KR101139094B1

KR101139094B1 - 계속적인 전가수분해의 사용을 통한 반셀룰로오스 선추출을 위한 시스템 및 방법 및 증기 폭발 전처리 공정

Info

Publication number: KR101139094B1
Application number: KR1020107019022A
Authority: KR
Inventors: 토마스 스콘; 남희 신; 베틸 스트롬버그
Original assignee: 안드리츠 인코포레이티드
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2012-06-01
Also published as: RU2010139646A; JP5615793B2; CA2715592A1; PL2247781T3; JP2012100659A; KR20110138297A; RU2011150476A; AU2009219290B2; US20090221814A1; BRPI0908486A2; KR20100118587A; EP2500466A1; US8512512B2; EP2500466B1; EP2500466B2; WO2009108773A2; CA2715592C; DK2247781T3; JP2011513052A; ES2399580T3

Abstract

공급원료를 받아 상기 공급원료가 가수분해되는 제 1 가압반응기; 상기 제 1 가압반응기의 공급원료 방출포트로 제 1 가압 커플링, 및 제 2 가압반응기로 제 2 가압 커플링을 포함하는 씰링장치; 제 1 가압반응기와 씰링 및 추출장치 중 적어도 하나의 공급원료로부터 추출되는 용해된 반-셀룰로오스 물질을 포함하는 액체를 위한 배수구; 제 1 가압반응기의 압력보다 실질적으로 큰 압력에서 상기 씰링장치로부터 가압 공급원료를 받아 공급원료의 셀이 물과 함께 스며드는 제 2 가압반응기 어셈블리; 그리고 상기 제 2 가압반응기 어셈블리의 하류에 위치하여, 상기 제 2 가압반응기로부터 방출된 공급원료의 압력을 급속히 낮추어 상기 공급원료가 증기폭발 반응을 갖도록 하는 팽창장치를 포함하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템이 제공된다.

Description

계속적인 전가수분해의 사용을 통한 반셀룰로오스 선추출을 위한 시스템 및 방법 및 증기 폭발 전처리 공정{SYSTEM AND METHOD FOR PREEXTRACTION OF HEMICELLULOSE THROUGH USING A CONTINUOUS PREHYDROLYSIS AND STEAM EXPLOSION PRETREATMENT PROCESS}

본 출원은 참조문헌인 2008년 2월 28일에 제출된 미국 가특허출원 61/032,115 및 2009년 2월19일에 제출된 미국 특허출원번호 12/389,020의 이익(benefit)을 수반한다.

본 발명은 농경의 잔여물(줄기, 사료, 외피를 포함), 짚 및 풀, 숲 및 제재소의 잔여물(목재 칩 및 조각난 간벌(shredded thinnings)들을 포함)과 같은 셀룰로오스 바이오매스 공급원료(cellulosic biomass feed stocks)의 전저리와 관련 있다. 특히, 본 발명은 전가수분해(pre-hydrolysis) 및 증기 폭발 전처리에 의해 바이오매스 공급원료로부터 카본당(carbon sugars)을 추출하는 것과 관계가 있다.

고압 및/또는 고온은 셀룰로오스 공급원료로부터 에탄올과 같은 알코올을 생산하도록 사용되는 전형적인 전처리 공정이다. 이러한 종래의 전처리에서, 일부 C5당은 전처리에 따른 발효 단계에서 C6당의 알코올 발효를 억제하는 요소로 변환된다. 알데히드(예를 들어, HMF, 프루프랄, 및 포름알데히드), 단량체 페놀(monomeric phenolics, 예를 들어, 바닐린 및 코니페릴알데히드), 산(예를 들어, 포름산) 및 다른 억제제와 같은 억제 요소의 제거는 전처리에 따른 C6 발효 단계에서 알코올 수득률(yield)을 증가시켜야 한다.

셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템은, 공급원료를 받아 상기 공급원료가 가수분해되는 제 1 가압반응기; 상기 제 1 가압반응기의 공급원료 방출포트로 제 1 가압 커플링, 및 제 2 가압반응기로 제 2 가압 커플링을 포함하는 씰링장치; 제 1 가압반응기 및 씰링장치 중 적어도 하나의 공급원료로부터 추출되는 용해된 반-셀룰로오스 물질(hemi-cellulosic material)을 포함하는 액체를 위한 배수구; 제 1 가압반응기의 압력보다 실질적으로 큰 압력에서 상기 씰링장치로부터 가압 공급원료를 받는 제 2 가압반응기 어셈블리; 및 그리고 상기 제 2 가압반응기 어셈블리의 하류에 위치하여, 상기 제 2 가압반응기로부터 방출된 공급원료의 압력을 급속히 낮추어 상기 공급원료가 증기폭발 반응을 갖도록 하는 팽창장치를 포함하고, 상기 제 1 반응기 및 제 2 반응기 각각이 직접적인 스팀 가열을 받는 증기상(steam phase) 및 공급원료를 반응(reacting)시키거나 가열하는 것을 포함한다.

다른 실시예에 의하면, 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템은 공급원료를 받아 상기 공급원료가 1.5bar 게이지(gauge) 내지 6bar 또는 그보다 높은 게이지 범위의 압력게이지 및 적어도 섭씨 110도의 온도에서 가수분해되는 제 1 가압반응기; 상기 제 1 가압반응기의 공급원료 방출포트로 제 1 가압 커플링, 및 제 2 가압반응기로 제 2 가압커플링을 포함하는 씰링 및 추출장치(sealing and extraction device); 상기 제 1 가압반응기 와 씰링 및 추출장치 중 적어도 하나의 공급원료에 세정액을 제공하는 세정 스테이지(wash stage); 상기 제 1 가압반응기 및 씰링 및 추출장치 중 적어도 하나의 공급원료로부터 추출되는 용해된 반-셀룰로오스 물질을 포함하는 액체를 배수하는 배수구; 상기 씰링 및 추출장치로부터의 가압 공급원료를 받고 증기 및 수증기를 상기 제 2 가압반응기의 공급원료에 불어넣어(infusing), 상기 공급원료에 8bar 게이지 내지 25.5bar 게이지 범위의 압력게이지를 적용하는 제 2 가압반응기 어셈블리; 그리고 제 2 가압반응기 어셈블리가 포함하는 방출관과 연결된 가압방출(pressurized discharge), 그리고 상기 제 2 가압반응기 어셈블리의 하류에 위치하여, 상기 제 2 가압반응기로부터 방출된 공급원료의 압력을 급속히 낮추어 상기 공급원료가 증기폭발 반응을 갖도록 하는 팽창장치를 포함할 수 있다.

공급원료가 제 1 가압반응기에서 가수분해될 수 있도록 상기 제 1 가압반응기에서의 상기 공급원료를 전처리하는 단계; 상기 제 1 가압반응기로부터 상기 제 1 가압반응기의 공급원료 배출 포트로 제 1 가압 커플링을 포함하는 가압 씰링장치로의 상기 공급원료를 배출하는 단계; 상기 제 1 가압반응기로 열 에너지를 제공하는 증기를 상기 제 1 가압반응기로 주입함으로써 상기 제 1 가압반응기 내의 기상(vapor phase) 유지하는 단계; 상기 가압 씰링장치 또는 제 1 가압반응기의 하류 영역에서 상기 공급원료를 세정하는 단계; 상기 제 1 가압반응기 및 가압 씰링장치 중 적어도 하나의 공급원료로부터 추출되는 용해된 반-셀룰로오스 물질을 포함하는 액체를 배수하는 단계; 상기 공급원료가 상기 제 1 가압반응기에서보다 제 2 가압반응기에서 더 높은 압력을 유지하도록 상기 가압 씰링장치로부터 제 2 가압반응기로의 제 2 가압 커플링을 통해 상기 공급원료를 배출하는 단계; 상기 제 2 가압반응기에서, 상기 제 2 가압반응기 내로 증기 또는 수증기를 주입함으로써 증기 또는 수증기를 포함하는 상기 공급원료의 셀(cells)을 주입하는 단계(infusing); 그리고 상기 공급원료의 셀에서 증기 팽창이 일어나고 상기 공급원료가 정제될 수 있도록 물이 스며든 상기 공급원료에 가해진 압력을 급속히 낮추는 단계를 포함하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 방법이 제공된다.

도 1은 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 두개의 반응기 공정을 통한 흐름의 개략적인 다이어그램을 도시한다.
도2는 배출구 및 수평한 제 2 반응기보다 낮은 입구를 갖는 경사진 제 1 반응기를 포함하는 반응기 시스템을 도시한다.
도 3은 배출구 및 수평한 제 2 반응기보다 높은 입구를 갖는 경사진 제 1 반응기를 포함하는 시스템을 도시한다.
도 4는 원뿔형(conical)의 제 2 반응기를 갖는 반응기 시스템을 도시한다.
도 5는 복수의 원심 분리기를 포함하는 반응기 시스템을 도시한다.
도 6은 플러그 스크류 피더(plug screw feeder)를 갖는 반응기 시스템을 도시한다.
도 7은 수직형 제 1 반응기를 갖는 반응기 시스템을 도시한다.
도 8은 원뿔형 제 2 반응기를 갖는 반응기 시스템의 선택적인 배치를 도시한다.

도 1은 공급원료(14)으로부터 반-셀룰로오스를 가수분해하고 용해하는 제 1 가압반응기(12)를 포함하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료 전처리 공정(10)의 흐름도를 도시한다. 공급원료의 잔존한 셀룰로오스를 끓이기 위해 공급원료가 제 2 가압반응기(16)로 흐르기 전에, C5당을 추출하기 위해 반-셀룰로오스는 액체에 용해된다. 가압 씰(seal, 18)은 제 1 반응기(12)로부터 제 2 반응기(16)에 직접적으로 가압 공급원료의 계속적인 흐름을 가능하게 한다.

공급원료(14)은 농경의 잔여물(예를 들어, 줄기, 사료, 외피), 짚, 풀, 숲 및 제재소의 잔여물(예를 들어 목재 칩 및 조각난 간벌(shredded thinnings))과 같은 셀룰로오스 바이오매스 물질일 수 있다. 공급원료(14)는 대기압에서 적어도 일시적으로 상기 공급원료가 보존되는 저장 용기(20)에 공급된다. 저장 용기는 공급원료를 가열하는 전처리 스팀(pre-steaming)을 제공할 수 있다. 저장 용기(20)로부터 회전 밸브, 플러그 스크류 피더 또는 미국 뉴욕 글렌즈 폴스 안드리츠 주식회사(Andritz Inc. of Glens Falls, New York, USA)에서 판매되는 MSD 임프레사파이너(MSD Impressafiner®)와 같은 가압 씰링장치(pressure sealing device, 24)로 컨베이어(22)에 의해 공급원료가 운반된다. 가압 씰링장치(24)는 공급원료가 제 1 가압반응기(12)로 갈 수 있는 입구 통로(input portal)로 제공된다.

제 1 가압반응기(12)에서, 셀룰로오스 바이오매스 공급원료는 가수분해를 이용하여 전처리되는데, 예를 들어, 전가수분해(pre-hydrolysis) 또는 자동 가수분해(auto-hydrolysis)되어 제 2 가압반응기(16)에 앞서 공급원료로부터 카본당, 바람직하게는 C5-당, 을 추출한다. 제 1 가압압반응기는 수평하거나 경사지거나 또는 수직하게 형성될 수 있다. 제 1 가압반응기(12)에서의 가수분해 쿠킹(hydrolysis cooking)은 공급원료가 계속적으로 주입되어 흐르고 반응기(12)로부터 배출되어 가압 씰(18)을 지나 제 2 반응기(16)를 통하는 계속적인 공정일 수 있다.

제 1 가압반응기(12)에서, 주로 5-카본 당(5-carbon sugars, 이하 “C5-당”이라 함)인, 반-셀룰로오스는 용해되고 가수분해된다. 반-셀룰로오스는 반응기(12)로부터 블로우 다운 탱크(blow down tank) 또는 드럼(28)까지 뻗어있는 관(26)을 통해 제 1 가압반응기(12)로부터 액체에 추출된다.

연한 재목(soft-woods)의 반-셀룰로오스는 대부분이 제 1 반응기(12)의 전가수분해 및 자동 가수분해 공정에서 용해되고 가수분해되는 글루코만난(gluco-mannan)이다. 예를 들어, 경재(hard-woods), 곡류의 짚(cereal straws) 및 풀 내의 반-셀룰로오스는 용해될 수 있고 (선택적으로 촉매가 있는) 제 1 반응기(12) 내의 산성 용액에서 크실로오스(xylose) 및 아라비노오제(arabinose)와 같은 저분자량의 C5-당 및 특정양의 비결정(amorphous)의 C6-당으로 가수분해될 수 있다. 저분자량 C5 및 비결정 C6 당은 반응기(12)에서 용해되고 반응기(12)로부터 파이프(26)까지 리쿠어(liquor, 액체)로서 배수된다. 바람직하게 제 1 반응기(12)의 공급원료로부터의 리쿠어로써 제거되는 C5-당 산물의 예들은 알데히드(HMF, 프루프랄, 및 포름알데히드), 단량체 페놀(monomeric phenolics, 바닐린 및 코니페릴알데히드), 및 산(예를 들어, 아세트산, 포름산)을 포함한다. 이러한 C5-당 산물의 제거는, 공급원료로부터 제 1 반응기(12) 내에서 분리되지 않는다면 그것들 또는 산물들에 의한 그것들의 반응이 C6-당의 발효를 억제할 수 있기 때문에 바람직하다.

제 1 가압 용기(vessel) 반응기(12)에서 공급원료는 전가수분해 또는 자동 가수분해를 촉진하여 공급원료의 반-셀룰로오스가 저분자량 C5-당 및 비결정 C6-당이 되도록 용해하고 가수분해하는 산성 용액에서 처리될 수 있다. 반응기(12)는 반응기에서 증기상(steam phase)이 허용되도록 공급원료로 채워지지 않을 수 있다. 증기상은 공급원료에 열에너지를 제공하고 반응기의 증기상 또는 액상 중 하나 또는 둘 다에 있는 공급원료의 가수분해 반응을 족친시킨다. 반응기(12)의 증기는 반응기(12)의 하나 또는 그 이상의 위치에서, 그리고 바람직하게는 반응기의 공급원료 입구의 근처에서 반응기로 증기를 직접 주입하는 증기 소스(13)로부터 제공될 수 있다. 증기는 또한 반응기(12) 입구의 상류 직전의 공급원료 컨베이어(22, 24)에 주입될 수 있다. 반응기(12) 입구의 상류의 증기 주입은 반응기로 혼합물이 들어가기 전에 증기와 공급원료의 혼합을 늘린다.

가수분해, 및 특히 전가수분해 및 자동 가수분해, 는 일반적으로 예를 들면 대략 10분 내지 60분 및 바람직하게는 20분 내지 30분 동안, 1.5bar 내지 6bar(150 내지 600킬로파스칼) 또는 1.5bar 내지 10bar(150 내지 1000킬로파스칼)의 압력 게이지에서 섭씨 110도(℃) 내지 160℃ 사이 또는 110℃ 내지 175℃ 사이의 온도에서 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 쿠킹(cooking)을 일컫는다. 가수분해를 촉진하고 여압 상태(pressurization)를 제공하기 위해, 제 1 가압반응기(12)는 약산(mild acid), 황산가스(SO2), 산소, 압축공기, 암모니아, 물, 수증기, 증기(가열 및 온도 유지를 위한), 및 이러한 혼합물 각각의 소스(30, 13)로부터의 촉진제 중 하나 또는 그 이상의 흐름을 받을 수 있다. 제공된 흐름(30, 13)은 공급원료가 반응기로 들어가는 제 1 가압반응기(12)의 근위부(proximal) 및 공급원료가 제 1 가압 용기를 빠져나가는 말단(distal)으로 안내될 수 있다. 산(acids) 추가의 대안으로서, 제 1 반응기(12)는 자동 가수분해 조건하에 공급원료에 의해 빠져나오는(released) 목초산(wood acids)을 이용하는 것과 같은 자동 가수분해 조건을 이용할 수 있다.

공급원료는 제 1 반응기(12)에서 수분이 있거나 마른채로 배출될 수 있다. 희석수(dilution water) 또는 리쿠어(32)는 제 1 반응기(12) 또는 씰링 및 추출장치(18)에 부차적으로 부가될 수 있다. 희석수를 부가하는 것은 씰링 및 추출장치(18)로부터 용해되는 어떠한 물질도 제거하는 이득이 있고, 관(26 및 48)을 통해 흐르는 흐름에서 회복되는 당의 양을 증가시킨다.

더 나아가, 세정 스테이지(15)는, 예를 들어 공급원료를 희석수로 세정하여 가수분해 반응이 멈출 수 있도록, 제 1 반응기(12)의 내부 또는 하류 및 제 2 반응기(16)의 상류 및 바람직하게는 씰링 및 추출장치(18)의 상류에 포함될 수 있다. 예를 들어, 세정 스테이지는 제 1 반응기(12)의 흐름의 끝단 또는 씰링 및 추출장치(18)에 위치할 수 있다. 세정 스테이지(15)는 희석수 소스(32)로부터 제 1 반응기의 출구 근처의 세정 영역(wash zone)(도 7 참고) 또는 씰링 및 추출장치(18)의 공급원료까지 깨끗한 물을 제공한다. 소스(32)로부터의 세정수는 섭씨 160도, 140도, 110도를 넘지 않는 온도를 가질 수 있다. 세정수의 온도는 세정 영역에서 가수분해 반응을 억제할 수 있도록 제 1 반응기(12)의 온도보다 낮다. 세정 영역은 예를 들어 배수관(48)을 통과하는 공급원료로부터 여과물(filtrate, 17)을 추출한다.

세정 스테이지는 밸브(34)의 상류와 같이, 증기폭발 공정의 상류에 있어야 한다. 증기폭발 공정 후에 공급원료를 세정하는 것 보다 증기폭발 공정의 상류에서 공급원료를 세정하는 것이 보다 경제적이다. 증기폭발 공정은 공급원료의 입자 크기를 줄이고 따라서 공급원료의 비표면적을 증가시킨다. 작은 입자 및 그에 따른 큰 비표면적은 공급원료의 세정 및 탈수의 어려움을 증가시킨다. 증기폭발 공정의 상류의 세정은 증기폭발 전에 공급원료 입자가 상대적으로 조잡하고(coarse) 작은 비표면을 가지므로 이러한 어려움을 피할 수 있다.

큰 입자를 갖는 공급원료의 세정은 작은 입자의 세정과 비교하여 보다 효과적이기 때문에, 세정 영역, 물 주입기, 여과물 스크린(filtrate screens), 및 추출장치와 같은 세정 장비는 증기폭발 공정의 하류에서의 세정을 위해 필요한 세정 장비보다 다루기 쉽고(less cumbersome) 덜 비싸다. 비슷하게, 세정액의 제공 및 여과물의 추출에 드는 비용과 같은 세정과 관련된 비용은 세정 단계가 증기폭발 공정의 하류에 있는 것 보다 상류에 있을 때 덜 발생한다.

블로우-탱크(28)는 파이프(또한 관으로 언급됨, 26 및 48)를 통해 제 1 반응기(12) 및 씰링 및 추출장치(18)의 공급원료로부터 추출된 반-셀룰로오스로부터의 C5-당과 같은 용해된 요소들을 모은다. 반응기(12)로부터 추출되는 용해된 반-셀룰로오스, 예를 들어 C5 당,의 용액은 블로우-탱크를 향하거나 블로우-탱크(28)의 배출구에 있는 파이프(48)의 감압 밸브(reduction valve)를 통해 감압될 수 있다. 공급원료로부터 분리되고 탱크(28)에 저장되는, 반-셀룰로오스의 C5-당은 종래의 공정에 의해 식품 첨가물로의 사용을 위한 크실로오스(xylose), 호기성 및 혐기성 발효(aerobic and anaerobe fermentation)에 의한 바이오가스(biogas), 고 옥탄 산소처리(high octane oxygenate)에 의한 메틸-푸란(methyl-furan), 및 에탄올과 같은 알코올로의 변환(conversion)을 위한 수용성 당으로 변환될 수 있다. C5-당의 변환은 예를 들어 효소와 같은 특별한 미생물을 사용하여 변환 반응을 촉진시킨다.

개시되는 어떠한 반응기 시스템에 대해서, 부차적인 세정 기기가 제 1 및 제 2 반응기 사이에 위치하여 공급원료를 세정할 수 있다. 세정 기기는 용해된 반-셀룰로오스의 제거 후 또는 전에 공급원료와 혼합되는 용매(solvent)(제 1 반응기에 사용되는 산성용액, 물, 증기, 또는 이들의 혼합물과 같은 것)를 위한 입구를 포함할 수 있다. 용매는 용해된 요소의 첫번째 제거 후에 제거되지 않은 공급원료와 관계되는 반-셀룰로오스를 더 용해할 수 있다. 온도 또는 압력 또는 둘 다가 제 1 반응기의 온도, 압력보다 낮기 때문에 용매는 제 1 반응기에 의해 공급원료에서 야기되는 화학반응을 멈추는 추가적인 이점을 갖는다. 부가적인 반-셀룰로오스가 함유된 용매를 포함하는 세정 기기의 출력(output)은 따로따로 처리될 수 있고 또는 블로우 탱크(28)에서 미리 추출된 용해된 요소와 결합될 수 있다. 세정 기기는 부가적인 증기구(steam ports) 및 공정의 온도 및 압력 유지를 위한 입구를 더 포함할 수 있다. 세정 기기는 세정 단계를 시행하기 위해 부가적인 설비가 필요하지 않도록 제 1 반응기(12) 또는 씰링 추출 장치(18)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 제 1 반응기 또는 씰링 추출 장치는 공급원료를 더 세정하기 위해 부가적인 용매의 입구 포트를 포함할 수 있다. 용매는 관(26 또는 48)과 같은 반응기 시스템의 일반적인 용매 제거 포트를 이용해 제거될 수 있다.

용해된 반-셀룰로오스의 제거 후에, 잔여 공급원료는 제 1 반응기(12)로부터 씰링 또는 추출장치(18)로 배출된다. 공급원료는 가압된 상태로 남고, 제 1 반응기에서 씰링 및 추출장치(18)로 흐른다. 씰링 및 추출장치(18)는 공급원료를 제 1 반응기(12)에서 제 2 반응기(16)로 나른다. 씰링 또는 추출장치(18)는 공급원료에 작용하는 압력을 제 1 반응기(12)의 압력 이상의 레벨 및 제 2 반응기(16) 이후에 증기 폭발이 발생할 수 있는 적당한 레벨로 증가시킬 수 있다. 제 2 가압반응기(16)는 수평하거나 원뿔형 반응기 용기를 포함할 수 있다.

가압 씰링 및 추출장치(18)는, (MSD) 임프레사파이너(MSD Impressafiner®), 나사 장치와 같은 압출기(extruder), 또는 플러그 스크류 피더 또는 관(48)을 통해 블로우-탱크(28) 또는 비슷한 장치로 배출되는 용해된 요소(주로 반-셀룰로오스)를 추출하기 위해 전처리된 공급원료를 압착하는 비슷한 유닛일 수 있다. 씰링 및 추출장치는 공급원료의 압력을 예를 들어 1.5bar 내지 10bar인 제 1 반응기의 배출 압력 게이지로부터 8bar 내지 25bar의 제 2 반응기의 압력 게이지로 증가시킬 수 있다.

가압 공급원료은 제 1 반응기(12)에서 씰링 및 추출장치(18)로 중력에 의해, 반응기에서 공급원료의 계속적인 흐름에 의해(도 2 내지 6의 도시와 같이), 또는 도 7에 도시된 것과 같이 배출 스크래이퍼(discharge scraper) 또는 배출 나사(51)에 의해 흐를 수 있다. 추출장치(18)는 제 1 및 제 2 가압 반응기(12 및 16) 사이의 가압 씰(seal)을 제공한다. 압력하에 제 1 반응기(12)로부터 공급원료가 배출되기 때문에, 씰링 및 추출장치(18)는 바람직하게 압력하에 공급원료를 받을 수 있도록 배치된 입구를 포함한다. 예를 들어, 씰링 및 추출장치(18)로의 입구는 제 1 반응기(12)의 출구로 밀봉되고 상기 장치(18)에 들어오는 공급원료의 압력을 낮추지 않는다.

제 2 반응기(16)은, 예를 들어, 수직형, 수평형, 또는 원뿔형의 반응기 일 수 있다. 도 7 및 도 8에 도시되는 수직형 반응기는, 참조문헌으로 포함된, 미국 특허 5617975 및 5628873에 개시된 다이아몬드꼴(diamondback) 영역과 같은 아래를 향하는 공급원료의 흐름을 촉진하는 하부 영역을 포함할 수 있다. 제 2 반응기(16)에 적합한 용기는 일반적이고, 전형적으로 증기 폭발 펄프화 공정(steam explosion pulping processes)에 사용된다.

제 2 반응기는 바람직하게 제 1 반응기의 압력보다 높은 압력에서 작동된다. 제 2 반응기 어셈블리(제 2 반응기(16)를 포함하거나 제 2 반응기(16) 및 반응기 방출 장치(36)를 포함할 수 있는)로부터, 공급원료는 8bar 에서 25.5bar사이와 같은 높은 압력으로 방출된다. 제 2 반응기 어셈블리는 공급원료를 반응기 방출 장치(36)로 이동시키는 방출 스크류 피더(discharge screw feeder)와 같은 방출 장치(52)를 포함할 수 있다. 공정(10)은 공급원료를 제 1 반응기(12)로부터 씰링 추출장치(18), 제 2 반응기(16), 반응기 방출 장치(36)를 통해 블로우-밸브(34)까지, 예를 들면 1.5bar이상의 실질적으로 높은 압력 게이지로 유지한다.

제 2 반응기(16)는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료를 예를 들어 170℃ 내지 230℃의 온도에서 대략 2 내지 5분(또는 더 길게)의 시간 동안, 그리고 8bar 내지 25.5bar(800킬로파스칼 내지 2550킬로파스칼)의 게이지 압력에서 처리한다. 제 2 반응기(16)는 증기(steam)가 반응기에 직접 주입되어 공급원료에 열 에너지를 공급하여 증기상을 포함할 수 있다. 제 2 반응기(16)에서, 소스(53, 32)로부터 하나 또는 그 이상의 스팀, 증기 및 물을 공급원료의 리그노-셀룰로오스 물질(ligno-cellulosic material)의 내부 구조로 방산한다. 부가적으로, 증기, 수증기 또는 물의 소스(53, 32)는 제 2 가압반응기(16)로 주입되는 촉진제의 액상 소스와 같은 다른 액체를 제공할 수 있다.

물(32)은 공급원료에 스며드는 희석수를 제공하도록 제 2 반응기(16) 또는 씰링 및 추출장치(18)에 직접적으로 주입될 수 있다. 희석수(32) 및 스팀, 증기 및 촉진제의 소스(53)는 공급원료가 반응기에 들어가는 곳의 인접한 지점에서 제 2 반응기(16)에 주입될 수 있다.

증기 또는 수증기는 제 2 반응기(16)에서 공급원료로 스며든다. 증기 및 수증기는 제 2 반응기에서 처리되는 리그노-셀룰로오스 물질의 내부 구조의 모세관과 같은 미세 다공 구조(capillary-like micro-porous structure)에서 부분적으로 물과 같이 응축된다.

공급원료의 압력은 제 2 반응기 어셈블리의 하류의 블로우-밸브(34)를 통과하면서 극적으로 낮아진다. 블로우-밸브(34)를 지나는 압력 강하는 바람직하게 적어도 10bar의 압력 강하이다. 공급원료의 압력은 블로우-밸브(34)에 의해 1내지 2bar 게이지 내려가는데, 0bar 게이지는 실질적으로 대기압이다. 밸브(34)를 지나면서 발생하는 큰 압력 강하는 증기 폭발 펄프화(steam explosion pulping)에 적합하다. 급격한 압력 강하, 예를 들어 플래슁(flashing), 는 공급원료의 리그노-셀룰로오스 물질의 셀(cell)에서 응축수의 증기로 변환시킨다. 공급원료의 셀에서의 물의 증기로의 변환은 공급원료의 셀룰로오스 바이오매스의 셀의 큰 분열, 예를 들어 폭발, 을 야기한다. 분열은 셀에서 증기에 의해 차지되는 부피가 물에 의해 차지되는 부피보다 훨씬 크기 때문에 발생한다. 큰 분열은 공급원료의 개별적인 셀의 폭발 및 원주형 튜브와 공급원료의 셀룰로오스 구조의 섬유의 사이와 같은 비결정 셀룰로오스를 따라 형성된 섬유의 균열(rupturing the fibers)을 포함한다.

제 2 반응기(16)의 방출에서의 공급원료 압력은, 도 8에서 보여지는 것과 같이, 증기 폭발 펄프화에 충분하다. 택일적으로, 방출 장치(36)는 제 2 반응기의 압력보다 높게 공급원료의 압력을 올리기 위해 제 2 반응기 어셈블리에 포함될 수 있다. 반응기 방출 장치(36)는, 8bar 내지 25bar 게이지와 같이, 증기 폭발 펄프화에 적합한 압력까지 공급원료의 압력을 더 증가시킬 수 있다.

제 2 가압반응기(16)는 높은 압력하에서 공급원료를 제 2 반응기와 블로우-밸브(34)의 사이에 있는 반응기 방출 장치(36)로 방출할 수 있다. 제 2 가압반응기 어셈블리는 반응기 방출 장치(36)를 구비하거나 구비하지 않은 반응기(16)를 포함할 수 있다. 반응기 방출 장치(36)는, 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 제 2 반응기의 공급원료 방출 포트에서의 스크래이퍼 또는 스위퍼(scraper or sweeper), 디스크 밀 리파이너(disc mill refiner), 중간밀도 섬유 보드 디스크 리파이너(medium density fiber board (MDF) disc refiner), 디스크 고압 압축기(disc high pressure compressor) 또는 방출 플러그 피더(discharge plug feeder)일 수 있다. 예를 들어, 반응기 방출 장치(36)의 하나의 실시예는 150마력(110킬로와트)의 전기모터에 의해 구동되어 1200RPM 내지 3000RPM의 회전속도로 작동하는 싱글 디스크 리파이너(single disc refiner)일 수 있다. 반응기 방출 장치(36)가 디스크 밀 리파이너인 실시예는 또한 공급원료가 블로우 밸브(34)를 통과함으로 인해 증기 폭발 리핑(reefing)을 수행하기 전에 부분적으로 가압 공급원료를 정제할 수 있다.

증기 폭발 동안, 처리된 공급원료의 입자는 공급원료의 셀룰로오스 조직(network)으로부터 분리된다. 원심 분리기 또는 블로우 탱크(38)는 입자의 하부 배출(39) 및 스팀, 비응축 가스(NCG), 응축가스 및 다른 화학 증기(40)의 상부 증기 배출(41)을 포함한다. 휘발성 유기 혼합물(VOCs)를 포함할 수 있는 이러한 증기(40)는 증기에서 열에너지를 회복하도록 열 교환기를 통해 증기를 통과시키는 것과 같이 회복될 수 있다.

원심 또는 블로우 탱크(38)의 하부 배출(39) 포트로부터 배출되는 처리된 공급원료의 분리된 입자는 벨트 또는 나사 컨베이어를 포함할 수 있는 냉각 장치(42)를 통해 냉각될 수 있다. 처리된 공급원료는 처리된 공급원료에 산성 또는 효소 처리를 적용할 수 있는 더 부가된 반응기(44)에 의해 처리될 수 있다. 처리된 공급원료는 전처리된 공급원료(46)로써 최후에 배출된다.

도 1에 도시된 공정(10)은 다양한 형태의 반응기 및 다른 장치에서 실시될 수 있다. 이런 다양한 형태의 반응기 및 다른 장치의 몇몇 실시예는 도 2 내지 도8에 도시된다. 도 1에서 공통되는 도 2내지 도 8의 참조 번호는 도 1의 공통되는 참조 번호에 의해 정의되는 같은 기능을 수행하는 장치를 나타낸다.

도 2 내지 도 8에서 도시되는 것과 같이, 제 1 반응기(12), 예를 들어 전가수분해 반응기, 는 도 2 내지 도 8에서 보여지는 것처럼 기울어지거나 도 9에서 보여지는 것처럼 수직하게 배치되거나, 또는 도 10에서 보여지는 것처럼 실질적으로 수평하게 배치될 수 있다.

제 1 가압반응기(12)는 반응기를 통해 공급원료가 움직일 수 있도록 내부 오거(auger) 및 나사를 포함하는 판디아-타입(pasdia-type)과 같은 종래의 반응기일 수 있다. 공급원료는 회전 밸브(60, 도2, 4, 5, 7, 및 8에서 보여지는), 플러그 스크린 피더(62), 예를 들어, MSD 임프레사파이너(MSD Impressafiner®, 도 3 및 6 에서 보여지는), 또는 가압 반응기에 가압되지 않은 공급원료를 제공하는 다른 공급 시스템일 수 있는 가압 씰링 장치(24, 도 1)를 통해 제 1 반응기(12)에 들어갈 수 있다.

반응기(12)에서 방출되는 용해된 반-셀룰로오스는 관(26)으로 배수되거나(도 2, 4, 6, 및 7에 도시), 전체적으로 가압 씰링 및 추출장치(18)로 배수(도 3 및 5에 도시)될 수 있다. 도 2, 3, 4, 및 5에 도시된 것과 같이 공급원료를 배출하는 상단부(54)의 맞은편에 형성된 하단부(50)를 갖는 경사진 제 1 반응기(12)는 용해된 반-셀룰로오스, 예를 들어 C5-당, 의 거의 대부분 또는 전부를 액체의 형태로 반응기의 하단부(50)로 배수한다. 이러한 경사진 제 1 반응기의 상단부(54)는 플러그 스크류 피더일 수 있는 가압 씰링장치(18)로 가압 유지 커플링을 포함한다. 용해된 반-셀룰로오스를 포함하는 부가적인 리쿠어는 씰링 장치(18)로부터 추출될 수 있고 관(48 및 26)을 통해 감압 밸브(49) 및 블로우 탱크 또는 드럼(28)으로 바로 흐를 수 있다. 도 3에 도시된 것처럼, 제 1 반응기(12)는 반응기 용기의 하단부(56)가 가압 씰링장치로 가압 유지 커플링을 포함하도록 경사질 수 있다. 도 3에 도시된 반응기(12)의 하단부(56)는 공급원료 및 액체 반-셀룰로오스 물질 전체를 가압 씰링장치(18)로 배출한다. 관(48)은 가압 씰링 및 추출장치(18)로부터 액체 반-셀룰로오스를 배수하고 감압 밸브(49) 및 탱크 또는 드럼(28)으로 액체를 바로 흐르게 한다.

도 4 내지 6은 공급원료가 블로우 밸브(34)를 지나 증기 폭발에 의해 처리된 후, 서로 다른 흐름으로 분리되어 각각이 다른 원심 분리기(382, 384, 386) 및 다른 방출 장치 및 부가된 반응기(422, 424, 426)를 포함할 수 있음을 보여준다. 예를 들어, 공급원료의 셀룰로오스의 일부분은 분리되기 위해 보류되고 펄프화(종이) 또는 특별한 화학처리(special chemicals applications)를 위해 분리되어 처리될 수 있다.

도 8에 도시된 경사진 제 1 가압반응기(12)는 가압 씰(18)과 연결된 하단부(56)를 포함한다. 반응기의 상단부(58)는 반-셀룰로오스 액을 반응기로부터 감압밸브(49) 및 탱크(28)로 흐르게 하는 부차적(optional)인 배수관(26)을 포함할 수 있다.

도 7에 도시된 수직형 제 1 가압반응기(12)는 반응기 용기로부터 공급원료를 배출하고 반-셀룰로오스 액을 감압 밸브(49)를 통해 블로우 탱크 또는 드럼으로 액체를 흘려 보내는 관(26)으로 배수하는 공급원료 스위퍼 및 컨베이어(51)를 포함한다.

셀룰로오스 바이오매스 공급원료 전처리 공정(10)의 실시예의 이점은 반응 용기의 다양한 단면의 로딩(loading), 채널링(channeling) 또는 클로깅(clogging)에 상관 없이 공급원료 유량 용적(flow volume) 또는 유속의 팽창을 가능하게 하도록 반응기 용기가 바람직하게 일정하거나 넓어지는 단면이라는 것이다. 예를 들어, 각 반응 용기(12, 16)는 수직하게, 경사지게, 그리고 수평하게 맞춰질 수 있다. 비슷하게, 각 반응기를 통한 반응기 공급원료 흐름은 반응기 용기의 놓인 상태에 따라 아래쪽을 향하거나 위쪽을 향하거나 또는 수평 할 수 있다.

본 발명은 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 고려되는 것과 관계되게 묘사되었으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 부가되는 청구항의 범위 및 사상을 포함하는 다양한 변형예 및 동등한 결합을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.

Claims

공급원료(feed stock)을 받아 상기 공급원료가 가수분해되는 제 1 가압반응기;
상기 제 1 가압반응기의 공급원료 방출포트로 제 1 가압 커플링, 및 제 2 가압반응기로 제 2 가압 커플링을 포함하는 씰링(sealing)장치;
제 1 가압반응기 및 씰링장치 중 적어도 하나의 공급원료로부터 추출되는 용해된 반-셀룰로오스 물질(hemi-cellulosic material)을 포함하는 액체를 위한 배수구;
제 1 가압반응기의 압력보다 실질적으로 큰 압력에서 상기 씰링장치로부터 가압 공급원료를 받는 제 2 가압반응기 어셈블리; 및
상기 제 2 가압반응기 어셈블리의 하류에 위치하여, 상기 제 2 가압반응기로부터 방출된 공급원료의 압력을 급속히 낮추어 상기 공급원료가 증기폭발 반응을 갖도록 하는 팽창(expansion)장치;
를 포함하고, 상기 제 1 반응기 및 제 2 반응기 각각이 직접적인 스팀 가열을 받는 증기상(steam phase)및 공급원료를 반응(reacting)시키거나 가열하기 위한 액상(liquid phase)을 포함하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료(cellulosic biomass feed stock)의 전처리를 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제 1 가압반응기는 상기 공급원료를 받는 하부영역 및 상기 공급원료 방출포트를 구비하는 상부영역을 포함하고, 상기 배수구는 상기 하부영역에서 상기 제 1 가압반응기로부터 용해된 반-셀룰로오스 물질을 방출하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제 1 가압반응기는 경사지게 형성되어 상기 공급원료 방출포트는 상기 반응기의 하단부에 위치하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 용해된 반-셀룰로오스 물질을 위한 배수구는 리덕션 밸브(reduction valve)를 통과하여 탱크까지 형성되는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
제1항에 있어서,
약산(mild acid), 황산가스(SO2), 산소, 압축공기, 암모니아, 증기, 물, 또는 다른 촉진제 중 적어도 하나의 소스를 더 포함하고,
상기 소스는 상기 제 1 가압반응기 또는 제 2 가압반응기 중 적어도 하나의 입구와 연결되는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 씰링장치는 가압 스크류 피더(pressurized screw feeder)인 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제 2 가압반응기 어셈블리로부터 공급원료를 받고 상기 공급원료를 상기 팽창 장치로 제공하는 반응기 방출 장치를 더 포함하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제 2 가압반응기 어셈블리는 제 2 가압반응기 및 상기 제 2 가압반응기의 가압 공급원료 방출 포트와 연결된 반응기 방출 장치를 포함하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
공급원료를 받아 상기 공급원료가 1.5bar 게이지(gauge) 내지 6bar 게이지 범위의 압력게이지 및 적어도 섭씨 110도의 온도에서 가수분해되는 제 1 가압반응기;
상기 제 1 가압반응기의 공급원료 방출포트로 제 1 가압 커플링, 및 제 2 가압반응기로 제 2 가압커플링을 포함하는 씰링 및 추출장치(sealing and extraction device);
상기 제 1 가압반응기 및 씰링추출장치 중 적어도 하나의 공급원료에 세정액을 제공하는 세정 스테이지(wash stage);
상기 제 1 가압반응기와 상기 씰링 및 추출장치 중 적어도 하나의 공급원료로부터 추출되는 용해된 반-셀룰로오스 물질을 포함하는 액체를 배수하는 배수구;
상기 씰링 및 추출장치로부터의 가압 공급원료를 받고 증기 또는 수증기를 상기 제 2 가압반응기의 공급원료에 주입하여(infusing), 상기 공급원료에 8bar 게이지 내지 25.5bar 게이지 범위의 압력게이지를 적용하고 방출관과 연결된 가압방출(pressurized discharge)을 포함하는 제 2 가압반응기 어셈블리; 그리고
상기 제 2 가압반응기 어셈블리의 하류에 위치하여, 상기 제 2 가압반응기로부터 방출된 공급원료의 압력을 급속히 낮추어 상기 공급원료가 증기폭발 반응을 갖도록 하는 팽창장치;
를 포함하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
제9항에 있어서,
가압 씰링장치는 가압 씰링 및 추출장치이고 상기 가압 씰링 및 추출장치로부터의 용해된 반 셀룰로오스 물질을 위한 액체 배수구를 포함하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제 2 가압반응기 어셈블리는 제 2 가압반응기 및 상기 제 2 가압반응기의 가압 공급원료 방출 포트와 연결된 반응기 방출 장치를 포함하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
제11항에 있어서,
상기 반응기 방출 장치는 적어도 하나의 디스크 밀 리파이너(disc mill refiner), 중간밀도 섬유 보드 디스크 리파이너(medium density fiber board (MDF) disc refiner), 디스크 고압 압축기(disc high pressure compressor) 또는 방출 플러그 피더(discharge plug feeder)중 적어도 어느 하나를 포함하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
제9항에 있어서,
상기 팽창 장치는 공급원료의 압력을 적어도 10bar 로 감소시키는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제 1 가압반응기는 경사지도록 형성되어 상기 제 1 가압반응기의 하단부가 상기 공급원료 방출 포트를 구비한 제 1 가압의 끝단의 반대편에 위치하고, 상기 제 1 가압의 하단부의 배수구는 상기 제 1 가압반응기로부터 상기 용해된 반-셀룰로오스 물질을 배출하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
제9항에 있어서,
약산, 황산가스(SO2), 산소, 압축공기, 암모니아, 그리고 촉진제, 증기, 물 중 적어도 하나의 소스를 더 포함하고, 그리고 상기 소스는 상기 제 1 가압반응기 및 제 2 가압반응기 중 적어도 하나의 입구와 연결되는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제 2 가압반응기 어셈블리는 제 2 가압반응기 및 상기 제 2 가압반응기의 가압 공급원료 방출 포트와 연결되는 반응기 방출 장치를 포함하는 셀룰로오스 바이오매스 공급원료의 전처리를 위한 시스템.
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