(57)【要約】  １つの実施形態によると、バイオマスを加熱処理するための方法は、バイオマスが前処理反応器内で前処理反応工程を経ることを可能とすることを含む。前処理反応工程は可溶性成分と共に前処理されたバイオマスを生じさせる。第１温度を有する第１液体は前処理反応器内に移動されて、前処理されたバイオマスは第１温度を第２温度まで上昇させる。少なくとも一部の可能性成分は第１液体中に捕捉されて、第１液体中の少なくとも一部の可溶性成分及び第１液体は前処理反応器から除去される。第３温度を有する第２液体は前処理反応器内に移動されて、前処理されたバイオマスは第３温度を第４温度まで上昇させて、第４温度は第２温度よりも低い。【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを加熱処理するための方法であって、
第１温度を有する第１液体をバイオマスを含む前処理反応器内に移動させる段階であって、第１液体はバイオマスの温度を第２温度まで上昇させる段階と、
第１液体を前処理反応器から除去する段階と、
第３温度を有する第２液体を前処理反応器内に移動させる段階であって、第２液体はバイオマスの温度を第４温度まで上昇させて、第４温度は第２温度よりも高い段階と、
前処理反応器内のバイオマスは少なくとも第４温度の温度で前処理反応工程を経ることが可能な段階であって、前処理反応工程は前処理されたバイオマスを生じさせる段階と、
前処理反応の後に、第３液体を前処理反応器内に移動させる段階であって、前処理されたバイオマスは第３液体の温度を第５温度に上昇させる段階とを含む方法。
【請求項２】
請求項１の方法であって、
第１液体は第３液体であって、
バイオマスを含む前処理反応器から除去された第１液体の温度は第１温度よりも低い方法。
【請求項３】
請求項１の方法であって、
第３液体は第２バイオマスを有する第２前処理反応器から除去されて、
第３液体は第２バイオマスの温度を第２温度まで上昇させる方法。
【請求項４】
請求項１の方法であって、
第２液体を前処理反応器から除去する段階と、
第４液体を前処理反応器内に移動させる段階であって、第４液体はバイオマスの温度を第６温度まで上昇させて、第６温度は第４温度よりも高く、且つバイオマスは少なくとも第６温度の温度で反応を経る段階とをさらに含む方法。
【請求項５】
請求項４の方法であって、
前処理反応工程の後に、第５液体を前処理反応器内に移動させる段階をさらに含み、
前処理されたバイオマスは第２液体の温度を第７温度まで上昇させ、第７温度は第３液体の第５温度よりも高い方法。
【請求項６】
請求項１の方法であって、
第２液体が前処理反応器内に移動されて第１液体を置換する場合、前処理反応器から第１液体を除去する段階は置換抽出工程において実行される方法。
【請求項７】
請求項１の方法であって、
前処理反応工程の間に前処理反応器内で可溶性成分を生じさせる段階と、
第１液体が前処理されたバイオマスを有する前処理反応器内に戻される場合、第１液体中の少なくともいくらかの可溶性成分を捕捉する段階とをさらに含む方法。
【請求項８】
請求項７の方法であって、
第１液体中の少なくともいくらかの可溶性成分及び前処理反応器からの第１液体を除去する段階をさらに含む方法。
【請求項９】
バイオマスを加熱処理するための方法であって、
前処理反応器内のバイオマスが前処理反応工程を経ることが可能である段階であって、前処理反応工程は可溶性成分と共に前処理されたバイオマスを生じさせる段階と、
第１温度を有する第１液体を前処理反応器内に移動させる段階であって、前処理されたバイオマスは第１温度を第２温度まで上昇させる段階と、
第１液体中の少なくとも一部の可能性成分を捕捉する段階と、
第１液体中の少なくとも一部の可溶性成分及び前処理反応器からの第１液体を除去する段階と、
第３温度を有する第２液体を前処理反応器内に移動させる段階であって、前処理されたバイオマスは第３温度を第４温度まで上昇させて、第４温度は第２温度よりも低い段階とを含む方法。
【請求項１０】
請求項９の方法であって、第１液体中の少なくとも一部の可溶性成分及び前処理反応器からの第１液体を除去する段階の後の第１液体の温度は第２温度である方法。
【請求項１１】
請求項９の方法であって、
第２液体中の少なくとも他の一部の可溶性成分を捕捉する段階と、
第２液体中の少なくとも他の一部の可溶性成分及び前処理反応器からの第２液体を除去する段階とをさらに含む方法。
【請求項１２】
請求項１１の方法であって、
除去された第１液体は除去された第２液体よりも高濃度の可溶性成分を有する方法。
【請求項１３】
請求項９の方法であって、第２液体が前処理反応器内に移動されて第１液体を置換する場合、前処理反応器から第１液体を除去する段階は置換抽出工程において実行される方法。
【請求項１４】
請求項９の方法であって、
前処理反応器から前処理されたバイオマスを排出する段階と、
新たなバイオマスを前処理反応器内に積込む段階と、
第４温度を有する第２液体を前処理反応器内に移動させる段階であって、第２液体はバイオマスの温度を第５温度まで上昇させる段階と、
第２温度を有する第１液体を新たなバイオマスを含む前処理反応器内に移動させる段階であって、第１液体は新たなバイオマスの温度を第６温度まで上昇させ、第６温度は第５温度よりも高い段階とをさらに含む方法。
【請求項１５】
請求項９の方法であって、
第４温度を有する第２液体を第２バイオマスを有する第２前処理反応器内に移動させる段階であって、第２液体は第２バイオマスの温度を第５温度まで上昇させる段階と、
第２温度を有する第１液体を第２バイオマスを有する第２前処理反応器内に移動させる段階であって、第１液体は第２バイオマスの温度を第６温度まで上昇させて、第６温度は第５温度よりも高い段階とをさらに含む方法。
【請求項１６】
請求項９の方法であって、
第１液体又は前処理反応器中で除去された少なくとも一部の可溶性成分の１つから可溶性成分をパージする段階をさらに含む方法。
【請求項１７】
バイオマスを加熱処理する装置であって、
バイオマスを含む前処理反応器と、
第１温度を有する第１液体を含む第１タンクと、
第３温度を有する第２液体を含む第２タンクと、
第３液体を含む第３タンクとを備え、
前処理反応器は前処理反応工程を経るように操作可能であるため、前処理されたバイオマスを生じさせることができ、
第１タンクは前処理反応器と流体連結されており、第１液体は前処理反応器内に移動されるように操作可能であるため、バイオマスの温度を第２温度まで上昇させることができ、
第２タンクは前処理反応器と流体連結されており、第２液体は前処理反応器内に移動されるように操作可能であるため、バイオマスの温度を第４温度まで上昇させることができ、第４温度は第２温度よりも高く、
第３タンクは前処理反応器と流体連結されており、第３液体は前処理反応工程の後に前処理反応器内に移動されるように操作可能であり、前処理されたバイオマスは第３液体の温度を第５温度まで上昇可能である装置。
【請求項１８】
請求項１７の装置であって、
第１液体は第３液体であり、
第１タンクは第３タンクである装置。
【請求項１９】
請求項１７の装置であって、
第２バイオマスを有する第２前処理反応器をさらに備え、第３タンクは第２前処理反応器と流体連結されており、第３液体は第２バイオマスの温度を第２温度まで上昇させる装置。
【請求項２０】
請求項１７の装置であって、
第４液体を含む第４タンクをさらに備え、第４タンクは前処理反応器に流体連結されており、第４液体は前処理反応器内に移動されるように操作可能であるため、バイオマスの温度を第６温度まで上昇可能であり、第６温度は第４温度よりも高い装置。
【請求項２１】
請求項２０の装置であって、
第５液体を含む第５タンクをさらに備え、第５タンクは前処理反応器に流体連結されており、第５液体は前処理反応工程の後に前処理反応器内に移動されるように操作可能であり、前処理されたバイオマスは第５液体の温度を第７温度まで上昇可能であり、第７温度は第３液体の第５温度よりも高い装置。
【請求項２２】
請求項１７の装置であって、第２液体が前処理反応器内に移動されて第１液体を置換する場合、第１液体は置換抽出工程において前処理反応器から除去されるように操作可能である装置。
【請求項２３】
請求項１７の装置であって、
可溶性成分は前処理反応工程の間に前処理反応器内で生じ、
第１液体は第１液体中の少なくとも一部の可溶性成分を捕捉するよう操作可能である装置。
【請求項２４】
バイオマスを加熱処理するための装置であって、
バイオマスを含む前処理反応器と、
前処理反応器と流体連結される複数のタンクと、
前処理反応器と流体連結される複数の第２タンクとを備え、
前処理反応器は前処理反応工程を経るように操作可能であるため、前処理されたバイオマスを生じさせることができ、
各々の複数のタンクは液体を含み、各々の複数のタンク内の液体は異なる温度を有し、各々の複数のタンク内の液体は前処理反応器内に移動されるように操作可能であるため、バイオマスの温度を上昇させることができ、
各々の複数の第２タンクは第２液体を含み、各々の複数の第２タンク内の第２液体は前処理反応工程の後に前処理反応器内に移動されるように操作可能であり、前処理されたバイオマスは各々の複数の第２液体の温度を上昇させる装置。
【請求項２５】
請求項２４の装置であって、
少なくともいくつかの複数の第２タンクは少なくともいくつかの複数のタンクである装置。
【請求項２６】
請求項２４の装置であって、
複数の第２タンクは複数のタンクである装置。
【請求項２７】
請求項２４の装置であって、
前処理反応器は複数の前処理反応器である装置。
【請求項２８】
請求項２７の装置であって、
複数の第２タンクは複数のタンクであり、及び
前処理反応器は複数のタンクの周囲に配置されている装置。
【請求項２９】
バイオマスを加熱処理するための装置であって、
バイオマスを含む前処理反応器と、
第１温度を有する第１液体を含む第１タンクと、
第３温度を有する第２液体を含む第２タンクとを備え、
前処理反応器は前処理反応工程を経るように操作可能であるため、可溶性成分と共に前処理されたバイオマスを生じさせることができ、
第１タンクは前処理反応器と流体連結されており、第１液体は前処理反応器内に移動されるように操作可能であるため、第１液体中において少なくとも一部の可溶性成分を捕捉することができ、前処理されたバイオマスは第１温度を第２温度まで上昇させることができ、少なくとも一部の可溶性成分は第１液体中において前処理反応器から除去されるように操作可能であり、
第２タンクは前処理反応器と流体連結されており、第２液体は前処理反応器内に移動されるように操作可能であり、前処理されたバイオマスは第３温度を第４温度まで上昇させ、第４温度は第２温度よりも低い装置。
【請求項３０】
請求項２９の装置であって、
第２液体は第２液体中の少なくとも他の一部の可溶性成分を捕捉するように操作可能であり、少なくとも他の一部の可溶性成分は第２液体中において前処理反応器から除去されるように操作可能である装置。
【請求項３１】
請求項３０の装置であって、除去された第１液体は除去された第２液体よりも高濃度の可溶性成分を有する装置。
【請求項３２】
請求項２９の装置であって、第２液体が前処理反応器内に移動されて第１液体を置換するとき、第１液体は置換抽出工程において前処理反応器から除去されるように操作可能である装置。
【請求項３３】
請求項２９の装置であって、
前処理されたバイオマスは前処理反応器から排出されるように操作可能であり、新たなバイオマスが前処理反応器内に積込まれるように操作可能であり、
第２液体は第２前処理反応器内に移動されるように操作可能であるため、新たなバイオマスの温度を第５温度まで上昇させることができ、
第１液体は第２前処理反応器内に移動させるように操作可能であるため、新たなバイオマスの温度を第６温度まで上昇させることができ、第６温度は第５温度よりも高い装置。
【請求項３４】
請求項２９の装置であって、
第２バイオマスを含む第２前処理反応器をさらに備え、
第２タンクは第２前処理反応器と流体連結されており、第２液体は第２前処理反応器に移動されるように操作可能であるため、第２バイオマスの温度は第５温度まで上昇可能であり、
第１タンクは第２前処理反応器に流体連結されており、第１液体は第２前処理反応器に移動されるように操作可能であるため、第２バイオマスの温度を第６温度まで上昇させることができ、第６温度は第５温度よりも高い装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概してバイオマスの加工、より詳細にはバイオマスを前処理するためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
関連出願の相互参照
３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に従って、本出願は、２００７年１１月２日に出願されて「バイオマス前処理システム（ＢＩＯＭＡＳＳ  ＰＲＥＴＲＥＡＴＭＥＮＴ  ＳＹＳＴＥＭ）」と題される米国仮特許出願第６０／９８５，０５９号の優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
バイオマスを処理するための様々な技術が存在している。しばしばそのようなバイオマスの「処理」の前に、バイオマスは処理の間のバイオマスの生物消化（biodigestibility）を促進するために「前処理」される。バイオマスの前処理工程は、液体存在下において高温及び高圧にて反応器内で行うことができる。酸、アルカリ及び酸化剤などの所定の物質は、この工程を促進させるためによく使用される。前処理工程の例は、塩基触媒（アンモニア、アルカリ性過酢酸、アルカリ性過酸化物、アルカリ性溶媒、石灰、酸素加圧石灰、水酸化ナトリウム）、非触媒（自動加水分解、温水、温水−中性ｐＨ、蒸気）、酸触媒（硫酸、塩酸、過酢酸、リン酸、二酸化硫黄を用いた濃酸又は希酸）、溶剤ベース（オルガノソルブ、その他の溶剤）、及び化学ベース（過酸化物、湿式酸化）を含むが、これらに限定されない。
【発明の概要】
【０００４】
１つの実施形態によると、バイオマスを加熱処理するための方法は、バイオマスが前処理反応器内で前処理反応工程を経ることを可能とすることを含む。前処理反応工程は可溶性成分と共に前処理されたバイオマスを生じさせる。第１温度を有する第１液体は前処理反応器内に移動されて、前処理されたバイオマスは第１温度を第２温度まで上昇させる。少なくとも一部の可能性成分は第１液体中に捕捉されて、第１液体中の少なくとも一部の可溶性成分及び第１液体は前処理反応器から除去される。第３温度を有する第２液体は前処理反応器内に移動されて、前処理されたバイオマスは第３温度を第４温度まで上昇させて、第４温度は第２温度よりも低い。
【０００５】
本発明のある実施形態は多数の技術的優位性を提供し得る。例えば、１つの実施形態の技術的優位性は、効率的に熱を回収している間に反応器内でバイオマスを徐々に冷却及び加熱する能力を含み得る。その他の実施形態のその他の技術的優位性は、反応器内で前処理が行われている間に生成された可溶性種の抽出及び除去を同時に行うことを可能とする能力を含み得る。さらに、その他の実施形態のその他の技術的優位性は、「置換抽出（displacement  extraction）」として知られている技術を使用する能力を含み得るため、熱及び可溶性種を回収できる。そしてバイオマス中に存在する液体は、混合することなく液体を流入させることで移動されるため、より効率的な抽出及び熱の回収を可能とする。さらに、その他の実施形態のその他の技術的優位性は、バイオマス粒子の間質腔が常時液体で満たされるよう維持するために、液体の水圧ヘッドを利用する能力を含み得る。そのため、液体が単に排出可能なときよりもより速い浸透速度を可能として、空気が排出される。さらに、その他の実施形態のその他の技術的優位性は、前処理されたバイオマスから効率的に熱及び可溶性種を回収するために、効率的な物質移動技術を使用する能力を含み得る。さらに、その他の実施形態のその他の技術的優位性は、抽出のためのねじプレス又はローラーミルなどの高価な脱水機の使用を避ける能力を含み得る。さらに、その他の実施形態のその他の技術的優位性は、高価な熱交換器の使用を避ける能力を含み得る。さらに、その他の実施形態のその他の技術的優位性は、ポンプ及び弁の開閉を使用して操作可能な簡単な熱及び可溶性種の回収システムを提供する能力を含み得る。さらに、その他の実施形態のその他の技術的優位性は、多くの異なる前処理技術に柔軟に適用し得るシステムを提供する能力を含み得る。
【０００６】
特別な優位性は上記に列挙されているが、様々な実施形態は全ての、又はいくつかの列挙された優位性を含み、又は列挙された優位性を全く含まなくてもよい。さらに、その他の技術的優位性は、以下の図面及び説明を検討した後に、当業者の一人に容易に明確となるであろう。
【０００７】
本開示の実施形態のより完全な理解は、添付の図面と共に詳細な説明から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ−１Ｈ】バイオマスが加熱サイクルを経ることが可能であるバイオマス前処理システムの１つの実施形態を示している。
【図２Ａ−２Ｈ】バイオマスが冷却サイクルを経ることが可能である図１Ａ−１Ｈのバイオマス前処理システムを示している。
【図３】図１Ａ−１Ｈのバイオマス前処理システムのそれぞれのタンクに対するパージ処理の１つの実施形態を示している。
【図４】複数の前処理反応器が提供されるバイオマス前処理システムの他の実施形態を示す図である。
【図５】複数の前処理反応器が円形配置で提供されるバイオマス前処理システムの他の実施形態を示す図である。
【図６】図４又は５の実施形態を使用した前処理工程を実施する１つの実施形態を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
発明の実施形態の実施の例が以下に示されているが、本発明は現在知られているか又は知られていない、いくつもの技術を用いて実施され得ることを最初に理解されなければならない。本発明は以下に示された実施例、図面及び技術を全く制限するものではない。また、図面は必ずしも尺度を表していない。
【００１０】
実際には、最適な熱回収は熱交換器内で２つの液体の間で起こる。乱流は液体中で容易に発生するため、熱伝導は比較的効率的である。気体を扱うとき、熱交換器を使用した熱回収もまた実行可能であるが、フィンなどの熱伝達補助器具が必要であろう。その一方で、固体から熱を交換することは、ある程度の流動性を有する粉末などの特別な場合、及び乱流を形成するための十分な混合を可能とする一定の条件を除いて難しい。しかしながら、いくつかの固体は適した少量の液体と共に容易にスラリーとなり、それらの流動性を増加させ得るため、熱交換器内で起こる熱伝導を可能とする。しかしながら、繊維状のバイオマスなどのその他の固体は、スラリー化のために非常に多量の液体を必要とし（固体の２５倍量以上）、その体積により法外な費用がかかり不便である。そのような固体と共に熱伝導を達成するための最良の方法は、固体と熱伝導流体の直接的で緊密な接触を可能とすることである。例えば、ガス化技術において、流動床及び同伴ガス化装置は効率的な熱伝導を可能として、流体（すなわち空気）と繊維状のバイオマスとの直接接触を可能とする。
【００１１】
バイオマスの前処理技術において、温液（例えば水）が使用され得るところでは、この液体は好ましい熱伝導流体である。いくつかの熱伝導は、前処理が行われた後に反応器内の液体を除去すること、及び次の前処理サイクルにおいてこの同一の液体を再利用することによって試みることができる。しかしながら、バイオマス及び同伴水中に存在する熱は効率的に除去することができない。さらに、前処理中に放出される可溶性種は効率的に除去することができない。従って、ある実施形態の教示は、液体の温度又は可溶性種の濃度を下げることなく、ほとんど軸方向混合を起こさずに、バイオマス床中に存在する液体の回収を可能とする置換抽出の使用を認める。さらに、ある実施形態の教示は、様々な段階の使用を通して、熱及び可溶性種の両方の回収をほぼ完了可能であることを認める。
【００１２】
置換抽出は、異なる液体がほとんど混合されること無くお互いに置き換わる工程である。置換抽出工程は、例えば、米国特許第５，７７２，７７５号に記載されているように、サトウキビから糖を抽出するため、メイチャージ効果（Meichage  effect）を使用可能である。メイチャージ効果を使用して、米国特許第５，７７２，７７５号には、ドラック輸送システムの入口から出口への粉末サトウキビ床の輸送が記載されている。１つの特定の段階からの液体は、床を浸すために上方へ送り出され、いくらかの空気を置換する（すなわちメイチャージ効果）。その後、次の段階からの液体は、床に存在する液体を置換するために使用される。この工程は比較的効率が良く、糖抽出のための従来の拡散器において必要となる１７から１９の段階と比較して、３段階だけでサトウキビからの良好な糖の抽出を達成することを示している。
【００１３】
生物消化を促進するためのバイオマスの前処理は、液体（例えば水）存在下において、高温及び高圧で反応器内においてよく行われており、その液体は酸、アルカリ、酸化剤などの所定の物質を含み得る。効率的な熱回収、及び多くの場合、前処理の間に生成される可溶性種の抽出は望ましい。従って、ある実施形態の教示は、熱及びバイオマスの前処理からの可溶性種を回収するために、空気排除（すなわちメイチャージ効果）によって補助された置換抽出の使用を認める。
【００１４】
限定されない実施例として、それぞれ１つの段階を表す一連のタンクは、前処理反応器の内部でバイオマス床を徐々に加熱又は徐々に冷却するために使用し得る。それぞれのタンク／段階に存在する液体が前処理反応器に運ばれるたびに、前処理反応器内に存在する液体は排出可能であり、次のタンク／段階に運ばれる。置換液体は、理論的には軸方向混合が起こらないクロマトグラフィーカラムにおいて起こる現象と類似する前進した分野として、床を通過して流れ得る。このようにして、タンクからの液体はいつでもバイオマス床内に存在する液体を置換することができ、排出される液体の温度及び可溶性種の濃度を維持することができる。ある特定の実施形態において、未使用のバイオマスが天然の可溶性物質（例えば糖、タンパク質）を含む場合、加熱サイクルの前にこれらの天然可溶分を抽出することが望ましい。農作物から天然可溶分を抽出するための従来の方法（製粉、拡散）に付け加えて、熱及び前処理の間に生成される可溶性種の回収のために提案された実施形態と同様の方法で配置される、分離した一式のタンクも使用可能である。
【００１５】
ある特定の実施形態において、タンク／段階の数は、適切で費用効果の高い熱及び可溶性種の回収を達成するために必要な任意の数であり得る。ある特定の実施形態において、温度の相違による軸方向混合の原因となる望ましくない液体の浮力を避けるために、濃い液体が反応器の底に位置するよう液体を移動させることは有益であろう。すなわち、タンク内の液体が反応器内の液体よりも濃い場合、反応器の底に誘導可能である。逆に、タンク内の液体が反応器内の液体よりも薄い場合、反応器の上部に誘導可能である。
【００１６】
図１Ａから１Ｈはバイオマス前処理システム１０の１つの実施形態を示している。バイオマス前処理システム１０は一般的に、バイオマスと異なる温度の水などの液体を保持するようにそれぞれ構成された多数のタンク１４を含むよう構成された前処理反応器１２を含む。以下に詳細が記載されているように、タンク１４はポンプを通して前処理反応器１２に連結されており、ポンプはバイオマスの温度が比較的良い効率で上昇及び下降されるように、液体を複数のそれぞれのタンク１４から前処理反応器１２に選択的に送り出すように操作可能である。
【００１７】
図１Ａから１Ｈの各々は、前処理反応器１２内に含まれるバイオマスに施行され得るバイオマスの前処理工程を示している。図１Ａでは、バイオマスは前処理反応器１２に搭載され、それぞれのタンク１４内の液体は異なる温度に上昇され得る。図１Ａから１Ｈは一般的に、バイオマスの温度が高温まで徐々に上昇され得る加熱サイクルを示している。特定の温度、及びタンク及び反応器の数が示されているが、その他の実施形態において、異なる温度及び異なる数のタンク及び／又は反応器が使用されてもよい。
【００１８】
図１Ｂでは、タンク１４ａからの液体は反応器に移動されることで、バイオマス床を浸して空気を除去することができる。その工程はメイチャージ効果として知られている。タンク１４ａの液体は４０℃に保たれる。反応器内のバイオマスはより冷たいため、これは温度が約３０℃まで下降する原因となり得る。
【００１９】
図１Ｃでは、３０℃の同伴液体は、その後、６０℃の温度であり得るタンク１４ｂ内の液体によって置換される。３０℃の排出される液体はタンク１４ａに向けられて、反応器内のバイオマス床及び液体は約５０℃の中間平衡温度に到達する。
【００２０】
図１Ｄでは、反応器内の５０℃の液体は、その後、８０℃の温度であり得るタンク１４ｃ内の液体によって置換される。５０℃の液体はその温度を維持し、タンク１４ｂに送られる。その後、バイオマス床は約７０℃の中間平衡温度に到達する。
【００２１】
図１Ｅでは、反応器内の７０℃の液体は、その後、１００℃の温度であり得るタンク１４ｄの液体によって置換される。７０℃の液体はその温度を維持し、タンク１４ｃに送られる。バイオマス床は約９０℃の中間平衡温度に到達する。
【００２２】
図１Ｆでは、反応器内の９０℃の液体は、その後、１２０℃の温度であり得るタンク１４ｅの液体によって置換される。９０℃の液体はその温度を維持し、タンク１４ｄに送られる。バイオマス床は約１１０℃の中間平衡温度に到達する。
【００２３】
図１Ｇでは、反応器内の１１０℃の液体は、その後、１４０℃の温度であり得るタンク１４ｆの液体によって置換される。１１０℃の液体はその温度を維持し、タンク１４ｅに送られる。バイオマス床は約１３０℃の中間平衡温度に到達する。
【００２４】
図１Ｈでは、前処理物質は反応器を所望の温度とするため、前処理反応器１２に添加可能である。前処理物質は所望の温度への最終加熱の前又は後に添加可能であるが、液体中で物質を希釈することから放出され得るあらゆる熱を使用するために、物質を前に加えることが望ましい。
【００２５】
１つの実施形態では、上述された前処理工程は媒体として水を使用し、約６時間にわたって起こり得る。この特定の実施形態では、水は１６０℃に維持されるため、全システムがこれらの比較的高温で前処理が可能なように加圧され得る。１つの実施形態では、温度を所望の水準まで上昇させるために、蒸気が反応器内に注入され得る。
【００２６】
別の実施形態では、全ての段階に対する置換抽出サイクルは、加熱の間及び冷却の間、完了するまで約３０分を要する可能性がある。これは加熱前のバイオマスの積込（load）、及び冷却後のバイオマスの排出（unload）を含む。バイオマスを積込んだ後、酸、アルカリ、酸化剤などの前処理物質（もしあれば）を、熱回収の前又は後のどちらかに加えることができる。いくつかの場合では、例えば、希釈の発熱を有する物質（例えば生石灰、硫酸）が使用されるときなどは、熱回収の後にそれが加えられると都合がよい。これは蒸気又はその他の加熱媒体から必要とされる加熱負荷を減少させることができる。前処理反応の間の反応器内での混合は、必要に応じて実施可能である（例えば、回転（tumbling）、バイオマス床を通過する液体の再循環、オージェリング（augering））。タンク／段階の数は図１Ａ−１Ｈに示される実施形態では６であるが、より多くの又はより少ないタンク／段階が使用されてもよい。
【００２７】
図２Ａから２Ｈは冷却サイクルの１つの実施形態を表すバイオマス前処理システム１０を示している。図１Ａ−１Ｈの加熱サイクルに従って加熱される前処理反応器１２内のバイオマスの温度は徐々に低下され得る。
【００２８】
図２Ａでは、前処理反応器１２内のバイオマスは約１６０℃の温度まで上昇する。前処理反応器１２が所望の温度となり、適切な前処理物質が添加された後に、反応は所望の時間にわたって起こる。前処理の間、反応器中の温度は前処理反応の熱的性質に依存して、蒸気又はその他の適切な加熱材料を提供することによって又は冷却水によって制御可能である。所望の反応時間が経過した後、前処理は終了し、冷却サイクルが開始する。
【００２９】
図２Ｂでは、反応器内の１６０℃の液体は、その後、１１０℃の温度であり得るタンク１４ｅ内の液体によって置換される。１６０℃の液体はその温度を維持し、タンク１４ｆに送られる。その後、バイオマス床は約１２０℃の中間平衡温度に到達する。
【００３０】
図２Ｃでは、前処理反応器１２内の１２０℃の液体は、その後、９０℃の温度のタンク１４ｄ内の液体によって置換される。１２０℃の液体はその温度を維持し、タンク１４ｅに送られる。その後、バイオマス床は約１００℃の中間平衡温度に到達する。１つの実施形態では、タンク１４ｆ内の約１６０℃の液体は、前処理工程から抽出された比較的高濃度の可溶性種を有し得る。これらの可溶性生成物の蓄積を避けるために、一定量のこの液体はパージされて適した下流の工程機構に送られ得る。パージされた液体は未使用の液体に置換されることができ、それは、周囲温度、又は生物変換プロセスにおいてその他のユニットとの熱統合によって発生した高温の未使用液体であり得る。タンク１４ｆは図２Ｃのこの実施形態においてパージされるように示されているが、その他の実施形態では、図２Bを参照して、液体をタンク１４ｆに移動させることに代えて、パージが前処理反応器１２から直接行われてもよい。例えば、図２Ａにおいて反応器１２は流体を排出し（工程後）、図２Ｂ−２Ｈの残りの段階が開始可能である。
【００３１】
図２Dでは、前処理反応器１２内の１００℃の液体は、その後、約７０℃の温度のタンク１４ｃ内の液体によって置換される。１００℃の液体はその温度を維持し、タンク１４ｄに送られる。その後、バイオマス床は約８０℃の中間平衡温度を有し得る。
【００３２】
図２Eでは、前処理反応器１２内の８０℃の液体は、その後、約５０℃の温度でタンク１４ｂ内の液体によって置換される。８０℃の液体はその温度を維持し、タンク１４ｃに送られる。その後、バイオマス床は約６０℃の中間平衡温度に到達する。
【００３３】
図２Fでは、前処理反応器１２内の６０℃の液体は、その後、約３０℃の温度のタンク１４a内の液体によって置換される。６０℃の液体はその温度を維持し、タンク１４ｂに送られる。その後、バイオマス床は約４０℃の中間平衡温度に到達する。
【００３４】
図２Gでは、前処理反応器１２内の４０℃の液体は、その後、約３０℃で未使用水入口１６を通過して導入される未使用水によって置換される。４０℃の液体はその温度を維持し、タンク１４aに送られる。その後、バイオマス床は約３０℃の中間平衡温度に到達する。この液体はタンク１４aに送られて、次の加熱サイクルのために使用可能である。１つの実施形態では、前処理反応器１２内のバイオマスは未使用の液体によって飽和され得るため、前処理されたバイオマスを下流の生物変換へスラリーとしてシステムから排出可能となる。他の実施形態において、前処理されたバイオマスは可溶性種がなく、下流の生物変換は必要ないかもしれない。そのような実施形態では、例えば、図２B−２Fに示されるようなそれぞれの置換は、隣接する先の置換から取り残された可溶性種を取り出すことができる。さらに、そのような実施形態では、それぞれ個別の置換においてチャンバーを出る流体は、前の置換においてチャンバーを出る流体よりもより少ない量の可溶性種を有し得る。
【００３５】
図２Hでは、バイオマス及びあらゆる同伴液体は前処理反応器１２から排出可能である。
【００３６】
図３はタンク１４ｆからの液体を置換するための工程の別の実施形態が示されている。この特定のパージング工程は、図２Cに示されるパージング工程に代えて使用可能である。濃縮された液体をパージした後、いくらかの液体はそれぞれのタンク１４ａからタンク１４ｆに連続して移動可能である。最後に、未使用の液体はタンク１４ａにおいてシステムに入る。図２に示された各種実施形態では、タンク１４ｆ内の液体のパージ及び置換は、温度を１６０℃から１４０℃まで減少させることが想定される。この点において、タンク１４内の全ての温度は図１に示される元の温度にリセットされて、新たな加熱サイクルを開始できる状態となる。
【００３７】
図４は、複数の前処理反応器１２がタンク１４によって使用可能であるバイオマス前処理システム２０の別の実施形態を示している。この特定の実施形態では、７つの前処理反応器１２が示されているが、任意の数の前処理反応器１２が使用可能であることを理解されなければならない。各種実施形態では、２つのポンプ２２は熱及び可溶性種の回収を行うために使用される。２つのポンプ２２からの液体の動きは、それぞれのタンク１４及び前処理反応器１２の入口及び出口に構成された弁２４によって提供可能である。
【００３８】
図５はバイオマス前処理システム３０の他の実施形態を示しており、タンク１４及び前処理反応器１２が利便性と小型化のために円形配置で構成されていることを除いて、図４の実施形態と類似している。
【００３９】
図６は、図４及び／又は５の７つの前処理反応器１２それぞれを使用可能とするために、２つのポンプ２２がどのように使用され得るかを示すタイムチャートである。１つの実施形態では、それぞれ、前処理に６時間を費やし、加熱及び冷却サイクルに３０分を費やして、その後、バイオマス前処理システム２０及び３０に対する２４時間の操作計画が達成され得る。この計画は操作に対する比較的良い設計として達成され得る例である。常に１つの前処理反応器１２が積込み、加熱、冷却及び排出されている一方で、その他の前処理反応器１２が前処理に従事するように、いつでも比較的高負荷サイクルで装置が稼働されるように操作が準備されることが分かる。
【００４０】
本システムを使用する可能性があるバイオマス前処理方法は、塩基触媒（アンモニア、アルカリ性過酢酸、アルカリ性過酸化物、アルカリ性溶媒、石灰、酸素加圧石灰、水酸化ナトリウム）、非触媒（自動加水分解、温水、温水−中性ｐH、蒸気）、酸触媒（硫酸、塩酸、過酢酸、リン酸、二酸化硫黄を用いた濃酸又は希酸）、溶剤ベース（オルガノソルブ、その他の溶剤）、化学ベース（過酸化物、湿式酸化）であってもよい（これらに制限されない）。この工程は、前処理が起こる１以上の前処理反応器１２内で液体を置換するために抽出置換を使用する。２つの機能が実現可能である：（１）前処理の間に生成される水溶性成分は抽出されて、（２）熱は回収される。前処理反応器１２は一連のタンク１４を伴い、各々は１つの抽出又は回収の段階を表しており、それらは前処理反応器１２を通過して送られる液体により連続して充填され、及び空になるため、いつでもそこに存在する液体を置換することができる。これは反応器内でバイオマスを徐々にそしてより効率的に冷却及び加熱することを可能とする。
【００４１】
本発明はいくつかの実施形態を表してきたが、無数の変更、変化、代替、変形、及び修正は当業者によって提案可能であり、本発明は、添付の特許請求の範囲内となるそのような変更、変化、代替、変形、及び修正を含むことが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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