JP5903387B2 - 原料の分散および材料の加工方法 - Google Patents
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Description
分散
分散ユニット134は、液状媒体を利用して原料を湿らす任意の種類の分散機器を含み得る。分散ユニットの多くは、チャンバおよびチャンバ内に位置するロータを備えている。これは、遠心ポンプを用いて、原料および液状媒体を軸方向にロータに向かい引き込み、ロータの外周に向かいそれを半径方向外側に押し出し、ユニットの排気口に通じるような位置に配置される。分散ユニットの構造次第では、分散ユニットを通じて高粘度の流体を引き込むために、補助ポンプ(例えば、前述のポンプ139)が必要となる。分散ユニットのいくつかは、ユニット内に非常に高い静流圧を生じさせるように構成される。このようなユニットを用いる場合には、通常、補助ポンプは必要ない。
液体内で原料を実質的に一度分散し、分散システムを停止した後のさらなる混合には、必要なエネルギーがより少ない混合器を用いることが所望され得る。この目的に特に有利な混合器は、「ジェットミキサ」として公知である。一般的に、適切な混合器は共通して、トロイダルまたは楕円パターンなどの高速循環流を生成する。通常、好ましい混合器は高いバルク流量をもたらす。好ましい混合器は、比較的低いエネルギー消費でこの混合作用を得ることができる。剪断力および/または熱が糖化剤(発酵の場合には微生物)に有害な影響を及ぼし得る場合には、通常、混合器は比較的低い剪断力を生成し、液状媒体の加熱を回避することがさらに好ましい。いくつかの好ましい混合器は、その詳細は下記するように、注入口から、ロータまたは羽根車を含み得る混合要素に混合液を引き込む。次に、排気ノズルを通じて混合要素から混合液を放出する。この循環作用、およびノズルから出る高速噴流により、混合要素の向き次第で、液状媒体表面に浮いている材料、またはタンクの底に沈んでいる材料の分散を促進できる。混合要素は、浮いている材料および沈んでいる材料の両方を分散するように種々の位置に配置され得、また、一部の例では、混合要素の向きは調節可能である。
(1)中心線速度 v(x)r=o/v0
v(r=0)=水中噴流の中心線速度(m/s)
V0=ノズルから出たときの噴流速度(m/s)
x=ノズルからの距離(m)
r=噴流の中心線からの距離(m)
D0=ノズル直径(m)
Qx=ノズルからの距離xにおける所定の平面を横切る流量(me/s)
Q0=ノズルから出る流量(m3/s)
E=ノズルからの距離xにおける所定の平面を横切る流体のエネルギー流束(m3/s)
E0=ノズルから出る流体のエネルギー流束(m3/s)
(これらは、「Water Treatment Unit processes:Physical and Chemical」David W.Hendricks,CRC Press 2006,p.411)に記載されている。
一種の噴流かくはん器を図10および図1OAに示す。この種類の混合器は市販されており、例えば、IKAが販売する商品名ROTOTRON(登録商標)でもよい。図10を参照するように、混合器200は、駆動軸204を回転させるモータ202を備えている。駆動軸204の端部には混合要素206が取り付けられている。図10Aに示すように、混合要素206はシュラウド208、およびその内部に位置する羽根車210を備えている。羽根車210は矢印に示す「前方」方向に回転して、シュラウドの開放上端部212から液体を引き込み、開放下端部214から外に液体を押し出す。端部214から出る液体は、高速流または噴流である。羽根車210は逆に回転すると、下端部214から液体を引き込み、上端部212からそれを押し出す。この逆回転は例えば、タンクまたは容器の液状媒体表面上またはその付近に浮いている固体を吸引する場合に用いられる(「上部」および「下部」が図10に示す混合器の向きを参照しており、その上端部が下端部の下方に来るようにタンク内において混合器を位置付けることも可能であることに留意されたい)。
バイオマス材料
バイオマスは、例えば、セルロースまたはリグノセルロース材料でもよい。このような材料は、紙および紙産物(例えば、ポリエチレン塗装紙およびクラフト紙)、木材、パーチクルボード、草、もみ殻、バガス、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル麻、マニラ麻、ワラ、スイッチグラス、アルファルファ、干し草、トウモロコシ穂軸、トウモロコシ茎葉、ヤシ毛などの木材関連材料、並びに綿などのa−セルロース含有量が高い材料を含む。原料は、残留物などの未使用の廃品繊維材料、ぼろ切れなどの使用済み廃棄物から得られる。紙産物を用いる場合には、それらは再生品でない材料、例えば、スクラップの再生品でない材料であり得るか、あるいはそれらは、使用済み廃棄物であり得る。再生品でない生材料とは別に、使用済み廃棄物、産業廃棄物(例えば、くず)、および加工廃棄物(例えば、紙加工からの流出物)を繊維源として用いることができる。また、バイオマス原料はヒト廃棄物(例えば、汚水)、動物廃棄物または植物廃棄物から得ることができるか、またはそれに由来することができる。追加のセルロースおよびリグノセルロース材料は、米国特許第6448307号、同第6258876号、同第6207729号、同第5973035号、および同第5952105号にも開示されている。
適切な酵素には、バイオマスを分解可能なセロビアーゼおよびセルラーゼを含む。
発酵に用いる1つ以上の微生物は、天然微生物および/または人工微生物である。微生物は、例えば、セルロース分解細菌、真菌などの細菌、酵母、植物、原生生物、藻類、原虫、または粘菌といった真菌のような原生生物でもよい。有機体同士に相溶性がある場合には、有機体の混合体を用いてもよい。
抗生物質
通常、糖化液中の糖度は高いことが好ましい。この場合のように50〜150ppmである低濃度の液を用いる場合には、広域抗生物質などの抗菌性添加物を加えることが所望され得る。他の適切な抗生物質は、アンフォテリシンB、アンピシリン、クロラムフェニコール、シプロフロキサシン、ゲンタマイシン、ハイグロマイシンB、カナマイシン、ネオマイシン、ペニシリン、ピューロマイシン、ストレプトマイシンを含む。抗生物質は、輸送および保存中の微生物の増殖を抑制し、適切な濃度で用いられ得る。この適切な濃度は、例えば、重量単位で15〜1000ppm、25〜500ppm、または50〜150ppmである。所望に応じて、糖度が比較的高い場合でも抗生物質を含ませてもよい。
界面活性剤を追加することにより糖化率を向上できる。界面活性剤の例は、Tween(登録商標)20またはTween(登録商標)80ポリエチレングリコール界面活性剤などの非イオン界面活性剤、イオン性界面活性剤、または両性界面活性剤を含む。他の適切な界面活性剤は、Dow Chemicalから販売されているTRITON(登録商標)Xシリーズ非イオン界面活性剤などのオクチルフェニルエトキシレートを含む。界面活性剤は、特に高濃度溶液である溶液内で生成された糖を維持するためにも加えられ得る。
物理的前処理
一部の例では、方法は物理的前処理、例えば、切断、製粉、剪断、微製粉、または切り刻みなどによる、材料のサイズ縮小を含み得る。一部の例では、軽い原料(例えば、再生紙、でんぷん材料、石炭、またはスイッチグラス)を剪断または破砕して用意する。他の場合では、例えば、最初に、本明細書に記載する任意の方法の1つ以上を用いて、材料を前処理または加工、例えば、放射、超音波処理、酸化、熱分解、または蒸気爆発し、その後、サイズ縮小またはさらなるサイズ縮小をする。処理済材料はより砕け易いため、より容易にサイズを縮小できる。したがって、初めに材料を処理して、その後サイズ縮小する方法が有利である。仕切りおよび/または磁石を用いることにより、例えば、フィードストリームからの小石またはくぎなどの大き過ぎるまたは望ましくない物体を除去できる。
一実施形態では、加工材料は、繊維源を剪断することで得られた繊維を含む繊維材料である。例えば、回転ナイフカッターを用いて剪断できる。
一部の例では、方法はバイオマス原料の機械的処理を含み得る。機械的処理は、例えば、切断、粉砕、加圧成形、製粉、剪断および切り刻みを含む。粉砕は、例えば、ボールミル粉砕、ハンマー粉砕、ロータ/固定子乾式もしくは湿式粉砕、または他の種類の粉砕を含み得る。他の機械的処理は、例えば、石材製粉、クラッキング、機械的切り開き、引き裂き、ピン製粉または空気摩擦粉砕を含む。
物理的に処理された、または用意されていない材料は、本明細書に記載する任意の生成工程において使用するために処理され得る。下記する1つ以上の生成工程は、前述の抵抗性を低減する作動ユニットの処理に含まれ得る。代替的または追加的に、抵抗性を低減する他の工程を含んでもよい。
1つ以上の放射線処理シーケンスを利用して、原料から有用な物質を抽出するために、原料中の材料を加工し、種々の源に提供する。そして、さらなる加工ステップおよび/またはシーケンスを入力する機能となる材料を部分的に分解して有機構造的に変更できる。原料の分子量および/または結晶性を低減するために、例えば、照射を用いることができる。照射によりさらに、材料または材料のバイオ加工に必要な任意の媒体を殺菌できる。
各形態の放射により、放射エネルギーにより決定された、特定の相互作用を受けた炭素含有材料をイオン化できる。重荷電粒子は、最初に、クーロン散乱により物体をイオン化し、さらに、これらの相互作用により、物体をさらにイオン化できるエネルギー電子を生成できる。アルファ粒子は、ヘリウム原子の核と等しく、アルファ崩壊により生成される。このアルファ崩壊は、ビスマス同位体、ポロニウム、アスタチン、ラドン、フランシウム、ラジウム、アクチニウムなどのいくつかのアクチニド、トリウム、ウラン、ネプツニウム、キュリウム、カリホルニウム、アメリシウム、およびプルトニウムなどの種々の放射性核のアルファ崩壊を含む。
電磁放射を利用して照射を実行する実施形態では、電磁放射の(電子ボルト単位の)光子あたりのエネルギーは、例えば、102eV、例えば、103、104、105、106、さらには107eV超である。一実施形態では、電磁放射の光子あたりのエネルギーは、104〜107eV、例えば、105〜106eVである。電磁放射の周波数は、例えば、1016Hz、1017Hz、1018、1019、1020、さらには1021Hz超である。一実施形態では、電磁放射の周波数は、1018〜1022Hz、例えば、1019〜1021Hzである。
一実施形態では、(任意の放射線源または組み合わせた源を用いた)照射は、材料が受ける線量が、少なくとも0.25Mrad、例えば、少なくとも1.0、2.5、5.0、8.0、10、15、20、25、30、35、40、50、さらには少なくとも100Mradに達するまで実行される。一実施形態では、照射は、材料が受ける線量が、1.0Mrad〜6.0Mrad、例えば、1.5Mrad〜4.0Mrad、2Mrad〜10Mrad、5Mrad〜20Mrad、10Mrad〜30Mrad、10Mrad〜40Mrad、または20Mrad〜50Mradに達するまで実行される。
放射処理に加えて、原料の処理に、超音波処理、熱分解および酸化の任意の1つ以上を用いてもよい。これらの処理工程はUSSN12/417840に開示されており、その開示は参照により本明細書に組み込まれる.
この段落のいかなる加工は、本明細書に記載するいかなる加工を実行せずに単独で、または本明細書に記載するいかなる加工と組み合わせて(いかなる順序で)も実行することができる。これらの加工には、蒸気爆発、化学的処理(例えば、酸処理(硫酸、塩酸、およびトリフルオロ酢酸などの有機酸などの鉱酸を用いた濃縮および希酸処理を含む))および/または塩基処理(例えば、水酸化石灰または水酸化ナトリウムを用いた処理)、紫外線処理、スクリュー押出しプロセス(例えば、2008年11月1817に出願された米国特許出願シリアル番号第61/073530115398号参照)、溶媒処理(例えば、イオン液体を用いた処理)、並びに凍結粉砕(米国特許出願シリアル番号第61/081709号、同第12/502629号参照)が含まれる。
前述の1つ以上の加工ステップをバイオマスに実行した後に、セルロースおよびヘミセルロース画分に含まれる複合糖質を、前述の糖化プロセスにより、発酵性糖に加工してもよい。
発酵後、例えば、「ビールカラム」を用いて生じた液体を蒸留して、水および残留物の大部分からエタノールおよび他のアルコールを分離できる。ビールカラムから出た蒸気は、例えば、重量単位でエタノールが35%である。これは精留塔に送り込まれる。精留塔からのほぼ共沸混合物である(92.5%)エタノールと水との混合液を、気相分子篩を用いて純粋(99.5%)エタノールに精製する。ビールカラム底を3つの効果蒸発装置の第1の効果装置に送ることができる。精留塔還流冷却器を用いて第1の効果装置に熱を与え得る。第1の効果装置による処理後、固体を遠心分離機を用いて分離し、回転式乾燥機で乾燥できる。遠心分離機の廃水の一部(25%)をリサイクルして発酵し、その残りを、第2および第3の効果蒸発装置に送ることができる。蒸発装置の凝縮液の大部分を、処理廃水と分離したごく一部の非常にきれいな凝縮液として加工に戻して、低沸点化合物の増大を防ぐことができる。
本明細書に記載する加工を利用して、処理済バイオマスを変換して、エネルギー、燃料、食物、および材料などの1つ以上の産物を生成できる。特定の例の産物は以下を含む(ただし、これらに限定されない)。すなわち、水素、アルコール(例えば、エタノール、n−プロパノール、またはn−ブタノールなどの一価アルコールまたは二価アルコール)、例えば、10%、20%、30%、さらには40%超の水を含む水和または含水アルコール、キシリトール、糖、バイオディーゼル、有機酸(酢酸および/または乳酸など)、炭化水素、副産物(例えば、セルロース分解性タンパク質(酵素)または単細胞タンパクなどのタンパク質)、およびこれらをある相対濃度で任意に組み合わせた混合液、選択的に、燃料添加剤などの任意の添加物を混ぜ合わせた混合液を含む。他の例は、酢酸または酪酸などのカルボン酸、カルボン酸塩、カルボン酸とカルボン酸塩との混合液、カルボン酸エステル(例えば、メチル、エチル、およびn−プロピルエステル)、ケトン(アセトンなど)、アルデヒド(アセトアルデヒドなど)、アルファ、アクリル酸などのベータ不飽和酸、およびエチレンなどのオレフィンを含む。他のアルコールおよびアルコール誘導体は、プロパノール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,3−プロパンジオール、これらの任意のアルコールのメチルまたはエチルエステルを含む。他の産物は、アクリル酸メチル、メチルメタクリル樹脂、乳酸、プロピオン酸、酪酸、コハク酸、3−ヒドロキシプロピオン酸、任意の酸性塩、並びに酸および各塩の任意の混合液を含む。
複数の実施形態を記載したが、本開示の精神および範囲から逸脱することなく種々の変更がなされ得ることが理解される。
Claims (20)
- ジェットミキサを用いて混合しつつ、容器内のバイオマス原料を糖化することを含み、前記容器から出る原料および液状媒体を引き込み、前記原料および液状媒体を前記容器内で再循環させる分散システムを用いて前記バイオマス原料を前記液状媒体内で分散する方法であって、
前記バイオマス原料はリグノセルロース材料を含み、
前記分散システムは分散デバイスを有し、前記分散デバイスはチャンバを備えており、前記チャンバ内の回転要素が前記チャンバ内に前記原料および液状媒体を前記回転要素の軸方向に引き込み、前記媒体内の前記分散原料を前記チャンバから前記回転要素の半径方向に放出し、
前記液体媒体内で分散された前記バイオマス原料の初期固体濃度は、重量単位で少なくとも20%であり、前記方法は、糖化中に追加の原料および糖化剤を前記容器に加えること、および前記分散システムを用いて前記媒体中に前記原料を分散することをさらに含む、方法。 - 前記回転要素は羽根車として機能し、前記チャンバ内の前記回転要素の作用は遠心ポンプの作用である、請求項1に記載の方法。
- 前記回転要素は、前記チャンバの中央に配置されたロータ固定子に配されるロータと同軸上に配置された混合要素を備えている、請求項1に記載の方法。
- 前記分散システムは、容積型ポンプを備えている、請求項1に記載の方法。
- 前記容積型ポンプが、進行性キャビティポンプを備えている、請求項4に記載の方法。
- 前記原料が、0.75g/cm3未満の嵩密度を有している、請求項1に記載の方法。
- 前記液状媒体は水を含んでいる、請求項1に記載の方法。
- 前記容器に糖化剤を供給することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記糖化剤が酵素を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記分散システムはジェットミキサを備えている、請求項1に記載の方法。
- 前記容器外部に位置する源から前記容器に前記原料および/または糖化剤を供給することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記源は前記容器の上方に位置している、請求項11に記載の方法。
- 前記源はホッパを備えており、前記ホッパは振動デバイスと連通している、請求項11に記載の方法。
- 前記液状媒体表面上の、0〜75%の重量の水を有する前記原料に、分散システムのチャンバから液状媒体流を供給して前記原料をさらに湿らすことをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記容器に供給する前の前記原料は、実質的に乾燥状態である、請求項14に記載の方法。
- 前記分散システムは複数の分散デバイスを備えている、請求項1に記載の方法。
- 糖化中に、前記原料と、前記液状媒体と、前記糖化剤との混合液のグルコース濃度を測定することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記容器はタンクを備えている、請求項1に記載の方法。
- 前記原料はセルロースをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 乳化剤または界面活性剤を前記容器内の前記混合液に加えることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
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