KR20230142675A - 생물학적으로 유래된 카본 블랙 대체물 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

미생물 바이오매스로부터 카본 블랙 안료를 제조하는 방법이 개시된다. 특정 양태에서, 상기 방법은 수성 용매에 복수의 미생물 세포를 포함하는 미생물 바이오매스 용액을 제공하는 단계; 미생물 바이오매스 용액에 제1 가용성 이온을 첨가함으로써 복수의 미생물 세포를 핵형성하는 단계; 미생물 바이오매스 용액에 제2 가용성 이온을 첨가함으로써 복수의 미생물 세포 내에서 및/또는 복수의 미생물 세포 상에 결정 형성을 개시하고, 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물 세포를 형성하는 단계로서, 제1 가용성 이온의 전하는 제2 가용성 이온의 전하와 반대이며, 결정은 제1 및 제2 이온의 침전으로부터 형성되는, 단계; 및 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물 세포의 열 처리를 수행하여 탄화된 바이오매스를 형성하는 단계; 탄화된 바이오매스를 세척하여 마이크로브차르를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

생물학적으로 유래된 카본 블랙 대체물 및 이의 제조 방법

관련 출원(들)에 대한 상호 참조

본 출원은 2020년 5월 7일에 출원되고, "생물학적으로 유래된 카본 블랙 대체물 및 이의 제조 방법"이라는 제목의 미국 가출원 제63/021,494호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 35 U.S.C. §119(e)에 따라 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.

기술 분야

본 발명에 개시된 기술은 일반적으로 미생물 바이오매스(biomass)로부터 안료 및 착색제의 제조에 관한 것이다.

안료 및 착색제는 연간 300억 달러가 넘는 산업을 나타낸다. 그러나 이러한 조성물의 제조는 인간의 건강 및 환경에 해를 끼칠 수 있는 독성 바이오제품(bioproduct)의 제조와 관련된다. 무독성 바이오매스로부터 안료를 제조하려는 이전의 시도는 대부분의 산업 용도에 적합하도록 충분히 작은 입자 크기를 생성하는 이들의 능력에 있어서 제한적이었다. 따라서, 산업적 필요에 적합한 지속 가능한 공급원으로부터 안료/착색제를 제조하는 방법이 당업계에서 요구되고 있다.

미생물 바이오매스로부터 카본 블랙 안료를 제조하는 방법이 개시된다. 특정 양태에서, 상기 방법은 수성 용매에 복수의 미생물 세포를 포함하는 미생물 바이오매스 용액을 제공하는 단계; 미생물 바이오매스 용액에 제1 가용성 이온을 첨가함으로써 복수의 미생물 세포를 핵형성하는 단계; 미생물 바이오매스 용액에 제2 가용성 이온을 첨가함으로써 복수의 미생물 세포 내에서 및/또는 복수의 미생물 세포 상에 결정 형성을 개시하고, 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물 세포를 형성하는 단계로서, 여기서 상기 제1 가용성 이온의 전하가 제2 가용성 이온의 전하와 반대이고 상기 결정이 제1 및 제2 이온의 침전으로부터 형성되는, 단계; 및 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물 세포의 열 처리를 수행하여 탄화된 바이오매스를 형성하는 단계; 탄화된 바이오매스를 세척하여 마이크로브차르(microbechar)를 형성하는 단계를 포함한다.

특정 실시양태에서, 제1 이온은 음이온이고 제2 이온은 양이온이다. 추가 실시양태에서, 제1 이온은 양이온이고 제2 이온은 음이온이다. 이들 실시양태의 예시적 구현에서, 양이온은 칼슘이고 음이온은 인산염이다. 특정 실시양태에 따르면, 제1 이온 및 제2 이온은 화학량론적 비율로 존재한다.

특정 양태에서, 핵형성 단계는 제1 이온을 약 5분 내지 약 2시간의 기간 동안 복수의 미생물 세포와 함께 인큐베이션함으로써 핵형성 인큐베이션을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 인큐베이션 단계는 미생물 바이오매스 용액을 약 32℃ 내지 약 65℃의 온도로 가열하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 인큐베이션 단계는 미생물 바이오매스 용액을 교반하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 교반 단계는 미생물 바이오매스 용액을 약 2000 rpm에서 약 2분 동안 전단 혼합을 통해 수행된다.

특정 실시양태에서, 결정 형성 단계는 결정화 인큐베이션을 추가로 포함할 수 있다. 특정 구현에서, 이 단계는 미생물 바이오매스 용액을 약 5분 내지 약 2시간의 기간 동안 인큐베이션함으로써 수행된다. 특정 구현에서, 결정 형성 단계는 세포 표면 결정 형성 및/또는 세포내 결정 형성을 갖는 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물의 형성을 초래한다.

특정 실시양태에서, 미생물 바이오매스는 복수의 원핵생물 세포를 포함하며, 여기서 원핵생물 세포의 평균 세포 크기는 약 50 ㎛ 미만이다.

특정 실시양태에서, 미생물 바이오매스는 열 처리 단계 전에 약 30℃ 내지 약 300℃의 온도에서 건조되고, 미생물 바이오매스는 수분 함량이 약 15% 미만으로 감소될 때까지 건조된다. 특정 구현에서, 열 처리 단계는 탄화된 바이오매스가 약 20% 내지 약 70%의 고정 탄소의 양을 가질 때까지 수행된다. 추가 구현에서, 열 처리 단계는 산소 농도가 약 10% 내지 15%가 될 때까지 수행된다.

특정 실시양태에서, 탄화된 바이오매스의 세척은 산 세척이다. 예시적 구현에서, 산 세척은 탄화된 바이오매스를 약 2 미만의 pH를 갖는 용액으로 세척함으로써 수행된다. 특정 구현에서, 이 세척은 약 1분 내지 약 1시간의 시간 간격 동안 수행된다. 예시적 실시양태에서, 산 세척 및 후속 물 세척은 다공성 마이크로브차르(microbechar)를 제조한다.

특정 실시양태에 따르면, 분쇄 단계는 산 세척 단계 후에 마이크로브차르에 대해 수행하여 밀링된 마이크로브차르를 형성한다. 특정 구현에서, 분쇄 단계는 밀링된 마이크로브차르의 평균 입자 크기 직경이 약 10 ㎛ 미만이 될 때까지 수행된다.

특정 양태에서, 본 발명의 개시된 공정에 의해 제조된 카본 블랙 안료는 결정 형성 단계에 의해 처리되지 않고 유사한 열 처리로 미생물 바이오매스에 비해 증가된 유동성을 갖는다. 또한, 제조된 카본 블랙 안료는 결정 형성 단계에 의해 처리되지 않고 유사한 열 처리로 미생물 바이오매스에 비해 증가된 다공성을 갖는다. 추가 실시양태에서, 제조된 카본 블랙 안료는 결정 형성 단계에 의해 처리되지 않고 유사한 열 처리로 미생물 바이오매스에 비해 증가된 제트니스(jetness)를 갖는다.

추가 양태에서, 미생물 바이오매스로부터 조작된 카본 블랙 안료를 제조하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 또한 미생물 바이오매스의 열 처리를 수행하는 단계를 포함하고, 여기서 미생물 바이오매스는 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물 세포를 포함하여 탄화된 바이오매스를 형성할 수 있고; 탄화된 바이오매스의 세척은 산 세척이며, 여기서 상기 세척 단계는 탄화된 바이오매스의 pH를 약 1분 내지 약 1시간의 시간 간격 동안 약 2 미만으로 감소시켜 미생물을 형성하는 것을 포함할 수 있다.

추가 양태에서, 조작된 카본 블랙 안료는 입자 크기가 약 0.01 마이크론과 약 100 마이크론 사이인 미생물 바이오매스로부터 유래된 탄화된 바이오매스를 포함할 수 있다는 것이 개시되어 있다.

다수의 실시양태가 개시되지만, 본 발명 개시의 또 다른 실시양태는 개시된 장치, 시스템 및 방법의 예시적 실시양태를 나타내고 설명하는 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 개시된 장치, 시스템 및 방법은 모두 본 발명 개시의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 명백한 양태에서 변형될 수 있다. 따라서, 도면 및 상세한 설명은 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 제한적이지 않다.

도 1a는 일 실시양태에 따른, 탄화 전에 가용성 음이온/양이온 혼합물로 처리된 탄화된 스피울리나(Spriulina) 바이오매스(아르트로스피라(Arthrospira))의 주사 전자 현미경 사진(SEM) 이미지이다.
도 1b는 일 실시양태에 따른, 탄화 전에 모든 염을 세척한 탄화된 스피울리나 바이오매스(아르트로스피라)의 SEM 이미지이다.
도 1c는 일 실시양태에 따른, 세척되고 비염화된 바이오매스가 탄화 전에 가용성 음이온/양이온 혼합물로 재처리된, 탄화된 스피울리나 바이오매스(아르트로스피라)의 SEM 이미지이다.
도 2a는 일 실시양태에 따른, 순수한 미처리된 탄화된 스피울리나 바이오매스(아르트로스피라)의 이미지이다.
도 2b는 일 실시양태에 따른, 탄화 전에 가용성 음이온/양이온 혼합물로 처리된, 순수한 미처리된 탄화된 스피울리나 바이오매스(아르트로스피라)의 SEM 이미지이다.
도 3a는 일 실시양태에 따른, 미처리된 탄화된 효모(사카로마이세스(Saccharomyces), 칸디다(Candida), 또는 다른 효모 속) 바이오매스의 SEM 이미지이다.
도 3b는 일 실시양태에 따른, 탄화 전에 가용성 음이온/양이온 혼합물로 처리된 탄화된 사카로마이세스/칸디다/또는 다른 효모 속) 바이오매스의 SEM 이미지이다.
도 4a는 일 실시양태에 따른, 탄화 전에 모든 염을 세척한 탄화된 스피울리나 바이오매스를 나타낸다.
도 4b는 일 실시양태에 따른, 탄화 전에 가용성 음이온/양이온 혼합물로 처리된 탄화된 스피울리나 바이오매스를 나타낸다.
도 5a는 일 실시양태에 따른, 탄화 전에 모든 염을 세척한 순수한 미처리된 탄화된 효모 바이오매스를 나타낸다.
도 5b는 일 실시양태에 따른, 탄화 전에 가용성 음이온/양이온 혼합물로 처리된 탄화된 효모 바이오매스를 나타낸다.
도 6a는 일 실시양태에 따른, 탄화 전에 가용성 음이온/양이온 혼합물로 처리된 탄화된 바이오매스의 현미경 이미지이다.
도 6b는 일 실시양태에 따른, 탄화 후 산 세척을 통해 염이 제거된 염화 및 탄화된 바이오매스의 현미경 이미지이다.

범위는 본원에서 "약" 하나의 특정 값, 및/또는 "약" 또 다른 특정 값으로 표현될 수 있다. 그러한 범위가 표현되는 경우, 추가 양태는 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, 선행하는 "약"을 사용하여 값이 근사치로 표현되는 경우, 특정 값이 추가 양태를 형성하는 것이 이해될 것이다. 각각의 범위의 종점은 다른 종점과 관련하여 그리고 다른 종점과 독립적으로 둘 모두 중요하다는 것이 추가로 이해될 것이다. 본원에 개시된 다수의 값이 존재하고, 각각의 값은 또한 본원에서 그 값 자체에 더하여 그 특정 값에 대해 "약"으로 개시되는 것이 또한 이해된다. 예를 들어, 값 "10"이 개시되면, "약 10"이 또한 개시된다. 또한, 2개의 특정 단위 사이의 각각의 단위가 또한 개시되는 것이 이해된다. 예를 들어, 10 및 15가 개시되면, 11, 12, 13 및 14가 또한 개시된다.

조성물 내의 특정 요소 또는 성분의 중량부에 대한 본 명세서 및 결론 청구범위에서의 언급은 중량부가 표현되는 조성물 또는 물품에서 요소 또는 성분과 임의의 다른 요소 또는 성분 사이의 중량 관계를 나타낸다. 따라서, 2 중량부의 성분 X 및 5 중량부의 성분 Y를 함유하는 조성물에서, X 및 Y는 2:5의 중량부로 존재하며, 추가 성분이 상기 화합물에 함유되는지의 여부에 관계 없이 그러한 비율로 존재한다.

특별히 달리 언급되지 않는 한, 성분의 중량 퍼센트(wt. %)는 성분이 포함된 제형 또는 조성물의 전체 중량을 기준으로 한다.

본원에서 사용되는 용어 "선택적" 또는 "선택적으로"는 후속적으로 설명되는 사건 또는 상황이 발생할 수 있거나 발생할 수 없음을 의미하고, 상기 설명이 상기 사건 또는 환경이 발생하는 경우와 발생하지 않는 경우를 포함하는 것을 의미한다.

본원에서 사용되는 용어 "마이크로브차르"는 즉시 개시된 방법에 따라 제조된 열 처리 후 탄화된 바이오매스를 의미한다. 마이크로브차르는 추가 변형 없이 카본 블랙 안료로서 기능할 수 있다. 의도된 목적에 따라, 마이크로브차르는 기계적(예를 들어, 밀링) 또는 화학적(예를 들어, 산/염기 세척) 수단에 의해 추가 처리될 수도 있다. 마이크로브차르를 변형/처리하는 방법은 미국 특허 출원 제16/677,644호(공보 제US-2020-014069호)에 개시되어 있으며, 이는 모든 목적을 위해 본원에 참조로 포함된다.

본원에는 미생물 바이오매스의 열 처리에 의해 미생물 바이오매스로부터 조작된 카본 블랙 안료를 제조하는 방법이 개시되며, 여기서 상기 미생물 바이오매스는 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물 세포로 구성된다. 열 처리의 결과 탄화된 바이오매스가 형성된다. 특정 구현에서, 상기 방법은 약 0.01 마이크론과 약 100 마이크론 사이의 입자 크기로 탄화된 바이오매스를 분쇄하여 밀링된 마이크로브차르를 형성하는 단계를 추가로 포함한다.

특정 양태에서, 개시된 방법은 미생물 바이오매스로부터 카본 블랙 안료를 제조하는 방법으로, 수성 용매에 복수의 미생물 세포를 포함하는 미생물 바이오매스 용액을 제공하는 단계; 미생물 바이오매스 용액에 제1 가용성 이온을 첨가함으로써 복수의 미생물 세포를 핵형성하는 단계; 미생물 바이오매스 용액에 제2 가용성 이온을 첨가함으로써 복수의 미생물 세포 내에서 및/또는 복수의 미생물 세포 상에 결정 형성을 개시하고, 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물 세포를 형성하는 단계로서, 여기서 상기 제1 가용성 이온의 전하가 제2 가용성 이온의 전하와 반대인, 단계; 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물 세포의 열 처리를 수행하여 탄화된 바이오매스를 형성하고, 탄화된 바이오매스를 세척하는 단계; 및 탄화된 바이오매스를 약 0.01 마이크론과 약 100 마이크론 사이의 입자 크기로 분쇄하여 밀링된 마이크로브차르를 형성하는 단계를 포함한다.

미생물 바이오매스

생물학적 물질은 주로 탄수화물, 단백질 및 지질을 포함한다. 이러한 분자가 500 내지 600℃에서 열분해될 때, 이들은 복잡한 해중합 및 탈수 반응을 거친 후, 다양한 단편화, 제거 및 응축 반응을 거쳐 비응축성 휘발성 물질, 응축성 증기(냉각 후 액체 타르) 및 고체 잔류물로서 탄소질 차르를 생성한다.

탄수화물은 탄소, 수소 및 산소로 이루어진 분자이다. 세포 내에서, 탄수화물은 일반적으로 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스(목본 식물), 전분(식물 및 조류) 및 글리코겐(시아노박테리아, 진균, 박테리아)과 같은 장쇄 폴리사카라이드로서 저장된다. 글리코겐은 스피울리나와 같은 시아노박테리아에서 탄수화물의 주요 저장 형태이다. 그것은 글루코스의 크고 광범위하게 분지된 폴리사카라이드이며 전분과 유사한 구조를 갖지만 분지 정도가 더 높다. 고온(500℃ 초과)에서 글리코겐의 열분해는 전분으로부터 얻은 것들과 유사한 생성물을 생성한다. 이들 생성물은 물, 일산화탄소, 에탄, 포름알데히드, 케텐, 프로펜, 이산화탄소, 아세트알데히드, 포름산, 아크롤레인, 하이드록시아세트알데히드, 피루발데히드, 하이드록시프로판, 2-푸르알데히드, 푸르푸릴알코올, 5-메틸-2-푸르알데히드, 레보글루코세놈, 5-하이드록시메틸-2-푸르알데히드 및 레보글루코산을 포함한다. 이들 생성물의 대부분은 휘발성 물질로서 손실되는 반면, 다른 생성물은 고체 잔류 탄소질 차르를 형성한다.

글리코겐과 같은 폴리사카라이드는 가수분해 반응을 통해 이들의 더 작은 모노사카라이드 빌딩 블록으로 분해될 수 있다. 글리코겐 가수분해의 한 가지 방법은 글리코겐 분지로부터 글루코스 단위를 가수분해하기 위해 열과 묽은 산의 적용을 포함한다. 이 반응은 100℃에서 쉽게 발생한다. 글루코스와 같은 모노사카라이드 단위가 160℃까지 가열될 때, 결정성 당이 용융하여 투명한 용융 당이 될 때 이들은 캐러멜화로 불리는 과정을 거친다. 온도가 165℃까지 증가하면 용융 당을 부을 수 있지만, 냉각될 때 단단하고 유리처럼 부서지기 쉬울 것이다. 210℃까지 더 가열하면 냉각될 때 질감이 더 부드럽고 더 점착성이 된다. 글루코스가 500℃까지 열분해될 때, 주요 생성물은 (1) 저분자량 화합물, (2) 푸란/피란 고리 유도체 및 (3) 무수 당의 세 가지 주요 범주로 분류될 수 있다. 모노사카라이드/단순 당(simple sugar) 함량이 높은 생물학적 물질은 500℃까지 열분해 가열 과정 동안 용융 특성을 나타낼 수 있으며 점착성 덩어리 내에서 휘발성 물질의 방출로 인해 바이오매스의 급성장 효과(mushrooming effect)를 나타낼 수 있다.

단백질은 펩티드 결합으로 연결된 아미노산의 중합체 사슬이며 40℃의 낮은 온도에서 열 변성에 매우 취약하다. 변성 과정은 단백질 분자 내의 약한 결합을 끊어서 구조적 변화를 야기하는 것을 포함한다. 변성된 단백질의 후속 응고는 종종 단백질이 고체 또는 농후한 액체로 "응결(set)"될 곳에서 종종 발생할 것이며 냉각될 때 비가역적인 과정이다. 극한의 열분해 온도에 노출되면 단백질이 탈카복실화, 탈아미노화, 탄화수소 잔기 단편화, 이량체화 및 펩티드 결합의 단편화 경로를 통해 열분해되어 아미드/아민/니트릴, 에스테르, 탄화수소 및 N-헤테로사이클릭 화합물, 특히 디케토피페라진(DKP)을 형성한다.

지질은 또한 열 분해에 취약하다. 수분의 존재하에 가열될 때, 지질의 에스테르 결합이 가수분해되어 유리 지방산을 방출한다. 열분해 동안, 지질은 탈수, 탈카복실화, 에스테르 결합의 가수분해, 이중 결합 접합, 중합, 탈수소화, 방향족화, 탈수소화 및 탄소-탄소 절단에 의한 분해를 포함하는 경로를 통해 열적으로 분해된다.

특정 실시양태에 따르면, 개시된 공정을 위한 미생물 바이오매스는 다수의 미생물 공급원으로부터 유래될 수 있다. 특정 구현에서, 미생물 바이오매스는 복수의 미생물 세포를 포함한다. 특정 실시양태에서, 이들 세포(또는 세포의 군)는 약 10 나노미터 내지 약 300 마이크로미터의 평균 크기를 갖는다. 출발 물질은 하기 특성: 단세포, 콜로니, 다세포 또는 사상(filamentous) 유기체로부터 기원한 세포, 온전한 세포, 구체-유사 형상을 나타내는 세포 또는 세포 매스, 열 처리 전에 특정 세포 성분들이 제거된 세포, 및/또는 용액 내 세포 중 하나 이상을 가질 수 있거나, 용액로부터 제거된 세포일 수 있다.

미생물 바이오매스를 포함하는 복수의 세포는 화학영양, 종속영양, 또는 독립영양에 의해 에너지를 획득할 수 있다. 특정 실시양태에서, 미생물은 진핵생물이다. 대안적 실시양태에서, 미생물은 원핵생물이다. 특정 추가 실시양태에서, 미생물 바이오매스를 포함하는 복수의 미생물 세포는 자연에서 수역(body of water)에서 발견되는 것과 같은 전술한 미생물 중 임의의 것의 혼합물이다.

다양한 구현은 박테리아, 조류 및 시아노박테리아의 콜로니 형성 유형을 이용한다. 다양한 구현에서, 미생물 바이오매스의 복수의 세포는 응집체 직경이 300 마이크론 미만이다. 본 발명의 개시의 일 양태는 안료 부분이 약 0.01 내지 300 마이크론인 구현에 관한 것이다. 이러한 크기는 안료 입자의 양을 증가시켜 허용되는 밀도로 분산시켜 어두운 색을 얻을 수 있음이 이해된다. 다양한 구현에서, 0.01 내지 300 마이크론 크기는 여러 방식으로 달성될 수 있다. 특정 구현에서, 크기는 적절한 크기의 생물학적 세포를 성장시킴으로써 달성될 수 있다. 대안적 구현에서, 크기는 세포 또는 세포 응집체를 정확한 크기(0.01 내지 300 마이크론)로 분쇄함으로써 달성될 수 있다. 더 또 다른 구현에서, 직경이 0.01 내지 300 마이크론인 세포뿐만 아니라 세포 또는 응집체의 분쇄 둘 모두가 사용될 수 있다.

특정 구현에 따르면, 미생물 바이오매스는 복수의 미생물 세포를 포함한다. 개시된 미생물 방법에 적합한 미생물 세포는 미세조류, 조류, 거대조류, 시아노박테리아, 진균 및 박테리아를 포함하는 종속영양성, 독립영양성, 혼합영양성 또는 극한생물(extremophillic) 미생물을 포함한다. 특정 구현에서, 복수의 세포는 전술한 것의 혼합물이다. 특정 실시양태에 따르면, 복수의 미생물 세포를 포함하는 미생물은 하기로부터 선택되는 하나 이상이다: 시네코시스티스(Synechocystis) PCC 6803, 시네코코커스(Synechococcus) PCC 6717, 시네코코커스 PCC 6301, 시네코코커스 IU 625, 시네코코커스 PCC 6312, 시네코코커스 엘론가투스(Synechococcus elongatus) PCC 7942, 노스톡 종(Nostoc sp.), 시네코코커스 6911, 시네코코커스 레오폴리엔시스(Synechococcus leopoliensis), 플랑크토락스 루베센스(plankthorax rubescens), 시네코코커스 PCC 7002, 아르토스피라 플라텐시스(Arthospira platensis) PCC 7345, 헤마토코커스 플루바일리스(Haematococcus pluvailis), 나비쿨라 펠리쿨로사(Navicula pelliculosa), 크립토모나스 에로사(Cryptomonas erosa), 로도모나스 미누타(Rhodomonas minuta), 포르피리디움 푸르푸레움(Porphyridium purpureum), 파에오닥틸룸 트리코르누툼(Phaeodactylum tricornutum), 나노클로롭시스 종(Nannochloropsis sp.), 시네코시스티스 종(Synechocystis sp.), 시네코코커스 종(Synechococcus sp.), 노스톡 종, 플랑크토락스 종(plankthorax sp.), 아르토스피라 종(Arthospira sp.), 헤마토코커스 종(Haematococcus sp.), 나비쿨라 종(Navicula sp.), 크립토모나스 종(Cryptomonas sp.), 로도모나스 종(Rhodomonas sp.), 포르피리디움 종(Porphyridium sp.), 파에오닥틸룸 종(Phaeodactylum sp.), 나노클로롭시스 종, 볼복스 종(Volvox sp.), 아나베나 종(Anabena sp.), 클로렐라 종(Chlorella sp.), 유글레나 종(Euglena sp.), 아크난테스 종(Achnantes sp.), 보트리오코커스 종(Botryococcus sp.), 카에토세로스 종(Chaetoceros sp.), 크로오코커스 종(Chroococcus sp.), 코스마리움 종(Cosmarium sp.), 미크로시스티스 종(Microcystis sp.), 미크로스포라 종(Microspora sp.), 페디아스트룸 종(Pediastrum sp.), 세네데스무스 종(Scenedesmus sp.), 스피로기라 종(Spirogyra sp.), 스피울리나 종(Spirulina sp.), 지그네마 종(Zygnema sp.), 클로로비움 종(Chlorobium sp.), 에스케리키아 종(Escherichia sp.), 스피릴룸 종(Spirillum sp.), 크로모박테리움 종(Chromobacterium sp.), 잔티노박테리움 종(Janthinobacterium sp.), 스트렙토마이세스 종(Streptomyces sp.), 잔토모나스 종(Xanthomonas sp.), 사르시나 종(Sarcina sp.), 세라티아 종(Serratia sp.), 리조비움 종(Rhizobium sp.), 프레보텔라 종(Prevotela sp.), 악티노마이세스 종(Actinomyces sp.), 스타필로코커스 종(Staphylococcus sp.), 프로테우스 종(Proteus sp.), 미크로코커스 종(Micrococus sp.), 루가모나스 종(Rugamonas sp.), 슈도모나스 종(Pseudomonas sp.), 헬리코박터 종(Helicobacter sp.), 사카로마이세스 종(Saccharomyces sp.), 칸디다 종(Candida sp.), 류코스포리디움 종(Leucosporidium sp.), 로도토룰라 종(Rhodotorula sp.), 스키조사카로마이세스 종(Schizosaccharomyces sp.), 데커 종(Dekker sp.), 브레타노마이세스 종(Brettanomyces sp.), 시네코시스티스 종, 시네코코커스 종, 노스톡 종, 플랑크토락스 종, 아르토스피라 종, 헤마토코커스 종, 나비쿨라 종, 크립토모나스 종, 로도모나스 종, 포르피리디움 종, 파에오닥틸룸 종, 나노클로롭시스 종, 볼복스 종, 아나베나 종, 클로렐라 종, 유글레나 종, 아크난테스 종, 보트리오코커스 종, 카에토세로스 종, 크로오코커스 종, 코스마리움 종, 미크로시스티스 종, 미크로스포라 종, 페디아스트룸 종, 세네데스무스 종, 스피로기라 종, 스피울리나 종, 지그네마 종, 클로로비움 종, 에스케리키아 종, 스피릴룸 종, 크로모박테리움 종, 잔티노박테리움 종, 스트렙토마이세스 종, 잔토모나스 종, 사르시나 종, 세라티아 종, 리조비움 종, 프레보텔라 종, 악티노마이세스 종, 스타필로코커스 종, 프로테우스 종, 미크로코코스 종, 루가모나스 종, 슈도모나스 종, 헬리코박터 종, 사카로마이세스 종, 칸디다 종, 류코스포리디움 종, 로도토룰라 종, 스키조사카로마이세스 종, 데커 종, 및 브레타노마이세스 종. 당업자는 다른 미생물이 가능하다는 것을 인지할 것이다.

특정 실시양태에 따르면, 온전한 미생물 세포 각각의 직경은 약 300 마이크론 미만이다. 이들 실시양태의 특정 구현에 따르면, 미생물은 헤마토코커스, 유글레나 및/또는 오돈텔라 종(Odontella sp.)이다.

추가 구현에 따르면, 온전한 미생물 세포 각각의 직경은 약 10 마이크론 미만이다. 이들 실시양태의 특정 구현에 따르면, 미생물은 하기 중 하나 이상일 수 있다: 플랑크토락스 종, 아르토스피라 종, 시네코시스티스 종, 시네코코커스 종, 노스톡 종, 플랑크토락스 종, 아르토스피라 종, 헤마토코커스 종, 나비쿨라 종, 크립토모나스 종, 로도모나스 종, 포르피리디움 종, 파에오닥틸룸 종, 나노클로롭시스 종, 아크난테스 종, 보트리오코커스 종, 카에토세로스 종, 크로오코커스 종, 코스마리움 종, 미크로시스티스 종, 미크로스포라 종, 페디아스트룸 종, 세네데스무스 종, 스피로기라 종, 스피울리나 종, 지그네마 종, 클로로비움 종, 에스케리키아 종, 스피릴룸 종, 크로모박테리움 종, 잔티노박테리움 종, 스트렙토마이세스 종, 잔토모나스 종, 사르시나 종, 세라티아 종, 리조비움 종, 프레보텔라 종, 악티노마이세스 종, 스타필로코커스 종, 프로테우스 종, 미크로코커스 종, 루가모나스 종, 슈도모나스 종, 헬리코박터 종, 사카로마이세스 종, 칸디다 종, 류코스포리디움 종, 로도토룰라 종, 스키조사카로마이세스 종, 데커 종, 브레타노마이세스 종, 락토바실러스 종, 피로코커스 종(Pyrococcus sp.), 코리네박테리움 종(Corynebacterium sp.), 아스퍼질루스 종(Aspergillus sp.), 바실러스 종(Bacillus sp.), 스트렙토코커스 종(Streptococcus sp.), 아세토박터 종(Acetobacter sp.), 클로스트리디움 종(Clostridium sp.), 트리코더마 종(Trichoderma sp.), 페니실리움 종(Penicillium sp.), 프로클로로코커스 종(Prochlorococcus sp.), 아나베나 종, 클로렐라 종, 써모시네코코커스 종(Thermosynechococcus sp.), 클라미도모나스 종(Chlamydomonas sp.), 글로에오카프사 종(Gloeocapsa sp.), 아나바에노프시스 종(Anabaenopsis sp.), 칼로트릭스 종(Calothrix sp.), 오실라토리아 종(Oscillatoria sp.), 글로에박터 종(Gloebacter sp.), 시아니디오쉬존 종( Cyanidioschyzon sp.), 크립테코디니움 종(Crypthecodinium sp.), 및/또는 갈디에리아 종(Galdieria sp.).

특정 실시양태에서, 미생물 바이오매스를 포함하는 복수의 미생물 세포는 온전한 전체 세포 미생물을 포함한다. 대안적 실시양태에서, 미생물 바이오매스는 파괴된 미생물 세포를 포함한다(예를 들어, 세포벽 및/또는 세포막의 온전성이 파괴되었다). 이들 실시양태의 특정 양태에서, 미생물 바이오매스는 파괴된 미생물 세포 성분들을 포함한다. 이들 실시양태의 특정 구현에 따르면, 하나 이상의 미생물 성분이 미생물 바이오매스로부터 고갈된다. 예시적 구현에서, 지질, 아미노산, 탄수화물, 미네랄 및/또는 착색제 분자는 미생물 바이오매스로부터 고갈된다.

특정 구현에서, 세포는 전체 바이오매스로부터 추출된 세포 성분을 가질 수 있다. 예시적인 실시양태에서, 이들 세포 성분은 탄수화물, 단백질, 지방, 미네랄, 핵산 물질 및/또는 전술한 것의 임의의 조합 중 하나 이상이다.

특정 구현에서, 미생물 바이오매스를 구성하는 복수의 미생물 세포는 열 처리 전에 특정 세포 성분을 제거하기 위해 처리된다. 예시적인 처리에는 염해/염색(salting in/out), 저온 침용(cold maceration), 초음파 처리, 고압 균질화, 동결 해동, 산 추출, 염기 추출, 유기 추출, 무기 추출, 리소자임 추출, 기계적 추출, 막 여과 및/또는 고압 추출이 포함되지만 이에 제한되지 않는다.

특정 실시양태에서, 미생물 바이오매스는 미생물 바이오매스 용액에서 처리하기 위해 제조된다. 예시적인 구현에서, 미생물 바이오매스는 미생물 바이오매스 용액을 제조하기 위해 수성 용매에 용해된다. 특정 실시양태에서, 수성 용매는 물이다.

핵형성 및 결정 형성

특정 양태에서, 개시된 방법은 미생물 바이오매스를 포함하는 복수의 미생물 세포의 세포 표면 상에 및/또는 세포내 공간 내에서 결정의 형성을 야기하는 단계를 포함한다. 특정 실시양태에서, 세포 결정 형성을 야기하는 단계는 핵형성 단계 및 결정 형성 단계의 두 단계로 구성된다. 예시적 구현에서, 핵형성 단계는 미생물 바이오매스 용액에 제1 가용성 이온을 첨가함으로써 수행되고 결정화 단계는 미생물 바이오매스 용액에 제2 가용성 이온을 첨가함으로써 수행되며, 여기서 제1 가용성 이온의 전하는 제2 가용성 이온의 전하와 반대이다(예를 들어, 제1 이온의 전하가 양전하면 제2 이온의 전하는 양전하이고, 제1 이온의 전하가 음전하이면 제2 이온의 전하는 양전하임). 제1 및 제2 이온이 결합하여 세포 표면 상에 및/또는 세포 공극 내에 불용성 결정을 형성한다.

특정 실시양태에서, 제1 이온은 음이온이고 제2 이온은 양이온이다. 특정한 대안적 실시양태에서, 제1 이온은 양이온이고 제2 이온은 음이온이다. 예시적 실시양태에서, 제1 및 제2 이온은 각각 제1 및 제2 이온 용액의 첨가를 통해 미생물 바이오매스 용액에 순차적으로 첨가된다. 그러한 제1 및 제2 이온 용액은 이온의 가용성 염을 수성 용매(예를 들어, 물)에 용해시킴으로써 제조될 수 있다. 예시적 구현에서, 미생물 바이오매스에 제2 이온성 용액을 첨가하면, 제1 및 제2 이온은 세포 내/상에 침전되고 결정화되는 반면, 제1 및 제2 이온의 반대이온은 용액에 고도의 가용성 상태로 남아 있다. 이들 실시양태의 특정한 예시적 구현에서, 양이온은 칼슘이고 음이온은 인산염이다. 칼슘 용액과 인산염 용액은 염화칼슘과 인산나트륨을 물에 각각 용해시켜 (특정 실시양태에 따라) 제조된다. 제2 이온 용액을 첨가하면 칼슘과 인산염이 세포 내/상에 결정을 형성하는 반면, 나트륨과 염화물은 용액에 용해된 상태로 남아 있다.

추가 실시양태에서, 제1 및 제2 이온은 미생물 바이오매스 용액 용매에서 침전/결정화되는 임의의 이온 쌍일 수 있다. 예시적인 이온 쌍은 표 1에 나타내지만, 이들은 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 특정 실시양태에 따르면, A 및 B 열의 이온들은 각각 제1 이온 또는 제2 이온일 수 있음이 이해되어야 한다.

[표 3] 세포내 및 표면 결정화를 위한 예시적 침전물.

특정 실시양태에서, 제1 이온 및 제2 이온은 화학양론적 비율로 존재한다. 추가 실시양태에서, 제1 및 제2 이온은 약 2:1 내지 약 1:2의 비율로 존재한다.

일부 실시양태에서, 음이온과 양이온의 주어진 조합은 어느 하나의 순서로 순차적으로 첨가될 수 있지만, 특정 실시양태에서, 하나는 다른 것보다 먼저 첨가되어야 한다. 예를 들어, 염화칼슘 및 인산나트륨의 경우, 특정 실시양태에서 순서가 중요하다. 독립적으로, 이들 이온은 수용액에 고도로 가용성이다. 이들 이온을 포함하는 두 가지 혼합물을 첨가하면 불용성 인산칼슘과 고도의 가용성 염화나트륨이 제조된다. 칼슘 이온과 인산염 이온의 선택은 미생물 세포 표면이 세포외 칼슘 이온의 수동적인 확산을 허용하는 반면, 인산염 이온은 대부분의 살아있는 세포에서 매우 널리 퍼져있기 때문에 주목할 만하다. 염화칼슘 용액에서 미생물 바이오매스의 팽윤은 미생물 세포의 표면이 음전하를 향하는 경향이 있어 양전하 칼슘 이온을 세포막으로 그리고 더 나아가 세포의 내부 공간으로 끌어당길 것이기 때문에 유익하다. 이것은 세포에 고농도의 칼슘 이온을 허용하여 인산나트륨 용액을 첨가할 때 높은 수준의 결정화를 유도한다. 그러나, 인산나트륨 용액에서 조류의 팽윤이 시도될 때, 인산염은 막으로부터 거부되고 세포 외부의 용액에 머무를 것이다. 염화칼슘을 첨가하면 침전물이 대부분 세포 외부에서 형성될 것이다.

본원에서 핵형성 단계로도 지칭되는 핵형성 단계로 돌아가서, 미생물 바이오매스 용액 내로의 제1 이온의 첨가는 제1 이온이 세포 표면 상에 그리고 세포 내에 결합하도록 하여, 향후 결정 성장을 위한 핵형성 부위를 제공한다. 특정 실시양태에서, 핵형성 단계는 제1 이온을 약 1분 내지 약 24시간의 기간 동안 복수의 미생물 세포와 함께 인큐베이션함으로써 핵형성 인큐베이션을 수행하는 것을 추가로 포함한다. 추가 구현에서, 인큐베이션은 약 5분 내지 약 2시간의 기간 동안이다. 더 추가의 구현에서, 인큐베이션 단계는 약 1시간이다.

특정 실시양태에서, 인큐베이션 단계는 미생물 바이오매스 용액을 약 32℃ 내지 약 65℃의 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함한다.

또 다른 추가 실시양태에서, 핵형성 단계는 세포 내로의 제1 이온의 침투 증가를 목표로 하는 교반 단계의 수행을 추가로 포함한다. 특정 구현에서, 교반 단계는 약 2000 RPM에서 약 2분 동안 미생물 바이오매스 용액을 전단 혼합하는 것을 통해 수행된다. 대안적 구현에서, 교반 단계는 초음파 처리를 통해 수행된다.

이제 결정 형성 단계로 돌아가서, 핵 형성 단계에 이어, 제2 이온이 미생물 바이오매스 용액에 첨가되고 침전/결정 형성은 세포 상/내의 핵형성 부위에서 진행된다. 그러한 결정의 형성은 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물을 발생시킨다. 특정 실시양태에서, 결정 형성 단계는 약 1분 내지 약 24시간의 기간 동안 미생물 바이오매스 용액을 인큐베이션함으로써 결정화 인큐베이션을 수행하는 것을 추가로 포함한다. 추가 구현에서, 결정화 인큐베이션은 약 5분 내지 약 2시간의 기간 동안이다. 더 추가의 구현에서, 인큐베이션 단계는 약 1시간이다. 특정 구현에서, 결정화 인큐베이션은 약 25℃에서 이루어진다.

특정 실시양태에서, 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물은 세포 표면 결정 형성을 갖는다. 특정 실시양태에서, 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물은 세포내 결정 형성을 갖는다. 특정 실시양태에서, 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물은 세포 표면과 세포내 결정 형성 둘 모두를 갖는다.

특정한 대안적 실시양태에 따르면, 과포화 및 느린 냉각은 제어된 방식으로 결정을 성장시키는 또 다른 방식이다(용액의 냉각). 대부분의 화합물의 용해도는 온도가 증가함에 따라 증가한다. 예를 들어, 인산삼나트륨(Na3PO4)이다: 5.4 g/100 mL(0℃); 12　g/100 mL(20℃); 14.5 g/100 mL(25℃); 23.3 g/100 mL(40℃); 94.6 g/100 mL(100℃). 94.6 g의 인산삼나트륨을 100℃의 100 ml의 물에 용해시킬 수 있다. 이 용액을 0℃로 냉각시킬 때 89.2 g의 인산나트륨이 침전될 것이다. 염화칼슘은 또한 온도가 증가하면 용해도 증가를 유도하는 유사한 용해도 경향을 갖는다: 49.4　g/100　mL(-25℃), 59.5　g/100　mL(0℃), 65　g/100　mL(10℃), 81.1　g/100　mL(25℃), 102.2　g/100　mL(30.2℃). 역 용해도 경향을 나타내는 제한된 화합물 세트가 있다. 예를 들어, 수산화칼슘(Ca(OH)2)은 온도가 증가함에 따라 용해도가 감소하는 경향이 있으며: 1.89　g/L (0℃), 1.73　g/L (20℃), 0.66　g/L (100℃), 이 경우 온도가 증가하면 침전을 유도할 것이다. 과포화 방법은 미생물 세포가 핵형성제로서 수행하는 화학 종, 조류 종 및 농도 등에 따라 세포내 및 세포외 결정을 둘 모두 초래할 수 있다. 이 방법의 이점은 순차적 처리를 위해 첨가된 미네랄의 재활용성과 고도의 가용성 미네랄 첨가로 인해 차르 세척이 용이하다는 점이다. 처리 예는 다음과 같이 수행된다: 100 g의 염화칼슘을 30℃에서 100 mL의 탈이온수에 용해시킨다. 이어서, 8 중량%의 조류를 염화칼슘 용액에 첨가하고, 전단 혼합기로 2000 RPM에서 5분 동안 전단한 다음, 30℃에서 1시간 동안 교반한다. 이어서, 용액을 25℃까지 냉각시키고, 10분 동안 유지하였다. 침전물을 갖는 이 용액을 원심분리하고 건조시켰다.

추가의 대안적 실시양태에 따르면, 또 다른 결정 형성 방법은 건조(용매 증발)를 제어한다. 예시적인 구현에서, 용매가 증발함에 따라, 용매의 용해도는 일정한 환경으로 인해 동일하게 유지되지만, 용매의 양이 감소함에 따라 가용성 화합물의 총 용량은 감소한다. 충분한 증발로, 용매화 화합물은 성장하는 결정으로서 침전될 것이다. 예를 들어, 81 g의 염화칼슘을 25℃에서 100 mL의 물에 용해시킬 수 있다. 100 mL의 물이 25℃에서 50 mL로 증발되면 40 g의 염화칼슘이 침전될 것이다. 미생물 세포는 핵형성제로서 수행할 것이다. 이 방법의 이점은 확장성과 재활용성이다.

더 추가의 대안적 실시양태에서, 추가의 결정화 방법은 빈용매(poor solvent)를 이온성 용액에 혼합(용매 혼합)하는 것이다. 각 화합물은 상기 화합물을 용해시킬 수 있고 용해시킬 수 없는 용매를 갖는다. 전자는 우수한 용매로 불리고 후자는 빈용매로 불린다. 인산삼나트륨은 물(일명 우수한 용매)에 용해도가 매우 높지만 에탄올(일명 빈용매)에는 용해되지 않는다. 따라서, 에탄올을 인산삼나트륨의 수용액에 첨가할 때, 혼합 용액이 우수한 용매에서 빈용매로 변함에 따라 용액(에탄올 + 물)의 용해도가 점진적으로 감소한다. 이 변화는 결정화를 초래한다. 처리 예는 다음과 같다: 14 g의 인산삼나트륨을 25℃에서 100 mL의 탈이온수에 용해시킨다. 이어서, 8 중량%의 조류를 염화칼슘 용액에 첨가하고, 전단 혼합기로 2000 RPM에서 5분 동안 전단한 다음, 25℃에서 1시간 동안 교반한다. 이어서, 50 mL의 에탄올을 첨가한다. 혼합물을 여과하고 건조시킨다.

이해되는 바와 같이, 각각의 결정화 방법은 다른 결정화 방법과 양립할 수 있다. 예를 들어, 뜨거운 과포화 용액을 냉각시키고 빈용매를 첨가하여 결정을 생성할 수 있다. 본원에 나열된 방법은 포괄적이지 않다. 다른 결정 성장 방법은 가스로부터의 증착(예를 들어, 화학 기상 증착)을 포함한다.

이론에 얽매이고자 함이 없이, 결정 형성 처리는 1) 세포 표면에 수지상 결정 성장을 생성하여 물리적 장벽으로 작용하고 탄화 동안 세포를 분리하여 유지하여 온도로부터 용융시킴으로써 세포가 함께 융합되는 것을 방지하는 것으로 여겨진다. 대부분의 탄수화물, 지질 및 단백질의 용융 온도는 200℃ 미만인 반면 열 처리 동안 적용되는 온도는 500℃를 초과할 것이다. 2) 세포 공극 내 결정 성장은 내부 접힘이 서로 결합하는 것을 방지하면서 세포막을 전단하여 높은 흑색 착색에 기여하는 높은 다공성을 생성한다. 3) 표면과 내부 공간으로부터 바이오매스를 균일하게 차르로 만드는 미네랄-기반 열 분배기. 일반적인 바이오매스의 열전도율은 ~ 0.1 W/m/K인 반면 일반적인 미네랄의 열전도율은 10배 더 높다(~ 1 W/m/K).

특정한 대안적 실시양태에서, 염의 건조 분말은 바이오매스에 직접 첨가될 수 있다. 이들 첨가된 결정은 이온 전구체 또는 침전물이거나, 임의의 다른 미네랄일 수 있다. 바람직하게는, 이들 미네랄 분말은 탄화 온도보다 더 높은 용융 온도를 가지면서 고결 방지 특성을 갖는다. 이들 미네랄 첨가제에는 인산삼칼슘, 인산이칼슘, 규산마그네슘, 이산화규소 및/또는 알루미노규산나트륨이 포함되지만 이에 제한되지 않는다. 미네랄 첨가제의 크기는 바람직하게는 바이오매스 입자와 같거나 그 보다 한 자릿수 더 작고, 더 바람직하게는 두 자릿수 더 작다. 많은 미생물 바이오매스의 크기는 1 마이크로미터에서 수십 마이크로미터 그 이상에 이른다. 따라서, 이들 첨가제의 크기는 바람직하게는 한 자릿수 마이크로미터이다. 이들 미네랄 분말은 유동층, 분말 코트 스프레이, 다양한 밀(mill)을 사용한 공동 분쇄 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 코팅 방법에 의해 적용될 수 있다. 건조 미네랄 침전물은 미생물 바이오매스에 첨가되며, 이는 용액 또는 건조 형태일 수 있다. 이들 실시양태는 미네랄 및/또는 다른 전환 및 바인딩 제제를 바이오매스에 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 이들 미네랄은 열 처리 동안 바이오매스의 크기 및 구조에 실질적인 변화가 발생하지 않도록 바이오매스 및/또는 바이오매스에서 발견되는 성분을 안정화시키는 방식으로 작용한다.

이들 실시양태의 예시적 구현에서, 첨가된 미네랄은 샘플의 전체 질량의 약 0.1 내지 약 70%를 구성한다. 특정 구현에서, 미네랄은 물질의 임의의 상태의 물질(예를 들어, 가스, 액체, 또는 고체)로 첨가될 수 있다. 특정 실시양태에서, 미네랄은 단순 탄수화물이 더 빨리 휘발되도록 하고, 따라서 바이오매스가 탄화 동안 함께 점착되지 않도록 한다.

임의의 특정 이론에 얽매이고자 함이 없이, 미네랄이 유동 기능 중 하나 이상을 수행할 수 있다고 생각된다: i) 입자 자체의 표면 상에서 발견되는 작용기의 변화를 통해 입자의 전자기 표면 "전하"의 변화를 야기하고; ii) 별개의 영역에서 세포벽/막을 통해 "연소"하는 별개의 가열 단위로 작용한다 - 미네랄은 열 에너지를 흡수하고 매우 높은 온도에서 매우 별개 영역에서 이 에너지를 소산한다. 이것은 바이오매스 표면 상의 특정 위치가 표면 상의 "핫 스팟"을 경험하도록 하며, 여기서 국소적 영역은 증가된 온도를 경험하며 따라서 미네랄 바이오매스를 둘러싼 작은 영역 내에서 새로운 유기 종을 생성하는 독특한 반응을 경험한다. 탄화 과정 후 발생하는 세척 단계에서 미네랄이 씻겨 나가면서, 유기물 내에 별개의 구멍이 나타나고 차르 입자 상에 "흐릿한 구체"가 나타나도록 하고, iii) 탄화될 때 바이오매스 내에서 다양한 생성물의 진화를 변형할 수 있는 "바인더"로 작용하고; iv) 제조된 가스상 산소 종의 전체 양을 낮추는 반응에 참여한다. 이것은 바이오매스에 첨가된 다양한 미네랄이 바이오매스에서 발견되는 유기물로부터 산소를 제거할 수 있는 반응을 수행할 때 발생하고; v) 탄수화물을 대체 형태의 유기물로 분해하여 바이오매스의 "용융"을 유도하는 구조적 전환의 양을 감소시키고; vi) 유기물이 가스상 종으로 분해되는 것을 가속화하고 따라서 샘플 내에서 "액화"되는 바이오매스의 양을 감소시키고/시키거나; vii) 바이오매스 성분에 구조적 변화를 야기하는 요소에 기여한다.

바이오매스는 유기물 - 단백질, 탄수화물 및 지질뿐만 아니라 내인성 및 외인성 미네랄 둘 모두일 수 있는 무기 원소를 함유한다. 미네랄은 알칼리, 알칼리성 및 전이 금속, 예를 들어, Ca, K, Si, Mg, Al, S, Fe, P, Cl, Na 및 일부 미량 금속이다. 이들 미네랄은 상이한 종 간에 상이할 수 있다. 목본 바이오매스는 Cl, K, N, S 및 Si로부터 회분을 덜 함유하지만 Ca 및 Mg를 더 함유한다. 미네랄은 열분해 동안 산화 저항에 의해 바이오차르(biochar)를 안정화시키는 것으로 알려져 있다. 특히, 알칼리 및 알칼리성 토금속은 바이오매스 분해 및 차르-형성 반응을 촉매한다. 회분 함량을 감소시키기 위한 전처리는 종종 더 낮은 차르 수율을 초래한다. Fe를 사용한 함침은 방향족 응축 정도와 바이오차르의 다공성에 영향을 미칠 수 있다. 유사하게, K 및 Na와 같은 특정 알칼리 금속은 염소와 반응하여 가스 상으로 방출되는 KOH, KCl, K2SO4, NaCl, Na2SO4와 같은 가스상 화합물을 형성할 수 있다. Si, k 및 Ca는 이들의 용해성(fusibility) 경향으로 인해 응집되어 CaO, SiO2, K2O를 형성하는 주요 원소이다. 미네랄은 레보글루코산과 같은 특정 당 부산물과 반응하여 레보글루코세논, 푸란 유도체 및 더 가벼운 산화물(oxygenate)과 같은 다른 휘발성 물질을 형성함으로써 2차 반응을 촉매할 수 있다. 바이오매스에 높은 미네랄 함량이 존재하면 오일 수율을 낮추고 차르 및 가스 생성물을 증가시킴으로써 제품 유통에 영향을 미친다. 회분의 촉매 활성은 연소 및 가스화의 역학을 변화시킨다. 세척에 의한 바이오매스의 회분 함량을 감소시키면 피크 연소 온도를 증가시키지만 피크 가스화 질량 손실률 온도를 감소시키는 것으로 나타났다.

추가 구현에서, 바이오매스에 대한 첨가는 단순 탄수화물을 가스상 종으로 전환시키는 종의 첨가를 포함한다. 추가 구현은 단순 탄수화물 및/또는 단백질을 격리할 수 있는 바인더의 첨가를 포함한다.

미생물 바이오매스 건조

특정 양태에서, 미생물 바이오매스를 건조시켜 수분 함량을 감소시키고, 세포를 농축시킨다. 특정 구현에서, 미생물 바이오매스는 수분 함량이 약 10% 내지 약 20%, 예를 들어, 15%에 도달할 때까지 건조시킨다. 추가 실시양태에서, 미생물 바이오매스는 수분 함량이 약 5% 이하에 도달할 때까지 건조시킨다.

건조 단계는 당업계에 공지된 다양한 기술에 따라 수행될 수 있다. 예시적 실시양태에서, 드럼 여과, 여과/건조, 전량 여과(dead-end filtration), 미세여과, 한외여과, 압력 여과, 진공 여과, 접선 유동 여과, 규조토 여과, 막 여과, 자기 분리, 정삼투, 전기부상(electrofloation), 롤러 프레스(roller press), 벨트 수확기(belt harvester), 모세관 추출, 단순 가열/증발, 하이드로사이클론(hydrocyclone), 교차유동, 보조 분리(자기, 전기, 유전체, 음향), 입상층 필터, 프리코트(precoat) 필터, 디스크 스택(disc stack) 원심분리, 교차유동 여과, 디캔터(decanter) 원심분리, 분무 건조 또는 유기 응집에 의해 세포를 건조시킨다. 건조는 그 전문이 본원에 참조로 포함되는 문헌[Advancement and Challenges in Harvesting Techniques for Recovery of Microalgae Biomass, Difusa et. al]에 기재된 기술에 의해 달성될 수 있다.

특정 실시양태에 따르면, 상기 방법은 바이오매스를 건조시키는 단계를 추가로 포함한다. 이 건조 단계는 당업계에 공지된 다수의 기술 중 하나로 수행될 수 있다. 예시적 건조 방법은 드럼 건조, 분무 건조, 트레이 건조, 펄스 연소 건조, 증발 건조, 대류 건조, 동결 건조, 나선형 플레이트 건조, 표면 장력 건조기, 진공 트레이 건조기, 태양 전도 건조기, 삼투압 건조기, 막 분리 건조기, 침강 건조기, 응집 건조기, 포말 부유(froth floatation) 분리, 원심 분리 및/또는 여과를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

특정 구현에서, 건조 단계는 바이오매스로부터 모든 용액의 약 30 내지 약 99%를 제거한다. 특정한 대안적 구현에서, 건조 단계는 개시된 방법에서 생략된다.

열 처리

특정 실시양태에 따르면, 미생물 바이오매스의 건조 후, 미생물 바이오매스는 열 처리를 거쳐 마이크로브차르를 생성한다. 특정 양태에서, 열 처리는 반응 용기에서 수행된다. 예시적 구현에서, 반응 용기는 기밀 밀봉을 생성할 수 있으므로, 임의의 추가 가스가 생성 공정에 도입되는 것을 배제할 수 있다. 일 실시양태에서, 비활성 가스는 이산화탄소, 산소 및 임의의 다른 반응성 가스 종과 같은 임의의 원치 않는 가스를 강제로 제거하도록 용기에 첨가될 수 있다. 특정한 대안적 실시양태에서, 전체 연소 온도를 증가시키고 챔버 내에서 화학 반응을 촉진하기 위해 공기 및 다른 반응성 가스가 연소 챔버에 첨가된다. 또 다른 실시양태에서, 다양한 유형의 비활성 및 반응성 가스는 가열 공정 동안 상이한 지점에서 다양한 유형의 반응을 얻기 위해 연속적인 단계로 반응 챔버에 도입될 수 있다. 적합한 반응 용기는 당업계에 공지된 다양한 반응 용기로 구성된다. 예시적 반응 용기는 배치 반응기(batch reactor), 회전식 가마(rotary kiln)(수직 또는 수평), 용광로(shaft furnace), 유동층, 발아층, 혼입층(entrained bed), 스크류 반응기(screw reactor), 헤레쇼프 오버/다단로(herreshoff over/multiple hearth furnace), 토베드 반응기(torbed reactor), 마이크로파 반응기, 소형 이동 층, 벨트 건조기/반응기, 및 고정층 반응기를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

특정 양태에서, 세포의 열 처리는 열분해, 기화, 연소, 열-산화 분해, 반탄화(torrefaction) 및 열수 탄화로 이루어진 군으로부터 선택되는 공정에 의해 수행된다. 특정 실시양태에서, 열 처리 단계는 전술한 것의 조합의 사용을 포함한다.

특정 구현에 따르면, 열 처리 단계는 약 100℃ 내지 약 2000℃ 범위의 온도에서 수행된다. 특정 추가 구현에서, 온도 범위는 약 100℃ 내지 약 1000℃이다. 추가 양태에서, 열 처리 온도 범위는 200℃ 내지 약 800℃이다. 추가 양태에서, 열 처리 온도 범위는 250℃ 내지 약 750℃이다. 추가 양태에서, 열 처리 온도 범위는 300℃ 내지 약 700℃이다. 추가 양태에서, 열 처리 온도 범위는 350℃ 내지 약 750℃이다. 또 다른 추가 양태에서, 추가 양태에서, 열 처리 온도 범위는 400℃ 내지 약 700℃이다. 더 추가의 구현에서, 열 처리 단계는 약 550℃에서 수행된다. 특정한 예시적 구현에서, 온도는 단계적 간격으로 증가된다. 특정한 대안적 구현에서, 온도는 미리 결정된 간격에 걸쳐 일정한 속도로 증가된다.

특정 양태에서, 열 처리 단계는 약 1초 내지 약 24시간의 시간 간격으로 수행된다. 추가 양태에서, 열 처리 단계는 약 600℃에서 약 5-7분의 시간 간격으로 수행된다.

특정 구현에 따르면, 열 처리 단계는 미리 결정된 종점에 도달할 때까지 수행된다. 예시적 구현에 따르면, 탄화된 바이오매스가 약 20% 내지 약 75%의 고정 탄소로 구성될 때 종점에 도달한다. 추가 실시양태에 따르면, 탄화된 바이오매스가 약 20% 내지 약 50%의 고정 탄소로 구성될 때 종점에 도달한다. 더 추가 실시양태에서, 탄화된 바이오매스가 약 20% 내지 약 30%의 고정 탄소로 구성될 때 종점에 도달한다.

추가 실시양태에서, 열 처리 단계는 탄화된 바이오매스가 초기 출발 질량의 약 15% 내지 약 60%가 될 때까지 수행된다.

추가 실시양태에서, 열 처리 단계는 탄화된 바이오매스 내의 공업분석(proximate) 휘발성 물질의 수준이 약 25% 미만이 될 때까지 수행된다. 추가 실시양태에서, 열 처리 단계는 탄화된 바이오매스 내의 공업분석 휘발성 물질의 수준이 약 20% 미만이 될 때까지 수행된다. 더 추가 실시양태에서, 열 처리 단계는 탄화된 바이오매스 내의 공업분석 휘발성 물질의 수준이 약 15%와 약 25% 사이가 될 때까지 수행된다.

더 추가 실시양태에서, 열 처리 단계는 탄화된 바이오매스 내의 산소의 농도가 약 20% 미만이 될 때까지 수행된다. 또 다른 추가 실시양태에서, 열 처리 단계는 산소 농도가 약 10% 내지 15%가 될 때까지 수행된다.

또 다른 추가 실시양태에 따르면, 열 처리 단계는 탄화된 바이오매스 내의 회분의 농도가 약 20% 미만이 될 때까지 수행된다. 특정 추가 실시양태에 따르면, 열 처리 단계는 탄화된 바이오매스 내의 회분의 농도가 약 10%와 20% 사이가 될 때까지 수행된다. 또 다른 추가 실시양태에서, 열 처리 단계는 탄화된 바이오매스 내의 회분의 농도가 약 10% 미만이 될 때까지 수행된다.

특정 양태에서, 열 처리 단계 종점은 미리 결정된 산소 및 고정 탄소의 비율에 의해 정의된다. 이들 실시양태의 예시적 구현에서, 열 처리 종점은 탄화된 바이오매스의 원소분석 산소 대 원소분석 탄소 비율이 약 0.30 산소 대 탄소(예를 들어, 원소분석 산소 3부 대 원소분석 탄소 10부) 미만일 때 도달된다.

특정 실시양태에서, 종점은 전술한 파라미터 중 2개 이상에 도달할 때 도달된다.

열 처리 후 세척

추가 구현에서, 개시된 방법은 또한 바이오매스의 열 처리 후 세척/활성화 단계를 포함한다. 예시적 구현에서, 세척은 탄화된 바이오매스를 본질적으로 산성산 또는 염기성으로 만드는 물질로 세척함으로써 수행될 수 있다. 예시적 실시양태에서, 다음 중 하나 이상이 사용된다: 무리아산(muriatic acid,), 염산, 표백제, 인산, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 염화칼슘, 및 염화아연. 특정 구현에서, 산 또는 염기의 농도는 세척물의 약 0.2% 내지 약 20%이다. 산 세척이 사용되는 특정 구현에서, 세척은 약 -1.0 내지 약 6의 pH를 갖는다. 예시적 구현에서, 세척은 약 0.1 내지 약 3.0의 pH를 갖는다.

특정 실시양태에 따르면, 열 처리 후 세척은 1회 내지 10회 이상 반복된다. 특정 구현에서, 각각의 세척은 약 30초 내지 약 12시간의 지속 시간을 가질 수 있다. 그러한 세척은 탄화된 바이오매스에/주변에/상에 존재하는 미네랄의 약 60% 내지 약 100%를 제거하는 역할을 할 수 있다.

특정 구현에서, 열 처리 후 세척 단계에 물 세척도 포함된다. 특정 실시양태에서, 물 세척은 산/염기 세척(들) 전에, 후에, 또는 전과 후 둘 모두에 발생한다.

임의의 특정 이론에 얽매이고자 함이 없이, 탄화 후(post-char) 단계(들)는 하기 기능 중 하나 이상을 수행하는 것으로 여겨진다: i) 더 큰 입자가 더 작은 입자로 형성되게 함(예를 들어, 세포 부착 및 세포 결합을 야기할 수 있는 바이오매스 물질을 용해시키면 입자의 표면적 및 입자 자체와 관련된 전자기 전하가 변경됨); ii) 미네랄 함량(회분 함량)이 물질의 전체 질량의 1%와 30% 사이의 미네랄을 초래하도록 하는 미네랄 종의 제거로, 예시적인 실시양태에서, 회분 함량은 약 10% 미만이다. 이것은 샘플에 더 높은 농도의 탄소가 존재하도록 하며, 따라서 미네랄 종은 일반적으로 회백색이므로 더 많은 검은색 물질이고; iii) 제거될 때 입자의 부피를 방해받지 않으면서 더 큰 표면적을 허용하는 표면 미네랄을 제거하고; iv) 바이오매스가 더 많이 함께 "점착되게" 하는 세포 성분의 분해; 산 세척은 바이오매스의 전하를 변화시킬 수 있다.

분쇄

특정 실시양태에서, 열 처리 단계 후에 분쇄가 필요하지 않으며 추가 처리 없이 또는 화학적 처리만으로 마이크로브차르를 안료로 사용할 수 있다. 그러나, 특정한 대안적 실시양태에서, 입자 직경 크기 값이 0.01 마이크론과 100 마이크론 사이인 표적 안료 입자 크기 또는 세포 응집체 직경을 달성하기 위해 마이크로브차르의 분쇄가 필요하다. 특정 실시양태에서, 분쇄 단계는 유발/막자(mortar/pestle), 회전 텀블러, 진동 텀블러, 자기 텀블러, 롤 밀, 비드 밀 교반기, 디스크 밀, 바스켓 밀, 제트 밀, 볼 밀, 조 크러셔(jaw crusher), 로터 밀(rotor mill), 커팅 밀 나이프 밀(cutting mill knife mill), 크라이오 밀(cryo mill), 해머 밀(hammer mill), 핀 밀(pin mill), 사이클론 밀 및 분류기 밀로 이루어진 군으로부터 선택되는 장치에 의해 수행된다.

추가 실시양태에 따르면, 분쇄 단계는 암모니아 동결 폭발, 증기 가수분해 및 습식-산화로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의해 수행된다.

또 다른 추가 실시양태에 따르면, 분쇄 단계는 초음파 처리에 의해 수행된다.

특정 실시양태에 따르면, 분쇄 단계는 밀링된 마이크로브차르의 평균 입자 크기 직경이 약 10 마이크론 미만이 될 때까지 수행된다.

특정 구현에서, 분쇄 단계는 분쇄 동안 하나 이상의 기계적 분쇄 첨가제를 탄화된 바이오매스에 첨가하는 것을 포함한다. 추가 실시양태에 따르면, 하나 이상의 기계적 분쇄 첨가제는 강철, 크롬, 스테인리스 강, 세라믹, 고무, 석기, 알루미늄, 마그네슘, 지르코니아, 도자기, 실리카 및 유리로 이루어진 목록으로부터 선택된다. 특정 추가 실시양태에 따르면, 기계적 분쇄 첨가제는 직경이 약 1/32 인치 내지 약 5 인치 범위인 입자 크기를 갖는다.

특정 양태에서, 분쇄 단계는 분쇄 동안 하나 이상의 화학적 분쇄 첨가제를 탄화된 바이오매스에 첨가하는 것을 포함한다. 이들 실시양태의 특정 구현에서, 하나 이상의 화학적 분쇄 첨가제는 분산제, 계면활성제, 습윤제, 버니싱(burnishing) 화합물, 비누 세제, 과분산제, 비이온성 고-HLB 폴리알콕실화 계면활성제, 비-이온성 중합체, 소포제, 물, 수지, 표면 장력 개질제, 소수성 음이온성 중합체, 아세틸렌계 디올, 및 아세틸렌디올로 이루어진 목록으로부터 선택된다.

밀링된 마이크로브차르의 분쇄 후 변형

특정 실시양태에 따르면, 개시된 방법은 분쇄 단계 후에 밀링된 마이크로브차르를 변형시키는 것을 추가로 포함한다. 특정 양태에서, 이들 분쇄 후 변형 단계는 개별 입자 크기를 감소시키는 것을 추구한다. 추가 양태에서, 이들 단계는 특정 적용에 적합한 마이크로브차르를 제조하기 위해 입자 표면의 원하는 특성을 달성하기 위해 수행된다. 특정 실시양태에 따르면, 분쇄 후 변형은 마이크로브차르의 중금속 함량을 감소시키는 것을 추구한다. 추가 실시양태에서, 분쇄 후 처리는 가용성 무기 염의 제거 및/또는 회분 함량을 감소시키는 것을 추구한다. 더 추가 실시양태에서, 분쇄 후 변형은 전체 용해된 고체의 농도를 감소시킨다. 추가 구현에서, 분쇄 후 변형은 pH를 조정하고/하거나 입자의 표면적을 증가시키는 것을 포함한다. 추가 양태에서, 분쇄 후 처리는 마이크로브차르의 수분 함량을 추가로 감소시키는 것을 추구한다.

특정 양태에서, 마이크로브차르의 변형은 마이크로브차르에 화학적 첨가제를 첨가하는 것이다. 이들 실시양태의 특정 구현에 따르면, 화학적 첨가제는 방향족 화합물, 알코올, 염(예를 들어, 과황산암모늄), 계면활성제(예를 들어, 아베넬(Avenel)), 오일/지방/지방산/지질, 물(예를 들어, 증기) 이온 액체, 수소화, 화학적 가수분해, 효소 가수분해, 알칼리 용매(예를 들어, 수산화나트륨, 암모니아, 이산화탄소), 이산화탄소, 염소 가스, 황 가스, 질소 가스 및 산소 가스일 수 있다.

특정 구현에서, 밀링 후 마이크로브차르 표면 변형은 과산화수소 처리를 통해 이루어진다. 예시적 실시양태에서, 밀링 후, 마이크로브차르는 동결 건조를 통해 분리되고, 순도에 대해 분석된다. 분리 후, 마이크로브차르는 30%(w/w) 과산화수소 용액으로 추가로 기능화되고, 환류된다. 특정 실시양태에서, 환류는 약 60℃에서 약 24시간 동안 발생한다. 환류 후, 과량의 과산화수소가 제거된다. 예시적 실시양태에서, 과산화수소는 잔여 과산화물이 검출되지 않을 때까지 튜빙에서 탈이온수에 대한 투석에 의해 제거된다. 이어서, 최종 기능화된 분말은 다시 동결 건조될 수 있고, SEM EDS로 분석되어 표면 개질 정도를 측정하는 것을 도울 수 있다.

추가 양태에 따르면, 마이크로브차르의 변형은 마이크로브차르를 건조시키는 것을 포함한다. 이들 실시양태에 따르면, 이러한 건조 단계는 드럼 여과, 전량 여과, 미세여과, 한외여과, 압력 여과, 진공 여과, 접선 유동 여과, 규조토 여과, 막 여과, 자기 분리, 정삼투, 전기부상, 롤러 프레스, 벨트 수확기, 모세관 추출, 단순 가열/증발, 하이드로사이클론, 교차유동, 보조 분리(자기, 전기, 유전체, 음향), 입상층 필터, 프리코트 필터, 디스크 스택 원심분리, 교차유동 여과, 디캔터 원심분리, 및 유기 응집으로 이루어진 목록으로부터 선택되는 방법에 의해 수행된다. 특정 실시양태에서, 건조 단계는 전술한 것의 조합을 통해 수행된다.

특정 양태에서, 밀링 후 건조 단계는 미리 결정된 수분 감소 역치가 충족될 때까지 수행된다. 특정한 예시적 실시양태에서, 건조 단계는 마이크로브차르의 수분 함량이 약 8% 미만으로 감소될 때까지 수행된다.

이러한 건조는 어느 곳이든 바이오매스로부터 모든 용액의 30%와 99% 사이를 제거한다.

이 건조는 이 공정에 포함되거나 포함되지 않을 수 있다.

상기 중 임의의 것/모두 또는 상기 중 임의의 것의 임의의 조합의 특정 실시양태에서, 방법은 열 처리 단계 전에 미생물 바이오매스를 세척하는 단계를 추가로 포함한다.

특정 양태에 따르면, 개시된 방법은 하기 단계에 따라 수행된다. 제1 단계에서, 습윤 또는 건조 바이오매스를 칼슘 염, 제1 이온 공급원 또는 침전물-전구체의 수용액에 첨가한다. 다양한 구현에서, 염화칼슘은 칼슘 공급원이다. 수성 현탁액 내의 칼슘 염의 농도는 약 0.75 내지 30 중량%, 약 1 내지 20 중량%, 또는 약 1.5 내지 10 중량%이다.

추가 단계에서, 바이오매스는 용액에 현탁된다. 칼슘 염의 수용액에 현탁된 바이오매스의 농도는 고체 함량의 측면에서 약 0.1 내지 40 중량%의 범위 내, 또는 대안적으로 약 2 내지 20 중량%의 범위 내이다. 현탁액은 수성 현탁액의 온도가 약 0 내지 40℃, 또는 약 10 내지 35℃인 범위에서 제조된다.

추가의 선택적 단계에서, 혼합물은 세포막을 파괴하기 위해 전단되거나 초음파 처리된다. 이 단계는 또한 세포에 의한 칼슘 염의 흡수를 가속화할 수 있다.

또 다른 단계에서, 혼합물을 0 내지 40℃에서 0 내지 20시간, 또는 1 내지 20시간, 또는 0.5 내지 2시간 동안 교반한다.

또 다른 단계에서, 인산염, 제2 이온 공급원, 또는 역-침전물-전구체 이온의 수용액이 혼합물에 첨가된다. 인산염, 제2 이온 공급원, 또는 역-침전물-전구체 이온은 또한 고체 형태일 수 있다. 특정 구현에서, 인산삼나트륨이 사용된다. 인산염 농도는 바이오매스 혼합물의 최종 부피를 기준으로 계산될 때 약 1.25 내지 50 중량%, 약 2 내지 30 중량%, 또는 약 2.5 내지 20 중량%일 수 있다.

다음 선택적 단계에서, 혼합물을 0 내지 40℃에서 1 내지 20시간 동안 교반한다. 특정 구현에서, 혼합물은 0 내지 35℃에서 0 내지 20시간 동안 또는 일부 구현에서는 약 0.5 내지 2시간 동안 교반된다.

다음 단계에서, 침전물 및 바이오매스를 여과 제거한다. 침전물 및 바이오매스는 다양한 여과 방법, 예를 들어, 중력 침강, 원심 침강, 필터 프레스 등을 사용하여 액체로부터 여과될 수 있다. 다양한 구현에서, 필터 프레스가 사용된다.

또 다른 단계에서, 고체를 건조시키고 탄화시킨다.

추가 단계에서, 차르는 회분을 제거하기 위해 산 세척된다. 특정 구현에서, 산은 다양한 미네랄 성분을 용해하는 데 사용된다. 다양한 구현에서, 산은 염산이다. 특정 구현에서, 산은 약 -1.0 및 6 또는 약 0.1 내지 3.0의 pH를 갖는다.

실험 실시예

하기 실시예는 본원에 청구된 물품, 장치 및/또는 방법이 어떻게 제조되고 평가되는지에 대한 완전한 개시 및 설명을 당업자에게 제공하기 위해 제시되며, 순전히 본 발명의 예시인 것으로 의도되며, 본 발명자들이 이들의 발명으로 간주하는 것의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 그러나, 당업자는 본 발명의 개시에 비추어 개시된 특정 실시양태에서 많은 변화가 이루어질 수 있고, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 비슷하거나 유사한 결과를 여전히 얻을 수 있음을 인지해야 한다.

실시예 1

본 실시예에서, 3.46 g의 염화칼슘을 100.97 g의 탈이온수에 첨가하였다. 다음으로, 8.28 g의 효모를 염화칼슘 수용액에 첨가하여 바이오매스 현탁액을 얻었다. 혼합물을 1.5 인치 블레이드를 사용하여 2000 RPM에서 3분 동안 전단 혼합기로 전단하고 100℉에서 자기 교반 플레이트로 교반하였다.

다음으로, 7.38 g의 인산삼나트륨을 149.81 g의 탈이온수에 첨가한다. 이어서, 인산삼나트륨 수용액을 바이오매스 혼합물에 한 번에 첨가하였다. 최종 제조된 혼합물을 실온에서 1.5시간 동안 교반하고 2500 RPM에서 5분 동안 원심분리하였다. 상등액을 버리고 고체를 160℉에서 건조시켰다. 모든 샘플은 질소 가스 환경 내에서 565℃의 온도에서 20분 동안 SPIRAJOULE^® SPJ HT 가열 스크류 열분해기로 처리하였다.

실시예 2

본 실시예에서, 2.99 g의 염화칼슘을 99.50 g의 탈이온수에 첨가한다. 다음으로, 8.11 g의 스피울리나를 염화칼슘 수용액에 첨가하여 바이오매스 현탁액을 얻었다. 혼합물을 1.5 인치 블레이드를 사용하여 2000 RPM에서 2분 동안 전단 혼합기로 전단하고 150℉에서 자기 교반 플레이트로 교반하였다.

다음으로, 7.49 g의 인산삼나트륨을 149.52 g의 탈이온수에 첨가한다. 인산삼나트륨 수용액을 바이오매스 혼합물에 한 번에 첨가하였다. 최종 생성물 혼합물을 실온에서 2시간 동안 교반하고 2500 RPM에서 5분 동안 원심분리하였다. 상등액을 버리고 고체를 160℉에서 건조시켰다. 모든 샘플은 질소 가스 환경 내에서 565℃의 온도에서 20분 동안 SPIRAJOULE^® SPJ HT 가열 스크류 열분해기로 처리하였다.

실시예 3

한 실시예에서, 바이오매스가 함께 용융하도록 하는 탄화 전에 염을 바이오매스로부터 제거하였다. 바이오매스 사전 탄화에 염의 존재는 (i) 입자가 별개로 유지되고 (ii) 바이오매스에 기공이 형성되도록 한다.

도 1a는 가용성 음이온/양이온 혼합물로 처리된 다음, 탄화된 바이오매스를 나타낸다. 도 1b는 탄화 전에 산 세척을 통해 염을 제거한 다음 탄화된 바이오매스를 나타낸다. 도 1b에서, 바이오매스는 무정형 특징을 가졌다. 도 1c는 '구조된' 도 1b의 바이오매스, 즉 도 1b의 바이오매스가 가용성 음이온/양이온 혼합물로 재처리된 다음, 재처리된 물질을 탄화시킨 것을 나타낸다. 도 1c에서 다수의 기공을 볼 수 있다.

실시예 4

본 실시예에서, 사용된 바이오매스는 임의의 염으로 세척된 전체 세포 시아노박테리아로서 매장에서 판매되는 광합성 미생물이었다(Earthrise, 스피울리나(광합성 원핵생물), 식료품점 스피울리나). 도 2a는 어떠한 처리도 받지 않은 탄화된 바이오매스를 나타낸다. 도 2b는 가용성 음이온/양이온 혼합물로 처리한 다음, 탄화시킨 바이오매스를 나타낸다. 도 2b에는 다공성이 심한 표면을 가진 별개의 입자를 나타내었다.

실시예 5

본 실시예에서, 사용된 바이오매스는 발효기(UC-Anschutz의 연구원, 효모 (종속영양성 진핵생물), 효모)로부터의 전체 세포 효모였다. 도 3a는 어떠한 처리도 받지 않은 탄화된 바이오매스를 나타낸다. 도 3b는 가용성 음이온/양이온 혼합물로 처리한 다음, 탄화시킨 바이오매스를 나타낸다.

실시예 6

본 실시예에서, 탄화 전에 바이오매스를 염화(salting)하면 높은 유동성(flowability)/유출성(pourability) 특성을 갖는 차르가 제조된다. 실시예 4의 결과를 요약하여 표 1에 나타낸다. 도 4a는 임의의 염으로 세척한 다음, 탄화시킨 스피울리나 바이오매스를 나타낸다. 도 4a에서, 바이오매스는 그 본래 상태와 달리 고체-비유동성 매스로 급성장했다. 도 4b는 세척한 다음 순차적인 가용성 음이온/양이온 혼합물로 염화된 다음, 탄화시킨 스피울리나 바이오매스를 나타낸다. 도 4 b의 실시예에서, 탄화된 바이오매스는 형태가 비틀리지 않은 유동성 매스로 남아 있었다.

도 5a는 탄화되어 경화된 매스로 형성된 염화되지 않은 효모 바이오매스를 나타낸다. 도 5a에서 볼 수 있는 바와 같이, 탄화된 바이오매스는 용기의 중심에서 퍽(puck)으로 경화되어 그 원래 상태와는 상이한 형태로 비틀려졌다. 도 5b는 탄화 전에 가용성 음이온/양이온 혼합물로 처리된 효모 바이오매스를 나타낸다. 염화 및 탄화된 바이오매스로 용기를 채웠고 경질 매스로 탄화되지 않았고, 탄화 후에도 유동성을 유지했다.

실시예 7

표 2 내지 4에 나타낸 바와 같이, 탄화 전 바이오매스 염화, 및 탄화 후 산 세척은 제트니스 값을 실질적으로 증가시키는 것으로 나타났다. 또한, 탄화 전에 바이오매스를 염화하면, 탄화된 바이오매스가 자체적으로 점착되지 않고 자유롭게 유동하는 것으로 나타나는 탄화된 바이오매스의 유동성을 실질적으로 증가시킨다.

실시예 8

도 6a에는 염화-탄화된 바이오매스 상에 형성된 염 결정의 예를 나타낸다. 도 6b에서, 염은 염화-탄화된 바이오매스로부터 산 처리를 통해 제거되었고, 따라서 제조된 탄화된 바이오매스의 고도의 다공성 성질을 드러냈다.

이미지화

도 1 내지 3: TGA 후 모든 샘플에 대해 주사 전자 현미경 이미지를 획득하였다. 이미지는 Jeol/EQ InTouchscope를 사용하여 획득되었다. 5-10 mg의 샘플을 SEM 스터브(stub)에 고정된 양면 탄소 상에 뿌렸다. 샘플은 이미지화 동안 임의의 충전을 감소시키기 전에 금과 팔라듐으로 스퍼터 코팅하였다. 이미지는 150x, 500x 및 1500x 배율로 획득되었다.

도 4 및 5: TGA 후 샘플의 광학 이미지를 획득하고 TGA 내에서 해당 물질을 탄화하는 데 사용된 5 ml 부피 도가니에서 촬영하였다. 이미지는 휴대폰으로 촬영하였다.

도 6: TGA 후 모든 샘플에 대해 주사 전자 현미경 이미지를 획득하였다. 에너지 분산형 X-선 분광기가 장착된 Phenom Prox Desktop 주사 전자 현미경사진에서 이미지 캡처가 발생하였다. 5-10 mg의 샘플을 SEM 스터브에 고정된 양면 탄소 상에 뿌렸다. 샘플은 이미지화 동안 임의의 충전을 감소시키기 전에 금과 팔라듐으로 스퍼터 코팅하였다. 이미지의 배율은 100,000X이다.

본 발명의 개시가 바람직한 실시양태를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 개시된 장치, 시스템 및 방법의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 형태 및 세부사항에서 변경이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다.

Claims (22)

1. 미생물 바이오매스(biomass)로부터 카본 블랙 안료를 제조하는 방법으로서,
   수성 용매에 복수의 미생물 세포를 포함하는 미생물 바이오매스 용액을 제공하는 단계;
   상기 미생물 바이오매스 용액에 제1 가용성 이온을 첨가함으로써 상기 복수의 미생물 세포를 핵형성하는 단계;
   상기 미생물 바이오매스 용액에 제2 가용성 이온을 첨가함으로써 상기 복수의 미생물 세포 내에서 및/또는 상기 복수의 미생물 세포 상에 결정 형성을 개시하고, 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물 세포를 형성하는 단계로서, 상기 제1 가용성 이온의 전하는 상기 제2 가용성 이온의 전하와 반대이며, 상기 결정은 상기 제1 이온 및 제2 이온의 침전으로부터 형성되는, 단계; 및
   상기 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물 세포의 열 처리를 수행하여 탄화된 바이오매스(charred biomass)를 형성하는 단계;
   상기 탄화된 바이오매스를 세척하여 마이크로브차르(microbechar)를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 제1 이온이 음이온이며, 제2 이온이 양이온인 방법.
3. 제1항에 있어서, 제1 이온이 양이온이며, 제2 이온이 음이온인 방법.
4. 제3항에 있어서, 양이온이 칼슘이며, 음이온이 인산염인 방법.
5. 제1항에 있어서, 제1 이온 및 제2 이온이 화학양론적 비율로 존재하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 핵형성 단계가 제1 이온을 약 5분 내지 약 2시간의 기간 동안 복수의 미생물 세포와 함께 인큐베이션함으로써 핵형성 인큐베이션을 수행하는 것을 추가로 포함하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 인큐베이션 단계가 미생물 바이오매스 용액을 약 32℃ 내지 약 65℃의 온도로 가열하는 것을 추가로 포함하는 방법.
8. 제6항에 있어서, 인큐베이션 단계가 미생물 바이오매스 용액을 교반하는 것을 추가로 포함하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 교반 단계가 미생물 바이오매스 용액을 약 2000 RPM에서 약 2분 동안 전단 혼합을 통해 수행되는 방법.
10. 제1항에 있어서, 결정 형성 단계가 핵형성된 미생물 바이오매스 용액을 약 5분 내지 약 2시간의 기간 동안 제2 이온과 함께 인큐베이션함으로써 결정화 인큐베이션을 추가로 포함하는 방법.
11. 제1항에 있어서, 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물이 세포 표면 결정 형성을 갖고/갖거나 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물이 세포내 결정 형성을 갖는 방법.
12. 제1항에 있어서, 미생물 바이오매스가 복수의 원핵생물 세포를 포함하며, 여기서 상기 원핵생물 세포의 평균 세포 크기가 약 50 ㎛ 미만인 방법.
13. 제1항에 있어서, 미생물 바이오매스가 열 처리 단계 전에 약 30℃ 내지 약 300℃의 온도에서 건조되며, 미생물 바이오매스가 수분 함량이 약 15% 미만으로 감소될 때까지 건조되는 방법.
14. 제1항에 있어서, 열 처리 단계가 탄화된 바이오매스가 약 20% 내지 약 70%의 고정 탄소(fixed carbon)를 포함할 때까지 수행되는 방법.
15. 제1항에 있어서, 열 처리 단계가 산소 농도가 약 10 내지 15%가 될 때까지 수행되는 방법.
16. 제1항에 있어서, 탄화된 바이오매스의 세척이 산 세척이며, 상기 산 세척은 약 1분 내지 약 1시간의 시간 간격 동안 상기 탄화된 바이오매스의 pH를 약 2 미만으로 감소시키는 것을 포함하는 방법.
17. 제16항에 있어서, 산 세척 후 탄화된 바이오매스를 물에서 세척하는 것을 추가로 포함하며, 상기 산 세척 및 후속 물 세척이 다공성 마이크로브차르를 제조하는 방법.
18. 제1항에 있어서, 마이크로브차르의 세척 후 분쇄 단계를 추가로 포함하며, 상기 분쇄 단계는 밀링된 마이크로브차르의 평균 입자 크기 직경이 약 10 마이크론 미만이 될 때까지 수행되는 방법.
19. 제1항에 있어서, 제조된 카본 블랙 안료가 결정 형성 없이 유사하게 열 처리된 미생물 바이오매스에 비해 증가된 유동성을 갖는 방법.
20. 제1항에 있어서, 제조된 카본 블랙 안료가 결정 형성 없이 유사하게 열 처리된 미생물 바이오매스에 비해 증가된 다공성을 갖고/갖거나 상기 제조된 카본 블랙 안료가 결정 형성 없이 유사하게 열 처리된 미생물 바이오매스에 비해 증가된 제트니스(jetness)를 갖는 방법.
21. 미생물 바이오매스로부터 조작된 카본 블랙 안료를 제조하는 방법으로서,
    탄화된 바이오매스를 형성하기 위해 상기 미생물 바이오매스의 열 처리를 수행하는 단계로서, 상기 미생물 바이오매스는 복수의 결정으로 둘러싸인 미생물 세포를 포함하는 단계; 및
    마이크로브차르를 형성하기 위해 산 세척으로 탄화된 바이오매스를 세척하는 단계로서, 상기 세척 단계는 탄화된 바이오매스의 pH를 약 1분 내지 약 1시간의 시간 간격 동안 약 2 미만으로 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
22. 약 0.01 마이크론 내지 약 100 마이크론의 입자 크기를 갖는 미생물 바이오매스로부터 유래된 탄화된 바이오매스를 포함하는, 조작된 카본 블랙 안료.