KR20180005267A - 전자 빔으로 조사하여 리그노셀룰로스 물질을 처리하는 방법 - Google Patents

전자 빔으로 조사하여 리그노셀룰로스 물질을 처리하는 방법 Download PDF

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Abstract

연료를 제조하는 방법들이 제공된다. 이들 방법은 리그노셀룰로스 물질, 예를 들어, 옥수수 잔류물 및 바가스를 가공처리하기 어려운 용도에 종종 이용된다. 상기 방법은, 이 방법이 아니라면 폐기물로서 폐기되어버릴 물질을 공급원료로서 이용하는 몇몇 경우에 경제적으로 가치 있는 방식으로 상업적인 규모로 용이하게 실시될 수 있다.

Description

전자 빔으로 조사하여 리그노셀룰로스 물질을 처리하는 방법{METHOD FOR TREATING LIGNOCELLULOSIC MATERIAL BY IRRADIATING WITH AN ELECTRON BEAM}
관련 출원
본 출원은 미국 특허 가출원 제61/394,851호(출원일: 2010년 10월 20일)에 대한 우선권을 주장한다. 본 가출원의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 병합된다.
셀룰로스 물질 및 리그노셀룰로스 물질이 생산되고, 가공처리되어, 많은 용도에 대량으로 이용되고 있다. 이러한 물질은 종종 일단 사용되고 나면 쓰레기로서 폐기되거나, 또는 단순히 폐기물 재료, 예컨대, 오수(sewage), 바가스(bagasse), 톱밥 및 여물로 되는 것으로 여겨진다.
일반적으로, 본 발명은, 바이오매스(biomass), 예컨대, 셀룰로스 및 리그노셀룰로스 물질, 특히 때때로 가공하기 어려운 리그노셀룰로스 물질, 예를 들어, 작물 잔류물 및 목초(grasses)를 이용하여 연료 및 기타 생성물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 명세서에 개시된 방법은, 이 방법이 아니라면 폐기물로서 폐기되어버릴 물질을 공급원료로서 이용하는 몇몇 경우에 경제적으로 가치 있는 방식으로 상업적인 규모로 용이하게 실시될 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법은 하기 4가지 양상의 재료 가공처리에 대한 개선점을 특징으로 한다: (1) 공급원료의 기계적 처리, (2) 조사(irradiation)에 의한 공급원료의 난분해성(recalcitrance)의 저감, (3) 조사된 공급원료의 당화(saccharification)에 의한 당으로의 전환 및 (4) 당을 다른 생성물, 예컨대, 고체, 액체 혹은 기체 연료, 예컨대, 가연성 연료 혹은 본 명세서에 기재된 기타 생성물의 어느 것, 예를 들어, 알코올, 예컨대, 에탄올, 아이소뷰탄올 혹은 n-뷰탄올, 당 알코올, 예컨대, 에리트리톨, 유기산, 예컨대, 아미노산, 시트르산, 락트산 혹은 글루탐산, 또는 이들의 혼합물로 전환시키기 위한 당의 발효. 본 명세서에 기재된 개선점들 중 둘 이상을 임의의 조합으로 조합시키는 것은 몇몇 경우에 더욱 가공 처리를 개선시킬 수 있다.
몇몇 구현예에 있어서, 본 명세서에 개시된 방법은 비교적 저전압, 고전력 전자 빔 방사선으로 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 조사함으로써 해당 물질을 처리하여 상기 물질의 구조를 변경시키는 것을 포함한다.
일 양상에 있어서, 본 발명은 3 MeV 미만, 예컨대, 2 MeV 미만, 1 MeV 미만 또는 0.8 MeV 미만의 전압 및 적어도 25 kW, 예컨대, 적어도 30, 40, 50, 60, 65, 70, 80, 100, 125 또는 150 kW의 전력(power)에서 작동하는 전자 빔으로 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 조사하는 단계 및 해당 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 효소 및/또는 미생물과 배합하는 단계를 포함하되, 상기 효소 및/또는 미생물은, 상기 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 이용해서, 고체, 액체 혹은 기체 연료, 또는 기타 생성물, 예를 들어, 알코올, 예컨대, 에탄올, 아이소뷰탄올 혹은 n-뷰탄올, 당 알코올, 예컨대, 에리트리톨, 또는 유기산을 생산하는 것인 방법을 특징으로 한다.
몇몇 구현예는 이하의 특성들 중 하나 이상을 포함한다. 상기 방법은, 상기 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 효소 및/또는 미생물과 배합하기 전에, 적어도 40℃, 예컨대, 60 내지 70℃, 70 내지 80℃ 또는 90 내지 95℃의 온도에서 상기 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 물에 침지(soaking)시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 조사는 적어도 0.5 M㎭/초의 선량률(dose rate)에서 수행될 수 있다. 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질은, 예를 들어, 옥수수 속대(corncob), 또는 옥수수 속대, 옥수수 낟알(corn kernel) 및 옥수수 겉대(corn stalk)의 혼합물을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 상기 물질은 옥수수 식물 전체를 포함한다.
다른 양상에서, 본 발명은 전자 빔으로 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 조사하는 단계, 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 적어도 40℃의 온도에서 물에 침지시키는 단계 및 상기 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 효소 및/또는 미생물과 배합하는 단계를 포함하되, 상기 효소 및/또는 미생물은, 상기 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 이용해서, 연료, 또는 기타 생성물, 예를 들어, 알코올, 예컨대, 에탄올, 아이소뷰탄올 혹은 n-뷰탄올, 당 알코올, 예컨대, 에리트리톨, 또는 유기산을 생산하는 것인 방법을 특징으로 한다.
몇몇 구현예는 이하의 특성들 중 하나 이상을 포함한다. 몇몇 경우에, 전자 빔은 3 MeV 미만, 예컨대, 2 MeV 미만 또는 1 MeV 미만의 전압 및 적어도 25 kW, 예컨대, 적어도 30, 40, 50, 60, 65, 70, 80, 100, 125 또는 150 kW의 전력에서 작동한다. 조사는 적어도 0.5 M㎭/초의 선량률에서 수행될 수 있다. 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질은, 예를 들어, 옥수수 속대, 또는 옥수수 속대, 옥수수 낟알 및 옥수수 겉대의 혼합물을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 상기 물질은 옥수수 식물 전체를 포함한다.
다른 양상에서, 본 발명은 1.0 MeV 미만의 전압에서 작동하는 전자 빔으로 적어도 0.5 M㎭/초의 선량률에서 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 조사하는 단계 및 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 효소 및/또는 미생물과 배합하는 단계를 포함하되, 상기 효소 및/또는 미생물은, 상기 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 이용해서, 연료, 또는 기타 생성물, 예를 들어, 알코올, 예컨대, 에탄올, 아이소뷰탄올 혹은 n-뷰탄올, 당 알코올, 예컨대, 에리트리톨, 또는 유기산을 생산하는 것인 방법을 특징으로 한다.
몇몇 구현예는 이하의 특성들 중 하나 이상을 포함한다. 상기 방법은, 상기 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 효소 및/또는 미생물과 배합하기 전에, 적어도 40℃, 예컨대, 60 내지 70℃, 70 내지 80℃ 또는 90 내지 95℃의 온도에서 상기 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 물에 침지시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 전자 빔은 적어도 25 kW, 예컨대, 적어도 30, 40, 50, 60, 65, 70, 80, 100, 125 또는 150 kW의 전력에서 작동한다. 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질은, 예를 들어, 옥수수 속대, 또는 옥수수 속대, 옥수수 낟알 및 옥수수 겉대의 혼합물을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 상기 물질은 옥수수 식물 전체를 포함한다.
추가의 양상에서, 본 발명은 옥수수 속대, 옥수수 낟알 및 옥수수 겉대의 혼합물을 포함하는 리그노셀룰로스 물질을 전자 빔으로 조사하는 단계 및 조사된 리그노셀룰로스 물질을 효소 및/또는 미생물과 배합하는 단계를 포함하되, 상기 효소 및/또는 미생물은, 상기 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 이용해서, 연료, 또는 기타 생성물, 예를 들어, 알코올, 예컨대, 에탄올, 아이소뷰탄올 혹은 n-뷰탄올, 당 알코올, 예컨대, 에리트리톨, 또는 유기산을 생산하는 것인 방법을 특징으로 한다.
몇몇 구현예는 이하의 특성들 중 하나 이상을 포함한다. 상기 방법은, 상기 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 효소 및/또는 미생물과 배합하기 전에, 적어도 40℃, 예컨대, 60 내지 70℃, 70 내지 80℃ 또는 90 내지 95℃의 온도에서 상기 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 물에 침지시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 전자 빔은 3 MeV 미만, 예컨대, 2 MeV 미만 또는 1 MeV 미만의 전압 및 적어도 25 kW, 예컨대, 적어도 30, 40, 50, 60, 65, 70, 80, 100, 125 혹은 150 kW의 전력에서 작동한다. 조사는 적어도 0.5 M㎭/초의 선량률에서 수행될 수 있다. 몇몇 경우에, 상기 물질은 옥수수 식물 전체를 포함하고, 상기 방법은 옥수수 식물 전체를 수확함으로써 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 얻는 단계를 추가로 포함한다.
또 다른 양상에서, 본 발명은 3 MeV 미만, 예컨대, 2 MeV 미만 혹은 1 MeV 미만의 전압과 적어도 25kW, 예컨대, 적어도 30, 40, 50, 60, 65, 70, 80, 100, 125 혹은 150 kW의 전압에서 작동하는 전자 빔으로, 적어도 0.5 M㎭/초의 선량률에서 리그노셀룰로스 물질을 조사하는 단계, 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 탱크로 옮기고, 해당 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 상기 탱크 내의 수성 매질 내에 분산시키는 단계 및 상기 탱크의 내용물을 제트 믹서로 교반하면서 상기 조사된 리그노셀룰로스 물질을 당화시키는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.
몇몇 구현예는 이하의 특성들 중 하나 이상을 포함한다. 상기 방법은, 당화 후, 탱크의 내용물로부터 당을 단리시키고/시키거나, 몇몇 경우에, 상기 탱크로부터 상기 내용물을 제거하는 일 없이 상기 탱크의 내용물을 발효시켜, 연료, 또는 기타 생성물, 예를 들어, 알코올, 예컨대, 에탄올, 아이소뷰탄올 혹은 n-뷰탄올, 당 알코올, 예컨대, 에리트리톨, 또는 유기산을 생산하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 방법은 조사 전에 상기 리그노셀룰로스 물질을 해머밀링(hammermilling)하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질은 옥수수 속대를 포함할 수 있다. 조사는 약 25 내지 35M㎭의 총 선량을 상기 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질에 전달하는 것을 포함할 수 있다. 조사는 몇몇 경우에 다수회의 방사선의 통과를 포함할 수 있으며, 각 통과는 20M㎭ 이하, 예컨대, 10M㎭ 이하 혹은 5M㎭ 이하의 선량을 전달한다. 상기 방법은, 상기 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 효소 및/또는 미생물과 배합하기 전에, 적어도 40℃의 온도에서 상기 조사된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 물질을 물에 침지시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
추가의 양상에서, 본 발명은 옥수수 속대를 포함하고 1㎜ 미만의 입자 크기를 지니는 리그노셀룰로스 물질을 전자 빔으로 조사하는 단계 및 조사된 리그노셀룰로스 물질을 효소 및/또는 미생물과 배합하는 단계를 포함하되, 상기 효소 및/또는 미생물은, 상기 조사된 리그노셀룰로스 물질을 이용해서, 연료, 또는 기타 생성물, 예를 들어, 알코올, 예컨대, 에탄올, 아이소뷰탄올 혹은 n-뷰탄올, 당 알코올, 예컨대, 에리트리톨, 또는 유기산을 생산하는 것인 방법을 특징으로 한다.
몇몇 경우에, 리그노셀룰로스 물질은, 예를 들어, 목재, 목초, 예컨대, 지팽이풀(switchgrass), 곡물 잔류물, 예컨대, 왕겨, 바가스, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘마, 마닐라삼, 밀짚, 옥수수 속대, 코코넛 헤어, 조류(algae), 해초, 및 이들의 임의의 것들의 혼합물을 포함한다. 셀룰로스 물질은 예를 들어 종이, 종이 제품, 종이 펄프, 면 등과 같은 높은 α-셀룰로스 함량을 지니는 물질, 및 이들의 임의의 것들의 혼합물을 포함한다. 본 명세서에 기재된 방법의 임의의 것은 셀룰로스 물질과 리그노셀룰로스 물질의 혼합물을 이용해서 실행될 수 있다.
달리 규정되어 있지 않는 한, 본 명세서에서 이용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 같은 의미를 지닌다. 본 명세서에 기재된 것과 유사 혹은 등가의 방법 및 물질이 본 발명의 실시 혹은 시험에 이용될 수 있지만, 적절한 방법과 물질은 이하에 설명된다. 본 명세서에서 언급된 모든 공보, 특허 출원 및 기타 참고 문헌은 그들의 전문이 참조로 포함된다. 상충하는 경우에, 정의를 비롯하여 본 명세서가 조절할 것이다. 또, 물질, 방법 및 예들은 단지 예시적인 것일 뿐 제한적인 것으로 의도되어 있지 않다.
본 발명의 기타 특징 및 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.
연료를 제조하는 방법들이 제공된다. 이들 방법은 리그노셀룰로스 물질, 예를 들어, 옥수수 잔류물 및 바가스를 가공처리하기 어려운 용도에 종종 이용된다. 상기 방법은, 이 방법이 아니라면 폐기물로서 폐기되어버릴 물질을 공급원료로서 이용하는 몇몇 경우에 경제적으로 가치 있는 방식으로 상업적인 규모로 용이하게 실시될 수 있다.
도 1은 난분해성을 저감시키기 위한 조사 전의 리그노셀룰로스 물질을 나타낸 선도;
도 2는 조사 후 도 1에 나타낸 물질을 나타낸 선도;
도 3은 바이오매스를 생성물 및 부산물로 전환하는 방법을 예시한 블록도;
도 4는 발효 공정에서 바이오매스의 처리 및 처리된 바이오매스의 이용을 예시한 블록도;
도 5, 도 5a 및 도 5b는 전자 에너지 침착량(electron energy deposition)(MeV ㎠/g) 대 두께×밀도(g/㎠)의 그래프.
본 명세서에 기재된 방법을 이용하면, 리그노셀룰로스 바이오매스는 연료 및 기타 생성물, 예컨대 본 명세서에 기재된 생성물의 어느 하나를 생산하기 위하여 가공처리될 수 있다. 용이하게 입수가능하지만 발효 등과 같은 공정에 의해서 가공처리되기 어려울 수 있는 리그노셀룰로스 물질을 공급원료로서 이용할 수 있는 시스템 및 방법이 이하에 설명된다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 공급원료는 옥수수 속대를 포함하고, 수확의 용이성을 위하여 옥수수 겉대, 옥수수 낟알, 잎 및 뿌리를 포함하는 옥수수 식물 전체를 포함할 수 있다. 이러한 물질을 연료로 가공처리하기 위하여, 해당 물질은 도 1 및 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이 그들의 난분해성을 저감시키기 위하여 조사된다. 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 조사는 재료에 "파열"(fracturing)을 일으켜, 리그닌, 효소 공격으로부터 셀룰로스를 보호하는 셀룰로스 및 헤미셀룰로스 간의 결합을 파괴시킨다.
본 명세서에 개시된 방법에 있어서, 조사 단계는 비교적 저전압, 고전력 전자빔 방사선으로 때로는 비교적 높은 선량률에서 리그노셀룰로스 물질을 조사하는 단계를 포함한다. 유리하고도 이상적으로는, 조사 장비는 자체-차폐되고(콘크리트제의 아치형 저장소(concreat vault)보다 오히려 강철판으로 차폐되고), 신뢰성 있으며 전기적으로 효율적이고, 상업적으로 입수가능하다. 몇몇 경우에, 조사 장비는 전력 효율이 50% 이상, 예컨대, 전력 효율이 60%, 70%, 80% 이상, 또는 심지어 90% 이상이다.
상기 방법은 출발 물질, 몇몇 경우에 조사된 물질을 기계적으로 처리하는 단계를 더 포함한다. 물질을 기계적으로 처리하는 것은, 조사를 위하여 실질적으로 균일한 두께의 박층으로 분포될 수 있는 비교적 균질하고 미세한 물질을 제공한다. 기계적 처리는 또한 몇몇 경우에 효소 공격에 대한 민감성을 증대시키기 위하여 "개방"시키는 역할을 하며, 조사 후 수행된다면, 물질의 파열을 증가시킬 수 있고, 이에 따라서 그의 난분해성을 더욱 저감시킬 수 있다.
본 명세서에는, 또한 조사 후 및 당화 전 물질을 비등, 쿠킹 혹은 스티핑시키는 것을 비롯하여, 당화 및 발효 공정에 대한 개량이 논의되어 있다.
바이오매스를 처리하기 위한 시스템
도 3은 바이오매스, 특히 상당한 셀룰로스 및 리그노셀룰로스 성분을 지니는 바이오매스를 유용한 중간생성물 및 생성물로 전환시키는 방법(10)을 도시한다. 방법(10)은 예를 들어 공급원료(12)를 해머링함으로써 초기에 기계적으로 처리하는 단계를 포함하여, 예컨대 공급원료의 크기를 저감시켜, 공급원료를 전자 빔에 의한 조사를 위하여 컨베이어 상에 얇은 균일한 층으로 분포시킬 수 있다. 기계적으로 처리된 공급원료는 이어서 비교적 저전압, 고전력 전자 빔 방사선(14)으로 처리되어, 예를 들어 재료의 결정성 구조 내의 결합을 약화 혹은 파열시킴으로써 그의 난분해성을 저감시킨다. 전자 빔 장치는 이하에 상세히 설명되는 바와 같은 다수의 헤드(종종 혼(horn)이라고 지칭됨)를 포함할 수 있다. 이어서, 조사된 물질은 선택적으로 추가의 기계적 처리(16)를 받게 된다. 이 기계적 처리는 초기의 기계적 처리와 동일 혹은 상이할 수 있다. 예를 들어, 초기의 처리는 크기 축소(예컨대, 절단) 단계에 이어서 그라인딩, 예컨대, 해머밀링 혹은 전단 단계일 수 있는 한편, 추가의 처리는 그라인딩 혹은 밀링 단계일 수 있다.
상기 물질은 그 후 추가의 조사를 받게 될 수 있고, 몇몇 경우에, 추가의 구조적 변경(예컨대, 난분해성의 저감)이 추가의 가공처리 전에 요망된다면, 추가의 기계적 처리를 받을 수 있다.
다음에, 처리된 물질을 당으로 당화시키고, 당을 발효시킨다(18). 필요한 경우, 당의 일부 혹은 전부는 발효되기보다 오히려, 생성물로서 판매될 수 있거나, 생성물 내에 혼입될 수 있다.
몇몇 경우에, 단계(18)의 출력은 직접 이용가능하거나, 다른 경우에는 후 가공처리 단계(20)에 의해 제공되는 추가의 가공처리를 필요로 하여, 연료, 예컨대, 에탄올, 아이소뷰탄올 혹은 n-뷰탄올, 및 몇몇 경우에 부산물을 생성한다. 예를 들어, 알코올의 경우에, 후 가공처리는 증류, 또한 몇몇 경우에 변성을 포함할 수 있다.
도 4는 알코올을 생산하기 위하여 상기 기재된 단계를 이용하는 시스템(100)을 도시한다. 시스템(100)은 바이오매스 공급원료가 초기에 기계적으로 처리되는 모듈(102)(상기 단계 12)과, 기계적으로 처리된 공급원료가 조사되는 전자빔 장치(104)(상기 단계 14)와, 구조적으로 변형된 공급원료가 추가의 기계적 처리를 받을 수 있는 선택적 모듈(도시 생략)(상기 단계 16)을 포함한다. 몇몇 구현예에서, 조사된 공급원료는 추가의 기계적 처리 없이 이용되는 한편, 다른 것에서는 별도의 모듈에서 추가로 기계적으로 처리되는 것보다 오히려 추가의 기계적 처리를 위하여 모듈(102)로 복귀한다.
목적으로 하는 공급원료 특성을 얻는데 필요한 횟수만큼 다수 반복될 수 있는 이들 처리 후에, 처리된 공급원료는 당화 모듈(106)에서 당으로 당화되고, 해당 당은 발효 시스템(108)으로 전달된다. 몇몇 경우에, 당화 및 발효는 미국 특허 출원 제61/296,673호(이 문헌의 완전한 개시 내용은 참조로 본 명세서에 병합됨)에서 논의된 바와 같은 단일 탱크 내에서 수행된다. 발효 동안 혼합이 수행될 수 있고, 그 경우, 혼합은 효소 및 기타 미생물 등과 같은 민감한 성분들을 전단하는데 손상을 최소화하기 위하여 비교적 온화(저전단)하다. 몇몇 실시형태에서는, 미국 특허 출원 제61/218,832호, 미국 특허 출원 제61/179,995호 및 미국 특허 출원 제12/782,692호(이들 문헌의 완전한 개시 내용은 참조로 본 명세서에 병합됨)에 기재된 바와 같은 제트 혼합이 이용된다. 몇몇 경우에, 고전단 혼합이 이용될 수 있다. 이러한 경우에는, 일반적으로 탱크 내용물의 온도 및/또는 효소 활성을 모니터링하는 것이 바람직하다.
도 3을 재차 참조하면, 발효는 조질의 에탄올 혼합물을 생산하고, 이 혼합물은 유지 탱크(110)로 흘러들어간다. 물 혹은 기타 용매 및 기타 비에탄올 성분은 스트리핑 탑(stripping column)(112)을 이용해서 조질의 에탄올 혼합물로부터 스트리핑되고 나서, 에탄올은 증류 유닛(114), 예컨대, 정류기를 이용해서 증류된다. 증류는 진공 증류에 의한 것일 수 있다. 마지막으로, 에탄올은, 필요한 경우 분자체(molecular sieve)(116)를 이용해서 건조되고/되거나, 변성되어, 목적으로 하는 출하 방법으로 출하될 수 있다.
몇몇 경우에, 본 명세서에 기재된 시스템 혹은 그의 요소들은 휴대가능할 수 있으므로, 이 시스템은 하나의 장소에서 다른 장소로 (예컨대, 레일, 트럭 혹은 선박에 의해) 이송될 수 있다. 본 명세서에 기재된 방법의 단계들은 하나 이상의 장소에서 수행될 수 있고, 어떤 경우에는, 하나 이상의 단계들이 이송 중에 수행될 수 있다. 이러한 이동식 가공처리는 미국 특허 출원 제12/374,549호 및 국제 특허 출원 공개 WO 2008/011598에 기재되어 있고, 이들의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 병합된다.
본 명세서에 기재된 방법의 단계들의 어느 하나 혹은 모두는 주위 온도에서 수행될 수 있다. 필요한 경우, 냉각 및/또는 가열이 소정의 단계 동안 이용될 수 있다. 예를 들어, 공급원료는 그의 취성을 증가시키기 위하여 기계적 처리 동안 냉각될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 냉각은 초기 기계적 처리 및/또는 후속의 기계적 처리 전, 동안 혹은 후에 이용된다. 냉각은 미국 특허 출원 제12/502,629호에 기재된 바와 같이 수행될 수 있고, 이 공보의 전체 개시 내용은 참조로 본 명세서에 병합된다. 또한 발효 시스템(108) 내의 온도는 당화 및/또는 발효를 향상시키기 위하여 제어될 수 있다.
상기 기재된 방법의 개별적인 단계뿐만 아니라 이용된 물질은 이하 더욱 상세히 설명될 것이다.
기계적 처리
공급원료의 기계적 처리는 예를 들어 절단, 밀링, 예컨대, 해머밀링, 분쇄(그라인딩), 프레싱, 전단 혹은 저미기 등을 포함할 수 있다. 적절한 해머밀은 상표명 엘리미네이트(ELIMINATOR)(상표명) 해머밀 및 슈트-버팔로 해머밀(Schutte-Buffalo Hammermill) 하에 블리스 인더스트리즈(Bliss Industries)로부터 입수가능하다.
초기의 기계적 처리는 몇몇 구현예에서 공급원료의 크기를 축소시키는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 느슨한 공급원료(예컨대, 재생지 혹은 지팽이풀)는 절단, 전단 및/혹은 세단(shredding)에 의해 준비된다. 이 초기 준비 단계에서, 예를 들어, 공급 스트림으로부터 돌이나 못 등과 같은 지나치게 크거나 바람직하지 않은 물체를 제거하기 위하여 망(screen) 및/또는 자석을 이용할 수 있다.
이 가공 과정 동안 초기에 및/또는 후기에 수행될 수 있는 이 크기 축소에 부가해서, 기계적 처리는 공급원료 재료를 "개방"(opening up), "응력 부여"(stressing), 파괴 및 파쇄하여, 해당 재료의 셀룰로스를 구조적 변형 처리 동안 결정성 구조의 사슬 절단 및/또는 붕괴되기 더욱 쉽게 하는 데 유리할 수 있다. 개방된 재료는 또한 조사될 경우 산화되기 더욱 쉬울 수 있다.
공급원료를 기계적으로 처리하는 방법은, 예를 들어, 밀링 혹은 그라이딩을 포함한다. 밀링은, 예를 들어, 해머 밀, 볼 밀, 콜로이드 밀, 코니컬 혹은 콘 밀, 디스크 밀, 에지 밀(edge mill), 윌리 밀(Wiley mill) 혹은 그리스트 밀(grist mill)을 이용해서 수행될 수 있다. 그라인딩은, 예를 들어, 절단/충격식 그라인더를 이용해서 수행될 수 있다. 그라인더의 구체적인 예는 스톤 그라인더, 핀 그라인더, 커피 그라인더 혹은 버 그라인더(burr grinder)를 포함한다. 그라인딩 혹은 밀링은, 예를 들어, 핀 밀의 경우에서처럼, 핀 혹은 기타 요소를 왕복이동시킴으로써 제공될 수 있다. 기타 기계적 처리 방법은 기계적 째기 혹은 찢기, 섬유에 압력을 가하는 다른 방법 및 공기 마찰 밀링을 포함한다. 적절한 기계적 처리는 이전의 가공처리 단계에 의해 개시된 물질의 내부 구조의 붕괴를 계속해서 행하는 임의의 기타 수법을 추가로 포함한다.
적절한 절단/충격식 그라인더는 상표명 A10 분석 그라인더(Analysis Grinder) 및 M10 유니버설 그라인더(Universal Grinder) 하에 이카 웍스(IKA Works)로부터 상업적으로 입수가능한 것들을 포함한다. 이러한 그라인더는 밀링 실 내에서 고속(예컨대 30 m/s 이상 혹은 심지어 50 m/s 이상)에서 회전하는 금속 비터 및 블레이드를 포함한다. 밀링 실은 작업 동안 주위 온도에 있을 수 있거나, 예컨대 물 혹은 드라이 아이스에 의해 냉각될 수 있다.
몇몇 구현예에서, 구조적 변형 전 혹은 후에 공급원료는, 예컨대, 회전 나이프 커터에 의해 전단된다. 공급원료는 또한 선별(즉, 체거름)될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 공급 원료의 전단 및 망을 통한 물질의 통과는 동시에 수행된다.
가공처리 조건
공급원료는 건조 상태, 수화 상태(예컨대, 10중량%까지의 흡수된 물을 지님), 또는 예컨대, 약 10중량% 내지 약 75중량%의 물을 지니는 습윤 상태에서 기계적으로 처리될 수 있다. 몇몇 경우에, 공급원료는 기체(예컨대, 공기 이외의 기체의 스트림 혹은 분위기 등), 예컨대, 산소 혹은 질소, 또는 증기 하에 기계적으로 처리될 수 있다.
몇몇 경우에, 공급원료는, 당화가 일어날 반응기 내로 도입된 상태 그대로 처리되지만, 해당 반응기 내로 공급 중인 그대로의 물질을 통해서 혹은 그 내로 증기를 주입하면서 행해진다.
일반적으로 공급원료는 실질적으로 건조 상태(예컨대, 10중량% 미만의 흡수된 물, 바람직하게는 5중량% 미만의 흡수된 물을 지님)에서 기계적으로 처리되는 것이 바람직한데, 그 이유는 건조 파이버가 더욱 취성으로 되므로 구조적으로 파괴되기 쉽기 때문이다. 바람직한 실시형태에 있어서, 실질적으로 건조하고 구조적으로 변형된 공급원료는 절단/충격형 그라인더를 이용해서 그라이딩된다.
그러나, 몇몇 실시형태에서, 공급원료는 액체 중에 분산되어 습식 밀링될 수 있다. 액체는 바람직하게는 처리된 공급원료가 더욱 가공처리, 예컨대, 당화될 액체 매질이다. 습식 밀링이 효소 및 영양분 등과 같은 임의의 전단 혹은 열에 민감한 성분이 액체 매질에 첨가되기 전에 수행되는 것이 일반적으로 바람직한데, 그 이유는 습식 밀링이 일반적으로 비교적 높은 전단 과정이기 때문이다. 그러나, 습식 밀링은, 해당 밀링 시간이 최소로 유지되고/되거나 온도 및/또는 효소 활성이 모니터링되는 한, 열 민감성 성분으로 수행될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 습식 밀링 장비는 회전자/고정자 장치를 포함한다. 습식 밀링 기계는 노스케롤라이나주의 윌밍턴시에 소재한 이카 웍스(www.ikausa.com)로부터 상업적으로 입수가능한 콜로이달 및 콘 밀을 포함한다. 습식 밀링은 본 명세서에 기재된 침지 처리와 병용할 경우 특히 유리하다.
필요한 경우, 리그닌은 리그닌을 포함하는 임의의 공급원료로부터 제거될 수 있다. 또한, 공급원료의 파괴를 돕기 위하여, 몇몇 실시형태에서는, 공급원료가 미국 특허 출원 제12/502,629호(그의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 병합됨)에 기재된 바와 같이 조사 및/또는 기계적 처리 전, 동안 혹은 후에 냉각될 수 있다. 또한 혹은 부가적으로, 공급원료는 열, 화학약품(예컨대, 무기산, 염기 혹은 강한 산화제, 예컨대, 차아염소산나트륨 등) 및/또는 효소로 처리될 수 있다. 그러나, 많은 실시형태에서, 이러한 추가의 처리는 기계적 및 구조 변형 처리의 조합에 의해 제공되는 난분해성의 효과적인 저감으로 인해 불필요하다.
기계적으로 처리된 공급원료의 특징
기계적 처리 시스템은 예를 들어 특정 벌크 밀도, 최대 크기, 섬유 길이-대-폭 비 또는 표면적 비 등과 같은 특정 특징을 지니는 공급 스트림으로 생산하도록 구성될 수 있다. 공급원료의 하나의 바람직한 특징은, 일반적으로 크기가 균일하고, 공급원료가 약 20㎜ 이하, 예컨대, 15㎜ 이하, 10㎜ 이하, 5㎜ 이하, 혹은 2㎜ 이하, 바람직하게는 약 1 내지 10㎜인 실질적으로 균일한 두께의 층으로 전자 빔을 통해 수송될 수 있도록 충분한 작은 크기로 되어 있다. 전압이 3 내지 10MeV인 경우, 층의 두께의 표준 편차는 약 50% 이하, 예컨대, 10 내지 50%인 것이 바람직하다. 전압이 약 1 내지 3MeV인 경우, 두께의 표준 편차는 25% 이하, 예컨대, 10 내지 25%인 것이 바람직하고, 전압이 1 MeV 미만인 경우, 그 표준 편차는 10% 미만인 것이 바람직하다. 도 5 내지 도 5b의 데이터로부터 유래되는, 이들 최대 표준 편차 내에 샘플 두께를 유지하는 것은, 샘플 내로 선량 균일성을 촉진시키는 경향이 있다.
분쇄된 공급원료의 입자 크기는, 입상체 형태인 경우, 비교적 작은 것이 일반적으로 바람직하다. 예를 들어, 바람직하게는 공급원료의 약 75%, 80%, 85%, 90% 혹은 95% 이상이 약 1.0㎜ 미만의 입자 크기를 지닌다. 또, 입자 크기가 촘촘하게 중첩하지 않는 것이 바람직하다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 공급원료의 약 15%, 10%, 5% 또는 2% 이하가 약 0,1㎜ 이하의 입자 크기를 지닌다. 몇몇 구현예에서, 공급원료의 75%, 80%, 85%, 90% 또는 95%의 입자 크기는 약 0.25㎜ 내지 2.5㎜ 또는 약 0.3㎜ 내지 1.0㎜이다. 일반적으로, 입자는 소망의 두께의 균일한 층을 형성하기 어렵도록 크지 않고, 또한 공급원료 물질을 분쇄할 때 터무니없는 양의 에너지를 소모하도록 그렇게 미세하지 않은 것이 바람직하다.
물질 두께와 밀도 그리고 전자 빔의 침투 깊이 간의 관계 때문에, 층은 비교적 균일한 두께이고, 물질 자체가 비교적 균일한 입자 크기 및 밀도인 것이 중요하다. 이 관계는 비교적 낮은 전압 전자 빔이 사용될 경우 특히 중요한데, 그 이유는 조사된 물질 내의 전자 빔의 침투가 전자의 입사 에너지와 선형으로 증가하기 때문이다. 그 결과, 1MeV 이하의 가속 전압에서, 침투 깊이의 증가에 따라 선량의 현저한 강하가 있다. 500 keV보다 큰 선량을 이용하면, 선량은 최대 전자 범위의 약 절반으로 재료 내의 깊이에 따라서 증가하고, 이어서 전자가 그들의 운동 에너지의 대부분을 방출하는 보다 큰 깊이에서 거의 제로로 감소하는 경향이 있다. 샘플 두께를 가로지르는 선량 균일성은, 위에서 논의된 바와 같이, 비교적 얇은 샘플을 제공하고, 샘플의 밀도를 제어하며(보다 밀도가 낮은 것이 바람직함), 이하에 더욱 논의되는 바와 같이 단일 통과보다 오히려 다회 통과로 방사선을 인가함으로써 증대될 수 있다.
0.4 내지 10 MeV 범위의 샘플의 깊이-선량 분포는 도 5 내지 도 5b에 도시되어 있다. 이들 깊이-선량 곡선의 형상은 수 개의 유용한 범위 파라미터에 의해 규정될 수 있다. R(opt)는 방출 선량이 도입 선량과 동일한 최적 두께이다. R(50)은 방출 선량이 최대 선량의 절반인 두께이다. R(50e)는 방출 선량이 도입 선량의 절반인 두께이다. 이들 파라미터는 이하의 선형 방정식을 이용해서 공업적 응용을 위하여 충분한 정밀도로 입사 전자 에너지 E와 상관관계에 있을 수 있다:
R(opt) = 0.404E - 0.161
R(50) = 0.435E - 0.152
R(50e) = 0.458E - 0.152
여기서, 전자 범위 값의 단위는 g/㎠이고, 전자 에너지값의 단위는 MeV이다.
선량 균일성에 영향을 미치는 다른 중요한 파라미터는 물질의 밀도이다. 주어진 에너지의 전자는 보다 치밀한 것보다 덜 치밀한 물질 속으로 보다 깊이 침투할 것이다. 본 명세서에서 논의된 기계적 처리는 공급원료 물질의 벌크 밀도를 저감시키는 경향이 있다는 점에서 유리하다. 예를 들어, 기계적으로 처리된 물질의 벌크 밀도는 약 0.65 g/㎤ 미만, 예컨대, 0.6 g/㎤ 미만, 0.5 g/㎤ 미만, 0.35 g/㎤ 미만 또는 심지어 0.20 g/㎤ 미만일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 벌크 밀도는 약 0.25 내지 0.65 g/㎤이다. 벌크 밀도는 ASTM D1895B를 이용해서 결정된다.
기계적 처리는 또한 물질의 BET 표면적 및 다공도를 증대시켜, 물질을 효소 공격에 더욱 민감하게 만드는데 이용될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 기계적으로 처리된 바이오매스 물질의 BET 표면적은 0.1 ㎡/g 이상, 예컨대, 0.25 ㎡/g 이상, 0.5 ㎡/g 이상, 1.0 ㎡/g 이상, 1.5 ㎡/g 이상, 1.75 ㎡/g 이상, 5.0 ㎡/g 이상, 10 ㎡/g 이상, 25 ㎡/g 이상, 35 ㎡/g 이상, 50 ㎡/g 이상, 60 ㎡/g 이상, 75 ㎡/g 이상, 100 ㎡/g 이상, 150 ㎡/g 이상, 200 ㎡/g 이상 또는 심지어 250 ㎡/g 이상이다.
구조적 변형 전 혹은 후의 기계적 처리된 공급원료의 다공도는, 예컨대, 20% 이상, 25% 이상, 35% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 예컨대, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 92% 이상, 94% 이상, 95% 이상, 97.5% 이상, 99% 이상 또는 심지어 99.5% 이상일 수 있다.
물질의 다공도 및 BET 표면적은 일반적으로 각 기계적 처리 후 그리고 구조적 변형 후에 증가한다.
전자 빔 처리
위에서 논의된 바와 같이, 공급원료는 조사되어 그의 구조를 변형시키고, 이에 따라서 그의 난분해성을 저감시킨다. 조사는, 예를 들어, 공급원료의 평균 분자량을 감소시키고, 공급원료의 결정성 구조를 변화시키며(예컨대, 회절 방법에 의해 측정되는 바와 같은 결정성을 변경시킬 수 있거나 변경시키지 않을 수 있는 구조 내에서 미세 파열시킴으로써) 및/또는 공급원료의 표면적 및/또는 다공도를 증가시킨다. 몇몇 실시형태에 있어서, 구조 변형은 공급원료의 분자량을 감소시키고/시키거나 공급원료의 산화 수준을 증가시킨다.
전자 빔 조사는 매우 높은 처리량을 제공하는 한편, 비교적 낮은 전압/높은 전력 전자 빔 장치 장치의 이용은 값비싼 아치형 저장소 차폐에 대한 필요를 제거하여(이러한 장치는 "자체 차폐됨") 안전한 효율적인 과정을 제공한다. "자체 차폐된" 장치들이 차폐(예컨대 금속판 차폐)를 포함하는 한편, 이들은 콘크리트제 아치형 저장소의 구성을 필요로 하지 않아, 자본적 지출을 크게 저감시키고 때때로 부동산의 가치를 저감시키는 경향이 있을 수 있는 값비싼 변형 없이도 기존의 제조설비를 이용가능하다.
조사는 10 MeV 미만, 예컨대, 7 MeV 미만, 5 MeV 미만 또는 2 MeV 미만, 예컨대, 약 0.5 내지 1.5 MeV, 약 0.8 내지 1.8 MeV, 또는 약 0.7 내지 1 MeV의 공칭 에너지를 지니는 전자 빔 장치를 이용해서 수행된다. 몇몇 구현예에 있어서, 공칭 에너지는 약 500 내지 800 keV이다.
전자 빔은 비교적 높은 총 빔 전력(파워)(모든 가속 헤드의 조합된 빔 전력, 또는 다수의 가속기가 이용된 경우, 모든 가속기 및 모든 헤드), 예컨대, 적어도 25 kW, 예컨대, 적어도 30, 40, 50, 60, 65, 70, 80, 100, 125 또는 150 kW를 지닌다. 몇몇 경우에, 이 전력은 500 kW, 750 kW, 또는 심지어 1000 kW 이상으로 높다. 몇몇 경우에, 전자 빔은 1200 kW 이상의 빔 전력을 지닌다.
이 높은 총 빔 전력은 통상 다수의 가속 헤드를 이용함으로써 달성된다. 예를 들어, 전자 빔 장치는 2개, 4개 혹은 그 이상의 가속 헤드를 포함할 수 있다. 일례로서, 전자 빔 장치는 4개의 가속 헤드를 포함할 수 있고, 그 각각은 총 빔 전력 1200kW에 대해서 300 kW의 빔 전력을 지닌다. 다수의 헤드의 사용(각각은 비교적 낮은 빔 전력을 지님)은 물질의 과도한 온도 상승을 방지함으로써, 물질의 연소를 방지하고 또한 물질의 층의 두께를 통한 선량의 균일성을 증가시킨다.
조사 동안 온도 증가는 이하의 식에 의해 통제된다:
ΔT = D(ave)/c
식 중,
ΔT는 단열 온도 상승이고,
D(ave)는 kGy (J/g) 단위의 평균 선량이며,
c는 J/g℃ 단위의 열 용량이다.
따라서, 난분해성의 양호한 저감을 제공하는 높은 선량에서의 조사와, 물질로부터 얻어질 수 있는 생성물이 수율에 유해하게 영향을 미치는 물질의 연소의 회피 간에 균형이 있다. 다수의 헤드를 이용함으로써, 물질은, 방사선의 비교적 높은 총 선량을 여전히 입수하면서 물질로부터 열을 방산시키기 위하여 통과들 사이에 소정 시간을 개재시킨 채로, 통과 당 비교적 적은 선량으로 조사될 수 있다.
선량률은 조사 과정에서 다른 중요한 인자이다. 흡수된 선량 D는 G값(흡수된 이온화 에너지 100 eV에 대해서 생성되거나 파괴되는 분자 혹은 이온의 수)과 조사 중인 물질의 물질의 분자량 Mr에 관한 것이고, 이는 하기 방정식으로 표현된다:
D = Na(100/G)e/Mr
식 중,
Na는 아보가드로 상수(분자수/몰)이고,
100/G는 반응성 분자 당 흡수된 전자 볼트 수이며,
e는 전자 전하(쿨롱)(또한 전자 볼트로부터 주울로의 변환 인자)이고,
Mr은 질량/몰(그램)이다.
Na = 6.022×1023 그리고 e = 1.602×10-19이므로, 상기 방정식을 다음과 같이 다시 쓸 수 있다:
D = 9.65×106/(MrG)
분자량은 조사의 결과 감소되고 또한 흡수된 선량이 상기 표시된 바와 같이 물질이 조사되는 시간 경과에 따라서 분자량에 대해 역비례하기 때문에, 방사선 에너지의 증가 수준은 분자량의 추가의 증분적 감소(incremental decrease)를 일으키기 위하여 필요로 된다. 따라서, 난분해성 저감 과정에 의해 요구되는 에너지를 저감시키기 위하여, 가능한 한 신속하게 조사하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 조사는 초당 약 0.25 M㎭ 이상, 예컨대, 초당 약 0.5, 0.75, 1, 1.5, 2, 5, 7, 10, 12, 15M㎭ 이상, 또는 심지어 초당 약 20 M㎭ 이상, 예컨대, 초당 약 0.25 내지 2 M㎭의 선량률에서 수행되는 것이 바람직하다. 보다 높은 선량률은 일반적으로, 물질의 열 분해를 피하기 위하여, 보다 높은 선 속도를 필요로 한다. 일 구현예에서, 가속기는 3 MeV, 50㎃ 빔 전류에 대해서 세팅되고, 선 속도는, 예를 들어, 약 20㎜의 샘플 두께(벌크 밀도 0.5 g/㎤의 분쇄된 옥수수 속대 물질)에 대해서 24 피트/분이다.
몇몇 구현예에서, 조사 동안 물질을 냉각시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 물질은, 예를 들어, 스크류 압출기 혹은 기타 컨베이어 장비에 의해 반송되면서 냉각될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 조사는 물질이 적어도 5 M㎭, 예컨대, 적어도 10, 20, 30 또는 적어도 40 M㎭의 총 선량을 입수할 때까지 수행된다. 몇몇 구현예에서, 조사는 물질이 약 10 M㎭ 내지 약 50 M㎭, 예컨대, 약 20 M㎭ 내지 약 40 M㎭, 또는 약 25 M㎭ 내지 약 30 M㎭의 선량을 입수할 때까지 수행된다. 몇몇 구현예에서, 이상적으로는 수 초에 걸쳐서 인가되는 25 내지 35 M㎭의 총 선량이 바람직하며, 예컨대, 약 1초 동안 각 통과에 대해 인가되는 양은 5 M㎭/통과이다. 7 내지 8 M㎭/통과 이상의 선량이 인가되면 몇몇 경우에 공급원료 물질의 열 분해를 일으킨다.
위에서 논의된 바와 같은 다수의 헤드를 이용하면, 방사선은 다수 통과, 예를 들어, 10 내지 20 M㎭/통과에서 2회 통과, 예컨대, 수 초의 냉각에 의해 구분되는 12 내지 18 M㎭/통과, 또는 7 내지 12 M㎭/통과, 예컨대, 9 내지 11 M㎭/통과의 3회 통과로 적용될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 한번에 높은 선량보다는 오히려 수 회의 비교적 낮은 선량으로 방사선을 인가하는 것이 물질의 과열을 방지하고 또한 물질의 두께를 통한 선량 균일성을 증가시키는 경향이 있다. 몇몇 구현예에서, 물질은 각 통과 동안 혹은 후에 교반되거나 혹은 다르게는 혼합되고 나서, 다음 통과 전에 재차 균일한 층으로 평활화되어 선량 균일성을 더욱 증가시킨다.
몇몇 실시형태에서, 전자는 예를 들어 광 속도의 75% 이상, 예컨대, 광 속도의 85, 90, 95 또는 99% 이상으로 가속된다.
몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 기재된 임의의 가공처리는, 획득된 바와 같은 건조 상태 그대로이거나 또는 예컨대, 열 및/또는 감압을 이용해서 건조된 리그노셀룰로스 물질 상에서 일어난다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에서, 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 물질은 25℃에서 측정된 약 5중량% 미만의 수분 유지 및 50%의 상대 습도를 지닌다.
방사선은 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 물질이 공기, 산소-풍부 공기, 또는 심지어 산소 자체에 노출되거나 질소, 아르곤 혹은 헬륨 등과 같은 불활성 기체에 의해 덮이면서 적용될 수 있다. 최대 산화가 요망될 경우, 공기 혹은 산소 등과 같은 산화 환경이 이용되고, 방사선원으로부터의 거리는 반응성 기체 형성, 예컨대, 오존 및/또는 질소의 산화물을 최대화시키도록 최적화된다.
전자 빔 가속기는, 예를 들어, 벨기에의 IBA 및 일본의 NHV 코퍼레이션으로부터 입수가능하다.
전자 빔은, 예컨대, 정전기 발생기, 케스케이드 발전기, 트랜스포머 발생기, 주사 시스템을 구비한 저 에너지 가속기, 선형 캐소드를 구비한 저 에너지 가속기, 선형 가속기 및 펄스형 가속기에 의해서 발생될 수 있다.
더욱 효과적인 탈중합 과정을 제공하기 위하여 전자 빔 조사의 이중 통과를 제공하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 공급원료 수송 장치는 공급원료를 (건조 혹은 슬러리 형태로) 아래쪽으로 그리고 그의 초기 수송 방향에 대해서 역방향으로 향하게 할 수 있었다. 다중 통과 시스템은, 물질의 보다 두꺼운 층을 가공처리할 수 있고 층의 두께를 통해서 더욱 균일한 조사를 제공할 수 있다.
전자 빔 조사 장치는 고정 빔 혹은 주사 빔을 생성할 수 있다. 주사 빔은 커다란 주사 스위프 길이(scan sweep length) 및 높은 주사 속도를 지니는 점에서 유리할 수 있는데, 그 이유는 거다란 고정 빔 폭을 효과적으로 대체할 수 있었기 때문이다. 또, 0.5m, 1m, 2m 이상의 이용가능한 스위프 폭이 이용가능하다.
초음파 처리, 열분해, 산화 및 증기 폭발
필요한 경우, 하나 이상의 초음파 처리, 열분해, 산화 혹은 증기 폭발 과정이 상기 기계적으로 처리된 공급원료를 추가로 구조적으로 변화시키기 위하여 조사에 부가하여 이용될 수 있다. 이들 과정은 미국 특허 출원 제12/429,045호에 상세히 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 병합된다
당화 및 발효
당화
처리된 공급원료를 용이하게 발효될 수 있는 형태로 전환시키기 위하여, 몇몇 구현예에서, 공급원료 중의 셀룰로스는, 우선, 당화라 불리는 과정에서, 당화제, 예컨대, 효소에 의해, 당 등과 같은 저분자량 탄수화물로 가수분해된다. 셀룰로스를 포함하는 조사된 리그노셀룰로스 물질은, 예컨대, 해당 물질과 효소를 매질, 예컨대, 수성 매질 중에서 배합함으로써 효소에 의해 처리된다. 위에서 논의된 바와 같이, 바람직하게는 당화 동안 리그노셀룰로스 물질, 매질 및 효소의 혼합물을 교반하기 위하여 제트 혼합이 이용된다.
몇몇 경우에, 상기 조사된 물질은 당화 전에 온수 중에서 비등되거나 스티핑(steeping)되거나 쿠킹(cooking)된다. 바람직하게는, 조사된 재료는 약 50℃ 내지 100℃, 바람직하게는 약 70℃ 내지 100℃의 온도에서 물 속에 침지된다. 침지(예컨대, 비등 혹은 스티핑)는 임의의 소정 시간, 예를 들어, 약 10분 내지 2시간, 바람직하게는 30분 내지 1.5시간, 예컨대, 45분 내지 75분 동안 수행될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 침지 시간은 적어도 2시간 혹은 적어도 6시간이다. 일반적으로, 이 시간은 물의 온도가 높을수록 단축될 것이다.
임의의 팽윤제 혹은 기타 첨가제를 물에 첨가할 필요는 없고, 사실상 그렇게 하는 것은 비용을 증가시킬 것이고, 몇몇 경우에, 그러한 첨가제가 당화 및/또는 발효에 이용되는 미생물에 유해하다면, 추가의 가공처리에 해로운 영향을 미칠 것이다.
일반적으로, 침지는 가공처리의 간단화를 위하여 대기 압력에서 수행된다. 그러나, 필요한 경우 물과 조사된 물질의 혼합물은 상승된 압력 하에, 예컨대 압력 쿠커 조건 하에서 가공처리될 수 있다.
침지 후, 혼합물은 발효를 위한 적절한 온도, 예컨대, 효모에 대해서는 약 30℃ 혹은 세균에 대해서는 약 37℃에 도달할 때까지 냉각되거나 냉각되도록 방치한다.
발효
당화 후, 당화 과정에 의해 생성된 당은 발효되어, 예컨대, 알코올(들), 당 알코올, 예컨대, 에리트리톨, 혹은 유기 산, 예컨대, 락트산, 글루탐산 혹은 시트르산 혹은 아미노산을 생산한다. 효모 및 지모모나스(Zymomonas) 세균은, 예를 들어, 발효에 이용될 수 있다. 기타 미생물은 이하의 물질 부문에 논의되어 있다.
효모를 위한 최적 pH는 약 pH 4 내지 5인 반면, 지모모나스용의 최적 pH는 약 pH 5 내지 6이다. 전형적인 발효 시간은 26℃ 내지 40℃의 범위 내의 온도에서 약 24 내지 96시간이지만, 호열성 미생물은 보다 고온인 것이 바람직하다.
위에서 논의된 바와 같이, 제트 혼합은 발효 동안 이용될 수 있고, 몇몇 경우에는 당화 및 발효가 동일한 탱크에서 수행된다.
영양분이 당화 및/또는 발효 동안 첨가될 수 있고, 예를 들어, 식품 기반 영양분 패키지가 미국 특허 출원 제61/365,493호에 기재되어 있고, 이 문헌의 완전한 개시 내용은 참조로 본 명세서에 병합된다.
미국 특허 출원 제12/374,549호 및 국제 특허 출원 공개 WO 2008/011598에 기재된 바와 같은 이동식 발효기가 이용될 수 있다. 마찬가지로, 당화 장비는 이동식일 수 있다. 또, 당화 및/또는 발효는 수송 동안 부분적으로 전체적으로 수행될 수 있다.
후 가공처리
증류
발효 후, 얻어진 유체는, 예를 들어, "비어탑"(beer column)을 이용해서 증류되어 대부분의 물과 잔류 고체로부터 에탄올과 기타 알코올을 분리할 수 있다. 비어탑을 나온 증기는 예컨대 35중량% 에탄올일 수 있고 정류탑으로 공급될 수 있다. 정류탑으로부터 거의 공비(azeotropic)(92.5%) 에탄올과 물의 혼합물은 기상 분자체를 이용해서 순수한(99.5%) 에탄올로 정제될 수 있다. 비어탑 바닥부분은 3-작용 증발기의 제1작용부에 보내질 수 있다. 정류탑 환류 응축기는 이 제1작용부를 위해 열을 제공할 수 있다. 제1작용 후, 고체는 원심기를 이용해서 분리되고 회전 건조기에서 건조될 수 있다. 원심기 유출물의 부분(25%)은 발효로 재순환될 수 있고, 나머지는 제2 및 제3증발기 작용부로 보낼 수 있다. 대부분의 증발기 응축물은 작은 부분이 폐수 처리로 분리되어 낮은 비등 화합물의 구축을 방지하면서 상당히 깨끗한 응축물로서 상기 방법의 과정으로 되돌아갈 수 있다.
중간생성물 및 생성물
생성물의 구체적인 예는, 수소, 알코올(예컨대, 1가 알코올 혹은 2가 알코올, 예를 들어, 에탄올, n-프로판올 혹은 n-뷰탄올), 당, 예컨대, 글루코스, 자일로스, 아라비노스, 만노스, 갈락토스 및 이들의 혼합물, 바이오디젤, 유기산(예컨대, 아세트산, 시트르산, 글루탐산 및/또는 락트산), 탄화수소, 부산물(예컨대, 셀룰로스분해 단백질(효소) 혹은 단세포 단백질 등과 같은 단백질), 및 이들의 임의의 혼합물을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 기타 예는 카복실산, 예컨대, 아세트산 혹은 뷰티르산, 카복실산의 염, 카복실산과 카복실산의 염과 카복실산의 에스터(예컨대, 메틸, 에틸 및 n-프로필 에스터)의 혼합물, 케톤, 알데하이드, 알파, 베타 불포화산, 예컨대, 아크릴산 및 올레핀, 예컨대, 에틸렌을 포함한다. 기타 알코올 및 알코올 유도체는 프로판올, 프로필렌 글라이콜, 1,4-뷰탄다이올, 1,3-프로판다이올, 이들 알코올의 임의의 메틸 혹은 에틸 에스터를 포함한다. 기타 생성물은 당 알코올, 예컨대, 에리트리톨, 메틸 아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 락트산, 프로피온산, 뷰티르산, 숙신산, 3-하이드록시프로피온산, 이들 산의 임의의 염, 및 이들 산의 임의의 것과 각각의 염과의 혼합물을 포함한다.
상기 생성물들의 서로와의 및/또는 상기 생성물과 다른 생성물(이 다른 생성물은 본 명세서에 기재된 방법 혹은 다른 방법에 의해 제조될 수 있음)과의 임의의 조합은, 함께 포장되어 제품으로서 판매될 수 있다. 생성물은 배합, 예컨대, 혼합, 블렌딩 혹은 공용해될 수 있거나 또는 단순히 포장되어 함께 판매될 수 있다.
본 명세서에 기재된 생성물의 임의의 것 혹은 이들 생성물의 조합물은 생성물을 판매하기 전에, 예컨대, 정제 혹은 분리 후에 혹은 심지어 포장 후에 조사되어, 예를 들어, 생성물(들)을 위생처리 혹은 멸균처리하고/하거나 생성물(들) 중에 존재할 수 있었던 하나 이상의 잠재적으로 바람직하지 않은 오염물을 중화시킬 수 있다. 이러한 조사는, 예를 들어, 약 20 M㎭ 이하, 예컨대, 약 0.1 내지 15 M㎭, 약 0.5 내지 7 M㎭, 또는 약 1 내지 3 M㎭의 선량으로 행할 수 있다.
본 명세서에 기재된 방법은 오픈 마켓에서 팔리거나 혹은 공장(열병합)의 다른 부분에서 이용되도록 증기 및 전기를 발생하는데 유용한 각종 부산물 스트림을 생산할 수 있다. 예를 들어, 부산물 스트림의 연소로부터 발생된 증기는 증류 과정에서 이용될 수 있다. 다른 예로서, 부산물 스트림의 연소로부터 발생된 전기는 전처리에 이용된 전자 빔 발생기를 통전시키는데 이용될 수 있다.
증기 및 전기를 발생시키는 데 이용되는 부산물은 이 과정 전체를 통해서 다수의 공급원으로부터 유래된다. 예를 들어, 폐수의 혐기성 소화는 메탄 중의 많은 바이오가스 및 소량의 폐바이오매스(슬러지)를 생성할 수 있다. 다른 예로서, 당화 후 및/또는 증류 후 고체(예컨대, 전처리 및 주된 과정으로부터 남아 있는 비전환된 리그닌, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스)가 이용될 수 있고, 예컨대 연료로서 연소될 수 있다.
물질
공급원료 물질
공급원료는 바람직하게는 리그노셀룰로스 물질이지만, 본 명세서에 기재된 방법은 또한 셀룰로스 물질, 예컨대, 종이, 종이 제품, 종이 펄프, 면 및 이들의 임의의 혼합물, 및 기타 유형의 바이오매스와 함께 이용될 수도 있다. 본 명세서에 기재된 과정들은 특히 리그노셀룰로스 물질과 특이 유용한데, 그 이유는 이들 과정이 특히 리그노셀룰로스 물질의 난분해성을 저감시켜 경제적으로 가치 있는 방식으로 생성물 및 중간생성물로 이들 물질을 가공처리할 수 있는 점에서 특히 효과적이기 때문이다.
몇몇 경우에, 리그노셀룰로스 물질은, 예를 들어, 목재, 목초, 예컨대, 지팽이풀, 곡물 잔류물, 예컨대, 왕겨, 바가스, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘마, 마닐라삼, 밀짚, 옥수수 속대, 옥수수 겉대, 코코넛 헤어, 조류, 해초, 및 이들의 임의의 혼합물을 포함할 수 있다.
몇몇 경우에, 리그노셀룰로스 물질은 옥수수 속대를 포함한다. 그라운딩된 해머밀링된 옥수수 속대는 조사를 위하여 비교적 균일한 두께의 층으로 확산될 수 있고, 조사 후 추가의 가공처리를 위하여 매질 내에 분산되기 용이하다. 수확 및 수집을 용이하게 하기 위하여, 몇몇 경우에, 옥수수 겉대, 옥수수 낟알, 그리고 몇몇 경우에는 심지어 식물의 뿌리 계통을 포함하는 옥수수 식물 전체가 이용된다.
유리하게는, 상당량의 옥수수 속대를 포함하는 옥수수 속대 혹은 공급원료의 발효 동안에 (질소원, 예컨대, 요소 혹은 암모니아 이외의) 추가의 영양분은 필요하지 않다.
분쇄 전 후의 옥수수 속대는, 또한 반송 및 분산시키기 용이하고 또한 건초 및 목초 등과 같은 기타 공급원료 이외에 공기 중에서 폭발성 혼합물을 형성하는 경향이 보다 적어진다.
기타 바이오매스 공급원료는 전분 물질 및 미생물 물질을 포함한다.
몇몇 실시형태에 있어서, 바이오매스 물질은 하나 이상의 β-1,4-결합을 지닌 동시에 약 3,000 내지 50,000의 수평균 분자량을 지닌 물질이거나 해당 물질을 포함하는 탄수화물을 포함한다. 이러한 탄수화물은 β(1,4)-글루코사이드 결합의 축합을 통하여 (β-글루코스 1)로부터 유래되는 셀룰로스(I)이거나 해당 셀룰로스로스를 포함한다. 이 결합은 그 자체가 전분 및 다른 탄수화물에 존재하는 α(1,4)-글루코사이드 결합에 대한 것과 대조를 이룬다.
Figure pat00001
전분 물질은 전분 자체, 예컨대, 옥수수 전분, 밀 전분, 감자 전분 혹은 쌀 전분, 전분의 유도체, 혹은 식용 음식 산물 혹은 작물 등과 같은 전분을 포함하는 물질을 들 수 있다. 예를 들어, 전분 물질은 아라카차(arracacha), 메밀, 바나나, 보리, 카사바, 칡, 안데스괭이밥(oca), 사고(sago), 수수, 보통 가정의 감자, 고구마, 타로, 얌(yam), 또는 1종 이상의 콩, 예컨대, 잠두, 렌즈콩 혹은 완두 등일 수 있다. 임의의 2종 이상의 전분 물질의 배합물도 전분 물질이다
몇몇 경우에, 바이오매스는 미생물 물질이다. 미생물 공급원은, 이하에 열거하는 것들로 제한되지는 않지만, 탄수화물의 공급원(예컨대, 셀룰로스), 예를 들어, 원생생물, 예컨대, 동물 원생생물(예컨대, 편모충류, 아메바류, 섬모류 및 포자충류 등의 원생동물) 및 식물 원생생물(예컨대, 알베오레이트(alveolate), 클로라라크니오식물(chlorarachniophyte), 크립토모나드(cryptomonad), 유글레나류(euglenid), 회조류(glaucophyte), 착편모조(haptophyte), 홍조류(red algae), 부등편모조류(stramenopiles) 및 녹색식물(viridaeplantae) 등의 조류)을 제공하는 것이 가능하거나 이들을 함유하는 천연 유래 혹은 유전자 변형된 미생물 혹은 유기체의 어느 것이라도 들 수 있다. 다른 예로는 해초, 플랑크톤(예컨대, 매크로플랑크톤, 메조플랑크톤, 마이크로플랑크톤, 나노플랑크톤, 피코플랑크톤 및 펨토플랑크톤), 식물플랑크톤, 세균(예컨대, 그람 양성균, 그람 음성균 및 극한성 생물), 효모 및/또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. 몇몇 경우에, 미생물 바이오매스는 천연 공급원, 예컨대, 해양, 호수, 수역, 예컨대, 염수 혹은 담수로부터, 혹은 육지 상에서 얻어질 수 있다. 대안적으로 혹은 부가적으로, 미생물 바이오매스는 배양 시스템, 예컨대, 대규모 건식 및 습식 배양 시스템으로부터 얻어질 수 있다.
본 명세서에 기재된 임의의 바이오매스 물질의 배합물이 본 명세서에 기재된 중간생성물 혹은 생성물의 어느 것을 제조하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 셀룰로스 물질과 전분 물질의 배합물이 본 명세서에 기재된 임의의 생성물을 제조하는데 이용될 수 있다.
당화제
셀룰라제는 바이오매스를 분해시키는 능력을 지니며, 진균 혹은 세균으로부터 유래될 수 있다. 적절한 효소로는 바실러스(Bacillus), 슈도모나스(Pseudomonas), 후미콜라(Humicola), 푸사륨(Fusarium), 티엘라비아(Thielavia), 아크레모늄(Acremonium), 크리소스포륨(Chrysosporium) 및 트리코더마(Trichoderma) 속으로부터의 셀룰라제를 들 수 있고, 또한 후미콜라(Humicola), 코프리누스(Coprinus), 티엘라비아(Thielavia), 푸사륨(Fusarium), 마이셀리오프토라(Myceliophthora), 아크레모늄(Acremonium), 세팔로스포륨(Cephalosporium), 스키탈리듐(Scytalidium), 페니실륨(Penicillium) 혹은 아스페르길루스(Aspergillus) 속(예를 들어, EP 458162 참조), 특히 후미콜라 인솔렌스(Humicola insolens)(스키탈리듐 써모필룸(Scytalidium thermophilum)으로서 재분류됨, 예를 들어, 미국 특허 제4,435,307호 참조), 코프리너스 시네레우스 ( Coprinus cinereus), 푸사륨 옥시스포룸(Fusarium oxysporum), 마이셀리오프토라 써모필라(Myceliophthora thermophila), 메리필루스 기간테우스(Meripilus giganteus), 티엘라비아 테레스트리스(Thielavia terrestris), 아크레모늄 종(Acremonium sp.), 아크레모늄 페르시시넘(Acremonium persicinum), 아크레모늄 아크레모늄(Acremonium acremonium), 아크레모늄 브라키페늄(Acremonium brachypenium), 아크레모늄 디크로모스포룸(Acremonium dichromosporum), 아크레모늄 오브클라바툼(Acremonium obclavatum), 아크레모늄 핀커토니애(Acremonium pinkertoniae), 아크레모늄 로세오그리세움(Acremonium roseogriseum), 아크레모늄 인콜로라툼(Acremonium incoloratum) 및 아크레모늄 푸라툼(Acremonium furatum)종으로부터; 바람직하게는, 후미콜라 인솔렌스(Humicola insolens) DSM 1800, 후미콜라 옥시스포룸(Fusarium oxysporum) DSM 2672, 마이셀리오프토라 써모필라(Myceliophthora thermophila) CBS 117.65, 세팔로스포륨 종(Cephalosporium sp .) RYM-202, 아크레모늄 종 CBS 478.94, 아크레모늄 종 CBS 265.95, 아크레모늄 페르시시넘 CBS 169.65, 아크레모늄 아크레모늄 AHU 9519, 세팔로스포륨 종 CBS 535.71, 아크레모늄 브라키페늄 CBS 866.73, 아크레모늄 디크로모스포룸 CBS 683.73, 아크레모늄 오브클라바툼 CBS 311.74, 아크레모늄 핀커토니애 CBS 157.70, 아크레모늄 로세오그리세움 CBS 134.56, 아크레모늄 인콜로라툼 CBS 146.62 및 아크레모늄 푸라툼 CBS 299.70H 종으로부터 선택된 균주에 의해 생산된 것들을 들 수 있다. 셀룰로스 분해 효소는 또한 크리소스포륨, 바람직하게는 크리소스포륨 루크노웬스(Chrysosporium lucknowense)의 균주로부터 얻어질 수도 있다. 또한, 트리코더마(특히 트리코더마 비리데(Trichoderma viride), 트리코더마 레에세이(Trichoderma reesei) 및 트리코더마 코닌기이(Trichoderma koningii)), 호알칼리성 바실러스(alkalophilic Bacillus)(예를 들어, 미국 특허 제3,844,890호 및 EP 458162 참조) 및 스트렙토마이세스(Streptomyces)(예를 들어, EP 458162 참조)가 이용될 수 있다.
발효제
발효에 이용되는 미생물(들)은 천연 미생물 및/또는 공학적으로 조작된 미생물일 수 있다. 예를 들어, 미생물은 세균, 예컨대, 셀룰로스 분해 세균, 균류, 예컨대, 효모, 식물 또는 원생생물, 예컨대, 조류, 원충 또는 균류-유사 원생생물, 예컨대, 점균류일 수 있다. 유기체가 거부반응을 일으키지 않을 경우, 유기체의 혼합물이 이용될 수 있다.
적절한 발효 미생물은 예컨대 글루코스, 자일로스, 아라비노스, 만노스, 갈락토스, 올리고당 혹은 다당류 등의 탄수화물을 발효 생성물로 전환시키는 능력을 지닌다. 발효 미생물로는 사카로마이세스종(Saccharomyces spp)의 속(genus)의 균류, 예컨대, 사카로마이세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae)(빵 효모), 사카로마이세스 디스타티쿠스(Saccharomyces distaticus), 사카로마이세스 우바룸(Saccharomyces uvarum); 클루이베로마이세스(Kluyveromyces)속, 예컨대, 클루이베로마이세스 마르시아누스(Kluyveromyces marxianus)종, 클루이베로마이세스 프라길리스(Kluyveromyces fragilis)종; 칸디다(Candida)속, 예컨대, 칸디다 슈도트로피칼리스(Candida pseudotropicalis) 및 칸디다 브라시카에(Candida brassicae), 피키아 스티피티스(Pichia stipitis)(칸디다 쉐하타에(Candida shehatae)와 관련됨); 클라비스포라(Clavispora)속, 예컨대, 클라비스포라 루시타니에(Clavispora lusitaniae)종 및 클라비스포라 오푼티애(Clavispora opuntiae)종; 파키솔렌(Pachysolen)속, 예컨대, 파키솔렌 탄노필루스(Pachysolen tannophilus)종; 브레탄노마이세스(Bretannomyces)속, 예컨대, 브레탄노마이세스 클라우세니이(Bretannomyces clausenii)종(Philippidis, G. P., 1996, Celluose bioconversion technology, Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman, C.E., ed., Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212)을 들 수 있다.
시판의 효모로는, 예를 들어, Red Star(등록상표)/Lesaffre Ethanol Red(미국 Red Star/Lesaffre사로부터 입수가능), FALI(등록상표)(미국 Burns Philip Food Inc.의 분사인 Fleischmann's Yeast사로부터 입수가능), SUPERSTART(등록상표)(Alltech사로부터 입수가능), GERT STRAND(등록상표)(스웨덴의 Gert Strand AB사로부터 입수가능) 및 FERMOL(등록상표)(DSM Specialties사로부터 입수가능)을 들 수 있다. 모닐리엘라 폴리니스(Moniliella pollinis) 등과 같은 효모가 에리트리톨 등과 같은 당 알코올을 생산하기 위하여 이용될 수 있다.
예컨대, 지모모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis) 및 클로스트리듐 써모셀륨(Clostridium thermocellum)(Philippidis, 1996, 전술함) 등의 세균이 또한 발효에 이용될 수 있다.
기타 실시형태
본 발명의 많은 실시형태가 기술되어 있지만, 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어나는 일없이 각종 변경이 행해질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
예를 들어, 본 명세서에서 논의된 가공처리 단계들의 임의의 것의 처리 파라미터는, 예를 들어, 미국 특허 가출원 제61/151,724호 및 미국 특허 출원 제12/704,519호에 개시된 바와 같이, 공급원료의 리그닌 성분에 의거해서 조정될 수 있고, 해당 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 병합된다.
또, 당 및 알코올에 부가해서 혹은 이들에 대신해서 광범위하게 다양한 생성물 및 중간생성물을 제조하기 위하여 본 명세서에 기재된 과정들이 이용될 수 있다. 본 명세서에 기재된 과정들을 이용해서 제조될 수 있는 중간생성물 또는 생성물은 에너지, 연료, 식품 및 재료를 포함한다. 생성물의 구체적인 예는, 수소, 알코올(예컨대, 1가 알코올 혹은 2가 알코올, 예컨대, 에탄올, n-프로판올 혹은 n-뷰탄올), 예컨대, 물을 10%, 20%, 30% 혹은 심지어 40% 이상 함유하는 수화된 혹은 함수 알코올, 자일리톨, 당, 바이오디젤, 유기산(예컨대, 아세트산 및/또는 락트산), 탄화수소, 부산물(예컨대, 단백질, 예를 들어, 셀룰로스분해 단백질(효소) 또는 단일 세포 단백질), 및 이들의 임의의 혼합물을, 임의의 조합 혹은 상대적인 농도로 그리고 선택적으로 임의의 첨가제, 예컨대, 연료 첨가제와 조합하여 포함할 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 기타 예는 카복실산, 예컨대, 아세트산 혹은 뷰티르산, 카복실산의 염, 카복실산과 카복실산의 염의 혼합물, 및 카복실산의 에스터(예컨대, 메틸, 에틸 및 n-프로필 에스터), 케톤(예컨대, 아세톤), 알데하이드(예컨대, 아세트알데하이드), 알파, 베타 불포화산, 예컨대, 아크릴산 및 올레핀, 예컨대, 에틸렌을 포함한다. 기타 알코올 및 알코올 유도체는 프로판올, 프로필렌 글라이콜, 1,4-뷰탄다이올, 1,3-프로판다이올, 이들 알코올의 임의의 메틸 혹은 에틸 에스터를 포함한다. 기타 생성물은 메틸 아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 락트산, 프로피온산, 뷰티르산, 숙신산, 3-하이드록시프로피온산, 이들 산의 임의의 염, 및 이들 산의 임의의 것과 각각의 염과의 혼합물을 포함한다.
식품 및 약제학적 생성물을 비롯한 기타 중간생성물 및 생성물은 미국 특허 출원 제12/417,900호에 기재되어 있으며, 해당 문헌의 전체 개시 내용은 참조로 본 명세서에 병합된다.
따라서, 기타 실시형태는 이하의 특허청구범위의 범주 내이다.

Claims (10)

  1. 3 MeV 미만의 전압과 적어도 25kW의 전력에서 작동하는 전자 빔으로, 적어도 0.5 M㎭/초의 선량률에서 리그노셀룰로스 재료를 조사하는 단계;
    탱크 내에서, 상기 조사된 리그노셀룰로스 재료, 액체 매질 및 당화제(saccharifying agent)를 제트 혼합에 의해 배합 및 교반함으로써, 상기 조사된 리그노셀룰로스 재료를 분산시키고 당화시키는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액체 매질은 물을 포함하는 것인, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 당화제는 효소인 것인, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탱크로부터 내용물을 제거하는 일 없이, 상기 탱크의 상기 내용물을 발효시켜 알코올을 생산하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탱크의 상기 내용물로부터 당(sugar)을 단리시키는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 조사 전에 상기 리그노셀룰로스 재료를 해머밀링(hammermilling)하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 리그노셀룰로스 재료는 옥수수 속대를 포함하는 것인, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 조사는 약 25 내지 35M㎭의 총 선량을 상기 리그노셀룰로스 재료에 전달하는 것을 포함하는 것인, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 조사는 다수회의 방사선의 통과를 포함하되, 각 통과는 20M㎭ 이하의 선량을 전달하는 것인, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 탱크에서, 상기 조사된 리그노셀룰로스 재료, 액체 매질 및 당화제를 배합하기 전에, 적어도 40℃의 온도에서 물에 침지시키는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
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