(57)【要約】      （修正有）【課題】バイオマス原料（例えば、植物バイオマス、動物バイオマス、および自治体廃棄物バイオマス）を加工して、有用な生成物、例えば燃料、熱およびエネルギーを生成する方法の提供。【解決手段】１０Ｍｒａｄ〜１００Ｍｒａｄの放射線量を照射することによってリグノセルロース材料から形成されるバイオマス原料の難消化性を低下させる工程と、処理されたバイオマス原料を糖化して糖化バイオマス材料を生成する工程と、糖化バイオマス材料を無機固体と混合して混合物を得る工程と、１種以上の有機窒素化合物を添加してＮＯｘの排出を減少させる工程と、混合物を燃焼してエネルギーを生成する工程と、を包含する方法。【選択図】図１
2019058907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギーの生成法であって、
１０Ｍｒａｄ〜１００Ｍｒａｄの放射線量を照射することによってリグノセルロース材料から形成されるバイオマス原料の難消化性を低下させる工程と；
前記工程により処理されたバイオマス原料を糖化して糖化バイオマス材料を生成する工程と；
前記糖化バイオマス材料を無機固体と混合して混合物を得る工程と；
１種以上の有機窒素化合物を添加してＮＯｘの排出を減少させる工程と；および
前記混合物を燃焼してエネルギーを生成する工程と、
を包含する方法。
【請求項２】
前記糖化バイオマス材料が細胞を含有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記細胞が、酵母細胞、細菌細胞、真菌細胞およびこれらの細胞の混合物からなる群から選択される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記糖化バイオマス材料が、タンパク質材料を含有する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記タンパク質材料が、酵素材料または変性型酵素材料である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記バイオマス原料は、加速電子を照射して難消化性を低減させる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記電子が、約０．３ＭｅＶ〜約５ＭｅＶ、約０．５ＭｅＶ〜約３．５ＭｅＶ、または約０．８ＭｅＶ〜約２ＭｅＶの平均エネルギーを有する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記バイオマス原料は、約１５Ｍｒａｄ〜約５０Ｍｒａｄ、約２０Ｍｒａｄ〜約４５Ｍｒａｄ、または約２５Ｍｒａｄ〜約４０Ｍｒａｄの総線量を照射される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記無機固体は、珪藻土、珪藻土、セライト、シリカ、軽石、パーライト、アルミナ、ゼオライト、砂およびこれらのいずれかの混合物からなる群から選択する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記糖化バイオマス材料が、６０％未満の水分、５０％未満の水分、４５％未満の水分、４０％未満の水分、または３０％未満の水分を含有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記糖化バイオマス材料は燃焼後に５％未満の灰を含有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記糖化バイオマス材料が０．５％未満の硫黄を含有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
燃焼により、約３５００ＢＴＵ／ポンドを超える前記糖化バイオマス材料のエネルギーを生成する、または約４０００ＢＴＵ／ポンドを超える前記糖化バイオマス材料のエネルギーを生成する、または約４５００ＢＴＵ／ポンドを超える前記糖化バイオマス材料のエネルギーを生成する、または約５０００ＢＴＵ／ポンドを超える前記糖化バイオマス材料のエネルギーを生成する、または約６０００ＢＴＵ／ポンドを超える前記糖化バイオマス材料のエネルギーを生成する、または約７０００ＢＴＵ／ポンドを超える前記糖化バイオマス材料のエネルギーを生成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記糖化バイオマス材料は、乾燥ベースで３５重量％未満の炭化水素、乾燥ベースで３０重量％未満の炭化水素、乾燥ベースで２５重量％未満の炭化水素、乾燥ベースで２０重量％未満の炭化水素、または乾燥ベースで１０重量％未満の炭化水素を含有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記エネルギーは熱エネルギーまたは電気エネルギーの形態で存在する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
燃焼中はボイラを利用する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ボイラがストーカグレートボイラ、流動床ボイラおよび混焼ボイラからなる群から選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
燃焼中はガス化炉を利用する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ガス化炉は固定床ガス化炉または流動床ガス化炉である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
燃焼前にロータリードラムフィルターを利用して前記糖化バイオマス材料を回収する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
燃焼前に遠心分離機を利用して前記糖化バイオマス材料を回収する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記リグノセルロース材料を、木材、パーティクルボード、おがくず、農業廃棄物、下水汚物、サイレージ、牧草、籾殻、バガス、綿、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル、マニラ麻、麦わら、トウモロコシの穂軸、トウモロコシの葉茎、スイッチグラス、アルファルファ、干し草、ココナッツの毛、海藻、藻類、およびこれらの組み合わせからなる群から選択する、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、以下の仮特許出願の優先権を主張するものである：２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，６８４号；２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，７７３号；２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，７３１号；２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，７３５号；２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，７４０号；２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，７４４号；２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，７４６号；２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，７５０号；２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，７５２号；２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，７５４号；２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，７７５号；２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，７８０号；２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，７６１号；２０１３年３月８日出願の米国特許出願第６１／７７４，７２３号；および２０１３年３月１５日出願の米国特許出願第６１／７９３，３３６号。これらの仮特許出願それぞれの開示全体は、参照により本明細書に組み入れられる。
【背景技術】
【０００２】
背景
例を挙げると農業残渣、木質バイオマス、自治体廃棄物、油料種子粕類および海藻など、多くの潜在的リグノセルロース系原料が、今日は入手可能である。現在、これらの材料の多くは、十分に活用されておらず、例えば動物飼料、バイオコンポスト材料として用いられるか、コジェネレーション施設で焼却されるか、または埋め立てられることさえある。
【０００３】
リグノセルロース系バイオマスは、ヘミセルロースマトリックスに包埋され、リグニンに包囲された結晶セルロース原繊維を含む。これが、酵素、ならびに他の化学的、生化学的および／または生物学的工程による接近が困難な緻密なマトリックスを生成する。セルロース系バイオマス材料（例えば、リグニンが除去されたバイオマス材料）は、酵素および他の変換工程により利用し易いが、それでも天然由来のセルロース材料は多くの場合、加水分解酵素と接触させると、低い収率となる（理論収率と比較）。リグノセルロース系バイオマスは、酵素の攻撃に対してより難分解性である。さらにリグノセルロース系バイオマスの各タイプは、それぞれに特有のセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの組成を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
概要
バイオマス材料を低分子量の糖に変換することによりバイオマス材料、例えばセルロース系、リグノセルロース系および／またはデンプン系原料を糖化または液化するための、例えば酵素、１種以上のセルラーゼおよび／またはアミラーゼを用いて該原料を糖化するための多くの工程が、本明細書に開示される。本発明は、例えば発酵などのバイオプロセシングにより、原料を製品に変換することにも関する。該工程は、エネルギー発生工程の１つ以上の段階から生じる残渣を活用することを含む。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様において、本発明は、糖化されたバイオマス材料を燃焼してエネルギーを生成することをはじめとする、エネルギー生成方法に関する。場合によりエネルギーは、電気エネルギー、熱エネルギー、またはこれらの組み合わせの形態であってもよい。糖化される材料としては、酵母細胞、細菌細胞、真菌細胞およびこれらの細胞の混合物からなる群から選択される細胞などを含むことができる。細胞は、全細胞（例えば、生存細胞、休眠細胞および／または死亡細胞）または細胞の一部（例えば、溶解ならびに／またはその他の方法で死亡および破壊された細胞）を含むことができる。追加または代わりとして、糖化される材料は、タンパク質材料（例えば、酵素材料、変性酵素材料、ペプチドおよび／またはアミノ酸）を含むことができる。追加または代わりとして、糖化される材料は、珪藻土、セライト、シリカ、軽石、パーライト、アルミナ、ゼオライト、砂およびこれらのいずれかの混合物からなる群から選択される無機材料などの無機固体を含むことができる。
【０００６】
幾つかの実施形態において、糖化バイオマス材料は、糖化の前に難分解性を低下させるために、例えば電子加速器からの加速された電子を用いて、処理されたリグノセルロース材料からのリグノセルロース残渣を含む。例えば、電子で処理された場合、電子は約０．３ＭｅＶ〜約５ＭｅＶ、例えば約０．５ＭｅＶ〜約３．５ＭｅＶ、または約０．８ＭｅＶ〜約２ＭｅＶの平均エネルギーを有することができる。リグノセルロース系バイオマスは、約１０Ｍｒａｄ〜約１００Ｍｒａｄ、例えば約１５Ｍｒａｄ〜約５０Ｍｒａｄ、約２０Ｍｒａｄ〜約４５Ｍｒａｄ、または約２５Ｍｒａｄ〜約４０Ｍｒａｄの総線量で処理することができる。場合により糖化バイオマスは、燃焼の前に、ロータリードラムフィルターおよび／またはデカンタ型遠心分離機などの遠心分離機を利用して回収される。
【０００７】
幾つかの例において、糖化バイオマス材料は、燃焼される前に、６０％未満の水分、例えば、約５５％未満、５０％、４５％、４０％、３５％、３０％、２５％、２０％、１５％または５％未満の水分を含む。例えばバイオマスは、燃焼前に約６０％未満の水分を有するように乾燥させることができる（例えば、５５％未満、５０％、４５％、３５％、３０％、２５％、２０％、１５％、または５％未満の水分を有するように乾燥）。場合により糖化バイオマスは、乾量基準で３５重量％未満の炭水化物、例えば３３％未満、３０％、２５％、２０％、１８％、１６％、１４％、１２％、１０％または８％未満の炭水化物を含む。糖化材料は、燃焼され、その燃焼により約３５００ＢＴＵ／ポンドを超えて、例えば約４０００を超えて、４５００ＢＴＵ／ポンド、５０００ＢＴＵ／ポンド、６０００ＢＴＵ／ポンドを超えて、または約７０００ＢＴＵ／ポンドを超えて生成することができる。場合により糖化バイオマス材料は、５０％未満、例えば４５％未満または４０％の水分を有し、燃焼により約４０００ＢＴＵ／ポンド材料を超えて生成する。糖化バイオマス材料は、燃焼後に５％未満、例えば４％未満、３％、２．５％、２．０％または１．５％未満の灰を含むことができる。追加または代わりとして、糖化バイオマス材料は、０．５％未満の硫黄、例えば０．４％未満、０．３％、０．２％、０．１％または０．０７５％未満または０．０５％未満の硫黄を含む。
【０００８】
幾つかの他の例において、ボイラ、例えばストーカグレートボイラ、流動床ボイラおよび混焼ボイラからなる群から選択されるボイラが、燃焼の間に用いられる。例えば天然ガスまたは石炭を混焼するのに用いられる混焼ボイラを、バイオマスと共に使用することができる。あるいは燃焼の間に、ガス化炉、例えば固定床または流動床ガス化炉が用いられる。
【０００９】
別の態様において、本発明は、バイオマス材料を加工する方法に関する。該方法は、リグノセルロース材料の第一の部分を製品および固体残渣に加工すること、ならびに固体残渣をボイラで燃焼して蒸気を生成すること、を含む。該方法は、蒸気をタービンに取り込ませて、電気を生成することを含むことができる。生成されたエネルギー（例えば、蒸気からの熱および／または蒸気タービンからの電気）を利用して、リグノセルロース材料の第二の部分を製品に加工することができる。バイオマスの加工は、バイオマスを照射すること（例えば電子ビームで）および場合により照射されたバイオマスを、例えば酵素により糖化すること、を含むことができる。糖化は、糖、例えばグルコースおよび／またはキシロースを生成することができる。場合によりリグノセルロース材料の加工は、発酵を含むことができる。
【００１０】
幾つかの例において、固体残渣は、燃焼される前に、水分量が約２５重量％水量未満、例えば約２０重量％未満、１５重量％未満、約１０重量％未満、約５重量％未満、約１重量％未満、または約０．０１重量％未満に減少するように乾燥される。約５重量％水量未満の乾燥形態の場合、残渣は、少なくとも４０００ＢＴＵ／ポンド残渣のエネルギー量を有することができる。場合により固体残渣は、スクリュー式乾燥機（例えば、加熱されたフライト、シャフトおよび／またはトラフを有するスクリューコンベヤ）を用いて乾燥される。場合により残渣は、乾燥剤、例えば微細なバイオマス材料と混和される。例えば乾燥バイオマスは、固体残渣と共に混合することができ、その混合物中の乾燥バイオマス量は、少なくとも１重量％、少なくとも２重量％、少なくとも３重量％、少なくとも４重量％、少なくとも５重量％、少なくとも６重量％、少なくとも７重量％、少なくとも８重量％、少なくとも９重量％、少なくとも１０重量％、少なくとも１５重量％、少なくとも２０重量％、または約２０重量％〜約３０重量％である。例えば乾燥バイオマスは、約２５％未満、２０％、１５％、１０％、５％または約１％未満の水分を有することができる。例えば微細なバイオマス材料は、約１ｍｍ未満、約５００μｍ未満、または約１００μｍ未満の中間粒径を有することができる。残渣を乾燥バイオマス（例えば、微細なバイオマス材料）と共に混和して、該材料を乾燥させる、またはさらに乾燥させることができる。乾燥させて乾燥材料を提供することの追加または代わりとして、水分量が約２５重量％水量、例えば約２０重量％未満、１５重量％未満、約１０重量％未満、約５重量％未満、約１重量％未満、または約０．０１重量％未満に減少するように、容量を付加することができる。残渣は、燃焼される前に、ケーク、ペレット、高密度化形状、粉末またはこれらの組み合わせに成形することができる（例えば、場合により圧力下で、そして／または乾燥させながら）。残渣は、少なくとも０．１％（例えば、少なくとも０．２％、少なくとも０．５％、または少なくとも１％）の窒素を窒素（ＩＩＩ）化合物の形態で含むことができ、例えば該窒素化合物は、タンパク質、変性タンパク質、タンパク質残渣、アミノ酸、アミノ酸残渣、尿素、アンモニアおよびこれらの組み合わせからなる群のものであること、またはそれから誘導することができる。
【００１１】
用いられるバイオマス材料は、例えば木材、パーティクルボード、おがくず、農業廃棄物、下水汚物、サイレージ、牧草、籾殻、バガス、綿、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル、マニラ麻、麦わら、トウモロコシの穂軸、トウモロコシの葉茎、スイッチグラス、アルファルファ、干し草、ココナッツの毛、海藻、藻類、およびこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。
【００１２】
本明細書に開示された工程の多くから得られた残渣を活用して、エネルギーを提供することにより（例えば、コジェネレーションのため）、エネルギーコストが減少すること、および廃棄物処分の必要性が最小限になることから、原料変換工程のコストを有意に減少させることができる。加えて、残渣からバイオマスが得られるため、全体的工程の正味の炭素排出がゼロに近づく。結果として、原料変換工程の経済的な実行可能性および収益性が、著しく向上する可能性がある。加えて、該工程の残渣には、多量のリグニン、例えばリグノセルロース材料などの原料よりも多量のリグニンが存在し得るため、該残渣は、高い熱量を有する。本明細書に記載された方法の幾つかの別の利点は、残渣がバイオマスの加工の際に生成される微粉などの乾燥バイオマスと混和され得るため、残渣をほとんどまたは全く乾燥する必要がないことである。燃焼するためにより乾燥した材料を提供することに加え、乾燥された材料は運搬が容易になり得る。最後に該方法は、場合により残渣が有機窒素（ＩＩＩ）化合物を含むことができ、それが燃焼の際に反応してＮＯｘの排出を減少させるために、有利になり得る。
【００１３】
本発明の実行は、場合により以下に要約された特色の１つ以上を含むことができる。幾つかの実行において、選択された特色は、いずれの順序で適用または活用することができ、他の実行においては、特別な選択された順番が適用または活用される。個々の特色を、いずれかの順番で連続的に１回を超えて適用または活用することができる。加えて、適用または活用される特色の全体的な順番、または順番の一部を、一回、繰り返し、または連続していずれかの順序で適用または活用することができる。幾つかの選択的実行において、特色は、当業者に決定される、異なる、または適宜同一の、設定された、または変動する、定量的または定性的パラメータを提供または利用することができる。例えばサイズ、個々の寸法（例えば、長さ、幅、高さ）、使用場所、使用の程度（例えば、難分解性などの程度）、使用期間、使用頻度、密度、濃度、強度および速度は、適宜、当業者に決定される通り、変動しても、または設定されていてもよい。
【００１４】
例えば特色は、エネルギー発生の方法；熱エネルギーを発生する方法；電気エネルギーを発生する方法；糖化材料を燃焼してエネルギーを生成する方法；細胞を含む糖化材料を燃焼する方法；酵母細胞を含む糖化材料を燃焼する方法；真菌細胞を含む糖化材料を燃焼する方法；タンパク質材料を含む糖化バイオマスを燃焼する方法；酵素材料を含む糖化バイオマスを燃焼する方法；変性酵素材料を含む糖化バイオマスを燃焼する方法；糖化の前に難分解性を低下させるために処理されたリグノセルロース材料から得られた糖化リグノセルロース残渣を燃焼する方法；糖化の前に難分解性を低下させるために加速電子で処理されたリグノセルロース材料から得られた糖化リグノセルロース残渣を燃焼する方法；糖化の前に約０．３ＭｅＶ〜約５ＭｅＶの平均エネルギーを有する加速電子で処理されたリグノセルロース材料から得られた糖化リグノセルロース残渣を燃焼する方法；糖化の前に約０．５ＭｅＶ〜約３．５ＭｅＶの平均エネルギーを有する加速電子で処理されたリグノセルロース材料から得られた糖化リグノセルロース残渣を燃焼する方法；糖化の前に約０．８ＭｅＶ〜約２ＭｅＶの平均エネルギーを有する加速電子で処理されたリグノセルロース材料から得られた糖化リグノセルロース残渣を燃焼する方法；糖化の前に約１０Ｍｒａｄ〜約１００Ｍｒａｄの総線量までの加速電子で処理されたリグノセルロース材料から得られた糖化リグノセルロース残渣を燃焼する方法；糖化の前に約１５Ｍｒａｄ〜約５０Ｍｒａｄの総線量までの加速電子で処理されたリグノセルロース材料から得られた糖化リグノセルロース残渣を燃焼する方法；糖化の前に約２０Ｍｒａｄ〜約４５Ｍｒａｄの総線量までの加速電子で処理されたリグノセルロース材料から得られた糖化リグノセルロース残渣を燃焼する方法；糖化の前に約２５Ｍｒａｄ〜約４０Ｍｒａｄの総線量までの加速電子で処理されたリグノセルロース材料から得られた糖化リグノセルロース残渣を燃焼する方法；無機固体を含む糖化材料を燃焼する方法；珪藻土を含む糖化材料を燃焼する方法；シリカを含む糖化材料を燃焼する方法；軽石を含む糖化材料を燃焼する方法；パーライトを含む糖化材料を燃焼する方法；アルミナを含む糖化材料を燃焼する方法；ゼオライトを含む糖化材料を燃焼する方法；砂を含む糖化材料を燃焼する方法；６０％未満の水分を含む糖化材料を燃焼する方法；５０％未満の水分を含む糖化材料を燃焼する方法；４５％未満の水分を含む糖化材料を燃焼する方法；４０％未満の水分を含む糖化材料を燃焼する方法；３０％未満の水分を含む糖化材料を燃焼する方法；２０％未満の水分を含む糖化材料を燃焼する方法；１０％未満の水分を含む糖化材料を燃焼する方法；５％未満の水分を含む糖化材料を燃焼する方法；０．５％未満の硫黄を含む糖化材料を燃焼する方法；糖化バイオマス材料の燃焼により約３５００ＢＴＵ／ポンドを超えるエネルギーを生成する方法；糖化バイオマス材料の燃焼により約４０００ＢＴＵ／ポンドを超えるエネルギーを生成する方法；糖化バイオマス材料の燃焼により約４５００ＢＴＵ／ポンドを超えるエネルギーを生成する方法；糖化バイオマス材料の燃焼により約５０００ＢＴＵ／ポンドを超えるエネルギーを生成する方法；糖化バイオマス材料の燃焼により約６０００ＢＴＵ／ポンドを超えるエネルギーを生成する方法；糖化バイオマス材料の燃焼により約７０００ＢＴＵ／ポンドを超えるエネルギーを生成する方法；乾量基準で３５重量％未満の炭水化物を含む糖化材料を燃焼する方法；乾量基準で３０重量％未満の炭水化物を含む糖化材料を燃焼する方法；乾量基準で２５重量％未満の炭水化物を含む糖化材料を燃焼する方法；乾量基準で２０重量％未満の炭水化物を含む糖化材料を燃焼する方法；乾量基準で１０重量％未満の炭水化物を含む糖化材料を燃焼する方法；ボイラを用いて糖化バイオマス材料を燃焼する方法；ストーカグレートボイラを用いて糖化バイオマス材料を燃焼する方法；流動床ボイラを用いて糖化バイオマス材料を燃焼する方法；混焼ボイラを用いて糖化バイオマス材料を燃焼する方法；糖化バイオマス材料を燃焼しながらガス化炉を使用する方法；ロータリードラムフィルターを用いて糖化バイオマス材料から固体を回収し、回収された材料を燃焼すること；遠心分離機を用いて糖化バイオマス材料の固体を回収し、回収された材料を燃焼すること、を含む。
【００１５】
例えば特色は、バイオマス材料を加工すること；リグノセルロース材料の一部を製品および固体残渣に加工すること；固体残渣をボイラで燃焼して蒸気を生成すること；蒸気をタービンに取り込ませて電気を生成すること；蒸気および電気を利用してリグノセルロース材料の一部を製品に加工すること；蒸気を利用してリグノセルロース材料の一部を製品に加工すること；電気を利用してリグノセルロース材料の一部を製品に加工すること；リグノセルロース材料を照射すること；リグノセルロース材料を糖化すること；リグノセルロース材料を糖化することによりグルコースを生成すること；リグノセルロース材料を糖化することによりキシロースを生成すること；リグノセルロース材料を発酵すること；固体残渣を燃焼する前に固体残渣を乾燥させること；固体を燃焼する前に固体残渣の水分量を約２５重量％未満の水量に減少させること；固体を燃焼する前に固体残渣の水分量を約２０重量％未満の水量に減少させること；固体を燃焼する前に固体残渣の水分量を約１５重量％未満の水量に減少させること；固体を燃焼する前にスクリュー式乾燥機を用いて残渣を乾燥させること；固体残渣を燃焼する前に固体残渣を乾燥剤と混和すること；混合物中の乾燥バイオマス量が少なくとも１重量％になるように固体残渣を乾燥バイオマスと混和すること；混合物中の乾燥バイオマス量が少なくとも２重量％になるように固体残渣を乾燥バイオマスと混和すること；混合物中の乾燥バイオマス量が少なくとも３重量％になるように固体残渣を乾燥バイオマスと混和すること；混合物中の乾燥バイオマス量が少なくとも４重量％になるように固体残渣を乾燥バイオマスと混和すること；混合物中の乾燥バイオマス量が少なくとも５重量％になるように固体残渣を乾燥バイオマスと混和すること；混合物中の乾燥バイオマス量が少なくとも６重量％になるように固体残渣を乾燥バイオマスと混和すること；混合物中の乾燥バイオマス量が少なくとも７重量％になるように固体残渣を乾燥バイオマスと混和すること；混合物中の乾燥バイオマス量が少なくとも８重量％になるように固体残渣を乾燥バイオマスと混和すること；混合物中の乾燥バイオマス量が少なくとも９重量％になるように固体残渣を乾燥バイオマスと混和すること；混合物中の乾燥バイオマス量が少なくとも１０重量％になるように固体残渣を乾燥バイオマスと混和すること；混合物中の乾燥バイオマス量が少なくとも１５重量％になるように固体残渣を乾燥バイオマスと混和すること；混合物中の乾燥バイオマス量が少なくとも２０重量％になるように固体残渣を乾燥バイオマスと混和すること；混合物中の乾燥バイオマス量が約２０重量％〜約３０重量％になるように固体残渣を乾燥バイオマスと混和すること；固体残渣を約２５％未満の水分量を有する乾燥バイオマスと混和すること；固体残渣を約２０％未満の水分量を有する乾燥バイオマスと混和すること；固体残渣を約１５％未満の水分量を有する乾燥バイオマスと混和すること；固体残渣を約１０％未満の水分量を有する乾燥バイオマスと混和すること；固体残渣を約５％未満の水分量を有する乾燥バイオマスと混和すること；固体残渣を約１％未満の水分量を有する乾燥バイオマスと混和すること；固体残渣を燃焼する前に、固体残渣を微細なバイオマス材料と混和すること；乾燥バイオマスは、微細なバイオマス材料を含み得る；固体残渣を燃焼する前に、固体残渣を約１ｍｍ未満の中間粒径を有するバイオマスと混和すること；固体残渣を燃焼する前に、固体残渣を約５００μｍ未満の中間粒径を有するバイオマスと混和すること；残渣を燃焼する前に残渣をケークに成形すること；残渣を燃焼する前に残渣をペレットに成形すること；残渣を燃焼する前に残渣を高密度化形状に成形すること；残渣を燃焼する前に残渣を粉末に成形すること；水分が５重量％未満の乾燥形態である場合に少なくとも４０００ＢＴＵ／ポンドのエネルギー量を有する残渣を燃焼すること；０．１％の窒素を窒素（ＩＩＩ）化合物の形態で含む残渣を燃焼すること；タンパク質から提供された０．１％の窒素を含む残渣を燃焼すること；タンパク質残渣から提供された０．１％の窒素を含む残渣を燃焼すること；アミノ酸から提供された０．１％の窒素を含む残渣を燃焼すること；アミノ酸残渣から提供された０．１％の窒素を含む残渣を燃焼すること；尿素から提供された０．１％の窒素を含む残渣を燃焼すること；アンモニアから提供された０．１％の窒素を含む残渣を燃焼すること；木材を含むリグノセルロース材料を加工すること；パーティクルボードを含むリグノセルロース材料を加工すること；おがくずを含むリグノセルロース材料を加工すること；農業廃棄物を含むリグノセルロース材料を加工すること；下水汚物を含むリグノセルロース材料を加工すること；サイレージを含むリグノセルロース材料を加工すること；牧草を含むリグノセルロース材料を加工すること；籾殻を含むリグノセルロース材料を加工すること；バガスを含むリグノセルロース材料を加工すること；綿を含むリグノセルロース材料を加工すること；ジュートを含むリグノセルロース材料を加工すること；麻を含むリグノセルロース材料を加工すること；亜麻を含むリグノセルロース材料を加工すること；竹を含むリグノセルロース材料を加工すること；サイザルを含むリグノセルロース材料を加工すること；マニラ麻を含むリグノセルロース材料を加工すること；麦わらを含むリグノセルロース材料を加工すること；トウモロコシの穂軸を含むリグノセルロース材料を加工すること；トウモロコシの葉茎を含むリグノセルロース材料を加工すること；スイッチグラスを含むリグノセルロース材料を加工すること；アルファルファを含むリグノセルロース材料を加工すること；干し草を含むリグノセルロース材料を加工すること；ココナッツの毛を含むリグノセルロース材料を加工すること；海藻を含むリグノセルロース材料を加工すること；藻類を含むリグノセルロース材料を加工すること、を含むこともできる。
【００１６】
本明細書に挙げられた、または添付された全ての発行物、特許出願、特許、および他の参考資料は、それらに含まれる全てに関してその全体が参照により本明細書に組み入れられる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】コジェネレーション工程の例を示す流れ図である。
【図２】原料変換工程におけるコジェネレーション施設への燃料の流れおよび様々なステップに戻されたエネルギーの流れを示す図式である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
詳細な説明
本明細書に記載されたシステム、設備および方法を利用して、バイオマス（例えば、植物バイオマス、動物バイオマス、紙、および自治体廃棄物バイオマス）を加工し、例えばコジェネレーションにより、有用な中間体、生成物およびエネルギーを生成することができる。
【００１９】
熱電併給システム（ＣＨＰ）としても公知であるコジェネレーションは、１つの燃料供給源から、または混焼の場合には複数の燃料供給源から電気および熱を同時に生成することである。幾つかのバイオマス加工法およびシステムが、ＭｃＨａｌｅ  ａｎｄ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，  Ｉｎｃ．によるＢｉｏｍａｓｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｒｅｖｉｅｗ，  Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２１，  ２０１０，  ｐａｇｅｓ  １  ｔｏ  ５２、およびｗｗｗ．ｅｐａ．ｇｏｖのｐ３０〜６１の、２０１３年２月２７日にインターネットによりアクセスされたＥＰＡ  Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｈｅａｔ  ａｎｄ  Ｐｏｗｅｒ  ＰａｒｔｎｅｒｓｈｉｐによるＢｉｏｍａｓｓ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓに記載されており、それらの開示全体は、付録に添付されることにより本明細書に組み入れられる。付録に添付されている、この文書に記載された任意の工程、設備またはシステムは、本明細書の任意の箇所に記載された任意の工程、設備またはシステム内で／任意の工程、設備またはシステムと共に用いることができる。例えばストーカボイラの下で燃焼されるストーカグレートは、糖化バイオマスを燃焼するのに用いることができる。
【００２０】
図１に、コジェネレーション工程の例を示す。最初、ボイラ供給水１０および燃料供給源２０が、１つ以上のボイラ３０に供給される。燃料供給源は、本明細書で議論された固体残渣を含み、場合により他の燃料、例えば天然ガス、原料変換工程により発生されたは廃ガス、および／または原料変換工程で用いられた原料の一部を含んでいてもよい。蒸気が、ボイラから発生され、蒸気を例えば５００ｐｓｉｇおよび６５０°Ｆに過熱する１つ以上の過熱蒸気発生装置４０に投入される。この蒸気は、その後、１つ以上のタービン５０に注入され、そこで円盤状または他のタービン要素を回し、その一方でシャフトを回転させて、機械的エネルギーを発生させる。この機械的エネルギーは、その後、発電機に投入され、そこで電気７０に変換される。その間、タービンから排出されて冷却された蒸気は、まだ高温および高圧（例えば、８０ｐｓｉｇおよび３１０°Ｆ）であり、加熱または他の目的６０で原料変換プラントで利用することができる。発電機からの電気エネルギー（例えば、４１６０ボルトでの）は、トランスフォーマ、例えば２つのトランスフォーマに通され、そこでプラント８０での使用が可能なように電圧を下げられ（例えば、４８０ボルトへ）、そして／または送電網９０への送出用に電圧を上げられる（例えば、１１３，０００ボルトへ）。
【００２１】
１つの実行によるコジェネレーション工程のこれらおよび他のステップの詳細を、ここに記載する。
【００２２】
幾つかの実施形態において、用いられる材料は、乾燥される。原料変換工程の様々な段階から生じる固体残渣は、場合により、約１０％〜５０％またはそれを超える水分量を有していてもよい。この比較的高い水分量が、ボイラの運転に影響を及ぼす可能性があり、ボイラ内のエネルギーの一部は水分の蒸発において消費され、こうしてボイラの温度および効率を低減する。このため幾つかの実行において、固体残渣は、燃焼される前に、例えば約６０重量％未満（例えば、約５５重量％未満、約５０重量％未満、約４５重量％未満、約４０重量％未満、約３５重量％未満、約３０重量％未満、約２５重量％未満、約２０重量％未満、約１５重量％未満、約１０重量％未満、または約５重量％未満の水分量に乾燥される。
【００２３】
幾つかの実行において、コジェネレーションシステムは、湿性残渣を加熱乾燥するのに用いられるスクリュー式乾燥機を備えている。例えば間接的熱交換器を用いて、嵩高のバイオマス固体、フィルターケーク、ペーストおよび／またはスラッジを加熱してもよい。
【００２４】
乾燥機は、例えばＨｏｌｌｏｗ  Ｆｌｉｔｅスクリュー式乾燥機であってもよい。このタイプの乾燥機において、個々の粒子は、熱伝達材料、例えばサーマルオイルを含む中空のフライト、シャフトおよびトラフの外表面に接触するため、加熱される。乾燥されている材料は、熱伝達材料と接触しないため、汚染されない。スクリューフライトをジャケット付トラフに沿って回転させることにより、生成物が連続して軸方向に運搬される。乾燥機は、間接的熱交換を利用し、優れた生成物温度制御を提供する。熱伝達材料も再循環されることで、熱の損失を最小限に抑え、効率を上昇させる。熱伝達性流体を加熱するのに用いられる熱エネルギーは、好ましくはコジェネレーション工程により生成される電力により提供される。
【００２５】
他の実行において、湿性残渣は、ボイラおよび加熱塔をはじめとする任意の場所からの熱を活用することにより、乾燥することができる。例えばボイラからの高温ガスまたは煙突からの熱を用いることができる（例えば、熱交換器を使用する）。
【００２６】
先に記載された残渣の乾燥の追加または代わりとして、残渣を、乾燥バイオマスなどの乾燥剤と混和することができる。例えば乾燥バイオマスは、総平均水分量を調整するために、残渣よりも少ない水分量を有することができる。例えば乾燥バイオマスは、約２５％未満、２０％、１５％、１０％、５％または約１％未満の水分を有することができる。乾燥バイオマスは、例えば未加工のバイオマスおよび本明細書に記載された方法により加工された任意のバイオマス（例えば、破砕ステップから得られた微粉）を導入することから、供給することができる。例えば乾燥バイオマスは、本明細書に記載された加工から得られた湿性残渣と共に混合することができ、混合物中の乾燥バイオマスの量は、少なくとも１重量％、少なくとも２重量％、少なくとも３重量％、少なくとも４重量％、少なくとも５重量％、少なくとも６重量％、少なくとも７重量％、少なくとも８重量％、少なくとも９重量％、少なくとも１０重量％、少なくとも１５重量％、少なくとも２０重量％、または約２０重量％〜約３０重量％である。例えば糖化バイオマスから得られた残渣を、非糖化バイオマスと混和することができる。微細なバイオマス材料は、約１ｍｍ未満（例えば、５００μｍまたは１００μｍ）の中間粒径を有することができる。好ましくは乾燥剤は、湿性残渣よりも低い水分量を有する。
【００２７】
場合により乾燥された材料は、ボイラの運転に運搬される。幾つかの実行において、固体残渣は、コンベヤを介してボイラに送達されるが、最初、残渣をボイラ室付近の貯蔵エリアに送達する。貯蔵エリアにおいて、バイオマスは、場合により他の未使用の生バイオマスとブレンドされ、その後、貯蔵ビンに負荷される。貯蔵ビンは、固体燃料をトラフチェーンコンベヤ（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｃｈａｉｎ  ｃｏｎｖｅｙｏｒ）に一定して輸送する水圧方式で駆動するプッシャープレートに嵌合されており、燃料をボイラの送込み区分に供給する。水圧式で駆動される送込みコンベヤは、燃料を調量「ダンプビン」に押出すプッシャープレートにも嵌合されている。調量ビンは、燃料をボイラ内の燃焼チャンバーに放出する。これらのダンプビンは、凝集性および低い流動性の可能性によりホッパーまたは他の典型的な供給技術を用いた供給が困難となり得る湿性残渣を送達する際に、有益である。
【００２８】
燃料が燃焼チャンバーに入ると、バイオマスは酸素欠乏条件下で熱化学式燃焼工程に供され、高温（＞１８００°Ｆ）ガスの生成およびバイオマス分解に誘導される。バイオマス（例えば、糖化バイオマス）は、３５００ＢＴＵ／ポンドを超えて、例えば４０００ＢＴＵ／ポンド、４５００ＢＴＵ／ポンド、５０００ＢＴＵ／ポンド、６０００ＢＴＵ／ポンドを超えて、または７０００ＢＴＵ／ポンドを超えて製造することができる。バイオマスは、灰に変換される。バイオマスの灰量は、５重量％未満（例えば、約４重量％未満、約３重量％未満、約２．５重量％未満、約２．０重量％未満、約１．５重量％未満）であってもよい。糖化バイオマスの硫黄量は、約０．５％未満（例えば、約０．４％未満、０．３％、０．２％、０．１％、０．０７５％または約０．０５％未満）であってもよい。得られた高温ガスは、ボイラ内の上部のドラムに移行し、そこで水が蒸気に蒸発される。蒸気はその後、過熱蒸気発生装置に通され、そこで高温の煙道ガスによりさらに加熱される。両方のボイラから得られた蒸気消費率は、５００ｐｓｉｇおよび６５０°Ｆで１０３，０００ＰＰＨ（ポンド／時間）になり得る。
【００２９】
ボイラの適切な運転を維持するために、幾つかの実行において、各ボイラは、煙道ガスからの廃熱を全て捕捉するために、エコノマイザおよびレキュペレータに嵌合されている。エコノマイザは、ボイラ供給水を加熱した後、その水が上部ドラムに入り、そこで蒸気を連続供給するように水位が常に維持され；レキュペレータは、新鮮な空気を加熱し、その空気が押込送風機により供給されて、ボイラ内で燃焼を維持する。
【００３０】
ボイラの供給水は、ボイラのペリメータの周辺の内部管を通り、上部ドラムと下部ドラムの間をさらに加熱されながら循環する。
【００３１】
場合により、ボイラのブローダウンが実施されてもよく、その間に下部ドラムからの水が放出されて、新鮮なボイラ供給水と交換される。この操作が、手動または自動で実施されてもよく、その操作を利用して、補給水を通してボイラに入る、溶解された固体および粒子を除去する。
【００３２】
溶解された固体が除去されなければ、それらは堆積され、最終的に濃度が、ボイラ運転を不可能にするレベルに達する。加えて、固体がボイラから浄化されなければ、固体がスケール形成、持ち越し汚染、腐食、および／または脆化を招く可能性がある。
【００３３】
幾つかの実施形態において、煙道ガスは、誘引通風により、過熱蒸気発生装置、エコノマイザ、およびレキュペレータから電気集塵装置に送られる。以下に議論される電気集塵装置は、煙道ガスから粒子材料を除去し、場合によりバグハウスよりも効果的になり得る。
【００３４】
電気集塵装置は、６つの主な構成部分：放電極、回収電極、ラッパー、ホッパー、外殻、および電気系統を含む。
【００３５】
放電極は、電荷、通常は負電荷をガス流れの汚染物質粒子に放出する。回収電極は、例えば管またはプレートであってもよく、電荷を帯びた粒子を回収し、放電極の電荷と反対の電荷を有し、粒子を放電極に向かって移動させる。
【００３６】
粒子は、回収電極および放電極の両方に振動または衝撃をもたらすラッパーにより電極から除去され、ラッパーは粒子をホッパーに投入して、そこで一時的に貯蔵する。
【００３７】
外殻は、電極を封入しており、集塵装置の構成部分を支持している。外殻は、絶縁体で覆われていて、熱を保持し腐食を予防する。外殻は、スチールで作製されている。
【００３８】
電気系統は、トランスフォーマレクチファイアとも呼ばれ、放電極と回収電極の間の電場強度を制御する。電気系統は、標準電流４８０ボルトを使用し、それを７０，０００ボルトもの高電圧に上昇させる。電気系統のレクチファイア部分は、電流を交流電流から直流電流に変換する。
【００３９】
電気集塵機を出た煙道ガスは、粒子を含まない、または実質的に含まないが、ＮＯｘ化合物を含む可能性はある。ＮＯｘは、窒素酸化物（例えば、ＮＯおよびＮＯ２）の総称である。これらの酸化物は、燃焼、特に高温での燃焼の間に生成される。ＮＯｘの除去技術は、例外なく選択触媒還元（ＳＣＲ）技術により利用される。ＮＯｘ還元工程は、触媒の存在下で煙道ガス流れにアンモニア（ＮＨ３）を注入し、そこでＮＯｘがＮＨ３と選択的に反応して、窒素（Ｎ２）および水（Ｈ２Ｏ）に変換されることを含む。主な反応は、以下の通り表される：
４ＮＯ  ＋  ４ＮＨ２    ＋    Ｏ２  →４Ｎ２    ＋    ６Ｈ２Ｏ
【００４０】
煙道ガスは、その後、連続監視装置（ＣＥＭ）を通過した後、大気に放出される。ＣＥＭは、燃焼または工業的工程から生じた排ガスに入って大気に放出される汚染物質の連続測定技術である。ＥＰＡは、酸性雨プログラムの下で規制された施設のために、ＳＯ２、流量、ＮＯｘ、希釈ガス、および濁度の連続モニタリングに関する要件を確定した。加えてＣＥＭは、指定されたＳＯ２およびＮＯｘ還元の手順に確実に従う上での手段になる。ＣＥＭによりモニタリングされた後、排ガスはその後、３００°Ｆ〜４００°Ｆ範囲内の温度の排出塔を通って大気に出ることができる。
【００４１】
５００ｐｓｉｇおよび６５０°Ｆの高圧蒸気は、１００，０００ＰＰＨの速度で抽気復水蒸気タービンに供給される。高圧蒸気が、タービンディスクまたはブレードを通過すると、蒸気はその後、原料変換プラントでの使用のために、８０ｐｓｉｇ飽和蒸気で抽気される。復水サイクルにおいて、蒸気はタービンを離れて、復水器に向かって流れ、そこで水に再変換されて、ホットウェルに、そしてその後、供給水としてボイラに向かう。
【００４２】
その間、蒸気のエネルギーが、タービンのシャフトを回転させて、発電機を駆動する。発生する潜在的電力は、例えば約４〜７メガワットになり得る。
【００４３】
発電機は、電磁誘導の原理で作動し、２つの電線または電気伝導体の間の電位差を生成し、その一方で電荷を流し、こうして電流を発生させる。
【００４４】
電流は、無停電電源により支援される発電所開閉装置に供給され、電流のおよそ４０００ボルトは、原料変換プラントでの使用のためにトランスフォーマを通して４８０ボルトに降下される。４０００ボルトでの過剰な電流は、送電網への送出のためにトランスフォーマを介して１１３，０００Ｖに増加される。
【００４５】
コジェネレーション施設２００への燃料（例えば、様々な工程からの残渣、共生成物、不純物）の流れおよびこれらの燃料から発生したエネルギーから原料変換工程への流れの例を、図２に示す。図には、様々な工程を包囲するコジェネレーションプラント２００（例えば、より大きなバイオプロセシングプランの一部）が示されている。両方向の矢印は、コジェネレーションプラントから様々な工程へのエネルギーの移動、および工程からコジェネレーションプラントまでの材料の移動を示す。片側方向の矢印は、バイオマス加工プラントでの工程に可能な流れを示す。
【００４６】
バイオマスの加工において、破砕ステップが、有利になる場合があり、バイオマス変換プラントでの最初のステップになり得る。例えば本明細書で議論された機械的処理の１つ以上での、バイオマスの破砕２１０は、微粒子を生じて続く加工ステップにおける工程を困難にする可能性がある。これらの微粉を廃棄するのではなく、むしろこれらを例えば乾燥剤として、コジェネレーション工程に投入することができる。破砕は、かなりのエネルギー投入も必要となり、その一部または全てが、コジェネレーション工程から得ることができる。
【００４７】
他の前加工ステップ、例えばバイオマス材料の難分解性を低下させるのに用いられるステップ２２０は、一次工程（例えば、工程１、２３０または工程２、２４０）に使用できないがコジェネレーション工程に投入することができる残渣も生成し得る。例えば前加工は、リグニン、前加工により悪影響（例えば、分解、毒物生成、汚染）を受けた原料、および／または微粉（例えば、空気式／振動式運搬の間に生成され、バグハウスまたは他のふるい分けにより回収される）を生成する可能性がある。前加工は、エネルギー、例えば蒸気熱および／または電気（例えば、照射設備および運搬設備などの様々な電源）も必要となる。
【００４８】
一次工程１、２３０（例えば、糖化）は、例えばリグニン、無機質、タンパク質、脂肪、酵素、変性酵素、および他の成分を含む、固体残渣がかなりの量生成する。これらの残渣、またはこれらの残渣の部分集合もしくは一部は、例えば動物、植物または有機体のための飼料または栄養素として用いられることに加えて、コジェネレーション工程に投入することができる。コジェネレーション工程から生じたエネルギーは、糖化工程で用いることができる。例えば抵抗過熱から発生した蒸気または熱を用いて、糖化の際の糖化混合物の所望の温度を維持することができる。そのエネルギーを、例えばジェットミキサーおよび／または本明細書に記載された他のミキサーを用いた、機械的混合に用いることもできる。
【００４９】
一次工程２、２４０（例えば、発酵）により、例えば糖化残渣中に見出される材料に加えて、酵母細胞、細菌細胞、真菌細胞またはこれらの細胞の混合物を含む固体残渣が発生する。例えば動物および有機体のための栄養素としての使用に加えて、残渣をコジェネレーション工程に投入し、エネルギーを所望の発酵温度の維持に用いることができる。
【００５０】
先に記載された通り糖化され、場合により発酵されたバイオマス材料は、乾量基準で３５重量％未満、例えば３３重量％未満、３０、２５、２０、１８、１６、１４、１２、１０または８重量％未満の炭水化物を含むことができる。炭水化物を含まないバイオマスは、高い熱量を有する可能性がある。例えば以下に記載される通り、乾性リグニンは、ホロセルロースの７，０００、８，０００ＢＴＵ／ポンドに比較して、約１１，０００〜１２，５００ＢＴＵ／ポンドのエネルギー量を有することができる。
【００５１】
生成物および／または中間体の単離／濃縮および／または精製２５０をはじめとする更なる工程は、コジェネレーションプラント用の燃料として使用され得る副産物（例えば、廃棄物）を発生することもできる。例えば蒸留、濾過および遠心分離（例えば、デカンタ型遠心分離、連続遠心分離）などのステップは全て、高エネルギー量を有する固体を発生する可能性がある。これらの工程は、コジェネレーションプラントから取り出され得るエネルギー、例えば蒸留のための加熱および遠心分離のための電気も必要とする。
【００５２】
後加工２６０（例えば、包装、流通および／または貯蔵）は、様々な工程でエネルギーを必要とする。例えば電気は、包装設備、運搬機器（例えば、流通用）、および気候制御（例えば、貯蔵用）に必要となる場合がある。これらの工程は、コジェネレーションプラントに燃料供給するための寄与物質（ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）として用いられ得る一部の廃棄物、例えば有効期限切れ製品、包装廃棄物を発生する場合もある。
【００５３】
単離された固体／残渣は、例えばセライトなどの珪藻土、シリカガラス、火山性の非晶質ガラス、パーライトなどのガラス、セルロースもしくはリグノセルロース材料、シリカ、アルミナ、ゼオライト、砂、またはこれらの濾過助剤のいずれかの混合物をはじめとする無機材料を含むことができる。例えば糖化、発酵および／または蒸留の後の固体残渣を除去するためにロータリー真空ドラム式濾過（ＲＶＤＦ）の間に用いられる濾過助剤。
【００５４】
例えば既に先に議論された実施形態、または他の実施形態により、用いられ得る原料を処理するための工程の幾つかの更なる詳細および反復を、以下の開示に記載する。特に本明細書に議論された残渣は、例えば以下の区分に記載される原料処理ステップおよび加工ステップの結果として、発生させることができる。
【００５５】
原料を処理するシステム
先に議論された方法が用いられ得る（例えば、コジェネレーションの原料が製造され得る、そして／またはコジェネレーションにより生成されたエネルギーが用いられ得る）原料を砂糖および他の製品に変換する工程は、例えばこの処理の前および／または後にサイズを減少させるために、原料を場合により物理的に前処理すること、難分解性を低下させるために原料を場合により処理すること（例えば、照射による）、および原料を糖化して糖溶液を形成すること、を含むことができる。糖化は、以下に詳細に議論される通り、液体媒体、例えば水の中の原料の分散体を酵素と混合することにより実施することができる。糖化の間または糖化の後、混合物（糖化が配送途中で部分的または完全に実施される場合）また溶液を、例えばパイプライン、鉄道車両、トラックまたはバージにより、製造プラントに運搬することができる。プラントでは、溶液をバイオプロセシング、例えば発酵することができ、所望の生成物または中間体を生成し、その後、例えば蒸留によりさらに加工することができる。個々の加工ステップ、用いられた材料、ならびに形成され得る製品および中間体の例を、以下に詳細に記載する。
【００５６】
照射処理
原料は、照射により処理されて、難分解性を低下させるように構造を改良することができる。そのような処理は、例えば原料の平均分子量を低下させ、原料の結晶構造を変化させ、そして／または原料の表面積および／もしくは多孔性を増加させることができる。照射は、例えば電子ビーム、イオンビーム、１００ｎｍ〜２８０ｎｍの紫外（ＵＶ）線、γ線またはＸ線照射であってもよい。照射処理および処理用システムは、米国特許第８，１４２，６２０号および米国特許出願第１２／４１７，７３１号で議論されており、それらの開示全体は、参照により本明細書に組み入れられる。
【００５７】
照射の各形態は、照射エネルギーにより決定される特定の相互作用を介してバイオマスをイオン化する。重荷電粒子は、主にクーロン散乱を介して物体をイオン化し、さらにこれらの相互作用が、物体をさらにイオン化し得るエネルギー電子を生成する。α粒子は、ヘリウム原子の核と同一であり、様々な放射性核種、例えばビスマス、ポロニウム、アスタチン、ラドン、フランシウム、ラジウム、複数のアクチニド系列、例えばアクチニウム、トリウム、ウラン、ネプツニウム、キュリウム、カリホルニウム、アメリシウム、およびプルトニウムの同位体のα崩壊により生じる。電子は、電子の速度変化により生じたクローン散乱および制動放射を介して相互作用する。
【００５８】
粒子が用いられる場合、それらは、中性（非電荷）、正電荷または負電荷であってもよい。電荷を帯びている場合、荷電粒子は、単一の正もしくは負電荷、または多重電荷、例えば１、２、３、もしくは４つ以上の電荷を帯びることができる。炭水化物含有材料の分子構造を変化させるために分子鎖切断が望ましい場合には、酸性であることを一部の理由として、正の電荷を帯びた粒子が望ましい場合がある。粒子が用いられる場合、粒子は、静止電子の質量、またはそれを超える、例えば静止電子の質量の５００、１０００、１５００、または２０００倍またはそれを超える質量を有することができる。例えば該粒子は、約１原子単位〜約１５０原子単位、例えば約１原子単位〜約５０原子単位、または約１原子単位〜約２５原子単位、例えば１、２、３、４、５、１０、１２、または１５原子単位の質量を有することができる。
【００５９】
γ線は、試料中の様々な材料への顕著な浸透深さという利点を有する。
【００６０】
照射が電磁放射線で実施される実施形態において、電磁放射線は、例えば１０２ｅＶを超える、例えば１０３ｅｖを超える、１０４、１０５、１０６、または１０７ｅＶを超える光子あたりのエネルギー（電子ボルトで）を有することができる。幾つかの実施形態において、電磁放射線は、１０４〜１０７、例えば１０５〜１０６ｅＶの光子あたりのエネルギーを有することができる。電磁放射線は、例えば１０１６Ｈｚを超える、１０１７Ｈｚを超える、１０１８Ｈｚ、１０１９Ｈｚ、１０２０Ｈｚ、または１０２１Ｈｚを超える周波数を有することができる。幾つかの実施形態において、電磁放射線は、１０１８〜１０２２Ｈｚ、例えば１０１９〜１０２１Ｈｚの周波数を有する。
【００６１】
電子衝撃は、１０ＭｅＶ未満、例えば７ＭｅＶ未満、５ＭｅＶ未満、または２ＭｅＶ未満、例えば約０．５〜１．５ＭｅＶ、約０．８〜１．８ＭｅＶ、または約０．７〜１ＭｅＶの公称エネルギーを有する電子ビームデバイスを用いて実施されてもよい。幾つかの実行において、公称エネルギーは、約５００〜８００ｋｅＶである。
【００６２】
電子ビームは、比較的高い総ビーム出力（全ての加速ヘッドのビーム出力を合せたもの、または複数の加速器が用いられる場合には、全ての加速器および全てのヘッドのビーム出力を合せたもの）、例えば少なくとも２５ｋＷ、例えば少なくとも３０、４０、５０、６０、６５、７０、８０、１００、１２５、または１５０ｋＷを有していてもよい。幾つかの例において、該出力は、５００ｋＷ、７５０ｋＷ、または１０００ｋＷ以上にも上る。幾つかの例において、電子ビームは、１２００ｋＷ以上、例えば１４００、１６００、１８００、または３０００ｋＷのビーム出力を有する。
【００６３】
この高い総ビーム出力は、通常、複数の加速ヘッドを用いることにより実現される。例えば電子ビームデバイスは、２、４、またはそれを超える加速ヘッドを含んでいてもよい。それぞれが比較的低いビーム出力を有するヘッドを複数使用することで、材料の過剰な温度上昇が予防され、それにより材料の燃焼が予防され、材料の層の厚さを通る線量の均一性も上昇する。
【００６４】
バイオマス材料のベッドが比較的均一な厚さを有することが、一般には好ましい。幾つかの実施形態において、厚さは、約１インチ未満（例えば、約０．７５インチ未満、約０．５インチ未満、約０．２５インチ未満、約０．１インチ未満、約０．１〜１インチ、０．２約〜０．３インチ）である。
【００６５】
可能な限り急速に材料を処理することが、望ましい。一般には、処理が０．２５Ｍｒａｄ／秒を超える線量率、例えば約０．５、０．７５、１、１．５、２、５、７、１０、１２、１５、または約２０Ｍｒａｄ／秒を超える、例えば約０．２５〜２Ｍｒａｄ／秒の線量率で実施されることが好ましい。より高い線量率により、目的の（所望の）線量を得るためのより高い処理能力が可能になる。より高い線量率は、一般に、材料の熱分解を回避するためにより高いライン速度を必要とする。１つの実行において、加速器は、３ＭｅＶ、５０ｍＡビーム電流に設定され、ライン速度は、約２０ｍｍの試料厚さ（例えば、嵩密度０．５ｇ／ｃｍ３の破砕されたトウモロコシの穂軸材料）の場合２４フィート／分である。
【００６６】
幾つかの実施形態において、電子衝撃は、材料が少なくとも０．１Ｍｒａｄ、０．２５Ｍｒａｄ、１Ｍｒａｄ、５Ｍｒａｄ、例えば少なくとも１０、２０、３０または少なくとも４０Ｍｒａｄの総線量を受けるまでに、実施される。幾つかの実施形態において、処理は、材料が約１０Ｍｒａｄ〜約５０Ｍｒａｄ、例えば約２０Ｍｒａｄ〜約４０Ｍｒａｄ、または約２５Ｍｒａｄ〜約３０Ｍｒａｄの線量を受けるまでに実施される。幾つかの実行において、２５〜３５Ｍｒａｄの総線量が好ましく、それが理想的には数回のパスであてられ、例えば５Ｍｒａｄ／パスで、各パスが約１秒であてられる。冷却スクリューコンベヤおよび／または冷却された振動コンベヤを利用することにより、冷却の方法、システムおよび設備を、照射前、照射間、照射後および照射と照射の間に利用することができる。
【００６７】
先に議論された複数のヘッドを用いることにより、材料を複数のパスで、例えば１０〜２０Ｍｒａｄ／パス、例えば１２〜１８Ｍｒａｄ／パスを、数秒間冷却することで間を開けて２パス、または７〜１２Ｍｒａｄ／パス、例えば５〜２０Ｍｒａｄ／パス、１０〜４０Ｍｒａｄ／パス、９〜１１Ｍｒａｄ／パスで３パス処理することができる。本明細書に議論された通り、１回の高線量よりもむしろ複数回の比較的低い線量で材料を処理することで、材料の過熱を防ぐ傾向があり、材料の厚さを通る線量均一性が上昇する。幾つかの実行において、材料は、各パスの間または後に撹拌されるか、さもなければ混合され、その後、次のパスの前に再度、均一層に平滑化されることで、処理の均一性が高まる。
【００６８】
幾つかの実施形態において、電子は、例えば光速の７５％よりも大きな速度、例えば光速の８５、９０、９５、または９９％を超える速度で加速される。
【００６９】
幾つかの実施形態において、本明細書に記載された任意の加工は、例えば熱および／または減圧を利用して、得られた乾燥を維持した、または乾燥されたリグノセルロース材料で行われる。例えば幾つかの実施形態において、セルロース材料および／またはリグノセルロース材料は、２５℃および５０％の相対湿度で測定して約２５重量％未満（例えば、約２０重量％未満、約１５重量％未満、約１４重量％未満、約１３重量％未満、約１２重量％未満、約１０重量％未満、約９重量％未満、約８重量％未満、約７重量％未満、約６重量％未満、約５重量％未満、約４重量％未満、約３重量％未満、約２重量％未満、約１重量％未満、または約０．５重量％未満）の保留水を有する。
【００７０】
幾つかの実施形態において、２つ以上のイオン源、例えば２つ以上の電子源を用いることができる。例えば試料は、任意の順序で電子ビームで、続いてγ線および約１００ｎｍ〜約２８０ｎｍの波長を有するＵＶ光で処理することができる。幾つかの実施形態において、試料は、３つの電離放射線源、例えば電子ビーム、γ線、およびエネルギー性の紫外光で処理される。バイオマスは、処理ゾーンを通って運搬され、そのゾーンで電子衝撃され得る。
【００７１】
処理を繰り返して、バイオマスの難分解性をより徹底して低下させることおよび／またはバイオマスをさらに改良することが、有利となり得る。特に工程のパラメータを、材料の難分解性に応じて、最初の（例えば、２番目、３番目、４番目またはそれより後の）パスの後に調整することができる。幾つかの実施形態において、バイオマスが先に記載された様々な工程を通して複数回運搬される循環システムを含むコンベヤを、用いることができる。幾つかの他の実施形態において、多重処理デバイス（例えば、電子ビーム発生機）を用いて、バイオマスを複数回（例えば２、３、４回またはそれを超える回数）処理する。さらに別の実施形態において、１つの電子ビーム発生機が、バイオマスの処理に用いられ得る多重ビーム（例えば、２、３、４またはそれを超えるビーム）の供給源であってもよい。
【００７２】
分子／超分子構造を変化させること、および／または炭水化物含有バイオマスの難分解性を低下させることにおける有効性は、用いられる電子エネルギーおよびあてられる線量に依存するが、暴露時間は、出力および線量に依存する。幾つかの実施形態において、線量率および総線量は、バイオマス材料を破壊しない（例えば、焦がさないまたは燃やさない）ように調整される。例えば炭水化物は、例えば単量体の糖として、バイオマスから無傷で放出され得るように、加工の際に損傷させてはならない。
【００７３】
幾つかの実施形態において、処理（任意の電子源または電子源の組み合わせでの）は、材料が少なくとも約０．０５Ｍｒａｄ、例えば少なくとも約０．１、０．２５、０．５、０．７５、１．０、２．５、５．０、７．５、１０．０、１５、２０、２５、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１２５、１５０、１７５または２００Ｍｒａｄの線量を受けるまで実施される。幾つかの実施形態において、処理は、材料が０．１〜１００Ｍｒａｄ、１〜２００、５〜２００、１０〜２００、５〜１５０、５０〜１５０Ｍｒａｄ、５〜１００、５〜５０、５〜４０、１０〜５０、１０〜７５、１５〜５０、２０〜３５Ｍｒａｄの線量を受けるまで実施される。
【００７４】
幾つかの実施形態において、比較的低い線量の放射線が、例えばセルロースまたはリグノセルロース材料の分子量を増加させるために、用いられる（本明細書に記載された任意の放射線源または線源の組み合わせによる）。例えば、少なくとも約０．０５Ｍｒａｄ、例えば少なくとも約０．１Ｍｒａｄまたは少なくとも約０．２５、０．５、０．７５、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０または少なくとも約５．０Ｍｒａｄの線量。幾つかの実施形態において、照射は、材料が０．１Ｍｒａｄ〜２．０Ｍｒａｄ、例えば０．５ｒａｄ〜４．０Ｍｒａｄまたは１．０Ｍｒａｄ〜３．０Ｍｒａｄの線量受けるまで、実施される。
【００７５】
材料への放射線の所望の透過度を実現するために、複数の方向から同時に、または連続して照射されることも望ましくなり得る。例えば木材などの材料の密度および水分量、ならびに用いられる放射線源のタイプ（例えば、γ線または電子ビーム）に応じて、材料への放射線の最大透過は、わずか約０．７５インチであってもよい。そのような場合、最初に一方の側から材料を照射し、その後材料を回して他の側から照射することにより、より厚い区分（最大１．５インチ）を照射することができる。複数の方向からの照射は、γ線よりも急速に照射するが大きな浸透深さに達しない電子ビーム線では、特に有用となり得る。
【００７６】
放射線不透過性材料
本発明は、放射線不透過性材料を用いて構築される保管庫および／または燃料庫内で材料を加工することを含むことができる（例えば、加工ステップの幾つかのため）。幾つかの実行において、放射線不透過性材料は、多くの材料を透過し得る高エネルギーのＸ線の成分を遮蔽し得るように選択される。放射線遮蔽格納庫を設計する際の１つの重要な因子は、用いられる材料の減衰長であり、それは特定の材料、材料のブレンド、または層構造に必要となる厚さを決定する。減衰長は、放射線を入射放射線のおよそ１／ｅ（ｅ＝オイラー数）倍に減少させる透過距離である。事実上全ての材料が放射線不透過であるが、十分に厚ければ、高いＺ値（原子数）を有する元素の高組成率（例えば、密度）を含む材料は、より短い放射線減衰長を有し、つまりそのような材料がより薄く用いられれば、より軽い遮蔽が提供され得る。放射線遮蔽において用いられる高Ｚ値の材料の例が、タンタルおよび鉛である。放射線遮蔽における別の重要なパラメータが、半量距離であり、それは、γ線強度を５０％低下させる特定材料の厚さである。０．１ＭｅＶのエネルギーのＸ線照射の例として、半量厚さはコンクリートでは約１５．１ｍｍであり、鉛では約２．７ｍｍであるが、１ＭｅＶのＸ線エネルギーでは、コンクリートの半量厚さは、約４４．４５ｍｍであり、鉛では約７．９ｍｍである。放射線不透過性材料は、別の側に通過する放射線を減少させ得る限りは、厚い材料または薄い材料であってもよい。つまり、特定の格納庫が、例えば軽量にするため、またはサイズの制約のため、薄い壁厚を有することが望ましい場合、半量長さが格納庫の所望の壁厚以下になるように、選択された材料が、十分なＺ値および／または減衰長を有さなければならない。
【００７７】
幾つかの例において、放射線不透過性材料は、良好な遮蔽を提供するために、例えばより高Ｚ値の材料の層を有する層状材料、および他の特性（例えば、構造完全性、衝突抵抗性など）を提供するためにより低Ｚ値の材料の層を有する層状材料であってもよい。幾つかの例において、層材料は、高い原子番号の元素から連続的に低い原子番号の元素に続く勾配を作る積層体を含む、「原子番号の傾斜のある」積層体であってもよい。幾つかの例において、放射線不透過性材料は、インターロックしたブロックであってもよく、例えば鉛および／またはコンクリートのブロックは、ＮＥＬＣＯ  Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ（マサチューセッツ州バーリントン所在）により供給することができ、再構成可能な保管庫を用いることができる。
【００７８】
放射線不透過性材料は、入射放射線に比較して、少なくとも約１０％（例えば、少なくとも約２０％、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９６％、少なくとも約９７％、少なくとも約９８％、少なくとも約９９％、少なくとも約９９．９％、少なくとも約９９．９９％、少なくとも約９９．９９９％）の材料で形成された構造（例えば、壁、ドア、天井、格納庫、これらの連続またはこれらの組み合わせ）を通過する放射線を減少させることができる。それゆえ放射線不透過性材料で作製された格納庫は、同じ量の設備／システム／構成部分の暴露を減少させることができる。放射線不透過性材料としては、ステンレス鋼、原子番号が約２５の金属（例えば、鉛、鉄）、コンクリート、泥土、砂およびそれらの組合せを挙げることができる。放射線不透過性材料は、少なくとも約１ｍｍ（例えば、５ｍｍ、１０ｍｍ、５ｃｍ、１０ｃｍ、１００ｃｍ、１ｍ、１０ｍ）の入射放射線の方向にバリアを含むことができる。
【００７９】
放射線源
放射線のタイプが、用いられる放射線源の種類に加え、放射線デバイスおよび関連の設備を決定する。例えば材料を放射線で処理するための、本明細書に記載された方法、システムおよび設備は、本明細書に記載された線源に加え、任意の他の有用な線源を用いることができる。
【００８０】
γ線源としては、コバルト、カルシウム、テクネチウム、クロム、ガリウム、インジウム、ヨウ素、鉄、クリプトン、サマリウム、セレン、ナトリウム、タリウム、およびキセノンの同位体などの放射線核種が挙げられる。
【００８１】
Ｘ線源としては、タングステンまたはモリブデンまたは合金などの金属ターゲットを有する得電子ビーム衝突、Ｌｙｃｅａｎから営利目的で製造されるものなどのコンパクトな光源が挙げられる。
【００８２】
α粒子は、ヘリウム原子の核と同一であり、様々な放射性核種、例えばビスマス、ポロニウム、アスタチン、ラドン、フランシウム、ラジウム、複数のアクチニド系列、例えばアクチニウム、トリウム、ウラン、ネプツニウム、クリウム、カリホルニウム、アメリシウム、およびプルトニウムなどのα崩壊により生成される。
【００８３】
紫外線の供給源としては、ジューテリウムまたはカドミウムランプが挙げられる。
【００８４】
赤外線の供給源としては、サファイア、亜鉛、またはセレン化物の窓を含むセラミックランプが挙げられる。
【００８５】
マイクロ波の供給源としては、クリストロン、Ｓｌｅｖｉｎ型ＲＦ源、または水素、酸素、もしくは窒素ガスを用いた原子ビーム供給源が挙げられる。
【００８６】
粒子（例えば、電子またはイオン）を加速するのに用いられる加速器は、ＤＣ（例えば、静電式ＤＣ（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ＤＣ）または電気力学的ＤＣ（ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃ  ＤＣ））、ＲＦリニア、磁気誘導リニアまたは連続波であってもよい。例えば、フィールドイオン化源、静電気イオン分離器、フィールドイオン化発生装置、熱電子放出源、マイクロ波放電式イオン源、再循環または静電加速器、電気力学的直線型加速器、ファンデグラフ加速器、コッククロフトワトソン加速器（例えば、ＰＥＬＬＥＴＲＯＮ（登録商標）加速器）、ＬＩＮＡＣＳ、Ｄｙｎａｍｉｔｒｏｎｓ（例えば、  ＰＥＬＬＥＴＲＯＮ（登録商標）加速器）、（例えば、ＤＹＮＡＭＩＴＲＯＮ（登録商標）加速器）、サイクロトロン、シンクロトロン、ベータトロン、変圧器型加速器、マイクロトロン、プラズマ発生装置、カスケード加速器および折り返しタンデム型加速器をはじめとする様々な照射デバイスを、本明細書に開示された方法で用いることができる。例えばサイクロトロン型加速器は、ＲＨＯＤＯＴＲＯＮ（商標）システムなど、ベルギーのＩＢＡから入手でき、ＤＣ型加速器は、ＤＹＮＡＭＩＴＲＯＮ（登録商標）など、ＲＤＩ、現在のＩＢＡ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌから入手できる。他の適切な可塑性システムとしては、例えば日本の日新ハイボルテージから入手できる絶縁鉄心変圧器（ＩＣＴ）型システム；Ｌ３−ＰＳＤ（ＵＳＡ）、Ｌｉｎａｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（フランス）、Ｍｅｖｅｘ（カナダ）および三菱重工業（日本）から入手できるＳ−バンドＬＩＮＡＣ；Ｉｏｔｒｏｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ（カナダ）から入手できるＬ−バンドＬＩＮＡＣ；ならびにＢｕｄｋｅｒ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ（ロシア）から入手できるＩＬＵ型加速器が挙げられる。イオンおよびイオン加速器は、Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｏｒｙ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｋｅｎｎｅｔｈ  Ｓ．  Ｋｒａｎｅ，  Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，  Ｉｎｃ．  （１９８８）、Ｋｒｓｔｏ  Ｐｒｅｌｅｃ，  ＦＩＺＩＫＡ  Ｂ  ６  （１９９７）  ４，  １７７−２０６、Ｃｈｕ，  Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｔ．，  “Ｏｖｅｒｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔ−Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｔｈｅｒａｐｙ”，  Ｃｏｌｕｍｂｕｓ−Ｏｈｉｏ，  ＩＣＲＵ−ＩＡＥＡ  Ｍｅｅｔｉｎｇ，  １８−２０  Ｍａｒｃｈ  ２００６、Ｉｗａｔａ，  Ｙ．  ｅｔ  ａｌ．，  “Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ−Ｐｈａｓｅ−Ｆｏｃｕｓｅｄ  ＩＨ−ＤＴＬ  ｆｗｏｒ  Ｈｅａｖｙ−Ｉｏｎ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ”，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＥＰＡＣ  ２００６，  Ｅｄｉｎｂｕｒｇｈ，  Ｓｃｏｔｌａｎｄ、およびＬｅｉｔｎｅｒ，  Ｃ．Ｍ．  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｓｔａｔｕｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ＥＣＲ  Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｖｅｎｕｓ”，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＥＰＡＣ  ２０００，  Ｖｉｅｎｎａ，  Ａｕｓｔｒｉａに議論されている。幾つかの粒子加速器およびその使用は、例えばＭｅｄｏｆｆへの米国特許第７，９３１，７８４号に開示されており、その開示全てが、参照により本明細書に組み入れられる。
【００８７】
電子は、β崩壊を受ける放射性核種、例えばヨウ素、セリウム、テクネチウムおよびイリジウムにより生成されてもよい。あるいは電子銃を、熱イオン放出を介して電子源として用い、加速電位を通して加速することができる。電子銃は電子を発生し、その電子をその後、大きな電位（例えば、約５０００００ボルトを超える、約１００００００ボルトを超える、約２００００００ボルトを超える、約５００００００ボルトを超える、約６００００００ボルトを超える、約７００００００ボルトを超える、約８００００００ボルトを超える、約９００００００ボルトを超える、または約１０００００００ボルトを超える）を通して加速し、その後、Ｘ−Ｙ平面内で磁気的に走査し、そこで最初、電子をＺ方向に加速管の下へ加速し、窓箔を通して抽出する。電子ビームを走査することは、操作ビームを通して運搬される材料、例えばバイオマスを照射する際に、照射表面を増加させるのに有用である。電子ビームを走査することは、熱負荷も窓上で均一に分布させ、電子ビームによる部分的加熱により窓箔の破裂の低減を支援する。窓箔の破裂は、その後必要となる電子銃を修復および再始動するためのかなりの中断時間の原因となる。
【００８８】
フィールドイオン化源、静電気イオン分離器、フィールドイオン化発生装置、熱電子放出源、マイクロ波放電式イオン源、再循環または静電加速器、力学的直線型加速器、ファンデグラフ加速器および折り返しタンデム型加速器をはじめとする様々な他の照射デバイスを、本明細書に開示された方法で用いてもよい。そのようなデバイスは、例えばＭｅｄｏｆｆの米国特許第７，９３１，７８４号に開示されており、その開示全てが、参照により本明細書に組み入れられる。
【００８９】
電子ビームを、放射線源として用いることができる。電子ビームは、高線量率（例えば、１、５、または１０Ｍｒａｄ／秒）、高処理能力、少ない閉じ込め、および少ない封じ込め設備の利点を有する。電子ビームは、高い電気効率（例えば、８０％）も有することができ、他の放射線方法に比較して低いエネルギー使用が可能で、言い換えれば用いられる少量のエネルギーに対応して低い運転コストおよび低い温室ガス放出に変えることができる。電子ビームは、例えば静電発電機、カスケードジェネレータ、トランスジェネレータ、走査システムを有する低エネルギー加速器、リニアカソードを有する低エネルギー加速器、リニア型加速器、およびパルス加速器により発生させることができる。
【００９０】
電子は、例えば分子鎖切断機構により、炭水化物含有材料の分子構造に変化を起こす際により効率的になり得る。加えて、０．５〜１０ＭｅＶのエネルギーを有する電子は、本明細書に記載されたバイオマス材料などの低密度材料、例えば嵩密度０．５ｇ／ｃｍ３未満および深さ０．３〜１０ｃｍを有する材料を透過することができる。電離放射源としての電子は、例えば材料の比較的薄い、例えば約０．５インチ未満、例えば約０．４インチ未満、０．３インチ、０．２５インチ、または約０．１インチ未満の堆積、層またはベッドの場合に有用となり得る。幾つかの実施形態において、電子ビームの各電子のエネルギーは、約０．３ＭｅＶ〜約２．０ＭｅＶ（１００万電子ボルト）、例えば約０．５ＭｅＶ〜約１．５ＭｅＶ、または約０．７ＭｅＶ〜約１．２５ＭｅＶである。材料を照射する方法は、２０１１年１０月１８日出願の米国特許出願公開第２０１２／０１００５７７  Ａ１号に開示されており、その開示全体が、参照により本明細書に組み入れられる。
【００９１】
電子ビーム照射デバイスは、商業的に入手してもよく、または構築されてもよい。例えばインダクター、キャパシター、ケーシング、電源、ケーブル、配線、電圧制御システム、電流制御要素、絶縁材料、マイクコントローラー、および冷却設備などの要素または構成部分を購入して、デバイスに組み立てることができる。場合により市販のデバイスを、改良および／または適合させてもよい。例えばデバイスおよび構成部分は、Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  （Ｌｏｕｖａｉｎ−ｌａ−Ｎｅｕｖｅ、ベルギー所在）、Ｗａｓｉｋ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ  Ｉｎｃ．  （マサチューセッツ州ドレーカット）、ＮＨＶコーポレーション（日本）、ｔｈｅ  Ｔｉｔａｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（カリフォルニア州サンディエゴ所在）、Ｖｉｖｉｒａｄ  Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｒｐ（マサチューセッツ州ビレリカ所在）、および／またはＢｕｄｋｅｒ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ（ロシア）をはじめとする本明細書に記載された市販の供給業者のいずれかから購入することができる。典型的な電子エネルギーは、０．５ＭｅＶ、１ＭｅＶ、２ＭｅＶ、４．５ＭｅＶ、７．５ＭｅＶ、または１０ＭｅＶであってもよい。典型的な電子ビーム照射デバイスの電力は、１ｋＷ、５ｋＷ、１０ｋＷ、２０ｋＷ、５０ｋＷ、６０ｋＷ、７０ｋＷ、８０ｋＷ、９０ｋＷ、１００ｋＷ、１２５ｋＷ、１５０ｋＷ、１７５ｋＷ、２００ｋＷ、２５０ｋＷ、３００ｋＷ、３５０ｋＷ、４００ｋＷ、４５０ｋＷ、５００ｋＷ、６００ｋＷ、７００ｋＷ、８００ｋＷ、９００ｋＷまたは１０００ｋＷであってもよい。用いられ得る加速器としては、ＮＨＶ照射装置の中エネルギーシリーズＥＰＳ−５００（例えば、５００ｋＶ加速電圧および６５、１００または１５０ｍＡビーム電流）、ＥＰＳ−８００（例えば、８００ｋＶ加速電圧および６５または１００ｍＡビーム電流）、またはＥＰＳ−１０００（例えば、１０００ｋＶ加速電圧および６５または１００ｍＡビーム電流）が挙げられる。同じくＮＨＶの高エネルギーシリーズの加速器、例えばＥＰＳ−１５００（例えば、１５００ｋＶ加速電圧および６５ｍＡビーム電流）、ＥＰＳ−２０００（例えば、２０００ｋＶ加速電圧および５０ｍＡビーム電流）、ＥＰＳ−３０００（例えば、３０００ｋＶ加速電圧および５０ｍＡビーム電流）およびＥＰＳ−５０００（例えば、５０００ｋＶ加速電圧および３０ｍＡビーム電流）を用いることができる。
【００９２】
電子ビーム照射デバイスの電力仕様を考慮する上でのトレードオフとしては、運転コスト、資本コスト、減価償却、およびデバイスの設置面積が挙げられる。電子ビーム照射の暴露線量レベルを考慮する上でのトレードオフは、エネルギーコスト、ならびに環境、安全、および健康（ＥＳＨ）の問題であろう。典型的には発生機は、特にこの工程で発生されるＸ線からの生成では、例えば鉛またはコンクリートの、保管庫に収容されている。電子エネルギーを考慮する上でのトレードオフとしては、エネルギーコストを包含する。
【００９３】
電子ビーム照射デバイスは、固定ビームまたは走査ビームのいずれかを生成することができる。走査ビームは、大きな固定ビーム幅を効果的に交換するため、長い走査・掃引および高い走査速度が有利となり得る。さらに０．５ｍ、１ｍ、２ｍまたはそれを超える、入手可能な掃引幅が、利用可能である。走査ビームは、より大きな走査幅であること、ならびに部分的加熱および窓が不能になる可能性が低いことから、本明細書に記載されたほとんどの実施形態において好ましい。
【００９４】
電子銃  −  窓
電子加速器の抽出システムは、２つの窓箔を含むことができる。２つの窓箔抽出システムの冷却ガスは、パージガスまたは混合物、例えば空気、または純粋な気体であってもよい。一実施形態において、ガスは、窒素、アルゴン、ヘリウムおよび／または二酸化炭素などの不活性ガスである。電子ビームへのエネルギー損失が最小限に抑えられることから、液体よりもむしろ気体を用いることが好ましい。窓上または窓の間の空間に衝突する前にラインで予備混合または混合されたパージガスの混合物を用いることもできる。例えば熱交換システム（例えば、冷凍装置）を使用すること、および／または凝縮ガス（例えば、液体窒素、液体ヘリウム）からのボイルオフを使用することにより、冷却ガスを冷却することができる。窓箔は、２０１３年１０月１０日出願のＰＣＴ／ＵＳ２０１３／６４３３２号に記載されており、それらの開示全体が、参照により本明細書に組み入れられる。
【００９５】
放射線処理の間の加熱および処理能力
電子ビームからの電子が非弾性衝突のものと相互作用する場合、複数の工程が、バイオマス中で起こる可能性がある。例えば材料のイオン化、材料中のポリマーの分子鎖切断、材料中のポリマーの架橋、材料の酸化、Ｘ線（ブレムスシュトラールンク）の発生および分子の振動励起（例えば、光子発生）。特定の機構に束縛されるものではないが、難分解性の低下は、これらの非弾性衝突効果の幾つか、例えばイオン化、ポリマーの分子鎖切断、酸化および光子発生によるものである。その作用の幾つか（例えば、特にＸ線発生）は、遮蔽およびバリアの工作、例えばコンクリート（または他の放射線不透過性材料）の保管庫に照射工程を封入することを必要とする。照射の別の作用である振動励起は、試料を温めることに等しい。以下に説明される通り、照射による試料の加熱は、難分解性低下を支援し得るが、過剰な加熱は、材料を破壊する可能性がある。
【００９６】
電離放射線の吸着による断熱温度上昇（ΔＴ）は、式：ΔＴ＝Ｄ／Ｃｐ（式中、Ｄは、ｋＧｙでの平均線量であり、Ｃｐは、Ｊ／ｇ℃での熱容量であり；ΔＴは、℃での温度変化である）により示される。典型的な乾燥バイオマス材料は、２に近い熱容量を有する。水の熱容量は、非常に高い（４．１９Ｊ／ｇ℃）ため、湿性バイオマスは、水の量に存してより高い熱容量を有する。金属は、かなり低い熱容量を有し、例えばステンレス鋼は、０．５Ｊ／ｇ℃の熱容量を有する。放射線の様々な線量に関するバイオマスおよびステンレス鋼の一定した放射線吸着による温度変化を、表１に示す。実際に、高温ではバイオマスの分解を誘発して、理論から極めて大きく逸脱する。
【表１】
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【００９７】
高温は、バイオマス中のバイオポリマーを破壊および／または変性して、ポリマー（例えば、セルロース）が、更なる加工に適さなくなる。高温に供されたバイオマスは、暗色および粘着性を帯びるようになり、臭気を発して、分解を示す可能性がある。粘着性により材料の運搬が困難になる可能性もある。臭気は、不快に感じる場合があり、安全性の問題を生じ得る。事実、バイオマスを約２００℃未満（例えば、約１９０℃未満、約１８０℃未満、約１７０℃未満、約１６０℃未満、約１５０℃未満、約１４０℃未満、約１３０℃未満、約１２０℃未満、約１１０℃未満、約６０℃〜約１８０℃、約６０℃〜約１６０℃、約６０℃〜約１５０℃、約６０℃〜約１４０℃、約６０℃〜約１３０℃、約６０℃〜約１２０℃、約８０℃〜約１８０℃、約１００℃〜約１８０℃、約１２０℃〜約１８０℃、約１４０℃〜約１８０℃、約１６０℃〜約１８０℃、約１００℃〜約１４０℃、約８０℃〜約１２０℃）に保持することが、本明細書に記載された工程において有益であることが見出されている。
【００９８】
約１０Ｍｒａｄを超える照射が本明細書に記載された工程に望ましいことが、見出されている（例えば、難分解性の低下）。高い処理能力もまた、照射がバイオマスを加工する上でのボトルネックにならないために望ましい。処理は、線量率の式：Ｍ＝ＦＰ／Ｄ・時間（式中、Ｍは、照射される材料の質量（ｋｇ）であり、Ｆは、吸着される電力の比率（単位なし）であり、Ｐは、発せられる電力（ｋＷ＝ＭｅＶでの電圧×ｍＡでの電流）であり、時間は、処理時間（秒）であり、Ｄは、吸着された線量（ｋＧｙ）である）により左右される。吸着される電力の比率が固定されている模範的工程において、発せられる電力は、一定であり、設定された放射線量が望ましく、処理能力（例えば、Ｍ、加工されるバイオマス）は、照射時間を増加させることにより増加し得る。しかし材料を冷却させずに放射時間を増加させると、先に示された計算により示される通り、材料を過度に加熱する可能性がある。バイオマスは、低い熱伝導率（約０．１Ｗ・ｍ−１・ｋ−１未満）を有するため、例えばエネルギーが伝達されるヒートシンクが存在する限り、エネルギーを急速に放出し得る金属（約１０Ｗ・ｍ−１・ｋ−１を超える）とは異なり、放熱が緩やかである
【００９９】
電子銃  −  ビームストップ
幾つかの実施形態において、該システムおよび方法は、ビームストップ（例えば、シャッター）を含む。例えばビームストップを用いて、電子ビームデバイスの出力を下げずに、材料の照射を急速に停止または減少させることができる。あるいはビームストップは、電子ビームの出力を上昇させながら用いることができ、ビームストップは、所望のレベルのビーム電流に達するまで、電子ビームを停止させることができる。ビームストップは、第一の窓箔と第二の窓箔の間に配置させることができる。例えばビームストップは、可動性であるように、即ちビームパスの内外へ移動できるように、搭載することができる。例えば照射線量を制御するために、ビームの部分的な被覆を用いることもできる。ビームストップは、床に、バイオマスのコンベヤに、壁に、放射線デバイスに（例えば、スキャンホーンの）、または任意の構造支持体に搭載することができる。好ましくは、ビームがビームストップにより効果的に制御され得るように、ビームストップがスキャンホーンに関して固定されている。ビームストップは、ヒンジ、レール、ホイール、スロット、または他の手段を組み込むことができ、ビーム内外へ移動する操作を可能にする。ビームストップは、電子の少なくとも５％、例えば電子の少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、少なくとも８０％、８５％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、または約１００％を停止させる任意の材料で作製することができる。
【０１００】
ビームストップは、非限定的に、ステンレス鋼、鉛、鉄、モリブデン、銀、金、チタン、アルミニウム、スズ、またはこれらの合金、またはそのような金属で作製された（例えば、金属コートセラミック、金属コートポリマー、金属コート複合体、多層金属材料）積層体（層化材料）をはじめとする金属で作製することができる。
【０１０１】
ビームストップは、例えば水溶液またはガスなどの冷却流動体で、冷却することができる。ビームストップは、例えば空洞を有し、部分的または完全に中空であってもよい。ビームストップの内部空間は、流体およびガスを冷却するのに用いることができる。ビームストップは、平面、曲線、円形、楕円形、正方形、長方形、面取りのある形状およびくさび形など、任意の形状であってもよい。
【０１０２】
ビームストップは、幾つかの電子を通すような穿孔を有することができ、それにより窓の全エリアまたは窓の特定の領域を通る放射線レベルを制御（例えば、低下）することができる。ビームストップは、例えば繊維またはワイヤから形成された、メッシュであってもよい。複数のビームストップを一緒に、または独立に使用して、照射を制御することができる。ビームストップは、ビームを所定の場所の内外に移動させるために、例えばモーターへの無線信号またはハードウエアにより、遠隔制御することができる。
【０１０３】
ビームダンプ
本明細書に開示された実施形態は、放射線処理を活用する際に、ビームダンプを含むこともできる。ビームダンプの目的は、荷電粒子のビームを安全に吸収することである。ビームダンプは、ビームストップと同様に、荷電粒子のビームを遮断するのに用いることができる。しかしビームダンプは、ビームストップよりもかなり強固で、長期間にわたりフルパワーの電子ビームを遮断することを目的とする。それらは多くの場合、加速器の出力を増加させながら、ビームを遮断するのに用いられる。
【０１０４】
ビームダンプは、そのようなビームにより発生した熱に順応するようにも設計されており、通常、銅、アルミニウム、炭素、ベリリウム、タングステン、または水銀などの材料で作製されている。例えばビームダンプと熱接触し得る冷却流体を利用して、ビームダンプを冷却することができる。
【０１０５】
バイオマス材料
本明細書に記載された方法および設備において用いられ得るようなリグノセルロース材料としては、例えば木材、パーティクルボード、林業廃棄物（例えば、おがくず、アスペン材、木材チップ）、牧草（例えば、スイッチグラス、ススキ、コードグラス、クサヨシ）、穀物残渣（例えば、籾殻、オーツ麦の殻、小麦殻、大麦殻）、農業廃棄物（例えば、サイレージ、菜種のわら、小麦わら、大麦わら、オーツ麦わら、米わら、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザル、マニラ麻、トウモロコシの穂軸、トウモロコシの葉茎、大豆の葉茎、トウモロコシ繊維、アルファルファ、干し草、ココナッツの毛）、糖加工残渣（例えば、バガス、ビートパルプ、リュウゼンツランバガス）、藻類、海藻、肥やし、下水汚物、およびこれらのいずれかの混合物が挙げられる。
【０１０６】
幾つかの例において、リグノセルロース材料としては、トウモロコシの穂軸が挙げられる。粉砕またはハンマーミルされたトウモロコシの穂軸は、照射のために比較的均一な厚さの層に広げることができ、照射の後、更なる加工のために媒体中に分散することが容易である。収穫および回収を容易にするために、幾つかの例において、トウモロコシの茎、トウモロコシの穀粒などとうもろこしの植物全体が用いられ、そして幾つかの例において、該植物の根系さえも用いられる。
【０１０７】
有利には更なる栄養素（窒素供給源以外、例えば尿素またはアンモニア以外）が、トウモロコシの穂軸、または顕著な量のトウモロコシの穂軸を含むセルロースもしくはリグノセルロース材料の発酵の際に必要となる。
【０１０８】
破砕の前後のトウモロコシの穂軸は、運搬および分散も容易であり、干し草および牧草などの他のセルロースまたはリグノセルロース材料よりも空気中で爆発性混合物を形成する傾向が小さい。
【０１０９】
セルロース材料としては、例えば紙、紙製品、紙廃棄物、紙パルプ、着色紙、積載紙（ｌｏａｄｅｄ  ｐａｐｅｒ）、塗工紙、充填紙、雑誌、印刷物（例えば、本、カタログ、使用説明書、ラベル、カレンダー、グリーティングカード、パンフレット、目論見書、新聞紙）、印刷用紙、ポリコート紙、カードストック、厚紙、ボール紙、高α−セルロース量を有する材料、例えば綿、およびこれらのいずれかの混合物が挙げられる。例えば開示全体が、参照により本明細書に組み入れられる、米国特許出願第１３／３９６，３６５号（Ｍｅｄｏｆｆらによる２０１２年２月１４日出願の“Ｍａｇａｚｉｎｅ  Ｆｅｅｄｓｔｏｃｋｓ”）に記載された紙製品である。
【０１１０】
セルロース材料は、部分的または完全に脱木質化されたリグノセルロース材料も含むことができる。
【０１１１】
幾つかの例において、他のバイオマス材料、例えばデンプン質材料を用いることができる。デンプン質材料としては、デンプンそのもの、例えばコーンスターチ、小麦デンプン、ジャガイモデンプンもしくは米デンプン、デンプン誘導体、または食用の食品もしくは作物などのデンプンを含む材料が挙げられる。例えばデンプン質材料は、アラカチャ、蕎麦、バナナ、大麦、キャッサバ、クズ、オクラ、サゴ、モロコシ、通常の家庭用のジャガイモ、サツマイモ、タロイモ、ヤマノイモ、または１種以上の豆、例えば空豆、レンズ豆、エンドウ豆であってもよい。任意の１種以上のデンプン質材料のブレンドもまた、デンプン質材料である。デンプン質材料とセルロースまたはリグノセルロース材料との混合物を用いることもできる。例えばバイオマスは、植物全体、植物の一部または植物の異なる部分、例えば小麦の苗、綿の苗、トウモロコシの苗、米の苗または樹木であってもよい。デンプン質材料は、本明細書に記載された方法のいずれかにより処理することができる。
【０１１２】
原料として用いられ得る微生物材料としては、非限定的に、炭水化物（例えば、セルロース）、例えば原生生物、例えば動物の原生生物（例えば、鞭毛藻類、アメーバ、繊毛虫、および胞子虫などの原虫）および植物の原生生物（例えば、アルベオラータ、クロララクニオン藻、クリプトモナド、ユーグレナ藻、灰色藻、ハプト藻、紅藻、ストラメノパイル、および緑色植物亜界）の供給源を含む、または供給源を提供することが可能な任意の天然由来または遺伝子組換え微生物体または生物体を挙げることができる。他の例としては、海藻、プランクトン（例えば、マクロプランクトン、メソプランクトン、ミクロプランクトン、ナノプランクトン、ピコプランクトン、およびフェムトプランクトン）、植物プランクトン、細菌（例えば、グラム陽性菌、グラム陰性菌、および好極限性細菌）、酵母および／またはこれらの混合物が挙げられる。幾つかの例において、微生物バイオマスは、天然供給源、例えば海洋、湖、水体、例えば塩水もしくは淡水、または陸上から得ることができる。代わりまたは追加として、微生物バイオマスは、培養系、例えば大規模乾式および湿式培養、ならびに発酵系から得ることができる。
【０１１３】
別の実施形態において、バイオマス材料、例えばセルロース、デンプン質およびリグのセルロース原料は、野生型の変種に関して修飾されたトランスジェニックの微生物および植物から得ることができる。そのような修飾は、例えば選択および育種の反復ステップにより植物中の所望の素質を得てもよい。その上、植物は、野生型の変種に関して除去、修飾、発現抑制および／または付加されていてもよい。例えば遺伝子修飾植物は、組換えＤＮＡ法により生成することができ、その場合の遺伝子修飾は、親種からの特異的遺伝子を導入もしくは修飾すること、または例えば異なる種の植物および／または細菌から植物に特異的遺伝子（複数可）が導入されるトランスジェニック育種を利用すること、を含む。遺伝子変種を作出する別の方法は、新しい対立遺伝子を内在遺伝子から人工的に作出する突然変異育種による。その人工遺伝子は、例えば化学的突然変異原（例えば、アルキル化剤、エポキシド、アルカロイド、過酸化物、ホルムアルデヒドの使用による）、照射（例えば、Ｘ線、γ線、中性子、β粒子、α粒子、陽子、重陽子、ＵＶ線）および温度ショックまたは他の外部ストレス負荷により植物または種子を処理すること、それに続く選択技術をはじめとし、様々な方法により作出することができる。修飾遺伝子を提供する他の方法は、エラープローンＰＣＲおよびＤＮＡシャッフルの後、所望の修飾ＤＮＡを所望の植物または種子に挿入することによる。所望の遺伝子変異を主旨または植物に導入する方法としては、例えば細菌保有者、微粒子銃、リン酸カルシウム沈殿法、電気穿孔、遺伝子スプライシング、遺伝子サイレンシング、リポフェクション、ミクロインジェクション、およびウイルス保有者の使用が挙げられる。更なる遺伝子修飾材料は、２０１２年２月１４日出願の米国特許出願第１３／３９６，３６９号に記載されており、その開示全体は、参照により本明細書に組み入れられる。
【０１１４】
本明細書に記載された方法のいずれかは、本明細書に記載された任意のバイオマス材料の混合物で実践することができる
【０１１５】
他の材料
本明細書に記載された方法、設備およびシステムの材料を使用して、他の材料（例えば、天然または合成材料）、例えばポリマーを、処理および／または作製することができる。例えば本明細書に記載された方法により生成されるエネルギーを用いて、材料を加工してもよい。例えばポリエチレン（例えば、直鎖状低密度エチレンおよび高密度ポリエチレン）、ポリスチレン、スルホン化ポリスチレン、ポリ（塩化ビニル）、ポリエステル（例えば、ナイロン、ＤＡＣＲＯＮ（商標）、ＫＯＤＥＬ（商標））、ポリアルキレンエステル、ポリビニルエステル、ポリアミド（例えば、ＫＥＶＬＡＲ（商標））、ポリエチレンテレフタラート、酢酸セルロース、アセタール、ポリアクリロニトリル、ポリカルボナート（例えば、ＬＥＸＡＮ（商標））、アクリル系［例えば、ポリ（メタクリル酸メチル）、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリブタジエン、ポリイソブチレン、ポリアクリロニトリル、ポリクロロプレン（例えば、ネオプレン）、ポリ（シス−１，４−イソプレン）［例えば、天然ゴム］、ポリ（トランス−１，４−イソプレン）［例えば、グッタペルカ］、フェノールホルムアルデヒド、メラミンホルムアルデヒド、エポキシド、ポリエステル、ポリアミン、ポリカルボン酸、ポリ乳酸、ポリビニルアルコール、ポリ酸無水物、ポリフルオロカーボン（例えば、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標））、ケイ素類（例えば、シリコーンゴム）、ポリシラン、ポリエーテル（例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド）、ワックス、オイル、およびこれらの混合物。プラスチック、ゴム、エラストマー、繊維、ワックス、ゲル、オイル、接着剤、熱可塑性物質、熱硬化性物質、生分解性ポリマー、これらのポリマーから生成された樹脂、他のポリマー、他の材料およびこれらの組み合わせも含まれる。カチオン重合、アニオン重合、ラジカル重合、メタセシス重合、開環重合、グラフト重合、付加重合をはじめとする任意の有用な方法により生成することができる。幾つかの例において、本明細書に開示された処理は、例えばラジカルで開始されるグラフト重合および架橋に用いることができる。ポリマーと、例えばガラス、金属、バイオマス（例えば、繊維、粒子）、セラミックとの複合体を、処理および／または作製することもできる。
【０１１６】
本明細書に開示された方法、システムおよび設備を用いることにより処理され得る他の材料は、セラミック、無機質、金属、無機化合物である。例えばケイ素とゲルマニウムの結晶、窒化ケイ素、金属酸化物、半導体、絶縁体、セメントおよび／または導体。
【０１１７】
追加として、製造された複数部品の、または成形された材料（例えば、鋳造された、押出された、溶接された、リベットで留められた、層状の、またはいずれかの方法の組み合わせ）、例えばケーブル、パイプ、板、格納庫、集積半導体チップ、開路板、ワイヤ、タイヤ、窓、積層材料、ギア、ベルト、機械、これらの組み合わせを処理することができる。例えば本明細書に記載された方法により材料を処理して、表面を修飾し、例えば更なる官能基化、結合（例えば、溶接）および／または処理を受け易くすることで、材料を架橋することができる。
【０１１８】
バイオマス材料の調製  −  機械的処理
バイオマスは、例えば約３５％未満の水分量（例えば、約２０％未満、約１５％未満、約１０％未満、約５％未満、約４％未満、約３％未満、約２％未満または約１％未満）の、乾燥形態であってもよい。バイオマスは、湿潤状態、例えば固体が少なくとも約１０重量％（例えば、少なくとも約２０重量％、少なくとも約３０重量％、少なくとも約４０重量％、少なくとも約５０重量％、少なくとも約６０重量％、少なくとも約７０重量％）の湿性固体、スラリー、または懸濁物として送達することもできる。
【０１１９】
本明細書に開示された工程は、低嵩密度の材料、例えば約０．７５ｇ／ｃｍ３未満、例えば約０．７ｇ／ｃｍ３未満、０．６５、０．６０、０．５０、０．３５、０．２５、０．２０、０．１５、０．１０、０．０５ｇ／ｃｍ３またはそれ未満、例えば０．０２５ｇ／ｃｍ３未満の嵩密度を有するように物理的に前処理されたセルロースまたはリグノセルロース原料を活用することができる。嵩密度は、ＡＳＴＭ  Ｄ１８９５Ｂを利用して決定することができる。概要を述べると、該方法は、既知の容積のメスシリンダに試料を充填すること、および試料の重量を得ること、を含む。嵩密度は、試料のグラム重量をシリンダーの既知の容積の立方センチメートルで割ることにより計算される。所望なら、低密度材料を、例えば開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、２０１１年７月５日公開の米国特許第７，９７１，８０９号に記載された方法により、高密度化することができる。
【０１２０】
幾つかの例において、処理前加工は、バイオマス材料のふるい分けを含む。ふるい分けは、所望の開口サイズ、例えば約６．３５ｍｍ（１／４インチ、０．２５インチ）未満、（例えば、約３．１８ｍｍ（１／８インチ、０．１２５インチ）未満、約１．５９ｍｍ（１／１６インチ、０．０６２５インチ）未満、約０．７９ｍｍ（１／３２インチ、０．０３１２５インチ）未満、例えば約０．５１ｍｍ（１／５０インチ、０．０２０００インチ）未満、約０．４０ｍｍ（１／６４インチ、０．０１５６２５インチ）未満、約０．２３ｍｍ（０．００９インチ）未満、約０．２０ｍｍ（１／１２８インチ、０．００７８１２５インチ）未満、約０．１８ｍｍ（０．００７インチ未満）、約０．１３ｍｍ（０．００５インチ）未満、または約０．１０ｍｍ（１／２５６インチ、０．００３９０６２５インチ）未満）を有するメッシュまたは穿孔板を通して行うことができる。１つの構成において、所望のバイオマスは、その穿孔またはふるいを通り抜け、つまりその穿孔またはふるいよりも大きなバイオマスは、照射されない。これらの大きな材料は、例えば破砕により、再加工され、またはそれらは単に加工から取り除くことができる。別の構成において、穿孔よりも大きな材料は、照射され、より小さな材料は、ふるい分け工程により除去されるか、または再循環される。この種の構成において、振動コンベヤなどのコンベヤそのもの（例えば、コンベヤの一部）を、穿孔することができ、またはメッシュを含んで作製することができる。例えば１つの特定の実施形態において、バイオマス材料は、湿潤性であってもよく、穿孔またはメッシュによって照射の前に水をバイオマスから流出させてもよい。
【０１２１】
材料のふるい分けは、手動での方法、例えば望ましくない材料を除去するオペレータまたはメカノイド（例えば、色、反射性または他のセンサーを備えたロボット）により行うことができる。ふるい分けは、磁石が運搬される材料の付近に配設されていて磁気材料が磁石により除去される、磁気ふるいによって行うこともできる。
【０１２２】
任意の処理前加工が、材料の加熱（例えば、材料の乾燥に加えて、または材料の乾燥を目的として）を含むことができる。例えばバイオマスまたは他の材料を運搬するコンベヤの一部を、加熱されたゾーンに送出することができる。加熱されたゾーンは、例えばＩＲ線、マイクロ波、燃焼（例えば、ガス、石炭、オイル、バイオマス）、抵抗加熱および／または誘導コイルにより作製することができる。熱は、少なくとも一方の側または１つ以上の側からあてること、連続的または周期的にてること、そして材料の一部だけまたは材料全てにあてることができる。例えば、コンベヤトラフの一部を、加熱ジャケットの使用により加熱することができる。加熱は、例えば材料の乾燥を目的とするものであってもよい。材料を乾燥する場合、加熱により、または加熱せずに、運搬されている時にガス（例えば、空気、酸素、窒素、Ｈｅ、ＣＯ２、アルゴン）をバイオマスの上部および／またはバイオマスの中に移動させることにより、乾燥を容易にすることもできる。
【０１２３】
場合により処理前加工は、材料を冷却することを含むことができる。材料の冷却は、開示が参照により本明細書に組み入れられる、２０１１年３月８日公開の米国特許第７，９００，８５７号に記載される。例えば冷却は、冷却流体、例えば水（例えば、グリセロールを含む）、または窒素（例えば、液体窒素）をコンベヤトラフの底に供給することによって行うことができる。あるいは冷却ガス、例えば凍結窒素を、バイオマスの上部、または運搬システムの下に吹き付けることができる。
【０１２４】
別の任意の処理前加工法は、材料をバイオマスまたは他の原料に添加することを含むことができる。更なる材料は、例えばバイオマスが運搬されている時に材料をバイオマスの上に浴びせること、振りかけること、および／または注入することにより、添加することができる。添加され得る材料としては、例えば開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、米国特許出願公開第２０１０／０１０５１１９  Ａ１（２００９年１０月２６日出願）および米国特許出願公開第２０１０／０１５９５６９  Ａ１（２００９年１２月１６日出願）に記載された金属、セラミックおよび／またはイオンが挙げられる。添加され得る任意の材料としては、酸および塩基が挙げられる。添加され得る他の材料は、酸化剤（例えば、過酸化物、塩素酸塩）、ポリマー、重合性モノマー（例えば、不飽和結合を含むもの）、水、触媒、酵素および／または生物体である。材料は、純粋な形態で、例えば溶媒（例えば、水または有機溶媒）中の溶液として、そして／または溶液として、添加することができる。幾つかの例において、溶媒は、揮発性であり、例えばこれまで記載された通りガスの加熱および／または吹き出しにより、蒸発するように作製することができる。添加される材料は、バイオマス上に均一なコーティングを形成することができ、または異なる成分（例えば、バイオマスおよび更なる材料）の均質混合物であってもよい。添加される材料は、照射の効率を上昇させること、照射を弱めること、または照射の作用を変化させること（例えば、電子ビームからＸ線または加熱へ）により、次の照射ステップを変調することができる。該方法は、照射への影響を有していなくてもよいが、さらに下流の加工に有用であってもよい。添加材料は、例えば粉塵のレベルを低下させることにより、材料の運搬を支援してもよい。
【０１２５】
バイオマスは、ベルトコンベヤ、空気式コンベヤ、スクリューコンベヤ、ホッパー、パイプ、手動で、またはこれらの組み合わせによりコンベヤ（例えば、本明細書に記載された保管庫内で用いられる振動コンベヤ）に送達することができる。バイオマスは、例えばこれらの方法のいずれかによりコンベヤ上に滴下、注入および／または配置させることができる。幾つかの実施形態において、材料は、封入された材料の分配システムを用いてコンベヤに送達されて、低酸素大気の維持ならびに／または粉塵および微粉の制御を支援する。舞い上がる、または空気に浮遊させたバイオマスの微粉および粉塵は、爆発災害を形成する、または電子銃の窓箔を損傷する可能性があるため（そのようなデバイスが、材料を処理するのに用いられる場合）、望ましくない。
【０１２６】
材料をならして、約０．０３１２〜５インチ（例えば、約０．０６２５〜２．０００インチ、約０．１２５〜１インチ、約０．１２５〜０．５インチ、約０．３〜０．９インチ、約０．２〜０．５インチ、約０．２５〜１．０インチ、約０．２５〜０．５インチ、０．１００＋／−０．０２５インチ、０．１５０＋／−０．０２５インチ、０．２００＋／−０．０２５インチ、０．２５０＋／−０．０２５インチ、０．３００＋／−０．０２５インチ、０．３５０＋／−０．０２５インチ、０．４００＋／−０．０２５インチ、０．４５０＋／−０．０２５インチ、０．５００＋／−０．０２５インチ、０．５５０＋／−０．０２５インチ、０．６００＋／−０．０２５インチ、０．７００＋／−０．０２５インチ、０．７５０＋／−０．０２５インチ、０．８００＋／−０．０２５インチ、０．８５０＋／−０．０２５インチ、０．９００＋／−０．０２５インチ、０．９００＋／−０．０２５インチの均一な厚さを形成することができる。
【０１２７】
一般に、電子ビームを通して可能な限り急速に材料を運搬して、処理能力を最大にすることが好ましい。例えば材料は、少なくとも１フィート／分、例えば少なくとも２フィート／分、少なくとも３フィート／分、少なくとも４フィート／分、少なくとも５フィート／分、少なくとも１０フィート／分、少なくとも１５フィート／分、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０フィート／分の速度で運搬することができる。運搬速度は、例えばバイオマスの厚さ１／４インチでのビーム電流に関し、１００ｍＡでのコンベヤは、約２０フィート／分で移動して有用な照射線量を提供することができ、５０ｍＡでのコンベヤは、約１０フィート／分で移動して、ほぼ同じ照射線量を提供することができる。
【０１２８】
バイオマス材料が、放射線ゾーンを通って運搬された後、任意の処理後加工を実施することができる。任意の処理後加工は、例えば照射前加工に関して記載された工程であってもよい。例えばバイオマスを、ふるい分けても、加熱しても、冷却しても、そして／または添加剤と混和してもよい。照射後に特有なこととして、ラジカルのクエンチング、例えば流体もしくは気体（例えば、酸素、亜酸化窒素、アンモニア、液体）の添加、圧力、熱の利用、および／またはラジカルスカベンジャーの添加によるラジカルのクエンチングを行うことができる。例えばバイオマスを、囲い込まれたコンベヤの外部で運搬して、ガス（例えば、酸素）に暴露し、そこでクエンチしてカルボキシル化された基を形成することができる。一実施形態において、バイオマスは、反応性ガスまたは流体への照射の間に暴露される。照射されたバイオマスのクエンチングは、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、２０１１年１２月２７日公開の米国特許第８，０８３，９０６号に記載される。
【０１２９】
所望なら、照射に加えて１つ以上の機械的処理を利用して、炭水化物含有材料の難分解性をさらに低下させることができる。これらの工程は、照射の前、照射の間および／または照射後に適用することができる。
【０１３０】
幾つかの例において、機械的処理としては、受け取り時の原料の初期調製、例えば破砕、例えば切断、粉砕、せん断、微粉砕または打ち切りなどによる材料のサイズ減少を挙げることができる。例えば幾つかの例において、まとまりのない原料（例えば、リサイクル紙、デンプン質材料、またはスイッチグラス）は、せん断または細断により調製される。機械的処理は、炭水化物含有材料の嵩密度を低下させ、炭水化物含有材料の表面積を増加させ、そして／または炭水化物含有材料の１つ以上の寸法を減少させることができる。
【０１３１】
代わりまたは追加として、原料を、別の処理、例えば酸（ＨＣｌ、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ３ＰＯ４）、塩基（例えば、ＫＯＨおよびＮａＯＨ）、化学的酸化剤（例えば、過酸化物、塩素酸塩、オゾン）、照射、水蒸気爆発、熱分解、音波処理、酸化、化学的処理などの化学的処理で処理することができる。処理は、どのような順序でも、どのような連続でも、そしてそれらを組み合わせていてもよい。例えば原料は最初、１つ以上の処理方法、例えば酸加水分解（例えば、ＨＣｌ、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ３ＰＯ４の使用）を含みそれらと組み合わせた化学的処理、放射線、音波処理、酸化、熱分解または水蒸気爆発により物理的に処理し、その後、機械的に処理することができる。この連続は、他の処理、例えば照射または熱分解の１つ以上により処理される材料がより脆性の傾向があり、それゆえ機械的処理により材料の構造をさらに変化させることが容易となり得るため、有利となろう。別の例として、原料は、本明細書に記載されたコンベヤを用いて電離放射線を通って運搬され、その後、機械的に処理することができる。化学的処理は、リグニンの一部または全てを除去することができ（例えば、化学パルプ化）、材料を部分的または完全に加水分解することができる。該方法は、予め加水分解された材料で使用することもできる。該方法は、予め加水分解されていない材料で用いることもできる。該方法は、加水分解材料と、非加水分解材料、例えば約５０％以上の非加水分解材料、約６０％以上の非加水分解材料、約７０％以上の非加水分解材料、約８０％以上の非加水分解材料、または約９０％以上の非加水分解材料との混合物で用いることができる。
【０１３２】
加工の最初および／または後に実行され得るサイズ減少に加えて、機械的処理は、炭水化物含有材料を「切り開く」、「応力を加える」、破壊する、または破断して、物理的処理の間に材料のセルロースに分子鎖切断および／または結晶構造の崩壊を受け易くさせるのにも有利となり得る。
【０１３３】
炭水化物含有材料を機械的に処理する方法としては、例えば、ミリングまたは粉砕が挙げられる。ミリングは、例えばハンマーミル、ボールミル、コロイドミル、コニカルもしくはコーンミル、ディスクミル、エッジミル、ウィリーミル、グリストミルまたは他のミルが挙げられる。粉砕は、例えば切断／衝撃型グラインダーを用いて実施されてもよい。幾つかの模範的グラインダーとしては、石材用グラインダー、ピングラインダー、コーヒーグラインダーおよびバーグラインダーが挙げられる。粉砕またはミリングは、例えば、ピンミルの場合のように、往復運動ピンまたは他の要素により、提供されてもよい。他の機械的処理方法としては、機械的切り裂きまたは引き裂き、繊維に圧力を加える他の方法、および空気摩耗ミリングが挙げられる。適切な機械的処理は、これまで加工処理ステップにより開始された材料の内部構造の崩壊を継続する任意の他の技法をさらに含む。
【０１３４】
機械的供給調製系は、例えば、特定最大サイズ、特定の長さ対幅、または特定の表面積比などの特定の性質を有する流れを生じるよう構成することができる。物理的調製は、反応速度を上昇させ、コンベヤ上の材料の動きを改善し、材料の照射プロファイルを改善し、材料の放射線均一性を改善し、または材料を切開して、それらを工程および／もしくは試薬、例えば溶液中の試薬に接近し易くすることによって必要とされる加工時間を減少させることができる。
【０１３５】
原料の嵩密度は、制御（例えば、増大）することができる。幾つかの状況では、例えば材料を高密度化し（例えば高密度化は、別の場所に運搬するのを容易にかつ低コストにし得る）、その後、材料をより低い嵩密度状態に戻す（例えば、運搬後）ことにより、低嵩密度材料を調製することが望ましい。該材料は、例えば、約０．２ｇ／ｃｃ未満から約０．９ｇ／ｃｃを超えるまで（例えば、約０．３未満〜約０．５を超えるまで、約０．３未満〜約０．９ｇ／ｃｃを超えるまで、約０．５未満〜約０．９を超えるまで、約０．３未満〜約０．８ｇ／ｃｃを超えるまで、約０．２未満〜約０．５ｇ／ｃｃを超えるまで）に高密度化することができる。例えば材料は、開示全体が、参照により本明細書に組み入れられる、米国特許第７，９３２，０６５号（Ｍｅｄｏｆｆ）および国際公開ＷＯ  ２００８／０７３１８６号（２００７年１０月２６日出願；英語で公開；米国を指定）に開示された方法および設備により高密度化され得る。高密度化材料は、本明細書に記載された方法のいずれかにより加工することができ、または本明細書に記載された方法のいずれかにより加工された任意の材料は、次に、高密度化することができる。
【０１３６】
幾つかの実施形態において、加工される材料は、繊維源をせん断することにより提供される繊維を含む繊維性材料の形態である。例えば、剪断は、回転式ナイフカッターで実施することができる。
【０１３７】
例えば、難分解性であるか、または難分解性レベルが低減された繊維源は、例えば回転式ナイフカッターで剪断されて、最初の繊維性材料を提供し得る。最初の繊維性材料は、例えば１．５９ｍｍ以下（１／１６インチ、０．０６２５インチ）の平均開口サイズを有する、第一のふるいに通されて、第二の繊維性材料を提供する。所望なら、繊維源は、例えばシュレッダーで、剪断前に切断することができる。例えば、紙が繊維源として用いられる場合、紙は最初、シュレッダー、例えばＭｕｎｓｏｎ（ニューヨーク州ユーティカ所在）製造のものなどの卓上回転式スクリューシュレッダーを用いて、例えば、１／４〜１／２インチ幅の細片に切断することができる。細断に代わるものとして、ギロチンカッターを用いて、所の望サイズに切断することにより、紙はサイズを減少することができる。例えば、ギロチンカッターは、紙を、例えば幅１０インチ、長さ１２インチの、シートに切断するために用いることができる。
【０１３８】
幾つかの実施形態において、繊維源の剪断、およびその結果生じる第一の繊維性材料の第一のふるいへの通過は、同時に実施される。剪断および通過は、バッチ式工程でも実施することができる。
【０１３９】
例えば、回転式ナイフカッターを用いて、同時に、繊維源を剪断して第一の繊維性材料をふるい分けすることができる。回転式ナイフカッターは、繊維源を細断することにより調製される細断繊維源を積載され得るホッパーを含む。
【０１４０】
幾つかの実行において、原料は、糖化および／または発酵の前に物理的に処理される。物理的処理工程は、本明細書中に記載された工程、例えば機械的処理、化学的処理、照射、音波処理、酸化、熱分解または水蒸気爆発のいずれかのうちの１つ以上を含むことができる。処理方法は、これらの技法のうちの２、３、４、または全ての組み合わせ（任意の順序）で用いることができる。１つより多い処理方法が用いられる場合、該方法は、同時に、または異なる時点で適用することができる。バイオマス原料の分子構造を変化させる他の工程も、単独で、または本明細書に開示された工程と組み合わせて用いることができる。
【０１４１】
用いられ得る機械的処理、ならびに機械的処理される炭水化物含有材料の性質は、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、２０１１年１０月１８日出願の米国特許出願公開第２０１２／０１００５７７  Ａ１号にさらに詳細に記載される。
【０１４２】
音波処理、熱分解、酸化、水蒸気爆発
所望により、炭水化物含有材料の難分解性を低下させる、またはさらに低下させるために、照射の代わりまたは追加として、１つ以上の音波処理、熱分解、酸化または水蒸気爆発工程を用いることができる。例えばこれらの工程は、照射の前、照射の間および／または照射後に適用することができる。これらの工程は、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、Ｍｅｄｏｆｆの米国特許第７，９３２，０６５号に詳細に記載される。
【０１４３】
中間体および生成物
本明細書中に記載される工程を用いて、バイオマス材料を、１種以上の製品、例えばエネルギー（例えば、本明細書に記載されたコジェネレーションに加えて）、燃料、食物および材料に変換することができる。例えば、有機酸、有機酸の塩、酸無水物、有機酸のエステルおよび燃料、例えば内燃機関のための燃料または燃料電池のための原料などの中間体および生成物を、製造することができる。即座に入手可能であるが、多くの場合、加工するのが困難になり得るセルロースおよび／またはリグノセルロース材料、例えば自治体廃棄物流れおよび廃棄紙流れ、例えば新聞、クラフト紙、段ボール紙またはこれらの混合物を含む流れを原料として用い得るシステムおよび工程が、本明細書に記載される。
【０１４４】
生成物の具体的例としては、水素、糖（例えば、グルコース、キシロース、アラビノース、マンノース、ガラクトース、フルクトース、二糖、オリゴ糖および多糖）、アルコール（例えば、一価アルコールまたは二価アルコール、例えばエタノール、ｎ−プロパノール、イソブタノール、ｓｅｃ−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノールまたはｎ−ブタノール）、水和または水性アルコール（例えば、１０％を超える、２０％、３０％、または４０を超える水を含有）、バイオディーゼル、有機酸、炭化水素（例えば、メタン、エタン、プロパン、イソブテン、ペンタン、ｎ−ヘキサン、バイオディーゼル、バイオガソリンおよびそれらの混合物）、共生成物（例えば、セルロース分解タンパク質（酵素）または単細胞タンパク質などのタンパク質）、ならびに任意の組み合わせまたは相対濃度での、ならびに場合により任意の添加剤（例えば、燃料添加剤）と組み合わせたこれらのいずれかの混合物が挙げられるが、これらに限らない。他の例としては、カルボン酸、カルボン酸塩、カルボン酸とカルボン酸塩とカルボン酸エステルとの混合物（例えば、メチル、エチルおよびｎ−プロピルエステル）、ケトン（例えば、アセトン）、アルデヒド（例えば、アセトアルデヒド）、αおよびβ不飽和酸（例えば、アクリル酸）およびオレフィン（例えば、エチレン）が挙げられる。その他のアルコールおよびアルコール誘導体としては、プロパノール、プロピレングリコール、１，４−ブタンジオール、１，３−プロパンジオール、糖アルコール  （例えば、エリトリトール、グリコール、グリセロール、ソルビトール、トレイトール、アラビトール、リビトール、マンニトール、ダルシトール、フシトール、イジトール、イソマルト、マルチトール、ラクチトール、キシリトールおよびポリオール）、ならびにこれらのアルコールのいずれかのメチルまたはエチルエステルが挙げられる。その他の生成物としては、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル、Ｄ−乳酸、Ｌ−乳酸、ピルビン酸、ポリ乳酸、クエン酸、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、コハク酸、吉草酸、カプロン酸、３−ヒドロキシプロピオン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、シュウ酸、マロン酸、グルタル酸、オレイン酸、リノール酸、グリコール酸、γ−ヒドロキシ酪酸、およびそれらの混合物、これらの酸のいずれかの塩、これらの酸およびその各塩のいずれかの混合物が挙げられる。
【０１４５】
上記生成物と互いとの任意の組み合わせ、および／または上記生成物と本明細書中に記載される工程もしくは他の方法で製造され得る他の生成物との任意の組み合わせは、一緒に包装され、製品として販売され得る。該生成物は、混和され、例えば混合、ブレンド、もしくは共溶解されてもよく、または単に一緒に包装もしくは販売され得る。
【０１４６】
本明細書中に記載された生成物または生成物の組合せのいずれかは、製品販売の前に、例えば精製もしくは単離後、または包装後でも、生成物（複数可）中に存在し得る１つ以上の潜在的に望ましくない混入物を中和するために、衛生化または滅菌され得る。そのような衛生化は、電子衝撃で、例えば約２０Ｍｒａｄ未満、例えば約０．１〜１５Ｍｒａｄ、約０．５〜７Ｍｒａｄ、または約１〜３Ｍｒａｄの線量で実行することができる。
【０１４７】
本明細書中に記載された工程は、プラントの他の部分で用いられる、または公開市場で販売される（例えば、本明細書の以前に記載された）水蒸気と電気を生成する（コジェネレーション）に有用となる様々な副産物流れを生成することができる。例えば、燃焼副産物流れから生成された水蒸気は、蒸留工程に用いることができる。別の例として、燃焼副産物流れから生成された電気は、前処理に用いられる電子ビーム発生機を作動するために用いることができる。
【０１４８】
水蒸気および電気を生成するために用いられる副産物は、工程全体を通して複数の供給源から得られる。例えば廃水の嫌気性消化は、メタンが高濃度のバイオガスと、少量の廃棄物バイオマス（スラッジ）を生じ得る。別の例として、糖化後および／または蒸留後固体（例えば、前処理および一次工程後に残存する未変換のリグニン、セルロースおよびヘミセルロース）が用いること、例えば燃料として燃焼することができる。
【０１４９】
食品および医薬品をはじめとする他の中間体および生成物は、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、２０１０年５月２０日公開のＭｅｄｏｆｆへの米国特許出願公開第２０１０／０１２４５８３  Ａ１号に記載される。
【０１５０】
リグニン由来生成物
記載された方法によるリグノセルロース加工からの使用済みバイオマス（例えば、使用済みリグノセルロース材料）は、高いリグニン量を有することが期待され、コジェネレーションプラントでの燃焼を通したエネルギー生成に有用であることに加え、他の貴重な生成物としての用途を有し得る。例えばリグニンは、プラスチックとして入手されたまま使用することができ、または合成により他のプラスチックに格上げすることもできる。幾つかの例において、それは結合剤、分散剤、乳化剤もしくは金属イオン封鎖剤として用いられ得るリグのスルホナートに変換することができる。
【０１５１】
結合剤として用いられる場合、リグニンまたはリグノスルホナートは、例えば練炭中で、セラミック中で、カーボンブラックを結合させるために、肥料と除草剤を結合させるため、粉塵抑制剤として、合板およびパーティクルボードを作製する際、動物飼料を結合させるため、ファイバーガラスの結合剤として、リノリウムペースト中の結合剤として、そして土壌安定化剤として、用いることができる。
【０１５２】
分散剤として用いられる場合、リグニンまたはリグのスルホナートは、例えばコンクリートミックス、粘土およびセラミック、染料および顔料、革のなめしおよび石膏ボードで用いることができる。
【０１５３】
乳化剤として用いられる場合、リグニンまたはリグノスルホナートは、例えばアスファルト、顔料および染料、殺虫剤、ならびにワックスエマルジョン中で用いることができる。
【０１５４】
金属イオン封鎖剤として用いられる場合、リグニンまたはリグノスルホナートは、例えば微量栄養素系、洗浄化合物および水処理システム中で、例えばボイラおよび冷却システムに用いることができる。
【０１５５】
エネルギー生成の場合、リグニンは一般に、ホモセルロース（セルロールおよびヘミセルロース）よりも多くの炭素を含むため、ホロセルロースよりも高いエネルギー量を有する。例えば乾性リグニンは、ホロセルロースの７，０００、８，０００ＢＴＵ／ポンドに比較して、約１１，０００〜１２，５００ＢＴＵ／ポンドのエネルギー量を有することができる。そのためリグニンは、高密度化して燃焼用のブリケットおよびペレットに変換することができる。例えばリグニンは、本明細書に記載された任意の方法によりペレットに変換することができる。より緩やかに燃焼するペレットまたはブリケットの場合、約０．５Ｍｒａｄ〜５Ｍｒａｄの放射線量をあてるなどで、リグニンを架橋させることができる。架橋は、緩やかな燃焼のフォームファクターを作ることができる。ペレットまたはブリケットなどのフォームファクターは、例えば４００〜９５０℃で、空気の存在下で熱分解することにより「合成の炭」または木炭に変換することができる。熱分解の前に、リグニンを架橋して、構造完全性を維持することが望ましくなり得る。
【０１５６】
糖化
これまで記載された通り、原料を即座に加工され得る形態に変換するために、原料中のグルカン−またはキシラン−含有セルロースを、糖化剤、例えば酵素または酸により、低分子量炭水化物、例えば糖に加水分解することができる（糖化と称される工程）。その後、低分子量炭水化物を、例えば既存の製造プラントにおいて、例えば単細胞タンパク質プラント、酵素製造プラント、または燃料プラント、例えばエタノール製造施設において、用いることができる。
【０１５７】
これまで開示された通り、原料は、酵素を用いて、例えば溶媒中で、例えば水溶液中で、材料および酵素を混和することにより、加水分解することができる。
【０１５８】
あるいは、バイオマス、例えばバイオマスのセルロースおよび／またはリグニン部分を分解し、様々なセルロース分解酵素（セルラーゼ）、リグニナーゼまたは様々な小分子バイオマス分解代謝産物を含有または製造する生物体により供給することができる。これらの酵素は、結晶セルロースまたはバイオマスのリグニン部分を分解するために相乗的に作用する酵素の複合体であり得る。セルロース分解酵素の例としては、エンドグルカナーゼ、セロビオヒドロラーゼおよびセロビアーゼ（β−グルコシダーゼ）が挙げられる。
【０１５９】
糖化の間に、セルロース基質は最初、任意の位置でエンドグルカナーゼにより加水分解されて、オリゴマー中間体を生成し得る。これらの中間体は、その場合、セルロースポリマーの末端からセロビオースを生成するためのセロビオヒドロラーゼのような外分割グルカナーゼのための基質である。セロビオースは、グルコースの水溶性１，４−結合二量体である。最後に、セロビアーゼは、セロビオースを切断して、グルコースを生成する。この工程の効率（例えば、加水分解するための時間および／または加水分解の完全性）は、セルロース材料の難分解性に依存する。
【０１６０】
それゆえ処理されたバイオマス材料は、該材料およびセルラーゼ酵素を流動媒体、例えば水溶液中で混和することにより、糖化することができる。幾つかの例において、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、２０１２年４月２６日公開のＭｅｄｏｆｆおよびＭａｓｔｅｒｍａｎへの米国特許出願公開第２０１２／０１００５７７  Ａ１号に記載される通り、材料は、糖化の前に高温水中で沸騰、浸漬、または蒸解される。
【０１６１】
糖化工程は、製造プラントにおいてタンク（例えば、少なくとも４０００、４０，０００または５００，０００Ｌの容積を有するタンク）中で部分的もしくは完全に実施することができ、そして／または輸送中に、例えば鉄道車輛、タンカートラック、スーパータンカーもしくは船の船倉において、部分的もしくは完全に実施することができる。完全糖化に要する時間は、工程条件、ならびに用いられる炭水化物含有材料および酵素に依存する。糖化が、制御された条件下で製造プラントにおいて実施される場合、セルロースは、約１２〜９６時間で、実質的に完全に、糖、例えばグルコースに変換され得る。糖化が、輸送中に部分的または完全に実施される場合、糖化は、より長い時間を要し得る。
【０１６２】
例えば開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、ＷＯ  ２０１０／１３５３８０号として英語で公開され米国を指定した、２０１０年５月１８日出願の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３５３３１号に記載されたようなジェットミキシングを用いて、糖化中にタンク内容物が混合されるのが、一般的に好ましい。
【０１６３】
界面活性剤の添加により、糖化の速度を増強することができる。界面活性剤の例としては、非イオン性界面活性剤、例えばＴＷＥＥＮ（登録商標）２０またはＴＷＥＥＮ（登録商標）８０ポリエチレングリコール界面活性剤、イオン性界面活性剤、または両性イオン性界面活性剤が挙げられる。
【０１６４】
糖化により生じる糖溶液の濃度が相対的に高いこと、例えば４０重量％を超える、または５０重量％を超える、６０重量％、７０重量％、８０重量％、９０重量％または９５重量％を超えることが、一般的に好ましい。水は、例えば蒸発により除去されて、糖溶液の濃度を増大し得る。これは、出荷される容量を減少させ、溶液中での微生物増殖も阻害する。
【０１６５】
あるいは低濃度の糖溶液が用いられてもよく、この場合、抗菌性添加剤、例えば広域抗生物質を、低濃度で、例えば５０〜１５０ｐｐｍで添加することが望ましくなり得る。他の適切な抗生物質としては、アンフォテリシンＢ、アンピシリン、クロラムフェニコール、シプロフロキサシン、ゲンタマイシン、ヒグロマイシンＢ、カナマイシン、ネオマイシン、ペニシリン、プロマイシン、ストレプトマイシンが挙げられる。抗生物質は、運搬および貯蔵中の微生物の増殖を阻害し、適切な濃度で、例えば１５〜１０００重量ｐｐｍ、例えば２５〜５００ｐｐｍ、または５０〜１５０ｐｐｍで用いることができる。糖濃度が相対的に高い場合でも、所望なら、抗生物質を含ませることができる。あるいは、防腐特性を有する抗菌性の他の添加物が、用いられてもよい。好ましくは、抗菌性添加剤（複数可）は、食品等級である。
【０１６６】
酵素を有する炭水化物含有材料に添加される水の量を限定することにより、相対的に高濃度の溶液が得られる。例えば糖化が起こる程度を制御することにより、濃度を制御することができる。例えば、濃度は、溶液により多くの炭水化物含有材料を添加することにより、増大され得る。溶液中で生成されている糖を保持するために、界面活性剤、例えば先に議論された界面活性剤の１種を添加することができる。溶液の温度を上昇させることにより、溶解度も増大することができる。例えば、溶液は、４０〜５０℃、６０〜８０℃、またはそれを超える温度を保持することができる。
【０１６７】
糖化剤
適切なセルロース分解酵素としては、バシラス属、ヒトヨタケ属、ミセリオフィトラ属、セファロスポリウム属、シタリジウム属、ペニシリウム属、アスペルギルス属、シュードモナス属、フミコラ属、フザリウム属、チエラビア属、アクレモニウム属、クリソスポリウム属およびトリコデルマ属の菌株由来のセルラーゼが挙げられ、特にアスペルギルス種（例えば、欧州特許公開第０４５８１６２号参照）、フミコラ・インソレンス（シタリジウム・テルモフィルムとして再分類；例えば、米国特許第４，４３５，３０７号参照）、コプリヌス・シエレウス、フザリウム・オキシスポルム、ミセリオフィトラ・テルモフィラ、メリピルス・ギガンテウス、チエラビア・テレストリス、アクレモニウム種（例えば非限定的に、Ａ．ペルシシヌム、Ａ．アクレモニウム、Ａ．ブラキペニウム、Ａ．ジクロモスポルム、Ａ．オブクラバツム、Ａ．ピンケルトニエ、Ａ．ロゼオグリセウム、Ａ．インコロラツムおよびＡ．フラツムなど）の種から選択される菌株により産生されるものが挙げられる。好ましい菌株としては、フミコラ・インソレンス  ＤＳＭ１８００、フザリウム・オキシスポルム  ＤＳＭ２６７２、ミセリオフィトラ・テルモフィラ  ＣＢＳ１１７．６５、セファロスポリウム種  ＲＹＭ−２０２、アクレモニウム種  ＣＢＳ４７８．９４、アクレモニウム種  ＣＢＳ２６５．９５、アクレモニウム・ペルシシヌム  ＣＢＳ１６９．６５、アクレモニウム・アクレモニウム ＡＨＵ９５１９、セファロスポリウム種  ＣＢＳ５３５．７１、アクレモニウム・ブラキペニウム  ＣＢＳ８６６．７３、アクレモニウム・ジクロモスポルム  ＣＢＳ６８３．７３、アクレモニウム・オブクラバツム  ＣＢＳ３１１．７４、アクレモニウム・ピンケルトニエ  ＣＢＳ１５７．７０、アクレモニウム・ロゼオグリセウム  ＣＢＳ１３４．５６、アクレモニウム・インコロラツム  ＣＢＳ１４６．６２、およびアクレモニウム・フラツム  ＣＢＳ２９９．７０Ｈが挙げられる。セルロース分解酵素は、クリソスポリウム属、好ましくはクリソスポリウム・ルクノウエンスの菌株から得ることもできる。用いられ得る更なる菌株としては、トリコデルマ属（特に、Ｔ．ビリデ、Ｔ．リーセイおよびＴ．コニンギー）、好アルカリ性バシラス属（例えば米国特許第３，８４４，８９０号および欧州特許公開第０４５８１６２号参照）、およびストレプトミセス属（例えば、欧州特許公開第０４５８１６２号参照）が挙げられるが、これらに限らない。
【０１６８】
酵素に加えて、またはそれと併せて、酸、塩基および他の化学物質（例えば、酸化剤）を、リグノセルロース材料およびセルロース材料を糖化するのに用いることができる。これらは、任意の組み合わせまたは順番（例えば、酵素の添加前、添加後および／または添加中）で用いることができる。例えば強い鉱酸（例えば、ＨＣｌ、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ３ＰＯ４）および強塩基（例えば、ＮａＯＨ、ＫＯＨ）を用いることができる。
【０１６９】
糖
本明細書に記載された工程において、例えば糖化後に、糖（例えば、グルコースおよびキシロース）を単離および／または精製することができる。例えば糖は、沈降、結晶化、クロマトグラフィー（例えば、擬似移動床クロマトグラフィー、高圧クロマトグラフィー）、電気透析、遠心分離、抽出、当該技術分野で公知の任意の他の単離方法、およびそれらの組み合わせにより単離および／または精製することができる。
【０１７０】
水素添加および他の化学転換
本明細書に記載された工程は、水素添加を含み得る。例えば、グルコースおよびキシロースは、それぞれソルビトールおよびキシリトールに水素添加され得る。水素添加は、高圧（例えば、１０〜１２０００ｐｓｉ）下で、Ｈ２と併用で触媒（例えば、Ｐｔ／γ−Ａｌ２Ｏ３、Ｒｕ／Ｃ、ラネーニッケル、または当該技術分野で公知の他の触媒）の使用により遂行され得る。本明細書に記載された工程から得られた生成物の化学転換の他のタイプ、例えば有機糖由来生成物（例えば、フルフラルおよびフルフラル由来生成物）の生成を、利用することができる。糖由来生成物の化学転換は、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、２０１２年７月３日出願の米国特許出願第１３／９３４，７０４号に記載される。
【０１７１】
発酵
例えば酵母およびザイモモナス菌は、糖（複数可）からアルコール（複数可）への発酵または変換に用いることができる。他の微生物は、以下に議論される。発酵の至適ｐＨは、約ｐＨ４〜７である。例えば、酵母の至適ｐＨは、約ｐＨ４〜５であるが、ザイモモナス属の至適ｐＨは、約５〜６である。典型的な発酵時間は、約２４〜１６８時間（例えば２４〜９６時間）で、温度は２０℃〜４０℃（例えば、２６℃〜４０℃）の範囲内であるが、好熱性微生物では、より高温が好ましい。
【０１７２】
幾つかの実施形態において、例えば嫌気性生物が、用いられる場合、発酵の少なくとも一部は、酸素の非存在下、例えばＮ２、Ａｒ、Ｈｅ、ＣＯ２またはそれらの混合物などの不活性ガスで覆われて、実行される。加えて混合物は、発酵の一部または全ての間、タンクを通して流れる不活性ガスの一定したパージを有し得る。幾つかの例において、嫌気性条件が、発酵中の二酸化炭素生成により達成または保持され、更なる不活性ガスは必要とならない。
【０１７３】
幾つかの実施形態において、発酵工程の全てまたは一部を、低分子量の糖が完全に生成物（例えば、エタノール）に変換される前に、遮断することができる。中間発酵生成物としては、高濃度の糖および炭水化物が挙げられる。糖および炭水化物は、当該技術分野で公知の任意手段により単離され得る。これらの中間発酵生成物は、ヒトまたは動物消費のための食物の調製に用いることができる。追加または代わりとして、中間発酵生成物は、ステンレス鋼の実験用ミルで微粒子径に粉砕されて、小麦粉様物質を生成することができる。ジェットミキシングを、発酵中に用いることができ、幾つかの例において、糖化および発酵は、同一タンク中で実施される。
【０１７４】
微生物のための栄養素は、糖化および／または発酵中に添加され、例えば食物ベースの栄養素パッケージは、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、２０１１年７月１５日出願の米国特許出願公開第２０１２／００５２５３６号に記載される。
【０１７５】
「発酵」は、内容が全体として参照により本明細書に組み入れられる、２０１３年６月２７日公開のＰＣＴ／ＵＳ２０１２／７１０９３号、２０１２年６月２７日公開のＰＣＴ／ＵＳ２０１２／７１９０７号、および２０１２年６月２７日公開のＰＣＴ／ＵＳ２０１２／７１０８３号に開示される。
【０１７６】
内容が全体として参照により本明細書に組み入れられる、国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７４０２８号（２００７年７月２０日出願；ＷＯ２００８／０１１５９８として英語で公開され、米国を指定）に記載されているように、可動性発酵槽を利用することができる。同様に、糖化設備は、可動性であってもよい。さらに、糖化および／または発酵は、輸送中に、一部または完全に実施されてもよい。  
【０１７７】
発酵剤
発酵に用いられる微生物（複数可）は、天然由来微生物および／または遺伝子操作された微生物であってもよい。例えば微生物は、細菌（例えば非限定的に、セルロース分解性細菌など）、真菌（例えば非限定的に、酵母など）、植物、原生生物、例えば原生動物または真菌様原生生物（例えば非限定的に、粘菌など）、または藻類であってもよい。生物体が適合性である場合、生物体の混合物を利用することができる。
【０１７８】
適切な発酵微生物は、炭水化物、例えばグルコース、フルクトース、キシロース、アラビノース、マンノース、ガラクトース、オリゴ糖または多糖を発酵生成物に変換する能力を有する。発酵微生物としては、サッカロミセス種（例えば非限定的に、Ｓ．セレビシエ（パン酵母）、Ｓ．ディスタチクス、Ｓ．ウバルムなど）、クルイベロミセス属（例えば非限定的に、Ｋ．マルキシアヌス、Ｋ．フラギリスなど）、カンジダ属（例えば非限定的に、Ｃ．シュードトロピカリスおよびＣ．ブラッシケ）、ピキア・スチピチス（カンジダ・シェハテの共通系統）、クラビスポラ属（例えば非限定的に、Ｃ．ルシタニエおよびＣ．オプンチエなど）、パチソレン属（例えば非限定的に、Ｐ．タンノフィルスなど）、ブレタンノミセス属（例えば非限定的に、Ｂ．クラウセニイ（Ｐｈｉｌｉｐｐｉｄｉｓ，  Ｇ．  Ｐ．，  １９９６，  Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ  ｂｉｏｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  ｉｎ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｎ  Ｂｉｏｅｔｈａｎｏｌ：  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，  Ｗｙｍａｎ，  Ｃ．Ｅ．，  ｅｄ．，  Ｔａｙｌｏｒ  ＆  Ｆｒａｎｃｉｓ，  Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，  ＤＣ，  １７９−２１２）など）の菌株が挙げられる。その他の適切な微生物としては、例えば、ザイモモナス・モビリス、クロストリジウム種（例えば非限定的に、Ｃ．テルモセルム（Ｐｈｉｌｉｐｐｉｄｉｓ，  １９９６，上記）、Ｃ．サッカロブチラセトニクム、Ｃ．チロブチリクム、Ｃ．サッカロブチリクム、Ｃ．プニセウム、Ｃ．ベイジェルンキイおよびＣ．アセトブチリクム）、モニリエラ種（例えば非限定的に、Ｍ．ポリニス、Ｍ．トメントサ、Ｍ．マディダ、Ｍ．ニグレッセンス、Ｍ．エドセファリ（Ｍ．ｏｅｄｏｃｅｐｈａｌｉ）、Ｍ．メガチリエンシス）、ヤロウィア・リポリチカ、アウレオバシジウム種、トリコスポロノイデス種、トリゴノプシス・バリアビリス、トリコスポロン種、モニリエラアセトアブタンス種、チフラ・バリアビリス、カンジダ・マグノリエ、ウスチラギノミセテス種、シュードザイマ・ツクバエンシス、ジゴサッカロミセス属の酵母種、デバリオマイセス属、ハンセヌラ属およびピチカ属、ならびにトルラ属の黒色真菌（例えば、Ｔ．コラリナ）などが挙げられる。
【０１７９】
更なる微生物としては、ラクトバチルスの群が挙げられる。例としては、ラクトバチルス・カゼイ、ラクトバチルス・ラムノサス、ラクトバチルス・デルブルエキイ、ラクトバチルス・プランタルム、ラクトバチルス・コリニフォルミス、例えばラクトバチルス・コリニフォルミス亜種トルケンス、ラクトバチルス・ペントサス、ラクトバチルス・ブレビスが挙げられる。他の微生物としては、ペディオコッカス・ペントサセウス（Ｐｅｄｉｏｃｏｃｕｓ  ｐｅｎｏｓａｃｅｕｓ）、リゾプス・オリゼが挙げられる。
【０１８０】
複数の生物体、例えば細菌、酵母および真菌を用いて、糖およびアルコールなどのバイオマス由来生成物をコハク酸および類似の生成物に発酵することができる。例えば生物体は、アクチノバシルス・スクシノゲネス、アナエロビオスピリルム・スクシニシプロデュセンス、マンヘイミア・スクシニシプロデュセンス、ルミノコッカス・フラベファシエンス、ルミノコッカス・アルブス、フィブロバクター・スクシノゲネス、バクテロイデス・フラギリス、バクテロイデス・ルミニコラ、バクテロイデス・アミロフィルス、バクテリオデス・スクシノゲネス、マンヘイミア・スクシニシプロデュセンス、コリネバクテリウム・グルタミカム、アスペルギルス・ニゲル、アスペルギルス・フミガーツス、ビソクラミス・ニベア、レンチヌス・デジェネ、ペシロマイセス・バリオチ、ペニシリウム・ビニフェラム、サッカロマイセス・セレビシエ、エンテロコッカス・フェカリ、プレボテラ・ルミニコラ、デバリオマイセス・ハンセニイ、カンジダ・カテヌラタＶＫＭ  Ｙ−５、Ｃ．ミコデルマＶＫＭ  Ｙ−２４０、Ｃ．ルゴサＶＫＭ  Ｙ−６７、Ｃ．パルジゲナ（ｐａｌｕｄｉｇｅｎａ）ＶＫＭ  Ｙ−２４４３、Ｃ．ウティリスＶＫＭ  Ｙ−７４、Ｃ．ウティリス７６６、Ｃ．ゼイラノイデスＶＫＭ  Ｙ−６、Ｃ．ゼイラノデスＶＫＭ  Ｙ−１４、Ｃ．ゼイラノデスＶＫＭ  Ｙ−２３２４、Ｃ．ゼイラノデスＶＫＭ  Ｙ−１５４３、Ｃ．ゼイラノデスＶＫＭ  Ｙ−２５９５、Ｃ．バリダＶＫＭ  Ｙ−９３４、クルイベロマイセス・ウィッカーハミイＶＫＭ  Ｙ−５８９、ピキア・アノマラＶＫＭ  Ｙ−１１８、Ｐ．ベッセイイＶＫＭ  Ｙ−２０８４、Ｐ．メディアＶＫＭ  Ｙ−１３８１，  Ｐ．ギリエルモンディＨ−Ｐ−４、Ｐ．ギリエルモンディ９１６、Ｐ．イノシトボラＶＫＭ  Ｙ−２４９４、サッカロマイセス・セレビシエＶＫＭ  Ｙ−３８１、トルロプシス・カンジダ１２７、トルロプシス・カンジダ４２０、ヤロウイア・リポリティカ１２ａ、Ｙ．リポリティカＶＫＭ  Ｙ−４７、Ｙ．リポリティカ６９、Ｙ．リポリティカＶＫＭ  Ｙ−５７、Ｙ．リポリティカ２１２、Ｙ．リポリティカ３７４／４、Ｙ．リポリティカ５８５、Ｙ．リポリティカ６９５、Ｙ．リポリティカ７０４、およびこれらの生物体の混合物から選択することができる。
【０１８１】
多くのそのような微生物菌株は、商業的に、または寄託機関、幾つか挙げるとＡＴＣＣ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｔｙｐｅ  Ｃｕｌｔｕｒｅ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ、  米国バージニア州マナサス所在）、ＮＲＲＬ（Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｅｒｖｉｃｅ  Ｃｕｌｔｕｒｅ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，  Ｐｅｏｒｉａ、米国イリノイ州ピオリア所在）またはＤＳＭＺ（Ｄｅｕｔｓｃｈｅ  Ｓａｍｍｌｕｎｇ  ｖｏｎ  Ｍｉｋｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｅｎ  ｕｎｄ  Ｚｅｌｌｋｕｌｔｕｒｅｎ  ＧｍｂＨ、ドイツ  ブラウンシュバイク所在）などを通して、公的に入手可能である。
【０１８２】
市販の酵母としては、例えばＲｅｄ  Ｓｔａｒ（登録商標）／Ｌｅｓａｆｆｒｅ  Ｅｔｈａｎｏｌ  Ｒｅｄ（米国のＲｅｄ  Ｓｔａｒ／ＬｅｓａｆｆｒｅＡから入手可能）、ＦＡＬＩ（登録商標）（米国のＢｕｒｎｓ  Ｐｈｉｌｉｐ  Ｆｏｏｄ  Ｉｎｃ．，のＦｌｅｉｓｃｈｍａｎｎ’ｓ  Ｙｅａｓｔ，  ａ  ｄｉｖｉｓｉｏｎから入手可能）、ＳＵＰＥＲＳＴＡＲＴ（登録商標）（Ａｌｌｔｅｃｈ、現在のＬａｌｅｍａｎｄから入手可能）、ＧＥＲＴ  ＳＴＲＡＮＤ（登録商標）（スウェーデンのＧｅｒｔ  Ｓｔｒａｎｄ  ＡＢから入手可能）およびＦＥＲＭＯＬ（登録商標）（ＤＳＭ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓから入手可能）が挙げられる。
【０１８３】
蒸留
こでまで記載された通り、発酵後、得られた流体は、例えば「ビールカラム」を用いて蒸留されて、大部分の水および残留固体からエタノールおよび他のアルコールを分離し得る。ビールカラムを出る蒸気は、例えば３５重量％エタノールであり、精留塔に供給することができる。精留塔からのほぼ共沸混合性（９２．５％）のエタノールおよび水の混合物は、蒸気相分子ふるいを用いて、純（９９．５％）エタノールに精製することができる。ビールカラム底は、三重効用蒸発器の第一効用に送出することができる。精留塔還流冷却器は、この第一効用のために熱を提供することができる。第一効用後、固体は、遠心分離器を用いて分離して、回転式乾燥機で乾燥することができる。遠心分離流出液の一部（２５％）は、発酵に再循環され、残りは第二および第三蒸発器効用に送出することができる。蒸発器凝縮物のほとんどが、かなり透明な凝縮物として該工程に戻され、小部分が、廃水処理に分けられて、低沸点化合物の蓄積を防止することができる。
【０１８４】
炭化水素含有材料
本明細書に記載された方法およびシステムを使用する他の実施形態において、例えばバイオマスと混合された、炭化水素含有材料を加工することができる。例えばコジェネレーションプラントで発生されたエネルギーは、炭化水素含有材料を加工するために用いることができ、またはボイラ用の燃料を提供することによりエネルギーを生成するのに用いることができる。本明細書に記載された工程の幾つかは、本明細書に記載された任意の炭化水素含有材料を処理するのに用いることができる。本明細書で用いられる「炭化水素含有材料」は、油砂、油頁岩、タールサンド、粉炭、石炭スラリー、ビチューメン、様々なタイプの石炭、ならびに炭化水素成分および固形分の両方を含む他の天然由来および合成材料を含むことを意味する。固形分としては、岩、砂、粘土、石、沈泥、掘削スラリー、または他の固体有機物および／もしくは無機物を挙げることができる。その用語は、掘削廃棄物および副産物などの廃棄生成物、精錬された廃棄物および副産物、または炭化水素成分を含む他の廃棄生成物、例えばアスファルトシングルおよび被覆、アスファルト舗装なども包含し得る。
【０１８５】
運搬システム
様々な運搬システムを用いて、バイオマス材料を、例えば議論された通り保管庫へ、そして保管庫内の電子ビームの下に運搬することができる。模範的コンベヤは、ベルトコンベヤ、空気式コンベヤ、スクリューコンベヤ、カート、列車、線路上の列車またはカート、エレベータ、フロントローダ、バックホー、クレーン、様々なスクレーパおよびショベル、トラック、ならびに投入デバイスを用いることができる。例えば振動コンベヤは、本明細書に記載された様々な工程で用いることができる。振動コンベヤは、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、２０１３年１０月１０日出願のＰＣＴ／ＵＳ２０１３／６４２８９号に記載される。
【０１８６】
振動コンベヤは、材料を広げて、コンベヤトラフの表面で均一な層を生成するのに、特に有用である。例えば最初の原料は、少なくとも４フィートの高さ（例えば、少なくとも約３フィート、少なくとも約２フィート、少なくとも約１フィート、少なくとも約６インチ、少なくとも約５インチ、少なくとも約４インチ、少なくとも約３インチ、少なくとも約２インチ、少なくとも約１インチ、少なくとも約１／２インチ）およびコンベヤの幅よりも小さい全長（例えば、約１０％未満、約２０％未満、約３０％未満、約４０％未満、約５０％未満、約６０％未満、約７０％未満、約８０％未満、約９０％未満、約９５％未満、約９９％未満）になり得る材料の堆積を形成することができる。振動コンベヤは、材料を、好ましくは先に議論された通り、コンベヤトラフの幅全体にかけ、均一な厚さを有するように、広げることができる。幾つかの例において、更なる展延方法が、有用になり得る。例えば散布スプレッダ、滴下スプレッダ（例えば、ＣＨＲＩＳＴＹ  ＳＰＲＥＡＤＥＲ（商標））またはそれらの組み合わせなどのスプレッダを用いて、広い面積に原料を滴下すること（例えば、配置すること、注入すること、ばらまくこと、および／または振りかけること）ができる。場合によりスプレッダは、振動コンベヤ上に広いシャワーまたはカーテンとしてバイオマスを送達することができる。さらに、第一のコンベヤ（例えば、第一のコンベヤは原料の照射において用いられる）から上流の第二のコンベヤが、第一のコンベヤ上にバイオマスを滴下することができ、そこで第二のコンベヤが、第一のコンベヤよりも小さい、運搬方向に対して横方向の幅を有し得る。特に第二のコンベヤが、振動コンベヤである場合、原料は、第二のコンベヤおよび第一のコンベヤの活動により広げられる。幾つかの選択的実施形態において、第二のコンベヤは、斜め方向に切断された端部から吐出されるようになっており（例えば、４：１比で斜めに切断）、材料が広いカーテンとして（例えば、第二のコンベヤの幅よりも広い）第一のコンベヤに滴下することができる。スプレッダ（例えば、散布スプレッダ、滴下スプレッダ、コンベヤ、またはクロスカット振動コンベヤ）によるバイオマスの最初の滴下エリアは、第一の振動コンベヤの幅全体に広がり得るか、またはこの幅の一部に広がり得る。材料は、コンベヤに滴下されると、コンベヤの振動により、さらに均一に広げられて、好ましくはコンベヤの幅全体が、バイオマスの均一層で覆われるようになる。幾つかの実施形態において、スプレッダの組み合わせを使用することができる。原料を広げる幾つかの方法は、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、２００２年７月２３日に出願され２００６年１２月２６日に公開された米国特許第７，１５３，５３３号に記載される。
【０１８７】
一般に、電子ビームを通って可能な限り急速に材料を運搬し、処理能力を最大にすることが好ましい。例えば材料は、少なくとも１フィート／分、例えば少なくとも２フィート／分、少なくとも３フィート／分、少なくとも４フィート／分、少なくとも５フィート／分、少なくとも１０フィート／分、少なくとも１５フィート／分、少なくとも２０フィート／分、少なくとも２５フィート／分、少なくとも３０フィート／分、少なくとも４０フィート／分、少なくとも５０フィート／分、少なくとも６０フィート／分、少なくとも７０フィート／分、少なくとも８０フィート／分、少なくとも９０フィート／分の速度で運搬することができる。運搬の速度は、ビーム電流および目的となる照射線量に関係し、例えば、５．５フィート幅のコンベヤに１／４インチ厚のバイオマスを１００ｍＡで広げる場合、コンベヤは、約２０フィート／分で移動して、有用な照射線量を提供することができ（例えば、１パスで約１０Ｍｒａｄ）、５０ｍＡでは、コンベヤは、約１０フィート／分で移動して、ほぼ同じ照射線量を提供することができる。
【０１８８】
材料を運搬し得る速度は、運搬される材料の形状および重量、ならびに所望の処理に依存する。材料、例えば粒子材料を流す場合、振動コンベヤでの運搬には特に実行し易い。運搬速度は、例えば少なくとも１００ポンド／時間（例えば、少なくとも５００ポンド／時間、少なくとも１０００ポンド／時間、少なくとも２０００ポンド／時間、少なくとも３０００ポンド／時間、少なくとも４０００ポンド／時間、少なくとも５０００ポンド／時間、少なくとも１００００ポンド／時間、少なくとも１５０００ポンド／時間、または少なくとも２５０００ポンド／時間）になり得る。幾つかの典型的な運搬速度は、約１０００〜１０，０００ポンド／時間（例えば、約１０００〜８，０００ポンド／時間、約２０００〜７，０００ポンド／時間、約２０００〜６，０００ポンド／時間、約２０００〜５，０００ポンド／時間、約２０００〜４，５００ポンド／時間、約１５００〜５，０００ポンド／時間、約３０００〜７，０００ポンド／時間、約３０００〜６，０００ポンド／時間、約４０００〜６，０００ポンド／時間および約４０００〜５，０００ポンド／時間）になり得る。典型的な運搬速度は、材料の密度に依存する。例えば密度約３５ポンド／フィート３および運搬速度約５０００ポンド／時間のバイオマスの場合、材料は、約１４３フィート３／時間の速度で運搬され、材料が１／４インチ厚で、５．５フィート幅のトラフに入れられる場合、材料は約１２５０フィート／時間（約２１フィート／分）の速度で運搬される。それゆえ材料を運搬する速度は、大きく変動し得る。好ましくは例えば１／４インチ厚のバイオマスは、約５〜１００フィート／分（例えば、約５〜１００フィート／分、約６〜１００フィート／分、約７〜１００フィート／分、約８〜１００フィート／分、約９〜１００フィート／分、約１０〜１００フィート／分、約１１〜１００フィート／分、約１２〜１００フィート／分、約１３〜１００フィート／分、約１４〜１００フィート／分、約１５〜１００フィート／分、約２０〜１００フィート／分、約３０〜１００フィート／分、約４０〜１００フィート／分、約２〜６０フィート／分、約３〜６０フィート／分、約５〜６０フィート／分、約６〜６０フィート／分、約７〜６０フィート／分、約８〜６０フィート／分、約９〜６０フィート／分、約１０〜６０フィート／分、約１５〜６０フィート／分、約２０〜６０フィート／分、約３０〜６０フィート／分、約４０〜６０フィート／分、約２〜５０フィート／分、約３〜５０フィート／分、約５〜５０フィート／分、約６〜５０フィート／分、約７〜５０フィート／分、約８〜５０フィート／分、約９〜５０フィート／分、約１０〜５０フィート／分、約１５〜５０フィート／分、約２０〜５０フィート／分、約３０〜５０フィート／分、約４０〜５０フィート／分）の速度で運搬される。例えば電子ビーム（例えば、シャワー、照射野）の下を通過する時に材料の一定した照射の維持を支援するために、材料が一定速度で運搬されることが好ましい。
【０１８９】
記載された振動コンベヤは、材料をふるい分けて選別するためのふるいを含むことができる。トラフの側面または底部の開口部を、例えばサイズまたは形状により、特定材料を選別、選択または除去するために用いることができる。幾つかのコンベヤは、支持構造への動的力を低減するために、釣合い重りを有する。幾つかの振動コンベヤは、螺旋エレベータとして構成され、表面のあたりで湾曲するように設計され、そして／または１つのコンベヤから他方のコンベヤに材料を滴下するように（例えば、段階的、カスケードまたは一連の段もしくは階段として）設計されている。材料を運搬することに加えて、コンベヤは、ふるい分け、分離、選別、分類、分配、サイズわけ、検閲、抜き取り、金属除去、凍結、ブレンド、混合、配列、加熱、蒸解、乾燥、脱水、浄化、洗浄、濾過、クエンチング、コーティング、除塵、および／または供給のために単独で、または他の設備もしくはシステムと連結させて、使用することができる。コンベヤは、カバー（例えば、防塵カバー）、側部吐出ゲート、底部吐出ゲート、特別なライナー（例えば、抗粘着性、ステンレス鋼、ゴム、特注のスチール、および／または溝付き）、分離したトラフ、クエンチプール、ふるい、穿孔プレート、検出器（例えば、金属検出器）、高温設計、食品等級の設計、ヒータ、乾燥機および／または冷却器を含むこともできる。加えてトラフは、様々な形状、例えば平坦な底部、Ｖ字形の底部、最上部のフランジ、湾曲した底部、いずれかの方向に隆起のある平板、管状、半円型、覆い付き、またはこれらのいずれかの組み合わせであってもよい。特に該コンベヤは、照射システムおよび／または設備と連結することができる。
【０１９０】
コンベヤ（例えば、振動コンベヤ）は、耐腐食性材料で作製することができる。コンベヤは、ステンレス鋼（例えば、３０４、３１６ステンレス鋼、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）合金およびＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）合金）を含む構造材料を使用することができる。例えばＨｙｎｅｓ（米国インディアナ州コーコモー所在）のＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）耐腐食性合金、例えばＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｂ−３（登録商標）合金、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）ＨＹＢＲＩＤ−ＢＣ１（登録商標）合金、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ−４合金、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ−２２（登録商標）合金、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ−２２ＨＳ（登録商標）合金、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ−２７６合金、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｃ−２０００（登録商標）合金、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｇ−３０（登録商標）合金、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｇ−３５（登録商標）合金、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｎ合金およびＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）ＵＬＴＩＭＥＴ（登録商標）合金。
【０１９１】
振動コンベヤは、非粘着性の剥離コーティング、例えばＴＵＦＦＬＯＮ（商標）（Ｄｕｐｏｎｔ、米国デラウエア所在）を含むことができる。振動コンベヤは、耐腐食性コーティングを含むこともできる。例えば、Ｍｅｔａｌ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ  Ｃｏｒｐ（米国テキサス州ヒューストン所在）から供給され得るコーティングなど、例えばフルオロポリマーＸＹＬＡＮ（登録商標）、二硫化モリブデン、エポキシフェノール、リン酸第一鉄金属コーティング、エポキシ用のポリウレタン高光沢トップコート  、無機亜鉛、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＰＳ／ＲＹＴＯＮ（登録商標）、フッ素化エチレンプロピレン、ＰＶＤＦ／ＤＹＫＯＲ（登録商標）、ＥＣＴＦＥ／ＨＡＬＡＲ（登録商標）およびセラミックエポキシコーティング。コーティングは、プロセスガス（例えば、オゾン）、化学腐食、点食、焼き付き腐食および酸化への耐性を改善することができる。
【０１９２】
場合により、本明細書に記載された運搬システムに加えて、１つ以上の他の運搬システムが取り囲まれていてもよい。囲みを利用する場合、取り囲まれた運搬システムは、酸素レベルの低い大気中に保持されるように、不活性ガスでパージさせることもできる。酸素レベルを低く保つことで、幾つかの例において反応性および毒性により望ましくない、オゾンの形成が回避される。例えば酸素は、約２０％未満（例えば、約１０％未満、約１％未満、約０．１％未満、約０．０１％未満または約０．００１％未満の酸素）になり得る。パージは、非限定的に窒素、アルゴン、ヘリウムまたは二酸化炭素などの不活性ガスを用いて実施することができる。これは、液体供給源（例えば、液体窒素またはヘリウム）の蒸発により供給すること、そのものの位置で空気から発生もしくは分離すること、またはタンクから供給することができる。不活性ガスは、再循環することができ、任意の残留酸素を、銅触媒床などの触媒を用いて除去することができる。あるいはパージと、再循環と、酸素除去の組み合わせを、酸素レベルを低く保つために実施することができる。
【０１９３】
取り囲まれたコンベヤは、バイオマスと反応し得る反応性ガスでパージすることもできる。これは、照射工程の前、照射工程中または照射工程後に実施することができる。反応性ガスは、亜酸化窒素、アンモニア、酸素、オゾン、炭化水素、芳香族化合物、アミド、過酸化物、アジド、ハロゲン化物、オキシハロゲン化物、リン化物、ホスフィン、アルシン、スルフィド、チオール、ボラン、および／または水素化物であってもよいが、これらに限らない。反応性ガスは、例えば照射（例えば、電子ビーム、ＵＶ照射、マイクロ波照射、加熱、ＩＲ線）により、囲みの中で活性化させて、反応性ガスをバイオマスと反応させることができる。バイオマスそのものは、例えば照射により、活性化することができる。好ましくはバイオマスは、電子ビームにより活性化されてラジカルを生成し、その後、例えばラジカルカップリングまたはクエンチングにより、活性化または不活性化反応性ガスと反応させる。
【０１９４】
取り囲まれたコンベヤに供給されたパージガスは、例えば約２５℃未満、約０℃未満、約−４０℃未満、約−８０℃未満、約−１２０℃未満に冷却することもできる。例えばガスは、液体窒素などの圧縮ガスから蒸発させること、または固体二酸化炭素から昇華させることができる。別の例として、ガスは冷凍機により冷却することができ、またはコンベヤの一部もしくは全体を冷却することができる。
【０１９５】
他の実施形態
本明細書で議論された任意の材料、加工または加工された材料を用いて、複合体、充填剤、結合剤、可塑性添加剤、吸着剤および制御放出剤などの生成物および／または中間体を作製することができる。該方法は、例えば圧力および熱を材料に加えることによる、高密度化を含むことができる。例えば複合体は、繊維性材料を樹脂またはポリマーと混和することにより作製することができる。例えば放射線架橋性樹脂、例えば熱可塑性樹脂を繊維性材料と混和して、繊維性材料／架橋性樹脂の混和物を提供することができる。そのような材料は、例えば建築材料、保護シート、コンテナおよび他の構造材料（例えば、鋳造および／または押出生成物）として有用になり得る。吸収剤は、例えばペレット、チップ、繊維および／またはシートの形態であってもよい。吸着剤を、例えばペット用寝床材、梱包材として、または汚染制御システムにおいて用いることができる。制御放出性マトリックスは、例えばペレット、チップ、繊維および／またはシートの形態であってもよい。制御放出性マトリックスは、例えば薬物、殺生物剤、芳香剤を放出するために用いることができる。例えば複合体、吸収剤および制御放出剤、ならびにそれらの使用は、開示全体が参照により本明細書に組み入れられる、２００６年３月２３日出願の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０１０６４８号および２０１１年１１月２２日出願の米国特許第８，０７４，９１０号に記載される。
【０１９６】
幾つかの例において、バイオマス材料は、例えば加速された電子を用いて、第一のレベルで処理されて難分解性を低下させ、１種以上の糖（例えば、キシロース）を選択的に放出する。バイオマスは、その後、第二のレベルに処理されて、１種以上の他の糖（例えば、グルコース）を放出することができる。場合によりバイオマスは、処理間で乾燥させることができる。処理は、化学処理および生化学処理を施して、糖を放出することができる。例えばバイオマス材料は、約２０Ｍｒａｄ未満（例えば、約１５Ｍｒａｄ未満、約１０Ｍｒａｄ未満、約５Ｍｒａｄ未満、約２Ｍｒａｄ未満）のレベルに処理され、その後、１０％未満（例えば、約９％未満、約８％未満、約７％未満、約６％未満、約５％未満、約４％未満、約３％未満、約２％未満、約１％未満、約０．７５％未満、約０．５０％未満、約０．２５％未満）の硫酸を含む硫酸溶液で処理されて、キシロースを放出することができる。例えば溶液に放出されるキシロースを固体から分離し、場合により固体を溶媒／溶液（例えば、水および／または酸性化水）で洗浄することができる。場合により固体を、例えば空気中、および／または真空下で場合により加熱しながら（例えば、約１５０℃未満、約１２０℃未満）で水分量約２５重量％未満（約２０重量％未満、約１５重量％未満、約１０重量％未満、約５重量％未満、）に乾燥させることができる。その後、固体を約３０Ｍｒａｄ未満（例えば、約２５Ｍｒａｄ未満、約２０Ｍｒａｄ未満、約１５Ｍｒａｄ未満、約１０Ｍｒａｄ未満、約５Ｍｒａｄ未満、約１Ｍｒａｄ未満または全くない）のレベルで処理し、その後、酵素（例えば、セルラーゼ）で処理して、グルコースを放出することができる。グルコース（例えば、溶液中グルコース）を、残留固体から分離することができる。その後、固体をさらに加工して、例えばエネルギーまたは他の生成物（例えば、リグニン由来生成物）を生成するのに用いることができる。
【０１９７】
香味剤、芳香剤および着色剤
例えば本明細書に記載された工程、システムおよび／または設備により生成される、本明細書に記載された生成物および／または中間体のいずれかを、香味剤、芳香剤、着色剤および／またはこれらの混合物と混和することができる。例えば、糖、有機酸、燃料、ポリオール、例えば糖アルコール、バイオマス、繊維および複合体（場合により香味剤、芳香剤および／または着色剤と共に）の任意の１種以上を、混和（例えば、製剤、混合または反応）することができ、または他の生成物を作製するのに用いることができる。例えば１種以上のそのような生成物を用いて、石鹸、洗剤、キャンディー、飲料（例えば、コーラ、ワイン、ビール、リキュール、例えばジンまたはウォッカ、スポーツ飲料、コーヒー、紅茶）、シロップ医薬品、接着剤、シート（例えば、織物、不織布、フィルター、ティッシュ）および／または複合体（例えば、板）を作製することができる。例えば１種以上のそのような生成物を、ハーブ、花、花びら、スパイス、ビタミン、ポプリ、または蝋燭と混和することができる。例えば製剤、混合または反応させた混和物は、グレープフルーツ、オレンジ、アップル、ラズベリー、バナナ、レタス、セロリ、シナモン、チョコレート、バニラ、ペパーミント、ミント、玉ねぎ、にんにく、胡椒、サフラン、生姜、ミルク、ワイン、ビール、紅茶、赤身の牛肉、魚、二枚貝、オリーブオイル、ココナッツ脂肪、豚脂、バター脂肪、ビーフブイヨン、マメ科植物、ジャガイモ、マーマレード、ハム、コーヒーおよびチーズの香味剤／芳香剤を有することができる。
【０１９８】
香味剤、芳香剤および着色剤は、任意の量、例えば約０．００１重量％〜約３０重量％、例えば約０．０１重量％〜約２０重量％、約０．０５重量％〜約１０重量％、または約０．１重量％〜約５重量％添加することができる。これらは、任意の手段および任意の順序または連続で（例えば、撹拌、混合、乳化、ゲル化、注入、加熱、音波処理、および／または懸濁）製剤、混合および／または反応させることができる（例えば、本明細書に記載される任意の１種以上の生成物または中間体と）。充填剤、結合剤、乳化剤、抗酸化剤、例えばタンパク質のゲル、デンプンおよびシリカを、用いることもできる。
【０１９９】
一実施形態において、照射により生成された反応部位が香味剤、芳香剤および着色剤の反応適合性部位と反応し得るようにバイオマスを照射した直後に、香味剤、芳香剤および着色剤をバイオマスに添加することができる。
【０２００】
香味剤、芳香剤および着色剤は、天然および／または合成材料であってもよい。これらの材料は、化合物、組成物またはこれらの混合物のうちの１つ以上であってもよい（例えば、複数の化合物の製剤または天然組成物）。場合により香味剤、芳香剤、抗酸化剤および着色剤は、例えば発酵工程（例えば、本明細書に記載された糖化材料の発酵）から、生物学的に誘導することができる。代わりまたは追加として、これらの香味剤、芳香剤および着色剤は、生物体の全体（例えば、植物、真菌、動物、細菌または酵母）または生物体の一部から採取することができる。生物体は、回収および／または抽出されて、本明細書に記載された方法、システムおよび設備を用いること、高温抽出、超臨界流体抽出、化学的抽出（例えば、酸および塩基を含む溶媒または反応性抽出）、機械的抽出（例えば、圧迫、破砕、濾過）、酵素の使用、出発原料を破壊するような細菌の使用、ならびにこれらの方法の組み合わせなど任意の手段により、色、香味剤、芳香剤および／または抗酸化剤を提供することができる。該化合物は、化学反応、例えば糖（例えば、本明細書に記載された通り生成される）とアミノ酸との混和（メイラード反応）により誘導することができる。香味剤、芳香剤、酸化剤および／または着色剤は、本明細書に記載された方法、設備またはシステムにより生成される中間体および／または生成物、例えばエステルおよびリグニン由来生成物であってもよい。
【０２０１】
香味剤、芳香剤または着色剤の幾つかの例が、ポリフェノールである。ポリフェノールは、多くの果物、野菜、穀粒および花の赤色、紫色および青色着色剤を担う顔料である。ポリフェノールは、抗酸化性も有することができ、多くの場合、苦味を有する。抗酸化性は、これらを重要な防腐剤にする。ポリフェノールの分類に、フラボノイド、例えばアントシアニジン、フラバノノール、フラバン−３−オール、フラバノンおよびフラバノノールである。用いられ得る他のフェノール性化合物としては、フェノール酸およびそのエステル、例えばクロロゲン酸および高分子タンニンが挙げられる。
【０２０２】
着色剤のうち、無機化合物、無機質または有機化合物、例えば二酸化チタン、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、カドミウムイエロー（例えば、ＣｄＳ）、カドミウムオレンジ（例えば、若干のＳｅを含むＣｄＳ）、アリザリンクリムゾン（例えば、合成または非合成ローズマダー）、ウルトラマリン（例えば、合成ウルトラマリン、天然ウルトラマリン、合成ウルトラマリンバイオレット）、コバルトブルー、コバルトイエロー、コバルトグリーン、ビリジアン（例えば、酸化クロム（ＩＩＩ）水和物）、黄銅鉱、コニカルコ石、コルヌビア石、コーンウォール石およびリロコナイトを用いることができる。カーボンブラックおよび自己分散型ブラックなどの黒色顔料を用いてもよい。
【０２０３】
用いられ得る幾つかの香味剤および芳香剤としては、アカレアＴＢＨＱ、アセットＣ−６、アリルアミルグリコラート、α−テルピネオール、アンブレットリド、アンブリノール９５、アンドラン、アフェルメート、アップルライド（ＡＰＰＬＥＬＩＤＥ）、ＢＡＣＤＡＮＯＬ（登録商標）、ベルガマル、β−イオノンエポキシド、β−ナフチルイソブチルエーテル、ビシクロノナラクトン、ＢＯＲＮＡＦＩＸ（登録商標）、カントキサール、ＣＡＳＨＭＥＲＡＮ（登録商標）、ＣＡＳＨＭＥＲＡＮ（登録商標）ＶＥＬＶＥＴ、ＣＡＳＳＩＦＦＩＸ（登録商標）、セドラフィックス、ＣＥＤＲＡＭＢＥＲ（登録商標）、セドリルアセタート、セレストリド、シンナマルバ、シトラルジメチルアセタート、ＣＩＴＲＯＬＡＴＥ（商標）、シトロネロール７００、シトロネロール９５０、シトロネロールクール、シトロネリルアセタート、シトロネリルアセタートピュア、シトロネリルアセタートピュア、シトロネリルホルマート、クラリセット、クロナール、コニフェラン、コニフェランピュア、コルテクスアルデヒド５０％ペオモサ、シクラブテ、ＣＹＣＬＡＣＥＴ（登録商標）、ＣＹＣＬＡＰＲＯＰ（登録商標）、  ＣＹＣＬＥＭＡＸ（商標）、シクロヘキシルエチルアセタート、ダマスコル、δダマスコン、ジヒドロシクラセット、ジヒドロミルセノール、ジヒドロテルピネオール、ジヒドロテルピニルアセタート、ジメチルシクロルモール、ジメチルオクタノールＰＱ、ジミルセトール、ジオラ、ジペンテン、ＤＵＬＣＩＮＹＬ（登録商標）  ＲＥＣＲＹＳＴＡＬＬＩＺＥＤ、エチル−３−フェニルグリシダート、フレーラモン、フレーラニル、フローラルスーパー、フロラロゾン、フロリフォール、フレイストン（ＦＲＡＩＳＴＯＮＥ）、フルクトン、ＧＡＬＡＸＯＬＩＤＥ（登録商標）５０、ＧＡＬＡＸＯＬＩＤＥ（登録商標）５０  ＢＢ、ＧＡＬＡＸＯＬＩＤＥ（登録商標）５０  ＩＰＭ、ＧＡＬＡＸＯＬＩＤＥ（登録商標）  ＵＮＤＩＬＵＴＥＤ、ＧＡＬＢＡＳＣＯＮＥ、ゲラルデヒド、ゲラニオール５０２０、ゲラニオール６００タイプ、ゲラニオノール９５０、ゲラニオール９８０（ピュア）、ゲラニオールＣＦＴクール、ゲラニオールクール、ゲラニルアセタートクール、ゲラニルアセタートピュア、ゲラニルホルマート、グリサルバ、グアイルアセタート、ＨＥＬＩＯＮＡＬ（商標）、ヘルバック、ＨＥＲＢＡＬＩＭＥ（商標）、ヘキサデカノリド、ヘキサロン、ヘキセニルサリチラートシス−３，ヒヤシンスボディ、ヒヤシンスボディＮｏ．３、ハイドラトロピックアルデヒドＤＭＡ、ヒドロキシオール、ハイポーレム、インドラローム、イントレレベンアルデヒド、イントレレベンアルデヒドスペシャル、イオノンアルファ、イオノンベータ、イソシクロシトラル、イソシクロゲラニオール、ＩＳＯ  Ｅ  ＳＵＰＥＲ（登録商標）、イソブチルキノリン、ジャスマル、ＪＥＳＳＥＭＡＬ（登録商標）、ＫＨＡＲＩＳＭＡＬ（登録商標）、ＫＨＡＲＩＳＭＡＬ（登録商標）ＳＵＰＥＲ、クフシニル、ＫＯＡＶＯＮＥ（登録商標）、ＫＯＨＩＮＯＯＬ（登録商標）、ＬＩＦＦＡＲＯＭＥ（商標）、リモキサール、ＬＩＮＤＥＮＯＬ（商標）、ＬＹＲＡＬ（登録商標）、リレイムスーパー、マンダリンアルド１０％トリ��チル、ＣＩＴＲ、マリティマ、ＭＣＫチャイニーズ、ＭＥＩＪＩＦＦ（商標）、メラフレール、メロゾン、メチルアントラニラート、メチルイオノンアルファエキストラ、メチルイオノンガンマＡ、メチルイオノンガンマクール、メチルイオノンガンマピュア、メチルラベンダーケトン、ＭＯＮＴＡＶＥＲＤＩ（登録商標）、ミュゲシア、ミュゲアルデヒド５０、ムスクＺ４、ミラックアルデヒド、ミルセニルアセタート、ＮＥＣＴＡＲＡＴＥ（商標）、ネロール９００、ネリルアセタート、オシメン、オクタセタール、オレンジフラワーエーテル、オリボン、ＯＲＲＩＮＩＦＦ２５％、オキサスピラン、オゾフレール、ＰＡＭＰＬＥＦＬＥＵＲ（登録商標）、ペオモサ、ＰＨＥＮＯＸＡＮＯＬ（登録商標）、ピコニア、プレシクレモンＢ、プレニルアセタート、プリスマントール、レセダボディ、ロザルバ、ロザムスク、サンジノール、ＳＡＮＴＡＬＩＦＦ（商標）、シベルタール、テルピネオール、テルピノレン２０、テルピノレン９０ＰＱ、テルピノレンレクト（ＴＥＲＰＹＮＯＬＥＮＥ  ＲＥＣＴ．）、テルピニルアセタート、テルピニルアセタートＪＡＸ、ＴＥＴＲＡＨＹＤＲＯ  ＭＵＧＵＯＬ（登録商標）、テトラヒドロミルセノール、テトラメラン、ＴＩＭＢＥＲＳＩＬＫ（商標）、トバカロール、ＴＲＩＭＯＦＩＸ（登録商標）Ｏ  ＴＴ、ＴＲＩＰＬＡＬ（登録商標）、ＴＲＩＳＡＭＢＥＲ（登録商標）、バノリス、ＶＥＲＤＯＸ（商標）、ＶＥＲＤＯＸ（商標）ＨＣ、ＶＥＲＴＥＮＥＸ（登録商標）、ＶＥＲＴＥＮＥＸ（登録商標）ＨＣ、ＶＥＲＴＯＦＩＸ（登録商標）ＣＯＥＵＲ、ベルトリフ、ベルトリフイソ、ビオリフ、ビバルディエ、ゼノリド、ＡＢＳ  インディア  ７５  ＰＣＴ  ミグリオール、ＡＢＳ  モロッコ  ５０  ＰＣＴ  ＤＰＧ、ＡＢＳ  モロッコ  ５０  ＰＣＴ  ＴＥＣ、アブソルートフレンチ、アブソルートインディア、アブソルートＭＤ  ５０  ＰＣＴ  ＢＢ、アブソルートモロッコ、コンセントレート  ＰＧ、ティンクチャー２０  ＰＣＴ、アンバーグリス、アンブレットアブソルート、アンブレットシードオイル、アルモワーズオイル７０  ＰＣＴ  ツヨン、バジルアブソルートグランベール、バジルグランベールＡＢＳ  ＭＤ、バジルオイルグランベール、バジルオイルバーベナ、バジルオイルベトナム、ベイオイルテルペンレス、ビーズワックスＡＢＳ  Ｎ  Ｇ、ビーズワックスアブソルート、ベンゾインレジノイドシアム、ベンゾインレジノイドシアム５０  ＰＣＴ  ＤＰＧ、ベンゾインレジノイドシアム  ５０  ＰＣＴ  ＰＧ，ベンゾインレジノイドシアム  ７０．５  ＰＣＴ  ＴＥＣ、ブラックカラントブッド  ＡＢＳ  ６５  ＰＣＴ  ＰＧ、ブラックカラントブッド  ＡＢＳ  ＭＤ  ３７  ＰＣＴ  ＴＥＣ、ブラックカラントブッド  ＡＢＳ  ミグリオール、ブラックカラントブッドアブソルートバーガンディ、ボアドローズオイル、ブランアブソルート、ブランレジノイド、ブルームアブソルートイタリー、カルダモングアテマラＣＯ２エキストラクト、カルダモンオイルグアテマラ、カルダモノイルインディア、キャロットハート、キャシーアブソルートエジプト、キャシーアブソルート  ＭＤ  ５０  ＰＣＴ  ＩＰＭ、キャストレウム  ＡＢＳ  ９０  ＰＣＴ  ＴＥＣ、キャストレウム  ＡＢＳ  Ｃ  ５０  ＰＣＴ  ミグリオール、キャストレウム  アブソルート、キャストレウムレジノイド、キャストレウムレジノイド  ５０  ＰＣＴ  ＤＰＧ、セドロールセドレン、セドラスアトランティカオイルレジスト、カモミールオイルロマン、カモミールオイルワイルド、カモミールオイルワイルドロウリモネン（ＣＨＡＭＯＭＩＬＥ  ＯＩＬ  ＷＩＬＤ  ＬＯＷ  ＬＩＭＯＮＥＮＥ）、シナモンバークオイルセイロン、シストアブソルート、シストアブソルートカラーレス、シトロネラオイルアジアアイロンフリー、シベット  ＡＢＳ  ７５  ＰＣＴ  ＰＧ、シベットアブソルート、シベットティンクチュア  １０  ＰＣＴ、クラリセージ  ＡＢＳ  フレンチ  デコル（ＤＥＣＯＬ）、クラリセージアブソルートフレンチ、クラリセージ  シーレス（Ｃ’ＬＥＳＳ）  ５０  ＰＣＴ  ＰＧ、クラリセージオイルフレンチ、コパイババルサム、コパイババルサムオイル、コリアンダーシードオイル、シプレスオイル、シプレスオイルオーガニック、ダバナオイル、ガルバノール、ガルバナムアブソルートカラーレス、ガルバナムオイル、ガルバナムレジノイド、ガルバナムレジノイド  ５０  ＰＣＴ  ＤＰＧ、ガルバナムレジノイドヘルコリンＢＨＴ、ガルバナムレジノイドＴＥＣ  ＢＨＴ、ゲンチアン（ＧＥＮＥＴＩＡＮＥ）アブソルート  ＭＤ  ２０  ＰＣＴ  ＢＢ、ゲンチアンコンクリート、ゲラニウム  ＡＢＳ  エジプト  ＭＤ、ゲラニウムアブソルートエジプト、ゲラニウムオイルチャイナ、ゲラニウムオイルエジプト、ジンジャーオイル６２４、ジンジャーオイル  精留可溶性（ＲＥＣＴＩＦＩＥＤ  ＳＯＬＵＢＬＥ）、グアヤクウッドハート、ヘイ  ＡＢＳ  ＭＤ  ５０  ＰＣＴ  ＢＢ、ヘイアブソルート、ヘイアブソルート  ＭＤ  ５０  ＰＣＴ  ＴＥＣ、ヒーリングウッド、ヒソップオイルオーガニック、イモーテル  ＡＢＳ  ユーゴ  ＭＤ  ５０  ＰＣＴ  ＴＥＣ、イモーテルアブソルートスペイン、イモーテルアブソルートユーゴ、ジャスミンＡＢＳインディアＭＤ、ジャスミンアブソルートエジプト、ジャスミンアブソルートインディア、ジャスミン（ＡＳＭＩＮ）アブソルートモロッコ、ジャスミンアブソルートサンバック、ジョンキルＡＢＳ  ＭＤ  ２０  ＰＣＴ  ＢＢ、ジョンキルアブソルートフランス、ジュニパーベリーオイルＦＬＧ、ジュニパーベリーオイル  精留可溶性、ラブダニウムレジノイド  ５０  ＰＣＴ  ＴＥＣ、ラブダニウムレジノイド  ＢＢ、ラブダニウムレジノイド  ＭＤ、ラブダニウムレジノイド  ＭＤ  ５０  ＰＣＴ  ＢＢ、ラバンジンアブソルート  Ｈ、ラバンジンアブソルート  ＭＤ、ラバンジンオイル、アブリアルオーガニック、ラバンジンオイルグロッソオーガニック、ラバンジンオイルスーパー、ラベンダーアブソルート  Ｈ、ラベンダーアブソルート  ＭＤ、ラベンダーオイルクマリンフリー、ラベンダーオイルクマリンフリーオーガニック、ラベンダーオイルメイレットオーガニック、ラベンダーオイルＭＴ、メイスアブソルート  ＢＢ、モクレン花オイルローメチルオイゲノール、モクレン花オイル、モクレン花オイル  ＭＤ、モクレン葉オイル、マンダリンオイル  ＭＤ、マンダリンオイル  ＢＨＴ、マテアブソルート  ＢＢ、モスツリー（ＭＯＳＳ  ＴＲＥＥ）アブソルート  ＭＤ  ＴＥＸ  ＩＦＲＡ  ４３、モスオ���ク  ＡＢＳ  ＭＤ  ＴＥＣ  ＩＦＲＡ  ４３、モスオークアブソルート  ＩＦＲＡ  ４３、モスオークアブソルート  ＭＤ  ＩＰＭ  ＩＦＲＡ  ４３、ミルラレジノイド  ＢＢ、ミルラレジノイド  ＭＤ、ミルラレジノイドＴＥＣ、マートルオイルアイロンフリー、マートルオイルチュニジア精留、ナルシスＡＢＳ  ＭＤ  ２０  ＰＣＴ  ＢＢ、ナルシスアブソルートフレンチ、ネロリオイルチュニジア、ナツメグオイルテルペンレス、カーネーションアブソルート、オリバナムアブソルート、オリバナムレジノイド、オリバナムレジノイド  ＢＢ、オリバナムレジノイド  ＤＰＧ、オリバナムレジノイドエキストラ  ５０  ＰＣＴ  ＤＰＧ、オリバナムレジノイド  ＭＤ、オリバナムレジノイド  ＭＤ  ５０  ＰＣＴ  ＤＰＧ、オリバナムレジノイドＴＥＣ、オポポナックスレジノイド  ＴＥＣ、オレンジビガラーデオイル  ＭＤ  ＢＨＴ、オレンジビガラーデオイル  ＭＤ  ＳＣＦＣ、オレンジフラワーアブソルートチュニジア、オレンジフラワーウォーターアブソルートチュニジア、オレンジリーフアブソルート、オレンジリーフウォーターアブソルートチュニジア、オリスアブソルートイタリー、オリスコンクリート  １５  ＰＣＴ  イロン（ＩＲＯＮＥ）、オリスコンクリート  ８  ＰＣＴ  イロン、オリスナチュラル  １５  ＰＣＴ  イロン  ４０９５Ｃ、オリスナチュラル  ８  ＰＣＴ  イロン  ２９４２Ｃ、オリスレジノイド、オスマンサスアブソルート、オスマンサスアブソルート  ＭＤ  ５０  ＰＣＴ  ＢＢ、パチョリハートＮｏ３、パチョリオイルインドネシア、パチョリオイルインドネシアアイロンフリー、パチョリオイルインドネシア  ＭＤ、パチョリオイルレジスト、ペニーロイヤルハート、ペパーミントアブソルート  ＭＤ、プチグレインビガラードオイルチュニジア、プチグレインシトロニエオイル、プチグレインオイルパラグアイテルペンレス、プチグレインオイルテルペンレスＳＴＡＢ、ピメントベリーオイル、ピメントリーフオイル、ロジノールＥＸゲラニウムチャイナ、ローズＡＢＳブルガリアンローメチルオイゲノール、ローズＡＢＳモロッコローメチルオイゲノール、ローズＡＢＳターキッシュローメチルオイゲノール、ローズアブソルート、ローズアブソルートブルガリアン、ローズアブソルートダマスケナ、ローズア
ブソルートＭＤ、ローズアブソルートモロッコ、ローズアブソルートターキッシュ、ローズオイルブルガリアン、ローズオイルダマスケナ低メチルオイゲノール、ローズオイルターキッシュ、ローズマリーオイルカンファーオーガニック、ローズマリーオイルチュニジア、ビャクダンオイルインディア、ビャクダンオイルインディア精留、サンタロール、シヌスモーレオイル、ＳＴジョンブレッドティンクチュア  １０  ＰＣＴ、スチラックスレジノイド、タジェットオイル、ティーツリーハート、トンカ豆  ＡＢＳ  ５０  ＰＣＴ  ソルベント、トンカ豆アブソルート、チュベローズアブソルートインディア、ベチバーハートエキストラ、ベチバーオイルハイチ、ベチバーオイルハイチ  ＭＤ、ベチバーイルジャワ、ベチバーオイルジャワＭＤ、バイオレットリーフアブソルートエジプト、バイオレットリーフアブソルートエジプトデコル、バイオレットリーフアブソルートフレンチ、バイオレットリーフアブソルート  ＭＤ  ５０  ＰＣＴ  ＢＢ、ニガヨモギオイルテルペンレス、イランエキストラオイル、イランＩＩＩオイルおよびこれらの組み合わせが挙げられる。
【０２０４】
着色剤は、英国染料染色学会によるカラーインデックスに列挙されたものであってもよい。着色剤は、染料および顔料を含み、織物、ペイント、インクおよびインクジェット用インクを着色するために一般に用いられるものを含む。用いられ得る幾つかの着色剤としては、カロテノイド、アリーリドイエロー、ジアリーリドイエロー、β−ナフトール、ナフトール、ベンゾイミダゾロン、ジスアゾ濃縮顔料、ピラゾロン、ニッケルアゾイエロー、フタロシアニン、キナクリドン、ペリレンおよびペリノン、イソインドリノンおよびイソインドリン顔料、トリアリールカルボニウム顔料、ジケトピロロピロール顔料、チオインジゴイドが挙げられる。カロテノイドとしては、例えば、α−カロテン、β−カロテン、γ−カロテン、リコペン、ルテインおよびアスタキサンチンアナットーエキス、脱水ビート（ビート粉末）、カンタキサンチン、カラメル、β−アポ−８’−カロテナール、コチニールエキス、カーミン、銅クロロフィリンナトリウム、焼成し部分的に脱脂し蒸解した綿実粉（ｔｏａｓｔｅｄ  ｐａｒｔｉａｌｌｙ  ｄｅｆａｔｔｅｄ  ｃｏｏｋｅｄ  ｃｏｔｔｏｎｓｅｅｄ  ｆｌｏｕｒ）、グルコン酸第一鉄、乳酸第一鉄、ブドウ色エキス、ブドウ果皮エキス（エノシアニナ）、ニンジンオイル、パプリカ、パプリカオレオレジン、雲母系パールエッセンス顔料、リボフラビン、サフラン、二酸化チタン、トマトリコペンエキス、トマトリコペン濃縮物、ターメリック、ターメリックオレオレジン、ＦＤ＆Ｃ青色１号、ＦＤ＆Ｃ青色２号、ＦＤ＆Ｃ緑色３号、オレンジＢ、シトラスレッド２号、ＦＤ＆Ｃ赤色３号、ＦＤ＆Ｃ赤色４０号、ＦＤ＆Ｃ黄色５号、ＦＤ＆Ｃ黄色６号、アルミナ（乾燥水酸化アルミニウム）、炭酸カルシウム、銅クロロフィリンカリウムナトリウム（クロロフィリン−銅錯体）、ジヒドロキシアセトン、オキシ塩化ビスマス、フェロシアン化第二鉄アンモニウム、フェロシアン化第二鉄、水酸化クロムグリーン、酸化クロムグリーン、グアニン、パイロフィライト、タルク、アルミニウム粉末、ブロンズ粉末、銅粉末、酸化亜鉛、Ｄ＆Ｃ青色４号、Ｄ＆Ｃ緑色５号、Ｄ＆Ｃ緑色６号、Ｄ＆Ｃ緑色８号、Ｄ＆Ｃ橙色４号、Ｄ＆Ｃ橙色５号、Ｄ＆Ｃ橙色１０号、Ｄ＆Ｃ橙色１１号、ＦＤ＆Ｃ赤色４号、Ｄ＆Ｃ赤色６号、Ｄ＆Ｃ赤色７号、Ｄ＆Ｃ赤色１７号、Ｄ＆Ｃ赤色２１号、Ｄ＆Ｃ赤色２２号、Ｄ＆Ｃ赤色２７号、Ｄ＆Ｃ赤色２８号、Ｄ＆Ｃ赤色３０号、Ｄ＆Ｃ赤色３１号、Ｄ＆Ｃ赤色３３号、Ｄ＆Ｃ赤色３４号、Ｄ＆Ｃ赤色３６号、Ｄ＆Ｃ赤色３９号、Ｄ＆Ｃ紫色２号、Ｄ＆Ｃ黄色７号、Ｄ＆Ｃ黄色７号エキス、Ｄ＆Ｃ黄色８号、Ｄ＆Ｃ黄色１０号、Ｄ＆Ｃ黄色１１号、Ｄ＆Ｃ黒色２号、Ｄ＆Ｃ黒色３（３）号、Ｄ＆Ｃ茶色１号、Ｄ＆Ｃクロム−コバルト−酸化アルミニウムエキス、クエン酸鉄アンモニウム、ピロガロール、ログウッドエキス、１，４−ビス［（２−ヒドロキシ−エチル）アミノ］−９，１０−アントラセンジオンビス（２−プロパノイック）エステルコポリマー、１，４−ビス［（２−メチルフェニル）アミノ］−９，１０−アントラセンジオン、１，４−ビス［４−（２−メタクリルオキシエチル）  フェニルアミノ］アントラキノンコポリマー、カルバゾールバイオレット、クロ��フィリン−銅錯体、クロム−コバルト−酸化アルミニウム、Ｃ．Ｉ．  バットオレンジ  １，２−［［２，５−ジエトキシ−４−［（４−メチルフェニル）チオール］フェニル］アゾ］−１，３，５−ベンゼントリオール、１６，２３−ジヒドロジナフト［２，３−ａ：２’，３’−ｉ］ナフト［２’，３’：６，７］インドロ［２，３−ｃ］カルバゾール−５，１０，１５，１７，２２，２４−ヘキソン、Ｎ，Ｎ’−（９，１０−ジヒドロ−９，１０−ジオキソ−１，５−アントラセンジイル）ビスベンズアミド、７，１６−ジヒドロ−６，１５−ジヒドロ−５，９，１４，１８−アントラジンテトロン、１６，１７−ジメトキシジナフト（１，２，３−ｃｄ：３’，２’，１’−ｌｍ）  ペリレン−５，１０−ジオン、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリラート）−ダイコポリマー（３）、リアクティブブラック５、リアクティブブルー２１、リアクティブオレンジ７８、リアクティブイエロー１５、リアクティブブルー  １９、リアクティブブルー４、Ｃ．Ｉ．リアクティブレッド１１、Ｃ．Ｉ．リアクティブイエロー８６、Ｃ．Ｉ．リアクティブブルー１６３、Ｃ．Ｉ．リアクティブレッド１８０、４−［（２，４−ジメチルフェニル）アゾ］−２，４−ジヒドロ−５−メチル−２−フェニル−  ３Ｈ−ピラゾ−３−オン（ソルベントイエロー１８）、６−エトキシ−２−（６−エトキシ−３−オキソベンゾ［ｂ］チエン−２（３Ｈ）−  イリデン）ベンゾ［ｂ］チオフェン−３（２Ｈ）−オン、フタロシアニングリーン、ビニルアルコール／メタクリル酸メチル−ダイ反応生成物、Ｃ．Ｉ．リアクティブレッド１８０、Ｃ．Ｉ．リアクティブブラック５、Ｃ．Ｉ．リアクティブオレンジ７８、Ｃ．Ｉ．リアクティブイエロー１５、Ｃ．Ｉ．リアクティブブルー２１、１−アミノ−４−［［４−［（２−ブロモ−１−オキソアリル）アミノ］−２−スルホナトフェニル］アミノ］−９，１０−ジヒドロ−９，１０−ジオキソアントラセン−２−スルホン酸二ナトリウム（リアクティブブルー６９）、Ｄ＆Ｃ青色９号、［フタロシアニナト（２−）］銅およびこれらの混合物が挙げられる。
【０２０５】
本明細書の実施例以外で、または他に明記されなければ、本明細書の以下の部分および添付の特許請求の範囲における材料、元素、量、反応時間および温度、量の比などの数値範囲、量、値およびパーセント値の全ては、用語「約」が値、量、または範囲と共に明確に表れ得ないとしても、言語「約」によって始まると読み取ることができる。したがって反することが示されない限り、以下の明細書および特許請求の範囲に示された数値パラメータは、本発明により得ようとする所望の特性に応じて変動し得る近似値である。最低限でも、そして特許請求の範囲と同様の原則の適用を限定する試みではなく、各数値パラメータは少なくとも、報告された有効数字の数を考慮して、通常の端数処理法を利用することにより、解釈されなければならない。
【０２０６】
本発明の広範囲に示された数値範囲およびパラメータは近似であるが、具体的実施例に示された数値は、可能な限り正確に報告されている。しかしな  がら、いずれの数値も、基礎をなす各検査測定に見出された標準偏差から必然的に生じた誤差を本質的に含有する。さらに数値範囲が、本明細書に示されている場合、これらの範囲は、引用された範囲の終了点を含む（例えば、終了点が用いられてもよい）。重量パーセントが、本明細書に用いられている場合、報告された数値は、全重量に対するものである。
【０２０７】
同じく、本明細書に引用された任意の数値範囲はそこに包含される部分範囲の全てを含むことが理解されなければならない。例えば「１〜１０」の範囲は、引用された最小値１と引用された最大値１０の間の（そしてそれらを含み）部分範囲全てを含み、即ち１と等しいまたは１よりも大きな最小値と、１０と等しいまたは１０よりも小さい最大値を有するものとする。本明細書で用いられる用語「ｏｎｅ」、「ａ」、または「ａｎ」は、他に断りがなければ、「少なくとも１」、または「１以上」を含むものとする。
【０２０８】
本明細書で参照により組み入れられると述べられた任意の特許、特許公開、または他の開示材料の全体または一部は、組み入れられた材料が既存の定義、表明、また本開示に示された他の開示材料と矛盾しない程度にのみ、本明細書に組み入れられる。そのため必要な程度にまで、本明細書に明白に示された開示は、参照により本明細書に組み入れられた任意の矛盾材料にとって代わる。参照により本明細書に組み入れられると述べられていながら、本明細書に示された既存の定義、表面、または他の開示材料と矛盾する任意の材料またはその一部は、組み入れられた材料と既存の開示材料の間で矛盾が生じない程度のみ組み入れられる。
【０２０９】
本発明は、好ましい実施形態を参照して具体的に図示および記載されたが、添付の特許請求の範囲に包含される発明の範囲を逸脱することなく、形態および詳細の様々な変更を施し得ることは、当業者に理解されよう。
付録
【０２１０】
５．  バイオマス変換技術
この文書に関して、バイオマス変換は、バイオマスを電気および／または熱を発生させるのに用いられるエネルギーに変換する方法を指す。電力および熱生成のためのバイオマス変換技術の主要な部類は、直接燃焼およびガス化システムである。直接燃焼式の部類では、具体的な技術としては、ストーカボイラ、流動床ボイラおよび混焼が挙げられる。ガス化の部類では、具体的技術としては、固定床ガス化炉および流動床ガス化炉が挙げられる。嫌気性ダイジェスタも、バイオマス変換技術として考慮されるが、ダイジェスタに関する詳細な情報は、ＥＰＡのＡｇＳＴＡＲ  Ｐｒｏｇｒａｍ＜ｗｗｗ．ｗｐａ．ｇｏｖ／ａｇｓｔａｒ＞から即座に入手することができ、それゆえこの章で議論しない。
【０２１１】
バイオマスの電力システムは、１００〜１０００ＭＷ範囲内の石炭動力プラントに比較し、典型的には５０ＭＷ未満のサイズである。今日のバイオマス発電所のほとんどは、直接燃焼システムである。バイオマス燃料は、ボイラで燃焼されて、高圧蒸気を生成し、それが蒸気タービン式発電機を出力するために用いられる。多くの用途では、蒸気は、中くらいの圧力および温度でタービンから抽出され、プロセス加熱、空間加熱および空間冷却に利用される。混焼は、既存の発電所のボイラにおける石炭の部分の代わりにバイオマスを用いることが必要となる。それは、新しいバイオマス発電機を導入するための最も経済的な短期的選択肢である。既存の発電所設備のかなりを大幅に改良せずに使用し得るため、混焼は、新しいバイオマス発電所を構築するよりもかなり安価である。交換される石炭に比較して、バイオマスは、ＳＯ２、ＮＯｘ、ＣＯ２、および他の空気排出物が削減される。
【０２１２】
バイオマスのガス化システムは、固体バイオマスが分解して火炎可能なガスを形成する環境でバイオマスを加熱することにより運転する。生成されるガス、つまり合成ガスまたはシンガスは、浄化され、濾過されて、その後、嫌気性ダイジェスタから生成されるＬＦＧまたはバイオガスに比較して、単純サイクルまたは複合サイクルモードでのガスタービンで燃焼することができる。より小型のシステムでは、シンガスは、レシプロエンジン、マイクロタービン、スターリングエンジン、または燃料電池で燃焼することができる。バイオマス副産物を利用するガス化技術は、従来の技術よりも、化学物質の回収が改善されてプロセス蒸気および電子をより効率的に発生し、資本コストが低いことで、パルプおよび製紙業界で人気がある。ガス化され得るパルプおよび製紙業界副産物としては、ホッグマシンで切られた木くず、樹皮、および使用済み黒液が挙げられる。
【０２１３】
表５−１に、熱および電力を生成するためのバイオマス変換技術の概要を示す。
【表２】
2019058907.tif 000004
【０２１４】
モジュラーシステムは、先に述べられたものと同じ技術の幾つかを利用するが、より小規模では、農場、公共建築物、および小さな業界にはより適用可能である。複数のモジュラーシステムが現在、開発中であり、バイオマスが豊富で電力が不足した遠隔地域では最も有用になり得る。
【０２１５】
５．１  直接燃焼システム
固体燃料バイオマスの最も一般的な利用法は、得られた高温煙道ガスで直接燃焼して、ボイラ内に蒸気を生成させるもので、１９世紀に逆戻りする技術である。ボイラは現在、様々な燃料を燃焼させて、工業的プロセスでの加熱、営利目的での加熱および公共的加熱、ならびに発電において重要な役割を担う。ボイラは、生成される蒸気または高温水の構成、サイズ、および品質により識別される。ボイラサイズは、１時間あたりのＭＭＢｔｕ（ＭＭＢｔｕ／時間）での投入燃料により測定されることが最も多いが、１時間あたりの出力（蒸気のポンド量）により測定することもできる。大型ボイラは、多くの場合、電力を発生するのに用いられるため、ボイラサイズを発電適用で出力される電力に関係づけることも有用となり得る。典型的なボイラおよび蒸気タービンがもたらす効率を利用すれば、１００ＭＭＢｔｕ／時間の入熱で、約１０ＭＷ電気出力が得られる。
【０２１６】
バイオマス燃焼のために最も一般的に用いられるタイプの２種のボイラが、ストーカボイラおよび流動床ボイラである。これらのいずれかが、全体としてバイオマス燃料により燃料供給すること、またはバイオマスと石炭の組み合わせで混焼することができる。各選択肢それぞれの効率、利用性、運転の問題、設備および設置費用、Ｏ＆Ｍの要件およびコスト、ならびに商業化状態を、以下に議論する。
【０２１７】
５．１．１  ボイラ
【０２１８】
特徴
【０２１９】
ストーカボイラ
ストーカボイラは、固体燃料を過剰な空気で直接火炎燃焼して高温の煙道ガスを生成し、その後、ボイラの熱交換区分で蒸気を生成する。蒸気は、加熱目的で直接使用されるか、または蒸気タービンジェネレータを通過して、電力を生成する。ストーカ燃焼式のボイラは、１９２０年代に石炭用に初めて導入され、後の１９４０年代に、Ｄｅｔｒｏｉｔ  Ｓｔｏｋｅｒ  Ｃｏｍｐａｎｙが、木材用に初めて移床スプレッダストーカボイラを設置した。機械的ストーカは、固体燃料をボイラに自動で供給するために用いられた伝統的技術である。ストーカは全て、燃料に通される空気で燃料を燃やすグレートに燃料を供給するように設計されている。ストーカは、ボイラの炉の区分に配置されており、燃焼後に灰残渣を除去するように設計されている。ストーカユニットは、機械的手段を利用して燃料を移動させて、ボイラの本体付近に配置されたグレートで、そしてグレートの上部で燃える火に燃料を添加する。熱が、火および燃焼ガスからボイラ壁上の水管に伝達する。
【０２２０】
近代の機械的ストーカは、１）燃料供給システム、２）燃焼する燃料を支持して一次燃焼空気の通路を提供する固定式または移動式グレートアセンブリ、３）更なる空気を供給して燃焼を完了させ、大気への排出を最小限に抑えるオーバーファイアエアーシステム、および４）灰吐出しシステム、の４つの構成要素からなる。図５は、ストーカボイラの異なる区分を示す。
【０２２１】
ストーカ設置を成功するには、用いられる燃料、負荷条件、および提供される容量に関して正しいサイズおよびタイプのストーカを選択する必要がある。ストーカボイラは、典型的には燃料を添加および分配する方法により説明される。２つの一般的タイプのシステム−下込めストーカおよび上込めストーカが存在する。下込めストーカは、グレートの下から燃料および空気の両方を供給するが、上込めストーカは、グレートの上から燃料を、下から空気を供給する。上込めストーカは、さらに２つのタイプ：マスフィード（ｍａｓｓ  ｆｅｅｄ）および散布式に分別される。マスフィードストーカでは、燃料はグレート表面の一端に連続で供給されて、グレートが燃焼すると、グレート上を横方向に水平に移動する。残留する灰は、反対の端から吐出される。燃焼空気は、グレートの下から導入されて、燃料の燃焼床を通って上方に移動する。最も一般的なタイプのストーカボイラである散布式ストーカにおいて、燃焼空気は、主にグレート下から再度導入されるが、燃料は、グレートのエリアを横向きに均一に投入または散布される。燃料の微粒子が、上方に移動する空気と逆向きに落とされると、燃料の微粒子が浮遊して燃焼する。残留するより重い部分が、グレート表面に落ちて燃焼し、任意の残留する灰がグレートの排出口から除去される。チェーングレート、移動グレート、および水冷振動グレートストーカが、それ以外のあまり一般的でない配置であり、様々な手段を利用して燃料をグレート上で燃焼する均等で薄いベッドを維持している。他の特殊なストーカボイラとしては、つりあい通風、サイクロン燃焼式、固定床、シェーカーハース式、タンジェンシャル燃焼式、および壁燃焼式が挙げられる。実施上の配慮によろい、ストーカサイズが限定され、結果として最大蒸気発生速度が限定される。石炭動力の場合、最大は、１時間あたりの約３５０，０００ポンド（ポンド／時間）であるが、木材またはバイオマス燃焼では約７００，０００ポンド／時間である。
【表３】
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燃料ホッパー、フィーダ、ストーカチェーン、アッシュホッパー、オーバースローローター、エアシール、オーバーファイアエアノズル、グレートの表面、エアチャンバー
出典：ＯＲＮＬ，２００２
【０２２２】
下込めストーカ
下込めストーカは、グレートの底から燃料および一次燃焼空気の両方を供給して、燃料パイルの上部が低温で湿性の燃料または低温空気により冷却されないようにされている。スクリューまたはラム駆動メカニズムのいずれかにより、燃料をホッパー内部およびグレート上に移動させる。下込めストーカが、燃料を燃料床の底部に押出すと、燃料が燃料床の最上部に灰として上り吐出される時間までに、熱が燃料を揮発および完全燃焼させる。燃料がグレートを出て空気に暴露されて熱を輻射すると、燃料が燃え始めて、熱が水管に伝達される。任意の燃焼工程と同様に、灰が燃料として蓄積し、燃焼される。２種の基本的タイプの下込めストーカ：１）水平供給および側面灰吐出し型、２）重力供給および後部灰吐出し型、が存在する。下込め側部灰放出式ストーカの断面図を、図５−２に示す。下込めストーカの需要は、コストおよび環境への配慮のため減少した。下込めストーカは、比較的乾燥した燃料（水分量４０〜４５％より少ない）に最も適している。
【表４】
2019058907.tif 000006
【０２２３】
上込めストーカ
上込めストーカは、一般に燃料をボイラ内で分配および燃焼させる方法により分類される。主な名称は、マスフィードストーカまたは散布式ストーカである。マスフィードストーカは、燃料をグレートの一端に連続して導入する。燃料がボイラ内に移動すると、燃料は重量国よりグレートの上に落ちる。ボイラに入る燃料の量を制御するために、グレートが上下に移動することができるか、または燃料がグレートの下に移動する速度を調整することができる。ボイラの内部では、燃料がグレートに沿って移動すると、燃料が燃焼する。一次燃焼空気が、グレートの下から上部へ燃料の燃焼床を通って流れると、完全燃焼が可能になる。グレート上に残留する任意の灰は、その後、システムの反対側の端に放出される。２種の主要なマスフィードストーカが、１）水冷式振動グレート、および２）移動式（鎖および移床）グレートストーカ、である。上込め水冷式振動グレートマスフィードストーカの断面図を、図５−３に示す。
【表５】
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【０２２４】
散布式ストーカ
散布式ストーカは、その汎用性ゆえに最も一般的に用いられるストーカである。そのストーカは、グレートの上の空気に個々の燃料粒子を噴射するデバイスを利用することにより、燃料を一様に、そしてグレート表面全体で均一な深さに分配することが可能である。燃料粒子を噴射するために用いられる方法は、空気注入と、アンダースローおよびオーバースローロータと、を含む。燃料がボイラに投下されると、微粒子が燃焼空気中に浮遊されて、発火および燃焼する。浮遊燃焼により、散布式ストーカの反応時間は、マスフィードまたは下込めストーカよりも良好である。グレート上に落ちたより大きな粒子は、グレート上の薄い燃料床で燃え尽きる。一次燃焼空気は、グレートの下から供給される。燃料が活性のグレート領域に一様に分配されるため、燃焼空気は、グレートの下およびグレート内を均一に分配される。燃焼空気全体のうちの一部は、オーバーファイアエアーとしてグレート上部の入り口から投入され、燃焼工程を完了させる。散布式ストーカのグレートは、一般に、固定されたままではなく移動するように設計されている。それゆえ移床グレート、空冷式振動グレート、および水冷式振動グレートが設計され、効果的に使用されている。近代の散布式ストーカを備えたボイラは、
・燃料をグレート上で均一に分配する設備、
・特別に設計された空気調量グレート
・粉塵回収および再注入設備
・下のグレートおよびオーバーファイアエアーの両方のための押込み送風機
・燃料および空気の供給量を蒸気の需要と協調させる燃焼制御５０、
を組み込んでいる。
５０  ＯＲＮＬ，２００２
【０２２５】
燃料供給システムおよび炉区分の幾何学的構造と共に、空調システムの設計は、ストーカボイラ内のバイオマス燃料を効率的かつ完全に燃焼させる上で重要な役割を担う。樹皮、木材、およびほとんどのバイオマス燃料への過剰な空気は、ストーカの発火の場合２５％以上に設定される。バイオマス燃料は、典型的には乾量基準では高度に揮発性であり、サイズが不均一で、石炭と比較すると浮遊して燃焼することが多いため、バイオマス燃焼用空調システムは、石炭に用いられるものよりも、オーバーファイア用の空気をより多く提供するように設計される。近代の設計は、下のグレートおよびオーバーファイアの量でそれぞれ４０％および６０％を使用する。
【０２２６】
流動床ボイラ
流動床ボイラは、固体燃料の燃焼用に開発された最も新しいタイプのボイラである。流動床燃焼の開発のための一次駆動力が、石炭燃焼からのＳＯ２およびＮＯｘ排出量を削減する。開発された技術のため、その工程が、従来の方法では燃焼が困難であるか、または実行不能であるバイオマスおよび低質燃料を効率的に燃焼し得ることが、明らかとなった。
【０２２７】
この燃焼方法では、燃料は、コンバスタの底部から注入される燃焼空気の上方への流れによって浮遊する粒子を、高温の不活性または非燃焼性のベッドで燃焼させて、ベッドを浮動または「流動」状態に保つ。燃料上の流動媒体のスクラビング作用が、通常は燃料粒子の周辺で形成されるＣＯ２および固体残渣（炭）を取り去ることにより、燃焼工程を促進する。この工程は、酸素を燃焼材料により急速に到達させ、燃焼工程の速度および効率を上昇させる。流動床で混合することの一利点は、従来の水管ボイラのデザインよりもコンパクトな設計が可能になることである。天然ガスまたは燃料オイルもまた、流動床を予備加熱する開始燃料として、または更なる加熱が必要な場合に補助的燃料として使用することができる。ベッドの効果的混合により、流動床ボイラは固体廃物の燃焼に十分に適する。図５−４は、流動床燃焼ボイラの構成部分を示す。
【０２２８】
【表６】
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【０２２９】
流動床燃焼工程は、燃焼用に燃料を空気と効率的に混合するための手段を提供する。燃料が流動床に導入されると、流動床が急速に点火温度を超えて加熱され、点火して、燃焼塊の一部になる。所望の量の熱が連続式で炉区分に放出されるため、高密なベッドへの空気および燃料の流れが制御される。床のわずかな部分だけが、燃焼可能な材料であり、残り部分は、砂などの不活性材料で構成される。この不活性材料が、炉区分における熱の蓄積をもたらし、ボイラ蒸気出力に及ぼす燃料供給または発熱量のわずかな変動の影響を減じる。
【０２３０】
高濃度の灰、硫黄、および窒素を含む燃料は、ストリンジェントな放出制限を適えながら、流動床ボイラで効率的に燃焼することができる。長い滞留時間および高い物質伝達強度により、燃料は、流動床コンバスタ内で、または従来の燃焼工程よりもかなり低い温度で、効率的に燃焼することができる（散布式ストーカボイラでの２，２００°Ｆに比較して１，４００〜１，６００°Ｆ）。より低い温度により、ＮＯｘの生成が減少し、窒素量の高い木材およびバイオマス燃料では顕著な利益が得られる。木材廃棄物およびバイオマスからのＳＯ２排出量は、一般にはわずかであるが、燃料の硫黄混入は問題であり、石灰岩を流動床に添加して、高度の硫黄捕捉を実現することができる。典型的には硫黄が混入した燃料としては、建築瓦礫および一部の製紙汚泥が挙げられる。
【０２３１】
流動床ボイラは、大気圧または加圧ユニットとして分類される。大気圧での流動床ボイラは、気泡型流動床および循環型流動床にさらに分別され、気泡床ボイラと循環床ボイラの間の基本的差は、流動速度である（循環床の方が高い）。循環流動床ボイラは、高速排出ガス中に同伴された燃料を分離および捕捉して、完全に燃焼するためにそれらを流動床に戻す。選択された流動床のタイプは、バイオマス燃料の指定された発熱量の関数である。気泡床技術は一般に、より低い発熱量の燃料に向けて選択される。循環床は、より高い発熱量の燃料に最も適する。
【０２３２】
加圧流動床ボイラにおいて、流動床コンバスタ全体が、大きな加圧容器の内部に入れられている。加圧流動床ボイラで固体燃料を燃焼すると、燃焼ガスの高圧蒸気が生成される。燃焼ガスが高温ガス浄化システムを通過した後、それらはガスタービンに供給されて電子を生成し、高温排出ガス中の熱が、蒸気タービンの沸騰水に戻され得る。それゆえ、加圧された流動床ボイラは、より効率的であるが、より複雑で高価でもある。加圧流動床燃焼技術の資本コストは、大気圧流動床よりも高い。
【０２３３】
効率
ボイラ効率は、蒸気エネルギーに変換される燃料エネルギーの割合として定義される。バイオマス燃焼における主要な効率因子は、燃料の水分量、ボイラに導入される過剰な空気、および燃焼されないまたは部分的に燃焼される燃焼の割合である。工業用ボイラ所有者協議会（ＣＩＢＯ）によれば、ストーカおよび流動床ボイラの一般的効率範囲は、６５〜８５％効率である５１。発熱量が高く水分量が低い燃料は、低い発熱量および高水分量を有する燃料よりも高い２５％までの効率になり得るため、燃料タイプおよび燃料の利用性は、効率への大きな影響を有する。
５１  Ｃｏｕｎｃｉｌ  ｏｆ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｂｏｉｌｅｒ  Ｏｗｎｅｒ，  １９９７
【０２３４】
バイオマスボイラは完全燃焼を実現し得るように、典型的にはかなりの量の過剰空気によって運転されるため、これは効率への負の影響を有する。ＣＩＢＯは、大まかには、過剰空気の各１５％の減少に対してボイラ効率が１％上昇し得ることを示している５２。
５２  ＯＲＮＬ，２００２
【０２３５】
表５−２に、５０％の過剰空気で、３５０°Ｆの最終煙道ガス出口温度により運転されたバイオマスストーカと流動床ボイラとの効率を比較している。効率は、各熱損失（入熱のパーセント値として表現）を測定して、それを１００％から差し引くことによりボイラ効率を決定する方法である、熱損失法に基づいて推定される。表で認められる通り、ボイラにおける最大エネルギー損失は、煙突に残る熱である。この損失は、より古くメンテナンスが行き届いてないボイラでの燃料投入量の３０〜３５％にも及ぶ可能性がある。表には、燃料水分量を３０％から０％へ低下させると熱効率が約６％上昇することが示されている。この推定から、空気の投入を投入水分量に基づいて調整することにより空気−燃料比が維持されると仮定される。より湿性の燃料が入れられた場合に空気の量が減少しなければ、燃料水分量の増加の際に効率がさらに降下する。
【０２３６】
ストーカボイラと流動床ボイラの間の主な効率差は、未燃のまま残留する燃料の量である。表５−２に示される通り、流動床ボイラの効率は、ストーカボイラに比較して、燃焼損失がより少ないため好適である。ストーカボイラは、煙道ガス中の灰および更なる揮発性物質およびＣＯ中に３０〜４０％の炭素を有し得るが、流動床ボイラシステムは、典型的にはほぼ１００％の燃料燃焼に達する。コンバスタ内の乱流と流動媒体の熱慣性とを併せれば、完全で制御された均一な燃焼が得られる。これらの因子は、熱効率を最大にし、木炭を最小限に抑え、排出を制御するのに重要である。
【表７】
2019058907.tif 000009
【０２３７】
ボイラの性能に影響を及ぼす因子を考慮する際、ボイラの運転範囲全体を通して効率が一定でないことに留意しなければならない。ピーク効率は一般に、設計の特徴により決定される特定のボイラ出力で生じる。ボイラの運転がこの出力から外れていれば必ず、得られる性能は通常、ピーク効率より低い。ピーク効率で連続して運転するのは、季節的な需要、負荷変動および燃料特性の変動があるため実用的ではないが、一定した負荷で運転して周期的運転またはオン／オフ運転を回避すれば、効率が改善され得る。
【０２３８】
稼働率５３
典型的にはストーカボイラと流動床ボイラは両者とも、連続運転用に設計されており、設計性能は、９０＋％の稼働率範囲である。燃料の利用可能性および／または品質の季節変動は、プラントの稼働率に影響を及ぼし得るが、これは原料の問題であり、ボイラの性能の問題ではない。うまく設計されたバイオマス蒸気システムは、９２〜９８％りよ可能性範囲で運転するという合理的予測を有する５４。
【０２３９】
５３  発電システムの稼働率は、該システムが運転し得る、または運転するために「利用可能である」時間の割合である。計画的なメンテナンスおよび計画外の停電は両者とも、システムの稼働率に負の影響を有する。それゆえ１００％の稼働率は、決して停止しなかった、またはメンテナンスを必要としなかった（実際の運転を実現することが不能でない）システムを表す。
５４  流動床ボイラを提供する会社Ｅｎｅｒｇｙ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  ｏｆ  Ｉｄａｈｏのユニットで９８％の稼働率を報告した（ｗｗｗ．ｅｎｅｒｇｙｐｒｏｄｕｃｔｓ．ｃｏｍ／ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ＿ｂｅｄ＿ｃｏｍｂｕｓｔｏｒｓ．ｈｔｍ）。
【０２４０】
運転上の利点および欠点
ストーカボイラおよび流動床ボイラは、燃料の特徴および立地条件に応じて、バイオマス燃料による特定の運転上の利点および欠点を有する。バイオマス燃料は、発熱量、水分量、および燃焼に影響を及ぼす他の因子に関して極めて変動し易い。木材および他のほとんどのバイオマス燃料は、主にセルロースおよび水分で構成される。これまで議論された通り、高い割合の水分は、燃焼工程の間にヒートシンクとして作用するため、重要である。蒸発の潜熱は、火炎温度を抑制し、蒸気生成から熱エネルギーを奪い、バイオマス燃料を効率的に燃焼する難しさの一因となる。セルロースは、燃焼の際に放出される化学エネルギーを含むことに加え、燃料が結合した酸素を含む。この酸素は、燃焼のための理論的空気必要量、つまり燃焼生成物中に含まれる窒素の量を減少させる。木材およびバイオマスの直接燃焼のための幾つかの一般的ガイドラインには：
・受取り時は６５重量％もの高い燃料水分量を有するほとんどの水冷式ボイラにおいて実現され得る安定した燃焼を維持する、
・予備加熱された燃焼空気を使用して、発火の前の燃料乾燥に必要な時間を減少させ、これは散布式ストーカ燃焼システムには不可欠である。設定空気温度は、直接水分量により変動する、
・木材および他のバイオマス燃料での高割合の燃焼可能量が、揮発性化合物の形態で燃焼する。それゆえ燃焼空気必要量の大部分が、ストーカボイラおよび他の従来式燃焼ボイラ内でオーバーファイアエアーとして燃料に添加される、
・バイオマス燃料の燃焼の初期段階で生成される固体の炭は、非常に低い密度である。炉区分のサイズの伝統的選択は、ガス速度を低下させるため、および石炭を煙道ガスに、そしてできる限り許容し得るレベルの蓄積物の外に同伴するために用いられる。
【０２４１】
滑らかな燃料供給を確実に行うため、バイオマス燃料は、注意深くサイズ決定され、加工されなければならない。先に議論された通り、木材および他のバイオマス廃棄物の水分量は、１０％から６０％を超えるまで広範囲で変動し得る。容量供給装置を用いたボイラ内への一定した入熱を確実に行うために、燃料を異なる水分量で効率的にホモジナイズすることが、必要である。
【０２４２】
バイオマス系燃料は、熱伝達表面がスラッギングおよびファウリングするリスク、および幾つかの例においては、炉の周辺が腐食するリスクが上昇し得る。カリウム灰量は、新しい木材、未乾燥の粒子、および急速に成長したバイオマスでは比較的高く、そのため灰が低温で融解し、ファウリングおよびスラッギングの傾向が生じる。加えてバイオマス燃料は、塩素を含み得るが、塩素はアルカリと一緒になって攻撃的な腐食（ａｇｇｒｅｓｓｉｖｅ  ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）を誘導し得る。
【０２４３】
表５−３に、ストーカボイラと流動床ボイラとの燃焼特徴および燃料問題の比較を示す。ストーカボイラは、長期間活躍し、比較的基本の技術であるが、流動床技術は、より新しくより複雑であるが、より大きな柔軟性および運転制御性を与える。流動床システムは、広範囲の付加条件下で運転し得るため、顕著な運転柔軟性を与える。流動媒体の熱慣性は、負の影響を与えずに燃料の水分量および加熱量の変化を打ち消すことができる。加えて、ユニットに存在する低い燃料蓄積により、可変的な負荷に応答する。別の利点は、流動床がシステムの原料運転の際にも効率を維持し得ることである。流動床の製造業者は、ユニットの運転柔軟性が電気需要後の生成のための事業のインセンティブプログラムの利益を顧客に与えたことを報告した５５。
【表８】
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【０２４４】
バイオマスボイラシステムは、相互に関係するサブシステムを多く備えた複雑な装置である。一体型蒸気システムは、燃料の準備場所（ｐｒｅｐ  ｙａｒｄ）および取扱い設備、ボイラそのもの、導入および押込み空気ファン、コントロール、ならびに水処理システムを含む。様々なレベルの排出制御設備も通常、必要となる。ほとんどの装置は、大きな飛灰を捕捉するサイクロンセパレータ、微粒子物質（ＰＭ）のためのバグハウス、および乾式スクラバーシステムを含む。ストーカボイラ内のＮＯｘ排出制御は、ボイラの最上部に設置された尿素またはアンモニアを用いた選択的非触媒還元システムにより得られる。他の制御設備としては、酸性ガス除去システム、煙突、灰処理、そして必要に応じて連続排出モニタリング設備が挙げられる。
【０２４５】
図５−４に、３つのバイオマス供給速度：１００トン／日、６００トン／日、および９００トン／日での、ストーカおよび循環式流動床蒸気システムの両方についての総資本コスト推定値が示される。これらの供給速度は、蒸気温度および圧力にもよるが、それぞれ蒸気１５０，０００〜１８５，０００および２５０，０００〜２７５，０００ポンド／時間を生成する蒸気システムに匹敵する。設置費用は、含まれる設備の範囲、出力蒸気条件、地理的領域、競合する市場条件、立地条件、排出制御要件に応じて著しく変動し得る。表に示された推定値は、設備の供給業者および開発者により公開されたデータおよび考察に基づく予算上の推定値である。推定値は、小型の１００トン／日バイオマスユニット（２５０ポンド／インチ２ゲージ［ｐｓｉｇ］飽和蒸気）で、より大型ユニットでは蒸気タービンＣＨＰ配置でより高い蒸気圧（７５０ｐｓｉｇ）で、加工加熱のみを加えた場合に典型的となり得る蒸気条件に基づく。予測経費変動の範囲は、先に列挙された立地およびシステムの変動性に応じて、±３５パーセントと高くなり得る。蒸気条件も、ボイラコストに顕著な影響を有し、より高い温度および圧力では、より太いチューブおよびより高価な材料が必要となる（表５−５参照）。
【０２４６】
５５Ｅｎｅｒｇｙ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  ｏｆ  Ｉｄａｈｏ（日付不明）
【表９】
2019058907.tif 000011
【０２４７】
図５−４に示される通り、準備場所および燃料取扱いシステムは、蒸気システム総経費の顕著な部分を示し、より大きなユニットでの蒸気システム総経費の１５〜２５％および１００トン／日の蒸気システムの総コストの２５〜５０％の範囲内である。流動床ボイラ設備コストは、より簡単なストーカ技術よりも高く、流動床ボイラそのものは、示された最小サイズではストーカボイラの３倍の費用であり、大型サイズでは、流動床ボイラは、３５〜４０％高額である。準備場所コストをはじめとするバイオマス燃料型蒸気プラントでのユニット資本コスト（＄／ポンド蒸気）は、大型の流動床システムでは２０〜２５％より高額である。より高い資本コストの部分は、より高い効率からくるより高い出力によって相殺される。
【０２４８】
ボイラのコストは、表５−５に示される通り蒸気出力条件の関数でもある。高い圧力および温度の蒸気を発生するには、特別でより高価な合金、およびより太い水管が必要となる。非常に高圧の蒸気を生成するボイラは、低圧所気を生成するボイラの２倍の経費になり得る。
【表１０】
2019058907.tif 000012
【０２４９】
Ｏ＆Ｍコスト
ストーカおよび流動床ボイラシステムの推定される非燃料Ｏ＆Ｍコストを、製造業者による公開データおよび考察に基づき、３つの蒸気システムサイズについて、表５−６に示す。Ｏ＆Ｍコストは、一体型プラントに関係して評価される。Ｏ＆Ｍ総経費には、準備場所の労働力、ならびにボイラシステム自体の労働力、材料、および部品が含まれる。Ｏ＆Ｍ推定値は、ボイラ資本コストの２％と仮定された交換部品およびメンテナンス設備の年間非労働要素に基づいた。送風機および補助設備を運転するのに必要な化学物質、水、および電気の可変的コストは、蒸気出力１０００ポンドあたりおよそ＄０．２０〜＄０．２５と仮定した。
【表１１】
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【０２５０】
表５−６に示す通り、２種のボイラタイプは、同じ出力では同一の準備場所労働力要件を有すると仮定される。１００トン／日のプラントは、自動化された準備場所を用いるより大きなプラントよりも労働力の要件が高いため、あまり自動されていないシステムを使用する。単位コストに基づくと、Ｏ＆Ｍコストは、１００トン／日サイズでは流動床ボイラが高いが、２種のより大きなサイズではストーカボイラのＯ＆Ｍコストと等しい。
【０２５１】
商業化状態
ストーカボイラは、バイオマスおよび石炭では標準的技術になって長く、多数の製造業者により提示されている。流動床ボイラは、より近年の技術であるが、多数の製造業者により市販されている。しかし近年まで、流動床ボイラの使用は、米国よりも欧州で多く普及されており、供給業者の多くは、欧州を拠点としている。
【０２５２】
表５−６に示される通り、一体型プラントに関連して単位コスト基準で評価すると、Ｏ＆Ｍコストは、１００トン／日での加工では小さな循環式流動床の方がストーカボイラよりも高いが、この試験で評価された２種のより大きなサイズに関してはストーカボイラよりも低い。
【０２５３】
全体的経費および性能の特徴
典型的なバイオマス蒸気システムの経費および性能の概要を、表５−７に示す。
【表１２】
2019058907.tif 000014
2019058907.tif 000015
【０２５４】
５．１．２  混焼
最も費用効果があり容易に実行されるバイオマスエネルギー技術の１つが、既存の石炭燃焼ボイラ内で石炭と混焼することである。混焼は、高効率ボイラ内でバイオマスを補足的エネルギー源として化石燃料と混合するという実践を指す。バイオマスの混成において、バイオマスを、ボイラで用いられる石炭の２０％までの代わりとして用いることができる。混成は、典型的にはバイオマスの供給が間欠的である場合、またはバイオマスの水分量が高い場合のいずれかに用いられる。大型プラントでは、バイオマスは、石炭と混焼され、典型的にはバイオマスよりも多くの石炭が用いられる。小型プラントでは、バイオマスは天然ガスと混焼され、天然ガスは高水分量のバイオマスがボイラに供給される場合に燃焼を安定化させるために用いられるため、典型的には天然ガスよりも多くのバイオマスが、用いられる。
【０２５５】
特徴づけ
図５−５に、標準的な石炭系混焼プラントでの工程図を示す。バイオマスは、経済的には営利目的のプラント内で石炭と混焼されたが、それは基本的には燃料コスト削減方策と見なされている。特定の状況において、混焼は、事業のための好機を提供して、木材製造および他の事業から燃料をゼロコストまたはネガティブコストで得た。全体的製造経費節約は、石炭を木材廃棄物および廃紙などの安価なバイオマス燃料源と交換することにより実行することもできる。典型的にはバイオマス燃料供給は、混成プロジェクトが経済的に魅力的になり得る前の石炭供給よりも、熱量基準で少なくとも２０％減少するはずである。
【表１３】
2019058907.tif 000016
【０２５６】
バイオマス混焼は、主に改造適用法である。混焼の基本原理は、ボイラへの顕著な変化が、補充燃料を導入および燃焼するのに必要な幾つかのわずかなバーナ改良または追加以上に必要になることはない、ということである。この目的を適えるために、バイオマスの混焼は通常、限られた範囲で実行され、バイオマス量はボイラへの総入熱の５〜１５％の範囲内である５６。混焼に成功するバイオマス燃料としては、木材およびペレット化された廃紙が挙げられる。主に石炭燃焼設備からの空気排出を改善する必要性、および燃料供給を多様化する必要性から、電気事業および他の石炭ボイラ使用者の間でバイオマスの混焼への関心が高まっている。
【０２５７】
５６Ｆｅｈｒｓ  ａｎｄ  Ｄｏｎｏｖａｎ，  １９９９
【０２５８】
表５−８に、典型的な電力会社の混焼発電所のサイズ、用いられるバイオマス燃料の割合、および用いられるバイオマス原料のタイプ（木材、木材残渣、およびおがくず）の観念を示している。
【表１４】
2019058907.tif 000017
【０２５９】
効率
通常、ボイラ効率の主な変動は、混焼から生じる。しかし一部の設計および運転上の変更は、許容し得る不透過率、バグハウスの性能、および他の運転要件を維持しながらボイラ効率を最大にするために必要となり得る。これらの調整を行わなわければ、ボイラの効率および性能は、低下する可能性がある。例えば１０％のバイオマス入熱、２％のボイラ効率損失が、調製が行われなかった場合の微粉炭ボイラを有する施設の混焼テストで測定された５７。数多くの混焼プロジェクトにより、運転問題を適切に認識することで効率および性能損失を最小限に抑え得ることが実証されている。
【０２６０】
５７  Ｔｉｌｍａｎ，  ２０００
【０２６１】
稼働率
適切な改良がシステムになされていれば、バイオマスと石炭とを混焼するボイラの稼働率は、標準的な石炭ボイラと同程度になる。次の節に挙げられた潜在的な運転問題の幾つかが現れていれば、稼働率に負の影響を及ぼす可能性がある。
【０２６２】
運転上の利点および欠点
典型的には、既存の石炭ボイラでバイオマスを混焼するには、燃料の取扱い、加工、貯蔵および供給システムに改良または追加が必要となる。既存の運転手順へのわずかな改良、例えばオーバーファイアの増加、ならびに低密度を補填するための燃料フィーダの速度増加、およびバイオマスの発熱量も、必要となる可能性がある。
【０２６３】
第４章に記載される通り、燃料の特徴および加工は、ボイラの燃料としてバイオマスを使用する能力に大きく影響を及ぼし得る。木材チップは、ストーカの石炭とサイズおよび流動性に関して類似しているため、ストーカボイラで石炭と混焼する場合にはマルチ状の材料よりも好ましい。この類似性が、既存の石炭取扱いシステムの問題を最小限に抑える。高割合の微粒子（おがくずサイズ以下）を含むマルチ状の材料またはバイオマス供給を利用する場合、燃料の流れを遮断して運搬、貯蔵、および供給システムの様々な領域の開放を行う可能性がある。これらの遮断により、かなりのメンテナンス増加および運転問題を生じる可能性があり、それゆえ燃料を加工して、既存の燃料供給システムが抱える難題を回避しなければならない。
【０２６４】
バイオマスを取り扱う際の別の燃料検討事項は、スラッギング、ファウリング、および腐食の問題の可能性である。一部のバイオマス燃料は、高いアルカリ（基本的にカリウム）または塩素量を有し、熱交換および廃取扱い表面への管理不能な灰体積問題を生じ得る。特に高温の、燃焼ガス中の塩素は、燃焼システムおよび煙道ガス浄化構成部分の腐食を加速させる可能性がある。これらの問題は、高濃度の塩素およびアルカリを含む材料への燃料供給をスクリーニングすること、ボイラ入熱へのバイオマス寄与を１５％以下に制限すること、燃料添加剤を使用すること、および煤吹きを増加すること、により最小化または回避することができる。最も問題の多いバイオマス資源は、高アルカリおよび塩素量を有する草およびわらをはじめとする農業残渣である傾向がある。
【０２６５】
現在、石炭発電所からの飛灰の約５％が、セメントおよびコンクリート製造の原料として用いられ、別の１５％が、他の適用での原料として用いられており５９、石炭燃焼からのわずかな飛灰が、セメント／コンクリート適用例での使用に認定されている。石炭発電所でのバイオマスを混焼すれば、飛灰が現行の基準への適合することはないであろう
同様に、特定の排出制御技術、例えばアンモニア注入が用いられた場合、石炭の飛灰は、場合により、現行の基準に適合しなくなる。これらの制限が、バイオマス混焼の経済性に影響を及ぼし得るが、飛灰および他の石炭燃焼産物のための生産用途を見出す価値は、主としておよそ＄２０／トンのごみ埋め立て費用の回避にある。灰量が１０％の石炭では、この値は、投入燃料比の約２＄／トンに値する。現行の制限は、幾つかの適用例において混焼を検討する際の障害となるが、飛灰の別の使用は影響を受けず、研究者らはコンクリートの特徴に及ぼす、バイオマスおよびバイオマス／石炭混焼からの飛灰の利用の影響を研究中である。初期の結果から、バイオマスおよび混焼燃料が、セメントおよびコンクリート中の飛灰の有用性に悪影響を及ぼさず、実際には幾つかの利点を有し得ることが示された６０。これの研究により、最終的には基準を再評価して、既に欧州で行われている、許容し得るセメント／コンクリート減少として混焼からの飛灰を組み込むことになろう。
【０２６６】
設備および設置費用
混焼は、典型的には、石炭使用プラントに既に設置されているボイラ設備への更なる投資を必要としない。新たな燃料取扱いおよび加工設備、ボイラ改良、制御、エンジニアリング費用、および予備費用のための追加的費用はある。バイオマスが石炭燃料調製設備の上流で添加される混合燃料投入システムでは、添加される供給物の調製のための経費は、バイオマス専用システムに関して前節の表５．４に示された経費の１５〜３０％程度である。別の燃料供給システムを利用するシステムでは、経費は、バイオマス専用プラントの経費（＄／トン  バイオマス供給量）に匹敵する。
【０２６７】
５８  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｏａｌ  Ａｓｈ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，（日付不明）  
５９  ＡＳＴＭ  Ｃ−６１８．  
６０  Ｗａｎｇ，  ２００７．  
６１  ２００４年に、コンクリートでの使用に関して飛灰の規格書を取り扱うＥｕｒｏｐｅａｎ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  ＥＮ  ４５０は、広範囲の混焼バイオマスおよび廃棄物原料からの日界を含めるための改良を認可した。これらの変更は、欧州連合の参加国による採用の手続き中である。
【０２６８】
Ｏ＆Ｍの問題
資本コストで議論された通り、混焼のためにバイオマス添加に起因するボイラ区分への追加的Ｏ＆Ｍは、極めて小さい。バイオマスと石炭を混焼するボイラでのメンテナンス要件は、石炭専用のボイラのものと類似している。しかしこれまでの運転手順へのわずかな変更、例えばオーバーファイアエアーおよび燃料フィーダ速度の増加は、必要となる可能性がある。バイオマスを石炭と混焼するためのＯ＆Ｍコストの増加は、バイオマスの受取りおよび供給物の調製に関するものがほぼ全てである。ブレンドされるシステムでは、供給調整物のＯ＆Ｍへの適合も、バイオマス専用プラントのコストの１５〜３０％程度である。
【０２６９】
商業化状態
電力会社、ＤＯＥ、および電力学会（ＥＰＲＩ）などの組織は、小規模および大規模事業のボイラにおいてバイオマス混焼に関する研究および実施試験を数年間にわたり実施した。これらのテストから、バイオマスとの混焼がサイクロン、ストーカ、微粉炭、ならびに気泡型および循環型流動床ボイラを含む広範囲のボイラタイプでの完遂に成功した。Ｆｅｄｅｒａｌ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｐｒｏｇｒａｍによれば、米国内の少なくとも１８２の異なるボイラおよび組織が、バイオマスを化石燃料と混焼されているが、この数字は、理解しにくい。１８２の混焼運転のうち、１１４（または６３％）は、工業施設のものであり、電力会社の発電所では３２、地方自治体のボイラは１８、教育施設は１０、そして連邦施設のものは８であった６２。
【０２７０】
６２  ＤＯＥ，  ２００４
【０２７１】
５．２  ガス化技術
電力精製のためのバイオマスのガス化には、酸素不足環境で固体バイオマスを加熱して低または中カロリーのガスを生成することが必要となる。バイオマスの炭素および水素量、ならびにガス化炉の特性に応じて、シンガスの発熱量は、大体１００〜５００Ｂｔｕ／フィード３の範囲内になり得る（天然ガスでは１０〜５０％）。シンガスの発熱量は、一般に、ガス化工程により生成されたＣＯおよび水素から生じる。残りの構成要素は、ＣＯ２および他の燃焼不能なガスである。ガスは、燃焼前に浄化して濾過し、問題となる化合物を除去することができるため、バイオマスのガス化は、バイオマスの直接燃焼を超える利点を提示する。ガス化は、化学物質または生物学的作用（例えば、嫌気性消化）を利用すれば完遂され得るが、熱ガス化は現在、わずかの商業的選択肢しかないか、またはほぼ商業的選択肢がない。
【０２７２】
ガス化工程からの排出燃料は、一般にシンガスと呼ばれるが、一般的使用では、木ガス、発生炉ガス、またはバイオガスと呼ばれる。シンガスは、酸素不足環境での直接加熱、部分酸素化、または酸素の非存在下での間接的加熱を通して生成することができる。ほとんどのガス化工程は、複数のステップを含む。熱分解と呼ばれる一次変換工程は、固体バイオマスを熱で分解して（酸素不足環境内で）、ガス、液体（タール）、および炭を生成する。熱分解は、一連の複雑な反応を通しておよそ１，１００°Ｆでバイオマス供給物の揮発性成分を放出する。バイオマス燃料は、非常に多くの揮発性成分を有するため（石炭の３０％に比較して、乾量基準で７０〜８５％）、熱分解での理想的選択である。次のステップは、蒸気および／または部分燃焼を利用して、残留するタールおよび炭をＣＯに変換するガス化工程を含む。石炭のガス化において、生成により得られたシンガスが高い発熱量を有し、工程がより効率的であるため、純粋な酸素または酸素が高濃度の空気が、酸化剤として好ましい。バイオマスのガス化において、バイオマスは石炭灰分よりも低い融点を有し、プラントの規模が一般に小さいため、酸素は一般には用いられない。
【０２７３】
バイオバスをプラズマに通すことを含む非常に高温での工程が開発され、主に廃棄物浄化、汚染された廃棄物、およびＭＳＷに関して検査された。
【０２７４】
直接燃焼型バイオマスシステムと比較して、ガス化は、商業的技術がまだ確立されていない。しかし、
・ガス燃料が固体燃料よりも多様性がある。ボイラ、プロセスヒーター、タービン、エンジンおよび燃料電池で用いられ、パイプラインに分配され、天然ガスまたは他のガス燃料とブレンドすることができる、
・ガス化は、直接燃焼型システムと比較して、燃料混入物を除去して排出物を減少させることができる、
・ガス化は、基本的工程を大きく変更せずに、木材残渣から農業残渣まで、そして専用の作物まで、広範囲のバイオマス原料を取り扱うように設計することができる、
・ガス化を利用して廃棄物燃料を加工し、バイオハザードの安全な除去および重金属の非反応性スラッグへの同伴をもたらすことができる、
という複数の理由により、バイオマスガス化の発展および実証に多くの関心が寄せられている。
【０２７５】
ガス化燃料は、混入物が浄化されることを条件に、ガスタービン複合サイクルまたは燃料電池などの高効率発電システムにおいて用いることができる。タービン排気からの熱を回収するための設備が加われば、システムの効率は、８０％まで上昇し得る。
【０２７６】
前節に記載された直接燃焼工程と同様に、固定床および流動床という２つの基本的タイプのガス化炉が出現した。固定床ガス化炉は、典型的にはより簡単で、より安価で、より低熱量のシンガスを生成する。流動床ガス化炉は、より複雑で、より高価であり、より高い発熱量のシンガスを生成する。
【０２７７】
５．２．１ガス化炉
【０２７８】
特徴づけ
【０２７９】
固定床ガス化炉
固定床ガス化炉は、典型的には耐火ライニングのあるシャフトの内側に固定されたグレートを有する。新鮮なバイオマス燃料が、典型的にはガス化炉の内側の燃料、炭、および灰のパイルの最上部に配置される。更なる特徴は、空気（または酸素）の流れの方向：下向き通風（空気が火床を通って下向きに流れ、グレートの下でバイオガスとして残留する）、上向き通風（空気がグレートを通って上向きに流れ、バイオガスが火床の上部で回収される）、または十字流（空気が火床を横切って流れ、バイオガスとして放出される）に基づく。固定床ガス化炉タイプの主要区分の略図を、図５−６に示す。
【０２８０】
【表１５】
2019058907.tif 000018
【０２８１】
表５−９は、固定床ガス化炉タイプを比較したものである。表５−１０は、固定床ガス化炉の典型的な物理的特徴を示している。固定床ガス化炉は、通常、用量が限定され、典型的には５ＭＷよりも少なく生成することが可能な発生システムで用いられる。耐火ライニングシャフト反応炉の物理的性質により、直径が制限され、このため処理能力が制限される。開発者は、固定床ガス化炉と小規模分散型発電設備とがうまく適合することを確認した。しかし、バイオマスの回収および供給の可変的な経済性とガス化炉の低効率とを組み合われば、特に特定地域に向けた技術の経済的妥当性が生じる。
【表１６】
2019058907.tif 000019
【表１７】
2019058907.tif 000020
【０２８２】
流動床ガス化炉
流動床ガス化炉は、同じガス化工程を利用しており、固定床システムよりも高い性能を示すが、より複雑でコストもより高い。流動床ボイラと同様に、一次ガス化工程が、酸素不足ガスの上向きの移動によって浮遊された高温不活性材料のベッドで起こる（図５〜７）。大きな処理能力に達するようにガスの量を増大させると、ベッドは浮揚し始めて「流動化」するようになる。砂またはアルミニウムは、多くの場合、熱伝達をさらに改善するために用いられる。流動床デバイスの顕著な利益は、高い生産性（ベッド面積あたり）および柔軟性である。流動床ガス化炉は、平均で３０％までの水分量を含む広範囲のバイオマス原料も取り扱うことができる。
【０２８３】
【表１８】
2019058907.tif 000021
【０２８４】
設計にもよるが、ガス化炉で行われ得る流動化には３つの段階：気泡化、再循環、および同伴流、がある。流動化の下端では、火床が膨張して、流体として活動し始める。速度が増加すると、ベッドが「バブリング」し始める。空気流がさらに増加すると、ベッド材料が火床から上昇し始める。この材料が、典型的にはサイクロン内で分離して、ベッドに「再循環」される。速度がさらに増すと、火床材料が同伴される（即ち、拾い上げられて、空気流に運び去られる）。
【０２８５】
流動床ガス化炉は、熱分解ガスの一部を使用してこの工程を駆動する熱を発生するように設計することができ、または外部で燃焼させることができる。ガス化炉を高圧で運転することで、処理能力が上昇するが、これはガス化炉の複雑さおよびコストも増大させる。これらのユニットにおいて、バイオマスは、熱分解および炭変換工程を通過した後、完全に変化される。
【０２８６】
空気の量および工程温度を低減することにより、流動床ボイラをガス化炉として運転することが可能になる。この運転様式では、ガス化炉は、発熱量が１００Ｂｔｕ／フィート３（Ｆｔ３）よりもわずかに高いガスを生成する。更なる空気供給物がボイラ管区分の上流に注入されると、このガスがベッドの上で燃焼される。
【０２８７】
表５〜１１に、流動床ガス化炉の典型的な物理的性質を示す。発熱量２５０〜４００Ｂｔｕ／ｆｔ３のシンガスを生成することを目的とする先進概念の流動床ガス化炉が多数、開発中である。このタイプのシンガスは、ガスタービン、燃料電池、および往復動内燃機関における使用がより適するが、これらの先進概念のガス化炉は、営利目的での運転で立証される段階には達していない。
【０２８８】
【表１９】
2019058907.tif 000022
【０２８９】
効率
固定床および流動床のバイオマスガス化炉は両者とも、直接燃焼として類似タイプの設備を使用する。バイオマス燃料は、固定床、流動床、または移動床のいずれかの燃焼／反応炉に供給される。熱損失の熱力学が類似しているが、ガス化条件が、直接燃焼とは異なる。直接燃焼において、１０〜１４倍重量の燃料が、空気として導入される。ガス化炉において、反応炉に入る空気が、あるとしても、燃料のわずか１〜２倍である。この差は、反応ゾーンからの熱損失を減少させている。その一方で、シンガスは、ガス化反応炉を非常に高い温度で放出され（１，２００〜１，５００°Ｆ）、この熱損失の一部は、ガス冷却区分での熱交換器の使用により直接、または発電区分でのシンガス燃焼からの熱回収分の使用により間接的に、回収することができる。流入空気をあらかじめ加熱するため、高温蒸気を導入するため、または流入バイオマスを乾燥させるために熱が用いられる限りは、バイオマスをシンガスに変換する効率が上昇するであろう。高温ガス冷却区分から回収される熱は、ＣＨＰ熱回収にも添加され得る。この場合、シンガス変換の中間的な効率値は増加せず、全体的なＣＨＰ効率が増加する。これらの差を結び付けて、シンガスへの変換効率（シンガスの発熱量をバイオマスの発熱量で割った値）が６０〜８０％のバイオマスを製造する。しかし一体型配置では、更なる蒸気が高温シンガスの冷却により発生して、浄化前に反応炉から放出され得る。
【０２９０】
稼働率
バイオマスガス化プラントの商業化が初期段階にあるという事実により、施設の調査情報は、稼働率または信頼度に関しては見出されていない。プラントは、連続運転用に設計されており、設計性能は、９０＋パーセント範囲である。材料取扱いの問題、制御の問題、および成分の欠陥は、更なる運転経験を積んだ後に見出されるよりも頻繁に計画外の故障停止を起こすため、最先端技術の実際の経験は、広範の商業的使用の間に経験するよりも低い稼働率を生じる傾向がある。新たに創設された支援基盤によって、故障停止は、修理または解明されるまでの期間がより長期化する傾向もある。しかし十分な設計のシステムは、８５〜９５％の稼働率範囲で運転するという合理的予測を有する。
【０２９１】
運転上の問題
先に議論された通り、水分量、ガス浄化、および運転圧力は全て、ガス化炉の運転に影響を及ぼし得る。異なるタイプのガス化システムに共通する運転上の問題が複数ある。
【０２９２】
水分量
新たに回収された植物材料と定義されるグリーンバイオマスは、顕著な量の水分重量（６０％まで）を含有し得る。この水は、ガス化における顕著なエネルギー量を消費するが、シンガスの発熱量に寄与しない。水は高温で燃焼（酸化）することができないとしても、元素成分、つまり水素および酸素に解離するであろう。水素はシンガスのカロリー価に寄与する。この反応は、非常に温度感受性があり、水素および酸素は、通常、シンガスが冷却されると水蒸気に再結合される。それゆえ、バイオマスの水分量は、厳密に限定されなければならない。過剰の水分が存在すれば、ガス化工程は、外部の熱源を含まずに単独で継続することができない。バイオマスの水分量が増加する程、シンガス中の利用可能な正味のエネルギーが減少する。シンガスの内部燃料を使用する固定床ガス化炉は、典型的には２０％未満の水分量のバイオマスを使用する。流動床ガス化炉は、典型的には３０％未満の水分量を必要とする。
【０２９３】
グリーンバイオマスは、最も即座に入手可能であり、安価なバイオマス製品である。乾燥工程では、かなりの量の追加的資本投資が必要であり、Ｏ＆Ｍコストが増加する。不幸にも、乾燥設備の経費（設備経費およびＯ＆Ｍコスト）は、グリーンバイオマス使用の経費節約になることはまれである。
【０２９４】
ガス浄化
シンガスがガス化炉を離れた後、ガス化炉には下流の設備、灰の取扱い、および排出にとって有害となる複数のタイプの含有物が含まれる。ガス浄化の度合いは、意図する使用法にほぼ適合していなければならない。往復運動するエンジン、ガスタービン、そして特に燃料電池で使用するために、非常に清浄なガスが求められる。表５−１２で議論される通り、シンガス内の主な含有物は、タール、粒子、アルカリ化合物、およびアンモニアである。観察される含有物のタイプは、用いられるバイオマス原料およびガス化工程に依存する。
【表２０】
2019058907.tif 000023
【０２９５】
ガス化は、高温で起こるため、シンガスは、顕熱中の総エネルギーの１／３に及ぶ可能性がある。ガスを高温のまま浄化することは、エネルギー使用の観点からすると有利であろうが、この労作を完遂することは現在のところ困難である。高温ガスフィルターに関する研究が継続中であり、それは石炭ガス化だけでなく他の高温工程にも適合することができる。湿性スクラバーは、現在のところ、ガス浄化としては最も信頼性があり経費が最小の選択肢であるが、シンガスの顕熱を無駄にする。高温のシンガスを冷却することで、浄化工程、発電、または最終使用のための水蒸気源を提供することができる。
【０２９６】
運転圧力
ガス化炉は、大気圧または高圧のいずれかで運転することができる。空気吹き方式の大気圧ガス化炉は、１１０〜１７０Ｂｔｕ／ｓｃｆの非常に低いＢｔｕガスを生成する。このガスをプラントの発電区分のガスタービンに導入するために、タービン出力の最大１／３というかなりの量の圧縮エネルギーを必要とする。それゆえ、シンガスが更なる圧縮を行わずにガスタービンの燃焼区分に直接導入され得るよう、シンガスを高圧で生成することが有利となろう。しかし加圧された反応炉は、反応炉にどう有される任意の燃焼空気または酸素を圧縮して、投入されたバイオマスおよび灰除去システムの圧縮密閉を維持する必要がある。
【０２９７】
利点および欠点
固定床および流動床ガス化炉は、バイオマスの特徴および地域の要件に応じて、バイオマス燃料による特殊な運転上の利点および欠点を有する。表５−１３に、固定床および流動床システムのガス化炉の特徴および運転上の問題の性質的比較を示す。
【０２９８】
【表２１】
2019058907.tif 000024
【０２９９】
設備および設置費用
ガス化系列のための主な経費は、一次ガス化反応炉そのものである。補助的加工を、タール分解炉内で行うことができる。間接的ガス化炉は、熱を供給する別の炭燃焼室を有する次の主要部分は、ガス浄化区分であり、それは灰の除去と、クエンチと、バグフィルターと、湿式スクラバーと、シンガスを冷却して工程の他の部分に熱を提供するか、またはＣＨＰ熱利用に寄与する熱交換器と、を含む。ガス化区分およびバイオマスをシンガスに変換するプラントにかかる資本コストを、表５−１４に示す。これらのコストは、公表された推定値（Ａｎｔａｒｅｓ  Ｇｒｏｕｐ，  Ｉｎｃ．，  ２００３）および設備供給業者の議論に基づいて推定されている。単位コストは、サイズの関数として一定して加工する傾向を示さず、代わりに工程に大きく依存すると見なされる。
【表２２】
2019058907.tif 000025
【０３００】
Ｏ＆Ｍコスト
ガス化の非燃料Ｏ＆Ｍコストには、Ｏ＆Ｍ人件費、管理者人件費、水、灰除去、保険料、税金、特許権使用料、および他の運転材料が含まれる。これらのコストは、公表された推定値および設備供給業者による議論に基づいて表５−１５で推定している６３。
【０３０１】
６３  Ａｎｔａｒｅｓ  Ｇｒｏｕｐ  Ｉｎｃ．，  ２００３
【表２３】
2019058907.tif 000026
【０３０２】
考慮されるバイオマスガス化システムの範囲に関するコストおよび性能の概要を、表５−１６に示す。
【表２４】
2019058907.tif 000027
【０３０３】
商業的状態
商業的ガス化プロジェクトの大部分は、原料として石炭または石油コークスを使用する。バイオマスガス化技術は、数十年間、商業的関心の対象であった。１９９０年代までに、ＣＨＰが潜在的近未来技術として認識された。研究開発は、一体型ガス化複合サイクルおよびガス化混焼の実証に集中した。米国では、プロジェクトにより、バガスおよびアルファルファのような扱いにくい原料がほとんど加工された。低エネルギーガス化炉は、現在市販されており、何十もの小規模施設が、運転されている。
【０３０４】
欧州、米国、およびカナダ６４のガス化炉製造業者のレビューにおいて、営利的ガス化プラントを提供する５０の製造照射を確認したところ、設計の７５５が固定床下向き通風タイプであり、設計の２０％が流動床システムであった。世界中で運転されているバイオマスガス化システムの実際の数は未知であるが、文献のレビューおよび工業発生源の議論に基づけば、５０未満であると推定される。この時点で米国で営利目的で運転されているバイオマスガス化システムはほんの一握りであり、これらの多くは、部分的に政府基金を受けた検証ユニットである。比較すれば、世界中で運転されているバイオマス燃料の流動床ボイラは、現在のところ１００を超える。
６４  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｂｉｏｍａｓｓ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，（日付不明）
【０３０５】
以下の既存の技術的および操作的問題に取り組むために進行中の開発活動は、依然としてかなり存在する：
・ガス化  −  バイオマスおよび黒液を用いた幾つかのガス化技術は、大規模検証の段階まで発展した。しかしガス化システムは、燃料電池または燃料合成のための水素分離技術と統合するのに適したシステムの広範な市販化に至っていない。これは、一部の理由として、燃料化学が、商業的検証プログラムを支援して先進のガス化炉およびガス浄化システムの発展および規模拡大を促進するのに十分確立されていないためである。
・シンガスの浄化および調質  −  バイオマスシステムからの原料ガスが、現在、下流の燃料、化学合成触媒、または幾つかの電力技術のためのそれらのものの厳密な品質基準に適合していない。これらのガスは、タール、粒子、アルカリ、アンモニア、塩素、および硫黄などの混入物質を除去するための浄化および調質を必要とするであろう。入手可能な浄化技術は、商業的実行に達するために必要となるコスト、性能、または環境基準にまだ適合していない。
・センサーおよび制御  −  効果的な工程制御の開発は、様々な負荷、燃料特性、および大気条件で目的レベルのプラント性能および排出を維持するために必要である。新しいセンサーおよび分析機器が、熱化学システムの制御システムを最適化するために開発中である。
・工程の統合  −  全ての新しい加工技術と同様に、技術、環境、および安全性の要件を十分に大規模に適合させる持続的な統合性能を実証することが、商業化を支援する上で不可欠である。蒸気生成、電力、パルプ化、および科学的回収に関連するユニット操作が統合されなければならない場合、製紙工場での黒液調整などの適用例は、既存の商業的工程に結合させるという更なる複雑さを有する。
・混入物質（構成材料）  −  既存のガス化炉により経験から、ガス化反応を含むことが困難であり、反応炉の殻および内部のための材料開発、含有容器の内張りとなる耐火材料、容器の設計、ならびに火床の挙動および凝集の知識を増やすことで、長期間にわたる性能が改善されることが示されている。
【０３０６】
５．３  モジュラーシステム
モジュラーバイオマスを燃料とするＣＨＰシステムは、５ＭＷ未満であるが典型的にはさらに小さい小型システムであり、主な操作部品が、ユーザーの地域で簡単に設置されるように予め操作および包装された１つ以上のモジュールの中に入っている。そのシステムは、典型的には燃料処理装置（燃焼またはガス化）、必要な中間体燃料浄化材、発電機、および発電区分とエネルギー変換区分の両方からの熱回収部、を含む。自動の燃料貯蔵および送達システムを、完全な操作システムのために加えなければならない。
【０３０７】
小型モジュラーバイオマスシステムは、田舎、農村、職業、および遠隔地に電力を供給することができる。これらのシステムは、木材、作物廃棄物、動物系肥料、およびＬＦＧなどの地方で入手可能なバイオマス燃料を使用する。バイオマス燃料によるモジュラー電力システムの開発は、電力および燃料基盤が不足する地域の隔離されたコミュニティー電力を送る手段として、国際的に大きな関心が寄せられている。米国においては、作物廃棄物または山火事を制御するための間伐材など、地方から得られた機会燃料（ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ  ｆｕｅｌｓ）を利用する小型システムに関心が持たれている。
【０３０８】
特別な開発業者／製造業者のモジュラーシステムの特定の列挙を付録Ｄに示す。
【０３０９】
特徴づけ
モジュラーシステムは、本質的により大型のシステムを本質的に規模縮小させたものである。蒸気電力による直接燃焼技術を利用するシステム、ならびに内燃機関、マイクロタービン、およびスターリングエンジンなどのガス化技術とガス燃料燃焼電力技術（第６章で考察）とを利用するシステムがある。発電用のスターリングエンジンを使用する直接燃焼システム、および高温の原料ガスを燃焼して蒸気を生成させるガス化を利用するシステムも存在する。
【０３１０】
モジュラー式ガス化システム
図５〜８に、開発中のシステムの代表例である７５−ｋＷモジュラーバイオマスガス化システムの略図を示す。図には、基本的システムに含まれる８つのサブモジュールが存在すること、ならびに貯蔵および供給サブモジュールが含まれないこと、が示されている。
【０３１１】
基本的パッケージモジュール
１．自動バイオマス供給システム
２．原料の水分量を減少させる乾燥機
３．サイズ調整するためのチップソーター
４．乾燥機内で使用するため、および現場での加熱適用のためのガス化炉から熱を抽出する熱交換器
５．ガス化炉供給機
６．低Ｂｔｕガス（約１１０Ｂｔｕ／ｓｃｆ−ＨＨＶの発熱量）を生成する下向き通風ガス化炉
７．粒子を除去する濾過段階
８．電力モジュール  −  これは、低Ｂｔｕ燃料、マイクロタービン、スターリングエンジン、または燃料電池で運転するように設計された内燃機関になり得る。電力モジュールは、現場での使用のための更なる使用可能な熱エネルギーを提供するための熱回収設備も有する。ガスはそのような低Ｂｔｕ量であるため、プロパンまたは天然ガスがシステムの立ち上がりの際に必要となる。立ち上がりの後、システムはシンガスのみで運転することができる。
【０３１２】
これらのようなシステムは、現場の送達システムで原料を貯蔵する必要がある。移動床を有する地中の貯蔵庫により、自動化システムへの燃料の直接送達が可能になる。自動化システムは、トラックにより一定サイズの燃料供給物が送達され得る恒久的に設置された底部に電気が流れるバンからなり得る。
【表２５】
2019058907.tif 000028
【０３１３】
モジュラー式燃焼システム６５
固定床燃焼室内での直接燃焼は、大きなサイズでの商業的技術である。これらの大型システムでは、これまで特徴づけされた通り、蒸気タービンにより発電される。モジュラーシステムにおいて、小型適用例により適する他の電力システムが、開発されている。用いられている、または使用が検討されている典型的な電力および熱サイクルは、以下の通りである：
・水蒸気サイクル
・有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）
・ブレイトンサイクル、ホットエアタービン
・開発者により定義され、有機ランキンサイクルと類似しているが、高温で高い効率を生じることで判別されるエントロピックサイクル
・スターリングエンジン、外部燃焼
６５  図示された例であるＢｉｏｍａｘは、Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより開発された
【０３１４】
バイオマス燃焼により駆動され得るモジュラー電力および熱サイクルを、図５−９に示す。
【表２６】
2019058907.tif 000029
【０３１５】
示された４種の電力サイクルに加えて、非常に小さい（５００ワットから１０ｋＷ）モジュラーシステムが、スターリングエンジン技術を利用して開発されている。発電機が様々なバイオマス燃料（木材、木材ペレット、おがくず、チップ、またはバイオマス廃棄物）を電気および有用な熱に変換する６７。これらのシステムは、典型的には燃料機関の１０〜２０％を電気に変換するが、燃料機関の６０〜７０％は、その後、水および空間を加熱するのに利用できる。その原型システムのバーナは、セラミック燃焼ボックスと、燃料ホッパーとを含み、燃料容量は２４時間である。それは、完全二段階燃焼を比較的低い放出量で遂行する。そのスターリングエンジンの交流発電機は、気体軸受が接触、摩擦、および摩耗を排除するため、最小限のメンテナンスしか必要とならない。計画寿命は、４０，０００時間である。
６７  Ｓｕｎｐｏｗｅｒのスターリングエンジン技術のライセンスにより開発されているシステムは、インディアナポリスのＥｘｔｅｒｎａｌ  Ｐｏｗｅｒ  ＬＬＣである。
【０３１６】
モジュラー式ハイブリッドガス化／燃焼システム
モジュラー式ハイブリッドガス化／燃焼システムは、直接燃焼システムと機能的に類似して運転する。電力は、現場での熱エネルギー需要のための蒸気も提供する背圧蒸気タービンに由来する。差異は、燃焼チャンバーが実際には２つのチャンバーのガス化炉法を利用したガス化システムである、ということである。そのシステムは、二段階燃焼ボイラ設計と類似している。このアプローチは、温度１，０００°Ｆ〜１，４００°Ｆの比較的低温のチャンバーでガスを生成させ、その後、温度が２，３００°Ｆまでの比較的高温のチャンバー（ボイラ）で燃焼させる。これらの温度は、ガス化炉内の燃料から炭素を完全に除去して、酸素化ゾーンの複雑な有機物をより完全に酸素化することができる。これらの特性を組み合わせることで、浄化燃焼型燃料効率システムが得られる。ＣＨＰユニットは、１００ｋＷ〜数メガワットの小型背圧蒸気タービンを含む。
【０３１７】
このアプローチは、簡便性および低コストの燃焼システムと、より完全な炭素変換および浄化燃焼特性のガス化利点とを併せ持つ。モジュラー式ガス化／燃焼システムの例を、図５〜１０に示す。このシステムは、６〜５５％（湿量基準）の範囲内の水分量を有する燃料を使用する可能性を有する。そのシステムは、低熱需要の期間に空転させるのに２０：１のターンダウン比も有する。
【表２７】
2019058907.tif 000030
【０３１８】
効率
モジュラーシステムの発熱効率は、表５〜１７に示された通り典型的には結構低い。相当なの熱エネルギーを要する適用例において、全体的なＣＨＰ効率は、ガス化システムに匹敵する。しかしこれらのシステムの電気対熱比は、かなり低く、有用なエネルギー全体のうちのそれほど多くが、多少の電気の形態よりもむしろ熱の形態で送達される。
【表２８】
2019058907.tif 000031
【０３１９】
運転上の利点および欠点
今日の主な運転上の利点は、木材チップまたは間伐際などの価値の低い機会バイオマス燃料の使用にある。加えて、システムの多くは、過度に経費がかかり送電網に連結できない遠隔での適用をターゲットとする。
【０３２０】
モジュラーシステムの全てのタイプに影響を及ぼす主な欠点は、必要な設備全てに関連する比較的高い資本コストである。この設備は、従来のガス燃焼式ＣＨＰシステムと比較してかなりの空間も占める。エンジン発現システムは、モジュラー式バイオマスシステムに必要な総空間の約５％しか占有しない。別の欠点は、多くのサブシステム、特に固体取扱い部品およびフィルターに関連するメンテナンスおよび修理が必要なことである。
【０３２１】
設備および設置費用
設備費用については、推論である。この説の情報は、販売業者および二次供給業者によって提供されたものである。図５〜１１に、異なるタイプの直接燃焼システムに関するコスの範囲（＄／ｋＷ）を示す。これらのコストが、全体的コストを＄６００〜１，０００／ｋＷ増加させる原料貯蔵および送達のコストを含んでいることは、明らかでない。
【表２９】
2019058907.tif 000032
【０３２２】
モジュラ式ガス化のコストは、基本的設備で＄２，５００〜＄４，０００／ｋＷ、バイオマス貯蔵庫でさらに＄６００〜＄１，０００／ｋＷ、そして設置に＄２，０００／ｋＷになると推定される。
【０３２３】
ハイブリッドガス化／燃焼システム自体は、約＄３００／ｋＷかかる。この部分を、原料貯蔵および送達（＄６００〜＄１，０００／ｋＷ）、小規模ボイラ、小規模蒸気タービン発電機（＄９００〜＄１，２００／ｋＷ）、ならびに他の設備、例えば制御、サイクロン飛灰回収システム、および煙突と適合させなければならない。全体的な設置資本コストは、＄１２，０００〜＄１８，０００／ｋＷになろう。
【０３２４】
Ｏ＆Ｍコスト
ほとんどのモジュラーシステムは、連続運転、自動灰・炭抽出、自動供給、および自動工程制御を特徴とする。０．５〜３時間／週のメンテナンスが、原料送達、灰除去、フィルター浄化または交換、ならびに自動供給システムの点検および修理問題をモニタリングするのに必要となる。加えて、内燃機関またはマイクロタービンなどの原動力は、ガス燃焼システムと同様のメンテナンス注意が必要である。
【０３２５】
これらのシステムの全体的コストおよび信頼性は、まだ確定されていない。
【０３２６】
商業的状態
モジュラー式バイオマス熱および電力システムに取り組む小さな開発会社は複数存在する（付録Ｄに列挙）。米国で設置されたシステムのほとんどが、様々な連邦および国家財源により設立された研究、開発、および検証プロジェクトの一部である。ＤＯＥは、ＵＳＤＡおよび米国農林省林野部と同様にモジュラーバイオマスに関する活発な研究開発プログラムを有する。国連も、バイオマスを用いた村落の電力システムを開発するために、この分野で継続中のプログラムを有する。
バイオマス技術のレビュー
（Ｂｉｏｍａｓｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｒｅｖｉｅｗ）
２０１０年１０月２１日
バイオマス電力学会（Ｂｉｏｍａｓｓ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）に向けて
作成
ＭａｃＨａｌｅ  ＆  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ．，  Ｉｎｃ．
０４１０１  メイン州  ポートランド  センターストリート  ７０  
ＭｃＨａｌｅ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
要約
本研究は、バイオマス電力学会にて、高効率のバイオマス発電に利用可能な現行の技術をレビューするために実施されたものである。この利用可能な技術を、技術の簡単な説明と共に列挙している。
【０３２７】
マサチューセッツ州の環境資源部門（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ  （ＤＯＥＲ））は、再生可能エネルギークレジット（ＲＥＣ）の新たな要件を提案した。最小基準は、１／２のクレジットを受け取るための正味のプラント効率が４０％であり、完全なクレジットを受け取るための正味の効率が６０％である１。本研究では、そのような効率基準が現在運転中の発電ユニット、または遠くない将来のいつか建設される任意の新しいユニットにより実現可能でない、と結論づけている。
【０３２８】
米国およびカナダにある１１の既存のプラントをレビューした。バイオマス発電プロジェクトの平均効率は、２３％である。当業界におけるバイオマスの先導的事業所の発電のための発熱量は、１１，７００Ｂｔｕ／ｋＷｈ（２９．２％）〜２０，０００Ｂｔｕ／ｋＷｈ（１７．１％）である。
【０３２９】
新しい施設に関して、その報告は、新しい既存の資金調達可能で商業的に立証された技術に、提案された効率基準に適合するために利用可能なものはないと結論づけている。
【０３３０】
提案された効率基準は、電気のみから得られるバイオマスエネルギーの経済性を、熱生成の副産物として電気を提供することに変化させるコジェネレーションまたは熱電併給（いわゆる「ＣＨＰ」）を利用することによってのみ、適合し得る。現在、マサチューセッツ州ＲＰＳプログラムの下で資格を与えられた既存の施設は、大きな工業的ホストを施設内に引き込むことは考えにくく、もしそのようなホストが見かったとしても財源を見出すことは不可能である。競合する化石燃料源の価格があるとして、新しいバイオマス熱利用が経済的に正しいと仮定したとしても、燃料供給の距離および燃料をプラントに毎日送達する回数によって、そのような用途の見込みが低くなる。
【０３３１】
地域エネルギーの適用は、提案された要件の下では建設されにくい。その理由は、地域エネルギー施設の熱負荷が一年を通して一定でないことである。夏季の熱負荷は、ゼロであり、平均年間熱負荷は、冬のピーク時の約４４％である。プラントを一年の一時だけ運転させることは、考えにくい。プラントを運転して効率要件が適合する期間は、熱負荷をもたらすために発生する電力が低下するため、利潤を得ながら施設を運転するのに不十分な程低いＲＥＣ収益となる。
【０３３２】
欧州のバイオマスの実績は、ニューイングランドのマーケットに直接適用することができない。固定価格買い取り制度、成熟した炭素市場、長期間安定した市場刺激策、および極めて高い電力コストにより、ＣＨＰおよび地域エネルギープロジェクトが魅力的になる。それらの要因のいずれも、今日のニューイングランドには存在しない。
【０３３３】
最後に、高効率的電力プラントを記載する文献が誤った情報を与えていることに留意することが重要である。一般的用語および定義が用いられることが重要である。米国における基準は、固体燃料プロジェクトのための高位発熱量（ＨＨＶ）を用いるべきである。欧州では、低位発熱量（ＬＨＶ）が、燃料発熱量およびプラント効率を計算するのに用いられている。その結果、燃料に応じて４％〜７％の差が生じている。そのため報告された３５％効率は、ＨＨＶ基準では３３％となる。加えて効率は、総電気量基準または有効電気量基準で報告することができる。有効電気量は、総量からプラントの補機への負荷（ｐｌａｎｔ  ａｕｘｉｌｉａｒｙ  ｌｏａｓ）を引いた値である。典型的なプラントの場合、補機の負荷は、総発電量の１０％〜１２％である。報告された３５％効率が総電気量のＬＨＶ基準に基づくと仮定すると、ＨＨＶの正味の効率は、３０％未満となろう。
【０３３４】
要約すると、バイオマス発電に高効率基準を用いることは、合理的でなく、経済的実行可能性がなく、米国のどこにも見あたらない欧州型市場および減退が推測される。提案された効率の要件の結果、再生可能エネルギーの既存のマサチューセッツ州ポートフォリオから、迅速であり実行可能で再生可能なエネルギーでの電力源としてバイオマスを排除し、州または行政区のどこにでも新しいバイオマス電気の障害を設けることになる。
目次
要約 １
緒言 ６
定義 ６
背景 ６
米国のバイオマス電力市場 ６
欧州のバイオマス電力市場 ９
発電所  対  熱電併給プラント ９
既存のバイオマス発電所からＣＨＰ施設への変換 １０
プラント効率 １０
効率   １２
発熱率 １２
効率 １２
カルノー効率 １２
合理的効率 １３
全体的効率 １３
エネルギー利用因子 １３
全体的効率 １３
一般的効率の注記     １３
高位発熱量  対  低位発熱量           １３
プラント入力および出力量の測定用の場所 １４
市場向きバイオプロダクト １４
火力および化学サイクルのサイクル効率 １５
技術の議論 １９
蒸気ランキンサイクル １９
蒸気発生装置またはボイラ １９
吊り下げ式バーナ ２０
炉床式ボイラ ２１
グレートボイラ ２１
流動床ボイラ ２２
蒸気タービン ２２
凝縮蒸気タービン ２２
抽出蒸気タービン ２３
熱遮断 ２３
ガス化 ２４
ガス化ボイラ ２５
合成ガスまたは液体ガス化炉 ２６
熱分解システム ２７
市場向きバイオプロダクトを製造するためのガス化炉 ２８
ガスまたは液体燃料サイクルのためのガス化 ２８
単純サイクルＩＣ系ＣＨＰプラント ２９
単純サイクル発熱ガスタービン ３０
単純サイクルマイクロタービン ３０
ＣＴＧユニットからの熱回収 ３０
複合サイクルプラント ３０
その他の発電サイクル ３１
スターリングサイクル発電所 ３１
有機ランキンサイクル ３２
エントロピックサイクル ３２
燃料電池 ３２
バイオマス燃料電力サイクルのための典型的な燃料利用効率 ３３
燃料の性能およびコスト ３３
コジェネレーションの議論 ３４
廃熱の熱需要 ３４
工業的加工 ３４
地域冷暖房 ３５
バイオマスプロジェクトの経済性 ３９
ニューイングランドのバイオマスプラント ３９
バイオマスプロジェクトの経費 ３９
化石燃料火力発電所とバイオマスの比較 ４０
バイオマスの相場および送達 ４１
バイオマスプラントの効率 ４２
プロジェクトの経済性 ４４
バイオマス発電の例 ４５
バイオマスコジェネレーション施設 ４５
小型バイオマス熱電併給 ４６
火力専用の発電所 ４６
小型火力発電所（加熱プラント） ４６
規制のリスク ４６
結論 ５０
参考文献 ５１
【０３３５】
Ｉ．緒言
この報告は、マサチューセッツ州の提案された効率基準に関して、バイオマス発電およびコジェネレーションの技術およびプロジェクトの経済性を化粧するものである。米国、特にニューイングランドのバイオマス市場の背景を議論する。現行のバイオマス技術および新興のバイオマス技術を議論する。プロジェクトの経済性を既存の技術について示し、発電スキームとコジェネレーションのスキームを比較する。
【０３３６】
Ａ．定義
以下の定義が、この文書で用いられる。
ＡＲ  −  受取り時
ＢＤ  −  完全乾燥
Ｂｔｕ  −  英熱量
ＣＨＰ  −  熱電併給。コジェネレーションと互換的に使用
ＣＴＧ  −  燃焼タービン発電機
ＤＥ  −  地域エネルギー
ＲＥＣ  −  再生可能なエネルギークレジット
ＳＴＧ  −  蒸気タービン発電機
Ｓｙｎｇａｓ  −  合成ガス
ＬＨＶ  −  低位発熱量。米国以外で燃料発熱量に一般的に用いられる
ＨＨＶ  −  高位発熱量。米国での基準として一般的に用いられる
ＭＷｈ  −  メガワット時間
Ｑ  ＝  熱伝達
Ｗ  ＝  仕事
下付き文字
Ｂ  ＝  ボイラ
Ａ  ＝  周囲。サーマルシンクで用いられる
Ｓ  ＝  煙突
Ｕ  ＝  有用な熱
【０３３７】
Ｂ．背景
（ｉ）米国のバイオマス電力市場
米国の再生可能なバイオマス発電業界の成長は、公益事業規制政策法２の可決および実行の直接の結果であった。米国エネルギー輸入の減少、輸入される燃料価格の上昇、および新しい天然ガス生成の禁止が長期電力契約の利用可能性と合わさり、１９８０年代には多くの「商業的」（非公益）バイオマス発電所が建設された。
【０３３８】
バイオマスプラント用燃料は、豊富に存在し田園地域から低コストで得られるため、低容量発電所が木材伐採および木材加工が行われている多くの田園地域に設置された。燃料供給は豊富であったが、Ｂｔｕ量は低く、燃料は低密度であったため、発電所を比較的小規模に維持して運搬コストを削減し、一般にはプラントサイズを、半径およそ６０〜７５マイル以内での回収操作により支持され得る１０〜２０ＭＷ出力に限定した。木材を回収するコストは一回の輸送に含まれる発電所への燃料の値をはるかに超えていおり、樹木がこれらのプラントを支持するためだけにカットされるため、バイオマス発電の経済性は、決して存在しない。木材バイオマス燃料の販売は、一般に、製材所および木材パルプ生産のために高級木材を製造している伐採作業の経済性を部分的に抑制する手段として用いられる。多量の低級木材燃料も、森林管理処分の間に発生する。
【０３３９】
燃料油の価格は、加工のために内部使用される加工蒸気および電力を主に供給するための発電容量と共に上昇するため、独立型のバイオマス発電所に加え、地区に存在して久しい地域的なパルプ、紙および木材加工業会が、バイオマス燃焼蒸気プラントを設置した。同じく幾つかのパルプ製造施設に存在するのが、化学薬品回収および蒸気生成の手段として、黒液と呼ばれるパルプ副産物を燃焼するソーダ回収「ボイラ」である。黒液は、場合によりバイオマス燃料と呼ばれるが、その製造は、１つの地域内に留まり、パルプ製造サイクルの一部であるため、黒液を発生する施設の負荷軽減を上回る地域的電力需要に関して実行性のあるバイオマス燃料ではない。このプラントは、典型的には送電網にバイオマス発生電力を送る主な寄与施設ではない。
【０３４０】
ニューイングランド内の営利的なバイオマス発電所の設置に続いて、ノースアメリカ内の継続的な規制緩和と、更なる天然ガス埋蔵物の発見により、複合的サイクルの天然ガス発電所の建設ブームが訪れ、その一方でバイオマス業界により支援され得るより少ないエネルギー価格に全体的に下落した。継続的な化石燃料生成に及ぼす潜在的な気候変化の影響に関心が高まる中、マサチューセッツ州は、再生可能な電力資源からの電力の割合が高い発電を奨励する報奨制度を創設して、再生可能エネルギーポートフォリオ基準（ＲＰＳ）を定めた。マサチューセッツで現在利用できるかなりの量の再生可能な発電がないことを前提として、市場は、マサチューセッツ州に再生可能に発生するバイオマス電力を供給するために開発を行った。他のニューイングランドの州にもＲＰＳ基準を課したが、それぞれ再生可能電力の解釈および必要な割合が異なっていた。再生可能なバイオマス電力の需要にもかかわらず、長期契約を利用可能でないことおよび天然ガスの価格が安いことから、１９８０年代からその地域内で建設された営利的バイオマス発電施設はほとんどなかった。近年になり、再生可能発電への長期奨励制度の可能性により、営利的バイオマス発電所が、再度、提案されているが、バイオマスと化石燃料を識別する炭素の「価格」を国家が設定できないことが、実際のプラント建設を抑制している。図１に、ＩＳＯニューイングランド市場内に位置する現在のバイオマス発電施設を示す。マサチューセッツ州に認定されＲＥＣの施設を、表示している。
【０３４１】
【表３０】
2019058907.tif 000033
【０３４２】
再生可能電力市場は、現在、２種の発達した技術と、多数の小さな新興の技術とで構成される。２種の発達した技術は、水素発電およびバイオマス発電である。ダムは、経済的、水産的、および娯楽的な目的で除去されるため、ニューイングランド市場の水素発電は、伸び悩み、縮小している。主に様々な形態の風力および太陽光からなる新興の技術は、緩やかに発達しているが、今日までにその技術は一般に、生成される電力量が予測不能であり、必ずしも地域の負荷需要に貢献していない。地域の電力の大部分は、最小貯蔵容量と共に必要に応じて発生させるため、両方の主なタイプの電力と、ベースロードと、ディスパッチャブルな需要がある。ベースロード電力は、典型的には予測可能な１日あたり２４時間、または平均的な地域需要を反映させた計画に基づいて発電させ；ディスパッチャブル電力は、電力需要のある時に供給するように迅速に運転に入ることが確実に可能な発電である。水素発電は、上流での貯蔵の利用可能性に応じてベースロードであっても、またはディスパッチャブルであってもよい。埋め立てゴミ処理地のガスは、ベースロード電力である。バイオマスは、システムの需要を反映させるため、ロードプロファイルが若干変動し得る。新興の発電を加えることで、間欠的なシステムに第三の成分が加わる。太陽および風力などの適切な供給源が利用できる場合には発電が可能であるが、供給源を利用できない場合には、適切なディスパッチャブル発電容量または地域的負荷を減少させる能力を利用できなければならない。典型的にはこのディスパッチャブル発電は、より経費ががかり、より低効率の化石燃料電法である。長期ベースでの発電所の定格出力と発電されると予測され得る電力量との比は、一般にプラント稼働率と呼ばれる。発達した再生可能技術は、典型的には９０％を超える信頼性を有するが、新興の技術は、一般に１０％未満と見なされる。
【０３４３】
今日まで、両方の新興技術は、経済的に実行可能にする様々なタイプの大掛かりな助成金に依存する。沖合で発生した風は、より高い稼働率を生じる可能性を有し、現行の配置および予測されるコストから、発達した再生可能技術の将来的補助になる得るが、ニューイングランドの電力市場の急進的変動およびそれが顧客需要よりむしろ発電稼働率に基づく負荷を制御する能力が存在しない限り、それらに発達した再生可能技術に取って代わることはなかろう。
【０３４４】
現在、地域は、２つの季節的ピークによる長期電気負荷需要を示し、一方の季節的ピークは、冬季のピーク暖房負荷に大まかに対応し、第二の大きな年間ピークは、最大の下記冷房負荷に対応する。
【０３４５】
（ｉｉ）欧州のバイオマス電力市場
現行の欧州バイオマス電力の市場需要は、電熱併給プロジェクトと、石炭がベース負荷の発電所で用いられる燃料の一部の代理となる輸入木質ペレットへの増加する需要が混ざり合っている。炭素減少のターゲットである化石燃料への高い関税および既存の大規模な石炭ベースの発電所が、再生可能に発電されるバイオマス電力の需要を吊り上げている。多くの地域にある大規模な既存の地域発熱システムは、任意のタイプの再生可能な発電への非常に気前のよい助成金と一緒になって、地域熱供給網への連結を最適化するバイオマス燃焼熱電併給施設の設置をもたらした。地域熱供給網は、適切な熱需要時間での非常に高い燃料利用効率を可能にするが、再生可能発電は、熱需要の副産物である。地域の木材燃料の相対的不足および再生可能燃料の高い価値が、世界中から木材製品を得る遠大な市場をもたらした。低級燃料を長距離運搬する経済および調節環境があれば、最終消費者にとってかなり高いコストになるもかかわらず、かなり低い設置面積および地域的影響であるめ、輸入された木材製品の大部分が、運送業者の地域で木材ペレットに変換され、都会でのバイオマス発電所の立地が可能になる。
【０３４６】
（ｉｉｉ）発電所  対  熱電併給プラント
ニューイングランドの発電網は、発電を最大にするように最適化された発電専用のバイオマスプラントによって供給されている。発電専用のプラントの代わりの形態が、電気エネルギーの生成を有用な熱エネルギーの生成と均衡を保つ熱電併給（ＣＨＰ）プラントである。熱および電気の量エネルギーへの一定した需要があるならば、ＣＨＰプラントは同等の発電の民プラントよりも高い全体的燃料利用を有し得る。外部電力を購入するコストよりも少なくするために、ＣＨＰプラントの極めて大部分は、発電が可能な工業施設内に設置される。ＣＨＰプラントの否定的な面は、プラントにより発生された熱出力が使用されると、全体的効率が依然として高くなるに過ぎないことである。ＣＨＰプラントには複数のバリエーションが存在するが、大分部は、熱負荷を工業施設に供給して電気が副産物として生成され、こうして地域的電力需要の代わりに電気生成物を熱需要に結び付ける問設定である。一般に工業地域の経済性は、通常とな異なる運転モードの際だけ送電網に電力を売る、正味の電力ユーザーであり続けることである。
【０３４７】
ボイラの出口に小発電容量で設置されて、蒸気圧を高圧から低圧に下降させながら小さな電量を発生するＣＨＰプラントが設置される場合もある。これは、高圧蒸気に対して小さな需要がある場合、および低圧蒸気に対してかなり高い需要がある場合には一般的である。かつては、送電網が利用できなくなった時に発熱プラントを運転し続けられるように、構内発電がある程度の価値があったが、業務を実施するのの必要な設備を備えた小規模発電機はほとんどない。
【０３４８】
再生可能原料から発電させて、得られた電力を再生可能原料に報いる固定価格買い取り制度で資格を得て、送電網から過去に供給された電力と相殺させる、より新しいＣＨＰシステムが設置されている。固定価格買い取り制度は、一般に、再生可能発電を奨励するために高い割合で設定される。この方法は、欧州での使用は非常に有効であったが、全体的なコストが非常に高くなり、ほとんどの制度が近年になり、助成金のコストを減らす試みとして売電価格をかなり低減した。ＣＨＰユニットは、主に発熱ユニットであり、地域の電力需要を供給する予定であった電力プラントよりもむしろ熱需要を供給しながら発電する装置を加えている。それゆえ小型ＣＨＰプラントは、実質的には熱負荷とは独立に起こりがちな地域的電力需要を支えるための貢献が期待されず、春季、夏季または秋季に制限される、または利用不可能になる。
（ｉｖ）既存のバイオマス発電所からＣＨＰ施設への変換
プラント付近での大規模な年間を通した熱需要はないため、バイオマス発電所からＣＨＰ目的への変換は、ニューイングランドでの既存のバイオマス発電施設の大部分に関しては可能にならないであろう。現在構成されたままのプラントは、かなりの量のネルエネルギーを見出され得る隣接するホスト施設に輸送するために、凝縮蒸気タービンの交換を含む実質的な変化が必要となる。
【０３４９】
ＩＩＩ．プラント効率
エネルギー変換を表すのに用いられる効率に関する定義は数多く存在する。各定義は、異なる対象に向けられているため、効率の１つの定義を別の定義と混同して「リンゴとオレンジ」の比較を行うのは容易である。以下の図２の図は、一般的な発熱サイクルを示している。
【０３５０】
【表３１】
2019058907.tif 000034
【０３５１】
Ａ．効率
工程およびプラントの「効率」の比較は、効率の定義が複数存在するため困難である。米国では、アメリカ機械学会が、適切に実行された場合に所与の熱工程の効率を定義して結果の考えられる不確実性を確定する、一連の性能試験法を発表した。標準化された検査および制定された試験方法の利用がなければ、効率の比較は、最良には広範囲の近似となり、悪い場合には、電力変換工程の１つのタイプが別のタイプよりもよく見えるように乱用される可能性がある。以下に列挙されたのは、より多く利用される効率の定義の一部である。
【０３５２】
発熱率  −この用語は、典型的には電力業界で、所与量の電力を発生するために必要なエネルギー入力量を表すために用いられる。典型的な英国単位が、Ｂｔｕ／ｋＷである。以下に列挙された効率定義全てのうち、この定義が有用な仕事出力を分母として有することに留意されたい。他は全てそれを分子として使用している。それゆえ、発熱率が低下すると、プラント効率が上昇する。
ＨＲ＝ＱＢ／Ｗ
【０３５３】
効率  −  有用な仕事出力を燃料により割る
ηＴＨ＝Ｗ／Ｑｂ
【０３５４】
カルノー効率  −  カルノー効率は、熱エネルギーを仕事に変換する最も効率的なサイクルである。これは、実際には得られないが発電量の上限を決定するのに有用な理論的サイクルである。式に用いられた温度が絶対温度、英国単位ではランキン度であることに留意することが重要である。
ηＣ＝（ＴＢ−ＴＡ）／ＴＢ＝（ＱＢ−ＱＡ）／ＱＢ
【０３５５】
合理的効率  −  システムにより生成された実際の仕事とシステムのエクセルギーとの比であり、システムを蓄熱体と平衡にする工程の間に可能になる最大に有用な仕事である。実際の仕事は、常にエクセルぎーよりも小さくなる。この効率は、工程を設計および最適化するのに有用である。
ηＡ＝Ｗ／システムの熱力学ポテンシャルの変化
【０３５６】
全体的効率  −  システムの仕事出力を燃料投入量で割ったものであり、燃料投入量は、燃料の質量流量を燃料のカロリー値に掛けることにより計算される。
ηＯ＝Ｗ／ＱＦｕｅｌ
（ここで、ＱＦｕｅｌ＝燃料の質量流量×カロリー値）
【０３５７】
エネルギー利用因子  −  この効率は、提案された規制の中で定義された効率に最も近い値である。（有用な仕事＋有用な熱エネルギー）を燃料投入量で割ったものである。
ＥＵＦ＝（Ｗ＋ＱＵ）／ＱＢ
【０３５８】
全体的効率  −  この用語は、提案されたＤＯＥＲ規制２２５  ＣＭＲ１４．０５（８）（ｂ）（２）の中で定義されている。任意の市場向きバイオプロダクトのためのエネルギー値（Ｂｔｕ）に含まれる蒸気エネルギー利用因子と類似している。この規制で言及された通り、市場向きバイオプロダクトは、「反応のエンタルピーに基づくエネルギー量を定めている」。簡単な定義であるが、有用な熱と有用な電気の生成が同時に起こっている複雑な化学反応の連鎖にこの値をあてはめるというのは、一貫して計算が複雑になる可能性がある。
η＝（Ｗ＋ＱＵ＋市場向きバイオプロダクト）／ＱＢ
【０３５９】
一般的効率の注記  −  効率の計算にさらに疑問を投げかけるのが、複数の異なる協定が用いられていることで、それが様々な工程間の比較を困難にしている。
【０３６０】
高位発熱量  対  低位発熱量
燃料の熱量（ｋＪでのＢｔｕ）を言及する２つの慣用法がある。高位発熱量（ＨＨＶ）は、副産物の凝縮を考慮しており、低位発熱量（ＬＨＶ）は、それを考慮していない。これは、ＬＨＶ基準で表された熱量に関するＢｔｕの数値を低下させる。２つの差は、核燃料の成分に依存し、石炭ではおよそ５％、天然ガスでは１０％、バイオマス燃料では６〜７％の典型的範囲になる３。米国の電力業界は、典型的には効率計算での燃料投入量の場合ＨＨＶを使用するが、欧州の業界および燃焼タービン設備の製造業者は、燃料発熱地の基準としてＬＨＶを使用する。
【０３６１】
言及されたプラント効率および設備の効率に単位が必要となることが、重要である。値を米国のプラント効率と比較し得るように、典型的な欧州プラント効率の引用を、ＬＨＶとＨＨＶの発熱量比によって調整しなければならないであろう。
【０３６２】
２２５  ＣＭＲ  １４は、燃料投入量がＨＨＶであるか、またはＬＨＶであるかを言及しておらず、そのため６〜７％の効率差を誘導する可能性がある。
【０３６３】
プラント入力および出力量の測定用の場所
電力サイクルの入力および出力の場所および定義は、一貫した効率計算を決定するために、精密かつ正確に定義されなければならない。入口の燃料量は、受取り時の水分量から燃焼直前の水分量まで変動し得る。燃料量は、燃料中の水分による発熱量損失を無視することができる、完全乾燥量として挙げることもできる。
発電所の第三団体の試験は通常、電力出力のためにプラントの電気メータの出力を測定している。この読み取り値は、プラント電圧を送電網電圧に上昇させるのに必要となる昇圧変圧器に関連した任意の損失を含む。他の効率測定は、発電機の所で電力出力を読み取るようにきめられているため、通常のプラント効率よりも高くなる可能性がある。極端な例として、プラントは、内部発電所負荷に利用してプラント負荷を不自然に上昇させるエネルギーを、考慮することができない。
【０３６４】
発生装置の端末でのプラント出力の読み取りは、プラントの総発生電力量を表す。プラントの補助的負荷量を引けば、有効電力量が得られる。出力基準と効率基準（総量または有効量）は、識別されなければならない。
【０３６５】
市場向きバイオプロダクト
用語「市場向きバイオプロダクト」は、ＲＥＣの資格に必要なプラント効率に導入されてきた。提案された規制の定義は、該当部門により認可されるように「市場向きバイオプロダクトに関して、製品が反応のエンタルピーに基づくエネルギー量を定められ」、それらのエネルギー単位が適切にＭＷｈに変換されることである。
【０３６６】
標準の燃焼工程は、入ってくる燃料の化学エネルギーを主に酸素とＣＯ２と水蒸気の混合物に変換する際に効率的であるため、発電工程から除去される市場向きバイオプロダクトは、電力および熱量の出力を減少させる。
【０３６７】
変換効率を考慮する因子を用いずに化学エネルギーから電気エネルギーへの直接的変換を利用することが、ＤＯＥ効率基準に適合する方法として、市場向きバイオプロダクトを生成する代わりに発電を迂回するように発電事業者に働きかけることになろう。
【０３６８】
標準を記載したが、市場向きバイオプロダクトへの寄与は、熱への寄与に対して１００％であり、電力はサイクル効率により減少される。この結果、同党の電気出力を発生する施設へのバイオマス入力を増加させる。バイオマス源が、経済的な燃料運搬距離により制限された燃料であるならば、各バイオマス施設の実効電気出力は、少なくなるであろう。  
【０３６９】
火力および化学サイクルのサイクル効率
図５に、基本的な発電サイクルを示す。
【０３７０】
【表３２】
2019058907.tif 000035
2019058907.tif 000036
2019058907.tif 000037
【０３７１】
ＩＶ．技術の議論
Ａ．蒸気ランキンサイクル
蒸気ランキンサイクルは、一般には、世界中の電力の８０％を生成すると報告されている。ランキンサイクルの効率は、ボイラ効率と蒸気サイクル効率の約数である。このサイクルの設計は、効率とキャピタルコストと燃料コストとプラント寿命のトレードオフを考慮している。圧力、温度、再熱または蓄熱に関する決定は、プロジェクトを最適化することに基づいている。プロジェクトは全て、必ずしも最高の効率でない、最適な設計を有する。サイクルは、コストの制限内で熱供給から最大電力量を発生数量に最適化されてきた。
【０３７２】
３つの主要な構成部分が、ボイラ、蒸気タービンおよび熱拒絶システムである。ボイラは、燃料を熱エネルギーに変換して、得られた過熱水蒸気を蒸気タービンに送給する。このサイクルに基づく発電所および典型的な構成部分は、ベース負荷、または最大効率点が起こる連日のサイクリング負荷運転、またはおよそ８５％の負荷にに設定されている。用いられる設備は、比較的大きく高重量で、サイクリングの際に膨張さ問題を起こし易く、需要の低い期間であってもプラントを高温に維持することが望ましい。基本的構成部分および主な成分の流れを、図６に示す。
【０３７３】
蒸気発生装置またはボイラ
燃料中のエネルギーを蒸気に変換するのに用いられるボイラには、数多くのバリエーションがある。ボイラの設計は、考慮される燃料に依存する。ガスまたは液体の燃料に向けて設計されたボイラは、大規模な変換を行わない固体燃料には不適切である。燃料供給の経済性のためにより小さなサイズのバイオマスボイラが用いられるとの前提から、バイオマス業界は、粒径および水分量が様々な燃料を取扱う能力が柔軟である、比較的複雑でない設計を用いてきた。典型的なバイオマス燃料の水分量は、４５重量％であるが、ボイラは、一般に水分量の広範な変動を受け入れる設計である。燃焼に関する実際の限界は、およそ６０％水分量であり、そこでは燃料を簡素および燃焼させるのに必要となるエネルギーが投入された燃料のＢｔｕ量とほぼ等しくなる。
【０３７４】
バイオマス発電は、通常、別のより高価値な木材加工運転から得られた低価値の廃棄産物に基づく。バーク、おがくず、ひき材の切れ端、農業廃棄物は、典型的な燃料供給体であり、燃料の取扱いおよび燃焼を考慮すべき、燃料蒸気に封入された非燃焼性成分が、高レベルで存在し得る。
バイオマスボイラは、低級の燃料源に本来備わる非燃焼可能性成分を高レベルで取り扱えなければならない。これは、典型的にはボトム「アッシュ」と呼ばれ、主として炭素含有の無機質であり、不活性の砂利および岩と一緒に有益に使用するために再使用することができる。
【０３７５】
ボイラの最大運転温度および圧力は、ボイラおよび下流の蒸気タービンの単位コストと冶金性のトレードオフである。高圧および高温の先進お蒸気発生装置の設計は、蒸気サイクルの効率を上昇させるが、建設およびメンテナンスがより高価である。
【０３７６】
【表３３】
2019058907.tif 000038
【０３７７】
吊り下げ式バーナ
大型バイオマス発電ボイラにはめったに用いられず、石炭ボイラでは評判がよいが、吊り下げ式バーナは、大量の空気と共に導入されてボイラの燃焼チャンバー内で燃料を「吊り下げる」、微粒子乾燥燃料供給体を必要とする。壁に取り付けられたラジエントヒーターおよび他の燃焼燃料が粒子を発火させ、そこで燃焼性成分が燃焼して、非燃焼性材料はボイラの底に落下する。
【０３７８】
送達される典型的なバイオマス燃料が、極めて高い水分量であるならば、これは、乾燥ゾーンから燃焼ゾーンに導入される燃料を通常必要とするバイオマス使用にとって良好な設計ではない。
【０３７９】
おがくず用施設は、微粉砕されて比較的乾燥したおがくずを燃焼する場合にこの設計を利用する。
【０３８０】
炉床式ボイラ
近年のボイラに用いられるとしても、この設計はめったにない。燃料は、注入口または通気供給装置を介してボイラの基板にある石炭の燃焼床に堆積する。燃焼空気の一部は、燃焼床の下に注入されて乾燥、部分的燃焼およびガス化を支援する。微粒子は、次にさらに燃焼されるため上方に運ばれ、重い粒子はより小さな粒子に破壊されるまで、床に残留している。炉床ユニットは、燃料および石炭を若干均一に分配し、非燃焼性固体を手動または自動のシステムで除去し得るように、傾斜のある振動グレートを備えたものもある。この形態の他のシステムは、日常的に手動で浄化されている。燃焼の不均一性により、排出制御問題を起こし、灰の除去に必要な労作が、これらの使用を低減した。
【０３８１】
グレートボイラ
グレートボイラは、固定式グレートまたは移動式グレートボイラのいずれかとして定義される。固定式グレートは、炉床式ボイラと類似している。燃焼は、グレートの上に加えられて、燃焼される。灰は、手でかき集めることにより、または新しい燃料がグレートの灰を押出すことにより、除去される。
【０３８２】
ボイラの基部に加えられた移動式グレートは、自動で灰を除去する。グレートは、連続で一方向に移動して、燃焼する燃料の堆積を広げる手助けをし、ベッドからに燃焼性の灰および不活性固体を除去する。これらのユニットは、典型的には、ベッドの表面に入ってくる燃料を均一に広げようと試みる通風供給装置を備えている。燃焼されていない炭素（木炭）は、ボイラの燃焼ゾーンを通過して、顆粒の排出装置に運搬され得るため、ユニットの運転は、注意深く調整されなければならない。燃焼されていない木炭は、ボイラに添加されて燃焼されないエネルギーであるため、ボイラ効率を低下させる。
【０３８３】
次の空気が注意深く追加されなければ、ＣＯの形成に関連する幾つかの潜在的問題も生じる。この設計は、設置および運転に比較的経済性であり、ニューイングランドのバイオマスユニットの多くは、この設計を利用している。
【０３８４】
流動床ボイラ
気泡流動床ボイラ
気泡流動床（ＢＦＢ）ボイラは、ボイラの基部でグレートの代わりに加熱された砂床を利用する。砂床が流体と同様の物体に反応するように、燃焼空気は、砂床を空気中に一部浮遊させるのに適した速度で砂床の下に注入される。
【０３８５】
固体燃料が砂床に分配されると、燃料は乾燥およびガス化された後、部分的に燃焼する。床内の砂は、かき回されて加熱され、燃料を急な傾斜の基部で小さな粒子に破壊するように働く。非燃焼性の灰および不活性固体物質は、床の底に落下して、自動システムを利用して定期的に排出される。このシステムは、ほぼ完全に燃焼させて、非常に小さな木炭が下流の装置にキャリーオーバーされる可能性がある。ＢＦＢボイラは、ファンの電力のためのより高い補助的負荷により若干相殺されるグレートストーカボイラよりも高い効率を有する。
【０３８６】
循環流動床ボイラ
循環流動床（ＣＦＢ）ボイラは、ＢＦＢと類似の概念を利用しているが、砂が高速空気の添加により流動化される。砂がボイラの特定の低いゾーンに留まっている気泡床システムとは異なり、ＣＦＢユニットは、ボイラ燃焼ゾーンの範囲全体を高温の砂が循環する。燃料は、砂と接触しており、効果的な混合および燃焼により、良好な効率および低排出が可能になる。
【０３８７】
砂および木炭をガスの流れから除去して、炉に再循環されるように、ボイラの管の区分の入り口はサイクロンまたはＩ型鋼で構成される。これは、燃料流れの燃焼可能な炭素全てをほぼ完全に燃焼し、燃焼しにくい材料の場合には特に価値が高い。
【０３８８】
ＣＦＢ工程は、切開をＳＯ２制御用のベッドに注入し得るため、硫黄などの混入物を含む燃料にも大きな価値がある。この技術は、石炭および固体廃棄物には非常に良好であるが、正常な木材燃料を燃焼させる小規模施設には過当であり、高度の腐食摩耗および高い馬力を必要とするため、莫大な資本になり運用も費用がかかる。
【０３８９】
蒸気タービン
蒸気タービンは、蒸気中のエネルギーを機械軸動力に変換する、様々な形態の内部区分からなる。個々のタービンは、様々な内部区分から組み立てられて、所与の範囲の入口および出口条件下で、運転するように最適化されている。２つの主要なタイプのタービンと、１つの主なバリエーションがある。
【０３９０】
凝縮蒸気タービン
凝縮タービンは、所与の蒸気入力から最大量の軸仕事を得るように設計されている。自立式蒸気発電所は、典型的には凝縮タービンを利用して、発電を最大にする。凝縮タービンは、典型的には発電所のうち２番目に高価な構成部分であり、特別な運転パラメータ内で運転するように設計されている。
【０３９１】
密閉された復水器が、タービンの吐出しに接続され、真空時に運転する。タービンの排出物は、大気圧未満のタービンから吐出された蒸気と若干の水滴との混合物である。
【０３９２】
理論（および実行）効率は、タービンの入口の流れとタービンの排出物とのエネルギー鎖により制御されるため、復水器の温度が低下すれば、サイクルの効率は上昇する。一般にこの低温は、周囲の湿性バルブ温度に依存する冷却塔か、または冷却水源、例えば冷却池、川または海のいずれかにより提供される。水域への熱吐出には規制があるため、川および海の冷却利用は、小型発電所益々減少している。
【０３９３】
周囲温度により、発電所の出力には季節変化があり、効率および冷却水温度は変動する。
【０３９４】
抽出蒸気タービン
直線状凝縮タービンのバリエーションが、抽出タービンである。抽出タービンは、復水器に続くタービンの出口の前に間欠的圧力で、設定範囲内の蒸気をタービンから抽出させるように設計されている。
【０３９５】
蒸気抽出は、工業的または商業的工程を提供するために用いることができる。再生式蒸気サイクルは、蒸気抽出を利用してボイラ供給水を加熱し、サイクル全体の効率を改善する。ニューイングランドで運転されている現行のバイオマス発電所の多くは、プラント効率を改善するために、供給水加熱に用いられる小型の抽出ステージを有する。供給水加熱ステージの数は、プラントサイズ、およびサイクル効率とコストのトレードオフによる関数である。
【０３９６】
背圧蒸気タービン
背圧タービンは、一般には工業的または商業的工程で用いられるために、周囲よりも高い圧力および温度で蒸気を吐出する。ユニットは、１００％の過熱で運転するように設計されている。ユニットの効率は、カルノーサイクルにより制約があり、高圧での吐出により、背圧蒸気タービンは、同じ入り口温度で運転される同等の凝縮タービンにょりも低い効率で低い量の機械的軸動力を生成する。背圧タービンは、一般に、類似の等級の凝縮タービンよりも物理的にかなり小さい。
【０３９７】
熱遮断
蒸気タービンの排出に用いられる復水器は、大気圧未満で運転する熱交換器である。復水器は、冷却水の流れまたは空気の冷却により冷却することができる。小さなバイオマスプラントの大部分は、冷却に水を使用しているが、地域で運転されているものに空冷式ユニットが幾つかある。ほとんどの水冷式システムは、冷却塔を使用しており、直接の冷却および蒸発により冷却水温を低下させて周囲空気の湿式バルブ温度に近づけるという利点を得ている。
【０３９８】
冷却塔は、冷却工程の一部として蒸発に依存し、外部供給源からプラントへの水の補給を必要とする。
【０３９９】
空冷式復水器は、蒸発冷却の損失という代償を払ってかなり少ない補給水を使用し、直接冷却塔で得られるよりも高い運転温度となる。
【０４００】
両方の特性を混合したハイブリッド式冷却システムがある。ハイブリッド式の塔は、湿式冷却塔からの飛散水滴および白煙を減少させるために用いられる。
【０４０１】
水域の付近の大型発電所で伝統的に使用される、残存する冷却手段は、還流冷却の利用である。還流冷却の利用は、ほとんどの水域に事実上の温度熱規制があるため、小規模のバイオマスプラントではめったにない。
【０４０２】
Ｂ．ガス化
ガス化は、固体燃料からガス成分への変換である。工程に用いられる熱源および空気の相対量に応じて、工程には複数のバリエーションがある。
【０４０３】
図７に、ガス化技術の様々なバリエーションおよびそれらの商業化状態を示している。商業化は、設備が販売用に入手できるもので、排出および性能の保証があり、現在、営利目的で運転されており、技術の製造業者または開発者以外の団体により営利的発電機と同等の利用可能性がある、と定義される。
【０４０４】
２５０ｋＷ単位未満の小規模のものは、地域電力に影響を及ぼす可能性が小さいため、議論から除外した。
【０４０５】
【表３４】
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【０４０６】
ガス化ボイラ
燃料乾燥、ガス化、燃焼および熱伝達は、いずれかの固体燃料ボイラで起こるが、用語「ガス化ボイラ（またはガス化炉）」は、典型的には一段階で低酸素レベルの存在下で固体燃料を加熱し、固体燃料からガスを排出させる、低出力の営利的または公共的二段階デバイスを指す。得られた蒸気ガスは、耐熱ライニングされた容器に送られ、そこで更なる空気を蒸気に注入して完全な燃料を促す。
【０４０７】
高温排出物は、従来の熱伝達デバイスを通して送られて発電または加熱目的で蒸気または高温水を発生させる。従来の木材ボイラでの複雑さが加わると営利的発電には経済的とならないため、それらの大部分の使用は、小型バイオマス燃焼による加熱プラントで行われる。評判がよいことが判明した更なる使用は、既存のガスバーナの代わりに従来のガス燃焼ボイラの上流にガス化区分を設置して、大掛かりなボイラ改造を施さずに固体燃料の燃焼を可能にすることである。ガス化炉の変換は、木材燃料への切り替えの際に、ボイラ構造の大部分を残存させることができる。
【０４０８】
合成ガスまたは液体ガス化炉
木材を燃焼させるガス化炉は、１９４０年代前に使用されていたが、その技術は、実質的に放棄された。一般には合成ガスと呼ばれる、より以前の設計である直接ガス化炉によい生成されたガス性燃料の流れは、非常に低いＢｔｕ量、高い水分レベルを有し、縮合性タールを含んでいた。縮合性タールは、下流に堆積し、水分の予備凝縮タールから得られた液体は、一般には腐食性で、現在は有害廃棄物と見なされている。この技術は、主に従来の液体燃料が供給不足であった地域で開発および使用され、従来の燃料供給が利用可能になったら、急速に敬遠された。未だに一部の第三世界の、一般にはバイオマスが過剰にあり排出規制がほとんどまたは全くない地域では、この技術の利用がある。
【０４０９】
この技術の先進レベルは、化学原料および化石燃料の交換をはじめとする、様々な製品の生成手段として、南アフリカの石油燃料プラントでは限られた使用が続けられている。フィッシャートロプシュ法の利用により、数多くの化学原料を選択的に生成し得るが、典型的には従来の原料が少ないコストになる。現在は、研究者またはほとんど営利的カテゴリーにおいて、熱破壊による固体原料からガスまたは液体成分への変換が改善された形態がある。再起の推進力は、化石燃料の代わりに、得られた生成物が助成金の資格を得られるような燃料の再生可能な供給源を使用することに関係する。
【０４１０】
現行のガス化技術に注がれた努力のほとんどは、ガス処理システムを改善して、より高いエネルギー密度で水分量の少ない燃料を、凝縮タールおよび混入物を含まずに生成することである。小規模ユニットは、合成ガス蒸気をサブクーリングして、得られた縮合成物質の濾別を試みて、それにより液体有害廃棄物の蒸気を形成させる装置を採り入れる傾向がある。大規模ユニットは、高温触媒を利用してタールをガス形態に変換し、凝縮せず、または堆積物を形成しない。
【０４１１】
この技術は現在、従来のバイオマスプラントの経済的サイズ未満の内燃（ＩＣ）機関に基づく小規模バイオマス燃焼熱電併給プラントのための、商品化前の実規模試験に近づいている。これらのユニットは、従来のバイオマス施設に比較してより高級の木材およびサイズ基準を必要とする。Ｎｅｘｔｅｒｒａ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社５は、複数の実規模試験のＩＣに基づくユニットを販売し、営利的製造に近づいている６。Ｎｅｘｔｅｒｒａは、６０％近い効率を報告しているが、入手可能な発表データは、その効率が総効率か、もしくは正味効率か、そしてＬＨＶまたはＨＨＶのどちらに基づくか、を識別していない。
【０４１２】
従来のガスタービンを燃焼するための合成ガスの使用時に商業化前試験を行う。今日まで、好適に利用可能な性能結果を有する既存の長期営利的適用は存在しない。
合成ガスまたは液体には複数のようとおよび形態があるため、文献には、２０％の水分量のバイオマスの場合、固体木材から使用可能な合成ガスへの変換効率の範囲が６０〜８０％効率となる７ことが示されている。幾つかの工程は、より低いサイクル効率であるにもかかわらず、より高い水分量での運転が可能である。発電用の原料として使用される場合、合成ガスを製造するのに用いられた入口ガスの２０〜２５％は、天然ガスまたは液体燃料出られるよりも低いサイクル効率を生じるため、非常に不利な立場で合成ガスを投入している。
【０４１３】
ガス化炉を使用する最も先進のサイクルが低水分量の木材を必要としていること、およびユニットに供給するための木材の乾燥が引用された効率に含まれないことが、重要である。
【０４１４】
熱分解システム
ガス化システムの部分集合は、一般には低い温度範囲で直接または間接熱のいずれかを利用してバイオマス原料から揮発性ガスまたは液体を追い払う熱分解装置である。ガス化と熱分解には、物理的な差が存在する。それでも一般には、３００℃〜６００℃で運転する工程が、熱分解と見なされる。６００℃を超える工程は、ガス化と見なされる。温度および時間は、生成される木炭と液体とガスの割合を決定する。
【０４１５】
燃料からの揮発性ガスまたは液体を加工して、市場向きバイオプロダクトを形成させることができる。工程の条件に応じて、工程を加熱するのに用いられ得る、または「バイオチャー」もしくは「バイオコール」と呼ばれる生成物の成分として市場に出され得る、燃焼可能な木炭製品を製造することができる。バイオチャーは、有機廃棄物の適切なブレンドと混合される場合、低コストの炭素隔離となり、土壌改質剤として用いられる。現在は、研究のための需要を超えるこの生成物の実行可能な市場は、存在しない。
【０４１６】
熱分解の別の生成物は、バイオオイルと呼ばれる生成物であろう。バイオオイルは工業的もしくは商業的ボイラ内で直接燃焼することができ、またはより価値のある生成物を得るための化学原料として用いることができる。価値の高い生成物が、潜在的には、地域から廃棄木材供給源までに加工され、より高密度の形態で他の市場まで運搬される、田舎のバイオマス発電所の競争相手になる。ＮＨ  Ｏｆｆｉｃｅ  ｏｆ  Ｐｌａｎｎｉｎｇは、その技術の商品化を議論するための「Ｎｅｗ  Ｈａｍｐｓｈｉｒｅ  Ｂｉｏ−Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ  Ａｎａｌｙｓｉｓ」８という試験を委託した。バイオオイルは、バイオマス利用の見地からは有望であるが、工程が、正味のエネルギーユーザーになり、地方の再生可能発電の市場に貢献することは考えにくい。
【０４１７】
Ｄｙｎａｍｏｔｉｖｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ９は、商業的量の木炭およびバイオオイルと呼ばれる液体燃料を発生する実規模予備試験の急速熱分解システムを有する。そのプラントは閉鎖されたが、報告によれば、２０１０年の第４四半期に再始動する計画である。考えられるところでは、このプラントは、発電サイクルを統合することができたが、会社が熱分解生成物を高価値の製品として市場に出すものと思われる。
【０４１８】
若干の地域的宣伝となった別の市場向きバイオプロダクト工程が、バイオマスのリグ粘性分から化学原料を生成する他の技術と共に熱分解反応を利用する、Ｍａｉｎｅ  Ｂｉｏ  Ｐｒｏｄｕｃｔ１０のＢｉｏｆｉｎｅ工程である。木炭は、高価値の化学原料に加えて、副産物として生成される。別の有望なバイオマスを使用しているが、その工程は、地方の再生可能発電市場に貢献することが考えにくい正味のエネルギーユーザーである。
【０４１９】
以前の工程と他の多くは両者とも、適所に営利的施設を有さないか、または運転可能でない。それらは、ニューイングランドの地方電力の正味の発電元にはなることは考えにくい。
【０４２０】
市場向きバイオプロダクトを製造するためのガス化炉
緒言の節で議論された通り、燃焼工程が燃料の化学成分をガス性副産物に変換する際に極めて効率的であれば、電力またはＣＨＰサイクルからの市場向きバイオプロダクトを除去することで、燃料のエネルギーが工程から除去されて発電に用いられないため、プラントの出力が低下する。州が提案した規制は、再生可能電力の発生に取り組むことが記載されているが、それは、発電を犠牲にして市場向きバイオプロダクトの生成を助成する間接的効果を有する。
【０４２１】
Ｃ．ガスまたは液体燃料サイクルのためのガス化
合成ガスの使用は、最も直接的な燃焼目的のために商業化されておらず、文献にはこの可能性に関する極めて多くの議論がなされている。ＣＨＰで内燃機関をバイオマスガス化炉と共に使用することで、商業的生成に近づく。技術的および経済的ハードルが克服されて、木材合成ガスを、直接の燃焼デバイスにおいて使用される適切な特性を備えた清浄な使用可能ガス燃料に変換すれば、ガスおよび液体合成蒸気で数回の発電サイクルでの燃料供給が可能になる。再生可能電力の生成に関する実質的で安定した長期助成になるまで、燃料供給の制限および資本コストの検討事項が、建設の可能性を抑制する。つまり、この技術は、現在は商品化されない。
【０４２２】
図８に、バイオマス合成ガスで運転した場合の、大部分のガス化サイクルの予測される効率および商品化の状態を示す。
【０４２３】
【表３５】
2019058907.tif 000040
【０４２４】
単純サイクルＩＣ系ＣＨＰプラント
ＩＣ機関内でＣＨＰに合成ガスを使用すると、適所にある一部の顧客ユニットが鋭利段階に近づく、または鋭利段階になる。ユニットは、報告によれば、高い初期資本コストおよび競合する化石燃料の価格により、従来の加熱および発電システムと経済的に競合しないが、実施プロジェクトのための一部の需要では、再生可能な発電および発熱への助成金が適用され、初期資本コストを相殺するのに助成金を利用できる。効率的出力を内部寸法の限界まで限定するこのタイプのガス化炉の内部設計には本質的制限があり、それゆえ多量の電力発生を複数のユニットで実現し、それにより規模の経済性を限定しなければならない。この技術の最良適合は、現在では、１〜２のＭＷ総電気出力ブロック内での現場の「ビハインド・ザ・フェンス（ｂｅｈｉｎｄ  ｔｈｅ  ｆｅｎｃｅ）」発電である。
【０４２５】
単純サイクル発熱ガスタービン
現在、合成ガスで運転する商業的長期使用において付加され得るＣＴＧはない。その適用は、ＩＣ適用の構想と類似しているが、ＣＴＧは、広範囲のサイズで提示され、設備の電気出力に関して非常に小さな設備設置面積を有するため、ＣＴＧは、大規模発電の最良適合である。これらのシステムは、より高いＣＴＧ燃料流量の要件で運転するために、異なる構成ガス化炉の使用が必要となる。それらは、蒸気ランキンサイクルよりも運転がかなり簡単であり、有資格の職員が運転する必要はない。ＣＴＧへの制限は、厳密な内部許容誤差（ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｔｏｌｅｒａｎｃｅｓ）および燃料品質明細である。ＣＴＧは、ＩＣ機関よりも燃料体積を受け易い。
【０４２６】
単純サイクルマイクロタービン
ＩＣ機関により完了する従来のＣＴＧの部分集合は、複数の製造業者により提示されたマイクロタービン（一般に１ＭＷ未満）である。これらのユニットは、典型的には一定した熱需要があるビハインド・ザ・フェンス適用を意図したものである。低Ｂｔｕシンガスに関して評価されたユニットは存在するが、燃料調整を含むガス化炉とタービンを１つのパッケージに統合している商業的システムは、この時点で提示されていないこのユニットは、シンガスについて評価されているが、これらの燃料の品質要件は、かなり厳重なＩＣ機関である。
【０４２７】
マイクロタービンは、燃料への混入を非常に受け易く、大規模な上流の調整および濾過を行わなければシンガスでの運転が困難になる。木材廃棄物からの低Ｂｔｕ量のシンガスと、マイクロタービンを運転するのに十分な品質のシンガスを発生するかなり多くの加工ステップがあるとすれば、この技術にかかる資本および運転コストが近い将来、魅力的になるかどうかは定かでない。
【０４２８】
ＣＴＧユニットからの熱回収
ユニットから得られた排熱は、蒸気または高温水を発生する熱回収デバイスを通して誘導され得る。いずれかのデバイスからの排熱は、実際の形態に応じて、８００°Ｆ〜１０００°Ｆの範囲内である。
【０４２９】
複合サイクルプラント
天然ガス燃焼タービン複合サイクル（ＣＴＣＣ）プラントは、天然ガスまたは液体燃料での使用に関して費用効果のある高効率技術である。主な推進力は、高効率ＣＴＧの開発である。ＣＴＧおよびＣＴＣＣ効率の上昇、天然ガスの利用可能性および価格、ならびに施設を迅速に許可および建設する能力があるとすれば、大多数のサイクリングおよびベース負荷ユニットが、この１０年間に国中で設置されている。簡単なサイクルガスまたは液体プラントと同様に、燃料は、ＣＴＧで燃焼され、高温ＣＴＧ排ガスエネルギーは、熱回収蒸気発生装置（ＨＲＳＧ）で回収されて高圧蒸気を発生し、それを凝縮蒸気タービンで電力に変換する。
【０４３０】
ＣＴＧ入口燃焼温度は、蒸気ランキンサイクルのかなり低い（ほとんど周囲の）吐出し温度と併用して、高い全体的プラント発電容量を得る。蒸気タービン凝縮温度を超えて抽出される任意の熱エネルギーは、低いサイクル効率を生じるため、これらのプラントは、発電所が意図される。典型的な効率は、４０％〜６０％を超える範囲内である（ＬＨＶ）。
【０４３１】
必要となる２つの発電サイクルが存在するため、この設計のトレードオフは、プラントの複雑さが簡単なサイクルから増加することである。プラントサイズは、２５０ＭＷ〜１５００ＭＷが最も経済的である。それでも米国に位置する大規模ＣＴＧ系コジェネレーションプラントは存在する。
【０４３２】
２５０ＭＷバイオマス系ＣＴＣＣプラントが、大きすぎて、再生可能木材廃棄物の供給から経済的に燃焼することができないのは、燃料、および燃料を運搬するのに必要となる供給源が木材の燃料値を超えていれば、必要な燃料供給面積の半径が、その範囲を超えるためである。より小さなプラントは、建築することができるが、プラントが小さくなるほど、ＭＷあたりの資本コストが増大する。バイオマスへのＣＴＣＣの営利目的での適用は、高温ガス洗浄を向上させて、プラントが信頼性のある運転を確実に行えることが必要となる。
【０４３３】
Ｄ．その他の発電サイクル
文献に述べられた別の電力サイクルは、数多く存在する。しかし一般にはそれらは、現行のサイクルのバリエーションである。多くは、初期に開発されたスケールのものであり、そのため発表された実際の長期運転および効率データは、即座に利用できない。
【０４３４】
スターリングサイクル発電所
文献で言及されることの多い技術は、スターリングサイクルであり、一般には「外燃機関」または時として「熱機関」と呼ばれる。このサイクルは、外部で加熱および冷却されて発電する内部作動流体を使用する。それは熱機関であり、ＩＣ機関として類似の内部摩擦特性を有するカルノーサイクルにより拘束される。サイクルへの主な利点は、様々な加熱および冷却源を使用して発電する能力である。燃焼は、機関の外部であるため、燃料の品質は、潜在的に低級燃料を燃焼してユニットを加熱させなければならない。理論的効率および燃料の柔軟性により、可能性のある将来の発電サイクルと言われて久しいが、今日まで、悪名が高く商品化が困難であった。現在、スターリング発電機の主な用途は、太陽光発電所であり、ＵＳ  Ｗｅｓｔで運転されている大規模展開の１つと、カリフォルニアで最近認可された別のものがある。Ｗｈｉｓｐｅｒｇｅｎ１１が作製した現在製造中の商業的ユニット１つを含む、マイクロスケールＣＨＰ用に開発されているニッチ市場での適用例があった。
【０４３５】
有機ランキンサイクル
有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムは、低沸点流体を従来のランキンサイクルでの蒸気の代わりに利用する。低沸点の有機流体を用いることにより、ＯＲＣシステムは、他の供給源からの排熱を捕えて、発電する。
【０４３６】
ＯＲＣユニットは、ランキンサイクルであり、その効率は、カルノーサイクルにより抑制される。ＯＲＣユニットの主な価値は、過度に低いため従来の蒸気システムで経済的に発電している比較的低温の排熱供給源を取り扱うためにある。Ｔｕｒｂｏｄｅｎ１２により製造されたＯＲＣ設備は、現在、多量の比較的低温の熱が必要となる欧州のペレット製造工程で用いられている。適切な熱需要と適合すれば、この設備は、報告によれば競合する技術を十分に上回る高い全体的燃料利用効率を有する。高い固定価格買い取り制度と高いサイクル効率の組み合わせにより、欧州の木材ペレット製造市場では経済的魅力があると考えられている。米国では、ＯＲＣは、地熱発電所で用いられており、低温熱回収ユニットとしての使用が支持されている。現在、低効率および高資本コスの小規模設備であるため、助成を受けた予備的適用への使用に限定されている。
【０４３７】
エントロピックサイクル
この電力サイクルに関して公的に入手される情報は、ほとんどない１３。エントロピックサイクルは、有機ランキンサイクルと類似の小電気出力の適用をターゲットとするものと思われる。主張された熱変換効率は、１９４°Ｆの熱出力温度で７１％である。熱力学的構想と思われ、営利目的での予備的設置は報告されていない。
【０４３８】
燃料電池
燃料電池は、熱サイクルであるが、それは、化学的燃料の流れからエネルギーを発生させて、バイオマスガス化炉の流れから燃料電池を運転する技術的可能性を得ている。
【０４３９】
現行の燃料電池技術は、燃料源として水素を使用するよう方向づけられており、上流の改質器の技術は、炭素分子から水素を分離して炭化水素燃料の使用を可能にするのに用いられている。使用されている現行のシステムは、触媒「被毒」を非常に受け易く、電池の上流で注意深く高レベルの汚染除去が求められている。用いられた改質器に応じて、改質の結果、ＣＯ２またはＣＯが形成される。これらの２種の化合物は、一般に、燃料電池内で用いられる触媒において「毒素」として作用し、それゆえ高い燃料純度が求められる。陽イオン交換および固体酸素燃料電池は両者とも、比較的低温で運転し、それゆえ熱出力が、ほとんどの適用例に関して過度に低い。
【０４４０】
バイオマスのガス化および改質を通して生成され得るメタノールを燃焼し得る直接メタノール燃料電池をはじめとする研究規模の燃料電池技術がある。燃料電池には、ＣＯを直接加工する能力を有する溶融炭酸塩型燃料電池および固体酸化物型燃料電池の２つのバリエーションがある。両者の技術は、大型システムでの商業化以前の段階にある。
【０４４１】
高価値の特化された適用に関して現在市場化された小規模ユニット（２０ｋＷ未満）が幾つかある。
【０４４２】
バイオマス燃料電力サイクルのための典型的な燃料利用効率  −  図９に、複数の供給源からの様々な電力サイクルの典型的なサイクル効率を示す。記録された通り、商業的システムの有機ランキンサイクルシステムの効率は、低温である１８０°Ｆの熱出力に需要がある場合のみ、高いサイクル効率が可能になる。
【０４４３】
【表３６】
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2019058907.tif 000042
【０４４４】
Ｖ．燃料の性能およびコスト
従来の商業的発電所により用いられるバイオマス燃料は、他の購入者への使用はほとんどない。プラントは、典型的には、燃焼用バイオマスを予備加工するための大規模な加工を備えている。燃料の流れは、若干の製材残渣、樹皮をはぐ操作から得られた樹皮、枝葉および小枝を含む全樹木のチップ、ならびに珍しい例として木の主幹で構成された丸田のチップを含む。これらの燃料の全てが特定の取扱い特性を有し、それは一般に、非燃焼可能性混入物質を除去して、ボイラ内で計量に成功し得るサイズ範囲内に燃料をサイズ変更するための、燃料と大規模な加工設備とのブレンドを必要とする。
ボイラの燃料投入要件が、より小さなボイラシステムに減少させるため、燃料特性は、より均一でなければならない。多くのバーモント学区に設置された小規模学校の火力専用のボイラシステム（ｓｍａｌｌ  ｓｃａｌｅ  ｓｃｈｏｏｌ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｏｎｌｙ  ｂｏｉｌｅｒｓｙｓｔｅｍｓ）１４は、特別な製造運転からの木の幹のチップまたは残渣が燃料に用いられ得る、という勧告を導いた。この経験が、マサチューセッツの小型バイオマスＣＨＰユニットの潜在的な将来の設置に適用されれば、これは、ＣＨＰ品質のチップのための市場を、商業的プラントにより現在用いられているバイオマス製品よりも高級でより均一で経費のかかる木材生成物に誘導しがちになろう。このより高級な木材は、木材ペレット製造適用に求められているため、コストは必然的に上昇して、低級バイオマスは十分に活用されなくなろう。
【０４４５】
ＶＩ．コジェネレーションの議論
廃熱の熱需要
熱工程で電気を発生させるためには、低温熱エネルギーが、発電工程から除去されなければならない。熱エネルギーに需要があれば、熱需要の温度および品質が、発電サイクルのより低い運転温度を確定する。熱需要には、工業的工程と地域冷暖房という２つの選択肢がある。熱需要は、システムの発電に直接関係する。熱需要が低下して、システムからの熱除去の方法が他になくなれば、電力は減少するであろう。
【０４４６】
工業的加工
工業施設での熱エネルギー需要は、工業そのものと同程度に貴重である。大まかに総括すると、発熱に集中する工程の大部分は蒸気を加熱工程および反応に直接利用し、必要となる最大工程温度が一般にボイラ（またはタービン抽出）からの温度を設定する、ということである。
【０４４７】
中間体である熱伝達流体は、工程の内部で利用され得るが、一般には加熱伝達流体は、中央ボイラからの蒸気により直接加熱される。一部の工程では、ガス燃焼赤外線ヒーターまたは電気抵抗熱が、一般には施設内にある、特定のエリアで用いられ、中央加熱プラントは存在しない。
【０４４８】
直接熱加工に加えて、大きな負荷需要は、一般にはエアヒーターへの蒸気の利用により、生成物を乾燥させて、典型的には蒸気を飽和水混合物に凝縮させる。蒸気コイルエアヒーターは、典型的には大容量の空気を加熱し、それを用いて材料の水分を減少させ、溶媒放出を加速するか、またはポリマーシステムの架橋を加速する。ほとんどの長期施設は、エネルギー保存法を実行し、経済的に実行可能であれば、加熱された廃蒸気を用いて、入ってくる空気または材料を予熱する。工程特有の熱需要に加え、必然的に、外部温度に依存する部屋冷暖房需要がある。部屋冷暖房は、地域暖房区分の節で詳細に議論される。
【０４４９】
時折、規制政策およびエネルギーコストが、工業の現場でのコジェネレーションシステムの設置を魅力的なものにし、発電の予測収益率は、典型的には工業的工程の予測収益率と一致しないため、システムを設置する第三団体により建設された大型施設は多く存在する。
【０４５０】
製造施設に隣接するコジェネレーションシステムを建築することで、発電施設の設計および運転が外部団体である工業的工程の所有者に依存する、という長期問題を発電開発業者に提示する。工業的工程が閉鎖すれば、発電所プロジェクトの経済性は、実質的に影響を受ける可能性がある１５。一般に発電所と特定の製造業者とをつなぐことで、コジェネレーションプラントを建築する決定に著しい長期投資リスクが持ち込まれる。
【０４５１】
地域冷暖房
市場向きバイオプロダクトの加工および製造のための発電所による内部使用以外では、この熱エネルギーの潜在的利用は、一般に、隣接する構造の部屋暖房空気熱の必要性に向けられる。部屋の熱需要のための暖房の分布は、一般に地域熱供給（ＤＨ）システムと呼ばれる。一般に地域冷房と呼ばれる地域エネルギーシステムで冷房を提供する可能性もあるが、ＣＨＰプラントに課せられる低い運転効率、高い資本コスト、および温度制限によって、密集した冷房負荷のエリアを除くほとんどのエリアでこれが魅力のない選択肢になった。
地域熱供給システムは、資本集約型であり、費用効果のある密集した都会的規模の適用を必要とする。密集していない適用では、費用効果のあるＤＥのために重いインフラ助成金が必要となる。資本の必要性および場所は、燃料の貯蔵および加工のためのかなりの面積を大規模なトラック輸送と共に必要とする、典型的なバイオマス発電所の燃料の要件および運転と正反対である。１日２４時間、３５０日運転する多くの工業的運転と同様に、バイオマスプラントは、典型的には多くの都市にある住居および日中の商業活動と適合性がない。
【０４５２】
地域熱供給と共に運転する既存の熱供給システムを変換するための実質的に前払いのコストがある場合、サービスを使用する潜在的顧客にはほとんど助成がないため、新しい地域熱供給システムの実行が困難になる。そのシステムは、私的な権利よりも公共的用地または取り決められた用地に設置される必要があるため、インフラの問題は重要である。複数の燃焼ユニットが適所に置かれ、熱源の予想外の停電を補うための若干の余剰をもたらすようにシステムに連結されるまでは、克服されるべき信頼性の問題が存在する。
【０４５３】
共用部分での使用において、ＤＥシステムには高温および低温の２つの形態がある。
【０４５４】
高温地域熱供給
地域エネルギーシステムは、開発されて、米国の幾つかの都市部では今でも使用されている。運転されているシステムは、蒸気を使用する高温システムである。蒸気は、絶縁された蒸気および復水回収管を用いて、主に都心の商業施設および官営施設に届けられる。システムにより供給される各施設は、２つの地下パイプ（建築物に蒸気を運搬するものと、復水を地域エネルギープラントに戻すもの）を介して地域システムに連結されている。これらのシステムの地下インフラは、資本拡散型（ｃａｐｉｔａｌ  ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ）であり、低コスト資本に接近した任意の、しかし密集していない都市部のシステム設置または拡大に大きな問題となり得る。
【０４５５】
顧客により用いられる蒸気は、凝縮されて、より口径の小さなパイプを介して再使用されるために地域熱供給プラントに戻される。
【０４５６】
建築物の冷却は、中央プラントからの更なるパイプにより、または遠隔の吸収式冷凍ユニットの設置によりもたらされ得るが、それらの経済的利用は、一般に、吸収式冷凍機が低い効率および資本コストであるため、高価値の商業的適用に限られる。吸収式冷凍機の利点は、１年を通してバランスの取れた蒸気負荷である。
【０４５７】
大学のキャンパスにおける地域熱供給の市場は、システムの初期資本コストと、個々の建築物熱供給システムのメンテナンスの必要性低下のバランスを取ることによって営まれる。
【０４５８】
高温システムは、一般に、複数のボイラにより提供されて、季節的負荷調整を行い、システムの信頼性を維持している。
【０４５９】
低温地域熱供給
低温地域熱供給システムは、地域の顧客に熱伝達するために高温水を使用している。高温システムとは異なり、水温は、吸収式冷凍でのドライバーとしての使用には一般に不適切であり、夏季の熱負荷需要の機会を実質的に低減している。蒸気の代わりに高温水を使用するには、均等の熱負荷に対してより大きな口径での供給および戻り管が必要になる。システムの温度は、高温システムで用いられる蒸気配管よりも低い設置コストおよび設置要件を有する、絶縁被覆されたエンジニアリング熱可塑性配管システムの使用により制限される。化膿性のある低設置コストは、配管コストの上昇、および別個の専用蒸気ラインを用いて低温水システムを再加熱する、互いに接近して配置されるより小さな熱供給プラント、またはハイブリッドシステムの使用により、相殺される。
【０４６０】
低温での地域熱供給の発展は、かなりの量の規制助成金、化石燃料の関税、炭素削減の助成金、および費用効果のある建築物設計基準に依存する。これらを合わせることで、これらのシステムの積極的に維持および設置する欧州各国と異なるレベルで設置された。各国は、公共またはユーザーが所有するシステムを異なる組み合わせで使用している。政府の団体により助成金および罰則を組み合わせて、これらのシステムを支援している。助成金／罰則は国により異なるが、以下の問題は、取り組まなければならない：低温地域熱供給システムの温度は、電気熱ポンプシステムが水温上昇に用いられない限り、フィン付管放熱（典型的にはニューイングランドの家庭および商業用不動産の多くで用いられる）の利用を支援しない。規制の要件、高エネルギーコストおよび建築物基準の組み合わせは、欧州において、かなり低い供給源温度で運転が可能な放熱タイプ験つ供給システムの設置を奨励／要求するために用いられてきた。既存の構造に放熱型熱供給追加導入するのは、費用がかかり、ビルの所有者が担うコストである。米国のほとんどの商業システムは、高温の源水を必要とし、水温を上昇させる熱ポンプ、またはＨＶＡＣユニット内の加熱コイルの交換、のいずれかを必要とするであろう。
【０４６１】
顧客あたりの全体的加熱需要を可能な限り少なくして、設置される地域熱供給インフラのサイズを低減する必要がある。加熱用化石燃料への高い関税および最小限のエネルギー使用に必要となる建築法が、一般に、欧州での体積あたりの熱需要を減少させてきた。米国での現行の規制法は、効率の改良を促進するための自主的奨励に限定されてきた。建築効率基準は、現在、ほとんどのニューイングランドのエリアで適切であり、新しい建設物のほとんどが、より古くエネルギー効率の低いシステムからなる都市エリアの住宅ストックの心材を用いて密集していない田舎に建設する傾向がある。
【０４６２】
地域熱供給システムの政府による支援／所有権は、一般に、「つなぐべきである」という要件および加熱燃料の利用効率要件をはじめとする規制助成金は、顧客加入率を高くするために助成金を作っている。
【０４６３】
発電及ぼす地域熱供給負荷の影響
図１０に示される通り、典型的なマサチューセッツ中心部の冷暖房度日およびＩＳＯ電気負荷を、典型的な年度に関してプロットしている。
【０４６４】
ウースター航空機データに基づくマサチューセッツ州ウースターの熱的加熱需要は、冬季のピークから加熱需要のない夏季まで変動する。マサチューセッツ州ウースターは、州の中心部付近にあり、それゆえ州の典型的な熱需要曲線を代表するはずであるため、選択された。熱負荷およびＩＳＯ  ＮＥ電力需要は、比較の目的で１月あたりのピーク需要の割合として示されている。
【０４６５】
下記の冷房の需要が熱需要に加われば、夏季の負荷が存在するが、この夏季冷房需要を供給するには、吸収式冷房ユニットを供給するために適切な温度レベルを供給する高温の地域熱供給システムの使用が必要になる。高温システムは、ＣＨＰプラント内の随伴する発電サイクルの出口温度を上昇させて、プラント効率を低下させる。この熱需要における大きなバリエーションがあるならば、地域熱供給システムからの有用な熱エネルギーの需要は、負荷需要が最高になる夏季に非常に限定される。
【０４６６】
地域熱供給の適用において、１年にわたる連続熱負荷需要がなければ、冬、早春および晩秋の熱需要の高い期間にＲＥＣの助成を受けるためだけに、地域熱供給網にＣＨＰを連結することが金銭的魅力にならない。電力の需要が最高になる夏季に、ＲＥＣ助成を受け取ることができないことになる。
【０４６７】
電力需要は、夏季の間も依然としてあるため、化石燃料による発電所は、更なる電力を発生させて、再生可能なＣＨＰによる電力の不足を補填しなければならないであろう。
【０４６８】
【表３７】
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【０４６９】
バイオマスプロジェクトの経済性
バイオマス施設のプロジェクトの経済性は、バイオマス発電所の４サイズおよび規模に直接関係する。バイオマス発電の重要な様相は、プロジェクトサイズおよび燃料コストである。燃料コストは、輸送距離に大きく依存する。プラントサイズは資本を決定するが、資本は効率に方向づけることができる。
【０４７０】
ニューイングランドのバイオマスプラント
大型のバイオマス発電施設は、より良好な規模経済性を有する。しかし大型ユニットは、小型ユニットに比較して、異なる基準に設計されている。バイオマス発電施設の最適サイズは、約５０ＭＷである。ニューイングランドの既存のバイオマス発電所のほとんどは、１５ＭＷ〜３０ＭＷである。バイオマス発電施設の列挙を、表１に示す。Ｂｏｒａｌｅｘ  Ｓｔａｃｙｖｉｌｌｅがデータベースに列挙されていなかったことに留意されたい。
【表３８】
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【０４７１】
バイオマスプロジェクトの経費
新しい発電ユニットのためのプロジェクトコストは、この４年間で劇的に増加した。今日、典型的な２５ＭＷバイオマス電力プロジェクトは、２００６年の予想コスト約＄２，５００／ｋＷに比較して、約＄１１２，５００，０００または＄４，５００／ｋＷかかると推定される。
【０４７２】
最も新しいバイオマスプロジェクトは、アリゾナのＳｎｏｗｆｌａｋｅである。プロジェクトは、２００７年に終了した。プロジェクトコストは、用いられた再調整設備を含み、＄２，２００／ｋＷと報告されている。
【０４７３】
現在、５０ＭＷのプロジェクトは、＄４，０００／ｋＷのＥＰＣコストが報告された１７。
【０４７４】
２００３年と２００８年のプラントコストの比較を、図１１に示す。
【０４７５】
【表３９】
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【０４７６】
化石燃料火力発電所とバイオマスの比較
設計および経済性を議論する際には、多くの場合、バイオマスプラントを他の固体燃料プラント一緒に扱う。バイオマス施設と化石燃料発電所の間の大まかな差は：
・  化石燃料プラントは、石炭採掘および輸送に関連する緒がかりなインフラを特徴とする。化石燃料プラントは、鉄道および高圧電線の付近に位置する。バイオマスは、回収および輸送インフラを高度に地方分散させた。バイオマス燃料源は地方に在り、トラック運搬される。燃料源の典型的な半径は、６０マイル〜７５マイルである。
・  バイオマスが、取扱いおよび運搬が高価である。石炭は、エネルギー密度の高い燃料であり、約１２，５００Ｂｔｕ／ポンド（ＡＲ）の発熱量である。木材は、水分量５０％と仮定すると、約４，４００Ｂｔｕ／ポンド（ＡＲ）の発熱量を有する。体積基準では、木材は、石炭のエネルギー密度の約１／３である。バイオマスをトラックで移動させると、運搬コストが加わり、長距離運搬の場合、プロジェクトの経済性が得られ難い。
・利用サイズの大きい化石燃料プラントは、規模の利益を得ることができる。大型の化石燃料施設が、良好な燃料コスト、高い効率、および人員の少なさから、旅行な経済性を有する。
・石炭プラントの効率は、高温、高圧、二重再熱超臨界ランキンサイクルの設計、および先進の統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）設計により、さらに効率が上昇することが実証されている。石炭燃料超臨界蒸気発電機に関して報告された最高の効率が、４２．５％である。
・バイオマスサイクル効率の改善は、初期段階であり、商業的または経済的規模で利用することはできない。バイオマスプラントが、４２％効率に達したとしても、先進のサイクル設計は、小型バイオマス施設が市場における天然ガスの複合型サイクルを基にした電力の価格と競合するため、経済的に魅力がない。
・バイオマスボイラ効率が、燃料の水分量により限定される。
【０４７７】
バイオマスの相場および送達
バイオマス発電は、バイオマスの利用可能性に限定される。典型的な施設は、プラントの輸送範囲内で合理的に回収され得る入手可能な木材を基にしている。典型的なバイオマスプロジェクトは、地域内で入手可能な木材に基づくサイズで１５ＭＷ〜３０ＭＷである。バイオマスプラントの典型的な経済的半径は、７５マイルである。７５マイルを超えると、輸送コストが、燃料コスト、およびプラントによって生成された電力のコストを持ち上げる。例として、未加工の木材のコストは、典型的には＄４．００〜＄１０．００／トンである。回収されるのは、＄１２／トン〜＄１８／トンである。輸送コストを＄０．１０／マイル（往復）と仮定すると、７５マイル半径でが、燃料コストに＄１５／トンが加わる。比較すると、送達されたバイオマスの平均価格は、受取り時（ＡＲ）は＄３０／トンと仮定される。水分量４０％と仮定すると、送達された燃料の価格は、＄５０／トン（ＢＤＴ）である。
【０４７８】
実質的なバイオマス供給源が利用可能であるなら、または鉄道などの輸送により更なる燃料を利用できるなら、大型バイオマス施設は、より高い全体的取扱いコストであるにもかかわらず実現可能である。最適なプラントサイズは、一般に５０ＭＷと考えられる。大型の１００ＭＷプラントは、燃料が入手可能ならば提案された。１５ＭＷ〜２５ＭＷサイズ内では、技術コストと燃料コストとプラントコストの間のバランスがある。
【０４７９】
バイオマス電力プラントの位置に関する更なる問題は、燃料の送達である。通常、燃料は、トラック輸送を利用して送達される。１時間あたりのトラック数が、都市部では問題になり得る。５０ＭＷバイオマスプラントは、１日あたりトラック約７０台分、または１４０往復が必要となる。
【０４８０】
鉄道での送達は、トラック輸送の問題を解消するが、送達燃料コストを増加させる複数の燃料取扱いステップが必要となる。
【０４８１】
バイオマスプラントの効率
米国のバイオマスプラントのサーベイにより、当業界におけるバイオマス先導的事業所の発電の発熱率は、１１，７００Ｂｔｕ／ｋＷｈ（２９．２％）〜２０，０００Ｂｔｕ／ｋＷｈ（１７．１％）であった１８。米国およびカナダの１１のプラントを、レビューした。平均効率は、１４，８４０Ｂｔｕ／ｋＷｈ（２３％）であった。
【０４８２】
プラントの実際の運転効率は、設計効率と同一ではない。燃料の水分量および周囲温度などの変数が、プラント効率に影響を有する。実際のプラント効率は、平均±３％になり得る。
バイオマス蒸気プラントの報告された最良の効率は、３５％である。プラントコストは、即座位に利用できない。Ｋｏｎｉｇｓ  Ｗｕｓｔｅｒｈａｕｓｅｎは、２００３年に運転を開始した（ｐｌａｃｅｄ  ｉｎｔｏ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）。その施設は、２０ＭＷ再熱サイクルで、報告された総効率は、３６．４５である。この効率は、報告された効率が確実に米国内で用いられるものと同じ基準に基づくように検査されなければならない。米国で報告された効率を欧州の施設と比較するには、以下の事柄を調整する必要がある：
・欧州では低位発熱量（ＬＨＶ）であるのに比較して、米国は高位発熱量（ＨＨＶ）を利用している。これは、典型的には６〜７％の差があり、米国に比較して６〜７％過大表示された効率になる。
・総効率は、プラントの電気負荷（所内動力）を考慮していない。有効電力量は、総電力量からプラント内消費電力を差し引いた値である。この値は、プラント設計により変動するが、一般的な範囲は、消費されたプラント負荷で消費された総有電力量の１０％〜１５％である。
・ニューイングランドの典型的なバイオマス水分量４０〜５０％に比較して、多くの欧州の設計は、２０％の低い水分量のバイオマス燃料に基づく。
【０４８３】
Ｋｏｎｉｇｓ  Ｗｕｓｔｅｒｈａｕｓｅｎの施設の実効効率は、２９％％（ＨＨＶ）または（１１７６９Ｂｔｕ／ｋＷｈ）と予測される。
【０４８４】
Ｋｏｎｉｇｓ  Ｗｕｓｔｅｒｈａｕｓｅｎのコストデータは、入手できない。しかしプラントは、部分的に助成され、カーボンクレジットを受けており、２１．１ユーロ（＄０．３０／ｋＷｈ）のレジデンシャルレートを有する電力市場である。プラントは、低炭素発生のための他のクレジットを除いて７．７１ユーロ固定価格買い取り制度を受けた。
【０４８５】
スウェーデン、バルナモのバイオマスＩＧＣＣ１９（ＣＨＲＩＳＧＡＳ）は、小型の６ＭＷ発電、９ＭＷ熱圧の運転されたＣＦＢプラントであり、２０００年に凍結された。このユニットは、営利目的で運転されていない。その歴史は、３，６００時間の運転に限られている。報告された電気効率は、３２％（ＬＣＶ）であり、３０％（ＨＨＶ）と同等である。
【０４８６】
この施設に関する主な問題は、高温ガス浄化システムであった。類似の問題が、バーモント州バーリントン所在のＦＥＲＣＯガス化炉にも生じた。
【０４８７】
プロジェクトコストは、報告されていないが、その施設が経済性の低さから閉鎖されたことが、記載されている。施設は現在、ガス合成プロジェクトのための研究開発（Ｒ＆Ｄ）に用いられている。
【０４８８】
コジェネレーションまたはＣＨＰを適用することで、プラントの電気効率が低下するが、熱効率が式に完全に含まれるため、正味の全体的効率は増加する。２５ＭＷ発電所の効率を、図１２に示す。このベース発電所は、凝縮蒸気タービンを含め２７％の効率を有する。同じ燃料熱入力で少ない電力を発生するため、抽出が増加するほど、電気効率が降下する。正味効率が最大７５％に上昇すると、背圧蒸気タービンと等しくなる。出力の低下を、図１３に示す。
【０４８９】
【表４０】
2019058907.tif 000046
【０４９０】
【表４１】
2019058907.tif 000047
【０４９１】
プロジェクトの経済性
プラントの経済性およびコジェネレーションの影響の検証を受けて、バイオマス電力および熱エネルギー生成に関して予測され得る典型的な効率およびプロジェクトの経済性を確認した。例は、簡便化された初年度プロフォーマ・ベースの計算であり、それはプロジェクトの実行可能性を決定する試験をスクリーニングするために用いられたものである。検証された例としては、以下のものが挙げられる：
１．新しいバイオマス発電  −  発電専用の新しい２５ＭＷバイオマスプラント
２．新しいバイオマスコジェネレーション  −  ６０％正味効率基準に適合する工業的工程への１５０ｐｓｉｇ抽出を含む２５ＭＷ（復水基準）バイオマスプラント
３．小型バイオマスＣＨＰ−背圧蒸気タービン発電機
４．火力専用の発電所  −  熱のみ
５．小型バイオマス火力発電所  −  熱のみ
【０４９２】
各プラントを、以下に議論する。各プラントの評価は、以下の仮定に基づく：
・  市場の電力率は、＄１００／ＭＷｈと推定される。
・  マサチューセッツのＲＥＣ価格設定は、＄２０／ＭＷｈと推定される。
・  蒸気の販売価格は、＄８．５／１０００ポンドと推定された。
・  燃料価格は、＄３０／トン（ＡＲ）と推定される。
・  大規模プラントのボイラ効率は、８０％と推定される。
・  小規模プラントのボイラ効率は、７０％と推定される。
・  プラントの所内消費電力は、１０％と推定される。
・  ＣＨＰの火力熱は、ＣＨＰのサーマルヒートは、マサチューセッツ州ウースターの平均加熱度日に基づく。平均年間熱負荷は、ピーク熱負荷の４４．５％と推定された。
・  吸収式冷凍を用いることができるが、火力プラント出力を用いた冷却は、推定されない。
・  プラント稼働率は、９０％と推定される。
・  計算は、税金、有形資産の償却、無形資産の償却を引く前の（ＥＢＩＴＤＡ）比較による単年推定値に基づく。
・  プロジェクトは、資本５０％および負債５０％で開発されると推定される。自己資本利益率は、１５年で１５％であり、負債償還率（ｄｅｂｔ）は、１５年で８％と推定される。
【０４９３】
概要を、表３に示す。
【０４９４】
バイオマス発電ケース
発電ケースは、ベースケースと類似の新しい２５ＭＷ凝縮蒸気タービン発電所に基づく。プロジェクトコストは、＄４，０００／ｋＷまたは＄１０７，０００，０００である。プロジェクト開発率は、プロジェクトのＥＰＣコストの５％と推定される。
【０４９５】
新しいバイオマス発電施設のＥＢＩＴＤＡの収益率は、−１４．４％である。これは、＄１６，０００，０００の資本の年間コストにより得られる。
【０４９６】
バイオマスコジェネレーション施設
ベースケースと同じサイズの施設は、大型の工業的蒸気施設の顧客に隣接して開発されると推定される。蒸気タービンは、１５０ｐｓｉｇで抽出口を有する自動抽出蒸気タービンである。１５０ｐｓｉｇで年間平均蒸気負荷１４０，０００ポンド／時間が、施設から送出される。プラントの電気効率は、１４．８％に降下するが、正味効率は、６１．１％に上昇する。プラントからの電気出力は、２６ＭＷから１３．９ＭＷに減少する。ＭＡＳＳ  ＲＥＣは、１５ＭＷでは入手可能である。
【０４９７】
ＥＢＩＴＤＡの利益率は、−２０％である。
【０４９８】
小型バイオマス熱電併給
小型ＣＨＰプラントを、ベースケースに対して検証する。ボイラサイズは、５０，０００ポンド／時間、４５０ｐｓｉｇ／６００°Ｆに減少し、背圧ＳＴＧは、５０ｐｓｉｇで工程に排気する。正味出力は，１．６ＭＷである。電力効率は、８．２％であり、正味効率は、３９％である。
【０４９９】
ＥＢＩＴＤＡの利益率は、−１０７．５％である。
【０５００】
火力専用の発電所
検証された最後のケースは、小型の火力専用発電所である。ボイラは、これまでのケースと同じサイズである。プラント効率は、７５％であり、ボイラ効率（プラントの運用に必要な所内消費電力を含まない）と等しい。ＥＢＩＴＤＡの利益率は、−１５０％である。
【０５０１】
小型火力発電所（加熱プラント）
小型５，０００ポンド／時間、１０ｐｓｉｇ加熱プラントを、最後のケースについて推定する。蒸気の価格は、＄８．５０／１０００ポンドのままである。ボイラ効率が７５％のままと仮定すると、ＥＢＩＴＤＡは−２５０％である。
【０５０２】
規制のリスク
プロジェクトの融資には、不確定な規制環境のリスクがあり得る。政府の財政措置およびプログラムは、不確定または変動し得る。現行の連邦および州の奨励プログラム、例えば：
・生産税額控除
・ＢＣＡＰ
・再生可能エネルギーポートフォリオ基準（ＲＰＳ）
・加速減価
・補助金
は、市場およびプロジェクトの開発に大いに影響を及ぼす。今日の資本市場には、開発者自身の当初投入資本を上回る不足した民間資本があるため、新しいプロジェクトを始動および資金供給することが困難な環境になっている。
【０５０３】
多くの場合、欧州市場とバイオマス利用の間で、比較がなされる。先に記載された鎖に加えて、カーボンクレジット／税の市場の不足が、著しい。欧州モデルを開発するためには、以下の事柄を予測しなければならない：
１．都市部の市域エネルギーシステムへの連結の必要性を通した、地域冷暖房市場の開発。暖房のユーザーに働きかけて地域エネルギーシステムに連結し、暖房（および冷房）のための設備設計の権限を与える。
２．均等な電力価格設定。欧州の電力価格設定の表を、表５に示す２１。
３．炭素助成金
４．固定価格買い取り制度
【０５０４】
欧州の再生可能エネルギーの組み合わせは、表２に示す通り、バイオマスに劇的に移行した。
【表４２】
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【表４３】
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【表４４】
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【０５０５】
結論
バイオマス発電は、木材廃棄物を使用して発電するディスパッチャブルな電力供給である。再生可能電力クレジットの任意の効率基準の開発は、既存の技術および利用可能な電力市場に照らして注意深く評価されなければならない。
【０５０６】
ＲＥＣの５０％を可能にする、提案された４０％の最小効率限界は、地方市場で現在運転されている商業的バイオマス系発電所のいずれの効率よりも上回っている。提案された効率基準を実現する唯一の可能な方法は、大型の工業的蒸気ホストの設置によるが、その可能性は非常に低い。蒸気ホストを見出し、工業施設を建設して、蒸気を送達するようにバイオマス発電所を改良するというのは、合理的な提案ではない。現在の施設をこの手法で格上げし、それにより原稿のバイオマス再生可能フリートの市場から、当分、マサチューセッツの再生可能ポートフォリオの一部を取り除き得るというのは、期待できない。
【０５０７】
新しい施設については、提示された要件は、等しく非現実的である。１００％ＲＰＳと認定された発電の提示された６０％最低効率限界は、現行の商業化技術に基づくとは思われまい。６０％効率の基準は、予備試験または研究スケールのシステムの発表された限界から外れる。先進のバイオマス発電技術は、ＲＥＣを受けるための最小４０％基準さえも適合しない。正味の効果は、提案された効率の要件がマサチューセッツの再生可能エネルギー源からバイオマスを排除することになる。
【０５０８】
６０％効率の要件は、新しいコジェネレーションを開発することによってのみ実現され得る。温度負荷が増加すれば正味の効率要件に適合するため、電気出力は減少し、ＲＥＣから利用ｄ系る電力が減少する。奨励金の減少により、プロジェクトの経済性に悪影響が出るであろう。その上、工業地に隣接する大型バイオマス施設をの立地に関連する難題、および地方公共団体での燃料輸送の問題、および信頼できる蒸気ホストお見出す能力が低いことを考慮すれば、そのような機会がさらに続くことは、考えにくい。
【０５０９】
そのことにより、魅力のない財務収益を有するより小型のＣＨＰの機会と、魅力がなくまたＲＰＳの下で電気を発生しない火力専用の適用が残る。
【０５１０】
要約すると、バイオマス発電のための高効率基準を利用するのは、合理的でなく、経済的実行可能性が不足し、米国内のどこにも見出されない欧州型市場および助成金を仮定している。提案された効率要件の結果、バイオマスは即座に利用できるディスパッチャブルの再生可能エネルギー電源からバイオマスを排除することになろう。
【０５１１】
【表４５】
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【図１】
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【図２】
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