JP2019520830A - 含浸および水蒸気爆発によりリグノセルロース系バイオマスを処理するための方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1)粉砕バイオマスを含浸工程の第1の含浸区域に移送させるための第1の移送区域であって、第1の含浸区域から移送区域への液体の上向きの流れを防ぐバイオマスのプラグによって分離されている第1の移送区域と、
2)10〜95℃の温度で操作される2つの重ね合わせた含浸区域において行われる大気圧下での含浸工程であって、含浸工程におけるバイオマスの滞留時間は1分〜60分であり、
− 第1の含浸区域では、移送区域から生じる加圧されたバイオマスを受け入れ、かつ0.1〜7のpHを有する含浸液を含み、
かつ
− このバイオマスは、第1の含浸区域の上に配置される第2の含浸区域に移送され、含浸バイオマスが流し出され、15重量%〜40重量%の全固形分を有する、生成された湿潤バイオマスが生産されるとともに、液が第1の含浸区域から分離される、含浸工程と、
3)湿潤バイオマスを水蒸気爆発工程に移送させるための第2の移送区域であって、
− 第2の移送区域が、一方は、含浸工程の含浸区域、他方は、水蒸気爆発工程の区域から分離されたチャンバ内に位置付けられており、
− 第2の含浸区域および水蒸気爆発工程の区域が、バイオマスのプラグによって気密様式で分離されており、
− 湿潤バイオマスを加圧して、バイオマスの全固形分を40重量%以上まで増加させ、かつ生成された液を生産するようにする、第2の移送区域と、
4)水蒸気爆発工程であって、
− 区域に入るバイオマス全固形分1トンあたり0.05〜10トンの比水蒸気消費量を有する水蒸気を注入することによって1〜30分間バイオマスを蒸解するための蒸解区域であって、蒸解区域は、150〜250℃の温度であり、0.5〜4MPaの圧力である蒸解区域と、
− 次いで、蒸解区域から生じるバイオマスを膨張させるための膨張区域と、
− バイオマスから水蒸気を分離するための分離区域と、を含む、水蒸気爆発工程と、
5)
− 第2の移送区域および/または第1の含浸区域から抽出された液を受け入れることと、
− 第1の含浸区域の入口のpHを0.1〜7の値に維持するように決定された酸および/または水の投入を受け入れることと、に好適である液調製装置を用いて液を調製する工程であって、
調製された液は第1の含浸区域に導入される、液を調製する工程と、を含む。
− 含浸工程が、上下におよび同軸上に沿って垂直に位置付けられた2つの含浸区域で行われ、2つの区域では、第2の区域からの液が第1の含浸区域まで通過することができ、かつバイオマスを第2の区域において保持するように分離されており、第1の含浸区域の液体の面が、2つの区域間の分離を確実にし、
− バイオマスが、スクリューによって第1の含浸区域から第2の含浸区域に移送される。
1)粉砕バイオマスを加圧しながら、含浸反応器の第1の含浸区域に移送させるための第1の移送区域であって、第1の含浸区域から第1の移送区域への液体の上向きの流れを防ぐバイオマスのプラグによって分離されている第1の移送区域と、
2)2つの重なり合った含浸区域を含み、第2の含浸区域が第1の含浸区域の上に配置されている含浸反応器であって、
− 第1の含浸区域には、
酸液を含み、かつ第1の移送区域から生じる加圧されたバイオマスのための入口開口部を備え、
− 反応器は、バイオマスを第1の移送区域の入口開口部から第2の含浸区域の出口開口部に移送するスクリューを備え、
− 第1の含浸区域の液体の上に配置されている第2の含浸区域には、液体を第2の含浸区域から第1の含浸区域に流すことができ、第2の含浸区域において湿潤バイオマスを保持するスクリーン(複数可)を備えている、含浸反応器と、
3)湿潤バイオマスを加圧しながら水蒸気爆発区域に移送させるための第2の移送区域であって、
− 第2の移送区域が、一方は含浸区域から、他方は水蒸気爆発区域から分離されたチャンバ内に位置付けられており、
− バイオマスの全固形分を40重量%以上まで増加させるために、第2の含浸区域および水蒸気爆発区域が、加圧されたバイオマスのプラグによって分離されており、プラグは、水蒸気爆発区域から第2の移送区域への液体の上向きの流れを防ぎ、
− 加圧中に湿潤バイオマスから分離された使用済み液を放出するためのラインを備える、第2の移送区域と、
4)水蒸気爆発区域であって、
− 第2の移送区域から生じる加圧されたバイオマスを運搬するためのラインと、水蒸気注入ラインと、を備えたバイオマス蒸解区域と、
− 蒸解区域から生じるバイオマスを膨張させるための膨張区域と、
− バイオマスから水蒸気を分離するための分離区域と、の連続した区域を通してバイオマスを移送させるためのスクリューを含む水蒸気爆発区域と、
5)酸調製区域であって、
− 第2の移送区域から排出された使用済み液を爆発まで運搬するためのラインおよび/または第1の含浸区域から放出された使用済み液を運搬するためのライン、
− 酸を運搬するラインおよび/または水を運搬するライン、
− 調製された酸液を第1の含浸区域に再循環させるためのライン、
− 撹拌システム、および任意により加熱手段を備える、酸液調製区域と、を備える。
バイオマス(藁、木材など)に応じて、技術的手段および工程の操作条件に適合する粒径を有するために粉砕工程が必要である。このためには、単純なチップ化で十分ではあり得るが、微粉砕を伴うか、または伴わない粉砕が必要とされる場合もある。
含浸は、大気圧下で10〜95℃の温度で行われる。含浸工程におけるバイオマスの滞留時間は、通常1分〜60分、好ましくは少なくとも2分、好ましくは少なくとも5分、好ましくは最大で45分、通常2〜35分である。好ましくは、これは単一工程で行われる。
含浸により、液および酸度の損失がある。したがって、定期的に新鮮な酸液を追加する必要がある。
− 第2の移送区域から放出された使用済み液を水蒸気爆発区域まで運搬するライン、および/または第1の含浸区域から放出された使用済み液を運搬するためのラインと、
− 酸を運搬するラインおよび/または水を運搬するラインと、
− 調製された酸液を第1の含浸区域に再循環させるためのラインと、
− 撹拌システム、および任意により加熱手段と、が備えられている。
液再循環ループは、含浸工程の第1の区域の周りに有利に配置することができ、これは同じ区域での回収および再循環の問題であるため、一般にポンプアラウンドループと呼ばれる。
含浸工程の後(または含浸器の後)、より具体的にはこの工程の第2の含浸区域の後に分離された他の液体流もまた、液調製工程(装置)を通過した後に含浸として再循環され得る。有利には、流れの特性は、流れを調製工程に導入する前に(流速、pHなどの)センサによって測定される。装置を制御することにより、適切な特性を有する液を調製するために正しい割合で水および/または酸を添加することが可能になる。好ましくは、流れは圧搾液(湿潤バイオマスを水蒸気爆発工程に移送させるための第2の移送区域から生成された液体)である。確かに、この流れは依然として回収可能な酸を含む使用済みの液である。
前述の2つの再循環ループを組み合わせて、これらの組み合わせられた利点から恩恵を得る。
− 含浸器から液を回収する、および含浸器の第1の含浸区域へ液を再循環させる。
− 含浸の下流に存在する1つ以上の液体(圧搾液など)を回収し、含浸器の第1の含浸区域に再循環させる。この配置は、特に下流の液と新鮮な液との間に特性の差がほとんどない場合に有利である。
− 二重再循環させる。即ち含浸器からの液の回収および含浸器の第1の含浸区域への液の再循環、並びに含浸の下流に存在する1つ以上の液体の回収、および含浸器の第1の含浸区域への再循環。この配置が幅広く好ましい。
含浸工程の第2の含浸区域から生成された湿潤バイオマスは、第2の移送区域を介して水蒸気爆発工程に連続的に移送される。
本工程では、概して、以下を用いる:
− バイオマスがバイオマス全固形分1トンあたり0.05〜10トンの比水蒸気消費量で1〜30分間水蒸気と接触するようにさせる蒸解区域であって、温度150〜250℃、圧力0.5〜4MPaである蒸解区域、
− 次いで、蒸解区域から生じるバイオマスを膨張させるための膨張区域、
− バイオマスから水蒸気を分離するための分離区域。
実施例
下記の実施例において、頭字語「TS」は、標準ASTM E1756−08(2015)「Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass」に従って測定される全固形分を表す。
この実施例1では、処理されるバイオマスは、50mmスクリーン上で予め粉砕された藁である。粉砕された藁は、TSが90.2%であり、グルコース含有量がTS100gあたり39.9gと推定され、キシロース含有量がTS100gあたり26.6gと推定される。
− 水:処理されたTS1kgあたり水12.14kg
− 硫酸:処理されたTS1kgあたり84.3g
− 水蒸気:処理されたTS1kgあたり9.4kg
さらに、実施例1のプロセスは、考慮すべき設備要件を有する:接触のための最小容積2.2m3。接触タンクを満たすために圧送される容積は、約0.5m3/hである。
実施例2では、処理されたバイオマスは、実施例1のものと同一の藁である。粉砕バイオマスは、圧縮される第1の移送区域を介して含浸器具に45.4kg/hの平均流速で導入される。圧縮されたバイオマスを、106m/hの等価線速度でバイオマスを垂直方向に運搬することができる2本の平行スクリューを備えた、2mの作業高さを有する含浸器具に導入する。含浸器具の全作動容積は78リットルであり、第1の含浸区域(水浸区域と呼ばれる)の容積は45リットルである。液面より5cm下において、412kg/hの酸液が添加され、この酸液は液を調製するための区域から生じる。注入された酸液の温度は80℃である。したがって、第1の含浸区域では、バイオマスは酸液と接触するようになる。第1の含浸区域の平均温度は、73.5℃である。
− 水:処理されたTS1kgあたり水4.34kg
− 硫酸:処理されたTS1kgあたり61.5g
− 水蒸気:処理されたTS1kgあたり8.5kg
したがって、実施例2の本発明によるプロセスは、前処理工程において、実施例1と同じ程度のキシロースの転化を達成することができ、かつ水および酸の消費の大幅な低減、それぞれ、水の消費において64%の低減および酸の消費において27%の低減を確実に行う。
実施例3では、長さ50mm、厚さ10mmの平均サイズを有し、その初期TS含有量が55.7%であるチップの形態のポプラ材をバイオマスとして使用する。その処理の前には、バイオマスは周囲温度、即ち約20℃である。
実施例4では、実施例3と同じポプラ材を処理する。このようにして、本プロセスでは、長さ50mm、厚さ10mmの平均サイズを有するチップの形態でポプラ材の公称流速140.2kg/hを処理し、その初期TS含有量は55.7%であり、処理前には20℃の温度で貯蔵された。バイオマスは、第1の移送区域を通って実施例2と同じ含浸器具に導入される。圧縮されたバイオマスを、106m/hの等価線速度でバイオマスを垂直方向に運搬することができる2本の平行スクリューを備えた、2mの作業高さを有する含浸器具に導入する。含浸器具の底部に、570kg/hの酸液が添加され、この酸液が液調製区域から生じる。注入された酸液の温度は80℃である。したがって、含浸器具では、移送されたバイオマスは酸液と接触するようになる。液面より15cm下において、使用済みの液が流速407kg/hで放出される。この使用済み液は、本発明に従って液調製区域に送られる。
Claims (14)
- 酵素加水分解の前に行われる、糖汁生産のためのリグノセルロース系バイオマスを処理するための連続プロセスであって、
1)粉砕バイオマスを含浸工程の第1の含浸区域に移送するための第1の移送区域であって、前記第1の含浸区域から前記第1の移送区域への液体の上向きの流れを防ぐバイオマスのプラグによって分離されている、第1の移送区域と、
2)10〜95℃の温度で操作される2つの重なり合った含浸区域において行われる大気圧下での含浸工程であって、前記工程における前記バイオマスの滞留時間は1分〜60分であり、
− 前記第1の含浸区域では、前記第1の移送区域から生じる前記加圧されたバイオマスを受け入れ、かつ0.1〜7のpHを有する含浸液を含み、
かつ
− 前記バイオマスが、前記第1の含浸区域の上に配置されている第2の含浸区域に移送され、15重量%〜40重量%の全固形分を有する生成された湿潤バイオマスおよび分離液が生産されるように前記含浸バイオマスが流し出される、含浸工程と、
3)前記湿潤バイオマスを水蒸気爆発工程に移送するための第2の移送区域であって、
− 前記第2の移送区域が、一方は、前記含浸工程の前記含浸区域、他方は、前記水蒸気爆発工程の前記区域から分離されたチャンバ内に位置付けられており、
− 前記第2の含浸区域および前記水蒸気爆発工程の反応器がバイオマスのプラグによって気密様式で分離されており、
− 前記湿潤バイオマスを加圧して、前記バイオマスの前記全固形分を40重量%以上まで増加させ、かつ生成された液を生産するようにする、第2の移送区域と、
4)水蒸気爆発工程であって、
− 前記区域に入るバイオマス全固形分1トンあたり0.05〜10トンの比水蒸気消費量を有する水蒸気を注入することによって1〜30分間前記バイオマスを蒸解するための蒸解区域であって、150〜250℃の温度であり、0.5〜4MPaの圧力である蒸解区域と、
− 次いで、前記蒸解区域から生じる前記バイオマスを膨張させるための膨張区域と、
− 前記バイオマスから前記水蒸気を分離するための分離区域と、を含む、水蒸気爆発工程と、
5)
− 前記第2の移送区域および/または前記第1の含浸区域から抽出された液を受け入れることと、
− 前記第1の含浸区域の入口の前記pHを0.1〜7の値に維持するように決定された酸および/または水の投入を受け入れることと、に好適である調製装置を用いて前記液を調製する工程であって、
前記調製された液は前記第1の含浸区域に導入される、液を調製する工程と、を含む、プロセス。 - 前記含浸工程が単一の工程で行われる、請求項1に記載のプロセス。
- 請求項1または2に記載のプロセスであって、
− 前記含浸工程が、上下におよび同軸上に沿って垂直に位置付けられた2つの含浸区域で行われ、前記2つの区域は、前記第2の区域からの前記液が前記第1の含浸区域まで通過することができ、かつ前記バイオマスを前記第2の区域において保持するように分離されており、前記第1の含浸区域の前記液体の前記面が、前記2つの区域間の前記分離を確実にする、含浸工程と、
− 前記バイオマスが、スクリューによって前記第1の含浸区域から前記第2の含浸区域に移送される、プロセス。 - 前記液面が酸液の投入によって実質的に一定に保たれる、請求項1〜3のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記酸液が硫酸溶液のみである、請求項1〜4のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記酸液が0.1〜2のpHを有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記酸液を調製する工程が、前記第2の移送区域から抽出された液および任意により前記第1の含浸区域からの液を受け入れる、請求項1〜6のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記酸液を調製する工程が、前記第1の含浸区域からの液および任意により前記第2の移送区域から抽出された液を受け入れる、請求項1〜7のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記湿潤バイオマスを移送させるための前記第2の移送区域において、加圧後の前記バイオマスの前記全固形分が40〜70重量%、好ましくは40重量%を超える、請求項1〜8のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記蒸解区域は水平管状反応器であり、前記バイオマスを前記第2の移送区域の上流から前記膨張区域の下流に輸送する1つ以上のスクリューを備えている、請求項1〜9のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記粉砕バイオマスが最大300mmのサイズを有する、請求項1〜10のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記水蒸気爆発工程から生じる前記バイオマスの少なくとも一部分は、酵素加水分解に供され、糖汁が得られる、請求項1〜11のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記糖汁の少なくとも一部分は、アルコール発酵に供される、請求項12に記載のプロセス。
- 酵素加水分解の前にリグノセルロース系バイオマスを連続処理するためのユニットであって、
1)粉砕バイオマスを、含浸反応器の第1の含浸区域に加圧しながら移送するための第1の移送区域であって、前記第1の含浸区域から前記第1の移送区域への液体の上向きの流れを防ぐバイオマスのプラグによって分離されている、第1の移送区域と、
2)2つの重なり合った含浸区域を含み、第2の含浸区域が前記第1の含浸区域の上に配置されている含浸反応器であって、
− 前記第1の含浸区域は、酸液を含み、かつ前記第1の移送区域から生じる前記加圧されたバイオマスのための入口開口部を備え、
− 前記反応器は、前記バイオマスを前記第1の移送区域の前記入口開口部から前記第2の含浸区域の出口開口部に移送するスクリューを備え、
− 前記第1の含浸区域の前記液体の上に配置されている前記第2の含浸区域には、前記液体を前記第2の含浸区域から前記第1の含浸区域に流すことができ、前記第2の区域において前記湿潤バイオマスを保持するスクリーン(複数可)を備える、含浸反応器と、
3)前記湿潤バイオマスを加圧しながら水蒸気爆発区域に移送させるための第2の移送区域であって、
− 前記第2の移送区域が、一方は前記含浸区域から、他方は前記水蒸気爆発区域から分離されたチャンバ内に位置付けられており、
− 前記バイオマスの前記全固形分を40重量%以上まで増加させるために、前記第2の含浸区域および前記水蒸気爆発区域が、加圧されたバイオマスのプラグによって分離されており、前記プラグは、前記第1の区域から前記第2の移送区域への液体の上向きの流れを防ぎ、
− 前記加圧中に前記湿潤バイオマスから分離された前記使用済み液を放出するためのラインを備える、第2の移送区域と、
4)前記水蒸気爆発区域であって、
− 前記第2の移送区域から生じる前記加圧されたバイオマスを運搬するためのラインと、水蒸気注入ラインと、を備えたバイオマス蒸解区域と、
− 前記蒸解区域から生じる前記バイオマスを膨張させるための膨張区域と、
− 前記バイオマスから前記水蒸気を分離するための分離区域と、の連続した区域を通して前記バイオマスを移送するためのスクリューを含む前記水蒸気爆発区域と、
5)酸調製区域であって、
− 前記第2の移送区域から放出された前記使用済み液を前記爆発まで運搬するライン、および/または前記第1の含浸区域から放出された前記使用済み液を運搬するためのライン、
− 前記酸を運搬するラインおよび/または前記水を運搬するライン、
− 前記調製された酸液を前記第1の含浸区域に再循環させるためのライン、
− 撹拌システム、および任意により加熱手段、を備える、酸調製区域と、を備える、ユニット。
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