KR20230117101A - 압력 밸브 가공 - Google Patents
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Abstract
밸브 몸체의 내벽이 튜브 또는 관으로부터의 슬러리 또는 액체의 유출에 이어 압력 하에 액체의 도입을 위한 적어도 하나의 개구를 포함하는 밸브 조립체. 밸브 조립체는 압출기로부터의 바이오매스의 반연속적인 또는 연속적인 가압 흐름을 유지하며 압출기로부터 하류의 반응 구역을 확장하는 데 특히 유용하다. 확장 반응 구역을 구비하는 일 장점은 압출기 상에서의 추가의 마모 없이 완벽한 재료 처리를 허용하며 또한, 튜브 또는 관에서의 재료의 상류 처리 조작을 허용하는 것이다.
Description
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.
많은 산업 공정에서 재료의 유동을 제어하는 데 밸브가 사용되고 있다. 릴리프 밸브(relief valve)의 내부에는 밸브가 가압될 때 재료 공급원의 유출부를 차단하거나 감소시키는 플러그(plug)가 포함된다. 플러그 후방의 압력이 해제되면, 이 유출부로부터의 압력의 힘에 의해 플러그가 뒤로 밀려난다. 이에 의해 플러그 후방의 압력이 유출부의 힘 이상이 될 때까지 밸브가 개방되도록 할 수 있다. 유출부에 따라 작동하는 액추에이터에 밸브가 결합된다면, 단지 수동 작동식 또는 스프링 작동식 밸브에 의한 것이 아닌 정밀한 연속적인 이동이 가능하다.
압력이 가해진 상태에서 재료를 이동시키는 경우 재료를 운반하는 용기의 압력을 제어하기 어려울 수 있다. 이것은 매질의 처리로 인한 임계 작동 상태에서 일 방향으로 이동하는 재료 슬러리의 연속적인 또는 반연속적인 유동의 경우 어렵다. 이동하는 재료의 압력과 속도를 일정하게 유지하기 위해서는, 밸브가 특정 속도를 허용하면서 관이나 배럴의 압력을 일정하게 유지하도록 작동하도록 설계되어야 한다. 이것은 밸브가 추가 처리에 관여하며 재료의 유동이 빠르면서 급증하는 고압 하에서 액체 중에서 이동하는 바이오매스(biomass)와 같은 미립자 물질의 경우에 특히 해당된다. 이러한 가혹한 작동 조건은 밸브 조립체의 조기 고장 및 누출을 유발하여, 파열 및 극심한 마모를 초래할 수 있다. 또한, 슬러리 입자가 밸브 밀봉 주기 내에 포획되어, 밸브 조립체의 성능 저하를 초래할 수 있다. 일반적으로, 압력 릴리프 밸브는 이러한 작동을 취급하도록 설계되지 않는다.
일 양태에서, 바이오매스를 전처리하기 위한 시스템으로서, 하나 이상의 스크류를 포함하며, 상기 하나 이상의 스크류의 작용으로 인해 바이오매스의 내부 플러그가 형성되어, 이에 의해 바이오매스의 전처리를 위한 가압 반응 구역의 상류 단부를 형성하는 압출기; 및 상기 압출기의 유출 단부에 부착된 밸브 조립체로서, 상기 반응 구역의 하류 단부를 형성하며 상기 반응 구역에 액체를 추가하는 밸브 조립체를 포함하는 시스템이 본원에 제공된다.
다른 양태에서, 바이오매스를 전처리하기 위한 시스템으로서, 하나 이상의 스크류를 포함하며, 상기 하나 이상의 스크류의 작용으로 인해 바이오매스의 내부 플러그가 형성되어, 이에 의해 바이오매스의 전처리를 위한 가압 반응 구역의 상류 단부를 형성하는 압출기; 및 상기 압출기의 유출 단부에 부착된 밸브 조립체를 포함하며, 상기 밸브 조립체가, 큰 원형 섹션, 개재 원추형 섹션, 및 하나 이상의 액체 유입용 노즐을 수용하는 작은 원형 칼라를 포함하는 밸브 몸체로서, 상기 밸브 몸체가 밸브 몸체의 유입 단부와 배출 단부를 연결하는 내부에 형성된 챔버를 구비하며, 상기 작은 원형 칼라가 상기 큰 원형 섹션보다 작은 내경을 갖는 것인, 밸브 몸체; 상기 밸브 몸체의 상기 챔버 내부에서 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들; 및 상기 밸브 몸체의 상기 배출 단부에 부착되며 상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체와 맞물림 해제될 때 상기 밸브 니들을 에워싸는 하우징을 포함하는 것인, 시스템이 본원에 제공된다.
일부 실시예에서, 상기 바이오매스가 사일리지(silage), 농업 잔류물, 콘 스토버(corn stover), 버개스(bagasse), 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트(pit)로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 상기 바이오매스가 상기 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, 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 상기 반응 구역의 압력이 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승된다. 일부 실시예에서, 시스템이 상기 반응 구역에 증기와 하나 이상의 화학 물질을 공급하기 위한 수단을 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 하나 이상의 화학 물질이 산을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 산이 황산이다.
일부 실시예에서, 상기 밸브 조립체가 큰 원형 섹션, 개재 원추형 섹션, 및 액체 유입용의 하나 이상의 노즐을 수용하는 작은 원형 칼라를 포함하는 밸브 몸체로서, 상기 밸브 몸체가 밸브 몸체의 유입 단부와 배출 단부를 연결하는 내부에 형성된 챔버를 구비하며, 상기 작은 원형 칼라가 상기 큰 원형 섹션보다 작은 내경을 갖는 것인, 밸브 몸체; 상기 밸브 몸체의 상기 챔버 내부에서 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들; 및 상기 밸브 몸체의 상기 배출 단부에 부착되며 상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체와 맞물림 해제될 때 상기 밸브 니들을 에워싸는 하우징을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 하우징이 제거 가능한 배출 링을 수용한다. 일부 실시예에서, 상기 배출 링이 테이퍼형이다. 일부 실시예에서, 상기 밸브 몸체가 환형 링을 수용한다. 일부 실시예에서, 상기 환형 링이 제거 가능하다. 일부 실시예에서, 상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체 상에서 폐쇄될 때 상기 밸브 몸체와 상기 밸브 니들 사이에서 상기 챔버 내에 환형 공간이 형성된다. 일부 실시예에서, 상기 액체 유입용 노즐이 상기 챔버 내로 물을 전달한다. 일부 실시예에서, 상기 액체 유입용 노즐이 상기 챔버 내로 물이 아닌 액체를 전달한다. 일부 실시예에서, 상기 액체가 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 적어도 7% 더 크다. 일부 실시예에서, 상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 약 7% 더 크다. 일부 실시예에서, 상기 밸브 니들이 그 원추형 선단에 대향하는 넓은 단부를 갖는 원추를 구비한다. 일부 실시예에서, 상기 원추가 45도 내지 75도의 범위로 테이퍼형이다. 일부 실시예에서, 상기 원추가 약 45도 테이퍼형이다. 일부 실시예에서, 상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 적어도 4% 더 크다. 일부 실시예에서, 상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 약 4% 더 크다. 일부 실시예에서, 상기 압출기가 이축 압출기이다. 일부 실시예에서, 상기 압출기가 증기 및/또는 산을 추가하기 위한 포트를 구비한다.
또 다른 양태에서, 본원에 개시된 시스템을 통해 바이오매스를 전처리하기 위한 방법이 본원에 제공된다.
또 다른 양태에서, 바이오매스를 전처리하기 위한 방법으로서, 바이오매스를 압출기를 통해 압출기의 피더 구역으로부터 압출기의 반응 구역으로 운반하는 단계로서, 상기 피더 구역과 상기 반응 구역은 유입 구역의 하류 및 반응 구역의 상류에 형성된 바이오매스 플러그에 의해 분리되는 것인, 단계; 바이오매스를 부분적으로 처리하기 위해 상기 반응 구역에서 바이오매스에 증기 및/또는 화학 물질을 추가하는 단계; 부분 처리된 바이오매스를 상기 압출기의 유출 단부에 부착된 밸브 조립체로 운반하며, 부분 처리된 바이오매스를 상기 밸브 조립체에서 처리하여, 이에 의해 전처리된 바이오매스를 생성하는 단계; 및 밸브 조립체를 통해 전처리된 바이오매스를 배출하는 단계를 포함하는 방법이 본원에 제공된다.
방법의 일부 실시예에서, 상기 부분 처리된 바이오매스가 상기 밸브 조립체를 통해 운반되는 속도와 동일한 속도로 상기 압출기를 통해 바이오매스가 운반된다. 일부 실시예에서, 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 상기 반응 구역의 압력이 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승된다. 일부 실시예에서, 상기 바이오매스가 사일리지, 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 상기 바이오매스가 상기 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, 상기 화학 물질이 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 상기 압출기가 하나 이상의 스크류를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 압출기가 2개의 스크류를 포함한다.
또 다른 양태에서, 바이오매스를 전처리하기 위한 방법으로서, 바이오매스를 압출기를 통해 압출기의 피더 구역으로부터 압출기의 반응 구역으로 운반하는 단계로서, 상기 피더 구역과 상기 반응 구역은 유입 구역의 하류 및 반응 구역의 상류에 형성된 바이오매스 플러그에 의해 분리되는 것인, 단계; 바이오매스를 부분적으로 처리하기 위해 상기 반응 구역에서 바이오매스에 증기 및/또는 화학 물질을 추가하는 단계; 부분 처리된 바이오매스를 상기 압출기의 유출 단부에 부착된 확장 격실로 운반하며, 부분 처리된 바이오매스를 상기 확장 격실에서 처리하여, 이에 의해 전처리된 바이오매스를 생성하는 단계를 포함하는 방법이 본원에 제공된다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 바이오매스가 상기 압출기를 나갈 때 상기 압출기의 하류 단부에서 산을 추가하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 확장 격실이 튜브에 의해 형성된다. 일부 실시예에서, 상기 확장 격실이 용기에 의해 형성된다. 일부 실시예에서, 상기 확장 격실이 밸브 조립체에 의해 형성된다. 일부 실시예에서, 상기 확장 격실이 전처리된 바이오매스를 연속적인 방식으로 배출할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 확장 격실이 전처리된 바이오매스를 반연속적인 방식으로 배출할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 확장 격실이 전처리된 바이오매스를 배치(batch) 방식으로 배출할 수 있다. 부분 처리된 바이오매스가 상기 확장 격실을 통해 운반되는 속도와 동일한 속도로 상기 압출기를 통해 바이오매스가 운반된다. 일부 실시예에서, 상기 확장 격실이 가압된다. 일부 실시예에서, 상기 확장 격실에 액체 유입용 하나 이상의 노즐이 장착된다. 일부 실시예에서, 상기 액체 유입용 노즐이 물을 상기 챔버로 전달한다. 일부 실시예에서, 상기 액체 유입용 노즐이 상기 챔버로 물이 아닌 액체를 전달한다. 일부 실시예에서, 상기 액체가 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 상기 반응 구역의 압력이 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승된다. 일부 실시예에서, 상기 바이오매스가 사일리지, 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 상기 바이오매스가 상기 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, 상기 화학 물질이 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 상기 압출기가 하나 이상의 스크류를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 압출기가 2개의 스크류를 포함한다.
일 양태에서, 압출기 및 밸브 조립체를 통해 바이오매스를 처리하기 위한 시스템으로서, 하나 이상의 스크류를 포함하며, 스크류의 작용으로 인해 바이오매스의 내부 플러그가 형성되어, 이에 의해 가압 반응 구역의 일 단부를 형성하는 압출기; 증기 및 하나 이상의 화학 물질을 상기 반응 구역으로 공급하기 위한 방법; 상기 반응 구역의 하류 단부를 형성하며 상기 반응 구역에 액체를 추가하는 상기 압출기의 유출 단부에 부착된 밸브 조립체를 포함하며, 상기 밸브 조립체가 가압 처리 바이오매스를 비가압 배출 영역으로 신속하게 배출할 수 있는 것인, 시스템이 제공된다.
일부 실시예에서, 상기 바이오매스가 사일리지, 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 추가의 양태에서, 상기 바이오매스가 상기 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. 또 다른 실시예에서, 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 압력이 증기에 의해 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승된다. 또 다른 양태에서, 상기 화학 물질이 산이다. 또 다른 양태에서, 상기 산이 황산이다. 추가의 실시예에서, 상기 밸브 조립체가 하우징; 큰 원형 섹션, 중간 원추형 섹션, 액체 유입용의 하나 이상의 노즐을 수용하는 더 작은 원형 칼라를 포함하는 밸브 몸체; 및 밸브 니들을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 밸브 니들이 안착될 때 상기 밸브 몸체와 상기 밸브 니들 사이에 공간이 있다. 일 양태에서, 상기 액체 유입용 노즐이 상기 밸브 몸체와 상기 밸브 니들 사이의 공간으로 물을 전달한다. 또 다른 양태에서, 상기 액체 유입용 노즐이 상기 밸브 몸체와 상기 밸브 니들 사이의 공간으로 물이 아닌 액체를 전달한다. 일 실시예에서, 상기 액체가 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
일 양태에서, 밸브 조립체에 부착된 관 또는 배럴에서 슬러리 또는 액체를 처리하기 위한 방법으로서, 상기 관 또는 배럴이 반응 구역의 일 단부를 형성하는 플러그를 구비하는 단계; 상기 관 또는 배럴을 통해 액체 또는 슬러리를 운반하는 단계; 유입 스트림(stream)을 통해 상기 반응 구역의 압력을 유지하면서 상기 반응 구역의 하류 단부를 형성하는 상기 관 또는 배럴의 유출 단부에 부착된 밸브 조립체를 구비하는 단계; 액체 또는 슬러리가 상기 밸브 조립체에 들어감에 따라 상기 밸브 조립체의 상류 단부 내로 물질을 추가하는 단계: 및 상기 밸브 조립체를 사용하여 처리된 액체 또는 슬러리를 비가압 영역으로 배출하는 단계를 포함하는 방법이 있다. 일 양태에서, 상기 액체 또는 슬러리가 바이오매스를 포함한다. 또 다른 양태에서, 상기 바이오매스가 사일리지, 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 또 다른 양태에서, 상기 바이오매스가 상기 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.
일 실시예에서, 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 압력이 증기에 의해 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승된다. 또 다른 실시예에서, 상기 물질이 산이다. 추가의 실시예에서, 상기 산이 황산이다.
일 양태에서, 압출기 하류의 반응 구역을 확장하기 위한 시스템으로서, 반응 구역 섹션을 포함하는 압출기로서, 상기 압출기 반응 구역 섹션이 인접한 내부 공간을 포함하는 하류 밸브 조립체에 부착되는 것인, 압출기를 포함하며; 상기 압출기의 상기 반응 구역 섹션이 밸브 조립체의 인접한 내부 공간과 조합되어 상기 압출기의 하류의 상기 반응 구역을 확장하는 것인, 시스템이 제공된다. 또 다른 양태에서, 상기 압출기의 상기 반응 구역 섹션을 통해 이동하는 재료의 속도가 상기 밸브 조립체를 통해 이동하는 재료의 속도로 일정하게 유지된다.
일 실시예에서, 밸브 조립체가 상기 밸브 몸체의 일부인 환형 링을 구비한다. 또 다른 실시예에서, 상기 환형 링이 교체 가능하다. 일 실시예에서, 상기 밸브 몸체가 액체 유입용 노즐을 수용한다. 일 실시예에서, 밸브 니들은 폐쇄될 때 배출 링에서 상기 밸브 몸체에 안착된다. 추가의 양태에서, 상기 밸브 니들이 액추에이터에 부착된다. 일 실시예에서, 상기 액추에이터가 상기 밸브 니들 상의 압력을 유지하며, 상기 밸브 니들 상에 1,800 lbf를 넘는 압력이 유지된다. 또 다른 실시예에서, 상기 액추에이터가 상기 밸브 니들 상에서 50,000 lbf 내지 500,000 lbf의 압력을 유지한다.
일 실시예에서, 상기 압출기가 이축 압출기이다. 또 다른 실시예에서, 상기 압출기가 증기 및/또는 산을 추가하기 위한 포트를 구비한다.
일 양태에서, 압출기 하류의 반응 구역을 확장하기 위한 방법으로서, 압출기로부터 부착 하류 밸브 조립체 내로 연장되는 반응 구역에서 바이오매스를 가공하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 일 실시예에서, 상기 밸브 조립체가 하우징, 큰 원형 섹션, 중간 원추형 섹션, 액체 유입용의 하나 이상의 노즐을 수용하는 더 작은 원형 칼라를 추가로 포함하는 밸브 몸체, 및 밸브 니들을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 하우징이 제거 가능한 배출 링을 수용한다. 또 다른 실시예에서, 상기 배출 링이 테이퍼형이다. 추가의 실시예에서, 상기 밸브 몸체가 환형 링을 수용한다. 추가의 실시예에서, 상기 환형 링이 제거 가능하다. 일 양태에서, 상기 밸브 니들이 안착될 때 상기 밸브 몸체와 상기 밸브 니들 사이에 공간이 있다. 또 다른 양태에서, 상기 액체 유입용 노즐이 상기 밸브 몸체와 상기 밸브 니들 사이의 공간으로 물을 전달한다. 추가의 양태에서, 상기 액체 유입용 노즐이 상기 밸브 몸체와 상기 밸브 니들 사이의 공간으로 물이 아닌 액체를 전달한다. 또 다른 실시예에서, 상기 액체가 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에서, 상기 액체가 산이다. 추가의 실시예에서, 상기 산이 황산이다. 또 다른 실시예에서, 증기 및 하나 이상의 화학 물질이 상기 압출기의 상기 반응 구역에 추가된다. 추가의 실시예에서, 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승된다. 압력이 증기에 의해 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승된다. 또 다른 실시예에서, 상기 속도가 상기 반응 구역 전체에 걸쳐 일정하게 유지된다.
일 양태에서, 바이오매스를 가공하기 위한 방법으로서, 압출기를 통해 바이오매스를 운반하는 단계로서, 상기 압출기는 유입 구역과 반응 구역의 2개의 구역으로 분할되며, 상기 유입 구역과 상기 반응 구역이 상기 유입 구역의 하류 및 상기 반응 구역의 상류에 형성된 바이오매스 플러그에 의해 분리되는 것인, 단계; 바이오매스를 부분적으로 처리하기 위해 상기 반응 구역에서 바이오매스에 증기 및/또는 화학 물질을 추가하는 단계; 부분 처리된 바이오매스를 처리를 계속하기 위한 시간 동안 부착 밸브 조립체 내로 운반하는 단계; 및 밸브 조립체를 통해 바이오매스를 배출하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 또 다른 양태에서, 상기 바이오매스가 운반되는 속도가 상기 압출기 및 상기 밸브 조립체 내에서 동일하다. 일 실시예에서, 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승된다. 압력이 증기에 의해 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승된다. 추가의 실시예에서, 상기 바이오매스가 사일리지, 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일 양태에서, 상기 바이오매스가 상기 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. 또 다른 양태에서, 상기 화학 물질이 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
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 개시의 신규 특징이 첨부된 청구범위에 구체적으로 명시된다. 본 개시의 원리가 활용되는 예시적인 실시예를 설명하는 아래의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조하여 본 개시의 특징 및 장점이 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 변형된 압력 밸브 조립체를 나타내는 모식도이다.
도 2는 밸브 및 그 하우징의 종방향 모습을 보여주는 모식도이다.
도 3a 및 도 3b는 위에서 본(3a) 그리고 측면에서 본(3b) 밸브 조립체의 종방향 모습을 나타내는 모식도이다.
도 4는 위에서 본 밸브 조립체의 종방향 모식도이다.
도 5는 도 4의 단면 A의 확대도이다.
도 6은 밸브 니들이 없는 밸브 몸체의 횡단면도이다.
도 7a 내지 도 7d는 폐쇄 위치(7a); 0.5 mm 스트로크(7b); 1.0 mm 스트로크(7c); 1.5 mm 스트로크(7d) 상태의, 환형부에서의 밸브의 단면을 나타낸다.
도 1은 변형된 압력 밸브 조립체를 나타내는 모식도이다.
도 2는 밸브 및 그 하우징의 종방향 모습을 보여주는 모식도이다.
도 3a 및 도 3b는 위에서 본(3a) 그리고 측면에서 본(3b) 밸브 조립체의 종방향 모습을 나타내는 모식도이다.
도 4는 위에서 본 밸브 조립체의 종방향 모식도이다.
도 5는 도 4의 단면 A의 확대도이다.
도 6은 밸브 니들이 없는 밸브 몸체의 횡단면도이다.
도 7a 내지 도 7d는 폐쇄 위치(7a); 0.5 mm 스트로크(7b); 1.0 mm 스트로크(7c); 1.5 mm 스트로크(7d) 상태의, 환형부에서의 밸브의 단면을 나타낸다.
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 배제하는 것은 아니다.
"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)" 등의 문구가 사용되는 어디에서나, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "그리고 제한 없이(and without limitation)"라는 문구가 뒤따르는 것으로 이해된다. 이 때문에, "예를 들어 에탄올 생산"은 "예를 들어 그리고 제한 없이 에탄올 생산"을 의미한다.
본 명세서 및 이어지는 청구범위에서, 이하의 의미를 갖는 것으로 정의될 다수의 용어가 참조될 것이다.
정의
"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 또는 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.
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, 나무 팰릿, 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, 수수, 하이 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.
일 양태에서, 본원에 설명된 밸브 조립체는 처리된 액체의 고압 흐름 또는 튜브 또는 관을 통해 흐르는 재료의 슬러리에서 직면하는 분해 응력을 해결하는 구조 및 설계를 갖는다. 밸브 조립체는 흐름이 부착 튜브 또는 관으로부터 밸브 조립체 내로 상류로, 밸브 조립체를 통해 그리고 배출 영역으로 하류로 통과함에 따라 이러한 액체 또는 슬러리의 처리 일부를 통합하도록 설계된다.
본원에 설명된 것과 같은 같은 밸브 조립체를 사용하는 또 다른 주요 이점은 재료가 압출기 배럴에서 가공되는 시간을 감소시키는 능력이다. 반응 구역을 통해 이동하는 재료의 압력과 속도는, 압출기 및 단부 밸브 조립체의 크기와 상관없이, 상당히 일정하게 유지된다. 밸브의 크기를 증가시킬 때 밸브 내의 환형 공간에 의해 반응 구역 길이가 추가되기 때문에, 반응 구역의 부피가 증가되어, 이에 의해 압출기 배럴 내에서의 체류 기간 연장 없이 재료 가공 시간이 증가된다.
일 실시예에서, 유체 단부에 사용하기 위한 밸브 조립체가 제공된다. 또 다른 양태에서, 본원에 개시된 밸브 조립체가 액체, 재료의 슬러리, 걸쭉한 액체, 또는 압력 하의 임의의 액화 물질을 연속적으로 또는 반연속적으로 가공하는 데 사용될 수 있다. 공정에 따라, 재료가 열, 압력, 및/또는 화학 물질의 추가에 의해 단독으로 개질될 수 있으며, 또는 압력 하에서 혼합되거나, 가열되거나, 둘 이상의 성분을 조합(동시에 또는 후속 추가를 통해)하여, 산, 염기, 표백 성분, 염료 등과 같은 화학 성분의 추가에 의해 화학적으로 반응이 이루어질 수 있다는 것이 이해된다. 이러한 성분의 예에는 플라스틱, 식물 재료, 식료품, 폴리머, 폴리우레탄 등이 포함된다.
일 양태에서, 재료의 슬러리가 전처리된 바이오매스 또는 부분적으로 가수분해된 바이오매스를 포함할 수 있다. 이 장치는 재료가 튜브나 관과 같은 통로를 통해 이동됨에 따라 일정한 속도와 압력을 얻는 데 사용될 수 있다. 유출부에서 밸브 조립체와 개재 플러그에 의해 통로 내의 일정한 압력을 증가시켜 유지하기 위해 물이나 증기가 추가될 수 있다. 플러그와 밸브 조립체 사이의 섹션이 재료 개질이 발생하는 반응 구역이다. 이 구역은 밸브 니들의 단부를 통한 재료의 플래쉬 발생을 포함한다.
일 실시예에서, 압출기 및 밸브 조립체가 재료를 가공하는 데 사용될 수 있다. 압출기는 스크류 요소에 의해 배럴을 통해 액체, 슬러리, 고체 및 점성 재료를 이동시킨다. 요소의 형상에 따라, 재료가 느려지거나, 혼합되거나, 배럴을 통해 밀려날 수도 있다. 압출기가 단일 스크류 압출기(single screw extruder), 이축 압출기(twin screw extruder), 또는 삼중 스크류 압출기(triple-screw extruder)일 수 있다. 바람직하게는, 바이오매스 재료의 경우, 이축 압출기가 사용된다. 압력이 증가되는 경우 매우 많은 양의 증기를 추가할 수 있도록 특별히 설계된 스크류를 갖는 압출기는 고속으로 바이오매스를 전처리하는 것을 가능하게 한다. 각각 전체적으로 본원에 참조로서 인용된 US 2016/0273009 Al 또는 WO2018/151833(A1)에 설명된 바와 같은 급속 압출기 전처리 시스템은 바이오매스의 분해 및 다른 바이오매스 성분으로부터의 셀룰로오스 및 리그닌 방출을 위한 독특한 경로를 제공한다. 모두 20초 이내에 달성되는 기계적 피브릴화, 묽은 산 가수분해, 및 증기 폭발의 조합이 수용성 당, 미정질 셀룰로오스, 및 리그닌의 매우 깨끗한 슬러리를 생성한다. 짧지만 강렬한 처리 지속 시간은, 대부분의 기타 공정에서 발생하는 과숙 또는 설폰화 없이, 매우 반응성이 높은 상태로 된 고유한 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 생성물을 생성한다.
관 또는 배럴을 통해 이동하는 액체 및 재료에 대한 제한 및 완화 장치가 과거에 제안되었다. 이들 중 일부는 압출기 배럴 자체의 개재 밸브와 관련이 있다. US 2007/0237022A1에 설명된 이러한 장치 중 하나가 중간 배럴 조절식 밸브 조립체이다. 그 외에도 US2009/0053800A1, WO2010/056940A2, 또는 US10,344,757B1에서 볼 수 있는 바와 같은 단부 밸브가 있다. 이들 중 어느 것도 처리 시스템의 일부로서 기능하지 않으며, 고속 연속 가공이 불가능하다.
압출은 연속적이거나 반연속적일 수도 있으며, 공정이 재료를 뜨겁거나 차갑게 하여 수행될 수 있다. 일반적으로 압출되는 재료에는 금속, 중합체, 세라믹, 콘크리트, 모델링 점토, 및 식품이 포함되지만, 바이오매스도 압출기에서 가공될 수 있다. 압출기가 하나 이상의 샤프트를 구비할 수 있다. 이축 압출기는, 샤프트 상에 장착되며 "배럴(barrel)"로 불리우는 고정된 폐쇄 하우징에서 동일한 방향으로 회전하는, 2개의 공동 관통 및 자체 세정 방식의 동일한 스크류를 구비한 기계이다. 이축 압출기는 고온 및 고압 하에서 매우 짧은 체류 시간으로 연속적으로 작동할 수 있다.
일 실시예에서, 바이오매스 성분을 추출하기 위한 산, 열 및 폭발 전처리 공정이 증기 폭발을 포함하는 급속 처리 공정이다. 이러한 처리는 바이오매스의 감소된 크기의 입자가 가압 산 가수분해 처리되며 증기를 통해 고온 처리된 다음, 증기 폭발을 일으키는 방식으로 수행된다. 전체 공정이 내내 균일하고 몇 초 밖에 걸리지 않기 때문에, 연속 가공을 위한 압력을 유지하기 위해 효과적이고 신속하게 이동하는 밸브 시스템이 필요하다.
바이오매스의 가공에 있어서, 온도와 압력을 증가시키기 위해 배럴 내로 증기가 주입된다. 일 실시예에서, 스크류 요소가 또한, 재료의 흐름을 늦추는 기능을 하여, 유입 후 배럴 내에 재료를 밀봉하며 배럴 내부에서 압력을 추가로 구축하는 기능을 하는 개재 플러그를 형성한다. 예를 들어, 본원에 참조로서 인용된 미국 출원 제 15/932,340 호를 참조한다.
밸브 조립체의 예가 압출기로 제한되는 것은 아니며, 그 기능적 가치를 보여주기 위해 예시로서 제공된 것이다. 이 시스템에 있어서, 압력 밸브 조립체의 기능적 일 실시예는 압출기 내에서 그리고 밸브 몸체를 통해 일정한 압력이 시작되어 유지되는 것을 돕는 것이다. 이것은 대부분의 바이오매스 처리가 이루어지는 반응 구역이다. 압출기의 개재 플러그는 특정 스크류의 사용을 통해 감속을 촉진하며, 증기가 사용되어 반응 구역의 압력을 구축한다. 액추에이터가 밸브 니들 상에 압력을 설정하여 압출기와 밸브 몸체 내부에 필요한 압력을 유지한다. 수동식 또는 스프링 작동식 밸브 대신에, 관이나 배럴의 단부에서의 내부 압력에 응답하여 작동하는 액추에이터에 밸브가 결합된다면, 정밀한 연속 이동이 가능하다.
바람직하게는, 액추에이터가 킨트로닉스(Kyntronics)(미국 오하이오주 소론(Solon) 44139 소재)에 의해 제조된 것과 같은 유압식 또는 공압식 액추에이터이다. 액추에이터는 밸브 니들을 종방향 축선을 따라 아주 작은 이동으로 끝없이 신속하게 안팍으로 이동하도록 유지한다. 압출기 배럴 몸체의 반응 구역에서 바이오매스에 대해 니들 밸브가 유지하여야 하는 실제 힘은 1,800 lbf 내지 82,000 lbf의 범위이며 또한 훨씬 더 높을 수 있다(500,000 lbf 초과). 처리된 바이오매스 재료 또는 액체가 관통하여 흐르는 환형 공간을 제어함으로써 일정한 힘이 달성된다. 액추에이터 시스템은 전기 신호를 작동 기구로 직접 전달한다. 작동 기구는 특정 압력에서 작동하도록 설정되며, 튜브 또는 압출기 밖으로 흘러나오는 재료가 가하는 힘에 반응한다.
일 양태에서, 반응 구역이 밸브 몸체를 통해 플러그와 환형 링(환형과 배출 링 사이의 계면-아래 참조) 외부의 액체 또는 슬러리 플래쉬로서의 증기 폭발 영역 사이의 영역을 에워싸기 때문에, 튜브 또는 관에 더 짧은 길이의 반응 구역이 필요하다. 압출기에서 바이오매스를 가공하는 예에서, 이것은 압출기 반응 구역의 길이를 단축시키며 압출기 가공에 필요한 야금술 비용을 감소시킨다.
도 1에 도시된 바와 같은 압력 밸브 조립체의 일 예에서, 밸브는 원추형 밸브 니들(11)이 끼워진 밸브 몸체(10) 및 배출 관(13)이 끼워진 하우징(12)을 구비한다. 밸브 몸체와 니들은, 밸브 몸체와 하우징을 통해 상류 유입부(30)로부터 배출 관(13)으로 통과하는 상이한 화학 물질의 액체 또는 슬러리로 인한 마모 및 찢김을 견딜 수 있는 임의의 재료로 형성될 수 있지만, 비활성 금속 또는 비활성 코팅을 갖는 금속으로 구성된다. 밸브 니들이 샤프트(14)에 부착된다. 도 2에 종방향 단면으로 도시된 바와 같이, 밸브 몸체(10)가 원통형 섹션(15), 개재 원추형 섹션(16), 및 제 1 섹션(15)보다 작은 직경의 또 다른 대체로 원통형의 칼라(17)를 구비한다. 밸브 몸체가 그 가장 폭넓은 부분에 환형(마모) 링(19)을 포함한다. 이것은 밸브 몸체 섹션(15)의 오목한 공동에 안착된다. 환형 링(19)의 내부 표면이 나머지 밸브 몸체(10)와 정렬되며, 교체될 수 있는 마모 부품으로서 기능한다. 환형 링(19)이 밸브의 반응 구역 내부에 안착되며, 최소 환형 공간(21)까지 연장되며(도 7a 참조), 이후 대기로의 플래쉬(증기 폭발)가 발생한다.
테이퍼형 배출 링(20)은 하우징(12) 내에서 밸브 몸체(10)의 외부에 안착되며, 반응 구역의 일부를 형성하지는 않는다. 이것은 액체 또는 슬러리가 배출 관(13)으로 그리고 플래시 탱크(도시하지 않음) 내로 전달되는 것을 보장하기 위한 수단이다. 이것은 또한, 마모 부품으로서 형성되어 용이하게 교환될 수 있다. 배출 링(20) 상의 테이퍼(도 3a 및 도 3b 참조)는, 재료 축적을 초래할 수 있으며 니들 선단으로부터 유출부로 흐르는 물질의 이동을 방해할 수 있는, 밸브 몸체에 대한 직각 연결을 피한다.
도 3a 및 도 3b는 각각, 밸브와 그 하우징의 상측과 측면에서 본 종단면도이다. 재료가 압력 하에 튜브, 배럴 또는 관으로부터 섹션(17) 내로 밸브 몸체를 통해 상류로 흐르며(유체력), 하우징(12) 내로 하류로 배출된다. 액추에이터로부터의 힘이 샤프트(14)를 통해 밸브 니들에 인가된다.
밸브 몸체(10)와 밸브 니들(11)의 사이에 환형 공간(21)이 있다. 재료의 플래쉬가 발생하는 밸브 몸체(10)의 내경에 비해, 배출된 액체 또는 슬러리(재료)가 수용되는 하우징(12)의 공동(22)의 직경이 또한 7% 증가되어 있다.
작동 시에, 밸브 니들(11) 상에 작용하는 차압에 의해 밸브 니들(11)이 종방향 축선(75)을 따라 변위된다. 밸브 샤프트(14) 후방의 압력에 의해 밸브가 니들(11)의 가장 폭 넓은 단부 직전에서 밸브 몸체 섹션(15) 내에 안착된다.
니들 밸브(11)의 가장 넓은 부분이 밸브 몸체(10)의 가장 넓은 부분보다 약간 더 커, 폐쇄될 때 환형 링(19)에서 밸브 몸체 섹션(15) 내에 안착된다. 일 실시예에서, 니들의 넓은 단부의 직경이 밸브 몸체의 그 배출 단부에서 직경보다 적어도 4% 더 크다. 일 실시예에서, 니들의 넓은 단부의 직경이 밸브 몸체의 그 배출 단부에서의 직경보다 약 4% 더 크다. 일 실시예에서, 니들의 넓은 단부의 직경이 416 mm인 반면, 밸브 몸체의 배출 단부의 직경은 400 mm이다. 직경이 더 크거나 더 작을 수 있다. 일 실시예에서, 원추가 그 가장 넓은 직경으로부터 니들 선단(18)까지 45도 테이퍼형이다. 다른 실시예에서는, 원추의 테이퍼가 45도 내지 75도의 범위일 수 있다. 이 측정은 재료, 공급 원료, 공정 요구 사항, 공간 요구 사항, 및 니들 밸브를 이동시키는 데 필요한 힘에 기초할 것이다.
칼라(17)는 압력 릴리프 밸브를 압출기 또는 기타 튜브에 연결하는 수단이다. 밸브가 완전히 안착되고 압출기가 부착되면, 밸브 니들 선단(18)이 정확히 원추형 섹션(16)의 단부에 있는 칼라의 시작부까지 연장되며, 니들 선단과 관 또는 압출기(35)의 배출 단부 및 임의의 스크류(38)의 단부 사이에 공간이 있다. 압출기에서 바이오매스를 전처리하는 과정에서, 재료가 압출기를 떠난 후지만 밸브 니들 선단(18)에 도달하기 전에 칼라(17) 내의 분사 노즐(36)을 통해 물이 분사된다(도 4 및 도 5 참조). 물은 재료를 희석시키며, 증기 폭발을 통해 유변학을 개선하는 데 사용되며, 따라서, 압출기 상의 토크를 감소시켜 밸브를 통해 밀어내어진다. 가공 중에 재료, 특히 슬러리가 종종 흐르지 않는 경우가 있긴 하지만, 관 또는 배럴을 통해 가공됨에 따라 약간 급속히 밀어내어진다. 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.
밸브의 폐쇄 위치에서, 밸브 니들 선단(18)이 밸브 몸체(10)의 내부 공간 내에서 대략 개재 원추형 섹션(16)과 더 작은 원통형 칼라(17)의 계면에 안착된다. 도 5를 참조한다. 밸브 니들 선단(18)이 액체 주입부의 하류 약 3 mm 내지 6 mm에 있다.
도 6은 이중 스크류(38)가 있는 압출기의 배출 단부 향해서 본, 밸브 니들(18)이 없는 밸브 몸체(10)의 단면도이다. 재료가 압출기에서 나온 후, 유입 노즐(36)이 칼라(17) 내로 액체를 분사한다.
도 7a는 환형 링(19)에서 원추형 니들(11)과 원추형 밸브 몸체(15) 사이의 밀봉부의 단면도이다. 이 지점에서, 밸브 샤프트(14) 후방의 압력이 관 밖으로 흘러나오는 유체 및/또는 재료의 압력 이상이며, 흐름을 중단시키는 역할을 한다. 도 7b는 관 내부의 압력이 증가하며 밸브 니들(11)이 하우징을 향해 대략 0,5 mm 이동하는 경우의 밸브 니들(11)의 이동을 나타낸다. 유체 및/또는 재료가 배출 영역(22)을 향해 통로(공간)(21)를 통해 밸브 니들(11) 주위로 흐를 수 있도록 밸브 니들(11)이 환형 링(19) 내의 안착 위치로부터 분리된다. 관으로부터의 압력이 증가하면 밸브 니들(11)이 배출 영역을 향해 추가로 이동되며, 니들과 환형 링(19) 사이의 간극이 넓어지며, 유체 및/또는 재료의 더 큰 흐름, 즉, 1.0 mm(도 7c), 및 1.5 mm(도 7d)의 이동이 허용된다.
작동 시에, 밸브 니들(18)이 필요한 설정점 압력을 유지하기 위해 초당 여러 번 안팎으로 이동하므로, 완전히 폐쇄된 상태와 최대 2 mm의 환형 공간을 허용하는 사이에서 이동한다. 밸브 니들에 부착된 유압식 액추에이터가 밸브 니들을 종방향 축선을 따라 아주 작은 이동으로 끝없이 매우 신속하게 안팍으로 이동하도록 유지한다.
통로는 압출기 배럴의 단부를 넘어 반응 구역을 확장할 수 있는 독특한 기회를 제공한다. 일부 실시예에서, 반응 구역은 본원에 개시된 밸브 조립체의 통로 이외의 확장 챔버에 의해 확장된다. 예를 들어, 확장 격실은 압출기의 유출 단부에 부착된 용기 또는 튜브에 의해 형성된다. 가공은 압출기와 통로(21)를 통해 계속되며, 전처리 시간을 측정할 때 공간(21)의 부피가 고려되어야 한다. 압출기의 배럴 섹션과 매니폴드 및 주입 조립체는 위치가 변경되며 및/또는 뒤집어질 수 있도록 설계된다. 따라서, 예를 들어, 반응 구역 길이의 변경이 필요한 경우, 증기 및 산의 주입이 압출기 배럴의 단부를 향해 더 하류에서 이루어지도록 함으로써, 재료가 압출기 섹션에서 전처리되는 시간을 단축하지만 통로(21)에서 동일한 부피의 공간을 유지하도록 증기 주입 포트와 산 주입 포트가 이동될 수 있다. 이것은 값비싼 압출기 섹션 및 코팅의 마모 및 찢김을 감소시켜, 전체 전처리 비용을 감소시킨다.
또 다른 실시예에서, 밸브 조립체의 크기를 증가시킴으로써 통로의 부피 공간을 증가시키면, 압출기의 마모 및 찢김을 증가시키지 않고 전처리 기간이 연장될 것이다. 추가의 실시예에서, 산의 처리가 짧아질수록 증기 기간이 더 길어져야 했었다면, 산 배럴이 하류로 이동될 수 있어, 이에 의해 증기와 접촉하는 시간이 증가되며 이론적으로 필요한 산의 양이 감소되며 산이 하류로 더 이동된다. 유사하게, 반응 온도에서 산과의 접촉 시간이 너무 길어 억제제가 생성되면, 산 배럴이 하류로 이동될 수 있으며 및/또는 통로(21)에서 나중에 추가될 수 있어, 이에 의해 억제제가 더 적게 생성된다.
압출기 시스템의 크기에 따라, 안정적이고 연속적인 바이오매스 전처리 작업이 30 mm 밸브, 63 mm 밸브, 98 mm 밸브, 및 400 mm 밸브로 수행되었다. 다른 실시예에서는, 500 mm 내지 600 mm 이상의 밸브가 사용될 수 있다.
배럴 및 단부 밸브 크기와 함께 인젝터로 구성된 이 시스템은 상당한 양의 유연성을 제공하며, 주입 가능성 및 전처리 기간에 대한 거의 유한한 제어를 제공한다. 밸브의 크기가 증가함에 따라 공간(21)에서의 재료의 체류 시간이 증가하도록 밸브를 통해 이동하며 밸브 밖으로 플래싱되는 재료의 속도가 일정하게 유지된다.
상기 예로부터, 전처리 비용을 최소화하면서 바이오매스 전처리의 효율을 최대화하기 위해 통로(21)의 상이한 부피와 조합된 배럴 섹션의 다수의 조합이 얻어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다. 시스템을 통해 이동하는 재료의 속도가 유지됨에 따라 온도와 화학 물질이 달라질 수 있다.
특정 상황 하에서는, 일정한 압력 하에서 재료, 액체 또는 둘 모두를 연속적으로 가공하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 바이오매스의 전처리는 배치(batch) 방식에서는 비경제적이다. 이것은 시간이 많이 걸리고 재료를 낭비한다. 문제는 관이나 배럴을 통해 물질을 이동시키는 동시에 가압된 재료를 대기압으로 배출하면서 처리 동안 어떻게 일정하고 정밀한 압력을 유지하느냐이다. 또한, 불균질 혼합물의 특성으로 인해 맥동이 발생할 수 있기 때문에, 슬러리를 이용한 작업 시에 이러한 압력 조건을 달성하기가 어렵다.
본원에 설명된 밸브는 고속에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 환형 링(19)에서 측정된 바와 같은 연속적인 바이오매스 가공은 0.5 mm 스트로크에서 185 m/s 내지 190 m/s이다. 잠재적으로 가능한 범위는 약 90 m/s 내지 250 m/s이다. 또 다른 실시예에서는, 95 m/s, 100 m/s, 110 m/s, 120 m/s, 130 m/s, 140 m/s, 150 m/s, 160 m/s, 170 m/s, 180 m/s, 190 m/s, 200 m/s, 210 m/s, 220 m/s, 230 m/s, 240 m/s 및 그 이상의 속도가 가능하다.
시스템을 통해 이동하는 바이오매스 재료의 속도는 30 mm 밸브의 경우의 55 kg/hr에서 400 mm 밸브의 경우의 96 DMT/일 이상으로 설정되었다. 더 큰 밸브의 경우 더 높은 속도가 달성될 수 있다.
일부 실시예에서, 액체 또는 슬러리가 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, 액체 또는 슬러리가 상승된 압력에서 처리될 수 있다. 일 실시예에서, 바이오매스가 약 1 psi 내지 약 30 psi의 압력 범위에서 전처리된다. 또 다른 실시예에서는 바이오매스가 약 50 psi, 100 psi, 150 psi, 200 psi, 250 psi, 300 psi, 350 psi, 400 psi, 450 psi, 500 psi, 550 psi, 600 psi, 650 psi, 700 psi, 750 psi, 800 psi 이상 최대 900 psi의 압력에서 전처리된다. 일부 실시예에서, 바이오매스가 용기를 포함하는 바이오매스 내로 증기를 주입함으로써 상승된 압력으로 처리될 수 있다. 일 실시예에서, 바이오매스가 알칼리 또는 산 처리 또는 본원에 제공된 임의의 기타 처리 방법 전 또는 후에 진공 조건으로 처리될 수 있다.
예시적인 실시예
실시예 1. 압출기 및 밸브 조립체를 통해 바이오매스를 처리하기 위한 시스템으로서,
(a) 하나 이상의 스크류를 포함하며, 스크류의 작용으로 인해 바이오매스의 내부 플러그가 형성되어, 이에 의해 가압 반응 구역의 일 단부를 형성하는 압출기;
(b) 증기 및 하나 이상의 화학 물질을 상기 반응 구역으로 공급하기 위한 방법;
(c) 상기 반응 구역의 하류 단부를 형성하며 상기 반응 구역에 액체를 추가하는, 상기 압출기의 유출 단부에 부착된 밸브 조립체를 포함하며,
(d) 상기 밸브 조립체가 가압 처리 바이오매스를 비가압 배출 영역으로 신속하게 배출할 수 있는 것인, 시스템.
실시예 2. 상기 바이오매스가 사일리지(silage), 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 3. 상기 바이오매스가 상기 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 처리되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 4. 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 압력이 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승되는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 5. 하나의 화학 물질이 산인 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 6. 상기 산이 황산인 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 7. 상기 밸브 조립체가 포함하는 것인, 실시예 1의 시스템.
실시예 8. 하우징;
(a) i. 큰 원형 섹션, ii. 중간 원추형 섹션, iii. 액체 유입용의 하나 이상의 노즐을 수용하는 더 작은 원형 칼라를 포함하는 밸브 몸체; 및
(b) 밸브 니들.
실시예 9. 상기 밸브 니들이 안착될 때 상기 밸브 몸체와 상기 밸브 니들 사이에 공간이 있는 것인, 실시예 7의 밸브 조립체.
실시예 10. 상기 액체 유입용 노즐이 상기 밸브 몸체와 상기 밸브 니들 사이의 공간으로 물을 전달하는 것인, 실시예 7의 밸브 조립체.
실시예 11. 상기 액체 유입용 노즐이 상기 밸브 몸체와 상기 밸브 니들 사이의 공간으로 물이 아닌 액체를 전달하는 것인, 실시예 7의 밸브 조립체.
실시예 12. 상기 액체가 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 실시예 10의 노즐.
실시예 13. 밸브 조립체에 부착된 관 또는 배럴에서 슬러리 또는 액체를 처리하기 위한 방법으로서,
a. 상기 관 또는 배럴이 반응 구역의 일 단부를 형성하는 플러그를 구비하는 단계;
b. 상기 관 또는 배럴을 통해 액체 또는 슬러리를 운반하는 단계;
c. 유입 스트림을 통해 상기 반응 구역의 압력을 유지하면서 상기 반응 구역의 하류 단부를 형성하는 상기 관 또는 배럴의 유출 단부에 부착된 밸브 조립체를 구비하는 단계;
d. 액체 또는 슬러리가 밸브 조립체에 들어감에 따라 상기 밸브 조립체의 상류 단부 내로 물질을 추가하는 단계: 및
e. 상기 밸브 조립체를 사용하여 상기 처리된 액체 또는 슬러리를 비가압 영역으로 배출하는 단계를 포함하는 방법.
실시예 14. 상기 액체 또는 슬러리가 바이오매스를 포함하는 것인, 실시예 12의 방법.
실시예 15. 상기 바이오매스가 사일리지(silage), 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 실시예 13의 방법.
실시예 16. 상기 바이오매스가 상기 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 처리되는 것인, 실시예 14의 방법.
실시예 17. 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 압력이 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승되는 것인, 실시예 14의 방법.
실시예 18. 상기 물질이 산인 것인, 실시예 14의 방법.
실시예 19. 상기 산이 황산인 것인, 실시예 14의 방법.
실시예 20. 압출기 하류의 반응 구역을 확장하기 위한 시스템으로서,
(a) 반응 구역 섹션을 포함하는 압출기로서, 상기 압출기 반응 구역 섹션이 인접한 내부 공간을 포함하는 하류 밸브 조립체에 부착되는 것인, 압출기를 포함하며,
(b) 상기 압출기의 상기 반응 구역 섹션이 밸브 조립체의 인접한 내부 공간과 조합되어 상기 압출기의 하류의 상기 반응 구역을 확장시키는 것인, 시스템.
실시예 21. 상기 압출기의 상기 반응 구역 섹션을 통해 이동하는 재료의 속도가 상기 밸브 조립체를 통해 이동하는 재료의 속도로 일정하게 유지되는 것인, 실시예 19의 시스템.
실시예 22. 환형 링이 상기 밸브 몸체의 일부인 것인, 실시예 19의 밸브 조립체.
실시예 23. 상기 환형 링이 교체 가능한 것인, 실시예 19의 밸브 조립체.
실시예 24. 상기 밸브 몸체가 액체 유입용 노즐을 수용하는 것인, 실시예 19의 밸브 조립체.
실시예 25. 밸브 니들은 폐쇄될 때 배출 링에서 상기 밸브 몸체에 안착되는 것인, 실시예 19의 밸브 조립체.
실시예 26. 상기 밸브 니들이 액추에이터에 부착되는 것인, 실시예 24의 밸브 조립체.
실시예 27. 상기 액추에이터가 상기 밸브 니들 상의 압력을 유지하는 것인, 실시예 25의 액추에이터.
실시예 28. 상기 액추에이터가 상기 밸브 니들 상에서 1,800 lbf를 넘는 압력을 유지하는 것인, 실시예 25의 액추에이터.
실시예 29. 상기 액추에이터가 상기 밸브 니들 상에서 50,000 lbf 내지 500,000 lbf의 압력을 유지하는 것인, 실시예 25의 액추에이터.
실시예 30. 상기 압출기가 이축 압출기인 것인, 실시예 19의 압출기.
실시예 31. 상기 압출기가 증기 및/또는 산을 추가하기 위한 포트를 구비하는 것인, 실시예 19의 압출기.
실시예 32. 압출기 하류의 반응 구역을 확장하기 위한 방법으로서,
(a) 압출기로부터 부착 하류 밸브 조립체 내로 연장되는 반응 구역에서 바이오매스를 가공하는 단계를 포함하는 방법.
실시예 33. 상기 밸브 조립체가,
(a) 하우징;
(b) iv. 큰 원형 섹션, v. 중간 원추형 섹션, vi. 액체 유입용의 하나 이상의 노즐을 수용하는 더 작은 원형 칼라를 포함하는 밸브 몸체; 및
(c) 밸브 니들을 포함하는 것인, 실시예 31의 방법.
실시예 34. 상기 하우징이 제거 가능한 배출 링을 수용하는 것인, 실시예 32의 밸브 조립체.
실시예 35. 상기 배출 링이 테이퍼형인 것인, 실시예 33의 밸브 조립체.
실시예 36. 상기 밸브 몸체가 환형 링을 수용하는 것인, 실시예 32의 밸브 조립체.
실시예 37. 상기 환형 링이 제거 가능한 것인, 실시예 35의 밸브 조립체.
실시예 38. 상기 밸브 니들이 안착될 때 상기 밸브 몸체와 상기 밸브 니들 사이에 공간이 있는 것인, 실시예 32의 밸브 조립체.
실시예 39. 상기 액체 유입용 노즐이 상기 밸브 몸체와 상기 밸브 니들 사이의 공간으로 물을 전달하는 것인, 실시예 32의 밸브 조립체.
실시예 40. 상기 액체 유입용 노즐이 상기 밸브 몸체와 상기 밸브 니들 사이의 공간으로 물이 아닌 액체를 전달하는 것인, 실시예 38의 밸브 조립체.
실시예 41. 상기 액체가 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 실시예 39의 노즐.
실시예 42. 증기 및 하나 이상의 화학 물질이 상기 압출기의 상기 반응 구역에 추가되는 것인, 실시예 31의 방법.
실시예 43. 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 압력이 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승되는 것인, 실시예 31의 방법.
실시예 44. 상기 액체가 산인 것인, 실시예 41의 방법.
실시예 45. 상기 산이 황산인 것인, 실시예 41의 방법.
실시예 46. 상기 속도가 상기 반응 구역 전체에 걸쳐 일정하게 유지되는 것인, 실시예 31의 방법.
실시예 47. 바이오매스를 가공하기 위한 방법으로서,
(a) 압출기를 통해 바이오매스를 운반하는 단계로서, 상기 압출기는 유입 구역과 반응 구역의 2개의 구역으로 분할되며, 상기 유입 구역과 상기 반응 구역이 상기 유입 구역의 하류 및 상기 반응 구역의 상류에 형성된 바이오매스 플러그에 의해 분리되는 것인, 단계;
(b) 바이오매스를 부분적으로 처리하기 위해 상기 반응 구역에서 바이오매스에 증기 및/또는 화학 물질을 추가하는 단계;
(c) 부분 처리된 바이오매스를 처리를 계속하기 위한 시간 동안 부착 밸브 조립체 내로 운반하는 단계; 및
(d) 밸브 조립체를 통해 바이오매스를 배출하는 단계를 포함하는 방법.
실시예 48. 상기 바이오매스가 운반되는 속도가 상기 압출기 및 상기 밸브 조립체 내에서 동일한 것인, 실시예 46의 방법.
실시예 49. 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 압력이 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승되는 것인, 실시예 46의 방법.
실시예 50. 상기 바이오매스가 사일리지(silage), 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 실시예 46의 방법.
실시예 51. 상기 바이오매스가 상기 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 처리되는 것인, 실시예 46의 방법.
실시예 52. 상기 화학 물질이 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 실시예 46의 방법.
[1] 바이오매스를 전처리하기 위한 시스템으로서,
(a) 하나 이상의 스크류를 포함하는 압출기로서, 상기 하나 이상의 스크류의 작용으로 인해 바이오매스의 내부 플러그가 형성되어, 이에 의해 바이오매스의 전처리를 위한 가압 반응 구역의 상류 단부를 형성하는 압출기; 및
(b) 상기 압출기의 유출 단부에 부착된 밸브 조립체로서, 상기 반응 구역의 하류 단부를 형성하며 액체를 상기 반응 구역에 추가하는 밸브 조립체를 포함하는 시스템.
[2] 상기 바이오매스가 사일리지(silage), 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 단락 [1]의 시스템.
[3] 상기 바이오매스가 상기 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 처리되는 것인, 단락 [1] 또는 [2]의 시스템.
[4] 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 상기 반응 구역의 압력이 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승되는 것인, 단락 [1]-[3] 중 어느 하나의 시스템.
[5] 상기 시스템이 증기 및 하나 이상의 화학 물질을 상기 반응 구역에 공급하기 위한 수단을 추가로 포함하는 것인, 단락 [1]-[4] 중 어느 하나의 시스템.
[6] 상기 하나 이상의 화학 물질이 산을 포함하는 것인, 단락 [5]의 시스템.
[7] 상기 산이 황산인 것인, 단락 [6]의 시스템.
[8] 상기 밸브 조립체가,
큰 원형 섹션, 개재 원추형 섹션, 및 액체 유입용의 하나 이상의 노즐을 수용하는 작은 원형 칼라를 포함하는 밸브 몸체로서, 밸브 몸체가 밸브 몸체의 유입 단부와 배출 단부를 연결하는 내부에 형성된 챔버를 구비하며, 상기 작은 원형 칼라가 상기 큰 원형 섹션보다 내경이 더 작은 것인, 밸브 몸체;
상기 밸브 몸체의 챔버 내부에서 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들; 및
상기 밸브 몸체의 배출 단부에 부착되며 상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체와 맞물림 해제될 때 상기 밸브 니들을 에워싸는 하우징을 포함하는 것인, 단락 [1]-[7] 중 어느 하나의 시스템.
[9] 상기 하우징이 제거 가능한 배출 링을 수용하는 것인, 단락 [8]의 시스템.
[10] 상기 배출 링이 테이퍼형인 것인, 단락 [9]의 시스템.
[11] 상기 밸브 몸체가 환형 링을 수용하는 것인, 단락 [8]-[10] 중 어느 하나의 시스템.
[12] 상기 환형 링이 제거 가능한 것인, 단락 [11]의 시스템.
[13] 상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체 상에서 폐쇄될 때 상기 밸브 니들과 상기 밸브 몸체 사이의 챔버에 환형 공간이 형성되는 것인, 단락 [8]-[12] 중 어느 하나의 시스템.
[14] 상기 액체 유입용 노즐이 상기 챔버로 물을 전달하는 것인, 단락 [8]-[13] 중 어느 하나의 시스템.
[15] 상기 액체 유입용 노즐이 상기 챔버로 물이 아닌 액체를 전달하는 것인, 단락 [8]-[14] 중 어느 하나의 시스템.
[16] 상기 액체가 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 단락 [15]의 시스템.
[17] 상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 적어도 7% 더 큰 것인, 단락 [8]-[16] 중 어느 하나의 시스템.
[18] 상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 약 7% 더 큰 것인, 단락 [8]-[17] 중 어느 하나의 시스템.
[19] 상기 밸브 니들이 그 원추형 선단에 대향하는 넓은 단부를 갖는 원추를 구비하는 것인, 단락 [8]-[18] 중 어느 하나의 시스템.
[20] 상기 원추가 45도 내지 75도의 범위로 테이퍼형인 것인, 단락 [19]의 시스템.
[21] 상기 원추가 약 45도 테이퍼형인 것인, 단락 [19]의 시스템.
[22] 상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 적어도 4% 더 큰 것인, 단락 [19]-[21] 중 어느 하나의 시스템.
[23] 상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 약 4% 더 큰 것인, 단락 [19]-[22] 중 어느 하나의 시스템.
[24] 상기 압출기가 이축 압출기인 것인, 단락 [1]-[23] 중 어느 하나의 시스템.
[25] 상기 압출기가 증기 및/또는 산을 추가하기 위한 포트를 구비하는 것인, 단락 [1]-[24] 중 어느 하나의 시스템.
[26] 바이오매스를 전처리하기 위한 시스템으로서,
(a) 하나 이상의 스크류를 포함하는 압출기로서, 상기 하나 이상의 스크류의 작용으로 인해 바이오매스의 내부 플러그가 형성되어, 이에 의해 바이오매스의 전처리를 위한 가압 반응 구역의 상류 단부를 형성하는 압출기; 및
(b) 상기 압출기의 유출 단부에 부착된 밸브 조립체로서, 상기 밸브 조립체는,
큰 원형 섹션, 개재 원추형 섹션, 및 액체 유입용의 하나 이상의 노즐을 수용하는 작은 원형 칼라를 포함하는 밸브 몸체로서, 밸브 몸체가 밸브 몸체의 유입 단부와 배출 단부를 연결하는 내부에 형성된 챔버를 구비하며, 상기 작은 원형 칼라가 상기 큰 원형 섹션보다 내경이 더 작은 것인, 밸브 몸체;
상기 밸브 몸체의 챔버 내부에서 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들; 및
상기 밸브 몸체의 배출 단부에 부착되며 상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체와 맞물림 해제될 때 상기 밸브 니들을 에워싸는 하우징을 포함하는 것인, 시스템.
[27] 상기 바이오매스가 사일리지(silage), 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 단락 [26]의 시스템.
[28] 상기 바이오매스가 상기 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 처리되는 것인, 단락 [26] 또는 [27]의 시스템.
[29] 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 압력이 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승되는 것인, 단락 [26]-[28] 중 어느 하나의 시스템.
[30] 상기 밸브 몸체의 챔버가 상기 가압 반응 구역의 하류 부분을 형성하는 것인, 단락 [26]-[29] 중 어느 하나의 시스템.
[31] 상기 시스템이 증기 및 하나 이상의 화학 물질을 상기 반응 구역에 공급하기 위한 수단을 추가로 포함하는 것인, 단락 [26]-[30] 중 어느 하나의 시스템.
[32] 상기 하나 이상의 화학 물질이 산을 포함하는 것인, 단락 [31]의 시스템.
[33] 상기 산이 황산인 것인, 단락 [32]의 시스템.
[34] 상기 하우징이 제거 가능한 배출 링을 수용하는 것인, 단락 [26]-[33] 중 어느 하나의 시스템.
[35] 상기 배출 링이 테이퍼형인 것인, 단락 [34]의 시스템.
[36] 상기 밸브 몸체가 환형 링을 수용하는 것인, 단락 [26]-[35] 중 어느 하나의 시스템.
[37] 상기 환형 링이 제거 가능한 것인, 단락 [36]의 시스템.
[38] 상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체 상에서 폐쇄될 때 상기 밸브 니들과 상기 밸브 몸체 사이의 챔버에 환형 공간이 형성되는 것인, 단락 [26]-[37][29] 중 어느 하나의 시스템.
[39] 상기 액체 유입용 노즐이 상기 챔버로 물을 전달하는 것인, 단락 [26]-[38][37] 중 어느 하나의 시스템.
[40] 상기 액체 유입용 노즐이 상기 챔버로 물이 아닌 액체를 전달하는 것인, 단락 [26]-[39] 중 어느 하나의 시스템.
[41] 상기 액체가 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 단락 [40]의 시스템.
[42] 상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 적어도 7% 더 큰 것인, 단락 [26]-[41][37] 중 어느 하나의 시스템.
[43] 상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 약 7% 더 큰 것인, 단락 [26]-[42] 중 어느 하나의 시스템.
[44] 상기 밸브 니들이 그 원추형 선단에 대향하는 넓은 단부를 갖는 원추를 구비하는 것인, 단락 [26]-[43] 중 어느 하나의 시스템.
[45] 상기 원추가 45도 내지 75도의 범위로 테이퍼형인 것인, 단락 [44]의 시스템.
[46] 상기 원추가 약 45도 테이퍼형인 것인, 단락 [44]의 시스템.
[47] 상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 적어도 4% 더 큰 것인, 단락 [44]-[46] 중 어느 하나의 시스템.
[48] 상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 약 4% 더 큰 것인, 단락 [44]-[46] 중 어느 하나의 시스템.
[49] 상기 압출기가 이축 압출기인 것인, 단락 [26]-[48] 중 어느 하나의 시스템.
[50] 상기 압출기가 증기 및/또는 산을 추가하기 위한 포트를 구비하는 것인, 단락 [26]-[49] 중 어느 하나의 시스템.
[51] 단락 [1]-[50] 중 어느 하나의 시스템을 통해 바이오매스를 전처리하기 위한 방법.
[52] 바이오매스를 전처리하기 위한 방법으로서,
(a) 바이오매스를 압출기를 통해 압출기의 피더 구역으로부터 압출기의 반응 구역으로 운반하는 단계로서, 상기 피더 구역과 상기 반응 구역은 유입 구역의 하류 및 반응 구역의 상류에 형성된 바이오매스 플러그에 의해 분리되는 것인, 단계;
(b) 바이오매스를 부분적으로 처리하기 위해 상기 반응 구역에서 바이오매스에 증기 및/또는 화학 물질을 추가하는 단계;
(c) 부분 처리된 바이오매스를 상기 압출기의 유출 단부에 부착된 밸브 조립체로 운반하며, 부분 처리된 바이오매스를 상기 밸브 조립체에서 처리하는 단계; 및
(d) 밸브 조립체를 통해 바이오매스를 배출하는 단계를 포함하는 방법.
[53] 상기 바이오매스가 상기 밸브 조립체를 통해 운반되는 속도와 동일한 속도로 상기 압출기를 통해 바이오매스가 운반되는 것인, 단락 [52]의 방법.
[54] 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 상기 반응 구역의 압력이 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승되는 것인, 단락 [52] 또는 [53]의 방법.
[55] 상기 바이오매스가 사일리지(silage), 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 단락 [52]-[54] 중 어느 하나의 방법.
[56] 상기 바이오매스가 상기 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 처리되는 것인, 단락 [52]-[55] 중 어느 하나의 방법.
[57] 상기 화학 물질이 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 단락 [52]-[56] 중 어느 하나방법.
[58] 상기 압출기가 하나 이상의 스크류를 포함하는 것인, 단락 [52]-[57] 중 어느 하나의 방법.
[59] 상기 압출기가 2개의 스크류를 포함하는 것인, 단락 [58]의 방법.
[60] 상기 밸브 조립체가,
큰 원형 섹션, 개재 원추형 섹션, 및 액체 유입용의 하나 이상의 노즐을 수용하는 작은 원형 칼라를 포함하는 밸브 몸체로서, 밸브 몸체가 밸브 몸체의 유입 단부와 배출 단부를 연결하는 내부에 형성된 챔버를 구비하며, 상기 작은 원형 칼라가 상기 큰 원형 섹션보다 내경이 더 작은 것인, 밸브 몸체;
상기 밸브 몸체의 챔버 내부에서 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들; 및
상기 밸브 몸체의 배출 단부에 부착되며 상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체와 맞물림 해제될 때 상기 밸브 니들을 에워싸는 하우징을 포함하는 것인, 단락 [52]-[59] 중 어느 하나의 방법.
[61] 상기 하우징이 제거 가능한 배출 링을 수용하는 것인, 단락 [60]의 방법.
[62] 상기 배출 링이 테이퍼형인 것인, 단락 [61]의 방법.
[63] 상기 밸브 몸체가 환형 링을 수용하는 것인, 단락 [60]-[62][63] 중 어느 하나의 방법.
[64] 상기 환형 링이 제거 가능한 것인, 단락 [63]의 방법.
[65] 상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체 상에서 폐쇄될 때 상기 밸브 니들과 상기 밸브 몸체 사이의 챔버에 환형 공간이 형성되는 것인, 단락 [60]-[64] 중 어느 하나의 방법.
[66] 상기 액체 유입용 노즐이 상기 챔버로 물을 전달하는 것인, 단락 [60]-[65] 중 어느 하나의 방법.
[67] 상기 액체 유입용 노즐이 상기 챔버로 물이 아닌 액체를 전달하는 것인, 단락 [60]-[66] 중 어느 하나의 방법.
[68] 상기 액체가 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 단락 [67]의 방법.
[69] 상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 적어도 7% 더 큰 것인, 단락 [60]-[68] 중 어느 하나의 방법.
[70] 상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 약 7% 더 큰 것인, 단락 [60]-[69] 중 어느 하나의 방법.
[71] 상기 밸브 니들이 그 원추형 선단에 대향하는 넓은 단부를 갖는 원추를 구비하는 것인, 단락 [60]-[70] 중 어느 하나의 방법.
[72] 상기 원추가 45도 내지 75도의 범위로 테이퍼형인 것인, 단락 [71]의 시스템.
[73] 상기 원추가 약 45도 테이퍼형인 것인, 단락 [72]의 방법.
[74] 상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 적어도 4% 더 큰 것인, 단락 [71]-[73] 중 어느 하나의 방법.
[75] 상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 그 배출 단부에서의 상기 밸브 몸체의 내경보다 약 4% 더 큰 것인, 단락 [71]-[73] 중 어느 하나의 방법.
[76] 상기 밸브 조립체에서의 부분 처리된 바이오매스의 처리는 상기 반응 구역과 동일한 상승된 압력 및/또는 온도를 부분 처리된 바이오매스에 적용하는 단계를 포함하는 것인, 단락 [52]-[75] 중 어느 하나의 방법.
[77] 상기 밸브 조립체에서의 부분 처리된 바이오매스의 처리는 부분 처리된 바이오매스에 상기 밸브 조립체의 상류 단부에서 물질을 추가하는 단계를 포함하는 것인, 단락 [52]-[76] 중 어느 하나의 방법.
[78] 상기 물질이 산을 포함하는 것인, 단락 [77]의 방법.
[79] 상기 산이 황산을 포함하는 것인, 단락 [78]의 방법.
[80] 상기 압출기가 이축 압출기인 것인, 단락 [52]-[79] 중 어느 하나의 방법.
[81] 상기 압출기가 증기 및/또는 산을 추가하기 위한 포트를 구비하는 것인, 단락 [52]-[80] 중 어느 하나의 방법.
[82] 바이오매스를 전처리하기 위한 방법으로서,
(a) 바이오매스를 압출기를 통해 압출기의 피더 구역으로부터 압출기의 반응 구역으로 운반하는 단계로서, 상기 피더 구역과 상기 반응 구역은 유입 구역의 하류 및 반응 구역의 상류에 형성된 바이오매스 플러그에 의해 분리되는 것인, 단계;
(b) 바이오매스를 부분적으로 처리하기 위해 상기 반응 구역에서 바이오매스에 증기 및/또는 화학 물질을 추가하는 단계;
(c) 부분 처리된 바이오매스를 압출기의 유출 단부에 부착된 확장 격실로 운반하는 단계; 및
(d) 상기 확장 격실에서 부분 처리된 바이오매스를 처리하여, 이에 의해 전처리된 바이오매스를 생성하는 단계를 포함하는 방법.
[83] 상기 방법은 바이오매스가 상기 압출기를 나갈 때 상기 압출기의 하류 단부에서 산을 추가하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 단락 [82]의 방법.
[84] 상기 확장 격실이 튜브에 의해 형성되는 것인, 단락 [82] 또는 [83]의 방법.
[85] 상기 확장 격실이 용기에 의해 형성되는 것인, 단락 [82] 또는 [83]의 방법.
[86] 상기 확장 격실이 밸브 조립체에 의해 형성되는 것인, 단락 [82] 또는 [83]의 방법.
[87] 상기 확장 격실이 전처리된 바이오매스를 연속적인 방식으로 배출할 수 있는 것인, 단락 [82]-[86] 중 어느 하나의 방법.
[88] 상기 확장 격실이 전처리된 바이오매스를 반연속적인 방식으로 배출할 수 있는 것인, 단락 [82]-[86] 중 어느 하나의 방법.
[89] 상기 확장 격실이 전처리된 바이오매스를 배치(batch) 방식으로 배출할 수 있는 것인, 단락 [82]-[86] 중 어느 하나의 방법.
[90] 부분 처리된 바이오매스가 상기 확장 격실을 통해 운반되는 속도와 동일한 속도로 상기 압출기를 통해 바이오매스가 운반되는 것인, 단락 [82]-[89] 중 어느 하나의 방법.
[91] 상기 확장 격실이 가압되는 것인, 단락 [82]-[89] 중 어느 하나의 방법.
[92] 상기 확장 격실에 하나 이상의 액체 유입용 노즐이 장착되는 것인, 단락 [82]-[89] 중 어느 하나의 방법.
[93] 상기 액체 유입용 노즐이 물을 상기 챔버로 전달하는 것인, 단락 [92]의 방법.
[94] 상기 액체 유입용 노즐이 상기 챔버로 물이 아닌 액체를 전달하는 것인, 단락 [92]의 방법.
[95] 상기 액체가 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 단락 [94]의 방법.
[96] 상기 반응 구역의 온도가 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 상기 반응 구역의 압력이 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승되는 것인, 단락 [82]-[95] 중 어느 하나의 방법.
[97] 상기 바이오매스가 사일리지(silage), 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 단락 [82]-[96] 중 어느 하나의 방법.
[98] 상기 바이오매스가 상기 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 처리되는 것인, 단락 [82]-[97] 중 어느 하나의 방법.
[99] 상기 화학 물질이 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 단락 [82]-[98] 중 어느 하나의 방법.
[100] 상기 압출기가 하나 이상의 스크류를 포함하는 것인, 단락 [82]-[99] 중 어느 하나의 방법.
[101] 상기 압출기가 2개의 스크류를 포함하는 것인, 단락 [100]의 방법.
본 개시의 바람직한 실시예가 본원에 도시 및 설명되었지만, 당업자에게는 이러한 실시예가 단지 예시로서 제공된다는 것이 명백할 것이다. 이제 본 개시를 벗어나지 않고 다양한 변형, 변경 및 대체가 당업자에 의해 발생할 것이다. 본원에 설명된 본 개시의 실시예에 대한 다양한 대안이 본 개시를 실시하는 데 채용될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 이하의 청구범위는 본 개시의 범위를 정의하는 것으로 의도되며 또한 이러한 청구범위 이내의 방법 및 그 등가물이 이에 의해 커버되는 것으로 의도된다.
Claims (101)
- 바이오매스를 전처리하기 위한 시스템으로서,
(a) 하나 이상의 스크류를 포함하는 압출기로서, 상기 하나 이상의 스크류의 작용으로 인해 바이오매스의 내부 플러그가 형성되어, 이에 의해 바이오매스의 전처리를 위한 가압 반응 구역의 상류 단부를 형성하는 압출기; 및
(b) 상기 압출기의 유출 단부에 부착된 밸브 조립체로서, 상기 반응 구역의 하류 단부를 형성하며 액체를 상기 반응 구역에 추가하는 밸브 조립체
를 포함하는 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 바이오매스는 사일리지(silage), 농업 잔류물, 콘 스토버(corn stover), 버개스(bagasse), 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩(mill scrap), 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물(yard clipping), 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스(switchgrass), 알팔파, 및 프레리 블루스템(prairie bluestem)과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수(high biomass sorghum), 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트(pit)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 바이오매스는 상기 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 처리되는 것인, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 반응 구역의 온도는 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 상기 반응 구역의 압력은 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승되는 것인, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 시스템은 증기 및 하나 이상의 화학 물질을 상기 반응 구역에 공급하기 위한 수단을 추가로 포함하는 것인, 시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 하나 이상의 화학 물질은 산을 포함하는 것인, 시스템. - 제 6 항에 있어서,
상기 산은 황산인 것인, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 밸브 조립체는,
큰 원형 섹션, 개재 원추형 섹션, 및 액체 유입용의 하나 이상의 노즐을 수용하는 작은 원형 칼라를 포함하는 밸브 몸체로서, 밸브 몸체는 밸브 몸체의 유입 단부와 배출 단부를 연결하는, 내부에 형성된 챔버를 구비하며, 상기 작은 원형 칼라는 상기 큰 원형 섹션보다 내경이 더 작은 것인, 밸브 몸체;
상기 밸브 몸체의 챔버 내부에서 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들; 및
상기 밸브 몸체의 배출 단부에 부착되며, 상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체와 맞물림 해제될 때 상기 밸브 니들을 에워싸는 하우징
을 포함하는 것인, 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 하우징은 제거 가능한 배출 링을 수용하는 것인, 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 배출 링은 테이퍼형인 것인, 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 밸브 몸체는 환형 링을 수용하는 것인, 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 환형 링은 제거 가능한 것인, 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체 상에서 폐쇄될 때 상기 밸브 니들과 상기 밸브 몸체 사이의 상기 챔버에 환형 공간이 형성되는 것인, 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 액체 유입용 노즐은 상기 챔버로 물을 전달하는 것인, 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 액체 유입용 노즐은 상기 챔버로 물이 아닌 액체를 전달하는 것인, 시스템. - 제 15 항에 있어서,
상기 액체는 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 상기 밸브 몸체의 배출 단부에서의 밸브 몸체의 내경보다 적어도 7% 더 큰 것인, 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 상기 밸브 몸체의 배출 단부에서의 밸브 몸체의 내경보다 약 7% 더 큰 것인, 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 밸브 니들은, 그 원추형 선단에 대향하는 넓은 단부를 갖는 원추를 구비하는 것인, 시스템. - 제 19 항에 있어서,
상기 원추는 45도 내지 75도의 범위로 테이퍼형인 것인, 시스템. - 제 19 항에 있어서,
상기 원추는 약 45도 테이퍼형인 것인, 시스템. - 제 19 항에 있어서,
상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 상기 밸브 몸체의 배출 단부에서의 밸브 몸체의 내경보다 적어도 4% 더 큰 것인, 시스템. - 제 19 항에 있어서,
상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 상기 밸브 몸체의 배출 단부에서의 밸브 몸체의 내경보다 약 4% 더 큰 것인, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 압출기는 이축 압출기(twin screw extruder)인 것인, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 압출기는 증기 및/또는 산을 추가하기 위한 포트를 구비하는 것인, 시스템. - 바이오매스를 전처리하기 위한 시스템으로서,
(a) 하나 이상의 스크류를 포함하는 압출기로서, 상기 하나 이상의 스크류의 작용으로 인해 바이오매스의 내부 플러그가 형성되어, 이에 의해 바이오매스의 전처리를 위한 가압 반응 구역의 상류 단부를 형성하는 압출기; 및
(b) 상기 압출기의 유출 단부에 부착된 밸브 조립체로서, 상기 밸브 조립체는,
큰 원형 섹션, 개재 원추형 섹션, 및 액체 유입용의 하나 이상의 노즐을 수용하는 작은 원형 칼라를 포함하는 밸브 몸체로서, 밸브 몸체는 밸브 몸체의 유입 단부와 배출 단부를 연결하는, 내부에 형성된 챔버를 구비하며, 상기 작은 원형 칼라는 상기 큰 원형 섹션보다 내경이 더 작은 것인, 밸브 몸체;
상기 밸브 몸체의 챔버 내부에서 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들; 및
상기 밸브 몸체의 배출 단부에 부착되며, 상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체와 맞물림 해제될 때 상기 밸브 니들을 에워싸는 하우징
을 포함하는 것인 밸브 조립체
플 포함하는 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 바이오매스는 사일리지(silage), 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 바이오매스는 상기 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 처리되는 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 반응 구역의 온도는 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 압력은 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승되는 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 밸브 몸체의 챔버는 상기 가압 반응 구역의 하류 부분을 형성하는 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 시스템은 증기 및 하나 이상의 화학 물질을 상기 반응 구역에 공급하기 위한 수단을 추가로 포함하는 것인, 시스템. - 제 31 항에 있어서,
상기 하나 이상의 화학 물질은 산을 포함하는 것인, 시스템. - 제 32 항에 있어서,
상기 산은 황산인 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 하우징은 제거 가능한 배출 링을 수용하는 것인, 시스템. - 제 34 항에 있어서,
상기 배출 링은 테이퍼형인 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 밸브 몸체는 환형 링을 수용하는 것인, 시스템. - 제 36 항에 있어서,
상기 환형 링은 제거 가능한 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체 상에서 폐쇄될 때 상기 밸브 니들과 상기 밸브 몸체 사이의 챔버에 환형 공간이 형성되는 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 액체 유입용 노즐은 상기 챔버로 물을 전달하는 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 액체 유입용 노즐은 상기 챔버로 물이 아닌 액체를 전달하는 것인, 시스템. - 제 40 항에 있어서,
상기 액체는 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 상기 밸브 몸체의 배출 단부에서의 밸브 몸체의 내경보다 적어도 7% 더 큰 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 상기 밸브 몸체의 배출 단부에서의 밸브 몸체의 내경보다 약 7% 더 큰 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 밸브 니들은 그 원추형 선단에 대향하는 넓은 단부를 갖는 원추를 구비하는 것인, 시스템. - 제 44 항에 있어서,
상기 원추는 45도 내지 75도의 범위로 테이퍼형인 것인, 시스템. - 제 44 항에 있어서,
상기 원추는 약 45도 테이퍼형인 것인, 시스템. - 제 44 항에 있어서,
상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 상기 밸브 몸체의 배출 단부에서의 밸브 몸체의 내경보다 적어도 4% 더 큰 것인, 시스템. - 제 44 항에 있어서,
상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 상기 밸브 몸체의 배출 단부에서의 밸브 몸체의 내경보다 약 4% 더 큰 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 압출기는 이축 압출기인 것인, 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 압출기는 증기 및/또는 산을 추가하기 위한 포트를 구비하는 것인, 시스템. - 제 1 항 내지 제 50 항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 통해 바이오매스를 전처리하기 위한 방법.
- 바이오매스를 전처리하기 위한 방법으로서,
(a) 바이오매스를 압출기를 통해 압출기의 피더 구역(feeder zone)으로부터 압출기의 반응 구역으로 운반하는 단계로서, 상기 피더 구역과 상기 반응 구역은 유입 구역의 하류 및 반응 구역의 상류에 형성된 바이오매스 플러그(biomass plug)에 의해 분리되는 것인, 단계;
(b) 바이오매스를 부분적으로 처리하기 위해 상기 반응 구역에서 바이오매스에 증기 및/또는 화학 물질을 추가하는 단계;
(c) 부분 처리된 바이오매스를, 상기 압출기의 유출 단부에 부착된 밸브 조립체로 운반하며, 부분 처리된 바이오매스를 상기 밸브 조립체에서 처리하여, 이에 의해 전처리된 바이오매스를 생성하는 단계; 및
(d) 밸브 조립체를 통해 상기 전처리된 바이오매스를 배출하는 단계
를 포함하는 방법. - 제 52 항에 있어서,
상기 부분 처리된 바이오매스가 상기 밸브 조립체를 통해 운반되는 속도와 동일한 속도로 상기 압출기를 통해 바이오매스가 운반되는 것인, 방법. - 제 52 항에 있어서,
상기 반응 구역의 온도는 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 상기 반응 구역의 압력은 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승되는 것인, 방법. - 제 52 항에 있어서,
상기 바이오매스는 사일리지(silage), 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 방법. - 제 52 항에 있어서,
상기 바이오매스는 상기 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 처리되는 것인, 방법. - 제 52 항에 있어서,
상기 화학 물질은 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 방법. - 제 52 항에 있어서,
상기 압출기는 하나 이상의 스크류를 포함하는 것인, 방법. - 제 58 항에 있어서,
상기 압출기는 2개의 스크류를 포함하는 것인, 방법. - 제 52 항에 있어서,
상기 밸브 조립체는,
큰 원형 섹션, 개재 원추형 섹션, 및 액체 유입용의 하나 이상의 노즐을 수용하는 작은 원형 칼라를 포함하는 밸브 몸체로서, 밸브 몸체는 밸브 몸체의 유입 단부와 배출 단부를 연결하는, 내부에 형성된 챔버를 구비하며, 상기 작은 원형 칼라는 상기 큰 원형 섹션보다 내경이 더 작은 것인, 밸브 몸체;
상기 밸브 몸체의 챔버 내부에서 축방향으로 변위 가능한 밸브 니들; 및
상기 밸브 몸체의 배출 단부에 부착되며, 상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체와 맞물림 해제될 때 상기 밸브 니들을 에워싸는 하우징
을 포함하는 것인, 방법. - 제 60 항에 있어서,
상기 하우징은 제거 가능한 배출 링을 수용하는 것인, 방법. - 제 61 항에 있어서,
상기 배출 링은 테이퍼형인 것인, 방법. - 제 60 항에 있어서,
상기 밸브 몸체는 환형 링을 수용하는 것인, 방법. - 제 63 항에 있어서,
상기 환형 링은 제거 가능한 것인, 방법. - 제 60 항에 있어서,
상기 밸브 니들이 상기 밸브 몸체 상에서 폐쇄될 때 상기 밸브 니들과 상기 밸브 몸체 사이의 챔버에 환형 공간이 형성되는 것인, 방법. - 제 60 항에 있어서,
상기 액체 유입용 노즐은 상기 챔버로 물을 전달하는 것인, 방법. - 제 60 항에 있어서,
상기 액체 유입용 노즐은 상기 챔버로 물이 아닌 액체를 전달하는 것인, 방법. - 제 67 항에 있어서,
상기 액체는 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 방법. - 제 60 항에 있어서,
상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 상기 밸브 몸체의 배출 단부에서의 밸브 몸체의 내경보다 적어도 7% 더 큰 것인, 방법. - 제 60 항에 있어서,
상기 밸브 몸체에 접하는 상기 하우징의 단부에서의 상기 하우징의 내경이 상기 밸브 몸체의 배출 단부에서의 밸브 몸체의 내경보다 약 7% 더 큰 것인, 방법. - 제 60 항에 있어서,
상기 밸브 니들은 그 원추형 선단에 대향하는 넓은 단부를 갖는 원추를 구비하는 것인, 방법. - 제 71 항에 있어서,
상기 원추는 45도 내지 75도의 범위로 테이퍼형인 것인, 시스템. - 제 71 항에 있어서,
상기 원추는 약 45도 테이퍼형인 것인, 방법. - 제 71 항에 있어서,
상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 상기 밸브 몸체의 배출 단부에서의 밸브 몸체의 내경보다 적어도 4% 더 큰 것인, 방법. - 제 71 항에 있어서,
상기 밸브 니들의 넓은 단부에서의 직경이 상기 밸브 몸체의 배출 단부에서의 밸브 몸체의 내경보다 약 4% 더 큰 것인, 방법. - 제 52 항에 있어서,
상기 밸브 조립체에서의 부분 처리된 바이오매스의 처리는, 상기 반응 구역과 동일한 상승된 압력 및/또는 온도를 상기 부분 처리된 바이오매스에 적용하는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제 52 항에 있어서,
상기 밸브 조립체에서의 부분 처리된 바이오매스의 처리는 상기 밸브 조립체의 상류 단부에서 상기 부분 처리된 바이오매스에 물질을 추가하는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제 77 항에 있어서,
상기 물질은 산을 포함하는 것인, 방법. - 제 78 항에 있어서,
상기 산은 황산을 포함하는 것인, 방법. - 제 52 항에 있어서,
상기 압출기는 이축 압출기(twin screw extruder)인 것인, 방법. - 제 52 항에 있어서,
상기 압출기는 증기 및/또는 산을 추가하기 위한 포트를 구비하는 것인, 방법. - 바이오매스를 전처리하기 위한 방법으로서,
(a) 바이오매스를 압출기를 통해 압출기의 피더 구역으로부터 압출기의 반응 구역으로 운반하는 단계로서, 상기 피더 구역과 상기 반응 구역은 유입 구역의 하류 및 반응 구역의 상류에 형성된 바이오매스 플러그에 의해 분리되는 것인, 단계;
(b) 바이오매스를 부분적으로 처리하기 위해 상기 반응 구역에서 바이오매스에 증기 및/또는 화학 물질을 추가하는 단계;
(c) 부분 처리된 바이오매스를 압출기의 유출 단부에 부착된 확장 격실(extension compartment)로 운반하는 단계; 및
(d) 상기 확장 격실에서 상기 부분 처리된 바이오매스를 처리하여, 이에 의해 전처리된 바이오매스를 생성하는 단계
를 포함하는 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 방법은, 바이오매스가 상기 압출기를 빠져나갈 때 상기 압출기의 하류 단부에서 산을 추가하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 확장 격실은 튜브에 의해 형성되는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 확장 격실은 용기에 의해 형성되는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 확장 격실은 밸브 조립체에 의해 형성되는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 확장 격실은 전처리된 바이오매스를 연속적인 방식으로 배출할 수 있는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 확장 격실은 전처리된 바이오매스를 반연속적인 방식(semi-continuous manner)으로 배출할 수 있는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 확장 격실은 전처리된 바이오매스를 배치(batch) 방식으로 배출할 수 있는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 부분 처리된 바이오매스가 상기 확장 격실을 통해 운반되는 속도와 동일한 속도로 상기 압출기를 통해 바이오매스가 운반되는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 확장 격실은 가압되는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 확장 격실에 하나 이상의 액체 유입용 노즐이 마련되는 것인, 방법. - 제 92 항에 있어서,
상기 액체 유입용 노즐은 상기 챔버로 물을 전달하는 것인, 방법. - 제 92 항에 있어서,
상기 액체 유입용 노즐은 상기 챔버로 물이 아닌 액체를 전달하는 것인, 방법. - 제 94 항에 있어서,
상기 액체는 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 반응 구역의 온도는 50℃ 내지 500℃, 75℃ 내지 400℃, 100℃ 내지 350℃, 150℃ 내지 300℃, 200℃ 내지 250℃, 또는 150℃ 내지 300℃로 상승되며, 상기 반응 구역의 압력은 50 PSI 내지 1000 PSI, 100 PSI 내지 750 PSI, 200 PSI 내지 600 PSI, 300 PSI 내지 500 PSI, 또는 350 PSI 내지 450 PSI로 상승되는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 바이오매스는 사일리지(silage), 농업 잔류물, 콘 스토버, 버개스, 수수, 견과류, 견과류 껍질, 코코넛 껍질, 증류기 건조 가용물, 증류기 건조 곡물, 농축 증류기 가용물, 증류기 습식 곡물, 가용물이 포함된 증류기 건조 곡물, 목질 재료, 톱밥, 나무 조각, 나무 팰릿, 목재 슬래시, 밀 스크랩, 도시 폐기물, 폐지, 재활용 화장지, 정원 절취물, 및 포플러, 버드나무, 스위치그래스, 알팔파, 및 프레리 블루스템과 같은 에너지 작물, 비목질 식물 물질, 셀룰로오스 재료, 리그노셀룰로오스 재료, 헤미셀룰로오스 재료, 탄수화물, 옥수수, 사탕수수, 풀, 하이 바이오매스 수수, 대나무, 옥수숫대, 및 껍질과 피트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 바이오매스는 상기 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 처리되는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 화학 물질은 산, 염기, 알코올, 케톤, 알데히드, 용매, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 방법. - 제 82 항에 있어서,
상기 압출기는 하나 이상의 스크류를 포함하는 것인, 방법. - 제 100 항에 있어서,
상기 압출기는 2개의 스크류를 포함하는 것인, 방법.
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