JP2016500005A

JP2016500005A - 不均一なロータ／ステータ間隙寸法および可変ロータ／ステータ間隙寸法に応じたパラメータを有する接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置

Info

Publication number: JP2016500005A
Application number: JP2015541861A
Authority: JP
Inventors: エフグレンギャラガー
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2016-01-07
Also published as: WO2014074531A1; EP2917330A1; EP2917328A1; CN104769098A; BR112015010585A2; IN2015DN03747A; BR112015010589A2; CN104781388A; CN104769097A; AU2013341354A1; JP2016500006A; CA2890927A1; AU2013341352A1; AU2013341352A8; JP2016500004A; AU2013341351A1; JP2015536144A; BR112015010588A2; IN2015DN03743A; AU2013341355A1

Abstract

前処理されたバイオマスの構造を破壊する接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置は、加圧された前処理されたバイオマスの供給源に接続可能なハウジングと、ハウジング内に取り付けられたステータおよびロータとを備える。対面して配置され、かつ不均一な寸法の軸方向間隙によって間隔を空けて配置されているステータおよびロータ。バイオマス流に対する絞り部を画定するロータとステータとの間の最小の軸方向寸法。使用時、ステータに対するロータの回転移動が、ある体積の前処理されたバイオマスに接線方向せん断を与える。接線方向せん断は上記体積の前処理されたバイオマスをホモジナイズし、その間、圧力差が、ホモジナイズされたバイオマスの気相および液相への部分的相分離をもたらし、それにより、前処理されたバイオマスが、総体積が少なくとも３倍増大し、気体が少なくとも１パーセント（％）になるまで重量が遷移する。

Description

本発明は、フラッシュ操作を受けているバイオマスに対して同時に接線方向せん断を加えることにより、セルロース系またはリグノセルロース系バイオマスをホモジナイズする装置、より詳細には、不均一なロータ／ステータ間隙寸法を有する接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置に関する。

優先権の主張
本出願は、各々が参照により本明細書に組み込まれる以下の米国仮特許出願の各々に対する優先権を主張する。
（Ｉ）２０１２年１１月９日に出願された、「ＣｏｍｂｉｎｅｄＴａｎｇｅｎｔｉａｌＳｈｅａｒＨｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇａｎｄＦｌａｓｈｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓＨａｖｉｎｇＡＵｎｉｆｏｒｍＲｏｔｏｒ／ＳｔａｔｏｒＧａｐＤｉｍｅｎｓｉｏｎ」と題する、米国特許出願第６１／７２４，５８１号明細書、
（ＩＩ）２０１２年１１月９日に出願された、「ＣｏｍｂｉｎｅｄＴａｎｇｅｎｔｉａｌＳｈｅａｒＨｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇａｎｄＦｌａｓｈｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓＨａｖｉｎｇＡＮｏｎ−ＵｎｉｆｏｒｍＲｏｔｏｒ／ＳｔａｔｏｒＧａｐＤｉｍｅｎｓｉｏｎ」と題する、米国特許出願第６１／７２４，５８７号明細書、
（ＩＩＩ）２０１２年１１月９日に出願された、「ＣｏｍｂｉｎｅｄＴａｎｇｅｎｔｉａｌＳｈｅａｒＨｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇａｎｄＦｌａｓｈｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓＨａｖｉｎｇＲｏｔｏｒ／ＳｔａｔｏｒＧａｐＤｉｍｅｎｓｉｏｎＷｉｔｈＵｎｉｆｏｒｍａｎｄＮｏｎ−ＵｎｉｆｏｒｍＲｅｇｉｏｎｓ」と題する、米国特許出願第６１／７２４，５９０号明細書、
（ＩＶ）２０１２年１１月９日に出願された、「ＣｏｍｂｉｎｅｄＴａｎｇｅｎｔｉａｌＳｈｅａｒＨｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇａｎｄＦｌａｓｈｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓＨａｖｉｎｇＡＰａｒａｍｅｔｅｒＲｅｓｐｏｎｓｉｖｅＶａｒｉａｂｌｅＲｏｔｏｒ／ＳｔａｔｏｒＧａｐＤｉｍｅｎｓｉｏｎ」と題する、米国特許出願第６１／７２４，５９４号明細書、
（Ｖ）２０１２年１１月９日に出願された、「ＭｅｔｈｏｄＦｏｒＦｌａｓｈＴｒｅａｔｉｎｇＢｉｏｍａｓｓＷｈｉｌｅＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙＵｎｄｅｒｇｏｉｎｇＴａｎｇｅｎｔｉａｌＳｈｅａｒＨｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎ」と題する、米国特許出願第６１／７２４，５９８号明細書、
（ＶＩ）２０１２年１１月９日に出願された、「ＣｏｍｂｉｎｅｄＴａｎｇｅｎｔｉａｌＳｈｅａｒＨｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇａｎｄＦｌａｓｈｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓＨａｖｉｎｇＡＨｏｕｓｉｎｇＷｉｔｈＡＳｉｎｇｌｅＥｆｆｌｕｅｎｔＯｕｔｌｅｔ」と題する、米国特許出願第６１／７２４，６０２号明細書、
（ＶＩＩ）２０１２年１１月９日に出願された、「ＣｏｍｂｉｎｅｄＴａｎｇｅｎｔｉａｌＳｈｅａｒＨｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇａｎｄＦｌａｓｈｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓＨａｖｉｎｇＡＨｏｕｓｉｎｇＷｉｔｈＤｕａｌＥｆｆｌｕｅｎｔＯｕｔｌｅｔｓ」と題する、米国特許出願第６１／７２４，６１２号明細書、
（ＶＩＩＩ）２０１２年１１月９日に出願された、「ＳｙｓｔｅｍＦｏｒＤｅｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇＢｉｏｍａｓｓＩｎｃｌｕｄｉｎｇＡＣｏｍｂｉｎｅｄＴａｎｇｅｎｔｉａｌＳｈｅａｒＨｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇａｎｄＦｌａｓｈｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓ」と題する、米国特許出願第６１／７２４，６２０号明細書。

関連出願の相互参照
本明細書に開示する主題は、以下の同時係属出願に開示されており、それら出願はすべて、本出願と同時に出願され、すべて、本発明の譲受人に譲渡されている。
２０１３年３月８日に出願された、「ＣｏｍｂｉｎｅｄＴａｎｇｅｎｔｉａｌＳｈｅａｒＨｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇａｎｄＦｌａｓｈｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓＨａｖｉｎｇＡＵｎｉｆｏｒｍＲｏｔｏｒ／ＳｔａｔｏｒＧａｐＤｉｍｅｎｓｉｏｎ」と題する、米国特許出願第１３／７９０，１８９号明細書、
２０１３年３月８日に出願された、「ＣｏｍｂｉｎｅｄＴａｎｇｅｎｔｉａｌＳｈｅａｒＨｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇａｎｄＦｌａｓｈｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓＨａｖｉｎｇＡＮｏｎ−ＵｎｉｆｏｒｍＲｏｔｏｒ／ＳｔａｔｏｒＧａｐＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｎｄＡＰａｒａｍｅｔｅｒＲｅｓｐｏｎｓｉｖｅＴｏＡＶａｒｉａｂｌｅＲｏｔｏｒ／ＳｔａｔｏｒＧａｐＤｉｍｅｎｓｉｏｎ」と題する、米国特許出願第１３／７９０，２２３号明細書、
２０１３年３月８日に出願された、「ＣｏｍｂｉｎｅｄＴａｎｇｅｎｔｉａｌＳｈｅａｒＨｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇａｎｄＦｌａｓｈｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓＨａｖｉｎｇＲｏｔｏｒ／ＳｔａｔｏｒＧａｐＤｉｍｅｎｓｉｏｎＷｉｔｈＵｎｉｆｏｒｍａｎｄＮｏｎ−ＵｎｉｆｏｒｍＲｅｇｉｏｎｓ」と題する、米国特許出願第１３／７９０，１７０号明細書、
２０１３年３月８日に出願された、「ＳｙｓｔｅｍＩｎｃｌｕｄｉｎｇＡＣｏｍｂｉｎｅｄＴａｎｇｅｎｔｉａｌＳｈｅａｒＨｏｍｏｇｅｎｉｚｉｎｇａｎｄＦｌａｓｈｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓＨａｖｉｎｇＳｉｎｇｌｅＯｒＤｕａｌＥｆｆｌｕｅｎｔＯｕｔｌｅｔ（ｓ）ａｎｄＭｅｔｈｏｄＦｏｒＦｌａｓｈＴｒｅａｔｉｎｇＢｉｏｍａｓｓＵｔｉｌｉｚｉｎｇＴｈｅＳａｍｅ」と題する、米国特許出願第１３／７９０，２０８号明細書。

世界の原油の供給が減少するに従い、バイオマスを燃料および化学薬品に変換することに対する関心が高まっている。バイオマスは、（太陽からのエネルギーを使用する）光合成を通して生成され、そこでは、二酸化炭素が還元され水と結合されて広範囲の有機高分子構造を形成する。バイオマスは、水生植物でも陸生植物でもあり得る。具体的なバイオマス源としては、大型藻類（ケルプ）、小型藻類、エネルギー作物（たとえば、草、木）、作物残渣（コーンストーバー（トウモロコシの茎、葉）、森林副産物）、バイオマス処理副産物（たとえば、バガス、おがくず）とともに、水生植物または陸生植物由来の使用済み製品（たとえば、事務用紙、小売廃棄物および自治体固形廃棄物）が挙げられる。

さらなる生物学的変換または化学的変換に有用であるために、バイオマスの高分子的特性の構造を破壊しなければならない。構造破壊の第１ステップは、一般に前処理と呼ばれる。最短時間、最小投資および最低エネルギーで効率的にバイオマスの構造を破壊することが普遍的に必要とされている。

広範囲にわたる研究が、前処理の改善に対して的を絞ってきた。脱重合を促進するように溶剤、水、酵素、リサイクルされた構造破壊反応生成物、および化学あるいは生物学的薬剤あるいは触媒を導入する、酸または塩基による処理を含む、さまざまな化学的前処理方法が知られている。

こうした化学的前処理方法を、バイオマスに対して物理的変形を与える機械的前処理技法と組み合わせて使用することができる。これらの機械的前処理技法は、高温および高圧のバイオマスに、混合、摩砕および／または粉砕等の操作を施す装置の使用を含む。これらの作用により、バイオマスのサイズ低減および／または構造破壊が促進される。これらの前処理条件下で、バイオマスの状態を、バイオマスの一部が溶解し、液化しかつ／または溶融する程度まで変化させることができる。前処理されたバイオマスの状態は、固体から圧縮性固体まで、溶融材料および液体またはその混合物まで広がる。

改善された構造破壊を、バイオマスをより低い圧力まで高速で遷移させ、フラッシュされた成分の気化の潜熱のために結果としてバイオマスのフラッシュおよび冷却が得られるようにすることによって達成することができることが理解されている。この状態の変化を、フラッシュまたは蒸気爆砕と呼ぶことができる。このプロセスを、ジェットクッカーにおいてさらなる蒸気で補うことができる。高速二相流における増大するせん断により、バイオマス構造の幾分かを破壊する勾配が導入される。一般に、せん断場は流れ方向であるが、乱流が存在する場合がある。せん断の大きさは、前処理された材料の流れ特性と装置に対する状態（すなわち、温度および圧力）の変化との組合せによって決まる。したがって、せん断は、バイオマス流体特性と無関係に制御することが困難である。

フラッシュ装置の断面を変化させてフラッシュ操作を調整することが試みられてきた。残念なことに、フラッシュ操作は、前処理されたバイオマスの流れ特性の品質および粒径の変動によって損なわれる可能性があり、それにより、フラッシュ装置の不規則な性能または詰まり（ｐｌｕｇｇａｇｅ）がもたらされる。前処理されたバイオマスの品質は、バイオマス供給材料（バイオマスの固有の遺伝的性質、農業的（ａｇｒｏｎｏｍｅｔｒｙ）条件、収穫および保管条件）のばらつきと、バイオマスの変化する構造および組成が前処理作用によっていかに変換されるかとによって決まる。

この前処理されたバイオマス材料を１つの容器から処理のために別の容器に移動させ、またはその材料にフラッシュ操作を施す際、粘度、固体含有量および粒径のばらつきが、典型的なタイプの弁、ノズルおよび計量装置の適切な動作を妨げる可能性があり、不規則な性能、不安定性または詰まりをもたらす可能性がある。

たとえば、米国特許出願公開第２００８／０２７７０８２号明細書は、弁を横切るフラッシュを備えたシステムを開示している。弁を通って流れる前処理された材料が可変の流れ特性を有する場合、その弁は詰まる可能性がある。同様に、米国特許出願公開第２０１０／０３１７０５３号明細書では、弁に関連するプランジャは、前処理されたバイオマスの品質のばらつきおよび／または固体の存在のために適切に封止しない可能性がある。

上述したことを鑑みて、最小限の詰まりと、前処理されたバイオマスの流れ特性とは無関係に、フラッシュするバイオマスにせん断力をかけることができることとにより、フラッシュ操作を、安定した操作を維持しながら達成するように、前処理されたバイオマスが通過することができる、装置、方法およびシステムが依然として必要とされていると考えられる。

本発明は、周囲圧力を超えかつ高温の前処理されたバイオマスに対し、ステータおよび相対的に移動可能なロータを含む接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置のハウジング内に画定された減圧ゾーン内に放出することにより、構造を破壊する（フラッシュ操作）方法、装置およびシステムに関する。材料がフラッシュを受けている間、相対的に移動するロータおよびステータの作用により、材料に対して接線方向せん断力がかけられる。フラッシュ操作中に回転装置に独立した接線方向せん断を導入することにより、ある体積の前処理されたバイオマスがホモジナイズされる。本装置は、回転により、有り得る粒子蓄積物を装置のフラッシュゾーンから離れるように系統的に押し流しながら、粒子をより許容可能なサイズにせん断することができるため、本質的により安定した性能を提供する。

他の態様では、本発明は、ロータとステータとの間に種々の軸方向寸法が画定されるようにする、ロータおよびステータのさまざまな構成を有する、接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置に関する。

さらに別の態様では、ロータとステータとの間に画定された間隙および／またはロータの回転速度が、圧力、温度、粒径および／または材料組成等、前処理されたバイオマスの測定されたパラメータに従って変更される。

さらに他の態様では、接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置のハウジングに、下流のプロセスユーティリティ（ｐｒｏｃｅｓｓｕｔｉｌｉｔｙ）と直接連通する１つまたは複数の出口ポートが設けられている。

本発明は、本出願の一部を形成する添付図面に関連して、以下の詳細な説明からより完全に理解されるであろう。

接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置であって、すべて本発明のさまざまな態様による、本装置のロータ要素とステータ要素との間に軸方向の寸法が均一な間隙が画定されている装置を含む、バイオマスの構造を破壊する方法を実施するシステムの高度に図式化された概略表現である。接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置であって、本装置のロータ要素とステータ要素との間に軸方向の寸法が均一な間隙が画定されている装置の実施形態の代替実施態様の高度に図式化された概略表現である。接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置であって、本装置のロータ要素とステータ要素との間に軸方向の寸法が不均一な間隙が画定されている装置の実施形態の代替実施態様の高度に図式化された概略表現である。接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置であって、本装置のロータ要素とステータ要素との間に軸方向の寸法が不均一な間隙が画定されている装置の実施形態の代替実施態様の高度に図式化された概略表現である。接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置であって、本装置のロータ要素とステータ要素との間に画定された間隙が、均一な軸方向寸法を示す領域および不均一な軸方向寸法を示す領域を有する装置のさらに別の代替実施形態の高度に図式化された概略表現である。混合ゾーンの入口領域に分流器が配置されている、図１から図５に示す実施形態のいずれとも有用である変更形態の高度に図式化された概略表現である。ロータおよびステータに、混合ゾーンの入口領域において環状粉砕領域を画定するように整列する円筒状部分が設けられている、図１から図５に示す実施形態のいずれとも有用である別の変更形態の高度に図式化された概略表現である。

以下の詳細な説明を通して、同様の参照文字は図面のすべての図において同様の要素を指す。

図１は、ともに本発明のさまざまな態様による、バイオマスの構造を破壊する方法を実施する、全体として参照文字１０によって示すシステムの高度に図式化された概略図である。

システム１０は、構造破壊および他のさらなる操作に備えて、水、溶剤、相溶化（ｃｏｍｐａｔａｂｏｌｉｚｉｎｇ）剤、酸、塩基および／または触媒等の処理助剤によって、生セルロース系供給原料の１つまたは複数の流れ１４を前処理するように動作可能な前処理装置１２を含む。前処理装置１２内では、たとえば、バイオマスを撹拌し、洗浄し、加圧し、かつ／または所定の高温まで加熱する等、バイオマスに対するあらゆる好適な前処理操作を行うことができる。供給源１２からの前処理された材料は、供給ライン１６を通して、同様に本発明による接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置２０に送られる。

接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置２０自体は、入口ポートおよび流路２０Ｉならびに少なくとも第１流出物排出ポート２０Ｅ₁を有するハウジング２０Ｈを備えている。しかしながら、ハウジング２０Ｈに対して別個の第２排出ポート２０Ｅ₂を設けることは本発明の企図の範囲内にある。ハウジング２０Ｈ内に、ステータ２０Ｆおよびロータ２０Ｒが、互いに対して対面した向きで配置されている。図１に示す構成では、ロータおよびステータは、互いに平行であり、軸２０Ａに対して実質的に垂直に向けられている。

ステータ２０Ｆは、ハウジング内で任意の好都合な位置において固定配置で取り付けられている。ロータ２０Ｒは、ステータに対して相対的に回転するようにシャフト２０Ｓに取り付けられている。ロータ２０Ｒに対する原動力は、シャフト２０Ｓに接続された駆動モータ２０Ｍによって提供される。シャフト２０Ｓは、装置２０の軸２０Ａと整列している。

ステータ２０Ｓおよびロータ２０Ｒは、協働してそれらの間に混合ゾーン２０Ｚを画定している。入口流路２０Ｉは、供給ライン１６に接続可能であり、加圧されたバイオマス材料を前処理装置１２から、軸２０Ａの付近に位置する混合ゾーン２０Ｚの入口領域２０Ｎ内に送る役割を果たす。混合ゾーン２０Ｚの出口２０Ｔは、ロータ２０Ｒの半径方向外縁に配置されており、ハウジング２０Ｈの内部と、したがって、第１流出物排出ポート２０Ｅ₁および存在する場合は第２排出ポート２０Ｅ₂と連通している。

図１に示すような典型的な配置では、ロータおよびステータは、各々、実質的にディスク状部材である。しかしながら、ロータおよびステータは、あらゆる好都合な３次元形態、周縁形状およびサイズを有することができることが理解されるべきである。ロータおよびステータの表面を、平滑にするかまたは粒径の低減を容易にするように溝あるいは隆起部分でパターニングすることができる。装置２０のさまざまな構造的要素を、あらゆる好適な材料の構造から製造することができる。ロータ、ステータ、ハウジングを、好ましくはステンレス鋼から作製することができる。ここで、ロータ２０Ｒおよびステータ２０Ｓのさまざまな代替的な構造形態と混合ゾーン２０Ｚの構成に対する結果としての変更について考察する。

説明するように、装置２０は、前処理されたバイオマスをホモジナイズすると同時に、ホモジナイズされたバイオマスの気相および液相への部分的相分離をもたらすことにより、構造破壊プロセスに役立つ。そのように生成された別個の液相および気相を、装置２０の下流に配置された処理ユーティリティ２８に個々にまたは合わせて直接送ることができる。単一の流出物排出ポート２０Ｅ₁のみが設けられている場合、バイオマスのホモジナイズおよびフラッシュからもたらされる液相および気相はともに、第１導管２２を通してユーティリティ２８に輸送される。ハウジング２０Ｈに第２排出ポート２０Ｅ₂が設けられている場合、気相は、導管２４を介してユーティリティ２８に搬送され、液相は、第１導管２２を通して別個にユーティリティ２８に送られる。ユーティリティ２８に使用することができるさまざまな処理装置の代表的なものとしては、さらなる構造破壊のための撹拌容器が挙げられる。

しかしながら、第２出口ポート２０Ｅ₂からハウジングを出るバイオマスのフラッシュされた気体には、異なる処理が必要である場合があることが理解されるべきである。したがって、導管２４を、代替的な処理ユーティリティ２８Ａに接続することができ、そこでは、気相を、リサイクルおよび再使用のために隔離し、またはさまざまな用途に対して精製することができる。

本発明によるシステムでは、導管２２、２４は、それぞれの出口ポート２０Ｅ₁、２０Ｅ₂とそれらが接続されている特定のユーティリティ２８、２８Ａとの間に直接の連続的な流体連通を提供する。本出願で用いる「直接の」、「直接に」という用語（または同様の用語）は、混合ゾーン２０Ｚからの流出物（複数可）が、流体連通に対していかなる妨げもなく、かつ（別個のフラッシュまたは計量装置等）別個の中間装置を通過する必要もなく、それらのそれぞれの宛先に送られることを意味する。

混合ゾーン２０Ｚの寸法を、軸２０Ａに対して平行な方向に測定することができ、その寸法は、ロータ２０Ｒとステータ２０Ｆとの間の軸方向間隙２０Ｇの大きさによって決まる。図１では、ロータおよびステータは、互いに平行に配置され、軸２０Ａに対して実質的に垂直に位置しているため、間隙２０Ｇ、したがって混合ゾーンの軸方向寸法は、混合ゾーン２０Ｚの軸方向広がり全体を横切って均一である。本発明のあらゆる実施形態のロータおよび／またはステータの対面する面が、ホモジナイズを促進するために溝および／または隆起部分でパターニングされている場合、ロータとステータとの間の間隙の軸方向寸法は、溝および隆起部分が除かれた場合に下にある面として定義されることが留意されるべきである。

間隙２０Ｇの寸法を、ステータに対してロータを再配置することによって調整することができる。運転の前に間隙の軸方向寸法を手動で調整する好適な手段としては、シム、ねじ切りシャフト部品および液圧式位置決め装置が挙げられる。しかしながら、好ましい場合では、間隙の寸法は、運転中に、後述する間隙調整制御システム３４によって自動的に調整される。

間隙の軸方向寸法は、最初に、構造破壊されるべきバイオマスの特定の圧力、温度および特質に基づいて所定値にサイズが決められる。間隙のこの初期サイズ決めにより、混合ゾーン２０Ｚの所定の適切な初期軸方向寸法が設定される。所定圧力および温度を有する所定体積のバイオマスが、入口ポート２０Ｉから混合ゾーン２０Ｚ内に投入される。

運転中、混合ゾーン２０Ｚの入口２０Ｎに流れ込む前処理されたバイオマスのさまざまな特性は、全体として参照数字３０によって示すセンサ網によってモニタリングされる。センサ３０は、前処理された流れ込むバイオマスの圧力、温度、粒径および／または組成（たとえば、特質）等のパラメータをモニタリングするように動作可能な１つまたは複数の検知装置を含むことができる。

混合ゾーン２０Ｚを通る実質的に半径方向外側方向の前処理されたバイオマスの流れは、入口２０Ｎと出口２０Ｔとの圧力差によって制御される。前処理されたバイオマスは、混合ゾーン２０Ｚを通って半径方向外側に流れる際、圧力降下を受ける。混合ゾーンを通しての圧力の変化を示す圧力勾配ベクトルが、図面においてベクトルＰによって示されている。

混合ゾーン２０Ｚを通る前処理されたバイオマスの流れと同時に、モータ２０Ｍは、ステータ２０Ｆに対してロータ２０Ｒを回転させる。ロータとステータとの間の相対的な回転移動により、混合ゾーン２０Ｚ内に円周方向に向けられたせん断場が発生する。せん断場は、混合ゾーン２０Ｚを通して流れる前処理された上記体積のバイオマスに対して接線方向せん断力を加える。接線方向せん断力の方向は、図面においてベクトルＳによって示されている。接線方向せん断力は、前処理されたバイオマスをホモジナイズし、その間、混合ゾーンの前後の圧力差により、ホモジナイズされたバイオマスの気相および液相への部分的相分離がもたらされる。ロータおよびステータの特定の構造に応じて、相分離は、混合ゾーンの半径方向の広がりの範囲内で、または混合ゾーンの出口２０Ｔから所定の近接距離の範囲内で発生する可能性がある。図１に示す場合では、部分的相分離は混合ゾーン内で発生する。

本発明によれば、バイオマスの圧力差および温度と結合された間隙２０Ｇの所定初期サイズの選択により、ホモジナイズされた前処理されたバイオマスの気相および液相への部分的相分離がもたらされ、それにより、バイオマスは、総体積が少なくとも３倍増大し、気体の状態が少なくとも１％になるまで重量が遷移する。

フラッシュ操作中に回転装置に独立した接線方向せん断力Ｓを導入することにより、回転によって、粒子をより許容可能なサイズにホモジナイズするとともに、あり得る粒子蓄積物を装置のフラッシュゾーンから離れるように系統的に押し流すことができるため、本質的により安定した性能が提供される。

バイオマスの組成の固有の不整合性とさまざまな前処理操作がこれらの不整合性に影響を与える様態とにより、流れライン１６における結果としての前処理されたバイオマスは、流体特性とともに個別の粒子の径の著しいばらつきを含む可能性がある。

したがって、本発明のさらなる態様として、間隙調整制御システム３４により、装置２０とそれを組み込んだシステム１０とが、ロータとステータとの間の間隙２０Ｇを調整し、前処理されたバイオマスの組成、流れ特性および粒径のこうしたばらつきを補償するように自動的に適応することができる。このように間隙２０Ｇを変化させることができることにより、装置２０はまた、計量装置として機能することも可能である。

センサ３０に加えて、間隙調整制御システム３４はプログラム可能コントローラデバイス３４Ｃを含み、それは、センサ網３０からの信号に応答して、流れ込む前処理されたバイオマスのさまざまな検知されたパラメータのうちの１つまたは複数に従って、間隙寸法２０Ｇ、従って混合ゾーン２０Ｚの軸方向寸法を変化させる。間隙調整制御システム３４はアクチュエータ３６をさらに含むことができ、それは、モータ２０Ｍに動作可能に接続されて、間隙寸法に対する調整を物理的に行う。アクチュエータ３６は、ライン３４Ａに支持された制御システム３４からの制御信号に応答して、モータとそれに接続されたロータとを単体としてステータに向かってかつステータから離れるように移動させ、それにより、流れ込む前処理されたバイオマスのさまざまな測定されたパラメータに基づいて、混合ゾーンの間隙寸法を変化させる。したがって、たとえば、混合ゾーン２０Ｚを通るバイオマス供給材料の圧力を、あらゆる所定の方法で一定に維持するかまたは変化させることができる。さらにまたは別法として、たとえば、間隙寸法を、問題となる粒子を追い出すように時間制御された方法で変化させることができる。間隙寸法の変更を行うためにさまざまな他の手段を使用することができ、こうした他の手段は、本発明の企図の範囲内にあるものと解釈されるべきであることが理解されるべきである。たとえば、間隙寸法を、ハウジング内でロータに対してステータを変位させることによって変更することができる。

別法としてまたはさらに、ライン３４Ｂに支持されている制御システム３４からの信号を、モータ制御信号として印加して、ロータ２０Ｍの回転速度を変化させることができる。ロータの回転速度を変更することにより、粒径の低減が促進される。

上述したように、図１に示す構成では、ロータおよびステータは、各々実質的にディスク状部材であり、それらは、互いに平行にかつ軸２０Ａに対して実質的に垂直に取り付けられ、それにより、間隙２０Ｇは、混合ゾーン２０Ｚの半径方向の広がり全体を横切って均一である。図２は、混合ゾーンを横切って均一な軸方向寸法を有しているが、材料の流れを促進するように、ロータおよびステータが切頭円錐形の（ｆｒｕｓｔｏｃｏｎｉｃａｌｌｙ）形状である、装置２０の代替実施態様を示す。図１の状況と同様に、図２に示す構成では、フラッシュは、混合ゾーンの半径方向の広がりの範囲内で発生する。

フラッシュの位置を、ロータおよび／またはステータの幾何学的形状の適切な調整によって調整することができる。図３および図４は、装置２０の代替実施形態の２つの形態を示し、そこでは、ロータとステータとの間の間隙２０Ｇによって画定される混合ゾーン２０Ｚは、不均一な寸法を有している。これらの図において、間隙、従って混合ゾーンの最大軸方向寸法２０Ｇ_Lは、入口２０Ｎの付近に位置している。

図３に示す構造では、ロータおよび／またはステータの一方（または両方）が、切頭円錐形の形状の部材であり、それら部材は、軸２０Ａから半径方向外側の位置で互いに向かって均一に先細りになるように、軸２０Ａに対して傾斜している。この構造の結果として、最小軸方向間隙寸法２０Ｇ_Sは、混合ゾーン２０Ｚの半径方向外縁において出口２０Ｔの近くで生じる。最小軸方向間隙寸法２０Ｇ_Sは、バイオマスの実質的に半径方向外側の流れに対する絞り部をもたらす。本発明のこの形態では、部分的相分離は、半径方向外縁を超えてすぐに発生する。

図４に示す構成は、最小軸方向間隙寸法２０Ｇ_S、したがってバイオマス流に対する絞り部が、混合ゾーン２０Ｚの出口２０Ｔから半径方向内側の選択された位置で生じる構造を示す。図４に示す構成では、流量絞り部は、混合ゾーンの出口から内側に混合ゾーンの半径方向距離の１／３を超えるべきではない。図４において、絞り部は、ステータ２０Ｆに形成される狭窄機構２０Ｋによって画定されている。部分的相分離は、混合ゾーン内の機構２０Ｋの付近で発生する。別法としてまたはさらに、ロータ２０Ｒに類似の機構を設けることができることが理解されるべきである。

図５は、装置２０の別の代替実施形態を示す。この実施形態では、ロータおよびステータは、種々の間隙形態を有する混成構造を提示するように構成されている。半径方向内側領域２０Ｇ_Iは、それぞれ均一な軸方向寸法２０Ｇ_Uを有する部分２０Ｇ_Uおよび不均一な軸方向寸法２０Ｇ_Nを有する部分２０Ｇ_Nを含む。望ましい場合、半径方向内側領域２０Ｇ_Iにおける寸法が均一な部分２０Ｇ_Uを省略することができる。別法として、望ましい場合、半径方向内側領域２０Ｇ_Iに、あらゆる好都合な数の追加の均一領域および不均一領域を設けることができる。

半径方向外側領域２０Ｇ_Mは、均一な軸方向間隙寸法を有し、間隙の最小軸方向寸法２０Ｇ_Sを画定している。この領域２０Ｇ_Vにおけるロータおよびステータの対面する面は、協働して、計量装置として機能する。これらの面によって提供される計量作用により、出口圧力が調節され、最小軸方向寸法２０Ｇ_Sが点接点である図４の構造と比較した場合に、圧力安定性が向上する。

図６および図７は、図１から図５に示すロータ／ステータ構成のうちのいずれとも使用することができる２つの追加の構造的詳細を示す。

図６において、ロータ２０Ｒとステータ２０Ｆとの間の混合ゾーンの入口２０Ｎの近くの所定位置に、分流器２０Ｌが配置されている。分流器２０Ｌは、流れ込む流れを円滑化し、停滞する材料のポケットに至る可能性があるデッドゾーンまたは急峻な方向転換を回避する役割を果たす。分流器２０Ｌを、ロータまたはステータのいずれかのあらゆる好都合な位置に取り付けることができる。

図７は、装置に、混合ゾーン２０Ｚの入口２０Ｎの上流に配置された粉砕装置が設けられている構成を示す。ステータ２０Ｆには、所定の軸方向寸法を有する実質的に円筒状部分２０Ｃが形成されている。それに応じて、ロータ２０Ｒに取り付けられた実質的に円筒状のバレル２０Ｂ。バレル２０Ｂは、所定の軸方向寸法を有している。バレル２０Ｂは、ロータ２０Ｒから軸方向に延在して、ステータの円筒状部分２０Ｃと同心の入れ子関係になっている。

バレルおよびステータの円筒状部分は、協働して、ロータとステータとの間に配置された軸方向に延在する粉砕ゾーン３８を画定している。粉砕ゾーン３８の軸方向寸法は、バレル２０Ｂと円筒状部分２０Ｃとの間の軸方向の重なりの程度によって画定される。

種々の混合促進部（ｅｎｈａｎｃｅｒ）３８Ｅのうちの任意のものを、バレル２０Ｂおよび／または円筒２０Ｃの壁に組み込むことができる。図７において、混合促進部３８Ｅは、ピンの形態で示されている。しかしながら、直線Ｍａｄｄｏｃｋ、先細りＭａｄｄｏｃｋ、パイナップルまたは歯車等、他の好適な形態の混合促進部を使用することができることが理解される。こうした混合促進部の図面は、Ｐｅｒｒｙ’ｓＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＨａｎｄｂｏｏｋ，ＳｅｖｅｎｔｈＥｄｉｔｉｏｎの図１８〜図４８に示されている。

さらに、望ましい場合、分流器２０Ｌを、バレル２０Ｂの上流端に取り付けることができる。

本発明の教示の利益を有する当業者は、本発明に対して変更を加えることができる。こうした変更形態は、添付の特許請求の範囲によって定義されるような、本発明の範囲内にあるものとして解釈されるべきである。

Claims

前処理されたバイオマスの構造を破壊する接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置であって、
入口および少なくとも１つの出口を有するハウジングであって、軸が貫通しており、前記入口が加圧された前処理されたバイオマスの供給源に接続可能であり、前記出口が下流のユーティリティに直接流体連通して接続可能である、ハウジングと、
前記ハウジング内に取り付けられたステータおよびロータであって、対面して配置され、かつ軸方向間隙により間隔を空けて配置され、それにより前記入口および前記出口と連通する混合ゾーンを画定し、前記間隙の前記軸方向寸法が、前記軸から半径方向外側の位置で変化し、前記ロータと前記ステータとの間の前記少なくとも軸方向寸法が、所定半径方向位置で画定され、前記ロータと前記ステータとの間の前記少なくとも軸方向寸法が、バイオマス流に対する絞り部を画定する、ステータおよびロータと、
を具備し、
前記ロータが、前記ロータを前記ステータに対して回転させるように動作可能なモータに接続可能であり、それにより、使用時、前記入口と前記出口との間で所定圧力差が画定されて、前記ステータに対する前記ロータの回転移動が、所定圧力および所定温度で前記混合ゾーンに投入される所定体積の前処理されたバイオマスに対して接線方向せん断を与え、その間、前記バイオマスが前記混合ゾーンを通って前記圧力差の方向に移動しており、
前記接線方向せん断が、前記バイオマスをホモジナイズすることができ、前記圧力差が、前記ホモジナイズされたバイオマスの気相および液相への部分的相分離をもたらすことができ、それにより、前記前処理されたバイオマスが、総体積が少なくとも３倍増大する、接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
前記前処理されたバイオマスが、気体が少なくとも１パーセント（％）になるまで重量が遷移する、請求項１に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
前記前処理された流れ込むバイオマスの圧力、温度、粒径および／または組成（たとえば、特質）パラメータのうちの１つまたは複数をモニタリングするように動作可能なセンサと、
ａ）前記ロータおよび前記ステータを互いに対して相対的に変位させ、それにより前記モニタリングされた１つまたは複数のパラメータに従って前記間隙の大きさを変化させる、前記センサに応答するアクチュエータ、および
ｂ）前記モニタリングされた１つまたは複数のパラメータに従って、前記ロータの回転速度の大きさを変化させる、前記センサに応答するアクチュエータ
から選択されたアクチュエータと、
をさらに具備する、請求項１または２に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
前記絞り部が、前記混合ゾーンの半径方向外縁に隣接して配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
前記間隙の前記軸方向寸法が、前記軸から前記混合ゾーンの半径方向外縁まで均一に先細りになり、前記間隙の最小軸方向寸法が前記流量絞り部を画定している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
前記絞り部が、前記混合ゾーンの外縁から前記軸に向かって内側に前記半径方向距離の１／３を超えないように配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
バイオマスを前記混合ゾーンに送る、前記ロータと前記ステータとの間に取り付けられた分流器
をさらに具備する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
前記分流器が前記ロータに取り付けられている、請求項７に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
前記分流器が前記ステータに取り付けられている、請求項７に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
前記ステータに、実質的円筒状部分が形成されており、前記円筒状部分が所定の軸方向寸法を有し、前記装置が、
前記ロータに取り付けられた実質的円筒状バレルであって、所定の軸方向寸法を有し、前記ロータから軸方向に延在して前記ロータの前記円筒状部分と入れ子関係になるバレル
をさらに具備し、
前記バレルと前記ハウジングの前記円筒状部分とが、協働して、それらの間に軸方向に延在する粉砕ゾーンを画定している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
前記ステータの前記バレルが、その上に混合促進部のアレイを有する、請求項１０に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
前記バレルが、その上に軸方向上流端を有し、
分流器が、前記バレルの前記軸方向上流端に取り付けられている、請求項１０に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
前記ロータおよび前記ステータが、ともに前記装置の前記軸に対して実質的に垂直に取り付けられている実質的にディスク状部材である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
前記ロータおよび前記ステータが、ともに前記装置の前記軸に対して傾斜して取り付けられている、実質的に切頭円錐形状部材である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。
前記モニタリングされるパラメータが、前記前処理された流れ込むバイオマスの圧力である、請求項３に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。