(57)【要約】  自己完結型高効率セルロースバイオマス処理プラントは、ヘミセルロースおよびα-セルロース結合の希酸加水分解を容易にするための量子に基づく波エネルギーの供給源を含む。量子に基づく波エネルギーの供給源は、分子間結合の破壊を容易にするための超音波、紫外波、磁気波および直流のうちの1種以上、および好適にはその組合せを供給する。セルロースバイオマス処理プラントと、高タンパク質残渣を最終的な高級タンパク質生成物に変換するための装置とを組合わせた統合プラントも提供される。量子に基づく波エネルギーの使用の結果生じる高効率に起因して、前記プラントは少ないエネルギーを使用し、小さく、運搬可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1のプラグフローリアクター、第1のプラグフローリアクターのための熱源、および第1のプラグフローリアクターと連絡する1個以上の第1段階の量子に基づく波エネルギーの供給源を含む第1段階、ならびに
第2のプラグフローリアクター、第2のプラグフローリアクターのための熱源、および第2のプラグフローリアクターと連絡する1個以上の第2段階の量子に基づく波エネルギーの供給源を含む第2段階、
を含み、第1段階がセルロースバイオマス原料および希酸溶液を受容し、セルロース中の分子間結合の加水分解を引き起こし、第2段階が第1段階に由来する未加水分解セルロースおよび希酸溶液を受容し、分子間結合のさらなる加水分解を引き起こす、セルロースバイオマス処理プラント。
【請求項２】
1個以上の第1段階の量子に基づく波エネルギーの供給源が、超音波、紫外波、磁気波、直流の供給源、およびその組合せからなる群より選択される、請求項１に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項３】
第1段階の量子に基づく波エネルギーの供給源が、超音波、紫外波、磁気波、および直流の供給源を含む、請求項２に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項４】
1個以上の第2段階の量子に基づく波エネルギーの供給源が、超音波、紫外波、磁気波、直流の供給源、およびその組合せからなる群より選択される、請求項１に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項５】
第2段階の量子に基づく波エネルギーの供給源が、超音波、紫外波、磁気波、および直流の供給源を含む、請求項４に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項６】
第1のプラグフローリアクターが第1の内部管を含み、第1のプラグフローリアクターのための熱源が、第1の内部管の周囲に複数の相互接続された外部管を含む第1の熱交換器を含み、第2のプラグフローリアクターが第2の内部管を含み、且つ第2のプラグフローリアクターのための熱源が、第2の内部管の周囲に複数の外部管を含む第2の熱交換器を含む、請求項１に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項７】
第1の内部管が、第1の熱交換器を通る第1、第2、第3および第4の経路を作り、且つ1個以上の量子に基づく波エネルギーの供給源が、第1の経路の前、第1経路と第2経路の間、第2経路と第3経路の間、第3経路と第4経路の間、および第4経路の後に第1の内部管と連絡して提供される、請求項６に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項８】
第2の内部管が、第2の熱交換器を通る第1、第2、第3および第4の経路を作り、且つ1個以上の量子に基づく波エネルギーの供給源が、第1の経路の前、第1経路と第2経路の間、第2経路と第3経路の間、第3経路と第4経路の間、および第4経路の後に第2の内部管と連絡して提供される、請求項６に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項９】
第2段階に由来する高タンパク質残渣を受容し、且つそれを高級タンパク質生成物に変換するための装置をさらに含む、請求項１に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項１０】
高タンパク質残渣を受容し、且つ変換するための装置が、圧縮装置、形状化装置、乾燥装置および造粒装置を含む、請求項９に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項１１】
前記プラントを輸送するための車輪を備えたプラットフォームをさらに含む、請求項１に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項１２】
セルロースバイオマス原料と、希酸溶液とを混合して、スラリーを形成させる工程、
該スラリーを加熱する工程、
該スラリーをリアクターに通過させる工程、
該リアクターに1個以上の量子に基づく波エネルギーの供給源を供給して、ヘミセルロースおよびα-セルロース結合の加水分解を容易にし、生成物スラリーを形成させる工程、ならびに、
該生成物スラリーの固体成分と液体成分を分離する工程、
を含む、セルロースバイオマス原料を処理する方法。
【請求項１３】
前記リアクターが、第1段階のリアクターと第2段階のリアクターとを含み、1個以上の量子に基づく波エネルギーの供給源を第1段階のリアクターと第2段階のリアクターのそれぞれに供給する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
量子に基づく波エネルギーの供給源が、超音波、磁気波および直流の供給源を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
1個以上の量子に基づく波エネルギーの供給源を、第1段階のリアクター中の複数の位置および第2段階のリアクター中の複数の位置に供給する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
1個以上の量子に基づく波エネルギーの供給源を、第1段階のリアクター中の少なくとも3個の位置および第2段階のリアクター中の少なくとも3個の位置に供給する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記生成物スラリーを液体ストリームと高タンパク質残渣とに分離し、該高タンパク質残渣を圧縮、形状化、乾燥および造粒して、高級タンパク質生成物を形成させる工程をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
第1のプラグフローリアクター、第1のプラグフローリアクターのための熱源、第1段階のプラグフローリアクターと連絡した1個以上の第1段階の量子に基づく波エネルギーの供給源、第1段階のプラグフローリアクターと連絡したフラッシュタンク、および該フラッシュタンクと連絡した分離装置を含む第1段階を含み、1個以上の第1段階の量子に基づく波エネルギーの供給源が、第1段階のプラグフローリアクター中の複数の位置で連絡して提供される、セルロースバイオマス処理プラント。
【請求項１９】
第2のプラグフローリアクター、第2のプラグフローリアクターのための熱源、第2段階のプラグフローリアクターと連絡した1個以上の第2段階の量子に基づく波エネルギーの供給源、第2段階のプラグフローリアクターと連絡したフラッシュタンク、および該フラッシュタンクと連絡した分離装置を含む第2段階をさらに含み、1個以上の第2段階の量子に基づく波エネルギーの供給源が、第2段階のプラグフローリアクター中の複数の位置で連絡して提供される、請求項１８に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項２０】
1個以上の第1段階の量子に基づく波エネルギーの供給源が、超音波、紫外波、電磁波および直流の供給源を含む、請求項１８に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、2008年5月22日に出願された米国特許仮出願第61/055,222号(その開示は参照により本明細書に組み入れられるものとする)に対する優先権を主張する。
【０００２】
技術分野
本発明は、セルロースバイオマスを燃料等級のアルコールと高級タンパク質生成物に加工するための自己完結型高効率プラントに関する。この処理プラントは、運搬可能および可動式とすることができ、セルロースバイオマスおよび／または得られる生成物を輸送する費用を節減するために任意の場所で容易に利用可能になる。
【背景技術】
【０００３】
近年の不安定なエネルギー価格は、セルロースバイオマスなどの代替エネルギー源における興味の増大を引き起こしてきた。米国におけるセルロースバイオマスの主要な供給源としては、都市の廃木材、一次ミル残渣、森林残渣、農業残渣、およびエネルギー専用作物が挙げられる。一方、セルロースバイオマスプラントは、比較的大きく、その固定された場所から移動させることは不可能であった。セルロースバイオマスは大きく、嵩張ることが多く、処理プラントを輸送する費用が高い場合がある。結果として、多くの利用可能なセルロースバイオマスが、燃料等級のアルコールまたは他の生成物に加工されず、それどころか、放置されて、その供給源の周辺に廃棄されている。
【０００４】
従来のセルロースバイオマス処理プラントはまた、セルロースバイオマスの燃料等級アルコールおよび他の副生成物への不完全な破壊および変換に関連する欠点を有する。ある型の従来のプラントは、バイオマス中のリグノセルロースの糖化を実施するためには、希酸の存在下での熱、圧力および滞留時間に依存する。最大で50重量％のセルロースバイオマスが最初は糖化されず、分離および再利用する必要がある。これらの因子が、従来の処理プラントの比較的大きいサイズおよび固定性に寄与する。1つの従来のバイオマス処理プラントは、Brelsfordに対して発行された米国特許第5,411,594号(その開示は参照により本明細書に組み入れられるものとする)に記載されている。
【０００５】
さらに、従来のセルロースバイオマス処理プラントに由来する副生成物は、典型的には、有用な最終生成物を提供するためにさらなる変換を必要とする重く湿ったスラリーの形態にある。典型的には、この副生成物を、処理、固体分離およびさらなる加工のために別の場所に輸送しなければならない。副生成物を輸送する費用は、最終生成物の経済面と比べて高い。
【０００６】
費用が安く、燃料等級アルコールおよび副生成物へのセルロースバイオマスの変換率をより高くして運転するセルロースバイオマスプラントの必要性または希望が存在する。また、運搬可能にするのに十分に小さくし、バイオマスの供給源および／または最終生成物を使用する場所に輸送することができるセルロースバイオマス処理プラントの必要性または希望が存在する。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、a)従来のプラントより非常に高い変換率を達成し、b)従来のプラントよりも小さいサイズおよび空間を必要とし、ならびにc)運搬可能にし、異なる場所に輸送することができる自己完結型高効率セルロースバイオマス処理プラントに関する。このプラントは、セルロースバイオマスを燃料等級アルコールと副生成物に変換するための2段階のリアクターを含む。各段階は、セルロースバイオマスの化学的反応および破壊を助け、燃料等級アルコールとタンパク質含量が高い副生成物へのその変換を容易にする、量子に基づく波エネルギーの1個以上の供給源を備える。
【０００８】
量子に基づく波エネルギーの供給源は、超音波、紫外波、磁気波(電磁波および他の磁気波を含む)、ならびに直流(ナノパルス)波の供給源のうちの少なくとも1個、および好適にはその組合せを含む。量子に基づく波エネルギーの供給源は、セルロースバイオマスが、変換率を増加させながら、プラント装備のサイズおよびそれぞれの2段階における滞留時間を実質的に減少させることが可能になるような程度まで、セルロースバイオマスの化学的反応および変換を容易にする。
【０００９】
第1段階においては、新鮮なセルロースバイオマス原料を、加熱、加圧した希酸-水溶液と混合する。希酸-水溶液、ならびにいくらかの未加水分解セルロースおよびリグニンを、第2段階からの再利用ストリームとして供給することができる。得られる水性セルロースバイオマススラリーを、約45〜200 psiの飽和圧力、および約5〜10分の滞留時間で、約135〜195℃の反応温度にさらに加熱する。量子に基づく波エネルギーの1個以上の供給源を該スラリーに適用し、第1段階におけるヘミセルロース加水分解反応を容易にするのを助ける。
【００１０】
得られるヘミセルロース加水分解反応スラリーの圧力および温度を素早く低下させて、糖の分解を最小化させる。次いで、スラリーを、a)ヘミセルロース加水分解物ペントースおよびヘキソース糖ならびにα-セルロース加水分解物グルコース糖などの生成物溶液、ならびにb)第2段階のためのα-セルロース加水分解原料の一部として第2段階に通過させる、未加水分解セルロース固形残渣に分離する。
【００１１】
第2段階においては、第1段階に由来する未加水分解セルロース固形残渣を、第2段階に由来する未加水分解セルロース固形残渣の再利用画分と混合して、α-セルロース加水分解原料を提供する。α-セルロース加水分解原料を、新鮮な希酸-水溶液と混合して、α-セルロース加水分解反応スラリーを形成させる。このスラリーを、約100〜200 psiの飽和圧力で、約8〜17分間、約165〜260℃の温度に加熱する。波エネルギーの1個以上の供給源を適用して、α-セルロース加水分解反応スラリーのα-セルロース加水分解物グルコース糖への変換を容易にするのを助け、希酸-水溶液に溶解する。
【００１２】
得られる生成物スラリーの圧力および温度を素早く低下させて、グルコース糖の分解を最小化する。次いで、生成物スラリーを分離して、a)フラッシュされた水蒸気としてのプロセスの余熱、b)熱いα-セルロース加水分解物糖および希酸溶液、ならびにc)最少の未加水分解α-セルロースを含む、または未加水分解α-セルロースを含まない高タンパク質生成物残渣を含む固体を回収する。次いで、この溶液を高タンパク質生成物残渣から分離し、第1段階の反応混合物中で再利用することができる。
【００１３】
本発明はまた、セルロースバイオマス処理プラントと、高タンパク質生成物残渣を最終的な高級タンパク質生成物に変換するための装置とを組合わせた統合プラントを含む。この統合プラントを、車輪を備えたプラットフォーム上で、または運搬装置により輸送可能なモジュール中で統合プラントを設計することなどにより、運搬可能にすることができる。運搬可能な統合プラントを、セルロースバイオマス原料の様々な供給源ならびに／または食品等級のアルコール生成物および／もしくは高級タンパク質生成物を使用する様々な場所の間でそれを輸送するのに十分に小さくすることができる。
【００１４】
前記のことを考慮すれば、本発明の特徴および利点は、そのより高い効率に起因して、従来のプラントよりも小さく、輸送を容易にすることができる自己完結型高効率セルロースバイオマス処理プラントを提供することである。
【００１５】
また、本発明の特徴および利点は、運搬可能である自己完結型高効率セルロースバイオマス処理プラントを提供することである。
【００１６】
また、本発明の特徴および利点は、セルロースバイオマス処理プラントと、高タンパク質生成物残渣を有用な高級タンパク質生成物に変換するための装置とを組合せ、運搬可能であってよい統合プラントを提供することである。
【００１７】
また、本発明の特徴および利点は、量子に基づく波エネルギーの供給源の追加に起因して、触媒およびプロセス加熱の必要性の低下ならびにリアクターサイズの低下を含む、上記のBrelsfordの特許に記載されたセルロースバイオマス処理プラントの効率および運転に対する改善を提供することである。ここで、同じ容量のバイオマスを、以前のサイズの半分以下のリアクターを用いて処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の自己完結型高効率セルロースバイオマス処理プラントを図示する。
【図２】本発明のセルロースバイオマス処理プラントと、高タンパク質生成物残渣を最終的な高級タンパク質生成物に変換するための装置とを組合わせた統合プラントを図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図1は、本発明の自己完結型高効率セルロースバイオマス処理プラント100を図示する。図1の回路図は、本発明の改良と、Brelsfordに対する米国特許第5,411,594号(その開示は参照により本明細書に組み入れられるものとする)に記載の、2個の二重管熱交換器プラグフローリアクターとフラッシュタンクサブシステムとを直列に含む2段階システムとを組合わせたものである。以下に記載の改良は、プラント100のより高い効率、より小さいサイズおよび運搬性を可能にする。
【００２０】
プラント100は、第1の段階1と第2の段階2とを含む。第1の段階1においては、典型的には蒸留器中の湿った穀物(DDG)の形態のセルロースバイオマス原料を、注入口102を通して回転式供給装置150に運搬する。希酸の溶液は、注入口103を通ってプラント100に進入し、回転式供給装置150の下のスラリー混合装置101中でセルロースバイオマス原料と混合される。
【００２１】
セルロースバイオマス原料を、限定されるものではないが、松針葉樹および他の種類の針葉樹ならびに広葉樹などの樹木由来の木材；トウモロコシ、小麦、大麦および大豆などの食用植物；草；紙または段ボールなどの再利用されたセルロース生成物；ならびにセルロースの他の供給源などの植物に基づくセルロースの様々な供給源から誘導することができる。希酸溶液は、約0.75〜2.5重量％、好適には、約1.5〜2.2重量％の酸などの水溶液であってよい。好適な酸としては、限定されるものではないが、硫酸、硝酸、ヒドロニウムイオン酸などが挙げられる。セルロースバイオマス原料と希酸溶液とのスラリー混合物は、約5〜75重量％のセルロースバイオマス固体、好適には約8〜55重量％のセルロースバイオマス固体を含んでもよい。また、希酸溶液は、注入口103を通して供給する場合、前記の重量％のセルロースバイオマス固体中に含まれるいくらかの再利用されたセルロースバイオマス固体を含んでもよい。
【００２２】
希酸溶液を予め加熱し、および／またはスラリー混合装置101を加熱して、約135〜195℃、好適には約150〜175℃の所望の段階1の反応温度、および約45〜200 psi、好適には約120〜190 psiの所望の飽和圧力を部分的に達成することができる。スラリー混合物を、混合装置101から、スラリーポンプ123を通して、段階1のプラグフローリアクター154の内部管152中に運搬する。プラグフローリアクター154は、段階1の反応が起こる内部管152と、熱交換器155を規定し、上記の所望の段階1の反応温度および圧力を維持するのに必要な加熱液体を供給する、相互接続された外部管156とを含む。
【００２３】
図1に示されるように、熱交換器155は、熱交換器液体を供給するための4個の相互接続された外部管156を含む。内部反応管152は、それぞれの外部管156を通って縦方向に通過し、かくして、熱交換器155を通る4個の経路157、158、159および160を作る。熱交換器155に、内部反応管152を加熱するための外部管156を通して供給される好適な加熱液体、例えば、過熱水蒸気を供給することができる。本発明に従えば、内部反応管152に、量子に基づく波エネルギーの1個以上の供給源を提供することもできる。図1に示される量子に基づく波エネルギーの供給源は、直流供給源162、光子エネルギー(紫外波)供給源164、超音波供給源166および電磁波供給源168を含む。
【００２４】
直流供給源162と光子エネルギー供給源164が、熱交換器156を通って第1経路157に進入する前に、内部反応管152にそれをそれぞれ供給する。供給源162からの直流を、約0.2〜約3.0アンペアで供給する。この直流はセルロース中のカルボキシル基の極性部分を活性化し、分子結合の破壊およびセルロースの破壊を容易にする。直流を、限定されるものではないが、Hoefer, Inc.社から入手可能な、AC-DC変流器またはバッテリーなどの任意の好適な供給源から提供することができる。供給源164からの光子(紫外)波エネルギーを、約1015〜約1016ヘルツの紫外範囲で供給する。光子波エネルギーは、さもなければ破壊するのがより難しい、α-セルロース結合の活性化および破壊を補助する。光子エネルギーを、限定されるものではないが、Photochemical Reactors, Ltd社から入手可能な、Nd-Yagレーザーのハロゲン球紫外供給源などの任意の好適な供給源から提供することができる。
【００２５】
超音波供給源166および電磁波供給源168を、熱交換器156を通して、第1経路157と第2経路158との間、第2経路158と第3経路159との間、および第3経路159と第4経路160との間の内部反応管152にそれぞれ供給する。超音波エネルギーは、セルロースバイオマスとその副成分と反応生成物成分の任意の物理的凝集を防止および／または逆転させるのを助ける。具体的には、超音波は、反応液体中のマイクロキャビテーションを誘導し、次いで、セルロース結晶構造の斜方晶歪曲の定常的変化を引き起こす微小圧力波を生成する。微小圧力波は、波形共鳴を介する化学的結合により吸収される波エネルギーを生成し、セルロース結合の結合長の増加、不安定性および破壊をもたらす。任意の好適な超音波変換器、例えば、Telsonic社から入手可能な管共振変換器を用いて、約20 KHz〜約60 KHzの音響周波数で超音波を供給する。
【００２６】
電磁気エネルギーは、セルロース中のカルボキシル基の極性部分中に結合角を曲げる。結合角の屈曲は、イオノフォアの有効性を増加させ、分子結合の破壊を容易にする。具体的には、電磁界により単一分子中で生成されたカルボキシル結合角歪曲は、0.5％を超えてもよく、希酸セルロース加水分解に対するその脆弱性を有意に増加させる。この電磁気エネルギーを、約20〜1000ガウスの電界強度で低周波数で供給する。任意の好適な電磁気エネルギーの供給源、例えば、Eriez社から入手可能な永久磁石または電磁石を用いることができる。
【００２７】
第2の直流供給源162を、約0.2〜約3.0アンペアで、第4の経路160の後の内部反応管152に供給する。これにより、セルロース中のカルボキシル基を活性化および脱安定化するさらなる結合が得られる。反応管152中で、セルロースバイオマスは加水分解ヘミセルロースのスラリーと生成物溶液に変換される。リアクターの熱および圧力と組合わせた、波エネルギーの供給源により、セルロースバイオマス原料の乾燥重量に基づいて約85〜100％の変換率(セルロース結合の加水分解)を達成しながら、約1.5〜4.5分のリアクター滞留時間で第1の段階1を通って反応を進行させることができる。
【００２８】
得られるヘミセルロース加水分解反応スラリーを、フラッシュタンク106中に通過させ、約35〜65℃の温度かつほぼ大気圧の圧力に素早く低下させる。フラッシュされた水蒸気は、排水口121を介してフラッシュタンク106を出て、これを用いて第2の段階2において希酸水溶液を予備加熱することができる。反応物スラリーは導管122を通過して分離装置107に入り、ヘミセルロース加水分解物ペントースおよびヘキソース糖ならびにα-セルロース加水分解物グルコース糖などの生成物溶液と、未加水分解セルロース固形残渣とにスラリーを分離する。生成物溶液は、排水口108を通って分離装置107およびプラント100を出る。未加水分解セルロース固形残渣は、プラント100の第2の段階2中に導管109により運搬される。
【００２９】
図1を参照すれば、段階1に由来する未加水分解セルロース固形残渣を運搬する導管109は、段階2に由来する未加水分解セルロース固形残渣の再利用された画分を運搬する導管118に収斂する。この段階で、未加水分解セルロース結合はほぼα-セルロースであり、ほとんどのヘミセルロース結合は段階1で加水分解されている。合流した導管128は、未加水分解セルロース固形残渣を段階2の回転式供給装置170、次いでスラリー混合装置110に供給し、未加水分解セルロース固形残渣と、注入口111に由来する希酸溶液とを混合する。希酸溶液は、約1.75〜2.5重量％、好適には、約2.0〜2.25重量％の酸などの水溶液であってよい。好適な酸としては、限定されるものではないが、硫酸、硝酸、ヒドロニウムイオン酸などが挙げられる。段階2の注入口111に進入する希酸は、段階1の注入口103に進入する希酸と同じ型および同じ濃度のものであってよい。混合装置110中のスラリー混合物は、約5〜約75重量％、好適には約8〜55重量％の未加水分解セルロース固体を含んでもよい。
【００３０】
希酸溶液を予備加熱し、および／またはスラリー混合装置110を加熱して、約165〜260℃、好適には約180〜225℃の所望の段階2の反応温度、および約100〜250 psi、好適には約180〜220 psiの所望の飽和圧力を達成するのを助けることができる。段階1と同様に、多くの所望の熱および圧力を、プラグフローリアクター中で達成することができる。プラグフローリアクター前の加熱だけで、前記方法のスラリー部分の温度および圧力を所望のレベルまで持って行くことができる。
【００３１】
スラリー混合物は、混合装置110から、スラリーポンプ124を介して、段階2のプラグフローリアクター174の内部管172に運搬される。プラグフローリアクター174は、段階2の反応が起こる内部管172と、熱交換器175を規定し、上記の所望の段階2の反応温度および圧力を維持するのに必要な加熱液体を供給する相互接続された外部管176とを含む。図1に示されるように、段階2の熱交換器175は、熱交換液体を供給するための4個の相互接続された外部管176を含む。内部反応管172は、それぞれの外部管176を通って縦方向に通過し、かくして、熱交換器175を通して4個の経路177、178、179および180を作る。熱交換器175に、外部管176を通して供給して、内部反応管172を加熱する、好適な加熱液体、例えば、過熱水蒸気を供給する。本発明に従えば、内部反応管172に、量子に基づく波エネルギーの1個以上の供給源をも提供する。図1に示される波エネルギーの供給源は、直流供給源162、光子エネルギー(紫外波)供給源164、超音波供給源166および電磁波供給源168を含む。
【００３２】
直流供給源162および光子エネルギー供給源164を、それが熱交換器176を通って第1経路177に進入する前に内部反応管172にそれぞれ供給する。供給源162に由来する直流を、約0.2〜約3.0アンペアで供給する。供給源164に由来する光子(紫外)波エネルギーを、約1015〜約1016ヘルツで供給する。段階2のリアクター174にこれらのエネルギー源を供給するための装置は、段階1のリアクター154について示されたものと同じであってよい。
【００３３】
超音波供給源166および電磁波供給源168を、第1経路177と第2経路178との間、第2経路178と第3経路179との間、および第3経路179と第4経路180との間で、熱交換器176を通して内部反応管172にそれぞれ供給する。超音波を、約20 KHz〜約160 KHzの音響周波数で供給する。電磁気エネルギーを、約20〜約1000ガウスの電界強度で低周波数で供給する。段階2のリアクター174にこれらのエネルギー源を供給するための装置は、段階1のリアクター154について示されたものと同じであってよい。
【００３４】
第2の直流供給源162を、第4経路180の後の内部反応管172に、約0.2〜約3.0アンペアで供給する。リアクターの熱および圧力と組合わせた波エネルギーの供給源により、第1の段階1に進入するセルロースバイオマス原料の乾燥重量に基づいて約85〜100％の全体の変換率を達成しながら、約7.0〜約14分のリアクター滞留時間で第2の段階2を通って反応を進行させることができる。段階2のリアクター174は、実質的には、第2の段階2に進入するα-セルロース加水分解原料を、希酸-水溶液中に溶解した、α-セルロース加水分解物グルコース糖を含む生成物スラリーと、固体生成物画分とに変換する。
【００３５】
この生成物スラリーを、フラッシュタンク115中に通過させ、約55〜85℃の温度かつほぼ大気圧の圧力に素早く低下させる。図1に示されるように、フラッシュされた水蒸気は、排水口105を介してフラッシュタンク116を出て、これを段階1の熱交換器156のための加熱液体としての使用のために再利用することができる。生成物スラリーの残りは、導管119を通過して分離装置116に入り、残りのスラリーを、希酸中のα-セルロース加水分解物グルコース糖などの溶液と、固体生成物画分に分離する。示されるように、この溶液は、ライン103を通って分離装置116を出て、段階1のスラリー混合装置101に戻って再利用される。プラント100の変換効率に起因して、固体生成物画分は、最少の未加水分解α-セルロースを含むか、もしくは未加水分解α-セルロースを含まない高タンパク質生成物残渣から完全に構成されるか、または実質的にそれから構成される。高タンパク質生成物残渣は、高級高タンパク質生成物にさらに処理するために、排水口117を通って分離装置116を出る。
【００３６】
プラント100は、ライン120を介する注入口であり、ライン114を通って段階2のリアクター174の熱交換器175に運搬される、高圧水蒸気などの、最初に熱を加熱液体に移動させるプロセス熱供給源113を含む。熱交換器175を通過させた後、加熱液体をライン120を介して再利用し、熱供給源113を用いて再度加熱する。段階1のリアクター154のための加熱液体を、段階1のリアクターの熱交換器155に誘導する、ライン105を介して段階2のフラッシュタンク115からフラッシュされた水蒸気から供給する。その水蒸気を所望の温度および圧力に上昇させるためには、熱源(示さない)からのさらなる熱が必要な場合がある。他の加熱装置および技術を、本発明から逸脱することなく用いることもできる。
【００３７】
波エネルギー源などの改良のため、セルロースバイオマス処理は、ヘミセルロースおよびα-セルロース結合の約80％以上、または約85％以上、または約90％以上、または約95％以上、または約100％の加水分解を達成し、かくして、残渣出口ストリーム117中の未加水分解セルロースの量を最小化することができる。これにより、高タンパク質残渣の有用な高タンパク質生成物へのより良好な変換が容易になる。
【００３８】
図2は、図1のセルロースバイオマス処理プラントと、高タンパク質生成物残渣を最終的な高級高タンパク質生成物に変換するための装置とを組合わせた統合プラント200を図示する。図2においては、図1の全セルロースバイオマス処理プラント100を、単純性のために、単一のブロック100として表示する。排水口117を通ってプラント100を出る高タンパク質残渣を、注入口212を介して混合ホッパー210に供給する。この残渣は、穀物残渣、溶解した糖およびタンパク質、残留アルコール、水、二酸化炭素、酵母、酵素、ならびに他の副生成物および成分から選択される複数の成分を含んでもよい。残渣を、混合ホッパー210中で、注入口214を介して混合ホッパーに供給された調味料、栄養素、質感改変剤、沈降剤および他の添加物と混合して、合わせた残渣混合物222を提供することができる。調味成分の例としては、限定されるものではないが、穀物抽出物、合成香料、鉱物塩、およびその組合せが挙げられる。栄養素の例としては、限定されるものではないが、ビタミン、ミネラル、タンパク質、およびその組合せが挙げられる。質感改変剤の例としては、限定されるものではないが、穀物抽出物、タンパク質、合成添加物、およびその組合せが挙げられる。沈降剤の例としては、有機および無機沈殿剤ならびにその組合せが挙げられる。
【００３９】
残渣混合物を、混合ホッパーから、排水口216を介して、この実施形態においては、駆動モーター206およびドライブシャフト204により駆動される2軸押出機224であってよい圧縮装置に供給する。2軸押出機を、特定の目的のために調整された様々なスクリュー形状に適合するように設計する。2軸押出機224を、成分の混合および圧縮のために設計し、これは矢印226の位置にバキュームポートを含む。バキュームポートは、残渣スラリーから、水蒸気の形態の大量の水を液化し、除去するための1個以上のバキュームポンプ(示さない)と連絡する。水蒸気が除去されるにつれて、残渣混合物は粘度の低下およびより高い圧力を経験し、それは矢印227の方向に向かって前方に運搬される。圧縮装置は、残渣混合物中の液体含量を、80重量％を超えてもよい出発含量から、約3〜8重量％の非常に低い液体含量まで減少させることができる。
【００４０】
圧縮された残渣混合物は、2軸押出機224から、チャンネル228および約250〜約3000 psiに混合物の圧力を上昇させる圧力ポンプ230を通過する。次いで、残渣混合物はチャンネル232を通って、フラッシュ乾燥チャンバー234として例示される乾燥装置に入り、チャンバー234中の圧縮ゾーン233に進入する。圧縮ゾーン233にある間に、またはその直前に、残渣混合物は、約250〜約3000 psiの圧力、約65℃〜約180℃の温度で、空気または二酸化炭素などの圧縮、加熱された気体と混合される。残渣混合物が圧縮ゾーン233を出る時のその後の圧力の開放は、チャンバー234中の急速な減圧および爆発的な「フラッシュ」乾燥をもたらす。残留水蒸気は排水口237を通ってチャンバー234を出る。約3重量％未満の湿度含量を有する、得られる乾燥高級タンパク質生成物は、1個以上のストランド(strand)236の形態で押出しプレート235として示される、形状化装置を通過する。
【００４１】
ストランド236を、任意の好適な刃集合体、ペレタイザーまたは他の造粒装置を用いて造粒して、高級タンパク質生成物のペレット240を形成させることができる。高級タンパク質生成物を包装および保存するか、または即時使用のために運搬することができる。また、高タンパク質生成物残渣を高級タンパク質生成物に変換するための他の好適な装置を使用し、セルロースバイオマス処理プラント100と組合わせて、統合プラントを形成させることができる。そのような他の装置は、一般的には、圧縮装置、乾燥装置、形状化装置および造粒装置を含むであろうが、図2に示されるもの以外の異なる順序で対応する工程のいくつかを実施することもできる。
【００４２】
図2の統合プラントは、乾燥した圧縮残渣が押出しプレート235を通過するように主として実施される、形状化工程の前にフラッシュ乾燥チャンバー234中で乾燥工程を実施する。爆発的なフラッシュ乾燥は、約2重量％未満、好適には、約1重量％未満、または約0.5重量％未満、または約0.2重量％未満、または約0.1重量％未満、または約0.05重量％未満、または約0.02重量％未満であってよい低い湿度含量を有する高級タンパク質生成物をもたらす。低い湿度含量は、湿度により誘導される腐敗を軽減することにより高級タンパク質生成物の保存安定性を増強する。
【００４３】
セルロースバイオマス処理プラント100、および／または統合プラント200を、鋼鉄製のプラットフォームまたは他の好適な支持装置に固定することにより、該プラントを運搬可能にすることができる。このプラットフォームに車輪を提供し、車両を用いて牽引するための連結装置を提供することができる。セルロースバイオマス処理プラント100および／または統合プラント200の運搬性を、ヘミセルロースおよびα-セルロース結合の加水分解を容易にする波エネルギーの使用の結果生じるより高いプラントの効率およびより小さいサイズ要件により可能にする。
【００４４】
プラント効率の増加およびプラントサイズの低下に加えて、量子に基づく波エネルギーの使用は、プラントを運転するのに必要とされるエネルギー消費を劇的に低下させる。プラントの運搬性により、様々なセルロースバイオマス源にそれを輸送し、それによってセルロースバイオマスを輸送する費用を排除することができる。前記プラントを、運転の性質に応じて、大きくも小さくもできる。このプラントを、高い容量の商業的使用のためには大きくすることができるし、または個人によるより少量の使用のためには小さくすることができる。
【００４５】
本明細書に記載の本発明の実施形態は例示である。本発明の精神および範囲を逸脱することなく、様々な改変および改良を行うことができる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に示されるものであり、それと等価な意味および範囲の中にある全ての変更がそこに包含されると意図される。
【図１】
2011524246.tif 000003
【図２】
2011524246.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月13日(2011.1.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1のリアクター、第1のリアクターのための熱源、および第1のリアクターと連絡する1個以上の第1段階のエネルギーの供給源を含む第1段階と、
第2のリアクター、第2のリアクターのための熱源、および第2のリアクターと連絡する1個以上の第2段階のエネルギーの供給源を含む第2段階と、
を含み、第1段階がセルロースバイオマス原料、および該セルロースバイオマス原料のセルロースの加水分解を引き起こす酸溶液を受容し、且つ第2段階が第1段階に由来する未加水分解セルロースおよび酸溶液を受容し、該第1段階に由来する未加水分解セルロースのさらなる加水分解を引き起こす、セルロースバイオマス処理プラント。
【請求項２】
1個以上の第1段階のエネルギーの供給源が、セルロースバイオマス原料のセルロースの加水分解の収率を増加させるように構成されており、且つ1個以上の第2段階のエネルギーの供給源が、第1段階に由来する未加水分解セルロースの加水分解の収率を増加させるように構成されており、前記セルロースバイオマス処理プラントは前記セルロースの約80％以上の加水分解を達成するものである、請求項１に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項３】
第1のリアクターが連続フローリアクターであり、且つ第2のリアクターが連続フローリアクターである、請求項１に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項４】
1個以上の第1段階のエネルギーの供給源が、光子エネルギー、超音波エネルギー、紫外線エネルギー、磁気エネルギー、直流の供給源およびその組合せからなる群より選択される、請求項１に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項５】
1個以上の第2段階のエネルギーの供給源が、光子エネルギー、超音波エネルギー、紫外線エネルギー、磁気エネルギー、直流の供給源およびその組合せからなる群より選択される、請求項１に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項６】
第2段階に由来する高タンパク質残渣を受容し、且つそれを高級タンパク質生成物に変換するための装置をさらに含む、請求項１に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項７】
高タンパク質残渣を受容し、且つ変換するための装置が、圧縮装置、形状化装置、乾燥装置および造粒装置を含む、請求項６に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項８】
前記プラントを輸送するための車輪を備えたプラットフォームをさらに含む、請求項１に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項９】
前記セルロースが、木材、トウモロコシ、小麦、大麦、大豆、草および再利用されるセルロース生成物からなる群より選択される、請求項１に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項１０】
セルロースバイオマス原料と酸溶液とを混合して、スラリーを形成させる工程と、
該スラリーを加熱する工程と、
該スラリーをリアクターに通過させる工程と、
該リアクターに1個以上のエネルギーの供給源を供給して、ヘミセルロースおよびα-セルロースの加水分解を容易にし、生成物スラリーを形成させる工程と、
該生成物スラリーの固体成分と液体成分を分離する工程と、
を含む、セルロースバイオマス原料を処理する方法。
【請求項１１】
前記リアクターが第1段階および第2段階を含み、且つ1個以上のエネルギーの供給源を該リアクターの各段階に供給する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
それぞれの1個以上のエネルギーの供給源が、光子エネルギー、超音波エネルギー、紫外線エネルギー、磁気エネルギー、直流の供給源およびその組合せからなる群より選択される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
1個以上のエネルギーの供給源を、前記リアクターの第1段階中の複数の位置および前記リアクターの第2段階中の複数の位置に供給する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記生成物スラリーを液体ストリームと高タンパク質残渣とに分離し、該高タンパク質残渣を圧縮、形状化、乾燥および造粒して、高級タンパク質生成物を形成させる工程をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記セルロースが、木材、トウモロコシ、小麦、大麦、大豆、草および再利用されるセルロース生成物からなる群より選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
第1のリアクター、第1のリアクターのための熱源、第1段階のリアクターと連絡した1個以上の第1段階のエネルギーの供給源、第1段階のリアクターと連絡したフラッシュタンク、および該フラッシュタンクと連絡した分離装置を含み、1個以上の第1段階のエネルギーの供給源が、第1段階のリアクター中の複数の位置で連絡して提供される、第1段階と、
第2のリアクター、第2のリアクターのための熱源、第2段階のリアクターと連絡した1個以上の第2段階のエネルギーの供給源、第2段階のリアクターと連絡したフラッシュタンク、および該フラッシュタンクと連絡した分離装置を含み、1個以上の第2段階のエネルギーの供給源が、第2段階のリアクター中の複数の位置で連絡して提供される、第2段階と、
を含む、セルロースバイオマス処理プラント。
【請求項１７】
1個以上のエネルギーの供給源が、前記リアクターの第1段階中の複数の位置および前記リアクターの第2段階中の複数の位置に供給され、且つ該1個以上のエネルギーの供給源が、光子エネルギー、超音波エネルギー、紫外線エネルギー、磁気エネルギー、直流の供給源およびその組合せからなる群より選択される供給源を含む、請求項１６に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【請求項１８】
前記セルロースバイオマス処理プラントがセルロースの約80％以上の加水分解を達成するように構成される、請求項１６に記載のセルロースバイオマス処理プラント。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
プラント100は、第1の段階1と第2の段階2とを含む。第1の段階1においては、典型的には蒸留器中の湿った穀物(DWG)の形態のセルロースバイオマス原料を、注入口102を通して回転式供給装置150に運搬する。希酸の溶液は、注入口103を通ってプラント100に進入し、回転式供給装置150の下のスラリー混合装置101中でセルロースバイオマス原料と混合される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
第2の直流供給源162を、第4経路180の後の内部反応管172に、約0.2〜約3.0アンペアで供給する。リアクターの熱および圧力と組合わせた波エネルギーの供給源により、第1の段階1に進入するセルロースバイオマス原料の乾燥重量に基づいて約85〜100％の全体の変換率を達成しながら、約7〜約14分のリアクター滞留時間で第2の段階2を通って反応を進行させることができる。段階2のリアクター174は、実質的には、第2の段階2に進入するα-セルロース加水分解原料を、希酸-水溶液中に溶解した、α-セルロース加水分解物グルコース糖を含む生成物スラリーと、固体生成物画分とに変換する。
【国際調査報告】
2011524246.tif 000005
2011524246.tif 000006