(57)【要約】セルロース性バイオマスが、５マイクロメータ〜１０マイクロメータ未満の平均直径を有する粒子を備えたマイクロパウダーであって、これらの粒子のかなりの部分が１マイクロメートル未満の直径を有するマイクロパウダーに微細化される。バイオマス（例えば木材、農業廃棄物または他の植物材料）が最初に約１０ｍｍの最大直径を有する片へと加工される。次いでこれが、水分含量が１５重量％以下に減少するように乾燥され、破砕機の中に導入される。破砕機は粒子のサイズを約１ｍｍに微細化する。次に、バイオマスは、回転ディスクのエッジが溝に沿って移動して、バイオマスを圧迫かつ圧縮するディスク・ミルで加工され、これによってバイオマス片をより小さな粒子に壊す。これによって生じたマイクロパウダーは、構成糖への酵素加水分解または化学的化学分解を非常に受け易い。さらに、このマイクロパウダーを空気流れの中に浮遊させ、直接燃焼させて、ボイラーおよび類似のデバイスに熱を供給することができる。【選択図】  図３
2009529423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスをマイクロパウダーに変換する装置であって、
エンクロージャと、
バイオマスの破片が中に配置される前記エンクロージャ内部の少なくとも１つの溝と、
前記溝の側面または底に接触せずに前記溝の中に嵌り込み、配設されるように寸法決めされた周縁エッジを有した実質的に垂直方向に配向された少なくとも１つのディスクと、
前記溝の前記側面と前記底と前記周縁エッジとの間に配設された前記バイオマスの破片をマイクロパウダーへとせん断するように、前記ディスクを、回転して前記周縁エッジを前記溝に対して動かすようにさせる手段と、
を備える装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの溝は直線型である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つのディスクは、前記エンクロージャの両側で保持される水平軸を有している、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記水平軸は複数のディスクを担持している、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つのディスクを回転させる前記手段は、前記水平軸の回転である、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記周縁エッジは交換可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記溝は中心のまわりに環状に配設されている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記ディスクは、前記中心のまわりで回転するように配設された水平方向に配向された部材に依存したブラケットによって保持された水平軸を有している、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つのディスクを回転させる前記手段は、前記水平方向に配向された部材の回転である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
酵素消化または直接燃焼のためにセルロース性バイオマスからマイクロパウダーを製造するプロセスであって、
約３ｍｍ〜５ｍｍの最大寸法を有した粒子を製造するように前記バイオマスを細断または細砕することと、
前記粒子の最大直径を約１ｍｍ以下に微細化するように前記細断されたバイオマスを加工することと、
前記最大粒子サイズを直径１００マイクロメートル未満に微細化するように、前記加工されたバイオマスを、エッジが円形のＶ字形状溝内で移動し前記エッジと前記Ｖ字形状溝との間で粒子を圧迫することによって粒子を破砕するディスクを回転軸が支承している回転ディスクで処理することと、
の各ステップを備えるプロセス。
【請求項１１】
前記回転ディスクからの前記バイオマス粒子を、パドルを支承する逆回転軸が前記粒子を浮遊かつ破砕しまた前記軸は少なくとも毎分数千回転の速度で回転するマイクロ破砕機で破砕するステップをさらに備えている、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記加工するステップは、パドルを支承する逆回転軸が前記粒子を浮遊かつ破砕する、前記軸は毎分約５００回転未満の速度で回転する破砕機を使用する、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記加工するステップは、回転軸が、前記エッジと前記直線型のＶ字形状溝との間で前記粒子を圧迫することによって前記エッジが前記粒子を破砕するディスクを支承する直線型ディスク・ミルを使用する、請求項１０に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（先行出願の相互参照）
この出願は、２００６年３月１０日に出願された米国仮特許出願６０／７８１,４２９明細書に基づいており、この優先権および恩典を主張する。この特許出願を、関係法令によって許される最大限の範囲で参照により本明細書に組み込む。
【０００２】
（米国政府援助）
該当せず
本願は、セルロース植物性材料を、糖への酵素加水分解または化学的加水分解あるいは直接燃焼にとって理想的なマイクロメートルおよびサブマイクロメートルの粒子に微細化する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ここ数十年、エネルギー不足に関する警告が繰り返し発されている。一般的な傾向としては、エネルギー価格が高騰して経済の悪化をもたらし、これによって一時的にエネルギー供給のへ圧力が弱まるというものである。これと同時に、中途半端な省エネルギー対策が制定される。これによってエネルギー価格が落下して、過剰な消費が再び始まり、省エネルギーや長期のエネルギー計画が完全に忘れ去られる。それにも関わらず、エネルギー供給は有限である。最善の推定によると、石油供給は４０年間位のうちにほぼ枯渇する。新たな油田が発見され、既存油田の再生が向上しても、この推定値が２倍の８０年間にさえ増える可能性は極めて低い。効率が画期的に向上すること、または多大な節約努力が行われることを除いて、現在生きている一部の人々は、それほど多世代前でない我々の先祖が馬によって動力供給された世界の終焉を見たように、石油によって動力供給された世界の終焉をほぼ確実に見ることとなる。原子力に希望を託している人もいる。残念なことに、核燃料の供給も、特に現在使用中の非効率的な原子炉を考えると、限られている。さらに、核廃棄物の問題も極めて危機的であって、この燃料の供給が無限であったとしても、我々の文明が安全に核エネルギーに依存することはできないであろう。
【０００４】
他の一般的な化石燃料についての実態も、石油の実態と比べてそれほど明るい訳ではない。現在の天然ガス供給は、今後約６０年間で枯渇することが推定されている。この推定期間が倍になっても、天然ガスに対する広範な依存は１２０年以下のうちに終わると思われる。石炭はおそらく最も豊富な化石燃料である。少なくとも２００年分の供給量があると考えられている。これは、代替エネルギーが間もなく開発されたとしても、我々の文明は今後５０年後から１００年後のうちに、完全に石炭に依存することになるということである。しかし、石炭は最も初期に開発されながら、石炭の燃焼が汚れたものであり、大量の灰を残すことから、石油および天然ガスに大きく取って代わられた化石燃料である。採炭の劣悪な環境コストについては言うまでもない。
【０００５】
しかし、石炭使用の放棄を余儀なくするものは、おそらく石炭の不足ではない。そうではなく、これを余儀なくするものは、化石二酸化炭素の大気中への絶え間のない放出による環境への影響である。地球温暖化としばしば呼ばれているこの問題は、あらゆる化石燃料の燃焼に起因している。これは要するに、この問題の全容が感じられる前に、おそらくは石油が使い果たされてしまうということである。「地球温暖化」は良い言葉ではないかもしれない。これは、地球全体の温度が大気中の過剰な二酸化炭素によって上昇しているが、本当の問題は温暖化それ自体ではなく、強烈な気候変動であることによる。地球の気候は常に、ある時期は他の時期よりも急速に、変動している。例えば、氷河期の最後に起こった比較的最近の強烈な気候変動では、気候変動は、生命体が新しい気候に適合し、またはより過ごし易い気候へと移住できるほど充分にゆっくりとしていた。したがって、氷河が後退し、気温が温暖になるにつれて、寒さに適合した「北極」種は北方に、またはより高地に移動した。化石燃料の燃焼によって起こる気候変動は、生物が移住することを可能にしないほど急激になるというあらゆる兆候が存在する。その結果、生物種と全体的な生物学的多様性とが極度に消失し、生物種の絶滅率が、我々の文明の広がりによって引き起こされた既に高い絶滅率よりも極めて高くなろう。
【０００６】
核融合などの、なんらかの全く新しいエネルギー源が完成されるまで、このエネルギーの難問に対する最善の答えは、節約を大幅に増大しながら、専ら再生可能なエネルギー源のみを使用することであると思われる。地球上のほとんどのエネルギーは、究極的には太陽から到来している。したがって、光電気と太陽加熱の形態の太陽エネルギーが理想的である。しかし、太陽エネルギーは我々のニーズを全て満たすことはできない。水力発電および風力発電が、再生可能な太陽ベースのエネルギーの他の２つの形態である。これらの動力源のいずれも、大気二酸化炭素に変化をもたらさない。バイオマス・エネルギー（すなわち木質材料および他の植物性材料）が、太陽エネルギーに対する理想的な補足物である可能性がある。バイオマス・エネルギーが通常バイオマスの燃焼によって得られ、このような燃焼が二酸化炭素を大気中に放出することから、このことは驚くべきことに思えるかもしれない。しかし、バイオマスは再生可能である。緑色植物の植林地が成長してバイオマスを製造するようになった場合、放出された二酸化炭素は新たな植物性材料内にすぐさま封鎖される。したがって、二酸化炭素は何度も繰り返して使用され、大気二酸化炭素の総体的なレベルが、化石燃料の燃焼のように増加し続けることはない。真の問題は、バイオマス・エネルギーをどのようにして我々の経済に統合してゆくかということである。現在のところ、木材燃焼による蒸気機関車および木材燃焼による自動車が著しく不足している。また、我々の発電システムが液状油または天然ガス、さらには微粉炭を使用するように適合されていることから、動力プラント内でのバイオマスの直接燃焼もあまり実行可能ではない。
【０００７】
これまでバイオマスから液体燃料（主にエタノール）を製造するために多大な努力がなされてきた。この製造には、植物生成物から直接的に、またはセルロース性バイオマスを温浸することから間接的に抽出された糖を発酵させることが伴う。直接抽出された糖を発酵させる技術は充分に確立されている。残念ながら、エネルギーの最大の潜在源はセルロース性バイオマスにある。セルロースを発酵性糖に転換することは困難であり、現在のところあまり効率的ではない。セルロース性バイオマスを発酵性糖に加水分解するために、一般的に酵素または酸が使用されている。バイオマスに対する適切な機械的前処理が必須となる。一部のプロセスでは、バイオマスは化学的に前処理され、次いで温度と圧力の急激な変化によって「爆発」される。このようなプロセスは大量の有害な化学廃棄物を生じる場合がある。他のプロセスでは、製紙用の木材パルプを製造するための装置と同様の装置で木材チップが煮沸される。現在のところ、これらのアプローチのいずれもさほど成功していない。
【０００８】
本発明者は、現在の技術の問題のほとんどは、バイオマスを充分に小さな粒子に微細化することによって解決することができると考えている。本発明者は、このような粒子（セルロース性マイクロパウダーと呼ばれている）を酵素によって、または化学的加水分解によって容易に糖および他の有機モノマーに加水分解することができることを発見した。おそらくは粒子のサイズが極めて小さいことによって、他の方法で用意されたセルロース性バイオマスにおいてよりも加水分解酵素がはるかに効果的となる。さらに、本発明に従って用意されたマイクロパウダーを、流動性液体とさして異ならずに、噴霧状の噴射器によって直接燃焼させることができる。鍵となるのは、極めて微細かつ均一なマイクロパウダー粒子を用意することである。
【０００９】
多様な有機材料および非有機材料の少量試料を破砕するために、多様な小型装置（一般に「ミル」と呼ばれている）が存在する。例えば、鋭利な回転エッジを用いた切断ミルは、多数の材料を２００μｍのサイズ範囲まで微細化することができる。クロス・ビーター・ミルは切断に圧壊作用を加えて、加工された材料をさらに１００μｍのサイズ範囲まで微細化する。ローター・ビーター、ローター遠心分離機、および振動ディスク・ミルは多数の材料をさらに５０μｍのサイズ範囲まで微細化する。バイオマスと比較して、金属は結晶構造を有しているので、小さな粒子でも極めて強度が高い。それにもかかわらず、一般的な工業用機械であるボール・ミルは、金属粒子の結晶構造を５μｍの（またはこれより僅かにさらに小さい）サイズ範囲のより小さな亜粒子に粉砕する能力がある。しかし、バイオマスが剛性であり、一般的に結晶のような形で挙動しないことから、典型的なボール・ミルはバイオマス繊維材料に対して一般的にうまく働かない。これにも関わらず、極めて小型のボールを備えたボール・ミルは、バイオマス繊維に対してなんらかの限定的な破砕を達成することが可能である。しかし、これらの従来技術装置のいずれも、工業的規模で実際的なものではない。加工される材料の量は一般的に数グラムから数百グラムである。さらに、「切断」に依存した多くの装置が使用している鋭利なエッジは、大量の材料を加工しようとすると早期に鈍くなってしまう。
【００１０】
本発明者は、機械力と水添加とを組み合わせることを用いて、バイオマスをマイクロパウダーへと微細化するシステムを先に開発した。（ＷＯ／２００２／０５７３１７号明細書を参照）。この方法によって製造されたマイクロパウダーは、酵素の作用によって容易に発酵性糖に加水分解することができる。しかし、このプロセスでは水を何度も添加し除去することと、長時間の機械的攪拌とが必要であり、これによって、マイクロパウダーを製造するのに必要なエネルギー費用が増大してしまう。このプロセスの全体のエネルギー収支は好ましいものであったが、本発明者は、本明細書で開示したマイクロパウダーの改良された製造方法が完全になるまで、引き続きこの問題に取り組んできた。
【特許文献１】ＷＯ／２００２／０５７３１７号明細書
【発明の開示】
【詳細な説明】
【００１１】
以下の説明は、当業者が本発明を行い、使用することを可能にするためにここに掲げるものであり、発明者によって企図された、その発明を実施する最良の態様を示している。しかし、特に、様々なタイプのセルロース性バイオマスを前処理して、加水分解し易く燃焼し易いマイクロパウダーを製造するための装置と改良された本質的に機械的なプロセスとを提供するように、本発明の一般的な原理を本明細書で規定していることから、当業者にとっては様々な変形例が容易に明らかであろう。
【００１２】
本発明者は、セルロース性バイオマスを、酵素加水分解または他の化学的加水分解、ならびに酸化（燃焼）を受け易い極めて小さな粒子へと破砕する新たな乾燥式機械方法を思いがけなく発見した。植物バイオマスは主にセルロース細胞壁から成る。一般的に、セルロース性バイオマスはどのような溶剤によっても容易に溶解させることはできない。セルロースの疑似結晶性構造と、セルロースのまわりのリグニンの「固定化」によって形成された複合構造とが、この不溶性の主な理由である。しかし、発酵と酸化の両方を伴うゆっくりとした生物分解によって、バイオマスを破壊すことができる。これらの生物分解反応のほとんどは、バイオマスの表面上の個液相で起こる。
【００１３】
製紙のために木材などの植物バイオマスが長い間使用され、繊維（織物）を製造するために他の形態のバイオマスが使用されてきた。製紙は、化学薬品と大量の水とを使用する工業的プロセスによる抽出を伴う。木材細胞の細胞壁間の天然セメント（中層）が化学分解され、もつれた細胞壁（繊維）が水中に懸濁されて、木材パルプのスラリーを形成する。織物の場合には、個々の細胞壁（繊維）はほとんどが分離して、互いに連結していないので、このような複雑なプロセスは必要ない。（しかし、例えばリネンの製造では、通常「浸水」と呼ばれる消化プロセスが必要である。）セルロースは本質的に水中で溶けないことから、繊維は水中で安定している。しかし、このような植物繊維は水を吸収し、ある程度膨らむ。一般的に、膨らんだ後バイオマスを乾燥させてその元の形状に戻すことができる。機械的プロセスでは、セルロース性バイオマスを個々の細胞壁のレベルよりも極めて小さく微細化することは可能でないが、機械的破砕は個々の繊維（すなわち細胞壁）をある程度寸断することができると一般的に考えられてきた。
【００１４】
簡単なプロセスによってセルロース性バイオマスがさらにマイクロパウダーへと微細化される工業規模のプロセスが必要である。本発明者の元のプロセスは水を繰り返し添加し、除去することを伴った。特に、生きた植物のセルロース性バイオマスは水和される。生きた細胞は全て大きな水分含量を有しており、生きた植物の中で、生きていない多くの細胞壁は水用導管として使用されて、バイオマスが水和された状態のままであることをさらに保証する。過去のプロセスにいては、最初に余分の水を除去し、次いで水の添加と除去を反復することが必要であった。
【００１５】
この改良されたプロセスは、セルロース性バイオマスを最初に機械的に粉砕することから始まる。以前のプロセスで使用した機械と類似または同一の細断・粉砕機械が初期プロセスで使用される。バイオマスを約１ｍｍの平均最大直径を有した粒子に微細化することが有利であることが判明している。以下で説明するように、これは好都合に段階的に行われる。しかし、ここで論じた通りのステップまたは装置を使用する必要はない。バイオマスを約１ｍｍ直径の粒子に微細化する処置であれば有効である。初期プロセスはいずれの「自然の」（即ち湿った）バイオマスでも起こり得るが、現在使用されている機械は、低いレベルの水しか含んでいないバイオマスにおいて、より迅速かつより効率的に動作することが判明している。このプロセスの後のステップでは低いレベルの水分しか含んでいないバイオマスが必要であるので、第１ステップとして、または少なくともバイオマスが直径約５ｍｍ〜１０ｍｍに微細化された後にバイオマスを乾燥することが好都合である。この新たな破砕プロセスの第１ステップは、通常の木材細断機または木材チッパー、あるいは他の適切な機械デバイスを使用することによって、バイオマス片のサイズを直径約５ｍｍ〜１０ｍｍに微細化することである。開始時のこれらの粒子は、約２０重量％から約８０重量％の含水量を有している。さらなる破砕が効率的に進むことができる前に、粒子を、それらの含水量が約１５重量％未満になるまで乾燥しなければならない。乾燥は標準的な方法によって達成される。本明細書で提示する実施例では、植物材料（５ｍｍ〜１０ｍｍ片）が少なくとも約８０℃に加熱されて、迅速な乾燥を保証する。当業者であれば、エネルギー集約度の低い他の乾燥方法も同様に使用できることを理解するであろう。太陽エネルギーまたは産業廃熱を使用してバイオマスを乾燥することもできる。
【００１６】
本発明者の以前の破砕プロセスでは、水の添加を用いて、バイオマスを形成している多糖ポリマーを連結している水素結合を脆弱化した。この新たな乾燥方法では反対のアプローチが取られている。即ち、水を除去するとバイオマスの剛度が上がり、機械的破砕がより効果的になるというものである。このプロセスの中心的なステップは、サブマイクロメートルの粉の製造に最適化したマイクロ破砕機と呼ばれる専用機器に依っている。木材（例えば）からマイクロパウダーへの全プロセスは次のステップを含む。（１）原料の収穫、（２）原料の輸送、（３）５ｍｍ〜１０ｍｍスケールへの微細化（細断およびプランニング（planning）／細砕）、（４）乾燥（細断および細砕の前に行うことができる）、（５）ミリメートルサイズの粒子への破砕、（６）粒子サイズ選別によるディスク・ミルを用いた１００マイクロメートルへの、また粒子サイズ未満への微細化、（７）マイクロメートルおよびサブマイクロメートルのマイクロパウダーを製造するためのマイクロ破砕機／混合機による処理。
【００１７】
バイオマスを５ｍｍ〜１０ｍｍスケールに微細化するために、市販の平面細断機またはチッパーが使用される。これらのデバイスは、木材を細砕して払い落すのに広く使用され、一般的に１つまたは複数のエッジを回転軸上に含んでいる。こうしたデバイスは通常、バイオマスの小さな片が下に通り抜ける間に、大きな片をさらに加工することができるように、ある種のスクリーンまたはふるいを有している。一般的に、最大サイズが約３ｍｍ〜５ｍｍである片を製造するスクリーンまたはふるいが最適である。既に述べたように、細断する材料を最初に乾燥することができ、あるいはこれを細断／プランニング後に乾燥することもできる。乾燥は一般的に約８０℃以上の温度で有利に実施されるが、これより低い温度での、より長い時間にわたる乾燥も完全に実行可能である。プランニング／細断プロセスは、乾燥材料においてより効率的であることが判明している。２５ｋｇの適切に乾燥されたバイオマスを１０分以下で細断することができるが、同じ量の湿潤バイオマスは、適切な細断を行うために１時間以上を要する場合がある。
【００１８】
細砕されたバイオマスを、約１ｍｍのスケールを有する粒子に微細化することが有利である。多様な粉砕デバイスがこの目的を達成するために利用可能である。本発明者は、発明者の以前のプロセスのために発明者が開発した破砕機を利用することが効果的であることを見出している。図１の破砕デバイス３０では、複数の逆回転軸３６（ここでは２本）が、回転中比較的密接な接触（約１ｃｍの隙間）をするように離隔された剛性パドル３８を支承している。これらの回転軸３６は水平方向に配向され、ホッパー状容器３２の底部付近に配設されている。回転軸３６は数百ＲＰＭ以下の速度でモータ３４（１つだけしかここでは示していない）によって逆回転される。バイオマスがデバイスの中に供給され、パドルによって破砕される。このようなデバイスを使用して、２５ｋｇのバイオマスを６０分以下で、粒子サイズ、即ち３ｍｍ〜５ｍｍから１ｍｍ未満の粒子サイズに微細化することができる。
【００１９】
本発明のプロセスは次いで、ディスク・ミルとマイクロ破砕機／混合機を使用して、バイオマスをマイクロメータのスケールからサブマイクロメータのスケールの粒子に微細化する。ディスク・ミルは、バイオマスのスケールを僅か１ｍｍ未満から約１００μｍに迅速に微細化するのに有効である。このマイクロ破砕機／混合機は１００μｍの粒子をマイクロメートルの最終スケールに、サブマイクロメートルに効果的に微細化することができる。言うまでもなく、ディスク・ミルを極めて長時間作動かさせれば、バイオマスを１００μｍ未満の粒子に微細化することができる。しかし、この材料をあるタイプの装置から他のタイプの装置に移動することによって、マイクロパウダーを、より少ないエネルギー消費でより迅速に製造することが可能である。
【００２０】
粒子の正確な水含有量がプロセス全体において重要である。以下に説明するように、ディスク・ミルの１つのバージョンは余分の水に対して特に敏感である。このディスク・ミル・デバイスは、乾燥バイオマス粒子が加えられるにつれてこれらを拡散させる回転ディスクを含んでいる。実際に粒子の切断が起こるわけではないことから、粒子と相互作用するディスクのエッジは鋭利である必要はない。そうではなく、粒子は、ディスク・ミルの回転破砕ディスクと接触する際に繰り返し圧迫または圧搾（せん断）される。この圧迫または圧搾が粒子をより小さな構造へと徐々に壊してゆき、これらが、回転ディスクの絶え間ない攪拌によって互いに分離した状態に保たれる。最初に個々の繊維（細胞壁）が分離される。次いで細胞壁がより小さな粒子へと壊されてされてゆく。細胞壁は主に、ヘミセルロースおよびレグニンと錯体を形成したセルロース性マイクロ繊維から構成されている。粒子をディスクで繰り返し屈曲させ、圧搾すると、ほとんどの場合、バイオマスのセルロース副構成要素とヘミセルロース副構成要素とリグニン副構成要素との結節部の脆弱なゾーンに沿って分離が生じる。バイオマスの粒子が小さくなるにつれて、大幅に拡大した表面から蒸発が促され、最適な乾燥を実行するために加熱を追加する必要がほぼないか、あるいは全くない。
【００２１】
バイオマスはディスク・ミルで処理された後に、マイクロ破砕機／混合機で最終処理を受ける。このユニットは図１で描いた破砕機の小型バージョンのようである。ここに描いたデバイスは、２ｋＷのモータを備えた軸に沿って約５３ｃｍ×９０ｃｍ×１００ｃｍである。ブレードまたはパドルによって測定される直径は約３５ｃｍである。このマイクロ破砕機／混合機は軸に沿って僅かに５０ｃｍであり、しかるべく釣り合いがとられているが、高速用であるため３．７ｋＷのモータを使用している。この破砕機／混合機では、間に空間を置かれたパドルを支承する離隔された２つの回転軸がエンクロージャ内で高速で反対方向に回転する。これらの軸は１２０００ＲＰＭで回転する能力があるが、バイオマス粒子によって引き起こされる摩擦が一般的に実質的な回転速度を４０００ＲＰＭ以下（しかし少なくとも数千ＲＰＭ）に下げる。粒子は回転によって空気中に浮遊され、対抗する回転が粒子に応力を掛け、引き裂き、ディスク・ミル内で凝集されていた粒子を脱凝集させる。この最終段階で、粒子は１マイクロメートルまたは１サブマイクロメートルのサイズに微細化される。マイクロ破砕機／混合機はディスク・ミルからの粒子１００μｍ粒子２５ｋｇを、６０分から１２０分以内に、マイクロメートルからサブマイクロメートルのスケールを有するマイクロパウダーの粒子に加工することができる。
【００２２】
この加工の最終製造物がマイクロパウダーである。マイクロパウダーとは、粒子が約２〜３μｍ以下の平均サイズを有するがこのかなりの割合がサブマイクロメートルの粒子である粉状バイオマスを意味する。言うまでもなく、以下に述べる平均加工時間によって、こうした特徴を備えたマイクロパウダーが製造される。マイクロパウダーの選別（すなわちサイズによる仕分け）は、大きな粒子が追加の加工を受けることを可能にし、これによってより大きな割合のサブマイクロメートル粒子を生産する。マイクロパウダーの利用には、糖を生産するための酵素消化（一般的にアルコールへの発酵がこれに続く）、または直接燃焼がある。２〜３μｍの平均粒子サイズを備えたマイクロパウダーはこのような用途に適しているが、一部のプロセスでは、サブマイクロメートル粒子を大きな割合で有したマイクロパウダーを使用することが有利である場合がある。加工時間を増大すると、特にマイクロ破砕機／混合機においてサブマイクロメートル粒子の割合が拡大する。言うまでもなく、加工を追加してより大きな割合のサブマイクロメートル粒子を製造するにするには、より多くの時間およびエネルギーが必要である。費用便益の分析によって、個別の用途についての最適なマイクロパウダーのサイズを決定することができる。
【００２３】
本発明者は２つの異なったバージョンのディスクを製造していた。第１デバイスは即座に測定可能なデバイスを目的としておらず、第２デバイスは測定可能なデバイスと、工業規模のマイクロパウダー製造の原型とを目的としている。その後、最も迅速な結果は、第２デバイスを使用して予備加工し、続いて第１タイプのデバイスで最終的なディスク・ミル処理を行うことによって達成されることを発見した。即ち、最適な破砕を第１のタイプのデバイスで達成することができるが、全体の処理量は比較的小さい。第２タイプのデバイスの処理量はより良いが、マイクロパウダーに対して大きな割合のサブマイクロメートル粒子を達成するには余分の加工時間を要する。しかし、第２タイプのデバイスの生産物を第１タイプのデバイスで加工することによって、大きな割合のサブマイクロメートル粒子を有するマイクロパウダーを容易にかつ効果的に得ることができる。第１ディスク・ミルの処理を破砕機の処理と取り換えても迅速であることが判明した。現在のところ、破砕機を使用し、続いて第１タイプのディスク・ミルを使用することが好ましい構成である。
【００２４】
これらの異なったデバイスの構造を検討することによって、本発明の動作原理およびパラメータ明らかとなろう。図２は、上から見た、回転ディスクに基づいたマイクロ破砕機の線図を示している。このデバイスでは、二重「Ｘ」字形状のアーム・システム２２（即ち４つの別個のアーム・セグメンント）が軸または中心軸２４に結合されて、アーム・システム２２が中心のまわりに回転できるようになっている。Ｘ字アーム・システム２２は好都合な構造であるが、一般の当業者には、中心のまわりに回転するように配設された任意の部材（例えばアームまたはディスク）を、このＸ字アーム・システム２２と置き換えられることが明らかであろう。各アーム２２が２つの回転ディスクを支承している。図３に示したように、各ディスク２８が水平軸３２に連結され、水平軸３２はそれぞれアーム２２の１つに依存した一対のブラケット４２によって支持されている。各ディスク２８は、共心の４つのＶ字形状溝３７の１つの、Ｘ字アーム２２を含んだエンクロージャ３９の床を占める底に沿って転がるように位置合わせされている。これら４つの連続した共心のトラックの直径は、約３３０ｍｍ、４９０ｍｍ、６５０ｍｍ、および８１０ｍｍである。Ｖ字溝３７は約８ｍｍ幅の平底を有している。作動部分は全てステンレス・スチールから構築されている。このデバイスが動作すると、モータ３４はベルト４４によって中央軸２４の下方末端４６に連結され、Ｘ字アーム・システム２２を、エンクロージャ３９内で約１２０ＲＰＭの速度で回転させる。ディスク２８はＶ字形状溝３７の底に沿って動く。水平軸３２の構造は、ディスクがいくらかの融通性をもって取り付けられて、それらが不規則性に対応して円形のＶ字溝３７を通行できるようにするものである。軸およびベルト以外の他の任意の適切な機械的構造を使用して、Ｘ字アーム・システム２２をこの中心のまわりで回転させることもできる。
【００２５】
このユニットは、ディスク２８がＶ字溝３７の底または側面に実際に接触しないように構造化されている。各ディスク２８のエッジはＶ字溝３７と一致するように幾分テーパ付けされて、通常、ディスク２８の表面とＶ字溝３７の隣接した表面との間に隙間ができるようになっている。バイオマスの切り刻まれた片がこのユニットの下方垂直側面上の入口４８を通してユニット内に導入され、Ｖ字溝３７の中に落下する。バイオマスはディスク２８とＶ字溝３７の壁との間の隙間を充填する。運動するディスク２８がバイオマスを粉砕し、その結果生じる摩擦がディスクを回転させ、バイオマスを移動／拡散させる。粉砕作用とせん断作用との繰り返しによってバイオマス片は引き裂かれ、より小さな粒子がもたらされる。ここが、バイオマスの水分含量が特に重要となるところである。バイオマスが湿り過ぎていると、バイオマスは一緒にくっついて大きな塊となり、これによってディスク２８の滑らかな動きが妨げられ、ディスク２８がこのＶ字溝３７から部分的に飛び出してしまうこともある。この破砕プロセス中、大きな片はさらなる加工のためにＶ字溝３７の中に反落し、最も小さな粒子はディスク２８の動きによって空気中に攪拌され、これをユニットの上方カバー上の出口５２から引き出すことができる。バッチ・モードで作動された場合、このユニットは約１０ｋｇ〜１５ｋｇのバイオマスを２０分〜３０分で加工することができる。連続フロー・モードで作動された場合、毎分約０．５ｋｇの材料がこれに追加される（そして引き出される）。この構成の最も大きな欠点は、過度に湿ったバイオマスがＶ字溝３７を詰まらせて、ディスク２８を不適正に通行させる場合があるということである。材料が湿り過ぎていると、粒子は凝集し、さらなる加工を完全に阻止してしまう。これによってユニットを停止して、溝３７を清掃して空にすることが必要となる。
【００２６】
このディスク・ミル破砕機の第２の実施形態は、上記に論じた第１実施形態の欠点を克服するように設計された。図５は、上から見たこの実施形態の簡略線図を示している。閉鎖されたエンクロージャ３９が、ここでは４つである複数の水平軸５４を含んでいる。各軸５４はモータ３４に直接結合されている。回転ディスク２８が離隔された形で各軸５４に取り付けられ、各軸は各ディスク２８の中心を通過している。この図で、各軸５４は８つのディスク２６を支承しており、隣接した軸５４上のディスク２６は、隣接した軸４２上のディスク２６を互いに入り込ませ、または重ならせることができるように、軸５４の長さに沿ってオフセットされている。実際のデバイスでは、ディスク２６の直径は約８００ｍｍである。図６はこの装置を横から示しており、隣接した水平軸５４上のディスク２６の重なりをさらに示している。図７で示したように、各ディスク２６の外周囲は真っ直ぐなＶ字溝３７’の中で回転する。即ち、第１実施形態の構造は、Ｖ字溝３７が円形であることを必要とする。ここでは、Ｖ字溝３７’は直線型であって、デバイスの長さを延びている。図８および９は、ディスク２６の外縁には、ほぼＶ字溝３７’の底まで突き通るように寸法決めされた延長部５６が設けられていることを図式的に示している。図８はディスク２６を示しており、ディスク２６の外で拡大部分２６’が延長部５６を支承している。各延長部５６はディスク２６の円周をたどるように湾曲されている。延長部５６はボルト５８によって（他の任意の適切な機械的締結具も同様に使用することができるが）ディスクのエッジに取り付けられている。図９は、円形ディスク２６の射線に沿ったディスク２６の断面図を示しており、延長部５６の取り付け方法を示している。延長部５６がＶ字溝３７’の中へと突き抜けているため、バイオマス粒子とディスク２６との間の接触のほとんどは延長部５６上で起こり、大幅な摩耗が生じると、延長部５６を容易に交換することができる。ここでも、バイオマスに接触するデバイスの全ての部分がステンレス・スチールまたは他の抵抗材料から構築されている。なお、ボルト５８は斜角付きワッシャ６８と併せて使用されている。斜角付きワッシャ６８は、延長部５６をより確実に定位置に保持し、乱気流をもたらしてマイクロパウダーを動かし、混合させる。
【００２７】
動作中、ディスク２６は一般的に約１５０ＲＰＭの速度で回転する。バイオマス（最大サイズ約１０ｍｍの細断材料）が入口６２を通して導入され（図６）、Ｖ字溝３７’の中に掃き集められる。回転ディスク２６がバイオマスを粉砕し、出口６４へと掃き集め、出口６４でマイクロパウダーは選別デバイス６６を通して移動され、選別デバイス６６でマイクロパウダーはサイズに応じて選別される。マイクロパウダーを分離塔（そらせ板付きまたはそらせ板なし）の中に吹き込むことによって、選別を重量測定的に達成することができる。分離塔では最も小さな粒子（完成製品）は塔の頂部から引き出される。大きな粒子は塔の底から引き出される。これは、細かい粒子ほど長時間にわたって空気流内に浮遊されたままとなることによる（最も細かい粒子は空気中でコロイド状浮遊物を形成することができる）。大きな粒子は追加の破砕を行うためにデバイスを通して再循環される。この同じ選別方法が、すでに述べた回転式破砕機に対して有用である。スクリーンおよびまたはパウダー・サイクロン分離器を使用した他の選別方法、あるいはそのような方法の組み合わせも用いることができる。ここに表したデバイス（軸ごとに直径８００ｍｍのディスクを備えた４つの水平軸）は、１０時間〜１２時間ごとに約２トンのバイオマスを破砕する。このデバイスの容量を、単に追加の軸を加える（即ちデバイスの長さをより長くする）ことによって、かつ／または各軸にディスクを加える（すなわちデバイスの幅をより長くする）ことによって容易に増大することができる。
【００２８】
しかし、この直線型機械によって製造された典型的な製品は、回転式デバイスによって製造されたものよりも粒子的に幾分大きい（サブマイクロメートル粒子が少ない）。これは、このディスクのエッジが溝の中に入ってゆき、次いで持ち上がるのに対して、回転式デバイスのディスクは、溝の中に「転がり入り」、溝から出ることによって溝とより多くの接触を維持するということの影響であると考えられている。この正味効果は、回転ディスクは、バイオマス粒子をさらに小さな粒子に壊すことにより効果的であるより大きな粉砕力およびせん断力をもたらすということである。他方、直線型デバイスは、回転ディスクが溝と相互作用する際の回転ディスク上の特定点の「出入り」運動が溝を掃除して粒子の凝集体を取り除くことから、水分レベルの変化に対して比較的感受性が低い。直線型デバイスは、この動作サイクルを大幅に延長することによって極めて細かいマイクロパウダーを製造することができるが、最も効果的な結果は、細断されたバイオマスを直線型ユニットで予備加工して、ほぼサブ１００μｍサイズ範囲内にある粒子を達成し、次いで回転式デバイスでこの加工を完成して、最大粒子サイズが約１０μｍ未満のマイクロパウダーを達成することによって達成される。これらの粒子の実質的な部分はサブマイクロメートル範囲内での最大サイズを有する。
【００２９】
このアプローチは優れた品質のマイクロパウダーを生産し、直線型デバイスで予備加工するステップは、回転式デバイスに時折悪影響を及ぼす凝集体による溝詰まりを完全に防止する。直線型ユニットで予備加工されたバイオマスは、溝詰まりが発生しないようなサイズおよび粘度となっている。現在の好ましい代替的なアプローチは、破砕機（直線型ディスク・ミルではなく）を使用して、バイオマスを１００μｍサイズ範囲まで微細化し、次いで回転式ディスク・ミルを使用してさらに加工するというものである。  
上述の直線型ディスク・ミルは、約２メートル・トンを１０時間で効果的に加工する。即ち、このディスク・ミルは毎時約２００ｋｇのバイオマスを出力することができる。この試行用ユニットは電気モータを使用し、毎時約３ｋＷを必要とする。上述の回転式ディスク・ミル（動作直径約９０ｃｍ）は毎時約２０ｋｇの材料しか完全に加工できない。したがって、各直線型ディスク・ミルに対して１０個のユニットを連結しなければならないか、あるいはより大きな容量の回転式ディスク・ミルが必要である。回転式ディスク・ミルは現在、電気モータを使用して、バイオマス１メートル・トンに対して約２．５ｋＷから５ｋＷの電力を使用している。このように、現在の試行用機器では、１メートル・トンのバイオマスは破砕のために約２０ｋＷの電力が必要である。電気モータよりも経済的な原動力源を使用したより効率的なデバイスを容易に考案できる可能性がある。
【００３０】
このプロセスの現在の好ましい代替的実施形態は、２５ｋｇの乾燥バイオマスを１０分で３ｍｍ片に微細化する（実験室規模で）ことができる細断機／チッパーで開始する。次いでこれが破砕機（図１）の中に供給され、破砕機は材料を６０分未満でサブミリメートル・サイズに微細化する。次いでこれが回転式ディスク・ミル（図２）に供給され、回転式ディスク・ミルは材料を３０分でサブ１００マイクロメートルの段階に微細化する。最後にこの材料は、１時間〜２時間でマイクロメートルからサブマイクロメートルのパウダーを製造する高速マイクロ破砕機／混合機で加工される。
【００３１】
本発明のプロセスの効果を、従来式プロセスによって開発されたセルロース性パウダーのサイズを、本発明のプロセスと比較することによって最もよく理解することができる。図１０は、広葉樹から製造された従来の木材パルプのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像を示している。この典型的なパルプ化方法は木材チップを化学的に浸軟し、その後木材のセルロース性構成要素が機械的に分離される。図面のマイクロメートルのバーは、図面の倍率が図１０Ａから図１０Ｄにかけて拡大していることを示しており、図１０Ｄは図１０Ａの倍率の約１０倍である。これらの図面は、最も大きな細胞特性が、ほとんどは導管要素の細胞壁であるが、概ね無傷であることも表わしている。
【００３２】
図１１は、従来技術による圧力爆破方法によって破砕された広葉樹ケナフ木材の、類似のＳＥＭ画像一式を示している。ケナフは製紙用パルプ源として栽培されている灌木である。この爆破方法は、酵素消化、化学的加水分解、および関連したバイオマスの加工を促進するためのセルロース性バイオマスの簡略化された破砕方法として開発されてきた。図１１Ａから１１Ｄを検討すると、大きな細胞導管要素は概ね破砕されていないことが分かる。どちらかといえば、爆破破砕は、セルロース性要素を小さな酵素消化し易い粒子に微細化することについて、従来式の化学的パルプ化方法よりもそれほど効果的なわけではない。
【００３３】
図１０および１１を図１２および１３と対比されたい。図１２は唐松の木材に適用された本発明の破砕プロセスを示している。図１２Ｄは、この破砕は直径約１μｍ未満のセルロース性粒子を相当数製造するが、これらの粒子の多くは２μｍ〜３μｍの範囲にあることを示している（なお、大きな粒子のほとんどは小さな粒子の凝集体であるように見える）。図１３はケナフの破砕された木材のＳＥＭ画像を示している。１０μｍ範囲の粒子がいくらか残っているが、図１３Ｄはマイクロメートルからサブマイクロメートルのサイズ範囲の粒子をいくつか示している。爆破処理によって製造された材料は、このサイズ範囲の粒子を、たとえあったとしてもあまり示していない。図１１に示した大きな繊維および導管要素は全て本発明の処理によって破砕されている。本発明の破砕方法には選別デバイス（以下に説明する）を設けることができるので、大きな（即ち１μｍを超える）粒子を自動的に再循環させて破砕を追加することができ、このプロセスを主にサブマイクロメートルである粒子を製造するように容易に「調整」することができる。
【００３４】
本発明者は、最適な燃焼方法を用いれば、この発明によって用意されたマイクロパウダーが、熱生成のための燃料油または天然ガスに取って代わる優れた産業燃料であることを思いがけず発見した。マイクロパウダーの燃焼は、主に、天然ガスまたは燃料油（これらはエアロゾル内で小さな液滴として燃焼する）のような気相酸化である。石炭も時としてローラー・ミルによって形成されたパウダーとして燃焼される。このような燃焼は、石炭の塊の燃焼と同様ではないが、ここに伴う小さな粒子（したがって大きな表面積）によって、この反応は、例えば酸素およびメタンなどのガス同士の酸化反応に近づき始める。同様に、マイクロパウダーの燃焼は、木の幹または木材片の燃焼と同様ではない。極めて小さな粒子のサイズによって、マイクロパウダーの燃焼はさらにガス同士の反応のようになる。
【００３５】
植物マイクロパウダー試料の試験的点火は、比較的低い点火温度と、連続的な燃焼を維持するパウダーの能力と、この結果生じる相当量のエネルギー放出とを示している。しかし、マイクロパウダー燃焼は、気相燃焼のように容易に維持されない。連続した絶え間のない燃料供給が決定的に重要である。この圧力を達成するために、マイクロパウダーの移動および可燃状態での浮遊には、混合および振動が必要である。圧力だけで一定の制御可能なマイクロパウダーのフローを維持することは困難な傾向にある。それどころか、材料が流れるようにいくらかの圧力をかけながら、バルク・マイクロパウダーをゆっくりと攪拌することが必要である。高速攪拌は、攪拌デバイスがバルクの全体的な流体化に寄与せずにマイクロパウダーをただ通り抜けていくことから、期待通りに働かない。マイクロパウダーが燃焼場所へ流れた後、空気圧を掛けて、マイクロパウダーを完全に拡散させることができる。マイクロパウダーが拡散点に近づくにつれて供給路全体が振動されて、最適な燃料供給および燃料拡散を保証する。振動を、デバイスと接触した不平衡回転軸によってもたらすことができる。圧電デバイス、「音声コイル」システム、および他の良く知られた変換器を使用して振動をもたらすこともできる。この振動周波数は有利に調節可能であり、最適な振動周波数は一般的に５０Ｈｚから５００Ｈｚの間である。
【００３６】
振動されたマイクロパウダーが「燃焼器」に到達した後は、マイクロパウダーは加圧空気の流れと混合され、これによって拡散される。このパウダー/空気の混合物は燃焼空間内に拡大し、そこでこれを火花、グロー・プラグ、加熱コイル、火炎、または類似の点火デバイスによって点火することができる。約５：１の適切な空気対燃料の割合を維持することが重要である。この値は、石炭、ガソリン、燃料油、または天然ガスに対する最適な割合と比較して小さい。例えば、ガソリンに対する最適な空気対燃料の割合は１５：１である。単位時間毎に生成される熱の総量は、単位時間毎に配達されるマイクロパウダーの重量を変化させることによって制御される。乾燥木材の燃焼の平均値は、約４３００ｋｃａｌ／ｋｇであることが知られている。したがって、マイクロパウダーの燃焼器が、５００００ｋｃａｌ／時などの知られている設定値で動作するように構成することは実に容易く、この場合毎分約２００ｇのマイクロパウダーが必要である。同様に、２００，０００ｋｃａｌ／ｈｒの燃焼器は毎分８００ｇのマイクロパウダーが必要である。木材片の燃焼とは異なって、マイクロパウダーの燃焼は本質的に完全燃焼である。これで生じる灰は極めて軽量であり、通常元のマイクロパウダーの体積の約５０％から７０％に相当する。灰の重量は、元のバイオマス源に依存して、元のマイクロパウダー重量の１％から１０％の間であり、木材は、バガセまたは類似のバイオマスと比較して一般的に小さな灰値しか有していない。
【００３７】
図１４は、マイクロパウダーを燃焼させるシステムの線図を示している。この線図では、マイクロパウダー用の貯蔵サイロ７０が燃焼器８４に極接近して位置付けられている。しかし、言うまでもなく、攪拌デバイス（例えば直線型スクリューまたは搬送器など）を含んだダクトを使用してマイクロパウダーをこれが流体であるかのように導くことによって、主貯蔵サイロを燃焼器から離すことができるようになる。この図では、振動源７４は空気圧力源７２と組み合わされて、マイクロパウダーを混合器８２内で流動化することができる。マイクロパウダーは燃焼器８４のアセンブリに進入し、そこで追加の加圧空気源がマイクロパウダーを浮遊させる。追加の空気源と振動によって誘発されるマイクロパウダーの流量とは、燃焼器内の最適な空気対燃料の混合を維持するように調節される。点火装置８０（例えばグロー・プラグまたは火花）が空気燃料混合物を点火し、これによって生じた点火の雲が、例えばボイラー７８の熱交換部分の中に導かれる。点火の雲は、従来式の燃料油燃焼器によって形成された火炎とよく似た強制火炎噴流である。これによって生じた灰は極度に細かく、軽量であり、石炭燃料動力システムの技術でよく知られた技術を使用して、ボイラーの熱交換器から出る排気流から回収される。石炭の灰とは異なって、マイクロパウダーの灰には有毒化合物や重金属が無い。マイクロパウダーの灰は、バイオマスがマイクロパウダーになった植物によって土壌から取り除かれた鉱物から成ることから、これを廃棄のために土壌に安全に戻すことができる。
【００３８】
したがって、以下の請求項を、上記に具体的に示し説明したもの、概念的に等価であるもの、明らかに置き換えることができるもの、さらに本発明の本質的な考えを本質的に組み込んだものを含むものとして理解されたい。当業者であれば、前述の好ましい実施形態に対する様々な応用形態および修正形態を、本発明の範囲から逸脱せずに構成できることを理解するであろう。ここに示した実施形態は、もっぱら例として述べたに過ぎず、本発明を限定するものとしてとらえるべきではない。したがって、言うまでもなく、ここに添付する請求項の範囲内で、本発明を本明細書で具体的に説明したもの以外の形で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】バイオマスをミリメートルサイズの粒子に微細化するための破砕機を示す図である。
【図２】上から見た回転ディスク・ミルの線図である。
【図３】図２の装置の側面線図である。
【図４】図２の装置の外部の側面図である。
【図５】ディスク・ミルの第２実施形態の上から見た線図である。
【図６】図５の実施形態の横から見た線図である。
【図７】図５の実施形態の、図６の線７〜７に沿った断面の線図である。
【図８】図５の実施形態で使用したディスクの、エッジの延在部分を示す線図である。
【図９】図８で示したディスクの断面図である。
【図１０】木材パルプの要素を示すための、広葉樹の木材パルプの走査型電子顕微鏡画像を示す図であり、マイクロメートルのバーは、画像の倍率が図１０Ａから図１０Ｄにかけて拡大していることを示している。
【図１１】爆破式破砕システムによって製造された、ケナフ（ハイビスカス・カナビナス）の製紙用パルプの走査型電子顕微鏡画像を示す図であり、マイクロメートルのバーは、画像の倍率が図１１Ａから図１１Ｄにかけて拡大していることを示している。
【図１２】本発明の方法によって製造された、針葉樹（カラマツ）の木材マイクロパウダーの走査型電子顕微鏡画像を示す図であり、マイクロメートルのバーは、画像の倍率が図１２Ａから図１２Ｄにかけて拡大していることを示している。
【図１３】本発明の方法によって製造された、ケナフ（ハイビスカス・カナビナス）の木材マイクロパウダーの走査型電子顕微鏡画像を示す図であり、マイクロメートルのバーは、画像の倍率が図１２Ａから図１２Ｄにかけて拡大していることを示している。
【図１４】マイクロパウダーに基づいた燃焼システムの線図である。
【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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【図１４】
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【国際調査報告】
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