前加水分解と水蒸気爆裂前処理の連続プロセスを使用するヘミセルロースの前抽出のための方法
【課題】セルロース系バイオマス供給材から炭素系糖類を抽出する。
【解決手段】第一加圧反応器１２で供給材１４を前処理して加水分解し、第一加圧反応器から、加圧シール装置１８に供給材を排出し、第一加圧反応器に水蒸気１３を吹き込むことより第一加圧反応器に気相を維持し、吹き込まれた水蒸気が第一加圧反応器の供給材に熱エネルギーを供給し、第一加圧反応器または加圧シール装置の下流領域で供給材を洗浄し、第一加圧反応器と加圧シール装置の内の少なくとも一つの供給材から抽出された溶解ヘミセルロース材を含む液体を排出し、第二加圧反応器１６へ加圧シール装置から供給材を排出し、第二加圧反応器では供給材が第一加圧反応器より高い圧力に維持され、第二加圧反応器において、スチームまたは水蒸気を吹き込み供給材の細胞にスチームまたは水蒸気を染みこませ、その後圧力を急速に解放して、供給材の細胞に水蒸気膨張を起こさせ、供給材を精製する。
【解決手段】第一加圧反応器１２で供給材１４を前処理して加水分解し、第一加圧反応器から、加圧シール装置１８に供給材を排出し、第一加圧反応器に水蒸気１３を吹き込むことより第一加圧反応器に気相を維持し、吹き込まれた水蒸気が第一加圧反応器の供給材に熱エネルギーを供給し、第一加圧反応器または加圧シール装置の下流領域で供給材を洗浄し、第一加圧反応器と加圧シール装置の内の少なくとも一つの供給材から抽出された溶解ヘミセルロース材を含む液体を排出し、第二加圧反応器１６へ加圧シール装置から供給材を排出し、第二加圧反応器では供給材が第一加圧反応器より高い圧力に維持され、第二加圧反応器において、スチームまたは水蒸気を吹き込み供給材の細胞にスチームまたは水蒸気を染みこませ、その後圧力を急速に解放して、供給材の細胞に水蒸気膨張を起こさせ、供給材を精製する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロース系バイオマス供給材、例えば、農業廃棄物（茎、葉、および殻を含む）、藁や草、森林や製材所の廃物（木材チップや細裂化木材（shredded thinnings）を含む）の前処理に関する。特に、本発明は、バイオマス供給材から炭素系糖類（カーボンシュガー）を抽出するための前加水分解と水蒸気爆裂前処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧および／または高温は、セルロース系供給材からアルコール類、例えば、エタノールを生成させるのに使用される前処理に典型的な条件である。これらの従来の前処理では、Ｃ５糖類の幾つかの種類は、前処理に続く発酵ステップでＣ６糖類のアルコール発酵を抑制する成分に転化される。これらの抑制成分、例えば、アルデヒド類（例えば、ＨＭＦ、フルフラール、およびホルムアルデヒド）、単量体フェノール類（例えば、バニリンおよびコニフェリルアルデヒド）、酸（例えば、蟻酸）、および他の発酵抑制剤を除去すれば、前処理に続くＣ６発酵ステップでアルコール収量が増大するはずである。
【発明の概要】
【０００３】
セルロース系バイオマス供給材を前処理する方法が開発された。同方法は、
第一加圧反応器で供給材を前処理することによって、供給材が第一加圧反応器で加水分解を受けるステップ；
第一加圧反応器から第一加圧反応器の供給材排出ポートに通ずる第一加圧カップリングを有する加圧シール装置に供給材を排出するステップ；
第一加圧反応器に水蒸気を吹き込むことより、第一加圧反応器に気相を維持し、吹き込まれた水蒸気が第一加圧反応器の供給材に熱エネルギーを供給するステップ；
第一加圧反応器または加圧シール装置の下流領域で供給材を洗浄するステップ；
第一加圧反応器と加圧シール装置の内の少なくとも一つの供給材から抽出された溶解ヘミセルロース材を含む液体を排出するステップ；
第二加圧反応器に通ずる第二加圧カップリング経由で加圧シール装置から供給材を排出するステップであって、第二加圧反応器では供給材が第一加圧反応器より高い圧力に維持されるステップ；
第二加圧反応器において、スチームまたは水蒸気を第二加圧反応器に吹き込むことによって、供給材の細胞にスチームまたは水蒸気を染みこませるステップ、
および水が染み込まされた供給材に加えられた圧力を急速に解放して、供給材の細胞に水蒸気膨張を起こさせ、供給材を精製するステップ
を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】セルロース系バイオマス供給材の前処理のための２段反応器プロセスを通過する流れの概略図である。
【０００５】
【図２】排出口より低い位置にある入口を有する傾斜した第一反応器と水平な第二反応器を有する反応装置を示す図である。
【０００６】
【図３】排出口より高い位置にある入口を有する傾斜した第一反応器と水平な第二反応器を有する反応器システムを示す図である。
【０００７】
【図４】円錐形状の第二反応器を備える反応装置を示す図である。
【０００８】
【図５】複数のサイクロン分離器を備える反応装置を示す図である。
【０００９】
【図６】プラグ型スクリューフィーダーを有する反応装置を示す図である。
【００１０】
【図７】垂直型の第一反応器を備える反応装置を示す図である。
【００１１】
【図８】円錐型の第二反応器を備える反応装置の別の配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、供給材１４を加水分解し、これからヘミセルロースを溶解する第一加圧反応器１２を備えるセルロース系バイオマス供給材前処理プロセスの流れ図を示す。ヘミセルロースは、液体に溶解され、Ｃ５糖類が抽出され、その後、供給材は第二加圧反応器に流れ、供給材に残っているセルロースが蒸解される。加圧シール装置１８を使用することにより、直接第一反応器１２から第二反応器１６に流れる加圧供給材の連続流が可能となる。
【００１３】
供給材１４は、農業廃棄物（例えば、茎、葉、および殻）、藁、草、および森林や製材所の廃物（例えば、木材チップや細裂化木材）のようなセルロース系バイオマスの材料でよい。供給材１４は、貯蔵ビン２０に供給され、少なくとも一時的には大気圧に維持される。貯蔵ビンでは供給材を加熱するため、スチーム処理を予備的に行い得る。貯蔵ビン２０から、供給材は、コンベアー２２で運ばれ、圧力シール装置２４に至る。圧力シール装置２４は、例えば、ロータリーバルブ、プラグ型スクリューフィーダー、または米国のニューヨーク州グレンズフォールズ（Glens Falls）のアンドリッツ社（Andritz Inc.）販売のＭＳＤインプレサファイナー（Impressafiner）（登録商標）である。圧力シール装置２４は、第一加圧反応器１２に供給材が装入される入口として機能する。
【００１４】
第一加圧反応器１２では、セルロース系バイオマス供給材は、前処理され、加水分解プロセス、例えば、前加水分解、または自動加水分解を使って炭素系糖類（カーボンシュガー）、好ましくは、Ｃ５糖類を供給材から抽出し、その後で第二加圧反応器１６に送られる。第一加圧反応器は、水平型でも、傾斜型でも、垂直型でもよい。第一反応器１２における加水分解による蒸解は、連続プロセスとすることができ、供給材は、第一反応器１２に連続的に装入され、通過し、加圧シール装置１８に排出され、次いで第二反応器１６を通過する。
【００１５】
第一加圧反応器１２では、主に炭素原子５個を骨格とする糖類（本明細書では「Ｃ５糖類」と称する）であるヘミセルロースが、溶解され、引き続き加水分解される。ヘミセルロースは、第一加圧反応器１２から液体の中に抽出され、反応器１２から延びる導管２６経由でブローダウンタンクまたはドラム２８に導かれる。
【００１６】
広葉樹材中のヘミセルロースは、大部分がグルコマンナンであり、溶解され、第一反応器１２の前加水分解または自動加水分解で加水分解される。例えば、広葉樹材、穀物藁、および草の中のヘミセルロースは、第一反応器１２にある酸性溶液の中で（オプションとして触媒（複数を含む）の存在の下で）溶解し、低分子量のＣ５糖類、例えば、キシローズやアラビノースへ、そしてある程度は無定形のＣ６糖類へと加水分解し得る。低分子量のＣ５糖類と無定形Ｃ６糖類は、反応器１２で溶解されて、反応器１２からパイプ２６にリカー（液体）として排出される。第一反応器１２で供給材からリカーとして取り除かれるのが好ましいＣ５糖類副生物の例としては、アルデヒド類（ＨＭＦ、フルフラール、およびホルムアルデヒド）、単量体フェノール類（バニリンおよびコニフェリルアルデヒド）、および酸（酢酸や蟻酸など）が挙げられる。これらのＣ５糖類副生成物の除去が望ましいのは、供給材から第一反応器１２で分離しておかないと、それらまたはそれらのさらなる反応副生成物がＣ６糖類の発酵を抑制する可能性が高いからである。
【００１７】
第一加圧反応器１２では、供給材は酸性溶液中で処理し得る。酸性溶液は、前加水分解または自動加水分解を促進し、供給材中のヘミセルロースを溶解し、加水分解して低分子量のＣ５糖類と無定形のＣ６糖類に転化し得る。反応器１２は、反応器でスチーム相を生じさせるため、必ずしも供給材で満杯にする必要はない。スチーム相は、供給材に対する熱エネルギーを提供し、供給材の加水分解反応を促進する。供給材は、反応器のスチーム相と液相の片方または両方に存在し得る。反応器１２へのスチームは、スチーム源１３から反応器１２に供給される。スチームは、反応器１２の一個または複数個の位置に、好ましくは、反応器の供給材入口の近くに直接吹き込まれる。また、スチームは、反応器１２の入口のすぐ上流の供給材コンベアー２２と２４に吹き込み得る。反応器１２の入口の上流にスチームを吹き込むと、スチームと供給材の混合が促進され、その後にその混合物が反応器に入る。
【００１８】
加水分解、特に前加水分解と自動加水分解は、一般に、例えば、１１０℃〜１６０℃または１１０℃〜１７５℃の温度で、１．５〜６バール（１５０〜６００ｋＰａ）または１．５〜１０バール（１５０〜１０００ｋＰａ）のゲージ圧で、約十（１０）分間〜六十（６０）分間、好ましくは２０〜３０分間にわたってセルロース系バイオマス供給材を蒸解することを称する。加水分解を促進し、かつ加圧するには、第一加圧反応器１２には、温和な酸、二酸化硫黄ガス（ＳＯ２）、酸素、圧縮空気、アンモニア、水、水蒸気、スチーム（加熱して温度を維持するため）および触媒の内の一種類または複数種の流れをこれらの化合物各々の源３０、１３から加え得る。加えられる流れ（複数を含む）３０、１３は、第一加圧反応器１２に導入されるが、導入位置としては、供給材が反応器に入るところの近くで、供給材が第一加圧反応槽（vessel）を出るところから遠い位置とし得る。酸を加える別法として、第一反応器１２は、自動加水分解条件を使用し得る。例えば、自動加水分解条件下で供給材から放出される木酸を使用し得る。
【００１９】
供給材が第一反応器１２から排出されるときは、湿潤状態でも、乾燥状態でもよい。希釈水または希釈液３２をオプションとして第一反応器１２またはシール兼抽出装置１８に加え得る。希釈水を加えると、シール兼抽出装置１８からどのような溶解物質をも除去し得るという利点がり、導管２６と４８を通過する流れで回収される糖類の量が増加する。
【００２０】
さらに、洗浄工程１５を、第一反応器１２のすぐ下流に、かつ第二反応器１６の上流に、好ましくはシール兼抽出装置１８の上流に設け、供給材を希釈水で洗浄し、例えば、加水分解反応を確実に停止させ得る。例えば、洗浄工程は、第一反応器１２の流れの終点に、またはシール兼抽出装置１８の箇所に位置させ得る。洗浄工程１５では、例えば、希釈水源３２から、きれいな水が、第一反応器の出口近くの洗浄ゾーン（図７を参照）またはシール兼抽出装置１８の供給材に導入される。水源３２からの洗浄水は、１６０℃以下、１４０℃以下、または、１１０℃以下の温度を有し得る。洗浄水の温度は、洗浄ゾーンでの加水分解反応を抑制するため、第一反応器１２の温度より低くする。洗浄ゾーンでは、例えば、廃液導管４８経由で供給材から濾液（filtrate）１７が抽出される。
【００２１】
洗浄工程は、水蒸気爆裂プロセスの上流、例えば、バルブ３４の上流などでなければならない。水蒸気爆裂プロセスの上流で供給材を洗浄するのは、水蒸気爆裂プロセスの後で供給材を洗浄するのに比べて、より経済的であり、効率的である。水蒸気爆裂プロセスは、供給材の粒径を減少させ、従って、供給材の比表面積を増加させる。粒径が小さくなり、従って比表面積が大きくなると、供給材の脱水と洗浄の困難性が増す。水蒸気爆裂プロセスの上流で洗浄を行えば、これらの困難性が避けられる。水蒸気爆裂の前では供給材粒子が比較的粗く、比表面積がより小さいからである。
【００２２】
より大きい粒子の供給材を洗浄することが、より小さい粒子を洗浄することに比べて、より効率的であるので、洗浄機器、例えば、洗浄ゾーン、水注入器、濾過スクリーン、および抽出装置は、水蒸気爆裂プロセスの下流で洗浄するのに必要な洗浄機器に比べて扱い難いものでなく、しかも高価でないものとし得る。同様に、洗浄に係わるコストについても、例えば、洗浄液を供給したり、濾液を抽出したりするコストも、本ステップがプロセスの下流にある場合より、洗浄ステップが水蒸気爆裂プロセスの上流にある場合の方が、より少なくなる。
【００２３】
ブロータンク２８が集めるのは、溶解成分、例えば、パイプ（導管とも称される）２６と４８経由で第一反応器１２とシール兼抽出装置１８で供給材から抽出されたヘミセルロース由来のＣ５糖類である。反応器１２から抽出された溶解ヘミセルロース、例えば、Ｃ５糖類の溶液は、ブロータンクに至るパイプ４８中の減圧弁４９の箇所で、またはブロータンク２８の排出口の箇所で減圧し得る。供給材から分離され、タンク２８の中に貯蔵された後、ヘミセルロース中のＣ５糖類は、従来の工程で食品添加物として使用のキシローズに、好気性と嫌気性発酵でバイオガスに、高オクタン価の含酸素メチルフランに、そしてエタノールのようなアルコール類への転化用の糖類水溶液に転化し得る。Ｃ５糖類の転化には、転化反応を促進する特殊な微生物、例えば、酵素を使用し得る。
【００２４】
本開示におけるどのような反応装置に対しても、オプションの洗浄装置を第一反応器と第二反応器との間に備え、供給材を洗浄し得る。洗浄装置は、溶解ヘミセルロースの除去前または除去後に供給材に混合するのに使用される溶媒（例えば、第一反応器で使用される酸性溶液、水、スチームまたはこれらの混合物）の入口を備え得る。溶媒は、溶解成分を最初に除去した後でも除去し得なかった供給材に関連するヘミセルロースも溶解し得る。溶媒は、第一反応器の温度または圧力より低い温度または圧力で導入し得る。温度または圧力または両方は、第一反応器のもののより低いので、溶媒は、第一反応器で供給材に生じさせた化学反応を停止させるという追加的利点を有する。追加的ヘミセルロースと共に溶媒を含む洗浄装置の出口液は、ブロータンク２８の中の以前に抽出された溶解成分とは別々に処理することも、あるいはこれと一緒にすることもできる。洗浄装置は、プロセスの温度と圧力を維持するために追加的スチーム導入口をさらに備え得る。洗浄装置は、第一反応器（１２）またはシール兼抽出装置（１８）に内蔵させ、追加的ハードウェアは、洗浄ステップの実施には不必要とすることもできる。例えば、第一反応器またはシール兼抽出装置は、供給材をさらに洗浄するために追加的溶媒用入口を備え得る。溶媒は、反応装置の導管２６または４８のような通常の溶剤除去口を使用して除去し得る。
【００２５】
溶解ヘミセルロースを除去した後、残りの供給材は、第一反応器１２からシール兼抽出装置１８に排出される。供給材は、加圧された状態のままで第一反応器からシール兼抽出装置１８に流れる。シール兼抽出装置１８は、第一反応器１２から第二反応器１６まで供給材を運ぶ。シールまたは抽出装置１８は、供給材に加えられた圧力を、第一反応器１２の圧力より上のレベルに、かつ第二反応器１６の後に起こる水蒸気爆裂に適切なレベルに上昇させ得る。第二加圧反応器１６は、水平型または円錐型の反応槽（vessel）を備え得る。
【００２６】
加圧シール兼抽出装置１８は、（ＭＳＤ）インプレサファイナー（Impressafiner）（登録商標）、スクリュー装置のような押出機、またはプラグ型スクリューフィーダー、あるいは前処理された供給材を圧搾して、ブロータンク２８または同様の装置へ導管４８経由で排出される溶解成分（主としてヘミセルロース）を抽出するための同様のユニットでよい。シール兼抽出装置は、第一反応器１２の排出口の箇所のゲージ圧、例えば、１．５バール〜１０バールから第二反応器１６のゲージ圧、８バール〜２５バール以上へ供給材の圧力を上昇させ得る。
【００２７】
加圧された供給材は、第一反応器１２からシール兼抽出装置１８に流れるが、その作用は、反応器への供給材の連続流による重力で（図２〜図６に示されるように）、あるいは図７に示されるように排出スクレーパーまたは排出スクリュー５１で行い得る。抽出装置１８は、第一と第二の加圧反応器１２と１６の間に加圧シールを提供する。供給材は、第一反応器１２から加圧下に排出されるので、シール兼抽出装置１８は、好ましくは、加圧の下で供給材を受容する構造の入口を有する。例えば、シール兼抽出装置１８への入口は、第一反応器の出口に対してシール構造となっており、装置１８に入る供給材に加えられる圧力は決して逃がさないようにしている。
【００２８】
第二反応器１６は、例えば、垂直型、水平型または円錐型の反応器でよい。垂直型反応器は、図７と図８に示されており、供給材の下向きの流れを促進する底部を備え得る。そのような底部は、例えば、米国特許第５、６１７，９７５号明細書、および第５，６２８，８７３号明細書に開示されているダイアモンドバック型のもので、両明細書を参考文献として引用する。第二反応器１６に好適に使用される槽は、従来的なもので、水蒸気爆裂式パルプ化プロセスに普通に使用されるものである。
【００２９】
第二反応器は、好ましくは、第一反応器より高い圧力で操作される。第二反応器アセンブリ（第二反応器１６を備え得たもの、または第二反応器１６と反応器排出装置３６とを備え得たもの）から、供給材は高ゲージ圧で、例えば、８バール〜２５．５バールで排出される。第二反応器アセンブリは、供給材を反応器排出装置３６に移動させる排出スクリューフィーダーのような排出装置５２を備え得る。プロセス１０では、供給材は、第一反応器１２から始まって、シール兼抽出装置１８、第二反応器１６、反応器排出装置３６、そしてブロー弁３４に至るまで全体に実質的に高いゲージ圧、例えば、１．５バール以上に維持される。
【００３０】
第二反応器１６は、例えば、１７０℃〜２３０℃の温度で、約２分間〜５分間（または以上）、かつ８〜２５．５バール（８００〜２，５５０ｋＰａ）のゲージ圧でセルロース系バイオマス供給材を処理する。第二反応器１６はスチーム相の部分を備え、ここの部分の反応器にスチームが直接に吹き込まれ、供給材に必要な熱エネルギーが供給される。第二反応器１６では、源５３、３２から送られるスチーム、蒸気、および液体の水の内の一種または複数種が供給材のリグノセルロース材の内部構造中に拡散する。さらに、スチーム、水蒸気、または液体の水の源５３、３２が、第二加圧反応器１６に注入される触媒の液源として他の液を供給し得る。
【００３１】
第二反応器１６またはシール兼抽出装置１８に水３２を直接注入して、供給材に染みこませるべき希釈水を供給し得る。希釈水３２とスチーム、蒸気および触媒５３とはその源から、供給材が反応器に入る箇所に近いポイント（複数を含む）の第二反応器１６に注入し得る。
【００３２】
スチームまたは水蒸気は、第二反応器１６の供給材に染み込まされる。スチームと水蒸気は、第二反応器で処理されるリグノセルロース材の内部構造の毛細管様微細孔構造中に液体の水として部分的に凝縮する。
【００３３】
供給材の圧力は、第二反応器アセンブリの下流側に位置するブロー弁３４を通過することにより、劇的に低下される。ブロー弁３４前後の圧力降下は、好ましくは少なくとも十（１０）バールが減圧されることである。供給材の圧力は、ブロー弁３４によって１〜２バール（ゲージ）に減少し得る。なお、０バール（ゲージ）は、実質的に大気中の空気圧のことである。バルブ３４前後の大きな圧力降下は、水蒸気爆裂によるパルプ化に好適である。急速な圧力降下、すなわち、「フラッシング」が起こると、供給材のリグノセルロース材の細胞内の凝縮している液体の水がスチームに転化する。供給材の細胞中の水がスチームに転化すると、セルロース系バイオマス供給材中の細胞の大規模な破壊、すなわち、「爆裂」が引き起こされる。破壊が起こるのは、スチームで占められる容積が、細胞の中の水で占められる容積よりはるかに大きいからである。大規模な破壊としては、供給材の個々の細胞が破裂したり、また非晶湿セルロースに沿って、例えば、供給材のセルロース構造の円筒管と繊維との間で繊維が引き裂かれたりして起こるものがある。
【００３４】
第二反応器１６の排出口の箇所の供給材の圧力は、水蒸気爆裂パルプ化に十分な圧力とし得る。このことは、図８に示されている通りである。別法として、反応器排出装置３６を第二反応器アセンブリに備え、供給材の圧力を第二反応器における圧力よりも高くすることも可能である。反応器排出装置３６は、供給材の圧力をさらに上げて、水蒸気爆裂パルプ化に適した圧力、例えば、８バール（ゲージ）〜２５バール（ゲージ）にし得る。
【００３５】
第二加圧反応器１６は、高圧の下の供給材を、第二反応器とブロー弁３４の間に位置する反応器排出装置３６に排出し得る。第二加圧反応器アセンブリは、反応器１６単独でも、あるいは反応器排出装置３６を含めたものでもよい。反応器排出装置３６は、例えば、第二反応器の供給材排出ポートの箇所にあるスクレーパーまたはスウィーパー、ディスクミルリファイナー、中密度ファイバーボード（ＭＤＦ）ディスクリファイナー、ディスク型高圧圧縮機、またはプラグ型排出フィーダーなどとし得る。例えば、反応器排出装置３６の態様としては、毎分回転数（ｒｐｍ）１，２００ｒｐｍ〜３，０００ｒｐｍの回転速度で１５０馬力（１１０ＫＷ）の電気モーターで駆動されて運転されるシングルディスクリファイナーとし得る。また、反応器排出装置３６としてディスク式ミルリファイナーを使用する態様では、供給材がブロー弁３４を通過することによって水蒸気爆裂精製を受ける前にも、加圧供給材は部分的に精製作用を受け得る。
【００３６】
水蒸気爆裂の間、処理された供給材の粒子は供給材のセルロース構造ネットワークから分離される。サイクロン分離器またはブロータンク３８は、粒子に対する下部排出口３９と、スチーム、非圧縮性ガス（ＮＣＧ）、圧縮性ガス、および他の薬剤（chemical）蒸気４０に対する上部蒸気排出口４１を備える。これらの蒸気４０は、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）（複数を含む）を含み得るが、蒸気中の熱エネルギーを回収するために熱交換器に蒸気を通すなどをすることによって回収し得る。
【００３７】
サイクロンまたはブロータンク３８の下部排出口３９から排出された処理済み供給材の分離された粒子は、冷却装置４２で冷却し得る。冷却装置４２は、ベルトまたはスクリューコンベヤーを備え得る。処理された供給材は、酸または酵素処理を適用できる追加の反応器（複数を含む）４４で処理し得る。処理された供給材は、最終的に前処理済み供給材４６として排出される。
【００３８】
図１に示されるプロセス１０は、反応器と他の装置の多岐にわたる構成で実現し得る。そのような反応器と他の装置の構成の態様の幾つかが、図２〜図８に示される。図２〜図８の参照番号で、図１に共通な参照番号は、図１の共通参照番号によって識別されたものと同じ機能を果たす装置を称する。
【００３９】
図２〜図８に示されているように、第一反応器１２、例えば、前加水分解反応器は、図２〜図６に示されるように傾斜したり、図７に示されているように垂直型に配置されている。または第一反応器１２は実質的に水平型に配置されている。
【００４０】
第一加圧反応器１２は、従来の反応器で差し支えなく、例えば、供給材を反応器内で移動させるのに内部回転羽根またはスクリュー備えるパンディア（pandia）型反応器などである。供給材は、第一反応器に圧力シール装置２４（図１の）経由で入ることができる。圧力シール装置２４は、回転（rotary）弁６０（図２，図４，図５，図７、および図８に示されている）、プラグ型スクリーンフィーダー６２、例えば、ＭＳＤインプレサファイナー（Impressafiner）（登録商標）（図３と図６に示されているような）、または、圧力が加わっていない供給材を加圧反応器に導入する他の供給装置とし得る。
【００４１】
反応器１２から排出された溶解ヘミセルロースは、導管２６（図２，図４，図５、および図７に示されているように）に廃液として排出されるか、あるいは加圧シール兼抽出装置１８に全量が導かれる（図３と図６に示されるように）。図２，図３、図４、および図５に示されているように、傾斜している第一反応器１２であって、供給材を排出する上端５４に相対して下端５０を有する第一反応器１２は、溶解ヘミセルロース、例えば、Ｃ５糖類の大部分または全部を、反応器の下端５０における液体として排出する。これらの傾斜した第一反応器の上端５４は、プラグ型スクリューフィーダーとし得る加圧シール装置１８に対する圧力維持カップリングを有する。溶解ヘミセルロースを含む追加リカーは、シール装置１８から抽出して、導管４８と２６経由で減圧弁４９へ、さらにブロータンクまたはドラム２８へと導き得る。図３に示されるように、第一反応器に１２は、傾斜させ、反応器槽の下端５６が加圧シール装置に対する圧力維持カップリングを有するようにし得る。図３に示される反応器１２の下端５６からは、供給材と液体ヘミセルロース材の全量とが、加圧シール装置１８に排出される。導管４８は、圧力シール兼抽出装置１８から液体ヘミセルロースを排出して、その液を圧力減圧弁４９とタンクまたはドラム２８に導く。
【００４２】
図４〜図６が示すのは、供給材が、ブロー弁３４を通過し、水蒸気爆裂で処理された後、相異なるサイクロン３８２、３８４、および３８６、相異なる排出装置、および追加の反応器４２２、４２４、４２６を有する各々相異なる流れに分離し得ることである。例えば、供給材から得られたセルロースの一部を保留しておいて、別々に分離して、パルプ（紙）用または特殊薬剤（chemicals）用の用途に別々に処理することもできる。
【００４３】
図８に示される傾斜型第一反応器１２の下端５６には、加圧シール装置１８が接続される。反応器の上端５８には、ヘミセルロース液体を反応器から減圧弁４９とタンク２８に流すことが可能なオプションの廃液導管２６を設け得る。
【００４４】
図７に示されている垂直型第一加圧反応器１２は、供給材抜出機兼コンベアー５１を備え、反応器槽から供給材が抜き出され、ヘミセルロース液体が導管２６に排出され、さらに減圧弁４９経由で導かれ、ブロータンクまたはドラムに至る。
【００４５】
セルロース系バイオマス供給材前処理プロセス１０の態様の利点は、反応器槽の断面が、好ましくは、一定、または拡大するようにし、断面負荷量の変化や反応器槽のチャネリングや閉塞などを考慮せずに供給材流量または流速の拡大が可能なことである。例えば、反応器槽１２、１６の配置は、垂直型にも、傾斜型にも、水平型にもし得る。同様に、各反応器を通過する反応器供給材の流れは、反応器槽の配列方向次第で下向きにも、上向きにも、水平にもし得る。
【００４６】
本発明は、最も実際的かつ好ましい態様と現在考えられたものに関して記載したものであるが、本発明は、開示された態様に限定されず、逆に、特許請求の範囲に含まれる多岐にわたる改良や等価の改変も包含することが理解されなければならない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロース系バイオマス供給材、例えば、農業廃棄物（茎、葉、および殻を含む）、藁や草、森林や製材所の廃物（木材チップや細裂化木材（shredded thinnings）を含む）の前処理に関する。特に、本発明は、バイオマス供給材から炭素系糖類（カーボンシュガー）を抽出するための前加水分解と水蒸気爆裂前処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧および／または高温は、セルロース系供給材からアルコール類、例えば、エタノールを生成させるのに使用される前処理に典型的な条件である。これらの従来の前処理では、Ｃ５糖類の幾つかの種類は、前処理に続く発酵ステップでＣ６糖類のアルコール発酵を抑制する成分に転化される。これらの抑制成分、例えば、アルデヒド類（例えば、ＨＭＦ、フルフラール、およびホルムアルデヒド）、単量体フェノール類（例えば、バニリンおよびコニフェリルアルデヒド）、酸（例えば、蟻酸）、および他の発酵抑制剤を除去すれば、前処理に続くＣ６発酵ステップでアルコール収量が増大するはずである。
【発明の概要】
【０００３】
セルロース系バイオマス供給材を前処理する方法が開発された。同方法は、
第一加圧反応器で供給材を前処理することによって、供給材が第一加圧反応器で加水分解を受けるステップ；
第一加圧反応器から第一加圧反応器の供給材排出ポートに通ずる第一加圧カップリングを有する加圧シール装置に供給材を排出するステップ；
第一加圧反応器に水蒸気を吹き込むことより、第一加圧反応器に気相を維持し、吹き込まれた水蒸気が第一加圧反応器の供給材に熱エネルギーを供給するステップ；
第一加圧反応器または加圧シール装置の下流領域で供給材を洗浄するステップ；
第一加圧反応器と加圧シール装置の内の少なくとも一つの供給材から抽出された溶解ヘミセルロース材を含む液体を排出するステップ；
第二加圧反応器に通ずる第二加圧カップリング経由で加圧シール装置から供給材を排出するステップであって、第二加圧反応器では供給材が第一加圧反応器より高い圧力に維持されるステップ；
第二加圧反応器において、スチームまたは水蒸気を第二加圧反応器に吹き込むことによって、供給材の細胞にスチームまたは水蒸気を染みこませるステップ、
および水が染み込まされた供給材に加えられた圧力を急速に解放して、供給材の細胞に水蒸気膨張を起こさせ、供給材を精製するステップ
を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】セルロース系バイオマス供給材の前処理のための２段反応器プロセスを通過する流れの概略図である。
【０００５】
【図２】排出口より低い位置にある入口を有する傾斜した第一反応器と水平な第二反応器を有する反応装置を示す図である。
【０００６】
【図３】排出口より高い位置にある入口を有する傾斜した第一反応器と水平な第二反応器を有する反応器システムを示す図である。
【０００７】
【図４】円錐形状の第二反応器を備える反応装置を示す図である。
【０００８】
【図５】複数のサイクロン分離器を備える反応装置を示す図である。
【０００９】
【図６】プラグ型スクリューフィーダーを有する反応装置を示す図である。
【００１０】
【図７】垂直型の第一反応器を備える反応装置を示す図である。
【００１１】
【図８】円錐型の第二反応器を備える反応装置の別の配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、供給材１４を加水分解し、これからヘミセルロースを溶解する第一加圧反応器１２を備えるセルロース系バイオマス供給材前処理プロセスの流れ図を示す。ヘミセルロースは、液体に溶解され、Ｃ５糖類が抽出され、その後、供給材は第二加圧反応器に流れ、供給材に残っているセルロースが蒸解される。加圧シール装置１８を使用することにより、直接第一反応器１２から第二反応器１６に流れる加圧供給材の連続流が可能となる。
【００１３】
供給材１４は、農業廃棄物（例えば、茎、葉、および殻）、藁、草、および森林や製材所の廃物（例えば、木材チップや細裂化木材）のようなセルロース系バイオマスの材料でよい。供給材１４は、貯蔵ビン２０に供給され、少なくとも一時的には大気圧に維持される。貯蔵ビンでは供給材を加熱するため、スチーム処理を予備的に行い得る。貯蔵ビン２０から、供給材は、コンベアー２２で運ばれ、圧力シール装置２４に至る。圧力シール装置２４は、例えば、ロータリーバルブ、プラグ型スクリューフィーダー、または米国のニューヨーク州グレンズフォールズ（Glens Falls）のアンドリッツ社（Andritz Inc.）販売のＭＳＤインプレサファイナー（Impressafiner）（登録商標）である。圧力シール装置２４は、第一加圧反応器１２に供給材が装入される入口として機能する。
【００１４】
第一加圧反応器１２では、セルロース系バイオマス供給材は、前処理され、加水分解プロセス、例えば、前加水分解、または自動加水分解を使って炭素系糖類（カーボンシュガー）、好ましくは、Ｃ５糖類を供給材から抽出し、その後で第二加圧反応器１６に送られる。第一加圧反応器は、水平型でも、傾斜型でも、垂直型でもよい。第一反応器１２における加水分解による蒸解は、連続プロセスとすることができ、供給材は、第一反応器１２に連続的に装入され、通過し、加圧シール装置１８に排出され、次いで第二反応器１６を通過する。
【００１５】
第一加圧反応器１２では、主に炭素原子５個を骨格とする糖類（本明細書では「Ｃ５糖類」と称する）であるヘミセルロースが、溶解され、引き続き加水分解される。ヘミセルロースは、第一加圧反応器１２から液体の中に抽出され、反応器１２から延びる導管２６経由でブローダウンタンクまたはドラム２８に導かれる。
【００１６】
広葉樹材中のヘミセルロースは、大部分がグルコマンナンであり、溶解され、第一反応器１２の前加水分解または自動加水分解で加水分解される。例えば、広葉樹材、穀物藁、および草の中のヘミセルロースは、第一反応器１２にある酸性溶液の中で（オプションとして触媒（複数を含む）の存在の下で）溶解し、低分子量のＣ５糖類、例えば、キシローズやアラビノースへ、そしてある程度は無定形のＣ６糖類へと加水分解し得る。低分子量のＣ５糖類と無定形Ｃ６糖類は、反応器１２で溶解されて、反応器１２からパイプ２６にリカー（液体）として排出される。第一反応器１２で供給材からリカーとして取り除かれるのが好ましいＣ５糖類副生物の例としては、アルデヒド類（ＨＭＦ、フルフラール、およびホルムアルデヒド）、単量体フェノール類（バニリンおよびコニフェリルアルデヒド）、および酸（酢酸や蟻酸など）が挙げられる。これらのＣ５糖類副生成物の除去が望ましいのは、供給材から第一反応器１２で分離しておかないと、それらまたはそれらのさらなる反応副生成物がＣ６糖類の発酵を抑制する可能性が高いからである。
【００１７】
第一加圧反応器１２では、供給材は酸性溶液中で処理し得る。酸性溶液は、前加水分解または自動加水分解を促進し、供給材中のヘミセルロースを溶解し、加水分解して低分子量のＣ５糖類と無定形のＣ６糖類に転化し得る。反応器１２は、反応器でスチーム相を生じさせるため、必ずしも供給材で満杯にする必要はない。スチーム相は、供給材に対する熱エネルギーを提供し、供給材の加水分解反応を促進する。供給材は、反応器のスチーム相と液相の片方または両方に存在し得る。反応器１２へのスチームは、スチーム源１３から反応器１２に供給される。スチームは、反応器１２の一個または複数個の位置に、好ましくは、反応器の供給材入口の近くに直接吹き込まれる。また、スチームは、反応器１２の入口のすぐ上流の供給材コンベアー２２と２４に吹き込み得る。反応器１２の入口の上流にスチームを吹き込むと、スチームと供給材の混合が促進され、その後にその混合物が反応器に入る。
【００１８】
加水分解、特に前加水分解と自動加水分解は、一般に、例えば、１１０℃〜１６０℃または１１０℃〜１７５℃の温度で、１．５〜６バール（１５０〜６００ｋＰａ）または１．５〜１０バール（１５０〜１０００ｋＰａ）のゲージ圧で、約十（１０）分間〜六十（６０）分間、好ましくは２０〜３０分間にわたってセルロース系バイオマス供給材を蒸解することを称する。加水分解を促進し、かつ加圧するには、第一加圧反応器１２には、温和な酸、二酸化硫黄ガス（ＳＯ２）、酸素、圧縮空気、アンモニア、水、水蒸気、スチーム（加熱して温度を維持するため）および触媒の内の一種類または複数種の流れをこれらの化合物各々の源３０、１３から加え得る。加えられる流れ（複数を含む）３０、１３は、第一加圧反応器１２に導入されるが、導入位置としては、供給材が反応器に入るところの近くで、供給材が第一加圧反応槽（vessel）を出るところから遠い位置とし得る。酸を加える別法として、第一反応器１２は、自動加水分解条件を使用し得る。例えば、自動加水分解条件下で供給材から放出される木酸を使用し得る。
【００１９】
供給材が第一反応器１２から排出されるときは、湿潤状態でも、乾燥状態でもよい。希釈水または希釈液３２をオプションとして第一反応器１２またはシール兼抽出装置１８に加え得る。希釈水を加えると、シール兼抽出装置１８からどのような溶解物質をも除去し得るという利点がり、導管２６と４８を通過する流れで回収される糖類の量が増加する。
【００２０】
さらに、洗浄工程１５を、第一反応器１２のすぐ下流に、かつ第二反応器１６の上流に、好ましくはシール兼抽出装置１８の上流に設け、供給材を希釈水で洗浄し、例えば、加水分解反応を確実に停止させ得る。例えば、洗浄工程は、第一反応器１２の流れの終点に、またはシール兼抽出装置１８の箇所に位置させ得る。洗浄工程１５では、例えば、希釈水源３２から、きれいな水が、第一反応器の出口近くの洗浄ゾーン（図７を参照）またはシール兼抽出装置１８の供給材に導入される。水源３２からの洗浄水は、１６０℃以下、１４０℃以下、または、１１０℃以下の温度を有し得る。洗浄水の温度は、洗浄ゾーンでの加水分解反応を抑制するため、第一反応器１２の温度より低くする。洗浄ゾーンでは、例えば、廃液導管４８経由で供給材から濾液（filtrate）１７が抽出される。
【００２１】
洗浄工程は、水蒸気爆裂プロセスの上流、例えば、バルブ３４の上流などでなければならない。水蒸気爆裂プロセスの上流で供給材を洗浄するのは、水蒸気爆裂プロセスの後で供給材を洗浄するのに比べて、より経済的であり、効率的である。水蒸気爆裂プロセスは、供給材の粒径を減少させ、従って、供給材の比表面積を増加させる。粒径が小さくなり、従って比表面積が大きくなると、供給材の脱水と洗浄の困難性が増す。水蒸気爆裂プロセスの上流で洗浄を行えば、これらの困難性が避けられる。水蒸気爆裂の前では供給材粒子が比較的粗く、比表面積がより小さいからである。
【００２２】
より大きい粒子の供給材を洗浄することが、より小さい粒子を洗浄することに比べて、より効率的であるので、洗浄機器、例えば、洗浄ゾーン、水注入器、濾過スクリーン、および抽出装置は、水蒸気爆裂プロセスの下流で洗浄するのに必要な洗浄機器に比べて扱い難いものでなく、しかも高価でないものとし得る。同様に、洗浄に係わるコストについても、例えば、洗浄液を供給したり、濾液を抽出したりするコストも、本ステップがプロセスの下流にある場合より、洗浄ステップが水蒸気爆裂プロセスの上流にある場合の方が、より少なくなる。
【００２３】
ブロータンク２８が集めるのは、溶解成分、例えば、パイプ（導管とも称される）２６と４８経由で第一反応器１２とシール兼抽出装置１８で供給材から抽出されたヘミセルロース由来のＣ５糖類である。反応器１２から抽出された溶解ヘミセルロース、例えば、Ｃ５糖類の溶液は、ブロータンクに至るパイプ４８中の減圧弁４９の箇所で、またはブロータンク２８の排出口の箇所で減圧し得る。供給材から分離され、タンク２８の中に貯蔵された後、ヘミセルロース中のＣ５糖類は、従来の工程で食品添加物として使用のキシローズに、好気性と嫌気性発酵でバイオガスに、高オクタン価の含酸素メチルフランに、そしてエタノールのようなアルコール類への転化用の糖類水溶液に転化し得る。Ｃ５糖類の転化には、転化反応を促進する特殊な微生物、例えば、酵素を使用し得る。
【００２４】
本開示におけるどのような反応装置に対しても、オプションの洗浄装置を第一反応器と第二反応器との間に備え、供給材を洗浄し得る。洗浄装置は、溶解ヘミセルロースの除去前または除去後に供給材に混合するのに使用される溶媒（例えば、第一反応器で使用される酸性溶液、水、スチームまたはこれらの混合物）の入口を備え得る。溶媒は、溶解成分を最初に除去した後でも除去し得なかった供給材に関連するヘミセルロースも溶解し得る。溶媒は、第一反応器の温度または圧力より低い温度または圧力で導入し得る。温度または圧力または両方は、第一反応器のもののより低いので、溶媒は、第一反応器で供給材に生じさせた化学反応を停止させるという追加的利点を有する。追加的ヘミセルロースと共に溶媒を含む洗浄装置の出口液は、ブロータンク２８の中の以前に抽出された溶解成分とは別々に処理することも、あるいはこれと一緒にすることもできる。洗浄装置は、プロセスの温度と圧力を維持するために追加的スチーム導入口をさらに備え得る。洗浄装置は、第一反応器（１２）またはシール兼抽出装置（１８）に内蔵させ、追加的ハードウェアは、洗浄ステップの実施には不必要とすることもできる。例えば、第一反応器またはシール兼抽出装置は、供給材をさらに洗浄するために追加的溶媒用入口を備え得る。溶媒は、反応装置の導管２６または４８のような通常の溶剤除去口を使用して除去し得る。
【００２５】
溶解ヘミセルロースを除去した後、残りの供給材は、第一反応器１２からシール兼抽出装置１８に排出される。供給材は、加圧された状態のままで第一反応器からシール兼抽出装置１８に流れる。シール兼抽出装置１８は、第一反応器１２から第二反応器１６まで供給材を運ぶ。シールまたは抽出装置１８は、供給材に加えられた圧力を、第一反応器１２の圧力より上のレベルに、かつ第二反応器１６の後に起こる水蒸気爆裂に適切なレベルに上昇させ得る。第二加圧反応器１６は、水平型または円錐型の反応槽（vessel）を備え得る。
【００２６】
加圧シール兼抽出装置１８は、（ＭＳＤ）インプレサファイナー（Impressafiner）（登録商標）、スクリュー装置のような押出機、またはプラグ型スクリューフィーダー、あるいは前処理された供給材を圧搾して、ブロータンク２８または同様の装置へ導管４８経由で排出される溶解成分（主としてヘミセルロース）を抽出するための同様のユニットでよい。シール兼抽出装置は、第一反応器１２の排出口の箇所のゲージ圧、例えば、１．５バール〜１０バールから第二反応器１６のゲージ圧、８バール〜２５バール以上へ供給材の圧力を上昇させ得る。
【００２７】
加圧された供給材は、第一反応器１２からシール兼抽出装置１８に流れるが、その作用は、反応器への供給材の連続流による重力で（図２〜図６に示されるように）、あるいは図７に示されるように排出スクレーパーまたは排出スクリュー５１で行い得る。抽出装置１８は、第一と第二の加圧反応器１２と１６の間に加圧シールを提供する。供給材は、第一反応器１２から加圧下に排出されるので、シール兼抽出装置１８は、好ましくは、加圧の下で供給材を受容する構造の入口を有する。例えば、シール兼抽出装置１８への入口は、第一反応器の出口に対してシール構造となっており、装置１８に入る供給材に加えられる圧力は決して逃がさないようにしている。
【００２８】
第二反応器１６は、例えば、垂直型、水平型または円錐型の反応器でよい。垂直型反応器は、図７と図８に示されており、供給材の下向きの流れを促進する底部を備え得る。そのような底部は、例えば、米国特許第５、６１７，９７５号明細書、および第５，６２８，８７３号明細書に開示されているダイアモンドバック型のもので、両明細書を参考文献として引用する。第二反応器１６に好適に使用される槽は、従来的なもので、水蒸気爆裂式パルプ化プロセスに普通に使用されるものである。
【００２９】
第二反応器は、好ましくは、第一反応器より高い圧力で操作される。第二反応器アセンブリ（第二反応器１６を備え得たもの、または第二反応器１６と反応器排出装置３６とを備え得たもの）から、供給材は高ゲージ圧で、例えば、８バール〜２５．５バールで排出される。第二反応器アセンブリは、供給材を反応器排出装置３６に移動させる排出スクリューフィーダーのような排出装置５２を備え得る。プロセス１０では、供給材は、第一反応器１２から始まって、シール兼抽出装置１８、第二反応器１６、反応器排出装置３６、そしてブロー弁３４に至るまで全体に実質的に高いゲージ圧、例えば、１．５バール以上に維持される。
【００３０】
第二反応器１６は、例えば、１７０℃〜２３０℃の温度で、約２分間〜５分間（または以上）、かつ８〜２５．５バール（８００〜２，５５０ｋＰａ）のゲージ圧でセルロース系バイオマス供給材を処理する。第二反応器１６はスチーム相の部分を備え、ここの部分の反応器にスチームが直接に吹き込まれ、供給材に必要な熱エネルギーが供給される。第二反応器１６では、源５３、３２から送られるスチーム、蒸気、および液体の水の内の一種または複数種が供給材のリグノセルロース材の内部構造中に拡散する。さらに、スチーム、水蒸気、または液体の水の源５３、３２が、第二加圧反応器１６に注入される触媒の液源として他の液を供給し得る。
【００３１】
第二反応器１６またはシール兼抽出装置１８に水３２を直接注入して、供給材に染みこませるべき希釈水を供給し得る。希釈水３２とスチーム、蒸気および触媒５３とはその源から、供給材が反応器に入る箇所に近いポイント（複数を含む）の第二反応器１６に注入し得る。
【００３２】
スチームまたは水蒸気は、第二反応器１６の供給材に染み込まされる。スチームと水蒸気は、第二反応器で処理されるリグノセルロース材の内部構造の毛細管様微細孔構造中に液体の水として部分的に凝縮する。
【００３３】
供給材の圧力は、第二反応器アセンブリの下流側に位置するブロー弁３４を通過することにより、劇的に低下される。ブロー弁３４前後の圧力降下は、好ましくは少なくとも十（１０）バールが減圧されることである。供給材の圧力は、ブロー弁３４によって１〜２バール（ゲージ）に減少し得る。なお、０バール（ゲージ）は、実質的に大気中の空気圧のことである。バルブ３４前後の大きな圧力降下は、水蒸気爆裂によるパルプ化に好適である。急速な圧力降下、すなわち、「フラッシング」が起こると、供給材のリグノセルロース材の細胞内の凝縮している液体の水がスチームに転化する。供給材の細胞中の水がスチームに転化すると、セルロース系バイオマス供給材中の細胞の大規模な破壊、すなわち、「爆裂」が引き起こされる。破壊が起こるのは、スチームで占められる容積が、細胞の中の水で占められる容積よりはるかに大きいからである。大規模な破壊としては、供給材の個々の細胞が破裂したり、また非晶湿セルロースに沿って、例えば、供給材のセルロース構造の円筒管と繊維との間で繊維が引き裂かれたりして起こるものがある。
【００３４】
第二反応器１６の排出口の箇所の供給材の圧力は、水蒸気爆裂パルプ化に十分な圧力とし得る。このことは、図８に示されている通りである。別法として、反応器排出装置３６を第二反応器アセンブリに備え、供給材の圧力を第二反応器における圧力よりも高くすることも可能である。反応器排出装置３６は、供給材の圧力をさらに上げて、水蒸気爆裂パルプ化に適した圧力、例えば、８バール（ゲージ）〜２５バール（ゲージ）にし得る。
【００３５】
第二加圧反応器１６は、高圧の下の供給材を、第二反応器とブロー弁３４の間に位置する反応器排出装置３６に排出し得る。第二加圧反応器アセンブリは、反応器１６単独でも、あるいは反応器排出装置３６を含めたものでもよい。反応器排出装置３６は、例えば、第二反応器の供給材排出ポートの箇所にあるスクレーパーまたはスウィーパー、ディスクミルリファイナー、中密度ファイバーボード（ＭＤＦ）ディスクリファイナー、ディスク型高圧圧縮機、またはプラグ型排出フィーダーなどとし得る。例えば、反応器排出装置３６の態様としては、毎分回転数（ｒｐｍ）１，２００ｒｐｍ〜３，０００ｒｐｍの回転速度で１５０馬力（１１０ＫＷ）の電気モーターで駆動されて運転されるシングルディスクリファイナーとし得る。また、反応器排出装置３６としてディスク式ミルリファイナーを使用する態様では、供給材がブロー弁３４を通過することによって水蒸気爆裂精製を受ける前にも、加圧供給材は部分的に精製作用を受け得る。
【００３６】
水蒸気爆裂の間、処理された供給材の粒子は供給材のセルロース構造ネットワークから分離される。サイクロン分離器またはブロータンク３８は、粒子に対する下部排出口３９と、スチーム、非圧縮性ガス（ＮＣＧ）、圧縮性ガス、および他の薬剤（chemical）蒸気４０に対する上部蒸気排出口４１を備える。これらの蒸気４０は、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）（複数を含む）を含み得るが、蒸気中の熱エネルギーを回収するために熱交換器に蒸気を通すなどをすることによって回収し得る。
【００３７】
サイクロンまたはブロータンク３８の下部排出口３９から排出された処理済み供給材の分離された粒子は、冷却装置４２で冷却し得る。冷却装置４２は、ベルトまたはスクリューコンベヤーを備え得る。処理された供給材は、酸または酵素処理を適用できる追加の反応器（複数を含む）４４で処理し得る。処理された供給材は、最終的に前処理済み供給材４６として排出される。
【００３８】
図１に示されるプロセス１０は、反応器と他の装置の多岐にわたる構成で実現し得る。そのような反応器と他の装置の構成の態様の幾つかが、図２〜図８に示される。図２〜図８の参照番号で、図１に共通な参照番号は、図１の共通参照番号によって識別されたものと同じ機能を果たす装置を称する。
【００３９】
図２〜図８に示されているように、第一反応器１２、例えば、前加水分解反応器は、図２〜図６に示されるように傾斜したり、図７に示されているように垂直型に配置されている。または第一反応器１２は実質的に水平型に配置されている。
【００４０】
第一加圧反応器１２は、従来の反応器で差し支えなく、例えば、供給材を反応器内で移動させるのに内部回転羽根またはスクリュー備えるパンディア（pandia）型反応器などである。供給材は、第一反応器に圧力シール装置２４（図１の）経由で入ることができる。圧力シール装置２４は、回転（rotary）弁６０（図２，図４，図５，図７、および図８に示されている）、プラグ型スクリーンフィーダー６２、例えば、ＭＳＤインプレサファイナー（Impressafiner）（登録商標）（図３と図６に示されているような）、または、圧力が加わっていない供給材を加圧反応器に導入する他の供給装置とし得る。
【００４１】
反応器１２から排出された溶解ヘミセルロースは、導管２６（図２，図４，図５、および図７に示されているように）に廃液として排出されるか、あるいは加圧シール兼抽出装置１８に全量が導かれる（図３と図６に示されるように）。図２，図３、図４、および図５に示されているように、傾斜している第一反応器１２であって、供給材を排出する上端５４に相対して下端５０を有する第一反応器１２は、溶解ヘミセルロース、例えば、Ｃ５糖類の大部分または全部を、反応器の下端５０における液体として排出する。これらの傾斜した第一反応器の上端５４は、プラグ型スクリューフィーダーとし得る加圧シール装置１８に対する圧力維持カップリングを有する。溶解ヘミセルロースを含む追加リカーは、シール装置１８から抽出して、導管４８と２６経由で減圧弁４９へ、さらにブロータンクまたはドラム２８へと導き得る。図３に示されるように、第一反応器に１２は、傾斜させ、反応器槽の下端５６が加圧シール装置に対する圧力維持カップリングを有するようにし得る。図３に示される反応器１２の下端５６からは、供給材と液体ヘミセルロース材の全量とが、加圧シール装置１８に排出される。導管４８は、圧力シール兼抽出装置１８から液体ヘミセルロースを排出して、その液を圧力減圧弁４９とタンクまたはドラム２８に導く。
【００４２】
図４〜図６が示すのは、供給材が、ブロー弁３４を通過し、水蒸気爆裂で処理された後、相異なるサイクロン３８２、３８４、および３８６、相異なる排出装置、および追加の反応器４２２、４２４、４２６を有する各々相異なる流れに分離し得ることである。例えば、供給材から得られたセルロースの一部を保留しておいて、別々に分離して、パルプ（紙）用または特殊薬剤（chemicals）用の用途に別々に処理することもできる。
【００４３】
図８に示される傾斜型第一反応器１２の下端５６には、加圧シール装置１８が接続される。反応器の上端５８には、ヘミセルロース液体を反応器から減圧弁４９とタンク２８に流すことが可能なオプションの廃液導管２６を設け得る。
【００４４】
図７に示されている垂直型第一加圧反応器１２は、供給材抜出機兼コンベアー５１を備え、反応器槽から供給材が抜き出され、ヘミセルロース液体が導管２６に排出され、さらに減圧弁４９経由で導かれ、ブロータンクまたはドラムに至る。
【００４５】
セルロース系バイオマス供給材前処理プロセス１０の態様の利点は、反応器槽の断面が、好ましくは、一定、または拡大するようにし、断面負荷量の変化や反応器槽のチャネリングや閉塞などを考慮せずに供給材流量または流速の拡大が可能なことである。例えば、反応器槽１２、１６の配置は、垂直型にも、傾斜型にも、水平型にもし得る。同様に、各反応器を通過する反応器供給材の流れは、反応器槽の配列方向次第で下向きにも、上向きにも、水平にもし得る。
【００４６】
本発明は、最も実際的かつ好ましい態様と現在考えられたものに関して記載したものであるが、本発明は、開示された態様に限定されず、逆に、特許請求の範囲に含まれる多岐にわたる改良や等価の改変も包含することが理解されなければならない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース系バイオマス供給材を前処理するための方法が、
第一加圧反応器で供給材を前処理することによって、供給材が第一加圧反応器で加水分解を受けるステップ；
第一加圧反応器から、第一加圧反応器の供給材排出ポートに通ずる第一加圧カップリングを有する加圧シール装置に供給材を排出するステップ；
第一加圧反応器に水蒸気を吹き込むことより、第一加圧反応器に気相を維持し、吹き込まれた水蒸気が第一加圧反応器の供給材に熱エネルギーを供給するステップ；
第一加圧反応器または加圧シール装置の下流領域で供給材を洗浄するステップ；
第一加圧反応器と加圧シール装置の内の少なくとも一つの供給材から抽出された溶解ヘミセルロース材を含む液体を排出するステップ；
第二加圧反応器に通ずる第二加圧カップリング経由で加圧シール装置から供給材を排出するステップであって、第二加圧反応器では供給材が第一加圧反応器より高い圧力に維持されるステップ；
第二加圧反応器において、スチームまたは水蒸気を第二加圧反応器に吹き込むことによって、供給材の細胞にスチームまたは水蒸気を染みこませるステップ、および
水が染み込まされた供給材に加えられた圧力を急速に解放して、供給材の細胞に水蒸気膨張を起こさせ、供給材を精製するステップ
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
温和な酸、二酸化硫黄ガス（ＳＯ２）、酸素、圧縮空気、水蒸気、水および触媒の内の少なくとも一つを、第一加圧反応器と第二加圧反応器の内の少なくとも一つの供給材に導入するステップをさらに含む請求項１の方法。
【請求項３】
供給材を前処理するステップが、１１０℃〜１６０℃の範囲の内部温度、１５０ｋＰａ〜６００ｋＰａの範囲の圧力を有する第一加圧反応器で起こり、供給材が第一加圧反応器で１０分間〜６０分間維持される請求項１または２の方法。
【請求項４】
供給材を前処理するステップが、１１０℃〜１７５℃の範囲の内部温度、１５０ｋＰａ〜１，０００ｋＰａの範囲の圧力を有する第一加圧反応器で起こさせ、供給材が第一加圧反応器で１０分間〜６０分間維持される請求項１〜３のいずれかの方法。
【請求項５】
供給材が、第一加圧反応器、加圧シール装置、第二加圧反応器を通過し、第二加圧反応器下流での急速な圧力解放に至るまで連続した流れとして流れる請求項１〜４のいずれかの方法。
【請求項６】
圧力の急速解放により、供給材の圧力が少なくとも１０バール減少する請求項１〜５のいずれかの方法。
【請求項７】
洗浄ステップが、前記供給材排出ステップと前記廃液排出ステップとの間にあり、前記第一加圧反応器と前記第二加圧反応器の間で前記供給材からの溶解ヘミセルロース系材料を洗浄する請求項１〜６のいずれかの方法。
【請求項８】
前記洗浄ステップが、１６０℃以下の温度で行われる請求項７の方法。
【請求項９】
前記洗浄ステップが、１４０℃以下の温度で行われる請求項７または８の方法。
【請求項１０】
プロセスが連続プロセスである請求項１〜９のいずれかの方法。
【請求項１１】
供給材が、前記第一加圧反応器と前記第二加圧反応器を通過して連続流として流れる請求項１〜１０のいずれかの方法。
【請求項１２】
スチームまたは水蒸気の第二加圧反応器への吹き込みにより、第二加圧反応器に気相が形成される請求項１〜１１のいずれかの方法。
【請求項１】
セルロース系バイオマス供給材を前処理するための方法が、
第一加圧反応器で供給材を前処理することによって、供給材が第一加圧反応器で加水分解を受けるステップ；
第一加圧反応器から、第一加圧反応器の供給材排出ポートに通ずる第一加圧カップリングを有する加圧シール装置に供給材を排出するステップ；
第一加圧反応器に水蒸気を吹き込むことより、第一加圧反応器に気相を維持し、吹き込まれた水蒸気が第一加圧反応器の供給材に熱エネルギーを供給するステップ；
第一加圧反応器または加圧シール装置の下流領域で供給材を洗浄するステップ；
第一加圧反応器と加圧シール装置の内の少なくとも一つの供給材から抽出された溶解ヘミセルロース材を含む液体を排出するステップ；
第二加圧反応器に通ずる第二加圧カップリング経由で加圧シール装置から供給材を排出するステップであって、第二加圧反応器では供給材が第一加圧反応器より高い圧力に維持されるステップ；
第二加圧反応器において、スチームまたは水蒸気を第二加圧反応器に吹き込むことによって、供給材の細胞にスチームまたは水蒸気を染みこませるステップ、および
水が染み込まされた供給材に加えられた圧力を急速に解放して、供給材の細胞に水蒸気膨張を起こさせ、供給材を精製するステップ
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
温和な酸、二酸化硫黄ガス（ＳＯ２）、酸素、圧縮空気、水蒸気、水および触媒の内の少なくとも一つを、第一加圧反応器と第二加圧反応器の内の少なくとも一つの供給材に導入するステップをさらに含む請求項１の方法。
【請求項３】
供給材を前処理するステップが、１１０℃〜１６０℃の範囲の内部温度、１５０ｋＰａ〜６００ｋＰａの範囲の圧力を有する第一加圧反応器で起こり、供給材が第一加圧反応器で１０分間〜６０分間維持される請求項１または２の方法。
【請求項４】
供給材を前処理するステップが、１１０℃〜１７５℃の範囲の内部温度、１５０ｋＰａ〜１，０００ｋＰａの範囲の圧力を有する第一加圧反応器で起こさせ、供給材が第一加圧反応器で１０分間〜６０分間維持される請求項１〜３のいずれかの方法。
【請求項５】
供給材が、第一加圧反応器、加圧シール装置、第二加圧反応器を通過し、第二加圧反応器下流での急速な圧力解放に至るまで連続した流れとして流れる請求項１〜４のいずれかの方法。
【請求項６】
圧力の急速解放により、供給材の圧力が少なくとも１０バール減少する請求項１〜５のいずれかの方法。
【請求項７】
洗浄ステップが、前記供給材排出ステップと前記廃液排出ステップとの間にあり、前記第一加圧反応器と前記第二加圧反応器の間で前記供給材からの溶解ヘミセルロース系材料を洗浄する請求項１〜６のいずれかの方法。
【請求項８】
前記洗浄ステップが、１６０℃以下の温度で行われる請求項７の方法。
【請求項９】
前記洗浄ステップが、１４０℃以下の温度で行われる請求項７または８の方法。
【請求項１０】
プロセスが連続プロセスである請求項１〜９のいずれかの方法。
【請求項１１】
供給材が、前記第一加圧反応器と前記第二加圧反応器を通過して連続流として流れる請求項１〜１０のいずれかの方法。
【請求項１２】
スチームまたは水蒸気の第二加圧反応器への吹き込みにより、第二加圧反応器に気相が形成される請求項１〜１１のいずれかの方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１００６５９（Ｐ２０１２−１００６５９Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５７６９１（Ｐ２０１１−２５７６９１）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【分割の表示】特願２０１０−５４８８６３（Ｐ２０１０−５４８８６３）の分割
【原出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（５０２２７８６００）アンドリッツ インコーポレーテッド (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【分割の表示】特願２０１０−５４８８６３（Ｐ２０１０−５４８８６３）の分割
【原出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（５０２２７８６００）アンドリッツ インコーポレーテッド (10)
【Ｆターム（参考）】
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