(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも以下の工程：
−１）１４０℃を超える温度での熱加水分解、続いての
２）２５％を超える乾物濃度および９０℃を超える温度を有する中間産物を生じる湿式爆発の工程を含むバイオマス材料の前処理工程、ならびに
−消化槽中の前記中間産物の引き続いての発酵工程
を含むバイオマス材料の処理方法であって、
前記中間産物は、前記消化槽から現れる再循環ループにおいて輸送される前記消化槽の一部の内容物に中間産物を混合することにより、前記消化槽に導入され、ここに、前記混合は、前記消化槽の一部の内容物および前記中間産物が前記消化槽に入る前に行われ；混合後でかつそれらの混合物が前記消化槽に入る前のｐＨが、ｐＨ６を超える点でさらに特徴付けられる該処理方法。
【請求項２】
中間産物が１００℃を超える温度を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
中間産物が５未満のｐＨを有することを特徴とする請求項１〜２のいずれか１記載の方法。
【請求項４】
方法が、工程１）において熱加水分解の飽和圧力を超える圧力での湿式酸化をさらに含み、熱加水分解後で、湿式爆発前に行なわれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１記載の方法。
【請求項５】
消化槽の一部の内容物が、消化槽の少なくとも１０部（体積）の内容物が１部（体積）の中間産物と混合される方法で、中間産物と混合されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１記載の方法。
【請求項６】
前処理からの一部の気相が、消化槽の一部の内容物を冷却媒体として用いることにより、凝縮されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１記載の方法。
【請求項７】
凝縮された気相中のフルフラールが抽出によって分離されることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
凝縮された気相中の揮発酸が消化槽に再利用されることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項９】
プロセスに導入されるバイオマス材料が、５０重量％を超える乾物濃度を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１記載の方法。
【請求項１０】
プロセスに導入されるバイオマス材料が、わら、木材、繊維、飼料、製紙用パルプ、スラリーおよび家庭廃棄物よりなる群から選択されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１記載の方法。
【請求項１１】
熱加水分解が１４０℃を超える温度で行なわれ、５〜３０分間維持された後、湿式爆発が５〜３５バールから雰囲気圧力に圧力を低減することにより実施されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１記載の方法。
【請求項１２】
消化槽中の前記中間産物の発酵が、７〜８．５のｐＨ範囲を有する発酵産物を与えることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１３】
中間産物と消化槽からの再循環された発酵産物との混合後で、かつ混合物が消化槽に入る前のｐＨが、ｐＨ６．５を超えることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１４】
消化槽の内容物と中間産物とが、３：１〜３０：１の消化槽の内容物：中間産物の体積比の範囲内で混合されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１５】
消化槽の一部の内容物が、消化槽の少なくとも２０部（体積）の内容物が１部（体積）の中間産物と混合される方法で、中間産物と混合されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、廃棄物またはバイオマスの形態の一次的な有機起源の材料の処理のための方法、プロセスおよび装置に関し、それによって、処理された材料の内容物の糖等は１以上の所望の産物への発酵に利用できる。
【背景技術】
【０００２】
地方自治体および産業的な汚泥（sludge）および廃棄物や、ガーデニング、農業、林業、材木産業、食品加工業等からの副産物のごとき一次的な有機起源の廃棄物の他の源は、長年、バイオエタノールまたはバイオガスのごときＣＯ２中立燃料の生産用の可能な出発原料として注目が増大している対象である。
【０００３】
糖等の内容物をより利用できるバイオマス材料についての異なる複数の前処理方法は、文献に記載されている。最もよく知られたものは：強酸性および弱酸性の加水分解；湿式爆発（wet explosion）（蒸気爆発−ＳＴＥＸ）；湿式酸化（ＷＯ）；塩基性繊維爆発（アンモニア繊維爆発−ＡＦＥＸ）；および熱加水分解（液体熱水（Liquid Hot Water）−ＬＨＷ）である。
【０００４】
典型的に強酸性および弱酸性の加水分解は、ヘミセルロースが加水分解および溶解され、引き続いての酸塩基または酵素的な加水分解のために、セルロースの利用性を増大する点で特徴付けられる。これらのタイプの加水分解を用いる場合、不溶性画分および溶解した画分の分離後に、発酵によってさらにとりわけこれらの画分を処理することが可能である。強酸加水分解は、とりわけ、Ｌｉｇｈｔｎｅｒ（米国第６,２５８,１７５号）によって記載され、エタノールでの沈澱後に適用した酸を再利用する可能性も記載されている。そのプロセスの主な目的は、例えば、発酵によるエタノールの生産における引き続いての使用のためにセルロースおよびヘミセルロースを溶解することである。
【０００５】
バイオマスの酸加水分解と関連するいくつかの問題が存在する。第１には、材料を非常に細かい粒子（＜１ｍｍ）に細分化することが必要であり、これは、非常にエネルギー要求性である。さらに、処理材料の中和が必要であり、それは通常ＣａＣＯ３（石灰石）の添加によって行われる。これは、プロセスにおける化学薬品の消費が、かなりの量の硫酸カルシウム水和物が中和プロセスによって蓄積されることで同時に高いことを意味する。さらに、酸加水分解からの処理材料は、他の形態の処理に起因する材料と比較して、酵素加水分解および微生物発酵に対する阻害効果を有する（後記ご参照）。最後に、ポンプ、反応器等は、酸触媒化プロセスの結果としての腐食に曝される。
【０００６】
湿式爆発（ＳＴＥＸ）は、１９２８年まで遡って記載され、Ｍａｓｏｎは、ハードボードを製造するプロセスを開発した（米国第１,８２４,２２１号および米国第２,７５９,８５６号）。ＳＴＥＸプロセスは、高圧下の熱加水分解,、その後、圧力はいわゆる「フラッシュ効果」で放出され、大きな圧力低下により各繊維の爆発が起こり、かくして、その名称を湿式爆発（または蒸気爆発）という。この処理方法は、例えば、エタノールまたは紙の製造のために後にさらに開発された（例えば、ＷＯ９８／２７２６９）。
【０００７】
ＳＴＥＸにおいて、通常は、ヘミセルロース（＞８０％）の部分的溶解が起こり、セルロースは引き続いての加水分解に利用できる。ＳＴＥＸの効果は、酸加水分解の効果に似ているが、しかしながら、ＳＴＥＸプロセスは、プロセス用機器をはるかに低い摩耗に曝し、化学薬品の使用および廃棄物の蓄積についてはそれほど必要としていない。しかしながら、ＳＴＥＸにおいては、特に、材料が酸（ＳＯ２またはＨ２ＳＯ４（Martinら、２００２））で先に液化されるならば、引き続いての可能な発酵プロセスを阻害する物質のかなりの形成が依然として存在する（PalmqvistおよびHahn-Hagerdal  ２０００年）。
【０００８】
湿式酸化（ＷＯ）は、有機性廃棄物画分を酸化するために開発され（米国第２,６９０,４２５号）、その後にリグノセルロース含有バイオマスおよび有機性廃棄物からヘミセルロースの溶液を得るように改変された（例えば、ＷＯ００／１４１２０参照）。湿式酸化は、過剰圧力の酸素のような酸化剤の添加を含む加熱プロセスを含む。湿式酸化においては、ヘミセルロースは部分的に溶解され、存在するリグニンの一部を酸化し、それによって、セルロースの利用性を増大させる。通常は、ＷＯは、阻害物質の除去のために余分なプロセスを必要としない。
【０００９】
塩基性繊維爆発（ＡＦＥＸ）は、蒸気爆発および塩基性触媒の添加を組み合わせたプロセスである。従来のＡＦＥＸにおいて、バイオマスは、適度な温度（約５０℃）のアンモニア水中で液化され、その後、圧力を瞬間的に放出する（爆発）。このプロセスにより、セルロースおよびリグニンは改変され、ヘミセルロースの放出と同時に、セルロースをより反応性にする（利用できる）。
【００１０】
熱加水分解（ＬＨＷ）は、リグニンの部分的溶解およびセルロース（酵素加水分解用の）の利用性の改善と同時に、ヘミセルロースの高度の溶解が起こるプロセス（典型的には、１７０℃〜２３０℃）である。以前に細分化されず、かつＬＨＷで前処理されたサトウキビ廃棄物は、適量の酵素の添加後の酵素加水分解および発酵後に、９０％以内の理論的なエタノール収率を生じている（Van Walsumら、１９９６）。米国特許第４,４６１,６４８号は、セルロースおよびリグノセルロース含有材料の利用性を増加させる方法を記載する。この方法は、圧力下の水蒸気、熱処理および湿式爆発の付加を含み、さらに、蒸気の再利用が可能ではないことが記載されている。
【００１１】
かかる有機性廃棄物またはバイオマスに基づいたＣＯ２中立燃料の生成のための公知方法は、いくつかの種類の熱加水分解プロセス（ＴＨＰ）に続いて、嫌気性消化を使用する前処理工程をしばしば含む。
【００１２】
そのプロセスは、高温および高圧の組合せを用いる、１以上の反応器中で行なわれる熱加水分解の工程にしばしば基づき、廃棄物またはスラッジ中の有機材料の細胞構造を崩壊させ、高分子量の有機化合物をより低分子に分解する。
【００１３】
熱加水分解の工程は、１以上の圧力除去槽（pressure relief tank）中で行なわれた蒸気爆発の工程に続いてもよく、その槽の内容物は、圧力の急速な除去により崩壊する。バイオマスの崩壊および分解は、以下の発酵工程をより効果的にする。
【００１４】
熱加水分解プロセス（ＴＨＰ）を使用する前処理工程に起因する産物は、通常、高温（例えば、９０℃を超える）を有し、比較的高い乾物含量（例えば、２５％を超える）、およびいくつかの例において、比較的低いｐＨ（例えば、５未満）により特徴付けられる。かくして、この産物の取り扱いは、通常、高度に特殊な装置を必要とするであろうし、加えて、それは、通常、低温、低い乾物含量および中性ｐＨにて行われるので、嫌気性消化に基づいた引き続いてのプロセスへの導入前に、通常、冷却、中和および／または希釈（例えば、水を用いる）に付される必要がある。
【００１５】
ＷＯ２００７／００９４６３は、セルロース系材料のエタノールおよび他の産物への変換方法を開示する。セルロース系材料は、少なくとも１つの浸漬操作による熱水前処理、加圧反応器中の熱水前処理およびその後のプレス操作に付して、繊維画分および液体画分を創製する。熱水前処理は、繊維画分中に少なくとも８０％のリグニンを残す。高い乾物含量を持つ材料の取り扱いの必要性により、非常に特殊な装置が、通常ＷＯ２００７／００９４６３に記載されているプロセスに必要であろう。
【００１６】
ＷＯ０３／０１３７１４は、高い乾物含量を持つ産物を細分化でき、次いで、少なくとも１つのスルース（sluice）チャンバーおよび２つの圧力がロックを介して個々に運搬し、それにより、例えば、低圧力ゾーンから高圧力ゾーンへの移動を可能とする水路系を開示する。
【００１７】
前記のバイオマスおよび有機性廃棄物の処理用プロセスへの異なる改良は、長年にわたって開発されきた。かくして、これらの改良を達成する１つの方法は、再循環の使用によるものであった。特に、別の方法でそのプロセスに用いた蒸気の再循環、およびバイオマスを予め加熱するためのその使用、および別の方法でプロセスに用いたプロセス水の消費を低減するためのそのプロセスから流出する水の再循環は、先行技術に記載されている。
【００１８】
ＷＯ２０１１／００６８５４は、バイオマスの熱加水分解および蒸気爆発のための方法および装置を開示する。その方法は、バイオマスを予め加熱する工程、それが蒸気の付加によって加熱および加圧される２つの反応器にその予め加熱されたバイオマスを導く工程、および最終的に２つの圧力除去槽を用いて圧力を段階的に低減する工程を包含する。事前加熱槽は、第１および第２の圧力除去槽からの戻り蒸気によって予め加熱する。
【００１９】
ＷＯ０１／６０７５２は、バイオマス材料をエタノールに発酵的に変換するための湿式酸化または蒸気爆発を含む連続プロセスである方法を開示する。生成されたエタノールからの分離後の発酵廃水流出物は、メタンおよび廃水流出物を生成する嫌気発酵工程に引き続いて付され、潜在的な阻害物質の量は、阻害レベル以下（sub-inhibitory level）であり、流出する水のすべてまたは一部をプロセスに再循環させて、プロセス水の消費を低減することを可能とする。
【００２０】
ＷＯ２０１４／０３９９８４は、単量体の糖を得るためのバイオマスの処理方法を開示し、ここで、前処理されたバイオマスは、酵素加水分解に付され、酵素加水分解反応器からの少なくとも一部の液化材料は、前処理された熱いバイオマスについての冷却物の一部として、酵素添加の上流の位置に再循環される。
【００２１】
ＵＳ２００９／００９８６１６は、発酵性糖を遊離するための植物材料の処理方法を開示する。この方法は、２段階の酵素加水分解プロセスに関し、この方法は、材料が好ましくは酸存在下で高温、高蒸気および高圧力に付される自動加水分解工程により好ましくは先行される。第１の加水分解段階からの低粘度の廃水流れは、いくらかまたはすべてが反応器に直接的に、第１の酵素的加水分解段階に部分的に再循環されるか、または反応器に入るのに先立ち、新たなリグノセルロース原料と混合し得る。さらに、酵素的プロセスは、真空下で行い、例えば、フルフラールのごとき酵素阻害化合物のごとき揮発成分を除去し得ることを開示する。
【００２２】
バイオマス材料についての多数の処理方法にもかかわらず、バイオマスが前処理され、化学添加物の過剰使用、および高温および比較的低いｐＨを有する高い乾物含量を持つ濃い材料を扱う特殊な装置の必要性なくして引き続いて発酵させる方法についての必要性を維持する。加えて、エネルギーコストが低減されると同時に、水での希釈が最小化される方法についての必要性が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明は、例えば、廃棄物またはバイオマスの形態の一次的な有機起源の材料の処理のための方法、プロセスおよび装置に関し、それによって、処理された材料の内容物の糖等は１以上の所望の産物への発酵に利用できる。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
第１の態様において、本発明は、少なくとも以下の工程：
−１）１４０℃を超える温度での熱加水分解、続いての
２）２５％を超える乾物濃度および９０℃を超える温度を有する中間産物を生じる湿式爆発の工程を含むバイオマス材料の前処理工程、ならびに、
−消化槽中の前記中間産物の引き続いての発酵工程
を含むバイオマス材料の処理方法であって、
前記中間産物は、前記消化槽から現れる再循環ループにおいて輸送される前記消化槽の一部の内容物に中間産物を混合することにより、前記消化槽に導入され、ここに、前記混合は、前記消化槽の一部の内容物および前記中間産物の混合物が前記消化槽に入る前に行われる点でさらに特徴付けられる該処理方法に関する。
【００２５】
第２の態様において、本願発明は、バイオマス材料を処理するための装置に関し、前記装置は、
−１以上の反応器と、
−バイオマスに対する圧力の除去のための反応器（群）に接続された１以上の圧力除去槽と、
−発酵用の圧力除去槽に接続した１以上の消化槽と
を含むバイオマス材料の処理装置であって、
消化槽（群）は、圧力除去槽（群）の一部の内容物と混合される消化槽の一部の内容物の再循環のための圧力除去槽（群）に接続される。
【００２６】
再循環に関する本明細書の前記の改良のいずれも、高温（例えば、９０℃を超える）、比較的高い乾物含量（例えば、２５％を超える）および比較的低いｐＨ（例えば、５未満）を有する熱加水分解プロセスを使用する従来の前処理工程に起因する産物のさらなる処理を扱うための高度に特殊な装置の必要性を克服しない。
【００２７】
対照的に、本発明による方法および装置は、発酵させる材料の一部の再循環を使用し、特殊な装置、冷却、中和および／または希釈（例えば、水での）の前記の通常の必要性を克服する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の具体例を（模式的に）示す。
【図２】図２は、例えば、パイプを通って、高い乾物含量を持つ材料を輸送するための、例えば、ワーム、スパイラルまたはらせん形のコンベアーの使用を含む公知の先行技術方法の典型的具体例を（模式的に）示す。
【図３】図３は、熱加水分解（ｄ）および湿式爆発（ｊ）によって第１にバイオマスを前処理し、引き続いて、消化槽（ｑ）中でそれにより得られた中間産物を発酵させるための本発明の具体例を（模式的に）示し、ここで、消化槽の一部の内容物は、再循環ループ（ｔ）中で圧力除去槽（ｊ）に輸送され、この具体例は、凝縮器（ｇ）および循環ポンプ（ｋ）に導かれるフラッシュ蒸気（flashsteam）のオプションの特徴、ならびに下流の消化槽（ｑ）に凝縮物を導くか、または化学薬品（ｐ）の回収のためのさらなる処理に導くオプションを含む。
【図４】図４は、熱加水分解（ｄ）および湿式爆発（ｊ）によるバイオマスの第１の前処理、および消化槽（ｑ）中でそれにより得られた中間産物の引き続いての発酵のための本発明の具体例を（模式的に）示し、ここで、消化槽の一部の内容物は、循環ループ（ｔ）中で圧力除去槽（ｊ）に輸送される。
【図５】図５は、消化槽（ｑ）の一部の内容物が脱水され（ａｈ）、増加した乾物含量を有するいわゆる脱水ケーキとして熱加水分解反応器（ｄ）の供給ライン（ａ）に戻され、それにより、そのプロセスに別の方法で供給されたバイオマス材料と一緒にそれを混合する本発明の具体例を（模式的に）示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明は、少なくとも以下の工程：
−１）１４０℃を超える温度での熱加水分解、続いての
２）２５％を超える乾物濃度および９０℃を超える温度を有する中間産物を生じる湿式爆発の工程を含むバイオマス材料の前処理工程、ならびに
−消化槽中の前記中間産物の引き続いての発酵工程
を含むバイオマス材料の処理方法であって、
前記中間産物は、前記消化槽から現れる再循環ループにおいて輸送される前記消化槽の一部の内容物に中間産物を混合することにより、前記消化槽に導入され、ここに、前記混合は、前記消化槽の一部の内容物および前記中間産物の混合物が前記消化槽に入る前に行われる点でさらに特徴付けられる該処理方法に関する。
【００３０】
ＴＨＰ様プロセスに起因する材料中の乾物含量は、通常非常に高く、時々９０％を超える。乾物含量が２５％を超える場合、従来の設備および装置を用いる場合には、中間産物が標準パイプを通って消化槽に輸送できず、標準パイプ装置を使用することができないため、問題が生じる。かくして、比較的低いｐＨならびに高い温度および乾物含量により、および使用されたどの装置も頻繁なメンテナンスおよび修理を必要とするために、スクリュー、らせんまたはらせん形のコンベアーを含むパイプのごとき高度に特殊な装置が必要である。かくして、本発明による方法に起因する１つの利点は、従来方法により特殊な装置によって輸送される必要がある高い乾物含量を持つ材料を今や下流の消化槽から再循環する流れと混合することである。消化槽の内容物が低い乾物含量およびより低い粘度を有する場合、混合した流れは、比較的低い乾物含量および粘度を有し、したがって、標準パイプを通り、標準ポンプ装置を使用して容易な輸送のために適用可能となる。容器、パイプ、特に、熱交換器／冷却器内側のスケーリング（scaling）、粘結および時々の閉塞は、ある種の材料、特に、リグニンが豊富な有機材料、樹脂等の熱処理中の公知の問題である。容量低下および操作上の問題は、かかるプラントの操作につき非常に重要になり得る。定置システム（place system）での洗浄の頻繁な使用は、操作性を維持するために必要とされ得るものであり、アルカリ洗浄用化学薬品の使用が一般的に用いられる。下流の嫌気性消化プロセス（発酵）で起こる生物分解は有機酸を分解し、アルカリ流体での比較的アルカリ性の環境を確立する。本発明のさらなる利点は、その容器、パイプ、バルブおよび冷却器が消化された材料の再利用から利益を得て、通常の操作中にさらなる化学薬品の添加なくして、連続的なアルカリ洗浄を提供することである。大部分の供給材料について、このプロセスは、定置洗浄（ＣＩＰ）の化学薬品の使用を除去する。最も困難な供給材料について、さらなる洗浄用化学薬品の消費は実質的に低下されるであろう。
【００３１】
繊維およびセルロース系材料の性質はいくつかの因子により影響される。本発明者らは、繊維を懸濁に保つ能力に影響する因子の１つがｐＨであることを見出した。有機材料の熱の前処理の結果として生起する低ｐＨは、繊維を懸濁に保つことを難しくし、かくして、閉塞が主要問題となる。本発明による再循環の主な利点は、アルカリ性の発酵残渣がｐＨを増加させ、それにより、繊維およびセルロース系材料の性質を変化させ、それを懸濁に保ち、それがコンベヤシステムを用いることなく下流プロセスにポンプ送液するのを可能にすることである。
【００３２】
本発明者は、消化槽における発酵中に得られたｐＨ、典型的には、ｐＨ７．３〜８．３の範囲にあるｐＨが、繊維湿潤性および輸送特性に有利であることを特に見出した。例えば、湿式爆発から得た加水分解されたバイオマス繊維のすべてまたは一部は、低ｐＨ、例えば、６未満のｐＨにて残存中間産物から分離する傾向を有する。結果的には、消化槽の一部の内容物を再循環することおよび湿式爆発からの産物と混合することによって、その他の点で弱酸性の中間産物のｐＨ値を増加させ、加水分解したバイオマス繊維を完全または部分的に溶解させたままとすることを可能にする。
【００３３】
本発明の特定の具体例において、中間産物を再循環した発酵産物と混合した後に得られた、消化槽への供給材料（feed）のｐＨは、ｐＨ６を超え；好ましい具体例において、混合後の消化槽への供給材料のｐＨは、ｐＨ６．５を超える。
【００３４】
本発明の1つの具体例によれば、前記の中間産物は１００℃を超える温度を有する。
【００３５】
かかる場合、すなわち、１００℃を超える温度を持つ中間産物を含む場合には、さらなる利点を達成し得る。これは、次いで、ＴＨＰ様プロセスの結果である場合に通常かかる中間産物に伴う蒸気を用いて、消化に先立つ前処理した材料、例えば、液体肥料に添加される有機起源の材料を含む他のプロセス流れを加熱または低温殺菌さえできるためである。
【００３６】
本発明のさらなる具体例において、前記中間産物は５未満のｐＨを有する。
【００３７】
熱加水分解前処理に起因する中間産物は、しばしば酸性（例えば、ｐＨ４〜５）である。かくして、かかる産物が嫌気性消化に基づくプロセスへの導入前に化学薬品の使用を必要とする個別の中和に通常付されなければならないであろうという事実とは別に、前処理プロセスから消化槽への酸性材料の輸送は、特殊な装置をさらに含み得る。しかしながら、本発明による方法において、中間産物の少なくとも一部の中和は、消化槽からの再循環で付随的に達成され得る。それによって、化学的中和および／またはそうでなければ酸性材料の輸送に使用した特殊な装置のための必要性の低下に関するさらなる利点を達成する。本発明の1つの具体例において、中間産物は消化槽からの再循環した材料と混合することにより中和される。本発明の方法を調節して、中間産物をより酸性にする程、至適ｐＨ範囲を得るためにより多くの発酵残渣を再循環し得る。
【００３８】
さらなる利点として、本発明によるプロセスは、閉鎖系で行い得る。それにより、環境は、そうでなければ消化槽中の前処理および引き続いての発酵を受ける材料から蒸発しそうであり、潜在的に危険で非常に嫌な臭いをし得る揮発性物質に付されないことから利益を得るであろう。
【００３９】
熱加水分解の前処理は、バッチ的に典型的に行ない得る。連続様のプロセスフローは、熱加水分解から下流で可能であり、したがって、湿潤爆発（すなわち、材料が１００℃を超える温度を有する場合において）からの遊離された比較的多量の蒸気を処理、捕捉および用い、さらに、その結果、全体的なプロセスについての外部エネルギー消費量が最小化される。
【００４０】
本発明によれば、消化槽から圧力除去槽への再循環は、好ましくは連続工程フローで有り得る。圧力除去槽を供給する熱加水分解が好ましくはバッチプロセスで有り得る場合、圧力除去槽中の加水分解物レベルはこのシナリオにおいて変化するであろう。本発明の方法がこのように適用される場合、圧力除去槽は、緩衝貯蔵槽としてさらに機能し、それによって、下流の消化槽への連続プロセスフローおよびその中の発酵プロセスが得られる。
【００４１】
大規模装置について、熱加水分解前処理のための１を超える反応器を含むことは好ましい。このように、遅延したサイクルを持ついくらかのバッチを試行でき、それにより、圧力除去槽への出力を経時的に分配し、ならびに反応器を加熱するために必要な蒸気入力をより均等に分配させる。後者は、蒸気生成装置およびそのエネルギー需要の測定に好ましい。このように、圧力除去槽への半連続的なフローを得ることもできる。加えて、熱加水分解工程のための１を超える反応器を含むというさらなる利点は、バイオマス貯蔵槽からのバイオマスでの熱加水分解槽の供給における連続的な上流の利点の増加である。
【００４２】
本発明の1つの具体例において、１以上の圧力除去槽中で行なわれた湿式爆発工程からの戻り蒸気を用いて、バイオマスが反応器（群）にポンプ送液する前に、事前加熱槽中のバイオマスを予め加熱し得る。蒸気をバイオマスの充填中および充填後に反応器（群）にさらに供給して、これを所望の温度に加熱する。それにより、新たな蒸気を反応器に加える必要性は低下する。
【００４３】
前処理、すなわち、熱加水分解および湿式爆発に起因するバイオマス材料の中間産物は、通常２５％を超える乾物濃度および９０℃を超える温度を有するであろう。通常、高乾物含量を有する中間産物の輸送は、高度に特殊な装置によって解決される。さらに、中間産物の温度は、通常、従来の冷却水によって低下させる。本発明は、消化槽の内容物の少なくとも一部の再循環に基づき、それによって、これが消化槽に入ることができる前に、中間産物の他の必要な処理に起因する不都合を除去する。バイオマス材料の前処理は、下記の種々の方法で行い得る。
【００４４】
糖等の内容物がより利用できるバイオマス材料のための複数の異なる前処理方法が、文献に記載され、それらのいくらかを、背景セクションにおいて本明細書に言及している。最もよく知られたものは、強弱酸加水分解、湿式爆発、湿式酸化（ＷＯ）、アンモニア繊維爆発（ＡＦＥＸ）、熱加水分解（液体熱水−ＬＨＷ）およびその組合せである。これらの処理は、単独またはいずれかの組合せで、本発明による前処理の一部であり得る。前処理の選択に依存して、本発明方法は、さらにバイオマスの全体または部分的な粉砕の前処理工程を含み得る。
【００４５】
前処理工程のさらなる詳細を後記する。
【００４６】
熱加水分解
バイオマスおよび／または有機性廃棄物材料は反応器に導入され、その材料が混合され、直接または間接的な蒸気を用いて、飽和圧力にて１４０℃を超える温度、典型的には、１４０〜２２０℃、好ましくは１４０〜２００℃、より好ましくは１５０〜１９０℃、さらにより好ましくは１６０〜１８０℃の範囲内、最も好ましくは１７０℃の温度まで加熱される。所望の温度および所望の圧力に到達した場合、材料は、５〜３０分間、好ましくは１０〜２５分間、より好ましくは１０〜２０分間および最も好ましくは１５〜２０分間のこれらの条件下で維持し得る。
【００４７】
本発明のある特定の具体例において、熱加水分解は１４０℃を超える温度で行い、５〜３０分間維持した後、湿式爆発は、５〜３５バールから雰囲気圧力まで下げることによって行われる。
【００４８】
湿式酸化
本発明の1つの具体例において、方法はさらに湿式酸化を含み、その酸化は、熱加水分解工程後だが湿式爆発前に好ましくは行い得る。熱加水分解の終了後、適当な酸化剤、好ましくは酸素、過酸化水素または空気は、リグニンの含量に依存でき、典型的には、材料のＣＯＤ（化学的酸素必要量）含量の２〜２０％、好ましくは３〜１９％、より好ましくは５〜１７％、例えば、好ましくは７〜１６％、より好ましくは８〜１５％、例えば、好ましくは９〜１４％、より好ましくは１０〜１３％に典型的に相当し、反応器中の圧力発生によって決定される量にて、材料に添加できる。湿式酸化は、１７０〜２２０℃の範囲の温度で典型的に実施し得る。
【００４９】
圧力および温度は、湿式酸化と組み合わせて、各々、１５〜３５バール、好ましくは２０〜３５バール、より好ましくは２５〜３５バール、最も好ましくは３０〜３５バール、および、１７０〜２１０℃、好ましくは１８０〜２００℃、より好ましくは１９０〜２００℃に増加し得る。１つの具体例において、酸化は、工程１）において熱加水分解中の飽和圧力を超える圧力でのものである。酸化剤の添加後に所望の圧力および所望の温度に達した場合、これらの条件は、１〜３０分間、好ましくは５〜２５分間、より好ましくは１０〜２０分間、最も好ましくは１５〜２０分間維持し得る。所望により、湿式酸化反応の終了後、材料の圧力は、５〜１０バールまで部分的に放出し得る。その場合、引き続いての湿気爆発を行なうことができる圧力間隔は、５〜３５バールである。次いで、圧力の部分的放出が行なわれないならば、圧力間隔は１〜３５バールである。
【００５０】
本発明の特定の具体例において、方法は、１〜３０分間維持される、１５〜３５バールの圧力および１７０〜２２０℃の温度での酸化を含む。本発明のより詳細な具体例において、方法は、１〜３０分間維持される、１５〜３５バールの圧力および１７０〜２１０℃の温度での酸化を含み、この酸化は、熱加水分解後だが湿式爆発前に行なわれるさらなる好ましい具体例のものである。
【００５１】
湿式爆発
熱加水分解工程および所望による湿式酸化工程の終了後に、処理されたバイオマス材料は、その後、１以上の圧力除去槽に導かれ、その間、圧力は５〜３５バールから低下させ、圧力は、典型的には２バール未満、好ましくは１．５バール未満に低下し得る。好ましくは、圧力は、１５〜３５バールから約１バール、すなわち、雰囲気圧力まで低下する。この湿式爆発中に、ほとんどの細胞構造は崩壊する。湿式爆発の直後に、酸化した材料の温度は好ましくは材料を無菌にする９５〜１１０℃である。熱処理された材料は熱加水分解反応器から放出されう場合、１以上の圧力除去槽への排出は、反応器と下流の圧力除去槽との間の圧力差によって駆動される。圧力低下により、凝縮された蒸気は、圧力除去槽の内部でフラッシュされるであろう。湿式爆発は、１つの圧力除去槽を通って、または連続して２以上の圧力除去槽中で起こる。「フラッシュ槽」なる用語および「圧力除去槽」なる用語は、本明細書において互換的に用いられる。
【００５２】
発酵
所望の温度まで冷却後に、処理材料は、さらに発酵によって、エタノール、水素、乳酸、メタン、琥珀酸、有機酸または他の所望の産物に処理できる。
【００５３】
また、本発明の全プロセスは、エタノールまたは他の発酵産物への発酵前に炭水化物を一水和物に変換するために、酵素（例えば、セルラーゼ）での処理を包含し得る。
【００５４】
前処理に引き続いて、スラリーおよび／またはそれからの水相を酵素加水分解処理に付す結果、セルロースおよびヘミセルロースの少なくとも部分加水分解を生じて、ある量の微生物的な発酵性糖を含有するスラリーおよび／または水相を得ることもできる。
【００５５】
かかる酵素加水分解処理の目的は、セルロースおよび／またはヘミセルロース起源のもしあれば、湿潤酸化処理、および／または蒸気爆発中に生成された、オリゴ糖およびおそらく多糖種を加水分解して、発酵性糖（例えば、グルコース、キシロースおよびおそらく他の単糖）を形成することである。
【００５６】
本発明の1つの具体例において、方法は、前記の中間産物の酵素加水分解をさらに含み、酵素加水分解は、醗酵工程に先立って行なわれるが、前記の中間産物と前記の消化槽の一部の内容物との混合に先立ってまたはその混合後に行い得る。好ましい具体例において、方法は、いずれの個別の酵素加水分解工程も含まない。
【００５７】
酵素加水分解は、１以上の適当なカルボヒドラーゼ酵素（グリコシダーゼ（ＥＣ  ３．２））での処理によって公知の方法で達成し得る。好ましい具体例において、カルボヒドラーゼ酵素は、セルロースまたはセルロースの断片の加水分解の場合にセルラーゼ（ＥＣ  ３．２．１．４）；キシランの加水分解の場合にはキシラナーゼ（例えば、エンド−１,４−β−キシラナーゼ（ＥＣ  ３．２．１．８））；グルコースへのセルロースの可溶性断片の加水分解の場合には、グルカン−１,３−β−グルコシダーゼ（エキソ−１,３−β−グルカナーゼ、ＥＣ  ３．２．１．５８）またはエンド−１,３（４）−β−グルカナーゼ、ＥＣ  ３．２．１．６を含めたβ−グルカナーゼ、およびペクチン酸塩および他のガラクツロナンの加水分解の場合には、ペクチナーゼ（ポリガラクツロナーゼ、ＥＣ  ３．２．１．１５）よりなる群から選択される。この接続で関連する商用酵素製品は、デンマークのノボ・ノルディスクＡ／Ｓ（Ｂａｇｓｖａｒｄ）から入手できるＣｅｌｌｕｃｌａｓｔ（商標）を、例えば、Ｃｅｌｌｕｃｌａｓｔ（商標）１．５Ｌ（液状製剤）として含む。Ｃｅｌｌｕｃｌａｓｔは、セルラーゼ活性（グルコース、セロビオースおよびより高いグルコースポリマーへのセルロースの分解）およびある程度のキシラナーゼ活性の双方を示す。
【００５８】
加水分解によって得られた発酵性糖、顕著に単糖産物は、他の有用な産物（例えば、エタノールまたはキシリトール）を得るためのさらなる変換に有用である。かくして、グルコース（セルロース由来）およびキシロース（ヘミセルロース中のキシラン由来）は、本明細書に記載された関連する発酵微生物を用いて、エタノールに変換でき、また、キシロースは、例えば、別法の方法として、確立している方法により（例えば、触媒水素化または発酵により）キシリトールに変換し得る。
【００５９】
本発明による方法において、中間産物は１以上の消化槽中の発酵に付されられる。その醗酵工程は、前記液相中に存在するオリゴ糖および／または単糖を分解できる１以上の発酵微生物を用いて、エタノールを形成し得る。
【００６０】
例えば、エタノールを得るためのグルコースの発酵に関して、グルコースをエタノールに変換できるいずれの微生物も、本発明によるプロセスに用い得る。例えば、適当な微生物は、中温性微生物（すなわち、２０〜４０℃の範囲の温度で最適に増殖する）、例えば、「パン酵母」サッカロミセス・セレビシエ（Saccharomyces cerevisiae）と呼ばれる酵母を含む。
【００６１】
例えば、エタノールを与えるキシロース発酵に関して、キシロースをエタノールに変換できるいずれの微生物も、本発明によるプロセスに用いることができる。有用な微生物は、例えば、ある種のタイプの好熱性生物（すなわち、高い温度−通常は、約５０℃を超える温度で最適に増殖する生物）およびそれから由来する遺伝子操作された微生物を含む。好ましい具体例において、エタノール発酵に適当な生物は、Ｔ．マスラニイ（T. mathranii）を含めたサーモアナエロバクター属（Thermoanaerobacter）種、Ｚ．モビリス（Z. mobilis）を含めたザイモモナス属種、およびピチア属種のごとき酵母種よりなる群から選択される。サーモアナエロバクター・マスラニイの有用な株の一例は、Ｓｏｎｎｅ−Ｈａｎｓｅｎら、１９９３年またはＡｈｒｉｎｇら、１９９６年に記載され、前記株は株Ａ３Ｍ４として指定されている。
【００６２】
有用なエタノールを発酵する生物が、それが由来する生物に対して、エタノール発酵活性の増加または改善を有する前記の有用な生物の１つの遺伝子組み換え生物から選択できることが評価されるであろう。本明細書に用いた「遺伝子組み換え細菌」なる表現は、その用語の従来の意味で使用され、すなわち、スルホン酸エタンメタン（ＥＭＳ）またはＮ−メチル−Ｎ’−ニトロ−Ｎ−ニトログアニジン（ＮＴＧ）のごとき化学的変異原での処理、、UV光または古典的な変異誘発を含めた変異体を自然発生する処理を含めた通常用いられているいずれかの変異原化処理に付されることにより得られる株をいう。さらに、ランダムな変異誘発または自然発生変異体の選択により、すなわち、ＤＮＡ技術の使用なくして、遺伝子組み換え細菌を提供することが可能な場合には、前記生物の変異体は、一旦かかる配列が同定および単離されたならば、部位特異的変異誘発およびＰＣＲ技術、ならびに特定のＤＮＡ塩基配列の他のｉｎ ｖｉｔｒｏまたはｉｎ ｖｉｖｏでの改変を含むかかる技術により提供できることが意図される。
【００６３】
かくして、エタノールを得るため、グルコースおよびキシロースを各々発酵させるための種々の最適増殖温度の必要条件で微生物を用いて、２段階プロセスとして当該醗酵工程を行なうことが好ましいかもしれず、ここに、第１に、前工程後のスラリーおよび／または水相は、適当な条件下の微生物（例えば、約３０℃の温度のＳ．セレビシエ（S.cerevisiae））の１つと接触させ、したがって、引き続いて、その適当な条件（例えば、約７０℃の温度のＴ．マスラニイ（T.mathranii））下の他の微生物と接触させる。本発明において、消化槽の一部の内容物の再循環は、２つの段階の一方または双方のいずれかからの内容物を用いて行い得る。増加した冷却能力が望ましい場合において、再循環は、第１のあまり暖かくない段階から行い得る。２つの段階は、連続的方法で、個別の発酵反応槽または同一の反応槽中で適切に生じ得る。
【００６４】
十分に規定されたプロセスを有し、例えば、温度、ｐＨ、添加酵素量に依存する酵素加水分解とは対照的に、発酵反応は、適当な増殖条件が、選択した微生物に存在することが必要であるという意味で、非常により重要である。加えて、増殖培地、本ケースにおいて前処理されたバイオマス材料は、例えば、栄養素、毒性または阻害物質に関してバランスを保つ必要がある。重要なバランスは、特にＣ：Ｎ比、ＮＰＫバランス、Ｓ含量および非常に重要な微量栄養素の含量である。いくつかのバイオマス材料は、出発点として、限定されるものではないが、セレン、モリブデンおよびコバルトのごとき成分の低さを含み得る。かくして、特に、一方的なバイオマス材料は、出発点として、最適化された発酵に必要な低い量のある種の非常に重要な成分を含み得る。かかる場合には、バイオマス材料の補足での元来の材料をバランスさせることは有益であり、かくして、本発明は、混合バイオマス材料に基づくプロセスを可能にする。バランスの取れた材料を達成できない場合には、微量栄養素の添加は発酵中に実際の栄養素バランスの分析に基づいて必要とし得る。もし必要ならば、栄養素溶液は、発酵した材料の微量栄養素の分析に基づいて必要とされるとみなされるそのタイプの栄養素混合物に依存して、循環回路に位置した注入点を通って、または栄養素を供給材料に直接的に添加することにより、発酵反応槽に添加することができる。また、化学薬品が高濃度で存在するならば、プロセスを阻害するある種の成分を結合させるために添加し得る。かかる成分の例は硫黄であり、それは高濃度で存在するならば、ある種のプロセスにおいて、所期の発酵プロセスを阻害でき、硫酸鉄として硫黄を結合するために、ＦｅＣｌ溶液の添加によって硫黄は除去し得る。
【００６５】
本発明に関して、酵素加水分解が典型的にはｐＨ４〜６を有する加水分解物を生成することは特に注目すべきである。他方、第１に熱加水分解、次いで湿式爆発におり前処理したバイオマス材料の発酵は、典型的には７〜８．５の範囲；好ましくは７〜８．３の範囲；およびより好ましくは７．３〜８．３の範囲のｐＨを有する発酵産物を与える。ｐＨにおけるこれらの差から明らかなように、本発明による本明細書に前記した利点の繊維湿潤性、溶解および増加した輸送特性は、湿式爆発からの産物への一部の消化槽内容物を再循環させることによりだけ得られ、同様に酵素工程からのいずれの潜在的な再循環によっても得られないであろう。消化槽からの再循環ループにより、本発明の方法は、消化槽への供給材料のｐＨの増加を提供する。本発明の特定の具体例において、中間産物を再循環した発酵産物と混合した後に得られた消化槽への供給材料のｐＨは、ｐＨ６を超え；好ましい具体例において、混合後の消化槽への供給材料のｐＨは、ｐＨ６．５を超える。
【００６６】
発酵プロセスに影響するいくつかのプロセスパラメーターは、固形物滞留時間（ＳＲＴ）および水理学的滞留時間（ＨＲＴ）である。後者は、可溶性化合物が消化槽に滞留する時間の平均の長さの尺度である。添付図に示すごとく、発酵容器からの循環回路に分離工程を導入すると、ＳＲＴおよびＨＲＴは発酵プロセスにつきかなり異なるようにできる。本発明の方法において、発酵は、１０〜４０日間、好ましくは１５〜３０日間のＨＲＴおよび１０〜４０日間、好ましくは２０〜４０日間のＳＲＴを有する連続工程として典型的に行ってもよく、バイオマス材料中に存在する難分解性固形物のより長い曝露およびかくして、揮発性固形物還元（ＶＳＲ）の増加を保証する。本発明の1つの具体例において、発酵は、２〜２０日；好ましくは１０〜２０日間；より好ましくは１５〜１７日間のＨＲＴを有する連続工程である。本発明のさらなる具体例において、発酵は、１５〜４０日間；好ましくは２０〜４０日間、より好ましくは３０〜４０日間のＳＲＴを有する連続工程である。そのまさに性質によって、前記の分離工程の効率はＨＲＴとＳＲＴとの間に生じる差異に重要である。また、他方、高分解度は全ての適用に有益ではないかもしれないエネルギー消費であり得る。その目的のために設計された湿式サイクロンは許容できる努力にてＨＲＴとＳＲＴとの間の差異の有益な改善を達成するのに通常十分であり、特定の基質およびプロセスパラメーターに依存して５〜３０％の固形物滞留時間（ＨＲＴに比較したＳＲＴ）の増加を典型的に可能にする。
【００６７】
本発明のさらなる具体例において、試験は、２つの段階の加水分解を行なうポジティブな効果を明らかにした。かくして、この革新の好ましい具体例において、発酵容器の一部の内容物は、脱水され、増加した乾燥固形物（ＤＳ）含量を有するいわゆる脱水ケーキとして、加水分解工程の供給ラインに戻され、それにより、添付図面中のaまたはxにおけるプロセスへのバイオマス材料の他の供給材料と一緒にそれを混合する。脱水は位置ａｃもしくはａｈで、または別法として下流の脱水で行ない得る。次いで、一部の材料は、バイオマス材料に存在する難分解性固形物の２段階加水分解を達成するために、適当な位置にてプロセスに再供給し得る。本発明のかかる具体例を添付の図５に示す。脱水は、遠心分離機、ベルト濃縮機、ベルトプレス、圧搾濾過器、スクリュープレスまたはいずれかの他の適当な脱水機において起こり得る。重力ベルト濃縮機およびスクリュープレスのごとき種々の脱水機の組合せは、通常の遠心機と比較して、電力消費低減の重要な可能性を加え得る。電力消費低減は、デカンター遠心分離機の電力消費の１／２〜１／６の領域にあり得る。
【００６８】
いずれかの適切で知られているタイプの発酵反応槽（消化槽／発酵槽）は、当該タイプの１以上の醗酵工程を行なうのに使用し得る。適当な反応槽のさらなる詳細については、例えば、Ｊ．Ｅ．ベイリーおよびＤ．Ｆ．Ｏｌｌｉｓ（１９８６年）に言及され得る。バッチ発酵および連続発酵の双方がこの接続に適する。「発酵反応槽」、「消化装置」および「消化槽」なる用語は、本明細書において互換可能に用いる。
【００６９】
エタノール発酵工程に引き続いて、エタノールを発酵培地から分離する。
【００７０】
再循環
本明細書に従前に記載のごとく、本発明の方法は消化槽の内容物からの再循環フローを用い、ここに、消化槽からの一部の内容物を前処理の最終工程に再利用し、したがって、中間産物と混合する。前処理の最終工程は湿式爆発であり、または所望によりいずれかのさらなる前処理工程をバイオマス材料に対して行う。
【００７１】
消化槽からの材料のフローは、前処理の最終工程（熱加水分解、湿式爆発、および所望による湿式酸化のようなさらなる前処理）に起因する前処理物のフローよりも、典型的には３〜３０倍、好ましくは５〜２５倍より好ましくはかなり高い。このように、消化槽に入る得られた混合流はあるｐＨ、温度および乾物含量を有し、それは消化槽の正常な作業プロセスパラメーターと互換性である。さらに、乾物ひいては粘度は発酵残渣で３〜３０回再利用することにより再循環の平衡を保つことによって調節されるであろう。しかしながら、その再循環は、それ自体で熱加水分解反応から来る供給材料の平均乾物含量に影響しない。代わって、乾物含量は、熱加水分解（ａｇ）に先立って、または圧力除去槽（ａｆ）への再循環ループを介して、例えば、図３、４および５に記載のごとき方法で、水での希釈によって調節し得る。
【００７２】
本発明の具体例によれば、消化槽の内容物の部分は、消化槽の少なくとも１０部（体積）の内容物が１部（体積）の中間産物と混合される方法、好ましくは、消化槽の少なくとも２０部（体積）の内容物が１部（体積）の中間産物と混合される方法で、中間産物の部分と混合される。
【００７３】
混合は、個々のパイプから混合槽内に、または直接的に共通パイプにフローの提供により達成できる。混合は、さらなる混合手段によっても達成し得る。
【００７４】
再循環は、例えば、消化槽からの内容物を液体レベル未満の圧力除去槽に注入することにより行なってもよく、それによって、同時の効率的混合を得る。別法として、消化槽からの再利用された流れは、例えば、ノズルを通って圧力除去槽の頂部に導いてもよく、それにより、同時に再利用された流れは、圧力除去槽中で内側でフラッシュ蒸気の凝縮のための冷却として機能する。
【００７５】
本発明の好ましい具体例において、混合は圧力除去槽中で起こり；再利用工程の主な利点の１つは、湿式爆発後の繊維湿潤性および輸送特性の増大である。したがって、湿式爆発後で中間産物のいずれかの輸送に先立って混合を直接的に実施すると、最も大きな利益が得られる。しかしながら、また、後期段階混合が可能である。
【００７６】
１０部（体積）の消化槽の内容物と１部（体積）の中間産物との混合は、体積比１０：１での２つの産物の混合と理解されるべきであり；好ましくは、体積比は、供給材料特徴に依存して、３：１〜３０：１の範囲内にあり、同じ圧力および温度で測定したものである。
【００７７】
「消化槽の内容物」なる表現によって、発酵から生じるが、発酵産物、例えば、エタノールの分離前に起因する液体および／または水性スラリーを意味する。
【００７８】
「中間産物」なる表現によって、前処理に起因するが、発酵前の液体および／または水性スラリーを意味する。
【００７９】
「一部の内容物」なる表現により、部分的な量または全量の液体および／または水性スラリーと理解されるべきである。
【００８０】
本発明による具体例において、中間産物の１部（体積）は、少なくとも５ｍ３／時間、好ましくは少なくとも１０ｍ３／時間のフローで混合に導入される。消化槽または中間産物からの内容物のフローは、２５℃および１バールでのｍ３／時間の単位で測定される。
【００８１】
バイオマス材料は、わら、木材、繊維、飼料（bait）、製紙用パルプおよび廃棄物流れよりなる群から、または食品加工業、エネルギー作物、葉、枝（braches）、スラリーおよび家庭廃棄物のごとき他の加工産業からの副産物、またはエタノールまたは他の生物学的産物の生成に適用可能な他の同様の材料から選定される。好ましくは、バイオマス材料は、セルロースおよび／またはヘミセルロースの富化バイオマスから選択される。有益な結果は、わら、木材ベースの繊維およびエネルギー作物、例えば、トウモロコシに対して特に達成される。本発明のある好ましい具体例において、バイオマス材料は、わら、木材ベースの繊維およびエネルギー作物、例えば、トウモロコシよりなる群から選択される。
【００８２】
典型的には、本発明による方法に導入されるバイオマスは、５０〜８０％の乾物含量を有し得る。本発明による１つの具体例において、そのプロセスに導入されるバイオマス材料は、２５重量％を超える、好ましくは５０重量％を超える、より好ましくは７５重量％を超える乾物濃度を有する。乾物の含量または濃度のパーセンテージによって、重量パーセンテージ、すなわち、％（ｗ／ｗ）を意味する。
【００８３】
本発明の1つの具体例によれば、中間産物は、２５重量％を超える、好ましくは３０重量％を超える、より好ましくは３５重量％を超える、最も好ましくは４０重量％を超える乾物濃度を有する。本明細書では、中間産物によって、消化槽から再循環した内容物とのいずれかの混合または前記前処置工程後の水によるいずれかのさらなる希釈に先立つ前処理された産物（熱加水分解および湿潤爆発）を意味する。
【００８４】
さらに、適用したバイオマス材料に依存して、本発明による方法は１以上の希釈工程を含み得る。バイオマス材料または中間産物の希釈は、方法の間にいくつかのポイントで起こり得る。例えば、希釈は、例えば、熱加水分解反応器に水を導入することによって熱加水分解に先立って；あるいは、例えば、圧力除去槽に入る再循環ループに水を導入するか；または圧力除去槽へ直接的に水を導入することによって、熱加水分解反応器の上流で起こり得る。後者のオプションは、少なくとも部分的にフラッシュ蒸気を冷却するための希釈水の使用を可能にする。乾物含量の希釈は、消化槽中の乾物含量が非常に低い場合に、消化槽から再循環した材料の体積比によってさらに調整し得る。
【００８５】
本発明の好ましい具体例において、希釈は、再循環ループを介して、または圧力除去槽に直接的に行なう。
【００８６】
希釈は、必要ならば、消化槽への供給材料中の乾物含量ひいては負荷速度を制御することに役立つ。消化槽の負荷速度は、２〜１０ｋｇ ＶＳ／ｍ３／日（ＶＳ＝揮発性固形物）の範囲に典型的にあり得、好ましくは３〜６ｋｇ ＶＳ／ｍ３／日の範囲にあり得る。異なる供給材料は異なる粘度を提供でき、したがって、負荷速度は調節し得る。従来、バイオマス粘度は負荷速度に対する制限因子の１つであるが、本発明は、繊維湿潤性および輸送特性をかなり改善するより高い負荷速度を可能にする。
【００８７】
さらに、消化槽からの低温フローは、圧力除去槽からの気相を圧縮するために用いることもでき、気相から消化槽まで、失われた有益な成分、例えば、揮発酸を別の方法で再利用できるというさらなる有利さを与える。さらに、例えば、フルフラールのごとき所望されない成分は、このように気相から抽出および分離して、下流の消化装置の阻害を回避できるか、または、引き続いての外部の精製および使用については、熱回収のために酸化し得る。
【００８８】
ガスを液体状態にもたらす圧力除去槽からの気相の凝縮は、冷却媒体として発酵に起因する液体および／または水性スラリーの一部を用いることにより達成し得る。
【００８９】
本発明の1つの具体例によれば、前処理からの一部の気相は、冷却媒体として消化槽の一部の内容物を用いることにより凝縮される。
【００９０】
「一部の気相」なる表現によって、圧力除去槽中の部分的な量または全体量の気相を意味する。
【００９１】
本発明の1つの具体例において、凝縮された気相中のフルフラールは抽出によって分離される。また、フルフラールは、フラン−２−カルバルデヒドとして知られている。他の名称は、例えば、フラン−２−カルボキサルデヒド、フラール、フルフルアルデヒド、２−フルアルデヒドおよびピロムクアルデヒドである。
【００９２】
本発明の具体例において、圧力除去槽中の気相からの揮発酸を凝縮し、その後、揮発酸が発酵に有用である消化槽に再利用される。揮発酸によって、カルボン酸、酢酸および酪酸のごとき低沸点を持つ酸を意味する。
【００９３】
また、本発明は、本発明による方法について記載された同一の利点を達成する装置に関する。
【００９４】
本発明の第２の態様は、バイオマス材料を処理するための装置に関し、ここに、装置は、
−１以上の反応器と、
−バイオマスに対する圧力の除去のための反応器に接続された１以上の圧力除去槽と、
−発酵用の圧力除去槽に接続した１以上の消化槽とを
を含み、
ここに、消化槽は、圧力除去槽の一部の内容物と混合する消化槽の一部の内容物の再循環用の圧力除去槽に接続される。また、本明細書に記載した「反応器（群）」は、「熱加水分解反応器（群）」と称し得る。
【００９５】
消化槽は、当業者ならば理解するように、大部分の適用につき上部表面、側または底部からのものであり得る排出口を含む。しかしながら、いくつかのタイプの供給材料について、異なる固形物滞留時間（ＳＲＴ）および水理学的滞留時間（ＨＲＴ）を有することは有益であり得る。これは、本発明による装置に１以上の分離機または濃縮機を含めることにより得ることもできる。
【００９６】
さらに、本発明による方法および装置は、増加した乾物含量を持つ１つの排出口およびより低い乾物含量を持つ１つの排出口を有する、固形物の分離用の消化槽からの再循環ループに接続された１以上の分離機または濃縮機、好ましくは、１以上の湿式サイクロン分離機を含んでいてもよく、増加した乾物含量を持つ排出口は、消化槽に戻るか、または好ましくは、圧力除去槽に接続されてもよく、より低い乾物含量を持つ排出口は消化槽排出の排出口であり得る。
【００９７】
消化槽排出口、すなわち、上部表面、側または底部からの、および／またはより低い乾物含量を有する分離機からの排出口により補われた排出口のいずれの組合せも、本発明に適用し得る。しかしながら、ＳＲＴとＨＲＴとの間の最大の区別を得るために、分離機を介する排出口は最大化でき、消化槽から直接的な排出口は最小化し得る。
【００９８】
本発明の1つの具体例において、方法または装置は、増加した乾物含量を持つ１つの排出口およびより低い乾物含量を持つ１つの排出口を有する固形物の分離用の消化槽（群）から再循環ループに接続された分離機をさらに含み、増加した乾物含量を持つ排出口は圧力除去槽（群）に接続され、より低い乾物含量を持つ排出口は消化槽排出の排出口である。この具体例において、分離機は好ましくは湿式サイクロンであり得る。
【００９９】
本発明の1つの具体例において、方法または装置は、消化槽排出の排出口に接続された固形物の分離用の分離機をさらに含み、その分離機は、増加した乾物含量を持つ１つの排出口およびより低い乾物含量を持つ１つの排出口を有し、増加した乾物含量を持つ排出口は、熱加水分解反応器（群）への導入口に接続されるか、または熱加水分解反応器（群）にバイオマス供給材料に接続され；およびより低い乾物含量を持つ排出口はプロセスからの排出の排出口である。このように、増加した乾物含量を有する分離された部分は、第２の熱加水分解処理のために熱加水分解反応器に戻し得る。この特定の具体例において、分離機は、遠心分離機、ベルト濃縮機、ベルトプレス、圧搾濾過器およびスクリュープレスから好ましくは選択し得る。装置または方法は、分離機を介して排出の排出口だけを有するか、または、それは、分離機を介しておよび消化槽から直接的にの双方の排出の排出口を有し得る。
【０１００】
分離機は、典型的には、例えば、湿式サイクロン、遠心分離機、ベルト濃縮機、ベルトプレス、圧搾濾過器、スクリュープレスもしくは他の適当な分離のごときサイクロン、または、脱水機であり得る。
【０１０１】
本発明の1つの具体例において、並列な３つの反応器が提供される。反応器数はこれとは異なることができる。３つの反応器を用いて、反応器の連続的な充填を達成できる。
【０１０２】
本発明による装置は、１を超える圧力除去槽（群）を含み得る。一連の少なくとも２つの圧力除去槽を用いると、より多くのエネルギーを回収することが可能である。
【０１０３】
本発明のある具体例によれば、装置は、冷却媒体として消化槽の一部の内容物を用いることにより、圧力除去槽（群）からの一部の気相を凝縮するための消化槽および圧力除去槽に接続された熱交換器を必ずではないが、さらに含む。２段階の圧力除去槽溶液の場合、第２の槽は、消化槽の再利用に代えて内部冷却回路を備え得る。
【０１０４】
本発明の1つの具体例において、装置は、凝縮された気相からのフルフラールの分離のための抽出成分をさらに含む。
【０１０５】
本発明によるもう一つの具体例において、熱交換器は、凝縮された気相中での揮発酸の再利用のために消化槽（群）に接続される。
【０１０６】
本発明の方法について本明細書に記載された特徴および具体例は、本発明による装置に準用して適用され、逆もまた同様である。
【０１０７】
図面の詳細な記載  
図１は、嫌気性消化のごとき引き続いての生物学的分解でのバイオマスおよび有機性廃棄物画分を前処理する方法および装置を示す。受け取った固形物バイオマスおよび／または有機性廃棄物画分は、通常、受取／貯蔵（ａ）ビン中で、供給装置（ｃ）、通常、供給バルブまたは蒸気支援供給システムを介して、１または複数の高圧反応器（ｄ）に運搬する（ｂ）。高圧力の蒸気（ｅ）を反応器（群）へ加え、導入口および排出口バルブ（ｃおよびｆ）を閉じることによって、十分な圧力に受け取ったバイオマスの有益な加水分解の達成のために到達する。十分な蒸気圧に達する場合、バルブは有益な滞留時間が経過するまで閉じたままとする。供給材料の特性に依存して、加熱および滞留時間中にいくらかのガスを除去ための有益さが存在し得る。これらのガスが排出されないならば、ガスは放出弁（ｈ）を通して凝縮器系（ｇ）ヘ導き得る。滞留時間の経過にて、圧力は放出弁（ｆ）を開くことに先立ち、放出弁（ｈ）を通って低減し得る。放出弁が開かれる場合、前処理された材料はしっかり支持された排出管（ｉ）を通ってフラッシュ槽（ｊ）に急速に排出される。排出速度は、反応器と下流のフラッシュ槽（ｊ）との間の圧力差によって駆動される。圧力低下により、凝縮された蒸気はフラッシュされ、フラッシュ槽（ｊ）の内部の材料および水から分離する。フラッシュ槽（ｊ）の内部で放出された余分のフラッシュ蒸気は、パイプを通ってフラッシュ槽上部から放出される。フラッシュ蒸気は、凝縮器（ｇ）に好ましくは導かれる。循環ポンプ（ｋ）および凝縮液冷却器（ｌ）を持つ冷却タワーより好ましくはなる凝縮器は、余分の蒸気を液化する。別法として、凝縮器は、凝縮器（ｇ）に直接注入された冷たい冷却水で作動し得る。凝縮できないものは凝縮器から排出し、そこで、芳香処理が必要であり得る。凝縮液は、フラッシュ槽（ｎ）に戻し排出して下流プロセス（ｏ）に送るか、またはおそらく化学薬品（ｐ）の回収のためのさらなる処理についてのプロセスから分離した。生物学的に分解した材料、例えば、下流の嫌気性消化装置（ｑ）からの発酵残渣は、消化装置循環ポンプ（ｒ）を持つフラッシュ槽に循環する。液体レベル（ｔ）未満のフラッシュ槽への注入を通じて、フラッシュ槽内部の混合を達成する。フラッシュ槽の内部の凝縮が好ましいならば、再利用した流れをノズル（ｓ）を通してフラッシュ槽の上部に導き、ここで、フラッシュ槽はフラッシュ蒸気の凝縮のための冷却として機能する。かかる凝縮は、阻害剤のすべての生成のため有益ではないかもしれない。かかる場合、その凝縮は個別の凝縮器（ｇ）の内部で起こるであろう。発酵残渣のごとき、前処理された材料、凝縮物および再利用された生物学的に分解した材料の混合物は、供給ポンプ（ｕ）を持つ嫌気性消化装置（ｑ）のごとき下流プロセスにポンプ液送されるであろう。下流プロセスにおける好ましい温度に依存して、冷却は冷却器（ｖまたはｗ）中で起こることができる。
【０１０８】
熱前処理から利益を得る液体バイオマス（ｘ）は、反応器に先立って有益な混合のために直接的にまたは供給システム（ａまたはｂ）を通して反応器（ｄ）に加えることができる。熱前処理からの余り利益のない液体バイオマス（ｙ）は、フラッシュ槽に直接的にまたは、消化装置循環ループに向けてもよい（ｚ−１またはｚ−２）。適当なポンプ（ａａおよびａｂ）はプロセスへの液体バイオマスの輸送のために選択されなければならない。
【０１０９】
図３は、バイオマス、例えば、有機性廃棄物の第１の前処理および発酵による引き続いての生物学的分解のための方法および装置のさらなる例を示す。図３は、凝縮液冷却器（ｌ）がなく、フラッシュ槽（ｊ）に戻す凝縮液（ｎ）の排出がない以外は、図１に記載したものと同じであるが、水での希釈のための２つの可能な接続が示され、一方は、フラッシュ槽への再循環ループ（ａｆ）を介し、他方は、熱加水分解反応器（ｄ）に対する導入口（ｃ）に接続される。さらに、消化槽（ｑ）とフラッシュ槽（ｊ）との間の再循環ループに接続された分離機または濃縮機（ａｃ）が示され、その分離機（ａｃ）は排出口（ａｄ）を有する。消化槽（ｑ）からの直接的排出口は（ａｅ）として示される。
【０１１０】
図４は、熱加水分解（ｄ）および湿式爆発（ｊ）による第一のバイオマスの前処理、および引き続いての消化槽（ｑ）中で得られた中間産物の発酵のための方法および装置のさらなる例を示し、ここで、消化槽の一部の内容物は、再循環ループ（ｔ）中で圧力除去槽（ｊ）に輸送される。通常受取／貯蔵ビン（ａ）中において受け取った固形物バイオマスおよび／または有機性廃棄物画分は、供給装置（ｃ）を通して、例えば、供給バルブまたは蒸気支援供給システムを介して１または複数の高圧反応器（ｄ）に運ばれる（ｂ）。熱加水分解から利益を得る液体バイオマス（ｘ）は、反応器に先立って有益な混合のために直接的に、または供給システム（ａまたはｂ）を通して反応器（ｄ）に加えることができる。高圧の蒸気（ｅ）は反応器（ｄ）に加えられ、導入口および排出口バルブ（ｃおよびｆ）を閉じると、十分な圧力および温度に、受け取ったバイオマスの有益な加水分解の達成のために到達する。十分な蒸気圧に到達する場合、バルブは有益な滞留時間が経過するまで閉じられたままとする。供給材料の特徴に依存して、放出弁（ｈ）を通っていくつかのガスを除去するのに有益であり得る。圧力は放出弁（ｈ）を通って低減し得る。放出弁（ｆ）が開かれる場合、前処理された材料は排出管（ｉ）を通って圧力除去槽（ｊ）に急速に排出される。排出速度は、反応器と下流の圧力除去槽（ｊ）との間の圧力差によって駆動される。その圧力低下により、凝縮された蒸気はフラッシュされ、パイプを通って圧力除去槽上部から放出し得る。下流の消化槽（ｑ）からの発酵した材料、例えば、発酵残渣は、消化装置循環ポンプ（ｒ）で、および分離機または濃縮機（ａｃ）を介して圧力除去槽（ｊ）に循環させる。消化槽（ｑ）からの排出口（ａｄ）およびさらなる直接的排出口を有する分離機（ａｃ）は（ａｅ）として示される。液体レベル未満（ｔ）の圧力除去槽への注入を通して、圧力除去槽（ｊ）の内部の混合は達成される。圧力除去槽（ｊ）の内部の凝縮が好ましいならば、再利用された流れは、フラッシュ蒸気の凝縮のための冷却としてこれによって機能するノズル（ｓ）を通って圧力除去槽（ｊ）上部に導かれる。発酵残渣のごとき、前処理された材料および再利用された生物学的分解材料の混合物は、供給ポンプ（ｕ）で消化槽（ｑ）のごとき下流プロセスにポンプ送液されるであろう。下流プロセスでの好ましい温度に依存して、冷却は冷却器（ｖまたはｗ）中で起こることができる。熱前処理からの余り利益のない液体バイオマス（ｙ）は、圧力除去槽（ｊ）に直接的に、または消化槽（ｚ−１またはｚ−２）からの循環ループに向け得る。水での希釈は、フラッシュ槽（ｊ）に再循環ループ（ａｆ）を介して、または導入口（ｃ）に直接的（ａｇ）に熱加水分解反応器（ｄ）にプロセスに向け得る。適当なポンプ（ａａおよびａｂ）はプロセスへの液体バイオマスの輸送について選択されるに違いない。消化槽（ｑ）からの直接的排出口は（ａｅ）として示される。
【０１１１】
図５は、消化槽（ｑ）の一部の内容物が分離機（ａｈ）中で脱水され、増加した乾物内容物（乾燥固形物）を有するいわゆる脱水ケーキとして、供給ライン（ａ）に戻され、それにより、プロセスへのバイオマス材料の別法の供給と一緒にそれを混合する本発明のさらなる具体例を示す。
【図１】
0006291138.tif 000002
【図２】
0006291138.tif 000003
【図３】
0006291138.tif 000004
【図４】
0006291138.tif 000005
【図５】
0006291138.tif 000006