KR20130121100A - 리그노셀룰로오스 바이오매스의 전처리 스트림으로부터 당을 회수하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 방법은 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료를 전처리하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은: 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료를 함침시키는 단계, 여기서 상기 함침된 바이오매스는 증기 및 액체의 물질로 존재할 수 있는 자유 액체와의 혼합물로 존재하고, 여기서 상기 자유 액체는 글루코스, 크실로스 및 이들 각각의 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용해된 화합물을 포함하며, 상기 함침된 바이오매스와 상기 자유 액체의 혼합물을 세척하는 단계, 여기서 함침된 세척 바이오매스 및 적어도 하나의 자유 액체 스트림을 생성시키기 위해, 글루코스, 크실로스 및 이들 각각의 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용해된 화합물을 함유하는 상기 자유 액체의 적어도 일부분은 상기 함침된 바이오매스로부터 분리되며, 방출 액체를 생성하기 위한 압축비에서 상기 함침된 바이오매스를 압축시키는 단계, 상기 함침된 바이오매스로부터 방출 액체를 분리시키는 단계, 및 상기 방출 액체의 적어도 일부분이 어떤 자유 액체와 분리를 유지시키는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 리그노셀룰로오스 바이오매스의 전처리 스트림으로부터 당을 회수하는 개선된 방법에 관한 것이다.
스팀 폭쇄 (steam explosion) 전에 리그노셀룰로오스 바이오매스 (lignocellulosic biomass)의 개별 전처리는 당 업계에 잘 알려져 있다. WO 2009/108773호는: 상기 공급 원료를 수용하는 제1 가압 반응기, 여기서 상기 공급 원료는 가수분해 (hydrolysis)가 수행되며; 상기 제1 가압 반응기의 공급원료 방출 포트에 대한 제1 가압 커플링, 및 제2 가압 반응기에 대한 제2 가압 커플링을 구비한 밀봉 장치; 제1 가압 반응기 및 상기 밀봉 및 추출 장치 중 적어도 하나에 상기 공급 원료로부터 추출된 용해된 헤미-셀룰로오스 물질을 포함하는 액체용 드레인; 상기 제1 가압 반응기에서의 압력보다 실질적으로 더 큰 압력에서 상기 밀봉 장치로부터 상기 가압된 공급 원료를 수용하는 제2 가압 반응기 어셈블리, 여기서 상기 공급원료의 세포들은 상기 제2 가압 반응기에서 물로 우러나지며; 그리고 상기 제2 가압 반응기 어셈블리의 팽창 장이 다운스트림을 포함하며, 여기서 상기 공급 원료가 스팀 폭쇄 반응이 진행되도록 상기 팽창 장치는 상기 제2 가압 반응기로부터 방출된 공급 원료의 압력을 신속하게 방출시키는 셀룰로오스 바이오매스 공급 원료를 전처리하는 공정을 개시하고 있다.
WO 2009/108733호의 도면 및 구체 예는 스팀 폭쇄 반응 전에 발생하는 모든 액체 추출 스트림의 결합을 공개하고 있다.
이러한 형상 및 구체 예가 모든 스트림의 결합을 개시하고 있기 때문에, WO 2009/108733호는 상기 스트림의 분리하는 장점을 갖는 디자인을 개시하는 것에 실패하였고, 따라서, 개별 스트림의 장점을 갖는 개선된 디자인은 요구된다.
본 발명은 리그노셀룰로오스 바이오매스의 전처리 스트림으로부터 당을 회수하는 경우, 개별 스트림의 장점을 갖는 개선된 방법을 제공한다.
리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료를 함침시키는 단계, 여기서 상기 함침된 바이오매스는 자유 액체 (free liquid)와의 혼합물로 존재하고, 여기서 상기 자유 액체는 글루코스, 크실로스 (xylose) 및 이들 각각의 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용해된 화합물을 포함하며; 상기 함침된 바이오매스와 상기 자유 액체의 혼합물을 세척하는 단계, 여기서 함침된 세척 바이오매스 및 적어도 하나의 자유 액체 스트림을 생성시키기 위해, 글루코스, 크실로스 및 이들 각각의 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용해된 화합물을 함유하는 상기 자유 액체의 적어도 일부분은 상기 함침된 바이오매스로부터 분리되며; 방출 액체 (released liquid)를 생성하기 위해 상기 함침된 바이오매스를 압축시키는 단계; 상기 함침된 바이오매스로부터 방출 액체를 분리시키는 단계; 및 상기 방출 액체의 적어도 일부분이 어떤 자유 액체와 분리를 유지시키는 단계를 포함하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법은 개시된다. 본 발명에 사용된 바와 같이, 상기 표현 "자유 액체"에서 용어 "액체"는 증기 및/또는 액체 상태로 존재할 수 있는 물질을 의미한다.
본 발명은 또한 상기 함침이 함침 반응기에서 수행되고, 상기 방출 액체의 적어도 일부분이 상기 함침 반응기에 도입되는 것을 개시한다.
본 발명은 또한 건조 물질의 양에 대한 상기 바이오매스 공급원료의 액체의 양과 첨가된 액체의 양의 비가 0.5:1 내지 10:1, 0.5:1 내지 5:1, 0.8:1 내지 10:1, 1:1 내지 10:1, 및 1:1 내지 5:1의 범위일 수 있는 것을 개시한다.
본 발명은 또한 제거된 압축 액체의 양에 대한 제거된 자유 액체의 중량비가 1:1 내지 5:1, 1.5:1 내지 4:1 및 2:1 내지 4:1의 범위일 수 있는 것을 개시한다.
본 발명은 또한 상기 함침된 바이오매스로부터 상기 자유 액체의 일부의 분리가 가압 단계 전에 하나 이상의 위치에서 실행되고, 상기 압축 단계 전에 하나 이상의 세척 단계가 있는 것을 개시한다.
본 발명은 또한 상기 압축 단계의 압축비가 1.5 내지 10의 범위인 것을 개시한다.
본 발명은 또한 상기 함침이 함침된 바이오매스를 생성하기 위해 적어도 1.5 bar의 압력 및 적어도 110 ℃의 온도에서 실행되는 것을 개시한다.
본 발명은 리그노셀룰로오스 바이오매스의 전처리 스트림으로부터 당을 효율적으로 회수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구체 예의 개략도이다.
본 발명의 공급 원료는 리그노셀룰로오스 바이오매스이다. 리그노셀룰로오스 물질은 다음과 같이 설명될 수 있는데: 전분은 예외로 하고, 식물성 바이오매스의 3대 주요 성분은 셀룰로오즈, 헤미셀룰로오즈 (hemicellulose) 및 리그닌 (lignin)이고, 이는 통상적으로 일반 용어 리그노셀룰로오즈 (lignocellulose)로 언급된다. 일반 용어로서 다당류-함유 바이오매스는 전분 및 리그노셀룰로오스 바이오매스 모두를 포함한다. 따라서, 전처리를 위한 공급원료의 몇 가지 타입은 식물성 바이오매스, 다당류 함유 바이오매스, 및 리그노셀룰로오스 바이오매스일 수 있다.
만약 상기 바이오매스가 다당류-함유 바이오매스이고, 이것이 리그노셀룰로오스라면, 상기 전-처리는 상기 리그노셀룰로오스 성분의 구조가 효소에 좀더 접근가능하게 제공되며, 동시에 아세트산, 퍼퓨랄 (furfural) 및 하이드록시메틸 퍼퓨랄 (hydroxymethyl furfural)과 같은 해로운 억제성 부산물의 농도를 실질적으로 낮게 유지하는 것을 보장하기 위해 종종 사용된다.
본 발명에 따른 다당류-함유 바이오매스는 중합체성 당류 (polymeric sugars), 예를 들어, 전분뿐만 아니라 정제된 전분, 셀룰로오즈 및 헤미셀룰로오즈의 형태를 함유하는 어떤 물질을 포함한다.
본 발명에 따른 전처리 및 후속 침전 (subsequent precipitation)을 위한 바이오매스의 관련 타입은, 예를 들어, 알곡 및 정제된 전분을 함유하는 전분과 같은 농작물; 예를 들어, 쌀, 밀, 호밀, 귀리, 보리, 유채, 사탕 수수로부터의 대, 버개스 (bagasse), 지푸라기; 예를 들어, Pinus sylvestris , Pinus radiate의 침엽수; 예를 들어, alix spp . Eucalyptus spp의 활엽수; 예를 들어, 비트 (beet), 감자와 같은 구근 (tuber); 예를 들어, 쌀, 밀, 호밀, 귀리, 보리, 유채, 사탕 수수, 옥수수로부터 온 씨리얼; 폐 종이, 바이오가스 공정에서의 섬유 분획, 분뇨, 팜 오일 공정에서의 잔유물, 도시 고형 폐기물 (municipal solid waste) 또는 그와 유사한 것으로부터 유도된 바이오매스를 포함할 수 있다.
상기 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료는 바람직하게 일반적으로 풀이라고 불리는 풀과 (family)로부터 유래한다. 적절한 명칭은 개화 식물의 릴리오포시다 군 (Class Liliopsida) (외떡잎)에서 화분과 (Poaceae) 또는 벼과 (Gramineae)로 알려진 과이다. 이런 과의 식물은 일반적으로 풀로 불리고, 또는 진정한 풀인 다른 그라미노이드 (graminoids)와는 다르다. 대나무는 또한 포함된다. 약 600 속 (genera) 및 풀의 약 9,000-10,000 이상의 종 (Kew Index of World Grass Species)이 있다.
화분과 (Poaceae)는 세계에서 재배된 주요 곡물 및 씨리얼 곡물, 잔디 및 사료 마초, 및 대나무를 포함한다. 화분과는 일반적으로 잎이 자라는 대 (culm)에 따른 지점인, 소위 노드 (node )의 간격에서 막힌, 대 (culm)로 명명되는 속이 빈 줄기를 갖는다. 풀 잎은 통상 선택적으로, (한 평면에서) 2분된 ( distichous ) 또는 드물게 나선형, 및 평행-줄 무늬 (parallel-veined)가 있다. 각각의 잎은 전반적으로 마진 (margins)을 갖는 블레이드 (blade ) 및 간격에 대해 줄기를 감싸는 하부 잎집 (sheath)으로 분화된다. 많은 풀의 잎 블레이드는 초식 동물의 섭취를 방해하는 실리카 식물석 (silica phytoliths)으로 단단해진다. (층꽃 억새 (sword grass)와 같은) 몇몇 풀에 있어서, 이것은 사람 피부를 충분히 벨 수 있는 날카로운 풀 블레이드의 가장자리를 만든다. 소위 잎혀 (ligule)인, 헤어 (hairs)의 막질의 부속물 또는 가장자리는, 잎집으로 침투하는 물 또는 곤충을 방해하는, 잎집 및 블레이드 사이에 접합에 자리한다.
풀 블레이드는 상기 블레이드의 기초에서 성장하고, 연장된 줄기 팁으로부터는 아니다. 이러한 저부의 성장점은 초식 동물에 대한 반응으로 진화된 것이고, 상기 식물에 심각한 손상 없이 정기적으로 목초 또는 벌초를 허용한다.
화분과의 꽃은 하나 이상의 작은 통꽃 (florets)을 갖는 각각의 작은 수상화인, 작은 수상화들 (spikelets)에서 특징적으로 배열된다 (상기 작은 수상화 (spikelets)는 원추 꽃차례 (panicles) 또는 수상 꽃차례 (spikes)로 더욱 그룹화된다). 작은 수상화는 토대에서 두 개 (또는 때때로 더 적게) 포엽 (bracts), 소위 영포 (glumes)로 이루어지고, 하나 이상의 통꽃이 수반된다. 통꽃은 포엽 (lemma) (외부 것) 및 내화영 (palea) (내부의 것)으로 명명된 두개의 포엽에 의해 감싸여진 꽃으로 이루어진다. 상기 꽃은 일반적으로 자웅동체 (hermaphroditic) (옥수수 (maize), 자화동주 (monoecious)는 예외)이고, 수분 (pollination)은 거의 항상 풍매 (anemophilous)이다. 화피 (perianth)는 포엽 및 내화영을 퍼트리기 위해 팽창 및 수축하는, 소위 인피 (lodicules), 두 배의 스케일로 감소되고; 이들은 일반적으로 수정된 꽃받침 조각으로 설명된다.
화분과의 과실은 씨앗 껍질 (seed coat)이 상기 과실 외피 (fruit wall)에 융합되는 곡과 (caryopsis)이고, 따라서, (옥수수 낟알과 같이) 이것으로부터 분리가능하지 않다.
풀에 존재하는 성장 습관 (growth habit)의 세가지 일반적인 분류가 있는데; 번치-타입 (bunch-type) (또한 소위 군생 (caespitose)), 포복지 (stoloniferous) 및 뿌리줄기 (rhizomatous))이다.
상기 풀의 성과는 이들의 모폴로지 및 성장 과정에서 일부분 및 이들의 생리적 다양성에서 일부분에 달려있다. 대부분의 풀은 탄소 고정화 (carbon fixation)을 위한 C3 및 C4 광합성 경로를 사용하여, 두가지 생리학적 그룹으로 분류된다. 상기 C4 풀은 열대 기후 및 이산화탄소의 낮은 대기에서 이들을 특히 적응하는 특화된 크란즈 (Kranz) 잎 해부학과 연결된 광합성 경로를 갖는다.
C3 풀은 C4 식물이 "난지형 풀 (warm season grasses)"로 고려되는 반면, "한지형 풀 (cool season grasses)"로 간주된다. 풀은 일년생 또는 다년생일 수 있다. 일년생 한지형의 예로는 밀, 호밀, 일년생 블루글래스 (일년생 왕포아풀 (meadowgrass), 포아 아누아 (Poa annua) 및 귀리)이다. 다년생 한지형의 예는 새발풀 (orchardgrass) (오리새 (cocksfoot), 닥틸리스 글로머라타 (Dactylis glomerata)), 김의털 (fescue) (Festuca 종), 켄터키 블루 그래스 (Kentucky Bluegrass) 및 다년생 라이그래스 (perennial ryegrass) (Lolium perenne)이다. 일년생 난지형의 예는 옥수수, 수단그래스 (sudangrass) 및 펄 밀렛 (pearl millet)이다. 다년생 난지형의 예는 빅 블루스템 (big bluestem), 인디안풀 (indiangrass), 버뮤다풀 (bermudagrass) 및 스위치풀 (switchgrass)이다.
상기 풀 과의 한 분류는 12개의 아과 (subfamilies)를 갖는다: 이것은 두 반구 (hemispheres)의 온대지역에서 자연적인, 풀의 약 500종의 속인 포아풀 (Poa)을 갖는, 1) 두 개의 속 (genera) (Anomochloa, Streptochaeta)을 포함하는 넓은-잎 풀의 작은 계통인, 아노모크로이다아제 (anomochlooideae); 2) Pharus 및 Leptaspis을 포함하는 세가지 속을 포함하는 풀의 작은 계통인, 파로이다아제 (Pharoideae); 3) 상기 아프리카 속 Puelia을 포함하는 작은 계통인, 푸에리오이다아제 (Puelioideae); 4) 밀, 보리, 귀리, 참새귀리-잔디 (Bronnus) 및 갈대-목초 (Calamagrostis)를 포함하는 푸오이다아제 (Pooideae); 5) 대나무를 포함하는 밤부소이다아제 (Bambusoideae); 6) 쌀, 및 팥 수수를 포함하는, 일하루토이다이제 (Ehrhartoideae); 7) 물대 (giant reed) 및 보통 갈대 (common reed)를 포함하는, 아룬디노이다아제 (Arundinoideae); 8) 파니코이다아제 (Panicoideae)에서 포함된 11 속의 작은 아과인, 센토티에코디아제 (Centothecoideae); 9) 러버그래스 (lovegrasses) (Eragrostis, ca. 테프 (teff)를 포함하는 350 종), 드롭시드 (dropseeds) (Sporobolus, 약 160 종), 핑거 밀렛 (finger millet) (Eleusine coracana (L.) Gaertn.), 및 머흐리 글라스 (muhly grasses) (Muhlenbergia, ca. 175 종)을 포함하는 클로리도이데애 (Chloridoideae); 10) 패닉 풀, 옥수수, 수수, 사탕 수수, 대부분의 기장 (millets), 포니오 (fonio) 및 나도기름새 (bluestem)의 풀을 포함하는 파니코이다아제 (Panicoideae); 11) 미크라이로이디아제 (Micrairoideae); 12) 팜파스 그래스 (pampas grass)를 포함하는 단토니오디아제 (Danthoniodieae);이다.
이들의 식용가능한 씨앗을 재배한 농작 풀은 소위 씨리얼이다. 세 가지 보통 씨리얼은 쌀, 밀, 및 옥수수 (콘)이다. 모든 곡물의 70%는 풀이다.
사탕수수 (Sugarcane)는 당 생산의 주요 소스이다. 풀은 건설 부분에 사용된다. 대나무로부터 제조된 발판 (Scaffolding)은 강철 발판을 파괴할 수 있는 태풍 힘을 견딜 수 있다. 더 큰 대나무 및 아룬도 풀 (Arundo donax)은 목재 (timber)와 유사한 방식에서 사용될 수 있는 단단한 줄기 (stout culm)를 갖고, 풀 뿌리는 잔디를 씌운 집의 잔디를 안정화시킨다. 아룬도는 목관악기 (woodwind instrument)용 갈대를 만들기 위해 사용되고, 대나무는 다수의 도구로 사용된다.
따라서 바람직한 리그노셀룰로오스 바이오매스는 상기 풀로 이루어진 군으로부터 선택된다. 선택적으로, 상기 바람직한 리그노셀룰로오스 바이오매스는 화분과 (paceae) 또는 벼과 (Gramineae) 군에 속하는 식물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 또 다른 바람직한 리그노셀룰로오스 바이오매스는 셀룰로오즈로 건조 물질의 적어도 5 중량%, 또는 더욱 바람직하게는 셀룰로오즈로 건조 물질의 적어도 10 중량%를 갖는 바이오매스이다.
본 발명의 공정을 도 1을 참조하여 설명한다. 상기 공급원료에서 건조 물질의 적어도 5 중량% 셀룰로오즈, 및 더 바람직하게는 적어도 10 중량%를 함유할 수 있는 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료는 S1을 통해 상기 함침 반응기로 들어간다. 스팀은 선택된 심각도에 의존하여, 0.5 kg stm/1kg 바이오매스 공급원료 내지 10 kg stm/1 kg 바이오매스 공급원료의 대표적인 속도 (exemplary rate)로 상기 함침 반응기에 첨가된다. 상기 함침 반응기 (제1 가압된 반응기)는 상기 원하는 심각도에 다시 의존하여, 약 30 분 내지 3 시간 이상 동안 스팀의 존재하에서 상기 바이오매스를 유지시킨다. 상기 함침 온도는 100 ℃ 내지 190 ℃의 범위 일 수 있고, 또는 그 이상 일 수도 있지만, 더 이상 추가적인 효과는 없다. 함침 후에, 상기 고체/액체/스팀 혼합물은 통상적으로 상기 함침 반응기의 동일한 압력하에서, 경사 반응기 (inclined reactor)로 고체 스트림 S2를 통해 방출된다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 상기 방출 스크류로부터 방출된, 자유 액체 스트림, L1이 있다. 상기 방출 스크류는 상기 고체 바이오매스에 약간의 압축을 생성할 수 있기 때문에, 상기 스트림, L1은 약간의 방출된 액체를 함께 함유할 수 있다. 상기 고체 바이오매스는 상기 고체 흐름에 역류로 흐르고, 자유 액체 스트림 L2를 통해 제거될 냉각 응축수 (condensate) 또는 첨가된 물과 함께 상기 경사 반응기로 운반된다.
자유 액체 또는 자유 물이 의미하는 것은 상기 고체 물질이 압축없이, 스크린, 여과, 중력 유동 (gravity flow)에 의해 제거될 수 있는 물 또는 액체이다. 자유 액체 스트림은 압축으로부터 방출된 액체로부터 자유로워야 할 필요가 없지만, 상기 자유 액체 스트림의 적어도 50%는 자유 액체일 수 있다. 바람직하게는, 자유 액체 스트림은 방출된 액체의 5 중량%를 초과하지는 않을 것이다. 자유 액체는 또한 아세트산, 글루코스, 크실로스 및 이의 용해성 올리고머를 포함하는, 가수분해된 리그노셀룰로오스 바이오매스의 용해성 산물을 함유할 것이다.
상기 문구 "방출된 액체"는, 일반적으로 다른 불용성 물질을 함유하는 물인, 액체가 상기 보이드 영역 (void area)에 결합된, 통상의 물인, 액체를 압착 또는 방출하기 위하여 상기 함침된 바이오매스를 가압, 압착, 또는 다른 압축시켜 일반적으로 방출되는 것과 같은, 상기 함침된 바이오매스로부터 방출된다는 것을 의미한다. 이것은 필터 프레스, 원심분리, 롤러 또는 압축 스크류에 의해 달성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 자유 액체 스트림 L1 및 L2은 H1으로 조합되고, 홀딩 탱크 1 (Holding Tank 1)으로 간다. 만약 하나의 자유 액체 스트림이라면, L2 및 H1는 동일할 것이다.
상기 경사 반응기를 떠나자마자, 상기 고체 바이오매스는 스팀 폭쇄를 준비하기 위해 압축 영역으로 스트림 S3를 통하여 통과된다. 상기 스팀 폭쇄는 상기 압축 영역을 통과한 후에 일어난다. 상기 압축 영역은 통상적으로 상기 고체를 압축하기 위한 장치를 가질 것이며, 상기 고체가 스팀 폭쇄를 위해 스트림 S4를 통과하고, 여기서 상기 스팀 폭쇄된 고체는 생성되고, 고체 스트림 S5를 통하여 다음 단위 작동으로 통과된다.
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 세척된 고체를 가압 또는 압축으로부터 얻어진, 적어도 50% 방출된 액체, 바람직하게는 5중량% 미만의 자유 액체를 함유하는 액체 스트림인, 방출된 액체 스트림 L3가, 놀랍게도 후속의 발효 공정에서 유용한 당 또는 화합물이 사실상 없지만, 아세트산으로 전환될 수 있는 자유 아세트산 및 아세틸의 합인, 일관된 양의 아세틸을 갖는다. 유사하게도, 글루칸은 상기 글루코스 및 상기 글루코-올리고머 및 글루코-폴리머, 즉, 셀룰로오즈의 합이다. 크실란은 상기 크실로스 및 크실로-올리고머 및 크실로-폴리머, 즉, 헤미셀룰로오즈의 합이다.
상기 압축 단계에서 압축 양은 상기 함침된 세척된 바이오매스에 적용된 압축비로 표시되고, 바람직하게는 1.5 내지 10의 범위이고, 좀더 바람직하게는 1.5 내지 5의 범위이다.
따라서, 상기 방출된 액체 스트림, L3의 제거는 그 자체가 장점이다. 그러나, 이의 아세트산 함량 때문에, 상기 고체 바이오매스를 가압 또는 압축하여 얻어진, 적어도 상기 방출된 액체 스트림, L3의 일부는 자가-가수분해 공정으로부터 산 촉매 가수분해까지 상기 함침 단계에서 일어나는 가수분해를 전환시키는 상기 함침 반응기로 재순환될 수 있고, 여기서, 상기 산은 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스로부터 유도된다. 이러한 산 가수분해의 장점은 황산과 같이-처리 후 제거하기 위한 문제를 갖는 산 화합물 첨가가 없다는 것이다.
상기 방출된 액체 스트림은 또한 퍼퓨랄과 같은, 어떤 특별히 원하지 않는 화합물을 제거하기 위해 상기 함침 반응기에 도입하기 전에 처리될 수 있다. 상기 스트림은 또한 농축될 수 있고, 본 공정에서 더욱 사용될 수 있다. 또는 상기 아세트산은 상기 스트림으로부터 회수될 수 있다.
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 자유 액체 스트림 L1 및 L2은 방출된 액체 스트림, L3에 비하여 높은 함량의 당을 함유하는 H1로 포획되고, 상기 스트림에 함유된 상기 당에 대해 하나 이상의 특정 처리를 위해 통과될 수 있고, 고체 스트림과 재조합될 수 있다.
따라서, 상기 공정은: 적어도 1.5 바 (bar) 및 20 바 (bar) 까지의 범위에서 압력, 및 적어도 110 ℃의 온도에서 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료를 합침시키는 단계; 상기 함침된 바이오매스를 세척하는 단계 및 상기 자유 액체의 적어도 일부분을 분리시키는 단계, 여기서 상기 자유 액체는 아세트산, 글루코스, 크실로스 및 이의 용해성 올리고머로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 불용성 화합물을 함유하며; 상기 함침된 바이오매스를 압축하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 함침된 세척 공급원료에 적용된 압축은 방출 액체를 생성하고, 상기 방출 액체는 상기 함침된 바이오매스로부터 분리되며, 상기 방출된 액체의 적어도 일부분은 상기 자유 액체와 조합 또는 혼합되지 않는다는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료를 전처리하기 위한 공정으로 기술될 수 있다.
표 1의 상세 항목과 같이, 상기 방출 액체는 사실상 당이 없고, 상기 방출 액체의 적어도 일부분은 상기 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료를 갖는 상기 함침 반응기에 첨가될 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 방출된 액체 스트림은 그것 안에 약간의 자유 액체를 가질 수 있다. 그러나, 상기 자유 액체의 분리는 상기 압축 단계에 들어가는 자유 액체가 없게 하기 위하여 가능한 한 완성시키는 것이 바람직하다. 자유 액체가 없다는 것은, 상기 압축 단계에 들어가는 상기 자유 액체가 상기 방출된 액체의 양 미만이어야 하고, 바람직하게는 5% 미만의 자유 액체의 양인 것을 의미한다.
8 바 내지 25.5 바의 범위에서 상기 함침되고, 세척되고, 압축된 바이오매스에 압력을 적용하는 부가적인 단계, 및 팽창 장치 다운스트림에 상기 공급원료를 통과시키는 단계가 있을 수 있고, 여기서 상기 팽창 장치는 상기 공급 원료가 스팀 폭쇄 반응을 수행하도록 상기 공급 원료의 압력을 신속히 방출시킨다.
상기 공정은 상기 세척 단계가 상기 함침 단계의 응축 스팀으로부터의 액체에 의해서만 수행되거나 또는 적어도 일부분에서 수행되는 것을 더욱 특징으로 할 수 있다. 이것은 상기 경사 반응기에서 물질을 냉각시켜 수행될 수 있고, 그래서 상기 응축수는 상부에서 응축될 수 있고, 상기 경사 반응기로 이동하는 고체 함침된 바이오매스의 흐름에 역류할 수 있다. 만약 원한다면, 부가적인 액체가 상기 압력 단계 전 어떤 단계에서 상기 함침된 바이오매스를 세척하기 위해 첨가될 수 있다.
상기 경사 반응기는 상기 액체 제거가 여과, 스크린, 또는 심지어 수평 반응기를 통해 수행될 수 있으므로, 필수적인 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 반응기는 상기 반응기를 통해 상기 함침된 바이오매스를 이동 또는 진행시키기 위한 스크류 또는 다른 메카니즘을 갖는다.
상기 자유 액체, 일반적으로 물은 상기 압축 단계 이전에 이것이 수행되어 제공된다면, 한 위치 또는 다중 위치에서 상기 함침된 바이오매스로부터 분리될 수 있고, 충분한 양의 자유 액체는 실질적으로 상기 방출된 액체에 당이 존재하지 않게 하기 위하여 분리된다. 실질적으로 상기 방출된 액체에 존재하는 당이 없다는 것은 상기 방출된 액체가 용해된 글루코스, 크실로스 및 이들의 각각 올리고머의 0.1 중량% 미만, 좀더 바람직하게는 0.05%, 및 가장 바람직하게는 0.025%를 갖는 것을 의미한다.
상기 공정을 조절하기 위한 하나의 방법으로, 상기 압력 단계 이전의 공정에 존재하는 액체의 양을 조절하는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 상기 압력 단계 이전에 제거된 액체의 양을 조절하고, 상기 공정 (예를 들어 상기 바이오매스에서 액체, 스팀, 세척 액체)에 들어가는 총 액체의 양을 인지하여, 상기 공정이 이전에 제거되지 않은 과량의 액체, 또는 자유 액체, 및 상기 가압된 액체의 첨가를 포함할 수 있기 때문에, 상기 가압 단계에서 필수적으로 제거된 액체의 양을 조절하는 것은 자명한 것이다. 상기 압축 단계에 들어가는 자유 액체의 양이 당을 함유할 수 있음에 따라 최소화되고, 압축으로부터 상기 방출된 액체가 실질적으로 당을 함유하지 않을 것이라는 것을 믿는다.
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 공급원료에서 건조 물질의 양에 대한 액체의 양의 비 (이 경우에, 상기 공급 원료에서의 물과 첨가된 물의 양을 더함)는 0.5:1 내지 10:1의 범위, 바람직하게는 0.5:1 내지 5:1, 좀더 바람직하게는 0.8:1 내지 10:1, 가장 바람직하게는 1:1 내지 5:1의 범위 일 수 있다. 더 높은 비는 더 많은 액체가 제거되고 처리되어야 한다.
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 분리된 방출 액체의 양에 대한 분리된 자유 액체의 양의 비(중량)는 1:1 내지 5:1 범위 이내, 좀더 바람직하게는 1.5:1 내지 4:1, 가장 바람직하게는 2:1 내지 4:1의 범위 이내이다. 이러한 양은 상기 스트림에서 건조 물질을 포함하지 않는, 상기 물이 시료로부터 증발된 후에 남는 양이다.
본 공정은 배치 또는 연속적 공정으로 운영될 수 있다.
[표 1]
상기 조성적 특성은 표준 분석 방법을 사용하여 결정되고, 그 절차는 다음과 같다:
바이오매스에서
구조적 탄수화물 및 리그닌의 결정
Laboratory Analytical Procedure (LAP) Issue Date: 4/25/2008
Technical Report NREL/TP-510-42618 Revised April 2008
바이오매스에서
추출물의 결정
Laboratory Analytical Procedure (LAP) Issue Date: 7/17/2005
Technical Report NREL/TP-510-42619 January 2008
조성물 분석에 대한 시료의 제조
Laboratory Analytical Procedure (LAP) Issue Date: 9/28/2005
Technical Report NREL/TP-510-42620 January 2008
바이오매스에서
총 고체 및 액체 공정 시료에서 총 용해된 고체의 측정
Laboratory Analytical Procedure (LAP) Issue Date: 3/31/2008
Technical Report NREL/TP-510-42621 Revised March 2008
바이오매스에서
재 (
Ash
)의 결정
Laboratory Analytical Procedure (LAP) Issue Date: 7/17/2005
Technical Report NREL/TP-510-42622 January 2008
액체 분획 공정 시료에서 당, 부산물 및
분해산물의
결정
Laboratory Analytical Procedure (LAP) Issue Date: 12/08/2006
Technical Report NREL/TP-510-42623 January 2008
전처리된
바이오매스
물질에서 불용성 고체의 결정
Laboratory Analytical Procedure (LAP) Issue Date: 03/21/2008
Technical Report NREL/TP-510-42627 March 2008
특허청구범위는 상세한 설명의 구체 예에 한정되지 않으며, 본 발명이 당 업자들에 의해 변형되는 것은 자명할 수 있다.
Claims (14)
- A) 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료를 함침시키는 단계, 여기서 상기 함침된 바이오매스는 증기 및 액체의 물질로 존재할 수 있는 자유 액체와의 혼합물로 존재하고, 여기서 상기 자유 액체는 글루코스, 크실로스 및 이들 각각의 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용해된 화합물을 포함하며,
B) 상기 함침된 바이오매스와 상기 자유 액체의 혼합물을 세척하는 단계, 여기서 함침된 세척 바이오매스 및 적어도 하나의 자유 액체 스트림을 생성시키기 위해, 글루코스, 크실로스 및 이들 각각의 올리고머로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용해된 화합물을 함유하는 상기 자유 액체의 적어도 일부분은 상기 함침된 바이오매스로부터 분리되며,
C) 방출 액체 (released liquid)를 생성하기 위한 압축비 (compression ratio)에서 상기 함침된 바이오매스를 압축시키는 단계,
D) 상기 함침된 바이오매스로부터 방출 액체를 분리시키는 단계, 및
E) 상기 방출 액체의 적어도 일부분이 어떤 자유 액체와 분리를 유지시키는 단계를 포함하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 함침은 함침 반응기에서 수행되고, 상기 방출 액체의 적어도 일부분은 상기 함침 반응기에 도입되는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
- 청구항 1 또는 2에 있어서,
건조 물질에 대한 상기 바이오매스 공급원료의 액체의 양과 첨가된 액체의 양의 비는 0.5:1 내지 10:1의 범위인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
- 청구항 1 또는 2에 있어서,
건조 물질에 대한 상기 바이오매스 공급원료의 액체의 양과 첨가된 액체의 양의 비는 0.5:1 내지 5:1의 범위인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
- 청구항 1 또는 2에 있어서,
건조 물질에 대한 상기 바이오매스 공급원료의 액체의 양과 첨가된 액체의 양의 비는 0.8:1 내지 10:1의 범위인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
- 청구항 1 또는 2에 있어서,
건조 물질에 대한 상기 바이오매스 공급원료의 액체의 양과 첨가된 액체의 양의 비는 1:1 내지 10:1의 범위인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
- 청구항 1 또는 2에 있어서,
건조 물질에 대한 상기 바이오매스 공급원료의 액체의 양과 첨가된 액체의 양의 비는 1:1 내지 5:1의 범위인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
- 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
제거된 압축 액체의 양에 대한 제거된 자유 액체의 중량비는 1:1 내지 5:1의 범위인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
- 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
제거된 압축 액체의 양에 대한 제거된 자유 액체의 중량비는 1.5:1 내지 4:1의 범위인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
- 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
제거된 압축 액체의 양에 대한 제거된 자유 액체의 중량비는 2:1 내지 4:1의 범위인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
- 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 함침된 바이오매스로부터 상기 자유 액체의 일부의 분리는 가압 단계 전에 하나 이상의 위치에서 실행되는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
- 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압축 단계 전에 하나 이상의 세척 단계가 있는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
- 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압축비는 1.5 내지 10의 범위인 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
- 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
상기 함침은 함침된 바이오매스를 생성하기 위해 적어도 1.5 bar의 압력 및 적어도 110 ℃의 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는 리그노셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리 방법.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PA0105 | International application |
Patent event date: 20130426 Patent event code: PA01051R01D Comment text: International Patent Application |
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| PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |