(57)【要約】  本願発明は、連続方法としてのリグノセルロース原料の前処理方法を指向する。原料スラリーは用意され、それは固形分濃度１０〜３０重量％である。原料スラリーは少なくとも２段階の加熱列を通して揚液され、各段階は段階の圧力を増大させるポンプと原料スラリーを加熱する蒸気直接吹き込みを備える。酸はまた加熱列に先立って、加熱段階でまたは加熱列を出た後に原料スラリーに加えられる：酸は初めの原料基準で０，２重量％〜１２重量％の濃度で添加される。加熱され、酸性化された原料スラリーがこのようにして得られる。加熱され、酸性化された原料スラリーは、セルロース酵素を使用してセルロースをグルコースに転換する効率を増大させる十分な時間を温度１６０℃〜２８０℃で前処理反応器を流通させる。原料が前処理反応器を出た後、連続して低圧の二つまたはそれ以上のフラッシング段階を使用して、フラッシング後のスチーム圧を増大させないで、冷却させる。二つまたはそれ以上のフラッシュ段階のフラッシュ圧またはその近傍のスチームエネルギーは、加熱列における前記原料スラリーの加熱に利用される。【選択図】図1
2008514207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リグノセルロース原料を前処理する連続方法であって、以下からなる前記方法；
（ａ）固形分含量が８重量％〜３０重量％の、揚液可能な原料スラリーを用意する;
（ｂ）二つまたは二つを越える数の加熱段階の加熱列を通して原料スラリーを揚液し、ここで各加熱段階は加熱段階の圧力を増大させるポンプと原料スラリーを加熱させるためのスチーム直接注入を備えるものであり；
（ｃ）加熱列の前で、加熱段階の間にまたは加熱列を出た後に、原料スラリーに酸を加えて、ここで加える酸は初めの原料重量で０．２重量％〜１２重量％の酸濃度となり、加熱され、酸性化された原料スラリーが生成され;
（ｄ）加熱され、酸性化された原料スラリーを温度１６０℃〜２８０℃の温度で、セルロース酵素を利用して原料中のセルロースをグルコースに転化する効率を増大させるに十分な時間、前処理反応器に流通させて;
（ｅ）スラリーが前処理反応器を出た後に、連続的な低圧の二つまたは二つを越える数のフラッシング段階を使用してフラッシング後のスチーム圧を増加させることなくスラリーを冷却し;そして
（ｆ）加熱列における原料スラリーを加熱するために二つまたは二つを越える数のフラッシング段階からのスチームエネルギーの少なくとも一部を使用し、ここで、二つまたは二つを越える数のフラッシング段階からのフラッシュスチームは、当該段階からはフラッシュスチームの少なくとも一部が加熱列に使用されるが、当該フラッシュ段階への入り口スラリー圧の２０％〜９９．５％の圧を有する。
【請求項２】
準備段階（工程ａ）では、原料は農業廃棄物、草類、林業資源、砂糖処理産業残渣およびこれらの組み合わせからなる群から選択される請求項１の方法。
【請求項３】
農業廃棄物は、トーもろこしの茎、大豆の茎、とうもろこしの穂軸、稲の麦わら、稲の籾殻、とうもろこしの繊維、小麦麦わら、大麦麦わら、カノーラ麦わら、カラスムギ麦わら、カラスムギ籾殻、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される請求項２の方法。
【請求項４】
草類が、スイッチグラス、ミスカンタス、コードグラス、ライムギ、クサヨシおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される請求項２の方法。
【請求項５】
林業資源が循環木材パルプ繊維、軟木材、硬木材、大鋸屑およびこれらの組み合わせからなる群から選択される請求項２の方法。
【請求項６】
砂糖処理産業残渣が、バガス、砂糖大根パルプ、またはその組み合わせである請求項２の方法。
【請求項７】
準備段階（工程ａ）において、原料が水性液中にスラリー化される請求項１の方法。
【請求項８】
ポンピング工程（工程ｂ）において加熱列は２乃至８の加熱段階を具備する請求項７の方法。
【請求項９】
冷却工程（工程ｅ）が２乃至８のフラッシング段階を具備する請求項８の方法。
【請求項１０】
スラリーは、続いて、最後のフラッシング段階の後に約３０℃〜約１００℃二冷却される請求項９の方法。
【請求項１１】
添加工程（工程ｃ）で、酸は、硫酸、亜硫酸および二酸化硫黄からなる群から選択される請求項１の方法。
【請求項１２】
添加工程（工程ｃ）で、酸は、加熱列の前で原料スラリーに添加される請求項１の方法。
【請求項１３】
添加工程（工程ｃ）で、酸は、加熱列の後で原料スラリーに添加される請求項１の方法。
【請求項１４】
添加工程（工程ｃ）で、酸は、加熱段階で原料スラリーに添加される請求項１の方法。
【請求項１５】
添加工程（工程ｃ）の後で、かつポンピング工程（工程ｄ）の前で、原料スラリーを、初めの原料の重量に対して約０．５重量％〜約３重量％の酸の存在下に約１７０℃未満の温度で反応させて、ヘミセルロースを加水分解する請求項１の方法。
【請求項１６】
冷却工程（工程ｅ）の後に、スラリーはセルラーゼ酵素による酵素加水分解にかけられる請求項１の方法。
【請求項１７】
ポンピング工程（工程ｂ）では、一つまたは一つを越える数の加熱段階に生蒸気が加えられて、原料スラリーが加熱される請求項１の方法。
【請求項１８】
スチームエネルギーを使用する工程（工程ｆ）では、二つまたはそれ以上のフラッシング段階の少なくとも一つからのフラッシュスチームまたはその一部が見ず、スチームまたはその組み合わせを加熱するために使用され、ここで、加熱された流れの一部分が加熱列に送られて、原料スラリーを加熱する請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
スチーム回収を伴う連続流通式前処理システム
本発明はリグノセルロースを蔗糖に転換する前処理方法に関する。より具体的には本発明は、リグノセルロースを糖類に転換するための、同時にスチームを回収しながら行う連続流通式前処理方法に関する。
【０００２】
発明の背景
燃料エタノールは、現在、コーンスターチ、サトウキビ、砂糖大根などの原料から生産される。しかし、これらの資源からのエタノールの製造は更に進展できず、それはこのような穀物を生産するに適した農地に制限があることと人と動物の食物連鎖の利益が競合するためである。最終的には、化石燃料の使用は転化工程で二酸化炭素と他の生産物の開放を伴い、これら原料の使用にマイナスの影響を有する。
【０００３】
農業廃棄物、草類、および林業廃棄物などのセルロースを含む原料からのエタノール生産の可能性は非常な注目を浴びており、それはこれらの原料が安価にかつ大量に得られ、セルロース廃棄物を焼却したり、埋め立てたりするは好ましくないが、それを避けることができるし、そしてガソリンと比較して燃料としてエタノールはクリーンであるからである。さらに、セルロース転換の副生物であるリグニンは、セルロース転換の動力に対する燃料として使用できるので、それにより化石燃料の使用を避けることができる。研究によると、全体のサイクルを考慮するとセルロースから生産されるエタノールを使用すると温室効果のガスの発生は無視できるほど少ないのである。
【０００４】
エタノール製造に使用されるセルロース原料には（１）農業廃棄物、たとえば、トウモロコシの茎や大豆の茎などの茎、トウモロコシの穂軸、稲の麦わら、籾殻、トウモロコシの繊維、小麦の麦わら、大麦の麦わら、セイヨウアブラナの麦わら、およびオート麦の麦わら；（２）スイッチグラス、ミスカンサス、コードグラス、ライ麦草、クサヨリなどの草類；（３）回収木材パルプ繊維、軟木材、及びおがくずなどの林業資源；および（４）バガスや砂糖大根パルプなどの砂糖処理残渣を含む。
【０００５】
セルロースは分解に非常な抵抗を示す結晶構造を含み、それはヘミセルロースであって、第２に含まれる成分である。セルロース繊維のエタノールへの転化には１）リグニンからのセルロースとヘミセルロースの開放することまたはセルロール原料内部でセルロースやヘミセルロースがセルラーゼ酵素に接触する機会を増やすこと；２）ヘミセルロースやセルロース炭化水素ポリマーを解重合すること；（３）混合ヘキソースとペントースを醗酵させてエタノールを製造することなどが必要である。
【０００６】
セルロースを蔗糖に転化する公知の方法には、所定温度でスチームと酸を使用する酸加水分解であり、セルロースをグルコースに加水分解するに十分な酸濃度と処理時間による（グレスリン、１９７８、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｃｈｅｍ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．２８：２９６−３０８）。グルコース生成物は次いでイースト菌を使用して醗酵されて得られるエタノールは蒸留で回収されて精製される。
【０００７】
セルロース加水分解の代替的な方法は、酸予備加水分解（または前処理）の後に、酵素加水分解をするものである。この方法では、セルロース材料は、初めに上述の、しかしより温和な温度、酸濃度及び処理時間で酸加水分解を使用する前処理をされる。この前処理方法は、次の酵素転化工程のためにセルロース繊維内でセルロースと接触する可能性、機会を向上させるためであると考えられるが、しかし、セルロースがグルコースに転化すること自体は低下する結果となる。次の段階で、前処理された原料は適当な温度とｐＨに調節さえて、セルラーゼ酵素による酵素転化工程にかけられる。
【０００８】
セルロースの加水分解は、酸によるのもセルラーゼ酵素によるのも、いずれも砂糖は醗酵されてエタノールとなり、次いで蒸留で回収される。
【０００９】
酸加水分解または前処理に典型的に使用される温度は、飽和蒸気圧で１．１０ＭＰａ〜４．５９ＭＰａ（１６０psig〜６６５psig）である。硫酸の添加はセルロースとヘミセルロースの反応を改善し、前処理の時間を５−３０分から０．１−５分に短縮することが可能である。これらの条件を達成して維持するには、高度に耐圧で耐酸性のシステムが必要である。アメリカ特許第４，４６１，６４８号明細書はスチーム爆発前処理方法に使用される装置と方法を開示し、それは原料、スチーム、及び硫酸をスチームガンとして知られる反応器に添加するものである。スチームガンでは、スチームを加えて、そして蒸気圧を急速に所定圧まで増圧させて、所定時間その圧に保持し、次いで急速に爆発的に分解させる。添加した硫酸によるスチーム爆発はここ２０年間前処理の標準的な方法であった。均一な前処理済み材料を生産し、多くのヘミセルロースを簡単な糖へ加水分解し、他の前処理方法よりも、次のセルロースの加水分解のセルラーゼ酵素はより少ない量で済むものである。
【００１０】
スチーム爆発と他のバッチ式前処理方法は高度に接触可能なセルロースを利用するものであるが、それらは本来的に処理量が低い。それで多くのスチーム前処理反応器を必要とし、それは費用がかさみ、操作が困難である。さらに、バッチ式方法、特にスチーム爆発方法ではスチームの回収と再使用が困難である。原料を酸性にして加水分解と前処理を行うためにスチームの要求は高い。このスチームの損失はエタノール製造の相当なコスト高を招く。
【００１１】
スチーム爆発方法でセルロースへの接触性の程度を高め、そしてスチームを回収して再使用する連続酸前処理方法の開発が望まれる。ある開発者は前処理反応器から高圧スチームを低圧にフラッシュして低圧スチームを取得することを開示する。かなり、これは低圧への単一水蒸気フラッシングに関する。低圧スチームは次いで前処理に先立つスラリーの予備加熱に要するスチームの一部として供される。不幸にもこのスチームの循環は不十分で前処理に必要なスチームのごく一部に供されるのみである。代わりの方法は、フラッシュされたスチームを圧縮して、これを再使用する方法だが、圧縮のための装置と操作に費用が嵩む。更に連続前処理方法では、原料は揚液されるのが好ましい。しかし、前処理方法の多くの公知の方法は、ポンピングや使用される原料がポンピングに適した固形分及び／または小片径を有する原料の使用をしていない。要求は、連続的前処理方法で、効率が高く、スチームを再使用でき、原料の揚液を行うものである。
【００１２】
アメリカ特許第４，１３６，２０７号明細書（ベンダー）ではスチーム処理して搬送動物用原料を製造する方法を教示する。原料は水分で飽和され、１３．７９ＭＰａ（２０００psi）で圧縮されて空気を除かれて次に行うスチームの浸透を容易にされている。回転する螺旋状のスクリュー羽根により圧縮原料は蒸し釜に搬送される。スチーム発生器で発生させたスチームを蒸し釜に１．３８−２．０７ＭＰａ（２００−３００psi）で供給する。原料は蒸し釜を通過して、その最後に弁があって、揮発性の副生物は副生物回収塔へ抜き出され、そして生成物用の弁からは処理された固形分が出て行く。スチームは副生物回収塔で集められる。しかし原料が低水分含量なのでポンピングすることができない。さらに、蒸し釜でスチーム処理後のベンダーによるスチームの回収は低圧で単一フラッシュに限られ、効率が良くない。回収されたスチームは再使用に先立ち圧縮されるので、それ自身エネルギーを消費してその方法にコストを加重する。この方法は酸の使用に備えるところがなく、酸の使用は、迅速な反応と酵素添加方法でセルロースの接近性を最大とすることに必要である。
【００１３】
アメリカ特許第５，３６６，５５８号明細書（ブリンク）では数段階にわたる連続酸加水分解法を開示する。第１の段階では、酸の不存在下によるスチーム処理である。材料は次いで、機械的に非常な小片に分解されて酸性とされて、酸素に増感される。増感された材料は次いで最後の加水分解のためにスチームで加熱される。材料は向流で洗浄されて、砂糖流とリグニンが生成物となる。多くの工程と高温高圧が必要なので、原料の深刻な劣化の危険が増大する。これは、今度はセルロース転化のレベルとそうしてこの方法の商業的生産の可能性を制限する。スチームの回収の記載はない。
【００１４】
アメリカ特許第５，６２８，８３０号明細書（ブリンク）では、生物資源のスチーム前処理を開示する。リグノセルロース材料は細かく粉砕されて、最初の酸加水分解段階にかけられて、次いで分解器に通される。スラリーは次いで、一つまたはそれ以上のフラッシング段階を経て固形分の粒径が減少される。固形分は次いでセルラーゼで加水分解されて蔗糖は醗酵されてエタノールが得られる。フラッシュスチームの回収の記載はない。
【００１５】
アメリカ特許第４，２３７，２２６７号明細書（グレスレン）では、セルロース材料が水中で約５−１０％固形分のスラリーとする連続的前処理方法が開示される。スラリーは反応温度に加熱されて濃硫酸流が注入される。酸性化スラリーは、次いで生の蒸気を注入されて加熱され、スラリーは迅速に加熱される。反応器出口のオリフィスまたはキャピライーを通ってフラッシングすることにより反応を急冷させる急速冷却の記載がある。しかしスチーム回収の記載はない。
【００１６】
アメリカ特許第４，５５６，４３０号明細書（コンバース）は、存在する水含有量の減少のために非水性媒体の原料を開示する。しかし、媒体は回収されなければならない。倍谷は相当量のリグニンが溶解しているので、リグニンと媒体の回収は複雑である。更にスチームの回収は記載がない。
【００１７】
ヨーロッパ特許第１，３１６，６２０号明細書（ピナッチとソアレス）ではバッチ式の加水分解方法を開示する。この方法は生物資源を螺旋状スクリュー供給器でバッチ式予備加水分解反応器へ供給することに関し、そこでは生物資源はスチームと予備加熱された酸性液が添加されて処理される。酸性液は反応器から抜き出される予備加水分解液（砂糖溶液）と熱交換されて、そして初めの加熱と脱気操作の間に反応器から抜けるスチームにより予備加熱される。この方法の限界は、予備加水分解溶液が抜き出された後に反応器に残る生物資源の固体と溶液から熱が回収されないということである。さらに、連続前処理方法や生物資源原料の揚液の開示をしない。
【００１８】
アメリカ特許第６，４１９，２９２号と６，６２０，２９２号明細書（ワインガーソン）ではリグノセルロース材料から相対的に純粋なセルロースを製造するための加水分解方法を開示する。この方法はまず初めに、機械的に原料をスチームで粉砕することから始める。予備加熱原料は次いで熱水洗浄室に機械的に搬送されて、そこで湿式酸化とスチームと溶解酸素を含むアルカリ洗浄水とによる洗浄を受ける。湿式酸化と洗浄工程の目的は、リグニンの除去であり、セルロースの加水分解は抑制される。セルロースは洗浄室からフラッシュタンクへ排出されてフラッシュ冷却で発生したスチームは入ってくる原料を予備加熱するために循環される。さらに、系のエネルギー必要量を減少させるためにアルカリ洗浄液は、排出洗浄液からの熱エネルギー利用する熱回収システムにより予備加熱される。この加熱エネルギーはフラッシュタンクの一連の洗浄液をフラッシュして回収されて、書くフラッシュタンクから発生したスチームは熱交換器に導入されて、入ってくる洗浄液を加熱する。ワインガーソンの方法の欠点は、セルロース生成物の大気圧への単一のフラッシュから回収されるスチームの回収効率が良くないということである。さらに、原料の水分含量は低すぎて、ポンプで汲み上げられない。さらに、この方法は反応器圧下で加水分解された生物資源から湿式酸化に使用されたアルカリ洗浄水を分離する必要がある。酸前処理によるリグノセルロース材料の処理においては、このような酸性スラリーが泥状構造であるために、液から酸前処理済み固体を分離するのは難しく、コストがかかる。結局、ワインガーソンで使用されるアルカリ洗浄液は酸前処理には適用できない。
【００１９】
アメリカ特許第３，２１２，９３２号明細書（ヘスら）では、ペントース及びヘキソース糖類を製造するためのリグノセルロース材料を加水分解する方法が開示される。この方法は、細かく分割されたリグノセルロース材料を水性溶液（例えば、水や水と酸）と予備混合して、混合物を反応器へ導入し、そこで第１段階の加水分解として直接水蒸気を注入される。材料は次いで急速減圧または“フラッシュ  ブローダウン”にかけられる。不ラッシュしたスチームは出発原料の熱交換に使用され得る。溶解性のペントースとヘキソース糖類はリグニンとセルロースから分離される。リグニンとセルロースは無機酸で処理されて、次いで加水分解の第２工程にかけられてより強力な条件下でヘキソース糖類へセルロースを転化する。これは反応器のリグニンとセルロースを１．０３と６．２１ＭＰａ（１５０と９００psig）の間の圧力で加熱することにより行われる。スチームにより加熱後、処理された材料はフラッシュ  ブローダウンにかけられ、スチームは排気される。固体生成物は水洗浄されて溶液流は次いで中和剤で処理され、濾過されればヘキソースを含む生成物が得られる。ヘスらの方法の欠点は、第１の段階の海水分解における単一のフラッシュによるスチームの回収効率が良くないことである。さらに、系を通してリグノセルロース材料をポンプで汲み上げることの記載がない。
【００２０】
アメリカ特許第４，４６８，２５６号明細書（ヒンガー）では生野菜原料セルロースの加水分解方法が開示される。生原料は粉砕されて希酸に含浸され、その後材料から過剰の水分が除去される。酸性化材料循環スチームで予備加熱され、次いで反応器に供送される。そこでは一つまたはそれ以上の加熱ゾーンで加熱される。高圧スチームが加水分解ソーンの材料に導入される。材料は次いで一つまたはそれ以上の開放ゾーンで冷却されて、圧力は迅速に開放され；開放されたスチームは加熱ゾーンへ循環される。処理済材料に残った残余のスチームは出口から抜けて、初めの予備加熱段階へ循環される。ヒンガーの原料は水分含量が低すぎて原料の揚液ができない。また反応器内のピストンの無限の作用で原料を反応器の各ゾーンへ搬送し、これは複雑でありコストがかかる。ピストンチェーンは酸に曝され、それで耐酸性材料による構成が必要となり、相当なコスト高となる。ヒンガーはまた、材料の含水率を可能な限り低く保持するために酸含浸後に過剰の水を除去する工程を開示する；しかし反応器上流で酸性化原料を脱水するのはコストがかかる。
【００２１】
木材チップの化学パルプではパルプの処理後に消費処理剤からエネルギーを回収することが知られている。これは一連のフラッシュタンクでチップから分離後に消費済み処理液（黒液）をフラッシュしてスチーム源とすることに関する。このスチームは、チップ貯蔵器の木材チップの蒸気による前処理などの上流の処理工程で使用され得る。黒液からスチームを回収するフラッシュ工程を使用するパルプ化工程は、アメリカ特許第６，１７６，９７１号、第６，１７９，９５８号、第５，０８９，０８６号、第６，３４６，１６６号、第６，７２２，１３０号、第６，３０６，２５２号に開示される。これらの特許は、原料を処理してセルロースをグルコースへ転化することは開示していない。さらに、前処理反応器へ揚液できる原料スラリーの製造は記載がない。上記特許はまた蒸し器圧下で黒液から処理済木材チップを分離する必要があり、液は次いでフラッシュされる。酸前処理によるリグノセルロース処理方法では、泥状構造のために酸前処理材料を溶液から分離するのは困難でありコストがかかる。
【００２２】
現在のところ、酵素加水分解に先立つ原料前処理方法は経済的ではない。スチーム回収の公知の方法は、効率が良くないかまたは経済的でない。また多くの方法はスチームを多量に使用してスラリー化材料の水を加熱する。相当なスチーム回収をする連続前処理方法とポンプによる汲み上げ可能な原料を提供する必要性が存在する。
【００２３】
発明の要約
本発明は、リグノセルロース原料を糖に転化する前処理方法に関する。より具体的には、本発明はリグノセルロース原料を糖に転化するための同時にスチーム回収をする連続的流通式前処理方法に関する。
【００２４】
スチーム回収をする連続的流通式前処理方法を提供するのが本発明の目的である。前処理方法は、現在利用可能な方法と比較すると安価に操作できる。
【００２５】
本発明は、リグノセルロース原料を前処理する連続方法を提供し、それは以下の工程からなる：
（ａ）固形分含量が８重量％〜３０重量％のポンプ汲み上げ可能な原料スラリーを用意し；
（ｂ）二つまたは二つを超える段階の加熱列を通して原料を揚液し、各加熱列は加熱段階の圧力を増大させるためにポンプを備え、そして原料スラリーを加熱するためのスチームの直接注入を含み；
（ｃ）加熱列に先立ち、加熱段階の間または加熱列を出る際に原料スラリーに酸を添加し、ここで添加される酸は初めの原料重量に対して酸重量換算で濃度０．２％〜１２％であり、かくして加熱された酸性化原料スラリーが得られる；
（ｄ）セルラーゼ酵素を使用する原料のセルロースをグルコースに転化するに十分な時間の間１６０℃〜２８０℃の温度で前処理反応器に加熱された、酸性化原料スラリーを流通させる；
（ｅ）スラリーが前処理反応器を出た後、フラッシング後の圧上昇をすることなく連続的な低い圧力による二つまたは二つを越えるフラッシング工程を使用して、スラリーを冷却し；そして
（ｆ）加熱列での原料スラリーの加熱のためにフラッシュ圧で、またはその近くにおける二つまたは二つを超えるフラッシュ段階からの水蒸気エネルギーを使用する。
【００２６】
本発明はまた、原料が農業廃棄物、たとえば、トウモロコシの茎や大豆の茎などの茎、トウモロコシの穂軸、稲の麦わら、籾殻、トウモロコシの繊維、小麦の麦わら、大麦の麦わら、セイヨウアブラナの麦わら、およびオート麦の麦わら；スイッチグラス、ミスカンサス、コードグラス、ライ麦草、クサヨリなどの草類；回収木材パルプ繊維、軟木材、及びおがくずなどの林業資源；バガスや砂糖大根パルプなどの砂糖処理残渣；及びこれらの組み合わせである前記方法を提供する。
【００２７】
本発明は上記定義の方法に関し、ここで原料は水などの水性液中にスラリー化されている。本発明はまたは、ここに記載された方法を指向し、ここで加熱列は２乃至８個の加熱段階からなる。本発明は、またここに記載された発明を指向し、ここで、原料加熱のために一つまたはそれ以上の加熱段階に生蒸気が加えられる。さらに、冷却工程（e）は、ここで述べるように、２ないし８個のフラッシング段階を有する。最終のフラッシング段階後、スラリーは次いで、約３０℃乃至約１００℃の温度に冷却され得る。
【００２８】
本発明の方法は、上記した方法に関し、ここで、酸は硫酸、亜硫酸、二酸化硫黄または公知の酸である。
【００２９】
本発明はまたここに記載される方法を指向し、ここで、酸は加熱列に先立って原料スラリーに添加される。代わりに、酸は、加熱列後に添加されるかまたは加熱段階、例えば、最終加熱段階の原料スラリーに添加され得る。
【００３０】
本発明はまたここに記載される方法を指向し、ここで、原料は、添加の工程（工程c）の後であって、流通の工程（工程ｄ）の前でヘミセルロースを加水分解するために初めの原料に重量に対して約０．５重量％〜約３重量％の量の酸の存在下に約１７０℃未満の温度で反応される。
【００３１】
本発明はまたここに記載される方法を指向し、ここで、スラリーは冷却の工程（工程ｅ）に続いて酵素加水分解の工程に供される。
【００３２】
本発明は、原料スラリーを連続前処理システムに揚液し、そして利用可能なスチーム流の圧力に相当する複数の加熱段階を使用することにより従来技術の欠点を克服するものである。種々の圧力段階のスチームはフラッシュ段階で得られ、そこではスチームは取得されて、スチームまたはその一部が使用されて、前処理反応器に先立ち、加熱段階の原料を加熱する。フラッシュ水蒸気圧縮の使用によるフラッシュ列におけるスチーム圧が上昇することに伴う効率の低下が避けられるという利益を本願は有する。本方法はまた、より低温への単一のフラッシュによる効率低下を避けることができる。さらに、原料は８重量％〜３０重量％の間の固形分濃度で液中にスラリー化され、加熱列にポンプで汲み出される。
【００３３】
それ故、本発明はリグノセルロース原料の前処理に対して優位な利点を有する。
【００３４】
本発明のこの要点は本願の特徴の全てを必ずしも記載するものではない。
【００３５】
図面の詳細な説明
本発明のこれら及び他の特徴は添付の図面を参照してなされる以下の説明からより明らかにされる。
【００３６】
図１は、リグノセルロース原料の糖類への転化のための、スチーム同時回収のされる連続・通通式の前処理方法の、これに限らない例示をフロー図で示すものである。
【００３７】
本発明は、リグノセルロース原料を糖類に転化する前処理方法に関する。より具体的には、本発明は、リグノセルロース原料を糖類に転化するための水蒸気回収を伴う連続・流通式の前処理方法に関する。
【００３８】
以下の記載は好ましい態様であって、本発明を実行して効果を奏するために必要な特徴の例示に過ぎず、これに限るとされない。
【００３９】
本発明は、リグノセルロース原料の連続的前処理方法を提供し、それは、二つまたはそれを越える連続する加熱段階を使用する揚液可能な原料を予備加熱することに関する。前処理方法からのフラッシュ蒸気のエネルギーを循環することにより、より高い温度が連続的に達成される。前処理反応器に先立つ原料のさらなる加熱は、生蒸気の注入による。酸または、原料に添加され、そして加熱されて酸性化された原料は前処理反応器内に十分な時間保持されて、原料中のセルロースのセルラーゼ加水分解による効率が改善される。前処理材料は次いで、二つまたは二つ以上のフラッシング工程にかけられ、原料スラリーが冷却されてスチーム再使用のためにスチームを抜きだす。フラッシング段階からのスチーム温度と圧力は断続的には増加しない。フラッシュされたスチームは取得されて加熱段階へ圧力低下を最小限として送られ、スチームエネルギーの効率良い回収を可能とする。
【００４０】
本発明の一態様に従うと、リグノセルロース原料を前処理する連続方法が提供され、以下の工程からなる:
（ａ）固形分濃度が８重量％〜３０重量％を有する揚液可能な原料スラリーを用意し;
（ｂ）二つまたは二つを越える数の加熱段階の加熱列を通して原料スラリーをポンプで汲み上げて、ここで、各加熱段階は原料スラリーを加熱するための段階圧を増圧し直接スチーム注入をするポンプを含む;
（ｃ）加熱列に先立ち、加熱段階の間、または加熱列を出た後に酸を原料スラリーに添加し、ここで酸は初めの原料重量に対して０．２重量％〜１２重量％の濃度で添加されて、加熱されて酸性化された原料スラリーが得られる;
（ｄ）セルラーゼ酵素を使用して原料中のセルロースの転化の効率を向上させるのに十分な時間、加熱され酸性化された原料スラリーを、１６０℃〜２８０℃の温度において前処理反応器に流通させ；
（ｅ）フラッシング後のスチーム圧を増加させることなく連続的に低圧で操作される二つまたは二つを超える数のフラッシング段階を使用して、前処理反応器を出たスラリーを冷却し；
（ｆ）フラッシング時の圧またはそれに近い圧で、二つまたは二つを超える数のフラッシング段階からのスチームエネルギーを使用して、加熱列での原料スラリーを加熱する。
【００４１】
用語“連続方法”は、原料の供給と前処理済みの原料の抜き出しを連続で行う方法を意味する。
【００４２】
“リグノセルロース原料”または“リグノセルロース材料”は、例示するがこれに限定されない、非木材生物資源、農業廃棄物、林業資源および砂糖産業残渣物を含む生物資源のいずれかのタイプを意味する。一般には、リグノセルロースは、約２０％（ｗ／ｗ）より多い量のセルロース、約１５％またはそれよい多いヘミセルロースおよび約１５％のリグニンを含むと認識されている。セルロース材料は、良い高いセルロース含量であり得て、例えば、少なくとも約３０％（ｗ／ｗ）、３５％（ｗ／ｗ）、４０％（ｗ／ｗ）またはそれ以上であり得る。たとえば、セルロース材料は、約２０％〜約５０％（ｗ／ｗ）のセルロース含量であり得て、これ以上、またはこの間の量であり、例示されるが限定されない、２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４、３６、３８、４０、４４、４６、４８、５０％（ｗ／ｗ）のセルロースであり得る。
【００４３】
非限定例示で、リグノセルロース原料は、限定されないが、スイッチグラス、ミスカンサス（miscanthus）、コードグラス、ライ麦、クサヨシまたはこれらの組み合わせなどの草類；限定されないが、サトウキビのバガスおよび砂糖大根パルプなどの砂糖産業残渣；限定されないが、稲の麦わら、籾殻、トウモロコシの穂軸、大麦、小麦、カノーラ、カラスムギ等の麦わら、カラスムギの籾殻、トウモロコシの繊維などの農業廃棄物；限定されないが大豆、トウモロコシなどの茎；例示されないが、回収木材パルプ繊維、大鋸屑、硬質木材、軟質木材またはこれらの組み合わせ等の林業生物資源などを含む。リグノセルロース原料は、繊維の一種からなることがあり得て、またはその代わりに、リグノセルロース原料は異なるリグノセルロース原料から派生する繊維混合物であり得る。小麦の麦わら、カラスムギの麦わら、大麦の麦わら、カノーラの麦藁等；トウモロコシの茎及び大豆の茎などの茎；スイッチグラス、リード  カナリー  グラス、コードグラス  およびミスカンサスなどの草またはこれらの組み合わせ等の農業廃棄物は、これらが広く存在し、低価格であるのでリグノセルロース原料として特に有利である。
【００４４】
本発明はサイズを減少したリグノセルロース原料でもって実施をする。大きさの減少は、いかなる適当な機械的な方法で減少させたものでも利用可能であり、これには切断、挽く、砕く、細断、精製、圧縮／膨張、圧搾または他の機械的作用である。いくつかの機械的な減少方法が業界で公知である。
【００４５】
好ましくは、原料細片の約７０％〜１００％が長さ約０．０５ｃｍ〜約２．５ｃｍである。代わりに、原料細片の大きさは、約２０〜約６０メッシュ又はこの範囲のいずれかであり；例えば、細片の大きさは約２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、または６０メッシュであり得る。
【００４６】
リグノセルロース原料は液中にスラリー化されて、固形分含量約８％〜約３０％（ｗ／ｗ）またはこの範囲の含量の懸濁固形分（不溶解）であり；たとえば原料スラリーは、約８、１０、１２、１５、１８、２０、２２、２５、２８、３０％（ｗ／ｗ）懸濁固形分またはこの範囲のいずれかであり得る。液は業界で公知の適当な液であることができる。例示されるが、限定されず、液は水性液、水と相溶または相溶しない有機液体及びこれらの組み合わせであり得る。
【００４７】
非限定の例示では、原料は水であり得る水性液中にスラリー化される。好ましくは水性液は原料に加えられる前に加熱される。水性液はプロセスのどこからでも再循環され得る。加えられる水性液の量は特に中位濃度（ＭＣ）ポンプ、または他のスラリーの処理に適したポンプにより原料の揚液を可能にする量である。加えられる水性液の適当な量は原料の物理性状に依存し、また当業者に公知の方法により決定されえる。水性液の量が過剰であると追加の加熱が必要となり、本発明の方法の効率が低下する一方、量が少ないと、原料により水性液が吸収されて、溶液性が損なわれる。
【００４８】
原料をスラリー化するに使用された液は、約３０℃〜約１１０℃、またはこの範囲のいずれかの温度の原料スラリー化温度であり得て；たとえば原料スラリーは、約３０，３５，４０，４５，５０，５５，６０，６５，７０，７５，８０，８５，９０，９５，１００，１０５または１１０℃、またはこの範囲のいずれかの温度であり得る。原料と液は、ソーキングタンク、タンクへの引き込み口、ポンプ立管、または他の適当な手段で混合される。
【００４９】
スラリー化されたついで加熱列へポンプで搬送される。“加熱列”という用語はスラリー化された原料の二つまたはそれを超える数のスチーム加熱段階を意味し、各段階は連続してより高い温度にある。加熱列での段階の数は利用し得る種々の圧力で水蒸気を使用し得る十分なものであるべきであるが、少ない数としてポンプの数とまた複雑さを適当とするべきでもある。非限定の例示では、２〜約８個の段階またはこの範囲のいずれかが使用され得る；たとえば、加熱列は、３，４，５，６，７、または約８の段階を含み得る。各段階には、スチーム混合器を使用してスチームが直接注入されることができ、それは当業者に公知である（パルプ  ブリーチングを見よ：原理と実施、リーブとデンス、５３９−５６８頁、これは本明細書に参照として組み入れられる）。この方法によるとスラリーの迅速で均一な加熱が可能となり、かくして原料の劣化が抑制される。
【００５０】
最後の加熱段階は、前処理反応器の直前で生蒸気を注入するものである。前処理反応器に入るスラリーの温度を選択するのは、保持時間、酸濃度、使用原料と所定処理の程度に依存する；前処理温度は、一般には約１６０℃と約２８０℃の範囲、またはこの範囲のいずれかの温度である。例えば、温度は、約１６０、１７０、１７５、１８０、１８５、１９０、１９５、２００、２０５、２１０、２１５、２２０、２２５、２３０、２３５、２４０、２４５、２５０、２５５、２６０、２６５、２７０、２７５、または２８０℃であり得る。スラリー中のスチームの凝縮は固形分濃度を低下されることが当業者には理解される。
【００５１】
酸は、加熱列の前で、加熱段階の間に、または加熱列を出た後に原料スラリーに添加される。例示するが、いかなる態様でも限定することを望まないが、酸は最後の加熱段階で添加され得る。この場合、酸は生蒸気が注入される直後でまたは直前で添加され得る。もしも酸が加熱列に入る前に添加されるならば、加熱列を構成する金属は、酸条件を処理可能なように選択されるべきである。酸はスラリー中に混合されるように添加される。酸は濃縮酸として添加されるかまたは、添加の前に、水または水性液で希釈され得る。
【００５２】
本発明ではいかなる適当な酸も使用され得る。たとえば、硫酸、亜硫酸、二酸化硫黄、またはこれらの組み合わせが使用される。特定の非限定の例では、硫酸が使用され、それは高価ではなく、高濃度に水溶性で、安定で、非揮発性で、前処理において反応を触媒することが可能であるものである。添加される酸の量は、変わり得るが、しかし原料固形分で、最終酸濃度として約０．２％〜約１２％  ｗ／ｗまたはこの範囲のいずれかを達成するに十分な量とすることができる。スラリーの結果としてのｐＨは、約０．８〜約２．０またはこの範囲のいずれかのｐＨとすべきである。たとえば、スラリーのｐＨは約０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、または２．０であり得る。
【００５３】
好ましくは、前処理反応器は、スラリーのプラグ流を維持するように設計され、反応条件下の腐食、浸食に耐える適当な材料で構成され得る。例示されるが、限定されることを意図しないが、反応器はジルコニウム、ニオブ、セラミックタイルまたは他のこのような抵抗性ある材料からなる。反応器出口の弁は反応圧を所望の程度に維持するのに必要な背圧を維持するのに使用され得る。
【００５４】
前処理反応器に必要な保持時間は温度、酸濃度、使用原料、および処理の所望の程度に依存して変わり得る。たとえば、スラリーは、反応器内に約０．００５〜約１０分の範囲、またはこの範囲のいずれかの時間の間保持され得る；例えば、反応時間は約０．０５、０．１、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、または１０分であり得る．
【００５５】
前処理反応器を出るに際し、スラリーは二つまたはそれを越える数のフラッシング段階を経て、材料を冷却し、スチームと揮発物を系から抜く。例えば、２〜約８の連続フラッシング段階、またはこの範囲のいずれかの数のものが採用し得る；たとえば、２，３，４，５，６，７または約８のフラッシング段階があり得る。この多重のフラッシング段階は種々の圧でフラッシュ蒸気を発生する。これによりスチームの多重使用が可能となって、方法全体の経済性に寄与する。スチームはプロセス蒸気を加熱することにより間接的にまたは直接的に使用されるので、この方法により、スチームのエネルギーは、繰り返して使用される。
【００５６】
少なくとも二つのフラッシュ容器からのフラッシュ蒸気の少なくとも一部は前処理反応器に先立って原料スラリーを加熱するために加熱列へ送られる。フラッシュ蒸気は、スラリーの圧と温度が、（１）十分に低くてスチームを凝縮させることが認められ、そして（２）十分に高くてスチームのエネルギーを効率的に使用可能な段階において加熱列に導入される。この操作は有意に生蒸気の消費を減少させる。
【００５７】
本発明の方法に二つまたはそれを超えるフラッシング段階を設けることはスラリーの連続冷却と減圧が可能となることをもたらす。フラッシュスチームの少なくとも一部が加熱列へ循環される少なくとも一つのフラッシング段階からのフラッシュスチームは、好ましくは、該フラッシング段階の入り口スラリー圧の約０％〜約９９．５％の範囲の圧、またはこの範囲のいずれかの圧を有する。より好ましくは、このフラッシュスチームはフラッシング段階のスラリー入り口圧の約２５％〜約９９％の圧、より好ましくは、フラッシング段階のスラリー入り口圧の約３５％〜約９５％の圧、またはこの範囲のいずれかの圧を有する。
【００５８】
代わりに、フラッシュされたスチーム、またはその一部は、水、スチームまたはその組み合わせ、たとえばリボイラーにおけるものの第２の流れを加熱するために使用され得る。この第２の流れは次いで加熱列に送られる。これはまたスチームの効率的な使用となる。さらに、一つまたはそれ以上のフラッシュ段階からのスチームまたはその一部はプラントのスチーム源として使用され得る。これは、特に後のフラッシュ段階からの低圧スチームには魅力的なオプションである。加熱列で利用される前に揮発分はフラッシュスチームから除かれ得ることが理解される。これは、例えば、リボイラーで行われる。
【００５９】
スラリーは、最後のフラッシュ容器でまたは一つまたはそれ以上の熱交換器で下流での加工に適した温度にまで冷却される。前処理されて、冷却された原料は、セルラーゼで酵素加水分解にかけられる。任意に、洗浄、固形分分離または他の処理が酵素加水分解の前に行われる。酵素加水分解の前に、スラリーのｐＨは約４．５〜５．５の範囲、またはこの範囲のいずれかのｐＨに、適当なアルカリ溶液を利用して一般的には調整される;例えば、ｐＨは約４．５、４．６、４．７、４．８、４．９、５．０、５．１、５．２、５．３、５．４、または５．５に調整され得る。しかし、使用するセルラーゼ酵素が好アルカリ性または好酸性ならば、それぞれ約４．５〜５．５よりも高いかまたは低いものとすることができる。スラリーのｐＨは使用される酵素の至適ｐＨ範囲内に調整されるのは無論である。ｐＨ調整には業界で公知の適当なアルカリ溶液が使用されることができ、これは、例示されるが限定されない、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、アンモニアまたは水酸化カルシウムなどである。
【００６０】
酵素加水分解には、至適温度は約３０℃〜約７０℃であり、温度範囲は使用するセルラーゼ酵素に依存する。一般には約４５℃〜約５５℃の範囲の温度、またはこの範囲内のいずれかの温度が、多くのセルラーゼ酵素に適当である;たとえば、温度は、約４５、４６、４７、４８、４９、５０、５１、５２、５３、５４または５５℃であり得る。しかし、スラリーの温度は、好熱性セルラーゼではより高いものであり得る。例示だが、限定されない、スラリーはセルラーゼ酵素で行う加水分解では約５０℃にまで冷却される。非限定の例示は、セルラーゼ酵素混合物は菌類  トリコデルマ（Trichoderma）である。
【００６１】
”セルラーゼ酵素”、”セルラーゼ”、または”酵素”は、セルロースの加水分解を触媒してグルコース、セロビオースおよび他のセロ−オリゴ糖類などを生産する酵素を意味する。セルラーゼはエクソーセロビオヒドロラーゼ（ＣＢＨ）、エンドグルカナーゼ（ＥＧ）およびβーグルコシダーゼ（βＧ）からなる多重楮混合物を意味する一般的な総称であり、これらは多くの植物や微生物から製造され得る。本発明の方法は、その取得源にかかわらずいかなるタイプのセルラーゼ酵素でも遂行され得る。最も広く研究され、特徴があり、そして市販されているセルラーゼは、genera  Aspergillus、HumicolaやTrichodermaの菌から、また一般的なBacillusとThermobifidaのバクテリアから得られるものである。繊維状菌  Trichoderma  longibrachiatumから得られるセルラーゼはＣＢＨＩとＣＢＨＩＩと称する少なくとも二つのセロビオヒドロラーゼと少なくとも4つのＥＧ酵素からなる。
【００６２】
セルラーゼは相乗的にセルロースをグルコースに分解するように働く。ＣＢＨ１とＣＢＨＩＩは一般的には、セルロースミクロ繊維のグルコースポリマーの末端に作用して、セロビオースを乖離する（チーリとコイブラ、１９９５、炭化水素、ヨーロッパ  １２、２８−３３）、一方エンドグルカナーゼはセルロースのランダムな位置に働く。共同してこれらの酵素は、セルロースをより小さいセローオリゴ糖類、例えばセロビオースへ加水分解する。セロビオースはβーグルコシダーゼにより加水分解されてグルコースが得られる。
【００６３】
セルラーゼ酵素のスラリーへ添加する適用量はセルロース転化を十分に高いレベルで達成できるように選択される。例えば、セルラーゼ適用量は、セルロース１グラム当たり約５．０〜５０．０ろ紙単位（ＦＰＵまたはＩＵ）、またはこの範囲のいずれかの量である。例えば、セルラーゼ適用量は、約５、８、１０、１２、１５、１８、２０、２２、２５、２８、３０、３２、３５、３８、４０、４２、４８または５０ＦＰＵであり得る。ＦＰＵは当業者に良く知られた標準の測定法であって、ゴース（１９８７、純粋・応用科学  ５９：２５７−２６８）に従い定義され、測定される。β−グルコシダーゼ（セロビアーゼ）活性の適当な量が、また混合物に加えられる。β−グルコシダーゼの適用レベルは、１グラムのセルロース当たり約５〜約４００  β−グルコシダーゼ単位の範囲であり、たとえば、適用量は５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１２５、１５０、１７５、２００、２２５,２５０、２７５，３００、３２５，３５０，３７５、または４００の１グラムのセルロース当たりのβ−グルコシダーゼ単位またはこの範囲のいずれかの値であり得る。β−グルコシダーゼ単位は、ゴース（１９８７、純粋・応用科学  ５９：２５７−２６８）に従い測定される。
【００６４】
酵素加水分解は約２４〜約２５０時間、またはこの範囲内のいずれかの時間、続けさせるが、所望の転化の程度に依存する。例えば、反応時間は、約２４，３０，４０，５０，６０，７０，８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０，１４０，１５０時間、またはこの範囲のいずれかの時間であり得る。得られたスラリーは、グルコースとキシロースおよび他の炭化水素の水性液であり、リグニンや他の未転化固形分が懸濁している。糖類は懸濁固形分から容易に分離することができ、そして例示されるが限定されないイースト菌によるエタノールへの醗酵へと所望によりさらに加工される。
【００６５】
本発明の他の非制限の例示では、二段階の前処理系が使用され得る。初めの段階では、酸性化原料が加熱列で約１７０℃にまで加熱される。原料は次いで初めの原料重量基準で約０．５重量％〜約３重量％の酸濃度の存在下に約１７０℃で次いで反応されて、主たる前処理反応の前にヘミセルロースを加水分解する。可溶化したヘミセルロースはスラリーを水で洗浄して、任意に除かれ、かくして前処理の第２段階における糖類の劣化が防止される。残った原料は次いで、上記した条件が関与する前処理の第２段階に投入される。例えば、前処理の第２段階は、二つまたはそれを超える数の加熱段階の加熱列を通して原料スラリーをポンプで汲み上げることに関し、各加熱段階は段階圧を向上させるためのポンプと、原料スラリーを加熱するための直接のスチーム吹き込みを含む。加熱列に先立ち、加熱段階の間、または加熱列を出た後に原料スラリーに酸を添加することに続いて、加熱されて、酸性化された原料スラリーは、前処理反応器を１６０℃〜２８０℃の範囲の温度で通過し、その時間は原料中のセルロースがグルコースにセルラーゼ酵素を使用して転化する効率が向上するに十分な時間の間である。スラリーが前処理反応器を出た後に、スラリーは、連続的な低圧での二つまたはそれを越える数のフラッシング段階を使用して、フラッシング後にスチーム圧を増大させることなく、少なくとも部分的に冷却され、そしてフラッシュ圧またはその近くの圧でのフラッシング段階の二つまたはそれを超える数のものからのエネルギーは加熱列で原料スラリーを加熱するのに使用される。
【００６６】
図１を参照すると、本発明の限定されない例示であるが、原料１０はせん断または粉砕操作またはその組み合わせで小片となる。原料は次いで落ち込み口３０でスラリーとなる。
【００６７】
加熱列の初めの加熱段階６０で、原料スラリーはポンプ４０によりスチーム混合器６５へ汲み上げられる。ポンプ４０は、スラリー処理のＭＣ（商品名）（中位濃度）ポンプであり得る。ポンプ４０は、スラリーの脱気をする第１の真空ポンプ５５に接続される。この段階の加熱はスチーム６０の直接注入により供される。
【００６８】
第１の加熱段階からの加熱スラリー７０はポンプ８０で揚液されて、第２段階のスチーム混合器１０５へ送られる。フラッシュ・スチーム１００が、流れを加熱するためにこの流れに注入される。
【００６９】
加熱列の第２の加熱段階９０からの加熱スラリーは、ポンプ１２０でスチーム混合器１３５と１４５へ揚液される。流れ１３０は、２箇所で生蒸気１４０を加えられて加熱されて、流れ１５０が生成する。この点で硫酸１６０がスラリーに添加されて流れ１７０を生成する。酸は混合Ｔ字管１６５で混合され得る。流れ１７０は、前処理反応器１８０への原料供給流である。
【００７０】
前処理反応器１８０は、適当な構造で有り得て、例えば、スラリーのプラグ流になるように円筒形パイプ形状に設計され得る。入り口からの流れは、前処理反応器１８０を、ヘミセルロースとセルロースのより少ない部分を可溶化するに十分な時間を流通する。前処理反応器１８０を出るに際し、スラリー１９０は第１のフラッシュタンク２００でフラッシュされる。フラッシュ蒸気と揮発分流れ２１０は、第２の加熱段階９０でスチーム注入１００として使用される。
【００７１】
第１のフラッシュタンク２００からのスラリー２１５は第２のフラッシュタンク２２０でフラッシュされる。蒸気と揮発分流れ２３０は、ライン６０を介して、加熱列５０の第１の加熱段階を加熱するのに使用される。
【００７２】
第２のフラッシュタンク２２０からのスラリー２４０は、第３のフラッシュタンク２５０でフラッシュされる。揮発分流れ２６０の一部は散水タンク２８０へ送られ、それは水２０を予備加熱する。残りの部分２９０はプラントの低圧蒸気３００の供給源として使用され得る。
【００７３】
第３のフラッシュタンク３１０からのスラリー３１０は、第４のフラッシュタンク３２０でフラッシュされる。スチームと揮発分流れ３３０は、熱交換器３４０で凝縮され、凝縮液は、ライン３５０を経て、散水タンク２８０に加えられる。熱交換器の液は熱交換器を出て流れる水流３６０で有り得て、暴威らーの供給水３７０として使用される。ポンプ３８０は、フラッシュ流から非凝縮気体（３９０）を除くための真空ポンプである。
【００７４】
第４のフラッシュタンクからのスラリー流４００は、ポンプ４１０で揚液されて、熱交換器４２０を加熱する。熱交換器の上流で、アンモニア４３０がスラリーに添加されて、ｐＨを約４．５〜５．５にまで調節される。アンモニアは、混合Ｔ字管４３５で混合され得る。プロセス水流２５は、熱交換器流である。混合水は散水タンク２８０に加えられて、そこでは流れ３５０と第３のフラッシュタンク２７０からの凝縮液により加熱される。散水タンク２８０からの熱水２０は初めの落ち込み口３０で原料をスラリー化するのに使用される。約７０℃に冷却されたスラリー４４０は次いで、約５０℃にまで冷却されて酵素加水分解工程４５０に送られる。
【００７５】
本発明は次の実施例でさらに説明される。しかし、これらの実施例は説明目的にのみ使用され、そしていかなる態様でも本発明の範囲を限定するように使用されるべきではない。
【実施例１】
【００７６】
図１を参照すると、本発明の限定されない例示であるが、原料１０は小麦麦わらであり、せん断または粉砕操作またはその組み合わせで、水分５４％の小片となる。約７０，０００ｋｇ／ｈｒの小麦麦わら（乾燥基準）が３７０，０００ｋｇ／ｈｒの水２０で、温度約９９℃で、落し口３０においてスラリー化されて、固形分含量１３．４％となる。
【００７７】
加熱列の第１の加熱段階で、原料スラリーは、ポンプ４０でスチーム混合器６５へ搬送される。ポンプ４０は、スラリー処理のＭＣ（商品名）（中位濃度）ポンプであり得る。ポンプ４０は、スラリーの脱気をする第１の真空ポンプ５５に接続される。この段階の加熱は例えば約１６６℃のスチーム混合器６５を介するスチーム６０、３５，５８５ｋｇ／ｈｒの直接注入により供される。この注入でスラリーは約１２４℃に加熱される。
【００７８】
第１段階スラリー７０は、ポンプ８０で第２段階スチーム混合器１０５へ送られる。約１９２℃のフラッシュスチーム１００はスチーム混合器１０５を介して４０，６７０ｋｇ／ｈｒの速度でこの流れに注入されて、流れを約１６２℃にまで加熱する。
【００７９】
第２段階のスラリー１１０は、ポンプ１２０で第３加熱段階スチーム混合器１３５と１４５に搬送される。流れ１３０は、約１９３℃に加熱されて、次いで約２２０℃に、各スチーム混合器１３５と１４５のそれぞれに、速度約３８，９３９ｋｇ／ｈｒで、３．１０ＭＰａ（約４５０psig）の圧の生蒸気により加熱され、そうして流れ１５０を生成する。加熱列の第３段階１１５からの流れ１５０は約１０％原料固形分である。この点で、硫酸１６０がスラリーに添加され、その量は約４５８５ｋｇ／ｈｒであり、初めの原料固形分に対して約６．５５重量％の酸濃度に達して、流れ１７０を生成する。酸は混合Ｔ字管１６５で混合される。流れ１７０は、前処理反応器１８０への原料流となる。
【００８０】
前処理反応器１８０は、適当な構造で有り得て、例えば、スラリーのプラグ流になるように円筒形パイプ形状に設計され得る。入り口流れは、約２分で前処理反応器１８０を通過する。これは、ヘミセルロースの約８５％が、またセルロースの約１０％が可溶化するに十分であり、単糖類の約１２％が劣化する。前処理反応器１８０を出る際、スラリー１９０は、第１のフラッシュタンク２００で約２．５４ＭＰａから約１．２１ＭＰａ（約３６８psigから１７５psig）へフラッシュされる。フラッシュ蒸気と揮発分流れ２１０は約４０，６７０ｋｇ／ｈｒの流速であり、第２の加熱段階９０で蒸気注入として使用される。
【００８１】
第１のフラッシュタンク２００からのスラリー２１５は、約６４１，７４４ｋｇ／ｈｒの流速であり、第２のフラッシュタンク２２０で約１．２１ＭＰａから約１．０６ＭＰａから約０．６１ＭＰａ（約１７５psigから約８８psig）へフラッシュされる。スチームと揮発分流れ２３０は、約３５，５８５ｋｇ／ｈｒの速度であり、ライン６０を介して、加熱列５０の第１の段階を加熱するのに使用される。
【００８２】
第２のフラッシュタンク２２０からのスラリー２４０は、約６０６，１５９ｋｇ／ｈｒの速度であり、第３のフラッシュタンク２５０で約０．６１ＭＰａから約０．１０ＭＰａ（約８８psigから約１５psig）へフラッシュされる。揮発分の約１８％が、それは約１２１℃で約８９５０ｋｇ／ｈｒであるが（２７０）、水２０を予備加熱する散水タンク２８０へ送られる。残りの８２％（２９０）は約４１，６４２ｋｇ／ｈｒであり、プラント３００の低圧スチームの供給源として使用され得る。
【００８３】
約５５５，５６７ｋｇ／ｈｒである第３のフラッシュタンク２５０からのスラリー３１０は第４のフラッシュタンク３２０で約０．１０３ＭＰａから約０．０４１ＭＰａ（約１５psigから約６psig）へフラッシュされる。スチームと揮発分流れ３３０は、約１１０℃で約１１，５５１ｋｇ／ｈｒの流速であり、熱交換器３４０で凝縮されてライン３５０を介して散水タンク２８０へ加えられる。熱交換器流は熱交換器３４０を出て流れる水流３６０であり、ボイラー供給水３７０として使用される。ポンプ３８０は、フラッシュ流れから非凝縮気体（３９０）を除く真空ポンプである。
【００８４】
第４のフラッシュタンクからのスラリー流れ４００は、約５４４，０１６ｋｇ／ｈｒの流速で約１１０℃の温度であり、ポンプ４１０で熱交換器４２０へ揚液される。熱交換器に先立ち、アンモニア４３０がスラリーに注入されてｐＨが４．５〜５．５にまで調整される。アンモニアはＴ字管４３５で混合される。プロセス水流２５は、熱交換器流である。予熱された水は散水タンク２８０へ加えられ、そこで流れ３５０と第３のフラッシュタンク２７０からの凝縮液により加熱される。散水タンク２８０からの熱水２０は初めの落し口３０で原料をスラリー化するのに使用される。冷却されたスラリー４４０は約７６℃であり、次いで約５０℃にまで冷却されて酵素加水分解工程４５０に送られる。
【実施例２】
【００８５】
この例は、スラリーが前処理反応器を出た後にスラリーを冷却するのに単一のフラッシュ段階を使用するのみでは前処理工程で原料スラリーを加熱するのに必要な生蒸気の量が増加することとなることを説明するものである。フラッシュ段階からのフラッシュ蒸気は前処理反応器に入る前に、加熱列で原料スラリーを加熱するのに使用される。
【００８６】
前処理反応器温度にスラリーを最終的に加熱するに必要な生蒸気を実施例に特定するのと同じ条件でを使用するという前提で計算したが、例外は前処理スラリーの冷却とフラッシュ流れの生成には単一のフラッシュ段階のみが使用されることである。
【００８７】
したがって、約７０，０００ｋｇ／ｈｒの小麦麦わら（乾燥基準）から５４%の水分含有量となる小麦麦わらの小片が用意されて、温度約９９℃で３７０，０００ｋｇ／ｈｒの水でスラリー化されて、固形分１３．４％に達した。
【００８８】
原料スラリーは、スラリーを約１０９℃に加熱するために１１０℃のフラッシュスチームが一つまたはそれ以上のスチーム混合器で揚液される。スラリーは次いで、３．１０ＭＰａ（４５０psig）の生スチームが一つまたはそれ以上のスチーム混合器内へ直接注入されることにより２２０℃にまで加熱される。
【００８９】
硫酸は初めの原料固形分の重量で酸濃度６．５５重量%に達する量をスラリーに加える。スラリーは前処理反応器に入って、前処理反応器を約２分で通過する。前処理反応器を出るに際し、スラリーは一つのフラッシュタンクで約２．５４ＭＰａから約０．０４１ＭＰａ（約３６８psigから６psig）へフラッシュされる。フラッシュタンクからのフラッシュ蒸気と揮発分は加熱列でスラリーを加熱するのに使用される。過剰スチームは、プラントの低圧スチームの供給源として使用される。
【００９０】
単一のフラッシュを使用する上記の条件下では、生蒸気の１２６，１５０ｋｇ／ｈｒが１０９℃のスラリーを加熱して２２０℃の前処理反応温度にするのに必要であり、実施例１の本発明の態様では生蒸気の必要量は、７７，８７８ｋｇ／ｈｒに過ぎない。このように、実施例１と比較すると、生蒸気の消費の量は単一のフラッシュを使用する場合６２％も増加する。
【００９１】
上記記載はいかなる態様でも本願発明を限定する意図ではなされない。さらに、組み合わせるとされた特徴は本発明の解決に必ずしも必要でもない。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】リグノセルロース原料の糖類への転化のための、スチーム同時回収のされる連続・通通式の前処理方法の、これに限らない例示のフロー図。
【符号の説明】
【００９３】
１０  原料
４０  ポンプ
６０  初めの加熱段階
６５  スチーム混合器
７０  加熱スラリー
８０  ポンプ
９０  第２の加熱段階
１００  フラッシュ・スチーム
１０５  スチーム混合器
１２０  ポンプ
１３５，１４５  スチーム混合器
１４０  生蒸気
１６０  硫酸
１８０  前処理反応器
１９０  スラリー
２００  第１のフラッシュタンク
２２０  第２のフラッシュタンク
２５０  第３のフラッシュタンク
２８０  散水タンク
３２０  第４のフラッシュタンク
３４０  熱交換器
４５０  酵素加水分解工程
【図１】
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【国際調査報告】
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