(57)【要約】  開示されるのは、高圧で押出し機によって圧縮される固体塊から流体を分離するための固体／流体分離モジュールと組み合わせられる押出し機プレスを含む固体／液体分離装置である。押出し機は、少なくとも押出し機バレルの一部に沿って介在されるねじ山を有する２つ以上の押出し機スクリューを含む。分離モジュールは、バレルの延長を形成し、加圧された塊とツインスクリューの少なくとも一部とを受け入れ、およびフィルタプレートおよび裏地プレートから構成されるフィルタパックを含む。フィルタプレートは、流体をコア開口から外方へ向けるためコア開口から外方へフィルタプレートの中に延びる貫通フィルタ溝穴を有する。裏地プレートは、バレルに等しく成形かつ寸法決めされたコア開口を有し、フィルタ溝穴に収集された流体をフィルタパックの外へ案内するための流路を画定する。【選択図】図５ａ
2015514006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体含有固体塊から流体を分離する固体／流体分離装置において、
前記流体含有固体塊を加圧するためのスクリュー押出し機プレスであって、入力端部および出力端部を有するバレルと、長さの少なくとも一部にわたり介在されたねじ山を有する２つ以上の押出し機スクリューとを含むスクリュー押出し機プレスと、
前記加圧された塊から流体を分離するためのフィルタユニットであって、前記バレルの延長を形成するために、および前記加圧された塊と前記ツインスクリューの少なくとも一部とを受け入れるために前記バレルに接続されたフィルタユニットと
を含み、
前記フィルタユニットが、フィルタプレートおよび裏地プレートから構成されたフィルタパックを含み、前記フィルタプレートがコア開口に等しく成形および寸法決めされた開口と、流体を前記コア開口から外方へ向けるための、前記コア開口から外方へ前記フィルタプレートの中に延びる貫通フィルタ溝穴とを含み、前記裏地プレートが同じく前記コア開口と等しく成形および寸法決めされた開口を有し、前記フィルタ溝穴内に収集された流体を前記フィルタパックの外へ案内するための流路を画定することを特徴とする、固体／流体分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記フィルタプレートが複数のフィルタ溝穴を含むことを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、前記フィルタユニットが、前記バレルの前記出力端部に面して前記バレルに接続されることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置において、前記フィルタユニットが、フィルタブロックを形成するために連続して重ねられた複数のフィルタパックを有し、前記フィルタブロックが、交互に配置されたフィルタプレートおよび裏地プレートのスタックを含み、かつ前記コア開口を画定することを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、前記フィルタユニットが、予め選択されたフィルタ孔径を有し、前記フィルタ溝穴が、予め選択された孔径に対応する開口領域を画定することを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項４に記載の装置において、前記フィルタユニットが、予め選択されたフィルタ孔径と、予め選択された空隙率とを有し、各フィルタ溝穴が前記予め選択された孔径に対応する開口領域を画定し、各フィルタパックが前記コア開口の合計表面、前記予め選択された孔径およびフィルタ溝穴の数から計算された空隙率を有し、前記フィルタユニットが、予め選択された空隙率／フィルタパック空隙率に少なくとも等しい複数のフィルタパックを含むことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置において、前記フィルタ溝穴が、前記コア開口から離れる方向において広くなることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、前記収集チャンバが前記フィルタユニットを収容するための圧力ジャケットを有し、前記圧力ジャケットが、入力端部で入力端部プレートによって、および出力端部で出力端部プレートによって密閉式に閉鎖され、前記フィルタパックが前記入力および出力端部プレートの間に挟まれることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置において、前記圧力ジャケットが、液体および気体用の別個の排出管を含むことを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項６に記載の装置において、前記フィルタユニットが、フィルタブロックを形成するために連続して重ねられた複数のフィルタパックを有し、前記フィルタブロックが、前記入力および出力端部プレートの間に挟まれた、交互に配置されたフィルタプレートおよび裏地プレートのスタックを含むことを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の装置において、各フィルタプレートが複数のフィルタ溝穴を含むことを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置において、前記裏地プレートが、前記収集チャンバおよび前記フィルタ溝穴と流体連通する排流路を前記フィルタプレートの後面と一緒に画定する凹部を有することを特徴とする装置。
【請求項１３】
固体／流体分離装置において、
ａ．押出し機バレルと、前記押出し機バレルにぴったり受け入れられる少なくとも一対の回転可能な介在される押出し機スクリューとを有するツインスクリュー押出し機プレスと、
ｂ．分離モジュールと含み、前記分離モジュールが、
ｃ．入力端部で前記押出し機バレルに接続可能であり、出力端部を有する加圧可能な分離チャンバと、
ｄ．前記押出し機バレルとの連通のために前記分離チャンバから遮断されたコア開口を画定する前記分離チャンバ中の少なくとも１つのフィルタパックであって、前記フィルタパックが、貫通フィルタ溝穴を有する少なくとも１つのフィルタプレートであって、前記貫通フィルタ溝穴が前記コア開口と流体連通し、かつ流体を前記コア開口から外方へ向けるために前記フィルタプレートの中に延びるフィルタプレートと、前記フィルタ溝穴の中に収集された流体を前記分離チャンバに向ける少なくとも１つの裏地プレートとを含む少なくとも１つのフィルタパックと
を含むことを特徴とする、固体／液体分離装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の装置において、入口、出口、フィルタおよび裏地プレートが、前記押出し機バレルとの連通のため、前記収集チャンバから遮断されたコア開口を画定し、前記フィルタプレートが、前記コア開口と連通しかつ前記コア開口から外方へ延びる少なくとも１つのフィルタ流路を有し、前記裏地プレートが、前記フィルタ流路中の液体を前記分離チャンバ中に案内するための凹部を有し、前記分離チャンバが、前記フィルタパックによって分離された液体を排出するための排流路出口を有することを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の装置において、前記フィルタプレートが、０．００００３〜０．００５平方インチの孔径を有する複数のフィルタ溝穴を含むことを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１３に記載の装置において、前記フィルタパックが、合計フィルタ表面に対する合計孔領域として測定される５％〜４０％の空隙率を有することを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載の装置において、前記フィルタパックが１００〜５０００ｐｓｉｇの圧力での運転用に構成されることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の装置において、前記フィルタパックが２５００〜３０００ｐｓｉｇの圧力での運転用に構成されることを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１７に記載の装置において、前記フィルタパックが３０００〜２１０００ｐｓｉｇの圧力での運転用に構成されることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる種類の固体／流体混合物を処理するための方法に関する。本発明は、固体／流体分離装置、特に、様々な濃度、固体含有率ならびに固体および液体の形態の多種多様な液体／固体混合物およびスラリーの分離に使用できる高い多用途特性の改良スクリュープレス装置に広く関連する。
【背景技術】
【０００２】
固体／液体分離のための様々なプロセスフィードまたはプロセス残留物処理プロセスが知られており、それらはかなりの滞留時間、高圧および高温を必要とする。一般に、液体はそれらの条件で処理される固体から分離しなければならない。従来の液体／固体分離装置は、高い液体／固体分離率および低い液体含有率を有する固体の達成に関して満足のいくものではない。
【０００３】
例えば、リグノセルロース系バイオマスの前処理において、加水分解ヘミセルロース糖、トキシン、インヒビタ、および／または他の抽出物を、固体バイオマス／セルロース画分から搾り取る必要がある。セルロースの前処理に必要な高温および高圧下で固体を液体から効率的に分離することは困難である。
【０００４】
多くのバイオマス対エタノールプロセスは湿潤繊維スラリーを生成し、それから溶解された成分および液体を様々なプロセスステップで分離し、固体繊維部を隔離しなければならない。固体／液体分離は一般にろ過によって、およびバッチ作業でフィルタプレスによって、または連続的にスクリュープレスによって行われる。
【０００５】
固体／液体分離は、食品加工（油抽出）、湿潤抽出プロセスにおける廃棄ストリーム量の低減、脱水プロセス、懸濁固体除去など、多くの他の商業的プロセスにおいても必要である。
【０００６】
商業的スクリュープレスを使用して固体／液体スラリーから水分を除去することができる。しかしながら、残留する脱液化固体ケーキは一般にわずか４０〜５０％の固体を含む。このろ過レベルは、ろ過ステップの後に別の希釈または処理ステップが続く場合は満足のいくものかもしれないが、スラリーの最大脱水を望む場合は満足できず、残った水分は大部分水である。この満足できない低い固体含有率は、従来のスクリュープレスが扱うことができる比較的低い最大圧力のせいであり、それは一般に約１００〜１５０ｐｓｉｇ以下の分離圧力である。排水スクリューと組み合わせた商業的モジュラースクリュー装置（ＭＳＤ’ｓ：Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ  Ｍｏｄｕｌａｒ  Ｓｃｒｅｗ  Ｄｅｖｉｃｅｓ）を使用することができ、これは最大３００ｐｓｉのより高い圧力で動作可能である。しかしながら、それらの欠点は固有の費用、複雑さ、および５０％以下の固体含有率の連続されるフィルターケーキ制限である。
【０００７】
固体／流体分離の間、固体画分（固体ケーキ）中に残留する液体の量は、適用される分離圧力の量、固体ケーキの厚さおよびフィルタの空隙率に依存する。フィルタの空隙率は、フィルタ孔の数および寸法に依存する。圧力低下、ケーキ厚の増加またはフィルタ空隙率の低減はすべて分離効率を低下させ、結果として、液体／固体分離度の低減、および固体画分の最終乾燥度の低減をもたらす。
【０００８】
特定の固体ケーキ厚さおよびフィルタ空隙率に対し、最大分離は可能な最も高い分離圧力で達成される。特定の固体ケーキ厚さおよび分離圧力に対し、最大分離はもっぱらフィルタの孔径に依存する。
【０００９】
高い分離圧力は、その分離圧力に耐えることができる強力なフィルタ媒体をあいにく必要とし、プロセスを困難にし、必要な器具を非常に高価なものにする。高い分離圧力が必要なとき、フィルタ媒体の厚さはそれら圧力に耐えるために増大する必要がある。しかしながら、より薄いフィルタ媒体と同じ全体空隙率を維持するために、より厚いフィルタ媒体はより大きい孔径を必要とする。保持される固体次第では、これにより問題が発生する可能性がある。その理由は、フィルタの許容可能な孔径が、固体画分中の繊維および粒子の寸法によって制限され、液体画分の明瞭さが、もっぱらフィルタ媒体の孔径によって制限されるからである。大きすぎる孔によりかなりの量の懸濁粒子が液体画分中に集まることが許容され、それにより液体／固体分離効率を低下させる。より多くの全体孔数を提供することによってより高い空隙率を達成することもできるが、それはフィルタ媒体を脆弱化し、従って最大運転圧力を低下させるか、フィルタ表面を過度に拡大する。
【００１０】
分離効率とフィルタ寸法の間の許容できるバランスを達成するために、従来の固体／液体分離装置は一般に、所望の圧力未満および所望の孔径を超えて運転される。しかしながら、時間が経つにつれ、これはフィルタ媒体が懸濁された固体で目詰まりするようになり、それにより分離効率を低下させるだけでなく、最終的にフィルタが故障に陥る。これは特に、セルロース前処理に必要な高圧による場合である。従って、フィルタの詰まりを一掃し、分離率を回復するために、液体の逆洗の流れが一般に必要とされる。いったんフィルタが詰まると、フィルタ媒体を逆洗するために高圧を必要とする。高圧、例えば１０００ｐｓｉｇを超える圧力で動作するフィルタ媒体を用いた運転の場合、または連続的なプロセスを用いた運転の場合、これは特に問題を孕んでいる。
【００１１】
従来のシングル、ツインまたはトリプルスクリュープレスが知られているが、許容できない分離能力を有する。米国特許第７，３４７，１４０号明細書は、穴の開いたケースを有するスクリュープレスを開示している。そのようなスクリュープレスの動作圧力は、穴の開いたケースの低強度およびケースの比較的低い空隙率のせいで低い。米国特許第５，５１５，７７６号明細書は、ウォームプレスおよびプレスジャケットの排水孔を開示し、これにより排出される液体の流れ方向の断面積が増大する。米国特許第７，３５７，０７４号明細書は、プレス内で圧縮されるバルク固体から水を排出するための複数の孔を有する円錐状脱水ハウジングを有するスクリュープレスを対象とする。ここでも、穴の開いたケースまたはジャケットが使用される。容易に理解されるように、ハウジングの孔の数が増えるほど、ハウジングの圧力抵抗は低くなる。さらに、ハウジングまたはプレスジャケットに孔を開けることは、微細な固体の分離のため非常に小さい開口が望まれるときの深刻な難題に関連する。従ってスクリュープレスの改良されたフィルタ媒体または脱水モジュールが望まれている。
【発明の概要】
【００１２】
先行する固体／液体分離装置の少なくとも１つの欠点を取り除くまたは軽減することが本発明の目的である。
【００１３】
異なる適用で得られたおよび／または処理された様々な異なる固体／液体スラリーを脱液化するための改良された方法を提供することがさらなる目的である。
【００１４】
多様な異なる種類の固体／液体混合物およびスラリーを分離するための改良された装置および方法を提供することが本発明のさらに別の目的である。
【００１５】
固体／液体スラリーから液体および気体の両方を分離するための改良された装置および方法を提供することが本発明のなおさらなる態様である。
【００１６】
固体／流体分離を改善するために、本発明は、ツインスクリュー押出し機プレスを含む高圧フィルタ装置を提供し、ツインスクリュー押出し機プレスは、１００ｐｓｉｇを超える、好ましくは３００ｐｓｉｇを超える圧力でツインスクリュー押出し機によって圧縮される流体含有固体塊から流体を分離するための固体／流体分離モジュールと組み合わされる。最大処理量に関して、フィルタ装置は好ましくはツインスクリュー押出し機プレスであるが、トリプルスクリュー押出し機プレスを本発明による分離モジュールとともに使用することもできる。
【００１７】
従来の認識によれば、フィルタプレスのろ過効率は、ろ過圧力およびフィルタ空隙率を増大することにより改善することができる。しかしながら、従来より使用されるろ過媒体は、達成できる圧力および空隙率をかなり制限する。本発明者らは、本開示による分離モジュールを含むスクリュープレスのろ過効率は、モジュールのろ過状態およびろ過特性を操作することによってのみ改善できるのではなく、スクリュー式搬送ユニットを、介在されたねじ山を有する２つ以上の押出し機スクリューを有するスクリュー押出し機プレスで置き換えることによっても大幅に改善できることを今や驚くべきことに発見した。ツインスクリュー押出し機を使用してスラリーを圧縮および搬送することによって、同じろ過圧力およびフィルタ空隙率で運転するとき、従来のスクリュープレスよりもかなり高いフィルターケーキ中の固体含有率を達成することができる。同時に、本発明者らは、ツインスクリュー押出し機プレスを、３００ｐｓｉｇ超かつ２０，０００ｐｓｉｇまでの分離圧力で運転できる高圧固体／液体分離ユニットと組み合わせることによって、相当により高い分離圧力、従ってフィルターケーキ中のはるかにより高い固体含有率を達成できることを発見した。１つの利用において、バイオマス対エタノールプロセスにおける前処理されるセルロース系バイオマスの脱水、５０％をはるかに超える固体含有率が予想される。この理論に縛られることなく、本発明者らは、ツインスクリュー押出し機を含むプレスの改善されたろ過能力は、ツインスクリュー押出し機などのマルチスクリュー押出し機中で生成される著しいせん断によって引き起こされると考える。達成されるより高いせん断が、通常は圧力だけでは分離されないであろう閉じ込められた液体を、スラリー中の固体から追い出すことが理論化される。このせん断は、液体の少なくとも一部が固体に拘束されるか固体によって閉じ込められる固体／液体混合物またはスラリーの改善された固体／液体分離にかなり貢献すると予想される。
【００１８】
ツインスクリュー押出し機は周知であり、また樹脂加工および食品加工（押出し調理）で一般的に使用されるが、本発明のように高圧下での固体／液体分離には使用されなかった。
【００１９】
本発明の固体／液体分離装置の好ましい押出し機ユニットは、バレルを有するツインスクリュー組立体を含み、バレルは、少なくとも部分的に介在されたねじ山を有する一対の平行または非平行スクリューを収容する。スクリューのねじ山は、押出し機バレルの長さの少なくとも一部に沿って介在され、一対のスクリューの間、およびスクリューとバレルの間に密接な隙間を画定する。円筒状、テーパ状、または円錐状スクリューを使用することができる。テーパされた円錐スクリューは、テーパされたコアを有する非平行円錐スクリューと同様にうまく使用することができる。密接な隙間は、増大されたせん断を有するニップ領域を形成する。ニップ領域はバレル内に高圧ゾーンを形成し、高圧ゾーンにより材料は混練かつせん断されながら前方へ推進される。
【００２０】
好ましい押出し機はさらに、特定の流体分離モジュールを含み、これによりスクリュー押出し機の高い運転圧力で押し出される混合物から流体を効果的に抽出することが可能になる。
【００２１】
この組立体は、液体を固体から分離する必要がある場合、多様なプロセスに著しい利点を提供すると予想され、液体はわずかな懸濁された固体の混入を有するほかない。組立体はまた、液体が洗浄または溶出により除去する必要のある溶解された成分を含有する場合、固体を液体から分離する必要があるプロセスに有利であると予想され、抽出された液体はわずかな懸濁された固体の混入を有するほかない。
【００２２】
本開示によるツインスクリュー押出し機フィルタプレスの分離能力は、全体が本明細書に組み込まれる同時係属の米国特許出願公開第２０１２−０１１８５１７号明細書（米国特許出願第１３／２９２，４４９号明細書）に開示されるような改善された分離特性を有するフィルタユニットを使用することによって改善することができる。分離モジュールは、５％〜４０％の空隙率（合計フィルタ表面に対する合計孔面積）を有するフィルタユニットを含む。好ましくはこのモジュールは、５〜４０％、より好ましくは１１〜４０％のフィルタ空隙率で、最大２０，０００ｐｓｉｇ、より好ましくは１０，０００ｐｓｉｇ、最も好ましくは３０００ｐｓｉｇの動作圧力に耐える。フィルタユニットは好ましくは、０．００００５〜０．００５平方インチの孔径を有する複数のフィルタ孔を含む。
【００２３】
本出願の発明者らは、さらに驚くべきことに、２つ以上の押出し機スクリューと、上に記載したようなフィルタユニットに従う分離モジュールとを有する押出し機の同一基本構成を使用して、分離モジュールの目詰まりなしに、同一原理装置または方法によって以前は分離できない非常に多様な液体／固体混合物およびスラリーから液体を分離できることを発見した。
【００２４】
好ましい実施形態では、フィルタユニットは、微細な固体の分離用の０．００００５平方インチの孔径を有するフィルタ孔と、５．７％の空隙率と、２，５００ｐｓｉｇの圧力抵抗とを含む。別の実施形態では、フィルタユニットは、０．００５平方インチの孔径を有する孔と、２０％の空隙率と、５，０００ｐｓｉｇの圧力抵抗とを含む。さらに好ましい実施形態では、フィルタユニットは、０．００００５平方インチの孔径の孔と、１１．４％の空隙率とを含む。さらに別の好ましい実施形態では、フィルタユニットは、０．００５平方インチの孔径を有する孔と、４０％の空隙率とを含む。さらに別の実施形態では、フィルタユニットは、０．００００３平方インチの孔径の孔を含む。
【００２５】
固体／流体分離効率を最大化するために、フィルタ孔径を最小化する一方でフィルタ空隙率を最大化すること、および高い分離圧力で運転することが望ましい。孔径を最小化することは、フィルタジャケットに通じる円筒流路を切り込む必要があるせいで、従来のスクリュープレスでは難題である。この問題は本発明者らによって今や対処された。本発明のフィルタユニットでは、フィルタ孔は、単にフィルタプレートを通して溝穴を切ることによって形成され、これは圧力ジャケットに穴を開けることよりはるかに簡単に達成することができる。溝穴の使用は、比較的薄いフィルタプレートおよび比較的狭い溝穴を使用することによって、はるかにより小さいフィルタ孔を形成することも可能にする。例えば、０．００５インチ厚のフィルタプレートを使用すること、および０．０１インチ幅の溝穴を切ることによって、０．００００５平方インチの孔径を達成することができる。さらに、高い動作圧力で比較的高い空隙率を実現するために、分離モジュールは、加圧される液体含有固体塊の源に対する密閉接続用に、例えばスクリュープレスに提供される。
【００２６】
一態様において、分離装置は、加圧可能な収集チャンバと、加圧された塊を密閉式に受け入れるフィルタユニットとを含む。フィルタユニットは予め選択されたフィルタ孔径と、予め選択された空隙率とを有する。フィルタユニットは、前面および後面を有する少なくとも１つのフィルタプレートと、フィルタプレートの前面と係合するカバープレートと、フィルタプレートの後面と係合する裏地プレートとを含む。カバーおよび裏地プレートは、加圧された塊を受け入れるための、収集チャンバから遮断された貫通コア開口を画定する。フィルタプレートは好ましくは同じくコア開口まで延在するが、コア開口よりわずかに大きい中央開口を有するように寸法決めすることができる。フィルタプレートは、フィルタプレートに通じるコア開口から外方に延びる少なくとも１つの貫通フィルタ溝穴を有し、フィルタ溝穴は、予め選択されたフィルタ孔径を有するフィルタ流路を形成するためにカバーおよび裏地プレートによって前面および後面で密閉される。裏地プレートは、収集チャンバおよびフィルタ流路と流体連通する排液流路を後面とともに画定するために凹部を有する。増大された空隙率のために、フィルタプレートは好ましくは、フィルタユニットの空隙率を増大するための複数の別個のフィルタ溝穴を含み、排液流路は全てのフィルタ溝穴と流体連通する。フィルタユニットの空隙率をさらに増大するために、フィルタユニットは好ましくは、交互に配置されたフィルタプレートおよびカバープレートのスタックにおいてカバープレートの後ろに配置されたフィルタプレートおよび裏地プレートの複数の対を含み、それにより２つのフィルタプレートの間に挟まれた各裏地プレートは、一方のフィルタプレートの裏地プレートとして、他方のフィルタプレートのカバープレートとして機能する。フィルタプレートおよび裏地プレートを交互に配置することによって、フィルタユニットの分離圧力収容能力は増大される。フィルタプレートより厚い裏地プレートを使用することによって、フィルタユニットの圧力収容能力をさらに改善することができる。同様に、直径がより大きい裏地プレートおよびフィルタプレートを使用することによって、フィルタユニットの圧力収容能力を増大することができる。
【００２７】
一実施形態では、分離モジュールは、スクリュープレスのバレルに取付け可能であるかそれに一体化可能であり、コア開口はプレスの押出し機スクリューの一部をぴったり受け入れるように寸法決めされる。押出し機スクリューは好ましくは、圧縮された材料をフィルタ表面から連続的に掻き取る一方で同時にかなりの分離圧力を生成するように、フィルタブロックのコア開口と近い公差を有する。少量の繊維がフィルタの表面に捕捉された場合、それらは押出し機要素によってより小さい片にせん断され、最終的にフィルタを通過し、非常に微細な粒子として液体ストリームと一緒に排出される。これは、高圧および場合により高温環境においてさえ材料の固体および液体部分の分離を可能にする固体／流体分離装置を提供する。
【００２８】
別の態様において、加圧された液体含有固体塊から液体または気体を分離する分離モジュールは、液体および気体用収集チャンバを画定する圧力ジャケットと、収集チャンバから液体および気体をそれぞれ排出するためのジャケット上の液体出口および気体出口と、ジャケットの入口端部に取外し可能に固定できる入口端部プレートと、ジャケットの出口端部に取外し可能に固定できる出口端部プレートと、フィルタプレートおよび裏地プレートを含む少なくとも１つのフィルタパックとを有する密閉可能なハウジングを含み、フィルタパックは入口端部プレートと出口端部プレートの間に挟まれ、フィルタプレートおよび裏地プレートは、加圧された塊を受け入れるための、収集チャンバから遮断された位置合わせされたコア開口を有し、フィルタプレートは、コア開口からフィルタプレートの中に延びる少なくとも１つの貫通フィルタ溝穴を含み、裏地プレートはフィルタ溝穴および収集チャンバと流体連通する流路を画定する。
【００２９】
好ましくは密閉可能なハウジングは、フィルタプレートおよび裏地プレートの２つ以上の対を有する。好ましくはフィルタプレートは複数のフィルタ溝穴を含む。好ましくは各裏地プレートは、隣接するフィルタプレートの全てのフィルタ溝穴と流体連通する円形の溝を含む。
【００３０】
好ましくはフィルタプレートおよび裏地プレートのそれぞれは、プレートの位置合わせおよび相互接続のための、一対の反対側の取付けタブを有する。各取付けタブは、連続フィルタブロック中でフィルタプレートおよび裏地プレートのスタックを位置合わせして締め付けるために、締結ボルトを受け入れるための穴を有してもよい。あるいは、締結ボルト用の穴は省略されて、圧力ジャケットが、タブを位置合わせするために、およびフィルタプレートおよび裏地プレートのコア開口に対する回転を防止するために、内面に隆起部を含む。
【００３１】
さらなる態様において、本開示は固体部、液体部および気体部を有する材料を、液体部および気体部から固体部を分離するように処理するための記載された固体／流体分離モジュールの使用を提供する。
【００３２】
さらなる態様において、本発明はバイオマス、特にリグノセルロース系バイオマスを前処理するプロセスに存在する。
【００３３】
本開示の他の態様および特徴は、特定実施形態の以下の記載を添付図面と併せて再考察すると、当業者に明らかになるであろう。
【００３４】
本明細書に記載の実施形態をより深く理解するために、およびどのようにそれらを実行できるかをよりはっきり示すために、次に例示的実施形態を示す添付図面を単に例として参照する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、固体−液体分離モジュールを有するツインスクリュー押出し機を概略的に組み込む例示的なセルロース前処理システムの概略図を示す。
【図１ａ】図１ａは、本発明による例示的な固体／流体分離装置の部分的概略側面図である。
【図２ａ】図２ａは、図１ａに示される例示的装置の断片的水平断面図であるが、簡単にするため固体／液体分離モジュールを１つだけ含んでいる。
【図３ａ】図３ａは、図１ａに示される例示的装置の垂直断面図であるが、簡単にするため固体／液体分離モジュールを１つだけ含んでいる。
【図４ａ】図４ａは、図１ａの例示的実施形態で使用される好ましいテーパ状ツイン押出し機スクリューセットの斜視図である。
【図４ｂ】図４ｂは、円筒バレルと一緒に図１ａの例示的実施形態で使用してもよい、非テーパ状ツイン押出し機スクリューセットの平面図である。
【図５ａ】図５ａは、固体／流体分離モジュールの実施形態を分解図で概略的に示す。
【図５ｂ】図５ｂは、図５ａに示される固体／流体分離モジュールの分解図を示す。
【図６】図６は、排液チャネルとして狭いフィルタ溝穴を有する分離モジュールのフィルタ（フィンガ）プレートを示す。
【図６ａ】図６ａは、図４のフィルタ（フィンガ）プレートの拡大された詳細図を示す。
【図６ｂ】図６ｂは、図６および６ａの実施形態より広いフィルタ溝穴を有する分離モジュールのフィルタ（フィンガ）プレートを示す。
【図７】図７は、図３の実施形態の右仕様裏地プレートを示す。
【図８】図８は、線Ｂ−Ｂに沿って取られた図７の裏地プレートの断面図である。
【図９】図９は、線Ａ−Ａに沿って取られた図７の裏地プレートの断面図である。
【図１０】図１０は、図３の実施形態の左仕様裏地プレートを示す。
【図１１】図１１は、図６および７に従うフィルタプレートおよび裏地プレートの対の等角図である。
【図１２】図１２は、線Ｃ−Ｃに沿って取られた、図１１のフィルタプレートおよび裏地プレートの対の断面図である。
【図１３】図１３は、分離モジュールの一実施形態で得られたろ液中で見出された粒子の粒径分布を示す。
【図１４】図１４は、オリーブフィードストックのからの水および油の抽出に対する本発明による分離装置の利用可能性を示す。
【図１５】図１５は、テンサイフィードストックのからのスクロースの抽出に対する本発明による分離装置の利用可能性を示す。
【図１６】図１６は、細断されたダイズフィードストックのからの水および油の抽出に対する本発明による分離装置の利用可能性を示す。
【図１７】図１７は、前処理されたリグノセルロース系バイオマスフィードストックのからの水の抽出に対する本発明による分離装置の利用可能性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
当然のことながら、説明を簡略かつ明確にするために、適切と考えられる場合、参照番号は、対応または類似する要素またはステップを示すために、図面を通して繰り返される場合がある。さらに、本明細書に記載した例示的実施形態の完全な理解を実現するために、多数の特定の詳細が記載される。しかしながら、当業者であれば、本明細書に記載される実施形態は、これら特定の詳細なしに実行できることを認識するであろう。他の例では、周知の方法、手順および構成要素は、本明細書に記載の実施形態を曖昧にしないように、詳細に記載されていない。さらに、本記載は、本明細書に記載の実施形態の範囲を制限しているとは決してみなされず、むしろ本明細書に記載の様々な実施形態の実行を単に記載しているとみなされる。
【００３７】
本発明の好ましい押出し機ユニットは、平行または非平行スクリューを有するツインスクリュー組立体を含み、ここでスクリューのねじ山が、少なくとも押出し機のバレルの長さの一部に沿って介在され、スクリューの間、およびスクリューとバレルの間に密接な隙間を画定している。２つより多い押出し機スクリューを備えたスクリュー押出し機を使用することもできる。円筒状、またはテーパされた円錐状スクリューを使用することができる。好ましくはテーパされた円錐状スクリューであり、最も好ましくは非平行円錐状スクリューである。密接な隙間により、増大したせん断応力を有するニップ領域が形成される。ニップ領域によりバレル内部に高圧ゾーンが形成され、高圧ゾーンにより材料は混練かつせん断されながら前方に押される。特定の流体分離ユニットも設けられ、それにより、押し出される混合物から流体を効果的に抽出することが可能になる。
【００３８】
本発明者らは、スクリュープレスコンベヤで使用するための固体−液体ろ過装置を開発した。このろ過装置は、非常に高い圧力（最大２０，０００ｐｓｉｇ）に対処可能であり、驚くべきことに、ツインスクリュー押出し機プレスと組み合わされるとき、商業的に入手できるまたは研究室において使用されるいずれのろ過装置の固体レベルを５０〜９０％上回る固体レベルを達成することができた。さらに、装置の非常に小さい孔径により、抽出された液体部分は、懸濁された固体をほとんど含まず、これによりさらなる利点が提供される。この装置は、同時係属の米国特許出願公開第２０１２−０１１８５１７号明細書（米国特許出願第１３／２９２，４４９号明細書）の主題である。この分離結果、および濾滓中の相当に高い固体含有量は、非常に意外であった。何故なら、高圧ろ過ユニットとツインスクリュー押出し機プレスの組合せが、後続の乾燥ステップなしに今日まで全く得ることができなかった実質的に乾燥したケーキを生成できる固体／液体分離装置をもたらしたからである。その理論は、ツインスクリューが、３００ｐｓｉをはるかに超える圧力で非常に薄いケーキによって材料をせん断する間、捕捉され束縛された液体および水に、固体からおよび新規フィルタ装置を介して装置から移動するための経路を同時に与えることができるというものである。
【００３９】
本発明の装置を用いて、液体および固体の両方を含有する流体にかなりのせん断力／応力を適用することができ、その力は、非常に強力かつ非常に微細なろ過機構（最大２０，０００ｐｓｉのろ過ユニットの強度、孔径は最大５００Ｃの温度で５ミクロンに至る）内で薄いケーキ内に適用され、ろ過機構は同時に、液体を完全に自由にし、この微細フィルタを介して外部へ移動することを可能にする。従って以下のことが予測される。すなわち、このフィルタ装置とツインスクリュー押出し機プレスの組合せにより、セルロース系エタノールプロセスおよび他のプロセス、特にせん断減粘特性を有する非ニュートン流体の脱水、またはいったん特定のせん断応力が材料に付与されると分離した固体成分と液体成分とに分解する粘塑性材料の脱水に対処するプロセスにかなりの利点が提供される。
【００４０】
次に図を参照すると、図１ａは本発明による例示的な固体液体分離装置２００を概略的に示している。装置は、バレルモジュール２１２と分離モジュール２１４とを有するツインスクリュー押出し機２１０を含み、押出し機２１０は、中間ギヤボックス駆動装置２２４を介してモータ２２６によって駆動され、モータおよびギヤボックスの両方は従来型の構成要素である。
【００４１】
図２ａおよび３ａは、図１ａに示された装置の簡略化された例示的実施形態を示し、単一の分離モジュール２１４だけを示している。図２ａおよび３ａから明らかなように、装置２００は、入口２１８および出口２２０を呈する区画化されたバレル２１６を広く含み、特定のツインスクリュー組立体２２２がバレル２１６内にある。組立体２２２はギヤボックス駆動装置２２４を介してモータ２２６に接続される。示される簡略化された例示的実施形態のバレル２１６は、端部同士が接続された２つの管状バレルヘッド２２８、２３０と、分離モジュール２３２とから構成される。各バレルヘッドは外部ジャケット２３４、２３６が設けられ、それにより押出し機装置の温度制御のため冷却媒体または加熱媒体の循環が可能になる。分離モジュール２３２は外部圧力チャンバ２３８を含む。第１ヘッド２２８が入口２１８を含み、分離モジュール２３８がダイ２４０を含むことが観察される。ダイは中央開口を含み、その幅は、バレル２１６および分離モジュール２３８内の所望の背圧を生じさせるように選択される。バレル２１６および分離モジュール２３８内の圧力は、スクリュー２５０、２５２とバレル２１６の密着度、およびモータ２２６の、従ってスクリュー２５０、２５２の回転速度によっても制御することができる。ヘッド２２８〜２３０のそれぞれは、内側スリーブ２４２、２４４も含み、それらは、テーパされた連続スクリュー組立体受入開口２４８をバレル内に協働して画定する。この開口２４８は、スクリュー組立体２２２を収容するために概ね「８の字」型を有する。示されるように、開口２４８はヘッド２２８の後端部で最も広く、バレル２１６の出口２２０の装置の端部まで漸進的かつ均一にテーパする。
【００４２】
スクリュー組立体２２２は、第１および第２の細長いスクリュー２５０、２５２を含み、それらは図４ａで最もよく分かるように横並びの関係である。一定断面の非テーパバレルが使用される場合（不図示）、図４ｂに示されるような一対の真直ぐなまたは円筒状のスクリューをスクリュー２５０および２５２として使用することができる。スクリュー２５０、２５２のそれぞれは、細長い中心シャフト２５４、２５６ならびに外側に延びるらせん状ねじ山２５８、２６０を含む。図２ａおよび３ａに示されるようなテーパスクリューにおいて、シャフト２５４、２５６はそれぞれ、対応シャフト２５４、２５６の後端部に近接する点２６２、２６４から、シャフトの前端部に隣接する前方の点２６６、２６８まで第１テーパ角度で漸進的かつ均一にテーパする外面を有する。このテーパ角度は一般的に、約０．５〜５°まで、より好ましくは約１〜２．２°まで変化する。示される実施形態は１．３４２４°のテーパ角度を有する。
【００４３】
ねじ山２５８、２６０（示される実施形態では二重のねじ山が使用されるが１つまたは複数のねじ山も可能である）が、点２６２、２６６および２６４、２６８の間のシャフト２５２、２５４の全長に実質的に延びている。従って、ねじ山２５８、２６０は、点２６２、２６４に隣接する後端部から連続して前端部２６６、２６８まで進む。さらに、ねじ山はスクリュー２５０、２５２のそれぞれにおいて外面２７０、２７２を呈する。ねじ山２５８、２６０の幾何学的形状は、ねじ山がスクリュー２５０、２５２の後端部から前端部まで前進するにつれ、ねじ山深さが漸進的かつ均一に減少するようなものである。結果、ねじ山２５８、２６０の外面２７０、２７２も同じく、後ろから前まで漸進的かつ均一にテーパする。ねじ山深さおよび外側ねじ山表面の第２テーパ角度は、２〜６°までの範囲であることができ、示される実施形態では３．３０４°である。
【００４４】
最後に、ねじ山２５８、２６０は、ねじ山外面２７０、２７２の幅が、スクリューの後端部から前端部まで漸進的かつ均一に増大するように設計される。この構成は図３ａおよび４ａに最良に示され、当該図中、その幅はスクリュー２５０、２５２の後端部で比較的小さいが、スクリューの前端部でより広い幅に増大することが分かる。しかしながら既に記載したように、幅はスクリューの長さを通して一定であってもよく、あるいは後端部から前端部まで狭くなってもよい。従って、各スクリューの前端部または入力端部の幅対後端部または出力端部の幅の比は、約０．５〜５の範囲内であり得る。
【００４５】
スクリュー２５０、２５２は、それらの各中心軸が互いに収束する角度にあり、その結果、先端角度が中心軸によって画定されるように好ましくは向けられる。この先端角度は約１〜８°の範囲であり得る。示される実施形態の先端角度は２．３２４０°である。スクリュー２５０、２５２がバレル開口２４８内で記載されるように向けられるとき、各スクリュー２５０、２５２のねじ山２５８、２６０は介在される、すなわちねじ山のそれぞれは、対応するスクリューの後端部と前端部の間で仮想すい台を画定し、ねじ山２５８、２６０は隣接スクリューの仮想すい台内に延びる。示されるように、および適切な第１および第２テーパ角度および中心軸２７４、２７６間の先端角度の選択により、ねじ山はスクリュー組立体２２２の長さに沿って複数の密接な隙間のニップ領域２７８を呈する。これらニップ領域はねじ山２５８、２６０の間に隙間を呈し、隙間は好ましくはスクリュー組立体２２２の長さに沿って実質的に一定である。より一般的には、所望ならそのようなニップ隙間は、組立体２２２の長さに沿って増大または減少することができる。ニップ領域２７８に加えて、組立体２２２はまた、スクリュー２５０、２５２の間に材料逆流流路２８０および混練領域２８２も呈することが観察される。
【００４６】
作動中、分離される混合物が、押出し機装置２１４の中に送られ、その中を通して送られる。スクリュー組立体２２２は、一般に約２０〜１，２００ｒｐｍの速度で、スクリュー２５０、２５２を同時に回転するように回転される。押出し機内の圧力は一般に、出口ダイのすぐ隣で最大であり、一般に約３００〜２０，０００ｐｓｉｇ、より好ましくは約１，０００〜１０，０００ｐｓｉｇの範囲である。押出し機内の最高温度は通常、約４０〜５００℃の範囲である。
【００４７】
押出し状態は、押出し機バレルから現れる生成物が、押出し機に供給される生成物より高い固形分を一般に有するように、装置２１４内で確立される。本開示の分離装置で得られるべきリグノセルロースバイオマス由来のバイオ燃料生成物で達成されるべき好ましい固形分は、５０％超である。
【００４８】
押出し可能な混合物がバレル２１６を通過する間、スクリュー組立体２２２は、分離のための所望の圧力を最外ダイ２４０とともに生成するように混合物に作用する。上に記載したようなスクリュー２５２、２５４の特定の構成により、従来のスクリュープレスではこれまで見いだせなかった分離状態が発生される。すなわち、混合物を同時回転スクリュー２５２、２５４の長さに沿って前進させると、混合物は、材料を前方に押す、すなわち「圧送」する働きをする比較的高い局所圧力を生成する交互の上側および下側密接隙間ニップ領域２７８に連続的に直面し、同時に、生成物はスクリューが回転すると領域２８２内で混練され、材料の逆流が流路２８０を通して許容される。結果は、バレル２１６内の強力な混合／せん断およびクッキング作用である。さらに以下のことが見出されている。すなわち、幅広い様々な固体／液体混合物を、単にスクリュー組立体２２２の回転速度を変えることによって、および必要であれば、バレル内の温度条件を変えることによって、すなわち単に装置の動作特性を変えることによって、本発明の装置を用いて分離することができる。この融通性および多用途性の程度は、ろ過技術において前例がない。
【００４９】
本発明による膜なし固体／液体分離装置モジュール１００の一実施形態が図５および５ａに示されており、このモジュールは非常に高い内部圧力（最大５０００ｐｓｉｇ）に耐えることができる。この固体／液体分離装置モジュールは、図１に示されるプロセスおよび装置とともに使用可能である一方、処理されるバイオマス／固体の種類によって必要とされる様々なフィルタプレート構成およびプレート厚によって透過性／空隙率（ろ過能力）を制御することができる。
【００５０】
図１ａに示されるような分離モジュール２１４の例示的実施形態が、固体／液体分離モジュール１００として図５により詳しく示されている。これは図１ａの固体／液体分離装置の一部として使用され、ツインスクリュー押出し機バレル（これよりバレル５００と押出し機ブロック５２０の間に取り付けられている。モジュール１００は流体（液体および／または気体）を、好ましくは１００ｐｓｉｇを超える圧力までスクリュープレスによって圧縮される固体の液体含有塊から分離する。分離モジュール１００は、収集チャンバ２００と、５％〜４０％の空隙率（全フィルタ表面に対する全空隙領域）を有するフィルタユニット３００とを含む。モジュール１００は、５〜４０％、より好ましくは１１〜４０％のフィルタ空隙率で５０００ｐｓｉｇまでの動作圧力に耐えると好ましい。フィルタユニット３００は、０．００００５〜０．００５平方インチの孔径の複数のフィルタ孔を含むと好ましい。
【００５１】
好ましい実施形態では、フィルタユニット３００は、微細な固体を分離するための０．００００５平方インチの孔径を有するフィルタ孔と、５．７％の空隙率と、２，５００ｐｓｉｇの圧力耐性とを含む。別の実施形態では、フィルタユニット３００は、０．００５平方インチの孔径を有するフィルタ孔と、２０％の空隙率と、５，０００ｐｓｉｇの圧力耐性とを含む。さらに好ましい実施形態では、フィルタユニット３００は、０．００００５平方インチの孔径を有するフィルタ孔と、１１．４％の空隙率とを含む。さらに別の好ましい実施形態では、フィルタユニット３００は、０．００５平方インチの孔径を有するフィルタ孔と、４０％の空隙率とを含む。
【００５２】
分離モジュール１００の基本構造が図５および５ａに示されている。あらゆる成分の最大圧力に耐えることができる収集チャンバ２００が、ろ過された流体を気体および液体に分離するために使用される。収集チャンバは、圧力ジャケットまたはハウジング２２０と、取込みおよび出力端部プレート２３０および２４０とによって画定される。液体は、好ましくは圧力ジャケット２２０の最下地点に配置される液体ドレン２２１を介して収集チャンバ２００から排出することができる。圧力ジャケット２２０はさらに、ジャケットの内側でジャケットの長手軸と平行に延びる複数の位置合わせ隆起部２２３を含み、フィルタプレートおよび裏地プレートを収集チャンバ２００内で位置合わせする。収集チャンバ２００内に蓄積された気体は、好ましくは圧力ジャケット２２０の最高地点に配置される気体ドレン２２２を介してチャンバから排出することができる。高圧収集チャンバ２００は、圧力ジャケット２２０の軸方向端部とエンドプレート２３０、２４０との間に配置された環状シール２５０によって密閉される。この高圧／高温能力により、５０〜２５０℃のプロセス動作温度で通常は気体の状態にあるアンモニア、ＣＯ２および水などの流体でバイオマスを洗浄することが可能になる。分離モジュールは、エンドプレート２３０、２４０を相互に引きつけ、それらの間で圧力ジャケット２２０および環状シール２５０を締め付けるように、圧力ジャケット２２０の外側に配置されるアセンブリボルト２２５によって一緒に結合される。フィルタユニット締付ボルト１２９（図２参照）を同様に使用して、フィルタパック３２１、３２２をフィルタユニット３００内で一緒に締め付けることもできる。好ましい実施形態では、フィルタユニット締付ボルトはエンドプレート２３０、２４０を貫通して延び、分離モジュール２００のさらなる相互締付けを提供する。フィルタユニット締付ボルト１２９はまた、押出し機ブロック５２０を分離モジュールに締め付けるために押出し機ブロックを貫通して延びることができる。しかしながら、収集チャンバ２００内の圧力を維持するために確実に密閉しなければならない、分離モジュール２００中の貫通点の数を最少化するために、フィルタユニット締付ボルト１２９は省略され、分離ユニットの部品の全ての相互締付けは、圧力ジャケットの外側に配置されるボルト２２５などの結合構造物によって達成される。使用される圧力に応じて、いくつかの種類の気体を収集チャンバ２００内で正確に分離することができ、または（図１に示されるような）いくつかの状況下では、分離フラッシュ室を使用して、プロセスの全体効率を最適化することができる。
【００５３】
フィルタユニット３００は、裏地プレート１６０、１８０に対して配置されたフィルタプレート１２０の組合せである本発明の基本フィルタパック３２１、３２２のスタックから組み立てられるいくつかのプレートブロック３２０を含み、それらは図４〜１２を参照して以下でより詳しく記載される。示される実施形態では、フィルタプレート１２０および右仕様裏地プレート１６０を含む右仕様フィルタパック３２１と、フィルタプレート１２０および左仕様裏地プレート１８０を含む左仕様フィルタパック３２２とがある。しかしながら、左および右仕様構成要素を必要としない完全に対称的な実施形態も可能である。
【００５４】
一態様では、分離モジュールは、加圧された塊（不図示）を密閉式に受け入れるために、加圧可能な収集チャンバ２００とフィルタユニット３００とを含む。フィルタユニット３００は、予め選択されたフィルタ孔径と、予め選択された空隙率とを有する。フィルタユニット３００は、反対側にある前面および後面１２１、１２３を有する少なくとも１つのフィルタプレート１２０と、フィルタプレート１２０の前面１２１と係合するカバープレート２３０と、フィルタプレート１２０の後面１２３と係合する裏地プレート１６０、１８０とを含む。フィルタ、カバーおよび裏地プレート（１２０、２３０、１６０／１８０）は、加圧された塊（不図示）を受け入れるために、収集チャンバ２００から遮断された貫通コア開口１２８を画定する。フィルタプレート１２０は、コア開口１２８から外方へ延びる少なくとも１つの貫通フィルタ溝穴１３２を有し、フィルタ溝穴１３２は前面および後面１２１、１２３でカバーおよび裏地プレート２３０、１６０／１８０によって密閉され、予め選択されたフィルタ孔径を有するフィルタ流路を形成する。裏地プレート１６０／１８０は凹部１６４を有し、収集チャンバ２００およびフィルタ溝穴１３２と流体連通する排流路を後面１２３とともに画定する（図１１および１２参照）。増大した空隙率の場合、フィルタプレート１２０は好ましくは複数の分離フィルタ溝穴１３２を含み、排流路１６４は、全てのフィルタ溝穴１３２と流体連通する。フィルタユニットの空隙率をさらに増大するために、フィルタユニットは好ましくは、交互するフィルタおよびカバープレートのスタックでカバープレート２３０の後ろに配置された複数のフィルタおよび裏地プレート（１２０、１６０／１８０）のペアを含み、それにより２つのフィルタプレート１２０の間に挟まれた各裏地プレート１６０／１８０は、一方のフィルタプレートの裏地プレートとして、および他方のフィルタプレートのカバープレートとして機能する。フィルタおよび裏地プレート（１２０、１６０／１８０）を交互にすることによって、フィルタユニット３００の分離圧縮能力は増大される。フィルタプレート１２０より厚い裏地プレート１６０／１８０を使用することによって、フィルタユニット３００の圧縮能力をさらに改善することができる。
【００５５】
図５の実施形態では、分離モジュール１００はスクリュープレスのバレル５００に取り付けられ、コア開口１２８はプレススクリュー（不図示）の一部をぴったり受け入れるように寸法決めされる。スクリュープレスのプレススクリューは一般に、フィルタブロック３００のコア開口１２８に対して非常に近い公差を有し、圧縮された材料をフィルタ表面から掻き取る一方、同時にかなりの分離圧力を生成する。少量の繊維がフィルタの表面に捕捉された場合、繊維は押出し機スクリューによってより小さい片にせん断され、最終的にフィルタを通過し、非常に微細な粒子として液体とともに排出される。これにより、高圧および高温環境において材料を固体および液体部分に分離することを可能にする固体／液体分離装置が提供される。
【００５６】
押出し機スクリューに接線方向にフィルタ孔１３４を拭い取らせることによって、分離装置は目詰まりしにくくなる。本発明による分離モジュール１００の上昇した空隙率および圧力抵抗により、最大９０％の乾燥部排出物における乾燥塊含量が可能である一方、同時に小さい孔径によって比較的きれいな液体部が得られ、ここで懸濁した固体は１％程度の低さである。本発明による固体／液体分離モジュールは、材料の固体／液体部を分離するために多くの異なる利用において使用できることが容易に理解される。
【００５７】
継続的なパイロット試験において、４０ｇの固体と６０ｇの水を含有する１００ｇ単位のバイオマスを４０ｇの水で洗浄し、その後、１００Ｃの温度において６００ｐｓｉｇの内力を用いて液体をフィルタから絞り出し、３９ｇの懸濁された固体と５ｇの水を含有する乾燥バイオマス排出物（液体／固体バイオマスの固体部）を得た。９５ｇの水を含有するろ液は比較的きれいで、５ミクロンの平均粒径および図１３のような粒子分布を有する懸濁された固体を１ｇだけ含有した。
【００５８】
さらに、本発明の固体／液体分離装置は目詰まりしにくいので、既存の分離装置で定期的に必要とされるようなメンテナンスの必要性はこれまでより少ない。従って、本固体／液体分離装置をあるプロセスで使用することができ、この際少ない中断時間および少ないメンテナンスにより製造能力が向上し、費用が低減される。
【００５９】
図６は微細なフィルタプレート１２０を示し、円形中間部分１２２が第１支持タブ１２４および第２支持タブ１２６に取り付けられている。円形中間部分１２２は、ツインスクリュープレスのプレススクリューをぴったり受け入れるための８の字型のコア開口１２８を有する。フィルタプレート１２０は前面１２１および後面１２３を有する。コア開口１２８は複数の微細なフィンガ１３０と中間フィルタ溝穴１３２とによって囲まれている。最大の固体／液体分離効率を達成するために、フィルタ孔径を最小化し、フィルタを最大化することが望ましい。孔径を最小化することは、円筒流路をフィルタジャケットに切り込む必要があるので、従来のスクリュープレスでは難題である。この問題は本発明によるフィルタユニットにより対処され、フィルタ孔は、溝穴１３２を薄いフィルタプレート１２０に単に切り込むことによって形成される。フィルタ溝穴１３２はプレート１２０の全厚さを通して切り込まれ、従って本明細書中、貫通溝穴と呼ばれる。非常に小さいフィルタ孔を、本発明によるフィルタプレート１２０を用いて、図６および６ａに示されるような非常に薄いフィルタプレート１２０と非常に微細な溝穴１３２とを使用することによって、得ることができる。例えば、０．００５インチ厚のフィルタプレートを使用することによって、および０．０１インチ幅の溝穴をフィルタプレートに切り込むことによって、わずか０．００００５平方インチの孔径を得ることができる。
【００６０】
図６ａに示されるように、非常に微細な溝穴１３２および中間微細フィンガ１３０は、それらがコア開口１２８からフィルタプレート１２０中に、および中間部分１２２の外側部分に向かって延びるフィルタ溝穴を提供するように成形および配置される。好ましくは、フィルタ溝穴１３２の端部は全て、円形中間部分１２２の外縁と同心でありかつそれから内側に離間された円上に配置される。微細な排流路を通る液体流を改善するために、排流路は、コア開口１２８に通じるそれらの内側端部１３４でより狭く、それらの外側端部１３６に向かって外方に広がる。
【００６１】
フィルタプレート１２０は図１１および１２に示されるように裏地プレートに対向して配置される。これは以下でより詳しく考察する。示される実施形態では、２種類の裏地プレート、すなわち図７に示されるような左仕様裏地プレート１６０および図１０に示されるような右仕様裏地プレート１８０がある。左および右仕様裏地プレート１６０、１８０は同じ原理の構成を有し、コア開口１２８を有する円形中心部１６２、１８２と、中心部１６２、１８２から延びる取付けタブ１９０、１９２とを含む。左および右仕様裏地プレートの唯一の違いは、コア開口１２８に対する取付けタブ１９０、１９２の向きであり、タブは右仕様裏地プレート１６０ではコア開口１２８の横軸に対して右に４５度の角度で延び、左仕様裏地プレート１８０では左に４５度の角度で延びている。従って左および右仕様裏地プレートは、プレートの保持パターンにおける９０度の移動を引き起こすために、および特定のバイオマスがこの段階で液体／気体分離を必要とする場合、液体が収集チャンバの底部に排出されるための手段、および気体が収集チャンバの頂部から流れるための手段を提供するために使用される。中間フィルタプレートを有する連続する右仕様プレート（または反対に左仕様プレート）の数は、通常は少なくとも０．２５インチ厚に等しいが、プレートの全体数次第で１インチ厚程度の大きさになり得る。
【００６２】
フィルタプレート取付けタブ１２４、１２６および裏地プレート取付けタブ１９０、１９２は全て、圧力ジャケット２２０の内壁に取り付けられた位置合わせ隆起部２２３の対の間にぴったり受け入れられるように成形される。裏地プレートの各種は、図７〜９および１０から明らかなように中央部分１６２、１８２上に機械加工された周囲溝１６４を有し、左仕様裏地プレート１８０の断面は、図８および９に示されている右仕様裏地プレート１８０の断面と同一である。図１１および１２に示されるようにコア開口１２８が整列された状態でフィルタプレート１２０および裏地プレート１６０、１８０が連続して配置されるとき、周囲溝１６４はフィルタプレート１２０のフィルタ溝穴１３２の外端部１３６（図４〜６参照）に一致するように配置される。
【００６３】
図１１および１２は、本発明による最も基本的なフィルタパック、すなわちフィルタプレート１２０と、フィルタプレートの後面１２３と係合する裏地プレート１６０とを示す。コア開口１２８を通して供給される加圧された塊（不図示）に混入される流体（液体および／または気体）は、存在する分離圧力によって、フィルタ溝穴１３２に流れ込むことを強要される（矢印参照）。フィルタ溝穴の端部１３６で、流体は裏地プレート１６０の周囲溝１６４に流れ込むように向け直され、周囲溝１６４から出て収集チャンバに入る（図１１、１２および３参照）。そのようにして微細なフィルタプレート１２０は液体および非常に小さい粒子をろ過することができ、それらは８の字型に成形されたコア開口１２８を通るバイオマスの流れを横切る方向にフィルタ溝穴１３２を通って移動する。
【００６４】
反対に、より大きい粒子／セルロース系バイオマス繊維に適切である、図６ｂに示されるようなより大きい孔のプレート構造に関して、空隙率の制限要素は、フィルタプレートのプレート厚である。セルロース系バイオマスに関して以下のことが見出されている。すなわち、このより粗いフィルタプレート構造は良好な固体−液体分離を実現する一方で、同時に、図６の微細なフィルタプレートと同じ内部圧力で同じ液体分離を達成するのに必要なプレートの表面面積および数を最小化する。
【００６５】
図６ｂに示されるように、より大きい孔の、粗いフィルタプレート１４０は、第１支持タブ１４４および第２支持タブ１４６に取り付けられた円形中間フィルタ部分１４２を有する。円形中間フィルタ部分１４２は８の字型のコア開口１２８を有し、コア開口１２８は、フィルタプレート１４０に切り込まれたフィルタ溝穴１３２の間の複数のより大きいフィンガ１３０によって画定される。図６ｂに示されるように、より大きいフィンガ１３０は、粗い排流路チャネル１３２の間に配置される。
【００６６】
粗いフィルタプレート１４０は、図７に示される左仕様裏地プレート１６０などの裏地プレートに対向して配置可能であり、その結果、図１１および１２に示されるようなフィルタパックが得られる。
【００６７】
概して、より高い圧力能力を用いて、より多くの液体を固体から搾り取ることができ、または同じ材料乾燥率の場合、単位ろ過領域あたり、より高い生産率を達成することができる。ろ過（固体捕捉）の質は、プレート構造および厚さに応じて制御することができる。ろ過／圧力定格／資本費を、特定バイオマスのろ過要件に応じて最適化することができる。プレート構造を押出し機（シングル、ツインまたはトリプルスクリュー）に導入して、高圧、高処理量、連続的分離を生じさせることができる。固体／液体分離モジュールは、スクリューのワイプ特性および交差軸方向流れパターンにより、（ツインおよびトリプルスクリューの場合）自動清浄式である。プレートパックの長さを特定要件に対して簡単に適合させることができるので、ろ過領域はプロセス要件に応じて柔軟的である。モジュールを使用して、１つの機械内で単一または複数の段階で、並流または向流構成において固体を洗浄することができ、これにより資本費およびエネルギー要件が低減する。液体ろ過の圧力は、必要であれば真空状態からフィルタブロック内圧（２，０００〜３，０００ｐｓｉｇ）をはるかに超えるまで制御することができる。これにより、液体ストリーム（例、高圧下超臨界ＣＯ２、高圧下洗浄用アンモニア液体、または真空を用いた液体分離チャンバ中のＶＯＣおよびアンモニアガスの放出）中のさらなる分離に対して優れたプロセス融通性が提供される。フィルタの目詰まりまたは汚れ落としの場合、高い背圧能力（内側フィルタブロック圧より高い）を使用して、運転中にフィルタを逆流させることができ、それにより休止時間が最小化される。
【００６８】
微細フィルタ空隙率
微細な孔の寸法は、微細なプレートの厚さ×コア開口における溝穴の幅である。図６のフィルタプレートでは、孔径は０．００５インチ（プレートの厚さ）×０．０１０インチ（開口における溝穴の幅）＝孔あたり０．００００５平方インチである。プレートあたり１４４個の孔があり、プレートあたり合計孔面積＝０．００７２平方インチ開口面積である。
【００６９】
小型の１インチ直径のツインスクリュー押出し機を使用する実験的設定において、このフィンガプレートを０．０２０インチ厚の裏地プレートと対にし、これにより０．１２５６平方インチのフィルタ面積がもたらされた。従って、この１つの実験的プレート（フィルタパック）の組の合計開口面積は、０．００７２／０．１２５６＝５．７％と計算された。この空隙率で、実験的プレートの組（０．０２０インチ厚の裏地プレート）は、２，５００ｐｓｉｇの分離圧力に耐えることができた。１インチ厚の実験的プレートのパックは、合計４０個のフィルタプレート×０．００７２平方インチ＝０．２８８平方インチの開口面積を含んだ。これは０．５インチ直径のパイプを超えるに等しく、使用される小型１インチ直径の押出し機において押出し機長さのたった１インチの距離以内で完全に到達可能である。
【００７０】
粗いフィルタ空隙率
図６ｂに示されるような、使用される実験的な粗いフィルタプレートにおいて、ろ過能力および液体流れ経路に関して、フィルタ溝穴の幅は基本的にフィルタプレートの厚さと同じであり、一連の軸方向の溝がもたらされる。１つのプレートの組（粗いフィルタプレート＋裏地プレート）の合計開口面積はプレート厚さの比率であり、この場合、０．００５／０．０２５＝２０％であり、すなわち微細なフィルタプレートシステムの開口面積の約４倍である。合計４０個のフィンガプレートで１インチ厚のプレートパック中で粗いプレートを使用すると、最終的に、４０×プレートあたり０．０２０９平方インチ開口面積＝０．８３７平方インチの開口面積になった。これは１インチ直径のパイプより大きく、使用される小型１インチ直径の押出し機の押出し機長さの１インチの距離以内で完全に到達される。
【００７１】
両種類のプレートに関して、空隙率は、フィルタプレートを同じ厚さに維持しながら裏地プレートの厚さを減らすことによって大幅に増大することができる。裏地プレートの厚さを５０％減らすと、フィルタユニットの空隙率は２倍になる。その一方、フィルタユニットの強度は、裏地プレート厚さが減少すると常に減少するが、これは、裏地プレートの全直径を増大し、液体流れ経路をわずかに長くするが開口面積を同じに維持することによって中和することができる。
【００７２】
フィルタモジュールを製造するためにフィルタプレート１２０を使用することにより、低コスト製造法を使用できるため、フィルタの低コスト製造が可能になる。プレートをレーザ切断することができ、またはより粗いろ過の場合、プレートを打抜き加工することができる。バイオマス前処理のための全体設備費用もこれまでより抑えられる。複数のプロセスステップを１つの機械で実行する能力のためである。固体／液体分離装置モジュールは３相分離に同時に対応することができる。
【００７３】
フィルタユニットの製造に使用される材料の種類は、異なるプロセス条件に適合させることができる。例えば、低ｐＨ／腐食性の使用では、チタニウム、高ニッケルおよびモリブデンのような材料を使用することができる。
【００７４】
詳細には、本発明者らは、材料の固体部および液体部を分離し、かつ既存の固体／液体分離装置に対して目詰まりしにくい固体／液体分離装置を開発した。本固体／液体分離装置は、材料の固体／液体部を分離するために多くの異なる利用において使用できると考えられる。さらに、本発明の固体／液体分離装置は目詰まりしにくいので、既存の装置で定期的に必要とされるような逆洗を含むメンテナンスをこれまでより必要としない。従って、本固体／液体分離装置をあるプロセスで使用することができ、この際、少ない休止時間および少ないメンテナンスにより製造能力が向上し、費用が抑制される。
【００７５】
記載される固体／液体分離装置では、分離装置内で材料を内部に移送するスクリュー要素が好ましくはフィルタブロックの内面と非常に近い公差を有し、材料をフィルタ表面から連続的に掻き取る。少量の繊維がフィルタ表面に捕捉された場合、繊維は、密接に離間された押出し機要素によってせん断され、より小さい片になり、最終的にフィルタを通過し、液体ストリームとともに放出される。
【００７６】
プレート対（フィンガおよび裏地プレート）の合計数は、バイオマスに応じて変わることができ、それは全フィルタ面積を制御する。同じ液体分離状態では、より多くのプレート／より多くの表面積が、より小さい孔の場合に必要とされる。孔の寸法が液体部に移動する固体の量を制御する。各バイオマスは、特定の固体捕捉（液体ろ液中の懸濁された固体の量）を得るために、特定の孔径を必要とする。
【００７７】
以下の例は、本発明の改良ツインスクリュー押出し機分離装置を用いて、いくつかの異なる種類の固体／液体混合物、スラリー等を分離する一連の分離工程を記載する。しかしながら、これら例は説明として提供され、本発明の全体範囲の制限とみなされないことを理解すべきである。
【実施例】
【００７８】
実施例Ｉ
バイオ燃料プロセス
図１に示されるように、本発明の簡単な連続セルロース系エタノール前処理システム２は、わずか３つの機械から構成される。第１押出し機４は、バイオマスの連続高圧プラグフィーダ／ミキサとして使用される。押出し機４はバイオマスを垂直反応器６に供給する。垂直反応器６は長い滞留時間を有することができる。垂直反応器６はバイオマスを第２押出し機８、好ましくはツインスクリュー押出し機に供給する。前処理プロセスは、バイオマスを、第１押出し機４、垂直反応器６、および第２押出し機８を通して流すステップを含む。
【００７９】
同じくツインスクリュー押出し機であってもよい押出し機４は、加圧された垂直反応器６に連続フィードを供給するために使用される。フィードストックの種類に応じて押出し機４の中で様々な化学物質を混合することが可能である。押出し機４は自動弁を有し、自動弁は、フィードストックがない場合に圧力の損失を防ぐために、フィードがなくなると閉鎖する。
【００８０】
垂直反応器６は、バイオマスに応じて最大３５０ｐｓｉｇの圧力および最大４２５Ｆ°（２２０℃）の温度で、様々な化学物質とともに動作可能である。垂直反応器６中の滞留時間は、バイオマスに応じて数分〜数時間まで変えることができる。
【００８１】
部分的に処理されたバイオマスを、垂直反応器６から、加圧フィード領域１０において第２押出し機８の中に排出する。第２押出し機８において、固体バイオマスの大部分は出力端部（図１の右側）に移動し、少量は後方に搬送され、駆動シャフト上で圧力シールを形成する。第２押出し機８内で、様々なバイオマスによって必要とされるとおりに第１反応器の中よりも高い圧力が生成され、前処理プロセスは、バイオマスに応じて２、３またはそれ以上の別個のプロセスによって完了される。
【００８２】
バイオマスが押出し機の出口で最も清浄な液体で洗浄されるように、洗浄液体（水、アンモニアまたはその他）が固体バイオマスの流れに対向してまたは並流して（図１の左に）移動する。気体または二酸化炭素などの超臨界液体を出力端部で注入し、処理されるバイオマスに応じて必要とされるとおりに爆発力を改善することができる。出力端部において様々な押出し機スクリュー、および／または別の反応容器、および／または制御弁および／または回転オリフィスを使用して、異なる圧力および乾燥塊含量において様々なバイオマスの種類によって必要とされる動的シールおよび爆発力を生成することができる。出力部においてこれら装置の１つからバイオマスが爆発的に膨張すると、サイクロンまたは他の分離装置が、放出される固体および気体の両方を収集するために使用される。
【００８３】
第２押出し機８に入ると、バイオマスの大部分は前方に搬送されるが、少量は後方に搬送され、動的圧力シールを生成し、垂直反応器６からの漏れを防ぐ。バイオマスは図１に示されるようにプロセス段階１に入り、図２〜１３を参照して以下でより詳細に記載されるような第１固体／液体分離装置１２を用いる高圧高温の初期向流ろ過ゾーンに曝される。この地点で、あるバイオマスは抽出物およびヘミセルロースシロップを絞ることをもっぱら必要とし、洗浄水を必要としないかもしれない。固体／液体分離装置で、液体ヘミセルロースシロップおよびまたは抽出物は、様々なスクリュー要素の使用によって、制御されたケーキ厚で除去される。透過率、孔径、フィルタ面積および圧力定格は、処理されるバイオマスの種類に応じて、異なるフィルタプレート設計を用いることによって制御される。液体圧力およびフラッシングは、圧力制御されたフラッシュタンク１６の使用によって制御される。
【００８４】
第１固体／液体分離装置１２を出ると、バイオマスは前方（図１の右）に搬送され、前方領域からの蒸気／高圧水、および様々なスクリュー要素による圧縮／搬送を介した圧力の使用により加熱される。図１に示されるプロセス段階２において、バイオマスは、前処理を改善するために様々なバイオマスに対して可変のせん断エネルギーによる高圧の混合／混練に曝される。液体ヘミセルロースの高圧、高温の最終向流ろ過（部分的なヘミセルロースシロップおよび抽出物を搾り取ることだけ可能で、いくつかのバイオマスの種類によって必要とされるような向流洗浄はない）が、様々なスクリュー要素の使用によって制御されたケーキ厚で生じる。透過率、孔径、フィルタ面積および圧力定格は、処理されるバイオマスの種類に応じて第２固体／液体分離装置１４中に適切な設計のフィルタプレートを選択することによって制御される。液体圧力およびフラッシングは、圧力制御されたフラッシュタンク１６の使用によって制御される。
【００８５】
プロセス段階３において、バイオマスは、様々な異なる押出し機スクリュー要素による圧縮／搬送を介した熱および圧力にさらされる。様々なバイオマスの前処理を改善するために必要とされるような酵素到達可能性を改善するために、せん断エネルギーがバイオマスに与えられる。前処理を改善するために、様々なバイオマスに対して可変のせん断エネルギーによるバイオマスの高圧の混合／混練が使用される。高圧、高温の中間サイクル（またはバイオマスに応じて最終サイクル）を、様々なスクリュー要素の使用によって制御されたケーキ厚で液体ヘミセルロースシロップの向流または並流ろ過を使用して、与えることができる。透過率、孔径、フィルタ面積および圧力定格は、バイオマスの特性に適合するように第３固体／液体分離装置１８中の適切なフィルタプレートを選択することによって制御される。液体圧力およびフラッシングは、圧力制御されたフラッシュタンク１６の使用によって制御される。
【００８６】
図１に示されるプロセス段階４において、バイオマスは、様々な押出し機スクリュー要素による圧縮／搬送を介した熱および圧力に曝される。可変せん断エネルギーによるバイオマスの高圧の混合／混練は、様々なバイオマスに対して選択可能である。プロセス段階４において、バイオマスは最終洗浄段階として高圧水または他の流体／溶液で混合される。他の流体は分子を含むことができ、それは、高温のため押出し機内で超臨界になる高圧液体ＣＯ２、または高圧ガスであろうアンモニアなど、室温で気体である。
【００８７】
次に固体繊維状バイオマスが、システムの最大圧力の下で第２押出し機８および動的シール代替手段の１つを通して搬送され、繊維内の蒸気、アンモニアまたは超臨界流体などの圧縮ガスの制御された爆発的減圧の下でツインスクリュー押出し機の出口で排出され、固体／液体分離装置（サイクロンまたはその他）に入る。高圧液体ＣＯ２が使用されるとき、バイオマスによって加熱されるときのこの流体の超臨界特性が、気体と同様に固体繊維の内側に浸透し、結果、気体がするのと全く同様に固体圧力プロファイルに対抗して上流に流体の部分流をもたらす。繊維内のこの超臨界流体は、動的シールを通って押出し機を出ると、標準的な気体よりも好都合に何度も大部分の繊維の内側から爆発力をかけ、固体セルロース粒子を改質し、それにより酵素到達可能性を増大する。また、ツインスクリューの排出部に自動制御弁があり、自動制御弁は、フィードまたは動力を喪失した場合にシステムを幾分加圧された状態に維持するために使用される。
【００８８】
試験用の例示的な押出し機設定
本開示に従いかつフィルタモジュールと組み合わせたツインスクリュー押出し機を含む分離装置の同一原設定を使用してリグノセルロース系バイオマスだけでなく複数の他のフィードストックを処理できることを確立するために、例示的な押出し機設定を使用した。これら他のフィードストックは、リグノセルロース系バイオマスと非常に異なる稠度を有し、過去には非常に異なる分離装置および設定を使用して処理された。そのような多様なフィードストックに対して本開示による単一例示的ツインスクリュー押出し機装置を成功裏に使用することは、本開示の分離装置概念の幅広い有用性を説明する。例示的押出し機は、上でより詳しく考察された基本ツインスクリュー押出し機設定を有した。押出し機は、Ｈａｒｄｅｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ  Ｌｔｄ．（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ）から購入した２５ｍｍ直径×１１４３ｍｍスクリュー長さ（全長１２９０ｍｍ）の円筒押出し機スクリューの同一ペアと、１１個のブロック（そのうち７個は同一の固体バレルモジュールであり、２個はフィルタモジュールであり、その構成は以下でより詳しく説明される）から構成されたバレルとを含んだ。フィルタモジュール１はブロック４および５に配置され、フィルタモジュール２はブロック８および９に配置された。これは、バレルが１１個のブロックの長さであり、各ブロックは長さが４インチであり、フィルタモジュールがそれぞれ２個のバレルブロックの長さをカバーすることを意味する。
【００８９】
押出し機は、Ｅｌｅｃｔｒｏｚａｄ（Ｃｈａｔｈａｍ，Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄａ）から購入した７．５ＨＰ、３相電気モータ（Ｍｏｄｅｌ  ５７５  ＴＥＦＣ；全包囲ファン冷却式）によって、４０ｒｐｍの回転速度（最高速度の約５％）で駆動された。各フィルタブロックは、４８０個の交互に配置された溝穴付きフィルタプレートと中実裏地プレート、すなわち２４０個の溝穴付きフィルタプレートと２４０個の中実裏地プレートを含んだ。フィルタプレート厚は０．００５０インチであり、支持プレート厚は０．０２０インチであった。各フィルタプレートは、０．０１５０インチ〜０．１６３インチまで変化する幅で複数の溝穴（２２）を含み、結果、プレートあたり１．９４インチのコアにおける合計開口幅（コア開口周囲の４４．６％）と、プレートあたり０．００９７平方インチの合計開口面積とをもたらした。４８０個のプレートのスタックの全体長さは６インチであり、プレートスタックを囲むフィルタブロックハウジングの合計長さは８インチであった。各フィルタモジュールの全体開口面積は、押出し機中のフィルタモジュールの合計開口面積４．６５６平方インチの場合、２．３２８平方インチであった。各フィルタブロックの空隙率は８．９％だった。
【００９０】
押出し機中で異なるフィードストックを処理する前、例示的押出し機は水だけを供給することによって運転され、非負荷状態で押出し機を作動させるのに必要な電気モータの負荷に対する基本値を確立した。
【００９１】
実施例ＩＩ
フィードストックダイズ
ダイズを地元で調達した（Ｃｈａｔｈａｍ−Ｋｅｎｔ，Ｓｏｕｔｈｅｒｎ  Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄａ産）。ダイズの含有率分析により、フィードストックは７０．７重量％の固体と、２９．３重量％の液体（１３．８重量％の油および１５．５重量％の水の形態）とから構成されることが示された。前処理することなくダイズを全体的に押出し機に供給した。押出し機に供給されたダイズの合計量は１．３８４ｋｇ全ダイズであり、押出し機の合計運転時間は１時間であった。ダイズを押し出す間、モータ負荷は水で確立されたベースラインより８倍高かった。経時的な供給速度、固体出力率およびろ液出力率を図１６にグラフで示した。グラフから明らかなように、ろ液出力は全運転時間にわたり一定であり、従ってフィルタブロックの目詰まりゼロ度を示す。押出し機の全体出力は、１１．５重量％のろ液で、フィルタブロック＃１および＃２のそれぞれによる５：９５重量％に等しい回収率であり、これにより各フィルタブロックのろ過率はフィードストックの相対固体含有率と無関係であり、押出し機の全体ろ過率は使用されるフィルタブロックの数に正比例することが示される。これはまた、押出し機の全体ろ過率は、より多くのバレルブロックをフィルタブロックで置き換えることによって簡単に増大できることを示す。全体固体排出物は８８．５重量％だった。ろ液は重量基準で５５．１％の油、０．４％の懸濁された固体、および４４．５％の水から構成され、固体排出物は重量基準で８．４％の油、７９．９％の固体、および１１．７％の水から構成された。これは、オリーブ油フィードストック中の流入油の４６．０％がろ液中で回収されたことを意味し、これは、供給されたままの状態の流入ダイズからの６．３％ダイズ油（ｗ／ｗ）、または流入ダイズフィードストック１４．５ｋｇあたり１リットルのダイズ油の収率につながる。
【００９２】
実施例ＩＩＩ
フィードストックテンサイ
テンサイを地元で調達した（Ｃｈａｔｈａｍ−Ｋｅｎｔ，Ｓｏｕｔｈｅｒｎ  Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄａ産）。全テンサイを収穫後に農場から直接受け取り、屋外集積所に貯蔵した。処理の前に、テンサイは岩屑（泥、石等）を取り除くために洗浄を必要とした。手斧を使用してテンサイを裂き、次にこれらテンサイの薄片を、すりおろし用刃を有する第１経路、それに続く切断用刃を有する第２経路を使ってフードプロセッサに供給した。これにより約５ｍｍ×５ｍｍ粒径のバイオマスが生成され、これは押出し機に供給されるのに適していた。テンサイの含有率分析は、フィードストックが１６．９重量％のスクロース、１．４重量％の他の可溶性固体、１．３重量％の不溶性固体、および８０．４重量％の水から構成されていることを示した。押出し機に供給されるテンサイの合計量は３．２１９ｋｇの細断されたテンサイであり、押出し機の合計運転時間は１時間であった。テンサイを押し出す間、モータ負荷は水で確立されたベースラインより２５％高かった。経時的な供給速度、固体出力率およびろ液出力率を、図１５にグラフで示した。グラフから明らかなように、ろ液出力は全運転時間にわたり一定であり、従ってフィルタブロックの目詰まりゼロ度を示す。押出し機の全体出力は６６．２重量％のろ液であり、フィルタモジュール＃１および＃２による４０：６０の回収率であり、これによりろ過率は圧力依存性であるがフィードストックの相対固体含有率とは無関係であり、押出し機の全体ろ過率は使用されるフィルタブロックの数および分離圧力に正比例することが示される。これはまた、押出し機の全体ろ過率は、より多くのバレルブロックをフィルタブロックで置き換えることによって、および／または押出し機の運転速度を増大し圧力を増大することによって簡単に増大できることを示す。全体固体排出物は３３．８重量％だった。ろ液は重量基準で１４．１％のスクロース、０．８％の他の可溶性固体、２．６％の懸濁された固体、および８２．５％の水から構成され、固体排出物は重量基準で２２．４％のスクロース、２．４％の他の可溶性固体、１．７％の不溶性固体および７３．５％の水から構成された。これは、流入スクロースの５５．２％がろ液中で回収されたことを意味し、これは、流入テンサイフィードストックからの９．３％スクロース（ｗ／ｗ）、または流入テンサイフィードストック１０．７ｋｇあたり１キログラムのスクロースの収率につながる。
【００９３】
実施例ＩＶ
フィードストックオリーブ
全部の生の黒オリーブは米国内の販売業者から調達した。それらは水の中にも油の中にも詰められていない。受け取ったオリーブに穴をあけ、予め薄く切った。これら予め薄く切ったオリーブをさらにフードプロセッサを使用して前処理し、約５ｍｍ×５ｍｍの粒径を生成した。得られたオリーブフィードストックの含有率分析は、フィードストックが１９．４％の固体および８０．６重量％の液体（２７．７重量％の油と５２．９重量％の水に分かれる）から構成されていることを示した。押出し機に供給されるフィードストックの合計量は１．４５８ｋｇの細断されたオリーブであり、押出し機の合計運転時間は１時間であった。テンサイを押し出す間、モータ負荷は水で確立されたベースラインと同様であった。経時的な供給速度、固体出力率およびろ液出力率を、図１４にグラフで示す。グラフから明らかなように、ろ液出力は全運転時間にわたり一定であり、従ってフィルタモジュールの目詰まりゼロ度を示す。押出し機の全体出力は３２．３％のろ液であり、フィルタモジュール＃１および＃２による２０：８０の回収率であり、これによりろ過率は極めて圧力依存性であるがフィードストックの相対固体含有率とは無関係であり、押出し機の全体ろ過率は使用されるフィルタモジュールの数および分離圧力に正比例することが示される。これはまた、押出し機の全体ろ過率は、より多くのバレルブロックをフィルタモジュールで置き換えることによって、および／または押出し機の運転速度を増大し圧力を増大することによって増大できることを示す。全体固体排出物は６７．７重量％だった。ろ液は重量基準で５０．９％の油、４．１％の懸濁された固体、および４５％の水から構成され、固体排出物は重量基準で１６．６％の油、２６．７％の固体および５６．６％の水から構成された。これは、流入油の５９．４％がろ液中で回収されたことを意味し、これは、流入オリーブフィードストックからの１６．４％オリーブ油（ｗ／ｗ）、または流入オリーブフィードストック５．５ｋｇあたり１リットルのオリーブ油の収率につながる。上に記載したように、収率の増大は、フィルタモジュールを増加することによって、または運転圧力を増大することによって達成できるが、溶媒、例えばヘキサン、上昇油回収率のレベル、を使用することによってフィードストックからの油回収率を増大することも可能であり、この溶媒は、フィードストックを押出し機に供給する前、または運転中に溶媒を押出し機に直接注入することによって、フィードストックに混ぜることができる。
【００９４】
実施例Ｖ
フィードストックトウモロコシ穂軸プレ加水分解物
トウモロコシ穂軸プレ加水分解物を実施例Ｉに記載した過程により入手した。フィードストックの含有率分析は、プレ加水分解物が４．８重量％のヘミセルロース、６．８重量％のセルロース、５．４重量％の他の固体および８３重量％の水から構成されていることを示した。押出し機に供給されるフィードストックの合計量は７．０２５ｋｇであり、押出し機の合計運転時間は１時間であった。プレ加水分解物を押し出す間、モータ負荷は水で確立されたベースラインより４０％高かった。経時的な供給速度、固体出力率およびろ液出力率を、図１７にグラフで示す。グラフから明らかなように、ろ液出力は全運転時間にわたり一定であり、それによりフィルタモジュールの目詰まりゼロ度を示す。押出し機の全体出力は８．０％のろ液であり、フィルタモジュール＃１および＃２による９９：１の回収率であり、これによりろ過率は極めて圧力依存性であり、場合によりフィードストックの相対固体含有率に依存することが示される。ろ液回収率は、より高い押出し機圧力（より速い回転速度または異なるスクリュー構成）でさらに高くなり得ることが予想される。しかしながら、全運転時間にわたる一定のろ液流から、フィルタモジュールはフィードストックによって目詰まりしなかったことが明らかである。これはまた、押出し機の全体ろ過率は、より多くのバレルブロックをフィルタモジュールで置き換えることによって、および／または押出し機の運転速度を増大し圧力を増大することによって増大できることを示す。全体固体排出物は９２重量％だった。ろ液は重量基準で４．８％のヘミセルロース、０．５％の懸濁された固体（６０：４０  セルロース：他の固体）および９４．４％の水から構成され、固体排出物は重量基準で４．７％のヘミセルロース、１３．３％の固体（５６：５４  セルロース：他の固体）および８２％の水から構成された。これは、流入ヘミセルロースの８．７％がろ液中で回収されたことを意味し、これは、流入トウモロコシ穂軸プレ加水分解物フィードストックの４４．６ｋｇあたり１キログラムのヘミセルロース糖の収率につながる。上に記載したように、収率の増大は、フィルタモジュールを増加することによって、または運転圧力を増大することによって達成することができる。
【００９５】
さらなる利用／フィードストック
パルプおよび紙スラリー、食品スラリー、果物パルプ（リンゴジュース製造）の脱水は現在制限されており、本発明のツインスクリュー押出し機分離装置により、費用対効果に優れたエネルギー使用で、５０〜６０％乾燥塊（ＤＭ）のレベルまでこれらフィードストックを脱水することが可能になると予想される。本発明のツインスクリュー押出し機分離装置はまた、追加の乾燥を必要としない湿潤廃棄物固体からのバイオエネルギーペレットの形成を可能にすると予想され、後で直にペレットステーションに送ることができる８０％を超える乾燥固体と、少量の最終乾燥生成バイオエネルギーペレットとを非常に低エネルギーで製造することが予想される。
【００９６】
本発明のツインスクリュー押出し機分離装置の現在観察される多用途性を考慮すると、本装置は、揺変性である様々な鉱業尾鉱の脱水にも利用可能であると予想される。尾鉱池に入れる前に本発明の装置を用いてこれらスラリーから水を搾り取ることができると予想される。これは環境的に有利でありかつ多くの貯蔵能力を節約するであろう。この例は、Ｓｏｌｖａｙ合成ソーダ灰プロセス尾鉱であり得る。
【００９７】
上で考察したようなダイズおよび他のフィードストックの成功した処理を考慮すると、本発明のツインスクリュー押出し機分離装置はまた、溶媒ありまたはなしで、搾り取りおよび押圧により、麻、トウモロコシおよび多くの堅果および種子類からのプラント油抽出にも利用可能であると予想される。
【００９８】
上で考察したような様々なフィードストックの成功した処理を考慮すると、本発明のツインスクリュー押出し機分離装置はまた、トマトペースト、トマトケチャップ、バレイショデンプン処理、ジュース、および他のペーストまたはジャムなどの様々な食品加工用途における追加の脱水にも利用可能であると予想される。
【００９９】
本開示は特定の実施形態を記載し説明したが、記載したシステム、装置および方法はこれら特定実施形態に制限されないことも理解される。むしろ本明細書に記載し説明した特定実施形態および特徴の機能的または機械的等価物である全ての実施形態が含まれることが理解される。
【０１００】
実施形態の１つまたはその他を参照して様々な特徴を記載したが、様々な特徴および実施形態は、本明細書に記載し説明した他の特徴および実施形態と併せて組み合わせてもよい、または使用してもよいことは理解されよう。
【図１】
2015514006.tif 000003
【図１ａ】
2015514006.tif 000004
【図２ａ】
2015514006.tif 000005
【図３ａ】
2015514006.tif 000006
【図４ａ】
2015514006.tif 000007
【図４ｂ】
2015514006.tif 000008
【図５ａ】
2015514006.tif 000009
【図５ｂ】
2015514006.tif 000010
【図６】
2015514006.tif 000011
【図６ａ】
2015514006.tif 000012
【図６ｂ】
2015514006.tif 000013
【図７】
2015514006.tif 000014
【図８】
2015514006.tif 000015
【図９】
2015514006.tif 000016
【図１０】
2015514006.tif 000017
【図１１】
2015514006.tif 000018
【図１２】
2015514006.tif 000019
【図１３】
2015514006.tif 000020
【図１４】
2015514006.tif 000021
【図１５】
2015514006.tif 000022
【図１６】
2015514006.tif 000023
【図１７】
2015514006.tif 000024
【国際調査報告】
2015514006.tif 000025
2015514006.tif 000026