JP2016534197A - 加工化（ｂｅｎｅｆｉｃｉａｔｅｄ）有機炭素含有原料 - Google Patents

Abstract

未処理炭素含有原料から処理済み有機炭素含有原料を生産するシステム及び方法が記載される。未処理原料は、少なくとも１つの反応チャンバー内に導入され、少なくとも１つの反応チャンバーを通って輸送される。反応チャンバーは、各原料が未処理有機炭素含有原料の水溶性塩から少なくとも６０パーセントの水溶性塩の減少、及び、２０パーセント未満の水含量を有する処理済み原料を生産するよう構成される。【選択図】 図４

Description

本発明は概して、少なくともいくつかの植物材料を含む有機炭素含有バイオマスから塩及び水を除去することに関する。

バイオマスは、植物細胞を有し、燃料の経済的な源として有望な、再生可能有機炭素含有原料である。しかし、この原料は通常、水、及び、水溶性塩といった混入物を多く含み過ぎており、石炭、石油又は天然ガスといった燃料の一般的な源の経済的な代替物にすることができない。

歴史的に、従来の機械的／化学的方法を介すると、植物はその水分の２５重量パーセントを手放す。また、植物を日光又は窯で乾燥させたとしても、植物細胞に残る天然及び人工化学物質が結び付いてかまど内に破壊的なつやをもたらす。また、残っている水分は、１トン当たりの熱発生ＭＭＢＴＵ、原料のエネルギー密度を低下させ、したがって、かまどの効率を妨害する。無数の種類のバイオマス材料での実験で得た数世紀にわたるデータは全て、小さくなる増加量でのかさ比重向上を達成するために、より大きなエネルギーの増加量が必要になるという結論を支持している。したがって、植物細胞を含む材料を包含する原料のより大きな分類である有機炭素含有原料を処理する市政廃棄施設は概して、自治体にとってお金がかかるエネルギー効率の悪い方法で機能する。同様に、有機炭素含有原料の総称に包含される農業廃棄物を、廃棄物が石炭又は石油の効果的な代用物になるよう処理するのに必要なエネルギーは、何かしらの政府からの補助金なしでは商業的ではなく、概して、不満足な量の水又は水溶性塩のいずれか又は双方を含んでいる。商業的に成功するのに十分な大きさの体積でそのような原料を適切に調製するコストは高く、現在は非経済的である。また、商業上役に立つのに十分な体積で利用可能である適切な植物細胞含有原料は概して、従来の方法では、有害な鳥撃ち（ｆｏｗｌｉｎｇ）及び混入物のシナリオに至る水溶性塩含量を有する。経済的に道理のかなう十分な量のエネルギー作物を育てるための適切な土地は通常、植物細胞内に高い水溶性塩含量、すなわち、しばしば乾量基準で４０００ｍｇ／ｋｇ超をもたらす場所に見つかる。

投入する有機炭素含有原料の水溶性塩から乾量基準で少なくとも６０％減少した水溶性塩含量水溶性塩含量、及び、２０重量％（ｗｔ％）未満の水含量を有する処理済み有機炭素含有原料を経済的に作製できる操作のシステム及び方法に対する必要性が絶えず存在している。

本発明の実施形態は、有機炭素含有原料から水及び水溶性塩を除去するシステム及び２つの方法を対象とする。システムは、伝達デバイス、少なくとも１つの反応チャンバー及び回収デバイスの、少なくとも３つの要素を含む。第１の要素である伝達デバイスは、自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を、反応チャンバー内に運搬するよう構成される。第２の要素である反応チャンバーは、少なくとも１つの入口通路、少なくとも１つの流体用の出口通路、少なくとも１つの処理済み有機炭素含有原料用の通路、並びに、湿潤フィブリル破壊セクション、蒸気爆発セクション及び圧密セクションの少なくとも３つのセクションを含む。第１のセクションである湿潤フィブリル破壊セクションは、フィブリル間の少なくともいくつかのリグニン及びヘミセルロースと相互作用し、少なくともいくつかの領域の細胞壁を、水溶性塩の流出に対して影響をより受けやすくするように構成される。第２のセクションである蒸気爆発セクションは、湿潤フィブリル破壊セクションと連通しており、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩が植物細胞から通過するための植物壁通路を有する多孔性有機炭素含有原料を作製するために、迅速な除圧によって植物フィブリル浸透性流体を揮発させて細胞壁の影響をより受けやすい領域を貫通するように少なくとも構成される。第３のセクションである圧密セクションは、蒸気爆発セクションと連通しており、細胞内水及び細胞間水並びに細胞内及び細胞間水に溶性の塩の反応チャンバーからの流出を可能にするよう構成される少なくとも１つの反応チャンバーの流体出口通路を開けたままに維持するために、水に不浸透性のフェルトの形成を最小限にするよう構成される圧力プレート間で、多孔性有機炭素含有原料を圧縮し、及び、反応チャンバーの出口通路を通過し得る処理済み有機炭素含有原料を作製するよう構成される。第３の要素である回収デバイスは、反応チャンバーと連通しており、２０ｗｔ％未満の水含量、及び、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量から乾量基準で少なくとも６０％減少した水溶性塩含量を有する処理済み有機炭素含有原料を集めるよう構成される。

１つの方法は、４つの工程を含む。第１の工程は、自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を、反応チャンバー内に投入することである。第２の工程は、原料に特異的な条件で、ある時間の間圧力下で原料を熱い溶媒にさらし、結晶化セルロースフィブリル、リグニン及びヘミセルロースを含む細胞壁のいくつかの領域を、リグニン及びヘミセルロースを２５パーセント超で分解することなく、水溶性塩によってより貫通可能にすることを含む。第３の工程は、より貫通可能な領域を貫通させるように圧力を除去し、植物細胞壁に開孔を有する多孔性原料を作製することである。第４の工程は、調整可能な圧密圧力対時間プロフィール及び圧密時間の継続時間を包含する条件で、並びに、フェルトが形成して細胞内及び細胞間水、及び、細胞内水に溶性の塩が反応チャンバーから流出するのを遮断するのを阻止するよう構成される圧力プレート間で、多孔性原料に圧力をかけ、２０ｗｔ％未満の水含量、及び、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量よりも乾量基準で少なくとも６０％減少した水溶性塩含量を含む処理済み有機炭素含有原料を作製することである。

別の方法は、４つの工程を含む。第１の工程は、自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を、反応チャンバー内に投入することである。第２の工程は、原料に特異的な条件で、ある時間の間圧力下で原料を熱い溶媒にさらし、結晶化セルロースフィブリル、リグニン及びヘミセルロースを含む細胞壁のいくつかの領域を、リグニン及びヘミセルロースを２５パーセント超で分解することなく、水溶性塩によってより貫通可能にすることを含む。第３の工程は、より貫通可能な領域を貫通するように圧力を除去し、植物細胞壁に開孔を有する多孔性原料を作製することである。第４の工程は、調整可能な圧密圧力対時間プロフィール及び圧密時間の継続時間を包含する条件で、並びに、フェルトが形成して細胞内及び細胞間水、及び、細胞内水に溶性の塩が反応チャンバーから流出するのを遮断するのを阻止するよう構成される圧力プレート間で、多孔性原料に圧力をかけ、２０ｗｔ％未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量よりも乾量基準で少なくとも５０％減少した水溶性塩含量、及び、公知の機械的、生理化学的又は熱的方法による同様の水除去の重量当たりのコストの６０％未満まで低下した、水及び水溶性塩を除去する重量当たりのコストを有する処理済み有機炭素含有原料を作製することである。

本発明によって、セルロース含有の有機炭素含有の有機炭素は、燃料の生産において、次に続く原料としての使用でより効果的になることが可能になる。水溶性塩の実質的な減少は、その次に続く処理済み有機炭素含有原料の使用で生じる有害な結果を低下させる。さらに、本発明で、未処理有機炭素含有原料から上記の通り２０ｗｔ％未満の含量まで水を除去、及び相当量の水溶性塩を除去するのに必要なエネルギーは、従来の方法に関してよりも著しく低い。いくつかの実施形態では、重量当たりの合計コストは、公知の機械的、生理化学的又は熱的方法で類似のタスクを行うコストよりも、少なくとも６０％減少される。

上記概要は、本発明の各実施形態又は全ての実装を説明することは意図していない。付属の図面と合わせて次の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することで、本発明のより完璧な理解と共に、利点及び達成が明らかになり、理解されるだろう。

図１は、細胞壁内のフィブリル、ミクロフィブリル及びセルロースの配置を示す、細胞壁のある領域の分解図を伴う典型的な植物細胞の図である。 図２は、ミクロフィブリルを含み、ヘミセルロース及びリグニンの鎖で結び付いたフィブリルを示す、二次植物細胞壁内の２つのフィブリルの一部分の側面透視図の図である。 図３は、水及び水溶性塩が植物細胞内外のどこにあるかを示す、バガス繊維のあるセクションの断面図の図である。 図４は、反応チャンバーの実施形態の側面図の図である。 図５Ａは、圧力プレートの様々な実施形態の前面図の図である。 図５Ｂは、図５Ａで示す圧力プレートの一実施形態をクローズアップした透視図である。 図５Ｃは、流体のベクトル及び流体のベクトルにさらされるピスの粒子を伴う、圧力プレートの中心下の断面図を示す図である。 図６Ａは、リグノセルロースフィブリルに関する典型的な応力−ひずみ曲線のグラフ図示である。 図６Ｂは、典型的な有機炭素含有原料の水含量を減らし、かさ比重を増やすのに必要な圧力及びエネルギーのグラフ図示である。 図６Ｃは、かさ比重の乗数（ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）を達成するのに必要なエネルギー需要の乗数のグラフ図示である。 図６Ｄは、特定の有機炭素含有原料に合わせた本発明の実施形態で、有機炭素含有原料の水含量を減らすための圧力サイクルの一例の図示である。 図７は、本発明の実施形態で、有機炭素含有原料から少なくとも７５ｗｔ％の水溶性塩を除去し、５０ｗｔ％から１２ｗｔ％に水含量を減らすのに必要な推定エネルギー消費を、公知の方法と比較して示す表である。 図８は、平行な４つの反応チャンバー、前処置チャンバー、及び、蒸気凝縮チャンバーを有するシステムの実施形態の側面図の図である。 図９は、６０％未満の水溶性塩及び２０ｗｔ％未満の水を有するセルロース含有の有機炭素含有原料を作製する方法のブロック図である。 図１０は、６０％未満の水溶性塩、２０ｗｔ％未満の水を有するセルロース含有の有機炭素含有原料を低コストで作製する方法のブロック図である。 図１１は、３種類の有機炭素含有原料に関する、相対的な方法条件範囲並びに水及び水溶性塩含量を示す表である。

本発明が様々な修正及び代替形態を受け入れる一方で、詳述が図面を例として示され、以下で詳細に説明される。しかし、その意図は本発明を説明する特定の実施形態に制限することではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、付属の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲内である全ての修正物、同等物及び代替物を包含することが意図される。

ヘミセルロース及びリグニン重合鎖によって織り合わさったセルロースの束によって、植物は強靭であり、水分を保持するのに優れている。セルロースは、数十億年にわたって進化し、熱、化学物質又は微生物による破壊に抵抗する。植物細胞壁では、ミクロフィブリルのセルロース分子の束は、壁に抗張力を提供する。セルロースミクロフィブリルの抗張力は、１１０ｋｇ／ｍｍ^２と高く、又は、実験室条件で、最も強靭な鋼鉄の抗張力のおよそ２．５倍である。細胞壁内でのように、セルロースは湿っている場合はその抗張力は急速に低下し、機械的支持を提供する能力が著しく減少する。生物システムでは、セルロースの骨格は、防水及び強化性材料として作用するペクチン、ヘミセルロース及びリグニンのマトリックスに組込まれている。これによって、経済的に道理がかなうのに十分な速さ、十分なコスト安、又は十分な大きさの規模で再生可能セルロース含有バイオマスから燃料を生産するのが難しくなる。本明細書で使用される有機炭素含有材料は、５０年未満内に再生可能であり、例えば、草、エネルギー作物及び農作物の廃棄物といった草木材料；木のパーツ、他の木の廃棄物、及び、壊れた家具及び枕木といった木製の廃棄品といった木の材料；並びに、動物の糞尿といった、未消化植物細胞を含む動物性材料といった植物材料を包含する、再生可能植物含有材料を意味する。方法で原料として使用される有機炭素含有材料は、有機炭素含有原料と呼ぶ。

再生可能バイオマスとも呼ぶ有機炭素含有材料は、上記の幅広い有機材料を包含する。米国だけで年間数十億トンの有機炭素含有材料を生産していると推定される。本明細書で使用される加工化有機炭素含有原料は、水含量が低下し、相当量の溶解塩が除去され、材料のエネルギー密度が増加した処理済み有機炭素含有原料である。この処理済み原料は、複数のエネルギー生産製品を作製する方法への投入として使用され得、例えば、液体炭化水素燃料、石炭に代わる固体燃料、及び合成天然ガスが挙げられる。

有機炭素含有原料を作製するビジネスにいる誰もが実感するように、エネルギーバランスは最も大事な測定基準である。有機炭素含有原料を加工するのに用いるエネルギー量、及び、したがってそのエネルギーのコストは、初めの加工（ｂｅｎｅｆｉｃｉａｔｉｏｎ）方法によって実現される全体の向上による埋め合わせによって実質的に相殺されなくてはいけない。例えば、他のものは全て同じでありながら、１０００ＢＴＵを燃焼して処理済み有機炭素含有原料の熱含量を１０００ＢＴＵ向上させることは、同時に起こる相当量の水溶性塩の除去によって以前は使用不可であった有機炭素含有原料をボイラーといったいくつかの方法での燃料代用物として使用可能にならない限り、経済的に道理がかなっていない。

本明細書で使用される有機炭素含有原料は、自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水−塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にセルロースミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む。いくつかの実施形態では、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量は、乾量基準で少なくとも４０００ｍｇ／ｋｇである。他の実施形態では、塩含量は、１０００ｍｇ／ｋｇ超、２０００ｍｇ／ｋｇ超又は３０００ｍｇ／ｋｇ超であり得る。含量は主に、有機炭素含有材料が育つ土壌次第である。土地が豊富で、商業的な量でエネルギー作物を育てるための土地使用を可能にする能力がより高い領域は、４０００ｍｇ／ｋｇ超の水溶性塩含量を有する有機炭素含有原料をもたらすアルカリ性土壌をしばしば有する。

水溶性塩は、有機炭素含有原料を用いて燃料を作る方法において望ましくない。塩は、燃焼の際に腐食、ファウリング又はスラッギングを通して装置の動作寿命を縮める傾向がある。いくつかのボイラーは、燃料の塩の濃度を１５００ｍｇ／ｋｇ未満に制限する基準を設けており、いくつかのボイラーは燃料の塩の濃度を５００ｍｇ／ｋｇ未満に制限する。現在、ボイラーのための燃料の利用率と、装置の清掃及びパーツの取り換えの頻度の費用との間のバランスをそれぞれの状況に関して見つける必要がある。経済的に行う場合は、塩はより少ない方が好まれる。実際に、加工化による塩の減少は大変大きく、塩を有するバイオマス（例えば、木くず燃料、メスキート及びマツ−ビャクシン（ｐｉｎｙｏｎ−ｊｕｎｉｐｅｒｓ））のボイラーでの使用も実現する技術である。また、塩はしばしば触媒をだめにし、有益な燃料を作るために用いる方法での細菌又は酵素の使用を阻害する。ある塩濃度が許容される一方で、好ましくは、塩濃度は経済的に実行可能なまで低くあるべきである。

水溶性塩及び各種形態の水は、植物細胞の様々な領域で見つかる。本明細書で使用される植物細胞は、フィブリル内にミクロフィブリルの束を含み、並びに、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩を含む、細胞壁から構成される。図１は、細胞壁内のフィブリル、ミクロフィブリル及びセルロースの配置を示す、細胞壁のある領域の分解図を伴う典型的な植物細胞の図である。植物細胞（１００）が、フィブリル（１３０）を示すようにある部分が拡大された細胞壁（１２０）と一緒に示される。各フィブリルは、セスロース（１５０）の鎖を含むミクロフィブリル（１４０）から構成される。セルロースの鎖は、多少の程度の秩序を示し、したがって、結晶性を示す。

植物細胞は、一次細胞壁及び二次細胞壁を有する。二次細胞壁は、植物の種類によって厚さがさまざまであり、植物材料の強度のほとんどを提供する。図２は、ミクロフィブリルを含み、ヘミセルロース及びリグニンの鎖で結び付いたフィブリルを示す、二次植物細胞壁内で一緒に束になった２つのフィブリルの一部分の側面透視図の図である。植物細胞壁（２００）のセクションは多くのフィブリル（２１０）で構成される。各フィブリル２１０は、セルロースミクロフィブリル（２３０）の集合体を囲む鞘（２２０）を含む。フィブリル２１０はヘミセルロース（２４０）及びリグニン（２５０）の織り合わさった鎖によって一緒に結び付いている。細胞内水及び細胞内水に溶性の塩を除去するために、細胞壁２００のセクションは、ヘミセルロース２４０及びリグニン２５０の鎖のネットワークからフィブリルの束を外すこと、鎖部分を脱結晶化すること、又は、鎖部分を脱重合することのいずれか１つによって孔を開けなくてはいけない。

植物細胞は、細胞間水によってそれぞれ分離されている。植物細胞の集合体は、植物繊維で一緒にまとめられ、それぞれ、その外部が表面水としても知られる自由水で濡れているセルロースの壁を有する。特定の有機炭素含有原料内に分布する水の量は、材料によってさまざまである。一例として、水は草木植物由来の新鮮なバガスで次のように分布されている：約５０ｗｔ％の細胞内水、約３０ｗｔ％の細胞間水、及び、約２０ｗｔ％の自由水である。バガスは、サトウキビ又はソルガムの茎を、果汁を抽出するためにつぶした後に残留する繊維性物質である。

図３は、水及び水溶性塩が植物細胞内外のどこにあるかを示す、バガスの繊維セクションの断面図の図である。植物細胞（３００）の集合体を有する繊維が、外部セルロース壁（３２０）上の表面水（３１０）と一緒に示される。繊維３００の中には、細胞間水（３４０）によって分離される各植物細胞（３３０）がある。それぞれの各植物細胞３３０内には、細胞内水（３５０）及び細胞内水に溶性の塩（３６０）がある。

有機炭素含有原料を加工する従来の方法としては、熱的方法、機械的方法及び生理化学的方法が挙げられる。熱的方法としては、熱分解及びトレファクションに関わる熱処置が挙げられる。熱的方法は、同伴する塩を効果的に除去せず、塩を濃縮する役目を果たすだけである。したがって、熱的方法は、石炭及び石油の同等物に対する燃料代用物として用いる有機炭素含有原料といった、多くのエネルギー生産製品の作製に関して許容可能ではない。さらに、全ての従来の熱的方法は、エネルギー集約的であり、不利な全体エネルギーバランスにつながり、したがって、エネルギーの再生可能源としての有機炭素含有原料の商業的使用を経済的に制限する。

圧力押出し又は高密度化とも呼ばれる機械的方法は、水及び水溶性塩が有機炭素含有材料から無理やり押し出される２つの別々の方法に分けられ得る。これら２つの方法は、細胞間及び細胞内押出しである。細胞間水及び細胞間水に溶性の塩の押出しは、有機炭素含有材料の新鮮度、粒径、開始水含量、及び有機炭素含有材料の多様性次第で、中程度の圧力で起こる。５０ｗｔ％と６０ｗｔ％との間の水含量を有する、切ったばかりの草木性有機炭素含有原料の適切のサイズにした粒子は、１，０００ｐｓｉといった低さの圧力で細胞間水分の押出しを開始し、余分な圧力が水分を植物細胞内へ押しやる（本質的に細胞内水分になる）まで続く。

高密度化が進むにつれて、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩を押出そうとするためにより高い圧力、及び、したがってより高いエネルギーコストが必要になる。しかし、硬い細胞壁はバイオマス材料に機械的強度を提供し、構造完全性を失わずに高圧力に耐えられる。さらに、より弱い細胞壁の草木性材料により蔓延する不浸透性フェルトの形成が、閾値の圧力を超えた異なる草木性バイオマス材料の圧密の際に観察される。この方法は、エネルギー集約的である。さらに、細胞内塩は残るために、乾量基準で最大５０パーセントの水溶性塩しか除去できず、また、当該方法は水含量を３０ｗｔパーセント未満に減少できない。

フェルトは、長い繊維が織り込みを形成し、小粒子のピスによって一緒に結び付けられる時に形成される。ピスは、植物で見られる組織であり、柔らかい、スポンジのような柔組織細胞から構成され、これは、水溶性養分を保管及び植物全体に輸送する。ピス粒子は、水中で自身の重量の５０倍を保持できる。圧密の際に引き出される圧縮力が形成中のフェルト内に水を押出すにつれ、同伴したピス粒子が最大その体積まで水分を回収する。その結果、いずれかのフェルトの水含量は９０％に到達し得る。フェルトが圧密の際に形成する時、適用される力に関係なく、圧縮されるバイオマスの全体の水含量は、そうではなくフェルトが形成されない時よりも実質的に高いだろう。フェルトは、適用される力に垂直に、圧密デバイス及びセグメントの出口ポートを遮断し、水は圧密デバイスからの圧出から遮断される。フェルトはまた、植物繊維及び植物細胞を通過する水を遮断し、いくらかの水は細胞壁の孔を通過していくつかの植物細胞内に戻る。さらに、乾量基準で最大５０パーセントの水溶性塩しか除去できず、３０ｗｔパーセント未満を超えて水含量を減少できない。

生理化学的方法は、圧密の前に有機炭素含有原料の化学的前処置及び圧力の除圧を含み、密度を高めたバイオマスの質を実質的に改善し、一方で、所望するかさ比重を達成するのに圧密の際に必要なエネルギー量も低下する。化学的に、バイオマスは主に、関連植物材料の二次細胞壁に存在するセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含む。セルロース及びヘミセルロースの鎖はリグニンによって架橋結合しており、リグニン−炭水化物複合体（ＬＣＣ）を形成する。ＬＣＣは細胞内水の除去に対して疎水性バリアを生産する。有機炭素含有材料を可溶化しすぎる紙のパルプ化方法に加え、従来の前処置としては、酸加水分解、蒸気爆発、ＡＦＥＸ、アルカリ湿式酸化及びオゾン処置が挙げられる。これらの方法の全ては、慎重に操作されない場合、製品重量当たりのコスト基準で高くなり得、また、乾量基準で２５％超の水溶性塩を除去するように設計されていない。

さらに、有機炭素含有材料から概ね取得可能なエネルギー密度は、その種類、すなわち、草木、軟木及び堅木に左右される。また、発電所のための燃料といった次に続く使用で種類を混合することは望まれず、なぜなら、現在の処理済み有機炭素含有原料のエネルギー密度は、植物材料の種類によって大いに異なるからである。

上記の通り、植物材料はさらに３つのサブクラスの草木、軟木及び堅木に細分され得、それぞれは特定の水保持メカニズムを有する。全ての植物細胞は一次細胞壁及び二次細胞壁を有する。前述の通り、材料の強度は主に、一次細胞壁ではなく、二次細胞壁によるものである。軟木材料でも、軟木材料の二次細胞壁は草木材料に関してよりも厚い。

草木植物は、比較的もろい壁の植物であり、トウモロコシを包含し、約１０〜１５フィート（約３〜５メートル（Ｍ））未満の最大高さを有する。全ての植物がピス粒子を有する一方で、草木植物は比較的もろい細胞壁を有するため、水を風船のように保持する細胞壁内の高濃度のピス粒子を介してその水分のほとんどを維持する。圧力はその風船を変形するだけであり、植物が水を手放すことは引き起こさない。草木植物は、約５０％の水を細胞内水として有し、１トン当たり約５，２００，０００ＢＴＵ（ＭＭＢＴＵ／トン）又は１メートルトン当たり６ギガジュール（ＧＪ／ＭＴ）の未処理材料のエネルギー密度を有する。比較すると、グラファイトの形態である純炭素は、２８ＭＭＢＴＵ／トン（３３ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度を有し、無煙炭は約２１ＭＭＢＴＵ／トン（２５ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度を有する。

軟木材料は、草木植物よりも丈夫である。軟木材料としてはマツが挙げられ、通常、５０と６０フィート（約１５と１８Ｍ）の間の最大高さを有する。軟木材料の植物細胞はより硬い壁を有し、したがって、水分を保持するのに必要なピス粒子はより少ない。軟木材料は約５０％の水を細胞内水として有し、約１３−１４ＭＭＢＴＵ／トン（１５−１６ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度を有する。

堅木材料は、最も丈夫な植物であり、オークを包含し、通常６０と９０フィート（１８と２７Ｍ）の間の最大高さを有する。最も厚い二次細胞壁を有するセルロースの植物細胞を有し、したがって、水分を保持するのに必要なピス粒子の量は一番少ない。堅木材料は、約５０％の水を細胞内水として有し、約１５ＭＭＢＴＵ／トン（１８ＧＪ／ＭＴ）のエネルギー密度を有する。

エネルギー産業では、エネルギー産業が有機炭素含有材料を商業上での代替又は補助燃料源として使用するのを可能にするシステム及び方法に対する必要性が存在する。商業規模で再生可能有機炭素含有材料を育てるのに利用可能な土地の多くはまた、通常少なくとも４０００ｍｇ／ｋｇの量である、所望含量の水溶性塩よりも高い含量を有する有機炭素含有材料をもたらす。太平洋北西の森林製品はしばしば、沿岸内水路を介して輸送され、バイオマスは海からの塩にさらされる。したがって、そのようなシステム及び方法は、相当量の水溶性塩を除去し、適切な燃料代用物を提供できなくてはいけない。一例として、燃料内の高濃度の塩に関連するコスト高のメンテナンスを避けるためにボイラーが必要とする塩含量は通常１５００ｍｇ／ｋｇ未満である。さらに、許容可能なエネルギー密度を達成するのに十分な水を除去するエネルギー及びその結果としてのコストは、石炭又は炭化水素燃料代用物を作製する方法で有機炭素含有材料を適切な代替物にするのに十分低くなくてはいけない。

様々な種類の植物を取り扱い、同様のエネルギー密度を有する処理済み有機炭素含有原料に到達し得る方法の必要性もある。

開示される発明は、エネルギー産業が処理済み有機炭素含有材料を商業的代替燃料源として使用するのを可能にする。本発明のいくつかの実施形態は、人工又は天然の化学的混入物のほぼ全てを除去し、全水含量を５ｗｔ％〜１５ｗｔ％の範囲の量まで低下する。これによって、電気事業の産業といった産業は、水溶性塩の量の実質的な低下を伴って、有機炭素含有原料を最大５０ｗｔ％の処理済み有機炭素含有原料及び５０ｗｔ％の石炭の割合で混合し、石炭の競争価格で、石炭と同一のＭＭＢＴＵ／トン（ＧＪ／ＭＴ）能率を享受することが可能になる。文献によると、最大３０％の有機炭素含有原料の石炭に対する割合が説明されている。最近の特許出願公開であるＥＰ２５８０３０７Ａ２は、熱を加えた機械的圧密による最大５０％の割合を開示しているが、有機炭素含有原料の水溶性塩含量における明らかな低下はなかった。本明細書で開示する発明は、使用する特定の未処理有機炭素含有原料に合わせた条件を伴う反応チャンバーを通して、実質的な水溶性塩の低下を明らかに含んでいる。以下で考察する通り、反応チャンバーの圧密セクションの目的を追加したすすぎサブセクション及びその次に続く加圧アルゴリズムは、石炭と混合して使用し得るように、処理しなければ石炭ボイラーで燃やすのには利用不可能である、特に高い含量の水溶性塩を有する有機炭素含有原料を処理するのに有利であり得る。これとしてはまた、例えば木くず燃料、メスキート及び西洋アカスギが挙げられる。

さらに、開示される発明は、異なる種類の有機炭素含有原料がそれぞれ調節された条件で処理され、事前に選択したエネルギー密度を有する処理済みの産出をもたらすことを可能にする。本発明のいくつかの実施形態は、５．２〜１４ＭＭＢＴＵ／トン（６〜１６ＧＪ／ＭＴ）の範囲である異なるエネルギー密度を有する２種類以上の原料を、連続した反応チャンバーへ、又は、異なる反応チャンバーへ並行して供給し得る。各種類の有機炭素含有原料は事前に選択して合わせた条件下で処理されるので、本発明のシステムのいくつかの実施形態に関して、結果の処理済み有機炭素含有原料は実質的に同様のエネルギー密度を有し得る。いくつかの実施形態では、エネルギー密度は約１７ＭＭＢＴＵ／トン（２０ＧＪ／ＭＴ）である。他では、約１８、１９又は２０ＭＭＢＴＵ／トン（２１、２２又は２３ＧＪ／ＭＴ）である。これは、下流の方法が、使用される種類に関わらず同様のエネルギー密度並びに実質的に減少した水溶性塩含量を有する処理済み有機炭素含有原料と機能するのを可能にする偉大な効果を提供する。

本発明はシステム態様と２つの方法態様を含む。
システム態様
システムは、少なくとも３つの要素、伝達デバイス、少なくとも１つの反応チャンバー及び回収デバイスを備える。

第１の要素、伝達デバイスは、自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にセルロースミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を、反応チャンバー内へ運搬するように構成される。伝達デバイスは、固体未処理有機炭素含有原料を反応チャンバーへ運搬し、反応チャンバー内での原料の一貫した滞留時間を得るのに適したいずれかのものである。伝達デバイスとしては、オーガといった、化学産業では良く知られるデバイスが挙げられる。

未処理有機炭素含有原料がシステムを通過して処理済み有機炭素含有原料を作製するので、未処理有機炭素含有原料の粒径は満足のいくエネルギーバランスを可能にするのに十分な小ささである必要がある。いくつかの実施形態で、未処理有機炭素含有原料は、ある呼称寸法で到着する。例えばエネルギー作物及び農業廃棄物といった草木材料は、最長寸法が１インチ（２．５ｃｍ）未満である粒径を有するべきである。好ましくは、切られたばかりの多くの木及び木の廃棄物は、０．５インチ（１．３ｃｍ）未満の最長を有するべきである。好ましくは、古い木の廃棄物、特に、例えばマツといった樹脂種類の木は特に、０．２５インチ（約０．６ｃｍ）の最長寸法の粒径を有し、最適な経済上の結果を得、ここでは、処理能力及びエネルギー／化学物質消費が一緒に評価される。

システムのいくつかの実施形態はまた、反応チャンバーの前に破砕（ｍａｓｔｉｃａｔｉｏｎ）チャンバーを含む。この破砕チャンバーは、有機炭素含有原料の粒径を最長寸法として１インチ（２．５ｃｍ）未満まで縮小するよう構成される。これによって、有機炭素含有原料が１インチ（２．５ｃｍ）より大きい最長寸法を有する粒径で到着することが可能になる。

システムのいくつかの実施形態はまた、細胞内水及び水溶性塩がセルロース−フィブリル束から通過するための通路の作製を阻止する混入物を除去する前処置チャンバーも含み得る。チャンバーは、各有機炭素含有原料に関して、継続時間、温度プロフィール及び前処置溶液の化学物質含量を包含する特定の組合せの条件を用いて混入物の分解を少なくとも開始する。混入物としては、樹脂、ロジン、接着剤及びクレオソートが挙げられる。初期のいずれかのフェルトも包含する固体スラリーは、一次最終産物である処理済み有機炭素含有原料で結合剤としての使用のために回収され得る。分離油を、例えばスギ油といった単独型の産物として回収してもよい。

第２の要素である反応チャンバーは、少なくとも１つの入口通路、少なくとも１つの出口通路、並びに、湿潤フィブリル破壊セクション、蒸気爆発セクション及び圧密セクションの少なくとも３つのセクションを含む。第１のセクションである湿潤フィブリル破壊セクションは、フィブリル束内のセルロースミクロフィブリル間のリグニン及びヘミセルロースを少なくともいくつか壊してばらばらにし、少なくともいくつかの領域の細胞壁をより貫通可能にする。これは、複数の手段の内少なくとも１つによって達成される。有機炭素含有原料を、植物フィブリルに浸透し、リグニン、ヘミセルロース及びＬＣＣバリアを破壊する適切な化学物質と混合する。さらに、化学処置はまた、セルロースフィブリル及び／又はミクロフィブリルのある部分の束を外し、脱結晶化し、及び／又は脱重合する。好ましくは、化学物質を特定の有機炭素含有原料に合わせる。いくつかの実施形態では、化学処置は、混和性の揮発性気体を含む水溶液を含む。混和性気体は、アンモニア、重炭酸塩／炭酸塩又は酸素の１つ以上を包含し得る。いくつかの実施形態はメタノール、炭酸アンモニウム又は炭酸の水溶液を含み得る。メタノールの使用は、例えば、より多い木の含量を有する有機炭素含有原料に関して所望され、木の有機炭素含有原料に含まれる樹脂を分解し、加工化学物質がフィブリルとより良好に接触するのを可能にし得る。事前に決めた混合滞留時間のあと、有機炭素含有原料を、蒸気駆動、又は、ピストンといった他の手段で、反応チャンバーの次のセクション内へ運搬し得る。いくつかの実施形態では、方法条件は、リグニン又はヘミセルロースを２５ｗｔ％超で分解しないように選択されるべきであり、なぜなら、これらは処理済み有機炭素含有原料のエネルギー密度への重要な寄与因子であるからである。いくつかの実施形態では、２０ｗｔ％以下、いくつかの実施形態では、１５ｗｔ％以下である。システムのいくつかの実施形態は、使用する特定の有機炭素含有原料によって、少なくとも１３５℃、少なくとも１６５℃又は少なくとも１８０℃の温度；少なくとも２６０ｐｓｉｇ、少なくとも２８０ｐｓｉｇ、少なくとも３７５ｐｓｉｇ又は少なくとも６４０ｐｓｉｇの圧力；及び少なくとも１５分間（ｍｉｎ）、２０分間又は３０分間の滞留時間を有し得る。

第２のセクションである、蒸気爆発セクションは、湿潤フィブリル破壊セクションと連通している。蒸気爆発セクションは少なくとも、細胞内水及び水溶性塩がセルロースフィブリルの束から通過するためのセルロース通路を有する多孔性有機炭素含有原料を作製するために、迅速な除圧によって植物フィブリル浸透性流体を揮発させ、細胞壁のより影響を受けやすい領域を貫通するように構成される。有機炭素含有原料は単離、加熱、蒸気を含む揮発性流体によって加圧される。適用した揮発性化学物質は及び蒸気は、高温及び高圧のために蒸気爆発セクション内で植物フィブリル内に貫通する。用いる特定の有機炭素含有原料が指示する事前に決定した滞留時間の後、素早く開く弁を開くことで、反応チャンバーから、気体を保持及び分離しエネルギー／化学的能率の増大のために方法でそれら気体の少なくともいくつかを再利用するよう設計され得る拡張チャンバー内へ、圧力を迅速に放出する。気体の保持が望まれないいくつかの実施形態は、拡張チャンバーを有さない。システムのいくつかの実施形態は、用いる特定の有機炭素含有原料によって、ｐｓｉｇにおいて、少なくとも２３０、少なくとも２５０、少なくとも３４５又は少なくとも６００の単位圧の低下を有し得；及び、５００ミリ秒（ｍｓ）未満、３００ｍｓ未満、２００ｍｓ未満、１００ｍｓ未満、又は、５０ｍｓ未満の爆発継続時間を有し得る。

いくつかの実施形態は、反応チャンバーの湿潤フィブリル破壊セクション内への気体入口を含み、圧縮した空気、又は、例えば酸素といった他の圧縮した気体を送達し得る。所望する圧力まで送達した後、入口ポートは閉じ、反応のための加熱が進む。これによって、次の３つのうち少なくとも１つが可能になり得ることに留意されたい：第１に、全体の圧力の増加は、次に続く爆発をより強力にするだろう。第２に、所望される場合に処理済み有機炭素含有原料の酸化電位を増大するだろう。第３に、反応チャンバーの底の穿孔管を介した気体の泡立ち作用によって、有機炭素含有原料、水、及び、例えば有機溶媒といった可能性のある他の化学物質の混合のための準備が提供され得る。

湿潤フィブリル破壊セクション及び蒸気爆発セクションを通過する有機炭素含有原料への正味の効果はフィブリル細胞壁の破壊であり、これは、圧力の爆発を介して物理的に、並びに、選択性及び最小限のフィブリルセルロースの脱結合、セルロース脱重合及び／又はセルロース脱結晶化を介して化学的に起こる。セルロース、リグニン及びヘミセルロースの加水分解といった化学的効果も起こり得る。結果として得られる有機炭素含有原料の粒子は、そのフィブリル及び細胞壁の微細孔のサイズ及び数の増大を示し、したがって、表面積の増大を示す。多孔性になった有機炭素含有原料を蒸気爆発セクションから次のセクション内へ出す。

第３のセクションである圧密セクションは、蒸気爆発セクションと連通している。圧縮セクションは少なくとも、細胞内及び細胞間水並びに細胞内及び細胞間溶性塩の流出を可能にするように作った反応チャンバー出口経路を閉じ得るフェルトの形成を、最小限にするように構成される圧力プレート間で、多孔性有機炭素含有原料を圧縮するように構成される。このセクションでは、各有機炭素含有原料に関する原則的な方法条件は、圧力プレート上の雄型の有無、出発水含量、処理済された水含量、及び、最終的な水含量である。本発明のシステムの圧密セクションは、草木性植物材料原料を含む原料に関して、圧力プレート上に雄型にパターン形成した表面を必要とする。しかし、セクションは、用いる特定の材料及び収穫後のその新鮮度次第で、軟木又は堅木植物材料原料の処理には雄型表面を必要とし得る、又は、必要とし得ない。システムのいくつかの実施形態は、用いる特定の有機炭素含有原料次第で、７０〜８０ｗｔ％、４５〜５５ｗｔ％又は４０〜５０ｗｔ％の範囲である出発水含量を有し得；及び、所望する実際の標的次第で、４〜１５ｗｔ％の処理された水含量を有し得る。

第３の要素、回収デバイスは、反応チャンバーと連通している。回収チャンバーは少なくとも、非燃料成分を燃料成分から分離し、処理済み有機炭素含有原料を作製するよう構成される。原料は２０ｗｔ％未満の水含量及び乾量基準で少なくとも６０％減少した水溶性塩含量を有する。いくつかの実施形態は、表面水分が空気乾燥させた後、２０ｗｔ％未満の水含量を有する。いくつかの実施形態は１５ｗｔ％未満の水含量を有する処理済み有機炭素含有原料を有する。他の実施形態では、処理済み有機炭素含有原料は１２ｗｔ％未満、１０ｗｔ％未満、８ｗｔ％未満、又は５ｗｔ％未満の水含量を有する。いくつかの実施形態は、乾量基準で少なくとも６５％減少した水溶性塩を有する。他の実施形態は、乾量基準で少なくとも７０％、乾量基準で７５％、乾量基準で少なくとも８０％、乾量基準で少なくとも８５％、乾量基準で少なくとも９０％又は乾量基準で少なくとも９５％減少した水溶性塩を有する。

システムのいくつかの実施形態はさらに、少なくとも１つのすすぎサブセクションを含み得る。このサブセクションは、多孔性有機炭素含有原料が圧密セクションへ移る前に、少なくとも多少の水溶性塩を多孔性有機炭素含有原料から流すよう構成される。塩水に浸した木くず燃料（木片、削りくず、又は、それを作るために用い、「ハンマーホグ」（ｈａｍｍｅｒ ｈｏｇ）としても知られる製材機械又は粉砕機械の残留物）といった、塩含量が特に高いいくつかの実施形態では、２つ以上のすすぎサブセクションを有するよう構成され、別の圧密セクションが続く。分離された水は、溶解した水溶性塩と一緒に、周囲環境への放出のために回収及び処置され得、又は、再生可能有機炭素含有原料を育てるのに使用する田畑で再利用までされ得る。この水の塩は、肥料及び殺虫剤といった、作物に目的を持って添加する成分を含む可能性が高い。

本発明のシステム態様は、図の描写を介してより理解され得る。図４は、除圧した炭素含有原料から放出される気体を保持する拡張チャンバーと連通した反応チャンバーの実施形態の側面図の図である。反応チャンバー（４００）は、湿潤フィブリル破壊セクション（４１０）と一緒に示される。溶媒（４１２）及び未処理有機炭素含有原料（４１４）は、湿潤フィブリル破壊セクション４１０内へ弁（４１６）及び（４１８）を介して供給され、それぞれ次のセクションの準備を整える。前処置した有機炭素含有原料は次いで蒸気爆発セクション（４２０）へ弁（４２２）を介して移動する。弁はチャンバー間で用いて材料を投入し、各チャンバーで指定された標的条件の達成を可能にする。水又は水系揮発性混合物といった揮発性膨張流体を、弁（４２４）を介して蒸気拡張チャンバー４２０へ供給する。除圧の間に作製された多孔性有機炭素含有原料から放出される気体は、速放出弁（４２８）を介して拡張チャンバー（示されない）へ提供され、可能性のある再利用のために気体を保持する。圧密セクション（４３０）は、弁（４３２）を介して多孔性有機炭素含有原料を受け取り、ここで、水及び水溶性塩は多孔性有機炭素含有原料から実質的に除去され、処理済み有機炭素含有原料となる。

上記の通り、圧密セクションの圧力プレートは、フェルト形成を最小限にするよう構成される。フェルトは、織り合わさって水及びその水に同伴する水溶性塩が圧密セクションの出口ポートを通過するのを止める非浸透性バリアを形成する織り合わさった繊維の集合体である。さらに、反応チャンバーの最初の２つのセクションでの加工方法を生き延びたいずれかのピス粒子がフェルトンに同伴して水を吸収し得、したがって、加圧の間の水の排除を阻止する。したがって、フェルト形成は、圧縮中のバイオマスの内部から追い出されないよう相当の割合の水及び塩を閉じ込める。図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃは、圧力プレートの実施形態、及び、圧力プレートがどのように機能して、水及び水溶性塩が圧密セクションから自由に流れられるようフェルト形成を最小限にするかを示す。図５Ａは、圧力プレートの様々な実施形態の前面図の図である。示されるのは、多孔性有機炭素含有原料の下流の流れに対して圧力をかける圧力プレートの表面である。図５Ｂは、図５Ａで示す圧力プレートの一実施形態をクローズアップした透視図である。図５Ｃは、力のベクトル及び力のベクトルにさらされるフェルトを伴う、圧力プレートの中心下の断面図を示す図である。反応チャンバーの最初の２つのセクションでの上流加工方法は、バイオマスの繊維をかなり弱め、それによって、フェルト形成の最小化にも寄与する。

いくつかの実施形態は、公知の機械的、公知の生理化学的又は公知の熱的方法由来の処理済み有機炭素含有原料の重量当たりのコストの６０％未満のコストで、未処理有機炭素含有原料と比較して処理済み有機炭素含有原料の水含量及び水溶性塩の減少を達成する。これらの実施形態では、反応チャンバーは、各未処理有機炭素含有原料に合わせた条件で操作するように構成され、システムはさらに、熱を再捕捉及び再利用し、消費するエネルギーを最小限にして処理済み有機炭素含有原料の特性の特定の組合せにつながるよう設計される。反応チャンバーセクションはさらに次のように構成される。湿潤フィブリル破壊セクションはさらに、各有機炭素含有原料に合わせ、並びに、各有機炭素含有原料に関する少なくとも溶媒媒体、継続時間、温度プロフィール及び圧力プロフィールを含むフィブリル破壊条件を使用するように構成される。第２のセクションである、蒸気爆発セクションは、各有機炭素含有原料に合わせ、並びに、少なくとも圧力低下、温度プロフィール及び爆発継続時間を含む爆発条件を用いて植物細胞内で揮発性植物フィブリル浸透性流体爆発を形成するように構成される。第３のセクションである圧密セクションは、各有機炭素含有原料並びに圧力、圧力プレート構成、滞留時間及び圧力対時間プロフィールに合わせた圧密条件を用いるよう構成される。

各有機炭素含有原料に処理条件を合わせる重要性は、次の、植物フィブリルの粘弾性／粘塑性特性に関する考察によって示される。細胞壁の構成における植物間の違いに加え、植物が草木、軟木又は堅木であるかどうかによって、植物は異なる度合いで興味深い物理的特性をいくつか示す。有機炭素含有材料は、弾性及び塑性特性の双方を示し、その度合いは、双方とも、植物の特定の種、及び、例えば新鮮であるか又は古いかといった植物の状態次第である。粘弾性／粘塑性材料の弾性／塑性の関係を管理する物理学は、かなり複雑である。純粋に弾性である物質と違って、粘弾性物質は弾性成分及び粘性成分を有する。同様に、粘塑性材料は、可塑成分及び粘性成分を有する。粘弾性物質に圧力をかける速度は、その物質に、材料の弾性限界に到達するまで時間へのひずみ速度依存をもたらす。弾性限界を超えると、材料のフィブリルは、塑性、すなわち永久変形を示し始める。図６Ａは、リグノセルロースフィブリルに関する典型的な応力−ひずみ曲線のグラフ図示である。粘弾性及び粘塑性の双方の重要な側面である粘性は、熱的に促進された変形に対して抵抗性であるので、粘性材料は圧密サイクルの間中、エネルギーを損失する。弾性変形はまた、フィブリルがその本来の形状に回復できないことによって観察される通り、損失エネルギーにつながる。重要なことに、粘弾性／粘塑性は分子の再配置につながる。応力を特定の有機炭素含有原料といった粘性弾性材料に適用する場合、その構成成分であるフィブリル及び同伴水分子のいくつかは位置を変え、それを行っている間に、摩擦のために熱の形態でエネルギーを損失する。材料がその周囲に損失するエネルギーは、圧縮機から受け取ったエネルギーであり、したがって、処理によって消費されたエネルギーであることを強調することが重要である。材料の弾性限界を超えて圧力をさらに適用する場合、フィブリルそのものは位置だけでなく、形状を変化させる。定義上、「粘性」物質は、熱の形態でその周囲にエネルギーを損失する。

圧密サイクルがどのように１つの有機炭素含有原料に関してどのように最適化され、エネルギー消費を最小限にして標的製品価値を達成するかの一例が次に続く。実験を通して、消費されるエネルギーと達成されるエネルギー密度との間に平衡状態が作られる。図６Ｂは、典型的な有機炭素含有原料の水含量を減らし、かさ比重を増やすのに必要な圧力及びエネルギーのグラフ図示である。かさ比重は水含量に関係しており、かさ比重が高いほど、より低い水含量に釣り合う。有機炭素含有原料圧密方法は、生産性に影響するサイクル時間、関連する水溶性塩及び鉱物と一緒の正味水分放出、原料の粘弾性／粘塑性特性による跳ね返り効果の永久かさ比重改善の正味、及び、エネルギー消費の間の最適平衡状態を引き出す。

図６Ｃは、かさ比重の乗数を達成するのに必要なエネルギー需要の乗数のグラフ図示である。圧密サイクルはさらに、有機炭素含有原料の各種類及び状態のために最適化し得、サイクル内に小休止を組み込むことで、より小さい圧力での所望する結果、すなわち、エネルギー消費を達成し得る。図６Ｄは、特定の有機炭素含有原料に合わせた本発明の実施形態で、有機炭素含有原料の水含量を減らすための圧力サイクルの一例の図示である。

同様の方法で、エネルギー消費は、システムの湿潤フィブリル破壊及び蒸気爆発部分の間に最適化され得る。圧密前の化学的前処置はさらに、製品の品質を向上させ、また、正味エネルギー消費を低下させる。比較のために、図６Ｃで「１０」のかさ比重の乗数を達成するために適用した圧力は約１０，０００ｐｓｉであり、有機炭素含有原料を除圧するのに非経済的に高いコストの資本設備及び不満足に高いエネルギーコストを必要とする。

図７は、公知の方法と比較して、本発明の実施形態で、有機炭素含有原料から少なくとも７５ｗｔ％の水溶性塩を除去し、水含量を５０ｗｔ％から１２ｗｔ％に減少させるのに必要な推定エネルギー消費を示す表である。出発水含量が５０ｗｔ％の廃棄木材を推定に用いて、本発明の３つの実施形態の、公知の機械的、生理化学的及び熱的方法との比較を並べて示す。選択したシステムの実施形態では、水、メタノールと一緒に水、二酸化炭素をバブリングして炭酸Ｈ_２ＣＯ_３を生産する水を含む、フィブリル膨張化流体を用いる。表から分かる通り、また、上記の通り、公知の機械的方法では、水含量を１２ｗｔ％まで低下させることはできず、公知の生理化学的方法は、水溶性塩含量を２５ｗｔ％超で低下させることはできず、公知の熱的方法では、水溶性塩を一切除去できない。メタノール及び水、二酸化炭素及び水、並びに水のみを用いる本発明の３つの実施形態に関して１トン当たりの合計エネルギー必要量は、それぞれ０．２８ＭＭＢＴＵ／トン（０．３３ＧＪ／ＭＴ）、０．３１ＭＭＢＴＵ／トン（０．３６ＧＪ／ＭＴ）及び０．４２ＭＭＢＴＵ／トン（．４９ＧＪ／ＭＴ）である。これは、公知の機械的、公知の生理化学的、及び公知熱的方法に関してそれぞれ０．４１ＭＭＢＴＵ／トン（０．４８ＧＪ／ＭＴ）、０．９０ＭＭＢＴＵ／トン（１．０５ＧＪ／ＭＴ）及び０．７８ＭＭＢＴＵ／トン（０．９１ＧＪ／ＭＴ）と比較される。したがって、システムの発明の実施形態に関して、乾量基準で２０ｗｔ％未満の含量まで水を除去し、水溶性塩を７５ｗｔ％除去するための推定エネルギー必要量は、同じ量の水及び水溶性塩を除去できる公知の生理化学的及び公知の熱的方法の必要量の６０％未満である。さらに、システムの発明は、同じ量の水を除去できる公知の生理化学的及び公知の熱的方法で可能なものよりもかなり多くの水溶性塩を除去できる。

複数の反応チャンバーを並行に使用して、持続的な方法をシミュレートし得る。図８は、平行な４つの反応チャンバー、前処置チャンバー、及び、蒸気凝縮チャンバーを有するシステムの一実施形態の側面図の図である。システム（８００）は、有機炭素含有原料をシステム８００へ送達する投入セクション（８０２）を含む。原料は、破砕チャンバー（８０４）を通過して有機炭素含有原料ホッパー（８０６）に入り、ここで、前処置チャンバー（８１０）へ移動する。混入物は、液体放流管路（８１２）を介して、混入物のための出口流（８１５）、ろ過媒体タンク（８１８）まで、及び、再利用のためにろ過媒体タンクを超えて液体を移動させる液体排出管路（８１６）、並びに、固体を多孔性有機炭素含有原料へ戻す固体排出管路（８２０）を有する、遠心機といった分離デバイス（８１４）へ除去される。ろ過媒体タンク８１８からの液体は、再混合タンク（８２２）、次いで熱交換機（８２４）、又は、第２の再混合タンク（８３０）及び前処置チャンバー８１０へ移動する。有機炭素含有原料は３つのセクションを含む４つの反応チャンバー（８４０）の１つへ移動する。各反応チャンバーの第１のセクションである湿潤フィブリル破壊セクション（８４２）に、第２のセクションである蒸気爆発セクション（８４４）が続き、すすぎサブセクション（８４６）が続く。高圧蒸気ボイラー（８４８）が補給水管路（８５０）によって供給され、熱源（示されない）は燃焼空気管路（８５２）からの燃料でさらに加熱される。主要蒸気管路（８５４）は、蒸気を前処置チャンバー８１０へ供給し、及び、高圧蒸気管路（８５６）を介して反応チャンバー８４０へ供給する。蒸気凝縮ループを含む蒸気拡張チャンバー（８６０）は、気体を凝縮する蒸気爆発多岐管（８６２）を有する各蒸気爆発セクションに取り付けられている。揮発性有機成分及び溶媒蒸気管路（８６４）は、蒸気を燃焼空気管路（８５２）に戻し、蒸気拡張チャンバー８６０内の蒸気は蒸気熱交換器（８７０）を通過し、反応チャンバー８４０での再利用のための熱を捕捉する。多孔性になった有機炭素含有原料は次に反応チャンバー８４０の第３のセクションである圧密セクション（８８０）へ移動する。液体流体は、液体流体出口通路（８８４）を通って流体分離デバイス（８１４）に戻り、固体の処理済み有機炭素含有原料は（８８６）から出る。

第１の方法態様
本発明の第１の方法態様は、上記のシステム態様を用い得る。方法態様は、４つの工程を含む。第１の工程は、自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を反応チャンバー内へ投入することである。いくつかの実施形態は、乾量基準で少なくとも４０００ｍｇ／ｋｇの含量を有する水溶性塩を含む未処理有機炭素含有原料を有する。

第２の工程は、原料に特異的な条件で、ある時間の間圧力下で原料を熱い溶媒にさらし、結晶化セルロースフィブリル、リグニン及びヘミセルロースを含む細胞壁の少なくともいくつかの領域を、リグニン及びヘミセルロースを２５パーセント超で分解することなく、水溶性塩によってより貫通可能にすることを含む。上記の通り、これは、少なくともいくつかのフィブリルの束を外すこと、少なくともいくつかのリグニン及び／若しくはヘミセルロースの鎖を脱重合すること、又は、それらをセルロースフィブリルから離し、それによってフィブリルの織り合わせを破壊することのいずれか１つによって達成される。さらに、セルロースフィブリル及びミクロフィブリルは部分的に脱重合及び／又は脱結晶化され得る。

第３の工程は、細胞内の流出する気体でより貫通可能な領域を貫通させるように、高圧を迅速に除去して少なくともいくつかの植物細胞壁に開孔を有する多孔性原料を作製することである。いくつかの実施形態は、圧力は５００ミリ秒（ｍｓ）未満、３００ｍｓ未満、２００ｍｓ未満、１００ｍｓ未満又は５０ｍｓ未満内におよそ気圧まで除去される。

第４の工程は、調整可能な圧密圧力対時間プロフィール及び圧密時間の継続時間を包含する条件で、並びに、フェルトが形成して細胞内及び細胞間水、及び、細胞内水に溶性の塩が反応チャンバーから流出するのを遮断するのを阻止するよう構成される圧力プレート間で、多孔性原料に圧力をかけ、２０ｗｔ％未満の水含量、及び、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量よりも乾量基準で少なくとも６０％減少した水溶性塩含量を含む処理済み有機炭素含有原料を作製する。いくつかの実施形態では、水含量は、次に続く残留している表面水を除去する空気乾燥の後に測定する。いくつかの実施形態では、圧力プレートは、上記の通りフェルト及びピス含量を形成する有機炭素含有原料の偏向をもとに、特定の有機炭素含有原料に適応したパターンを有する。いくつかの実施形態では、圧力の量及び圧力プレートの構成は、特定の未処理有機炭素含有原料のための標的処理済み有機炭素含有原料の目標を満たすように選択される。いくつかの実施形態では、投入バイオマス次第で、様々な長さの時間増分を伴って、圧力が増圧の工程で適用され、繊維が緩み、より多くの水溶性塩がよりエネルギー能率的な方法で絞り出されることを可能にする。いくつかの実施形態では、きれいな水がすすぎ液としてバイオマス内に再導入され、バイオマスに再度圧力をかける。

方法はさらに、第５の工程を含み得、未処理有機炭素含有原料が反応チャンバーへ入る前に、継続時間、温度プロフィール、及び前処置溶液の化学物質含量を包含する、各有機炭素含有原料のための条件の特定の組合せを用いて未処理有機炭素含有原料を事前洗浄し、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩が植物細胞の内部から外部へ通過するための細胞壁通路の作製を妨害する混入物の分解を少なくとも開始する。

方法はさらに、第６の工程、破砕を含み得る。未処理有機炭素含有原料が反応チャンバーに入る前に、未処理有機炭素含有原料を１インチ（２．５センチメートル）未満の最長寸法である粒子へ破砕する。

方法はさらに、第７の工程、混入物を取り出すことを含み得る。この工程は少なくとも油、蝋及び揮発性有機化合物を、水よりも極性が小さい溶媒で、多孔性原料から取り出すことに関わる。

システム態様に関して、未処理有機炭素含有原料は、直列又は別々の並列反応チャンバーで処理される草木性植物材料、軟木性植物材料及び堅木性植物材料から成る群から少なくとも２つを含み得る。さらに、いくつかの実施形態は、処理済み有機炭素含有原料の各植物材料のエネルギー密度は、実質的に同一であり得る。いくつかの実施形態では、有機炭素含有原料は、草木性植物材料、軟木性植物材料及び堅木性植物材料から成る群から少なくとも２つを含み、ここで、処理済み有機炭素含有原料の各植物材料のエネルギー密度は、少なくとも１７ＭＭＢＴＵ／トン（２０ＧＪ／ＭＴ）である。

図９は、未処理形態の水溶性塩と比較して乾量基準で６０ｗｔ％未満の水溶性塩、及び、２０ｗｔ％未満の水を有する、処理済み有機炭素含有原料を作製する方法のブロック図である。

第２の方法態様
第２の方法態様は、工程が能率的特徴及び結果として得られる処理済み有機炭素含有原料がコスト的特徴を有する以外では、第１の方法態様と同様である。第２の方法態様も４つの工程を含む。第１の工程は自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水−塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル束内にフィブリルを含む少なくともいくつかの植物細胞を含む有機炭素含有原料を反応チャンバー内に投入することである。各工程は、エネルギー及び材料保存を対象としたより具体的な条件を強調する。第２の工程は、原料に特異的な条件で、ある時間の間圧力下で原料を熱い溶媒にさらし、部分的に結晶化したセルロースフィブリル束、リグニン、ヘミセルロース及び水溶性塩を含む細胞の部屋を、リグニンを２５パーセント超で分解することなく膨張させて束を外し、及び、少なくともいくつかのセルロース束を脱結晶化することである。第３の工程は圧力を除去してそのセルロースの部屋に開孔を有する多孔性原料を作製することである。第４の工程は、調整可能な圧密圧力対時間プロフィール及び圧密時間の継続時間を伴って、フェルトが形成して細胞内及び細胞間水並びに細胞内水に溶性の塩が反応チャンバーから流出するのを遮断するのを阻止するよう構成される圧力プレート間で、多孔性原料に圧力をかけ、２０ｗｔ％未満の水含量、乾量基準で少なくとも５０ｗｔ％減少した水溶性塩含量を有する処理済み有機炭素含有原料を作製することであり、水及び水溶性塩を除去する重量当たりのコストは、公知の機械的、公知の生理化学的、又は公知の熱的方法からの同様の水除去の重量当たりのコストの６０％未満まで減少する。

図１０は、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩と比較して乾量基準で５０ｗｔ％未満の水溶性塩及び２０ｗｔ％未満の水を有する処理済み有機炭素含有原料を、同様の量の水及び水溶性塩を除去できる公知の機械的、公知の生理化学的又は公知の熱的方法による類似した水除去の６０％未満である重量当たりのコストで作製するための方法のブロック図である。

エネルギー能率は、上記の通り方法条件を特定の有機炭素含有原料に合わせることで部分的に達成される。いくつかの実施形態は、熱を再捕獲及び再利用し、処理済み有機炭素含有原料の１トン当たりのコストをさらに下げるよう操作されたシステムを用いる。いくつかの実施形態は、時間はかかるが追加のエネルギーコストのない方法である空気乾燥で、有機炭素含有原料の処理から残った表面又は自由水を除去する。表１１は、３種類の有機炭素含有原料のために用いるいくつかの方法の差異を、結果として達成した水含量及び水溶性塩含量と一緒に示す。方法条件及び処理工程における差異を用いて水含量及び水溶性塩含量で達成する値並びにエネルギーコストを増加又は低下して標的製品価値を達成し得る。いくつかの実施形態は、５ｗｔ％未満の低さの水含量、及び、乾量基準で未処理原料形態から９５ｗｔ％超も低下した水溶性塩含量を達成した。

本発明の範囲を逸脱することなく、様々な修正及び追加を本明細書で考察した好ましい実施形態に行い得る。したがって、本発明の範囲は上記の特定の実施形態によって制限されるべきではないが、以下の特許請求の範囲及びその均等のものによってのみ定義されるべきである。

Claims (20)

1. 有機炭素含有原料から水及び水溶塩を除去するためのシステムであって：
   ａ．自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にセルロースミクロフィブリルを含む細胞壁を有する少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を、反応チャンバー内へ運搬するように構成される伝達デバイス；
   ｂ．少なくとも１つの入口通路、流体のための少なくとも１つの出口通路、処理済み有機炭素含有原料のための少なくとも１つの出口通路、及び、少なくとも３つのセクションを含む少なくとも１つの反応チャンバーであって、前記セクションは、
   ｉ．フィブリル間のリグニン及びヘミセルロースの少なくともいくつかと相互作用し、少なくともいくつかの領域の細胞壁を、水溶性塩の流出に対して影響をより受けやすくするように構成される湿潤フィブリル破壊セクション、
   ｉｉ．前記湿潤フィブリル破壊セクションと連通しており、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩が植物細胞から通過するための植物細胞壁通路を有する多孔性有機炭素含有原料を作製するために、迅速な除圧によって植物フィブリル浸透性流体を揮発させて細胞壁の影響をより受けやすい領域を貫通するように少なくとも構成される蒸気爆発セクション、並びに、
   ｉｉｉ．前記蒸気爆発セクションと連通しており、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩の前記反応チャンバー流体出口通路からの流出を可能にするために水に不浸透性のフェルトの形成を最小限にするように構成される圧力プレート間で、前記多孔性有機炭素含有原料を圧縮し、及び、反応チャンバー出口通路を通過して出る処理済み有機炭素含有原料を作製するように構成される、圧密セクションを含む、前記少なくとも１つの反応チャンバー；並びに、
   ｃ．前記反応チャンバーと連通しており、重量で２０％未満の水含量及び前記未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量から乾量基準で少なくとも６０％減少した水溶性塩含量を有する前記処理済み有機炭素含有原料を集めるよう構成される、回収デバイスを含む、前記システム。
2. 前記未処理有機炭素含有が、乾量基準で少なくとも４０００ｍｇ／ｋｇの水溶性塩含量を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 各有機炭素含有原料に関して、継続時間、温度プロフィール及び前処置溶液の化学物質含量を包含する特定の組合せの条件を用いて、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩が植物細胞から外部へ通過するのを可能にする植物細胞壁通路の作製を阻止する混入物の分解を少なくとも開始するよう構成される前処置チャンバーをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記混入物が、樹脂、ロジン、接着剤、クレオソート及び油から成る群からである、請求項３に記載のシステム。
5. 前記有機炭素含有原料が、草木性植物材料、軟木性植物材料及び堅木植物材料から成る群のうち少なくとも２種類を含み、各種類が前記反応チャンバーを連続して通過し、前記処理済み有機炭素含有原料の各種類の植物材料のエネルギー密度が実質的に同一である、請求項１に記載のシステム。
6. 前記有機炭素含有原料が、草木性植物材料、軟木性植物材料及び堅木植物材料のうち少なくとも２つを含み、各種類が前記少なくとも１つの反応チャンバーを連続して通過し、前記処理済み有機炭素含有原料の各植物材料のエネルギー密度が、少なくとも１７ＭＭＢＴＵ／トン（２０ＧＪ／ＭＴ）である、請求項１に記載のシステム。
7. 揮発性の前記植物フィブリル浸透性流体の除圧が、蒸気の除圧を含む、請求項１に記載のシステム。
8. 前記蒸気爆発セクションが：
   前記多孔性有機炭素含有原料が前記圧密セクションへ移る前に、少なくとも多少の前記水溶性塩を前記多孔性有機炭素含有原料から流すよう構成されるすすぎサブセクションを少なくとも１つさらに含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記処理済み有機炭素含有原料の前記水溶性塩含量が、乾量基準で少なくとも７５％減少した、請求項１に記載のシステム。
10. 前記未処理有機炭素含有原料の粒径を最長寸法で１インチ（２．５センチメートル）未満まで低下するよう構成される破砕（ｍａｓｔｉｃａｔｉｏｎ）チャンバーを前記反応チャンバーの前にさらに含む、請求項１に記載のシステム。
11. 前記反応チャンバーが、消費されるエネルギーを最小化する既定の条件で各未処理有機炭素含有原料に関して操作され、特定の組合せの処理済み有機炭素含有原料の特性をもたらすように構成され、また、前記反応チャンバーのセクションが：
    ａ．前記反応チャンバーの前記湿潤フィブリル破壊セクションが少なくとも溶媒媒体、継続時間、温度プロフィール及び化学物質含量を含む条件を使用するように構成され、また、前記条件が各有機炭素含有原料に合わせられており、
    ｂ．前記湿潤フィブリル破壊セクションと連通した前記蒸気爆発セクションが、多孔性有機炭素含有原料を形成するために、少なくとも圧力低下、温度プロフィール及び除圧継続時間を含む、各有機炭素含有原料に合わせた除圧条件で多孔性有機炭素含有原料を作製するように少なくとも構成されており、
    ｃ．前記蒸気爆発セクションと連通した前記圧密セクションが、処理済み有機炭素含有原料を形成するために圧密圧力プロフィール及び圧密継続時間を包含する各有機炭素含有原料に特異的な条件で、前記多孔性有機炭素含有原料を前記圧力プレート間で圧縮するよう構成され、また、前記システムが、公知の機械的、公知の生理化学的、又は公知の熱的方法による処理済み有機炭素含有原料の重量当たりのコストの６０％未満まで低下した水及び水溶性塩を除去するコストを有するように、さらに構成される、請求項１に記載のシステム。
12. 有機炭素含有原料から水及び水溶性塩を除去する方法であって：
    有機炭素含有原料から水及び水溶性塩を除去するための方法であって、当該方法は、
    ａ．自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を含む少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を反応チャンバー内に投入する工程；
    ｂ．前記原料に特異的な条件で、ある時間の間圧力下で前記原料を熱い溶媒にさらし、結晶化セルロースフィブリル、リグニン及びヘミセルロースを含む細胞壁のいくつかの領域を、リグニン及びヘミセルロースを２５パーセント超で分解することなく、水溶性塩によってより貫通可能にする工程；
    ｃ．前記より貫通可能な領域を貫通するように前記圧力を除去して植物細胞壁に開孔を有する多孔性原料を作製する工程；並びに、
    ｄ．調整可能な圧密圧力対時間プロフィール及び圧密時間の継続時間を包含する条件で、並びに、フェルトが形成して細胞内及び細胞間水、及び、細胞内水に溶性の塩が反応チャンバーから流出するのを遮断するのを阻止するよう構成される圧力プレート間で、前記多孔性原料に圧力をかけ、２０ｗｔ％未満の水含量、及び、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量よりも乾量基準で少なくとも６０ｗｔ％減少した水溶性塩含量を含む処理済み有機炭素含有原料を作製する工程
    を含む、前記方法。
13. 前記未処理有機炭素含有原料が乾量基準で４０００ｍｇ／ｋｇの水溶性塩含量を有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記圧力が５００ミリ秒未満の時間内に除去される、請求項１２に記載の方法。
15. 少なくとも１つの圧力プレートが、各有機炭素含有原料を標的とする結果を伴って圧縮するよう適応したパターンを有する、請求項１２に記載の方法。
16. ｅ．前記未処理有機炭素含有原料が、継続時間、温度プロフィール、圧力プロフィール及び前処置溶液の化学物質含量を包含する各有機炭素含有原料に関する特定の組合せの条件を有する前記反応チャンバーへ入る前に、前記未処理有機炭素含有原料を事前洗浄し、細胞内水及び細胞内水に溶性の塩が植物細胞から外部に通過するための細胞壁通路の作製を妨げる混入物の分解を少なくとも開始する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
17. ｆ．前記未処理有機炭素含有原料が前記反応チャンバーに入る前に、前記未処理有機炭素含有原料を、１インチ（２．５センチメートル）未満の最長寸法を有する粒子に破砕する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
18. ｇ．水よりも極性の小さい溶媒で、前記多孔性原料から少なくとも油、蝋及び揮発性有機化合物を分離する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
19. 前記有機炭素含有原料が、草木性植物材料、軟木性植物材料及び堅木植物材料から成る群のうち少なくとも２種類を含み、各種類が前記反応チャンバーを連続して通過し、前記処理済み有機炭素含有原料の各種類の植物材料のエネルギー密度が実質的に同一である、請求項１３に記載の方法。
20. 有機炭素含有原料から水及び水溶性塩を除去する方法であって：
    自由水、細胞間水、細胞内水、細胞内水に溶性の塩、並びに、リグニン、ヘミセルロース及びフィブリル内にミクロフィブリルを含む細胞壁を含む少なくともいくつかの植物細胞を含む、未処理有機炭素含有原料を反応チャンバー内に投入すること；
    前記原料に特異的な条件で、ある時間の間圧力下で前記原料を熱い溶媒にさらし、結晶化セルロースフィブリル、リグニン及びヘミセルロースを含む細胞壁のいくつかの領域を、リグニン及びヘミセルロースを２５パーセント超で分解することなく、水溶性塩によってより貫通可能にすること；
    前記より貫通可能な領域を貫通するように前記圧力を除去して植物細胞壁に開孔を有する多孔性原料を作製すること；並びに、
    ｄ．調整可能な圧密圧力対時間プロフィール及び圧密時間の継続時間を包含する条件で、並びに、フェルトが形成して細胞内及び細胞間水、及び、細胞内水に溶性の塩が前記反応チャンバーから流出するのを遮断するのを阻止するよう構成される圧力プレート間で、前記多孔性原料に圧力をかけ、２０ｗｔ％未満の水含量、未処理有機炭素含有原料の水溶性塩含量よりも乾量基準で少なくとも５０％減少した水溶性塩含量、及び、公知の機械的、公知の生理化学的、又は公知の熱的方法による同様の水除去の重量当たりのコストの６０％未満まで低下した水及び水溶性塩を除去する重量当たりのコストを有する処理済み有機炭素含有原料を作製すること含む、前記方法。

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