KR20140038923A - 고체/유체 분리를 포함하는 바이오매스 처리용 고체/유체 분리 장치 및 방법 - Google Patents

고체/유체 분리를 포함하는 바이오매스 처리용 고체/유체 분리 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

고체/액체 분리 모듈, 그리고 전처리 장치 및 방법은 체류시간과 가공처리 시간을 다양하게 할 수 있는 능력을 이용하여 고온 및 고압에서의 바이오매스 전처리를 가능하게 한다.

Description

고체/유체 분리를 포함하는 바이오매스 처리용 고체/유체 분리 장치 및 방법{SOLID/FLUID SEPARATION DEVICE AND METHOD FOR THREATING BIOMASS INCLUDING SOLID/FLUID SEPARATION}
본 발명은 고체/유체 분리를 포함하는 바이오매스 처리용 고체/유체 분리 장치 및 방법, 보다 구체적으로는 생화학 전환 공정에서 리그노셀룰로오스계(목질계) 바이오매스의 전처리에 관한 것이다.
리그노셀룰로오스계 바이오매스를 화학물질로 전환시키기 위한 전처리에는 상당한 체류 시간, 높은 압력 및 높은 온도가 요구된다. 높은 수율과 높은 공정 효율을 달성하기 위한 조건에서 처리되는 바이오매스로부터 액체를 분리해야 한다. 현재, 이를 달성하기 위해서는 다수의 장비들이 필요하며, 이들 장비는 자본과 운전 비용면에서 고가이다. 그럼에도, 공정 효율은 미미하다.
리그노셀룰로오스계 바이오매스의 전처리에서 공정 효율에 있어서 주요 요소는 가수분해된 반-셀룰로오스 당, 독소, 억제제 및/또는 고체 바이오매스/셀룰로오스 부분으로부터의 기타 추출물을 세정하고 쥐어짤 수 있는(squeeze) 능력이다. 셀룰로오스 전처리에 필요한 고열 및 고압 하에서는 액체로부터 고체를 효과적으로 분리시키기가 어렵다.
고체/유체를 분리하는 동안, 고체 부분에 잔류하는 액체의 양은 인가된 분리 압력, 고체 케이크의 두께, 및 필터의 기공율에 좌우된다. 필터의 기공율은 필터 기공들의 개수와 크기에 좌우된다. 압력 감소, 케이크 두께의 증가는 물론 필터의 기공율 감소는 액체/고체 분리도를 낮추고 고체 부분의 궁극적인 건조도를 떨어 뜨리게 된다.
특정의 고체 케이크 두께 및 필터 기공율에 대해, 가능한 가장 높은 분리 압력에서 최대한도의 분리가 이루어진다. 특정의 고체 케이크 두께 및 분리 압력에 대해, 최대한도의 분리는 오로지 필터의 기공 크기에 좌우된다.
불행히도, 높은 분리 압력에는 이러한 분리 압력을 견딜 수 있는 강한 필터 매질이 요구되며, 이는 공정을 어렵게 만들고, 이에 따른 필요장비에 대한 비용이 증가한다. 높은 분리 압력이 요구될 때, 이러한 압력을 견디도록 필터 매질의 두께를 늘릴 필요가 있다. 그러나, 더 얇은 필터 매질을 가진 필터와 동일한 전체 기공율을 유지하기 위해서, 더 두꺼워진 필터 매질에는 더 큰 기공 크기가 요구된다. 이는 필터의 허용 기공 크기가 고체 부분 내 섬유 및 입자의 크기에 의해 제한받고 액체 부분의 투명도는 필터 매질의 기공 크기에 의해서만 제한받기 때문에, 보존하고자 하는 고체에 따라, 문제가 생길 수 있다. 기공이 너무 크면 현탁된 입자들의 상당량이 액체 부분 내에 모이게 되어, 액체/고체 분리 효율이 낮아진다.
시간이 지남에 따라, 필터 매질은 현탁된 고형물로 막히게 되는 경향이 있어, 특히 셀룰로오스 전처리에 요구되는 높은 압력에서 생산율을 저하시킨다. 따라서, 막힌 상태를 없애고 생산율을 복구하기 위해, 액체의 역세(backwash) 흐름이 보통 요구된다. 일단 필터가 막히면, 매질을 역세하기 위해 높은 압력이 든다. 이는 생산율을 극대화시키고 높은 셀룰로오스 전처리 공정 효율을 얻기 위해 연속적이어야 하는 공정과 함께 1000 psig를 초과하는 압력에서 동작하는 필터 매질을 이용하여 작업하는 경우에 특히 문제가 될 수 있다. 다수의 리그노셀룰로오스 바이오매스 전처리 단계들을 단일 장치 내에서 동시에 수행하는데 이용할 수 있는 것으로 알려진 장비가 전혀 없으므로 셀룰로오스 전처리를 효과적으로 수행하기 위해 요구되는 기존 장비는 복잡하기도 하고, 고가이기도 하다.
종래의 1축, 2축 또는 3축 압출기는 바이오매스를 낮은 에너지로 전처리하는데 필요한 체류 시간을 갖지 않으며, 바이오매스의 전처리용으로 유용하고 효율적인 고체/유체 분리 장치를 구비하지도 않았다. 미국특허 US 7,347,140에는 천공된 케이싱을 가진 스크류프레스가 개시되어 있다. 천공된 케이싱의 낮은 강도로 인해 상기 스크류프레스의 작동 압력이 낮다. 미국특허 5,515,776에는 배수된 액체의 흐름 방향으로 횡단면적을 증가시키는 웜 프레스 및 프레스 재킷의 배수 천공들이 개시되어 있다. 미국특허 US 7,357,074에는 원뿔형 탈수 하우징을 구비한 스크류프레스가 개시되어 있으며, 상기 하우징에는 프레스에서 압축된 고체 덩어리로부터 물을 배수시키기 위한 복수의 천공들이 형성되어 있다. 다시 한 번, 천공된 케이싱 또는 재킷이 사용되었다. 쉽게 이해할 수 있듯이, 하우징에 천공들의 개수가 많을수록, 하우징의 내압성이 낮다. 또한, 미세 고형물을 분리시키기 위해 매우 작은 개구가 요망되는 경우에는, 하우징 또는 프레스 자켓에 구멍을 뚫는 일이 만만찮은 도전과제가 된다. 따라서, 스크류프레스를 위한 개선된 탈수 모듈이 요망된다.
본 발명의 목적은 종전의 고체-액체 분리 장치 및 방법이 가진 적어도 한 단점을 제거하거나 경감시키는 데에 있다.
또 다른 목적은 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 개선된 전처리 방법 및 높은 분리 압력에서의 분리 성능이 개선된 액체/고체 분리 모듈을 제공하는 데에 있다.
고체/유체 분리를 개선하기 위해, 본 발명은 스크류프레스를 위한 고체/유체 분리 모듈을 제공하며, 상기 모듈은 스크류프레스에 의해 100 psig를 초과하는 압력까지 압축된 액체-함유 고체 질량체로부터 유체를 분리시킨다. 분리 모듈은 5% 내지 40%(전체 필터 표면에 대한 전체 기공 면적)의 기공율을 가진 필터 유닛을 포함한다. 바람직하게, 모듈은 5 내지 40%, 더 바람직하게는 11 내지 40%의 필터 기공율에서 3000 psig의 작동 압력을 견뎌 낸다. 필터 유닛은 바람직하게 0.00005 내지 0.005 in2의 기공 크기를 지닌 복수의 필터 기공을 포함한다.
바람직한 일 구현예에서, 필터 유닛은 미세 고형물의 분리를 위해 0.00005 in2의 기공 크기와, 5.7%의 기공율과, 2,500 psig의 내압성을 가진 필터 기공을 포함한다. 다른 구현예에서, 필터 유닛은 0.005 in2의 기공 크기와, 20%의 기공율과, 5,000 psig의 내압성을 가진 기공을 포함한다. 또 다른 바람직한 구현예에서, 필터 유닛은 0.0005 in2의 기공 크기와, 11.4%의 기공율을 가진 기공을 포함한다. 또 다른 바람직한 구현예에서, 필터 유닛은 0.0005 in2의 기공 크기와, 40%의 기공율을 가진 기공을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 필터 유닛은 0.00003 in2의 기공 크기를 가진 기공을 포함한다.
최대 고체/유체 분리 효율을 얻기 위해서는, 필터 기공율을 극대화시키면서 필터의 기공 크기를 최소화하고, 높은 분리 압력에서 작동시키는 것이 바람직하다. 종래 스크류프레스의 경우에는 원통형 통로를 필터 재킷으로 절단시켜야 되는 필요성 때문에 기공 크기를 최소화하는 일이 도전과제였다. 이 문제는 이제 본 발명가들에 의해 해결되었다. 본 발명의 필터 유닛에서, 필터 기공은 단순히 필터 플레이트를 관통해 슬롯을 절삭시켜 형성되며, 이는 압력 재킷에 구멍을 뚫는 것보다 훨씬 쉽게 달성될 수 있다. 또한 이러한 슬롯 사용을 기반으로, 매우 얇은 필터 플레이트와 좁은 슬롯을 사용하여 훨씬 더 작은 필터 기공을 만들 수 있다. 예를 들면, 두께가 0.005 in인 필터 플레이트를 사용하고 필터 플레이트에 0.01 in 폭의 슬롯을 절삭함으로써, 단지 0.00005 in2의 기공 크기를 얻을 수 있다. 더 얇은 필터 플레이트, 예를 들면 두께가 0.003 in인 플레이트를 사용함으로써 더욱더 작은 기공 크기를 얻을 수 있다. 또한, 높은 작동 압력에서 비교적 높은 기공율을 제공하기 위해, 액체-함유 고체의 가압 질량체의 공급원에 밀폐형 결합을 제공하기 위한 분리 모듈(가령, 스크류프레스)이 제공된다.
일 양태에 의하면, 분리 모듈은 가압가능한 수거 챔버 및 가압된 질량체를 기밀식으로 공급받는 필터 유닛을 포함한다. 필터 유닛은 미리 선택한 필터 기공 크기와 미리 정해진 기공율을 가진다. 필터 유닛은 마주보는 전면 및 배면을 가진 하나 이상의 필터 플레이트, 필터 플레이트의 전면에 연결(engage)되는 커버 플레이트, 및 필터 플레이트의 배면에 연결되는 백커(지지) 플레이트를 포함한다. 필터 플레이트, 커버 플레이트 및 백커 플레이트는 가압된 질량체를 공급받는 수거 챔버로부터 밀폐되는 관통 코어 개구의 범위를 정한다. 필터 플레이트에는, 코어 개구로부터 필터 플레이트까지 연장되며 미리 선택한 필터 기공 크기를 지닌 필터 통로를 형성하기 위해 커버 플레이트와 백커 플레이트에 의해 전면 및 배면에서 밀폐되는, 하나 이상의 관통 필터 슬롯이 형성되어 있다. 백커 플레이트에는, 배면과 함께, 수거 챔버 및 필터 통로와 유체 연통되는 배수 통로의 범위를 정하는 요홈이 형성되어 있다. 기공율을 높이기 위해, 바람직하게 필터 플레이트는 필터 유닛의 기공율을 증가시키기 위한 복수의 개별적 필터 슬롯을 포함하며, 이들 필터 슬롯 모두는 배수 통로와 유체 연통된다. 필터 유닛의 기공율을 한층 더 높이기 위해, 바람직하게 필터 유닛은 커버 플레이트 뒤에 필터 플레이트와 커버 플레이트를 교대로 적층하는 방식으로 배치되는 다수 쌍의 필터 플레이트 및 백커 플레이트를 포함하며, 이로써 두 개의 필터 플레이트 사이에 개재되는 각 백커 플레이트는 한 필터 플레이트를 위해서는 백커 플레이트로 기능하고, 다른 필터 플레이트를 위해서는 커버 플레이트로 기능한다. 필터 플레이트 및 백커 플레이트를 교대로 배치함으로써 필터 유닛의 분리 압력 용량을 증가시킨다. 필터 플레이트보다 두꺼운 백커 플레이트를 사용함으로써 필터 유닛의 압력 용량을 더 향상시킬 수 있다. 마찬가지로, 직경이 더 큰 백커 플레이트와 필터 플레이트를 사용함으로써 필터 유닛의 압력 용량을 증가시킬 수 있다.
일 구현예에서, 분리 모듈은 스크류프레스의 배럴에 장착가능하며, 코어 개구의 크기는 프레스의 압출기 스크류의 일부분이 끼워맞춰지도록 정해진다. 바람직하게 압출기 스크류는 압축된 재료를 필터 표면으로부터 지속적으로 긁어내면서 동시에 상당한 분리 압력을 발생시키기 위해 필터부의 코어 개구에 대해 밀접한 공차를 가진다. 소량의 섬유가 필터의 표면 상에 끼이는 경우, 이들 섬유는 압출기 부재에 의해 더 작은 편들로 잘라진 후, 결국에는 액체 스트림과 함께 매우 미세한 입자로서 필터를 통과하게 된다. 이로써, 고압, 고온 환경에서 재료의 고체 부분과 액체 부분을 분리가능하게 하는 고체/유체 분리 장치가 제공된다.
다른 양태에 의하면, 가압된 액체-함유 고체의 질량체로부터 액체 또는 기체를 분리시키기 위한 분리 모듈은 액체 및 기체용 수거 챔버의 범위를 정하는 압력 재킷을 구비한 밀폐식 하우징; 수거 챔버로부터 액체 및 기체를 각각 배수 및 배기시키기 위해 재킷에 형성된 액체 출구 및 기체 출구; 재킷의 입구 단부에 분리가능하게 고정될 수 있는 입구 엔드 플레이트; 재킷의 출구 단부에 분리가능하게 고정될 수 있는 출구 단부 플레이트; 및 필터 플레이트와 백커 플레이트를 포함한 하나 이상의 필터 팩을 포함하며, 이때 필터 팩은 입구 엔드 플레이트와 출구 엔드 플레이트 사이에 개재되고, 상기 필터 플레이트와 백커 플레이트에는 가압된 질량체를 수용하기 위한 수거 챔버로부터 밀폐되도록 정렬된 코어 개구가 형성되어 있으며, 필터 플레이트는 코어 개구로부터 필터 플레이트 내로 연장되는 하나 이상의 관통 필터 슬롯이 형성되어 있고, 백커 플레이트는 필터 슬롯 및 수거 챔버와 유체 연통되는 통로의 범위를 정한다.
바람직하게, 밀폐식 하우징은 2쌍 이상의 필터 플레이트 및 백커 플레이트를 구비한다.
바람직하게, 필터 플레이트는 복수의 필터 슬롯을 포함한다.
바람직하게, 각 백커 플레이트는 인접한 필터 플레이트의 모든 필터 슬롯과 유체 연통되는 원형 홈을 포함한다.
바람직하게, 필터 플레이트 및 백커 플레이트 각각에는 플레이트의 정렬 및 상호연결을 위한 한 쌍의 마주보는 장착용 탭이 형성되어 있다. 각 장착용 탭에는 필터 플레이트 및 백커 플레이트 스택을 연속식 필터부 내에 정렬시킨 후 죄기 위해, 체결용 볼트를 수용하는 구멍이 형성되어 있을 수 있다. 대안으로는, 상기 체결용 볼트를 위한 구멍을 생략하는 대신, 탭들을 정렬시키고 필터 플레이트와 백커 플레이트가 코어 개구에 대해 회전되는 것을 막기 위한 리지(ridge)들을 압력 재킷의 내부 표면에 포함시킨다.
또 다른 양태에 의하면, 본 개시는 고체 부분, 액체 부분 및 기체 부분을 가진 재료를 가공처리하는 것에 대해 설명한 바와 같이, 액체 부분 및 기체 부분으로부터 고체 부분을 분리시키기 위한 고체/유체 분리 모듈의 용도를 제공한다.
또 다른 양태에 의하면, 본 발명은 바이오매스, 특히 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 전처리 공정에 관한 것이다.
본 개시의 기타 다른 양태 및 특징은 첨부된 도면과 함께 특정 구현예들에 대한 하기 설명의 검토를 통해 당업자에게 명백해질 것이다.
본원에 기술된 구현예들을 더 잘 이해하고, 이들이 어떻게 실시되었는지 보다 분명하게 보여주기 위해, 오로지 예시적인 목적으로, 바람직한 구현예를 나타내는 첨부된 도면을 참조하기로 한다.
도 1은 고체-액체 분리 모듈이 구비된 2축 압출기를 포함하는 셀룰로오스 전처리 장치의 개략 구성도를 나타낸다.
도 2는 분해도 형식으로 2축 압출기 고체/유체 모듈의 일 구현예를 개략적으로 예시한다.
도 3은 도 2에 예시된 고체/유체 분리 모듈의 분해도를 나타낸다.
도 4는 배수 채널로서 좁은 필터 슬롯이 구비된 분리 모듈의 필터(핑거) 플레이트를 나타낸다.
도 5는 도 4의 필터(핑거) 플레이트의 확대 상세도를 나타낸다.
도 6은 도 4 및 도 5의 구현예 보다 넓은 필터 슬롯이 구비된 분리 모듈의 필터(핑거) 플레이트를 나타낸다.
도 7은 도 3에 따른 구현예의 우측 백커 플레이트를 나타낸다.
도 8은 도 7의 백커 플레이트를 B-B선을 따라 도시한 횡단면도이다.
도 9는 도 7의 백커 플레이트를 A-A선을 따라 도시한 횡단면도이다.
도 10은 도 3에 따른 구현예의 좌측 백커 플레이트를 나타낸다.
도 11은 도 6 및 도 7에 따른 한 쌍의 필터 플레이트 및 백커 플레이트의 등각투상도이다.
도 12는 도 11의 한 쌍의 필터 플레이트 및 백커 플레이트를 C-C선을 따라 도시한 횡단면도이다.
도 13은 분리 모듈의 한 구현예에 따라 얻은 여과물에서 발견된 입자들의 입도분포를 나타낸다.
간단하고 명확한 예시를 위해, 적절하다고 여겨지는 경우에, 동일한 참조번호를 여러 도면에 반복하여 사용함으로써 상응하거나 유사한 부재 또는 단계를 표시하고자 하였음을 이해할 것이다. 또한, 많은 특정 상세사항들은 본원에 기술된 바람직한 구현예들의 완전한 이해를 돕도록 제시되었다. 그러나, 당업자라면 본원에 기술된 구현예들을 상기 특정 상세사항들 없이 시행할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 기타 다른 예로, 본원에 기술된 구현예를 모호하게 만들지 않기 위해, 공지되어 있는 방법, 과정 및 구성요소들에 대해서는 상세히 기술하지 않았다. 또한, 본 설명이 본원에 기술된 구현예의 범위를 어떠한 방식으로든 제한하는 것이 아니라, 단지 본원에 기술된 다양한 구현예의 실시에 대해 설명하는 것으로 여겨야 한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 단순형 연속식 셀롤로오스 에탄올 전처리 시스템(2)은 단지 3개의 장치로 구성된다. 제1 압출기(4)는 바이오매스용 연속식 고압 플러그 공급기/혼합기로 사용된다. 압출기(4)는 바이오매스를 수직형 반응기(6)에 공급한다. 수직형 반응기(6)는 긴 체류 시간을 가질 수 있다. 수직형 반응기(6)는 바이오매스를 바람직하게는 2축 압출기인 제2 압출기(8)에 공급한다. 전처리 공정은 바이오매스를 제1 압출기(4), 수직형 반응기(6) 및 제2 압출기(8)를 통과시키는 단계를 포함한다.
역시 2축 압출기일 수 있는 상기 압출기(4)는 가압된 수직형 반응기(6)에 연속적으로 공급물을 제공하는데 사용된다. 공급원료의 유형에 따라, 다양한 화학물질을 압출기(4) 내에서 혼합하는 것이 가능하다. 압출기(4)에는, 공급원료가 손실되는 경우에 압력 손실을 막기 위해 공급물이 손실될 시 폐쇄되는 자동 밸브가 구비된다.
수직형 반응기(6)는, 바이오매스에 따라, 최대 350 psig의 압력과 최대 425 oF(220 ℃)의 온도에서 다양한 화학물질을 다룰 수 있다. 수직형 반응기(6)에서의 체류 시간은 바이오매스에 따라 수분 내지 여러 시간으로 다양할 수 있다.
부분적으로 처리된 바이오매스는 수직형 반응기(6)로부터 가압 공급 영역(10)에 있는 제2 압출기(8)에 공급된다. 제2 압출기(8)에서, 고체 바이오매스의 대부분은 출구 단부(도 1에서의 우측)로 이동하고, 소량의 일부분이 후방측으로 전달되어 구동 샤프트 상에 압력 씰(pressure seal)을 형성한다. 제2 압출기(8)에서는, 다양한 바이오매스에 의해 요구되므로 제1 반응기 내에서보다 높은 압력이 발생되며, 바이오매스에 따라 2, 3 또는 그 이상의 분리 공정을 통해 전처리 공정이 완료된다.
세정액(물, 암모니아 또는 기타)은 고체 바이오매스 흐름(도 1의 좌측)에 대해 향류적(counter-current) 또는 병류적(co-current)으로 이동되므로, 바이오매스는 가장 깨끗한 액체로 압출기 단부에서 세정된다. 이산화탄소와 같은 기체 또는 초임계 유체를 출구 단부에 주입시켜, 처리되는 바이오매스에 따라 요구되는 경우에 폭발력을 향상시킬 수 있다. 출구 단부에는, 상이한 압력 및 건조 물질 함량에서 상이한 유형의 바이오매스에 요구되는 동적 씰 및 폭발력을 생성하기 위해 다양한 압출기 스크류, 및/또는 다른 반응기 용기, 및/또는 조절 밸브 및/또는 회전 오리피스를 사용할 수 있다. 출구에서 이들 장치 중 하나로부터의 바이오매스가 폭발적 팽창할 때, 배출되는 고체는 물론 모든 기체를 수거하기 위해 사이클론 또는 기타 분리 장치를 사용한다.
제2 압출기(8)에 진입할 때, 바이오매스의 대부분은 전방측으로 전달되는 한편 소량은 후방측으로 전달되어, 수직방향 반응기(6)로부터의 누출을 막기 위한 동적 압력 씰을 생성한다. 바이오매스는 도 1에 나타낸 바와 같이 공정 단계 1로 도입되어, 도 2 내지 도 13을 참조로 더 상세히 후술되는 바와 같이 제1 고체/유체 분리 장치(12)를 사용한 고압, 고온 초기 향류 여과 영역을 거치게 된다. 이 시점에서, 일부 바이오매스는 추출성분과 반-셀룰로오스 시럽을 쥐어짜기만 하면 되며, 세정수가 필요하지 않을 수 있다. 고체/유체 분리 장치에서는, 다양한 스크류 부재를 사용함으로써 액상 반-셀룰로오스 시럽 및/또는 추출성분을 두께가 조절된 케이크로 제거한다. 침투성, 기공 크기, 필터 면적 및 정격 압력은, 처리되는 바이오매스 유형에 따라, 상이한 필터 플레이트 디자인들을 이용함으로써 제어한다. 액체 압력 및 플래싱은 압력조절된 플래쉬 탱크(16)를 사용하여 제어한다.
제1 고체/유체 분리 장치(12)에서 배출되는 즉시, 바이오매스는 전방측(도 1에서 우측)으로 전달되어 전방 영역으로부터의 수증기/고압수를 사용하여 가열되며, 다양한 스크류 부재를 이용한 압축/전달을 통해 압력이 인가된다. 도 1에 나타낸 공정 단계 2에서는, 전처리를 개선하기 위해 바이오매스를 다양한 바이오매스에 따라 다양한 전단 에너지를 이용한 고압 혼합/혼련시킨다. 다양한 스크류 부재를 사용함으로써 두께가 조절된 케이크로 액상 반-셀룰로오스를 고압, 고온 최종 향류 여과(일부 반-셀룰로오스 시럽 및 추출물질을 쥐어짜기만 할 수 있으며, 일부 유형의 바이오매스에 요구되는 향류 세정은 하지 않음)시킨다. 침투성, 기공 크기, 필터 면적 및 정격 압력은, 처리되는 바이오매스 유형에 따라, 제2 고체/유체 분리 장치(14)에 적합한 필터 플레이트 디자인들을 선택 이용함으로써 제어한다. 액체 압력 및 플래싱은 압력조절된 플래쉬 탱크(16)를 사용하여 제어한다.
공정 단계 3에서는, 바이오매스를 각종 상이한 압출기 스크류 부재를 이용한 압축/전달을 통해 가열 및 가압한다. 다양한 바이오매스의 전처리를 개선하기 위해 요구되는 경우, 전단 에너지를 바이오매스에 부여하여 효소의 접근성을 개선시킨다. 전처리를 개선하기 위해 바이오매스를 다양한 바이오매스에 따라 다양한 전단 에너지를 사용하여 고압 혼합/혼련시킨다. 다양한 스크류 부재를 사용함으로써 두께가 조절된 케이크로 액상 반-셀룰로오스 시럽을 병류 또는 향류 여과시켜, 고압, 고온 중간-사이클(또는 바이오매스에 따라, 최종 사이클)을 부여할 수 있다. 침투성, 기공 크기, 필터 면적 및 정격 압력은 바이오매스의 특성에 맞도록 제3 고체/유체 분리 장치(18)에 적합한 필터 플레이트 디자인들을 선택 이용함으로써 제어한다. 액체 압력 및 플래싱은 압력조절된 플래쉬 탱크(16)를 사용하여 제어한다.
도 1에 나타낸 공정 단계 4에서는 바이오매스를 각종 상이한 압출기 스크류 부재를 이용한 압축/전달을 통해 가열 및 가압한다. 다양한 바이오매스에 따라, 다양한 전단 에너지를 이용한 바이오매스의 고압 혼합/혼련이 선택될 수 있다. 공정 단계 4에서는 최종 세정 단계를 위해 바이오매스를 고압수 또는 다른 유체/용액과 혼합한다. 다른 유체에는 실온에서 기체인 분자, 이를테면, 높아진 온도로 인해 압출기 내에서 초임계 상태로 되는 고압 액체 CO2 또는 고압 기체로 되는 암모니아가 포함될 수 있다.
그런 후에 고체 섬유성 바이오매스는 시스템의 최대 높은 압력 하에 제2 압출기(8) 및 동적 씰 대안예들 중 하나를 통해 전달되어, 2축 압출기의 출구측에서 수증기, 암모니아 또는 섬유 내부의 초임계 유체와 같은 압축된 가스의 제어식 폭발 감압 하에 고체/기체 분리 장치(사이클론 또는 기타)로 배출된다. 고압 액체 CO2를 사용한 경우, 상기 CO2가 바이오매스에 의해 가열되면, 이러한 초임계 성질의 유체는 기체와 유사하게 상기 고체 섬유의 내부에 침투하여, 기체가 하는 것과 마찬가지로 고체 압력 프로파일에 대해 유체 상류의 부분 흐름을 생성하게 된다. 섬유 내부의 이러한 초임계 유체는 동적 씰을 통해 압출기를 빠져나갈 때 대부분의 섬유 내부로부터 표준 기체보다 여러 배 더 큰 폭발력을 발산하여, 고체 셀룰로오스 입자를 개질하고, 이에 따라 효소 접근성이 증가된다. 또한, 2축의 배출구에는 자동 조절 밸브가 있으며, 이는 공급 또는 전력 손실이 있는 경우에 시스템을 어느 정도 가압된 상태로 유지하는데 사용된다.
매우 높은 내부 압력(최대 5000 psig)을 견딜 수 있는, 본 발명에 따른 무-멤브레인 고체/유체 분리 모듈(100)의 일 구현예를 도 2와 도 3에 나타내었다. 이러한 고체/유체 분리 모듈은 도 1에 나타낸 방법 및 장치와 사용될 수 있는 한편, 처리되는 바이오매스/고체의 유형에 따라 요구되는 경우 필터 플레이트 구조 및 플레이트 두께를 다양하게 함으로써 침투성/기공율(투과 능력)을 조절할 수 있다.
일 구현예에서는, 도 2에 예시된 바와 같이, 고체/유체 분리 모듈(100)은 스크류프레스와 관련되어 사용되며, 스크류프레스의 2축 압출기 배럴(500)과 압출기부(520) 사이에 장착된다. 모듈(100)은 스크류프레스에 의해 바람직하게는 100 psig를 초과하는 압력까지 압축된 고체의 액체-함유 질량체로부터 유체(액체 및/또는 기체)를 분리한다. 분리 모듈(100)은 수거 챔버(200) 및 5% 내지 40%의 기공율(총 필터 표면에 대한 총 기공 면적)을 가진 필터 유닛(300)을 포함한다. 바람직하게, 모듈(100)은 5 내지 40%, 더 바람직하게는 11 내지 40%의 필터 기공율에서 최대 5000 psig의 작동 압력을 견딘다. 필터 유닛(300)은 바람직하게 0.00003 내지 0.005 in2의 기공 크기를 가진 복수의 필터 기공을 포함한다.
바람직한 일 구현예에서, 필터 유닛(300)은 미세 고형물의 분리를 위한 0.00005 in2의 기공 크기, 5.7%의 기공율 및 2,500 psig의 내압성을 가진 필터 기공을 포함한다. 다른 구현예에서, 필터 유닛(300)은 0.005 in2의 기공 크기, 20%의 기공율 및 5,000 psig의 내압성을 가진 필터 기공을 포함한다. 또 다른 바람직한 구현예에서, 필터 유닛(300)은 0.00005 in2의 기공 크기와, 11.4%의 기공율을 가진 필터 기공을 포함한다. 또 다른 바람직한 구현예에서, 필터 유닛(300)은 0.005 in2의 기공 크기와, 40%의 기공율을 가진 필터 기공을 포함한다.
분리 모듈(100)의 기본 구조를 도 2와 도 3에 나타내었다. 모든 부품의 최대 압력을 견딜 수 있는 수거 챔버(200)를 사용하여 여과된 유체를 기체 및 액체로 분리한다. 수거 챔버는 압력 재킷 또는 하우징(220), 입구측 엔드 플레이트(230) 및 출구측 엔드 플레이트(240)에 의해 범위가 정해진다. 액체는 바람직하게 압력 재킷(220)의 최저 지점에 위치된 액체 배수부(221)를 통해 수거 챔버(220)로부터 배수될 수 있다. 필터 플레이트 및 백커 플레이트를 수거 챔버(200) 내부에 정렬하기 위해, 압력 재킷(220)은 재킷의 내측 상에 재킷의 종축에 평행하게 연장되는 복수의 정렬 리지(223)를 더 포함한다. 수거 챔버(200)에 누적된 기체는 바람직하게 압력 재킷(220)의 최고 지점에 위치된 기체 드레인부(gas drain, 222)를 통해 배기될 수 있다. 고압 수거 챔버(200)는 압력 재킷(220)의 축방향 단부들과 엔드 플레이트들(230, 240) 사이에 위치된 원형 씰(250)에 의해 밀폐된다. 이러한 고압/고온 능력은 50 내지 250℃의 작동 압력 온도에서 보통 기체 상태로 있는 암모니아, CO2 및 물과 같은 유체를 사용하여 바이오매스를 세정할 수 있게 한다. 분리 모듈은 엔드 플레이트들(230, 240)을 함께 잡아 당기고 이들 사이에 압력 재킷(220) 및 원형 씰(250)을 죔쇠로 고정시키기 위해 압력 재킷(220)의 외부측에 위치된 어셈블리 볼트(225)에 의해 함께 체결된다. 필터 유닛 클램핑 볼트(129)(도 2를 참조함)를 또한 사용하여 필터 팩들(321, 322)을 함께 필터 유닛(300)에 죔쇠로 고정시킬 수 있다. 바람직한 구현예에서, 필터 유닛 클램핑 볼트는 엔드 플레이트(230, 240)를 통해 연장되어, 분리 모듈(200)을 함께 죔쇠로 고정시키는 데 추가 역할을 제공한다. 필터 유닛 클램핑 볼트(129)는 또한 압출기부를 분리 모듈에 체결하기 위해 압출부(520)를 통해 연장될 수 있다. 그러나, 수거 챔버(200) 내의 압력을 유지하기 위해 신뢰성있게 밀폐될 필요가 있는 분리 모듈(200)에서의 관통 지점들의 개수를 최소화하기 위해, 필터 유닛 체결 볼트(129)를 생략하고, 압력 재킷 외부측에 위치된 볼트(225)와 같은 체결 구조체에 의해 분리 유닛의 부재들을 함께 모두 죔쇠로 고정시킨다. 사용된 압력에 따라, 일부 기체는 수거 챔버(200)에서 바로 분리될 수 있으며, 또한 (도 1에 나타낸 바와 같은) 일부 상황에서는 분리 플래쉬 용기를 활용하여 전체 공정 효율을 최적화시킬 수 있다.
필터 유닛(300)은 백커 플레이트(160, 180)에 대해 위치된 필터 플레이트(120)의 조합인, 본 발명의 한 스택의 기본 필터 팩(321, 322)으로부터 조립된 여러 개의 플레이트부(320)를 포함하며, 이에 대해 도 4 내지 도 12를 참조하여 하기에 더 상세히 설명하였다. 필터 플레이트(120)와 우측 백커 플레이트(160)를 포함하는 우측 필터 팩(321), 및 필터 플레이트(120)와 좌측 백커 플레이트(180)를 포함하는 좌측 필터 팩(322)이 있다.
일 양태에서, 분리 모듈은 가압가능한 수거 챔버(200) 및 가압된 질량체(미도시됨)를 기밀식으로 공급받는 필터 유닛(300)을 포함한다. 필터 유닛(300)은 미리 선택한 필터 기공 크기와 미리 선택한 기공율을 가진다. 필터 유닛(300)은 마주보는 전면(121) 및 배면(123)을 가진 하나 이상의 필터 플레이트(120), 필터 플레이트(120)의 전면(121)에 연결되는 커버 플레이트(230), 및 필터 플레이트(120)의 배면(123)에 연결되는 백커 플레이트(160, 180)를 포함한다. 필터 플레이트(120), 커버 플레이트(230) 및 백커 플레이트(160/180)는 가압된 질량체(미도시됨)를 공급받는 수거 챔버(200)로부터 밀폐되는 관통 코어 개구(128)의 범위를 정한다. 필터 플레이트(120)에는, 코어 개구(128)로부터 필터 플레이트까지 연장되며 미리 선택한 필터 기공 크기를 지닌 필터 통로를 형성하기 위해 커버 플레이트(230)와 백커 플레이트(160/180)에 의해 전면(121) 및 배면(123)에서 밀폐되는, 하나 이상의 관통 필터 슬롯(132)이 형성되어 있다. 백커 플레이트(160/180)에는, 배면(123)과 함께, 수거 챔버(200) 및 필터 슬롯(132)과 유체 연통되는 배수 통로의 범위를 정하는 요홈(164)이 형성되어 있다. 기공율을 높이기 위해, 바람직하게 필터 플레이트(120)는 복수의 개별적 필터 슬롯(132)을 포함하며, 이들 필터 슬롯(132) 모두는 배수 통로(164)와 유체 연통된다. 필터 유닛의 기공율을 한층 더 높이기 위해, 바람직하게 필터 유닛은 커버 플레이트(230) 뒤에 필터 플레이트와 커버 플레이트가 교대로 적층하는 방식으로 배치되는 다수 쌍의 필터 플레이트(120) 및 백커 플레이트(160/180)를 포함하며, 이로써 두 개의 필터 플레이트(120) 사이에 개재되는 각 백커 플레이트(160/180)는 한 필터 플레이트를 위해서는 백커 플레이트로 기능하고, 다른 필터 플레이트를 위해서는 커버 플레이트로 기능한다. 필터 플레이트(120) 및 백커 플레이트(160/180)를 교대로 배치함으로써 필터 유닛(300)의 분리 압력 용량을 증가시킨다. 필터 플레이트(120)보다 두꺼운 백커 플레이트(160/180)를 사용함으로써 필터 유닛(300)의 압력 용량을 더 향상시킬 수 있다.
도 2의 구현예에서, 분리 모듈(100)은 스크류프레스의 배럴(500)에 장착되며, 코어 개구(128)의 크기는 프레스 스크류(미도시됨)의 일부분이 끼워맞춰지도록 정해진다. 일반적으로 스크류프레스의 프레스 스크류는 필터부(300)의 코어 개구(128)에 대해 밀접한 공차를 가지며, 압축된 재료를 필터 표면으로부터 지속적으로 긁어내면서 동시에 상당한 분리 압력을 발생시킨다. 소량의 섬유가 필터의 표면 상에 끼이는 경우, 이들 섬유는 압출기 부재에 의해 더 작은 편들로 잘라진 후, 결국에는 액체 스트림과 함께 매우 미세한 입자로서 필터를 통과하게 된다. 이로써, 고압, 고온 환경에서 재료의 고체 부분과 액체 부분을 분리가능하게 하는 고체/유체 분리 장치가 제공된다.
압출기의 스크류가 필터 기공(134)에 접선방향으로 들어가게 함으로써, 분리 장치는 막힘 현상에 덜 영향받게 된다. 본 발명에 따른 분리 모듈(100)의 증가된 기공율 및 내압성으로 인해, 건조 부분 내의 건조 물질 함량을 최대 90%까지 배출시키는 것이 가능하며, 동시에 기공 크기가 작고 현탁된 고형물이 1% 정도로 낮기 때문에 비교적 깨끗한 액체 부분이 얻어진다. 본 발명에 따른 고체/유체 분리 모듈을 한 재료의 고체/유체 부분을 분리시키기 위한 많은 다양한 적용분야에 사용가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
연속적인 파일럿 시험(소규모의 예비 시험)에서, 40g의 고체와 60g의 물을 함유한 100g 단위의 바이오매스를 40g의 물로 세정한 후, 100℃의 온도에서 600 psig의 내부력을 이용하여 필터에서 액체를 짜냄으로써, 39g의 현탁된 고형물과 5g의 물이 함유된 건조 상태의 바이오매스 배출물(액체/고체 바이오매스의 고체 부분)을 얻었다. 95g의 물을 함유한 여과물은 5 마이크론의 평균 입도와 도 13에 따른 입자 분포를 가진 현탁된 고형물을 1g만 함유함고 있어 비교적 깨끗하였다.
또한, 본 발명의 고체/유체 분리 장치는 막힘 현상에 덜 영향받기 때문에, 정기적인 보수 작업이 요구되는 공지된 분리 장치에서와 같은 보수 작업이 덜 필요하다. 따라서, 정지시간이 더 짧고 보수작업이 덜 필요한 공정에 본 고체/유체 분리 장치를 사용할 수 있으며, 그 결과 생산 능력이 증가되고 비용이 절감된다.
도 4는 제1 지지 탭(124) 및 제2 지지 탭(126)에 부착된 원형 중간 부분(122)을 가진 미세 필터 플레이트(120)를 나타낸다. 원형 중간 영역(122)에는 2축 프레스의 프레스 스크류들이 끼워맞쳐지도록 8자 모양의 코어 개구(128)가 형성되어 있다. 필터 플레이트(120)는 전면(121) 및 배면(123)을 가진다. 코어 개구(128)는 복수의 미세 핑거(130)와 복수의 중간 필터 슬롯(132)에 의해 둘러싸여 있다. 최대 고체/유체 분리 효율을 얻기 위해서는, 필터 기공 크기를 최소화하는 것과 동시에 필터를 극대화시키는 것이 바람직하다. 기공 크기를 최소화하는 작업은 필터 재킷에 원통형 통로들을 절삭시켜야 하는 필요성 때문에 종래의 스크류프레스에서는 힘든 도전과제이다. 이 문제점은 얇은 필터 플레이터(120)에 단순히 슬롯(132)을 절삭함으로써 필터 기공이 형성되는 본 발명에 따른 필터 유닛에 의해 해결된다. 필터 슬롯(132)은 플레이트(120)의 전체 두께를 가로질러 절삭되므로, 본원에서는 관통 슬롯으로 지칭된다. 도 4와 도 5에 도시된 바와 같은 매우 얇은 필터 플레이트(120)와 매우 가느다란 슬롯(132)을 이용함으로써 본 발명에 따른 필터 플레이트(120)로 매우 작은 필터 기공을 얻을 수 있다. 예를 들면, 0.005 인치 두께의 필터 플레이트를 사용하고, 상기 필터 플레이트에 0.01 인치 폭의 슬롯을 절삭시킴으로써, 0.00005 in2에 불과한 기공 크기를 얻을 수 있다. 더욱더 미세한 여과작업을 위해, 필터 슬롯의 폭이 0.01 인치인 0.003 인치 두께의 필터 플레이트를 사용하여, 0.00003 in2에 불과한 기공 크기를 얻을 수 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 매우 가느다란 슬롯(132)과 중간 수준의 미세 핑거(130)의 형상과 위치는 필터 슬롯이 코어 개구(128)로부터 필터 플레이트(120) 내로, 중간 영역(122)의 외측 부분을 향해 연장되도록 정해진다. 바람직하게, 필터 슬롯(132)의 단부들 모두는 원형 중간 영역(122)의 외부 에지부와 동심을 이루고 내부쪽으로 이격된 원 상에 위치된다. 가느다란 배수 채널을 통한 액체 흐름을 향상시키기 위해, 채널은 내측 단부(134)에서 코어 개구(128) 안쪽으로 더 좁게 형성되며, 바깥쪽으로 외측 단부(136)까지 넓게 펼쳐진다.
필터 플레이트(120)는 도 11과 도 12에 나타낸 바와 같이 백커 플레이트를 마주 보도록 위치된다. 이에 대해서 하기에 더 상세히 설명하기로 한다. 2가지 유형의 백커 플레이트, 도 7에 도시된 바와 같은 좌측 백커 플레이트(160)와 도 10에 도시된 바와 같은 우측 백커 플레이트(180)가 있다. 좌측 및 우측 백커 플레이트(160,180)는 동일한 주요 구조를 가지며, 코어 개구(128)가 형성된 원형 중심부(162, 182) 및 상기 중심부(162, 182)로부터 연장되는 장착용 탭(190, 192)을 포함한다. 좌측 백커 플레이트와 우측 백커 플레이트의 유일한 차이점은 코어 개구(128)에 대한 장착용 탭(190, 192)의 배향이며, 이때 탭들은 우측 백커 플레이트(160)에 있는 코어 개구(128)의 횡방향 축에 대해 우측으로 45도 각도로 연장되며, 좌측 백커 플레이트(180)에 있는 개구의 횡방향 축에 대해 좌측으로 45도 각도로 연장된다. 따라서 이 단계에서 특정 바이오매스의 액체/기체 분리가 요구된다면, 좌측 및 우측 백커 플레이트를 사용하여, 플레이트들의 홀딩 패턴으로 90도 변위를 만들고, 액체가 수거 챔버의 저부까지 배수되며 기체는 수거 챔버의 상부까지 흐르도록 하는 수단을 제공한다. 연속적 우측 플레이트(또는 반대로 좌측 플레이트)와 중간 필터 플레이트의 개수는 적어도 0.25” 두께에 해당되지만, 플레이트의 전체 개수에 따라 1” 두께까지 많을 수 있다.
필터 플레이트 장착용 탭(124, 126)과 백커 플레이트 장착용 탭(190, 192) 모두의 형상은 압력 재킷9220)의 내부 벽에 장착된 정렬 리지(223) 쌍 사이에 끼워맞춰지도록 정해진다. 각 유형의 백커 플레이트는 도 7 내지 9와 도 10으로부터 명백하듯이 기계가공된 외주홈(peripheral groove, 164)을 중심부(162, 182)에 가지며, 좌측 백커 플레이트(180)를 통한 횡단면은 도 8과 도 9에 도시된 우측 백커 플레이트(180)의 것과 동일하다. 필터 플레이트(120) 및 백커 플레이트(160,180)가 도 11과 도 12에 도시된 바와 같이 정렬된 코어 개구(128)와 서로 등을 맞대고 위치되는 경우, 외주홈(164)은 필터 플레이트(120)(도 4 내지 6을 참조함) 내 필터 슬롯(132)의 외측 단부에 대응하도록 위치된다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 가장 기본적인 필터 팩을 예시하며, 이때 필터 플레이트(120) 및 백커 플레이트(160)는 필터 플레이트의 배면(123)을 연결한다. 코어 개구(128)를 통해 공급된 가압 질량체(미도시됨) 내에 비말동반되어 있는 유체(액체 및/또는 기체)를 주어진 분리 압력에 의해 필터 슬롯(132) 내로 강제로 흘려 보낸다(화살표 참조). 필터 슬롯의 단부(136)에서, 유체는 백커 플레이트(160) 내의 외주홈(164)으로 방향이 바뀌어 흘러 들어간 후, 외주홈(164)을 빠져 나와 수거 챔버(도 11, 도 12 및 도 3을 참조함)로 들어 간다. 이렇게 함으로써, 미세 필터 플레이트(120)는 8자 모양의 코어 개구(128)를 통해 바이오매스의 흐름에 대해 횡방향으로 필터 슬롯(132)을 통해 이동하는 액체와 매우 작은 입자들을 여과시킬 수 있다.
더 큰 입자/셀룰로오스 바이오매스 섬유에 적합하며 도 6에 도시된 것과 같은 더 큰 기공 플레이트 구조와 반대로, 기공율에 대한 제한요소는 필터 플레이트의 플레이트 두께이다. 셀룰로오스 바이오매스의 경우, 이러한 조대 필터 플레이트 구조는 양호한 고체-액체 분리 효과를 제공하는 동시에, 도 4의 미세 필터 플레이트와 같은 내부 압력을 이용하여 동일한 액체 분리 효과를 얻기 위해 요구되는 표면적과 플레이트의 개수를 최소화한다는 것이 밝혀졌다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 더 큰 기공의 조대 필터 플레이트(140)는 제1 지지 탭(144) 및 제2 지지 탭(146)에 부착된 원형 중간 필터 영역(142)을 가진다. 원형 중간 필터 영역(142)은 필터 플레이트(140)를 관통하여 절삭된 필터 슬롯들(132) 사이에 복수의 더 큰 핑거(130)에 의해 범위가 정해지는 8자 모양의 코어 개구(128)를 가진다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 더 큰 핑거(130)는 조대 배수 채널들(132) 사이에 위치된다.
도 11과 도 12에 나타낸 바와 같은 필터 팩을 얻기 위해, 조대 필터 플레이트(140)는 도 7에 도시된 좌측 백커 플레이트(160)와 같은 백커 플레이트를 마주 보도록 위치될 수 있다.
전반적으로, 더 높은 압력 기능을 이용하면 더 많은 액체를 고체로부터 짜낼 수 있거나, 재료의 건조도가 같다면 여과 단위 면적당 더 높은 생산율을 얻을 수 있다.
여과 품질(고체 포획)은 플레이트의 구조와 두께에 따라 제어될 수 있다. 여과/정격 압력/자본 비용은 특정 바이오매스의 여과 요구조건에 따라 최적화될 수 있다. 플레이트의 구조를 압출기(1축, 2축 또는 3축)에 설치하여, 고압, 고출력, 연속적 분리를 발전시킬 수 있다. 고체/유체 분리 모듈은 스크류의 세정(wiping) 성질과 교차축 흐름 패턴 덕분에 (2축 및 3축의 경우) 자가세척된다. 플레이트 팩의 길이가 특정 요구사항에 쉽게 맞추어질 수 있기 때문에, 여과 영역은 공정 요구사항에 따라 융통성있게 결정된다. 한 기계의 단일 또는 다수 단계에서 병류적 또는 향류적 구조 내 고형물을 세정하는데 상기 모듈을 사용함으로써, 자본 비용과 에너지 요구수준을 낮출 수 있다. 액체 여과물의 압력을 진공 조건으로부터, 필요하다면 심지어 필터부 내부 압력(2,000 내지 3,000 psi)보다 높게 조절할 수 있다. 이는 액체 스트림(예를 들면, 고압 하의 초임계 CO2, 고압 하에 세정용으로 사용되는 암모니아 액체, 또는 진공을 이용한 액체 여과물 챔버에서의 VOC와 암모니아 가스의 방출) 내의 추가 분리에 대해 엄청난 공정 융통성을 제공한다. 높은 배압 기능(내부 필터부 압력보다 높음)은 정지시간을 최소화시키는 필터의 플러깅 또는 스케일링 조작 동안에 필터를 백플러쉬하는데 이용될 수 있다.
미세 필터 기공율
미세 기공의 크기는 미세 플레이트 x 개구에서 슬롯의 폭이다. 도 4의 핑거 플레이트에서, 기공 크기는 0.005”(플레이트의 두께) x 0.010”(개구에서 슬롯의 폭) = 0.00005 in2/기공이다. 플레이트당 144개의 기공이 있으며, 전체 기공 영역은 플레이트당 0.0072 in2 개방 영역이다.
작은 1인치 직경의 2축 압출기를 사용한 실험 설정에서는, 이러한 핑거 플레이트가 하나의 0.020” 두께 백커 플레이트와 쌍을 이루어, 전체 필터 영역을 0.1256 in2로 만들었다. 그러므로, 이러한 한 실험 플레이트 세트(필터 팩)의 전체 개방 영역은 0.0072/0.1256 = 5.7%로 산출되었다. 이러한 기공율에서, 상기 실험 플레이트 쌍(0.020” 두께 백커 플레이트들)은 2,500 psig의 분리 압력을 견딜 수 있었다. 1” 두께의 실험 플레이트 팩은 전체 40개의 필터 플레이트 x 0.0072 in2 = 0.288 in2의 개방 영역을 포함하였다. 이는 직경이 0.5”를 넘는 파이프와 같으며, 사용된 작은 1” 직경의 압출기에서 불과 1인치 압출기 길이의 간격 내에서 모두 달성가능하다.
조대 필터 기공율
도 6에 나타낸 바와 같이, 사용된 실험 조대 필터 플레이트의 경우, 여과 능력 및 액체 흐름 경로에 관해서, 필터 슬롯의 폭을 기본적으로 필터 플레이트의 두께와 같게 함으로써 일련의 축방향 홈을 만들었다. 한 플레이트 세트(조대 필터 플레이트 + 백커 플레이트)의 전체 개방 영역은 플레이트 두께의 비이며, 본 경우에서는 0.005/0.025 = 20% 또는 미세 필터 플레이트 시스템의 개방 영역의 약 4배이다. 1” 두께의 플레이트 팩에 조대 플레이트들을 사용하고, 40개의 핑거 플레이트에서, 결국 40 x 0.0209 in2 개방 영역/플레이트 = 0.837 in2의 개방 영역이었다. 이는 1” 직경의 파이프보다 크며, 사용된 작은 1” 직경의 압출기에서 불과 1인치 압출기 길이의 간격 내에서 모두 달성가능하다.
두 종류 모두의 플레이트의 경우, 백커 플레이트의 두께를 줄이는 한편 필터 플레이트를 같은 두께에 유지함으로써 기공율을 현저하게 높일 수 있다. 백커 플레이트의 두께를 50% 줄이면, 필터 유닛의 기공율이 두 배가 된다. 한편, 필터 유닛의 강도는 백커 플레이트의 두께가 줄어들 때마다 감소되지만; 이는 백커 플레이트의 전체 직경을 증가시키고, 액체 흐름 경로를 약간 더 길게하는 대신 개방 영역은 동일하게 유지함으로써 대처할 수 있다.
필터 모듈의 제조를 위해 필터 플레이트(120)를 사용하게 되면 저비용 생산 방법을 이용할 수 있기 때문에 필터의 생산 비용을 낮출 수 있다. 플레이트를 레이저 절단시키거나, 조대 여과의 경우에는 플레이트를 스탬핑할 수 있다. 바이오매스 전처리를 위한 전체 장비 비용은 단일 기계에서 다수의 공정 단계들을 가질 수 있는 능력 덕분에 더 낮아질 수 있다. 고체/유체 분리 모듈은 3상 분리를 동시에 수용할 수 있다.
필터 유닛의 제조에 사용되는 재료 유형은 다양한 공정 조건에 따라 조절가능하다. 예를 들어, 낮은 pH/부식성 적용분야에는 티타늄, 니켈-몰리브덴의 고합금과 같은 재료를 사용할 수 있다.
특히, 본 발명가들은 한 재료 중의 고체 부분과 액체 부분을 분리시키고, 공지되어 있는 고체/유체 분리 장치보다 막힘 현상에 덜 영향받는 고체/유체 분리 장치를 개발하였다. 본 고체/유체 분리 장치는 한 재료 중의 고체/유체 부분을 분리시키기 위한 많은 다양한 적용분야에 사용될 수 있다는 것을 고려한다. 또한, 본 발명의 고체/유체 분리 장치는 막힘 현상에 덜 영향받기 때문에, 공지된 장치에는 정기적으로 요구되는 역세정을 비롯한 보수 작업이 덜 필요하다. 따라서, 정지시간이 더 짧고 보수작업이 덜 필요한 공정에 본 고체/유체 분리 장치를 사용할 수 있으며, 그 결과 생산 능력이 증가되고 비용이 절감된다.
설명된 고체/유체 분리 장치에서, 재료를 분리 장치에 내부적으로 전달시키는 스크류 부재는 필터부의 내부 표면에 대해 매우 밀접한 공차를 가지며, 압축된 재료를 필터 표면으로부터 지속적으로 긁어낸다. 소량의 섬유가 필터의 표면 상에 끼이는 경우, 이들 섬유는 압출기 부재에 의해 더 작은 편들로 잘라진 후, 결국에는 액체 스트림과 함께 매우 미세한 입자로서 필터를 통과하게 된다.
플레이트 쌍(핑거 플레이트 및 백커 플레이트)의 총 개수는 바이오매스에 따라 다양할 수 있으며, 전체 필터 영역을 제어한다. 액체 분리 조건이 동일한 경우에는 기공이 작을수록, 더 많은 플레이트/더 많은 표면적이 요구된다. 기공 크기는 액체 부분에 전달되는 고체의 양을 조절한다. 각 바이오매스에 있어서, 특정 고체를 포획하기 위해서는(액체 여과물 중에 현탁된 고형물의 양) 특정 기공 크기가 필요하다.
본 개시는 특정 구현예들을 설명하고 예시하였지만, 상기 기술된 시스템, 장치 및 방법은 이들 특정 구현예에 제한되는 것이 아님을 또한 이해해야 한다. 오히려, 본원에 설명되고 예시된 상기 구체적인 구현예들 및 특징들에 기능적 또는 기계적으로 대등한 모든 구현예를 포함하는 것으로 이해한다.
다양한 특징을 하나 이상의 구현예와 관련하여 설명하였지만, 이러한 다양한 특징 및 구현예는 본원에 설명되고 예시된 다른 특징 및 구현예와 함께 조합되거나 이용될 수 있다는 점을 이해할 것이다.

Claims (27)

  1. 가압가능한 수거 챔버 및 가압된 질량체로부터 유체를 분리시키고 유체를 수거 챔버로 안내하기 위한 적어도 하나의 필터 유닛을 포함하며;
    필터 유닛은 가압된 질량체를 공급받기 위해 수거 챔버로부터 밀폐된 코어 개구의 범위를 정하고, 코어 개구로부터 유체를 안내하기 위해 코어 개구로부터 필터 플레이트 내부로 연장되는 관통 필터 슬롯을 가진 필터 플레이트와, 필터 슬롯에 수거된 유체를 수거 챔버에 안내하기 위한 백커 플레이트로 이루어진 필터 팩을 포함하는 것인, 고체-함유 유체의 가압된 질량체를 분리시키는 고체/유체 분리 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 필터 플레이트는 복수의 필터 슬롯을 포함하는 것인 분리 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 필터 유닛은, 교대로 배치된 필터 플레이트 및 백커 플레이트의 스택을 포함하고 코어 개구의 범위를 정하는 필터부를 형성하도록 서로 등을 맞대고 적층된 복수의 필터 팩을 가지는 것인 분리 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 필터 유닛은 미리 선택한 필터 기공 크기를 가지며, 필터 슬롯은 상기 미리 선택한 기공 크기에 대응되는 개구 영역의 범위를 정하는 것인 분리 모듈.
  5. 제3항에 있어서, 필터 유닛은 미리 선택한 필터 기공 크기와 미리 선택한 기공율을 가지며, 각 필터 슬롯은 상기 미리 선택한 기공 크기에 대응되는 개방 영역의 범위를 정하고, 각 필터 팩은 코어 개구의 전체 표면, 미리 선택한 기공 크기 및 필터 슬롯의 개수로부터 산출된 기공율을 가지며, 필터 유닛은 미리 선택한 기공율/필터 팩 기공율과 적어도 같은 다수의 필터 팩을 포함하는 것인 분리 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 필터 슬롯은 코어 개구로부터 멀어지는 방향으로 폭이 넓어지는 것인 분리 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 수거 챔버는, 필터 유닛을 수용하고 입구 엔드 플레이트에 의해 입구 단부에서 그리고 출구 엔드 플레이트에 의해 출구 단부에서 기밀식으로 밀폐되는 압력 재킷을 가지며, 필터 팩은 입구 엔드 플레이트와 출구 엔드 플레이트 사이에 개재되는 것인 분리 모듈.
  8. 제7항에 있어서, 압력 재킷은 액체 및 기체를 위한 개별적 드레인부를 포함하는 것인 분리 모듈.
  9. 제6항에 있어서, 필터 유닛은, 입구 엔드 플레이트와 출구 엔드 플레이트 사이에 개재되어 교대로 배치된 필터 플레이트 및 백커 플레이트의 스택을 포함한 필터부를 형성하도록 서로 등을 맞대고 적층된 복수의 필터 팩을 가지는 것인 분리 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 각 필터 플레이트는 복수의 필터 슬롯을 포함하는 것인 분리 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 백커 플레이트에는, 필터 플레이트의 배면과 함께, 수거 챔버 및 필터 통로와 유체 연통되는 배수 통로의 범위를 정하는 요홈이 형성되어 있는 분리 모듈.
  12. 압출기 배럴, 압출기부 및 상기 압출기 배럴에 끼워맞춰지는 회전식 압출기 스크류를 구비한 스크류 압출기에 사용되는 고체/유체 분리 모듈이며, 상기 분리 모듈은
    a. 입구 단부에서 압출기 배럴에 연결될 수 있고, 출구 단부에서 압출기부에 연결될 수 있는 가압가능한 분리 챔버; 및
    b. 압출기 배럴 및 압출기부와 연통하기 위해 수거 챔버로부터 밀폐된 코어 개구의 범위를 정하고, 코어 개구로부터 유체를 안내하기 위해 코어 개구로부터 필터 플레이트 내부로 연장되는 관통 필터 슬롯을 가진 적어도 하나의 필터 플레이트와, 필터 슬롯에 수거된 유체를 분리 챔버에 안내하기 위한 적어도 하나의 백커 플레이트를 포함하는 필터 팩을 포함하는 것인 고체/유체 분리 모듈.
  13. 제12항에 있어서, 압출기 배럴과의 연통을 위해, 입구, 출구, 필터 플레이트 및 백커 플레이트는 수거 챔버로부터 밀폐되는 코어 개구의 범위를 정하며, 필터 플레이트는 코어 개구와 연통되고 그로부터 연장되는 적어도 하나의 필터 통로를 가지고, 백커 플레이트는 필터 통로 내의 액체를 분리 챔버에 안내하기 위한 요홈을 가지며, 분리 챔버는 필터 팩에 의해 분리된 액체를 배수시키기 위한 배수 출구를 갖는 것인 분리 모듈.
  14. 제1항에 있어서, 필터 유닛은 기공 크기가 0.00003 내지 0.005 in2인 복수의 필터 슬롯을 포함하는 것인 분리 모듈.
  15. 제1항에 있어서, 필터 유닛은 전체 필터 표면에 대한 전체 기공 면적으로 측정하였을 때 기공율이 5% 내지 40%인 분리 모듈.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 필터 유닛은 100 내지 5000 psig의 압력에서 작동하도록 구성되는 것인 분리 모듈.
  17. 제16항에 있어서, 필터 유닛은 2500 내지 3000 psig의 압력에서 작동하도록 구성되는 것인 분리 모듈.
  18. 바이오매스를 셀룰로오스계 에탄올로 가수분해하고 발효시키기 전에 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 연속식으로 전처리하기 위한 방법이며, 상기 방법은
    제1 압출기에서 바이오매스를 물 또는 공정 화학물질과 혼합하여 습윤 가압된 바이오매스를 제공하는 단계;
    제1 압출기로부터의 습윤 가압된 바이오매스를, 압력 하에, 가압된 수직방향 반응기에 전달하여 수직형 반응기 내 공정 화학물질 및 수증기에 노출시켜 부분 전처리된 바이오매스를 생성하는 단계;
    부분 전처리된 바이오매스를 반응기 내의 압력 하에 제2 압출기로 전달하여, 부분 전처리된 바이오매스를 반응기 내의 압력보다 높은 압력에 노출시키는 단계;
    제2 압출기에서, 추출물을 상기 부분 전처리된 바이오매스로부터 제거하는 단계;
    선택적으로 세정액을 사용하여, 추출된 바이오매스를 생성하는 단계;
    추출된 바이오매스를 제2 압출기의 출구 단부에서 폭발적으로 팽창시켜 팽창 바이오매스를 생성하는 단계; 및
    팽창된 바이오매스를 고체 및 기체로 분리시키는 단계.
  19. 제18항에 있어서, 추출물을 제거시키는 단계 이전의 세정 단계를 포함하며, 상기 세정 단계는 부분 전처리된 바이오매스를 세정하기 위해 세정액을 제2 압출기에 넣는 단계와, 세정된 바이오매스를 제공하는 단계와, 부분 처리된 바이오매스를 세정 단계 말미에 깨끗한 세정액으로 세정하기 위해 세정액을 부분 전처리된 바이오매스의 흐름에 대해 이동시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  20. 제19항에 있어서, 폭발적 팽창 이전에 기체 또는 초임계 유체를 세정된 바이오매스에 주입시켜, 폭발적 팽창 동안 바이오매스의 폭발력을 향상시키는 추가 단계를 포함하는 것인 방법.
  21. 제19항에 있어서, 세정 및 추출물 제거의 반복적 단계를 포함하는 것인 방법.
  22. 제18항에 있어서, 부분 전처리된 바이오매스를 제2 압출기에서 고온 및 고압 상태인 수증기에 노출시키고, 제2 압출기 내의 혼련 부재 및 혼합 부재에 의해 바이오매스를 혼련 및 혼합시키는 적어도 하나의 가압 및 혼련 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  23. 바이오매스를 셀룰로오스계 에탄올로 가수분해하고 발효시키기 전에 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 연속식으로 전처리하기 위한 시스템이며, 상기 시스템은
    연속적 고압 바이오매스 공급물을 제공하기 위한 제1 압출기;
    제1 압출기로부터 고압 바이오매스 공급물을 공급받은 후, 바이오매스를 부분 전처리하여 부분 전처리된 바이오매스를 생성하고, 제1 압출기로부터 압력 플러그를 제공받으며, 최대 350 psig의 압력과 최대 425oF(225℃)의 온도를 유지하는 가압 수직형 반응기;
    부분 전처리된 바이오매스를 반응기로부터 반응기 압력에서 공급받고, 부분 전처리된 바이오매스를 반응기 압력보다 높은 압력에 노출시키며, 적어도 한 단계가 제2 압출기에 있는 바이오매스로부터 유체를 제거시키기 위한 고체/유체 분리 모듈을 포함하는 다중 단계를 포함하는 제2 압출기;
    씰을 통해 제2 압출기를 빠져 나오는 세정된 바이오매스의 폭발적 팽창을 제공하기 위해 제2 압출기의 출구 단부에 위치하는 동적 씰; 및
    팽창된 바이오매스를 공급받고, 팽창된 바이오매스를 고체 및 기체로 분리시키도록 제2 압출기에 연결된 분리기
    를 포함하는 것인 시스템.
  24. 제21항에 있어서, 제2 압출기 내 적어도 하나의 단계와, 제2 압출기의 출구 단부에 인접한 분리 모듈의 상류방향으로 세정액을 투입하기 위한 세정액 투입 장치를 더 포함하는 것인 시스템.
  25. 제22항에 있어서, 연속적 세정 영역들을 제공하기 위해 제2 압출기는 다수의 분리 모듈 및 세정액 주입 장치를 포함하는 것인 시스템.
  26. 제23항에 있어서, 압출기는 상기 압출기를 관통하는 부분 전처리된 바이오매스를 혼련 및 혼합하기 위한 혼련 및 혼합 구조체를 더 포함하는 것인 시스템.
  27. 도 1을 참조하여 기재된 바와 같고, 기재된 공정 단계들 중 하나 이상을 포함하는 것인 바이오매스 처리 방법.
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