KR20180127559A

KR20180127559A - 가공처리방법

Info

Publication number: KR20180127559A
Application number: KR1020187033943A
Authority: KR
Inventors: 마샬 메도프
Original assignee: 질레코 인코포레이티드
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2031-02-11
Also published as: US20130023019A1; JP2017136067A; WO2011103033A1; AP2016009365A0; EP2536515A4; SG10201501234XA; EA201691755A1; EA033229B1; MX341558B; AU2011218331B2; NZ625059A; BR112012020477A2; JP2013519391A; IL251474A0; IL221021A0; UA111325C2; NZ601444A; AP2012006469A0; EP2536515A1; KR101923597B1

Abstract

바이오매스(예컨대, 식물 바이오매스, 동물 바이오매스 및 도시 폐 바이오매스)가 에너지, 연료, 식품 혹은 재료 등과 같은 유용한 중간생성물 및 생성물을 생산하기 위하여 가공처리된다. 예를 들어, 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료 등과 같은 공급원료 재료를 이용해서 예컨대 발효에 의해 중간생성물 혹은 생성물을 생산하는 시스템이 기재되어 있다.

Description

가공처리방법{PROCESSING BIOMASS}

관련 출원

본 출원은 미국 특허 가출원 제61/305,281호(출원일: 2010년 2월 17일)에 대한 우선권을 주장한다. 이 가출원의 완전한 개시 내용은 따라서 본 명세서에 참조로 포함된다.

셀룰로스 재료 및 리그노셀룰로스 재료가 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.

각종 셀룰로스 재료 및 리그노셀룰로스 재료, 그들의 용도 그리고 응용예가 예를 들어 미국 특허 제7,074,918호, 제6,448,307호, 제6,258,876호, 제6,207,729호, 제5,973,035호 및 제5,952,105호 공보; 그리고 PCT/US2006/010648(출원일: 2006년 3월 23일; 발명의 명칭: "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES") 및 미국 특허출원 공보 제2007/0045456호(발명의 명칭: "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES")를 비롯한 각종 특허 출원에 기재되어 있다.

일반적으로, 본 발명은, 탄수화물-함유 재료(예컨대, 바이오매스 재료 혹은 바이오매스-유래 재료), 이러한 재료의 구조를 변화시키기 위한 이러한 재료의 가공처리방법, 그리고 구조적으로 변화된 재료로부터 제조된 생성물에 관한 것이다. 많은 방법은 유용한 중간생성물 및 생성물, 예컨대, 에너지, 에탄올 등과 같은 연료, 식품 혹은 재료를 생산하기 위하여 많은 미생물에 의해 더욱 용이하게 활용될 수 있는 재료를 제공한다.

본 명세서에 개시된 이들 방법은 기계적 처리 이외의 구조적 변경 처리, 예컨대, 방사선, 초음파 분해(sonication), 열분해, 산화, 증기 폭발(steam explosion), 화학적 처리 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 처리에 의해 재료의 구조를 변경하기 위하여 바이오매스 재료를 처리하는 단계, 및 이어서 이 구조적으로 변경된 재료를 기계적 처리하는 단계를 포함한다. 몇몇 구현예에서, 이들 단계의 하나 이상이 반복된다. 예를 들어, 재료는 구조적 변형 처리, 예를 들어, 구조적 변형 처리들 사이에 물리적 처리와 함께 2회 이상 조사될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 바이오매스 재료는, 예를 들어, 구조적 변형 전에 크기 축소를 위하여 초기에 기계적 처리된다. 초기 및 후속의 기계적 처리는 동일(예컨대, 전단에 이어서 조사 후 추가의 전단)하거나 또는 상이(예컨대, 전단에 이어서 조사 후 분쇄)할 수 있다.

이론에 얽매이길 원치 않지만, 구조적 변형 처리는 재료의 내부 결정 구조를 약화시키거나 부분적으로 파괴(예컨대, 미세파쇄(microfracturing))시키고, 후속의 기계적 처리가 상기 약화된 구조체를 산산히 부수거나 다르게는 더욱 파괴시키는 것으로 여겨진다. 이러한 이벤트의 순서는 공급원료의 난분해성(recalcitrance)을 저감시켜, 해당 처리된 공급원료가 생성물, 예컨대, 연료로 더욱 용이하게 전환될 수 있게 한다. 임의선택적 초기 기계적 처리 단계는 재료의 크기를 저감시키거나 재료를 "개방"(opening up)시킴으로써 구조적 변형을 위한 공급원료를 제조하는 데 이용된다.

본 명세서에 기재된 방법을 이용해서 생성물을 생산하기 위한 총 에너지 요건이 구조적 변형 처리 단독 또는 초기 기계적 처리 후 구조적 변형 처리를 포함하는 마찬가지 공정의 총 에너지 요건보다 낮을 경우가 있는 것으로 판명되었다. 예를 들어, 하나 이상의 기계적 처리가 구조적 변형 처리에 이어서 수행될 경우, 해당 구조적 변형 처리는 난분해성에 대해서 동일 혹은 보다 양호한 순 효과를 지니는 보다 낮은 에너지 레벨에서 수행될 수 있다. 조사의 경우에, 몇몇 구현예에서는, 예를 들어, 60 M㎭ 이하, 예컨대, 약 1 M㎭ 내지 약 60 M㎭, 또는 약 5 M㎭ 내지 약 50 M㎭의 비교적 저 선량이 공급원료에 전달될 수 있다. 이와 같이 해서, 본 명세서에 기재된 방법은 일반적으로 어렵고 공정에 대해서 에너지 집중적인 공급원료를 이용해서 중간생성물 혹은 생성물을 비교적 저 비용으로 제조하는 것을 허용한다.

그러나, 넓은 범위의 방사선 선량이 이용될 수 있다. 예를 들어, 조사 선량은 약 0.1 M㎭ 내지 약 500 M㎭, 약 0.5 M㎭ 내지 약 200 M㎭, 약 1 M㎭ 내지 약 100 M㎭ 또는 약 5 M㎭ 내지 약 60 M㎭일 수 있다.

일 양상에서, 본 발명은 방사선(예컨대, 전자빔 방사선), 초음파 분해, 열 분해, 산화, 증기 폭발, 화학적 처리, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 구조적 변형 처리가 실시된 구조적으로 변형된 바이오매스 공급원료를 기계적 처리하는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.

몇몇 구현예는 이하의 하나 이상의 특성을 포함할 수 있다. 기계적 처리는 절단, 밀링(milling), 프레스, 분쇄, 전단 및 저미기(chopping)로 이루어진 군으로부터 선택된 처리를 포함할 수 있다. 밀링은, 예를 들어, 햄머 밀, 볼 밀, 콜로이드 밀, 원추형 혹은 원뿔형 밀, 디스크 밀, 에지 밀(edge mill), 윌리 밀(Wiley mill) 혹은 제분 밀을 이용하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 구조적 변형은, 예컨대, 전자 빔 단독으로 혹은 본 명세서에 기재된 기타 구조적 변형 처리들 중 하나 이상과 조합해서 조사하는 단계를 포함할 수 있다. 기계적 처리는, 예컨대, 미국 특허 출원 제12/502,629호에 개시된 바와 같이, 주위 온도에서 혹은 저감된 온도에서 수행될 수 있고, 이 미국 출원은 그의 전체 개시내용이 참조로 본 명세서에 포함된다. 상기 방법은 구조적 변형 단계 및 기계적 처리 단계를 1회 이상 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 기계적 처리 후에 추가의 구조 변형 처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

몇몇 경우에, 바이오매스 공급원료는, 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 재료를 포함한다. 공급원료로는, 예를 들어, 종이, 종이제품, 목재, 목재-관련 재료, 파티클 보드, 풀(grasses), 왕겨, 버개스, 면, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘마, 마닐라삼, 짚, 옥수수 속대, 코코넛 헤어, 조류(algae), 해초, 미생물 재료, 변경된 셀룰로스, 예컨대, 셀룰로스 아세테이트, 재생 셀룰로스 등, 또는 이들의 임의의 것들의 혼합물을 들 수 있다.

몇몇 방법은 또한 상기 구조적 변형되고 기계적 처리된 공급원료를 미생물과 배합하는 단계를 더 포함하되, 해당 미생물은 상기 공급원료를 이용해서 중간생성물 혹은 생성물, 예를 들어, 에너지, 연료, 예컨대, 알코올, 식품 혹은 재료를 생성한다. 상기 미생물은 예를 들어 박테리아 및/또는 효소일 수 있다. 상기 방법은 상기 구조적 변형되고 기계적 처리된 공급원료를 당화시키는 단계 및 몇몇 경우에 당화된 생성물을 발효시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 구조적 변형되고 기계적 처리된 공급원료는, 예컨대, 당화에 의해 생성물로 용이하게 전환될 수 있는 특성을 지닌다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 상기 구조적 변형되고 기계적 처리된 공급원료는 적어도 80%의 다공도를 지닌다.

바이오매스 공급원료를 "구조적 변형"시키는 것은, 그 문구가 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 공급원료의 화학적 결합 구성, 결정성 구조 혹은 입체배치 형태를 비롯하여, 어떠한 방식으로든 공급원료의 분자 구조를 변화시키는 것을 의미한다. 이 변화는, 예컨대, 구조 내에 미세파쇄에 의한(이는 재료의 결정성의 회절 측정에 의해 반영될 수 없음), 예를 들어, 재료의 결정성의 무결성(integrity)의 변화일 수 있다. 재료의 구조적 무결성의 이러한 변화는 상이한 레벨의 구조 변형 처리에서 생성물의 수율을 측정함으로써 간접적으로 측정될 수 있다. 부가적으로 혹은 대안적으로, 분자 구조의 변화는 재료의 초분자 구조(supramolecular structure)의 변화, 평균 분자량의 변화, 평균 결정성의 변화, 표면적의 변화, 중합도의 변화, 다공도의 변화, 분지화도의 변화, 다른 재료의 이식, 결정성 영역 크기의 변화 혹은 전체적인 영역 크기의 변화를 포함할 수 있다. 단, "구조적 변형 처리" 및 기계적 처리로서 본 명세서에서 지칭하는 이들 두 처리는 바이오매스 공급원료를 구조적으로 변형시키는 역할을 하는 것이다. 기계적 처리는 기계적 수단의 사용에 의해 그렇게 하는 한편, 구조적 변형 수단은 다른 유형의 에너지(예컨대, 방사선, 초음파 에너지 혹은 열) 또는 화학적 수단을 사용해서 그렇게 하는 것이다.

달리 정의된 경우를 제외하고, 본 명세서에서 이용되는 모든 기계적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 바와 같은 의미를 지닌다. 본 명세서에 기재된 것과 유사 혹은 등가의 방법 및 재료가 본 발명의 실시 혹은 시험에 이용될 수 있지만, 적절한 방법 및 재료는 이하에 기재되어 있다. 본 명세서에 언급된 모든 간행물, 특허 출원, 특허 공보 및 기타 문헌은 참조로 그들의 전문이 포함된다. 상충하는 경우에, 정의를 비롯하여 본 명세서가 지배할 것이다. 또, 재료, 방법 및 실시예는 단지 예시적일 뿐 제한하고자 의도된 것은 아니다.

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

도 1은 바이오매스의 생성물 및 부산물로의 전환을 예시한 블록도;
도 2는 발효 과정에서 바이오매스의 처리 및 처리된 바이오매스의 이용을 예시한 블록도.

본 명세서에 기재된 방법을 이용해서, 바이오매스(예컨대, 식물 바이오매스, 동물 바이오매스 및 도시 폐 바이오매스)가 가공처리되어 본 명세서에 기재된 것들과 같은 유용한 중간생성물 및 생성물을 생산할 수 있다. 쉽게 입수가능하지만 발효 등과 같은 처리에 의해 가공처리하는 것이 어려울 수 있는 셀룰로스 재료 및/또는 리그노셀룰로스 재료를 공급원료 재료로서 이용할 수 있는 시스템 및 방법이 이하에 기재되어 있다. 본 명세서에 기재된 방법은 바이오매스 재료에 구조적 변형 처리, 예컨대, 방사선, 초음파 분해, 열 분해, 산화, 증기 폭발, 화학적 처리, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 처리를 실시하고 나서, 해당 구조적으로 변경된 재료를 기계적 처리하는 단계를 포함한다. 몇몇 구현예에서, 이들 단계의 하나 이상이 반복된다. 예를 들어, 이하에 더욱 논의되는 바와 같이, 재료는 2회 이상 조사를 실시하고, 조사 단계들 사이에 기계적 처리를 실시한다. 몇몇 구현예에서, 바이오매스 재료는 구조적 변형 처리 전에 초기 기계적 처리가 실시된다.

바이오매스 처리 시스템

도 1은 바이오매스, 특히 상당한 셀룰로스 및 리그노셀룰로스 성분을 지니는 바이오매스를 유용한 중간생성물 및 생성물로 전환시키는 방법(10)을 도시하고 있다. 이 방법(10)은, 예컨대, 공급원료(110)의 크기를 저감시키기 위하여, 공급원료를 초기에 기계적 처리하는 단계(12)를 포함한다. 기계적으로 처리된 공급원료는, 이어서, 예를 들어, 재료의 결정 구조 내의 결합을 약화시키거나 미세파쇄시킴으로써, 그의 내부 구조를 변형시키는 구조 변형 처리가 실시된다(14). 다음에, 구조적으로 변형된 재료는 더욱 기계적 처리가 실시된다(16). 이 기계적 처리는 초기 기계적 처리와 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 초기 처리는 크기 저감(예컨대, 절단) 단계에 이은 전단 단계일 수 있는 한편, 추가의 처리는 분쇄 혹은 밀링 단계일 수 있다.

이론에 얽매이길 원치 않지만, 구조 변형 처리는, 예컨대, 재료의 결정성 구조를 미세파쇄시킴으로써, 재료의 내부 구조를 파괴시키는 것으로 여겨진다. 구조적으로 변형된 재료의 내부 구조는 이어서 후속의 기계적 처리에 의해, 더욱 파괴, 예컨대, 파손, 파열 혹은 파쇄된다.

이어서, 재료는, 추가의 구조 변화(예컨대, 난분해성 저감)가 추가의 가공처리 전에 요망된다면, 추가의 구조 변형 처리 및 기계적 처리가 실시될 수 있다.

다음에, 처리된 재료는, 예컨대, 당화 및/또는 발효와 같은 1차 가공처리 단계(18)에서 처리되어 중간생성물 및 생성물(예컨대, 에너지, 연료, 식품 및 재료)을 생산한다. 몇몇 경우에, 1차 가공처리 단계의 출력은 직접 이용되지만, 다른 경우에는, 후 가공처리 단계(20)에 의한 추가의 가공처리를 필요로 한다. 예를 들어, 알코올의 경우, 후 가공처리는 증류, 어떤 경우에는 변성을 포함할 수 있다.

도 2는 바이오매스를 처리하기 위한 전술한 단계들을 이용하고 이어서 해당 처리된 바이오매스를 발효 과정에서 이용해서 알코올을 생산하는 시스템(100)을 도시하고 있다. 시스템(100)은 바이오매스 공급원료가 기계적으로 처리되는(단계 12, 전술함) 모듈(102), 기계적으로 처리된 공급원료가 예컨대, 조사에 의해, 구조적으로 변형되는(단계 14, 전술함) 모듈(104) 및 구조적으로 변형된 공급원료가 더욱 기계적 처리되는(단계 16, 전술함) 모듈(106)을 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 모듈(106)은 모듈(102)과 같은 유형이거나 상이한 유형일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 구조적으로 변형된 공급원료는 별도의 모듈(106)에서 더욱 기계적으로 처리되기보다는 오히려 추가의 기계적 처리용의 모듈(102)로 되돌아갈 수 있다.

목적으로 하는 공급원료 특성을 얻는데 필요한 횟수만큼 많이 반복될 수 있는 이들 처리 후, 처리된 공급원료는 발효 시스템(108)으로 전달된다. 혼합은 발효 동안 수행될 수 있고, 그 경우, 혼합은 바람직하게는 효소 및 기타 미생물 등과 같은 전단에 민감한 성분들에 대한 손상을 최소화하기 위하여 비교적 온화(저 전단)하다. 몇몇 실시형태에서는, 미국 특허 출원 제61/218,832호 및 미국 특허 출원 제61/179,995호에 기재된 바와 같은 제트 혼합이 이용되며, 이들 특허문헌은 그들의 전체 개시내용이 참조로 본 명세서에 포함된다.

도 2를 재차 참조하면, 발효는 조질의(crude) 에탄올 혼합물을 생산하며, 이는 유지 탱크(110) 내로 유입된다. 물 혹은 기타 용매와, 기타 비에탄올 성분은 스트리핑 탑(stripping column)(112)을 이용해서 상기 조질의 에탄올 혼합물로부터 스트리핑되고, 이어서 이 에탄올은 증류 유닛(114), 예컨대, 정류기를 이용해서 증류된다. 증류는 진공 증류에 의한 것일 수 있다. 마지막으로, 에탄올은 분자체(116)를 이용해서 건조되고/되거나, 필요한 경우 변성되어 목적으로 하는 출하 방법으로 출력될 수 있다.

몇몇 경우에, 본 명세서에 기재된 시스템 혹은 그의 구성요소들은 휴대용일 수 있으므로, 해당 시스템은 하나의 장소에서 다른 장소로 (예컨대, 레일, 트럭 혹은 선박에 의해) 수송될 수 있다. 본 명세서에 기재된 방법의 단계들은 하나 이상의 장소에서 수행될 수 있고, 몇몇 경우에는 하나 이상의 단계가 수송 시 수행될 수 있다. 이러한 이동식 가공처리는 미국 특허 출원 제12/374,549호 및 국제 특허 공개 제WO 2008/011598호에 기재되어 있으며, 이들 특허 문헌은 그들의 전체 개시내용이 참조로 본 명세서에 포함된다.

본 명세서에 기재된 방법의 단계들 중 어느 하나 혹은 모두는 주위 온도에서 수행될 수 있다. 필요한 경우, 냉각 및/또는 가열이 소정 단계 동안 이용될 수 있다. 예를 들어, 공급원료는 그의 취성을 증가시키기 위하여 기계적 처리 동안 냉각될 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 냉각은 상기 기계적 처리 및/또는 후속 기계적 처리 전, 동안 혹은 후에 이용될 수 있다. 냉각은 미국 특허 출원 제12/502,629호에 기재된 바와 같이 수행될 수 있고, 이 특허 문헌은 그의 전체 개시내용이 참조로 본 명세서에 포함된다. 또한, 발효 시스템(108) 내의 온도는 당화 및/또는 발효를 증대시키기 위하여 조절될 수 있다.

전술한 방법의 개별의 단계들뿐만 아니라 이용된 재료에 대해서 이하에 더욱 상세히 설명할 것이다.

기계적 처리

공급원료의 기계적 처리는, 예를 들어, 절단, 밀링, 분쇄, 프레스, 전단 혹은 저미기를 포함할 수 있다.

초기 기계적 처리 단계는, 몇몇 구현예에서, 공급원료의 크기를 저감시키는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 성긴 공급원료(예컨대, 재생지 혹은 지팽이풀(switchgrass))를 초기에 전단 및/또는 세단(shredding)함으로써 준비한다. 이 초기 준비 단계에서, 스크린(즉, 체) 및/또는 자석을 이용해서, 예를 들어, 공급 스트림으로부터 돌이나 못 등과 같은 지나치게 크거나 바람직하지 못한 대상체를 제거할 수 있다.

가공처리 동안 초기에 및/또는 나중에 수행될 수 있는 이 크기 저감에 부가해서, 기계적 처리는, 또한 바이오매스 재료를 "개방", "응력 부여", 파괴 혹은 탈립(shattering)시켜, 구조적 변형 처리 동안 재료의 셀룰로스가 사슬 절단 및/또는 결정 구조의 붕괴를 받기 더욱 쉽게 만들기 위하여 유리할 수도 있다.

위에서 논의된 바와 같이, 조사 후, 혹은 기타 구조 변형 처리 후, 후속의 기계적 처리는 해당 구조 변형 처리에 의해 약화되거나 미세파쇄된 재료의 구조 내의 결합을 파괴할 수 있다. 이처럼 재료의 분자 구조를 더욱 파괴하는 것은 재료의 난분해성을 저감시켜 예컨대 박테리아 혹은 효소 등과 같은 미생물에 의한 전환을 더욱 용이하게 할 수 있는 경향이 있다.

전단/선별

몇몇 구현예에서, 구조적 변형 전 혹은 후의 공급원료는, 예컨대, 회전식 나이프 커터에 의해 전단된다. 공급원료는 또한 선별될 수도 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 공급원료의 전단 및 해당 재료의 스크린의 통과는 동시에 수행된다.

필요한 경우, 공급원료는 예를 들어 세단기 혹은 기타 커터를 이용해서 초기 기계적 처리(예컨대, 전단) 전에 절단될 수 있다. 몇몇 경우에, 세단 및 전단은 조합된 "세단기-전단기 트레인"(shredder-shearer train)을 이용해서 달성된다. 다수의 세단기-전단기 트레인은 직렬로 배열될 수 있고, 예를 들어, 2개의 세단기-전단기 트레인은 직렬로 배열될 수 있는데 이때 제1전단기로부터의 출력이 제2전단기의 입력으로 공급된다. 세단기-전단기 트레인을 통한 다수 회 통과는 입자 크기를 감소시키고 전체적인 표면적을 증가시킬 수 있다.

기타 기계적 처리

공급원료를 기계적 처리하는 기타 방법으로는, 예를 들어, 밀링 혹은 분쇄를 들 수 있다. 밀링은, 예를 들어, 햄머 밀, 볼 밀, 콜로이드 밀, 원추형 혹은 원뿔형 밀, 디스크 밀, 에지 밀, 윌리 밀 혹은 제분 밀을 이용해서 수행될 수 있다. 분쇄는, 예를 들어, 절단/충격형 그라인더를 이용해서 수행될 수 있다. 그라인더의 구체예로는, 스톤 그라인더, 핀 그라인더, 커피 그라인더 및 번-그라인더(bun-grinder)를 들 수 있다. 분쇄 혹은 밀링은, 예를 들어, 핀 밀의 경우에서와 마찬가지로 왕복 핀 혹은 기타 요소에 의해 제공될 수 있다. 기타 기계적 처리 방법으로는 기계적 리핑(ripping) 혹은 찢기(tearing), 섬유에 압력을 가하는 기타 방법, 및 에어 어트리션 밀링(air attrition milling)을 들 수 있다. 적절한 기계적 처리로는 이전의 처리 단계에 의해 개시된 재료의 내부 구조의 파괴를 계속하는 기타 임의의 수법을 추가로 들 수 있다.

적절한 절단/충격형 그라인더로는 상표명 A10 애널라이시스 그라인더(Analysis Grinder) 및 M10 유니버설 그라인더(Universal Grinder) 하에 이카 제작소(IKA Works)로부터 시판되는 것들을 들 수 있다. 이러한 그라인더로는 밀링 챔버 내에 고속(예컨대, 30m/s 이상 혹은 심지어 50m/s 이상)에서 회전하는 금속 비터 및 블레이드를 들 수 있다. 밀링 챔버는 작업 동안 주위 온도에서 있을 수 있거나, 또는 예컨대, 물 혹은 드라이아이스에 의해 냉각되어 있을 수도 있다.

가공처리 조건

공급원료는 건조 상태, 수화 상태(예컨대, 흡수된 물을 10중량%까지 지님) 혹은 예컨대, 물을 약 10중량% 내지 약 75중량% 지니는 습윤 상태에서 기계적으로 처리될 수 있다. 몇몇 경우에, 공급원료는 기체(공기 이외의 기체의 분위기 혹은 스트림 등), 예컨대, 산소 혹은 질소, 또는 스트림 하에서 기계적으로 처리될 수있다.

일반적으로, 공급원료는 실질적으로 건조 조건(예컨대, 흡수된 물을 10중량% 이하, 바람직하게는 흡수된 물을 5중량% 이하 지님)에서 기계적으로 처리되는 것이 바람직한데, 그 이유는 건조 섬유가 더욱 취약해져서 구조적으로 파괴되기 쉽게 되는 경향이 있기 때문이다. 바람직한 실시형태에 있어서, 실질적으로 건조되고 구조적으로 변형된 공급원료는 절단/충격식 그라인더를 이용해서 분쇄된다.

그러나, 몇몇 실시형태에 있어서, 공급원료는 액체에 분산되어 습식 밀링될 수 있다. 액체는 바람직하게는 액체 매체이고, 이 속에서 처리된 공급원료가 더욱 가공처리, 예컨대, 당화될 것이다. 습식 밀링은 어떠한 전단이나 열에 민감한 요소, 예컨대, 요소나 영양분 등이 액체 매체에 첨가되기 전에 종결되는 것이 일반적으로 바람직한데, 그 이유는 습식 밀링은 일반적으로 비교적 고전단 과정이기 때문이다. 몇몇 실시형태에 있어서, 습식 밀링 장비는 회전자/고정자 배열을 포함한다. 습식 밀링 기계로는 이카 제작소(노스캐롤라이나주의 윌밍턴시에 소재)(www.ikausa.com)로부터 시판되는 콜로이드 및 원뿔형 밀을 들 수 있다.

필요하다면, 리그닌은 리그닌을 포함하는 어떠한 공급원료로부터도 제거될 수 있다. 또한, 공급원료의 파괴를 돕기 위하여, 몇몇 실시형태에 있어서, 공급원료는 미국 특허 출원 제12/502,629호에 기재된 바와 같은 조사 및/또는 기계적 처리 전, 동안 혹은 후에 냉각될 수 있으며, 이 특허 문헌은 그의 전체 개시내용이 참조로 본 명세서에 포함된다. 부가적으로 혹은 대안적으로, 공급원료는 열, 화학약품(예컨대, 무기산, 염기 혹은 강 산화제, 예컨대 차아염소산나트륨) 및/또는 효소로 처리될 수 있다. 그러나, 많은 실시형태에 있어서, 이러한 부가적인 처리는 기계 및 구조 변형 처리의 조합에 의해 제공되는 난분해성의 효율적인 저감으로 인해 불필요하다.

처리된 공급원료의 특징

기계적 처리 시스템은, 구체적인 특징, 예를 들어, 특정 벌크 밀도, 최대 크기, 섬유 길이-대-폭 비 또는 표면적 비 등을 지니는 공급 스트림을 생산하도록 구성될 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 기계적으로 처리된 바이오매스 재료의 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.

기계적으로 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.

재료의 다공도 및 BET 표면적은 일반적으로 각 기계적 처리 후 및 구조적 변형 후에 증가된다.

상기 바이오매스 재료가 섬유질이면, 몇몇 구현예에서, 기계적으로 처리된 재료 중의 섬유는, 해당 재료가 1회 이상 기계적으로 처리되더라도, 비교적 큰(예컨대, 20-대-1보다 큰) 평균 길이-대-직경비를 지닐 수 있다. 또, 상기 섬유는 비교적 좁은 길이 및/또는 길이-대-직경비 분포를 지닐 수도 있다.

본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 평균 섬유 폭(즉, 직경)은 대략 5,000개의 섬유를 랜덤하게 선택함으로써 광학적으로 결정된 것이다. 평균 섬유 길이는 보정된 길이-가중치 부여된 길이이다. BET(Brunauer, Emmet and Teller) 표면적은 다점 표면적이고, 다공도는 수은 다공도측정법에 의해 결정된 것이다.

상기 바이오매스 재료가 섬유질이면, 기계적으로 처리된 재료 중의 섬유의 평균 길이-대-직경비는, 예컨대, 8/1 이상, 예컨대, 10/1 이상, 15/1 이상, 20/1 이상, 25/1 이상 또는 50/1 이상일 수 있다. 기계적으로 처리된 재료의 평균 섬유 길이는, 예를 들어, 약 0.5㎜ 내지 2.5㎜, 예컨대, 약 0.75㎜ 내지 1.0㎜일 수 있고, 제2섬유 재료의 평균 폭(예를 들어, 직경)은 예컨대 약 5㎛ 내지 50㎛, 예컨대, 약 10㎛ 내지 30㎛일 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 상기 공급원료가 섬유 재료이면, 기계적으로 처리된 재료의 섬유 길이의 표준 편차는 기계적으로 처리된 재료의 평균 섬유 길이의 60% 이하, 예컨대, 해당 평균 길이의 50% 이하, 평균 길이의 40% 이하, 평균 길이의 25% 이하, 평균 길이의 10% 이하, 평균 길이의 5% 이하, 또는 심지어 평균 길이의 1% 이하이다.

치밀화

치밀화된 재료는 본 명세서에 기재된 방법들 중 어느 하나에 의해 가공처리될 수 있다. 낮은 벌크 밀도를 지니는 기계적으로 처리된 공급원료는 보다 높은 벌크 밀도를 지니는 생성물로 치밀화될 수 있다. 예를 들어, 0.05 g/㎤의 벌크 밀도를 지니는 공급원료 재료는, 비교적 기체 불투과성 구조, 예컨대, 폴리에틸렌제 백 혹은 폴리에틸렌층과 나일론층이 교호하여 이루어진 백 내에 재료를 밀봉하고 나서, 해당 구조로부터 포획된 기체, 예컨대, 공기를 배기함으로써 치밀화될 수 있다. 상기 구조로부터의 공기의 배기 후, 재료는 0.3 g/㎤ 이상, 예컨대, 0.5 g/㎤, 0.6 g/㎤, 0.7 g/㎤ 이상, 예컨대, 0.85 g/㎤의 벌크 밀도를 지닐 수 있다. 치밀화 후, 생성물은 본 명세서에 기재된 방법들 중 어느 하나에 의해 가공처리될 수 있다. 이것은 재료를 다른 장소, 예컨대, 원격 제조 공장(재료가 용액으로 첨가될 수 있음)으로 이송하여 해당 재료를 당화 혹은 발효시키는 것이 가능한 경우 유리하다. 본 명세서에 기재된 재료는, 예컨대, 수송 혹은 보존을 위하여 치밀화된 후, 본 명세서에 기재된 임의의 하나 이상의 방법에 의해 추가의 가공처리를 위하여 "개방"될 수 있다. 치밀화는, 예를 들어, 미국 특허 제12/429,045호에 기재되어 있고, 이 특허문헌은 그의 전체 개시내용이 참조로 본 명세서에 포함된다.

구조적 변형 처리

공급원료는, 예를 들어, 공급원료의 평균 분자량을 저감시키고/시키거나, (예컨대, 회절 방법에 의해 측정되는 바와 같은 결정성을 변경시킬 수 있거나 변경시킬 수 없는 구조 내에 미세파쇄함으로써) 공급원료의 결정 구조를 변화시키고/시키거나 공급원료의 표면적 및/또는 다공도를 증가시킴으로써 그의 구조는 변형시키는 하나 이상의 구조적 변형 처리가 실시된다. 몇몇 실시형태에 있어서, 구조적 변형은 공급원료의 분자량을 저감시키고/시키거나 공급원료의 산화 레벨을 증가시킨다.

공급원료의 구조를 변형시키는 방법은 조사, 초음파 분해, 산화, 열 분해, 화학적 처리(예컨대, 산 혹은 염기 처리) 및 증기 폭발의 하나 이상을 포함한다. 몇몇 바람직한 구현예에서, 상기 구조는 조사를 포함하는 방법에 의해 변형된다. 조사가 이용될 경우, 상기 방법은 초음파 분해, 산화, 열 분해, 화학적 처리 및 증기 폭발 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

방사선 처리

상기 배합물의 조사는 약 2MeV, 4MeV, 6MeV 이상, 또는 심지어 약 8MeV 이상, 예를 들어, 약 2.0 내지 8.0 MeV 또는 약 4.0 내지 6.0 MeV의 에너지를 지니는 전자 등과 같은 가속된 전자에 상기 배합물을 노출시키는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전자는, 예를 들어, 광 속도의 75% 이상, 예컨대, 광 속도의 85, 90, 95 또는 99% 이상의 속도로 가속된다.

몇몇 경우에, 조사는 약 0.25M㎭/sec 이상, 예컨대, 약 0.5, 0.75, 1.0, 1.5, 2.0M㎭/sec 이상, 또는 심지어 약 2.5M㎭/sec 이상의 선량 속도로 수행된다. 몇몇 실시형태에서, 조사는 5.0 내지 1500.0 k㎭(kilorad)/hour, 예컨대, 10.0 내지 750.0 k㎭/hour 또는 50.0 내지 350.0 k㎭/hour의 선량 속도에서 수행된다.

몇몇 실시형태에서, 조사(임의의 방사선원 혹은 이들 방사선원의 조합을 이용해서)는, 재료가 적어도 0.1M㎭, 적어도 0.25M㎭, 예컨대, 적어도 1.0M㎭, 적어도 2.5M㎭, 적어도 5.0M㎭ 또는 적어도 10.0M㎭의 선량을 입수할 때까지 수행된다. 몇몇 실시형태에서, 조사는, 재료가 약 0.1 M㎭ 내지 약 500 M㎭, 약 0.5 M㎭ 내지 약 200 M㎭, 약 1 M㎭ 내지 약 100 M㎭ 또는 약 5 M㎭ 내지 약 60 M㎭의 선량을 입수할 때까지 수행된다. 몇몇 실시형태에 있어서는, 비교적 낮은 선량, 예컨대, 60 M㎭ 이하의 방사선이 인가된다.

방사선은 건조 혹은 습윤 상태이거나 혹은 액체, 예컨대, 물속에 분산되어 있는 어떠한 샘플에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 조사는, 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료의 약 25중량% 이하가 액체, 예컨대, 물로 젖은 표면을 지니도록 해당 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료에 대해 수행될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 조사는, 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료의 어느 것도 실질적으로 액체, 예컨대, 물로 젖지 않도록 해당 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료에 대해 수행된다.

몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 기재된 어떠한 처리도 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료가 예컨대 열 및/또는 감압을 이용해서 획득된 바와 같이 건조 상태로 유지되거나 건조된 후에 일어난다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에서, 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료는 25℃, 상대습도 50%에서 측정된, 약 5중량% 이하의 수분 보유량을 지닌다.

방사선은 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스가 공기, 산소 풍부 공기 혹은 산소 자체에 노출되거나, 또는 질소, 아르곤 혹은 헬륨 등과 같은 불활성 가스로 덮여 있는 동안 인가될 수 있다. 최대 산화가 요망될 경우, 공기 혹은 산소 등과 같은 산화 환경이 이용되고, 방사선원으로부터의 거리는 반응성 가스 형성, 예컨대 오존 및/또는 질소 산화물을 최대화하도록 최적화되어 있다.

방사선원은 약 2.5 기압 이상, 예컨대, 5, 10, 15, 20 기압 이상, 또는 약 50 기압 이상의 압력 하에 인가될 수 있다.

조사는 이온화 방사선, 예컨대, 감마선, x-선, 에너지 자외 방사선, 예컨대, 약 100㎚ 내지 약 280㎚의 파장을 지닌 자외 C 방사선, 입자 빔, 예컨대, 전자 빔, 저속 뉴트론 혹은 알파 입자 등을 이용해서 수행될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 조사는 2 이상의 방사선원, 예컨대, 감마선과 전자빔을 포함하며, 이들은 순차로 혹은 동시에 인가될 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 그의 원자 궤도로부터 전자를 방출하는 재료에 축적된 에너지는 재료를 조사하는 데 이용된다. 조사는 1) 무거운 하전 입자, 예컨대, 알파 입자 혹은 양자, 2) 예를 들어 베타 붕괴 혹은 전자빔 가속기에서 생성된 전자 혹은 3) 전자기 방사선, 예컨대, 감마선, x선 혹은 자외선에 의해 제공될 수 있다. 하나의 접근법에 있어서, 방사능 물질에 의해 생성된 방사선은 공급원료를 조사하는 데 이용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 1) 내지 3)의 임의의 순서 혹은 동시의 임의의 조합이 이용될 수 있다.

몇몇 경우에, 사슬 절단이 요망되고/되거나 중합체 사슬 작용화가 요망될 경우, 전자보다 무거운 입자, 예컨대, 양자, 헬륨 핵, 아르곤 이온, 실리콘 이온, 네온 이온, 탄소 이온, 인 이온, 산소 이온 혹은 질소 이온이 이용될 수 있다. 개환 사슬 절단이 요망될 경우, 양하전 입자가 증강된 개환 사슬 절단을 위한 그들의 루이스산 특성을 위하여 이용될 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 조사된 바이오매스는 조사 전의 바이오매스의 수평균 분자량(^TM_N1)보다 약 10%, 예컨대, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50%, 60% 이상, 또는 심지어 약 75% 이상만큼 낮은 수평균 분자량(M_N2)을 지닌다.

몇몇 실시형태에서, 출발 수평균 분자량(조사 전)은 약 200,000 내지 약 3,200,000, 예컨대, 약 250,000 내지 약 1,000,000 또는 약 250,000 내지 약 700,000이고, 조사 후의 수평균 분자량은 약 50,000 내지 약 200,000, 예컨대, 약 60,000 내지 약 150,000 또는 약 70,000 내지 약 125,000이다. 그러나, 몇몇 실시형태에서, 예컨대, 광범위한 조사 후, 약 10,000 이하 혹은 약 5,000 이하의 수평균 분자량을 지니는 것이 가능하다.

몇몇 경우에, 조사된 바이오매스는 조사 전의 바이오매스의 셀룰로스의 결정화도(^TC₁)보다 낮은 결정화도(^TC₂)를 지니는 셀룰로스를 지닌다. 예를 들어, (^TC₂)는 (^TC₁)보다 약 10% 이상, 예컨대, 15, 20, 25, 30, 35, 40% 이상, 또는 심지어 약 50% 이상만큼 낮을 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 출발 결정화도 지수(조사 전)는 약 40 내지 약 87.5%, 예컨대, 약 50 내지 약 75% 또는 약 60 내지 약 70%이고, 조사 후의 결정화도 지수는 약 10 내지 약 50%, 예컨대, 약 15 내지 약 45% 또는 약 20 내지 약 40%이다. 그러나, 몇몇 실시형태에서, 예컨대, 광범위한 조사 후, 5% 이하의 결정화도 지수를 지니는 것도 가능하다. 몇몇 실시형태에서, 조사 후의 재료는 실질적으로 비정형이다.

몇몇 실시형태에서, 조사된 바이오매스는 조사 전의 바이오매스의 산화 레벨(^TO₁)보다 높은 산화 레벨(^TO₂)을 지닐 수 있다. 재료의 높은 산화 레벨은 분산도, 팽윤도 및/또는 용해도를 원조하여, 화학적, 효소적 혹은 생물학적 공격에 대한 재료 감도를 더욱 증강시킬 수 있다. 조사된 바이오매스 재료는 더 많은 하이드록실기, 알데하이드기, 케톤기, 에스터기 혹은 카복실산기를 지닐 수도 있고, 이들은 그의 친수성을 증가시킬 수 있다.

이온화 방사선

방사선의 각 형태는 방사선의 에너지에 의해 결정된 바와 같이, 특정 상호작용을 통해 바이오매스를 이온화시킨다. 무거운 하전된 입자는 주로 쿨롱 산란을 통해 물질을 이온화시키고; 또한, 이들 상호작용은 더욱 물질을 이온화시킬 수 있는 에너지 전자를 생산한다. 알파 입자는 헬륨 원자의 핵과 동일하며, 이것은 각종 방사성 핵, 예컨대, 비스무트, 폴로늄, 아스타틴, 라돈, 프란슘, 라듐, 수개의 악티늄족 원소, 예컨대, 악티늄, 토륨, 우라늄, 넵투늄, 퀴륨, 칼리포르늄, 아메리슘 및 플루토늄 등의 동위 원소의 알파 붕괴에 의해 생산된다.

입자들이 이용될 경우, 이들은 중성(미하전), 양하전 혹은 음하전되어 있을 수 있다. 하전된 경우, 하전된 입자는 단일의 양하전 혹은 음하전 또는 다수의 전하, 예컨대, 2, 3 혹은 심지어 4개 이상의 전하를 지닐 수 있다. 사슬 절단이 요망될 경우에, 양하전 입자가 그들의 산성 특성으로 인해 부분적으로 바람직할 수 있다. 입자들이 이용될 경우, 해당 입자들은 정지 전자(resting electron)의 질량 혹은 그 이상, 예컨대, 정지 전자의 500, 1000, 1500 혹은 2000 이상, 예를 들어, 10,000 혹은 심지어 100,000배 이상의 질량을 지닐 수 있다. 예를 들어, 입자들은 약 1원자 단위(amu) 내지 약 150원자 단위, 예컨대, 약 1원자 단위 내지 약 50원자 단위 또는 약 1 내지 약 25 amu, 예컨대, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 혹은 15 amu의 질량을 지닐 수 있다. 입자를 가속시키는데 이용되는 가속기는 정전 DC, 전기역학적 DC, RF 선형, 자기 유도 선형 혹은 연속 파일 수 있다. 예를 들어, 사이클로트론식 가속기로는 벨기에의 IBA로부터 로다트론(Rhodatron)(등록상표) 시스템 등이 입수가능한 한편, DC 방식 가속기로는 RDI(이제는 IBA 인더스트리얼사임)로부터 다이나미트론(Dynamitron)(등록상표) 등이 입수가능하다. 이온들 및 이온 가속기는 문헌들[Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206, Chu, William T., "Overview of Light-Ion Beam Therapy" Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 March 2006, Iwata, Y. et al, "Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators" Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland 및 Leaner, C.M. et al., "Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus" Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria]에 기재되어 있다.

전자는 전자의 속도의 변화에 의해 생성된 방사선의 쿨롱 산란 및 제동복사를 통해서 상호작용한다. 전자는 요오드, 세슘, 테크네튬 및 이리듐의 동위원소 등과 같은, 베타 붕괴된 방사능 핵에 의해 생성될 수 있다. 대안적으로, 전자 총은 열이온 방출을 통해서 전자원으로서 이용될 수 있다.

전자기 방사선은 3가지 공정, 즉, 광전자 흡수, 쿨롱 산란 및 쌍 생성(pair production)을 통해 상호작용한다. 우세한 상호작용은 투입 방사선의 에너지와 재료의 원자수에 의해 결정된다. 셀룰로스 재료에서의 흡수된 방사선에 기인하는 상호작용의 합계는 질량 흡수 계수에 의해 표현될 수 있다(PCT/US2007/022719의 "Ionization Radiation").

전자기 방사선은 파장에 따라서 감마선, x 선, 자외선, 적외선, 마이크로파 또는 라디오파로서 더욱 분류될 수 있다.

감마 방사선은 각종 재료 속으로의 상당한 침투 깊이의 이점을 지닌다. 감마선의 공급원으로는 코발트, 칼슘, 테크네튬, 크롬, 갈륨, 인듐, 요오드, 철, 크립톤, 사마륨, 셀레늄, 나트륨, 탈륨 및 제온의 동위원소와 같은 방사능 핵을 들 수 있다.

x 선의 공급원으로는 텅스텐 혹은 몰리브덴 혹은 합금 등의 금속 표적과의 전자빔 충돌, 또는 Lyncean에서 상업적으로 생산되는 것들과 같은 소형 광원을 들 수 있다.

자외 방사선의 공급원으로는 듀테륨 혹은 카드뮴 램프를 들 수 있다.

적외 방사선의 공급원으로는 사파이어, 아연 혹은 셀렌화물 창 세라믹 램프를 들 수 있다.

마이크로파의 공급원으로는 클라이스트론(klystron), 슬레빈형 RF 공급원(Slevin type RF source), 또는 수소, 산소 혹은 질소 가스를 이용하는 원자 빔 공급원을 들 수 있다.

전자 빔

몇몇 실시형태에서, 전자빔은 방사선 공급원으로서 이용된다. 전자빔은 높은 선량(예컨대, 1, 5 혹은 10 M㎭/sec), 높은 처리량, 낮은 오염 및 낮은 제한 장비의 이점을 들 수 있다. 전자는 더욱 효율적으로 사슬 절단을 일으킬 수 있다. 또한, 4 내지 10MeV의 에너지를 지닌 전자는 5 내지 30㎜ 이상, 예컨대 40㎜의 침투 깊이를 지닐 수 있다.

전자빔은, 예컨대, 정전기 발생기, 캐스케이드 발생기, 트랜스포머 발생기, 주사 시스템을 구비한 저 에너지 가속기, 선형 캐소드를 구비한 저 에너지 가속기, 선형 가속기 및 펄스 가속기에 의해 발생될 수 있다. 이온화 방사선 공급원으로서의 전자는, 예컨대, 비교적 얇은 파일의 재료, 예컨대, 0.5 인치 이하, 예컨대, 0.4 인치, 0.3 인치, 0.2 인치 이하, 또는 0.1 인치 이하의 재료에 대해서 유용할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전자빔의 각 전자의 에너지는 약 0.3MeV(million electron volts) 내지 약 2.0MeV, 예컨대, 약 0.5MeV 내지 약 1.5MeV 또는 약 0.7MeV 내지 약 1.25MeV이다.

몇몇 실시형태에서, 바이오매스 재료를 처리하는 데 이용되는 전자는 0.05 c 이상(예컨대, 0.10 c 이상, 0.2 c 이상, 0.3 c 이상, 0.4 c 이상, 0.5 c 이상, 0.6 c 이상, 0.7 c 이상, 0.8 c 이상, 0.9 c 이상, 0.99 c 이상, 0.9999 c 이상)의 평균 에너지를 지닐 수 있고, 여기서 c는 광의 진공 속도에 상당한다.

전자 빔 조사 장치는 벨기에의 루벤-라-누브에 소재한 Ion Beam Applications 또는 캘리포니아주의 샌디 에고시에 소재한 Titan Corporation으로부터 상업적으로 입수될 수 있다. 전형적인 전자 에너지는 1MeV, 2MeV, 4.5MeV, 7.5MeV 혹은 10MeV일 수 있다. 전형적인 전자 빔 조사 장치 전력은 1㎾, 5㎾, 10㎾, 20㎾, 50㎾, 100㎾, 250㎾, 500㎾, 1000㎾ 또는 ㅅ미지어 1500㎾ 이상일 수 있다. 공급원료 슬러리의 탈중합의 유효성은 사용된 전자 에너지 및 인가된 선량에 의존하는 한편, 노광 시간은 전력과 선량에 의존한다. 전형적인 선량은 1k㏉, 5k㏉, 10k㏉, 20k㏉, 50k㏉, 100k㏉, 200k㏉, 500kGy, 1000kGy, 1500kGy 또는 2000kGy의 값을 취할 수 있다.

전자 빔 조사 장치 전력 사양을 고려할 때의 트레이드오프(tradeoff)로는 작동 비용, 자산 비용, 감가 상각 및 장치 점유 공간을 들 수 있다. 전자 빔 조사의 노광 선량 레벨을 고려할 때의 트레이드오프는 에너지 비용과 환경, 안전 및 건강(environment, safety, and health: ESH) 관련 사항일 것이다. 전자빔 에너지를 고려할 때의 트레이드오프는 에너지 비용을 들 수 있고, 여기서, 보다 낮은 전자 에너지는 소정의 공급원료 슬러리의 탈중합을 촉진함에 있어서 유리할 수 있다(예를 들어, 문헌[Bouchard, et al., Cellulose (2006) 13: 601-610] 참조).

더욱 효율적인 탈중합 공정을 제공하기 위하여 전자 빔 조사의 이중 통과(double-pass)를 제공하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 공급원료 수송 장치는 공급원료(건조 혹은 슬러리 형태)를 그의 초기 수송 방향에 대해서 역방향으로 또한 아래쪽으로 향하게 할 수 있다. 이중 통과 시스템은 보다 농후한 공급원료 슬러리를 처리할 수 있게 하고 또한 공급원료 슬러리의 두께를 통해서 더욱 균일한 중합을 제공할 수 있다.

전자 빔 조사 장치는 고정 빔 혹은 주사 빔을 생성할 수 있다. 주사 빔은 커다란 주사 스위프 길이 및 높은 주사 속도로 유리할 수 있고, 이것은 대형의 고정 빔 폭을 효율적으로 대신할 것이다. 또한, 0.5m, 1m, 2m 이상의 이용가능한 스위프 폭이 유효할 수 있다.

이온 입자 빔

전자보다 무거운 입자는 탄수화물 혹은 탄수화물을 포함하는 재료, 예컨대, 셀룰로스 재료, 리그노셀룰로스 재료, 전분 재료 혹은 이들의 임의의 것과 본 명세서에 기재된 기타의 것들의 혼합물을 조사하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 양자, 헬륨 핵, 아르곤 이온, 규소 이온, 네온 이온, 탄소 이온, 인 이온, 산소 이온 혹은 질소 이온이 이용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전자보다 무거운 입자는 보다 많은 양의 사슬 절단을 유발할 수 있다. 몇몇 경우에, 양하전 입자는 그들의 산성도로 인해 음하전 입자보다 많은 양의 사슬 절단을 유발할 수 있다.

보다 무거운 입자 빔은 예컨대 선형 가속기 혹은 사이클로트론을 이용해서 발생될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 빔의 각 입자의 에너지는 약 1.0MeV/원자 단위 내지 약 6,000MeV/원자 단위, 예컨대, 약 3MeV/원자 단위 내지 약 4,800MeV/원자 단위 또는 약 10MeV/원자 단위 내지 약 1,000MeV/원자 단위이다.

이온 빔 처리는 미국 특허 출원 제12/417,699호에 상세히 논의되어 있으며, 이 특허 문헌은 그의 전체 개시내용이 참조로 본 명세서에 포함된다.

전자기 방사선

전자기 방사선으로 조사가 수행되는 실시형태에 있어서, 해당 전자기 방사선은, 예를 들어, 10² eV 이상, 예컨대, 10³, 10⁴, 10⁵, 10⁶ 이상 또는 심지어 10⁷ eV 이상의 에너지/광자(전자 볼트: eV)를 지닐 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 전자기 방사선은 10⁴ 내지 10⁷, 예컨대, 10⁵ 내지 10⁶ eV의 에너지/광자를 지닌다. 전자기 방사선은, 예컨대, 10¹⁶㎐ 이상, 10¹⁷㎐ 이상, 10¹⁸, 10¹⁹, 10²⁰㎐ 이상 또는 심지어 10²¹ ㎐ 이상의 주파수를 지닐 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전자기 방사선은 10¹⁸ 내지 10²²㎐, 예컨대, 10¹⁹ 내지 10²¹㎐의 주파수를 지닌다.

방사선 처리의 조합

몇몇 실시형태에서, 둘 이상의 방사선 공급원, 예컨대, 둘 이상의 이온화 방사선이 이용된다. 예를 들어, 샘플은 임의의 순서로 전자 빔으로 이어서, 감마 방사선 및 약 100㎚ 내지 약 280㎚의 파장을 지니는 UV 광으로 처리될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 샘플은 전자 빔, 감마 방사선 및 에너지 UV 광 등과 같은 3개의 이온화 방사선 공급원으로 처리된다.

바이오매스의 소광 및 제어된 작용화

광자 방사선(예컨대, X선 혹은 감마선), 전자 빔 방사선 혹은 양 혹은 음으로 하전된 전자(예컨대, 양자 혹은 탄소 이온)보다 무거운 입자 등과 같은 1종 이상의 이온화 방사선에 의한 처리 후, 본 명세서에 기재된 무기 재료와 탄수화물-함유 재료와의 혼합물의 어느 것이라도 이온화되며; 즉, 이들은 전자 스핀 공명 분광법을 이용해서 검출가능한 레벨에서 라디칼을 포함한다. 라디칼의 현재 실용가능한 검출 한계는 실온에서 약 10¹⁴ 스핀이다. 이온화 후, 이온화된 임의의 바이오매스 재료는 소광되어 이온화된 바이오매스 내의 라디칼의 레벨을 저감시키므로, 예컨대, 라디칼은 전자 스핀 공명 분광법을 이용해서 더 이상 검출가능하지 않게 된다. 예를 들어, 라디칼은, 바이오매스에 충분한 압력의 인가에 의해, 및/또는 해당 라디칼과 반응(소광)하는 기체 혹은 액체 등과 같은 이온화된 바이오매스와 접촉하여 유체를 이용함으로써 소광될 수 있다. 적어도 라디칼의 소광을 원조하기 위하여 기체 혹은 액체를 이용하는 것은 또한 조작자가 소정량 및 소정 종류의 작용기, 예컨대, 카복실산기, 에놀기, 알데하이드기, 나이트로기, 나이트릴기, 아미노기, 알킬아미노기, 알킬기, 클로로알킬기 혹은 클로로플루오로알킬기를 이용해서 이온화된 바이오매스의 작용화를 제어할 수 있게 한다. 몇몇 경우에, 이러한 소광은 이온화된 바이오매스 재료의 일부의 안정성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 소광은 바이오매스의 산화에 대한 내성을 향상시킬 수 있다. 소광에 의한 작용화는 또한 본 명세서에 기재된 임의의 바이오매스의 용해도를 향상시킬 수 있고, 그의 열 안정성을 향상시킬 수 있으며, 이것은 복합체의 제조에 중요할 수 있고, 또한 각종 미생물에 의한 재료 이용성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 소광에 의해 바이오매스에 부여된 작용기는 예컨대 미생물에 의한 부착을 위한 수용체 부위로서 작용하여 각종 미생물에 의한 셀룰로스 가수분해를 증강시킬 수 있다.

이온화된 바이오매스가 대기 중에 유지되면, 예를 들어, 카복실산기가 분위기 산소와의 반응에 의해 생성될 정도로 산화될 것이다. 몇몇 재료에 의한 몇몇 경우에, 이러한 산화는 탄수화물-함유 바이오매스의 분자량의 더 한층의 파괴를 도울 수 있고, 산화기, 예컨대, 카복실산기는 몇몇 경우에 용해도 및 미생물 이용에 도움을 줄 수 있기 때문에 바람직하다. 그러나, 라디칼이 조사 후 소정 시간 동안, 예컨대, 1일, 5일, 30일, 3개월, 6개월 혹은 1년 이상 "살아 있을" 수 있으므로, 재료 성질은 시간 경과에 따라 계속 변화될 수 있고, 이것은 몇몇 경우에 바람직하지 않을 수 있다.

이러한 샘플에서의 전자 스핀 공명 분광법 및 라디칼 수명에 의해 조사된 샘플의 라디칼을 검출하는 것은 문헌들[Bartolotta et al., Physics in Medicine and Biology, 46 (2001), 461-471 및 Bartolotta et al., Radiation Protection Dosimetry, Vol. 84, Nos. 1-4, pp. 293-296 (1999)]에 논의되어 있으며, 이들 문헌은 그들의 전체 개시내용이 참조로 본 명세서에 포함된다.

초음파 분해, 열분해 및 산화

하나 이상의 초음파 분해, 열분해 및/또는 산화 처리 수순이 기계적 처리된 공급원료를 구조적으로 변형시키기 위하여 이용될 수 있다. 이들 처리 중 어느 것이라도 단독으로 혹은 서로 조합하여 및/또는 조사와 함께 이용될 수 있다. 이들 처리는 미국 특허 출원 제12/429,045호에 상세히 기술되어 있고, 이 문헌의 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

기타 가공처리

증기 폭발은 본 명세서에 기재된 가공처리들의 어느 것도 없이 단독으로 혹은 본 명세서에 기재된 가공처리들의 임의의 것과 조합하여 이용될 수 있다.

본 명세서에 기재된 임의의 가공처리 수법은 정상의 지상의 대기압보다 높거나 낮은 압력에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 방사선, 초음파 분해, 산화, 열 분해, 증기 폭발 또는 이들 처리의 임의의 것들의 조합을 이용해서 탄수화물을 포함하는 재료를 생산하는 임의의 가공방법은 고압 하에 수행될 수 있어, 반응 속도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 임의의 가공처리 혹은 이들 가공처리의 조합은 대략 25㎫ 이상, 예컨대, 50㎫, 75㎫, 100㎫, 150㎫, 200㎫, 250㎫, 350㎫, 500㎫, 750㎫, 1,000㎫ 이상 혹은 1,500㎫ 이상의 압력에서 수행될 수 있다.

1차 가공처리

당화

처리된 공급원료를 용이하게 발효될 수 있는 형태로 전환시키기 위하여, 몇몇 구현예에서는, 공급원료 중의 셀룰로스가 우선, 당화제, 예컨대, 효소에 의해 당 등과 같은 저분자량 탄수화물로 가수분해된다. 몇몇 구현예에서, 당화제는, 산, 예컨대, 무기산을 포함한다. 산이 이용될 경우, 미생물에 독성인 부산물이 생성될 수도 있고, 그 경우, 해당 방법은 이러한 부산물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제거는 활성탄, 예컨대, 활성 차콜 혹은 기타 적절한 수법을 이용해서 수행될 수 있다.

셀룰로스를 포함하는 재료는 용매 중, 예를 들어 수용성 용액 중에서 요소와 상기 재료를 배합시킴으로써 효소로 처리된다.

효소, 및 바이오매스의 셀룰로스 및/또는 리그닌 부분 등과 같은 바이오매스를 파괴하는 바이오매스-파괴 유기체는 각종 셀룰로스 분해효소(셀룰라제), 리그닌분해효소 혹은 각종 소분자 바이오매스-파괴 대사산물을 포함하거나 만든다. 이들 효소는 바이오매스의 결정성 셀룰로스 혹은 리그닌 부분을 분해시키는데 상승적으로 작용하는 효소의 복합체일 수 있다. 셀룰로스 분해 효소의 예로는 엔도글루카나제류, 셀로바이오하이드롤라제류 및 셀로비아제류(β-글루코시다제류)를 들 수 있다. 셀룰로스 기질은 초기에 랜덤 개소에서 엔도글루카나제에 의해 가수분해되어 올리고머 중간생성물을 생성한다. 이들 중간생성물은 이어서 셀룰로스 폴리머의 말단으로부터 셀로비오스를 생산하기 위한 셀로비오하이드롤라제 등과 같은 엑소-스플리팅(exo-splitting) 글루카나제용의 기질이다. 셀로비오스는 글루코스의 수용성 1,4-결합된 이량체이다. 최종적으로 셀로비아제는 셀로비오스를 쪼개어 글루코스를 수득한다.

발효

미생물은 처리된 바이오매스 재료를 당화시킴으로써 생산된 저분자량 당을 발효시킴으로써 다수의 유용한 중간생성물 및 생성물을 생산할 수 있다. 예를 들어, 발효 혹은 기타 바이오처리는 알코올, 유기 산, 탄화수소, 수소, 단백질 혹은 이들 재료의 임의의 것들의 혼합물을 생산할 수 있다.

효모 및 지모모나스(Zymomonas) 박테리아는, 예를 들어, 발효 혹은 전환을 위해 이용될 수 있다. 기타 미생물은 재료 부분에 논의되어 있다. 효모의 최적 pH는 약 pH 4 내지 5인 반면, 지모모나스에 대한 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.

미국 특허 가출원 제60/832,735호(이제는 국제특허출원 공개 제WO 2008/011598호로 공개됨)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.

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. 정류탑으로부터의 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 처리로 되돌아갈 수 있다.

중간생성물 및 생성물

예컨대, 이러한 1차 가공처리 및/또는 후 가공처리를 이용해서, 처리된 바이오매스는 에너지, 연료, 식품 및 재료 등과 같은 하나 이상의 생성물로 전환될 수 있다. 생성물의 구체적인 예로는, 수소, 알코올(예컨대, 1가 알코올 혹은 2가 알코올, 예를 들어, 에탄올, n-프로판올 혹은 n-뷰탄올), 당, 바이오디젤, 유기산(예컨대, 아세트산 및/또는 락트산), 탄화수소, 부산물(예컨대, 셀룰로스 분해 단백질(효소) 혹은 단세포 단백질 등과 같은 단백질) 및 이들의 임의의 혼합물을 들 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 기타 예로는 아세트산 혹은 뷰티르산 등의 카복실산, 카복실산의 염, 카복실산과 카복실산의 염과 카복실산의 에스터(예컨대, 메틸, 에틸 및 n-프로필 에스터)의 혼합물, 케톤류(예컨대, 아세톤), 알데하이드류(예컨대, 아세트알데하이드), 알파, 베타 불포화 산, 예컨대, 아크릴산 및 올레핀, 예컨대, 에틸렌 등을 들 수 있다. 기타 알코올 및 알코올 유도체로는 프로판올, 프로필렌 글라이콜, 1,4-뷰탄다이올, 1,3-프로판다이올, 이들 알코올의 임의의 메틸 혹은 에틸 에스터를 들 수 있다. 기타 생성물로는 메틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 락트산, 프로피온산, 뷰티르산, 숙신산, 3-하이드록시프로피온산, 이들 산의 임의의 염 및 이들 산의 임의의 것과 각각의 염과의 혼합물을 들 수 있다.

식품 및 약제학적 생성물을 비롯한 기타 중간생성물 및 생성물은 미국 특허 가출원 제12/417,900호에 기재되어 있으며, 해당 문헌의 전체 개시 내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

재료

바이오매스 재료

바이오매스는, 예컨대, 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 재료일 수 있다. 이러한 재료로는 종이 및 종이제품(예컨대, 폴리코팅지 및 크래프트지), 목재, 및 목재-관련 재료, 예컨대, 파티클 보드, 풀, 왕겨, 버개스, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘마, 마닐라삼, 짚, 옥수수 속대, 코코넛 헤어; 및 α-셀룰로스 함량이 높은 재료, 예컨대, 면을 들 수 있다. 공급원료는 미가공 조각 직물 재료, 예컨대, 자투리, 또는 소비자 사용 후의 폐기물, 예컨대, 천 조각들(rags)로부터 얻어질 수 있다. 종이제품이 이용될 경우, 이들은 미가공 재료, 예컨대, 미가공 조각 재료일 수 있거나, 또는 이들은 소비자 사용후의 폐기물일 수 있다. 미가공 원재료 외에, 소비자 사용후 폐기물, 공업적 폐기물(예컨대, 폐물), 및 가공처리 폐기물(예컨대, 종이 처리로부터의 유출물)은 섬유 공급원으로서 이용될 수도 있다. 또, 바이오매스 공급원료는 인간으로부터의 폐기물(예컨대, 오수), 동물 폐기물 혹은 식물 폐기물로부터 얻어지거나 유래될 수 있다. 추가의 셀룰로스 혹은 리그노셀룰로스 재료는 미국 특허 제6,448,307호, 제6,258,876호, 제6,207,729호, 제5,973,035호 및 제5,952,105호에 기재되어 있다.

몇몇 실시형태에서, 바이오매스 재료는 하나 이상의 β-1,4-결합을 지닌 동시에 약 3,000 내지 50,000의 수평균 분자량을 지닌 재료이거나 해당 재료를 포함하는 탄수화물을 포함한다. 이러한 탄수화물은 β(1,4)-글루코사이드 결합의 축합을 통하여 (β-글루코스 1)로부터 유래되는 셀룰로스(I)이거나 해당 셀룰로스를 포함한다. 이 결합은 그 자체가 전분 및 다른 탄수화물에 존재하는 α(1,4)-글루코사이드 결합에 대한 것과 대조를 이룬다.

전분 재료는 전분 자체, 예컨대, 옥수수 전분, 밀 전분, 감자 전분 혹은 쌀 전분, 전분의 유도체, 혹은 식용 음식 산물 혹은 작물 등과 같은 전분을 포함하는 재료를 들 수 있다. 예를 들어, 전분 재료는 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 재료의 배합물도 전분 재료이다

몇몇 경우에, 바이오매스는 미생물 재료이다. 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, 박테리아(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.

당화제

셀룰라제는 바이오매스를 분해시키는 능력을 지니며, 진균 혹은 박테리아로부터 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 박테리아, 예컨대, 셀룰로스 분해 박테리아, 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(Sacchromyces 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(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, Cellulose bioconversion technology, in 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.

예컨대, 지모모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis) 및 클로스트리듐 써모셀륨(Clostridium thermocellum)(Philippidis, 1996, 전술함) 등의 박테리아가 또한 발효에 이용될 수 있다.

기타 실시형태

본 발명의 많은 실시형태가 기술되어 있지만, 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어나는 일없이 각종 변경이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

예를 들어, 본 명세서에서 논의된 처리 단계들 중 어느 하나의 처리 파라미터는 예를 들어 미국 특허 가출원 제61/151,724호에 개시된 바와 같은 공급원료의 리그닌 함량에 의거해서 조정될 수 있으며, 상기 가출원은 참조로 그의 전체 개시내용이 본 명세서에 포함된다.

따라서, 기타 실시형태도 이하의 특허청구범위 내이다.

Claims

자일로스를 발효시키는 방법으로서, 상기 방법은
자일로스-함유 중합체를 포함하는 리그노셀룰로스 재료를 밀링하고;
상기 밀링된 재료에 전자빔을 조사하고;
상기 조사된 재료를 액체 매체 중에 분산하고;
상기 조사된 재료를 습식 밀링하고;
상기 습식 밀링 후에 상기 재료를 효소에 의해 당화시켜 상기 자일로스-함유 중합체로부터 자일로스를 제조하고; 그리고
상기 자일로스를 발효시켜 발효 생성물을 제조하는 것을 포함하는 것인, 자일로스를 발효시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 재료의 상기 밀링은 해머 밀링을 포함하는 것인, 자일로스를 발효시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 재료의 상기 밀링은 주위 온도에서 수행되는 것인, 자일로스를 발효시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 재료는 상기 재료의 상기 밀링 전에, 상기 밀링 동안에, 또는 상기 밀링 이후에 냉각되는 것인, 자일로스를 발효시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 조사는 상기 밀링된 재료에 약 5 Mrad 내지 약 60 Mrad의 조사량을 전달하는 것을 포함하는 것인, 자일로스를 발효시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 습식 밀링은 회전자/고정자를 포함하는 기계로 수행되는 것인, 자일로스를 발효시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 재료는 종이, 종이제품, 풀(grasses), 왕겨, 버개스, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘마, 마닐라삼, 짚, 옥수수 속대, 코코넛 헤어 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 자일로스를 발효시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 효소에 의한 당화는 상기 재료가 습식 밀링을 위해 분산되어진 상기 액체 매체 중에서 수행되는 것인, 자일로스를 발효시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 발효 생성물은 수소, 알코올, 유기산 및/또는 탄화수소를 포함하는 것인, 자일로스를 발효시키는 방법.
제9항에 있어서, 상기 풀은 지팽이풀인 것인, 자일로스를 발효시키는 방법.
자일로스를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은
자일로스-함유 중합체를 포함하는 리그노셀룰로스 재료를 밀링하고;
상기 밀링된 재료에 전자빔을 조사하고;
상기 조사된 재료를 액체 매체 중에 분산하고;
상기 조사된 재료를 습식 밀링하고; 그리고
상기 습식 밀링 후에 상기 재료를 효소에 의해 당화시켜 상기 자일로스-함유 중합체로부터 자일로스를 제조하는 것을 포함하는 것인, 자일로스를 제조하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 재료의 상기 밀링은 해머 밀링을 포함하는 것인, 자일로스를 제조하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 재료의 상기 밀링은 주위 온도에서 수행되는 것인, 자일로스를 제조하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 재료는 상기 재료의 상기 밀링 전에, 상기 밀링 동안에, 또는 상기 밀링 이후에 냉각되는 것인, 자일로스를 제조하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 조사는 상기 밀링된 재료에 약 5 Mrad 내지 약 60 Mrad의 조사량을 전달하는 것을 포함하는 것인, 자일로스를 제조하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 습식 밀링은 회전자/고정자를 포함하는 기계로 수행되는 것인, 자일로스를 제조하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 재료는 종이, 종이제품, 풀(grasses), 왕겨, 버개스, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘마, 마닐라삼, 짚, 옥수수 속대, 코코넛 헤어 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 자일로스를 제조하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 효소에 의한 당화는 상기 재료가 습식 밀링을 위해 분산되어진 상기 액체 매체 중에서 수행되는 것인, 자일로스를 제조하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 풀은 지팽이풀인 것인, 자일로스를 제조하는 방법.