(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を含む固形物の加圧された塊を分離する固体／流体分離モジュールにおいて、
加圧可能な収集チャンバ、および前記加圧された塊から流体を分離し、前記流体を前記収集チャンバに案内するための少なくとも１つのフィルタ・ユニットを備え、
前記フィルタ・ユニットが、前記加圧された塊を受けるための前記収集チャンバから封止されたコア開口を画定し、前記フィルタ・ユニットが、支持板に対して積層され互いに取り外し可能に締め付けられるフィルタ板であって、前記コア開口から離れるように流体を導くために、前記コア開口から離れるように前記フィルタ板の中で前記フィルタ板を通して閉じた端部まで延在するフィルタ・スロットを有するフィルタ板で構成されるフィルタ束を備えており、
前記フィルタ・スロット内で収集された流体を前記収集チャンバに案内するために、前記フィルタ板及び前記支持板が、前記フィルタ・スロットの前記閉じた端部から前記収集チャンバまで延在する通路をともに画定することを特徴とする、分離モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の分離モジュールにおいて、
前記フィルタ・スロットが、前記フィルタ板の軸方向にわたって切削されることを特徴とする、分離モジュール。
【請求項３】
請求項２に記載の分離モジュールにおいて、前記支持板が、前記フィルタ板の面とともに前記通路を画定するためのくぼみを有することを特徴とする、分離モジュール。
【請求項４】
請求項２に記載の分離モジュールにおいて、前記支持板が、前記フィルタ板の面とともに前記通路を画定するための溝を有することを特徴とする、分離モジュール。
【請求項５】
請求項１に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタ板が、複数のフィルタ・スロットを備えることを特徴とする、分離モジュール。
【請求項６】
請求項１に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタ・ユニットが、背中合わせに積み重ねられて、交互に配置されたフィルタ板と支持板の束を含み、前記コア開口を画定するフィルタ・ブロックを形成する複数のフィルタ束を有することを特徴とする、分離モジュール。
【請求項７】
請求項１に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタ・ユニットが、事前選択されたフィルタ細孔サイズを有し、前記フィルタ・スロットが、前記事前選択された細孔サイズに対応する開口領域を画定することを特徴とする、分離モジュール。
【請求項８】
請求項６に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタ・ユニットが、事前選択されたフィルタ細孔サイズおよび事前選択された多孔率を有し、各フィルタ・スロットが、前記事前選択された細孔サイズに対応する開口領域を画定し、各フィルタ束が、前記コア開口の全表面、前記事前選択された細孔サイズ、およびフィルタ・スロットの数から計算された多孔率を有し、前記フィルタ・ユニットが、少なくとも事前選択された多孔率とフィルタ束の多孔率の比に等しい複数のフィルタ束を備えることを特徴とする、分離モジュール。
【請求項９】
請求項１に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタ・スロットが、前記コア開口から離れる方向に広がることを特徴とする、分離モジュール。
【請求項１０】
請求項１に記載の分離モジュールにおいて、前記収集チャンバが、入力端において入力端板によって、かつ出力端において出力端板によって封止可能なように閉じられた、前記フィルタ・ユニットを収容するための圧力ジャケットを有し、前記フィルタ束が、前記入力端板と出力端板の間で互いに締め付けられることを特徴とする、分離モジュール。
【請求項１１】
請求項１０に記載の分離モジュールにおいて、前記圧力ジャケットが、液体およびガス用の分離排出口を備えることを特徴とする、分離モジュール。
【請求項１２】
請求項９に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタ・ユニットが、背中合わせに積み重ねられて、前記入力端板と出力端板の間に挟まれこれらの間で互いに締め付けられる、複数の積層されて交互に配置されたフィルタ板と支持板を含むフィルタ・ブロックを形成する複数のフィルタ束を有することを特徴とする、分離モジュール。
【請求項１３】
請求項１２に記載の分離モジュールにおいて、各フィルタ板が、複数のフィルタ・スロットを備えることを特徴とする、分離モジュール。
【請求項１４】
請求項１３に記載の分離モジュールにおいて、前記支持板が、前記フィルタ板の裏面とともに、前記収集チャンバおよび前記フィルタ・スロットと流体で連通している排出通路を画定するためのくぼみを有することを特徴とする、分離モジュール。
【請求項１５】
押出円筒、押出機ブロック、および前記押出機円筒内にぴったりと受けられる回転可能な押出機スクリューを有するスクリュー押出機とともに使用するための固体／流体分離モジュールにおいて、
ａ．入力端において前記押出機円筒と連結可能であり、出力端において前記押出機ブロックと連結可能である、加圧可能な収集チャンバと、
ｂ．前記押出機円筒および押出機ブロックと連通するための、前記収集チャンバから封止されたコア開口を画定する前記収集チャンバ内の少なくとも１つのフィルタ束であって、当該フィルタ束が支持板に対して積層される少なくとも１つのフィルタ板を有しており、前記フィルタ板が、前記コア開口から前記フィルタ板の中で前記フィルタ板を通して閉じた端部まで延在して前記コア開口から離れるように流体を導くフィルタ・スロットを有する、フィルタ束と、を備えており、
前記フィルタ・スロット内で収集された流体を前記収集チャンバに導くために、前記フィルタ板および支持板が、前記フィルタ・スロットの前記閉じた端部から前記収集チャンバまで延在する通路をともに画定することを特徴とする、分離モジュール。
【請求項１６】
請求項１５に記載の分離モジュールにおいて、前記入力板、出力板、フィルタ板および支持板が、前記収集チャンバから封止された、前記押出円筒と連通するためのコア開口を画定し、前記フィルタ板が、前記コア開口と連通し、そこから離れるように延在する少なくとも１つの濾過通路を有し、前記支持板が、前記フィルタ通路内の液体を前記収集チャンバまで案内するためのくぼみを有し、前記収集チャンバが、前記フィルタ束によって分離された液体を排出するための排出口を有することを特徴とする、分離モジュール。
【請求項１７】
請求項１に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタ・ユニットが、細孔サイズが０．００００３〜０．００５平方インチである複数のフィルタ・スロットを備えることを特徴とする、分離モジュール。
【請求項１８】
請求項１に記載の分離モジュールにおいて、全フィルタ面積に対する全細孔面積として測定される、前記フィルタ・ユニットの多孔率が５％〜４０％であることを特徴とする、分離モジュール。
【請求項１９】
請求項１４または１５に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタ・ユニットが、１００〜５０００ｐｓｉｇの圧力で動作するように構成されることを特徴とする、分離モジュール。
【請求項２０】
請求項１６に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタ・ユニットが、２５００〜３０００ｐｓｉｇの圧力で動作するように構成されることを特徴とする、分離モジュール。
【請求項２１】
加水分解に先立ってリグノセルロース・バイオマスを連続的に前処理するための、また前記バイオマスを発酵させてセルロース・エタノールを生成するためのプロセスにおいて、
第１の押出機内で前記バイオマスを水または処理化学物質と混合して、加湿され加圧されたバイオマスを生成するステップと、
前記加湿され加圧されたバイオマスを、圧力のかかっている前記第１の押出機から、暴露用の加圧された垂直反応槽に送り、前記垂直反応槽内で化学物質および蒸気を処理して、部分的に前処理されたバイオマスを生成するステップと、
前記反応槽内の圧力で前記部分的に前処理されたバイオマスを第２の押出機に送り、前記部分的に前処理されたバイオマスを前記反応槽内の圧力よりも高い圧力に曝すステップと、
前記第２の押出機内の前記部分的に前処理されたバイオマスから、請求項１乃至２０のいずれか１項に記載された分離モジュールを用いて任意選択として洗浄液を用いて抽出物を取り出して、抽出バイオマスを生成するステップと、
前記抽出バイオマスを、前記第２の押出機の出力端において爆発的に膨張させて、膨張バイオマスを生成するステップと
前記膨張バイオマスを固体とガスに分離するステップと
を含むことを特徴とする、プロセス。
【請求項２２】
請求項２１に記載のプロセスにおいて、抽出物を取り出す前記ステップに先立つ洗浄ステップであって、前記部分的に前処理されたバイオマスを洗浄し、洗浄バイオマスを生成するために、前記第２の押出機内に洗浄液を加えること、および、前記部分的に処理されたバイオマスの流れに対して前記洗浄液を移動させて、前記部分的に処理されたバイオマスを、前記洗浄するステップの最後に清浄な洗浄液で洗浄することを有する、洗浄ステップを含むことを特徴とする、プロセス。
【請求項２３】
請求項２２に記載のプロセスにおいて、爆発的な膨張に先立ってガスまたは超臨界流体を前記洗浄バイオマスに注入して、爆発的に膨張している間に前記バイオマスにかかる爆発力を改善するための、さらなるステップを含むことを特徴とする、プロセス。
【請求項２４】
請求項２１に記載のプロセスにおいて、抽出物を洗浄するステップと、抽出物を取り出すステップとの繰返しを含むことを特徴とする、プロセス。
【請求項２５】
請求項２１に記載のプロセスにおいて、少なくとも１つの加圧および混練するステップをさらに含み、前記部分的に前処理されたバイオマスが、前記第２の押出機において、高温高圧の蒸気に曝され、前記第２の押出機内の混練エレメントおよび混合エレメントによって混練および混合されることを特徴とする、プロセス。
【請求項２６】
加水分解に先立ってリグノセルロース・バイオマスを連続的に前処理するための、また前記バイオマスを発酵させてセルロース・エタノールを生成するためのシステムにおいて、
連続的な高圧バイオマス供給を実現するための第１の押出機と、
前記第１の押出機から前記高圧バイオマス供給を受け、前記バイオマスを部分的な前処理に曝して、部分的に前処理されたバイオマスを生成するための加圧された垂直反応槽であって、前記第１の押出機が、前記反応槽用の圧力プラグを設け、前記反応槽が、３５０ｐｓｉｇまでの圧力、および４２５°Ｆ（２２０℃）までの温度に保持される、加圧された垂直反応槽と、
前記部分的に前処理されたバイオマスを、前記反応槽圧力で前記反応槽から受け、前記部分的に処理されたバイオマスを前記反応槽圧力よりも高い圧力に曝すための第２の押出機であって、複数のステージを備え、少なくとも１つのステージが、前記第２の押出機内の前記バイオマスから流体を取り出すための請求項１乃至２０のいずれか１項に記載された固体／流体分離モジュールを備える、第２の押出機と、
前記シールを通って前記第２の押出機を抜け出る洗浄バイオマスの爆発的な膨張を実現するための、前記第２の押出機の出力端でのダイナミック・シールと、
膨張バイオマスを受け、前記膨張バイオマスを固体とガスに分離するための、前記第２の押出機に連結された分離器と
を備えることを特徴とする、システム。
【請求項２７】
請求項２６に記載のシステムにおいて、前記第２の押出機の少なくとも１つのステージで、かつ前記第２の押出機の出力端に隣接する前記分離モジュールの上流に洗浄液を注入するための、洗浄液注入装置をさらに備えることを特徴とする、システム。
【請求項２８】
請求項２７に記載のシステムにおいて、前記第２の押出機が、複数の分離モジュール、および連続した洗浄部を提供するための洗浄液注入装置を備えることを特徴とする、システム。
【請求項２９】
請求項２８に記載のシステムにおいて、前記押出機がさらに、前記押出機を通過する部分的に前処理されたバイオマスを混練し混合するための、混練構造および混合構造を備えることを特徴とする、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体／流体分離を含むバイオマスを処理するための固体／流体分離装置およびその方法に関し、より詳細には、生化学的変換プロセスにおけるリグノセルロース・バイオマスの前処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学物質に変換するためのリグノセルロース・バイオマスの前処理には、かなり長い滞留時間、高圧、および高温が必要になる。高い歩留まりおよび処理効率を実現するには、そうした条件における処理済みのバイオマスから液体を分離しなければならない。現在、これを実現するには複数の機器が必要とされ、これにより資本コストおよび運転コストがかさむ。さらには、処理効率が限界に近い。
【０００３】
リグノセルロース・バイオマスの前処理における処理効率の鍵となる構成要素は、加水分解されたヘミセルロース糖、毒素、抑制剤、および／または固体バイオマス／セルロース留分からの他の抽出物を洗浄し圧搾する機能である。セルロースの前処理に必要とされる高熱高圧の下では、液体から固体を効果的に分離することが難しい。
【０００４】
固体／流体の分離中、固体留分内に残っている液体の量は、印加される分離圧力の量、固形ケークの厚さ、およびフィルタの多孔率に依存する。フィルタの多孔率は、フィルタの細孔の数およびサイズに依存する。圧力の低減、ケーク厚さの増大、またはフィルタの多孔率の低減により、その全ての結果として、液体／固体の分離度および固体留分の最終的な乾燥度が減少することになる。
【０００５】
特定の固形ケークの厚さおよびフィルタの多孔率において、実現可能な最も高い分離圧力で最大分離が実現する。特定の固形ケークの厚さおよび分離圧力において、最大分離は、もっぱらフィルタの細孔サイズに依存する。
【０００６】
高い分離圧力には、都合の悪いことに強い濾材が必要となり、これらは分離圧力に耐えることができるが、プロセスを難しくし、必要とされる機器のコストが非常にかさむ。高い分離圧力が必要になると、これらの圧力に耐えるよう濾材の厚さを増大させる必要がある。しかし、濾材が薄いフィルタと同じ総合的な多孔率を維持するためには、厚い濾材には、大きい細孔サイズが必要となる。保持すべき固形分によっては、これによって問題が生じることがあるが、それというのも、フィルタに許容できる細孔サイズが固形留分内のファイバおよび粒子のサイズによって制限されており、液体留分の透明度がもっぱら濾材の細孔サイズによって制限されているからである。細孔が大きすぎると、かなりの量の懸濁粒子が液体留分内に集まり、それにより液体／固体分離効率が低下する。
【０００７】
時が経つにつれて、濾材は懸濁物質でふさがれる傾向にあり、特にセルロースの前処理に必要となる高圧の下でその生成速度が低下する。したがって、障害物を除去して生成速度を回復されるために、普通は液体の逆洗流が必要となる。フィルタが詰まると、濾材を逆洗するのに高圧をかける。連続して生成速度を最大化し、高いセルロース前処理プロセス効率を得ようとするプロセスの場合に、１０００ｐｓｉｇを超える圧力で動作している濾材を処理するとき、これが特に問題になる。単一の装置で複数のリグノセルロース・バイオマス前処理ステップを同時に実行するのに利用可能な既知の機器がないので、セルロース前処理を効果的に実行するのに必要とされる現在の機器は、複雑であるとともに高価である。
【０００８】
従来の単一、２重、または３重のスクリュー押出機は、バイオマスの低エネルギー前処理に必要な滞留時間を有しておらず、やはりバイオマスの前処理用の有用かつ効率的な固体／流体分離装置を備えていない。米国特許第７，３４７，１４０号には、穿孔されたケーシングを有するスクリュー・プレスが開示されている。穿孔されたケーシングの強度は低いので、このようなスクリュー・プレスの動作圧力は低い。米国特許第５，５１５，７７６号には、ワーム・プレスおよびプレス・ジャケット内の排出穿孔が開示されており、これにより、排出液体の流れ方向の断面積が増大する。米国特許第７，３５７，０７４号は、プレス内で圧縮されたバルク固体から水を排出するための複数の穿孔を有する円錐形の脱水ハウジングを備えるスクリュー・プレスを対象とする。やはり、穿孔されたケーシングまたはジャケットが使用される。容易に理解できるように、ハウジング内の穿孔の数が多くなると、ハウジングの耐圧性は低くなる。さらに、微細な固形分を分離するのに非常に小さい開口が求められるとき、ハウジングまたはプレス・ジャケット内の孔開け穿孔が重大な課題に関連する。したがって、スクリュー・プレス用の改良型脱水モジュールが必要となる。
【発明の概要】
【０００９】
以前の固体と液体の分離装置および分離プロセスの少なくとも１つの欠点を未然に防ぐか、それともそれらを軽減することが、本発明の一目的である。
【００１０】
リグノセルロース・バイオマスを前処理するための方法、および、高い分離圧力での分離性能を改善するための液体／固体分離方法を提供することが、さらなる目的である。
【００１１】
固体／流体分離を改善するために、本発明では、スクリュー・プレス用の固体／流体分離モジュールが提供され、このモジュールは、スクリュー・プラスによって１００ｐｓｉｇを超える圧力にまで圧縮された固形分の、液体を含んだ塊から流体を分離する。この分離モジュールは、多孔率が５％〜４０％（フィルタの全表面積に対する全細孔面積）のフィルタ・ユニットを備える。モジュールは、フィルタの多孔率が５％〜４０％、より好ましくは１１〜４０％で、３０００ｐｓｉｇの動作圧力に耐えることが好ましい。フィルタ・ユニットは、細孔サイズが０．００００５〜０．００５平方インチである複数のフィルタ細孔を備えることが好ましい。
【００１２】
好ましい一実施形態では、フィルタ・ユニットは、微細な固形物を分離するための、細孔サイズが０．００００５平方インチ、多孔率が５．７％、かつ耐圧性が２，５００ｐｓｉｇのフィルタ細孔を含む。別の実施形態では、フィルタ・ユニットは、細孔サイズが０．００５平方インチ、かつ多孔率が２０％、かつ耐圧性が５，０００ｐｓｉｇの細孔を含む。さらなる好ましい実施形態では、フィルタ・ユニットは、細孔サイズが０．００００５平方インチ、かつ多孔率が１１．４％の細孔を含む。さらに別の好ましい実施形態では、フィルタ・ユニットは、細孔サイズが０．００５平方インチ、かつ多孔率が４０％の細孔を含む。さらに別の実施形態では、フィルタ・ユニットは、細孔サイズが０．００００３平方インチの細孔を含む。
【００１３】
最大限の固体／流体分離効率を実現するには、フィルタの多孔率を最大化しながらフィルタの細孔サイズを最小限に抑えること、および高い分離圧力で動作することが望ましい。フィルタ・ジャケットに円筒通路を刻む必要があるので、細孔サイズを最小限に抑えることは従来のスクリュー・プレスでは難題である。この問題については、これまで発明者が取り組んできた。本発明のフィルタ・ユニットでは、単に、フィルタ板にスロットを切削することによってフィルタ細孔が形成され、これは、圧力ジャケットに孔を開けるよりも容易に実現することができる。スロットを使用すると、非常に薄いフィルタ板および狭いスロットを使用することにより、はるかに小さいフィルタ細孔の生成も可能になる。たとえば、０．００５インチ厚のフィルタ板を使用し、０．０１インチ幅のスロットをフィルタ板に切削することにより、ほんの０．００００５平方インチの細孔サイズを実現することができる。より薄いフィルタ板、たとえば０．００３インチ厚の板を使用することにより、はるかに小さい細孔サイズを実現することができる。さらに、高い動作圧力で相対的に高い多孔率を実現するために、液体を含んだ固形物の加圧された塊の供給源、たとえばスクリュー・プレスとの封止接続のための分離モジュールが設けられる。
【００１４】
一態様では、分離モジュールは、加圧可能な収集チャンバと、加圧された塊を封止しながら受けるためのフィルタ・ユニットとを備える。フィルタ・ユニットは、事前選択されたフィルタ細孔サイズおよび事前選択された多孔率を有する。フィルタ・ユニットは、表面と裏面の両面を有する少なくとも１つのフィルタ板、フィルタ板の表面と係合するカバー板、およびフィルタ板の裏面と係合する支持板を備える。フィルタ、カバー板、および支持板は、加圧された塊を受けるための収集チャンバから封止された貫通コア開口を画定する。フィルタ板は、コア開口からフィルタ板内に延在する、少なくとも１つの貫通フィルタ・スロットを有し、このフィルタ・スロットは、カバー板および支持板によって表面と裏面で封止されて、事前選択された細孔サイズを有するフィルタ通路を形成する。支持板は、収集チャンバおよびフィルタ通路と流体で連通している排出通路を、裏面とともに画定するくぼみを有する。多孔率を増大させるために、フィルタ板は、フィルタ・ユニットの多孔率を増大させるための複数の別々のフィルタ・スロットを備えることが好ましく、排出通路は、全てのフィルタ・スロットと流体で連通している。フィルタ・ユニットの多孔率をさらに増大させるために、フィルタ・ユニットは、交互に配置されたフィルタ板とカバー板の束におけるカバー板の後に配置された複数ペアのフィルタ板と支持板を備えることが好ましく、それにより、２つのフィルタ板の間に挟まれた各支持板が、一方のフィルタ板用の支持板として、またもう一方のフィルタ板用のカバー板として機能する。フィルタ板と支持板を交互に配置することにより、フィルタ・ユニットの分離圧力強度が増大する。フィルタ板よりも厚い支持板を使用することにより、フィルタ・ユニットの圧力強度をさらに改善することができる。同様に、直径が比較的大きい支持板とフィルタ板を使用することにより、フィルタ・ユニットの圧力強度を増大させることができる。
【００１５】
一実施形態では、分離モジュールは、スクリュー・プレスの円筒に取付け可能であり、コア開口は、プレスの押出機スクリューの一部分をぴったり受けるようにサイズ調整される。押出機スクリューは、圧縮された材料をフィルタ表面から離すよう連続的に削り落とし、同時にかなりの分離圧力を生成するために、フィルタ・ブロックのコア開口に対して精密公差を有することが好ましい。少量のファイバがフィルタの表面に捕捉される場合、これらのファイバは、押出機のエレメントによってせん断されて、さらに小さい断片になり、最終的にはフィルタを通過し、非常に微細な粒子として液体流とともに排出される。これにより、高圧高温の環境において材料の固体部分と液体部分の分離を可能にする固体／流体分離装置が提供される。
【００１６】
別の態様では、固形物を含んだ液体の加圧された塊から液体またはガスを分離するための分離モジュールが、液体およびガス用の収集チャンバを画定する圧力ジャケットを有する封止可能なハウジングと、収集チャンバから液体およびガスをそれぞれ排出するための、ジャケット上の液体出口およびガス出口と、ジャケットの入口端に取外しできるように固定可能な入口端板と、ジャケットの出口端に取外しできるように固定可能な出口端板と、フィルタ板および支持板を含む少なくとも１つのフィルタ・パックとを備え、このフィルタ・パックが入口端板と出口端板の間に挟まれ、フィルタ板および支持板が、加圧された塊を受けるための収集チャンバから封止された、位置合わせされたコア開口を有し、このフィルタ板が、コア開口から、フィルタ・スロットおよび収集チャンバと流体で連通する通路を画定するフィルタ板および支持板にまで延在する少なくとも１つの貫通フィルタ・スロットを備える。
【００１７】
封止可能なハウジングは、２対以上のフィルタ板と支持板を有することが好ましい。
【００１８】
フィルタ板は、複数のフィルタ・スロットを備えることが好ましい。
【００１９】
各支持板は、隣接するフィルタ板の全てのフィルタ・スロットと流体連通する円形溝を備えることが好ましい。
【００２０】
フィルタ板および支持板のそれぞれは、これらの板を位置合わせし、相互連結するための、１対の対向する取付けタブを有することが好ましい。各取付けタブは、連続フィルタ・ブロックにおけるフィルタ板と支持板を積み重ねたものを位置合わせしてともに締め付けるための、締付けボルトを受けるための孔を備えてもよい。あるいは、締付けボルト用の孔を省略し、圧力ジャケットが、タブを位置合わせしてフィルタ板と支持板がコア開口に対して回転することを防止するための突起部を内面に備える。
【００２１】
別の態様では、本開示により、固体部分、液体部分、およびガス部分を有する材料を処理して、液体部分およびガス部分から固体部分を分離するための上記固体／流体分離モジュールの使用が実現する。
【００２２】
別の態様では、本発明は、バイオマス、具体的にはリグノセルロース・バイオマスを前処理するためのプロセスに関する。
【００２３】
本開示の他の態様および特徴は、添付図とともに具体的な実施形態の以下の説明を検討すれば、当業者には明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本明細書に記載の実施形態をよりよく理解できるように、またそれら実施形態がどのようにして実行に移され得るのかを理解できるように、次に、ほんの一例として、例示的な実施形態を示す添付図面を参照する。
【００２５】
【図１】図１は、固体／液体分離モジュールを備える２重スクリュー押出機を組み込む、セルロース前処理装置の概略図である。
【図２】図２は、２重スクリュー押出機の固体／液体分離モジュールの一実施形態を示す、概略分解図である、
【図３】図３は、図２に示した固体／液体分離モジュールの分解図である。
【図４】図４は、排出チャネルとしての狭いフィルタ・スロットを有する分離モジュールのフィルタ板（フィンガ板）を示す図である。
【図５】図５は、図４のフィルタ板（フィンガ板）の拡大詳細図である。
【図６】図６は、図４および図５の実施形態よりも幅の広いフィルタ・スロットを有する分離モジュールのフィルタ板（フィンガ板）を示す図である。
【図７】図７は、図３の実施形態の右手側の支持板を示す図である。
【図８】図８は、図７の支持板の、線Ｂ−Ｂに沿った横断面図である。
【図９】図９は、図７の支持板の、線Ａ−Ａに沿った横断面図である。
【図１０】図１０は、図３の実施形態の左手側の支持板を示す図である。
【図１１】図１１は、図６および図７による１対のフィルタ板と支持板の等角図である。
【図１２】図１２は、図１１の１対のフィルタ板と支持板の、線Ｃ−Ｃに沿った横断面図である。
【図１３】図１３は、分離モジュールの一実施形態を用いて得られる濾過液中に見られる粒子の、粒子サイズの分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
説明を簡潔かつ明確にするため、適切とみなされる場合には、参照番号は、各図の中で繰返し使用して、対応もしくは類似する要素またはステップを示してもよいことが理解されよう。さらに、数多くの具体的な詳細を説明して、本明細書に記載の例示的な実施形態を完全に理解できるようにする。しかし、本明細書に記載の実施形態は、これら具体的な詳細がなくとも実施できることが当業者には理解されよう。他の例では、本明細書に記載の実施形態を曖昧にしないよう、よく知られた方法、手順、および構成要素は詳細には説明してこなかった。さらに、この説明は、本明細書に記載の実施形態の範囲を限定するものとみなすべきではなく、むしろ、単に本明細書に記載の様々な実施形態の実装について説明しているものとみなすべきである。
【００２７】
図１に示すように、本発明の簡略な連続セルロース・エタノール前処理システム２は、３つの機械だけから構成される。第１の押出機４は、バイオマス用の連続高圧プラグ・フィーダ／ミキサーとして使用される。押出機４は、バイオマスを垂直反応槽６に供給する。この垂直反応槽６は、滞留時間を長くすることができる。垂直反応槽６は、バイオマスを第２の押出機８、好ましくは２重のスクリュー押出機に供給する。前処理プロセスは、第１の押出機４、垂直反応槽６、および第２の押出機８を介してバイオマスを流すステップを含む。
【００２８】
押出機４は、やはり２重スクリュー押出機であり、加圧された垂直反応槽６に連続して供給するのに使用される。押出機４内での様々な化学物質の混合は、供給原料のタイプに応じて可能となる。押出機４は自動バルブを有し、供給がなくなるとこのバルブが閉じて、供給原料がなくなる際の圧力の損失を防止する。
【００２９】
垂直反応槽６は、バイオマスに応じて３５０ｐｓｉｇまでの圧力および４２５°Ｆ（２２０℃）までの温度において、様々な化学物質で動作することができる。垂直反応槽６での滞留時間は、バイオマスに応じて数分から数時間まで変化させることができる。
【００３０】
部分的に処理されたバイオマスが、加圧された供給区間１０において、垂直反応槽６から第２の押出機８まで排出される。第２の押出機８では、固体バイオマスのほとんどが出力端（図１の右側）に移動し、わずかに逆向きに運ばれて、ドライブ・シャフトでの圧力シールを形成する。第２の押出機８では、様々なバイオマスによる要求に応じて第１の反応槽よりも高い圧力が生成され、バイオマスに応じて２つ、３つ以上の別々のプロセスによって前処理プロセスが完了する。
【００３１】
洗液（水、アンモニア、または）は、固形物バイオマス（図１の左側）の流れに対して逆方向または順方向に移動し、その結果、押出機の端部において最も清浄な液体でバイオマスが洗浄される。二酸化炭素などのガスまたは超臨界流体を出力端で注入して、処理されるバイオマスに応じて必要とされる爆発力を改善することができる。出力端において、様々な押出機スクリュー、および／または他の反応容器、および／または制御バルブ、および／または回転開口部を使用して、様々な圧力および乾物含量において様々なタイプのバイオマスが必要とするダイナミック・シールおよび爆発力を生成することができる。出力におけるこれら装置のうちの１つの装置からバイオマスが爆発的に膨張すると、サイクロン式または他の分離装置を使用して、固体と任意のガスの両方を収集し、それらが排出される。
【００３２】
第２の押出機８に入ると、バイオマスのほとんどは前方に運ばれるが、わずから量が逆向きに運ばれ、ダイナミック圧力シールを生成して、垂直反応槽６からの漏れを防止する。図１に示すように、バイオマスは処理ステージ１に入り、第１の固体／流体分離装置１２を使用して、さらに高圧高温の最初の向流濾過区域に曝されるが、図２〜１３を参照しながら以下でより詳細に説明する。この点において、バイオマスによっては、抽出物およびヘミセルロース・シロップの圧搾のみが必要であり、洗浄水は必要としない。固体／流体分離装置では、様々なスクリュー・エレメントを使用することによってケークの厚さを制御して、液体ヘミセルロース・シロップおよびまたは抽出物が取り出される。処理されるバイオマスのタイプに応じて、様々なフィルタ板の設計を使用することにより、透過率、細孔サイズ、フィルタ区域、および圧力定格が制御される。圧力制御されたフラッシュ・タンク１６を使用することにより、液体圧力およびフラッシングが制御される。
【００３３】
第１の固体／流体分離装置１２を抜けると、バイオマスは前方に運ばれ（図１の右側）、前方領域からの蒸気／高圧水を使用して加熱され、様々なスクリュー・エレメントを用いた圧縮／運搬を介した圧力が加えられる。図１に示す処理ステージ２では、バイオマスは、様々なバイオマス向けの様々なせん断エネルギーを用いた高圧の混合／混練に曝されて、前処理を改善する。液体ヘミセルロースの高圧高温の最終向流濾過は（ヘミセルロース・シロップおよび抽出物を部分的に圧搾できるだけであり、バイオマスのタイプによっては必要となる向流洗浄を実行することはできない）、様々なスクリュー・エレメントを使用することによってケークの厚さを制御することで生じる。透過率、細孔サイズ、フィルタ区域、および圧力定格は、処理されるバイオマスのタイプに応じて、第２の固体／流体分離装置１４において適切な設計のフィルタ板を選択することによって制御される。圧力制御されたフラッシュ・タンク１６を使用することにより、液体圧力およびフラッシングが制御される。
【００３４】
処理ステージ３では、バイオマスは、様々に異なる押出機スクリュー・エレメントを用いた圧縮／運搬を介して熱および圧力に曝される。せん断エネルギーをバイオマスに加えて、様々なバイオマスの前処理を改善するのに必要とされる酵素接触性を改善する。様々なバイオマス向けの様々なせん断エネルギーを用いたバイオマスの高圧混合／混練を使用して、前処理を改善する。または、様々なスクリュー・エレメントを使用することによってケーク厚を制御して、液体ヘミセルロース・シロップの向流濾過または並流濾過を使用して、高圧高温の中間サイクル（または、バイオマスによっては最終サイクル）を加えることができる。透過率、細孔サイズ、フィルタ区域、および圧力定格は、第３の固体／流体分離器１８で適切なフィルタ板を選択して、バイオマス特性に適合することによって制御される。圧力制御されたフラッシュ・タンク１６を使用することにより、液体圧力およびフラッシングが制御される。
【００３５】
図１に示した処理ステージ４では、バイオマスは、様々な押出機スクリュー・エレメントを用いた圧縮／運搬を介して熱および圧力に曝される。様々なせん断エネルギーを用いたバイオマスの高圧の混合／混練が、様々なバイオマスにおいて選択可能である。処理ステージ４では、最終洗浄ステージにおいて高圧水または他の流体／溶液を用いてバイオマスが混合される。他の流体は、高圧液体ＣＯ２など室温でガスになる分子を含むことがあり、これらは、高温または高圧ガスになるアンモニアによって押出機内で超臨界になる。
【００３６】
次いで、ソリッド・ファイバ・バイオマスは、第２の押出機８およびダイナミック・シール代替物のうちの１つを介してシステムの最も高い圧力の下に運ばれ、２重スクリュー押出機の出力においてファイバ内の蒸気、アンモニアまたは超臨界流体など圧縮されたガスの制御された爆発的な減圧の下で抜け出て、固体／ガス分離装置（サイクロン他）に入る。高圧液体ＣＯ２を使用するとき、この流体の超臨界特性は、バイオマスによって加熱されると、ガスと同様にソリッド・ファイバの内部に浸透し、その結果、ちょうどガスのように、固形分の圧力プロファイルに対して上流側で流体の部分的な流れが生じる。ファイバ内のこの超臨界流体は、ダイナミック・シールを介して押出機を抜け出ると、標準的なガスより何倍も強力な爆発力を、ほとんどのファイバ内から引き出し、固体セルロース粒子を改変し、それにより酵素接触性が改善される。また、２重スクリューの放出部に自動制御バルブがあり、供給またはパワーが損失した場合にも、これを使用してシステムをいくらか加圧した状態に保持する。
【００３７】
本発明による膜なしの固体／流体分離モジュール１００の一実施形態が、図２および図３に示してあり、このモジュールは、（５０００ｐｓｉｇまでの）非常に高い内部圧力に耐えることができる。この固体／流体分離モジュールは、図１に示したプロセスおよび装置とともに使用することができるが、処理されるバイオマス／固形物のタイプによって必要となる様々なフィルタ板構成および板厚により、透過率／多孔率（濾過能力）を制御することができる。
【００３８】
図２に示した一実施形態では、固体／流体分離モジュール１００は、スクリュー・プレスに関連して使用され、スクリュー・プレスの２重スクリュー押出機の円筒５００と押出機ブロック５２０の間に取り付けられる。モジュール１００は、好ましくは１００ｐｓｉｇを超える圧力にまでスクリュー・プレスによって圧縮された固形物の、液体を含んだ塊から、流体（液体および／またはガス）を分離する。この分離モジュール１００は、収集チャンバ２００、および多孔率が５％〜４０％（フィルタの全表面積に対する全細孔面積）のフィルタ・ユニット３００を備える。好ましくは、モジュール１００は、フィルタの多孔率が５％〜４０％、より好ましくは１１〜４０％で、５０００ｐｓｉｇまでの動作圧力に耐える。フィルタ・ユニット３００は、細孔サイズが０．００００３〜０．００５平方インチである、複数のフィルタ細孔を備えることが好ましい。
【００３９】
好ましい一実施形態では、フィルタ・ユニット３００は、微細な固形物を分離するための、細孔サイズが０．００００５平方インチ、多孔率が５．７％、かつ耐圧性が２，５００ｐｓｉｇのフィルタ細孔を含む。別の実施形態では、フィルタ・ユニット３００は、細孔サイズが０．００５平方インチ、かつ多孔率が２０％、かつ耐圧性が５，０００ｐｓｉｇのフィルタ細孔を含む。さらなる好ましい実施形態では、フィルタ・ユニット３００は、細孔サイズが０．００００５平方インチ、かつ多孔率が１１．４％のフィルタ細孔を含む。さらなる好ましい実施形態では、フィルタ・ユニット３００は、細孔サイズが０．００５平方インチ、かつ多孔率が４０％のフィルタ細孔を含む。
【００４０】
分離モジュール１００の基本構成が、図２および図３に示してある。収集チャンバ２００は、任意の構成要素の最も高い圧力に耐えることができ、濾過された流体を分離して、ガスと液体にするのに使用される。収集チャンバは、圧力ジャケットすなわちハウジング２２０と、取入れ端板２３０および出力端板２４０とによって画定される。液体は、好ましくは圧力ジャケット２２０の最下点に配置される液体排出口２２１を介して、収集チャンバ２００から排出することができる。圧力ジャケット２２０はさらに、収集チャンバ２００内のフィルタ板および支持板を位置決めするために、ジャケットの内側でジャケットの長手軸に平行に延在する複数の位置決め突起２２３を備える。収集チャンバ２００内で蓄積するガスは、好ましくは圧力ジャケット２２０の最上点に配置されるガス排出口２２２を介して、このチャンバから排出することができる。高圧収集チャンバ２００は、圧力ジャケット２２０の軸端と端板２３０、２４０との間に配置された円形シール２５０によって封止される。この高圧／高温能力により、アンモニア、ＣＯ２、および水などの流体を用いてバイオマスの洗浄が可能になり、これらの流体は普通、５０〜２５０℃圧力においてプロセス動作温度ガス状態である。分離モジュールは、圧力ジャケット２２０の外側に配置された組立てボルト２２５によってともに固定されて、端板２３０、２４０同士を引っ張り、圧力ジャケット２２０と円形シール２５０をそれらの間で締め付ける。フィルタ・ユニット３００内でフィルタ・パック３２１、３２２同士を締め付けるのに、フィルタ・ユニット締付けボルト１２９（図２参照）を使用することもできる。好ましい一実施形態では、フィルタ・ユニット締付けボルトは、端板２３０、２４０を通って延在し、分離モジュール２００とともにさらに締め付ける。フィルタ・ユニット締付けボルト１２９はまた、押出機ブロック５２０を通って延在して、この押出機ブロックを分離モジュールに固定することができる。しかし、収集チャンバ２００内の圧力を維持するために確実に封止する必要がある分離モジュール２００において、貫通ポイントの数を最小限に抑えるために、フィルタ・ユニット締付けボルト１２９を省いて、圧力ジャケットの外側に配置されるボルト２２５などの固定構造により、分離ユニットの各部分同士を全て締め付けることが可能となる。使用される圧力に応じて、収集チャンバ２００において、ガスによっては正しく分離することができ、または環境によっては（図１に示すように）、分離フラッシュ室を利用して、プロセスの総合効率を最適化することができる。
【００４１】
フィルタ・ユニット３００は、本発明の基本フィルタ・パック３２１、３２２の束から組み立てられたいくつかの板ブロック３２０を備え、フィルタ板１２０の組合せが支持板１６０、１８０に対して配置されており、これらを、図４〜１２を参照して以下で詳細に述べる。フィルタ板１２０および右手側の支持板１６０を備える右手側のフィルタ・パック３２１、ならびにフィルタ板１２０および左手側の支持板１８０を備える左手側のフィルタ・パック３２２が存在する。
【００４２】
一態様では、分離モジュールは、加圧可能な収集チャンバ２００と加圧された塊（図示せず）を封止しながら受けるためのフィルタ・ユニット３００とを備える。フィルタ・ユニット３００は、事前選択されたフィルタ細孔サイズおよび事前選択された多孔率を有する。フィルタ・ユニット３００は、表面１２１と裏面１２３の両面を有する少なくとも１つのフィルタ板１２０、フィルタ板１２０の表面１２１と係合するカバー板２３０、およびフィルタ板１２０の裏面１２３と係合する支持板１６０、１８０を備える。フィルタ、カバー板、および支持板（１２０、２３０、１６０／１８０）は、加圧された塊（図示せず）を受けるための収集チャンバ２００から封止された貫通コア開口１２８を画定する。フィルタ板１２０は、コア開口１２８からフィルタ板内に延在する、少なくとも１つの貫通フィルタ・スロット１３２を有し、このフィルタ・スロット１３２は、カバー板２３０および支持板１６０／１８０によって表面１２１と裏面１２３で封止されて、事前選択された細孔サイズを有するフィルタ通路を形成する。支持板１６０／１８０は、収集チャンバ２００およびフィルタ・スロット１３２と流体で連通している排出通路を、裏面１２３とともに画定するくぼみ１６４を有する（図１１および図１２を参照）。多孔率を増大させるために、フィルタ板１２０は、複数の別々のフィルタ・スロット１３２を備えることが好ましく、排出通路１６４は、全てのフィルタ・スロット１３２と流体で連通している。フィルタ・ユニットの多孔率をさらに増大させるために、フィルタ・ユニットは、交互に配置されたフィルタ板とカバー板の束におけるカバー板２３０の後に配置された複数ペアのフィルタ板と支持板（１２０、１６０／１８０）を備えることが好ましく、それにより、２つのフィルタ板１２０の間に挟まれた各支持板１６０／１８０が、一方のフィルタ板用の支持板として、またもう一方のフィルタ板用のカバー板として機能する。フィルタ板と支持板（１２０、１６０／１８０）を交互に積み重ねることにより、フィルタ・ユニット３００の分離圧力強度が増大する。フィルタ板１２０よりも厚い支持板１６０／１８０を使用することにより、フィルタ・ユニット３００の圧力強度をさらに改善することができる。
【００４３】
図２の実施形態では、分離モジュール１００は、スクリュー・プレスの円筒５００に取り付けられており、コア開口１２８は、プレス・スクリュー（図示せず）の一部分をぴったり受けるようにサイズ調整される。スクリュー・プレスのプレス・スクリューは一般に、圧縮された材料をフィルタ表面から離すよう連続的に削り落とし、同時にかなりの分離圧力を生成するために、フィルタ・ブロック３００のコア開口１２８に対して非常に精密な公差を有する。少量のファイバがフィルタの表面に捕捉される場合、これらのファイバは、押出機のスクリューによってせん断されて、さらに小さい断片になり、最終的にはフィルタを通過し、非常に微細な粒子として液体流とともに排出される。これにより、高圧および高温の環境において材料の固体部分と液体部分の分離を可能にする固体／流体分離装置が提供される。
【００４４】
押出機スクリューをフィルタ細孔１３４の接線方向に打ち付けることにより、分離装置は、目詰まりの影響を受けにくくなる。本発明による分離モジュール１００の多孔率および耐圧性が増大することにより、乾燥部分での乾物含量が９０％まで可能になり、同時に、細孔サイズが小さく懸濁物質が１％にまで低くなるので、相対的に清浄な液体部分が得られる。本発明による固体／流体分離モジュールを多くの様々な用途に使用して、材料の固体／流体部分を分離できることが容易に理解されよう。
【００４５】
連続的なパイロット試験では、４０ｇの固体および６０ｇの水を含む１００ｇ単位のバイオマスを４０ｇの水で洗浄し、次いで、１００℃の温度で６００ｐｓｉｇの内力を使用して液体をフィルタから圧搾して、３９ｇの懸濁固形物および５ｇの水を含む乾燥バイオマス排出物（液体／固体バイオマスの固形物部分）を得た。９５ｇの水を含む濾過液は相対的に清浄であり、平均粒子サイズが５ミクロンで粒子分布が図１３に示す通りの懸濁固形物を１ｇだけ含む。
【００４６】
さらに、本発明の固体／流体分離装置は目詰まりの影響を受けにくいので、既知の分離装置では周期的に必要となる保守の必要性が少ない。したがって、ダウンタイムおよび保守の少ないプロセスでこの固体／流体分離装置を使用して、生産能力を上げ、コストを下げることができる。
【００４７】
図４には、第１の支持タブ１２４および第２の支持タブ１２６に取り付けられた円形の中間部分１２２を有する微細フィルタ板１２０が示してある。円形の中間部分１２２は、２重スクリュー・プレスのプレス・スクリューをぴったり受けるための、数字８の形状のコア開口１２８を有する。フィルタ板１２０は、表面１２１および裏面１２３を備える。コア開口１２８は、複数の微細フィンガ１３０および中間のフィルタ・スロット１３２に囲まれている。固体／流体分離効率を最大限にするために、フィルタを最大化しながらフィルタ細孔サイズを最小限に抑えることが望ましい。フィルタ・ジャケットに円筒通路を刻む必要があるので、細孔サイズを最小限に抑えることは従来のスクリュー・プレスでは難題である。この問題は、本発明によるフィルタ・ユニットによって対処され、薄いフィルタ板１２０にスロット１３２をただ刻むことによって、フィルタ細孔が形成される。フィルタ・スロット１３２は、板１２０の厚さ方向全てにわたって切削され、したがって本明細書では貫通スロットと呼ばれる。図４および図５に示した非常に薄いフィルタ板１２０および非常に微細なスロット１３２を使用することにより、本発明によるフィルタ板１２０によって非常に小さいフィルタ細孔を実現することができる。たとえば、０．００５インチ厚のフィルタ板を使用し、０．０１インチ幅のスロットをフィルタ板に切削することにより、０．００００５平方インチの細孔サイズを実現することができる。さらに微細な濾過においては、０．００３インチ厚のフィルタ板を、フィルタ・スロット幅０．０１インチで使用して、ほんの０．００００３平方インチの細孔サイズを得る。
【００４８】
図５に示すように、非常に微細なスロット１３２および中間の微細フィンガ１３０は、コア開口１２８からフィルタ板１２０まで延在して中間部分１２２の外側部分にまで至るフィルタ・スロットを提供するように、形状づけられて配置される。フィルタ・スロット１３２の端部は全て、円形の中間部１２２の外縁部と同心で、そこから内側に間隔を空けた円上に配置されることが好ましい。微細な排出チャネルを通した液体の流れを改善するために、各チャネルは、その内側端部１３４においてコア開口１２８に向けて相対的に狭くなり、その外側端部１３６に向けて外側に開く。
【００４９】
フィルタ板１２０は、図１１および図１２に示すように、支持板に接触して配置される。これが、さらに以下でより詳細に議論される。２つのタイプの支持板があり、１つは図７に示した左手側の支持板１６０であり、もう一つは図１０に示した右手側の支持板１８０である。左手側および右手側の支持板１６０、１８０は原理的に同じ構成であり、円形の中央部分１６２、１８２を備え、これらの中央部分は、コア開口１２８、および中央部分１６２、１８２から延在する取付けタブ１９０、１９２を有する。左手側の支持板と右手側の支持板との間の唯一の差は、コア開口１２８に対する取付けタブ１９０、１９２の向きであり、これらのタブは、コア開口１２８の横軸に対して、右手側の支持板１６０では右に４５度の角度で延在し、左手側の支持板１８０では左に４５度の角度で延在する。それにより、左手側および右手側の支持板を使用して、各板の保持パターンを９０度シフトし、特定のバイオマスが、このステージでの液体／ガスの分離を必要とする場合には、液体が収集チャンバの底部に排出され、ガスが収集チャンバの頂部に流れるような手段を提供する。中間のフィルタ板を有する連続した右手側の板（または逆に、左手側の板）の数は、通常、少なくとも０．２５インチ厚に等しいが、全体の板の数に応じて１インチ厚ほどにすることができる。
【００５０】
フィルタ板取付けタブ１２４、１２６、および支持板取付けタブ１９０、１９２は全て、圧力ジャケット２２０の内壁に取り付けられた位置決め突起２２３のペアの間にぴったり受けるように形状づけられている。図７〜図９および図１０から明らかなように、各タイプの支持板は、中央部分１６２、１８２に機械加工された周辺溝１６４を有し、左手側の支持板１８０の断面図は、図８および図８に示した右手側の支持板１８０の断面図と同一である。図１１および図１２に示すように、コア開口１２８を位置合わせした状態でフィルタ板１２０と支持板１６０、１８０が背中合わせに配置されるとき、周辺溝１６４は、フィルタ板１２０内のフィルタ・スロット１３２の外側端部１３６と対応するように配置される（図４〜図６参照）。
【００５１】
図１１および図１２には、本発明による最も基本的なフィルタ・パックである、フィルタ板１２０、およびこのフィルタ板の裏面１２３に係合する支持板１６０が示してある。コア開口１２８を介して供給される、加圧された塊（図示せず）の内に閉じ込められた流体（液体および／またはガス）は、存在する分離圧力によってフィルタ・スロット１３２まで強制的に流されていく（矢印参照）。フィルタ・スロットの端部１３６において、流体は向きを変えて、支持板１６０内の周辺溝１６４に流れ込み、この周辺溝１６４を出て、収集チャンバに入る（図１１、図１２、および図３参照）。したがって、微細なフィルタ板１２０は、数字８の形状のコア開口１２８を通るバイオマスの流れを横断する方向にフィルタ・スロット１３２を通って移動する液体と非常に小さい粒子とを濾過して取り出すことができる。
【００５２】
逆に、図６に示したように、比較的大きい粒子／セルロースのバイオマス・ファイバに適した比較的大きい細孔板構成を用いる場合、多孔率への制限因子はフィルタ板の板厚である。この比較的粗いフィルタ板構成によって良好な固体／液体分離が実現するが、図４の微細なフィルタ板を用いる場合と同じ内部圧力で、同じ液体分離を実現するためには、同時に板の表面積およびその数を最小限に抑えることが求められていることが、セルロース・バイオマスの場合で分かってきた。
【００５３】
図６に示すように、比較的細孔が大きく、粗いフィルタ板１４０は、第１の支持タブ１４４および第２の支持タブ１４６に取り付けられた円形の中間フィルタ部１４２を有する。円形の中間フィルタ部１４２は、フィルタ板１４０に刻まれたフィルタ・スロット１３２の間の複数の比較的大きいフィンガ１３０によって画定された数字８の形状のコア開口１２８を有する。図６に示すように、比較的大きいフィンガ１３０は、粗い排出チャネル１３２の間に配置される。
【００５４】
粗いフィルタ板１４０は、図１１および図１２に示すフィルタ・パックを実現するよう、図７に示す左手側の支持板１６０などの支持板と接して配置可能である。
【００５５】
全体として、比較的高い圧力能力を用いる場合、固形物からより多くの液体を圧搾することができるか、または同じ材料乾燥度において、単位濾過面積当たりより高い生成速度を達成することができる。
【００５６】
濾過（固形物の取込み）の質は、板の構成および厚さに応じて制御することができる。特定のバイオマスの濾過要求事項に応じて、濾過／圧力定格／資本コストを最適化することができる。この板の構成を押出機（単一、２重、３重のスクリュー）に設置して、高圧で高スループットの連続分離を開発することができる。固体／流体分離モジュールは、スクリューのワイピング特性および交差軸の流れパターンにより、（２重および３重のスクリューにおいて）自己洗浄式である。板パックの長さを特定の要求事項に合わせて特別に適合することが容易にできるので、プロセス要求事項に応じて、濾過領域は柔軟である。このモジュールを使用して、１つの機械における単一もしくは複数のステージの並流構成または向流構成で固形物を洗浄し、資本コストおよびエネルギー必要量を削減することができる。真空状態から、必要ならフィルタ・ブロックの内圧（２，０００〜３，０００ｐｓｉｇ）よりはるかに高い圧力まで、濾過液の圧力を制御することができる。これにより、液体流においてさらに分離するためのプロセスの柔軟性が大幅に改善する（たとえば、高圧下の超臨界ＣＯ２、高圧下で洗浄するのに使用されるアンモニア液、または、真空を使用する濾過液チャンバ内のＶＯＣおよびアンモニア・ガスの解放）。（フィルタ・ブロックの内圧よりも高い）高い背圧能力を使用して、フィルタのプラグゲージまたはスケーリングの場合の動作中にフィルタをバック・フラッシュするのに使用し、ダウンタイムを最小限に抑えることができる。
【００５７】
微細フィルタの多孔率
細孔のサイズは、微細板の厚さ×開口におけるスロットの幅である。図４のフィルタ板では、細孔のサイズは、０．００５インチ（板の厚さ）×０．０１０インチ（開口におけるスロットの幅）＝細孔当たり０．００００５平方インチである。１枚の板当たり１４４個の細孔があり、１枚の板当たり合計細孔面積＝０．００７２平方インチの開口面積がある。
【００５８】
小形の直径１インチの２重スクリュー押出機を使用する実験用の設定では、このフィンガ板は、０．０２０インチ厚の支持板と組み合わされ、その結果、合計フィルタ面積が０．１２５６平方インチになった。したがって、この１組の実験用の板（フィルタ・パック）の合計開口面積は、計算すると０．００７２／０．１２５６＝５．７％であった。この多孔率では、実験用の板の対（０．０２０インチ厚の支持板）は、２，５００ｐｓｉｇの分離圧力に耐えることができた。実験用の板の１インチ厚のパックは、合計４０枚のフィルタ板×０．００７２平方インチ＝０．２８８平方インチの開口面積を含んだ。それは、直径０．５インチのパイプを超えたものに等しく、全てが、使用される小形の直径１インチの押出機での、押出機の長さのほんの１インチの距離内で実現可能である。
【００５９】
粗いフィルタの多孔率
濾過能力および液体流経路に関して、図６に示すように、使用される実験用の粗いフィルタでは、フィルタ・スロットの幅は、基本的にフィルタ板の厚さと同じであり、その結果、一連の軸方向の溝が得られる。１組の板の合計開口面積（粗いフィルタ板＋支持板）は、板厚の比であり、この場合には＝０．００５／０．０２５＝２０％、または微細フィルタ板システムの開口面積の約４倍である。合計で４０フィンガの板において１インチ厚の板のパックで粗い板を使用して、最終的に１枚の板当たり４０×０．０２０９平方インチの開口面積＝０．８３７平方インチの開口面積になる。これは、直径１インチのパイプよりも大きく、全てが、使用される小形の直径１インチの押出機での、押出機の長さの１インチの距離内で実現可能である。
【００６０】
両方のタイプの板において、フィルタ板を同じ厚さに維持しながら、支持板の厚さを減らすことにより、多孔率を著しく増大させることができる。支持板の厚さを５０％削減すると、フィルタ・ユニットの多孔率が２倍になる。一方で、支持板の厚さが減少するとフィルタ・ユニットの強度は減少することになるが、これは、支持板の全径を増大させ、液体の流路をわずかに長くし、ただし開口面積を同じに維持することによって抑制することができる。
【００６１】
フィルタ・モジュールを製造するためにフィルタ板１２０を使用することにより、フィルタの低コスト製造が可能になるが、それというのも低コストの製造法を使用できるからである。板をレーザ・カットすることができ、または粗い濾過においては、板を打ち抜き加工することができる。単一の機械において複数のプロセス・ステップを有することができるので、バイオマス前処理のための総合的な機器コストは，やはり相対的に低い。固体／流体分離モジュールは、３段階の分離に同時に対応することができる。
【００６２】
フィルタ・ユニットの製造に使用される材料のタイプは、様々なプロセス条件に適合することができる。たとえば、低ｐＨ／腐食性の用途においては、チタニウム、高ニッケル、およびモリブデンの合金のような材料を使用することができる。
【００６３】
具体的には、発明者は、材料の固体部分と液体部分を分離し、既知の固体／流体分離装置に比べて目詰まりを起こしにくい、固体／流体分離装置を開発した。この固体／流体分離装置を多くの様々な用途に使用して、材料の固体／流体部分を分離できることが企図される。さらに、本発明の固体／流体分離装置は目詰まりの影響を受けにくいので、既知の装置では周期的に必要となる逆流洗浄を含む保守の必要性が少ない。したがって、ダウンタイムおよび保守の少ないプロセスでこの固体／流体分離装置を使用して、生産能力を上げ、コストを下げることができる。
【００６４】
説明した固体／流体分離装置において、この分離装置内で材料を移送するスクリュー・エレメントは、フィルタ・ブロックの内面に対して非常に精密な公差を有し、材料をフィルタ表面から離すよう連続的に削り落とす。少量のファイバがフィルタの表面に捕捉された場合、これらのファイバは、押出機のエレメントによってせん断されて、さらに小さい断片になり、最終的にはフィルタを通過し、液体流とともに排出される。
【００６５】
板の対（フィンガ板および支持板）の総数は、バイオマスに応じて変更することができ、総合的なフィルタ面積を制御する。同じ液体分離条件では、細孔をより小さくするには、より多くの板／より大きい表面積が必要になる。細孔のサイズは、液体部分に移動する固形物の量を制御する。各バイオマスは、ある一定の固形物（濾過液中の懸濁固形物の量）を取り込むために、ある一定の細孔サイズを必要とする。
【００６６】
この開示では、ある一定の実施形態を説明し、図示してきたが、記載されたシステム、装置、および方法は、これら特定の実施形態に限定されるものではないことも理解されたい。むしろ、これら特定の実施形態の機能的または機械的な均等物、および本明細書で説明され、図示されてきた特徴である、全ての実施形態が含まれることが理解される。
【００６７】
各実施形態のいずれかに対して様々な特徴を説明してきたが、この様々な特徴および実施形態は、組み合わせてもよく、または、本明細書に説明し、図示した他の特徴および実施形態と一緒に使用してもよいことが理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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