KR20230115979A - 압출기 장비용 인젝터 시스템 - Google Patents

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KR20230115979A
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KR
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injectors
diameter
extruder
assembly
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KR1020237014781A
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샤론 삼짓싱
스캇 터드만
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아팔타 패튼스 오위
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Publication date
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Abstract

압출기 및 밸브 시스템은 전처리를 위한 물 또는 다른 유체 및/또는 증기를 제공하기 위해 복수의 인젝터 조립체를 사용하여 바이오매스 스트림을 운반하기 위한 도관을 포함한다. 조립체의 각각의 인젝터가 압출기의 해당 포트에 연결된다. 포트는 바이오매스 또는 다른 재료의 가공을 위한 적절한 양의 유체 또는 증기를 전달하기 위해 압출기 또는 그 너머의 개별 위치에 배치될 수 있다.

Description

압출기 장비용 인젝터 시스템
교차 참조
본 출원은, 각각 전체적으로 참조로서 본원에 인용된, 2020년 10월 2일에 출원된 미국 가출원 제 63/087,077 호, 2021년 2월 6일에 출원된 미국 가출원 제 63/146,608 호 및 2021년 2월 25일에 출원된 미국 가출원 제 63/153,740 호의 이득을 청구한다.
리그노셀룰로오스 바이오매스의 전처리는 이러한 바이오매스로부터 당과 리그닌을 얻기 위한 필수적인 단계이며, 리그노셀룰로오스의 저항성 구조의 파괴 및 탄수화물에 대한 효소 가수분해제의 접근을 촉진하는 것을 목적으로 한다. 지난 몇 년 동안 조사된 다양한 전처리 기술 중에서, 압출은 유망한 열 기계적 전처리이다. 이것은 혼합 및 열 전달 능력이 우수하고 매우 다재다능한 연속 공정일 수 있으며, 높은 고형물 적재량에서 작동할 수 있다. 그러나, 바이오매스 가공의 잠재력을 발휘하려면 압출 설계를 여전히 개선할 필요가 있다. 예를 들어, 수 톤의 바이오매스를 지속적으로 분해하려면 압출기의 크기를 확대해야 할 뿐만 아니라 필요한 압력, 온도, 및 화학 물질을 유지하기 위해 많은 양의 액체와 증기의 투입을 증가시켜야 한다.
바이오매스 가공에 있어서, 압출기는 하나 이상의 반응 구역을 생성하며 전처리 중에 이러한 구역의 압력과 온도를 증가시키기 위해 증기의 추가를 허용하도록 설계된 스크류로 구성될 수 있다. 그러나, 배럴 직경이나 압출기 길이가 상업용도를 위해 증가됨에 따라, 재료를 가공하기 위해 배럴의 높은 압력과 온도를 유지하기 위해 추가로 증기가 도입되어야 한다. 가공 중인 재료에 너무 적은 압력이 가해지거나 너무 낮은 온도에 도달한다면, 최종 생성물이 덜 익혀질 수도 있으며 원하는 생성물 수율의 손실이 발생할 수도 있다. 가공 중 다양한 시간에 물, 산 또는 염기와 같은 기타 액체가 또한 필요할 수도 있다. 상업적으로 실행 가능한 압출 시스템을 통해 보내지는 바이오매스 재료의 부피와 속도를 감안할 때, 종래의 인젝터 조립체가 부적절해지며 막히거나 역류하기 쉽다.
과거에는 압출기 배럴 내부에서 적절한 수준의 압력, 가공의 제어 및 액체 제어를 달성하고 유지하기 위해 다양한 접근 방식이 사용되었다. 예를 들어, 압출기 스크류의 길이를 따라 하나 이상의 전단 잠금 장치를 설치하는 것이 알려져 있다. 그러나, 이들 장치는 조정 가능하지 않다. 가변 제한 장치가 또한, 흐름 제한의 이동 중 변경을 허용하기 위해 과거에도 제안된 바 있다. 예를 들어, 미국 특허 제 4,136,968 호에는 이축 압출기와 함께 사용하도록 특별히 개작되었지만, 다른 유형의 압출기에는 사용할 수 없으며 생성할 수 있는 제한 정도에 제한이 있는 흐름 제한 장치가 설명되어 있다.
이에 따라, 종래 시스템의 설계 및 막힘 문제 없이 고출력 바이오매스 압출기 시스템 상에서 효율적으로 작동할 수 있는 개선된 압출기 인젝터 조립체에 대한 당업계의 요구가 있다.
하나 이상의 첨가제를 재료 내로 도입하기 위한 시스템으로서, 인젝터의 조립체로서, 상기 인젝터가 2 mm 내지 6 mm의 범위의 직경의 내부 보어를 포함하는 것인, 인젝터 조립체; 상기 인젝터 조립체 내의 물질의 흐름을 제어하기 위한 매니폴드; 상기 인젝터 내의 물질의 흐름을 독립적으로 제어하기 위해 각각의 인젝터용으로 상기 매니폴드에 통합된 밸브; 및 첨가제의 공급부를 포함하는 시스템이 본원에 제공된다. 일부 실시예에서, 상기 첨가제가 액체 또는 증기이다. 일부 실시예에서, 상기 첨가제가 물이다. 일부 실시예에서, 상기 첨가제가 산이다. 일부 실시예에서, 상기 첨가제가 증기이며, 상기 증기가 약 80 psi 내지 600 psi의 압력에 있다. 일부 실시예에서, 상기 첨가제가 증기이며, 상기 증기가 약 150 psi의 압력에 있다. 일부 실시예에서, 상기 첨가제가 증기이며, 상기 증기가 약 200 psi의 압력에 있다. 일부 실시예에서, 상기 첨가제가 증기이며, 상기 증기가 약 250 psi의 압력에 있다. 일부 실시예에서, 상기 첨가제가 증기이며, 상기 증기가 약 300 psi의 압력에 있다.
일부 실시예에서, 상기 재료가 바이오매스를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 재료가 바이오매스를 포함하며, 상기 재료가 도관의 내부에 있다. 일부 실시예에서, 상기 도관이 압출기를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 도관이 배출 밸브를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 약 2 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 약 2.5 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 약 3 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 약 3.5 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 약 4 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 약 4.5 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 약 5 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 약 5.5 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 약 6 mm의 직경을 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 인젝터 조립체가 2개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터 조립체가 4개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터 조립체가 6개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터 조립체가 8개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터 조립체가 10개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터 조립체가 12개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터 조립체가 14개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터 조립체가 16개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 재료가 반응 구역 내부의 바이오매스로 구성된다.
압출기 배럴 또는 밸브 몸체 내로 액체 또는 증기를 주입하기 위한 방법으로서, 상기 압출기 배럴의 외벽 또는 상기 밸브 몸체의 외벽을 관통하는 복수의 주입 포트를 제공하는 단계; 인젝터를 상기 복수의 주입 포트 내로 도입하는 단계; 상기 압출기 배럴 또는 상기 밸브 몸체 내에 150 psi 내지 800 psi의 압력을 유지하기 위해 상기 압출기 배럴 또는 상기 밸브 몸체 내로 증기를 주입하는 단계; 및 상기 압출기 배럴 또는 밸브 몸체 내로 액체를 주입하는 단계를 포함하는 방법이 본원에 제공된다.
압출기 배럴 또는 밸브 몸체 내로 액체 및 증기를 주입하기 위한 방법으로서, 상기 압출기 배럴 또는 상기 밸브 몸체를 관통하는 복수의 주입 포트를 제공하는 단계; 인젝터를 상기 복수의 주입 포트 내로 도입하는 단계; 및 상기 압출기 배럴 또는 상기 밸브 몸체 내에 150 psi 내지 800 psi의 압력을 유지하기 위해 상기 압출기 배럴 또는 상기 밸브 몸체 내로 액체 및 증기를 주입하는 단계를 포함하는 방법이 본원에 제공된다.
일부 실시예에서, 상기 인젝터가 직경이 2 mm 내지 6 mm인 노즐 보어를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터가 직경이 2 mm 내지 4 mm인 노즐 보어를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터가 직경이 2 mm 내지 3 mm인 노즐 보어를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터가 직경이 약 2 mm인 노즐 보어를 포함한다. 일부 실시예에서, 1일당 적어도 1 건조 톤의 바이오매스를 전처리하기 위해, 방법이 배럴을 포함하는 압출 시스템 내로 하루에 바이오매스의 적어도 1 건조 미터톤(MT)의 비율로 바이오매스를 공급하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 배럴은 피더(feeder) 구역 및 반응 구역을 포함하는 내부 챔버를 포함하며, 상기 압출 시스템은, 상기 피더 구역과 상기 반응 구역을 분리하는 고압 구역에서 상기 바이오매스를 압축하여 증기 불침투성 플러그가 형성되도록, 그리고 내부 노즐 보어 직경이 6 mm 이하인 증기 인젝터의 조립체가 상기 반응 구역에 압력과 고온을 제공하도록, 구성 및 배열된다.
하나 이상의 인젝터의 조립체를 포함하는 압출기 시스템으로서, 상기 인젝터가 직경이 6 mm 이하인 노즐 보어를 포함하는 것인, 압출기 시스템이 본원에 제공된다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터가 상기 압출기 보어에 150 psi 내지 800 psi의 압력으로 증기를 제공한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터가 4 mm 이하의 내부 보어 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터가 2 mm 이하의 내부 보어 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 압출기 시스템이 적어도 2개의 인젝터 조립체, 적어도 3개의 인젝터 조립체, 또는 적어도 4개의 인젝터 조립체를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 내부 보어가 약 2 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 내부 보어가 약 2.5 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 내부 보어가 약 3 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 내부 보어가 약 3.5 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 내부 보어가 약 4 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 내부 보어가 약 4.5 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 내부 보어가 약 5 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 내부 보어가 약 5.5 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터의 내부 보어가 약 6 mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 하나 이상의 인젝터의 조립체가 2개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 하나 이상의 인젝터의 조립체가 4개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 하나 이상의 인젝터의 조립체가 6개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 하나 이상의 인젝터의 조립체가 8개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 하나 이상의 인젝터의 조립체가 10개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 하나 이상의 인젝터의 조립체가 12개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 하나 이상의 인젝터의 조립체가 14개 이상의 인젝터를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 하나 이상의 인젝터의 조립체가 16개 이상의 인젝터를 포함한다.
인젝터 노즐의 조립체용 나선형 또는 동심 포트를 구비한 배럴 섹션을 포함하는 압출기 시스템이 본원에 제공된다. 일부 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 적어도 4개의 포트를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 적어도 6개의 포트를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 적어도 8개의 포트를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 적어도 10개의 포트를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 적어도 12개의 포트를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 적어도 14개의 포트를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 적어도 16개의 포트를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 압출기 시스템이 2개 이상의 배럴 섹션을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 다른 배럴 섹션과 교체 가능하다. 일부 실시예에서, 상기 나선형 또는 동심 포트가 상기 배럴 섹션에 수직이다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터가 재료의 건조 중량당 30% 내지 50%의 증기를 주입할 수 있게 되어 있다.
하나 이상의 첨가제를 재료 내로 도입하기 위한 시스템으로서, 2 mm 내지 6 mm의 범위의 직경의 내부 보어를 갖는 인젝터의 적어도 하나의 조립체; 상기 조립체 내의 물질의 흐름을 제어하기 위한 매니폴드; 상기 인젝터 내의 물질의 흐름을 독립적으로 제어하기 위해 각각의 인젝터용으로 상기 매니폴드에 통합된 밸브; 및 적어도 하나의 첨가제의 공급부를 포함하는 시스템이 본원에 제공된다. 일부 실시예에서, 상기 첨가제가 액체 또는 증기이다. 일부 실시예에서, 상기 첨가제가 물 또는 산이다. 다른 실시예에서는, 상기 첨가제가 80 psi 내지 600 psi의 압력에 있는 증기이다. 다른 실시예에서는, 상기 첨가제가 80 psi 내지 600 psi의 압력에 있는 증기이다. 다른 실시예에서는, 상기 첨가제가 150 psi의 압력에 있는 증기이다. 다른 실시예에서는, 상기 첨가제가 200 psi의 압력에 있는 증기이다. 다른 실시예에서는, 상기 첨가제가 250 psi의 압력에 있는 증기이다. 다른 실시예에서는, 상기 첨가제가 300 psi의 압력에 있는 증기이다. 일 실시예에서, 상기 재료가 도관 내의 바이오매스로 구성된다. 또 다른 실시예에서, 상기 도관이 압출기이다. 또 다른 실시예에서, 상기 도관이 압출기와 배출 밸브를 포함한다.
상기 인젝터의 상기 내부 보어가 2 mm, 또는 2.5 mm, 또는 3 mm, 또는 3.5 mm, 또는 4 mm, 또는 4.5 mm, 또는 5 mm, 또는 5.5 mm, 또는 6 mm의 직경을 갖는 위에 설명된 시스템이 또한 본원에 개시된다. 일부 실시예는 2개 이상의 인젝터, 4개 이상의 인젝터, 6개 이상의 인젝터, 8개 이상의 인젝터, 10개 이상의 인젝터, 12개 이상의 인젝터, 14개 이상의 인젝터, 16개 이상의 인젝터로 구성되는 조립체를 추가로 포함한다. 또 다른 실시예에서, 상기 재료가 반응 구역 내부의 바이오매스로 구성된다.
압출기 배럴 또는 밸브 몸체 내로 액체 또는 증기를 주입하기 위한 방법으로서, 복수의 주입 포트가 보어까지 상기 압출기 배럴의 외벽 또는 밸브 외벽을 관통하도록 하는 단계; 인젝터를 상기 주입 포트 내로 포함시키는 단계; 도관 내에 150 psi 내지 800 psi의 압력을 유지하기 위해 상기 압출기 배럴 또는 밸브 내로 증기를 주입하는 단계; 및 상기 압출기 배럴 또는 밸브 내로 액체를 주입하는 단계를 포함하는 방법이 또한 본원에 개시된다.
추가의 실시예에서, 압출기 배럴 또는 밸브 몸체 내로 액체 및 증기를 주입하기 위한 방법으로서, 복수의 주입 포트가 보어까지 상기 압출기 배럴 또는 밸브 몸체를 관통하도록 하는 단계; 인젝터를 상기 주입 포트 내로 포함시키는 단계; 및 상기 구역 내부에 150 psi 내지 800 psi의 압력을 유지하기 위해 상기 압출기 배럴 또는 밸브 내로 액체 및 증기를 주입하는 단계를 포함하는 방법이 개시된다.
일부 실시예에서, 상기 인젝터 노즐 보어 직경이 2 mm 내지 6 mm이다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터 노즐 보어 직경이 2 mm 내지 4 mm이다. 다른 실시예에서는, 상기 인젝터 노즐 보어 직경이 2 mm 내지 3 mm이다. 또 다른 실시예에서, 상기 인젝터 노즐 보어 직경이 2 mm이다.
1일당 적어도 1 건조 톤의 바이오매스를 전처리하기 위해, 방법이 피더(feeder) 구역 및 반응 구역을 포함하는 내부 챔버를 획정하는 배럴을 포함하는 압출 시스템 내로 하루에 바이오매스의 적어도 1 건조 미터톤(MT)의 비율로 바이오매스를 공급하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 압출 시스템은, 상기 피더 구역과 상기 반응 구역을 분리하는 고압 구역에서 상기 바이오매스를 압축하여 증기 불침투성 플러그가 형성되도록, 그리고 내부 노즐 보어 직경이 6 mm 이하인 증기 인젝터의 적어도 하나의 조립체가 상기 반응 구역에 압력과 고온을 제공하도록, 구성 및 배열되는 것인, 방법이 또한 개시된다.
내부 노즐 보어 직경이 6 mm 이하인 하나 이상의 인젝터의 적어도 하나의 조립체를 구비한 압출기 시스템이 또한 개시된다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터가 압출기 보어에 150 psi 내지 800 psi의 압력으로 증기를 제공한다. 일부 실시예에서, 상기 인젝터가 4 mm 이하의 내부 보어 직경을 갖는다. 다른 실시예에서는, 상기 인젝터가 2 mm 이하의 내부 보어 직경을 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 시스템이 적어도 2개의 인젝터 조립체, 적어도 3개의 인젝터 조립체, 또는 적어도 4개의 인젝터 조립체로 구성된다. 또 다른 실시예에서, 상기 인젝터의 내부 보어가 2 mm의 직경을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 상기 인젝터의 내부 보어가 2.5 mm, 또는 3 mm, 또는 3.5 mm, 또는 4 mm, 또는 4.5 mm, 또는 5 mm, 또는 6 mm의 직경을 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 조립체가 2개 이상의 인젝터로 구성된다. 일부 실시예에서, 상기 조립체가 4개 이상의 인젝터로 구성된다. 일부 실시예에서, 상기 조립체가 6개 이상의 인젝터로 구성된다. 일부 실시예에서, 상기 조립체가 8개 이상의 인젝터로 구성된다. 일부 실시예에서, 상기 조립체가 10개 이상의 인젝터로 구성된다. 일부 실시예에서, 상기 조립체가 12개 이상의 인젝터로 구성된다. 일부 실시예에서, 상기 조립체가 14개 이상의 인젝터로 구성된다. 일부 실시예에서, 상기 조립체가 16개 이상의 인젝터로 구성된다.
인젝터 노즐의 조립체용 나선형 또는 동심 포트를 구비한 적어도 하나의 배럴 섹션을 포함하는 압출기 시스템이 또한 본원에 개시된다. 일부 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 적어도 4개의 포트를 구비한다. 다른 실시예에서는, 상기 배럴 섹션이 적어도 6개의 포트를 구비한다. 일부 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 적어도 8개의 포트를 구비한다. 일부 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 적어도 10개의 포트를 구비한다. 추가의 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 적어도 12개의 포트를 구비한다. 또 다른 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 적어도 14개의 포트를 구비한다. 일부 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 적어도 16개의 포트를 구비한다.
일부 실시예에서, 상기 압출기 시스템이 적어도 2개의 배럴 섹션을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 배럴 섹션이 다른 배럴 섹션과 교체 가능하다. 일부 실시예에서, 상기 나선형 또는 동심 포트가 상기 배럴 섹션에 수직이다.
인젝터가 재료의 건조 중량당 30% 내지 50%의 증기를 주입할 수 있게 되어 있는 것인 압출기 시스템이 또한 본원에 개시된다.
참조 인용
본 명세서에 언급된 모든 공보, 특허, 및 특허 출원은 각각의 개별 공보, 특허, 또는 특허 출원이 구체적으로 및 개별적으로 표시되어 참조로서 인용되었던 것과 동일한 정도로 본원에 참조로서 인용된다.
본 발명의 신규 특징이 첨부된 청구범위에 구체적으로 명시된다. 본 발명의 원리가 활용되는 예시적인 실시예를 설명하는 아래의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 특징 및 장점이 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 밸브 조립체를 갖는 이축 압출기의 종단면을 나타내는 모식도이다.
도 2는 인젝터용 보어와 압출기 배럴 섹션의 종방향 모습을 보여주는 모식도이다.
도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d, 도 3e 및 도 3f는 배럴 섹션 내의 상이한 인젝터용 보어의 종방향 모습(도 3a, 도 3c, 도 3e) 및 횡단면(도 3b, 도 3d, 도 3f)을 나타내는 모식도이다.
도 4는 인젝터의 배치를 나타내는 밸브 몸체의 종방향 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 인젝터의 종방향 도면이다.
도 6은 매니폴드에 부착된 인젝터 조립체와 함께 압출기 및 배출 밸브를 나타내는 모식도이다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수 표현 및 "상기"는 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상물을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "정제된 단량체(purified monomer)"에 대한 언급이 2개 이상의 정제된 단량체의 혼합물을 포함한다. 본원에 사용된 바와 같은 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 "포함하는(including)", "수용하는(containing)" 또는 "특징으로 하는(characterized by)"과 동의어이며, 포괄적이거나 개방적인 의미이며, 추가의 언급되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다.
"약(about)"은 참조 숫자 표시의 플러스 또는 마이너스 10%의 해당 참조 숫자 표시를 의미한다. 예를 들어, 용어 약 4는 3.6 내지 4.4의 범위를 포함할 것이다. 본 명세서에 사용된 성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자는 모든 경우에 "약"이라는 용어에 의해 수정되는 것으로서 이해되어야 한다. 이에 따라, 달리 나타내지 않는 한, 본원에 제시된 수치 매개 변수는 획득될 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 아주 최소한, 본 출원에 대한 우선권을 주장하는 임의의 출원의 임의의 청구 범위로 등가물 원리의 적용을 제한하려는 시도로서가 아니라, 각각의 수치 매개 변수는 유효 자릿수와 일반적인 반올림 방식을 고려하여 해석되어야 한다.
본원에서 "예를 들어(for example)", "~와 같은(such as)", "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", "수용하는(containing)" 등의 문구가 사용되는 어디에서나, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "그리고 제한 없이(and without limitation)"라는 문구가 뒤따르는 것으로 이해된다. 이 때문에, "예를 들어 리그닌 생산"은 "예를 들어 그리고 제한 없이 리그닌 생산"을 의미한다.
본 명세서 및 이어지는 청구범위에서, 이하의 의미를 갖는 것으로 정의될 다수의 용어가 참조될 것이다.
"선택적(optional)" 또는 "선택적으로(optionally)"는 이후에 설명된 이벤트 또는 상황이 발생할 수도 또는 발생하지 않을 수도 있으며, 또한 설명에 상기 이벤트 또는 상황이 발생하는 경우와 발생하지 않는 경우가 포함된다는 것을 의미한다. 예를 들어, "매질이 선택적으로 글루코스를 함유할 수 있다"는 문구는 매질이 일 성분으로서 글루코스를 함유할 수도 함유하지 않을 수도 있으며, 또한 설명이 글루코스를 함유하는 매질과 글루코스를 함유하지 않는 매질 모두를 포함한다는 것을 의미한다.
달리 특성화되지 않는 한, 본원에 사용된 기술 용어 및 과학 용어는 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
정의
본원에 사용된 바와 같은 "바이오매스(biomass)"라는 용어는 당업자에게 공지된 바와 같은 통상적인 의미를 가지며, 바이오연료, 화학 물질 또는 기타 생성물로 전환될 수 있는 하나 이상의 탄소질 생물학적 재료를 포함할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같은 바이오매스는 "공급 원료(feedstock)"라는 용어와 동의어이며, 사일리지(silage), 농업 잔류물(옥수수 줄기, 풀, 짚, 곡물 껍질, 사탕수수 등), 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 동물 폐기물(소, 가금류 및 돼지의 거름), 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료(목재 또는 나무껍질, 톱밥, 나무 조각, 목재 펠릿, 목재 슬래시, 및 밀 스크랩), 도시 폐기물(폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물 등) 및 에너지 작물(포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 프레리 블루스템, 녹조 식물, 갈조 식물, 홍조 식물의 구성물과 같은 대형 조류를 포함하는 조류 등)을 포함한다. 바이오매스의 예시적인 일 공급원은 식물 물질이다. 식물 물질은, 예를 들어, 목질 식물 물질, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 사탕수수, 목초, 스위치그래스, 수수, 고 바이오매스 수수, 대나무, 조류, 및 이들로부터 유도된 재료일 수 있다. 식물은 그 자연 상태로 있거나, 예를 들어, 세포 벽의 셀룰로오스 또는 헤미셀룰로오스 부분을 증가시키기 위해 또는 추가의 외인성 또는 내인성 효소를 생성하여 세포 벽 성분의 분리를 증가시키기 위해 유전적으로 변형될 수 있다. 식물 물질은, 단백질, 다당류 및 오일과 같은, 존재하는 화학 종을 참조하여 추가로 설명될 수 있다. 다당류는 포도당, 과당, 유당, 갈락투론산, 람노오스 등을 포함하는 다양한 단당류 및 단당류 유도체의 폴리머를 포함한다. 식물 물질은 또한, 찌꺼기, 옥수수 침지액, 옥수수 속대, 옥수수 섬유, 옥수수 침지 고형물, 증류기 곡물, 껍질, 피트, 발효 폐기물, 짚, 목재, 하수, 쓰레기 및 음식물 찌꺼기와 같은 농업 폐기물 부산물 또는 사이드 스트림(side stream)을 포함한다. 껍질은 귤 껍질, 자몽 껍질, 오렌지 껍질, 귤 껍질, 라임 껍질 및 레몬 껍질을 포함하지만 이에 제한되지 않는 감귤일 수 있다. 이러한 재료는 농장, 임업, 산업 자원, 가정 등에서 나올 수 있다. 바이오매스의 또 다른 비제한적인 예는, 예를 들어, 우유, 뼈, 고기, 지방, 동물 가공 폐기물, 및 동물 폐기물을 포함하는 동물성 물질이다. "공급 원료"는 본원에 설명된 것과 같은 공정에 사용되는 바이오매스를 지칭하기 위해 자주 사용된다.
"전처리(pretreatment)" 또는 "전처리된(pretreated)"은 바이오매스가 효소 및/또는 미생물에 의한 공격에 더 취약해지도록 바이오매스의 파괴 또는 팽창을 달성하는, 조합 단계이든지 또는 순차적으로 수행되든지, 임의의 기계적, 화학적, 열적, 생화학적 공정 또는 이들 공정의 조합을 지칭하기 위해 본원에서 사용되며, 방출된 탄수화물 폴리머 또는 올리고머의 모노머로의 효소적 가수분해를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전처리는, 예를 들어, 산 또는 염기에 의한 처리에 의해 식물 바이오매스 내의 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 폴리머를 셀룰로오스 분해 효소 및/또는 미생물에 보다 유용하게 만들기 위한 리그닌의 제거 또는 파괴를 포함한다. 일 실시예에서, 전처리는 셀룰로오스 및/또는 헤미셀룰로오스 재료의 파괴 또는 팽창을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 이것은 전분 방출 및/또는 포도당으로의 효소적 가수분해를 의미할 수 있다. 증기 폭발 및 암모니아 섬유 팽창(또는 폭발)(AFEX)은 잘 알려진 열/화학 기술이다. 산, 염기 및/또는 효소를 활용하는 방법을 포함한 가수분해가 사용될 수 있다. 기타 열, 화학, 생화학, 효소 기술이 또한 사용될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "증기 폭발(steam explosion)"은 고압 증기를 사용하여 고분자 성분 간의 결합을 방해하며 감압을 사용하여 리그노셀룰로오스 구조를 파괴하는 물리 화학적 방법이다. 이 방법에서는 리그노셀룰로오스 슬러리가 약간의 시간 동안 고압 증기로 처리된 다음, 대기압으로 빠르게 감압된다.
본원에서 의도된 바와 같이, "액체" 조성물이 고체를 함유할 수도 있으며, "고체" 조성물이 액체를 함유할 수도 있다. 액체 조성물은 재료가 주로 액체인 조성물을 일컬으며, 고체 조성물은 재료가 주로 고체인 조성물을 일컫는다. "슬러리(slurry)"는 액체에 용해되거나 용해되지 않은 고체를 의미한다.
설명
이하의 설명 및 예는 본 개시의 몇몇 예시적인 실시예를 상세히 예시한다. 당업자는 본 개시의 범위에 포함되는 본 개시의 수많은 변형예 및 수정예가 있다는 것을 인식할 것이다. 이에 따라, 특정 실시예에 대한 설명이 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
음식 압출 가공의 역사가 1800년대 후반으로 거슬러 올라가긴 하지만, 이 공정의 제어와 새로운 압출 생성물의 설계는 여전히 대부분 제한된 경험적 지식에 기반한다. 바이오매스의 전처리와 관련하여, 압출은 재료를 혼합, 가열 및 전단하여 물리적 및 화학적 개질을 초래하는 비교적 신규의 전처리이다. 배치(batch) 모드에서도 결과가 일관되지 않을 수 있으며, 높은 당도와 깨끗한 리그닌 산출물을 제공하는 대신, 변동 압력, 화학 물질, 및 재료의 일관되지 않은 크기로 인해 부산물과 낮은 수율이 야기된다.
식품, 동물 사료, 및 플라스틱 재료의 압출 가공이 수년 동안 실행되어 왔다. 압출기를 이용한 바이오매스 가공도 시도되었으나, 최근까지 이러한 다루기 힘든 이질적인 재료를 다루는 작업의 어려움과 다양한 수분 함량 때문에 그다지 성공적이지 못했다. 바이오매스는 일반적으로, 식물 세포벽, 주로 리그닌, 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스의 가교 매트릭스로 구성된다. 이러한 재료의 비율과 조성은 식물 종마다, 심지어 환경적인 변수에 따라 다를 수 있다.
그러나 최근에는, 대량 전처리(mass pretreatment)가 경제적인 곳에서 이러한 재료를 취급할 수 있도록 압출기 공정이 개선되었다. 예를 들어, 미국 특허 제 10,844,413 호를 참조한다. 장기간의 시간 동안 챔버 내에 바이오매스 재료를 보유하는 현재의 방법과 달리, 이러한 재료를 가공하면 열 및 화학적 처리 하에서의 긴 체류 시간을 피할 수 있어, 이에 의해, 다른 바이오매스 성분으로부터의 탄수화물 재료(단량체 및 중합체 당 모두)의 분리를 허용하면서, C5 당, 단백질 및 리그닌이 하이드록시메틸 푸르푸랄(HMF) 및 푸르푸랄과 같은 바람직하지 않은 생성물로 분해되는 것을 피할 수 있다는 것이 발견되었다. 전처리 중에 일반적으로 형성되는 억제제에는 아세트산(C5 당의 방출 중에 형성됨), 그리고 또한 포름산, 푸르푸랄 및 HMF가 포함된다. 후자의 세 가지 화합물의 형성은 전처리 동안의 온도, 압력 및 바이오매스 체류 시간에 따라 크게 달라진다.
바이오매스 재료를 성공적으로 가공하려면 공정의 정확한 시간에 정확한 양의 증기 또는 액체를 투입하여야 한다. 그러나, 일 양태에서, 미국 특허 제 10,844,413 호에 기재된 바와 같이 공정 전반에 걸친 균일한 처리의 중요성을 이해하면, 다른 전처리 수단에서 발견되는 수준의 억제제 없이 원하는 생성물을 매우 높은 수율로 얻을 수 있다. 이것은 특히, 바이오매스에 적용되는 압력, 온도 및 전처리 시간에 해당된다.
그러나, 이 공정을 확장할 경우, 인젝터 노즐의 막힘 문제가 더욱 두드러지게 되며, 연속적인 또는 배치식 전처리를 방해할 수 있다. 종래의 인젝터는 12 mm를 넘는 큰 보어를 갖도록 제조되며, 종종 제한 요소를 수용한다. 압출기 상에 사용되는 이러한 노즐의 예가 미국 특허 제 7,521,076 호, 제 7,988,884 호, 제 9,931,603 호, 제 8.858,065호, 및 제 8,967,849 호에 설명되어 있다. 이러한 인젝터가 통합된 설명된 공정은 전형적으로, 바이오매스를 성공적으로 가공하는 데 필요한 것보다 더 적은 증기 및 더 적은 화학 물질의 사용을 교시한다. 바이오매스를 신속히 효율적으로 가공하기 위해서는 전처리 시간이 감소되어야 하며, 반응 시간 주기에 걸쳐 균일하게 일반 증기 및 화학 물질보다 더 많이 재료가 노출되어야 한다. 그러나, 보어가 클수록 이러한 조건 하에서 쉽게 막힌다. 또한, 인젝터의 수가 적으면 압출기 배럴 섹션을 통해 빠르게 이동하는 재료에 신속하게 도달하는 데 적합하지 않다.
일 양태에서, 본원에 설명된 인젝터 조립체는 위에서 설명한 문제를 극복하며, 배치 모드 또는 연속 모드에서 20 중량% 위의 상승된 양의 식물 및 섬유질 재료를 포함하는 바이오매스의 경제적인 고용량 생산을 허용한다.
또한, 결정질 셀룰로오스의 가용화는 짧은 노출 시간에 의해 방해받지 않는다는 것이 발견되었다. 본원에 제공된 방법은 또한, 바이오매스에 대한 처리 반응물의 접근을 개선하기 위해 바이오매스가 균일하게 가열 및 가압되도록 허용한다. 이 공정 동안, 바이오매스를 더 작은 입자로 전단할 수 있는 농축된 덩어리(플러그)가 생성될 수 있으며, C6 폴리머를 방출 및 용해하는 동시에 C5 폴리머를 가수분해 및 방출하기 위해 반응물의 접근을 추가로 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서, 증기 및 압력이 인가되며, 이어서 산이 추가되고, 마지막으로 신속하게 단부 밸브를 개방 및 폐쇄하여 재료를 대기압으로 방출하는 반응 구역을 통해 바이오매스가 이동된다. 전체 공정이 몇 초 이내에 일어날 수 있어, 당업계에 공지된 전처리 방법과 비교하여, 억제제 수준이 더 낮거나 감소된 열-기계적 및/또는 화학적으로-가수분해된 바이오매스가 초래된다.
일부 실시예에서, 바이오매스가 반응 구역에서 60초, 55초, 50초, 45초, 40초, 35초, 30초, 25초, 20초, 19초, 18초, 17초, 16초, 15초, 14초, 13초, 12초, 10초, 9초, 8초, 7초, 6초, 5초, 4초, 3초, 2초 또는 1초 미만 동안 처리된다. 일부 실시예에서, 바이오매스가 반응 구역에서 약 5초 내지 15초 동안 처리되며; 더 큰 시스템에서는, 바이오매스가 30초 이하 동안 처리되거나, 60초 이하 동안 처리된다. 또 다른 실시예에서는, 바이오매스가 상승된 온도 및/또는 압력에서 전처리될 수 있다. 일 실시예에서, 바이오매스가 20℃ 내지 400℃의 온도 범위에서 전처리된다. 또 다른 실시예에서는, 바이오매스가 약 20℃, 25℃, 30℃, 35℃, 40℃, 45℃, 50℃, 55℃, 60℃, 65℃, 80℃, 90℃, 100℃, 120℃, 150℃, 200℃, 250℃, 300℃, 350℃, 400℃ 이상의 온도에서 전처리된다. 또 다른 실시예에서는, 상승된 온도가 증기, 뜨거운 물, 또는 뜨거운 가스를 사용하여 제공된다. 일 실시예에서, 증기가 바이오매스 수용 용기 내로 주입될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 증기, 뜨거운 물, 또는 뜨거운 가스가 가열되지만 바이오매스와 직접 접촉하지 않도록 용기 재킷 내로 주입될 수 있다.
일반적으로, 본 발명에 따른 압출기는 그 일 단부에 인접한 유입구와 그 반대측 단부에 부착된 밸브 조립체 내로 재료가 유동하도록 하는 개구를 구비한 세장형 배럴을 포함한다. 이러한 목적의 압출기는 단일 스크류 압축기, 이축 압출기, 또는 삼중 스크류 압출기일 수 있으며, 이것은 스크류 요소가 압출기 배럴의 유입구와 유출구의 사이에 각각 1개 내지 3개의 축방향으로 회전 가능한 샤프트 상에 조립된다는 것을 의미한다.
압출기 내부의 스크류 요소는 입구 구성 요소 및 출구 구성 요소를 포함하는 단부 대 단부 정렬의 복수의 스크류 구성 요소를 포함하며, 각각의 스크류 구성 요소는 플라이팅(flighting) 직경을 나타내는 샤프트의 길이를 따라 외측으로 나선형으로 플라이팅 연장되는 세장형 샤프트, 유입구 섹션, 및 배출 섹션을 포함한다. 스크류 구성 요소는 더욱이, 입구 스크류 구성 요소의 배출 섹션이 출구 스크류 구성 요소의 유입구 섹션에 근접하는 상태로 단부 대 단부로 배열된다.
압출기의 섹션에서의 흐름 제한 및 더 큰 전단력을 제공하기 위해, 흐름 제한 요소 및/또는 교반 요소가 스크류 조립체 구성 요소의 배출 섹션과 유입구 섹션의 사이에 제공된다. 이들 요소는 재료로부터 플러그를 형성하여 압출기 내부에 구역을 형성하는 수단을 포함할 수 있다. 바람직한 양태에서, 피더 구역과 반응 구역을 분리하는 고압 구역에서 바이오매스를 압축하여 증기 불침투성 플러그가 형성된다. 이들은 스크류 요소가 아닌 바이오매스가 반응 구역 내로 전달되는 증기 및/또는 산에 대한 장벽을 형성하도록 바이오매스를 압축하여 형성된 하나 이상의 증기 투과성 플러그이다.
이 구역 내부에서 달성된 압력은, 유출구에서의 흐름 제한 밸브와 조합하여, 직접적인 증기 분사로부터 발산되며, 방향성 흐름을 돕고, 플러그가 압출기 피드로 증기가 역류하는(상류로 유동하는) 것을 방지하면서 시스템 내부에서의 난류 및 밀접한 혼합을 촉진하여, 이에 의해 단부 밸브와 협력하여 반응 구역에서 상승된 압력과 온도를 유지한다. 묽은 산(또는 가능하면 염기, 또는 가능하면 이온성 액체)이 또한, 전환 공정을 가속화하기 위해 반응 구역에 추가된다. 또한, 형성되는 고압 구역은 반응 구역에 반응성 재료 및 액체를 유지하여, 운반 구역에서 배럴 라이너 및 스크류 요소의 제조에 더 저렴하고 더 내구성이 있는 금속이 사용될 수 있도록 한다.
아래에 설명된 배출(단부) 밸브와 고압 구역의 형성을 묶어 압출기 내부에 실제로 형성되는 고압 반응 구역의 루프가 폐쇄된다. 반응 구역의 고압이, 고압 구역을 통한 증기의 역류 없이, 1 psi 내지 800 psi로, 그리고 심지어 1000 psi 넘게 획득되었다. 일 양태에서, 증기가 적어도 약 500 psi, 적어도 약 600 psi, 적어도 약 700 psi, 적어도 약 800 psi, 적어도 약 900 psi, 또는 적어도 약 1000 psi의 압력에 도달하여 유지된다. 이 압력은 적어도 약 1시간, 적어도 약 2시간, 적어도 약 4시간, 적어도 약 5시간, 적어도 약 6시간, 적어도 약 8시간, 적어도 약 10시간, 적어도 약 12시간, 적어도 약 13시간, 적어도 약 14시간, 적어도 약 15시간, 적어도 약 16시간, 적어도 약 17시간, 또는 적어도 약 18시간 이상 동안 유지된다. 이러한 경우에, 바이오매스 공급 속도가 약 60 건조 kg/시간 내지 약 350 건조 kg/시간의 범위에 있다.
주입 포트를 통한 직접적인 증기 주입은, 특히 바이오매스 입자 크기가 작은 경우, 바이오매스를 매우 빠르고 균일하게 가열하는 것을 허용한다. 고온의 밀접한 혼합, 작은 입자 크기, 및 반응성 용액(묽은 산, 이온성 액체 등)의 균일한 분배를 조합하면 낮은 억제제를 생성하는 매우 빠른 전처리 공정이 야기된다.
경우에 따라, 본원에 제공된 전처리 방법은 매우 빠른 시간 내에 당의 방출 및 해중합화를 허용한다. 이 공정은 압출기의 크기에 따라 20초 미만으로부터 최대 몇 분까지 발생한다. 일반적으로, 반응 구역에서의 시간은 1초 내지 20초 미만, 바람직하게는 10초 미만의 범위일 수 있다. 더 큰 규모의 시스템에서는 전처리가 몇 분에 걸쳐 이루어질 수 있다. 이렇게 감소된 전처리 기간은 튜브와 단부 밸브 구역을 통해 바이오매스를 지속적으로 이동시켜, 억제제를 거의 포함하지 않거나, 전혀 또는 실질적으로 포함하지 않는 신속하게 전처리된 바이오매스를 초래하는 정도이다.
본원에는, 화학 물질을 사용하거나 사용하지 않는 열-기계 처리 및 고압 구역과 압력 구동식 가변 단부 밸브에 의해 제어되는 반응 압출을 포함하는, 효소적 가수분해 전에 리그노셀룰로오스, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 등의 바이오매스 재료를 신속하게 처리하기 위한 개선된, 저비용의 에너지 효율적인 전처리 장치 및 방법이 설명된다. 본원에 개시된 방법은 관형 구역으로 분할된 원통형 챔버를 포함하는 장치의 사용을 포함할 수 있으며, 여기서 바이오매스는 원통형 챔버를 통해 연속적으로 또는 배치 방식으로 이동될 수 있으며, 크기가 감소될 수 있으며, 온도와 압력의 급격한 차이(예를 들어, 폭발적인 감압)에 노출되기 전에 상이한 관형 구역에서 압력, 열, 화학 물질, 또는 이들의 조합으로 처리될 수 있다. 바이오매스는 압출기에서 볼 수 있는 바와 같은 단일 스크류, 이중 스크류 또는 삼중 스크류와 같은 스크류 유형의 기구에 의해 이동될 수 있다. 대안으로서, 바이오매스는 블록 또는 기타 기계적 압력, 공기, 오일, 피스톤, 진공 또는 중력에 의해 관리되는 차등 정수압과 같은 기구에 의해 이동될 수 있다. 이러한 기구는 또한, 특정 처리 또는 재료 추가를 위해 바이오매스를 챔버 또는 구역으로 전방으로 밀거나 구동시키며 또는 분리하기 위한 기능을 가질 수 있다.
일반적으로, 이 시스템에서 사용하기 위한 압출기는 그 대향 단부에 인접한 재료 유입구와 재료 유출구를 제시하는 세장형 배럴을 포함하며, 배럴의 내부에 유입구 단부로부터 유출구 단부로 재료를 전진시키는 역할을 하는 하나 이상의 세장형의 축방향으로 회전 가능한 스크류(들)가 있다. 스크류는 재료의 흐름을 원활하게 하면서 크기를 감소시키도록 설계되며, 흐름을 증가 또는 감소시키거나 배럴 내부에 바이오매스의 플러그를 형성하도록 다양한 스크류 요소가 배열된다. 유출구에서 압력 하에 단부 밸브와 결합된 스크류(들)가, 바이오매스가 배럴을 통과해 밖으로 나감에 따라, 속도, 압력을 제어하며 부분적으로 바이오매스에 적용되는 온도를 제어한다.
본원에 개시된 시스템 및 방법은 높은 처리율로 산업적 규모의 바이오매스 전처리에 사용될 수 있다. 예를 들어, 바이오매스는 본원에 개시된 방법 중 일부에 따라 이축 압출기의 연속적인 작동에 의해 아래의 표 1에 따라 이동 및 처리될 수 있는 것으로 추정된다.
스크류 직경 건조 물질 처리량
건조 톤/일
30 mm 3.3
52 mm 17.0
92 mm 94.4
124mm 231.1
배럴형 스크류 반응기는 수평 방향 또는 수직 방향으로 배향된 하나 이상의 스크류가 장착된, 예를 들어, 30 mm 내지 220 mm 또는 그 이상의 직경 범위일 수 있는 크기를 갖는 금속 원통형 배럴(세라믹, 유리, 알루미늄, 하스텔로이, 티타늄 등과 같은 특수 재료로 라이닝 처리될 수 있음)을 포함할 수 있다. 배럴은 별도의 섹션(배럴 섹션)으로 분할될 수 있으며, 상면, 측면 및/또는 저면을 따라 다용도 포트를 장착할 수 있다. 이러한 다용도 포트는 밀봉 가능한 포트일 수 있다. 다용도 포트는 물, 증기, 산 또는 기타 화학 물질의 주입을 허용할 수 있다. 다용도 포트는 배럴 내부의 온도 및 압력 측정을 위한 열전대 및/또는 압력 게이지의 삽입을 허용할 수 있다. 필요에 따라 추가 포트가 추가될 수 있다. 반응기 배럴에는 배럴을 균일하게 가열하기 위해 전기 가열 요소 또는 증기 재킷이 장착될 수 있다. 가열은, 대안으로서 또는 추가적으로, 증기의 주입에 의해 공급될 수 있다. 반응기 배럴은 플래시 탱크 또는 기타 용기 내로 배출되는 관에 부착될 수 있다. 플래시 탱크는 스테인리스강을 사용하여 구성될 수 있다. 배럴은, 밸브 상의 배압과 시스템 내부의 압력에 따라, 위치를 연속적으로 조정할 수 있는 압력 작동식 배출 밸브 장치를 구비한 시트 단부가 있는 관에 의해 플래시 탱크로부터 격리될 수 있다. 배출 밸브 장치가 폭발적인 바이오매스 배출을 허용하기 위해 사이에 금속 또는 세라믹 밀봉 시트를 포함할 수 있다. 압력 작동식 밸브 장치는 샤프트에 연결된 원추형 노즐을 포함할 수 있다. 단부 밸브의 직경은 기계의 크기에 따라 다를 수 있으며, 전형적으로 30 mm 내지 220 mm 또는 그 이상의 범위일 수 있다. 원추형 노즐이 배압 발생기의 액추에이터에 부착된 샤프트에 연결될 수 있다. 액추에이터가 압력을 모니터링하는 배압 발생기에 의해 조절되는 공압을 제공할 수 있다. 압력은 역류가 발생하지 않으며 튜브 밖으로의 재료의 흐름이 제한되도록 고압일 수 있다. 원추형 노즐과 시트 상의 배압이 조정 가능할 수 있다. 예를 들어, 단부 전단 밸브의 원추형 노즐에 연결된 샤프트 상에 50 psi 내지 600 psi(게이지 압력) 또는 그 이상의 배압을 가하여 작동이 수행될 수 있다. 단부 전단 밸브의 원추가 완전히 폐쇄된 위치와 완전히 개방된 위치, 그리고 임의의 중간 위치 사이에서 이동할 수 있다. 단부 전단 밸브의 유출구에 있는 관이 처리된 고형물을 플래시 탱크 저부로 아래로 안내할 수 있으며, 이곳에서 고형물과 증기가 분리되어 쉽게 제거될 수 있다.
배럴 섹션으로 구성된 완전한 압출기에는 일반적으로, 배럴의 범위 내로 증기 및/또는 산을 주입하기 위한 복수의 포트가 장착되며, 포트는 적어도 특정 스크류 구성 요소의 유입구 섹션에 인접한다. 바람직한 형태에서, 주입 포트가 배럴의 종방향 축선에 대해 90° 각도로 위치되며, 단부가 배럴의 내부 벽과 동일 평면이거나 배럴의 내부 벽에 거의 침입하지 않는 노즐을 구비한 증기 주입 조립체가 주입 포트에 장착되어 있다. 배럴 섹션에는 16개 이상의 주입 조립체가 있을 수 있다. 이것은 배럴 섹션당 2개 내지 4개의 노즐을 활용하는 당업계의 다른 시스템과 다르다. 노즐의 수가 증가하면 많은 양의 증기, 화학 물질 또는 물을 필요한 곳에 정확히 필요한 양만큼 주입되도록 할 수 있다. 배럴 섹션은 교환 가능하므로, 가공될 바이오매스의 특성에 따라 필요한 바와 같이 물질 도입이 수정될 수 있다. 일 실시예에서, 배럴 섹션의 노즐의 수가 배럴 섹션에서 적어도 2개, 적어도 4개, 적어도 6개, 적어도 8개, 적어도 10개, 적어도 12개, 적어도 14개, 적어도 16개 또는 그 이상이다. 또한, 노즐은 단부 밸브 실린더 섹션 주위에 원형 패턴으로 배열되어 액체의 균일한 분배를 보장한다.
압출기 유출구 바로 너머 단부 밸브의 니들 전의 주입 구역에서, 노즐이 단부 밸브 몸체의 개구 내로 추가로 연장될 수 있다. 본 발명의 일 특징은 압출 장비가 상대적으로 높은 수준의 특정 열 에너지 유도 증기/물 주입 및 산을 사용하여 바이오매스 재료를 가공하여, 종래의 장비와 비교하여, 노즐 조립체의 임의의 역류 또는 막힘 없이 배럴 내부의 필요한 압력 수준에 도달하도록 설계된다. 이를 위해, 압출기 배럴 내부의 압출 스크류 조립체가, 상당한 양의 증기를 배럴 내로 주입하는 것을 허용하면서, 번갈아 바이오매스 재료를 전달하고, 플러그(들)를 형성하며, 바이오매스 재료를 작업하도록 설계된다. 따라서, 압출기는 재료가 균일하게 수화되고 처리되도록 높은 마찰 및 전단 구역과 함께 증기 주입 구역을 제공한다. 동시에, 압출기 작동은 매우 높은 마력을 필요로 하지 않으며, 압출기 부품에 과도한 마모를 초래하지 않는다.
단부 밸브 조립체는 적어도 두 가지 목적이 있다. 제 1 목적은 증기와 재료의 유출을 제한하여 압출기 배럴 내부의 압력을 유지하는 것이다. 이러한 방식으로, 밸브 조립체로부터 방출된 재료는 대기압보다 높은 압력으로부터 대기압으로의 급격한 압력 강하를 경험한다. 갑작스러운 방출의 목적은 압출기 가공 바이오매스를 추가로 분해하는 증기 폭발에 재료를 노출시키는 것이다. 제 2 목적은 증기 폭발 재료를 연결된 플래시 탱크로 안내하는 것이다.
단부 밸브를 통해 원활한 흐름을 가능하게 하기 위해 단부 밸브 조립체로 하류로 들어오는 재료에 물 또는 다른 화학 물질을 추가하는 노즐 및 밸브 조립체가 있다. 이러한 유입부의 수는 배럴의 크기, 흐름 속도 및 재료의 밀도에 따라 배럴 또는 밸브 섹션에서 4개 내지 16개 또는 그 이상의 범위일 수 있다. 일 실시예에서, 유입 섹션의 노즐의 수는 단부 밸브 섹션에서 적어도 2개, 적어도 4개, 적어도 6개, 적어도 8개, 적어도 10개, 적어도 12개, 적어도 14개, 적어도 16개 또는 그 이상이다. 또한, 노즐은 단부 밸브 실린더 섹션 주위에 원형 패턴으로 배열되어 액체의 균일한 분배를 보장한다.
도 1은 종단면으로 제공된 반응기 설계의 일 유형의 일 실시예를 보여준다. 반응기는 상업적 규모의 반응기일 수 있다. 이것은 샤프트(38) 상에 조립된 스크류 요소(51, 52)가 끼워진 이중 스크류를 갖는 수평 방향 원통형 배럴(45) 및 부분적으로 도시된 배출 몸체(10)와 니들(11)을 포함한다. 압출기와 배출 밸브는 바이오매스가 배출 유닛(도시하지 않음)으로 이동하는 도관을 포함한다.
배럴은 절연될 수 있으며, 불침투성 벽을 구비할 수 있다. 압출기용 지지부(7)가 도 6에 도시되어 있다. 스크류를 이동시키기 위한 모터(24) 또는 기타 수단이 제 1 단부 근처에 부착될 수 있다. 모터가, 예를 들어, 스크류를 돌리는 풀리 및 V-벨트 또는 임의의 기타 기구가 있거나 없는 전기 구동식 모터 및 기어박스 조합일 수 있다. 모터가 또한, 예를 들어, 제한 없이 동기식 토크 모터일 수 있다. 호퍼(도시하지 않음)가 배럴(45)의 유입구에 부착될 수 있다. 호퍼를 개방하여 바이오매스가 추가될 수 있다. 바이오매스가 위에 설명된 바와 같은 임의의 바이오매스일 수 있다. 호퍼로부터 배럴(45)로의 바이오매스 추가를 제어하기 위한 크래머(crammer)와 같은 비압축 또는 압축 흐름 생성을 위한 피더(feeder)(도시하지 않음)일 수 있다. 압축 및/또는 비압축 피더가 당업계에 공지된 임의의 압축 및/또는 비압축 로더일 수 있다. 예를 들어, 비압축 흐름 유도 피더가, 다양한 유형의 드래그 체인, 버킷 엘리베이터 또는 회전 나선과 같은 유량 측정 컨베이어가 뒤따르는, 비압축 피더 또는 다양한 유형의 활성 바닥 빈(bin) 흐름 유도기일 수 있다. 가장 단순한 형태에서, 비압축 피더는 수동으로 바이오매스를 원통형 배럴의 개방된 제 1 단부 내로 반입하는 것을 의미할 수 있다. 압축 피더는 기계적 압축을 포함할 수 있다. 기계적 압축이 왕복식 플런저 또는 스크류 피더와 같은 기계적 압축 장치를 제공하여 달성될 수 있다.
본 발명의 중요한 실시예는 유입부 인젝터의 내부 보어 크기이다. 일반적으로 인젝터가 더 크긴 하지만, 높은 압력과 막힘을 유발할 수 있는 배럴 내 재료의 작은 입자 크기로 인해, 인젝터가 종래의 설계보다 훨씬 더 작은 보어로 제작된다. 물 또는 산 주입의 경우에는 이 보어의 직경이 2 mm 내지 3 mm인 반면, 증기 인젝터는 113 mm 이상의 압출기 배럴의 경우 4.5 mm 또는 5 mm의 범위에서 2 mm 보어를 구비할 것이다. 인젝터가 상류 또는 하류 흐름을 향한 각도로 형성될 수 있지만, 배럴에 대한 인젝터의 각도는 일반적으로 배럴에 수직이다. 또한, 증기 또는 액체 유입부가 있는 종래의 압출기는 일반적으로, 재료의 건조 중량당 3% 내지 15%의 증기를 주입하도록 설계된다. 본 발명의 실시예에서, 증기 인젝터는 재료의 건조 중량당 30% 내지 50%의 증기를 주입하는 경향이 있으며 또한 하루에 100 건조 Mton 이상을 가공하는 경향이 있다. 압출기 배럴에서 생성된 압력은 노즐 막힘에 도움이 되므로, 더 큰 보어가 있는 종래의 설계일 수 없다. 대신, 추가의 증기 또는 액체를 생성하기 위해서는 추가의 인젝터가 시스템에 추가되거나 유량이 증가되어야 한다.
일 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 압출기 배럴(45)은 바이오매스를 가공하도록 설계된 유로용 밸브 몸체(10) 및 압출기 배럴(45)을 중심으로 나선형 또는 원형 패턴으로 구성된 복수의 포트(55)(도 2)의 인젝터(29, 32, 34, 36)의 어레이를 포함한다. 도 1에서, 인젝터는 조립체(S1, S2, S3, S4)로서 도 6에 보다 명확히 도시된 4개의 세트로 그룹화되어 있다. 제 1 세트(S1)가 인젝터(29)로 구성되며, 교반 요소(52)에 의해 시작된 플러그 형성 전에 발생한다. 이들 인젝터는 토크, 처리량 및 열을 제어하기 위해 플러그(도시하지 않음)에 특정 최소 수분(최대 고형물)을 유지하기 위해 플러그의 상류에 물을 추가한다.
압출기 배럴(45)의 이 상류 부분에 유입 재료의 수화를 위해 물을 주입하기 위한 일련의 포트(55)(도 3a 및 도 3b는 각각 종단면도와 횡단면도)가 장착되어 있으며, 여기서 각각의 배럴 포트가 세장형 물 인젝터(29)를 수용한다. 일련의 포트(55)가 압출기의 외벽을 관통하여 배럴의 보어(30)와 연통하도록 위치된다. 포트는 도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 소용돌이 패턴으로 도관을 따라 유로 주위에 배치될 수 있다.
제 2 세트(S2)의 인젝터(32)가 교반 요소(52)의 하류에서 반응 구역(R)의 내부에서 발생한다. 이 세트(S2)는, 가공 범위 및 필요한 압력/온도의 크기에 따라, 플러그 형성 직후에, 대부분의 반응 구역 전체에 걸쳐, 또는 반응 구역의 단부에서 증기를 도입하도록 배럴 섹션에 배열될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 이들 장치의 조합이 사용될 수 있다. 도 3c(종단면) 및 도 3d(횡단면)에는 플러그 형성 직후 증기를 제공하도록 배열된 인젝터를 수용하도록 설계된 포트(55)가 있는 배럴 섹션의 일 실시예가 도시되어 있다.
제 3 세트(S3)의 인젝터(34)가 교반 요소(52)의 하류에서 반응 구역(R)의 내부에서 발생한다. 이 세트(S3)는, 필요한 가공 범위에 따라, 플러그 형성 후에 그리고 대부분의 반응 구역 전체에 걸쳐 압출기 배럴(45)의 단부로 산을 균일하게 도입하도록 배럴 섹션에 배열될 수 있다. 다른 실시예에서는, 이들 인젝터(34)의 상이한 조합이 사용될 수 있다. 도 3e(종단면) 및 도 3f(횡단면)는, 플러그 형성 직후 및 밸브 몸체 내로 재료가 이동하기 전에, 산을 제공하도록 배열된 인젝터를 수용하도록 설계된 포트(55)가 있는 배럴 섹션의 일 실시예를 보여준다.
제 4 세트(S4)의 인젝터(36)는 밸브 몸체(10)의 내부에서 압출기 배럴(45) 바로 뒤로 니들(11) 전에 구성된다(도 1 및 도 4). 인젝터는 바이오매스 재료가 압출기에서 나옴에 따라 물을 주입하는 데 사용되며, 임의의 샤프트 캡(39)이 이 공간(21)으로 돌출될 수도 있긴 하지만, 스크류 요소(51)의 단부를 지나 배치된다. 물이 재료를 희석하며, 증기 폭발을 통해 유변학을 개선하는 데 사용되므로, 압출기의 토크를 감소시켜 밸브를 통해 밀어내어진다. 가공 과정에서 재료, 특히 슬러리가 종종 흐르지 않긴 하지만, 관 또는 배럴을 통해 가공될 때 약간 급증한다. 출구에서의 흐름은 난류이며 물과 혼합됨에 따라, 밸브(21)의 공간에서 하류로 이동하는 층류로 다듬어진다. 밸브 시스템을 통한 재료의 흐름을 촉진하며 및/또는 재료를 추가로 가공하기 위해 튜브로부터 유출되기 직전에 임의의 액체가 추가될 수 있다. 일 실시예에서, 물, 산, 염기, 알코올, 용매, 알데하이드, 케톤 등과 같은 액체가 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다.
인젝터 조립체가 재료의 유로 또는 나사 요소에 대해 원하는 각도로 배치되도록 인젝터가 포트(55)에 연결된다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 인젝터(29)(인젝터 조합의 제 1 세트에 있음)가 압출기 배럴과 유로에 대해 약 90°의 각도로 배치되도록 포트(55)(도 2 및 도 3b)에 연결될 수 있다. 또한, 인젝터(32)(인젝터 조립체의 제 2 세트에 있음)가 압출기 배럴(45)과 재료의 유로에 대해 약 90°의 각도로 배치되도록 포트(55)(도 2 및 도 3d)에 연결될 수 있다.
인젝터 조립체가 특정 각도로 설정되어 있는 도 1에 도시된 시스템의 경우, 인젝터 조립체가 서로 물리적으로 간섭하지 않거나 스크류 요소의 이동을 방해하지 않는 한, 채용되는 각도가 변할 수 있다. 따라서, 인젝터 조립체 사이의 각도가, 예를 들어, 인젝터 조립체의 물리적 치수가 감소함에 따라 감소될 수 있으며, 또는, 예를 들어, 인젝터 조립체의 물리적 치수가 증가함에 따라 증가될 수 있다. 포트는 개별 포트 사이에 각방향 분리 및 종방향 분리를 모두 제공하기 위해 소용돌이 또는 나선형 패턴으로 압출기 또는 밸브 몸체의 길이를 따라 재료의 유로 주위에서 개별 위치에 배치된다.
도 5a 및 도 5b는 개별 인젝터를 나타낸다. 인젝터는 보어(73)가 압출기의 내부 챔버에 개방되는 말단부, 기단부(70), 및 인젝터의 말단부와 기단부를 연결하는 덕트(71)를 포함한다. 조정 가능한 밸브(도시하지 않음)가 매니폴드에 인젝터를 연결하는 도관을 부착하기 전에 매니폴드(도 6)에 수용된다. 인젝터 튜브의 노즐(72)은, 스크류 요소 또는 기타 이동 부품의 움직임을 방해하지 않는 한, 압출기의 유로 내로 임의의 적절한 거리에 걸쳐 돌출할 수 있다. 따라서, 노즐(72)은 압출기의 내벽(45)에서 거의 동일 평면으로 가까스로 돌출될 것이지만, 기계적인 움직임을 방해하지 않고 밸브 몸체(10) 내로 추가로 연장될 수 있다.
각각의 인젝터 노즐(72)이 노즐로의 부속 배관에 의해 그 고유한 자체 매니폴드/헤더로부터 공급된다. 따라서, 물이 배럴 내로 주입되면, 자체 펌프로부터 사용 중인 모든 노즐이 연결된 매니폴드로 공급된다. 이 흐름은 펌프의 설정에 의해 제어될 수 있다. 인젝터의 튜브에는 제한이 없다. 이것은 산 및 기타 유체도 마찬가지이다. 이들은 각각, 자체 펌프와 매니폴드/헤더를 구비한다. 원점에서 69 barg의 압력으로 작동되며 압출기에서 감압 시스템을 통해 49 barg로 강등되는 증기 공급부로부터 증기가 공급된다. 증기 흐름은 흐름 제어 밸브(도시하지 않음)의 개방에 의해 조절된다.
매니폴드에서 나오는 밸브는 인젝터 노즐로의 각각의 라인에 대해 개별적으로 조정 가능하다. 따라서, 각각의 인젝터의 특정 노즐에 대한 유량도 조정 가능하다. 임의의 특정 세트에 더 적은 수의 인젝터가 필요한 경우, 밸브가 꺼진 후 인젝터가 제거될 수 있으며 홀이 막힐 수 있으므로, 재료가 매니폴드로부터 해당 노즐로 흐르지 않아, 재료가 보어를 통해 압출기 밖으로 이동하지 않는다.
밸브는 첨가제(들)를 밸브에 공급하기 위한 적어도 하나의 유입구를 포함하며, 수동 또는 자동으로 작동되는 양방향 밸브와 같은 임의의 적합한 밸브를 포함할 수 있다. 적합한 밸브는, 각각 본원에 참조로서 인용된, 미국 특허 제 6,220,296 호(랙스데일(Ragsdale) 등), 미국 특허 제 6,247,839 호(코차노비츠(Kochanowicz) 등), 미국 특허 제 6,316,053 호(랙스데일 등), 및 미국 특허 제 6,541,531 호(랙스데일)에 설명된 밸브를 포함하지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
매니폴드의 도관이 임의의 적합한 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도관이 알루미늄, 강, 스테인리스강, 내부식성 합금 등과 같은 금속으로, 또는 폴리염화비닐(PVC), 폴리카보네이트 등와 같은 플라스틱 재료(저압을 사용하는 경우)로 구성될 수 있다.
매니폴드에는 중합체 발포체(예를 들어, 폴리우레탄 발포체)의 제조에 사용되는 시스템과 같은 적합한 시스템에 장착하기 위한 임의의 적합한 수단이 제공될 수 있다. 예를 들어, 매니폴드를 적절한 시스템에 결합하기 위한 수단을 제공하기 위해 도관의 단부에 나사산이 형성될 수 있다. 대안으로서, 매니폴드를 시스템에 결합하기 위한 수단을 제공하기 위해 도관의 단부에 플랜지 피팅(fitting)이 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 본원에 도시 및 설명되었지만, 당업자에게는 이러한 실시예가 단지 예시로서 제공된다는 것이 명백할 것이다. 이제 본 발명을 벗어나지 않고 다양한 변형, 변경 및 대체가 당업자에 의해 발생할 것이다. 본원에 설명된 본 발명의 실시예에 대한 다양한 대안이 본 발명을 실시하는 데 채용될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 이하의 청구범위는 본 발명의 범위를 정의하는 것으로 의도되며 또한 이러한 청구범위 이내의 방법 및 그 등가물이 이에 의해 커버되는 것으로 의도된다.
예시적인 실시예
실시예 1. 하나 이상의 첨가제를 재료 내로 도입하기 위한 시스템으로서,
a. 2 mm 내지 6 mm의 범위의 직경의 내부 보어를 갖는 인젝터의 적어도 하나의 조립체;
b. 상기 조립체 내의 물질의 흐름을 제어하기 위한 매니폴드;
c. 상기 인젝터 내의 물질의 흐름을 독립적으로 제어하기 위해 각각의 인젝터용으로 상기 매니폴드에 통합된 밸브; 및
d. 첨가제의 공급부를 포함하는 시스템.
실시예 2. 상기 첨가제가 액체 또는 증기인 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 3. 상기 첨가제가 물인 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 4. 상기 첨가제가 산인 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 5. 상기 첨가제가 80 psi 내지 600 psi의 압력에 있는 증기인 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 6. 상기 첨가제가 150 psi의 압력에 있는 증기인 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 7. 상기 첨가제가 200 psi의 압력에 있는 증기인 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 8. 상기 첨가제가 250 psi의 압력에 있는 증기인 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 9. 상기 첨가제가 300 psi의 압력에 있는 증기인 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 10. 상기 재료가 바이오매스로 구성되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 11. 상기 재료가 도관 내부의 바이오매스로 구성되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 12. 상기 도관이 압출기인 것인, 실시예 11의 시스템.
실시예 13. 상기 도관이 압출기와 배출 밸브를 포함하는 것인, 실시예 12의 시스템.
실시예 14. 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 2 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 15. 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 2.5 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 16. 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 3 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 17. 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 3.5 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 18. 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 4 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 19. 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 4.5 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 20. 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 5 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 21. 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 5.5 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 22. 상기 인젝터의 상기 내부 보어가 6 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 23. 상기 조립체가 2개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 24. 상기 조립체가 4개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 25. 상기 조립체가 6개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 26. 상기 조립체가 8개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 27. 상기 조립체가 10개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 28. 상기 조립체가 12개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 29. 상기 조립체가 14개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 30. 상기 조립체가 16개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 31. 상기 재료가 반응 구역 내부의 바이오매스로 구성되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 32. 압출기 배럴 또는 밸브 몸체 내로 액체 또는 증기를 주입하기 위한 방법으로서,
a. 복수의 주입 포트가 보어까지 상기 압출기 배럴의 외벽 또는 밸브 외벽을 관통하도록 하는 단계;
b. 인젝터를 상기 주입 포트 내로 포함시키는 단계;
c. 상기 도관 내에 150 psi 내지 800 psi의 압력을 유지하기 위해 상기 압출기 배럴 또는 밸브 내로 증기를 주입하는 단계; 및
d. 상기 압출기 배럴 또는 밸브 내로 액체를 주입하는 단계를 포함하는 방법.
실시예 33. 압출기 배럴 또는 밸브 몸체 내로 액체 및 증기를 주입하기 위한 방법으로서,
a. 복수의 주입 포트가 보어까지 압출기 배럴 또는 밸브 몸체를 관통하도록 하는 단계;
b. 인젝터를 상기 주입 포트 내로 포함시키는 단계; 및
c. 상기 구역 내부에 150 psi 내지 800 psi의 압력을 유지하기 위해 상기 압출기 배럴 또는 밸브 내로 액체 및 증기를 주입하는 단계를 포함하는 방법.
실시예 34. 상기 인젝터 노즐 보어 직경이 2 mm 내지 6 mm인 것인, 실시예 32의 방법.
실시예 35. 상기 인젝터 노즐 보어 직경이 2 mm 내지 4 mm인 것인, 실시예 32의 방법.
실시예 36. 상기 인젝터 노즐 보어 직경이 2 mm 내지 3 mm인 것인, 실시예 32의 방법.
실시예 37. 상기 인젝터 노즐 보어 직경이 2 mm 내지 6인 것인, 실시예 32의 방법.
실시예 38. 1일당 적어도 1 건조 톤의 바이오매스를 전처리하기 위해, 방법이,
(a) 피더(feeder) 구역 및 반응 구역을 포함하는 내부 챔버를 획정하는 배럴을 포함하는 압출 시스템 내로 하루에 바이오매스의 적어도 1 건조 미터톤(MT)의 비율로 바이오매스를 공급하는 단계를 추가로 포함하며,
상기 압출 시스템은,
(i) 상기 피더 구역과 상기 반응 구역을 분리하는 고압 구역에서 상기 바이오매스를 압축하여 증기 불침투성 플러그가 형성되도록, 그리고
(ii) 내부 노즐 보어 직경이 6 mm 이하인 증기 인젝터의 적어도 하나의 조립체가 상기 반응 구역에 압력과 고온을 제공하도록,
구성 및 배열되는 것인, 실시예 32의 방법.
실시예 39. 직경이 6 mm 이하인 내부 노즐 보어를 구비한 하나 이상의 인젝터의 적어도 하나의 조립체를 구비한 압출기 시스템.
실시예 40. 상기 인젝터가 상기 압출기 보어에 150 psi 내지 800 psi의 압력으로 증기를 제공하는 것인, 실시예 38의 시스템.
실시예 41. 상기 인젝터가 4 mm 이하의 내부 보어 직경을 갖는 것인, 실시예 39의 시스템.
실시예 42. 상기 인젝터가 2 mm 이하의 내부 보어 직경을 갖는 것인, 실시예 39의 시스템.
실시예 43. 상기 압출기 시스템이 적어도 2개의 인젝터 조립체, 적어도 3개의 인젝터 조립체, 또는 적어도 4개의 인젝터 조립체로 구성되는 것인, 실시예 38의 시스템.
실시예 44. 상기 인젝터의 내부 보어가 2 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 45. 상기 인젝터의 내부 보어가 2.5 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 46. 상기 인젝터의 내부 보어가 3 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 47. 상기 인젝터의 내부 보어가 3.5 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 48. 상기 인젝터의 내부 보어가 4 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 49. 상기 인젝터의 내부 보어가 4.5 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 50. 상기 인젝터의 내부 보어가 5 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 51. 상기 인젝터의 내부 보어가 5.5 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 52. 상기 인젝터의 내부 보어가 6 mm의 직경을 갖는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 53. 상기 조립체가 2개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 54. 상기 조립체가 4개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 55. 상기 조립체가 6개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 56. 상기 조립체가 8개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 57. 상기 조립체가 10개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 58. 상기 조립체가 12개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 59. 상기 조립체가 14개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 60. 상기 조립체가 16개 이상의 인젝터로 구성되는 것인, 실시예 43의 시스템.
실시예 61. 인젝터 노즐의 조립체용 나선형 또는 동심 포트를 구비한 적어도 하나의 배럴 섹션을 포함하는 압출기 시스템.
실시예 62. 상기 배럴 섹션이 적어도 4개의 포트를 구비하는 것인, 실시예 61의 압출기 시스템.
실시예 63. 상기 배럴 섹션이 적어도 6개의 포트를 구비하는 것인, 실시예 61의 압출기 시스템.
실시예 64. 상기 배럴 섹션이 적어도 8개의 포트를 구비하는 것인, 실시예 61의 압출기 시스템.
실시예 65. 상기 배럴 섹션이 적어도 10개의 포트를 구비하는 것인, 실시예 61의 압출기 시스템.
실시예 66. 상기 배럴 섹션이 적어도 12개의 포트를 구비하는 것인, 실시예 61의 압출기 시스템.
실시예 67. 상기 배럴 섹션이 적어도 14개의 포트를 구비하는 것인, 실시예 61의 압출기 시스템.
실시예 68. 상기 배럴 섹션이 적어도 16개의 포트를 구비하는 것인, 실시예 61의 압출기 시스템.
실시예 69. 적어도 2개의 배럴 섹션을 포함하는 실시예 61의 압출기 시스템.
실시예 70. 상기 배럴 섹션이 다른 배럴 섹션과 교체 가능한 것인, 실시예 61의 압출기 시스템.
실시예 71. 상기 나선형 또는 동심 포트가 상기 배럴 섹션에 수직인 것인, 실시예 61의 압출기 시스템.
실시예 72. 상기 인젝터가 재료의 건조 중량당 30% 내지 50%의 증기를 주입할 수 있게 되어 있는 것인, 실시예 61의 압출기 시스템.

Claims (72)

  1. 하나 이상의 첨가제를 재료 내로 도입하기 위한 시스템으로서,
    a. 인젝터의 조립체로서, 상기 인젝터는 2 mm 내지 6 mm의 범위의 직경의 내부 보어를 포함하는 것인, 인젝터의 조립체;
    b. 상기 인젝터의 조립체 내의 물질의 흐름을 제어하기 위한 매니폴드;
    c. 상기 인젝터 내의 물질의 흐름을 독립적으로 제어하기 위해 각각의 인젝터용으로 상기 매니폴드에 통합된 밸브; 및
    d. 첨가제의 공급부
    를 포함하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제는 액체 또는 증기인 것인, 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제는 물인 것인, 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제는 산인 것인, 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제는 증기이며, 상기 증기는 약 80 psi 내지 600 psi의 압력에 있는 것인, 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제는 증기이며, 상기 증기는 약 150 psi의 압력에 있는 것인, 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제는 증기이며, 상기 증기는 약 200 psi의 압력에 있는 것인, 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제는 증기이며, 상기 증기는 약 250 psi의 압력에 있는 것인, 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제는 증기이며, 상기 증기는 약 300 psi의 압력에 있는 것인, 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료는 바이오매스를 포함하는 것인, 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료는 바이오매스를 포함하며, 상기 재료는 도관의 내부에 있는 것인, 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 도관은 압출기를 포함하는 것인, 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 도관은 배출 밸브를 추가로 포함하는 것인, 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 상기 내부 보어는 약 2 mm의 직경을 갖는 것인, 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 상기 내부 보어는 약 2.5 mm의 직경을 갖는 것인, 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 상기 내부 보어는 약 3 mm의 직경을 갖는 것인, 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 상기 내부 보어는 약 3.5 mm의 직경을 갖는 것인, 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 상기 내부 보어는 약 4 mm의 직경을 갖는 것인, 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 상기 내부 보어는 약 4.5 mm의 직경을 갖는 것인, 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 상기 내부 보어는 약 5 mm의 직경을 갖는 것인, 시스템.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 상기 내부 보어는 약 5.5 mm의 직경을 갖는 것인, 시스템.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 상기 내부 보어는 약 6 mm의 직경을 갖는 것인, 시스템.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 조립체는 2개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 시스템.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 조립체는 4개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 시스템.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 조립체는 6개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 시스템.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 조립체는 8개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 시스템.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 조립체는 10개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 시스템.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 조립체는 12개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 시스템.
  29. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 조립체는 14개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 시스템.
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터의 조립체는 16개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 시스템.
  31. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료는 반응 구역 내부의 바이오매스로 구성되는 것인, 시스템.
  32. 압출기 배럴 또는 밸브 몸체 내로 액체 또는 증기를 주입하기 위한 방법으로서,
    a. 상기 압출기 배럴의 외벽 또는 상기 밸브 몸체의 외벽을 관통하는 복수의 주입 포트를 제공하는 단계;
    b. 인젝터를 상기 복수의 주입 포트 내로 도입하는 단계;
    c. 상기 압출기 배럴 또는 상기 밸브 몸체 내에 150 psi 내지 800 psi의 압력을 유지하기 위해 상기 압출기 배럴 또는 상기 밸브 몸체 내로 증기를 주입하는 단계; 및
    d. 상기 압출기 배럴 또는 밸브 몸체 내로 액체를 주입하는 단계
    를 포함하는 방법.
  33. 압출기 배럴 또는 밸브 몸체 내로 액체 및 증기를 주입하기 위한 방법으로서,
    a. 상기 압출기 배럴 또는 상기 밸브 몸체를 관통하는 복수의 주입 포트를 제공하는 단계;
    b. 인젝터를 상기 복수의 주입 포트 내로 도입하는 단계; 및
    c. 상기 압출기 배럴 또는 상기 밸브 몸체 내에 150 psi 내지 800 psi의 압력을 유지하기 위해 상기 압출기 배럴 또는 상기 밸브 몸체 내로 액체 및 증기를 주입하는 단계
    를 포함하는 방법.
  34. 제 32 항에 있어서,
    상기 인젝터는 직경이 2 mm 내지 6 mm인 노즐 보어를 포함하는 것인, 방법.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 인젝터는 직경이 2 mm 내지 4 mm인 노즐 보어를 포함하는 것인, 방법.
  36. 제 32 항에 있어서,
    상기 인젝터는 직경이 2 mm 내지 3 mm인 노즐 보어를 포함하는 것인, 방법.
  37. 제 32 항에 있어서,
    상기 인젝터는 직경이 약 2 mm인 노즐 보어를 포함하는 것인, 방법.
  38. 제 32 항에 있어서,
    1일당 적어도 1 건조 톤(dry ton)의 바이오매스를 전처리하기 위해,
    (b) 배럴을 포함하는 압출 시스템 내로 하루에 바이오매스의 적어도 1 건조 미터톤(MT)의 비율로 바이오매스를 공급하는 단계
    를 추가로 포함하며,
    상기 배럴은, 피더 구역(feeder zone) 및 반응 구역을 포함하는 내부 챔버를 포함하며,
    상기 압출 시스템은,
    (i) 상기 피더 구역과 상기 반응 구역을 분리하는 고압 구역에서 상기 바이오매스를 압축하여 증기 불침투성 플러그가 형성되도록, 그리고
    (ii) 내부 노즐 보어 직경이 6 mm 이하인 증기 인젝터의 조립체가 상기 반응 구역에 압력과 고온을 제공하도록,
    구성 및 배치되는 것인, 방법.
  39. 하나 이상의 인젝터의 조립체를 포함하는 압출기 시스템으로서,
    상기 인젝터는 직경이 6 mm 이하인 노즐 보어를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 인젝터는 상기 압출기 보어에 150 psi 내지 800 psi의 압력으로 증기를 제공하는 것인, 압출기 시스템.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 인젝터는 4 mm 이하의 내부 보어 직경을 갖는 것인, 압출기 시스템.
  42. 제 39 항에 있어서,
    상기 인젝터는 2 mm 이하의 내부 보어 직경을 갖는 것인, 압출기 시스템.
  43. 제 39 항에 있어서,
    상기 압출기 시스템은 적어도 2개의 인젝터 조립체, 적어도 3개의 인젝터 조립체, 또는 적어도 4개의 인젝터 조립체를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 인젝터의 내부 보어는 약 2 mm의 직경을 갖는 것인, 압출기 시스템.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 인젝터의 내부 보어는 약 2.5 mm의 직경을 갖는 것인, 압출기 시스템.
  46. 제 43 항에 있어서,
    상기 인젝터의 내부 보어는 약 3 mm의 직경을 갖는 것인, 압출기 시스템.
  47. 제 43 항에 있어서,
    상기 인젝터의 내부 보어는 약 3.5 mm의 직경을 갖는 것인, 압출기 시스템.
  48. 제 43 항에 있어서,
    상기 인젝터의 내부 보어는 약 4 mm의 직경을 갖는 것인, 압출기 시스템.
  49. 제 43 항에 있어서,
    상기 인젝터의 내부 보어는 약 4.5 mm의 직경을 갖는 것인, 압출기 시스템.
  50. 제 43 항에 있어서,
    상기 인젝터의 내부 보어는 약 5 mm의 직경을 갖는 것인, 압출기 시스템.
  51. 제 43 항에 있어서,
    상기 인젝터의 내부 보어는 약 5.5 mm의 직경을 갖는 것인, 압출기 시스템.
  52. 제 43 항에 있어서,
    상기 인젝터의 내부 보어는 약 6 mm의 직경을 갖는 것인, 압출기 시스템.
  53. 제 43 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 인젝터의 조립체는 2개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  54. 제 43 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 인젝터의 조립체는 4개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  55. 제 43 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 인젝터의 조립체는 6개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  56. 제 43 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 인젝터의 조립체는 8개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  57. 제 43 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 인젝터의 조립체는 10개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  58. 제 43 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 인젝터의 조립체는 12개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  59. 제 43 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 인젝터의 조립체는 14개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  60. 제 43 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 인젝터의 조립체는 16개 이상의 인젝터를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  61. 인젝터 노즐의 조립체용 나선형 포트 또는 동심 포트를 구비한 배럴 섹션을 포함하는 압출기 시스템.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 배럴 섹션은 적어도 4개의 포트를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  63. 제 61 항에 있어서,
    상기 배럴 섹션은 적어도 6개의 포트를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  64. 제 61 항에 있어서,
    상기 배럴 섹션은 적어도 8개의 포트를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  65. 제 61 항에 있어서,
    상기 배럴 섹션은 적어도 10개의 포트를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  66. 제 61 항에 있어서,
    상기 배럴 섹션은 적어도 12개의 포트를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  67. 제 61 항에 있어서,
    상기 배럴 섹션은 적어도 14개의 포트를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  68. 제 61 항에 있어서,
    상기 배럴 섹션은 적어도 16개의 포트를 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  69. 제 61 항에 있어서,
    상기 압출기 시스템은 2개 이상의 배럴 섹션을 포함하는 것인, 압출기 시스템.
  70. 제 61 항에 있어서,
    상기 배럴 섹션은 다른 배럴 섹션과 교체 가능한 것인, 압출기 시스템.
  71. 제 61 항에 있어서,
    상기 나선형 포트 또는 동심 포트는 상기 배럴 섹션에 수직인 것인, 압출기 시스템.
  72. 제 61 항에 있어서,
    상기 인젝터는 재료의 건조 중량당 30% 내지 50%의 증기를 주입할 수 있게 되어 있는 것인, 압출기 시스템.
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