(57)【要約】  有機廃棄物流（１）を処理するための装置であって、生物反応槽（４０）への流入前に平均粒子径を縮減する（３８）ため、有機廃棄物流（１）を処理する装置が開示される。有機廃棄物流を混合するのと同時に、この平均粒子径を縮減する機械的デバイス（３８）を用いることにより、生物反応槽（４０）の効率を高める。機械的デバイス（３８）は、有機廃棄物流（１）の平均粒子径にアトリションおよび縮減をもたらすデバイスであることが好ましい。この結果、生物反応槽（４０）へより低い粘度のフィード、したがって、はるかにより効率的なプロセスがもたらされ、したがって、これにより、かつて可能であると考えられていたよりも高濃度のフィード流（１）を扱うことができる。
2013532051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機廃棄物流を生物学的に消化して転換されたバイオマスを生成させるための生物反応槽と、
前記有機廃棄物流を前記生物反応槽へフィードするための流入導管と、
前記転換されたバイオマスを前記生物反応槽から取り出すための流出導管と、
前記生物反応槽への流入前に前記有機廃棄物流の平均粒子径を機械的に縮減するための、前記流入導管に付随する粒子径縮減部材であって、前記有機廃棄物を混合すると同時に、機械的手段により前記有機廃棄物流の平均粒子径を縮減することができるため、前記生物反応槽の効率を高められる粒子径縮減部材と
を備える、有機廃棄物流を処理するための装置。
【請求項２】
前記粒子径縮減手段が、前記有機廃棄物流の平均粒子径を少なくとも約５０％縮減することができる請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記生物反応槽の効率を少なくとも約５０％高める請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記粒子径縮減部材が、ハウジングと、前記ハウジング内で前記有機廃棄物流を連続的に循環させるための循環手段と、前記平均粒子径のアトリションおよび縮減をもたらすための前記循環中に前記有機廃棄物流に接触するためのアトリション手段とを含む請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記アトリション手段が、パドル部材を含む請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記アトリション手段が、ビーズ部材を含む請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記転換されたバイオマスの少なくとも一部を、前記流出導管から別の粒子径縮減部材へ再循環させるための再循環導管を備える請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記別の粒子径縮減部材が、前記流入導管に付随する同じ粒子径縮減部材を含む請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記生物反応槽が、好気性生物反応槽または嫌気性生物反応槽を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
クリアなデカントを前記転換されたバイオマスから分離するために、前記流出導管に付随するデカンターを備える請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
有機廃棄物流を、所定の平均粒子径およびこれと関連する最適の生物分解性で供給するステップと、
増大したフィードストックの生物分解性を有する、縮減された粒子径の有機廃棄物流を供給するために、機械的アトリションにより前記所定の平均粒子径を縮減するステップと、
前記縮減された粒子径の有機廃棄物流の少なくとも一部を、転換されたバイオマスに転換して前記生物反応槽の効率を高めるために、前記粒子径が縮減された有機廃棄物流を、生物反応槽における生物学的消化にかけるステップと
を含む、有機廃棄物流を処理する方法。
【請求項１２】
前記所定の平均粒子径を少なくとも約５０％縮減するステップを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記生物反応槽の効率を少なくとも約５０％高める請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
クリアなデカントを、前記転換されたバイオマスから分離するステップを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記転換されたバイオマスの少なくとも一部の前記平均粒子径をさらに縮減するステップであって、粒子径がさらに縮減されたバイオマスを生成する縮減ステップを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記生物反応槽に対して所望の平均粒子径を最適化するステップと、前記最適化に基づき前記平均粒子径を縮減するステップとを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記平均粒子径の前記縮減が、２と１３の間のｐＨで実施される請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記生物反応槽が、好気性生物反応槽または嫌気性生物反応槽を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記生物反応槽を、約１０℃と１００℃の間の温度に維持するステップを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記生物反応槽を、約２と１２の間のｐＨに維持するステップを包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項２１】
転換されたバイオマスを生成させる、有機廃棄物流の生物学的消化のための生物反応槽と、
前記有機廃棄物流を前記生物反応槽へフィードするための流入導管と、
前記転換されたバイオマスを前記生物反応槽から取り出すための流出導管と、
前記生物反応槽への流入前に前記有機廃棄物流の平均粒子径を機械的に縮減するための、前記流入導管に付随する粒子径縮減部材であって、前記有機廃棄物を混合するのと同時に、機械的手段により、前記有機廃棄物流の粘度を約５００センチポイズと２，５００センチポイズの間の粘度まで低減でき、前記生物反応槽の効率を高める粒子径縮減部材と
を備える、有機廃棄物流を処理するための装置。
【請求項２２】
前記粒子径縮減手段が、前記有機廃棄物流の粘度を３，０００センチポイズ未満まで低減することができる請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記生物反応槽の効率を少なくとも約５０％高める請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
前記粒子径縮減部材が、ハウジングと、前記ハウジング内で前記有機廃棄物流を連続的に循環させるための循環手段と、前記平均粒子径にアトリションおよび縮減をもたらすための前記循環中に前記有機廃棄物流に接触するためのアトリション手段とを包む請求項２１に記載の装置。
【請求項２５】
前記アトリション手段が、パドル部材を含む請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記アトリション手段が、ビーズ部材を包む請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記転換されたバイオマスの少なくとも一部を、前記流出導管から別の粒子径縮減部材へと再循環させるための再循環導管を備える請求項２１に記載の装置。
【請求項２８】
前記別の粒子径縮減部材が、前記流入導管に付随する同じ粒子径縮減部材を含む請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記生物反応槽が、好気性生物反応槽または嫌気性生物反応槽を含む請求項２１に記載の装置。
【請求項３０】
クリアなデカントを前記転換されたバイオマスから分離するための、前記流出導管に付随するデカンターを備える請求項１に記載の装置。
【請求項３１】
有機廃棄物流を、所定の平均粒子径および関連する最適の生物分解性で供給するステップと、
増大したフィードストックの生物分解性を有する、粒子径が縮減された有機廃棄物流を供給するために、機械的アトリションにより前記所定の平均粒子径を所定量縮減するステップと、
前記粒子径が縮減された有機廃棄物流の少なくとも一部を、転換されたバイオマスへ転換するために、前記粒子径が縮減された有機廃棄物流を、生物反応槽における生物学的消化にかけるステップと、
前記生物反応槽における生物分解速度を測定するステップと、
前記生物反応槽における前記生物分解速度を最適化するために、前記粒子径縮減の前記所定量を調整するステップであって、これにより前記生物反応槽の効率を最適化する調整ステップと
を含む、有機廃棄物流を処理する方法。
【請求項３２】
前記平均粒子径縮減の前記所定量が、少なくとも約５０％である請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記生物反応槽の効率を少なくとも約５０％高める請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
クリアなデカントを、前記転換されたバイオマスから分離するステップを含む請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記平均粒子径の前記縮減が、２と１３の間のｐＨで実施される請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記生物反応槽が、好気性生物反応槽または嫌気性生物反応槽を含む請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
前記生物反応槽を、約１０℃と１００℃の間の温度で維持するステップを含む請求項３１に記載の方法。
【請求項３８】
前記生物反応槽を、約２と１２の間のｐＨで維持するステップを含む請求項３１に記載の方法。
【請求項３９】
粒子径縮減部材と、
脂質を含有するバイオマスを前記粒子径縮減部材へフィードして、該粒子径縮減部材からの流出物が生成される流入導管であって、該流出物中において、前記バイオマスが破砕され、前記脂質が前記バイオマスから放出されている流入導管と、
前記流出物中の前記脂質から前記破砕されたバイオマスを分離するための分離器と、
前記粒子径縮減部材からの前記流出物を前記分離器へ移送するための導管部材と、
前記分離された脂質のための、前記分離器からの脂質流出口と
を備える、脂質をバイオマスから分離するための装置。
【請求項４０】
前記脂質のための溶媒を前記粒子径縮減部材へフィードするための溶媒導管であって、前記溶媒と前記脂質とを緊密に接触させて、前記バイオマスからの前記脂質の分離を促進する溶媒導管を備える請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記破砕されたバイオマスのための前記分離器からのバイオマス流出口を備える請求項３９に記載の装置。
【請求項４２】
前記破砕されたバイオマスのための嫌気性消化槽であって、前記破砕されたバイオマスが、肥料およびメタンへ転換される嫌気性消化槽を備える請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記バイオマスが、藻類を含む請求項３９に記載の装置。
【請求項４４】
前記バイオマスが、好気性中温性微生物を含む請求項３９に記載の装置。
【請求項４５】
脂質を含有するバイオマスを粒子径縮減部材へフィードするステップであって、これにより流出物が生成され、該流出物中において、前記バイオマスが破砕され、前記脂質が前記バイオマスから放出されるステップと、
前記流出物中の前記脂質から前記破砕されたバイオマスを分離するステップと
を含む、脂質をバイオマスから分離する方法。
【請求項４６】
前記脂質のための溶媒を、前記粒子径縮減部材に添加するステップを含む請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記分離するステップで生じた前記分離された脂質を取り出すステップを含む請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
前記破砕されたバイオマスを、前記分離器から前記破砕されたバイオマスのための好気性消化槽へ移送するステップであって、これにより、前記破砕されたバイオマスが、肥料およびメタンへ転換される移送ステップを包む請求項４５に記載の方法。
【請求項４９】
前記バイオマスが、藻類を含む請求項４５に記載の方法。
【請求項５０】
前記バイオマスが、好気性中温性微生物を含む請求項４５に記載の方法。
【請求項５１】
揮発性脂肪酸を含有するフィード流を脂質含有バイオマスへ転換するための、バイオマスを含有する生物反応槽と、
粒子径縮減部材と、
前記脂質含有バイオマスを、前記粒子径縮減部材へフィードして前記粒子径縮減部材からの流出物が生成される流入導管であって、該流出物中において、前記バイオマスが破砕され、前記脂質が前記バイオマスから放出されている流入導管と、
前記流出物中の前記脂質から前記破砕されたバイオマスを分離するための分離器と、
前記粒子径縮減部材からの前記流出物を前記分離器へ移送するための導管部材と、
前記分離された脂質のための、前記分離器からの脂質出口と
を備える、揮発性脂肪酸を含有するフィード流を脂質含有流へ転換するための装置。
【請求項５２】
前記バイオマスが、好気性中温性微生物を含む請求項５１に記載の装置。
【請求項５３】
前記脂質含有流を前記バイオマスから分離するための分離器を備える請求項５１に記載の装置。
【請求項５４】
前記分離器が、膜分離器を含む請求項５３に記載の装置。
【請求項５５】
前記バイオマスを前記分離器から受け取り、前記バイオマスを再生して前記生物反応槽へと戻すためのバイオマス再生器を備える請求項５３に記載の装置。
【請求項５６】
揮発性脂肪酸を含有するフィード流を脂質含有バイオマスへ転換するための、バイオマスを含有する生物反応槽へ前記フィード流をフィードするステップと、
前記脂質含有バイオマスを粒子径縮減部材へフィードするステップであって、これにより流出物が生成され、該流出物中において、前記バイオマスが破砕され、前記脂質が前記バイオマスから放出されているステップと、
前記流出物中の前記脂質から前記破砕されたバイオマスを分離するステップと
を含む、揮発性脂肪酸を含有するフィード流を脂質含有流へ転換する方法。
【請求項５７】
前記バイオマスが、好気性中温性微生物を含む請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記脂質含有バイオマスを前記バイオマスから分離するステップを含む請求項５６に記載の方法。
【請求項５９】
膜分離器内で、前記脂質含有バイオマスを前記バイオマスから分離するステップを含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記分離器から取り出された前記バイオマスを再生するステップと、前記バイオマスを前記生物反応槽へと戻すステップとを含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６１】
有機廃棄物流を、メタンを生成させることなく揮発性脂肪酸含有流へ転換する酸性相の嫌気性消化槽と、
前記フィード流を脂質含有バイオマスへ転換するための、バイオマスを含有する生物反応槽と、
粒子径縮減部材と、
前記脂質含有バイオマスを、前記粒子径縮減部材へフィードして前記粒子径縮減部材からの流出物が生成される流入導管であって、該流出物中において、前記バイオマスが破砕され、前記脂質が前記バイオマスから放出されている流入導管と、
前記流出物中の前記脂質から前記破砕されたバイオマスを分離するための分離器と、
前記粒子径縮減部材からの前記流出物を前記分離器へ移送するための導管部材と、
前記分離された脂質のための、前記分離器からの脂質出口と
を備える、有機廃棄物流を処理するための装置。
【請求項６２】
前記揮発性脂肪酸含有流を前記バイオマスから分離するための分離器を備える請求項６１に記載の装置。
【請求項６３】
前記粒子径縮減部材が、第１の粒子径縮減部材を含み、前記酸性相の嫌気性消化槽の前に前記フィード流をコンディショニングするための第２の粒子径縮減部材を含む請求項６１に記載の装置。
【請求項６４】
アンモニアおよびリンを前記揮発性脂肪酸含有流から分離し、前記揮発性脂肪酸を含有する前記フィード流を生成するための栄養物質パージ部材を備える請求項６２に記載の装置。
【請求項６５】
有機廃棄物流を、メタンを生成させることなく揮発性脂肪酸含有流へ転換するための酸性相の嫌気性消化槽へフィードするステップと、
前記揮発性脂肪酸含有流を脂質含有バイオマスへ転換するための、バイオマスを含有する生物反応槽へ前記揮発性脂肪酸含有流をフィードするステップと、
前記脂質含有バイオマスを、粒子径縮減部材へフィードするステップであって、これにより、流出物が生成され、該流出物中において、前記バイオマスが破砕され、前記脂質が前記バイオマスから放出されているステップと、
前記流出物中の前記脂質から前記破砕されたバイオマスを分離するステップと
を含む、有機廃棄物流を処理する方法。
【請求項６６】
前記揮発性脂肪酸含有流を前記バイオマスから分離するステップを含む請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記酸性相の嫌気性消化槽の前に、粒子径縮減部材で前記フィード流をコンディショニングするステップを含む請求項６５に記載の方法。
【請求項６８】
栄養物質パージ部材でアンモニアおよびリンを前記揮発性脂肪酸含有流から分離するステップと、前記揮発性脂肪酸を含有する前記フィード流を生成するステップとを含む請求項６６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
本出願は、それらの開示が引用することにより本明細書の一部をなす、「有機副産物または有機廃棄物を再生可能なエネルギーおよび使用可能な生成物へ転換するための生物学的プロセス」と題され、２０１０年５月１１日に出願された、出願第１２／７７７，３６８号、および「有機副産物または有機廃棄物を再生可能なエネルギーおよび使用可能な生成物へ転換するための生物学的プロセス」と題され、２０１１年４月２６日に出願された、出願第１３／０９３，９６５号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、有機廃棄物質または有機副産物の転換に関する。より具体的には、本発明は、これらの物質を、再生可能なエネルギーおよび市場性のある簡便な肥料生成物へ転換するための生物学的プロセスに関する。これらのプロセスは、高度な有機転換率、および再生可能なエネルギー生成物および高価値の副産物の効率的な生成を実現することを意図する。
【背景技術】
【０００３】
有機物質を、再生可能なエネルギーおよび使用可能な生成物へ転換するための多くのプロセスが、多年にわたり開発されている。再生可能とされる候補物質である有機物質には、下水汚泥、食物廃棄物、農業廃棄物、都市有機固体廃棄物、および他の有機物質が含まれる。多くの技法は、灰化、気化、および熱分解など、熱による多様な手法を用いる。燃料の燃焼など、異なる方法を用いるか、またはプラズマアークなど、より非標準的な方法を用いて、熱の多様な形態が導入される。再生可能なエネルギー用途に灰化法を適用することに伴う主要な問題は、大半の再生可能なエネルギーフィードストックの水分含量が相対的に高いということである。水分含量が高いとは、有機物質を酸化しうる前に、熱（エネルギー）を用いて水を除去しなければならず、次いで、灰化プロセスは、大きな物理的障害、すなわち、水の蒸発およびこれに付随する蒸発潜熱を克服しなければならない。水の蒸発潜熱は、水が２１２°Ｆ（１００℃）に到達するために、１ポンドの水を蒸発させるのに約９７０ＢＴＵを必要し、または１ガロンの水を蒸発させるのに８，０８０ＢＴＵを必要とし、次いで、熱プロセスを用いて、有機物を酸化しうることを意味する。フィードストックの水分含量が低減（５０％未満に）されない場合、このＢＴＵの要件は、これらのプロセスにとって厄介なエネルギーシンクを表す。さらに、この厄介なエネルギーシンクは、高水分含量を含有するフィードストックを用いる一方で、同時に実質プラスのエネルギー生成を実現する、これらのプロセスを適用することが困難であることを意味する。これは、有機物質を酸化することにより生成するＢＴＵのうちのかなりの部分は、標的フィードストックに固有の水を蒸発させることと関連する蒸発潜熱により要請されるＢＴＵ要件により相殺されるからである。
【０００４】
生物学的プロセスは、灰化プロセスと根本的に対比される。本質的に、全ての生物学的プロセスは、微生物を用いて、標的のプロセス目標を達成する。微生物は、標的フィードストックを、再生可能な燃料および他の高価値の副産物へ転換することを促進するように、酵素を用いて反応を触媒する。２つの重要な事実を把握することが極めて重要である。第１に、酵素反応に必要とされる活性化エネルギーは、類似の物理反応または化学反応に必要とされる活性化エネルギーよりはるかに小さい。これは、必要とされる化学物質の量または熱量が、同等の物理反応または化学反応よりはるかに小さいということを意味する。加えて、酵素反応は、過剰量のフィードストックの水分含量による影響を受けない。この事実は、これによらなければ、蒸発潜熱問題を交えるために灰化プロセスを不利なものとする、厄介なエネルギーシンクを改善する。他の重要な事実は、微生物反応槽が、その固有の酵素、すなわち、化学試薬を作製する自己持続システムであるということである。微生物は、世界で最も増殖性が高く、最も効率性の高い化学物質作製体であるということができる。酵素触媒反応と関連する有利な活性化エネルギーと組み合わされたこれらの側面により、再生可能なエネルギー用途へ生物学的プロセスの適用についての強力な議論がもたらされる。
【０００５】
微生物系は、それらを再生可能なエネルギーに適用するのに魅力的なものとする頑健な特徴を有するが、活発な市販適用を推進するために、これらの系には、改善を必要とする側面が見られる。例えば、嫌気性生物学的プロセスは、有機物質をメタンへ転換しうることが一般的に知られている。当業者にとって、これらの系の費用効率は高く、操作も比較的簡単である。嫌気性プロセスに伴う欠点は、極めて理想的な操作条件下でもなお、嫌気性プロセスが有機フィードストックのうちの５０％超を、エネルギー供給源へ転換する可能性が低いことである。この状況からは、５０％の転換されていないフィードストックを処分する必要が生じ、これが、これらの嫌気性適用のアキレス腱となることが多い。同様に、生物学的なエタノール生成、ならびにバイオディーゼルおよび油を生成させるための藻類バイオマス系の使用も、フィードストックまたはバイオマス残留物のうちのかなりの部分が、使用可能なエネルギーへ転換されないまま残り、別個に処理および処分しなければならず、プロジェクト全体の重大な経済的損失をもたらすことが多い点で、同様の問題を有する。したがって、代替的な手法が必要である。本発明の目的のうちの一つは、生物学的な再生可能エネルギーシステムにより、標的フィードストックのより大量なエネルギーへの転換を推進し、転換されていないフィードストックまたは残留バイオマスにより賦課される経済的不利益を削減することである。
【０００６】
生物学的有機廃棄物処理システムにおける有機物質の転換の増大を推進するという技法上の目的は、オクラホマ州立大学およびデラウェア大学の教授であるＡｎｔｈｏｎｙ  Ｆ．Ｇａｕｄｙ博士の画期的な業績により可能となることが示された。Ｇａｕｄｙは、実験室における厳密な試験および網羅的な補助科学的分析により、汚泥、すなわち、転換されていないフィードストックまたは残留バイオマスの生成を回避するように、生物学的処理システムが作動させうることを示した。Ｇａｕｄｙは、生物学的システムだけでも、この目標を達成しうることを示したが、時宜を得た全有機物の転換を達成するのに、生物分解速度に常に依存しうるわけではないと結論した。Ｇａｕｄｙは、化学的または物理的な、非生物学的技法を用いて、システム全体の生物分解性を戦略的に増強することを伴う代替的な戦略を提起した。Ｇａｕｄｙの努力は、生物反応槽における残留物の生物分解性を増強するために、廃棄物バイオマスの一部に外科手術のようにきわめて正確に適用される加水分解ステップを組み込んだ、「化学補助」の概念を伴った。Ｇａｕｄｙは、この方法により、生物学的システムが、完全な有機物の転換を本質的に達成しうることを示した。Ｇａｕｄｙのシステムでは、化学的または物理的な役割も用いられたが、有機物転換の重荷はまさに微生物にあり、化学的または物理的なプロセスは、システム全体の優れた転換率を達成するのに、本質的ではなく、補助的な役割を果たしたことに注目されたい。残る難題は、市販に適する物理的または化学的な補助法を見出し、このようなシステムにおいて用いられる種類のバイオマス反応槽システムと経済的に両立させることであった。
【０００７】
これらの概念は実現され、商業的に実現可能なプロセスが考案され、フルスケールの高有機物転換率を達成している。米国特許第３，５４７，８１４号；同第３，６７０，８８７号；同第４，２４６，０９９号；同第４，０２６，７９３号；および同第４，６５２，３７４号により代表されるこの技法は、主に、固体分離を伴う好熱性好気性生物学的処理、および統合的化学処理ステップに依拠する。化学処理ステップ、またはＧａｕｄｙの用語法における化学補助は、主に、改変されたＦｅｎｔｏｎの試薬手順からなることが一般的である酸化手順であった。これらのシステムに、化学処理ステップを適用し、組み込んで、鉱物を伴わずに、または有機残留固体も生成させることなしに、高レベルの有機物転換を達成するときの、経済的実行可能性を実現するためのガイドラインが経験的に導出された。これらの特許の発明者であるＡｌａｎ  Ｆ．Ｒｏｚｉｃｈは、技法の効能を検証するため、データを用いて技法の有効性を裏付ける多数のパイロット試験を実施して、質量とエネルギーとの厳密な両立を果たした。２０１０年現在、これらのシステムのうちの１１が、実際の実装に成功している。
【０００８】
再生可能なエネルギー用途に関与しうる、有機廃棄物物質に対して高転換率を達成する生物学的システムの使用と関連するプロセスには、以下の通りに、多くの変化形が見られる。
【０００９】
米国特許第３，５４７，８１４号（「’８１４号特許」）および同第３，６７０，８８７号は、下水処理であって、まず、スクリーニングにより下水から粗大な有機物固体を除去し、残りの廃棄物を酸素含有ガスおよび活性化汚泥と接触させる下水処理を開示している。’８１４号特許は、汚泥を非腐敗性とするのに、嫌気性プロセスを用いたこと、および言及される通り、これらのプロセスが長期保存を必要とすることを開示している。再生可能なエネルギーは、嫌気性反応槽において発生するメタンの形態で産生される。このような汚泥の処理について提案される別の技法は、このような汚泥を実質縮減することにより自己酸化度を増大させる、拡張曝気を伴う。残念ながら、一般に酸化速度が低すぎるために、実質的な汚泥生成に対して著明な効果を及ぼすには至らない。拡張曝気を伴い、自己酸化度を増大させる場合、特に、実質汚泥生成レベルをゼロとする場合であっても、プラント規模が大きく、操業費用が高額となるために、問題が生じる。そこで、規模を縮小するために、これらの特許権者らは、汚泥において、酸素に富むガスおよび高量の揮発性有機物質を用いることを提案した。この結果、プロセス全体で産出される汚泥が低減された。
【００１０】
米国特許第４，２４６，０９９号は、活性化汚泥プロセスにおける汚泥固体を縮減し安定化させるための、好気性プロセス／嫌気性プロセスの組合せについて開示している。再生可能なエネルギーは、嫌気性系に由来するメタンの形態で生成させることができる。このプロセスではまず、好気性条件下で、都市汚泥を、酸素含有ガスと接触させて、生物分解性の揮発性懸濁固体を部分的に縮減し、次いで、これらを嫌気性的に消化して、汚泥を部分的に安定化させる。消化帯域へと導入される生物分解性の揮発性懸濁固体のうちの４０％未満までの汚泥の縮減を達成することができる。熱性好気性消化の概念は、オートサーマル好気性消化（ＡＴＡＤ）と称し、消化槽が、高温、例えば、約４５℃〜７５℃において、または好熱性範囲で作動する。
【００１１】
米国特許第４，０２６，７９３号は、３８℃〜４６℃の範囲内の温度で維持された容器内で消化を実施することにより、生物分解性有機汚泥中の固体含量を低減するための好気性消化プロセスを開示している。好気性反応槽における熱の産生によれば再生可能なエネルギーを産生することが可能であり、これを用いれば、熱水を作製することが可能であろう。
【００１２】
米国特許第４，６５２，３７４号は、下水に加水分解および酸性化を実施し、次いで、再生可能なエネルギーのためのメタンを発生させる条件下で、加水分解された下水を嫌気性的に消化することによる、都市廃棄物に対する改変型嫌気性発酵について開示している。
【００１３】
また、加水分解補助を用いるオートサーマル好気性消化（ＡＴＡＤ）と組み合わせた改変型拡張曝気活性化汚泥プロセスであって、酸による、ＡＴＡＤ反応槽からの流出物の処理と、得られた加水分解された流出物を、第１の曝気性帯域における生物学的消化にかけるステップとを含むプロセスにおいては、下水を、酸素含有ガスおよび活性化汚泥と接触させることも知られている（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、１７ｔｈ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ  Ｓｌｕｄｇｅ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ、ＨＭＣＲＩ、Ｂｏｓｔｏｎ、Ｍａｓｓ．、１９８７、７１〜７７ページ）。好気性反応槽における熱の産生により再生可能なエネルギーを産生することが可能であり、これを用いれば、熱水を作製することが可能であろう。
【００１４】
活性化汚泥プロセスを含めた、好気性プロセスに関する実質的な先行技術についてのこの総説からみられる通り、汚泥の産生を縮減または最小化し、好気性プロセスにより産生される過剰な汚泥を安定化させ、有機物またはフィードストックの高転換率を達成するための努力においては、多くの変化形が提起されている。その目的を達成するために、これらのプロセスの全ては、いずれにせよ、極めて複雑であり、高額の操業費用または資本費用を伴う。大半の場合において、再生可能なエネルギーの共時的な産生の達成を措くとしても、元の有機物投入量に基づき、高レベルの有機物転換を達成するようにこれらのプロセスを改変することは、極めて困難である。後者の目標は、探索されることが多いが達成されることはまれな目標であり、転換されていないフィードストックおよび／または残留バイオマスを処理および処分する必要のために、結果として、経済的に不満足な結果をもたらすことになる。
【００１５】
その開示が引用することにより明示的に本明細書の一部をなす、米国特許第４，９１５，８４０号（「’８４０号特許」）では、好気性プロセスにおける有機物の転換率を高めるための改善であって、有機物を含有する都市廃棄物を、生物学的に活性な生物の存在下で、酸素含有ガスと接触させることにより、生物学的に消化する改善が開示されている。好気性反応槽における熱の産生により再生可能なエネルギーを産生することが可能であり、これを用いれば、熱水を作製することが可能であろう。’８４０号特許の図１に示される基本プロセスを、本明細書の図１に再掲するが、’８４０号特許の第４段第４２行から第７段第２０行において示される通り、その開示は引用参照することにより本明細書の一部をなす。特に、オートサーマル好気性消化ユニット（ＡＴＡＤ）における汚泥の生物学的消化は、既知のプロセスである。オートサーマル好気性消化帯域３４では、空気、または他の酸素含有ガス、例えば、高純度酸素が、ライン３６を介して、懸濁固体のオートサーマル好熱性好気性消化に十分な速度で導入される。このプロセスでは、約３５℃〜７５℃の温度が維持され、プロセスにおいて発生する熱が、外部の加熱なしに温度を維持するのに十分であるものとする。これらのオートサーマル自己加熱ユニットは、発生した代謝熱を含有し、オートサーマル消化槽を適切な状態に維持するために、外部の熱付加を必要としない。通常０．５〜２％の固体である、あらかじめ選択した濃度の有機物質を含有する転換されていない生成物を、ライン３５を介して、オートサーマル好気性消化帯域３４からの流出物として取り出し、その全部または一部を、第１の曝気消化帯域６へとチャージする。再循環物に第２の清浄装置１２からの再循環物を加えて、あらかじめ選択した所望の汚泥値をもたらすように調整する。オートサーマル消化帯域３４における腐敗が適切である場合、実質汚泥が発生することはありえない。好気性帯域６にチャージされない部分は、ライン３９を介して処分用に除去される。
【００１６】
その図１に示される通り、’８４０号特許のプロセスでは、増粘した生物活性化汚泥の一部を、加水分解容器３１（ＨＹＤ）において、生物細胞の高分子成分の加水分解を実行し、無機成分の溶解を実行するのに十分な条件下で、酸（例えば硫酸）または塩基（例えばアルカリ金属水酸化物）と接触させることにより、有機物の高転換率を制御することに特に注目する。容器３１では、酸を添加し、約８０〜１３０℃の範囲の温度で、大気圧〜最大約３０ｐｓｉｇの範囲の圧力で、約０．５〜２の範囲のｐＨを、約２〜１０時間にわたり、典型的には約４〜６時間にわたり維持することにより、マイルドな酸加水分解を達成する。アルカリ加水分解もまた実行することができ、これは、アルカリ物質、例えば、水酸化ナトリウムと接触させ、約７〜１２のｐＨ、および２０〜５０℃の温度を、約５〜１２時間にわたり維持することにより達成する。この加水分解補助は、高分子成分による細胞構造を改変し、それらを実質的に可溶性とし、これにより、生物学的に活性な生物が、オートサーマル曝気性消化帯域３４内で、好熱性腐敗をもたらす能力を増強する。加水分解にかける増粘汚泥の量を増加または減少させることにより、系の腐敗速度を増大または低下させ、このような腐敗の速度を制御することにより、したがって、腐敗の程度を制御することにより、汚泥の縮減レベルを制御することができる。しかし、ＡＴＡＤユニット内の温度条件自体が、これらの高分子成分の、その程度までの、いくらかの溶解をもたらしうるので、加水分解補助による先行の化学的可溶化は、冗長または非効率であると考えることができる。
【００１７】
オートサーマル好気性消化帯域３４へとチャージされない、加水分解された汚泥は、リン(phosphorous)または窒素を取り出すために処理することもでき、オートサーマル好気性消化帯域における腐敗を最適化するためにｐＨを調整することもできる。加水分解された汚泥は、ライン３８を介して、容器３１から取り出し、タンク４０へとチャージし、ここで、リン化合物を沈殿させるために、例えば、ｐＨをアルカリ性のレベルまで上方に調整し、次いで、ライン４２を介して、リン化合物を取り出す。容器４０における物質の残りは、ライン４４を介して取り出し、オートサーマル好熱消化帯域３４へとチャージする。
【００１８】
その開示が引用することにより本明細書の一部をなす、米国特許第５，１４１，６４６号（’６４６号特許）で開示されている、さらに改善されたプロセスに従い、汚泥は、混合容器から直接ＡＴＡＤ反応槽へとチャージされ、即座に消化される。次いで、周期的な静止時間において、沈殿したバイオマスの一部をＡＴＡＤ反応槽から取り出し、加水分解ユニットへとチャージし、強酸溶液または強塩基溶液で処理する。沈殿したバイオマスは、ある時間、好ましくは少なくとも約６時間にわたり加水分解させ、次いで、ＡＴＡＤ反応槽の上流にある混合チャンバーへと戻す。加水分解物は、流入する汚泥と共に混合し、次いで、これを、ＡＴＡＤ反応槽に直接フィードする。流入する汚泥は、加水分解流を中和し、それを所望のｐＨ７とする。室温を超える加水分解された汚泥はまた、流入するフィード汚泥を加熱する一助ともなる。周期的に、精製されたデカントを、ＡＴＡＤ反応槽から取り出し、プラントへと戻す。
【００１９】
プロセスの特に好ましい実施形態が、’６４６号特許の図５に示されているが、これを、本明細書の図２に再掲する。このプロセスでは、約８％の固体を含む汚泥または固体廃棄物を、ライン８４を介して粉砕機８６へフィードし、その後、ライン５２を介してミキサー５４へフィードすることができる。その後、汚泥は、ライン５６を介してオートサーマル嫌気性消化（ＡＡＤ）ユニット８８へと流過し、そこで、再生可能なエネルギーのためのメタンガスがライン９０を介して取り出される。場合によって（ライン９２を介して）、ＡＡＤユニットからの沈殿したバイオマスを、ユニット６２において加水分解し、混合チャンバー５４へと再循環させることができる。必要な場合は、過剰な汚泥を、加水分解容器６２の上流にあるライン９３を介して除去することができる。
【００２０】
ＡＡＤユニット８８は、オートサーマル嫌気性消化デバイスである。再生可能なエネルギーは、嫌気性反応槽で発生したメタンの形態で産生される。ＡＡＤユニット８８は、それが、より高い流入固体濃度を必要とし、嫌気性のため酸素（曝気）が供給されないことを除き、ＡＴＡＤ反応槽５８と同様である。ＡＡＤユニットは、堆肥化による最終的な安定化の前に、汚泥または夾雑物からエネルギーを抽出するように設計されている。所望の場合は、ライン９６を介して、水および／または栄養物をＡＡＤユニットに添加することができる。ユニット８８からのＡＡＤデカントは、ライン９４を介してＡＴＡＤ反応槽５８にフィードされる。
【００２１】
ＡＴＡＤバイオマスの一部は、前出の通りに沈殿させて取り出し、ライン６０を介して加水分解ユニット６２へと戻し、加水分解流は、ライン６６を介してミキサー５４へフィードする。上記で説明した通り、ＡＴＡＤ反応槽からの精製されたデカントは、ライン７０を介してプラントへと戻すこともでき、栄養物取り出しデバイス７２へと導入することもできる。処理されたデカントは、ライン７８を介して、プラントへと戻す。
【００２２】
その開示が引用することによりその全体において明示的に本明細書の一部をなす、米国特許第５，４９２，６２４号（「’６２４号特許」）では、好気性プロセスにおける有機物の転換率を高めるための改善であって、有機物を含有する都市廃棄物を、生物学的に活性な生物の存在下で、酸素含有ガスと接触させることにより、生物学的に消化する改善が開示されている。’６２４号特許と’８４０号特許との手法の主要な差違は、’６２４号特許が、有機物転換率を増強するために、加水分解法ではなく、酸化法を用いることである。’６２４号特許の好ましい実施形態が、’６２４号特許の図３に示されているが、これを、本明細書の図３に再掲する。’６２４号特許はまた、嫌気性ステップにおけるメタン産生により、再生可能なエネルギーを作製する変化形を含め、いくつかの変化形についても開示している。’６２４号特許と’８４０号特許との重要な差違は、’６２４号特許が、酸化手順に依拠しており、これは、商業的に実現可能であると示されていることである。’６２４号特許において実施形態に係る技法は、商業的に実現可能であり、有機物フィードストックの高転換率を裏付けているが、この技法は、酸化手順に依拠するために、幾分高価でありうる。これは、この技法が、再生可能なエネルギー用途、特に、高転換率の嫌気性系の実装の技法のより広範な適用を制約している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
したがって、転換されていないフィードストックおよび／または残留バイオマスの処分という困難な負荷を伴わずに、再生可能なエネルギーを産生するために、有機廃棄物および汚泥物質を処理するための改善されたプロセスの探索は継続されている。これらの特許権者らは、共時的に、メタンエネルギー／再生可能なエネルギーの産生を増大させながら、有機フィードストックの高破壊率（８０％＜）を達成する目的で、上記の特許における方法のうちの一部に従い嫌気性系を作動させうることを示すために、意義のあるパイロット研究を成し遂げた。結果の成功にもかかわらず、これらのシステムの経済的実現可能性は、なおも不足している。したがって、生物学的システムは、フィードストック転換が高度であり、残留物生成が低度である、再生可能なエネルギー産生に適用しうるというプロセス実証を有するにも関わらず、商業的に実現可能な手法のための探索は継続されている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明に従い、有機廃棄物流を処理するための装置であって、転換されたバイオマスを生成させる、有機廃棄物流を生物学的に消化するための生物反応槽と、有機廃棄物流を生物反応槽へフィードするための流入導管と、転換されたバイオマスを生物反応槽から取り出すための流出導管と、生物反応槽への流入前に有機廃棄物流の平均粒子径を機械的に縮減するための、流入導管に付随する粒子径縮減部材であって、有機廃棄物を混合するのと同時に、機械的手段により有機廃棄物流の平均粒子径を縮減でき、生物反応槽の効率を高める粒子径縮減部材とを備える装置を発明することにより、これらの目的および他の目的が今や実現されている。好ましい実施形態では、粒子径縮減手段が、有機廃棄物流の平均粒子径を、少なくとも約５０％縮減することが可能である。好ましい実施形態では、生物反応槽の効率を、少なくとも約５０％高める。
【００２５】
本発明の装置についての一実施形態に従い、粒子径縮減部材は、ハウジングと、ハウジング内で有機廃棄物流を連続的に循環させるための循環手段と、平均粒子径にアトリションおよび縮減をもたらすために、循環中に有機廃棄物流に接触するためのアトリション手段とを含む。アトリション手段は、パドル部材を備えることが好ましい、好ましい実施形態では、アトリション手段が、ビーズ部材を包含する。
【００２６】
本発明の装置についての別の実施形態に従い、装置は、転換されたバイオマスの少なくとも一部を、流出導管から、別の粒子径縮減部材へと再循環させるための再循環導管を備える。他の粒子径縮減部材は、流入導管に付随する同じ粒子径縮減部材を含むことが好ましい。
【００２７】
本発明の装置についての別の実施形態に従い、生物反応槽は、好気性生物反応槽または嫌気性生物反応槽を含む。
【００２８】
本発明の装置についての別の実施形態に従い、装置は、クリアなデカントを転換されたバイオマスから分離するための、流出導管に付随するデカンターを包含する。
【００２９】
本発明に従い、有機廃棄物流を処理するための装置であって、転換されたバイオマスを生成させるために、有機廃棄物流の生物学的消化のための生物反応槽と、有機廃棄物流を生物反応槽へフィードするための流入導管と、転換されたバイオマスを生物反応槽から取り出すための流出導管と、生物反応槽へ流入前に有機廃棄物流の平均粒子径を機械的に縮減するための、流入導管に付随する粒子径縮減部材であって、有機廃棄物を混合するのと同時に、機械的手段により有機廃棄物流の粘度を約３００センチポイズと２５，００センチポイズの間の粘度まで低減することができ、生物反応槽の効率を高める粒子径縮減部材とを備える装置もまた考案されている。好ましい実施形態では、粒子径縮減手段が、有機廃棄物流の粘度を少なくとも３，０００センチポイズまで低減することが可能である。
【００３０】
本発明の装置についての別の実施形態に従い、生物反応槽の効率を、少なくとも約５０％、好ましくは少なくとも約６０％高める。
【００３１】
本発明に従い、有機廃棄物を処理する方法であって、有機廃棄物を、所定の平均粒子径で供給するステップと、粒子径が縮減された有機廃棄物流を供給するように、所定の平均粒子径を少なくとも約５０％、および好ましくは少なくとも約６５％縮減するステップと、粒子径が縮減された有機廃棄物流の少なくとも一部を、転換されたバイオマスへ転換するために、粒子径が縮減された有機廃棄物流を、生物反応槽における生物学的消化にかけるステップとを含む方法を発明することによってもまた、上記の目的が実現されている。
【００３２】
本発明の方法についての一実施形態に従い、方法は、所定の平均粒子径を少なくとも約５０％縮減するステップを包含する。本発明の方法についての好ましい実施形態に従い、生物反応槽の効率を少なくとも約５０％高める。
【００３３】
本発明の方法についての一実施形態に従い、方法は、クリアなデカントを、転換されたバイオマスから分離するステップを含む。好ましい実施形態では、方法が、さらに縮減された粒子径のバイオマス流を生成するために、転換されたバイオマスの少なくとも一部の粒子径を縮減するステップを含む。極めて好ましい実施形態では、方法が、生物反応槽において処理される有機廃棄物流の平均粒子径の最適範囲を決定するために生物反応槽を解析することと、平均粒子径の最適範囲に基づき、所定の粒子径を縮減するステップであって、これにより、転換されたバイオマスの生物分解性を最適化する縮減ステップを実行することとを含む。
【００３４】
本発明の方法についての一実施形態に従い、縮減ステップは、約２と１３の間のｐＨで実施される。
【００３５】
本発明の方法についての別の実施形態に従い、生物反応槽は、好気性生物反応槽の場合もあり、嫌気性生物反応槽の場合もある。
【００３６】
本発明の方法についての別の実施形態に従い、生物反応槽は、約１０℃と１００℃の間の温度で維持される。本発明の方法についての別の実施形態に従い、生物反応槽を、約２〜１２、好ましくは約７のｐＨで維持する。
【００３７】
本発明に従い、有機廃棄物流を処理する方法であって、有機廃棄物流を、所定の平均粒子径で供給するステップと、粒子径が縮減された有機廃棄物流を供給するために、機械的アトリションにより所定の平均粒子径を所定量縮減するステップと、粒子径が縮減された有機廃棄物流の少なくとも一部を、転換されたバイオマスへ転換するために、粒子径が縮減された有機廃棄物流を、生物反応槽における生物学的消化にかけるステップと、生物反応槽における生物分解速度を測定するステップと、生物反応槽における生物分解速度を最適化するために、粒子径縮減の所定量を調整するステップであって、これにより、生物反応槽の効率を最適化する調整ステップとを含む方法もまた提供されている。好ましい実施形態では、平均粒子径縮減の所定量が、少なくとも約５０％である。別の好ましい実施形態では、生物反応槽の効率を、少なくとも約５０％高める。
【００３８】
本発明に従い、有機廃棄物流を処理する方法であって、有機廃棄物流を、所定の平均粒子径で供給するステップと、粒子径が縮減され、かつ、粘度が低減された有機廃棄物流を供給するために、機械的アトリションにより所定の平均粒子径を縮減するステップと、有機廃棄物流の可溶性有機性含量を増大させるステップと、粒子径が縮減された有機廃棄物流の少なくとも一部を転換されたバイオマスへ転換して、生物反応槽の効率を高めるために、固体含量を増大させた有機廃棄物流を、生物反応槽における生物学的消化にかけるステップとを含む方法が提供される。好ましい実施形態では、方法が、有機廃棄物流の固体含量を１００％を超えて増大させるステップを含む。
【００３９】
本発明の方法についての別の実施形態に従い、方法は、有機廃棄物流の固体含量を、約５％と１０％の間の固体含量まで増大させるステップを含む。好ましい実施形態では、方法が、有機廃棄物流の固体含量を、約５％を超える固体含量まで増大させるステップを含む。別の実施形態では、方法が、有機廃棄物流の固体含量を、約５％と約８％の間の固体含量まで増大させるステップを含む。
【００４０】
本発明の方法についての別の実施形態に従い、方法は、精製されたクリアなデカントを生成するために、クリアなデカントから窒素およびリン(phosphorous)を分離するステップを含む。窒素およびリンは、膜を用いて分離することが好ましい。しかし、別の実施形態では、液体肥料および飲用水を生成するために、蒸発冷却デバイスを用いて窒素およびリンを分離する。好ましい実施形態では、生物反応槽は、液体肥料および飲用水の生成を促進するために、メタンならびに熱を発生させる嫌気性反応槽である。別の実施形態では、生物反応槽が、好気性生物反応槽である。本発明の方法についての別の実施形態に従い、粒子径縮減反応槽を用いて縮減ステップを実施する。
【００４１】
本発明に従い、生物反応槽における生物学的消化へフィードされるコンディショニングされた有機物質を生成させる前に、粒子状物質を含有する有機廃棄物流またはフィードストックを、粒子径縮減デバイスまたは粒子径縮減反応槽へフィードする。生物反応槽は、好気性または嫌気性であるが、任意の種類のバイオマスを用いることが可能であり、広い範囲の温度、ｐＨ値等にわたり作動しうる。バイオマスは、生物反応槽内で生成させ、次いで、クリアなデカントを生成するように分離する。次いで、分離されたバイオマスは、適切とみなされうるさらなるコンディショニングのために、粒子径縮減デバイスへ移送されることができる。粒子径縮減反応槽を用いることが、’６２４号特許で示される酸化ステップ、または’８４０号特許で示される加水分解ステップを用いることを凌駕する一つの利点は、本発明に従う純粋な粒子径縮減を用いる場合には、化学物質の使用が大幅に削減されることである。加水分解の場合、このために大量の溶解固体が生成し、各種の下流のプロセスに有害な影響を及ぼす潜在的なベースをもたらしている。これに対し、酸化の場合、多様な酸化物が安全性に対する危険物となる可能性があり、高価となる可能性があり、現場で大量に保存されると規制上の問題を惹起する可能性がある。さらに、粒子径縮減デバイスの使用は、粒子径縮減デバイス自体の内部構成を改変することにより、標的の生物系と共に最適な形で組み込むことができる。このような内部改変は、処理された粒子状有機物について特定のサイズ範囲を選択し、その後生物反応槽へフィードするために、操作者がこのデバイスを操作することを可能とするであろう。生物反応槽についての、バイオマスを用いる補助的な反応速度試験は、その中で完全な有機物転換を達成するときのシステム全体の性能を最適化するために、粒子径縮減反応器からの流出物の最適の粒子径および／または粘度を決定することが可能である。これに対して、ここでもまた、’６２４号特許における酸化ステップ等の酸化ステップ、または’８４０号特許における加水分解ステップ等の加水分解ステップは、生物分解性の増強を達成するのに、はるかによりランダムである。粒子状の有機物フィードストックの生物分解性を増強するために、粒子径縮減デバイスおよび／または粘度低減デバイスを用いると、はるかに良好なレベルの制御がもたらされる。本発明を、’８４０号特許および’６２４号特許による教示等、先行技術による教示とさらに比較すると、有機物フィードストックおよび／またはバイオマスの生物分解性を増大させるのに用いられる具体的な方法がもたらされる。’８４０号特許および’６２４号特許では、フィードストック／バイオマスの分解性を増強するために、化学反応に依拠した。本発明の粒子径縮減デバイスとの関連では、破砕(grinding)法を用いる。さらに、破砕は、このような粒子径縮減デバイスという内部装置により達成されるだけでなく、大部分はまた、有機物の粒子対粒子の衝突によっても達成されることも注目される。したがって、固体濃度を高めると、粒子対粒子の衝突がより多くもたらされるので、粒子径縮減デバイスの性能と、生物分解性の増強とは、こうして、粒子径縮減デバイスへの高固体濃度��流入物により達成されることを見ることができる。’８４０号特許および’６２４号特許などの先行技術で提供される化学的手法は、この有利な性能特徴を示さない。実際、当業者にとって、改善された結果を実現するために、反応槽に高固体濃度をフィードすることは、直観に反すると考えられるであろう。こうして、本発明のこの特徴は、先行技術と比較して、プロセス効率および経済的改善を創出する。
【００４２】
本発明の一態様に従い、標的の粒子状有機フィードストックを、生物分解に最適な粒子径混合物を供給するために内部機構が較正されている粒子径縮減デバイスへフィードするステップを含むプロセスが提供される。次いで、この混合物を生物反応槽へ移送するが、このプロセスはまた、バイオマスおよび任意の転換されていない有機フィードストック固体を液体から分離するステップも含むことか好ましい。次いで、これらの分離された固体およびバイオマスを、さらなるコンディショニングのために同じかまたは別の粒子径縮減デバイスへと戻すことができ、次いで、クリアなデカントを固体分離器から排出させることができる。
【００４３】
本発明のプロセスを用いることにより、粒子径縮減ステップは、特定の粒子径および分布の成分を伴う、処理されたフィードストックを生成する柔軟性を有するであろう。粒子径縮減ステップは、広い範囲のｐＨおよび温度にわたり実施しうることが好ましい。本発明のプロセスはまた、バイオマスが、バイオマス粒子径縮減ステップへフィードされる前に、バイオマスの少なくとも一部を、クリアなデカントから分離するステップも含む。粒子径縮減ステップは、標的フィードストックの生物分解性の最適な増強を達成しうるｐＨで実施することが好ましい。
【００４４】
本発明の一態様に従い、プロセスは、有機廃棄物を、約１０と１００℃の間の広い温度範囲にわたる任意の種類の生物反応槽における生物学的消化であって、好ましくは約２〜１２の広いｐＨ範囲にわたり作動する、最も好ましくはｐＨ約７の生物学的消化にかけるステップを含む。粒子径縮減デバイスは、その中でなされる粉砕作用から生じる摩擦のためにそれ自体の熱を発生させる。次いで、生物反応槽が高温で作動することを可能とする目的で、この熱を用いて、この反応槽に熱を付加することができる。これは、通常、高価な加熱システムに依拠しなければならない嫌気性系にとって特に有利でありうる。しかし、付加される熱は、好気性系が好熱性の範囲で作動できるため、好熱性好気性反応槽の確固とした生物分解速度論に起因して利益の付加を実現できるので、これはまた、好気性系にとっても有利である。
【００４５】
本発明のプロセスは、精製されたクリアなデカントを生成するために窒素およびリンをクリアなデカントから取り出す（除去する）ステップをさらに含むことが好ましい。窒素およびリンは、膜または低温（約１５０°Ｆ）の蒸発冷却デバイスを用いて濃縮され、高価値の液体肥料を生成させることが好ましい。したがって、このプロセスは、高価値の液体肥料を生成させるだけでなく、飲用水も生成させる。蒸発冷却を、嫌気性生物学的プロセスと共に用いる場合、嫌気性ユニットにより発生するメタンの転換から発生する熱は通常、このプロセスにおける液体肥料および飲用水の生成を促進するのに十分である。好熱性好気性生物学的プロセスを生物反応槽として用いる場合、生物反応槽から流出する流体は既に１５０°Ｆであり、さらなる熱は必要とされない。膜を用いて液体肥料および飲用水を創出する場合は、アンモニアの窒素を硝酸塩へ転換し、窒素の取り出しを可能としなければならない。代替的に、窒素は生物学的に取り出すこともでき、リンは沈殿により取り出すこともできる。
【００４６】
本発明の別の態様に従い、脂質をバイオマスから分離するための装置であって、粒子径縮減部材と、脂質を含有するバイオマスを粒子径縮減部材へフィードして粒子径縮減部材からの流出物が生成される流入導管であって、流出物中において、バイオマスが破砕(fracture)され、脂質がバイオマスから放出されている流入導管と、流出物中の脂質から破砕されたバイオマスを分離するための分離器と、粒子径縮減部材からの流出物を分離器へ移送するための導管部材と、分離された脂質のための、分離器からの脂質出口とを備える装置が発見されている。好ましい実施形態では、装置は、脂質のための溶媒を粒子径縮減部材へフィードするための溶媒導管であって、溶媒と脂質とを緊密に接触させてバイオマスからの脂質の分離を促進する溶媒導管を含む。
【００４７】
本発明の装置についての一実施形態に従い、装置は、破砕されたバイオマスのための、分離器からのバイオマス流出口を含む。装置は、破砕されたバイオマスのための嫌気性消化槽であって、破砕されたバイオマスを、肥料およびメタンへ転換する嫌気性消化槽を含むことが好ましい。
【００４８】
本発明の装置についての別の実施形態に従い、バイオマスは、藻類を含む。別の実施形態では、バイオマスは、好気性中温性微生物を含む。
【００４９】
本発明の方法についての別の態様に従い、方法は、脂質を含有するバイオマスを粒子径縮減部材へフィードする段階であって、これにより、流出物が生成され、流出物中において、バイオマスが破砕され、脂質がバイオマスから放出されているフィード段階と、流出物中の脂質から破砕されたバイオマスを分離する段階とを含む、脂質をバイオマスから分離するステップを含む。好ましい実施形態では、方法は、脂質のための溶媒を、粒子径縮減部材へと添加するステップを含む。
【００５０】
本発明の方法についての別の実施形態に従い、方法は、分離するステップに由来する、分離された脂質を取り出すステップを含む。
【００５１】
本発明の方法についての別の実施形態に従い、方法は、破砕されたバイオマスを、分離器から、破砕されたバイオマスのための好気性消化槽へ移送するステップであって、これにより、破砕されたバイオマスを、肥料およびメタンへ転換する移送ステップを含む。
【００５２】
本発明の方法についての一実施形態に従い、バイオマスは、藻類または好気性中温性微生物を含む。
【００５３】
本発明の別の実施形態に従い、揮発性脂肪酸を含有するフィード流を脂質含有流へ転換するための装置であって、フィード流を脂質含有バイオマスへ転換するための、バイオマスを含有する生物反応槽と、粒子径縮減部材と、脂質含有バイオマスを、粒子径縮減部材へフィードして粒子径縮減部材からの流出物が生成される流入導管であって、流出物中において、バイオマスが破砕され、脂質がバイオマスから放出されている流入導管と、流出物中の脂質から破砕されたバイオマスを分離するための分離器と、粒子径縮減部材からの流出物を分離器へ移送するための導管部材と、分離された脂質のための、分離器からの脂質出口とを備える装置が提供される。好ましい実施形態では、バイオマスが、好気性中温性微生物を含む。
【００５４】
本発明の装置についての別の実施形態に従い、装置は、脂質含有流をバイオマスから分離するための分離器を含む。分離器は、膜分離器を含むことが好ましい。別の実施形態では、装置は、バイオマスを分離器から受け取り、バイオマスを再生して生物反応槽へと戻すためのバイオマス再生器を含む。
【００５５】
本発明に従い、揮発性脂肪酸を含有するフィード流を脂質含有流へ転換する方法であって、フィード流を脂質含有バイオマスへ転換するための、バイオマスを含有する生物反応槽へフィード流をフィードするステップと、脂質含有バイオマスを、粒子径縮減部材へフィードするステップであって、これにより流出物が生成され、流出物中において、バイオマスが破砕され、脂質がバイオマスから放出されているフィードステップと、流出物中の脂質から破砕されたバイオマスを分離するステップとを含む方法もまた提供される。好ましい実施形態では、バイオマスが、好気性中温性微生物を含む。
【００５６】
しかし、別の実施形態では、方法が、脂質含有バイオマスをバイオマスから分離するステップを含む。方法は、膜分離器内で、脂質含有バイオマスをバイオマスから分離するステップを含むことが好ましい。別の実施形態では、方法が、分離器から取り出されたバイオマスを再生するステップと、バイオマスを生物反応槽へと戻すステップとを含む。
【００５７】
本発明に従い、有機廃棄物流を処理するための装置であって、有機廃棄物流を、メタンを生成させることなく揮発性脂肪酸含有流へ転換する酸性相の嫌気性消化槽と、フィード流を脂質含有バイオマスへ転換するための、バイオマスを含有する生物反応槽と、粒子径縮減部材と、脂質含有バイオマスを、粒子径縮減部材へフィードして粒子径縮減部材からの流出物を生成する流入導管であって、流出物中において、バイオマスが破砕され、脂質がバイオマスから放出されている流入導管と、流出物中の脂質から破砕されたバイオマスを分離するための分離器と、粒子径縮減部材からの流出物を分離器へ移送するための導管部材と、分離された脂質のための、分離器からの脂質出口とを備える装置もまた提供される。装置は、揮発性脂肪酸含有流をバイオマスから分離するための分離器を含むことが好ましい。
【００５８】
本発明の装置についての別の実施形態に従い、粒子径縮減部材は、第１の粒子径縮減部材を含み、装置は、酸性相の嫌気性消化槽の前にフィード流をコンディショニングするための第２の粒子径縮減部材を包含する。
【００５９】
本発明の装置についての別の態様に従い、装置は、アンモニアおよびリンを揮発性脂肪酸含有流から分離して揮発性脂肪酸を含有するフィード流を生成するための栄養物パージ部材を含む。
【００６０】
本発明に従い、有機廃棄物流を処理する方法であって、有機廃棄物流を、メタンを生成させることなく揮発性脂肪酸含有流へ転換するための酸性相の嫌気性消化槽へフィードするステップと、揮発性脂肪酸含有流を脂質含有バイオマスへ転換するための、バイオマスを含有する生物反応槽へ揮発性脂肪酸含有流をフィードするステップと、脂質含有バイオマスを、粒子径縮減部材へフィードするステップであって、これにより流出物を生成し、流出物中において、バイオマスが破砕され、脂質がバイオマスから放出されているフィードステップと、流出物中の脂質から破砕されたバイオマスを分離するステップとを含む方法もまた提供される。方法は、揮発性脂肪酸含有流をバイオマスから分離するステップを含むことが好ましい。
【００６１】
本発明の方法についての一実施形態に従い、方法は、酸性相の嫌気性消化槽の前に、粒子径縮減部材によりフィード流をコンディショニングするステップを含む。本発明の方法についての別の実施形態に従い、方法は、栄養物パージ部材によりアンモニアおよびリンを揮発性脂肪酸含有流から分離するステップと、揮発性脂肪酸を含有するフィード流を生成するステップとを含む。
【００６２】
本発明の他の目的および利点は、図面に言及する以下の詳細な説明を分析することから明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】米国特許第４，９１５，８４０号で示される通り、汚泥の縮減を増強するために、オートサーマル好気性消化帯域のための加水分解補助を組み込む、活性化汚泥プロセスについてのブロック流れ図である。
【図２】米国特許第５，１４１，６４６号に従い、ＡＴＡＤ反応槽からのバイオマスの一部を、加水分解容器内で加水分解し、次いで、加水分解された流出物を、ＡＴＡＤ反応槽の流入口へと戻す活性化汚泥プロセスについてのブロック流れ図である。
【図３】米国特許第５，４９２，６２４号に従い、酸化を用いる廃棄物処理プロセスについてのブロック流れ図である。
【図４】本発明に従う、有機副産物および／または廃棄物の転換プロセスについてのブロック流れ図である。
【図５】本発明に従う、さらに別の廃棄物処理プロセスについてのブロック流れ図である。
【図６】本発明に従う廃棄物処理プロセスの、さらに別の実施形態についてのブロック流れ図である。
【図７】本発明に従う、別の廃棄物処理プロセスについてのブロック流れ図である。
【図８】本発明に従う、さらに別の廃棄物処理プロセスについてのブロック流れ図である。
【図９】本発明に従う廃棄物処理プロセスの、さらに別の実施形態についてのブロック流れ図である。
【図１０】本発明に従う、別の廃棄物処理プロセスについてのブロック流れ図である。
【図１１】本発明に従い、脂質を、バイオマスから分離する方法についてのブロック流れ図である。
【図１２】脂質を、バイオマスから分離するステップを含む、本発明に従う、別の廃棄物流プロセスについての２部からなるブロック流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
同じ参照番号が同じ部分を指す図面に言及すると、図４は、一般的な生物ベースの系、すなわち、嫌気性バイオマス、好熱性好気性バイオマス、または中温性バイオマスを用いて、有機廃棄物を、エネルギーおよび／または使用可能な生成物へ転換しうる系を示す。固体含量が大きい、好ましくは約６％以上の固体を含む有機廃棄物はまず、ライン１を介して、粒子径縮減デバイス３８へ移送される。固体含量が約２％以下であるか、またはその生物分解性が粒子径縮減（ＰＳＲ）ステップにより著明には増強されない有機廃棄物は、ライン２を介して、生物反応槽４０へと直接移送される。生物反応槽において発生する過剰なバイオマスおよび／または転換されていない粒子状有機物もまた、ライン４を介して、ＰＳＲデバイス３８へと導入される。
【００６５】
ＰＳＲデバイスの適正な機能および作動は、本発明と共に用いるのに重要な要素である。ＰＳＲデバイス３８の一つの重要な目的は、ライン１を介して反応槽に流入する標的フィード流、ならびに加工される特定のフィードストックおよび転換バルクの一因となる特定のバイオマスための、ライン４を介してＰＳＲデバイス３８に流入する戻りの有機物流の生物分解性を最適な形で増強することである。生物分解性の最適な増強とは、フィードストックまたは戻りのバイオマスまたは転換されていない粒子状有機物の可溶性を増大させるために、極限的な加水分解または熱処理（ＺｉｍｐｒｏプロセスまたはＰｏｒｔｅｕｓプロセス）など、技術的に非特異的な手法を用いることを意味するものではない。これらの手法は、フィードストックの生物分解性を高めるが、多大なエネルギー、かつ、化学物質の大量消費によるものである。さらに、これらの手法は、標的バイオマスに関する限り、反応速度的に最適となる可能性が低く、標的フィードストックの過剰処理を結果としてもたらす可能性が極めて高い一方で、また、バイオマスが、処理された標的フィードストックを代謝する、固有の生物反応速度的能力を利用することもできない。同様に、前述の’６２４号特許は、酸化ステップを用いるが、これも、前述の方法に対する改善を表すものの、やはり不足である。’６２４号特許が用いる酸化ステップは、’６２４号特許により、正当でかつ測定された使用が主張されているが、標的バイオマスに対して反応速度論的に正確であり得ない点で、加水分解法および熱処理法の欠点のうちの一部を示している。加えて、’６２４号特許において主張されている酸化法は、フィードストックの一部を酸化するが、これにより、フィードストック全体の酸化状態は低下することから、フィードストックはそれほど所望の燃料供給源ではなくなる。プロセス全体の主要目的が、エネルギーを発生させることである場合、燃料の一部を不必要に酸化し、これにより、このプロセス全体から、エネルギー出力を最大化する能力をあらかじめ奪う。したがって、生物学的ステップと呼応させた酸化ステップは、その主要目的が有機固体の破壊である場合の適用には適切かつ効率的であるが、プロセスの主要目的がエネルギーおよび使用可能な生成物の創出である場合には不足である。
【００６６】
そこで、第１の難題は、それが前述の方法の欠点なしに生物反応速度的に最適かつ関与的であるように、ＰＳＲ法を用い、組み込むにはどのようにしたらよいかである。答えは、粒子径縮減についての微妙な点と共に、フィードストックの生物分解性を最適な形で増強するための生化学的要件を認識し、組み込むことである。これらの２つの技法をこのように組み込むことにより、本発明の重要性の基盤が形成される。粒子状有機物の生物分解は、微生物により分泌される細胞外酵素を用いて、細胞膜を超えて輸送される標的の粒子状有機化合物を調製し、戦略的に断片化することを必要とする。次いで、生じた化学部分は、細胞エネルギー生成異化経路、および生合成経路または同化経路のための細胞内の生化学的機構へ移送される。認識することが必要である生化学的な重要点は、酵素特異性についての重要点である。それが本発明に関する限り、生物反応槽において用いられる特定のバイオマスの所与のフィードストック、ｐＨ、温度、および他の環境条件に対する細胞外酵素の特異性がとりわけ重要であり、反論の余地のない技法上の現実である。したがって、標的フィードストックおよび／または過剰なバイオマスの生物分解性を増大させるためのＰＳＲデバイスの使用など、完全なプロセスステップの最終目標は、結果として生成する粒子状有機断片が、標的バイオマス系における特定の細胞外酵素の基質として用いるのに最適な形で構成されることを確保することである。粒子が大きすぎると、プロセス全体の反応速度が損なわれる。粒子が小さすぎると、系に固有の生物学的能力の使用が不十分となり、一部のエネルギー、化学物質、またはこれらの両方が浪費される可能性が高い。
【００６７】
ＰＳＲデバイスと、標的フィードストックに関する場合のバイオマスの生物反応速度的能力との間のプロセス対称性を達成することが不可欠である。植物物質、セルロース誘導体、廃棄バイオマス、都市汚泥など、有機副産物の大半は、天然（人工と対比される）の有機化合物からなる有機粒子からなる。ＰＳＲデバイスは、これらの物質を、約１，０００ナノメートル（約５００，０００の分子量に相当する）〜約５０ナノメートル（約２０，０００の分子量に相当する）未満のうちのいずれかの粒子サイズへと縮減することが可能である。環境条件の観点から考慮される可溶性についての作業定義は、所与の物質について約４５０ナノメートルであることに注目されたい。しかし、可溶性は、生物分解速度を増強することに関するので、これだけではＰＳＲの性能を決定する基準とならない。ＰＳＲの性能要件を最適化するための最終基準は、粒子径自体ではなく、特定のフィードストックおよび標的バイオマスに適する粒子径（および／またはフィードストック粘度）はどのくらいであるのかということである。したがって、一連のＰＳＲ処理されたフィードストック流出物（各ＰＳＲ流出物は、平均粒子径が漸進的に小さくなる）を生成し、かつ、平均粒子径および／またはフィードストック粘度が、標的バイオマス成長速度に及ぼす影響を決定するために、生物反応速度試験を（呼吸計測法またはシェーキングフラスコ法（実行可能な場合）を用いて）実施することにより、必要とされる粒子径を決定する。構造化されたプロトコールは、平均粒子径および／またはフィードストック粘度とバイオマス成長速度との比較をもたらす。平均粒子径が縮減され、フィードストック粘度が低減されると、バイオマス成長速度の実質的増大をもたらすことができないので、バイオマス成長速度が「平坦化」したときの最大平均粒子径を、標的のＰＳＲ性能基準として選択する。よって、ＰＳＲデバイスの内部構成を、標的のフィードストックおよびバイオマスに必要な平均粒子径流出物を生成するように調整する。
【００６８】
このようにして、粒子径縮減プロセス自体との関係で不要なエネルギーを浪費することなしに最適な生物分解速度をもたらすため、完全にカスタマイズされ最適化されたプロセスを考案することができる。したがって、最適化自体は、粒子径および／またはフィードストック粘度だけで決定されるものではなく、生物分解反応速度の増大によっても決定される。このような速度は、処理されたフィードストックにおける微生物増殖速度を測定するために呼吸計測法を用いることにより測定することができる（その開示が引用により本明細書の一部をなす、Ｒｏｚｉｃｈら、「Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｃｔｉｖａｔｅｄ  Ｓｌｕｄｇｅ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｒｅｓｐｉｒｏｍｅｔｒｙ」、Ｌｅｗｉｓ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、Ｂｏｃａ  Ｒａｔｏｎ、ＦＬ（１９９２）を参照されたい）。したがって、小粒子径フィードストックを作製するのに必要とされるエネルギーより、大粒子径フィードストックを作製するのに必要とされるエネルギーの方が小さいので、可能な最大粒子径および／または高フィードストック粘度のときの最大増殖速度が最適となる傾向にある。
【００６９】
しかし、生物分解性の増強に加えて、本発明の粒子径縮減ステップを用いるとまた、本発明の有機廃棄物流など、高度に濃縮されたフィードストックの粘度も低減され、これらの物質を、高濃度で本発明の生物反応槽へフィードすることが実行可能となることにもまた注目されたい。粘度の低い物質は、混合などのために必要とされるエネルギーが小さいので、したがって、生物学的物質を、これらの反応槽に、高固体含量でフィードすることが可能であり、多くの場合、汚泥粘度の劇的な低減に基づき、固体含量を倍増させ、プロセスの効率を高めることが可能である。
【００７０】
粒子径縮減プロセス自体は、ポリマーなどの高分子に作用する場合、これらの分子を、生物分解するのがはるかに容易な小型のポリマー断片およびモノマーへと縮減することが可能である。また、生物反応槽に続いて酸化ステップが用いられる、米国特許第５，４９２，６２４号（「’６２４号特許」）など、先行技術によるデバイスでは、’６２４号特許における酸化ステップを粒子径縮減ステップで置換するだけでは、本発明の予期されない形で優れた結果を達成することはないであろう。すなわち、まず本発明では、有機廃棄物流が生物反応槽へと流入する前に、粒子径縮減が生じることが重要である。そうでなければ、粘度の低減も、本発明のいずれの利点も達成されないであろう。
【００７１】
粒子径縮減を達成する方法は数多く存在する。粒子径縮減装置は、圧縮、衝撃、またはこれらの両方に依拠する。粒子対粒子の衝突もまた、効率的な粒子径縮減の実現には不可欠であることに注目されたい。圧縮は、例えば、可動式ジョー、ローラー、または旋回コーンにより適用される。最大排出径は、クリアランスにより設定され、これは調整可能である。衝撃ベースの装置は、一般に、ハンマーまたは多様な媒体を用いる。大半の粒子径縮減は、上記で列挙した手法を用いる、水平型のフロースルースキームに依拠する。しかし、均一な媒体またはビーズを用いる垂直型または水平型のフロースルーデバイスの使用である別の手法も存在する。垂直型のフロースルーＰＳＲ法が、本発明との関連で用いるには好ましい実施形態である。この種のデバイスで用いられる媒体は、密度が異なる可能性があり、最大直径１．０ミリメートル〜最小直径０．０３ミリメートルのサイズで変化しうる、球体の物質である。本発明の最適化において重要な要素は、生物学的フィードストック転換を達成するときの最適なシステム全体の性能を確保するために、処理されたフィードストックが、標的バイオマスに生物反応速度的に「較正」されるように確保しようと試みることである。したがって、本発明におけるＰＳＲステップに好ましい実施形態は、生物分解特徴が改善され優れている、安定的で改変されたフィードストックを生成するための、温度、ｐＨなどのパラメータと共に操作しうる、媒体を伴う垂直型または水平型のミルである。それらが好ましい実施形態による性能と同じ性能をもたらすことが可能である限りにおいて、同様の選択可能な工学的制御レジメンを示す他のＰＳＲ実施形態も許容可能である。
【００７２】
ＰＳＲデバイスにおける処理後、生物反応速度的に最適化されたフィードストックは、ライン３により、生物反応槽４０へ移送される。生物反応槽４０はまた、固体濃度が低い（＜２％）か、またはＰＳＲ処理を必要としない固体を含有する、ライン２を介する廃棄物流またはフィードストック流によってもフィードされうる。ライン２における廃棄物流中に含有される固体をＰＳＲ処理する必要についての最終的な決定は、生物反応速度ベースでなされる。生物反応槽４０はまた、ライン５を介する、再循環バイオマスおよび部分的に転換されていないフィードストックの播種用接種物によってもフィードされる。このようにしてシステム内にバイオマスを保持することにより、システム全体の性能が増強され、微生物の多様性が最大化され、頑健な微生物効能がもたらされる。生物学的系が、好熱性好気性系または中温性好気性系である場合は、好気性代謝のために、ライン５８を介して、生物反応槽４０に酸素含有ガスをフィードすることが必要である。
【００７３】
生物学的系はまた、ガスも生成させ、これは、ライン６を介して、生物反応槽４０から放出されることが示されている。生物学的系が、好熱性好気性系または中温性好気性系である場合、ガスは主に二酸化炭素である。生物学的系が嫌気性系である場合、ライン６におけるガスは、微量の硫化水素を伴う、二酸化炭素、メタン、および水素の混合物である。
【００７４】
バイオマス、転換されていないフィードストック、および水の混合物は、生物反応槽４０から、ライン７を介して、固体分離デバイス４２へ移送される。好ましい実施形態では、固体の分離が、限外濾過膜により実施される。固体分離デバイス４２により受け入れを拒否された粒子状物質は、ライン８を介して、生物反応槽４０から移送され、ライン５を介して生物反応槽４０へと戻されるか、またはライン４を介してＰＳＲデバイスへと戻される。清浄化された流出物は、ライン９により固体分離デバイスから流出し、次いで、逆浸透膜分離器４４へフィードされる。
【００７５】
逆浸透デバイス４４により受け入れを拒否された溶解固体が、ライン１２を介して移送されるのに対し、精製水は、ライン１０を介して移送される。逆浸透デバイス４４は、小孔径を約０．０００６ミクロンとする膜を用いて、水を溶解固体から分離する。窒素化合物、リン、および一部の有機物質を含有する、商業的に好都合な「グリーン」の液体栄養物／肥料生成物を生成させるには、ライン１２における、受け入れを拒否された溶解固体のさらなる濃縮が必要とされる。ライン１２における、受け入れを拒否された溶解固体を、増強真空蒸発デバイス４６へフィードして、栄養物／肥料流をさらに濃縮し、さらなるクリア水を創出し、これを、ライン１４における真空により、増強真空蒸発デバイスから取り出す。増強真空蒸発デバイス４６における栄養物／肥料流の蒸発による濃縮を促進するために、ライン１３を介して、適用可能な熱供給源から、増強真空蒸発デバイス４６へと熱を適用する。好熱性好気性生物反応槽を用いる場合は、ライン１３を用いて、増強真空蒸発デバイス４６へと熱を供給する必要がある場合もない場合もあり、限定的な必要である場合もある。したがって、好熱性好気性反応槽が自己加熱型であり、増強真空蒸発デバイス４６の熱プロセス要件を満たすのに十分な熱が、ライン９からの清浄化された流出物により供給される可能性が高い。これに対し、嫌気性反応槽を用いる場合、ライン１３を介して増強真空蒸発デバイス４６へと注入される熱は、一実施形態では、ライン６から、熱を発生させるためのエンジンまたは類似のデバイスへ移送されうるメタンを燃焼させることにより、発生させることができる。したがって、このステップからの過剰な熱は一般に、増強真空蒸発デバイスのプロセス要件に十分な熱を供給するであろう。最後に、生物反応槽４６が、中温性系である場合、この中では熱も可燃ガスも発生せず、増強真空蒸発デバイス４６のプロセス要件を満たすために、ライン１３で必要な熱は、系外の熱供給源から得なくてはならない。
【００７６】
増強真空蒸発デバイス４６により受け入れを拒否された物質は、ライン１５を介して移送される。フィードストック成分が「グリーン」であり、有害な有機化合物を伴わない場合、ライン１５における生成物は、市販用に適しうる。これに対し、このフィードストックが、生物学的ステップで破壊されず、ライン１５で濃縮される有機成分を含有する場合、このフィードストックは、有害な有機物を除去するために、ライン１５を介して、有機物分配デバイス４８における有機物破壊ステップへと達するライン１６へ移送することができる。次いで、このようにして生成された脱汚染化栄養物／肥料流は、ライン１７を介して移送され、市販用に適するものとなろう。
【００７７】
次に、図５、６、および７に言及すると、図４に関して本明細書の上記で説明した実施形態と類似するが、生物反応槽４０のための異なるバイオマス系の組込みを具体的に示す、本発明の他の実施形態が示されている。
【００７８】
図５は、生物学的ステップに嫌気性反応槽４０’を用いる、本発明の実施形態である。したがって、この場合のライン６におけるガスは、メタン、二酸化炭素、水素、および微量の硫化水素を含有するであろう。この実施形態において、ライン１８を介して、増強真空蒸発デバイス４５へと熱を供給するための熱供給源は、ライン６に含有される可燃性ガスを燃焼させることにより発生させることができる。この実施形態の他の全ての要素は、図４に示される要素と本質的に同じである。
【００７９】
図６は、生物学的ステップに嫌気性反応槽４０”を用いる、本発明の実施形態である。この場合のライン６におけるガスは、主に、二酸化炭素を含有するであろう。好熱性好気性反応槽は、自己加熱型であるので、この実施形態において、ライン１８を介して、増強真空蒸発デバイスへと熱を供給するための熱供給源は、好熱性好気性反応槽４０’により十分な温度まで上がっているライン６に含有されている。この実施形態の他の全ての要素は、図４に示される要素と本質的に同じである。
【００８０】
図７は、生物学的ステップに嫌気性反応槽４０”を用いる、本発明の実施形態である。この場合のライン６におけるガスは、主に、二酸化炭素、酸素、および窒素を含有するであろう。ライン１９には可燃性ガスが存在せず、この種の生物反応槽は、増強真空蒸発ステップを容易にするのに十分な熱を創出しないので、この実施形態において、ライン１８を介して、増強真空蒸発デバイス４６へと熱を供給するための熱供給源は、系外の供給源から供給される。この実施形態の他の全ての要素は、図４に示される要素と本質的に同じである。
【００８１】
図８に移ると、この図では、このプロセスの上記で言及した変化形の各々に組み込まれる本発明の実施形態が示されている。したがって、図８の実施形態では、一対の粒子径縮減ステップが、直列で用いられている。このようにすることの目的は、一対のＰＳＲ装置を直列で用いて、粒子径を順に縮減することにより、より小型でより生物分解性の粒子を創出することである。第１のデバイスである粒子径縮減反応器３８Ａが、大まかな粒子径縮減を達成するのに対し、第２のデバイスである粒子径縮減反応器３８Ｂは、流出ライン６０を介して、粒子径縮減装置３８Ａからの流出物を受け取り、流出ライン６２を介して流出する、標的の最適粒子径範囲を実現することが可能である。したがって、この実施形態により、装置サイズおよび作動電力使用の両方を最適化することが可能となる。このプロセスステップは、例えば、図４に示される装置へと組み込むことができ、過剰なバイオマスを、ライン４を介して、第１の粒子径縮減反応器３８Ａへと再循環させる。図９に示される代替的な実施形態では、粒子径縮減ステップの後で、化学的加水分解ステップを行う。この装置の目的は、まず、粒子径縮減装置を用いて粒子径を縮減し、次いで、加工されるフィードストックの性質および系全体で用いられるバイオマスの種類に応じて酸性加水分解または塩基性加水分解を用いる化学的加水分解を用いることにより、小型でより生物分解性の高い粒子を創出することである。したがって、ライン１を介する、約６％を超える高固体流を受け取る、反応槽３８Ｃにおける粒子径縮減デバイスは、より高価な化学的加水分解ステップのための「前処理」として作用する。加えて、酸性または塩基性の化学物質を用いて、生物反応槽自体のｐＨを調整することが必要となることが多い。この場合、生物反応槽におけるｐＨは、図９に示される反応槽６６における加水分解ステップにこれらの化学物質を添加することにより、少なくとも部分的に制御することができる。これは、化学物質自体が、フィードストックの加水分解および生物反応槽のｐＨ制御を共時的に促進することを可能とすることにより、化学物質の効率的な二重の役割を促進する。これは、装置サイズおよび作動用電力使用の最適化のほか、これによる効率的な化学物質の使用の実施も可能とする。ここでもまた、このステップは、本明細書の図４に示されるシステム全体などのシステム全体へと組み込むことができる。
【００８２】
図１０は、同様のシステムを示すが、この場合は、反応槽６６における化学的加水分解ステップと共に、反応槽３８Ｄおよび３８Ｅにおいて、２つの個別の粒子径縮減ステップが用いられる。したがって、これは本質的に、図８および９に示されるシステムのハイブリッドシステムであり、図４に示されるプロセス全体などのプロセス全体へと同様に組み込むことができる。
【００８３】
図１１に移ると、本発明のこの実施形態では、藻類系を含めた多様なバイオマス系を用いて形成されうる油および／または脂質物質の回収を増強するために、粒子径縮減を用いる。したがって、かつて、藻類は、化石燃料代替物のための天然沈着物の高価値の供給源でありうることが知られていた。この点で、藻類は、潜在的に高脂質含量を有することが知られている。しかし、藻類から脂質を回収しようとする努力は、生成物の分解および他の思わしくない結果を含め、重大な困難に遭遇してきた。具体的に図１１に言及すると、藻類などの脂質を含有する濃縮バイオマス流１ａ、またはこのような脂質を含有する他のいくつかのバイオマス系を混合することにより、今や優れた結果を達成することができる。次いで、濃縮バイオマス流１ａを、流れ１ｂからの溶媒と混合する。この溶媒は、脂質が水中にある場合よりはるかに大きな可溶性を示す溶媒であるものとする。したがって、これらの溶媒は、脂質を抽出する一助となるであろう。したがって、これらの溶媒には、例えば、イソプロパノール、ヘキサン、エタノール−エーテル（３：１）混合物などが含まれる。しかし、任意の具体的な場合に選択される具体的な溶媒は、関与するバイオマスの正確な性質、溶媒の費用、選択される溶媒の全体的な有効性などに依存する。この決定はまた、異なるこのような溶媒による実際の脂質回収試験によってもなされうる。次いで、これらの流れ１ａおよび１ｂを、粒子径縮減部材３８ｆへフィードする。この脂質抽出プロセスにこのように用いられる粒子径縮減部材の性質についての作動的なパラメータには、粒子径縮減部材にフィードされるバイオマスの濃度、上記で論じたような媒体またはビーズを用いるＰＳＲ装置との関連で用いられる媒体のサイズ、接触時間および作動温度が含まれるであろう。ＰＳＲへフィードされる最小固体濃度は、約１０％の固体、および、可能な場合は、約２０％を超えることが好ましい。回収された脂質の破壊を回避するため、接触時間は約１時間以下であるものとし、作動温度は約６０°Ｆと８０°Ｆとの間であるものとする。媒体を用いるＰＳＲ装置の場合、媒体のサイズは、０．３ｍｍと１．５ｍｍとの間であるものとし、可能な最大の媒体サイズの使用を強調しながら、ケースバイケースベースで最適化するものとする。粒子径縮減部材における接触の結果、細胞の破砕が生じ、これにより、特に、既に損傷した脂質と比較して非損傷状態にある脂質が遊離する。また、粒子径縮減部材内では極めて高度な混合が生じるので、溶媒と脂質との緊密な接触もまたこの中で得られる。こうして、粒子径縮減部材からの流出物は、ライン６０ｃを介してこのデバイスから流出し、次いで、脂質を回収するための固体分離器へ移送される。分離器は、回収された脂質物質を、脂質以外のバイオマス自体から分離するための遠心分離デバイス、スクリュープレスデバイス、回転式濃縮デバイス、または類似のデバイスでありうる。こうして、脂質物質は、分離器４２ｃから移送される。脂質物質は、ライン９ｂを介して分離器４２ｃから流出し、バイオマスは、ライン９ｃを介して分離器４２ｃから流出する。次いで、ライン９ｂで得られる脂質物質は、バイオディーゼルまたは他の再生可能物��への転換など、さらなる加工のために移送される場合もある。例えば、脂質は、トランスエステル化反応において、アルコールと反応させることができる。バイオディーゼルは、本質的に、長鎖脂肪酸のモノアルキルエステルの混合物である。当業者は、これらの脂質の他のこのような使用の性質について理解するであろう。これに対し、脂質以外の物質またはバイオマスは、メタンへの転換および肥料の回収のために嫌気性消化槽へ移送される場合がある。この嫌気性消化槽は、上記で論じた嫌気性消化槽と同じでありうる。
【００８４】
次に、図１２に移ると、本発明のこの実施形態では、固体含量が高い、好ましくは約６％を超える有機廃棄物流を用いて、脂質および／または油を生成する。現在のところ、多様な油脂性微生物または高レベルの脂質および油を合成および貯蔵する能力を有する微生物を用いることが知られている。しかし、本発明に従い、脂質は、今や、そのための微生物を用いることにより、多種多様な有機フィードストックから生成させることができる。こうして、フィード流１ｂをまず、粒子径縮減デバイス３８ｇにおいて処理またはコンディショニングする。このステップの目的は、フィードストックを、より操作しやすくするほか、より容易な生物分解性とすることである。したがって、このステップは、フィードストックおよび揮発性脂肪酸の生物分解プロセスおよび転換を加速化させる。次いで、コンディショニングされたフィード流を含めた、ＰＳＲデバイスからの流出物を、ライン３ａを介して、酸性相の嫌気性反応槽４０ａへフィードする。嫌気性消化は、４つの段階、すなわち、加水分解、酸生成、酢酸生成、およびメタン生成を包含する。反応を、単量体が揮発性脂肪酸へ転換される酢酸生成段階で停止させるため、メタン形成微生物が抑制され、反応槽において繁殖できないように、反応槽のｐＨを、十分に低いｐＨ４〜約ｐＨ５．５の範囲内に維持することにより、嫌気性反応槽４０ａを酸性相で作動させる。いずれにせよ、この反応槽では揮発性脂肪酸が生成し、これらは、脂質生成のための供給源として用いることができる。この点で、反応槽４０ａからの流出物は、ライン７ａを介して固体分離器４２ａへ移送される。これは、反応槽４０ａからのバイオマスを、反応槽４０ａからの揮発性脂肪酸含有流出物から分離するための固体分離デバイスである。分離器４２ａは、膜分離器であることが好ましい。このような膜分離器は知られており、流体力学的圧力を用いて、液体を、半透膜を介して押し出す。本明細書で説明される技法を伴う適用のための膜小孔径は、約０．０２〜０．１０ミクロンの範囲である。膜を通過しないバイオマスを含めた粒子状物質が反応槽へと戻されるのに対し、可溶性成分、すなわち、揮発性脂肪酸は、膜を通過する。このような固体分離を実施することにより、揮発性脂肪酸を高度に含有する流出物が、ライン９ａを介して取り出される。分離デバイス４２ａからのバイオマスは、ライン８ａを介して除去され、消化槽４０ａまたは粒子径縮減デバイス３８ｇへと再循環する。したがって、分離デバイス４２ａからのバイオマスは、ライン５ａを介して消化槽へと再循環し、そこで、バイオマスに添加され、かつ／またはこのバイオマスの一部は、ライン４ａを介して、粒子径縮減デバイス３８ｇへ再循環し、さらに加工される。次いで、揮発性脂肪酸を含有する分離器流出物を、ライン９ａから、栄養物パージデバイス４４ａへと方向付ける。栄養物パージデバイスの目的は、アンモニアおよびリンを、この揮発性脂肪酸含有流から取り出すことである。これは、アンモニア、リン酸、およびマグネシウムからなる等モル化合物である、スツルバイト(struvite)として知られる化合物を作製することにより達成することができる。マグネシウム含有化合物を反応槽へと添加すると��スツルバイトが形成される。次いで、アンモニアおよびリンを含有するスツルバイトをこの流れから物理的に取り出し、回収することができる。
【００８５】
回収されたアンモニアおよびリンは、ライン１５ａにより取り出される。回収されたマグネシウム含有化合物など、栄養物パージステップで必要とされる化学物質は、ライン１０ａを介して添加される。したがって、この栄養物パージ反応槽４４ａの生成物は、ライン１６ａを介して取り出され、今や、アンモニアおよびリンが低量である、揮発性脂肪酸含有流出物を含む。こうして今や、脂質を作製するために、かつ、そこにおける微生物を損傷する危険性を伴わずに、栄養物パージ反応槽４４ａの生成物を、別の微生物反応槽へ移送することができる。
【００８６】
こうして、ライン１６ａからのこの流出物を、好気性中温性微生物を用いることが好ましく、通常、多様な産業的適用で用いられる、生物反応槽４０ｂへフィードする。反応槽には微生物を播種することができ、頑健な生物学的反応を発生させることができる。生物反応槽４０ｂでは二酸化炭素が生成する場合があるが、そこにおけるライン６ｂを介して除去される。次いで、生物反応槽４０ｂでは、揮発性脂肪酸含有流を、微生物と接触させることにより、脂質貯蔵生成物へ転換することができる。フィード流１６ａは、窒素およびリンを欠いているため、この反応槽における微生物は、ＤＮＡおよび酵素を生成させることが不可能であり、したがって、増殖することも不可能であろう。微生物は、揮発性脂肪酸を、脂質などの貯蔵生成物へと代謝するであろう。生物反応槽４０ｂでは混合を実施し、そこに酸素含有ガスを添加することができる。次いで、脂質含有微生物を含有する、生物反応槽４０ｂからの流出物を、ライン７ｂを介して、ここでも膜分離器であることが好ましい固体分離器４２ｂへ移送する。次いで、固体分離器４２ｂからのバイオマスの一部は、その中で流出物から分離することができ、ライン８ｂを介して、バイオマス再生反応槽へと再循環させることができる。この反応槽では、バイオマスがＤＮＡおよび酵素を補給することを可能とするため、窒素およびリンを添加する。窒素およびリンを添加すると、細胞は貯蔵生成物を用いて、ＤＮＡおよびタンパク質を作製することが可能である。これにより、より多くの脂質貯蔵を達成するための再生バイオマスがもたらされる。再生後、これらの生物を主反応槽へと再循環させ、これにより有機物を取り出し、脂質貯蔵生成物を生成させる。当然ながら、窒素およびリンは、生物反応槽４０ｂへは移送されない。バイオマス再生反応槽４８ｂは、混合装置を含み、追加量の酸素含有ガスおよび少量の窒素およびリンがそこに添加される。例えば、再生反応槽へと添加される窒素およびリンの量は、ライン１６ａにおける有機物質の質量に比例する。窒素が、約７０：１の質量比（有機物：窒素）で添加されるのに対し、リンは、約２００：１の質量比（有機物：リン）で添加される。こうして、バイオマス再生反応槽４８ｂは、中程度量の微生物自体を再生し、次いで、これらを生物反応槽４０ｂへと再導入させることができる。これらの微生物は、反応槽内に脂質生成物を播種して、進行中の脂質貯蔵の完全性を確保するように作用する。次いで、ライン１０ｂを介して、固体分離デバイス４２から清浄水が放出される一方、脂質含有バイオマスのバルクは、ライン９ｂを介して、粒子径縮減デバイス３８ｈへ移送される。ここでもまた、ライン１ｃを介して、溶媒をバイオマスへと添加することができる。ここでもまた、微生物が破砕され、脂質が放出される、粒子径縮減デバイス３８ｈにおける加工後、この混合物を、流出物ライン６０ｄを介して、本明細書の図１１に示されるデバイスとの関連で論じた、脂質回収デバイス４２ｄへと回収する。こうして、既に言及した通り、脂質物質は脂質以外のバイオマスから分離され、脂質物質は、バイオディーゼルまたは他の再生可能物質への転換など、さらなる加工のためにライン９ｃを介して移送され、脂質以外の物質は、ライン９ｄを介して除去され、例えば、メタンへの転換および肥料回収のための好気性消化へ移送される。
【００８７】
本明細書では、本発明を、具体的な実施形態に言及しながら説明してきたが、これらの実施形態は、本発明の原理および適用について例示するだけのものであることを理解されたい。したがって、例示的な実施形態には多数の改変を施すことが可能であり、付属の特許請求の範囲により規定される本発明の精神および範囲から逸脱しない限りにおいて、他の配置を考案することも可能であることを理解されたい。
【符号の説明】
【００８８】
１  ライン
１ａ  濃縮バイオマス流、流れ
１ｂ  流れ、フィード流
１ｃ  ライン
２  ライン
３  ライン
３ａ  ライン
４  ライン
４ａ  ライン
５  ライン
５ａ  ライン
６  第１の曝気消化帯域、好気性帯域、ライン
６ｂ  ライン
７ａ  ライン
７ｂ  ライン
８  ライン
８ａ  ライン
８ｂ  ライン
９  ライン
９ａ  ライン
９ｂ  ライン
９ｃ  ライン
９ｄ  ライン
１０  ライン
１０ａ  ライン
１０ｂ  ライン
１０ｃ  ライン
１２  第２のクリア装置、ライン
１３  ライン
１４  ライン
１５  ライン
１５ａ  ライン
１６ａ  ライン、フィード流
１７  ライン
１８  ライン
１９  ライン
３１  加水分解容器、容器
３４  オートサーマル好気性消化帯域
３５  ライン
３６  ライン
３８  ライン、粒子径縮減デバイス、ＰＳＲデバイス
３８Ａ  粒子径縮減装置
３８Ｂ  粒子径縮減装置
３８Ｃ  反応槽
３８Ｄ  反応槽
３８Ｅ  反応槽
３８ｆ  粒子径縮減部材
３８ｇ  粒子径縮減デバイス
３８ｈ  粒子径縮減デバイス
３９  ライン
４０  タンク、容器、生物反応槽
４０’  嫌気性反応槽
４０”  嫌気性反応槽
４０ａ  酸性相の嫌気性反応槽、嫌気性反応槽、反応槽、消化槽
４０ｂ  生物反応槽
４２  ライン、固体分離デバイス
４２ａ  固体分離器、分離器、分離デバイス
４２ｂ  固体分離器
４２ｃ  分離器
４２ｄ  脂質回収デバイス
４４  ライン、逆浸透膜分離器、逆浸透デバイス
４４ａ  栄養物パージデバイス、栄養物パージ反応槽
４５  増強真空蒸発デバイス
４６  増強真空蒸発デバイス、生物反応槽
４８  有機物分配デバイス
４８ｂ  バイオマス再生反応槽
５２  ライン
５４  ミキサー、混合チャンバー
５６  ライン
５８  ＡＴＡＤ反応槽
６０  ライン、流出ライン
６０ｃ  ライン
６０ｄ  流出物ライン
６２  加水分解ユニット、加水分解容器
６６  ライン、反応槽
７０  ライン
７２  栄養物取り出しデバイス
７８  ライン
８４  ライン
８６  粉砕機
８８  オートサーマル嫌気性消化（ＡＡＤ）ユニット、ユニット
９０  ライン
９２  ライン
９４  ライン９４
９６  ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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