전처리된 버개스의 효소 가수분해는 지속적으로 액화 물질을 생성한다. 6 시간 후 액화 물질의 시료를 취하고 외관 점도는 약 1,000 mPa·s인 것으로 결정되었다. 냉각 액체의 적어도 일부의 물이 액화 물질로 변경되는 기간은 약 3.1 시간 내지 6 시간으로 재순환 액화 물질의 영향이 증명되었다. 이러한 평가 중에, 액화 물질과 비-액화 물질의 비는 2.2이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 3시간 포인트에서의 외관 점도(실험의 대조부)는 6시간 포인트에서의 외관 점도보다 높고, 냉각 액체의 적어도 일부로서 재순환된 액화 물질이 공정에 사용되는 것이 유리한 것을 알 수 있다.

도 8은 효소 가수분해가 발생할 때 시간 경과에 따라 글루칸(셀룰로오스)의 글루코오스로의 전환율(수율 퍼센트)의 선 그래프를 도시한다. 시간 경과에 따라 공정의 특히 처음 72 시간 포인트에서의 높은 전환율, 높은 글루코오스 수율을 갖는 것이 바람직하다. 효소 가수분해의 가장 산업적인 조작은 효소와 접촉하는 총 유지시간을 약 72 시간으로 한정하는 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 글루코오스 수율은, 냉각 액체로서 물만 사용되는 대조군에 비해, 액화 물질이 재순환되고 냉각 액체의 적어도 일부로서 사용되는 경우 높아진다.

도 9는 도 8에 상응하는 막대 그래프 및 수율 표를 도시한다. 이 그래프 및 글루코오스 수율 데이터(상기 기재된 재순환된 경우 대 대조군)는 약 처음 6 시간 시간동안 시간 경과에 따른 글루코오스 수율을 도시하고, 바이오매스의 산업적 효소 가수분해가 종료되는 것으로 여겨지는 약 72 시간에 전처리된 바이오매스의 냉각제로서 재순환된 액화 물질의 적어도 일부를 사용해서 공정으로부터 거의 약 5%의 글루코오스 수율이 개선되는 것을 도시한다.

도 10은 제2실험으로서, 조절되고 재순환된 액화 물질 조작에 대해 처음 효소 가수분해 시간 동안 글루코오스 수율이 매우 유사하게 도시되고, 재순환된 액화 물질이 약 72 시간 포인트에서 냉각 액체의 적어도 일부로서 사용되는 경우에 상당한 글루코오스 수율 개선을 도시한다. 도 11은 추가된 수율 표로부터 막대 그래프로서 도 10과 동일한 정보를 도시한다. 효소 가수분해의 약 72 시간 포인트에서 대조군에 대한 글루코오스 수율은, 재순환된 액화 물질이 전처리된 바이오매스 냉각 액체의 적어도 일부로서 사용되는 경우의 글루코오스 수율보다 거의 약 5% 낮다.

모든 당업자(reader)는, 본 개시내용의 예시의 실시형태는 구체적으로 본원에 개시되거나 개시되지 않는 임의의 엘리먼트, 단계 또는 특징 없이 적절하게 수행될 수 있는 것을 본원에 기재된 설명으로부터 이해될 것이다.

본원에 기재된 모든 방법은 문맥에 의해 달리 명확하게 나타내지 않거나 달리 기재되지 않는 한 임의의 적당한 순서로 수행될 수 있다. 본원에 제공된 임의의 및 모든 예시의 또는 예시의 언어(예를 들면, "such as")의 사용은, 예시의 실시형태를 설명하기 위한 것으로 의도되고 달리 청구되지 않는 한 수반한 청구 범위에 대해 제한되지 않는다. 본 명세서 내의 언어는 필수적으로 청구되지 않는 엘리먼트를 나타내는 것으로 해석되지 않아야 한다.

본원에 기재된 예시의 실시형태의 이점 및 특징은 기재된 설명의 기구 및 조합에 의해 실현되고 달성될 수 있다. 상기 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명은 단지 예시적인 것으로 설명되고 하기 청구범위에 의해 제한되는 것은 아니다. 예시의 실시형태는 상세하게 기재되지만, 상기 설명은 모든 형태에서 설명적인 것이며 제한적인 것은 아니다. 수많은 그 외의 변경 및 변동은 예시의 실시형태의 범위로부터 벗어나지 않도록 고안되고 수반된 청구범위 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 변경 및 동등한 배열을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims

바이오매스 물질을 효소 가수분해하는 시스템으로서,
상기 바이오매스 물질을 수용하는 전처리 반응기;
냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스를 생성하기 위해, 상기 전처리 반응기의 방출과 유체 연동하고, 냉각 액체, 및 pH 조절 물질, 또는 이들의 임의의 조합을 수용할 수 있는 수송 시스템,
상기 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스에 효소 용액을 첨가하기 위한 상기 수송 시스템과 유체 연동하는 효소 첨가 시스템, 및
상기 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스를 높은 외관 점도 및 당으로 전환되지 않은 높은 함량의 셀룰로오스로부터 낮은 외관 점도 및 당으로 전환되지 않은 낮은 함량의 셀룰로오스로 변환해서 액화 물질을 형성하기 위한 상기 수송 시스템과 유체 연동하는 적어도 하나의 용기;
상기 액화 물질의 적어도 일부를, 상기 냉각 액체의 적어도 일부로서 상기 전처리된 바이오매스로 재순환시키는 단계,
충분히 가수분해된 바이오매스를 생성하기 위해 연이은 효소 가수분해 반응 용기에 상기 액화 물질의 적어도 제2부분을 수송하는 단계,
를 포함하는, 바이오매스 물질의 효소 가수분해 시스템.
제1항에 있어서,
상기 수송 시스템은 상기 전처리 반응기로부터 상기 전처리된 바이오매스를 통과시키는 적어도 하나의 제1컨베이어, 및 냉각 액체, pH 조절 물질, 또는 이들의 조합이 상기 전처리된 바이오매스로 주입될 수 있는 주입구를 포함하는, 시스템.
제2항에 있어서,
상기 수송 시스템은, 상기 제1컨베이어, 제2컨베이어, 혼합기, 또는 이들의 임의의 조합을 통해 상기 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스에 효소 용액을 주입하는 수단을 포함하는, 시스템.
제3항에 있어서,
상기 혼합기는 상기 적어도 제1컨베이어 또는 제2컨베이어의 방출과 유체 연동하고, 상기 혼합기는 약 400 내지 약 4,000 rpm의 속도로 회전하는 혼합 장치를 포함하고, 상기 혼합기는 상기 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스를 약 0.05 내지 약 200초 동안 효소 용액과 유지하고, 상기 혼합은 상기 효소 용액을 혼합 중에 상기 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스에 첨가할 수 있는 주입구를 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 용기 내에서 생성되는 상기 액화 물질은 상기 적어도 하나의 용기로부터 방출되는, 시스템.
제5항에 있어서,
상기 적어도 제1용기로부터 방출되는 액화 물질의 일부는 열 교환기 내에서 냉각되고 상기 전처리된 바이오매스를 냉각하기 위해 사용되는 상기 냉각 액체의 적어도 일부로서 상기 전처리된 바이오매스로 재순환되는, 시스템.
제5항에 있어서,
상기 액화 물질은 상기 효소 용액 첨가 전에 상기 전처리된 바이오매스에 첨가되는, 시스템.
제3항에 있어서,
효소 용액의 단일 첨가는 상기 혼합기에서 첨가되는, 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제2컨베이어로부터 상기 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스를 일시적으로 유지 및 상기 냉각되고 pH 조절되고 전처리된 바이오매스를 용적형 펌프로 방출하기 위한 버퍼 탱크를 더 포함하는, 시스템.
제3항에 있어서,
상기 효소 용액 주입용 주입구는 상기 제1컨베이어 또는 상기 제2컨베이어 중 하나의 길이 방향 길이에 따라 복수의 위치에서 균일하게 이격되는, 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제2반응기는 상기 적어도 제1용기로부터 수송되는 상기 액화 물질을 각각 수용할 수 있는 복수의 연이은 반응 용기를 포함하는, 시스템.
공정 흐름 시스템으로,
적어도 약 100℃의 온도에서 바이오매스를 전처리하도록 구성된 전처리 반응용기;
액화 물질의 적어도 일부의 연속 흐름을 사용해서 80℃ 이하의 온도로 상기 전처리된 바이오매스의 연속 흐름을 냉각시키도록 구성된 냉각 장치;
상기 전처리된 바이오매스에 pH 조절 물질을 첨가하도록 구성된 pH 조절 장치;
효소, 이스트, 호열성 세균, 중온 세균 중 적어도 하나, 또는 그 외의 생물학적 촉매를 사용해서 상기 냉각되고 pH 조절된 전처리된 바이오매스를 효소 가수분해해서 액화 물질을 형성하도록 구성된 적어도 제1용기;
효소, 이스트, 호열성 세균, 중온 세균 중 적어도 하나, 또는 그 외의 생물학적 촉매를 사용해서 상기 적어도 제1용기에서 생성된 상기 액화 물질의 적어도 일부를 효소 가수분해하도록 구성되고, 상기 적어도 제1용기로부터 방출된 상기 액화 물질의 적어도 일부를 수용하도록 커플링된 적어도 하나의 추가의 효소 가수분해 반응 용기; 및
상기 냉각 장치에 상기 액화 물질의 적어도 일부를 수송하도록 구성된 펌프를 포함하는, 공정 흐름 시스템.