(57)【要約】  垂直の長さ、上部入口及び下部出口を有する混合チャンバー；混合チャンバー内にあり、水中翼の断面形状を有する垂直に配向されたパドルを含み、パドルが混合チャンバーにおいて運動する反応槽。【選択図】図７Ａ
2015534823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直の長さ、上部入口及び下部出口を有する混合チャンバー；及び 
混合チャンバー内において垂直配向を有し、水中翼断面形状を有する少なくとも１つのパドル
を含み、
前記少なくとも１つのパドルが、垂直配向を維持しながら混合チャンバーにおいて運動することを特徴とする反応槽。
【請求項２】
少なくとも１つのパドルが、混合チャンバーの垂直の長さの少なくとも５０％に延びている請求項１に記載の反応槽。
【請求項３】
少なくとも１つのバッフルが、混合チャンバーの円筒高さの実質的に全高に延びている請求項１又は２に記載の反応槽。
【請求項４】
混合チャンバーの垂直の長さが少なくとも１００フィートであり、混合チャンバーの直径が少なくとも３０フィートである請求項１〜３のいずれかに記載の反応槽。
【請求項５】
少なくとも１つのパドルに連結されている中心シャフトをさらに含む請求項１〜４のいずれかに記載の反応槽。
【請求項６】
少なくとも１つのパドルが水中翼の一列であり、水中翼の一列が混合チャンバーの垂直軸の周りに対称に配置されている請求項１〜５のいずれかに記載の反応槽。
【請求項７】
少なくとも１つのパドルの反対の末端領域にそれぞれ連結されている上部サポートバー及び下部サポートバーをさらに含む請求項１〜６のいずれかに記載の反応槽。
【請求項８】
混合チャンバーの中心軸と同軸である中心シャフト、及び中心シャフトの上部セクションに連結されている上部サポートバーと中心シャフトの下部セクションに連結されている下部サポートバーをさらに含む請求項７に記載の反応槽。 
【請求項９】
少なくとも１つのパドルが、パドルの長さに沿って不均一な断面形状を有する請求項１〜８のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１０】
少なくとも１つのパドルが、少なくとも１つのパドルの長さに沿って不均一である、垂直軸からのオフセット角を有する請求項１〜９のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１１】
垂直軸からのオフセット角がマイナス２５度とプラス２５度との間の範囲である請求項１０に記載の反応槽。
【請求項１２】
内部円筒状混合チャンバー、
内部円筒状混合チャンバーの長さに延びている中心シャフト、 
中心シャフトに駆動的に連結されているモーター、
内部円筒状混合チャンバー内にあり、中心シャフトの上部セクションから外側に延びている上部サポートバー、
内部円筒状混合チャンバー内にあり、中心シャフトの下部セクションから外側に延びている下部サポートバー；及び
上部サポートバー及び下部サポートバーに支持され、取り付けられている少なくとも１つの垂直パドル
を含み、
前記少なくとも１つの垂直パドルは中心シャフトの周りを運動することを特徴とする反応槽。
【請求項１３】
バイオマス−酵素材料を受け入れるために構成された混合チャンバーへの上部入口、及び反応後のバイオマス材料を内部円筒状混合チャンバーから排出するために構成された下部出口をさらに含む請求項１２に記載の反応槽。
【請求項１４】
垂直パドルの運動が、内部円筒状混合チャンバーにおけるバイオマス−酵素材料のスラリーの水平移動を促進する請求項１２又は１３に記載の反応槽。
【請求項１５】
少なくとも１つの垂直パドルが、水中翼の断面形状を有する請求項１２〜１４のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１６】
中心シャフトから半径方向に延びているスクレーパーサポートバーによって支持されているスクレーパーバッフルをさらに含み、
該スクレーパーバッフルが混合チャンバーの内壁に合わされている請求項１２〜１５のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１７】
少なくとも１つの垂直パドルが、少なくとも１つの垂直パドルの長さに沿って不均一である、垂直軸からのオフセット角を有する請求項１２〜１６のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１８】
垂直軸からのオフセット角が、マイナス２５度とプラス２５度との間の範囲である請求項１７に記載の反応槽。
【請求項１９】
中心シャフトが、混合チャンバーにおいて、垂直パドルに合わされている頂部サポートバー及び底部サポートバーを越えて延びていない請求項１２〜１８のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２０】
垂直に配向された混合チャンバー及び混合チャンバー内を垂直に延びている少なくとも１つのパドルブレードを含む反応槽においてバイオマスと酵素を混合する方法であって、この方法は、
バイオマスと酵素の混合物を反応槽の上部入口に連続的に供給し、バイオマスと酵素の混合物を混合チャンバーに加えること；
少なくとも１つのパドルブレードを垂直配向に維持しつつ、少なくとも１つのパドルブレードを混合チャンバーにおいてバイオマスと酵素の混合物中を運動させること；
バイオマスと酵素の混合物が混合チャンバーを下に移動するとき、バイオマスと酵素の混合物を少なくとも１つのパドルの運動によって混合すること；及び
反応槽の下部出口からバイオマスと酵素の混合物を排出すること
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
少なくとも１つのパドルブレードの運動が、混合チャンバーの軸の周りの円運動である請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
少なくとも１つのパドルが、パドルの一列であり、パドルの一列の運動が混合チャンバー中で不均一である請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも１つのパドルを含むパドルの１セットが、時計回り方向に中心軸の周りを回転し、一方、少なくとも１つのパドルを含むパドルの他のセットが反時計回り方向に中心軸の周りを回転する請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
垂直軸を有する円筒状混合チャンバー；
上部サポートバー及び下部サポートバーによって支持されている少なくとも１つの垂直パドル； 
円筒状混合チャンバーの垂直軸に沿って延びている中心シャフト；
反応槽の外部にあり、中心シャフトに駆動的に連結され、中心シャフト、上部サポートバー及び下部サポートバー、及び少なくとも１つの垂直パドルを回転させるためのエンジン又はモーター；
垂直軸に位置合わせされている先端を有し、少なくとも１つの垂直パドルの上に位置している円錐ディフレクター
を含み、
上部サポートバー及び下部サポートバーが、中心シャフトに取り付けられ、中心シャフトから半径方向外側に延びていることを特徴とする反応槽。
【請求項２５】
円錐ディフレクターが、垂直軸から種々の半径長さにある周辺を有する下部エッジを有する請求項２４に記載の反応槽。
【請求項２６】
下部エッジが、階段状であり、下部エッジが垂直軸からの種々の半径距離にある請求項２４又は２５に記載の反応槽。
【請求項２７】
円錐ディフレクターが、バイオマス−酵素材料を円筒状混合チャンバーへ分布させるために切り欠き及び不規則な下部エッジを有する請求項２４〜２６のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２８】
円錐ディフレクターが、バイオマスと酵素のスラリー材料を円筒状混合チャンバーに分布させる請求項２４〜２７のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２９】
中心シャフトから半径方向に延びているスクレーパーサポートバーによって支持されているスクレーパーバッフルをさらに含み、
スクレーパーバッフルが混合チャンバーの内壁に合わさっている請求項２４〜２８のいずれかに記載の反応槽。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２０１３年１０月２５日に提出された米国特許出願第１４／０６３，１５６号及び２０１２年１１月７日に提出された米国仮特許出願第６１／７２３，５３８号のそれぞれの優先権を主張するものであり、それらの全体が参照として組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明の例示的な実施態様は、バイオマスをモノマー状の糖に酵素的に変換する分野に一般に関し、特に加水分解を促進するためにバイオマスを酵素と混合することに関する。
【発明の背景】
【０００３】
バイオマス供給原料は、リグノセルロース系材料だけであるか又はリグノセルロース系材料と他の材料との混合物である。多糖類バイオマスは、典型的にはデンプンとリグノセルロース系材料との混合物である。デンプンは、穀物に含まれているか又はバイオマスを形成するための供給原料として添加された精製デンプンである。バイオマス供給原料は、ポリマー及び他の材料も含む。
【０００４】
酵素は加水分解を促進するためにバイオマスと混合される。混合によって、酵素がバイオマス中の化学反応サイトに継続的かつ繰り返して移動して接触することが可能となり、バイオマスの加水分解又は他の分解が促進される。酵素とともに、あるいは酵素の代りに、他のセルロース分解生物及び生体触媒（biocatalysts）が、バイオマスの加水分解又は他の分解を促進するためにバイオマスに添加されることがある。
【０００５】
リグノセルロース系材料からなる供給原料と、酵素又は他の分解試剤とが共に混合されて、バイオマス混合物を形成する。このバイオマス混合物は、高物質含量の粉体（high matter content powder）と類似する特性を有する。液体も高粘度液体スラリーを形成するためにバイオマス混合物に添加される。液体はバイオマス固形分を液化し、供給原料と液体とから形成された均一なバイオマスエマルジョンを生成するために添加されるが、このエマルジョンは、それらの特性においてバイオマス混合物と有意な差異を有する。
【０００６】
混合器、定常撹拌反応器及び他の類似の混合又は撹拌装置が、供給原料と酵素とを混合し、液化するために使用されて、バイオマス混合物を形成する。従来、これらの装置は、垂直に配置された円筒状槽であり、機械的混合装置、例えば半径方向アーム及びブレードを有する攪拌機を有する。これらの混合装置は、一般に、垂直シャフトのまわりを回転し、バイオマス中を運動するが、混合は、使用される供給原料に依存して一定の時間、行われる。
【０００７】
リグノセルロース系供給原料のバイオマスへの酵素的液化は、数時間の混合を必要とする。混合することによって、バイオマスの粘度が減少する。酵素は、一般に固形のバイオマス組成を液化スラリーに変換する。モノマー状の糖への酵素的変換のために予備処理されたバイオマスは、典型的には、繊維状又は泥様コンシステンシーを有する混合プロセスを開始する。バイオマスに添加される酵素は、バイオマスに対して比較的に低い濃度を典型的には有する。バイオマスと酵素との混合物は、混合器−前処理加水分解反応器システムに入るときに高粘度である傾向がある。このシステムには１つ又はそれ以上の加水分解反応槽が存在する。
【０００８】
加水分解反応槽に入るバイオマスは高粘度であるので、混合装置を回転させ、酵素をバイオマスと適正に混合するために大きな力（トルク）が必要とされ、混合するための力が、混合槽のサイズを伝統的に制限している。混合アームを回転させるために必要とされるトルクはアームの半径方向の長さと共に指数関数的に増加するので、混合が行われる従来の槽の多くは、直径が小さい槽である傾向がある。バイオマスが高粘度であるために、アームの半径方向の長さは伝統的に短くしており、これによりアームはバイオマス中を運動することができる。混合アームを回転するために使用されるモーターは最大出力の限度があり、混合アームの最大長さを制約することになる。モーターの制約及び混合のための構成要素の機械的強度の制約の結果として、高粘度の前処理済みバイオマスを混合するために使用される槽は、従来は小型で幅の狭いものであった。
【０００９】
これらの理由や、その他の理由により、リグノセルロース系バイオマスの酵素的液化のための混合槽は、連続モードというよりはむしろバッチ式で従来は運転され、より大規模な下流槽に供給するために複数のバッチ式混合槽を同時に運転することがしばしば必要とされていた。
【００１０】
高粘度のバイオマスと酵素とを混合することが可能な大規模な連続モードの混合槽が、米国特許出願公開第２０１２−１２５５４９号公報（「`５４９出願」）に記載されているように最近開発された。このシステムにおいて、酵素的加水分解及び混合プロセスは、バイオマスが所望の機械的力に付されることを保証するために、物理的な力、例えば重力及び遠心力に依存している。
【００１１】
連続的混合及び反応装置において、第１の内部混合チャンバーは、バイオマスの入口から、第２のチャンバーの内部領域に向って拡大する断面積を有し、第２のチャンバーはその全体にわたって均一な内部断面積を有する。このシステムにおいて、バイオマス反応器は回転混合装置を含み、反応槽と同軸である。この混合チャンバーは、反応槽内の異なる高さにおいて複数のゾーンからなる。混合は水平パドル又はトレイによって引き起こされ、材料が反応槽を垂直に下へ移動することも可能にする。液化されたスラリーは混合槽の下部ゾーンから流出し、液化スラリーの一部が混合槽の上部ゾーンにポンプで輸送されるか又は循環されて、混合槽の上部の複数の高さにおいて供給原料の粘度が徐々に変化するように調節する。
【００１２】
`５４９出願に記載されたシステム及び方法を使用することによって、混合及び反応槽の連続運転が可能となったが、`５４９出願の方法によりもたらされる垂直混合は、材料が反応槽を移動するとき、粘度の減少を適正に調整するために必要とされる望ましいプラグフローを減少させることが見いだされた。「プラグフロー」とは、所与のエリアにおいて実質的に一定の速度を有する流れを意味する。所望のプラグフローは、反応槽における保持時間を一定にし、槽におけるバイオマスの停滞領域を回避する。
【発明の概要】
【００１３】
バイオマス−酵素材料は、バイオマス−酵素材料の抵抗によって、パドルより遅い速度で回転する傾向がある。バイオマス−酵素材料が反応槽の混合チャンバーを徐々に下降するとき、酵素はバイオマスと反応し、バイオマス−酵素材料の粘度が変化する。不幸にも、バイオマス−酵素材料の粘度が変化するにつれて、バイオマス−酵素材料の抵抗及び回転速度も変化し、これが混合チャンバーの長さにわたって回転デルタ（rotation deltas）を引き起こすことになる。本発明者らは、変化する水中翼断面（hydrofoil cross-section）又は迎え角(angle of attack)を有する垂直パドルを使用することによって、バイオマス−酵素材料の回転を混合チャンバーの全長にわたって実質的に一定に維持できることを認識し、このデザインによってプラグフローを促進し、回転デルタを減少させたものである。
【００１４】
反応槽の混合チャンバーにおけるプラグフローを促進し、混合を改善し、停滞領域を低減させるために、水中翼形状を備える新規な垂直配向パドルが、バイオマス−酵素材料の混合のために発明された。例示的な実施態様において、「迎え角」（すなわちパドルがバイオマス−酵素材料と交差する角度）は、パドルの長さに沿って変化することがある。他の実施態様において、パドルの水平面に沿う断面積はパドルの長さに沿って変化する。
【００１５】
材料のプラグフローは、反応槽の混合チャンバーを垂直に下へ向ってゆっくりと均一であることが望ましい。ゆっくりと、一定のプラグフロー移動が望ましい理由は、従来技術の槽においては、混合が行われると、材料が混合チャンバー中の下部の高さから混合チャンバーの上に押し上げられ、それによってプラグフローが妨害されるが、ゆっくりと一定のプラグフロー移動であると、それよりも激しくない混合が可能となるからである。反応槽の混合チャンバーにおいてバイオマス−酵素材料を上に移動させることよりも、混合チャンバー内の全ての垂直位置においてバイオマス−酵素材料を水平に混合することが、停滞材料の領域を減少させる。
【００１６】
反応槽の混合チャンバーにおいて、バイオマス−酵素材料の移動は、バイオマス−酵素材料の停滞領域を避け、バイオマスに対して起こる反応が十分な時間となるように、均一でゆっくりであるのが望ましい。混合チャンバー内におけるバオマス−酵素材料の水平混合の動きは、望ましい反応環境を確立し、維持することに役立つ。望ましい反応環境は、酵素のための最適な温度範囲を含む。ゆっくりとした水平混合はプラグフローを作り出し、プラグフローはより制御可能な反応パターンのために一般に望ましい。
【００１７】
所望の水平混合の運動又は動作を提供するために、水中翼形状を備える１つ又はそれ以上の垂直パドルが反応槽の混合チャンバーにおいて使用される。１つ以上の垂直パドルは、中心シャフトの周りに列で配置されている。垂直パドルの長さは、実質的に反応槽の混合チャンバーの垂直長さであり、例えばその８０％又はそれ以上である。望むならば、パドルの長さは槽の本体の高さよりも短い長さ、例えばその少なくとも７５％の長さでよい。
【００１８】
垂直パドルは、頂部サポートバー及び底部サポートバーのそれぞれの端部に取り付けられており、それぞれのサポートバーは、混合チャンバーの垂直長さを走る中心シャフトに水平に取り付けられている。中心シャフトはサポートバーを動かすことが可能なモーターに取り付けられ、それによって、パドルを垂直に、揃って、単一方向に、混合チャンバーの中心シャフトの周りをゆっくりとした円運動で動かすことが可能となる。水中翼のデザインは、パドルがバイオマス−酵素材料の粘度に依存して、マイナス２５度からプラス２５度までの範囲で、垂直角からのオフセットを有することを可能にする。他の実施態様において、プラス１５度からマイナス１５度までの範囲が、バイオマテリアルが木材パルプ、バガス又は農業残渣に由来する場合にバイオマス材料と酵素を混合するために望ましい。ある実施態様において、垂直角からのオフセットはパドルの垂直長さに沿って変化する。例えば、パドルは垂直パドルの第１端部において２度の垂直オフセット角を有し、垂直パドルの第２端部において１５度の垂直オフセット角を有する。垂直からのこのオフセットは、混合チャンバーにおける多くの垂直ポイントにおいて、反応槽の混合チャンバー内のバイオマス−酵素材料の円滑で均一な移動をもたらす。
【００１９】
反応槽が発明され、
この反応槽は、垂直長さ、上部入口及び下部出口を有する混合チャンバー；
混合チャンバー内に垂直配向を有し、水中翼の断面形状を有する少なくとも１つのパドル
を含み、
前記少なくとも１つのパドルは、垂直配向を維持しながら混合チャンバーにおいて運動するものである。
【００２０】
他の実施態様において、垂直パドルはそれぞれの端部で、頂部サポートバー及び底部サポートバーに取り付けられており、それぞれのサポートバーは、中心シャフトに取り付けられ、この中心シャフトは垂直パドルに合わされている頂部サポートバー及び底部サポートバーを越えて延びていない。シャフトの一方又は両方の端部はサポートバーを動かすことができるモーターに取り付けられ、それ故にパドルを垂直に、揃って、一方向に、混合チャンバーの中心垂直軸の周りをゆっくりとした円運動で動かすことができる。
【００２１】
他の実施態様において、水平面に沿って計測された、垂直パドルの断面積は垂直パドルの長さに沿って変化する。例えば、垂直パドルの一方の端部における垂直パドルの幅は、垂直パドルのもう１つの端部における幅より厚い。この断面積の変化は、混合チャンバー内のバイオマス−酵素材料の滑らかで均一な移動を、混合チャンバーにおける多くの垂直ポイントで提供することもできる。
【００２２】
さらに他の実施態様において、反応槽が発明され、この反応槽は、
内部円筒状混合チャンバー、
内部円筒状混合チャンバーの長さに延びている中心シャフト、
中心シャフトに駆動的に連結しているモーター、
内部円筒状混合チャンバー内で中心シャフトの上部セクションから外側に延びている上部サポートバー、
内部円筒状混合チャンバー内で中心シャフトの下部セクションから外側に延びている下部サポートバー、及び
上部サポートバー及び下部サポートバーに支持され、取り付けられている少なくとも１つの垂直パドル
を含み、
少なくとも１つの垂直パドルは中心シャフトの周りを運動するものである。
【００２３】
混合チャンバーにおけるバイオマス−酵素材料が、一般に垂直、均一、連続的なゆっくりとした流れで移動することにより、混合チャンバー入口から混合チャンバー出口までのバイオマス−酵素材料の望ましいプラグフローが保証される。混合チャンバーにおけるバイオマス−酵素材料は、２０℃と６０℃の間の温度にあり、例えばセルラーゼなどの好熱性酵素の場合に４０℃〜５０℃の温度にある。２５℃〜３０℃の範囲は、中等温度好性酵素の場合に望ましく、２０℃〜２５℃の範囲は、同時の糖化と発酵（ＳＳＦ simultaneous saccharification and fermentation）において使用される酵素の場合に望ましい。ＳＳＦプロセスはセルラーゼ酵素と酵母のように酵素を混合することを含む。混合チャンバー内でバイオマス−酵素材料が滞留する時間は、１〜５時間の範囲である。この範囲は、使用される酵素のタイプに依存して変化する。約２．５〜３．５時間の範囲がセルラーゼ酵素の場合に望ましく、約３時間の範囲が、木材チップ、バガス及び農業残渣のようなバイオマテリアルと反応するセルラーゼ酵素の場合に望ましい。混合チャンバーにおけるバイオマス−酵素材料の滞留期間は、バイオマス−酵素材料の粘度を、混合チャンバーの頂部における１５，０００センチポイズ（ｃｐ）超の流入粘度から、混合チャンバーの下部排出端において１，０００ｃｐ未満の粘度にするために十分な時間とするべきである。
【００２４】
垂直パドルのデザインを使用するときに、垂直パドルの上又は下で水平混合アームを使用する必要がない。
【００２５】
混合チャンバー内での垂直パドルの利用をさらに改善するために、「フローコーン」が中心シャフトに取り付けられるが、その位置は例えばパドル又はバッフルを保持している頂部サポートバーの近傍である。フローコーンは中空であってもよい。さらにフローコーンはサイドに沿って切り欠きセクションを有することがあり、それによってフローコーンのサイドは、フローコーンの頂部から底部までの長さが均一でない。切り欠きセクションはフローコーンのサイドの少なくとも一部分を開放させ、一方、フローコーンのサイドの他のセクションはフローコーンの底部まで延びている。フローコーンの切り欠きセクションによって、パドルの頂端部にパドル又はパドルが取り付けられているサポートバーが、一方の端部においてフローコーンによって少なくとも部分的に覆われ、一方、サポートバーの反対の端部は覆われていなくなる。
【００２６】
バイオマスのスラリー材料を反応槽に供給するシステムが開示され、このシステムは、
それぞれの端部でサポートバーに連結され、垂直に配向された、水中翼形状の少なくとも１つのバッフル又はパドルを含み、
前記サポートバーは、混合チャンバーの中心垂直軸又はその近傍に位置している中心シャフトに連結され、
中心シャフトは、中心シャフトに動きを提供するモーターに取り付けられ、それによってバッフルを、揃って、一方向に、混合チャンバーの実質的に全長にわたって動かすものである。
【００２７】
他の実施態様は、水中翼形状のパドルを保持する頂部サポートバーの近傍において中心シャフトに取り付けられているフローコーンを使用することを含む。このフローコーンは、除去されたサイドセクションを有する中空のコーンであり、混合チャンバーに入るスラリー材料の円滑な移動が混合チャンバーの円形エリア上で実質的に均一に分布されることを可能にする。
【００２８】
本明細書では、混合チャンバーにおけるバイオマスと酵素のスラリー材料が２０℃と６０℃の間の温度である方法も開示されている。例えば、４０℃〜５０℃の範囲が好熱性酵素の場合に望ましく、２５℃〜３０℃の範囲が中等温度好性酵素の場合に望ましく、２０℃〜２５℃の範囲がＳＳＦにおいて使用される酵素の場合に望ましい。混合チャンバー内でバイオマス−酵素材料が滞留する時間は、１〜５時間である。この時間範囲は使用される酵素のタイプに依存して変化する。約２．５〜３．５時間の範囲がセルラーゼ酵素の場合に望ましく、約３時間の範囲が木材チップ、バガス及び農業残渣のようなバイオマテリアルと反応するセルラーゼ酵素の場合に望ましい。温度、混合及びバイオマテリアルと酵素が混合チャンバー内に滞留する時間によって、バイオマスと酵素のスラリー材料の粘度が、反応槽の頂部における１５，０００ｃＰ超の流入粘度から、１，０００ｃＰ未満の粘度に変化することが可能となり、バイオマスと酵素のスラリー材料を、垂直に配向された水中翼形状のバッフル又はパドルを一方向に使用して、混合チャンバーの実質的に全長で混合し、バイオマスと酵素のより低粘度のスラリー材料を混合チャンバーから排出する。
【００２９】
他の実施態様において、垂直に配向された水中翼形状パドル、又はパドルは異なる速度で回転する。また他の実施態様において、垂直に配向された水中翼形状パドル、又はパドルは反対方向に回転する。他の実施態様において、垂直に配向された水中翼形状パドル、又はパドルは混合チャンバー中で不均一に運動する。さらに他の実施態様において、同心パドル、又はパドルは反対方向に回転し、それによって、少なくとも１つのパドルを含むパドルの１セットは、中心軸の周りを時計回り方向に回転し、少なくとも１つのパドルを含むパドルのもう1つのセットは中心軸の周りを反時計回り方向に回転する。水中翼形状パドル、又はパドルの迎え角は、酵素−バイオマス材料の垂直撹拌の事象を減少させるために調節されている。水中翼形状パドル、又はパドルの迎え角を調節することは、プラグフローを促進する。
【００３０】
またさらに他の実施態様において、パドルは混合チャンバーの四分円（quadrant）を占有し、それによってパドルは、混合チャンバーの頂部及び底部から、混合チャンバーの半分の長さに延びている。１つの四分円を占有するパドルは、他の四分円（quadrants）を占有するパドルと異なる方向に運動する。さらに１つの四分円内の少なくとも１つのパドルは少なくとも１つの方向に運動し、一方、その四分円内における少なくとも第２のパドルは第２の方向に運動する。
【００３１】
垂直に配向された混合チャンバー及び混合チャンバー中を垂直に延びている少なくとも１つのパドルブレードを使用して、反応槽においてバイオマスと酵素を混合する他の方法が開示され、この方法は、
バイオマスと酵素の混合物を反応槽の上部入口へ連続的に供給し、バイオマスと酵素の混合物を混合チャンバーへ加え；
前記少なくとも１つのパドルブレードを垂直配向に維持しながら、少なくとも１つのパドルブレードを混合チャンバーにおけるバイオマスと酵素の混合物中を運動させ；
バイオマスと酵素の混合物が混合チャンバーを通って下に移動するとき、バイオマスと酵素の混合物を少なくとも１つのパドルブレードの動きによって混合し；及び
反応槽の下部出口からバイオマスと酵素の混合物を排出するものである。
【００３２】
バイオマスと酵素のスラリー材料が、約２０℃から６０℃までの間の温度にあるときに反応槽に供給される他の方法が本明細書に開示される。例えば、４０℃〜５０℃の範囲は好熱性酵素の場合に望ましい。２５℃〜３０℃の範囲は中等温度好性酵素の場合に望ましく、２０℃〜２５℃の範囲はＳＳＦに使用される酵素の場合に望ましい。バイオマス−酵素材料が混合チャンバー内で滞留する時間は、１〜５時間である。この時間範囲は使用される酵素のタイプに依存して変化する。約２．５〜３．５時間の範囲はセルラーゼ酵素の場合に望ましく、約３時間の範囲は木材チップ、バガス及び農業残渣のようなバイオマテリアルと反応するセルラーゼ酵素の場合に望ましい。温度、混合及び混合チャンバーにおいてバイオマテリアルと酵素が滞留する時間によって、バイオマス−酵素材料のスラリーの粘度を、反応槽の頂部における１５，０００ｃＰ超の流入粘度から、反応槽の底部において１，０００ｃＰ未満の粘度に変化させることが可能となる。バイオマス−酵素材料のスラリーは、水中翼形状のパドルを保持している頂部サポートバーの近傍の中心シャフトに取り付けられているフローコーンと接触して、反応槽の混合チャンバーに入るバイオマス−酵素材料のスラリーの滑らかな移動を提供し、バイオマス−酵素材料が混合チャンバーの円形エリアにわたって実質的に均等に分布されるようになる。バイオマス−酵素材料のスラリーは、垂直に配向された水中翼形状のバッフル又はパドルを使用して、一方向に、混合チャンバーの実質的に全長にわたって混合される。より低粘度の材料が混合チャンバーから排出される。
【００３３】
他の実施態様において、反応槽が発明され、この反応槽は、
垂直軸を有する円筒状混合チャンバー；
上部サポートバー及び下部サポートバーに支持されている少なくとも１つの垂直パドル；
円筒状混合チャンバーの垂直軸に沿って延びている中心シャフト；
反応槽の外部にあり、中心シャフトに駆動的に連結されて、中心シャフト、上部サポートバーと下部サポートバー及び少なくとも１つの垂直パドルを回転させるエンジン又はモーター；
垂直軸に位置合わせされた先端を有し、少なくとも１つの垂直パドルの上に位置されているコニカルディフレクター
を含み、
前記上部サポートバーと下部サポートバーは中心シャフトに取り付けられ、中心シャフトから半径方向外側に延びているものである。
【００３４】
対応する参照符号は、いくつかの図を通して対応する部位を指し示す。図面は、本開示に従った種々の構成及び要素の実施態様を表すが、図面は必ずしも縮尺が一定ではなく、ある構成は本開示の実施態様をよりよく図示するために誇張されていることがあり、このような例示は、いかなる方法でも、本開示の範囲を制限するように解釈されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
図１は、垂直パドルを備える垂直円筒状反応槽の例示的な実施態様の側面図を示す。
【００３６】
図２は、垂直パドル及びフローコーンを備える垂直円筒状反応槽の例示的な実施
態様の側面図を示す。
【００３７】
図３は、垂直パドルの例示的な実施態様の側面図を示す。
【００３８】
図４は、垂直パドルの水中翼形状の例示的な実施態様の平面図を示す。
【００３９】
図５は、例示的なフローコーンの側面図を示す。
【００４０】
図６は、不均一な垂直軸オフセット角を有する例示的な垂直パドルを示す。
【００４１】
図７ａは、垂直パドル、フローコーン、及び混合チャンバーの中へ有意に延び
ていない中心シャフトを備える垂直円筒状反応槽の例示的な実施態様を示す。
【００４２】
図７ｂは、バイオマス−酵素材料が混合チャンバーを下に流れるとき、バイオマス−酵素材料における粒子によって最適にたどられる螺旋状の流路を示す。
【００４３】
図８ａは、混合チャンバーの円筒高さの実質的に全高に延びている垂直パドルを備える垂直円筒状反応槽の例示的な実施態様を示す。
【００４４】
図８ｂは、垂直円筒状反応槽の頂部から下を見た透視図を示し、この例示的な実施態様は、反対方向に回転するサポートバーの２つのセットを示す。
【００４５】
図８ｃは、図８ｂの外側サポートバーの拡大図であり、このサポートバーは、バイオマス−酵素材料の蓄積物を混合チャンバーの内側壁から除去するスクレーパー（scrapper）バッフルを有する。
【発明の詳細な説明】
【００４６】
フローコーンは中心シャフトに取り付けられ、パドルの頂端部におけるサポートバーが、フローコーンの底部又はフローコーンのちょうど内側にフィットすることが可能となるように位置されている。フローコーンは、中心シャフトに取り付けられているので、中心シャフトの動きと同様に動く。バイオマスと酵素のスラリー材料が混合チャンバーに入るとき、バイオマスと酵素のスラリー材料は、フローコーンに接触し、フローコーンの外表面に沿って移動する。フローコーンは、反応槽に入るバイオマスと酵素のスラリー材料の流れを、混合チャンバーの本体の全ての部分に指向させる。またフローコーンは、混合チャンバーのあるエリアに偏ることなく、混合チャンバーの円形エリアに沿ってスラリー材料とバイオマスの流れを分配する。その結果、フローコーンは、混合チャンバーの表面に沿って、厚いパッド状の層（thick paddng-like layer）を形成し、スラリー中に十分に取り込まれていない液体が混合チャンバーの内部コアに沿って集積することを回避する。フローコーンの切り欠きセクションは、バイオマスと酵素のスラリー材料の一部がパドルのエリアに落下することを可能にするが、一方、他のバイオマスと酵素のスラリー材料は混合チャンバーの壁に指向される。フローコーンのより短いセクションはパドル領域への開口を提供し、一方、フローコーンのより長いセクションはバイオマスと酵素のスラリー材料を混合チャンバーの壁に向けて移動させる。
【００４７】
フローコーンを使用することによって、混合チャンバーの円形断面にわたるバイオマスと酵素のスラリー材料の均一な分布が促進され、それによって、フローコーンは、バイオマスと酵素のスラリー材料内で酵素が反応する能力を高め、プラグフロー状態での所望の粘度変化を促進する。このようにして、フローコーンは所望のプラグフロー及びバイオマスの液化を促進する。
【００４８】
本明細書に開示されている反応槽の構成は、槽の混合チャンバーにおいて垂直に配向されているパドルを含み、これらのパドルは、パドルの上部端及び下部端においてサポートバーに支持され、取り付けられており、混合チャンバーの回転している中心シャフトに取り付けられている。パドルは水中翼の断面形状を有し、それらの長さに沿って不均一な断面形状を有し、混合チャンバーにおけるバイオマス−酵素材料の高さを変化させることを引き起こすパドルの傾向（tendency of the paddles）を最小化させる。水中翼断面は、バイオマス−酵素材料を移動するためにデザインされた形状であり、例えばエアホイール、ウィング又はフィンのための断面形状を含み、涙滴、ダイヤモンド、三日月又は楕円形状に形成された断面を有する。パドルはゆっくりと、一定で、一方向に回転し、例えば１分間に１０回転未満であり、同じ高さでバイオマス−酵素材料の混合を促進する。パドルのゆっくりと、一定で、一方向の運動は、バイオマス−酵素材料の高さを変化させる混合作用の傾向を減少させる。このパドルの運動は、バイオマス−酵素材料が混合されている間に、バイオマス−酵素材料が均一に、ゆっくりと、連続的な態様で下方向に移動することも可能にする。
【００４９】
いくつかの実施態様において、反応槽は、中心シャフトから半径方向に延びているスクレーパーサポートバーによって支持されているスクレーパーバッフルをさらに含み、スクレーパーバッフルは混合チャンバーの内側壁に合わされている。
【００５０】
コニカルディフレクター又はフローコーンのようなディフレクターは、混合チャンバーの上部領域で、バイオマスと酵素の混合チャンバーへの入口の直下にあり、バイオマス−酵素材料を混合チャンバーの上部領域において均一に分布させる。ディフレクターは、中心シャフトからパドルの上部端に半径方向に延びている上部サポートバーに装着されている。ディフレクターは中心シャフトと同軸の先端を有するか、バイオマスと酵素の反応槽への入口と垂直に位置合わせされている先端を有するか、又は中心シャフトと同軸であり且つバイオマスと酵素の反応槽への入口と垂直に位置合わせされている先端を有する。ディフレクターは、混合チャンバーにおいてバイオマス−酵素材料の均一な分布を促進するために不規則な周囲及び切り欠きを有する。ディフレクターはフローコーンであり、このフローコーンは円錐表面を有し、中空であり、円錐表面に切り取り部を有し、中心軸からの異なる半径において、ステップ状に配列されている複数のセクションを備える下部周囲を有する。
【００５１】
フローコーンは、混合チャンバーの内部でバイオマスと酵素のスラリー材料を均一に分布させることを補助する。バイオマス−酵素材料の均一な分布は、バイオマス中の酵素の均一な分布及び酵素とバイオマスとの均一な反応を促進する。フローコーンは混合チャンバーの中心に向かう材料の集積を回避するが、さもなければ混合チャンバーの中心において粘稠なバイオマス−酵素材料のカラムが形成される。この粘稠なバイオマス−酵素材料は、混合チャンバーの底部に位置する粘稠度の低いバイオマス−酵素材料を上方向に押し上げることになる。
【００５２】
ディフレクターは、バイオマス−酵素材料の一部が混合チャンバーの壁に隣接して厚い環状パッドを形成することを引き起こすことがある。パッドは、バイオマス−酵素材料のスラリー中に十分に取り込まれていない液体が、混合チャンバーの壁に沿って集まり、混合チャンバーを下に、チャネル状に流れて、問題のある回転デルタを作り出すのを防止する。
【００５３】
図１は、バイオマスと酵素の高粘度供給スラリー材料１を混合し、保持するための反応槽１０を示す。バイオマスと酵素のスラリー材料１は、１５，０００ｃＰ超の粘度で、混合チャンバー２に入り、混合チャンバー２において酵素と反応する。いくつかの実施態様において、混合チャンバー２は少なくとも１００フィートの垂直長さ及び少なくとも３０フィートの直径を有する。反応したバイオマススラリー７は、混合チャンバーの排出部において約１，０００ｃＰの比較的低い粘度を有する。
【００５４】
混合チャンバー２は、少なくとも１つのパドル３を備え、パドルはそのどちらかの末端で、サポートバー４に取り付けられている。パドル３は垂直に配向され、バイオマス−酵素材料が付着することを防止するためにコーティングが施されていることがある。このコーティングはポリテトラフルオロエチレン材料、例えばデュポン社商標のテフロン又は他のコーティングに適した材料である。そのような好適な材料は非粘着性の表面を提供する材料を含む。いくつかの実施態様において、コーティング材料は腐蝕性の環境に耐えるものが望ましい。他の実施態様において、コーティング材料を塩基性環境又は中性のｐＨ環境に耐え得るものにすることも可能である。混合チャンバー２もバイオマス−酵素材料の付着を防ぐためにコーティングされることがある。このコーティングはポリテトラフルオロエチレン材料、例えばデュポン社商標のテフロン又は他のコーティングに適した材料である。混合チャンバー２は反応槽１０の内部にある。それぞれの末端でサポートバー４に取り付けられることによって、パドル３は堅く固定している。サポートバー４は、混合チャンバー２の中心軸に実質的に沿って位置する中心シャフト５に取り付けられている。中心シャフト５はモーター６に取り付けられている。モーター６を介して中心シャフト５は円運動で動き、混合チャンバー２内で全てのパドル３がゆっくりと、一定に、一方向に同時に動くことを可能にする。
【００５５】
バイオマスと酵素のスラリー材料１が混合チャンバー２を下に移動するとき、バイオマスと酵素のスラリー材料１中において酵素がバイオマスと反応し、バイオマス−酵素材料の粘度を約１５，０００ｃＰから、混合チャンバー２の底部において約１，０００ｃＰまで減少させる。反応後のバイオマススラリー７は、混合チャンバー２からさらなる処理のために送り出される。
【００５６】
パドル３はサポートバー４に取り付けられるので、パドル３の垂直軸に対するパドル３の角度は、バイオマス−酵素材料の粘度に依存して、マイナス２５度〜プラス２５度の範囲である。他の例示的な実施態様において、バイオマテリアルが木材パルプ、バガス又は農業残渣に由来している場合には、プラス１５度〜マイナス１５度の範囲がバイオマテリアルと酵素を混合するために望ましい。
【００５７】
望むならば、パドル３の垂直軸からの角度のオフセットは、パドル３の垂直長さに沿って変化することもある。この実施態様は図６に詳細に説明されている。
【００５８】
他の実施態様において、水平面に沿って測定されたパドル３の断面積は垂直パドル３の長さに沿って変化し、それによってパドル３の幅は、パドル３に沿うある箇所において、パドル３に沿う他の箇所より大きくなることがある。この実施態様は図６において詳細に説明されている。
【００５９】
図２は、フローコーン２８を付加した垂直円筒状反応槽２０を示す。フローコーン２８は、サポートバー２４の真上の混合チャンバー２２の頂部において、中心シャフト２５に取り付けられている。混合チャンバー２２の頂部におけるサポートバー２４は、垂直パドル２３に連結している。モーター２６も中心シャフト２５に連結し、中心シャフトを回転させる。フローコーン２８は、図５において詳細に示されている。
【００６０】
図３は、図１、図２及び図７の反応槽において使用されるパドル３３のセクションを示す。パドル３３は、図１の混合チャンバー２の長さの実質的に９０％又は８０％の間であるか、あるいは混合チャンバー２の全体の長さより短く、例えば混合チャンバー２の長さの５０％を超える長さである。混合チャンバー２の５０％を超えるパドルの長さは、木材チップ、バガス及び農業残渣のようなバイオマテリアルのプラグフローを促進するために望ましい。
【００６１】
図４は、パドルのための例示的なデザインを示す。パドルは水中翼デザイン４３を有し、このデザインによって、バイオマス−酵素材料１が図１の混合チャンバー２の長さを下に螺旋状にプラグフローの形態で移動するとき、バイオマス−酵素材料１の円滑な移動が可能となる。
【００６２】
図５は、フローコーン２８の切り取りエリアを示す。コーンの両サイドは異なる長さであり、例えば１つのサイド５８は反対のサイド５７より短い。フローコーン２８は中空であり、図２のサポートバー２４上にフィットする。フローコーン２８は、バイオマス−酵素材料の付着を防ぐためにコーティングされていることがある。このコーティングはポリテトラフルオロエチレン材料、例えばデュポン社商標のテフロン又は他のコーティングに適した材料である。フローコーン２８は、反応槽２０に入るバイオマスと酵素のスラリー材料２１を反応槽２０の円形エリア上に均一に分布させ、混合チャンバー２２の内側表面に沿ってバイオマス−酵素材料の厚いパッド状の層を形成する。パッド状の層は、バイオマス−酵素材料のスラリーに十分に取り込まれていない液体が集積し、より重く、高粘度の材料からなる内部コアを形成することを防止する。このようなコアは混合チャンバー２２を下に移動し、混合チャンバー２２の底部に位置している低粘度の材料を上方向に押し上げ、それによってプラグフローを破壊する。
【００６３】
図６ａは、例示的なパドル６３の頂部図を示す。パドル６３は、水中翼形状を有し、迎え角として知られる、垂直軸からの不均一なオフセット角を有する。パドル６３の頂部６３１は、第１直線６３３を規定し、パドル６３の底部６３２は、第２直線６３４を規定する。パドル６３の本体６３５は、第１直線と第２直線によって作り出される角度に延びており、パドル６３の長さに沿う不均一な迎え角を作り出す。
【００６４】
図６ｂは、パドルの本体６３５がパドル６３の頂部６３１及び底部６３２によって規定された不均一な迎え角を有するパドル６３の側面図を示す。
【００６５】
図６ｃは、パドル６３の他の頂部図である。パドル６３は平面状であり、パドル６３の底部６３２の断面積はパドル６３の頂部の断面積より大きく、不均一な断面積を有するパドル６３の本体６３５を形成する。この実施態様は、不均一な迎え角を形成するために、どのように不均一な断面積が使用されるかも示す。
【００６６】
図７ａは、フローコーン７８が付加されている垂直円筒状反応槽７０の例示的実施態様を示す。フローコーン７８は中心シャフト７５に取り付けられている。中心シャフトは、混合チャンバー７２の頂部又は底部におけるサポートバー７４を越えて延びていない。モーター７６は中心シャフト７５に連結し、中心シャフトを回転させる。反応後のバイオマススラリー７７は、さらなる処理のために混合チャンバー７２から送り出される。
【００６７】
図７ｂは、バイオマス−酵素材料内の粒子の理想的なプラグフロー流路を示す。垂直パドル７３が実質的に同じ方向に動く実施態様において、バイオマス−酵素材料内の粒子は、螺旋状の流路７２１で混合チャンバー７２を下方向に移動する傾向がある。
【００６８】
図８ａは、フローコーン８８が付加されている垂直円筒状反応槽８０の例示的実施態様を示す。垂直円筒状反応槽８０は、槽サポートスタンド８０３によって支持されている。フローコーン８８は中心シャフト８５に取り付けられている。モーター８６は中心シャフト８５に連結し、中心シャフトを回転させる。中心シャフトは、混合チャンバー８２の頂部又は底部におけるサポートバー８４を越えて延びていない。この例示的実施態様において、サポートバーは混合チャンバー８２の頂部及び底部の輪郭とともに曲がるか又は輪郭をとる。パドル８３は混合チャンバー８２内で、ゆっくりとした態様で運動する。この実施態様は、混合チャンバー８２の実質的に全長に延びているパドル８３を表す。この例示的実施態様において、スクレーパーパドル８０５はバイオマス−酵素材料を混合チャンバー８２０の内側壁から除去するために使用される。これは図８ｂ及び図８ｃにおいて十分に説明されている。パドル８３及びスクレーパーパドル８０５の動きは、混合チャンバー入口８０１から混合チャンバー出口８０２までのバイオマス−酵素材料８１の所望のプラグフローを保証する。混合チャンバー入口８０１は、その中心が混合チャンバー８２の頂部における中心軸上に実質的にあるか、又は混合チャンバー８２の中心軸から外されている。同様に、混合チャンバー出口８０２は、その中心が混合チャンバー８２の底部中心軸上に実質的にあるか、又は混合チャンバー８２の中心軸から外されている。反応後のバイオマススラリー８７は、混合チャンバー８２からさらなる処理のために送り出される。
【００６９】
図８ｂは、図８ａのラインＡ−Ａに沿う垂直円筒状反応槽８０の頂部から下を見た透視図である。槽サポートスタンド８０３は、垂直円筒状反応槽８０を支持する。この例示的実施態様において、反対方向に移動するパドル８３の２つのセットを支持するサポートバーの２つのセットがある。スクレーパーサポートバー８４１は１つの端部でスクレーパーパドル８０５を支持し、反対の端部で対向パドル８０６を支持する。この例示的実施態様において、スクレーパーパドルサポートバーは反時計回りに動く。対向パドル８０６は、（図８ｃに示されているようには）混合チャンバー８２０の内側壁に接触せず、むしろ混合チャンバーにおけるバイオマス−酵素材料の一部を、（図８ｃに示されているように）混合チャンバー８２０の内側壁に向けて導く。
【００７０】
パドルサポートバー８４２は、１つ又はそれ以上のパドル８０７を支持する。この例示的実施態様において、パドルサポートバーは時計回りに回転する。
【００７１】
図８ｃは、混合チャンバー８２０の内側壁に合わさっているスクレーパーパドルを示す、図８ｂの詳細領域である。スクレーパーは、混合チャンバー８２０の内側壁上のバイオマス−酵素材料の蓄積物を除去する。スクレーパーパドル８０５は、前に挙げたパドルの実施態様のいずれかに従って構成された改変パドルである。例えば、スクレーパーパドル８０５の迎え角及び断面積はスクレーパーパドル８０５の垂直長さに沿って変化することがある。
本発明は明瞭性及び理解ために詳細に説明されたが、開示された本発明の実施態様への変形及び改変が、本発明の特許請求の範囲内で実施され得ることが理解されるであろう。
【図１】
2015534823.tif 000003
【図２】
2015534823.tif 000004
【図３】
2015534823.tif 000005
【図４】
2015534823.tif 000006
【図５】
2015534823.tif 000007
【図６Ａ】
2015534823.tif 000008
【図６Ｂ】
2015534823.tif 000009
【図６Ｃ】
2015534823.tif 000010
【図７Ａ】
2015534823.tif 000011
【図７Ｂ】
2015534823.tif 000012
【図８Ａ】
2015534823.tif 000013
【図８Ｂ】
2015534823.tif 000014
【図８Ｃ】
2015534823.tif 000015
【国際調査報告】
2015534823.tif 000016
2015534823.tif 000017
2015534823.tif 000018