JP3681400B2 - セルロース材料をエタノールに連続的に転化するための方法及び装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は，概してセルロース材料がエタノールに転化されるところの処理に関する。特に，本発明は，続いて糖へ発酵されるセルロース材料の加水分解のための装置に関する。さらに特定的には，本発明は重力圧縮ベッセル内で酸加水分解を通じて液体混合物内にけん濁されたセルロース材料の転化のための装置及び方法に関する。
背景技術
エタノールは，成熟した，経済的，及び比較的クリーンな燃料代用品若しくは添加剤である。それは，糖及びでんぷんを含む穀粒若しくは他の物質の発酵から単純に得られる。穀粒及び他の糖ベアリング物質は豊富にあるが，都市の固体ゴミ内に見られるようなセルロース材料を糖へ転化し，それを発酵することはエタノールを得る目的に対して有用であった。特にそのようなゴミセルロースの使用は，より高い穀粒のコストの面でまたゴミの処分の面で魅力的であった。
概してセルロース材料は，紙ゴミ，農作物の傷，都市の固体ゴミ残留綿毛及び木製品に含まれている。これらの物体は加水分解を通じて糖に転化される。これまでの技術において，セルロース材料は，最初にその材料をパルプに減縮させかつそのパルプを硫酸と反応させることによって加水分解されてきた。熱の導入と同時に，加水分解が始まり，セルロース材料は糖に転化される。この反応は，混合物の急激な冷却によって消され，続いて酸中和される。加水分解の反応は仮想的には瞬時に起こり，熱に晒すこと及び酸の条件は糖生成物の分解を生じさせ，それによって歩留まりが低下するため，急速な消滅が必要である。
しかし，この処理は装置に導入される熱が，装置の急激な冷却によって喪失するため，熱的に有効ではない。さらに，従来約２０％のけん濁固体を含む，セルロース材料の濃いパルプ溶液の使用から生じる非効率が認識された。特に，これらの溶液は酸及び熱の要求される混合を達成するためにボートぎりを必要とする。従って，反応ベッセルが1000立方フィートであり，それが商業的大きさとしては最小であるとき，均一な混合を達成するための時間は20分ほどである。上記ボートぎりを付勢することに伴う非効率に加え，典型的にパルプを均一に混合するために必要な時間が長すぎるために，糖生成物の分解が生じて，この処理は貧弱な糖の歩留まりを生じさせる。
濃いパルプの使用に伴う問題は，単純に水で希釈化することによって解決されるが，そのような液体を扱うために必要な付加的なエネルギーがさらに非能率を生じさせる。そのような処理を通じてエタノールを生成するために必要な全エネルギーは生成エタノールの燃焼の熱量より大きい。
従って，有効な方法でエタノールを得るために，セルロースを糖に転化する必要がある。特に，経済的な燃料代用品若しくは添加物を作成するために，上記したような加水分解の処理に伴う熱的及び化学的非能率を打開しなければならない。
加水分解を行うための多くの方法及び反応が周知である。例えば，Titmasの米国特許第3,853,759号及び第4,792,408号には，水中にけん濁した材料が加水分解を行うために加熱されかつ重力によって加圧されるところの連続的に流れる水圧カラムを開示する。加熱された材料はカラム圧力によって上方へ強制され，それによって冷却されかつ減圧される。この処理法は大量のセルロース材料を扱うことができるが，加水分解反応の長さを制御しかつ変化させるための手段が存在しないばかりか，反応の消滅を不意にかつ特定的に制御するための手段も存在しないために，全体で得られる糖はわずかである。糖生成の成功を達成するために，加水分解反応は，化学的事象の通常の粗悪によって一部で停止されなければならない。これはこれまでの技術において達成されていなかった。
同様に，Pavilonによる米国特許第5,135,861号には，バイオマス(biomass)の水のようなスラリーからエタノールを生成する方法が開示されている。発酵から生じる二酸化炭素はバイオマスの加水分解を促進させるために，とらえられかつ使用される。しかし，Pavilonは，さらなる加水分解反応を促進するために加水分解に必要な熱を有効に利用することに失敗し，そのためバイオマスをエタノールへ転化するために必要なエネルギーはエタノールの燃焼の生成熱より大きい。
従ってセルロース材料をエタノールに転化するための方法及び装置の必要性がある。特に，糖歩留まりを改良しかつ加水分解用に必要な熱をとらえることを含み，さらに付加的加水分解処理が引き続き生じ，それはコスト及び熱力学の両方で有効な処理を生じさせる，有効なセルロース材料の加水分解のための方法及び装置に対する要求がある。
発明の開示
したがって，本発明の主目的はセルロース材料を糖に転化するための方法を与えることである。
さらに，本発明の他の目的は，上記したように化学的及び熱的効果が改良されたセルロース材料の加水分解のための方法を与えることである。
さらにまた，本発明の他の目的は，上記したように，大きい体積のセルロース材料を連続して加水分解することが可能なセルロース材料の加水分解のための方法を与えることである。
さらに，本発明の他の目的は上記したように，流体温度の大部分が内部的に回復されているところのセルロース材料の加水分解用の方法を与えることである。
また，本発明の他の目的はセルロース材料の加水分解用の装置を与えることである。
さらに，本発明の他の目的は上記したように，さらなる加水分解を開始するために，加水分解に必要な熱を有効に回復しかつ利用する装置を与えることである。
さらに，本発明の他の目的は，上記したように，糖生産量を最大化するために，所定の反応時間及び酸性レベルを有効に与える装置を与えることである。
セルロース材料を加水分解するための現方法及び装置に対する，少なくとも一つ又はそれ以上の本発明の上記目的及びそれらの利点（以下の明細書から明白となる）は以下に説明されかつクレームされるような発明によって達成される。
概して，本発明はセルロース材料を加水分解するための方法を与えるが，該方法は，セルロース材料を液体ストリームに処理する工程と，該液体ストリームを水圧のダウンドラフトカラムの最上部に送り出す工程と，該液体ストリームを水圧のダウンドラフトカラムの底部から反応エリアへ導く工程と，液体ストリームを加熱しかつ反応領域内の液体ストリームのpHを下げる工程と，それによって液体ストリーム内で糖を形成するべくセルロース材料を加水分解する工程と，及び糖を含む液体ストリームを反応チャンバから水圧アップドラフトカラムの最上部へ導く工程を含む。
本発明の方法はさらに，セルロース材料をエタノールに転化する方法であって，セルロース材料を液体ストリームに処理する工程と，重力圧力ベッセル内で液体ストリームを反応させる工程であって，それによってセルロース材料を糖に転化させる工程と，及び糖を発酵させる工程であって，それによってエタノールを生成する工程とを含む。
また本発明は，最上部付近で液体ストリームを受け取るための第１の垂直流路を含み，連続液体ストリーム内部でセルロース材料を加水分解するための装置を与える。反応領域は，第１垂直流路の底部付近で液体ストリームを受け取るために第１垂直流路に連結する。液体ストリームに気体材料を分配するための手段及び液体ストリームへ熱を伝達するための手段が与えられる。第２の垂直流路は反応領域と連結し，底部付近の液体ストリームを受け取り，最上部付近で液体ストリームを伝達する。
本発明の概念を組み込むセルロース材料からエタノールへ連続的に転化させる好適実施装置及び方法は，発明が実施されるところのすべてのさまざまな形式及び修正を示すことなく，付随する図面中の例示によって示され，発明は，発明の詳細な説明によってではなく，添付された請求の範囲によって評価される。
【図面の簡単な説明】
図１は，セルロースからエタノールを生成するためのすべての工程及び装置の略示図である。
図２は，垂直方向に離された層構造体の重力圧力ベッセルの断面図である。
図３は，図２の線３−３に実質的に沿って取られた断面図である。
図４は，リアクタケースの中身を露出した重力圧力ベッセルの一部の実寸図である。
図５は，重力圧力ベッセルの特に反応領域を示す垂直断面拡大図である。
図６は，重力圧力ベッセル内へより高濃度の液体の過度の供給を禁止するための装置を表す垂直方向に分解された断面図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明のすべての方法及び装置は図１を参照しながら説明される。開示目的のために，特に略示された表現に関して，適当なポンプ装置及びコンジットが装置のさまざまなステージの間で材料を移動するのに採用されることを理解すべきである。さらに，セルロース材料をエタノールへ転化する処理は連続処理であることを理解すべきであり，従って，当業者は，さまざまなポンプ装置及び保存領域は連続動作に処理を維持するために採用されることを理解しなければならない。
一つの特定の使用において，典型的にセルロース材料を含むソース材料は，概して市場製品から抽出後の都市の固体ゴミから得られる。しかし，ソース材料は多くのソースから得られるが，紙工場からのごみパルプ，紙リサイクル工場からの使用済みセルロース，及び食品加工工場からの残り物に限定されるものではない。通常，都市固体ごみは，残留綿毛として呼ばれ，概して，紙スクラップ，ローンゴミ，ユースプリント，カードボードパッケージングゴミ，木材及びしばしばセルロース含有のリッチな食品ごみを含む。通常，そのような材料を有する人間はそれの除去のために金を払う。
ソース材料は，ソースストリーム10から，水が導入されるところの水けん濁タンク11へ分配される。水の導入に関して，いくらかのセルロース材料は溶解するが，いくつかは単純に水中にけん濁若しくは水性スラリーを形成する。この混合物は以下，液体ストリームと呼ばれる。けん濁タンク内で，スチロホーム及び重い材料は分離されかつ14を通じてソースストリームへ戻される。
液体ストリームは，水けん濁タンク11から繊維寸断ステーション12に分配され，そこで固体は共通の小さいサイズに寸断される。都会固体ゴミを寸断するとき，危険材料の爆発を妨げるために，水面下で固体を粉砕することが特に所望される。またこれによって，液体ストリーム内のセルロース材料に付着した不所望の材料を除去する第２の機会が与えられる。寸断ステーション12はまた，スチロホームのような軽材料と同様に，スチールボルトキャップのような非常に高密度な材料を分離するべく適用されてもよい。これらの不所望な材料はまた14を通じてソースストリームへ戻される。
その後該液体ストリームはクラリファイアーのような密度分離器13によって受け取られ，そこでは水よりも軽い上澄み材料の分離が重力分離によって許される。典型的に上澄み材料はポリエチレン・プラスチック，スチロフォーム等を含み，それらは最上部に浮かべられ，副生成物調整ステージ15のような造粒を含むさらなる処理のために除去される。より重いサブナテント材料でほとんどがセルロースの材料は，液体ストリーム内に残る。この開示の目的のために，概して上記工程は，セルロース材料を液体ストリームへ処理するようなものとして言及される。
処理された液体ストリームはその後セルロース材料を加水分解するために重力圧力ベッセル50へ導入される。例えば，都会固体ゴミが採用されるとき，典型的に寸断ステーション12から分配された液体ストリームは約５％の固体を含み，また次の密度分離13において，液体ストリームは約９パーセントまたはそれ以上のけん濁固体へ濃縮される。
重力圧力ベッセル50内で，以下により詳細に説明されるように，液体ストリームは酸加水分解を実行するために適正な状態に従う。この加水分解はセルロース材料の大部分を糖に転化する。生成された糖は後の加水分解用の液体ストリームの一部になることを認識すべきである。この説明の目的のために，概して糖の用語はセルロース材料の酸加水分解から生成された製品であって，典型的に糖及びスターチとして定義されるもの並びにそれの誘導体である。しかし，たとえきちんと制御された原料を採用したとしても，非常に広い生成材料のスペクトルが加水分解によって生じるであろうことを認識すべきである。したがって，本発明のストリームが10,000種類の識別可能な材料を含むことができるという事実から見れば，糖及びスターチの多くの形式が可能である。都会固体ごみを転化するとき，酸加水分解は約3.5％〜約5％までの糖を含む弱い水溶液を生産し，それは発酵した弱いビールを製造する。
水性の糖溶液を含む液体ストリームは密度分離器20のようなポスト・トリートメント・クラリファイアーへ伝達される。このクラリファイアーの中で，重い耐火性セルロース，石灰，石膏及び不活性沈殿物が除去される。これらの材料は脱水若しくは炭酸塩の調整工程21へ送られ，そこで糖を含む水が除去されかつ分離器20で液体ストリームに戻される。概して硫酸エステル及びどろを有する炭酸塩として定義された固体は，将来の商業的使用のために炭酸塩保存22に保存される。
未反応セルロースの残留粒子を含む水性糖溶液は，分離器20から発酵装置23へ伝達され，典型的にそれはいくつかのタンクを有する。水性糖ストリームを調整するのに必要な熱変換器は示されていない。概してこの調整は，フルフラール及び当業者に周知の他の発酵酸化防止剤の抽出を含む。概して，装置23における発酵は従来のビール酵母の導入，並びに活性減速攪拌，大気圧，及び約70°Fから約100°Fの温度でのメンテナンスを含む。典型的に，最大糖収量は約24時間から36時間の間に，時間的変動及び温度の変動を有し，酵母及び酵素のような他の刺激的な添加剤に依存して，発生する。発酵製造物はエタノール及び二酸化炭素であり，当業者に周知のように１：１の比で製造される。二酸化炭素は発酵装置23から捕獲され，コンデンサーのような清浄ステーション24へ送られる。ここで，二酸化炭素は定圧で濃縮され，清浄用に冷却される。清浄された液体二酸化炭素は，蒸発機25に伝達され，将来セルロース材料を重力圧縮ベッセルで使用するために，若しくは必要な他の処理で使用するために，計量ステーション26に保存される。概して，都会の固体ごみがソース材料として採用されたとき，加水分解に必要な酸処理の約80％は発酵中に生成される二酸化炭素を使用することによって満足されている。
通常ビールと呼ばれる水性溶液内で糖の発酵が生じるため，生成されるエタノールは水性溶液内に残留する。このビールは溶解ガス浮遊ステーション27へ伝達される。ここで，溶液内にけん濁された特定の不純物が除去される。これらの不純物は，生命体，塵及びセルロースなどであるが，これらに限定されるものではない。典型的にそのような特定の不純物の除去は，二酸化炭素若しくは空気のようなある気体を加圧した水内で溶解することを含む。この溶液は大気圧タンク内でビールとともにフラッシュ混合される。混合物から溶解された二酸化炭素が沈殿するとき，それは，けん濁した固体の表面の核酸バブル組成へ付着する。結合されたバブル及びけん濁固体はいまや水より軽く表面に浮いている。
分離された粒子はバイオマス再生ステーション28に運ばれるが，そこでは発酵処理を促進するために酵母が試験されかつ確かめられ，また残りは動物の飼料用の補助プロテインとして従来の排水及び積荷用に超バイオマス調整ステーション29に運ばれる。
浄化された水性エタノール若しくはビールはビール保存ステーション30に伝達される。エタノールの分留が所望されるとき，溶液は熱交換機31によって予熱され，その後真空分留カラム32によって受け取られる。これは分留のある形式であり，また典型的に蒸気のようなソースから外部熱を必要とする。カラム32での主な分留の後，留出物は二次的な分離装置に転送され，そこでは典型的に残留有機物が除去される。装置34は，工作されたゼオライト，逆浸透，抽出及び氷結晶化を使用した濃縮を含むが，それに限定されるものではない。この二次的な分離を実行するための蒸発の使用は，非常に機械的かつエネルギー増加となるため，経済的若しくは効率的ではないことがわかった。
該留出物は，約95％から99％の純粋，若しくは当業者間で通常理解されている193プルーフより高いエタノールである。さらに，該分留物は199.5プルーフを達成するために，脱水される。この留出物は冷却されかつ待っている移送自動車若しくは保存タンクのいずれかへ伝送される。一方，使用済み水性溶液は冷却され，かつリサイクルステーション35へ伝達される。浄化されたエタノールと使用済み水性溶液の両方の冷却は熱交換機31内で生じ，それは好適には逆流熱交換機であることに注意するべきである。従って，分留処理からの熱は，分留前にエタノールの液体ストリームすなわちビールを予熱するために使用される。
リサイクルステーション35において，使用済みの水がテストされる。水に品質に基づいて，使用済水性溶液は，リサイクルされ装置に戻り，水けん濁タンク11において流入セルロース材料をけん濁するか，若しくはオンサイトゴミ水処置プラント36で処置される。処置36の後，水は公営処置工場若しくはタンク11で使用される。処置プラント36は一日で72,000ガロンを処理する能力を有しなければならない。
オンサイト処置プラント36は，従来の拡張された通器の活性化された固体のごみで，過剰な硝酸エステルが公営処置工場に吐き出される前に除去されるところの，生物学的ゴミ水処置プラントを含む。
上記したように，セルロース材料の液体ストリームは重力圧力ベッセル50内で加水分解される。この装置は図２及び３を参照しながら説明される。管状ケーシング52が土中のボア内のストラータS内に配置されている。ケーシング52は，ストラータ内で与えられる液体の混合を制御するために，装置からの熱損失を減少させるために，及びケーシング52をストラータSの腐食剤の悪影響からケーシング52を保護するために，グラウトによってストラータSから分離されている。付加的に，ケーシング表面51が採用され，それは長いストリングチャンバーボアホールの穴開け中に透水層の水を保護する目的のために，ストラータケーシング52を包含する付加的な管状部材である。
ケーシング52内にあってそこから離隔された同心円は下方の閉止された端部54を有する外側のリアクタ管状ケーシング53である。ケーシング52と53の間の間隔は，処理からストラータを保護するための及びストラータから処理を保護するために相互のバリアとして作用する，分離環55を形成する。そのような分離は環55から空気を抜き約大気圧の千分の一の低圧にすることによって強化される。そのような条件下，ケーシング52及び53の完全性は検証され，また装置からのストラータに対する熱損失は，ケーシング52及び外部リアクタケーシング53の両方の表面の腐食効果と同様に非常に減少する。閉止されかつシールされたドロップチューブ80は，外部リアクタケーシング52の内部と同様に環55内の温度条件をモニターするべく，熱電対を収納するよう環55内に配置されている。
外側リアクタケーシング53内部にあってそこから離隔された同心円が逆流管状ケーシング56である。外側リアクタケーシング52及び逆流ケーシング56の間にある空間が外側リアクタ環57を形成する。入口58から装置に入るセルロース材料を含む液体ストリームは，外部リアクタ環57内でより高い圧力のゾーンへ下るようにさせられる。この圧力は液体の累積重量及び液体ハンドリングポンプからの残留圧力から生じる。従って，環57は本質的に垂直の水路若しくは水圧のダウンドラフトカラムであり，液体ストリームを受け取り，該ストリームを重力圧縮ベッセル50の底へ伝達する。逆流ケーシング56の底は，外側フレア59によって変形され，環57の底付近の液体ストリームの再循環の誘導を補助し，反応ベッセルを通じて液体が移動するようなより均一な供給を生成する。
図３に示されるように，逆流ケーシング56内でそこから離隔された同心円は二酸化炭素流入管60であって，それは本質的に二酸化炭素環68を通じてベッセル50の底へ気体材料を伝達する。二酸化炭素は，図２に示されるようにその吐き出し地点61から流入管60を通じて反応ベッセル50の下側の閉止端54へ伝達される。
再び図３を参照すれば，流入管60の内部にあってそれから離隔された同心円は，管状蒸気パイプ62であって，それはベッセル50の底へ熱を伝達するための手段を表す。蒸気パイプ62は外側管状ハウジング63の内部で同心円状に収められており，それによって蒸気パイプ62及び外部ハウジング63は環64を形成し，それは蒸気パイプ62からの熱の早すぎる損失を防止するべく，絶縁され若しくは排気される。蒸気パイプ62は熱エネルギーを必要に応じてリアクタベッセル50へ伝達するが，それはその吐き出し点67から図２に示される下側閉止端54によって概して画成された領域へ伝達される。
二酸化炭素流入管60と逆流ケーシング56との間の空間は内部リアクタ環65を形成し，それは第２の垂直水路若しくは水圧のアップドラフトカラムを画成する。外側環57を下降するセルロース材料を含む液体ストリームは，実質的に流入環65を上昇し，かつ流出口66を通じてリアクタベッセル50から外へ出る。上昇するに従ってセルロース材料に起こる反応と同様に，この上昇を推進する力が以下により詳細に説明される。
図２に最もよく示されるように，重圧力ベッセルは装置40でキャップされている。概して，装置40はリアクタベッセル50の環を周囲からシールするべく働き，それによって所望の圧力若しくは真空を維持する。一般的に示されるように，たとえ当業者がここでの教示に基づいて装置40を修正することができるとしても，装置40は上記したように流入口58及び流出口66が取り付けられている。もちろん，装置40はさまざまな供給パイプ及び分析用装置用のハウジングを収容でき，それは両方とも以下に詳しく説明されまた，だれか若しくは当業者はこの技術に基づいてこの発明の目的を達成するための必要性を見つけることができる。
二酸化炭素流入管60の垂直の長さの部分へ，概して数字の70で示される内側リアクタケーシング70が脱着可能に取り付けられている。より特定的には，内側リアクタケーシング70は脱着可能に取り付けられ，流入管60の部分を区切る。管60に取り付けられた内側リアクタケーシング70に関して，管65の形状は修正されていることを認識すべきである。本質的に，管65のこの修正領域は反応領域を作成しかつ画成する。
概して数字70で示されるような内側リアクタケーシングは図４に最も良く説明されている。好適実施例において，内側リアクタケーシング70は概して３つのベンチュリ部を含み，それは二酸化炭素流入管60の長さに関して同一の垂直軸に沿って配置される。第１のベンチュリ部71は概して２つの対向して配置されそれらのベースに接続された円錐台を含み，それは二酸化炭素流入管60を区切る。この構成の結果として，内側管65は２つのベース72の接合部分で減少している。
上記のように配置され第１のベンチュリ部71と結合された第２のベンチュリ部73は，それらの間に結合された概して円筒形状の部材74を有する，概して２つの対向する円錐台を含む。円筒部材74は好適には円錐台のベースと同じ直径を有し，各円錐台のベースは部材74に結合されている。円錐台及び円筒部材は二酸化炭素流入管60を区切る。この構成の結果として，内側環65は，ベース及び円筒部材の接合で減少し，部材74の垂直長を通じて減少したままである。特に部材74に関する場合として，内部リアクタケーシング70の長さ及び構成は修正され得る。例えば，リアクタケーシング70は除去されかつ部材74が長さについて修正され得る。典型的にこれは，それをより長い部材に交換することによって，若しくは単純に74に類似する付加的部材を第２ベンチュリ部の円錐台の間に付加することによって達成される。引き続き，延長部材74は，環65の減少部分の長さを増加させる。
第２ベンチュリ部73の上部に配置されかつ結合された第３のベンチュリ部75は，概してベース76において結合された２つの対向する円錐台を含む。該円錐台は二酸化炭素流入管60を区切る。この構成の結果として，内側環65は２つのベース76の接合において減少している。
内側リアクタケーシングは好適実施例を参照して説明されたが，当該内側リアクタケーシングは好適実施例で説明されたような方法で内側環65の幅を減少し若しくは拡張するために働くあらゆる手段であり得ることを理解すべきである。特定的に，ここに教示された点に基づいて，当業者は，環65を上昇するような液体の流速を決定するように働くさまざまな構成を設計することができる。
図４に表されているのは酸供給パイプ81及び腐食剤供給パイプ82である。好適実施例において，酸供給パイプ81は酸供給カラー83へ酸を供給するが，それは概して第１及び第２ベンチュリ部の接合部に配置されている。酸供給カラー83から，酸は供給カラー83に概して隣接する領域内で内側環65を通じて，分散される。腐食剤供給パイプ82は腐食剤カラー84に腐食剤を供給し，それは概して第２及び第３ベンチュリ部の接合において配置されている。腐食剤供給カラー84から，腐食剤溶液は当該供給カラー84に概して隣接する領域内で内側環65を通じて分散される。酸及び腐食剤を上記定義された領域へ伝達するあらゆる手段が本願の目的のために採用され得る。さらに，図４に示されるのは熱電対管状ハウジング85であり，それはリアクタベッセル50内で連続して流れる液体の物理的及び化学的な特性をモニターするために採用され得る。
上記したような装置はセルロース材料を糖へ転化し続いてエタノールに転化する処理を実行するために非常に有用である。上記したように，概して糖の語はセルロース材料の酸加水分解から生じるそれらの生成物の呼称である。セルロース材料が水性ストリーム内で分解され若しくは混合されて流れて，連続的にベッセルを通じて流れる際に，この転化はベッセル50内で起きる化学的反応を通じて起こる。
セルロース材料の加水分解は図５を参照して説明される。下流パイプ62でポンピングされた蒸気はプロセルに導入され，リアクタケーシング53の下方閉止端部54付近の領域として概して画成される領域90内の液体のストリームを加熱する。さらに，ベッセルが連続動作状態にあると，以下に詳細に説明される反応領域92及び93内で起こる酸加水分解反応から生じる熱は外側リアクタ環57を下降するに従い液体ストリームを加熱するために逆流ケーシング56を通じて移動する。したがって，パイプ62からの蒸気は必要に応じて，すなわち逆流56を通じて予熱の不十分な下流液体の部分に対して補償するように伝達される。最大量の熱エネルギーが領域90内に蒸気を導入することによって再捕獲されることは顕著である。
セルロース材料の加水分解反応を推進するのに必要な熱は概して200℃より大きく，好適には約260℃と約290℃の間の範囲内であることを認識すべきである。温度が高くなればなるほど，反応を推進するのに必要な酸は少なくなる。しかし，熱が高すぎると，加水分解反応が単純に制御できなくなり，したがって糖生成物の分解を生じさせる。従って，ここでの教示に基づいて，当業者は付加的結果を達成するために温度及び酸レベルを決定することができる。もちろん，絶えず供給ストリームを変更することは，最適な温度及び酸を探す要因である。さらに，重力圧力ベッセル内の液体ストリームによって経験される圧力は，液体ストリームがベッセルの底に近づくに従い増加する。この増加した圧力は，概して約600psiと約1200psiの間の範囲内にあり，より好適には約800psiと約1000psiの間であり，さらに加水分解反応を推進するために働く。
外側リアクタ環57を下降する液体ストリームの高さから生じる圧力のために，及び二酸化炭素の導入から生じる液体の濃度の減少のために，該液体ストリームは内側リアクタ環65を上昇させられ，その部分は上記したような反応領域を画成するべく修正される。反応領域を通じて上昇するセルロース材料の加水分解を説明する目的のために，反応領域は６つの領域に画成される。概して第一領域91は第１ベンチュリ部71の点72以下の環65の領域として画成される。第１領域91若しくはその付近は，二酸化炭素流入管60が61で消滅しているところの領域であり，それによって二酸化炭素を領域91内の液体ストリームへ導入する。二酸化炭素はストリームパイプ62が二酸化炭素流入管60と同心円若しくはその中にある結果として，処理に入る前に予熱される。二酸化炭素は液体ストリーム内に炭酸を形成しそれによってpHを下げかつ加水分解反応を促進する。好適には，十分な二酸化炭素が液体ストリームに加えられ，その結果溶液のpHが5.0以下及び好適には3.5以下になる。
十分な二酸化炭素を含む予熱された液体ストリームは，環65を上昇し続け，第１ベンチュリ部71のために液体ストリームの流れが制限されている第２反応領域92に出くわす。ベンチュリ部71への液体ストリームの接触は，液体の即座の混合及びけん濁粒子のソースである通過液内に小さい衝撃波を作る。
環65を通じて上方へ移動しながら，液体ストリームは次に第３の反応領域93へ入る。概して領域93は，第１ベンチュリ部71と第２ベンチュリ部73の接合付近若しくは隣接した環65内の領域として画成される。領域93の中で，酸は酸供給カラー83のような機器から装置内へ導入され，その結果範囲内のpH値は約2.0から3.0の範囲を達成し，それがセルロース材料の加水分解を実行させる。あらゆる鉱酸は本発明で発見されたようにpHを下げるように働くが，硫酸が特に良く働き好適であることが発見された。そのような酸は，二酸化炭素の液体ストリームへの導入によってpHが十分に下がらないときのみ必要である点に注意すべきである。
セルロース材料を糖に転化する酸加水分解反応に従って，液体ストリームは環65を上昇し続け，４番目の反応領域94に入る。概して，領域94は，環65内部及び隣接する領域として画成され，かつ第２ベンチュリ部73の円筒部材74の結果として減少している。領域94は，酸加水分解を経験する液体ストリームの流量を増加させるべく制限され，それによって加水分解が起こる時間を制限する。上記したように，要求された時間を超えるセルロース材料の延長された酸加水分解は，反応から求められた糖を破壊する。典型的に，液体ストリームが領域94を通じて上昇するのに約2秒から約4秒かかる。反応時間は決定的でありまた原料の性質，領域94の長さを含むさまざまな要因によって変化し，それゆえ反応時間は変化する。上で説明されたように，これは管74の部分を加えるか若しくは除去することによって達成される。
領域94を通じて早急に移動しながら，その後液体ストリームは５番目の反応領域95内へ上昇する。概して領域95は，第２ベンチュリ部73及び第３ベンチュリ部75の接合部付近若しくは隣接する環65内の領域として画成される。領域95内で，カルシウム水酸化物のような苛性アルカリ溶液が腐食剤供給カラー84のような機器を通じて導入される。苛性アルカリ溶液の導入はpH値を約7.5若しくはそれ以上に上げ，それによって酸加水分解反応を消滅させる。カルシウム水酸化物のような中和剤の導入はさらにカルシウム炭酸塩及びカルシウム硫酸塩のような沈殿物を生成する。環壁への付着を防止するために，これらの沈殿物のシードパウダーが苛性アルカリ溶液とともにストリームに対し加えられ，後に除去される，より大きな沈殿物粒子を生成する。液体のストリームを中和するあらゆる苛性アルカリ溶液が導入され，そのような苛性アルカリ溶液が糖生成物若しくは液体ストリームに対し有害ではない限りにおいて，それによって加水分解が消滅することを理解すべきである。
リアクタベッセル50の頂上方向へ上昇しながら，衝撃波混合を作る第３のベンチュリ部75のために，流体ストリームは再び第６番目の領域96に制限される。この領域からの上昇移動を続けながら，流体は環65の残りを制限されずに上昇し，結局リアクタベッセル50の最上部，すなわちベッセルに存在する流出口66に達する。
当業者に周知のように，反応時間はベッセルを通過する液体ストリームの流量の関数である。言い換えれば，反応時間は，ストリームが反応領域を通じて移動するのにかかる時間によって指令される。概して，ストリームは約3秒から約6秒以内に反応領域を通過する。
加水分解反応の消滅は，もっぱら液体ストリームの中和によって達成される，ことを認識すべきである。従って，領域90で反応ベッセルの底において導入される熱は，流体内に残留するかまたはケーシング56を通じて移動するか，または下降流流入ストリームを加熱する。液体がリアクタベッセル50及び環65の残りを頂上へ向かって無制限に上昇するに従い，蒸気若しくは領域90付近を通じて導入される熱の少なくとも80％，及びより好適には90から95％はとらえられ，すなわち，ケーシング56を通じてさまざまな供給パイプの一つの中に移動することをさらに認識すべきである。言い換えれば，反応ベッセルへ導入された熱は重力圧力ベッセル内でリサイクルされる。
図５に示されるように，逆流ケーシング56はライナー79によって取り付けられている。ケーシング56は機械的強度を有しているが，ライナー79は化学的攻撃及び複雑な腐食からの抵抗を有する。
再び図４を参照すると，酸の濃度が約35％までであり温水の濃度より高く，また典型的に酸供給パイプの長さは約2000フィートであるため，酸供給パイプ81及び供給カラー83を通じた酸の導入は問題であることに気づいた。もしこの重量が供給パイプ81内の摩擦力に対抗するためにのみ機能するよう残されると，酸の流量は酸の要求された伝達量を超える。従って，供給パイプ81の底で蓄積された圧力が過度であるため，反応領域93内への酸の放出の不規則性が生じる。この潜在的問題を除去するために，図６に示されるような装置を採用することが好適である。
この装置は真空補償供給と呼ばれる。概してこの装置は少なくとも一つのテーパ88で修正された酸供給パイプ81を含み，その結果酸供給パイプの直径は上部のテーパより下部のテーパの方が小さい。
酸供給の流量は，ポンプ及びバルブ86によって制御される。パイプ81の内側表面を単純に湿らす垂れ下がったフィルム８７を形成した結果，酸は酸供給パイプ81内に下方向に接するように入れられる。
酸フィルム87が下方向へ流れるように，結局テーパ88でのような供給パイプ81の全内径に水を流し，かつ点88より下側のパイプ81内に酸のカラムを作る。言い換えれば，概して酸のカラムの高さはテーパ下の酸供給パイプの高さと同等である。真空は，下方に流れるフィルム87によって占められない酸カラムの上部領域で，真空排気ベーンポンプを使って引かれる。従って，供給パイプの底の圧力は，典型的にテーパ88から供給カラー83へ下がる酸カラムの重量のみである。従って，テーパ88を有する酸供給パイプを修正することが所望され，その結果テーパ88以下の酸供給パイプの長さは，環65内の圧力，もっと厳密には反応領域93と同等か若しくはほぼ等しい圧力を酸供給パイプ81の底において作る。供給された酸の量は酸カラムの高さを調整するために使用されることに注意すべきである。
例えば，硫酸が採用されるとき，高さ1.9フィートに対して約１平方インチ当たり１ポンドが達成される。一方，水は高さ2.1フィートに対して約１平方インチ当たり１ポンドである。これらの結果は，液体が反応ベッセル50内で下方に移動するに従い上昇する温度から生じる流体膨張のために密度の損失を補償した後，計算される。典型的にマイルドな酸加水分解反応用の，2000フィートの深さのベッセルに基づいて，水圧はほぼ952.4psiであり，酸はほぼ1,052.6psiである。この違いは，酸摩擦力が水のよりも小さいという事実によって強化される酸伝達問題を生じさせる。
この問題を軽減するために，テーパ88が作られその結果テーパ88と供給カラー83との間の距離は1810フィートであり，それによってほぼ1810フィートの酸カラムが与えられる。従って，約190フィートの供給パイプは真空下で保持される。
ここで注意すべきは，本発明の目的を達成するのに十分な高さ及び直径である限り，リアクタベッセル50内の各環の高さ及び直径は決定的ではない，ということである。すなわち，高さは，効果的な加水分解反応を促進するために十分な圧力がリアクタの底で達成されるようでなければならない。さらに，該高さは，上昇流体の十分な移動が達成され，その結果加水分解に必要な熱が効果的な方法でケーシング56を通じて下降流体内でリサイクルされるようなものでなくてはならない。
典型的に環の直径は，求められる反応と同様に供給ストリームのメークアップの関数である。典型的に，全ベッセルの直径は，セルロース材料が糖に転化されるとき，他の重力圧力ベッセル内の直径より大きい。しかし，ここで議論されるように，内側環65はある点において直径が減少している。
本発明に従う好適な重力圧力ベッセルは約1800フィートから約2200フィートの高さを有する。外側リアクタケーシング53の直径は好適には約24インチから約30インチであり，逆流管ケーシング56の直径は好適には約18インチから約24インチである。
リアクタのサイズと同様に，リアクタの流体流量は原料の特性の関数である。理想的には，本発明の重力圧力ベッセルは，典型的に約5パーセントから約9パーセントのセルロース材料から成る液体ストリームを一時間当たり約500から1000ガロン処理する。
さらに流体の前処理及び後処理，プロセスの処理された生産物，構成の他の材料，配合，洗浄，腐食及び浸食制御，触媒，代替酸，排気抽出及び揮発性有機化合物の制御，応力ひずみ制御，膨張補償等はすべて当業者に周知であって，ここでは説明しない。
ここに開示された方法及び装置は，商業的品質でセルロース材料の実際の加水分解を受けることが可能な条件に耐えることができる，加圧及び加熱の際に含まれるエネルギー需要は処理ストリームから大部分回復されかつ機械的力へ損失しないことは明白である。さらに，セルロース加水分解の副生成物は，それらの処理及び環境的に安全な使用若しくは制御のためのオプションを与えることに完全に含まれる。そうして，本発明の目的は完全に達成される。したがって，あらゆる変形は明白に請求された発明の態様内にあり，ここに開示され，説明された発明の思想から離れることなく特定のコンポーネントエレメントの選択は決定される。例えば，反応領域の位置及び構成によって，重力圧力のサイズが変化する。したがって，発明の態様は請求の範囲の態様内に入るすべての修正及び変更を含む。

Claims (3)

1. セルロース材料を加水分解するための方法であって、
   前記セルロース材料を連続液体ストリームに処理する工程、
   水圧のダウンドラフトカラムの頂上に前記液体ストリームを供給する工程、
   前記水圧のダウンドラフトカラムの底へ前記液体ストリームを導く工程、
   前記液体ストリームを加熱する工程、
   前記水圧のダウンドラフトカラムの底から反応領域内へ前記液体ストリームを導く工程、
   前記反応領域内の前記液体ストリームのｐＨを下げる工程であって、糖を形成するべく前記セルロース材料の加水分解が促進される、ところの工程、
   前記反応領域を通じる前記液体ストリームの流量を加速することにより、前記反応領域内の前記セルロース材料の反応時間を制限させる工程と、
   中和領域へ前記液体ストリームを導く工程であって、この中和領域で前記セルロース材料の加水分解が消滅して、前記加水分解が終了する、ところの工程、及び
   糖を含む前記液体ストリームを前記中和領域から水圧アップドラフトカラムの頂上へ導く工程、
   から成る方法。
2. セルロース材料を糖に転化するための重力圧力ベッセルであって、
   管状ケーシング、
   前記管状ケーシング内に配置され、下側閉止端を有する外側リアクタ管状ケーシングであって、前記管状ケーシング及び前記外側リアクタ管状ケーシングが、分離環を形成する、ところの外側リアクタ管状ケーシング、
   前記外側リアクタ管状ケーシング内に配置された逆流管状ケーシングであって、逆流管状ケーシング及び前記外側リアクタ管状ケーシングが、第１垂直流路を形成する、ところの逆流管状ケーシング、
   前記逆流管状ケーシング内に配置される二酸化炭素流入管であって、前記二酸化炭素流入管及び前記逆流管状ケーシングが、第２垂直流路を形成する、ところの二酸化炭素流入管、
   前記二酸化炭素流入管内に配置される管状蒸気パイプ、
   複数のベンチュリ部であって、各々のベンチュリ部が、前記二酸化炭素流入管に沿って配置され、前記第２垂直流路内に延長し、これにより、前記第２垂直流路内の領域を選択的に制限する、ところのベンチュリ部、
   前記第２垂直流路へ酸を伝達するための酸供給パイプであって、前記酸供給パイプが少なくとも一つのテーパを含む、ところの酸供給パイプ、及び
   腐食剤を前記第２垂直流路へ伝達するための腐食剤供給パイプ、
   から成る重力圧力ベッセル。
3. 連続液体ストリーム内のセルロース材料を加水分解するための装置であって、
   その頂上付近で前記液体ストリームを受け取るための第１垂直流路と、
   前記第１垂直流路の底付近で前記第１垂直流路と連結する反応領域と、
   前記液体ストリームへ二酸化炭素を伝達するための手段と、
   前記液体ストリームへ熱を伝達するための手段と、
   前記反応領域へ鉱酸を伝達するための手段と、
   前記反応領域へ腐食剤溶液を伝達するための手段と、
   その底付近で前記液体ストリームを受け取り、その頂上付近へ前記液体ストリームを伝達するための、前記反応領域と連結する第２垂直流路と、
   前記第２垂直流路の幅を減少し、拡張するための手段であって、前記液体ストリームが前記第２垂直流路の頂上へ伝達されるとき、前記第２垂直流路の幅を減少し、拡張することによって、加水分解反応の開始と消滅をするように、加水分解反応を経験する前記液体ストリームの流量を変化させる、ところの手段と、
   から成る装置。

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