KR20140111664A - 연료 전지에 이용하기 위한 바이오매스의 가공처리 - Google Patents

Abstract

바이오매스(예컨대, 식물 바이오매스, 동물 바이오매스 및 도시 폐바이오매스)는 가공처리되어, 연료 전지, 예컨대, 직접적 글루코스 연료 전지에 이용될 수 있는 탄수화물 용액을 생산한다.

Description

연료 전지에 이용하기 위한 바이오매스의 가공처리{PROCESSING BIOMASS FOR USE IN FUEL CELLS}

관련 출원

본 출원은 미국 가특허출원 제61/579,568호(출원일: 2011년 12월 22일)에 대한 우선권을 주장하며, 이 기초 출원의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

셀룰로스 및 리그노셀룰로스 재료(예컨대, 바이오매스 재료)가 생산되고, 가공처리되어, 많은 용도에 대량으로 이용되고 있다. 이러한 재료는 종종 일단 사용되고 나면 쓰레기로서 폐기되거나, 또는 단순히 폐기물 재료, 예컨대, 오수(sewage), 버개스(bagasse), 톱밥 및 여물로 되는 것으로 여겨진다.

전형적인 바이오매스 재료는 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌에 부가하여 보다 적은 양의 단백질, 추출가능물 및 미네랄을 함유한다. 셀룰로스 및 헤미셀룰로스 분획에 포함된 복합 탄수화물은 셀룰로스 분해 효소를 이용해서 당화에 의해 발효가능한 당으로 가공처리될 수 있고, 이 당은 이어서 최종 생성물 혹은 중간생성물로서 이용될 수 있거나 또는 추가의 바이오처리, 예컨대, 발효 혹은 수소화에 의해 다양한 생성물, 예컨대, 알코올 혹은 유기 산으로 전환될 수 있다. 얻어지는 생성물은 이용되는 미생물 및 바이오처리가 일어나는 조건에 따라 좌우된다.

본 발명은, 탄수화물-함유 재료(예컨대, 바이오매스 재료 혹은 바이오매스-유래 재료)를 가공처리(예컨대, 당화)하여, 직접적 당 연료 전지, 간접적 당 연료 전지 및 생물학적 연료 전지 등과 같은 연료 전지에 이용될 수 있는 당(예컨대, 글루코스) 용액을 생산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 연료 전지에서 탄수화물-함유 재료 유래 당 용액을 이용하는 것에 관한 것이다.

몇몇 구현예에서, 당 용액은, 예를 들어, 리그노셀룰로스 또는 셀룰로스 재료를 효소(예컨대, 셀룰라제)와 접촉시킴으로써, 해당 재료의 당화에 의해 생산된다. 다른 구현예에서, 리그노셀룰로스 또는 셀룰로스 재료의 난분해성(recalcitrance)은 당화 전의 재료의 그의 천연 상태의 것에 비해서 저감되었다. 몇몇 경우에, 공급원료의 난분해성을 저감시키는 것은 공급원료를 처리에 의해서 처리하는 것을 포함한다. 처리는, 예를 들어, 이온화 방사(예컨대, 전자 빔 방사), 초음파처리, 열분해, 산화, 증기 폭발(steam explosion), 화학적 처리, 각종 기계적 처리 및 이들 처리의 임의의 것의 조합일 수 있다. 물리적 처리는, 본 명세서에 개시된 처리들 중 임의의 하나 이상을 포함하되, 이들은 단독으로 혹은 임의의 바람직한 조합으로 그리고 1회 혹은 다회로 적용될 수 있다. 이온화 방사선, 예컨대, 전자 빔 방사로 처리할 경우, 선량은 적어도 10 M㎭ 내지 약 200 M㎭ 이하(예컨대, 50 M㎭ 내지 150M㎭)일 수 있다.

몇몇 구현예에서, 상기 방법은 연료 전지에 첨가제를 이용하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 임의의 조합 및 순서로 첨가되는 산, 염기, 완충액(예컨대, 인산염 완충액), 미네랄, 콜로이드, 에멀전, 유화제, 입상체, 나노입자, 양이온, 음이온, 금속 이온(예컨대, Fe^2+, Fe³⁺, Mn²⁺, Cu²⁺, K⁺, Na⁺), 비타민, 효소, 펩톤, 추출물, 계면활성제, 영양물질, 기체(예컨대, 수소, 질소, 헬륨, 아르곤, 일산화탄소, 이산화탄소), 화학물질, 질소 공급원(예컨대, 암모니아, 요소), 안료, 향수, 음이온성 중합체, 양이온성 중합체, 비이온성 중합체, 올리고머, 지질, 지방, 계면활성제, 분산제, 소포제, 세균발육저해제, 항균제, 미생물, 점도 조절제, 산화제(예컨대, 과산화물, 염소산염), 환원제, 안티스케일제(anti-scale agent), 부식 억제제, 오염방지제, 침강제, 응고제일 수 있다.

전형적인 바이오매스 자원은 셀룰로스, 헤미셀룰로스 및 리그닌에 부가하여 보다 적은 양의 단백질, 추출가능물 및 미네랄을 함유한다. 몇몇 구현예에서, 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료는 종이, 종이제품, 폐지, 제지용 펄프, 색소지, 적재지(loaded papers), 코팅지, 충전 종이, 잡지, 인쇄물, 프린터 용지, 다중코팅지, 명함 용지, 카드보드, 보드지, 기울, 목면, 목재, 파티클 보드, 산림 폐기물, 톱밥, 포플러 나무, 목재 칩, 목초, 지팽이풀, 억새, 코드 그래스(cord grass), 흰줄갈풀(reed canary grass), 곡물 잔류물, 왕겨, 귀리 껍질, 밀겨(wheat chaff), 보리 겨(barley hull), 농산물 폐기물, 사일리지, 카놀라짚, 밀짚, 보리짚, 귀리짚, 볏짚, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘, 마닐라삼, 옥수수 속대, 옥수수 대, 대두 여물, 옥수수 섬유, 알팔파, 건초, 코코넛 헤어, 당 가공처리 잔류물, 버개스, 사탕무우, 용설란 버개스, 조류(algae), 해초, 거름, 하수, 아라카차, 메밀, 바나나, 보리, 카사바, 칡, 안데스괭이밥, 사고, 수수, 감자, 고구마, 타로, 얌, 콩, 잠두, 렌즈콩, 완두, 및 이들의 임의의 혼합물을 포함한다.

셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료는 해당 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료의 벌크 밀도를 저감시키고/시키거나 그의 표면적을 증가시키기 위하여 기계적으로 처리될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 상기 방법은 그의 난분해성을 저감시키기 전 및/또는 후에 공급원료를 기계적으로 처리하는 단계를 포함한다. 기계적 처리는, 예를 들어, 절삭, 밀링, 예컨대, 해머밀링, 가압, 분쇄, 전단 및 저미기(chopping)를 포함한다. 예를 들어, 바이오매스 재료를 분쇄하는 것은, 바이오매스 재료에 적용되는 효과적인 처리일 수 있다. 기계적 처리는 공급원료의 벌크 밀도를 저감시키고/시키거나 공급원료의 표면적을 증가시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 기계적 처리 후, 재료는 0.75 g/㎤ 이하, 예컨대, 약 0.7 이하, 0.65, 0.60, 0.50, 0.35, 0.25, 0.20, 0.15, 0.10, 0.05 이하, 또는 예컨대, 0.025 g/㎤ 이하의 벌크 밀도를 지닌다. 벌크 밀도는 ASTM D1895B를 이용해서 결정된다.

일 양상에 있어서, 본 발명은 위에서 기재된 바와 같은 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료로부터 유래된 당 용액을 연료 전지, 예컨대, 직접적 당 연료 전지, 간접적 당 연료 전지 및/또는 생물학적 연료 전지에서 이용하는 것을 특징으로 한다. 선택적으로 연료는 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료의 당화로부터 유래된 당 혹은 알코올일 수 있다.

본 발명의 기타 특성 및 이점은 이하의 상세한 설명으로부터 그리고 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.

도 1은 셀룰로스의 글루코스로의 효소적 가수분해를 예시한 선도;
도 2는 연료 전지에 이용하기 위한 바이오매스 공급원료의 전환을 예시한 흐름도;
도 3은 연료 전지에서 당화된 공급원료를 이용하는 각종 과정을 도시한 선도;
도 4는 직접적 글루코스 연료 전지의 일례의 개략도;
도 5는 간접적 당 연료 전지의 일례의 개략도;
도 6은 생물학적 연료 전지의 반전지(half-cell)의 개략도.

도 1을 참조하면, 당화 동안, 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 기질은 랜덤한 개소에서 엔도글루카나제에 의해 초기에 가수분해되어 올리고머성 중간생성물을 생산한다. 이들 중간생성물은 이어서 셀룰로스 중합체의 말단으로부터 셀로바이오스를 생산하기 위하여 셀로바이오하이드롤라제 등과 같은 글루카나제를 외부 분열시키기 위한 기질이다. 셀로바이오스는 글루코스의 수-가용성 1,4-결합 이량체이다. 최종적으로 셀로비아제는 셀로바이오스를 절단시켜 글루코스를 수득한다. 글루코스, 또는 당화로부터 유래된 기타 당은, 본 명세서에서 상세히 설명되는 바와 같은 연료 전지에서 이용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 연료 전지 시스템 내에 혼입시키기 위한 당 용액을 제조하는 과정은, 예를 들어, 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 공급원료를 선택적으로 기계적으로 처리하는 단계(단계 110)를 포함할 수 있다. 이 처리 전 및/또는 후에, 공급원료를 다른 물리적 처리, 예를 들어, 방사선 조사를 이용해서 선택적으로 처리하여 난분해성을 더욱 저감시킬 수 있다(단계 112). 예를 들어, 1종 이상의 효소의 첨가에 의해(단계 111) 공급원료를 당화시켜 당 용액을 형성한다(단계 114). 선택적으로, 상기 방법은 또한, 예컨대, 당 용액(또는 당화가 도중에 수행된다면, 공급원료, 효소 및 및 물)을 예를 들어 파이프라인, 레일카, 트럭 혹은 바지선에 의해 제조 공장으로 수송하는 단계(단계 116)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제8,318,453호(출원일: 2009년 1월 21일)에 논의된 바와 같은 바이오매스를 수송하고 가공처리하는 방법이 본 명세서에서 이용될 수 있고, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다. 필요한 경우, 리그닌 함량을 측정하는 단계(단계 118) 및 이 측정에 기초하여 공정 파라미터를 설정 혹은 조정하는 단계(단계 120)가, 예를 들어, 미국 특허 출원 제12/704,519호(출원일: 2011년 2월 11일)에 기재된 바와 같은 방법의 각종 단계에서 수행될 수 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다. 당 용액은 이어서 연료 전지 또는 연료 전지 시스템 내로 혼입된다(122). 선택적으로, 이 공정에서 생산된 생성물은, 예를 들어, 이 공정으로부터의 당은 더욱 가공처리 및/또는 변성될 수 있으며, 예를 들어, 이 공정으로부터의 당이 생성물로 발효된다면, 생성물은 예를 들어 증류에 의해 정제될 수 있다(124). 이들 공정에서 생산된 생성물은 또한 연료 전지 시스템에서 이용될 수 있다.

도 3은 연료 전지에서 당화된 공급원료를 이용하는 과정을 도시한 선도이다. 당화된 공급원료로부터의 당 용액은 직접적 당 연료 전지, 간접적 당 연료 전지 또는 생물학적 연료 전지에서 이용될 수 있다. 글루코스 및 자일로스는 종종 바이오매스로부터 입수가능한 가장 풍부한 당이며, 바이오매스로부터 유래된 당 용액은 자일로스와 글루코스의 각종 비율에서의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 특별히 당이 단리되고/되거나 정제된 경우에, 단지 글루코스만 존재할 수 있거나, 단지 자일로스만 존재할 수 있다. 필요한 경우, 기타 다른 비율이 이용될 수 있으며, 예를 들어 총 글루코스와 자일로스의 퍼센트로서, 글루코스의 양은, 100% 내지 90%, 90% 내지 80%, 80% 내지 70%, 70% 내지 60%, 60% 내지 50%, 50% 내지 40%, 40% 내지 30%, 30% 내지 20%, 20% 내지 10%, 10% 내지 0%일 수 있다. 비록 글루코스와 자일로스는, 종종 바이오매스에 대해서 당의 10중량% 이상(예컨대, 20중량% 이상, 30중량%, 40중량% 이상, 50중량% 이상, 60중량% 또는 심지어 70중량% 이상)인 조건 하에, 종종 풍부한 바이오매스 유래 당이고, 이들 상이한 연료 전지에서 유용하지만, 다른 당 및 다당류도 유용할 수 있다. 예를 들어, 아라비노스, 만노스, 갈락토스 및 람노스, 셀룰로스, 전분, 자일란, 글루쿠로노자일란, 아라비노자일란, 글루코만난 및 자일로글루칸이 이용될 수 있다. 이들 당의 임의의 혼합물이 이용될 수 있다. 또한 본 명세서에 기재된 당은 (예컨대, 프럭토스로) 이성질체화될 수 있고, 이어서 연료 전지에 이용될 수 있다. 이들 상이한 연료 전지 및 그들의 용도는 이하에 더욱 상세히 논의된다.

직접적 당 연료 전지, 예를 들어 글루코스 연료 전지는, 일반적으로 캐소드 전극, 애노드 전극 및 분리기(예컨대, 음이온-교환막(anion-exchange membrane: AEM) 또는 확산층)을 포함한다. 연료 전지는 산성 혹은 알칼리성일 수 있다. 도 4에 도시된 예에서, AEM은 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 샌드위치되어 있고, 이들 전극의 각각과 AEM 사이에 흐름 장(flow field)이 제공된다. 몇몇 경우에, 전지는 하나의 전극(예컨대, 애노드)이 내부 실린더 형상이고, 다른 쪽(예컨대, 캐소드)이 외부 실린더의 형태인 2-실린더 구조를 지닌다.

애노드의 활성 성분은, 예를 들어, PdNi 혹은 Pd-Pt일 수 있고, 캐소드의 활성 성분은, 예를 들어, 코발트 포르피린 착물(CoTPP) 및 스피넬(MnCo₂O₄) 또는 기타 적절한 촉매의 조합된 촉매일 수 있다.

도 4에 도시된 직접적 당 연료 전지의 실시형태에 있어서, 글루코스 및 일반적으로 수산화칼륨(KOH)을 함유하는 연료 용액은, 예컨대, 연동 펌프(도시 생략)에 의해 애노드 흐름 채널 내로 공급되는 한편, 산소는 캐소드 흐름 장으로 공급된다. 글루코스는 애노드에서 산화되고, 환원된 생성물이 애노드 출구 채널을 통해서 멀리 흐른다. 전자는 애노드로부터 부하를 통해서 흐른다. 산소는 캐소드에서 환원되고, 배기 가스는 캐소드 흐름 장으로부터 배기된다.

직접적 당 연료 전지는 전기를 발전시키면서 이산화탄소와 물로 당 연료를 완전히 산화시킬 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 예를 들어, 여기에 표시된 바와 같은 글루코스의 전체 산화에 대한 반응이 일어날 수 있다.

애노드 반응: C₆H₁₂O₆ +24OH^- → 18H₂O + 6CO₂ + 18e-

캐소드 반응: 6O₂ + 12H₂O + 24e- → 24OH^-

전체 반응: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O ΔH = -2830 KJ/㏖

글루코스의 전체 산화가 많은 중간생성물(예컨대, 글루콘산, 글루카르산, 감마-글루코노락톤, 감마-글루카로락톤, 2-케토글루콘산, 아라비노스, 트라이하이드록시글루타르산, 타르타르산, 하이드록실 말론산 및 옥살산)을 통해서 진행하므로, 이들 중간생성물의 어느 것이라도 연료 전지에서 이용될 수 있다. 이들 중간생성물의 어느 것도, 본 명세서에 기재된 처리의 몇몇(예컨대, 당화, 발효)에 의해 생산된 경우, 연료 전지에서 전기를 발전시키는 데 있어서 유용할 수 있다. 선택적으로, 직접적 당 연료 전지에서 전기를 발전시키는데 이용되지 않는 임의의 당 생성물들은 도 2에 도시된 바와 같이 더욱 처리되고, 예를 들어, 이들은 알코올로 발효될 수 있고, 이 알코올은 증류에 의해 단리될 수 있다. 몇몇 경우에, 연료 전지는 하나의 당, 예를 들어, 글루코스를 이용할 수 있고, 다른 당, 예를 들어, 자일로스는 이용하지 못하며, 제2당은 후속의 과정에서 이용될 수 있다. 몇몇 다른 경우에, 과정, 예를 들어, 발효는 단지 하나의 당(예컨대, 글루코스)만을 이용하고 다른 당은 남겨두어서 이것이 연료 전지에 이어서 이용될 수 있다. 많은 경우에, 글루코스의 단지 부분적인 산화는 직접적 당 연료 전지에서 일어난다. 예를 들어, 글루코스의 글루콘산으로의 산화가 신속하게 일어나 2개의 전자를 제공하고, 최대로 약 200 KJ/㏖의 에너지(예컨대, 이용가능한 에너지의 약 7%)를 방출한다. 이용가능한 에너지의 면에서, 연료 전지는 연료의 적어도 1%(예컨대, 적어도 5%, 적어도 7%, 적어도 10%, 적어도 14%, 적어도 20%, 적어도 25%, 적어도 30 %, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90%)를 전기 에너지로 전환한다. 몇몇 경우에 연료의 약 1% 내지 90%(예컨대, 약 1% 내지 70%, 약 1% 내지 50%, 약 1% 내지 20 %, 약 1% 내지 10%, 약 5% 내지 90%, 약 5% 내지 70%, 약 5% 내지 50%, 약 5% 내지 25%, 약 5% 내지 10%, 약 10% 내지 90%, 약 10% 내지 70%, 약 10% 내지 50%, 약 10% 내지 30%, 약 10% 내지 20%, 약 20% 내지 70%)가 전기 에너지로 전환된다.

알코올 등과 같은 생성물 및 당에 부가해서, 본 명세서에 기재된 방법에 의해 바이오매스로부터 유래된 용액은 각종 고체 혹은 용해된 화합물 및/또는 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 용액은 효소(예컨대, 효소의 일부분, 활성 효소, 변성 효소), 아미노산, 영양물질, 생세포, 죽은 세포, 세포 지스러기(예컨대, 용해된 세포, 효모 추출물), 산, 염기, 염(예컨대, 할라이드, 염산염 및 인산염, 알칼리, 알칼리 토류, 전이금속 염), 부분 가수분해 생성물(예컨대, 셀룰로스 및 헤미셀룰로스 단편), 리그닌, 리그닌 잔류물, 무기 고체(예컨대, 규산질 재료, 점토, 카본블랙, 금속), 당화된 바이오매스의 잔유물 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다.

존재할 수 있는 효소는 가공 시 이용되는 그대로의 혹은 변성된 효소일 수 있거나, 또는 이들 효소로부터 유래(예컨대, 단백질 및 아미노산)될 수 있다. 이들은 용해되고/되거나 침전되고 현탁된 고체일 수 있다. 예를 들어, 당 용액은 약 10중량%까지(예컨대, 9중량%까지, 8중량%까지, 5중량%까지, 2중량%까지, 1중량%까지, 약 0.1 내지 5중량%, 약 1중량% 내지 5중량%, 약 2중량% 내지 5중량%, 약 0.1중량% 내지 1중량%, 약 0.01중량% 내지 1중량%, 약 0.001중량% 내지 0.1중량%)의 효소를 지닐 수 있다.

바이오매스의 당화 동안, 최적의 pH는 종종 산성 영역에 있을 수 있으며, 따라서, 이용되는 용액은, 연료 전지 시스템에 직접적으로 이용될 경우, pH 약 2 내지 5(예컨대, 약 4 내지 5)를 지닐 수 있다. pH는 또한 당화 후 상향 혹은 하향 조절될 수 있고 있거나 당화는 더 높은 혹은 더 낮은 pH에서 수행된다. 몇몇 실시형태에 있어서, 연료 전지에 이용된 용액은 따라서 넓은 범위로부터 선택된 pH 값을 지닐 수 있다. 예를 들어, pH는 약 2 내지 약 10(예컨대, 약 2 내지 5, 약 3 내지 5, 약 3 내지 6, 약 4 내지 6, 약 5 내지 10, 약 6 내지 10, 약 8 내지 10)의 범위로부터 선택될 수 있다.

본 명세서에 기재된 방법으로부터 유래되고 연료 전지 시스템에서 이용되는 당 용액은 약 50중량%까지, 예를 들어, 약 1 내지 50중량%, 2 내지 40중량%, 3 내지 25중량%, 5 내지 25중량%, 40 내지 50중량%, 30 내지 40중량%, 10 내지 20중량%, 1 내지 5중량%, 10 내지 40중량%, 약 50중량% 이하, 약 40중량% 이하, 약 30중량% 이하, 약 20중량% 이하, 약 10중량% 이하, 약 5중량% 이하, 약 1중량% 이하, 약 0.5중량% 이하, 약 0.01중량% 이하의 농도에서 존재하는 비당(non-sugar) 현탁된 혹은 용해된 고체를 포함할 수 있다. 이들 용액은, 예를 들어, 적어도 약 5 NTU(nephelometric turbidity unit)(예컨대, 적어도 약 10 NTU, 적어도 약 50 NTU, 적어도 약 100 NTU, 적어도 약 100 NTU, 적어도 약 200 NTU, 적어도 약 300 NTU, 적어도 약 400 NTU 및 심지어 약 500 NTU 이상)의 높은 탁도를 지닐 수 있다. 몇몇 경우에 고체는 연료 전지에서 사용하기 전에 완전히 혹은 부분적으로 제거된다. 예를 들어, 고체는 여과, 원심분리, 침강, 부상분리(floatation), 및 이들의 조합법에 의해 제거될 수 있다. 몇몇 경우에, 고체는 침강된 미리 가용성인 재료, 예를 들어, 변성된 효소로부터 유래된다. 고체의 제거 후, 용액의 탁도는 약 500 NTU까지만큼 저감(예컨대, 약 100 NTU까지만큼 저감, 약 50 NTU까지만큼 저감, 약 5 NTU까지만큼 저감)될 수 있다.

혼탁함에 부가해서, 본 명세서에 기재된 방법으로부터 생산된 당 용액은, 착색된 불순물로 인해 착색될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 금속 이온 및 폴리페놀 그리고 리그노셀룰로스 바이오매스의 가공처리 동안 생산되거나 유리된 리그닌 유래 생성물은 고도로 착색될 수 있다. 용액은 본 명세서에 기재된 연료 전지 시스템에서 직접적으로 이용될 수 있거나, 또는 이용되기 전에 부분적으로 혹은 완전히 탈색될 수 있다. 예를 들어, 착색된 불순물은 용액으로부터 여과제거, (예컨대, 화학적 분해에 의해) 파괴 및/또는 용액으로부터 침강될 수 있다.

당 용액으로부터 유래된 바이오매스의 이온 강도는 본 명세서에 기재된 바와 같은 바이오매스의 가공처리뿐만 아니라 바이오매스의 공급원으로 인해 높을 수 있다. 용액은 본 명세서에 기재된 연료 전지 시스템에 이용되기 전에 직접적으로 혹은 완전히, 선택적으로 혹은 부분적으로 탈이온될 수 있다.

몇몇 실시형태에 있어서, 연료 전지는 당화 효소뿐만 아니라 바이오매스(예컨대, 리그노셀룰로스 바이오매스, 셀룰로스 바이오매스, 전분)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 당은 바이오매스 재료에 대한 당화 효소의 작용에 의해 생산되고 있는 동안 연료 전지 시스템에서 이용될 수 있다.

또 다른 실시형태에 있어서, 본 명세서에 기재된 연료 전지에서 이용되는 당 용액은 첨가제를 포함할 수 있다. 이러한 첨가제는 pH, 점도, 화학적 전위, 표면 장력, 열 특성, 색, 냄새, 광택, 이온 강도, 전도도, 멸균성 및/또는 영양가 등과 같은 용액의 특성을 변경할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 임의의 조합 및 순서로 첨가되는 산, 염기, 완충액(예컨대, 인산염 완충액), 미네랄, 콜로이드, 에멀전, 유화제, 입상체, 나노입자, 양이온, 음이온, 금속 이온(예컨대, Fe^2+, Fe³⁺, Mn²⁺, Cu²⁺, K⁺, Na⁺), 비타민, 효소, 펩톤, 추출물, 계면활성제, 영양물질, 기체(예컨대, 수소, 질소, 헬륨, 아르곤, 일산화탄소, 이산화탄소), 화학물질, 질소 공급원(예컨대, 암모니아, 요소), 안료, 향수, 음이온성 중합체, 양이온성 중합체, 비이온성 중합체, 올리고머, 지질, 지방, 계면활성제, 분산제, 소포제, 세균발육저해제, 항균제, 미생물, 점도 조절제, 산화제(예컨대, 과산화물, 염소산염), 환원제, 안티스케일제, 부식 억제제, 오염방지제, 침강제, 응고제일 수 있다. 첨가제는 수 ppm(parts per million) 내지 수 퍼센트의 범위로 첨가될 수 있다(예를 들어 1 내지 1000 ppm, 5내지 500 ppm, 5 내지 100 ppm, 50 내지 100 ppm, 100 내지 1000 ppm. 1 내지 10중량%, 2 내지 10중량%, 5 내지 10중량%, 2 내지 5중량%). 양이온, 음이온, 금속 음이온을 포함하는 몇몇 실시형태에 있어서, 그 양은 1 내지 1000ppm의 양이다. 산, 염기, 혹은 완충액이 첨가되는 몇몇 실시형태에 있어서, 첨가제의 첨가 후의 최종 pH는 pH 2 내지 10(예컨대, 약 4 내지 8, 약 5 내지 7, 약 6 내지 8, 약 4 내지 5, 약 7 내지 8, 약 8 내지 10, 및 약 2 내지 4)이 되도록 채택될 수 있다. 첨가제는 또한 계량되어, 약 1μM 내지 5M(예컨대, 약 1mM 내지 1M, 약 5mM 내지 100mM, 약 100mM 내지 1몰농도, 약 10mM 및 100mM)의 양으로 첨가될 수 있다.

도 5는 간접적 당 연료 전지의 일례의 개략도이다. 일반적으로, 간접적 당 연료 전지는 일차 연료를 이차 연료로 전환하는 생물학적 과정을 이용하고, 이차 연료는 연료 전지를 이용해서 전류를 발생한다. 일차 연료(1)는 바이오성분(2)과 접촉하여 이차 연료(3)와 폐기물(4)을 생산한다. 이차 연료는 연료 전지 내에 주입되고, 애노드(5)와 접촉해서 산화되어, 환원된 생성물(8)을 생성하고, 전자를 외부 회로로 방출하고 양성자를 제공한다. 양성자는 연료 전지에서 이온 선택 막(6)을 통해서 캐소드(7)로 이동한다. 산소는 외부 회로로부터 공급된 전자에 의해 환원되는 캐소드로 공급되어, 양성자와 배합되어 물을 생성한다. 다른 가능한 설계에서, 바이오성분은 연료 전지 내에 존재하므로, 생성물과 전기의 생산이 모두 연료 전지 내에서 일어난다. 몇몇 경우에, 이온 선택 막은 또한 필요하지 않다. 다른 경우에, 산화제는 이산화물 이외의 산화제(예컨대, 과산화수소, 유기 과산화물 및 무기 과산화물)일 수 있다.

간접적 연료 전지에서 이용되는 일차 연료는 당(예컨대, 글루코스 및 자일로스)뿐만 아니라 앞서 논의된 바와 같은 바이오매스의 당화를 통해 생산될 수 있는 다당류일 수 있다. 이차 연료는 일차 연료의 발효 생성물일 수 있다. 예를 들어, 이차 연료는 알코올 또는 기타 발효 생성물(예컨대, 에탄올, 메탄올, 뷰탄올, 폴리올, 아세트산, 락트산 및 H₂)일 수 있다. 일반적으로, 일차 및 이차 연료는 이하에 논의되는 중간생성물 및 생성물로부터 선택될 수 있다. 바이오성분은, 임의의 천연 유래 혹은 유전자 변형된 미생물 혹은 유기체, 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)를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 다른 예로는 해초, 플랑크톤(예컨대, 매크로플랑크톤, 메조플랑크톤, 마이크로플랑크톤, 나노플랑크톤, 피코플랑크톤 및 펨토플랑크톤), 식물플랑크톤, 박테리아(예컨대, 그람 양성균, 그람 음성균 및 극한성 생물), 효모 및/또는 이들의 혼합물을 포함한다. 수종의 바이오성분이 있을 수 있으며, 예를 들어, 연료의 동일 혹은 상이한 성분으로부터 전류를 생산하는데 유용한 상이한 생성물을 생성하기 위하여 특수화된 수종의 박테리아가 있을 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 논의된 방법 및 발효 유기체는 이차적 생성물을 생산하는데 이용될 수 있다.

간접적 당 연료 전지에서 이차 연료를 생산하는데 이용될 수 있는 미생물의 몇몇 종은 클로스트리듐 사카로뷰틸아세토니쿰(Clostridium saccharobutylacetonicum), 클로스트리듐 사카로퍼뷰틸아세토니쿰(Clostridium saccharoperbutylacetonicum), 클로스트리듐 사카로뷰틸리쿰(Clostridium saccharobutyricum), 클로스트리듐 푸니세움(Clostridium puniceum), 클로스트리듐 베이전키이(Clostridium beijernckii), 클로스트리듐 아세토뷰틸리쿰(Clostridium acetobutylicum), 클로스트리듐 아우란티뷰틸리쿰(Clostridium aurantibutyricum), 클로스트리듐 펠시네움(Clostridium felsineum), 클로스트리듐 뷰티리쿰(Clostridium butyricum), 게오박터종(Geobacter species), 사카로마이세스종(Sacchromyces spp)의 균주, 예컨대, 사카로마이세스 세레비시에(Sacchromyces cerevisiae)(빵 효모), 사카로마이세스 디스타티쿠스(Saccharomyces distaticus), 사카로마이세스 우바룸(Saccharomyces uvarum), 클루이베로마이세스(Kluyveromyces)속의 균주, 예컨대, 클루이베로마이세스 마르시아누스(Kluyveromyces marxianus), 클루이베로마이세스 프라길리스(Kluyveromyces fragilis), 칸디다(Candida)속의 균주, 예컨대, 칸디다 슈도트로피칼리스(Candida pseudotropicalis) 및 칸디다 브라시카에(Candida brassicae), 피키아 스티피티스(Pichia stipitis)(칸디다 쉐하타에(Candida shehatae)와 관련됨), 클라비스포라(Clavispora)속의 균주, 예컨대, 클라비스포라 루시타니에(Clavispora lusitaniae) 및 클라비스포라 오푼티애(Clavispora opuntiae) 종, 파키솔렌(Pachysolen)속의 균주, 예컨대, 파키솔렌 탄노필루스(Pachysolen tannophilus), 및 브레탄노마이세스(Bretannomyces)속의 균주, 예컨대, 브레탄노마이세스 클라우세니이(Bretannomyces clausenii)(Philippidis, G. P., 1996, Celluose bioconversion technology, Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman, C.E., ed., Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212)를 포함하지만, 이로써 제한되는 것은 아님)이다. 이차 연료의 형성에 이용될 수 있는 상업적으로 입수가능한 효모로는, 예를 들어, 래드 스타(Red Star)(등록상표)/라사프레 에탄올 레드(Lesaffre Ethanol Red)(미국 Red Star/Lesaffre사로부터 입수가능), 팔리(FALI)(등록상표)(미국 Burns Philip Food Inc.의 분사인 Fleischmann's Yeast사로부터 입수가능), 수퍼스타트(SUPERSTART)(등록상표)(Alltech사(이제는 Lalemand)로부터 입수가능), 거트 스트란드(GERT STRAND)(등록상표)(스웨덴의 Gert Strand AB사로부터 입수가능) 및 페르몰(FERMOL)(등록상표)(DSM Specialties사로부터 입수가능)을 포함한다.

생물학적 연료 전지는 화학적 연료를 생화학적 경로를 수반하는 전기화학 반응을 통해서 전기 에너지로 직접적으로 전환할 수 있는 장치이다. 일반적으로 이것은 촉매작용을 위한 효소 혹은 활성 부분을 수반한다. 효소는 살아있는 유기체 내에 있을 수 있거나(예컨대, 미생물 연료 전지) 또는 생세포 밖에 있을 수 있다(예컨대, 효소 연료 전지). 도 6은 생물학적 연료 전지를 위한 일반화된 반전지의 개략도를 도시하고 있다. 공급된 연료는 연료를 산화시키고 폐기물을 형성하는 생물학적 성분과 접촉하며, 이 폐기물은 제거된다. 연료로부터 방출된 전자는 생물학적 성분으로부터 확산되는 매개체(mediator)로 이송되거나, 또는 해당 매개체가 외부 회로로 전자를 방출하는 그의 원래의 상태로 산화되는 전극과 결부된다. 연료 전지의 산화제 측은 도시되어 있지 않다. 몇몇 산화제는, 예를 들어, 공기에 의해 공급된 O₂, 또는 과산화물(예컨대, 과산화수소, 유기 과산화물, 무기 과산화물)일 수 있다. 몇몇 생물학적 연료 전지는 매개체를 필요로 하지 않으며; 이러한 전지에서, 전자는 생물학적 성분으로부터 전극으로 직접적으로 수송된다. 몇몇 생물학적 연료 전지에서, 산소와의 애노드 반응은 생물학적 성분에 의해 촉매된다. 몇몇 생물학적 연료 전지는, 예를 들어, Derek Lovely에 의한 문헌["The microbe electric: conversion of organic matter to electricity", Current Opinions in Biotechnology, 2008, Volume 19, pages 1-8] 또는 미국 특허 제8,283,076호(출원일: 2007년 5월 18일)에 기재되어 있으며, 이들 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

생물학적 연료 전지에 이용되는 연료는 앞서 개시된 바와 같이 바이오매스로부터의 당화 생성물일 수 있다. 특히 유기물이 이용되는 경우(예컨대, 미생물 연료 전지), 기타 영양물질 및 배지 성분, 예를 들어 이온(예컨대, 나트륨, 칼륨, 철, 마그네슘, 망간, 아연, 구리), 인산염, 황산염, 암모니아, 요소, 아미노산, 단백질, 비타민, 완충액, 유기 산, 무기 산, 유기 염기, 무기 염기, 영양물질 풍부한 추출물(예컨대, 효모 추출물, 고기 추출물 및 야채 추출물)이 연료에 첨가될 수 있다. 부가적으로, 온도 및 pH가 제어될 수 있다. 예를 들어, 10 내지 70℃(예컨대, 약 10 내지 60℃, 약 10 내지 50℃, 약 10 내지 40℃, 약 20 내지 70℃, 약 20 내지 60℃, 약 20 내지 50℃, 약 20 내지 40℃, 약 30 내지 70℃, 약 30 내지 60℃, 약 30 내지 50℃, 약 30 내지 40℃)의 온도가 이용될 수 있다. pH는 약 3 내지 10(예컨대, 약 3 내지 9, 약 3 내지 8, 약 3 내지 7, 약 3 내지 6, 약 3 내지 5, 약 4 내지 9, 약 4 내지 8, 약 4 내지 7, 약 5 내지 9, 약 5 내지 8, 약 5 내지 7)일 수 있다.

생물학적 연료 전지에서 이용 가능할 수 있는 유기체의 예는 지오박터(geobacter)종인, 프로테우스 불가리스(proteus vulgaris), 데설포비브릭 데설푸리칸스(Desulphovibrio desulphuricans), 대장균(E. coli), 악티노바실러스 숙시노게네스(Actinobacillus succinogenes), 데설포비브릭 불가리스(Desulphovibrio vulgaris), 쉬와넬라 푸트레파시엔스(Shewanella putrefaciens) 및 로데페락스 페리레두센스(Rhodoferax ferrireducens)이다.

생물학적 연료 전지에 이용 가능할 수 있는 효소의 예는, 글루코스 옥시다제, 알코올데하이드로게나제, 알데하이드데하이드로게나제, 폼에이트 데하이드로게나제, 산화환원효소, 다이아포라제(diaphorase), 플레이버-옥시도-리덕타제(flavor-oxido-reductase), 라카제(laccase), 마이크로퍼옥시다제, 글루코스 데하이드로게나제, 하이드로게나재, 퍼옥시다제, 이 목록으로부터의 재구성된 효소 및 이들의 조합물이다.

기계적 처리

바이오매스 공급원료(예컨대, 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료)는 기타 처리 전 혹은 후에 기계적으로 처리될 수 있다. 탄수화물-함유 재료를 기계적으로 처리하는 방법으로는, 예를 들어, 밀링 혹은 분쇄를 포함한다. 밀링은, 예를 들어, 해머 밀, 볼 밀, 콜로이드 밀, 코니컬 혹은 콘 밀, 디스크 밀, 에지 밀, 윌리 밀(Wiley mill), 제분용 밀 혹은 기타 밀을 이용해서 수행될 수 있다. 분쇄는, 예를 들어, 커팅/충격식 그라인더를 이용해서 수행될 수 있다. 몇몇 예시적인 그라인더로는 스톤 그라인더, 핀 그라인더, 커피 그라인더 혹은 버 그라인더(burr grinder)를 포함한다. 분쇄 혹은 밀링은, 예를 들어, 핀 밀의 경우에서처럼, 예를 들어, 핀 혹은 기타 요소를 왕복이동시킴으로써 제공될 수 있다. 기타 기계적 처리 방법은 기계적 째기(mechanical ripping), 찢기(tearing), 전단 혹은 저미기(chopping), 또는 섬유에 압력을 가하는 다른 방법 및 공기 마찰 밀링을 포함한다. 적절한 기계적 처리는 이전의 가공처리 단계들에 의해 초기화된 재료의 내부 구조의 파괴를 계속하는 기타 임의의 수법을 더 포함한다.

기계적 공급물 준비 시스템은, 예를 들어, 특정 최대 크기, 특정 길이-대-폭 또는 특정 표면적비 등과 같은 특정 특성을 지니는 스트림을 생산하도록 구성될 수 있다. 물리적 준비는, 반응 속도의 증가, 재료의 이동 향상, 재료의 방사선 조사 프로파일의 향상, 재료의 방사 균일도 증가, 또는 재료들을 개방시켜 이들을 용액 중 시약 등과 같은 시약 및/또는 처리에 더욱 접근하기 쉽게 만듦으로써 요구되는 가공처리 시간의 감소일 수 있다.

공급원료의 벌크 밀도는 제어(예컨대, 증가)될 수 있다. 몇몇 상황에서, 예컨대, 재료를 치밀화하고(예컨대, 치밀화는 이것을 더욱 용이하게 만들고 다른 장소로 수성하는데 비용이 덜 들 수 있음) 나서 재료를 낮은 벌크 밀도 상태로 역전시킴으로써(예컨대 수송 후), 낮은 벌크 밀도 재료를 준비하는 것이 바람직할 수 있다. 재료는, 예를 들어, 약 0.2 g/cc 이하 내지 약 0.9 g/cc 이상(예컨대, 약 0.3 이하 내지 약 0.5 g/cc 이상, 약 0.3 이하 내지 약 0.9 g/cc 이상, 약 0.5 이하 내지 약 0.9 g/cc 이상, 약 0.3 이하 내지 약 0.8 g/cc 이상, 약 0.2 이하 내지 약 0.5 g/cc 이상)으로 치밀화될 수 있다. 예를 들어, 재료는 미국 특허 제7,932,065호(Medoff) 및 국제 특허 공개 제WO2008/073186호(출원일: 2007년 10월 26일, 영어로 공개되었고, 미국을 지정함)에 개시된 방법 및 장비에 의해 치밀화될 수 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다. 치밀화된 재료는 본 명세서에 기재된 방법들 중 어느 하나에 의해 가공처리될 수 있거나, 또는 본 명세서에 기재된 방법들 중 어느 하나에 의해 가공처리된 임의의 재료는 이어서 치밀화될 수 있다.

몇몇 실시형태에 있어서, 가공처리 대상 재료는 섬유 공급원을 전단함으로써 제공된 섬유를 포함하는 섬유 재료의 형태이다. 예를 들어, 전단은 회전식 나이프 커터에 의해 수행될 수 있다.

예를 들어, 난분해성이거나 또는 그의 저감된 난분해성 수준을 지니는 섬유 공급원은, 예컨대, 회전식 나이프 커터에서 전단되어 제1섬유 재료를 제공할 수 있다. 이 제1섬유 재료는 예컨대 평균 개구 크기가 1.59㎜(1/16 인치, 0.0625 인치) 이하인 제1스크린을 통과하여, 제2섬유 재료를 제공한다. 필요한 경우, 섬유 공급원은 전단 전에, 예컨대, 세단기에 의해 절단될 수 있다. 예를 들어, 종이가 섬유 공급원으로서 이용될 경우, 종이는 세단기, 예컨대, 문손사(Munson)(뉴욕 우티카시에 소재)에서 제조된 것과 같은 대향 회전 스크루 세단기를 이용해서, 예컨대, 1/4- 내지 1/2-인치 폭인 스트립으로 절단될 수 있다. 세단에 대한 대안으로서, 종이는 길로틴 커터(guillotine cutter)를 이용해서 소정의 크기로 절단함으로써 크기를 저감시킬 수 있다. 예를 들어, 길로틴 커터는 종이를, 예컨대, 폭 10 인치 × 길이 12 인치인 시트로 절단하는 데 이용될 수 있다.

몇몇 실시형태에 있어서, 섬유 공급원의 전단 및 얻어진 제1섬유 재료의 제1스크린을 통한 통과는 동시에 수행된다. 상기 전단 및 통과는 배취식(batch-type) 프로세스로 수행될 수도 있다.

예를 들어, 회전식 나이프 커터는 섬유 공급원을 동시에 전단하고 제1섬유 재료를 스크리닝하는 데 이용될 수 있다. 회전식 나이프 커터는 섬유 공급원을 세단함으로써 준비된 세단된 섬유 공급원이 장전될 수 있는 호퍼를 포함한다.

몇몇 구현예에 있어서, 공급원료는 당화 및/또는 발효 전에 물리적으로 처리된다. 물리적 처리 과정은, 예컨대, 기계적 처리, 화학적 처리, 조사, 초음파처리, 산화, 열분해 혹은 증기 폭발 등과 같은 본 명세서에 기재된 것들 중 한 가지 이상을 포함한다. 처리 방법은 이들 기술 중 둘, 셋, 넷 혹은 심지어 모두의 조합으로 (임의의 수순으로) 이용될 수 있다. 하나보다 많은 처리 방법이 이용될 경우, 그 방법은 동시에 혹은 상이한 시기에 적용될 수 있다. 바이오매스 공급원료의 분자 구조를 변화시키는 기타 처리가 또한 단독으로, 또는 본 명세서에 개시된 처리방법과 조합하여 이용될 수 있다.

이용될 수 있는 기계적 처리, 그리고 기계적으로 처리된 바이오매스의 특징은, 미국 특허 출원 제13/276,192호(출원일: 2011년 10월 18일)에 더욱 상세히 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

가공처리 동안 초기에 및/또는 말기에 수행될 수 있는 이 크기 저감에 부가해서, 기계적 처리는 또한 구조 변형 처리 동안 공급원료 재료를 "개방"(opening up), "응력 부여"(stressing), 파괴 및 파쇄하여, 구조적 변형 처리 동안 사슬 절단되고/되거나 결정 구조가 파괴되기 더욱 쉬운 재료의 셀룰로스로 만드는 데 유리할 수 있다.

바이오매스는, 예를 들어, 수분 함량이 약 35% 이하(예컨대, 약 20% 이하, 약 15% 이하, 약 10% 이하, 약 5% 이하, 약 4% 이하, 약 3% 이하, 약 2% 이하 혹은 심지어 약 1% 이하)인 건조 형태일 수 있다. 바이오매스는, 또한 습윤 상태로, 예를 들어, 습윤 고체, 슬러리 혹은 적어도 약 10 중량%(예컨대, 적어도 약 20 중량%, 적어도 약 30 중량%, 적어도 약 40 중량%, 적어도 약 50 중량%, 적어도 약 60 중량%, 적어도 약 70 중량%)의 고체를 지니는 슬러리 또는 현탁액으로서 전달될 수 있다.

본 명세서에 기재된 방법은 낮은 벌크 밀도 재료, 예를 들어, 약 0.75 g/㎤ 미만, 예컨대, 약 0.7, 0.65, 0.60, 0.50, 0.35, 0.25, 0.20, 0.15, 0.10, 0.05 혹은 그 이하, 예컨대, 0.025 g/㎤ 미만의 벌크 밀도를 지니도록 물리적으로 전처리된 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 공급원료를 이용할 수 있다. 벌크 밀도는 ASTM D1895B를 이용해서 결정된다. 간단히, 상기 방법은 기지의 부피의 계량 실린더에 샘플을 채우는 단계 및 해당 샘플의 중량을 얻는 단계를 포함한다. 벌크 밀도는 샘플의 중량(g)을 실린더의 기지의 부피(㎤)로 나눔으로써 산출된다. 필요한 경우, 낮은 벌크 밀도 재료는, 예를 들어, 미국 특허 제7,971,809호(Medoff)에 기재된 방법에 의해 치밀화될 수 있고, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

몇몇 경우에, 전처리 가공처리로는 바이오매스 재료의 스크리닝(screening)을 포함한다. 스크리닝은 목적으로 하는 개구 크기, 예를 들어, 약 6.35㎜(¼ 인치, 0.25 인치) 이하, (예컨대, 약 3.18㎜(1/8 인치, 0.125 인치) 이하, 약 1.59㎜(1/16 인치, 0.0625 인치) 이하, 약 0.79㎜(1/32 인치, 0.03125 인치) 이하, 예컨대, 약 0.51㎜(1/50 인치, 0.02000 인치) 이하, 약 0.40㎜(1/64 인치, 0.015625 인치) 이하, 약 0.23㎜(0.009 인치) 이하, 약 0.20㎜(1/128 인치, 0.0078125 인치) 이하, 약 0.18㎜(0.007 인치) 이하, 약 0.13㎜(0.005 인치) 이하, 또는 심지어 약 0.10㎜(1/256 인치, 0.00390625 인치) 이하를 지니는 메쉬 혹은 천공판을 통할 수 있다.

바이오매스 재료의 스크리닝은 또한 수동 방법에 의해, 예를 들어, 원치 않는 재료를 제거하는 조작자 혹은 메카노이드(mechanoid)(예컨대, 색, 반사율 혹은 기타 센서가 장착된 로봇)에 의해 행해질 수 있다. 스크리닝은 또한 자석이 반송된 재료 부근에 배치되어 자성 재료가 자기적으로 제거되는 자석 스크리닝에 의하는 것도 가능하다.

선택적으로, 추가의 가공처리 전에, 바이오매스 재료는 예를 들어 IR 방사선, 마이크로파, 연소(예컨대, 가스, 석탄, 오일, 바이오매스), 저항성 가열 및/또는 유도 코일에 의해 가열될 수 있다. 가열은, 예를 들어, 재료를 건조시킬 목적을 위한 것일 수 있다. 재료를 건조시킬 경우에, 이것은 또한 가열에 의해 혹은 가열 없이, 바이오매스 상부에 및/또는 해당 바이오매스를 통해서 가스(예컨대, 공기, 산소, 질소, He, CO₂, 아르곤)의 이동에 의해 실시될 수도 있다.

선택적으로, 바이오매스는 기계적 처리 전 혹은 후에 냉각될 수 있다. 재료의 냉각은 미국 특허 제7,900,857호(Medoff)에 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

방사선 조사처리

몇몇 경우에, 공급원료는 그의 구조를 변형시켜서 그의 난분해성을 저감시키기 위하여 조사될 수 있다. 조사는, 예를 들어, 공급원료의 평균 분자량의 저감, 공급원료의 결정질 구조의 변화, (예컨대, 산화에 의한) 공급원료의 작용성의 변화 및/또는 공급원료의 표면적 및/또는 다공도의 증가를 가능하게 할 수 있다.

전계 이온화 공급원, 정전 이온 분리기, 전계 이온화 발생기, 열이온 방출 공급원, 마이크로파 방출 이온 공급원, 재순환 혹은 정적 가속기, 동적 선형 가속기, 반 데 그라프 가속기(van de Graaff accelerator) 및 폴디드 탄뎀 가속기(folded tandem accelerator)를 비롯한 각종 기타 장치가 본 명세서에 개시된 방법에 이용될 수 있다. 이러한 장치는, 예를 들어, 미국 특허 제7,931,784호(Medoff)에 개시되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

전자 빔은 방사선 공급원으로서 이용될 수 있다. 전자 빔은 높은 선량 속도(예컨대, 초당 1, 5, 또는 심지어 10 M㎭), 높은 처리량, 적은 오염 및 적은 제한 장비의 이점을 지닌다. 전자 빔은 또한 높은 전기 효율(예컨대, 80%)을 지닐 수 있어, 다른 방사선 조사 방법에 대해서 보다 낮은 에너지 이용을 허용하며, 보다 낮은 작업 비용, 및 이용된 보다 작은 양의 에너지에 대응하는 보다 낮은 온실가스 방출로 해석될 수 있다. 전자 빔은, 예컨대, 정전 발전기, 캐스케이드 발전기, 변압기 발전기, 주사 시스템을 지닌 낮은 에너지 가속기, 선형 캐소드를 지닌 낮은 에너지 가속기, 선형 가속기 및 펄스 가속기에 의해 발생될 수 있다.

전자는 또한, 예를 들어, 사슬 절단의 기전에 의해 탄수화물-함유 재료의 분자 구조에 변화를 일으킴에 있어서 더 효과적일 수 있다. 또한, 0.5 내지 10 MeV의 에너지를 지니는 전자는 저밀도 재료, 예컨대, 본 명세서에 기재된 바이오매스 재료, 예컨대, 0.5 g/㎤ 이하의 벌크 밀도 및 0.3 내지 10㎝의 심도를 지니는 재료를 침투할 수 있다. 이온화 방사선 공급원으로서의 전자는, 예컨대, 약 0.5 인치 이하, 예컨대, 약 0.4 인치, 0.3 인치, 0.25 인치 이하, 또는 약 0.1 인치 이하의, 예컨대, 재료의 비교적 얇은 플라이, 층 혹은 베드에 대해서 유용할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 전자 빔의 각 전자의 에너지는 약 0.3 MeV 내지 약 2.0 MeV(백만 전자 볼), 예컨대, 약 0.5 MeV 내지 약 1.5 MeV 또는 약 0.7 MeV 내지 약 1.25 MeV이다. 재료를 조사하는 방법은 미국 특허 출원 공개 제2012/01000577 A1호(출원일: 2011년 10월 18일)에 개시되어 있으며, 그 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

전자빔 조사 장치는 캘리포니아주의 샌디에이고시에 소재한 티탄 코포레이션사(Titan Corporation) 혹은 벨기에의 로바인-라-뉴브(Louvain-la-Neuve)시에 소재한 이온 빔 어플리케이션스사(Ion Beam Applications)로부터 상업적으로 입수될 수 있다. 전형적인 전자 에너지는 0.5 MeV, 1 MeV, 2 MeV, 4.5 MeV, 7.5 MeV 또는 10 MeV일 수 있다. 전형적인 전자빔 조사 장치 전력은 1 KW, 5 KW, 10 KW, 20 KW, 50 KW, 60 KW, 70 KW, 80 KW, 90 KW, 100 KW, 125 KW, 150 KW, 175 KW, 200 KW, 250 KW, 300 KW, 350 KW, 400 KW, 450 KW, 500 KW, 600 KW, 700 KW, 800 KW, 900 KW 또는 심지어 1000 KW일 수 있다.

전자빔 조사 장치 전력 사양을 고려할 때의 트레이드오프(tradeoff)는 작동 비용, 자본금, 감가 상각 및 장치가 차지하는 공간을 포함한다. 전자빔 조사의 노출 선량 레벨을 고려할 때의 트레이드오프는 에너지 비용, 및 환경, 안전성 및 건강(environment, safety, and health: ESH) 관련사항일 것이다. 전형적으로, 발생기는, 특별히 이 공정에서 발생되는 X-선으로부터의 생산을 위하여, 예컨대, 납 혹은 콘트리트의 돔형의 저장소에 수용된다. 전자 에너지를 고려할 때의 트레이드오프는 에너지 비용을 포함한다.

전자빔 조사 장치는 고정 빔 혹은 주사 빔을 생성할 수 있다. 주사 빔은, 이것이 보다 커다란 고정 빔 폭으로 효과적으로 대체됨에 따라 커다란 주사 스위프(sweep) 길이 및 높은 주사 속도를 지니므로 유리할 수 있다. 또한, 0.5m, 1m, 2m 이상의 유용한 스위프 폭이 이용가능하다.

몇몇 실시형태에 있어서, 2가지 이상의 전자 공급원, 예컨대, 2가지 이상의 이온화 방사선 공급원이 이용된다. 예를 들어, 샘플은, 임의의 순서로, 전자빔에 이어서, 감마 방사선 및 약 100㎚ 내지 약 280㎚의 파장을 지니는 UV광으로 처리될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 샘플은 3가지 이상의 이온화 방사선 공급원, 예컨대, 전자빔과, 감마 방사선과, 에너지 UV광으로 처리된다. 바이오매스는, 예를 들어 전자에 의해 조사될 수 있는 조사 영역(도 3에서 (354))을 통해서 반송된다. 일반적으로, 바이오매스 재료의 상(bed)은 앞서 기술된 바와 같이 조사 동안 비교적 균일한 두께를 지니는 것이 바람직하다.

분자/초분자 구조를 변경하고/하거나 탄수화물-함유 바이오매스의 난분해성을 저감시키는 효율은 이용된 전자 에너지 및 적용된 선량에 좌우되는 한편, 노출 시간은 전력 및 용량에 좌우된다.

몇몇 실시형태에 있어서, 조사(임의의 방사선 공급원 또는 이들 공급원의 조합을 이용함)는 재료가 적어도 약 0.05 M㎭, 예컨대, 적어도 약 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 2.5, 5.0, 7.5, 10.0, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 125, 150, 175, 또는 200 M㎭의 선량을 받을 때까지 수행된다. 몇몇 실시형태에 있어서, 조사는 재료가 0.1 내지 100 M㎭, 1 내지 200, 5 내지 200, 10 내지 200, 5 내지 150, 50 내지 150, 100 내지 200, 100 내지 150, 80 내지 120, 5 내지 100, 5 내지 50, 5 내지 40, 10 내지 50, 10 내지 75, 15 내지 50, 20 내지 35 M㎭의 선량을 받을 때까지 수행된다.

몇몇 실시형태에 있어서, 조사는 5.0 내지 1500.0 킬로㎭/시간, 예컨대, 10.0 내지 750.0 킬로㎭/시간 또는 50.0 내지 350.0 킬로㎭/시간의 선량률에서 수행된다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 조사는 10 내지 10000 킬로㎭/hr, 100 내지 1000 킬로㎭/hr, 또는 500 내지 1000 킬로㎭/hr의 선량률에서 수행된다.

몇몇 구현예에 있어서, 조사 동안 재료를 냉각시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 재료는 예를 들어 스크류 압출기 혹은 기타 압출 장비에 의해서 반송되면서 냉각될 수 있다.

방사선은 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료가 공기, 산소-풍부 공기, 또는 심지어 산소 자체에 노출되거나, 또는 질소, 아르곤 혹은 헬륨 등과 같은 불활성 기체에 의해 블랭킷된 상태에서 적용될 수 있다. 최대 산화가 요망될 경우, 공기 혹은 산소 등과 같은 산화 환경이 활용되고, 방사선 공급원으로부터의 거리는, 반응 가스 형성, 예컨대, 오존 및/또는 질소의 산화물을 최대화하기 위하여 최적화되어 있다.

초음파처리, 열분해, 산화, 증기 폭발

필요한 경우, 하나 이상의 초음파처리, 열분해, 산화적 혹은 증기 폭발 공정이 공급원료의 난분해성을 더욱 저감시키기 위하여 조사에 부가해서 혹은 이 대신에 이용될 수 있다. 이들 공정은 미국 특허 출원 제12/429,045에 상세히 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

당화

처리된 바이오매스 재료는 일반적으로 해당 재료와 셀룰라제 효소를 유체 배지, 예를 들어, 수성 용액 중에서 배합함으로써, 당화될 수 있다. 몇몇 경우에, 재료는 미국 특허 출원 공개 제2012/01000577 A1호(출원일; 2011년 10월 18일)에 기재된 바와 같이 당화 전에 온수에서 비등되거나, 적셔지거나 혹은 조리되며, 이 문헌의 전체 내용은 본 명세서에 포함된다.

당화 공정은 제조 공장 내의 탱크(예컨대, 적어도 4000, 40,000 혹은 500,000ℓ의 체적을 지니는 탱크)에서 부분적으로 혹은 완전히 수행될 수 있고/있거나, 수송 중에, 예컨대, 레일 카 내, 탱커 트럭 내, 또는 초대형 유조선이나 선박의 선창 내에서 부분적으로 혹은 완전히 수행될 수 있다. 완전한 당화를 위해 필요한 시간은 이용된 탄수화물-함유 재료와 효소 그리고 공정 조건에 좌우될 것이다. 당화가 제어된 조건 하에 제조 공장에서 수행된다면, 셀룰로스는 약 12 내지 96시간에 글루코스로 실질적으로 완전히 전환될 수 있다. 당화가 수송 중에 부분적으로 혹은 완전히 수행된다면, 당화는 더 오랜 시간이 걸릴 수 있다.

일반적으로, 탱크 내용물은 당화 동안, 예를 들어, 국제 출원 제PCT/US2010/035331호(출원일: 2010년 5월 18일, 제WO 2010/135380호로 영어로 공개되고 미국을 지정함)에 기재된 바와 같은 제트 혼합을 이용해서 혼합되는 것이 바람직하며, 이 문헌의 전체 개시내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.

계면활성제의 첨가는 당화의 속도를 증대시킬 수 있다. 계면활성제의 예로는, 비이온성 계면활성제, 예컨대, 트윈(Tween)(등록상표) 20 혹은 트윈(Tween)(등록상표) 80, 폴리에틸렌 글라이콜 계면활성제, 이온성 계면활성제, 또는 양성 계면활성제를 포함한다.

일반적으로 당화로부터 얻어지는 당 용액의 농도는 비교적 높은 것, 예컨대, 40중량% 이상, 또는 50, 60, 70, 80, 90 중량% 이상 또는 심지어 95중량% 이상인 것이 일반적으로 바람직하다. 물은, 당 용액의 농도를 증가시키기 위하여, 예컨대, 증발에 의해 제거될 수 있다. 이것은 출하될 부피를 감소시키며, 또한 용액 중의 미생물 증식을 억제한다.

대안적으로, 보다 낮은 농도의 당 용액이 이용될 수 있으며, 이 경우, 항균제 첨가제, 예컨대, 광범위 항생제를 낮은 농도, 예컨대, 50 내지 150 ppm으로 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 기타 적절한 항생제로는 암포테리신 B, 암피실린, 클로르암페니콜, 시프로플록사신, 겐타마이신, 하이그로마이신 B, 카나마이신, 네오마이신, 페니실린, 퓨로마이신, 스트렙토마이신을 포함한다. 항생제는 수송 및 저장 동안 미생물의 성장을 저해할 것이며, 적절한 농도, 예컨대, 15 내지 1000 중량ppm, 예컨대, 25 내지 500 중량ppm, 또는 50 내지 150 중량ppm에서 이용될 수 있다. 필요한 경우, 항생제는 당 농도가 비교적 높더라도 포함될 수 있다. 대안적으로, 보존성의 항균제와 함께 다른 첨가제가 이용될 수 있다. 바람직하게는, 향균제 첨가제(들)는 식품-등급이다.

효소와 함께 탄수화물-함유 재료에 첨가되는 물의 양을 제한함으로써 비교적 고농도의 용액이 얻어질 수 있다. 농도는 예컨대 얼마나 많은 당화가 일어나는지를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 농도는 용액에 더 많은 탄수화물-함유 재료를 첨가함으로써 증가될 수 있다. 용액 내에서 생성되고 있는 당을 유지하기 위하여, 계면활성제, 예컨대, 위에서 논의된 것들 중 하나가 첨가될 수 있다. 용해도는 용액의 온도를 증가시킴으로써 또한 증가될 수 있다. 예를 들어, 용액은 40 내지 50℃, 60 내지 80℃ 혹은 심지어 그 이상의 온도에서 유지될 수 있다.

당

본 명세서에 기재된 방법에 있어서, 예를 들어, 당화 후에, 당(예컨대, 글루코스 및 자일로스)이 단리될 수 있다. 예를 들어 당은 석출, 결정화, 크로마토그래피(예컨대, 시뮬레이션화된 이동상 크로마토그래피, 고압 크로마토그래피), 원심분리, 추출, 당업계에 공지된 기타 임의의 단리 방법, 그리고 이들의 조합에 의해 단리될 수 있다.

발효

예를 들어, 효모 및 지모모나스(Zymononas) 박테리아는 당(들)의 알코올(들)로의 전환 혹은 발효에 이용될 수 있다. 기타 미생물은 이하에 논의된다. 발효를 위한 최적 pH는 약 pH 4 내지 7이다. 예를 들어, 효모를 위한 최적 pH는 약 pH 4 내지 5인 반면, 지모모나스(Zymomonas)를 위한 최적 pH는 약 pH 5 내지 6이다. 전형적인 발효 시간은 약 24 내지 168시간(예컨대, 24 내지 96시간)이고 이때의 온도 범위는 20℃ 내지 40℃(예컨대, 26℃ 내지 40℃)이지만, 호열성 미생물은 보다 높은 온도를 선호한다.

몇몇 실시형태에 있어서, 예컨대, 혐기성 유기체가 사용될 경우, 발효의 적어도 일부는 산소의 부재, 예컨대, N₂, Ar, He, CO₂ 또는 이들의 혼합물 등과 같은 불활성 기체의 블랭킷 하에 수행된다. 부가적으로, 상기 혼합물은 발효의 일부 혹은 전부 동안 탱크를 통해 흐르는 불활성 가스의 일정한 퍼지(purge)를 지닐 수 있다. 몇몇 경우에, 혐기성 조건은 발효 동안 이산화탄소 생산에 의해 달성되거나 유지될 수 있고, 부가적인 불활성 가스가 필요로 되지 않는다.

몇몇 실시형태에 있어서, 발효공정의 전부 혹은 일부는 저분자량 당이 생성물(예컨대, 에탄올)로 완전히 전환되기 전에 중단될 수 있다. 중간생성물인 발효 산물은 고농도의 당과 탄수화물을 포함한다. 당과 탄수화물은 이하에 논의된 바와 같이 단리될 수 있다. 이들 중간생성물인 발효 산물은 인간 혹은 동물 소비를 위한 식품의 제조에 이용될 수 있다. 부가적으로 혹은 대안적으로, 중간생성물인 발효 산물은 밀가루 유사 물질을 생산하기 위하여 스테인레스강제 실험실 밀로 미립자 크기로 분쇄될 수 있다.

제트 혼합은 발효 동안 이용될 수 있고, 몇몇 경우에 당화와 발효는 동일 탱크에서 수행된다.

미생물에 대한 영양물질, 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2012/0052536호(출원일: 2011년 7월 15일)에 기재된 식품-기반 영양물질 패키지가 당화 및/또는 발효 동안 첨가될 수 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

국제 특허 출원 제PCT/US2007/074028호(출원일: 2007년 7월 20일, WO 2008/011598로서 공개되었고, 미국을 지정함)에 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.

증류

발효 후, 얻어지는 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 일부(25%)는 발효로 재순환될 수 있고, 나머지는 제2 및 제3증발기 작용부로 보내질 수 있다. 대부분의 증발기 응축물은 작은 부분이 폐수 처리로 분리되어 낮은 비등 화합물의 구축을 방지하면서 상당히 깨끗한 응축물로서 상기 처리로 되돌아갈 수 있다.

중간생성물 및 생성물

본 명세서에 기재된 방법을 이용해서, 바이오매스 재료가 에너지, 연료, 식품 및 물질 등과 같은 하나 이상의 생성물로 전환될 수 있다. 생성물의 구체적인 예로는, 수소, 당(예컨대, 글루코스, 자일로스, 아라비노스, 만노스, 갈락토스, 프럭토스, 이당류, 올리고당 및 다당류), 알코올(예컨대, 1가 알코올 혹은 2가 알코올, 예컨대, 에탄올, n-프로판올, 아이소뷰탄올, sec-뷰탄올, tert-뷰탄올 또는 n-뷰탄올), 수화된 혹은 함수 알코올(예컨대, 10%, 20%, 30% 이상 혹은 심지어 40% 이상의 물을 함유함), 바이오디젤, 유기 산, 탄화수소(예컨대, 메탄, 에탄, 프로판, 아이소뷰텐, 펜탄, n-헥산, 바이오디젤, 바이오-가솔린 및 이들의 혼합물), 공동-생성물(예컨대, 단백질, 예컨대, 셀룰로스 분해 단백질(효소) 또는 단세포 단백질), 및 임의의 조합 혹은 상대적인 농도에서, 그리고 선택적으로 임의의 첨가제(예컨대, 연료 첨가제)와의 조합에서의 이들의 임의의 혼합물을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 기타 예로는, 카복실산, 카복실산의 염, 카복실산과 카복실산의 염과 카복실산의 에스터의 혼합물(예컨대, 메틸, 에틸 및 n-프로필 에스터), 케톤(예컨대, 아세톤), 알데하이드(예컨대, 아세트알데하이드), 알파 및 베타 불포화 산(예컨대, 아크릴산) 및 올레핀(예컨대, 에틸렌)을 포함한다. 기타 알코올 및 알코올 유도체로는 프로판올, 프로필렌 글라이콜, 1,4-뷰탄다이올, 1,3-프로판다이올, 당 알코올(예컨대, 에리트리톨, 글라이콜, 글라이세롤, 솔비톨, 트레이톨, 아라비톨, 리비톨, 만니톨, 둘시톨, 푸시톨, 이디톨, 아이소말트, 말티톨, 락티톨, 자일리톨 및 기타 폴리올), 그리고 이들 알코올의 어느 하나의 메틸 혹은 에틸 에스터를 포함한다. 기타 생성물로는, 메틸 아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 락트산, 시트르산, 폼산, 아세트산, 프로피온산, 뷰티르산, 숙신산, 발레르산, 카프로산, 3-하이드록시프로피온산, 팔미트산, 스테아르산, 옥살산, 말론산, 글루타르산, 올레산, 리놀레산, 글라이콜산, 감마-하이드록사뷰티르산 및 이들의 혼합물, 이들 산의 어느 것인가의 염, 이들 산의 어느 하나와 그들의 각각의 염의 혼합물을 포함한다. 얻어지는 많은 생성물, 예컨대, 에탄올 또는 n-뷰탄올은, 동력 차량, 트럭, 트랙터, 배 혹은 트레인용의 연료로서, 예컨대, 내연 연료로서 혹은 연료 전지 공급원료로서 활용될 수 있다. 얻어진 많은 생성물은 또한 항공기, 예컨대, 제트 엔진을 지니는 비행기 혹은 헬리콥터를 통전시키는 데 활용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 생성물은, 예컨대, 종래의 스팀 발전 공장에서 혹은 연료 전지 공장에서 전력 발전을 위하여 활용될 수 있다.

품 및 약제학적 생성물을 포함하는 기타 중간생성물 및 생성물은 미국 특허 출원 제12/417,900호(출원일: 2009년 4월 3일)에 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

탄수화물 함유 재료(바이오매스 재료)

본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "바이오매스 재료"란 용어는, "탄수화물-함유 재료"란 용어와 호환 가능하게 이용되며, 리그노셀룰로스, 셀룰로스, 전분 및 미생물 재료를 포함한다. 본 명세서에 기재된 방법들 어느 것이라도 본 명세서에 기재된 임의의 바이오매스 재료의 혼합물로 실행될 수 있다.

리그노셀룰로스 재료는, 목재, 파티클 보드, 산림 폐기물(예컨대, 톱밥, 포플러 나무, 목재 칩), 목초(예컨대, 지팽이풀, 억새, 코드 그래스, 흰줄갈풀), 곡물 잔류물(예컨대, 왕겨, 귀리 껍질, 밀겨(wheat chaff), 보리 겨(barley hull)), 농산물 폐기물(예컨대, 사일리지, 카놀라짚, 밀짚, 보리짚, 귀리짚, 볏짚, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘, 마닐라삼, 옥수수 속대, 옥수수 대, 대두 여물, 옥수수 섬유, 알팔파, 건초, 코코넛 헤어), 당 가공처리 잔류물(예컨대, 버개스, 사탕무우박, 용설란 버개스), 조류, 해초, 거름, 하수, 및 이들의 임의의 혼합물을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.

몇몇 경우에, 리그노셀룰로스 재료는 옥수수 속대를 포함한다. 분쇄 혹은 햄머밀링된 옥수수 속대는 방사선 조사를 위하여 비교적 균일한 두께의 층으로 확산될 수 있고, 조사 후에는 추가의 가공처리를 위하여 배지에 분산되기 용이하다. 수확 및 수집을 용이하게 하기 위하여, 몇몇 경우에는, 옥수수대, 옥수수 알, 또한 몇몇 경우에는 심지어 식물의 뿌리계를 포함하여 옥수수의 전체 식물이 이용된다.

유리하게는, 에탄올 생산을 위하여, (질소 공급원, 예컨대, 요소 또는 암모니아 이외의) 어떠한 추가적인 영양물질도 충분한 양의 옥수수 속대를 포함하는 옥수수 속대 또는 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 재료의 발효 동안 요구되지 않는다.

옥수수 속대는, 분쇄 전후에, 또한 반송되고 분산되기 더욱 용이하며, 건초 및 목초 등과 같은 기타 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료보다 공기 중에서 폭발성 혼합물을 형성하는 경향이 더 적어진다.

셀룰로스 재료는, 예를 들어, 종이, 종이제품, 폐지, 제지용 펄프, 색소지, 적재지, 코팅지, 충전 종이, 잡지, 인쇄물(예컨대, 서적, 카탈로그, 매뉴얼, 라벨, 캘린더, 그리팅 카드, 브로셔, 안내서, 신문 인쇄용지), 프린터 용지, 다중코팅지, 명함 용지, 카드보드, 보드지, 목면과 같은 높은 α-셀룰로스 함량을 지니는 재료, 및 이들의 임의의 혼합물을 포함한다. 예를 들어, 종이 제품은 미국 특허 출원 제13/396,365호("Magazine Feedstocks", Medoff 등, 출원일: 2012년 2월 14일)에 기재된 바와 같으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

셀룰로스 재료는 또한 탈-리그닌화된 리그노셀룰로스 재료를 포함할 수 있다.

전분 재료는, 전분 자체, 예컨대, 옥수수 전분, 밀 전분, 감자 전분 또는 쌀 전분, 전분의 유도체, 또는 전분, 예컨대, 식용 식품 제품 혹은 작물 등을 포함하는 재료를 포함한다. 예를 들어, 전분 재료는 아라카차, 메밀, 바나나, 보리, 카사바, 칡, 안데스괭이밥, 사고, 수수, 보통 가정용 감자, 고구마, 타로, 얌, 또는 1종 이상의 콩, 예컨대, 잠두, 렌즈콩 혹은 완두일 수 있다. 2종 이상의 전분 재료의 배합물도 또한 전분 재료이다. 전분, 셀룰로스 및 또는 리그노셀룰로스 재료의 혼합물도 이용될 수 있다. 예를 들어, 바이오매스는 식물 전체, 식물의 일부 혹은 식물의 상이한 부분들, 예컨대, 밀 식물, 목면 식물, 벼 식물 혹은 나무일 수 있다. 전분 재료는 본 명세서에 기재된 방법들의 어느 것에 의해서도 처리될 수 있다.

미생물 재료는, 탄수화물의 공급원(예컨대, 셀룰로스)을 제공하는 것이 가능하거나 이들을 함유하는 임의의 천연 유래 혹은 유전자 변형된 미생물 혹은 유기체, 예를 들어, 원생생물, 예컨대, 동물 원생생물(예컨대, 편모충류, 아메바류, 섬모류 및 포자충류 등의 원생동물) 및 식물 원생생물(예컨대, 알베오레이트, 클로라라크니오식물), 크립토모나드, 유글레나류, 회조류, 착편모조, 홍조류, 부등편모조류 및 녹색식물 등의 조류)를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 다른 예로는 해초, 플랑크톤(예컨대, 매크로플랑크톤, 메조플랑크톤, 마이크로플랑크톤, 나노플랑크톤, 피코플랑크톤 및 펨토플랑크톤), 식물플랑크톤, 박테리아(예컨대, 그람 양성균, 그람 음성균 및 극한성 생물), 효모 및/또는 이들의 혼합물을 포함한다. 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 및 발효 시스템으로부터 얻어질 수 있다.

다른 실시형태에 있어서, 셀룰로스, 전분 및 리그노셀룰로스 공급원료 재료 등과 같은 바이오매스 재료는, 야생형 변종에 관하여 변형된 형질전환 미생물 및 식물로부터 얻어질 수 있다. 이러한 변형은, 예를 들어, 식물에서 목적으로 하는 특성을 얻기 위하여 선택 및 번식의 반복 단계를 통해서 이루어질 수 있다. 또한, 식물은 야생형 변종에 관하여 제거, 변형, 침묵 및/또는 부가된 유전자 재료를 지닐 수 있다. 예를 들어, 유전자 변형된 식물은 재조합 DNA 방법에 의해 생산될 수 있되, 여기서, 유전자 변형은 부모 변종으로부터의 특정 유전자를 도입하거나 변형시키는 것 또는 예를 들어 상이한 종의 식물 및/또는 박테리아로부터 식물에 특정 유전자 혹은 유전자들이 도입되는 형질전환 번식을 이용하는 것을 포함한다. 유전자 변종을 작성하는 다른 방법은 새로운 대립유전자가 내생 유전자로부터 인공적으로 작성되는 돌연변이 번식을 통하는 것이다. 인공 유전자는, 예를 들어, 화학적 돌연변이 유발원(예컨대, 알킬화제, 에폭사이드, 알칼로이드, 퍼옥사이드, 폼알데하이드를 이용해서), 방사선 조사(예컨대, X-선, 감마선, 중성자, 베타 입자, 알파 입자, 양자, 중양자, UV 방사선) 및 온도 충격 혹은 기타 외부 응력 및 후속의 선택 수법으로 식물 혹은 종자를 처리하는 것을 포함하는 각종 방법에 의해서 작성될 수 있다. 변형된 유전자를 제공하는 기타 방법은, 오류 발생이 쉬운 PCR 및 DNA 셔블링에 이어서, 목적으로 하는 변형된 DNA를 목적으로 하는 식물 혹은 종자에 삽입을 통하는 것이다. 종자 혹은 식물에서의 바람직한 유전자 변이를 도입하는 방법으로는, 예를 들어, 보균동물, 바이오리스틱스(biolistics), 인산칼슘 침강, 전기 영동, 유전자 스플라이싱, 유전자 침묵, 리포펙틴, 마이크로주입 및 바이러스 전달체의 이용을 포함한다. 부가적인 유전자 변형 재료는, 미국 특허 출원 제13/396,369호(출원일: 2012년 2월 14일)에 기재되어 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

당화제

적절한 셀룰로스분해 효소는 바실루스(Bacillus), 코프리누스(Coprinus), 마이셀리오프토라(Myceliophthora), 세팔로스포륨(Cephalosporium), 사이탈리듐(Scytalidium), 페니실륨(Penicillium), 아스페르길루스(Aspergillus), 슈도모나스(Pseudomonas), 후미콜라(Humicola), 푸사리움(Fusarium), 티엘라비아(Thielavia), 아크레모늄(Acremonium), 크리소스포륨(Chrysosporium) 및 트리코데마(Trichoderma) 속으로부터의 셀룰라제를 포함하며, 특히 아스페르길루스(Aspergillus)(예컨대, EP 공개 제0 458 162호), 후미콜라 인솔렌스(Humicola insolens)(사이탈리듐 써모필룸(Scytalidium thermophilum)으로서 재분류됨, 예컨대, 미국 특허 제4,435,307호 참조), 코프리너스 시네레우스(Coprinus cinereus), 푸사리움 옥시스포룸(Fusarium oxysporum), 마이셀리오프토라 써모필라(Myceliophthora thermophila), 메리필루스 기간테우스(Meripilus giganteus), 티엘라비아 테레스트리스(Thielavia terrestris), 아크레모늄 종(Acremonium sp.)(아크레모늄 페르시시넘(A. persicinum), 아크레모늄 아크레모늄(A. acremonium), 아크레모늄 브라키페늄(A. brachypenium), 아크레모늄 디클로모스포룸(A. dichromosporum), 아크레모늄 오브클라바툼(A. obclavatum), 아크레모늄 핀커토니애(A. pinkertoniae), 아크레모늄 로세오그리세움(A. roseogriseum), 아크레모늄 인콜로라툼(A. incoloratum) 및 아크레모늄 푸라툼(Acremonium furatum)을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아님) 종으로부터 선택된 균주에 의해 생산된 것들을 포함한다. 바람직한 균주로는, 후미콜라 인솔렌스(Humicola insolens) DSM 1800, 푸사리움 옥시스포룸(Fusarium oxysporum) DSM 2672, 마이셀리오프토라 써모필라(Myceliophthora thermophila) CBS 117.65, 세팔로스포륨종(Cephalosporium sp.) RYM-202, 아크레모늄종(Acremonium sp.) CBS 478.94, 아크레모늄종(Acremonium sp.) CBS 265.95, 아크레모늄 페르시시넘(Acremonium persicinum) CBS 169.65, 아크레모늄 아크레모늄(Acremonium acremonium) AHU 9519, 세팔로스포륨종(Cephalosporium sp.) CBS 535.71, 아크레모늄 브라키페늄(Acremonium brachypenium) CBS 866.73, 아크레모늄 디클로모스포룸(Acremonium dichromosporum) CBS 683.73, 아크레모늄 오브클라바툼(Acremonium obclavatum) CBS 311.74, 아크레모늄 핀커토니애(Acremonium pinkertoniae) CBS 157.70, 아크레모늄 로세오그리세움(Acremonium roseogriseum) CBS 134.56, 아크레모늄 인콜로라툼(Acremonium incoloratum) CBS 146.62, 및 아크레모늄 푸라툼(Acremonium furatum) CBS 299.70H를 포함한다. 셀룰로스분해 효소는 또한 크리소스포륨(Chrysosporium), 바람직하게는, 크리소스포륨 룩노웬스(Chrysosporium lucknowense)로부터 얻어질 수 있다. 이용될 수 있는 부가적인 균주로는 트리코데마(Trichoderma)(특히 트리코데르마 비리데(T. viride), 트리코데마 리제이(T. reesei) 및 트리코데마 코닌기(T. koningii)), 호알칼리성 바실러스(alkalophilic Bacillus))(예를 들어, 미국 특허 제3,844,890호 및 EP 공보 제0 458 162호 참조) 및 스트렙토마이세스(Streptomyces)(예컨대, EP 공보 제0 458 162호 참조)를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.

발효제

발효에 이용되는 미생물(들)은 천연 유래 미생물 및/또는 공학적으로 조작된 미생물일 수 있다. 이들 발효제는, 예를 들어, 간접적 연료 전지에서의 에너지 발전을 위하여 이용되도록 일차 연료를 이차 연료로 전환시키기는데 이용될 수 있다. 발효제는 본 명세서에 기재된 연료 전지에서 이용되지 않는 당 혹은 중간생성물을 전환시키는데 이용될 수 있다. 미생물의 예는 박테리아(예컨대, 셀룰로스 분해 박테리아를 포함하지만, 이로써 제한되는 것은 아님), 균류(예컨대, 효모를 포함하지만, 이로써 제한되는 것은 아님), 식물, 원생생물, 예컨대, 원생동물문 혹은 균류-유사 원생생물(예컨대, 점균류를 포함하지만, 이로써 제한되는 것은 아님), 또는 조류일 수 있다. 유기체가 거부반응을 일으키지 않을 경우, 유기체의 혼합물이 이용될 수 있다.

적절한 발효 미생물은, 예컨대, 글루코스, 프럭토스, 자일로스, 아라비노스, 만노스, 갈락토스, 올리고당 혹은 다당류 등의 탄수화물을 발효 생성물로 전환시키는 능력을 지닌다. 발효 미생물로는, 사카로마이세스종(Saccharomyces spp.)의 속(genus)(사카로마이세스 세레비시아(S. cerevisiae)(빵 효모), 사카로마이세스 디스타티쿠스(S. distaticus), 사카로마이세스 우바룸(S. uvarum)을 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아님), 클루이베로마이세스(Kluyveromyces)속(클루이베로마이세스 마르시아누스(K. marxianus), 클루이베로마이세스 프라길리스(K. fragilis) 을 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아님), 칸디다(Candida)속(칸디다 슈도트로피칼리스(C. pseudotropicalis) 및 칸디다 브라시카에(C. brassicae)를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아님), 피키아 스티피티스(Pichia stipitis)(칸디다 쉐하타에(Candida shehatae)와 관련됨), 클라비스포라(Clavispora)속(클라비스포라 루시타니에(C. lusitaniae) 및 클라비스포라 오푼티애(C. opuntiae) 를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아님), 파키솔렌(Pachysolen)속(파키솔렌 탄노필루스(Pachysolen tannophilus)을 포함하지만, 이로써 제한되는 것은 아님), 브레탄노마이세스(Bretannomyces)속(브레탄노마이세스 클라우세니이(B. clausenii)(Philippidis, G. P., 1996, Celluose bioconversion technology, Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman, C.E., ed., Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212)를 포함하지만, 이로써 제한되는 것은 아님)의 균주들을 포함한다. 기타 적절한 미생물로는, 예를 들어, 지모모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis), 클로스트리듐 종(클로스트리듐 써모셀륨(Clostridium thermocellum)(Philippidis, 1996, 전술함), 클로스트리듐 사카로뷰틸아세토니쿰(Clostridium saccharobutylacetonicum), 클로스트리듐 사카로뷰틸리쿰(Clostridium saccharobutylicum), 클로스트리듐 푸니세움(Clostridium Puniceum), 클로스트리듐 베이전키이(Clostridium beijernckii), 클로스트리듐 아세토뷰틸리쿰(Clostridium acetobutylicum) 및 클로스트리듐 아우란티뷰틸리쿰(Clostridium auranti butylicum)을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아님), 모닐리엘라 폴리니스(Moniliella pollinis), 야로위아 리포리타카(Yarrowia lipolytica), 유레오바시디움 종(Aureobasidium sp.), 트리코스포로노이데스 종(Trichosporonoides sp.), 트리고놉시스 바리아빌리스(Trigonopsis variabilis), 트리코스포론 종(Trichosporon sp.), 모닐리엘라아세토아부탄스 종(Moniliellaacetoabutans sp.), 티풀라 바리아빌리스(Typhula variabilis), 칸디다 마그놀리애(Candida magnoliae), 우스틸라기노마이세테스 종(Ustilaginomycetes sp.), 슈도지마 츠쿠바엔시스(Pseudozyma tsukubaensis)의 균주, 지고사카로마이에스(Zygosaccharomyces), 데바리오마이세스(Debaryomyces), 한세눌라(Hansenula) 및 피키아(Pichia) 속의 효모 종, 및 데마토이드속 토룰라(Torula)의 진균을 포함한다.

이러한 많은 미생물 균주는, 두서너 가지 예를 들면, ATCC(American Type Culture Collection, 미국 버지니아주의 머내서스시에 소재), NRRL(Agricultural Research Service Culture Collection, 미국 일리노이주의 피오리아시에 소재) 또는 DSMZ(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, 독일의 브라운슈바이크에 소재) 등과 같이, 상업적으로 혹은 기탁소를 통해서 공개적으로 입수가능하다.

시판의 효모로는, 예를 들어, 래드 스타(Red Star)(등록상표)/라사프레 에탄올 레드(Lesaffre Ethanol Red)(미국 Red Star/Lesaffre사로부터 입수가능), 팔리(FALI)(등록상표)(미국 Burns Philip Food Inc.의 분사인 Fleischmann's Yeast사로부터 입수가능), 수퍼스타트(SUPERSTART)(등록상표)(Alltech사(이제는 Lalemand)로부터 입수가능), 거트 스트란드(GERT STRAND)(등록상표)(스웨덴의 Gert Strand AB사로부터 입수가능) 및 페르몰(FERMOL)(등록상표)(DSM Specialties사로부터 입수가능)을 포함한다.

본 명세서의 실시예 이외 혹은 달리 명확하게 특정되지 않는 한, 본 명세서의 이하의 부분 및 첨부된 특허청구범위에서, 수치 범위, 양, 값 및 퍼센트, 예컨대, 재료, 원소 함량, 시간 및 반응 온도, 양들의 비 및 기타에 대한 것들의 모두는, 용어 "약"이 그 값, 양 혹은 범위에 명확하게 표시되어 있지 않을 수도 있더라도 마치 단어 "약"으로 시작되는 것처럼 읽혀질 수 있다. 따라서, 상반되게 표시되지 않는 한, 이하의 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 기술된 수치 파라미터는 본 발명에 의해 얻고자 추구되는 목적으로 하는 특성에 따라서 변할 수 있는 근사치이다. 적어도 또한 특허청구범위의 범주에 대한 등가물의 원칙의 적용을 제한하는 시도로서가 아니라, 각 수치 파라미터는 보고된 유효숫자의 숫자를 감안하여 그리고 통상의 반올림 수법을 적용함으로써 적어도 해석될 필요가 있다.

본 발명의 광범위한 범위를 기술하는 수치 범위 및 파라미터가 근사치임에도 불구하고, 특정 실시예에서 기술하고 있는 수치는 가능한 한 정확하게 보고되어 있다. 그러나, 어떠한 수치도 반드시 각각의 테스트 측정에 기반하여 발견되는 표준 편차에 기인하는 오차를 고유하게 포함한다. 또한, 수치 범위가 본 명세서에 기술되어 있을 경우, 이들 범위는 인용된 범위의 종말점을 포함한다(즉, 종말점이 이용될 수 있다). 중량 퍼센트가 본 명세서에서 이용된 경우, 그 보고된 수치는 전체 중량에 대한 것이다.

또한, 본 명세서에서 인용된 어떠한 수치 범위도 그 안에 포괄되는 모든 하위 범위를 포함하도록 의도된 것임이 이해되어야 한다. 예를 들어, "1 내지 10"의 범위는 인용된 최소값 1과 인용된 최대값 10 사이(이들을 포함함)의, 즉, 1과 동등 혹은 그보다 큰 최소값과 10과 동등 혹은 그보다 작은 최대값을 지니는 모든 하위 범위를 포함하도록 의도된다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같은 "하나", "한가지" 혹은 "일" 등과 같은 단수 표현은 달리 표시되지 않는 한 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 포함하도록 의도된다.

본 명세서에 참조로 포함된다고 말한 임의의 특허, 공보 혹은 기타 개시 자료는, 전체적으로 혹은 부분적으로, 해당 포함된 자료가 본 발명에 기술된 기존의 정의, 진술 혹은 기타 개시 자료와 상충하지 않는 정도로만 본 명세서에 포함된다. 그와 같이 그리고 필요한 정도로, 본 명세서에 명백하게 기술된 바와 같은 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된 어떠한 상충하는 자료도 대체한다. 본 명세서에 참조로 포함된다고 기재하였지만 본 발명에 기술된 기존의 정의, 진술 혹은 기타 개시 자료와 상충하지 않는 임의의 재료 혹은 그의 일부는 상기 포함된 자료와 기존의 개시 자료 간에 상충이 일어나지 않는 정도로만 포함될 것이다.

본 발명은 그의 바람직한 실시형태를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 당업자라면 형태 및 상세의 각종 변화가 첨부된 특허청구범위에 의해 망라되는 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 그 안에서 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (21)

1. 당화된 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료를 포함하는 당 용액을 연료 전지에 이용하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지는 직접적 당 연료 전지, 간접적 당 연료 전지 및 생물학적 연료 전지로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 방법.
3. 제2항에 있어서, 당화 전에, 상기 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료의 난분해성(recalcitrance)은 천연 상태의 상기 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료의 난분해성에 비해서 저감된 것인 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 재료의 난분해성을 저감시키는 방법은, 기계적 처리, 화학적 처리, 초음파처리, 열분해, 조사(irradiation), 산화, 증기 폭발(steam explosion) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 재료의 난분해성을 저감시키는 방법은 상기 재료를 이온화 방사선으로 조사하는 것을 포함하는 것인 방법.
6. 제5항에 있어서, 조사는 적어도 10 M㎭의 선량으로 조사하는 것을 포함하는 것인 방법.
7. 제5항에 있어서, 이온화 방사선은 전자 빔 조사를 포함하는 것인 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 바이오매스는　종이, 종이제품, 폐지, 제지용 펄프, 색소지, 적재지(loaded papers), 코팅지, 충전 종이, 잡지, 인쇄물, 프린터 용지, 다중코팅지, 명함 용지, 카드보드, 보드지, 기울, 목면, 목재, 파티클 보드, 산림 폐기물, 톱밥, 포플러 나무, 목재 칩, 목초, 지팽이풀, 억새, 코드 그래스(cord grass), 흰줄갈풀(reed canary grass), 곡물 잔류물, 왕겨, 귀리 껍질, 밀겨(wheat chaff), 보리 겨(barley hull), 농산물 폐기물, 사일리지, 카놀라짚, 밀짚, 보리짚, 귀리짚, 볏짚, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘, 마닐라삼, 옥수수 속대, 옥수수 대, 대두 여물, 옥수수 섬유, 알팔파, 건초, 코코넛 헤어, 당 가공처리 잔류물, 버개스(bagasse), 사탕무우, 용설란 버개스, 조류(algae), 해초, 거름, 하수, 아라카차, 메밀, 바나나, 보리, 카사바, 칡, 안데스괭이밥, 사고, 수수, 감자, 고구마, 타로, 얌, 콩, 잠두, 렌즈콩, 완두, 및 이들의 임의의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 방법.
9. 제1항에 있어서, 예를 들어, 상기 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 재료의 벌크 밀도를 저감시키고/시키거나 표면적을 증가시키기 위하여 상기 재료를 기계적으로 처리하는 단계를 더 포함하는 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지에서 첨가제를 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
11. 전극 및 당화된 셀룰로스 또는 리그노셀룰로스 바이오매스를 포함하는 연료 전지.
12. 전기를 생산하는 방법으로서, 상기 방법은,
    연료 전지에 연료를 제공하는 단계를 포함하되,
    상기 연료는 처리된 리그노셀룰로스 재료를 당화시킴으로써 생산되는 것인, 전기의 생산 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 리그노셀룰로스 재료의 처리는 초음파처리, 열분해, 조사, 산화, 증기 폭발 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인, 전기의 생산 방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 리그노셀룰로스 재료를 효소와 접촉시키는 단계를 더 포함하는, 전기의 생산 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 효소는 셀룰라제인 것인, 전기의 생산 방법.
16. 제12항에 있어서, 상기 연료는 당을 포함하는 것인, 전기의 생산 방법.
17. 제12항에 있어서, 상기 연료를 생산하기 위하여 상기 당화 처리된 리그노셀룰로스 재료를 발효시키는 단계를 더 포함하는, 전기의 생산 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 연료는 알코올인 것인, 전기의 생산 방법.
19. 제13항에 있어서, 상기 리그노셀룰로스 재료를 처리하는 것은 상기 리그노셀룰로스 재료를 이온화 방사선으로 조사하는 것을 포함하는 것인, 전기의 생산 방법.
20. 제19항에 있어서, 조사는 적어도 10 M㎭의 선량으로 상기 재료를 조사하는 것을 포함하는 것인, 전기의 생산 방법.
21. 제19항에 있어서, 상기 이온화 방사선은 전자 빔을 포함하는 것인, 전기의 생산 방법.

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