KR20100094494A

KR20100094494A - 바이오매스 전처리 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20100094494A
Application number: KR1020107012082A
Authority: KR
Inventors: 마크 티. 홀츠애플; 시저 비. 그랜다
Original assignee: 더 텍사스 에이 앤드 엠 유니버시티 시스템
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-08-26
Also published as: MX2010004664A; CA2704471A1; WO2009059149A1; JP2011502753A; CN101909713B; US20090114591A1; BRPI0818867A2; US8137955B2; EP2219754A1; AU2008318478A1; CA2704471C; CN101909713A

Abstract

일 구현예에서, 바이오매스의 열처리 방법은, 바이오매스에 대해 전처리 반응기에서 전처리 반응 공정을 수행하는 단계를 포함한다. 상기 전처리 반응 공정에 의해 전처리된 바이오매스와 가용성 성분이 생성된다. 제1 온도의 제1 액체가 상기 전처리 반응기로 이송되고, 상기 전처리된 바이오매스가 제1 온도를 제2 온도로 높인다. 가용성 성분들 중 일부분은 상기 제1 액체 중에 포획되며, 상기 제1 액체 중의 가용성 성분들 중 일부와 상기 제1 액체는 상기 전처리 반응기에서 제거된다. 제3 온도의 제2 액체가 상기 전처리 반응기에 이송되고, 상기 전처리된 바이오매스가 제3 온도를 제2 온도 보다 낮은 제4 온도로 높인다.

Description

바이오매스 전처리 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PRETREATING BIOMASS}

본 발명은 일반적으로 바이오매스 가공, 보다 상세하게는 바이오매스전처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 출원은 35 U.S.C §119(e)에 따라, 2007년 11월2일에 출원된 미국 가출원 60/985,059호의 바이오매스 전처리 시스템에 대한 우선권을 주장한다.

바이오매스를 처리하기 위한 다양한 기법들이 있다. 이러한 바이오매스는 "처리"하기 전에, 대게, 처리 시의 바이오매스의 생물소화성을 증진시키기 위해 "전처리"된다. 바이오매스 전처리 공정은 액체 존재 하에 고온 및 고압의 반응기내에서 이루어질 수 있다. 종종 산, 알카리 및 산화제와 같은 특정 물질을 사용하여 이러한 처리를 강화한다. 전처리 방법의 예로는, 염기 촉매화 방법(암모니아, 알카리-과초산, 알카리 과산화수소, 알카리 용매, 석회, 산소압 하의 석회, 소듐 하이드록사이드), 무촉매 방법(자가가수분해, 열수, 열수-pH 중성, 증기), 산 촉매화 방법(황산, 염산, 과초산, 인산, 이산화황을 이용한 농축 산 또는 희석 산), 용매를 이용한 방법(유기용매, 그외 용매), 및 화학적 방법(과산화수소, 습성 산화)이 있으나, 이러한 방법으로 한정되는 것은 아니다.

발명의 개요

일 구현예에서, 바이오매스의 열 처리 방법은 전처리 반응기에서 바이오매스를 전처리 반응 공정으로 처리하는 단계를 포함한다. 전처리 반응으로 가용성 성분과 전처리된 바이오매스가 수득된다. 제1 온도의 제1 액체를 전처리 반응기로 옮기고, 전처리된 바이오매스가 온도를 제1 온도에서 제2 온도로 높인다. 제1 액체에는 적어도 가용성 성분 일부가 포획되며, 제1 액체내의 가용성 성분의 일부와 제1 액체를 전처리 반응기에서 제거한다. 제3 온도의 제2 액체를 전처리 반응기로 이동시키고, 전처리된 바이오매스가 온도를 제3 온도에서 제4 온도로 높이는데, 이때 제4 온도는 제2 온도 보다 낮다.

본 발명의 특정 구현예는 수많은 기술적인 이점을 제공할 수 있다. 예컨대, 일 구현예의 기술적 이점은 효율적으로 열을 회수하면서 바이오매스를 반응서서히 냉각 및 가열시킬 수 있다는 점을 들 수 있다. 다른 구현예에서의 다른 기술적 이점은 반응기에서 전처리하는 동안에 생성되는 가용성 물질 종의 추출 및 제거를 동시에 수행할 수 있다는 점을 들 수 있다. 다른 구현예에서의 또다른 기술적인 이점은 열과 가용성 물질 종 둘다를 회수하기 위해 "교환 추출(displacement extraction)"이라고 하는 기술을 적용할 수 있는 점을 들 수 있는데, 이 기술에 의하면, 바이오매스에 존재하는 액체가 혼합없이 유입 액체로 대체됨으로써, 보다 효율적인 추출과 열 회수가 가능하다. 다른 구현예에서의 또다른 기술적인 이점은 액체의 정수두(hydrostatic head)를 이용하여, 항상 바이오매스 입자 사이의 빈 공간이 액체로 채워져 있게 함으로써 공기를 배제켜 액체를 단순 배출시키는 경우에 비해 여과율(percolation rate)을 훨씬 높일 수 있다는 점을 들 수 있다. 다른 구현예에서의 또다른 기술적인 이점은, 효율적인 물질 전달(mass transfer) 기법을 이용하여 전처리한 바이오매스로부터 열과 가용성 물질 종을 효율적으로 회수할 수 있다는 점을 들 수 있다. 다른 구현예에서의 또다른 기술적인 이점은, 추출용 스크류 프레스 또는 롤러 밀 등의 값비싼 탈수 장치를 사용하지 않아도 된다는 점을 들 수 있다. 다른 구현예에서의 또다른 기술적인 이점은 값비싼 열 교환기를 사용하지 않아도 된다는 점을 들 수 있다. 다른 구현예에서의 또다른 기술적인 이점은 펌프를 이용하여 작동가능하며 밸브의 개폐의 조작이 가능한, 열 및 가용성 물질 종의 단순한 회수 시스템을 제공할 수 있다는 점을 들 수 있다. 다른 구현예에서의 또다른 기술적인 이점은 여러가지 수많은 전처리 기법에 유연하게 적용할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다는 점을 들 수 있다.

구체적인 이점들을 기술하였지만, 다양한 구현예들은 기술된 이점들 모두 또는 일부를 포함하거나, 전혀 포함하지 않을 수도 있다. 또한, 기타 기술적인 이점들은 당해 분야의 당업자들이 첨부 도면과 상세한 설명을 검토한 후에 쉽게 인지할 수 있을 것이다.

본 발명의 구현예에 대한 보다 충분한 이해는 상세한 설명과 첨부된 도면에 의해 명확해질 것이다.
도 1A 내지 1H는 바이오매스가 열 사이클을 이행할 수 있는 바이오매스의 전처리 시스템의 일 구현예를 나타낸다.
도 2A 내지 2H는 바이오매스가 냉각 사이클을 이행할 수 있는 도 1A 내지 1H의 바이오매스 전처리 시스템을 나타낸다.
도 3은 도 1A 내지 1H의 바이오매스 전처리 시스템의 각 탱크에 대한 퍼징(purging) 공정을 나타낸 일 구현예이다.
도 4는 복수의 전처리 반응기가 제공되는 바이오매스 전처리 시스템의 다른 구현예를 나타내는 다이아그램이다.
도 5는 복수의 전처리 반응기가 원형 배열로 제공되는 바이오매스 전처리 시스템의 다른 구현예를 나타내는 다이아그램이다.
도 6은 도 4 또는 5의 구현예를 이용하여 제공되는 전처리 공정의 일 구현예를 나타내는 시간 차트이다.

본 발명의 구현예들에 대한 수행 예가 아래에 예시되어 있지만, 본 발명은 현재 공지되어 있거나 공지되지 않은 임의의 수많은 기법을 이용하여 수행할 수 있음을 인지하여야 한다. 본 발명은 아래 예시된 수행 예, 도면 및 기법들로 제한되는 것은 아니다. 또한, 도면은 실제 크기로 도시된 것은 아니다.

실제, 열 교환기에서 2종의 액체 간에 최적의 열 회수가 이루어진다. 액체에서는 난류(turbulence)가 쉽게 일어날 수 있기 때문에, 열 전달이 비교적 효율적이다. 기체를 처리하는 경우에는, 핀(fin)과 같은 열 전달 보조체가 필요할 수도 있지만, 열 교환기를 이용한 열 회수 역시 실현가능하다. 반면에, 어느 정도의 유동성을 가지며, 특정 조건 하에서 충분한 난류 혼합을 이룰 수 있는, 분말과 같은 특수 경우를 제외하고는, 고체에서의 열 교환은 어렵다. 그러나, 어떤 고체는 소량의 적은 액체로도 쉽게 슬러리화되어, 유동성이 증가되고, 따라서 열 전달이 열 교환기에서 이루어질 수 있다. 그러나, 섬유질 바이오매스와 같은 그외 고체의 경우, 부피 때문에 단가가 비싸고 불편한 슬러리화 액체가 다량 필요하다(고체의 양에 >25배). 이러한 고체의 경우, 열 전달을 달성하기 위한 최선책은 고체와 열 전달 유체의 직접적인 긴밀 접촉(intimate contact)을 허용하는 방법이다. 예를 들어, 기화 기법에서, 유동층과 동반 가스화기(entrained gasifier)가 유체(즉, 공기)와 섬유질 바이오매스가 직접 접촉되게 하여, 효율적인 열 전달이 이루어지게 한다.

뜨거운 액체(즉, 물)를 사용할 수 있는 바이오매스 전처리 기법에서, 이 액체는 바람직한 열 전달 유체이다. 어떤 열 전달은, 전처리한 후 반응기내 액체를 비운 다음 이 액체를 다음 차례의 전처리 사이클에서 재사용하는 방법으로 시도해 볼 수 있다. 그러나, 바이오매스와 동반수(entrained water)에 존재하는 열은 효율적으로 회수할 수 없다. 또한, 전처리 동안에 분리되는 가용성 물질 종도 효율적으로 제거할 수 없다. 따라서, 특정 구현예에서는, 축 혼합(axial mixng)이 이루어지더라도 아주 적게 일어나는 교환 추출법을 이용함으로써, 액체의 온도 또는 가용성 물질 종의 농도를 낮추지 않으면서도, 바이오매스 층에 존재하는 액체의 회수가 가능하다. 또한, 특정 구현예에서는, 여러 단계를 통해 열과 가용성 산물 모두 거의 완벽하게 회수할 수 있음을 기술하고 있다.

교환 추출은 현저한 혼합없이 서로 다른 액체들을 서로 치환할 수 있는 공정이다. 교환 추출 공정에서는, 미국 특허 5,772,775에 기술된 바와 같이, 예컨대 사탕수수로부터 당(sugar)을 추출하기 위해, Meichage 효과를 이용할 수 있다. 미국 특허 5,772,775에서는, Meichage 효과를 이용하여, 분쇄한 사탕수수 층을 유입구로부터 수평 견인 컨베이어 시스템의 유출구로 이동시키는 것이 기술되어 있다. 각 개별 단계의 액체를 펌프로 퍼올려 상기 층을 잠기게 하고 존재하는 공기를 몰아낸다(즉, Meichage 작용). 그런 후, 다른 단계의 액체를 사용하여 상기 층에 존재하는 액체를 교체한다. 이러한 과정은 비교적 효율적이며, 기존의 당 추출 보급기에서 사용되는 17 내지 19 단계와 비교하여 3단계로만으로도 사탕수수로부터의 당 추출성이 상대적으로 양호한 것으로 확인되었다.

생체소화성을 증대시키기 위한 바이오매스의 전처리는 대게 산, 알카리, 산화제 등의 특정 물질을 포함할 수 있는 액체(예, 물)의 존재 하에 고온 및 고압의 반응기내에서 이루어진다. 효율적인 열 회수와, 수차례의, 전처리 과정에서 생성되는 가용성 물질 종의 추출이 바람직할 수 있다. 따라서, 특정 구현예는 바이오매스 전처리물로부터 열과 가용성 물질 종을 회수하기 위해, 공기 축출(즉, Meichage 효과)에 의해 보조되는, 교환 추출을 사용하는 방법을 개시한다.

비제한적인 구현예로서, 각각의 탱크가 하나의 단계를 나타내는, 탱크 시리즈를 사용하여 전처리 반응기 내부의 바이오매스 층을 서서히 가열하거나 서서히 냉각시킬 수 있다. 각 탱크/단계에 존재하는 액체가 전처리 반응기로 이송될 때마다, 전처리 반응기내 액체는 배출되어 다음 차례의 탱크/단계로 이송될 수 있다. 교환되는 액체는, 이상적으로는 축 혼합이 이루어지지 않는, 크로마토그래피 컬럼에서 일어나는 현상과 비슷한 전진 프론트(advancing front)로서 층을 통과하여 흐를 수 있다. 이러한 방식에서, 탱크에서 나온 액체는 보통 바이오매스 층 내부에 존재하는 액체를 교환할 수 있으며 배출되는 액체는 그 온도와 가용성 물질 종의 농도를 유지할 수 있다. 신선한 바이오매스에 천연 가용성 물질들(예, 당, 단백질)이 포함되어 있다면, 특정 구현예의 경우, 가열 사이클 이전에 이들 천연 가용물을 추출하는 것이 바람직할 수 있다. 농작물로부터 천연 가용물을 추출하는 기존의 방법(예, 제분, 확산) 외에도, 전처리 과정에서 생겨나는 열과 가용성 물질 종의 회수에 대해 제안된 구현예에서와 동일한 양상으로 배열된 독립적인 탱크 세트도 사용할 수 있다.

특정 구현예에서, 탱크/단계의 수는 열 및 가용성 물질 종을 적절히 비용면에서 효율적으로 회수하는데 필요한 임의의 수일 수 있다. 특정 구현예에서는, 온도 차이로 인해, 축 혼합을 야기하는 바람직하지 않은 액체 부력을 피하기 위해, 밀도가 높은 액체를 반응기의 하부에 위치시키는 방식으로 액체를 이동시키는 것이 유익할 수 있다. 즉, 탱크내 액체가 반응기내 액체 보다 밀도가 높으면, 이는 반응기의 하부를 통해 주입시킬 수 있다. 반대로, 탱크내 액체가 반응기내 액체보다 밀도가 낮으면, 이 액체는 반응기의 상부를 통해 주입시킬 수 있다.

도 1A 내지 1H는 바이오매스 전처리 시스템(10)의 일 구현예이다. 바이오매스 전처리 시스템(10)은 통상적으로 각각 바이오매스와 물 등의 액체를 다양한 온도로 유지하도록 되어 있는 다수의 탱크(14)를 포함할 수 있는 전처리 반응기(12)를 포함한다. 하기에서 상세하게 기술되는 바와 같이, 탱크(14)는, 바이오매스의 온도가 비교적 양호한 효율로 승온 및 냉각될 수 있도록, 대안적으로, 복수의 탱크(14) 각각으로부터 전처리 반응기(12)로 액체를 펌핑하도록 조작가능한 펌프를 통해, 전처리 반응기(12)와 연결되어 있다.

도 1A 내지 1H는 각각 전처리 반응기(12)에 들어 있는 바이오매스에 대해 실시될 수 있는 바이오매스 전처리 공정을 나타내고 있다. 도 1A에서, 바이오매스는 전처리 반응기(12)에 주입될 수 있으며, 각 탱크(14)내 각 액체가 여러가지 온도로 승온될 수 있다. 도 1A 내지 1H는 통상적으로, 바이오매스의 온도를 상승된 온도로 서서히 승온시킬 수 있는, 가열 사이클을 나타낸다. 탱크와 반응기의 구체적인 온도와 수가 나타나 있지만, 다른 구현예에서는 탱크 및/또는 반응기의 온도와 수를 다르게 사용할 수 있다.

도 1B에서, 탱크 14a의 액체는 반응기로 이송되어, 바이오매스 층을 채우며, 공기를 축출하는데, 이러한 과정을 Meichage 효과라고 한다. 탱크 14a의 액체는 40℃로 유지된다. 반응기내 바이오매스가 더 차갑기 때문에, 온도를 약 30℃로 떨어뜨릴 수 있다.

도 1C에서, 30℃인 동반 액체는 60℃일 수 있는 탱크 14b의 액체로 교환된다. 30℃의 배출되는 액체는 탱크 14a로 향하지만, 반응기내의 바이오매스 층과 액체는 대략 50℃로 중간 평형 온도를 이룬다.

도 1D에서, 50℃의 반응기내 액체는 80℃일 수 있는 탱크 14c의 액체로 교환된다. 50℃의 액체는 그 온도를 유지하며, 탱크 14b로 이송된다. 그래서, 바이오매스 층은 대략 70℃로 중간 평형 온도를 이루게 된다.

도 1E에서, 70℃의 반응기내 액체는 100℃일 수 있는 탱크 14d의 액체로 교환된다. 70℃의 액체는 그 온도를 유지하며, 탱크 14c로 이송된다. 그래서, 바이오매스 층은 대략 90℃로 중간 평형 온도를 이루게 된다.

도 1F에서, 90℃의 반응기내 액체는 120℃일 수 있는 탱크 14e의 액체로 교환된다. 90℃의 액체는 그 온도를 유지하며, 탱크 14d로 이송된다. 그래서, 바이오매스 층은 대략 110℃로 중간 평형 온도를 이루게 된다.

도 1G에서, 110℃의 반응기내 액체는 140℃일 수 있는 탱크 14f의 액체로 교환된다. 110℃의 액체는 그 온도를 유지하며, 탱크 14e로 이송된다. 그래서, 바이오매스 층은 대략 130℃로 중간 평형 온도를 이루게 된다.

도 1H에서, 전처리제를 전처리 반응기(12)에 주입하여 반응기를 바람직한 반응 온도로 만들 수 있다. 상기 전처리제(들)는, 이를 액체에 희석시킴으로써 방출될 수 있는 임의의 열을 사용하기 전에 첨가하는 것이 대게는 바람직하지만, 바람직한 온도로 최종 가열하기 전 또는 후에 첨가할 수도 있다.

일 구현예에서, 전술한 전처리 공정은 매질로서 물을 사용할 수 있으며 약 6시간 동안 이루어질 수 있다. 이러한 구체적인 구현예에서, 물은 160℃로 유지되므로, 전체 시스템을 이러한 비교적 높은 온도에서 전처리되도록 할 수 있다. 일 구현예에서, 증기를 반응기에 주입하여 원하는 온도로 승온시킬 수 있지만, 그외 다른 적절한 가열 메카니즘도 적용할 수 있다.

다른 구현예에서, 모든 단계에서의 교환 추출 사이클은 가열 및 냉각을 완료하기까지 약 30분이 걸릴 수 있다. 이 시간은 가열하기 전에 바이오매스를 주입하는 것과 냉각시킨 후 바이오매스를 빼는 것을 포함한다. 바이오매스를 주입한 후, 전처리제(들)(만약), 예컨대 산, 알카리, 산화제는 열 회수 전 또는 후에 첨가할 수 있다. 희석시 발열되는 물질(예, 생석회, 황산)을 사용하는 등의, 일부 경우에서는, 열을 회수한 후에 첨가하는 것이 편리할 수 있다. 이러한 방법은 증기 또는 그외 가열 매질로부터 열 부하(heating duty) 요구량을 낮출 수 있을 것이다. 전처리 반응 동안에 반응기에서 적절하게(예, 텀블링, 바이오매스 층을 통과한 액체의 재순환, 오거링(augering)) 혼합을 수행할 수 있다. 탱크/단계의 수는 도 1A - 1H에 나타낸 구현예에서는 6개이지만, 그 이상 또는 이하의 숫자의 탱크/단계를 사용할 수 있다.

도 2A 내지 2H는, 도 1A 내지 1H의 가열 사이클에 따라 가열한 전처리 반응기(12)내 바이오매스의 온도를 서서히 냉각시킬 수 있는, 냉각 사이클의 일예를 나타낸 바이오매스 전처리 시스템(10)을 나타낸다.

도 2A에서, 전처리 반응기(12)내 바이오매스는 약 160℃의 승온된 온도이다. 전처리 반응기(12)가 바람직한 온도가 되고 적합한 전처리제를 주입한 후, 바람직한 시간 동안 반응이 이루어진다. 전처리하는 동안에, 반응기내 온도는 전처리 반응의 열 특성에 따라 증기나 그외 적합한 가열 물질을 제공함으로써, 또는 냉각수에 의해 조절할 수 있다. 바람직한 반응 시간이 경과한 후, 전처리를 중지시키고, 냉각 사이클을 수행한다.

도 2B에서, 반응기내의 160℃ 액체는 110℃일 수 있는 탱크 14e의 액체로 교환된다. 160℃의 액체는 그 온도를 유지하며, 탱크 14f로 이송된다. 그래서, 바이오매스 층은 대략 120℃로 중간 평형 온도를 이루게 된다.

도 2C에서, 120℃의 전처리 반응기(12)내 액체는 90℃의 탱크 14d의 액체로 교환된다. 120℃의 액체는 그 온도를 유지하며, 탱크 14e로 이송된다. 그래서, 바이오매스 층은 대략 100℃로 중간 평형 온도를 이루게 된다. 일 구현예에서, 탱크 14f내 약 160℃의 액체는 전처리 공정으로부터 추출되는 가용성 물질 종을 비교적 고농도로 함유할 수 있다. 이러한 가용성 산물의 축적을 방지하기 위해, 이 액체의 특정량을 배출시켜 적합한 하류 처리 메카니즘으로 이송시킬 수 있다. 배출되는 액체를 신선한 액체로 교체할 수 있는데, 이 신선한 액체는 주위 온도일 수 있거나, 또는 생물전환 공정에서 다른 유닛을 이용한 열 통합(heat integration)으로부터 생성되는 뜨거운 신선한 액체일 수 있다. 본 구현예에서, 탱크 14f는 도 2C에서 배출되는 것으로 나타나 있지만, 다른 구현예에서는, 도 2B에서 액체가 탱크 14f로 수송되는 대신 전처리 반응기(12)에서 직접 배출이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 2A에서, (처리 후) 반응기(12)에서 유체가 배출될 수 있으며, 나머지 도 2B-2H의 단계들이 수행될 수 있다.

도 2D에서, 100℃의 반응기내 액체는 70℃일 수 있는 탱크 14c의 액체로 교환된다. 100℃의 액체는 그 온도를 유지하며, 탱크 14d로 이송된다. 그래서, 바이오매스 층은 대략 80℃로 중간 평형 온도를 이루게 된다.

도 2E에서, 80℃의 반응기내 액체는 50℃일 수 있는 탱크 14b의 액체로 교환된다. 80℃의 액체는 그 온도를 유지하며, 탱크 14c로 이송된다. 그래서, 바이오매스 층은 대략 60℃로 중간 평형 온도를 이루게 된다.

도 2F에서, 60℃의 반응기내 액체는 30℃일 수 있는 탱크 14a의 액체로 교환된다. 60℃의 액체는 그 온도를 유지하며, 탱크 14b로 이송된다. 그래서, 바이오매스 층은 대략 40℃로 중간 평형 온도를 이루게 된다.

도 2G에서, 전처리 반응기(12)내 40℃의 액체는 약 30℃의 신선한 물 유입구(16)를 통해 들어오는 신선한 물로 교환된다. 40℃의 액체는 그 온도를 유지하며, 탱크 14a로 이송된다. 그래서, 바이오매스 층은 대략 30℃로 중간 평형 온도를 이루게 된다. 이 액체는 다른 단계의 가열 사이클에 사용될 탱크 14a로 이송된다. 일 구현예에서, 전처리 반응기(12)내 바이오매스는 프레쉬 액체로 포화되어, 전처리된 바이오매스가 슬러리로서 시스템에서 하류 생물변환으로 이송된다. 다른 구현예에서, 전처리된 바이오매스는 하류 생물변환이 필수이진 않은 가용성 물질 종이 없을 수 있다. 이러한 구현예에서, 예컨대 도 2B -2F에 기술된 바와 같은 각각의 교환을 통해, 바로 전 단계에서 선행된 교환에서 잔류하는 가용성 물질 종을 입수할 수 있다. 또한, 이러한 구현예에서, 각각의 교환에서 챔버에서 배출되는 유체는 이전 교환에서 챔버에서 배출되는 유체 보다 가용성 물질 종의 양이 더 적다.

도 2H에서, 바이오매스와 임의의 동반 액체는 전처리 반응기(12)에서 뺄 수 있다.

도 3은 탱크 14f에서 액체를 치환하는 과정을 나타낸 일 구현예이다. 특별한 퍼징 과정을 도 2C에 나타낸 퍼징 공정 대신 사용할 수 있다. 농축된 액체를 퍼징한 후, 일부 액체는 탱크 14a에서 탱크 14f로 순차적으로 이동시킬 수 있다. 마지막으로, 프레쉬 액체를 탱크 14a로 시스템에 넣는다. 도 2에 기술된 구현예에서, 탱크 14F에서의 액체 퍼징과 치환으로 온도가 160℃에서 140℃로 내려갈 것으로 추측된다. 이때, 탱크들(14) 모두의 온도는 도 1에 나타낸 오리지날 온도로 재설정되며, 새로운 가열 사이클 개시를 준비한다.

도 4는 복수의 전처리 반응기(12)가 탱크 14에 구비될 수 있는 바이오매스 전처리 시스템(20)의 다른 구현예를 나타낸다. 이러한 특정 구현예에서, 7개의 전처리 반응기(12)가 도시되어 있지만, 전처리 반응기(12)는 어떠한 갯수로도 이용할 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 본 구현예에서, 2개의 펌프(22)를 사용하여 열과 가용성 물질 종을 회수한다. 2개의 펌프(22)로부터 액체의 이동은 각각의 탱크(14)의 유입구 및 유출구 상에 배치되어 있는 밸브(24)에 이루어진다.

도 5는 탱크(14)와 전처리 반응기(12)가 편리성과 밀집성(compactness)을 위해 원형 배열로 배치되어 있는 것을 제외하고는, 실시예 4의 구현예와 비슷한, 다른 바이오매스 전처리 시스템 구현예를 나타낸다.

도 6은 2개의 펌프(22)가 도 4 및/또는 5의 7개의 전처리 반응기(12) 각각에 사용되는 방법을 나타낸, 시간 차트이다. 전처리에 6시간이 소요되고 가열 및 냉각 사이클이 각각 30분 걸리는 일 구현예에서, 바이오매스 전처리 시스템(20 및 30)은 24시간 운영 스케줄로 실행할 수 있다. 이러한 스케줄은 상대적으로 우수한 운영 레이아웃으로서 달성할 수 있음을 나타내는 일 예이다. 보통, 하나의 전처리 반응기(12) 하나에서 적재, 가열, 냉각 및 하역이 이루어지고, 다른 전처리 반응기(12)들은 전처리에만 사용되기 때문에, 장치들이 비교적 높은 처리 사이클(high duty cycle)로 운영되는 방식으로, 운영이 배열되어 있음을 알 수 있다.

잠재적으로 이러한 시스템을 채택할 수 있는 바이오매스 전처리 방법으로는 염기 촉매화 방법(암모니아, 알카리-과초산, 알카리 과산화수소, 알카리 용매, 석회, 산소압 하의 석회, 소듐 하이드록사이드), 무촉매 방법(자가가수분해, 열수, 열수-pH 중성, 증기), 산 촉매화 방법(황산, 염산, 과초산, 인산, 이산화황을 이용한 농축 또는 희석 산), 용매를 이용한 방법(유기용매, 그외 용매), 및 화학적 방법(과산화수소, 습성 산화)이 있으나, 이러한 방법으로 한정되는 것은 아니다. 이러한 공정들은 전처리가 이루어지는 하나 이상의 전처리 반응기(12)에서 액체를 교환하기 위한 추출 교환을 사용한다. 2가지의 목적을 실현할 수 있다: (1) 전처리 중에 생성되는 수용성 물질이 추출되고, (2) 열이 회수된다. 전처리 반응기(12)는, 각각 1회의 추출 또는 회수 단계에 해당되며, 전처리 반응기(12)를 통과하여 이송되는 액체로 채우진 다음 액체가 배출되어 항시 그곳에 존재하는 액체로 교환되는, 탱크(14) 시리즈를 수반한다. 이는, 반응기에서의 바이오매스의 점차적이고 보다 효율적인 냉각 및 가열이 가능할 것이다.

본 발명은 여러가지 구현예를 들어 설명되어 있지만, 당해 분야의 당업자라면 다수의 변형, 변이, 대체, 변환 및 수정을 제안할 수 있으며, 본 발명은 첨부된 청구항의 범위내에서 이러한 변형, 변이, 대체, 변환 및 수정을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims

바이오매스의 열처리 방법으로서,
제1 온도의 제1 액체를 바이오매스를 포함하는 전처리 반응기에 이송하여, 상기 제1 액체가 바이오매스의 온도를 제2 온도로 높이는 단계;
상기 전처리 반응기에서 상기 제1 액체를 제거하는 단계;
제3 온도의 제2 액체를 상기 전처리 반응기에 이송하여, 상기 제2 액체가 상기 바이오매스의 온도를 상기 제2 온도 보다 높은 제4 온도로 높이는 단계;
상기 전처리 반응기내 바이오매스에 대해 상기 제4 온도 이상의 온도에서 전처리 반응 공정을 수행하여 전처리된 바이오매스를 수득하는 단계;
상기 전처리 반응 공정 이후에 상기 전처리 반응기에 제3 액체를 이송하여, 상기 전처리된 바이오매스가 상기 제3 액체의 온도를 제5 온도로 높이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 액체가 상기 제3 액체이고,
상기 바이오매스를 포함하는 전처리 반응기로부터 제거되는 상기 제1 액체의 온도는 상기 제1 온도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제3 액체가 제2 바이오매스가 들어 있는 제2 전처리 반응기로부터 제거되며.
상기 제3 액체가 상기 제2 바이오매스의 온도를 제2 온도로 높이는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 전처리 반응기에서 상기 제2 액체를 제거하는 단계.
상기 전처리 반응기에 제4 액체를 이송하여, 상기 제4 액체가 상기 바이오매스의 온도를 상기 제4 온도 보다 높은 제6 온도로 승온시키고, 상기 바이오매스는 제6 온도 보다 높은 온도에서 반응이 진행되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제4항에 있어서, 상기 전처리 반응 공정 후에 제5 액체를 상기 전처리 반응기에 이송하여, 상기 전처리된 바이오매스가 상기 제2 액체의 온도를 상기 제3 액체의 제5 온도 보다 높은 제7 온도로 높이는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 전처리 반응기에서의 제1 액체의 제거는 상기 제2 액체가 상기 전처리 반응기로 이송되어 상기 제1 액체를 교체하는 교환 추출 공정에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 전처리 반응 공정 중에 상기 전처리 반응기내에서 가용성 성분을 생성하는 단계; 및
상기 제1 액체가 상기 전처리된 바이오매스가 들어 있는 전처리 반응기로 반송되었을 때 상기 제1 액체 중에 일정 부분 이상의 상기 가용성 성분을 포획하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 제1 액체 중에 일정 부분 이상의 상기 가용성 성분과 상기 제1 액체를 상기 전처리 반응기에서 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
바이오매스의 열처리 방법으로서,
바이오매스에 대해 전처리 반응기내에서 전처리 반응을 수행하여, 전처리된 바이오매스와 가용성 성분을 생성하는 단계;
상기 전처리 반응기에 제1 온도의 제1 액체를 이송하여, 상기 전처리된 바이오매스가 온도를 상기 제1 온도에서 제2 온도로 높이는 단계;
상기 제1 액체 중에 일정 부분 이상의 가용성 성분을 포획하는 단계;
상기 제1 액체 중에 일정 부분이상의 상기 가용성 성분과 상기 제1 액체를 상기 전처리 반응기에서 제거하는 단계;
제3 온도의 제2 액체를 상기 전처리 반응기에 이송하여, 상기 전처리된 바이오매스가 상기 제3 온도에서 상기 제2 온도 보다 낮은 제4 온도로 높이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제9항에 있어서,
상기 제1 액체 중에 일정 부분이상의 상기 가용성 성분과 상기 제1 액체를 상기 전처리 반응기에서 제거한 이후, 상기 제1 액체의 온도가 제2 온도인 것을 특징으로 하는 방법.
제9항에 있어서,
상기 제2 액체중 에 일정 부분 이상의 다른 가용성 성분을 포획하는 단계;
상기 제2 액체 중에 일정 부분 이상의 다른 가용성 성분과 상기 제2 액체를 상기 전처리 반응기에서 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 제거되는 제1 액체에는 상기 제거되는 제2 액체 보다 가용성 성분이 더 높은 농도로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 전처리 반응기에서 상기 제1 액체를 제거하는 단계는 상기 제2 액체가 전처리 반응기에 이송되어 상기 제1 액체를 교체하는 교환 추출 공정에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제9항에 있어서,
상기 전처리 반응기에서 상기 전처리된 바이오매스를 인출하는 단계;
새로운 바이오매스를 상기 전처리 반응기에 주입하는 단계;
상기 제4 온도의 상기 제2 액체를 상기 전처리 반응기에 이송하여, 상기 제2 액체가 상기 바이오매스의 온도를 제5 온도로 높이는 단계;
상기 제2 온도의 제1 액체를 새로운 바이오매스가 들어 있는 상기 전처리 반응기에 이송하여, 상기 제1 액체가 새로운 바이오매스의 온도를 제5 온도 보다 높은 제6 온도로 높이는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제9항에 있어서,
상기 제4 온도의 제2 액체를 제2 바이오매스가 들어있는 제2 전처리 반응기에 이송하여, 상기 제2 액체가 상기 제2 바이오매스의 온도를 제5 온도로 높이는 단계;
상기 제2 온도의 제1 액체를 제2 바이오매스가 들어 있는 상기 제2 전처리 반응기에 이송하여, 상기 제1 액체가 상기 제2 바이오매스의 온도를 제5 온도 보다 높은 제6의 온도로 높이는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제9항에 있어서,
상기 제1 액체나 상기 전처리 반응기에서 제거되는 일정 부분 이상의 가용성 성분들로부터 가용성 성분을 퍼징(purging)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
바이오매스의 열처리 시스템으로서,
바이오매스를 수용하며, 전처리 반응 공정을 수행하여 전처리된 바이오매스를 생성할 수 있는 전처리 반응기;
상기 전처리 반응기와 유체 흐름 가능하게 연결되어 있으며, 상기 전처리 반응기로 이송되어 상기 바이오매스의 온도를 제2 온도로 높일 수 있는 제1 온도의 제1 액체를 수용하는, 제1 탱크;
상기 전처리 반응기와 유체 흐름 가능하게 연결되어 있으며, 상기 전처리 반응기로 이송되어 상기 바이오매스의 온도를 제2 온도 보다 높은 제4 온도로 높일 수 있는 제3 온도의 제2 액체를 수용하는, 제2 탱크;
상기 전처리 반응기와 유체 흐름 가능하게 연결되어 있으며, 제3 액체를 수용하는 제3 탱크를 포함하며; 상기 제3 액체는 전처리 반응 공정 후 상기 전처리 반응기로 이송되고 상기 전처리된 바이오매스가 상기 제3 액체의 온도를 제5 온도로 높이는, 바이오매스의 열처리 시스템.
제17항에 있어서,
상기 제1 액체가 상기 제3 액체이며,
상기 제1 탱크가 상기 제3 탱크인 것을 특징으로 하는 시스템.
제17항에 있어서,
상기 제3 탱크와 유체 흐름 가능하게 연결되어 있으며, 제2 바이오매스를 수용하는 제2 전처리 반응기를 더 포함하며,
상기 제3 액체가 상기 제2 바이오매스의 온도를 제2 온도로 승온시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
제17항에 있어서,
상기 전처리 반응기와 유체 흐름 가능하게 연결되어 있으며, 제4 액체를 수용하는 제4 탱크를 더 포함하며,
상기 제4 액체는 상기 전처리 반응기로 이송되어 상기 바이오매스의 온도를 상기 제4 온도 보다 높은 제6 온도로 승온시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
제20항에 있어서,
상기 전처리 반응기와 유체 흐름 가능하게 연결되어 있으며, 제5 액체를 수용하는 제5 탱크를 더 포함하며,
상기 제5 액체는 전처리 반응 공정 이후에 상기 전처리 반응조로 이송되어 상기 전처리된 바이오메스가 상기 제5 액체의 온도를 상기 제3 액체의 제5 온도 보다 높은 제7 온도로 높일 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
제17항에 있어서, 상기 제1 액체는 상기 제2 액체가 전처리 반응기로 이송되어 상기 제1 액체를 치환하는 교환 추출 공정에서 상기 전처리 반응기에서 제거될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서,
상기 전처리 반응 공정 중에 전처리 반응기에서 가용성 물질이 생성되며,
상기 제1 액테는 상기 제1 액체 중에 일정 부분 이상의 가용성 성분을 포획할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
바이오매스의 열처리 시스템으로서,
바이오매스를 수용하며 전처리 반응 공정을 수행하여 전처리된 바이오매스를 생성할 수 있는, 전처리 반응기;
상기 전처리 반응기에 유체 흐름 가능하게 연결되어 있는 복수개의 탱크로서, 상기 복수개의 탱크는 각각 액체를 수용하며, 상기 복수개의 탱크 각각에 수용되는 액체는 서로 다른 온도를 가지며, 상기 전처리 반응기에 이송되어 상기 바이오매스의 온도를 높일 수 있는 것을 특징으로 하는, 복수개의 탱크;
상기 전처리 반응기에 유체 흐름 가능하게 연결되어 있는 복수개의 제2 탱크로서, 상기 복수개의 제2 탱크는 각각 제2 액체ㄹ를 수용하며, 상기 복수개의 제2 탱크 각각에 수용되는 상기 제2 액체는 서로 다른 온도를 가지며, 전처리 반응 공정 이후에 상기 전처리 반응기로 이송되고, 전처리된 바이오매스가 상기 복수개의 제2 액체의 온도를 높일 수 있는 것을 특징으로 하는, 복수개의 제2 탱크;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제24항에 있어서, 상기 복수개의 제2 탱크들 중 일부는 상기 복수개의 탱크들 중 일부인 것을 특징으로 하는 시스템.
제24항에 있어서, 상기 복수개의 제2 탱크가 상기 복수개의 탱크인 것을 특징으로 하는 시스템.
제24항에 있어서, 상기 전처리 반응기가 복수개의 전처리 반응기인 것을 특징으로 하는 시스템.
제27항에 있어서,
상기 복수개의 제2 탱크가 상기 복수개의 탱크이고,
상기 전처리 반응기가 상기 복수개의 탱크 주위에 원주형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
바이오매스의 열처리 시스템으로서,
바이오매스를 수용하며, 전처리 반응 공정을 수행하여 전처리된 바이오매스와 가용성 성분을 생성할 수 있는 전처리 반응기;
제1 온도의 제1 액체를 수용하며, 상기 전처리 반응기와 유체 흐름 가능하게 연결되어 있는 제1 탱크로서, 상기 제1 액체가 상기 전처리 반응기로 이송되어 상기 제1 액체 중에 일정 부분 이상의 가용성 성분을 포획하고, 상기 전처리된 바이오매스는 상기 제1 온도를 제2 온도로 높일 수 있으며, 상기 일정 부분 이상의 가용성 성분은 상기 제1 액체 중에서 전처리 반응기로부터 제거될 수 있는, 제1 탱크;
제3 온도의 제2 액체를 수용하며, 상기 전처리 반응기와 유체 흐름 가능하게 연결되어 있는 제2 탱크로서, 상기 제2 용액이 상기 전처리 반응기로 이송되고 상기 전처리된 바이오매스가 상기 제3 온도를 제2 온도 보다 낮은 제4 온도로 높일 수 있는, 제2 탱크;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제29항에 있어서, 상기 제2 액체는 제2 액체 중에 또다른 일정 부분 이상의 상기 가용성 성분을 포획할 수 있으며, 상기 또다른 일정 부분 이상의 가용성 성분은 상기 제2 액체 중에 상기 전처리 반응기로부터 제거될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
제30항에 있어서, 상기 제거되는 제1 액체는 상기 제거되는 제2 액체에 비해 가용성 성분의 농도가 더 높은 것을 특징으로 하는 시스템.
제29항에 있어서, 상기 제2 액체가 상기 전처리 반응기로 이송되어 상기 제1 액체를 치환하는 교환 추출 공정에서 상기 전처리 반응기에서 상기 제1 액체가 제거될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
제29항에 있어서,
상기 전처리된 바이오매스는 상기 전처리 반응기에서 인출되고 신규 바이오매스가 상기 전처리 반응기에 주입되며,
상기 제2 액체는 상기 제2 전처리 반응기로 이송되어 상기 신규 바이오매스의 온도를 제5 온도로 높이며,
상기 제1 액체는 상기 제2 전처리 반응기로 이송되어 상기 신규 바이오매스의 온도를 제5 온도 보다 높은 제6 온도로 높이는 것을 특징으로 하는 시스템.
제29항에 있어서,
제2 바이오매스를 수용하는 제2 전처리 반응기를 더 포함하며,
상기 제2 탱크는 상기 제2 전처리 반응기와 유체 흐름 가능하게 연결되어 있으며,
상기 제2 액체는 상기 제2 전처리 반응기로 이송되어 상기 제2 바이오매스의 온도를 제5 온도로 높일 수 있으며,
상기 제1 탱크는 상기 제2 전처리 반응기와 유체 흐름 가능하게 연결되어 있으며,
상기 제1 액체는 상기 제2 전처리 반응기로 이송되어 상기 제2 바이오매스의 온도를 제5 온도 보다 높은 제6 온도로 높이는 것을 특징으로 하는 시스템.