고체/유체 분리용 트윈 스크류 압출기 프레스

고체/유체 분리용 트윈 스크류 압출기 프레스{TWIN SCREW EXTRUDER PRESS FOR SOLID/FLUID SEPARATION}

본 발명은 다른 종류의 고체/유체 혼합물들을 처리하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 고체/유체 분리 장치와 폭넓게 관련되며, 특히, 매우 다양한 액체/고체 혼합물들과, 다양한 밀도들, 고형물 함량들 및 고형물과 액체들 형태의 슬러리들의 분리를 위해 이용될 수 있는 매우 다재 다능한 성질의 향상된 스크류 프레스 장치들과 관련된다.

고체/액체 분리를 위한 다양한 공정 공급 또는 공정 잔류물 처리 공정들이 알려져 있고, 이들은 상당한 체류 시간, 고압, 및 고온을 요구한다. 일반적으로, 처리된 고형물로부터 이러한 조건들에서 액체들은 분리되어야 한다. 기존의 액체/고체 분리 설비는 높은 액체류/고형물 분리율들과 낮은 액체 함량을 가진 고형물을 얻는데 만족스럽지 못했다.

예를 들어, 목질섬유소 바이오매스의 전처리에서, 가수분해된 헤미셀룰로오스 설탕류, 독소류, 억제제류, 및/또는 기타 추출물들은 고체 바이오매스/셀룰로오스 부분으로부터 압착되어야 한다. 셀룰로오스 전처리를 위해 요구되는 고온 고압 하에서 액체로부터 고형물을 효과적으로 분리하는 것은 어렵다.

에탄올 공정들에서 많은 바이오매스가 축축한 섬유 슬러리를 생성하는데, 이 슬러리로부터 다양한 공정 단계에서 용해된 화합물들과 액체가 분리되어야 고체 섬유성 부분이 분리된다. 고체/액체 분리는 일반적으로 여과에 의해 수행되는데, 필터 프레스들을 이용한 일회분 조작이나 스크류 프레스들을 통해 연속적으로 진행된다.

또한, 고체/액체 분리는 음식 처리(기름 추출), 습식 추출 공정들에서의 폐 스트림 부피 감소, 탈수 공정들, 부유 고형물 제거와 같은 다른 많은 상업 공정들에서 필요하다.

상업용 스크류 프레스들은 고체/액체 슬러리로부터 습기를 제거하기 위해 이용될 수 있다. 그러나, 남아 있는 액체 제거 고형물 덩어리는 일반적으로 40 내지 50%만의 고형물을 함유한다. 이러한 분리 레벨은 여과 단계 이후에 또 다른 희석 또는 처리 단계가 있을 경우엔 만족스러울 수도 있지만, 슬러리의 최대 탈수가 요구되는 경우에는 만족스럽지 못하며, 남아있는 습기는 대부분 물이다. 이러한 만족스럽지 못한 낮은 고형물 함량은 기존 스크류 프레스들이 다룰 수 있는 상대적으로 낮은 최대 압력에 기인하는데, 이 압력은 일반적으로 약 100 내지 150 psig의 분리 압력 이하이다. 배수기 스크류들이 결합된 상업용 모듈식 스크류 장치들 (Modular Screw Devices(MSD's))이 이용될 수 있는데, 이들은 300 psi에 이르는 더 높은 압력에서 작동할 수 있다. 그러나, 고유의 비용, 복잡성, 및 지속적인 여과 덩어리의 고형물 함량 50% 이하의 제한이 이들의 단점이다.

고체/유체 분리 시, 고형물 부분(고형물 덩어리)에 남아 있는 액체의 양은 가해진 분리 압력의 양, 고형물 덩어리의 두께, 및 필터의 공극률과 관계가 있다. 필터의 공극률은 필터 기공들의 수 및 크기와 관계 있다. 압력 감소, 덩어리 두께 증가, 또는 필터의 공극률 감소 모두는 분리 효율, 액체/고체 분리도, 및 고형물 부분의 최종 건조도를 감소시킬 것이다.

특정한 고형물 덩어리 두께와 필터 공극률에 대해, 가능한 최고 분리 압력에서 최대 분리가 일어난다. 특정한 고형물 덩어리 두께와 분리 압력에 대해, 최대 분리는 다만 필터 기공 크기와 관계한다.

유감스럽게, 높은 분리 압력들은 분리 압력을 견딜 수 있는 강한 필터 매개물을 요구하여, 공정을 어렵게 하고 요구되는 설비의 가격을 매우 올린다. 높은 분리 압력들이 요구되면, 필터 매개물의 두께는 이러한 압력들에 견디기 위해 증가될 필요가 있다. 그러나, 더 얇은 필터 매개물을 가진 필터와 동일한 전체 공극률을 유지하기 위해, 더 두꺼운 필터 매개물은 더 큰 기공 크기를 요구한다. 이것은 처리될 고형물에 따라 문제를 일으킬 수도 있는데, 그 이유는 필터의 허용할 수 있는 기공 크기는 섬유들과 고형물 부분의 입자들의 크기에 의해 제한되기 때문이며, 액체 부분의 투명도는 필터 매개물의 기공 크기에 의해서만 제한된다. 너무 큰 기공들은 액체부 안에 상당한 양의 부유 입자들을 모이게 해 액체/고체 분리 효율을 줄인다. 또한, 기공의 전체 개수를 더 증가시킴으로써 더 높은 공극률을 얻을 수 있지만, 이는 필터 매개물을 약하게 해서 최대 작동 압력을 낮추거나 필터 면을 지나치게 확대시킨다.

분리 효율과 필터 크기 사이에서 허용할 수 있는 균형을 이루기 위해, 기존의 고체/액체 분리 장비는 일반적으로 원하는 압력들에서보다 낮게, 그리고, 원하는 기공 지름들보다 큰 상태에서 작동된다. 그러나, 이 경우, 시간이 지나면서 필터 매개물이 부유 고형물로 막히게 되어, 분리 효율을 줄일 뿐만 아니라 결국엔 여과 기능을 잃어 버리게 된다. 특히, 이것은 셀룰로오스 전처리를 위해 요구되는 높은 압력들에서의 경우이다. 따라서, 필터가 막히는 것을 막고 분리율을 회복하기 위해 액체의 역세 흐름이 일반적으로 요구된다. 필터가 막히면, 필터 매개물을 역세하기 위해 고압이 이용된다. 특히 이것은, 예를 들어, 1000 psig를 초과하는 상승된 압력들에서 작동하는 필터 매개물이 이용되거나, 연속적이어야 하는 공정이 이용되는 경우에 문제가 된다.

기존의 단일, 트윈, 트리플 스크류 프레스들이 알려져 있지만, 허용할 수 없는 분리 능력들을 가진다. 미국 특허 US 7,347,140는 다공 케이싱을 가진 스크류 프레스를 개시한다. 이러한 스크류 프레스의 작동 압력들은 다공 케이싱의 낮은 강도와 상대적으로 낮은 케이싱의 공극률 때문에 낮다. 미국 특허 US 5,515,776는 웜 프레스 및 프레스 자켓의 배수 구멍들을 개시하는데, 이들은 배출된 액체의 흐름 방향으로 단면적이 증가한다. 미국 특허 US 7,357,074는 프레스 안에 압축된 벌크 고형물로부터 배수를 위한 복수 개의 구멍들이 있는 원추형 탈수 하우징을 가진 스크류 프레스에 관한 것이다. 역시, 다공 케이싱이나 자켓이 이용된다. 하우징의 구멍들의 수가 많을수록 하우징의 압력저항은 낮아진다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 더욱이, 미세한 고형물의 분리를 위해 매우 작은 구멍들이 요구될 때 하우징이나 프레스 자켓에 구멍들을 뚫는 것은 어려운 작업일 수 있다. 따라서, 스크류 프레스용의 향상된 필터 매개물 또는 탈수 모듈이 요구된다.

본 발명의 목적은 이전의 고체/액체 분리 장치들의 적어도 하나의 단점을 제거하거나 완화하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다른 응용들에서 얻어진 그리고/또는 처리된 다양한 다른 고체/액체 슬러리들의 액체 제거를 위한 향상된 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 매우 다양한 다른 종류들의 고체/액체 혼합물들 및 슬러리들을 분리하기 위한 향상된 장치와 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 더 추가적인 측면은 고체/액체 슬러리들로부터 액체들 및 기체들을 분리하기 위한 향상된 장치와 방법을 제공하는 것이다.

고형물/유체 분리를 향상하기 위해, 발명은 100 psig를 초과하는, 바람직하게는, 300 psig를 초과하는 압력에서 트윈 스크류 압출기에 의해 압축된 고형물의 유체함유 덩어리로부터 유체를 분리하기 위한 고체/유체 분리 모듈이 결합된 트윈 스크류 압출기 프레스를 포함하는 고압 필터 장치를 제공한다. 최대 처리량을 위해, 필터 장치는 바람직하게는 트윈 스크류 압출기 프레스이지만, 발명에 따라 트리플 스크류 압출기 프레스들 또한 분리 모듈과 함께 이용될 수 있다.

기존의 지식에 따라, 필터 프레스의 여과 효율은 여과 압력 및 필터 공극률을 증가시킴으로써 향상될 수 있다. 그러나, 기존에 사용되는 여과 매개물은 가능한 압력들과 공극률을 현저하게 제한한다. 발명자들은 본 개시에 따른 분리 모듈을 포함하는 스크류 프레스의 여과 효율은 여과 조건들과 모듈의 여과 특성들을 조작함으로써 향상될 뿐만 아니라 스크류 타입 전달 유닛을 개재된 블레이드가 있는 두 개 이상의 압출기 스크류를 가진 스크류 압출기 프레스로 교체함으로써 현저하게 향상될 수 있다는 것을 놀랍게도 발견했다. 슬러리를 압축하고 전달하기 위해 트윈 스크루 압출기를 사용함으로써, 동일한 여과 압력들 및 필터 공극률에서 작동하는 경우, 기존의 스크류 프레스들에서보다 여과 덩어리 안에서의 현저하게 더 높은 고형물 함량들을 얻을 수 있다. 동시에, 발명자들은 트윈 스크류 압출기 프레스를 300 psig를 초과하고 20000 psig에 이르는 분리 압력에서 작동 가능한 고압 고체/액체 분리 유닛과 결합함으로써 여과 덩어리 안에서의 현저하게 더 높은 분리 압력들 및, 따라서, 훨씬 더 높은 고형물 함량들을 얻을 수 있다는 것을 발견했다. 일 응용에서, 고형물 함량들이 50%를 훨씬 초과하는, 에탄올 공정의 바이오매스에서 전처리된 셀룰로오스 바이오매스의 탈수가 기대된다. 이러한 이론에 국한되지 않고 발명자들은 트윈 스크루 압출기를 포함하는 프레스의 향상된 여과 용량이 트윈 스크루 압출기와 같은 다중 스크류 압출기에서 생성된 상당한 전단에 의한 것이라는 것을 믿는다. 더 높은 전단이 슬러리 안의 고형물로부터 액체를 배출시킨다는 이론이 세워지며, 그렇지 않으면 액체는 압력만으로 분리될 수 없을 것이다. 이러한 전단은, 액체의 적어도 일부는 고형물에 갇혀있거나 잡혀있는 임의의 고체/액체 혼합물 또는 슬러리에서의 향상된 고체/액체 분리에 현저하게 기여할 것이라는 것이 기대된다.

트윈 스크류 압출기들은 알려져 있고 플라스틱 처리 및 음식 처리(압출 요리)에 일반적으로 이용되지만 본 발명에서처럼 상승된 압력에서 고체/액체 분리를 위해 이용되지는 않았다.

발명의 고체/액체 분리 장치의 바람직한 압출 유닛은 적어도 부분적으로 개재된 블레이드가 있는 적어도 한 쌍의 평행 또는 비평행 스크류들을 수용하는 배럴(barrel)을 가진 트윈 스크류 조립체를 포함한다. 스크류들의 블레이드는 압출기 배럴의 길이의 적어도 일부를 따라 개재되어 스크류 쌍들 사이와 스크류들과 배럴 사이에 긴밀한 틈새를 정의한다. 원통형 또는 테이퍼지거나 원추형 스크류들이 이용될 수 있다. 테이퍼지거나 원추형 스크류들 뿐만 아니라 테이퍼진 코어를 가진 비평행 원추형 스크류들이 이용될 수 있다. 긴밀한 틈새는 증가된 전단에 따라 닙 영역(nip area)들을 형성한다. 닙 영역들은 배럴 내부에 고압 구역을 형성하며 물질이 교반되고 전단되는 동안 물질을 앞으로 전진시킨다.

바람직한 압출기는 스크류 압출기의 상승된 작동 압력들에서 압출된 혼합물에서 유체들이 효율적으로 추출되도록 하는 전문화된 유체 분리 모듈을 더 포함한다.

이러한 조립체는 고형물에서 액체가 분리될 필요가 있고 액체는 낮은 부유 고형물 함량을 가져야 하는 다양한 공정에 상당한 이익들을 제공할 것으로 기대된다. 또한, 조립체는, 액체에서 고형물이 분리될 필요가 있고, 액체들은 세척이나 용출을 통해 제거될 필요가 있는 용해된 화합물들을 함유하고, 추출된 액체는 낮은 부유 고형물 함량을 가져야 하는 공정들에 대해 유리할 것으로 기대된다.

본 개시에 따른 트윈 스크류 압출기 필터 프레스의 분리 용량은, 본원에 그 전체가 포함되는, 동시 계류중인 미국 특허출원 US2012-0118517(USSN13/292,449)에 개시된 바와 같은 향상된 분리 특성들을 가진 필터 유닛을 이용함으로써 향상될 수 있다. 분리 모듈은 5% 내지 40%의 공극률(전체 필터 면적에 대한 전체 기공 면적)을 가진 필터 유닛을 포함한다. 바람직하게는, 모듈은 5 내지 40%, 더 바람직하게는, 11 내지 40%의 필터 공극률에서 20000 psig, 더 바람직하게는 10000 psig, 가장 바람직하게는 3000 psig에 이르는 작동 압력들을 견딘다. 바람직하게는 필터 유닛은 0.00005 내지 0.005제곱 인치의 기공 크기를 가진 복수 개의 필터 기공들을 포함한다.

본 출원의 발명자들은 위에서 설명한 필터 유닛에 따른 분리 모듈과 두 개 이상의 압출기 스크류를 가진 압출기의 동일한 기본 구성이 분리 모듈의 막힘 없이, 동일한 주요 장치나 방법에 의해서 이전에는 분리될 수 없었던 매우 다양한 액체/고체 혼합물들 및 슬러리들로부터 액체들의 분리를 위해 사용될 수 있음을 더욱 놀랍게도 발견했다.

바람직한 실시예에서, 필터 유닛은 미세한 고형물의 분리를 위한 0.00005제곱 인치의 기공 크기, 5.7%의 공극률, 및 2500 psig의 압력 저항을 가진 필터 기공들을 포함한다. 다른 실시예에서, 필터 유닛은 0.005제곱 인치의 기공 크기, 20%의 공극률, 및 5000 psig의 압력 저항을 가진 필터 기공들을 포함한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 필터 유닛은 0.00005제곱 인치의 기공 크기 및 11.4%의 공극률을 가진 필터 기공들을 포함한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 필터 유닛은 0.005제곱 인치의 기공 크기 및 40%의 공극률을 가진 필터 기공들을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 필터 유닛은 0.00003제곱 인치의 기공 크기를 필터 기공들을 포함한다.

고체/유체 분리 효율을 최대화하기 위해, 필터 기공 크기를 최소화하고 필터 공극률을 최대화하며 상승된 분리 압력들에서 작동하는 것이 바람직하다. 원통형 통로들을 필터 자켓으로 절단할 필요가 있기 때문에 기공 크기를 최소화하는 것은 기존 스크류 프레스들의 과제다. 이제, 이러한 문제는 발명인들에 의해 대처되었다. 본 발명의 필터 유닛에서 필터 기공들은 단순히 필터 판에서 슬롯을 절단함으로써 형성되는데, 이는 압력 자켓에서의 드릴링 홀들보다 형성하기가 훨씬 더 쉽다. 슬롯들의 이용은 또한 상대적으로 얇은 필터 판들과 상대적으로 좁은 슬롯들을 이용함으로써 훨씬 더 작은 필터 기공들의 생성을 감안한다. 예를 들어, 0.005인치 두께의 필터 판을 이용하고 0.01인치 폭의 슬롯을 필터 판 안으로 절단함으로써, 0.00005제곱 인치의 기공 크기를 형성할 수 있다. 더욱이, 상승된 작동 압력들에서 상대적으로 높은 공극률을 제공하기 위해, 스크류 프레스와 같은, 고형물을 함유하는 가압된 액체 매스의 소스에 실링되어 연결되기 위한 분리 모듈이 제공된다.

일 측면에서, 분리 장치는 가압된 덩어리를 밀폐시켜 수용하기 위한 필터 유닛과 가압 가능한 수집 챔버를 포함한다. 필터 유닛은 미리 선택된 필터 기공 크기와 미리 선택된 공극률을 가진다. 필터 유닛은 대항하는 전후면을 가지는 적어도 하나의 필터 판, 필터 판의 전면과 접하는 커버 판, 및 필터 판의 후면과 접하는 지지판을 포함한다. 커버 판 및 지지판은 가압된 덩어리를 수용하기 위한 수집 챔버로부터 실링된 관통 코어 개구를 정의한다. 또한, 필터 판들은 바람직하게는 코어 개구로 연장되지만 코어 개구보다 약간 큰 중앙 개구를 가지는 크기를 가질 수 있다. 필터 판은 코어 개구로부터 필터 판으로 연장되는 적어도 하나의 관통 필터 슬롯을 가지고, 미리 선택된 필터 기공 크기를 가진 필터 통로를 형성하기 위해 필터 슬롯은 전후면에서 커버 판과 지지판들에 의해 실링된다. 지지판은 수집 챔버 및 필터 통로와 유체 연통되는 배수 통로를 후면과 함께 정의하기 위한 홈을 가진다. 증가된 공극률을 위해, 필터 판은 필터 유닛의 공극률을 증가시키기 위한 복수 개의 별도의 필터 슬롯을 바람직하게는 포함하고, 배수 통로는 모든 필터 슬롯들과 유체 연통한다. 필터 유닛의 공극률을 훨씬 더 증가시키기 위해, 필터 유닛은 바람직하게는 커버 판 뒤에 배치된 복수 쌍의 필터 판과 지지판을 스택 안에 교호적으로 포함하며, 이에 의해 두 개의 필터 판 사이에 삽입된 각각의 지지판이 하나의 필터 판을 위한 지지판으로 기능하면서 다른 필터 판을 위한 커버 판으로 기능한다. 필터 판과 지지판을 교호적으로 배치함으로써 필터 유닛의 분리 압력 용량이 증가한다. 필터 판들보다 두꺼운 지지판을 이용함으로써 필터 유닛의 압력 용량이 더 향상될 수 있다. 지름이 더 큰 필터 판과 지지판을 이용함으로써 필터 유닛의 압력 용량이 더 증가될 수 있다.

일 실시예에서, 분리 모듈은 스크류 프레스의 배럴에 장착 가능하거나 통합 가능하고, 코어 개구는 프레스의 압출기 스크류의 일부를 꼭 맞게 수용하는 크기를 가진다. 압출기 스크류는 바람직하게는, 압축된 물질을 필터 면으로부터 지속적으로 긁어내는 동시에 상당한 분리 압력들을 생성하기 위해 필터 블록의 코어 개구에 근접한 공차들을 가진다. 작은 양의 섬유들이 필터의 면 상에 잡힌 경우, 압출기 요소들에 의해 더 작은 조각들로 전단될 것이고, 최종적으로 필터를 통과해서 액체 흐름과 함께 매우 미세한 입자들로서 배출될 것이다. 이는 고압 및 선택적으로 매우 높은 온도 환경에서 물질의 고체와 액체 부분들의 분리를 감안하는 고체/유체 분리 장치를 제공한다.

다른 측면에서, 고형물을 함유하는 가압된 액체 매스로부터 액체들 또는 기체들을 분리하기 위한 분리 모듈은 액체들 및 기체들을 위한 수집 챔버를 정의하는 압력 자켓을 가지는 실링 가능한 하우징; 각각이 수집 챔버로부터 액체들 및 기체들을 배출하기 위한 자켓 상의 액체 출구 및 기체 출구; 자켓의 입구단에 제거 가능하게 단단히 고정되는 입구단 판; 자켓의 출구단에 제거 가능하게 단단히 고정되는 출구단 판; 및 필터 판과 지지판을 포함하는 적어도 하나의 필터 팩을 포함하고, 필터 팩은 입구단 판과 출구단 판 사이에 위치하고, 필터 판과 지지판은 가압된 덩어리를 수용하기 위한 수집 챔버로부터 실링되고 정렬된 코어 개구를 가지고, 필터 판은 코어 개구로부터 필터 판과 지지판 안으로 연장되는 적어도 하나의 관통 필터 슬롯을 포함하고, 지지판은 필터 슬롯과 수집 챔버와 유체 연통하는 통로를 정의한다.

바람직하게는, 실링 가능한 하우징은 둘 이상 쌍의 필터 판 및 지지판을 가진다. 바람직하게는, 필터 판은 복수 개의 필터 슬롯을 포함한다. 바람직하게는, 각 지지 판은 인접하는 필터 판의 모든 필터 슬롯과 유체 연통하는 원형 홈을 포함한다.

바람직하게는, 필터 판과 지지판 각각은 판들의 정렬과 상호연결을 위한 한 쌍의 대항하는 장착 탭을 가진다. 각 장착 탭은 연속적인 필터 블록 안에서 필터 판과 지지판의 스택을 정렬하고 클램핑하기 위한 조임 볼트를 수용하기 위한 구멍을 가질 수도 있다. 대안적으로, 조임 볼트를 위한 구멍은 생략되고, 압력 자켓은 탭들을 정렬하고 코어 개구에 대해 필터 판과 지지판의 회전을 막기 위해 내부면 상에 융기부들을 포함한다.

추가적인 측면에서, 본 개시물은 고체부, 액체부, 및 기체부를 가진 물질의 처리를 위해 설명한 바와 같은 고체/유체 분리 모듈의 사용을 제공하여 액체부 및 기체부로부터 고체부를 분리한다.

추가적인 측면에서, 본 발명은 바이오매스, 구체적으로, 목질섬유소 바이오매스를 전처리하기 위한 과정에 있다.

본 개시물의 다른 측면들 및 특징들은 첨부된 도면과 함께 다음의 특정한 실시예들의 설명을 검토함으로써 해당 기술 분야의 당업자들에게 명백해질 것이다.

본원에 설명하는 실시예들의 보다 나은 이해를 위해, 그리고, 실시예들이 효과적으로 수행되는 방법을 더 명확하게 보여주기 위해, 예시적 실시예들을 보여주는 첨부된 도면을, 예시적인 목적으로 참조한다.
도 1은 트윈 스크류 압출기와 고체-액체 분리 모듈을 개략적으로 결합한 예시적 셀룰로오스 전처리 시스템의 개략도를 도시한다.
도 1a는 발명에 따른 예시적인 고체/유체 분리 장치의 부분적인 개략 사시도이다.
도 2a는 도 1a에 도시된 예시적인 장치의 부분적인 수평 단면도이지만, 간결함을 위해, 다만 하나의 고체/액체 분리 모듈을 포함하고 있다.
도 3a는 도 1a에 도시된 예시적인 장치의 수직 단면도이지만, 간결함을 위해, 다만 하나의 고체/액체 분리 모듈을 포함하고 있다.
도 4a는 도 1a의 예시적 실시예에서 사용되는 바람직한 테이퍼진 트윈 압출 스크류 세트의 사시도이다.
도 4b는 원통형 배럴과 함께 도 1a의 예시적 실시예에서 사용될 수도 있는 테이퍼지지 않은 트윈 압출 스크류 세트의 평면도이다.
도 5a는 고체/유체 분리 모듈의 일 실시예를 개략적으로 도시하는 분해도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 고체/유체 분리 모듈의 분해도를 도시한다.
도 6은 배수 채널들로서 좁은 필터 슬롯들을 가진 분리 모듈의 필터(핑거) 판을 도시한다.
도 6a는 도 4의 필터(핑거) 판의 확대 상세도를 도시한다.
도 6b는 도 6 및 도 6a의 실시예보다 더 넓은 필터 슬롯들을 가진 분리 모듈의 필터(핑거) 판을 도시한다.
도 7은 도 3의 실시예의 우측 지지판을 도시한다.
도 8는 BB선을 따라 취해진, 도 7의 지지판의 단면도이다.
도 9는 AA선을 따라 취해진, 도 7의 지지판의 단면도이다.
도 10은 도 3의 실시예의 좌측 지지판을 도시한다.
도 11은 도 6 및 도 7에 따른 한 쌍의 필터 판과 지지판의 등각 투시도이다.
도 12는 CC선을 따라 취해진, 도 11의 한 쌍의 필터 판과 지지판의 단면도이다.
도 13은 분리 모듈의 일 실시예로 얻어진 여과액에서 발견된 입자들의 입자 크기 분포를 도시한다.
도 14는 올리브 공급 원료로부터 물과 기름의 추출을 위한, 발명에 따른 분리 장치의 응용 가능성을 도시한다.
도 15는 사탕무 공급 원료로부터 자당액의 추출을 위한, 발명에 따른 분리 장치의 응용 가능성을 도시한다.
도 16은 불린 대두 공급 원료로부터 물과 기름의 추출을 위한, 발명에 따른 분리 장치의 응용 가능성을 도시한다.
도 17은 전처리된 목질섬유소 바이오매스 공급 원료로부터 물의 추출을 위한, 발명에 따른 분리 장치의 응용 가능성을 도시한다.

간단하고 명확한 예시를 위해, 적절하다면, 대응하거나 유사한 요소나 단계를 나타내도록 도면의 참조 번호는 반복될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본원에 설명되는 예시적 실시예의 완전한 이해를 위해 다양하고 특정한 상세부가 언급된다. 그러나, 이들 특정 상세부 없이도 여기서 설명되는 실시예들은 실행될 수 있다는 것을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이해할 것이다. 다른 경우로, 잘 알려진 방법들, 과정들 및 구성 요소들은 여기서 설명하는 실시예들을 모호하게 하지 않기 위해 상세히 설명되지 않는다. 나아가, 이러한 설명은 여기서 설명하는 실시예들의 범위를 어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되지 않으며, 오히려 여기서 설명하는 실시예들의 실행을 단지 설명하는 것이다

발명의 바람직한 압출기 유닛은 평행 또는 비평행 스크류들을 가진 트윈 스크류 조립체를 포함하며, 스크류들의 블레이드는 압출기 배럴의 길이의 적어도 일부를 따라 개재되어 스크류들 사이와 스크류들과 배럴 사이에 긴밀한 틈새를 정의한다. 또한, 두 개를 초과하는 압출기 스크류를 가진 스크류 압출기들이 이용될 수 있다. 원통형 또는 테이퍼지거나 원추형 스크류들이 이용될 수 있다. 테이퍼지거나 원추형 스크류들이 바람직하고, 비평행 원추형 스크류들이 가장 바람직하다. 긴밀한 틈새는 증가된 전단에 따라 닙(nip) 영역들을 형성한다. 닙 영역들은 배럴 내부에 고압 영역을 형성하며 물질이 혼련되고 전단되는 동안 물질을 앞으로 전진시킨다. 또한, 압출된 혼합물에서 유체들이 효율적으로 추출되도록 하는 전문화된 유체 분리 유닛이 제공된다.

발명자들은 스크류 프레스 컨베이어와 같이 이용하기 위한 고체-액체 필터링 장치를 개발했고, 필터링 장치는 초고압(20000 psig에 이르는)을 이용할 수 있으며 트윈 스크류 압출기 프레스와 결합하여, 상업적으로 이용 가능하거나 실험실에서 적용되는 것보다 놀랍게도 50 내지 90% 높은 수준의 고형물을 생성할 수 있었다. 또한, 추가적인 이익으로, 장치의 매우 작은 기공 크기 때문에 액체부에는 부유 고체가 거의 추출되지 않았다. 이 장치는 동시 계류중인 미국 특허출원 US2012-0118517(USSN13/292,449)의 대상이다. 고압 필터링 유닛과 트윈 스크류 압출기 프레스의 결합이 사실상 건조된 찌꺼기를 형성시킬 수 있는 고체/액체 분리 장치를 형성했기 때문에 분리 결과들과 여과된 찌꺼기에서의 현저하게 높은 고체 함량은 매우 놀라웠고, 종래에는 이러한 것이 후속적인 건조 단계 없이는 전혀 이루어질 수 없었다. 이러한 이론에 따르면, 트윈 스크류는 300psi를 훨씬 넘는 압력에서 매우 얇은 덩어리 층을 가진 물질을 전단할 수 있는 동시에, 신규한 필터 장치를 통해 잡혀 있고 갇혀 있는 액체와 물이 고체와 장치 밖으로 경로를 따라 이동하는 것을 허용한다.

본 발명의 장치를 이용해, 액체들과 고형물을 포함하는 유체에 상당한 전단력들/응력들을 가할 수 있고, 이 전단력들은 매우 강하고 매우 미세한 필터링 메커니즘 내부에서 얇은 덩어리 안에 가해지고(20000 psi에 이르는 필터링 유닛의 힘, 5미크론에 이르는 기공 크기, 및 500℃에 이르는 온도), 동시에 이러한 미세한 필터를 통해 액체가 자유롭게 이동하는 것을 허용한다. 따라서, 이러한 필터 유닛과 트윈 스크류 압출기 프레스의 결합으로 셀룰로오스 에탄올 공정과 다른 공정들에 현저한 이익들을 제공할 것이 기대되고, 특히, 전단 감소 특성을 가진 비뉴톤 유체나 특정한 전단 응력이 전해졌을 때 고체와 액체 성분으로 분리되는 점소성 물질을 탈수하는 것이 기대된다.

도면으로 돌아가서, 도 1a는 발명에 따른 예시적인 고체 유체 분리 장치(200)를 개략적으로 도시한다. 장치는 배럴 모듈들(212)과 분리 모듈들(214)을 가진 트윈 스크류 압출기(210)를 포함하고, 압출기(210)는 중간 기어 박스 드라이브(224)를 통해 모터(226)에 의해 구동되고, 모터와 기어 박스는 기존의 구성 요소다.

도 2a 및 도 3a는 단일 분리 모듈(214)만을 포함하는 도 1a에 도시된 장치의 단순화된 예시적 실시예를 도시한다. 도 2a 및 도 3a로부터 명백한 바와 같이, 장치(200)는 입구(218)와 출구(220)를 제공하는 분할 배럴(216)을 폭넓게 포함하고, 전문화된 트윈 스크류 조립체(222)가 배럴(216) 내부에 위치하며, 조립체(222)는 기어 박스 드라이브(224)를 경유하여 모터(226)에 결합된다. 단순화된 예시적인 실시예에 도시된 배럴(216)은 단부가 서로 연결된 두 개의 튜브형 배럴 헤드(228, 230)과 분리 모듈(232)로 구성된다. 각각의 배럴 헤드에는 외부 자켓(234, 236)이 제공되어 압출기 장치의 온도 제어를 위한 냉각 또는 가열 매개물의 순환을 허용한다. 분리 모듈(232)은 외부 압력 챔버(238)를 포함한다. 제1헤드(228)는 입구(218)를 포함하고, 분리 모듈(232)은 다이(240)를 포함하는 것을 알게 될 것이다. 다이는 중앙 개구를 포함하고, 개구의 폭은 배럴(216)과 분리 모듈(232) 안에서 원하는 배압을 생성하도록 선택된다. 또한, 배럴(216)과 분리 모듈(232) 안의 압력은 스크류(250, 252)와 배럴(216) 사이의 결합과 모터(226)의 회전 속도, 결과적으로, 스크류(250, 252)의 회전 속도에 의해 제어될 수 있다. 또한, 헤드들(228, 230) 각각은 내부 슬리브(242, 244)를 포함하고, 내부 슬리브는 조합되어 배럴 안에 테이퍼진 연속적인, 스크류 조립체 수용 개구(248)를 정의한다. 개구(248)는 스크류 조립체(222)를 수용하기 위해 개략적인 "8자 모양”을 가진다. 도시된 바와 같이, 개구(248)는 헤드(228)의 후단에서 가장 넓고 배럴(216)의 출구(220)에 있는 장치의 끝으로 점차적이고 균일하게 테이퍼진다.

스크류 조립체(222)는 도 4a에서 가장 잘 도시된 바와 같이 나란히 배치된 긴 제1, 2 스크류(250, 252)를 포함한다. 일정한 단면의 테이퍼지지 않은 배럴(미도시)이 이용된다면, 도 4b에 도시된 한 쌍의 직선 원통형 스크류가 스크류(250, 252)로서 사용될 수 있다. 스크류(250, 252) 각각은 외측으로 연장되는 헬리컬 블레이드(258, 260)뿐만 아니라 긴 중앙 축(254, 256)을 포함한다. 도 2a와 도 3a에 도시된 테이퍼진 스크류들에서, 축(254, 256) 각각은 대응하는 축(254, 256)의 후단에 근접한 포인트(262, 264)로부터 축의 전방 끝단들에 인접하는 전방 포인트(266, 268)로 제1테이퍼 각도를 통해 점차적이고 균일하게 테이퍼지는 외부면을 가진다. 이 테이퍼 각도는 일반적으로 약 0.5 내지 5도이고, 더 바람직하게는 약 1 내지 2.2도이다. 도시된 실시예는 1.3424도의 테이퍼 각도를 가진다.

블레이드(258, 260)는 (도시된 실시예에서 이중 블레이드가 이용되었지만 단일 또는 다중 블레이드가 이용될 수 있다) 반드시 포인트(262, 266)과 포인트(264, 268) 사이 축(252, 254)의 전체길이로 연장된다. 따라서, 블레이드(258, 260)는 포인트(262, 264)에 인접하는 후단에서부터 전방 포인트(266, 268)로 연속적으로 전진한다. 또한, 블레이드는 스크류(250, 252) 각각에 외부면(270, 272)을 제공한다. 블레이드(258, 260)는, 블레이드가 스크류(250, 252)의 후단에서 전단으로 전진함에 따라 블레이드 깊이는 점차적이고 균일하게 감소하도록 기하학적 형상을 가진다. 결과적으로, 블레이드(258, 260)의 외부면(270, 272) 또한 뒤쪽에서 앞쪽으로 점차적이고 균일하게 테이퍼진다. 외부 블레이드 면들과 블레이드 깊이의 제2테이퍼 각도는 2 내지 6도일 수 있고, 도시된 실시예에서는 3.304도이다.

마지막으로 블레이드(258, 260)는, 블레이드 외부면(270, 272)의 폭이 스크류의 후단에서 전단으로 점차적이고 균일하게 증가하도록 설계된다. 이러한 구성은 도 3a 및 도 4a에서 가장 잘 도시되는데, 폭이 스크류(250, 252)의 후단에서 상대적으로 작지만 스크류의 전단에서 더 넓은 폭으로 증가하고 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이, 폭은 스크류 전체길이를 따라 일정할 수도 있거나, 후단에서 전단으로 갈수로 좁아질 수 있다. 이에 따라, 각 스크류의 후방 또는 출력단의 폭에 대한 각 스크류의 전방 또는 입력단의 폭의 비는 0.5 내지 5일 수도 있다.

스크류(250, 252)는 바람직하게는 그 각각의 중심축이 서로에 대한 집광각에 위치하도록 지향성을 가져서, 끼인각은 중심축에 의해 정의된다. 이 끼인각은 1 내지 8도일 수도 있다. 도시된 실시예에서 끼인각은 2.3240도이다 스크류(250, 252)가 배럴 개구(248) 안에서 설명한 바와 같은 지향성을 가지는 경우, 각각의 스크류(250, 252)의 블레이드(258, 260)가 개재된다. 즉, 블레이드 각각은 대응하는 스크류들의 전단과 후단 사이에 가상의 원추대를 정의하고, 블레이드(258, 260)는 인접하는 스크류의 가상 원추대 안에서 연장된다. 도시된 바와 같이, 적절한 제1, 2 테이퍼 각도와 중심축(274, 276) 사이의 끼인각을 선택함으로써, 블레이드는 스크류 조립체(222)의 길이를 따라 복수 개의 닫힌 틈새 닙 구역(close-clearance nip zone)(278)을 제공한다. 이러한 닙 영역들은 블레이드(258, 260) 사이에 틈새를 제공하는데, 틈새는 스크류 조립체(222)의 길이를 따라 바람직하고 실질적으로 일정하다. 보다 일반적으로, 필요한 경우, 이러한 닙 틈새들은 조립체(222)의 길이를 따라 증가하거나 감소할 수 있다. 닙 영역들(278)에 더하여, 조립체(222)는 스크류(250, 252) 사이에 물질 역류 통로들(280)와 혼련 구역들(282)을 또한 제공하게 될 것이라는 것을 알게 될 것이다.

작동 시, 분리될 혼합물은 압출기 장치(214)로 유입되어 통과된다. 스크류 조립체(222)는 보통 20 내지 1200 rpm의 속도로 스크류(250, 252)를 동시에 회전시키도록 회전된다. 압출기 내부의 압력들은 출구 다이에 인접한 곳에서 보통 최대이고, 보통 300 내지 20000 psig이고, 더 바람직하게는 1000 내지 10000 psig이다. 압출기 내부의 최대 온도들은 일반적으로 약 40 내지 500℃다.

압출 조건들은, 압출기 배럴에서 나오는 생산물이 압출기 내부로 공급되는 생산물보다 더 높은 고체 함량을 보통 가지도록 장치(214) 내부에서 생성된다. 본 개시물의 분리 장치로 목질섬유소 바이오매스(lignocellulosic biomass)로부터 바이오연료를 생성할 때 이루어지는 바람직한 고체 함량은 50%를 초과한다.

압출 가능한 혼합물이 배럴(216)을 통과하는 동안, 스크류 조립체(222)는 혼합물에 작용하여 분리를 위해 원하는 압력을 말단 다이(240)와 함께 생성한다. 위에서 설명한 바와 같은 스크류(250, 252)의 특정한 구성은 기존의 스크류 프레스들로 지금까지 발견되지 않은 분리 조건들을 생성한다. 즉, 혼합물이 동시에 회전하는 스크류(250, 252)의 길이를 따라 전진하면서 교호적인 상부 및 하부 닫힌 틈새 닙 영역들(278)과 지속적으로 만나고, 닙 영역들은 물질을 앞으로 밀거나 "펌핑"하는 상대적으로 높은 국부 압력들을 생성하며; 동시에, 생산물은 스크류들의 회전에 따라 구역들(282) 안에서 교반되고 통로들(280)을 통해 물질의 역류가 허용된다. 결과적으로, 강한 혼합/전단 및 가열 작용이 배럴(216) 내부에서 이루어진다. 나아가, 본 발명의 장비를 이용하여; 스크류 조립체(222)의 회전 속도를 단순히 변경함으로써, 필요에 따라, 배럴 내부의 온도 조건들을 변경함으로써, 즉, 장치의 작동 특성을 단지 변경함으로써 매우 다양한 고체 액체 혼합물들이 분리될 수도 있다는 것이 발견되었다. 이 정도의 유연성 및 융통성은 여과 기술에서 선례가 없었다.

발명에 따른 막이 없는 고체/유체 분리기 모듈(100)의 일 실시예가 도 5 및 도 5a에 도시되는데, 이 모듈은 매우 높은 내부 압력들(5000 psig에 이르는)을 견딜 수 있다. 이 고체/유체 분리기 모듈은 도 1에 도시된 공정 및 장치와 함께 이용될 수 있고, 처리되는 바이오매스/고형물의 종류에 의해 요구되는 다양한 필터판 구성들과 판 두께들에 의해 투과율/공극률(여과 능력)을 제어할 수 있다.

도 1a에 도시된 바와 같은 분리 모듈(214)의 예시적 실시예가 고체/유체 분리 모듈(100)로서 도 5에 더 상세하게 도시된다. 이는 도 1a의 고/액 분리 장치의 일부로서 이용되고, 트윈 스크류 압출기 배럴(이하, 배럴(500))과 압출기 블록(520) 사이에 장착된다. 모듈(100)은 스크류 프레스에 의해 바람직하게는 100 psig를 초과하는 압력들로 압축된 고형물의 덩어리를 함유하는 액체로부터 유체들(액체 및/또는 기체)을 분리한다. 분리 모듈(100)은 수집 챔버(200)와 5% 내지 40%의 공극률(전체 필터 면적에 대한 전체 기공 면적)을 가진 필터 유닛(300)을 포함한다. 바람직하게는, 모듈(100)은 5 내지 40%, 더 바람직하게는, 11 내지 40%의 필터 공극률에서 5000 psig에 이르는 작동 압력들을 견딘다. 바람직하게는 필터 유닛(300)은 0.00005 내지 0.005제곱 인치의 기공 크기를 가진 복수 개의 필터 기공들을 포함한다.

바람직한 실시예에서, 필터 유닛(300)은 미세한 고형물의 분리를 위한 0.00005제곱 인치의 기공 크기, 5.7%의 공극률, 및 2500 psig의 압력 저항을 가진 필터 기공들을 포함한다. 다른 실시예에서, 필터 유닛(300)은 0.005제곱 인치의 기공 크기, 20%의 공극률, 및 5000 psig의 압력 저항을 가진 필터 기공들을 포함한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 필터 유닛(300)은 0.00005제곱 인치의 기공 크기 및 11.4%의 공극률을 가진 필터 기공들을 포함한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 필터 유닛(300)은 0.005제곱 인치의 기공 크기 및 40%의 공극률을 가진 필터 기공들을 포함한다.

분리 모듈(100)의 기본적인 구성이 도 5 및 도 5a에 도시된다. 임의의 구성 요소의 최고 압력에 견딜 수 있는 수집 챔버(200)는 여과된 유체들을 기체들과 액체로 분리하는데 이용된다. 수집 챔버는 압력 자켓이나 하우징(220) 및 흡입 및 출력 단부판 (230, 240)에 의해 정의된다. 액체는 바람직하게는 압력 자켓(220) 상의 최저점에 위치하는 액체 드레인(221)을 통해 수집 챔버(200)로부터 배출될 수 있다. 압력 자켓(220)은, 수집 챔버(200) 내부의 필터와 지지판들의 정렬을 위해 자켓 내부에서 자켓의 길이 축에 평행하게 연장되는 복수 개의 정렬 융기부들(223)을 더 포함한다. 수집 챔버(200)에 쌓인 기체는, 바람직하게는 압력 자켓(220) 상의 최고점에 위치하는 기체 드레인(222)을 통해 챔버로부터 배기될 수 있다. 고압 수집 챔버(200)는 압력 자켓(220)의 축 끝단과 단부판(230, 240) 사이에 위치하는 원형 실들(250)을 통해 실링된다. 이러한 고압/고온 성능은, 50 내지 250℃의 공정 작동 온도들에서 일반적으로 기체 상태인 암모니아, CO ₂ , 및 물과 같은 유체들에 의한 바이오매스의 세척을 감안한다. 분리 모듈은, 단부판(230, 240)을 함께 당기고 압력 자켓(220)과 그 사이의 원형 실들(250)을 클램핑하기 위해 압력 자켓(220) 외측에 위치한 조립 볼트들(225)에 의해 조여진다. 또한, 필터 유닛(300) 안의 필터 팩(321, 322)을 함께 클램핑하기 위해 필터 유닛 클램핑 볼트들(129)(도 2 참조)을 이용할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 필터 유닛 클램핑 볼트들은 단부판(230, 240)들을 통해 연장되고 분리 모듈(100)의 추가적인 클램핑을 제공한다. 또한, 필터 유닛 클램핑 볼트들(129)은 압출기 블록(520)을 분리 모듈에 조이기 위해 압출기 블록을 통해 연장될 수 있다. 그러나, 수집 챔버(200) 안에서의 압력을 유지하기 위해 신뢰성 있게 실링될 필요가 있는, 분리 모듈(100)의 관통점들의 수를 최소화하기 위해서는, 필터 유닛 클램핑 볼트들(129)을 생략하고 압력 자켓 외측에 위치한 볼트들(225)과 같은 구조체들을 조임으로써 분리 유닛의 부품들을 모두 클램핑한다. 사용되는 압력들에 따라, 일부 기체들은 수집 챔버(200) 안에서 바로 분리될 수 있거나, 일부 환경들(도 1에 도시된 바와 같이)에서는 별도의 플래시 용기(flash vessel)가 공정의 전체 효율을 최적화하기 위해 이용될 수 있다.

필터 유닛(300)은 발명의 기본 필터 팩(321, 322)의 스택(stack)으로부터 조립된 판 블록들(320)을 포함하고, 도 4 내지 도 12를 참조하여 아래에서 더 상세하게 설명되는 지지판(160, 180)에 대해 안착된 필터 판(120)과 결합된다. 도시된 실시예에서, 우측 필터 팩들(321)은 필터 판(120)과 우측 지지판(160)을 포함하고, 좌측 필터 팩들(322)은 필터 판(120)과 좌측 지지판(180)을 포함한다. 그러나, 좌측 및 우측 구성 요소들을 요구하지 않는 완전히 대칭적인 실시예들 또한 가능하다.

일 측면에서, 분리 모듈은 가압된 덩어리(미도시)를 밀폐시켜 수용하기 위한 필터 유닛(300)과 가압 가능한 수집 챔버(200)를 포함한다. 필터 유닛(300)은 미리 선택된 필터 기공 크기와 미리 선택된 공극률을 가진다. 필터 유닛(300)은 대항하는 전후면(121, 123)을 가지는 적어도 하나의 필터 판(120), 필터 판(120)의 전면(121)과 접하는 커버 판(230), 및 필터 판(120)의 후면(123)과 접하는 지지판(160, 180)을 포함한다. 필터 판(120), 커버 판(230), 및 지지판(160, 180)은 가압된 덩어리(미도시)를 수용하기 위한 수집 챔버(200)로부터 실링된 관통 코어 개구(128)를 정의한다. 필터 판(120)은 코어 개구(128)로부터 필터 판으로 연장되는 적어도 하나의 관통 필터 슬롯(132)을 가지고, 미리 선택된 필터 기공 크기를 가진 필터 통로를 형성하기 위해 필터 슬롯(132)은 전후면(121, 123)에서 커버 판(230)과 지지판(160, 180)에 의해 실링된다. 지지판(160, 180)은 수집 챔버(200) 및 필터 슬롯(132)과 유체 연통되는 배수 통로를 후면(123)과 함께 정의하기 위한 홈(164)을 가진다 (도 11과 도 12 참조). 증가된 공극률을 위해, 필터 판(120)은 복수 개의 별도의 필터 슬롯(132)을 바람직하게는 포함하고, 배수 통로(164)는 모든 필터 슬롯(132)과 유체 연통한다. 필터 유닛의 공극률을 더 증가시키기 위해, 필터 유닛은 바람직하게는 커버 판(230) 뒤에 배치된 복수 쌍의 필터 판(120)과 지지판(160, 180)을 스택 안에 교호적으로 포함하며, 이에 의해 두 개의 필터 판(120) 사이에 삽입된 각각의 지지판(160, 180)이 하나의 필터 판을 위한 지지판으로 기능하면서 다른 필터 판을 위한 커버 판으로 기능한다. 필터 판(120)과 지지판(160, 180)을 교호적으로 배치함으로써 필터 유닛(300)의 분리 압력 용량이 증가한다. 필터 판들(120)보다 두꺼운 지지판(160, 180)을 이용함으로써 필터 유닛(300)의 압력 용량이 더 향상될 수 있다.

도 5의 실시예에서, 분리 모듈(100)은 스크류 프레스의 배럴(500)에 장착되고, 코어 개구(128)는 프레스 스크류(미도시)의 일부를 딱 맞게 수용하는 크기를 가진다. 스크류 프레스의 프레스 스크류는 일반적으로 필터 블록(300)의 코어 개구(128)에 매우 근접한 공차들을 가지고, 압축된 물질을 필터 면으로부터 지속적으로 긁어내는 동시에 상당한 분리 압력들을 생성한다. 작은 양의 섬유들이 필터의 면 상에 잡힌 경우, 압출기 스크류들에 의해 더 작은 조각들로 전단될 것이고, 최종적으로 필터를 통과해서 액체 흐름과 함께 매우 미세한 입자들로서 배출될 것이다. 이는 고압 고온 환경에서 물질의 고체와 액체 부분들의 분리를 감안하는 고체/유체 분리 장치를 제공한다.

압출기 스크류가 필터 기공들(134)을 접선 방향으로 강타함으로써, 분리 장치는 덜 막히게 된다. 발명에 따른 분리 모듈(100)의 증가된 공극률과 압력 저항 때문에, 건조부 배출물에 있어서 건조물 함량이 90%에 이를 수 있고, 동시에 액체부는 상대적으로 깨끗해지며, 작은 기공 크기 때문에 부유 고형물이 1%로 낮아진다. 발명에 따른 고체/유체 분리 모듈은 물질의 고체/유체부 분리를 위해 다양하게 적용될 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다.

연속적인 예비 검사에서, 40g의 고형물과 60g의 물을 함유하는 바이오매스 100g 단위들을 40g의 물로 세척한 다음, 100℃에서 600 psig 내부압력을 이용하여 필터를 통해 액체를 짜내, 39g의 부유 고형물과 5g의 물을 함유하는 건조 바이오매스 배출물(액체/고체 바이오매스의 고형물부)을 얻었다. 95g의 물을 함유하는 여과액은 상대적으로 깨끗했고, 5미크론의 평균 입자크기와 도 13의 입자 분포를 가지는 1g의 부유 고형물만을 함유했다.

나아가, 본 발명의 고체/유체 분리 장치는 막힘이 덜 발생하기 때문에, 기존의 분리 장치와 같은 주기적인 유지보수가 덜 필요하다. 따라서, 고체/유체 분리 장치를 공정에 이용할 때 정지 시간과 유지보수를 줄일 수 있어 생산 용량을 증가시키고 가격을 낮춘다.

도 6은 제1지지 탭(124)과 제2지지 탭(126)에 부착된 원형 중간 섹션(122)을 가진 미세한 필터 판(120)을 도시한다. 원형 중간 섹션(122)은 트윈 스크류 프레스의 프레스 스크류들을 꼭 맞게 수용하기 위한 8자 모양 코어 개구(128)를 가진다. 필터 판(120)은 전면(121)과 후면(123)을 가진다. 미세한 핑거부들(130)과 중간 필터 슬롯들(132)이 코어 개구(128)를 둘러싼다. 고체/유체 분리 효율을 최대화하기 위해, 필터 기공 크기를 최소화하고 필터를 최대화하는 것이 바람직하다. 원통형 통로들을 필터 자켓 안으로 절단해야 하기 때문에 기공 크기를 최소화하는 것은 기존 스크류 프레스의 과제다. 발명에 따른 필터 유닛은 이 문제에 대처하는데, 얇은 필터 판(120) 안으로 단순히 슬롯(132)을 절단함으로써 필터 기공들은 형성한다. 필터 슬롯(132)은 판(120)의 전체 두께로 절단되기 때문에 여기서 관통 슬롯으로 언급된다. 도 6 및 도 6a에 도시된 바와 같이 매우 얇은 필터 판들(120)과 매우 미세한 슬롯들(132)을 이용함으로써, 발명에 따라 필터 판들(120)에 매우 작은 필터 기공들을 형성할 수 있다. 예를 들어, 0.005인치 두께의 필터 판을 이용하고 0.01인치 폭의 슬롯을 필터 판 안으로 절단함으로써, 0.00005제곱 인치의 기공 크기를 형성할 수 있다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 매우 미세한 슬롯들(132)과 미세한 중간 핑거부들(130)은, 코어 개구(128)로부터 필터 판(120) 안으로 연장되고 중간 섹션(122)의 외측부로 향하는 필터 슬롯들을 제공하도록 성형되고 위치한다. 바람직하게는, 필터 슬롯들(132)의 모든 끝단들은, 원형 중간 섹션(122)의 외측 모서리에서 내측으로 이격되고 중심이 같은 원 상에 위치한다. 미세한 배수 채널들을 통한 액체 흐름을 향상시키기 위해, 채널들은 코어 개구(128) 안으로 그 내부 끝단(134)에서 더 좁고, 바깥으로 그 외부 끝단(136)에서 더 넓다.

도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 필터 판(120)은 지지판에 맞서서 위치한다. 이를 더 상세하게 살펴보면, 다음과 같다. 도시된 실시예에서, 도 7에 도시된 좌측 지지판들(160)과 도 10에 도시된 우측 지지판들(180)의 두 종류의 지지판들이 있다. 좌우측 지지판들(160, 180)은 동일한 주요 구성을 가지고 원형 중앙부(162, 182)를 포함하며 원형 중앙부(162, 182)에서 연장되는 마운팅 탭들(190, 192)과 코어 개구(128)와 함께 제공된다. 좌우측 지지판들의 유일한 차이는 코어 개구(128)와 관련된 마운팅 탭들(190, 192)의 지향성인데, 우측 지지판(160)의 탭들은 코어 개구(128)의 가로축에 대해 오른쪽으로 45도에서 연장되고, 좌측 지지판(180)의 탭들은 왼쪽으로 45도에서 연장된다. 이에, 좌우측 지지판들은 판들의 지지 패턴을 90도 회전시키는데 이용되고, 특정한 바이오매스가 현재 단계에서 액체/기체 분리를 요구한다면 액체가 수집 챔버의 바닥으로 배출되고 기체들이 수집 챔버의 상단으로 유동되기 위한 수단을 제공하는데 이용된다. 중간 필터 판들이 있는 연속적인 우측 지지판들(또는 좌측 지지판들)의 개수는 보통 적어도 0.25” 두께와 같지만 판들의 전체 수에 따라 1” 두께와 같을 수 있다.

필터 판 마운팅 탭들(124, 126)과 지지판 마운팅 탭들(190, 192)은 모두, 압력 자켓(220)의 내벽에 장착된 정렬 융기부들(223)의 쌍들 사이에 꼭 맞게 수용되도록 성형된다. 각 종류의 지지판은 도 7 내지 도 9 및 도 10에서 명백한 바와 같이 중앙부(162, 182) 상에 절삭된 외곽 홈(164)을 가지고, 좌측 지지판(180)의 단면들은 도 8 및 도 9에 도시된 우측 지지판(180)의 단면들과 동일하다. 필터 판(120)과 지지판(160, 180)이 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 코어 개구(128)가 정렬된 채로 등을 맞대고 위치할 때, 외곽 홈(164)은 필터 판(120)의 필터 슬롯들(132)의 외측 끝단들(136)에 대응되도록 위치한다 (도 4 내지 도 6 참조).

도 11 및 도 12는 발명에 따른 가장 기본적인 필터 팩을 도시하는데, 지지판(160)은 필터 판(120)의 후면(123)과 접한다. 코어 개구(128)를 통해 공급된 가압된 덩어리(미도시) 안에 혼입된 유체들(액체 및/또는 기체)은 분리 압력에 의해 필터 슬롯들(132) 안으로 강제적으로 흐른다(화살표 참조). 유체는 필터 슬롯의 끝단(136)에서 지지판(160)의 외곽 홈(164)으로 흐르도록 방향이 바뀌고 외곽 홈(164)에서 수집 챔버로 나간다 (도 11, 도 12, 및 도 3 참조). 이와 같이, 미세한 필터 판(120)은 8자 모양의 코어 개구(128)를 통해 흐르는 바이오매스의 흐름의 가로 방향으로 필터 슬롯들(132)을 통과하는 액체와 매우 작은 입자들을 여과할 수 있다.

반대로, 도 6b에 도시된 것과 같은, 더 큰 입자들/셀룰로오스 바이오매스 섬유들을 위해 적합한 더 큰 기공 판 구성에 있어서, 공극률에 대한 제한 요소는 필터 판의 판 두께다. 셀룰로오스 바이오매스와 관련하여, 이러한 더 성긴 필터 판 구성은 우수한 고-액 분리를 제공하는 동시에, 도 6의 미세한 필터 판과 동일한 내부 압력으로 동일한 액체 분리를 이룰 수 있도록 요구되는 표면적과 판들의 개수를 최소화한다는 것을 발견했다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 더 큰 기공의 성긴 필터 판(140)은 제1, 2지지 탭들(144, 146)에 부착된 원형 중간 필터 섹션(142)을 가진다. 원형 중간 필터 섹션(142)은 필터 판(140)에서 절개된 필터 슬롯들(132) 사이의 복수 개의 더 큰 핑거부(130)에 의해 정의된 8자 모양 코어 개구(128)를 가진다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 더 큰 핑거부(130)는 성긴 배수 채널들(132) 사이에 위치한다.

성긴 필터 판(140)은 도 7에 도시된 좌측 지지판(160)과 같이, 도 11 및 도 12에 도시된 필터 팩을 이루기 위해 지지판에 맞서서 위치 가능하다.

전반적으로, 더 높은 압력 성능에 대해, 고형물로부터 더 많은 액체를 짜낼 수 있거나, 동일한 물질 건조도에 대해 단위 여과 영역 당 더 높은 생산율을 얻을 수 있다. 여과 품질(고형물 포집)은 판 구성들과 두께들에 따라 제어될 수 있다. 여과/압력 등급/자본비는 특정한 바이오매스의 여과 요구사항에 따라 최적화될 수 있다. 판 구성들은 고압, 높은 처리량, 및 연속적인 분리를 위해 압출기(단일, 트윈, 또는 트리플 스크류) 안에 장착될 수 있다. 고체/유체 분리 모듈은 스크류들과 축을 가로지르는 흐름 패턴의 와이핑(wiping) 성질로 인해 자가 청소가 가능하다(트윈과 트리플 스크류에 대해). 판으로 된 팩의 길이는 특정한 요구사항에 대해 쉽게 맞출 수 있기 때문에 여과 면적은 공정 요구사항에 따라 유동적이다. 모듈은 자본비와 에너지 요구사항을 줄이는 하나의 기계의 단일 또는 다중 단계에서 병류 또는 역류 구성으로 고형물을 세척하는데 이용될 수 있다. 필요한 경우, 액체 여과액의 압력은 진동 조건들로부터 필터 블록 내부 압력(2000 내지 3000 psig)보다 훨씬 높게 제어될 수 있다. 이것은 액체 스트림에서의 추가적인 분리를 위한 우수한 공정 유연성을 제공한다(예를 들어, 고압의 초임계 CO ₂ , 고압 세척에 사용되는 암모니아 액체, 또는 진공을 이용하는 액체 여과액 챔버에서의 암모니아 기체들과 VOC의 방출). 중지 시간을 최소화하는 필터를 뚫거나 스케일링 시, 작동 중 필터를 역류 세척하기 위해 고 배압 성능(내부 필터 블록 압력보다 높은)이 이용될 수 있다.

미세 필터 공극률

미세 기공들의 크기는 미세 판의 두께 x 코어 개구에서의 슬롯의 폭이다. 도 6의 필터 판에서, 기공 크기는 0.005”(판의 두께) x 0.010”(개구에서의 슬롯의 폭) = 기공 당 0.00005제곱 인치다. 판 당 0.0072 제곱 인치의 개방 면적을 가진 전체 기공 면적에 대해 판 당 144개의 기공들이 있다.

작은 1인치 지름 트윈 스크류 압출기를 이용하는 실험 구성에서, 한 개의 0.020 두께 지지판을 가진 이러한 핑거 판 쌍은 0.1256제곱 인치의 전체 여과 영역을 제공했다. 따라서, 이러한 한 세트의 실험 판들(필터 팩)의 전체 개방 면적은 0.0072/0.1256 = 5.7%로 계산되었다. 이 공극률에서, 실험 판 쌍(0.020”두께 지지판들)은 2500 psig의 분리 압력을 견딜 수 있었다. 전체 40개의 필터 판들에 포함된 1” 두께의 한 개의 실험 판 팩 x 0.0072제곱 인치 = 0.288제곱 인치의 개방 면적. 이것은 0.5” 지름을 초과하는 파이프와 동일한데, 이 모두는 사용된 작은 1” 지름 압출기에서 압출기 길이의 1인치 거리 안에서 가능하다.

성긴 필터 공극률

도 6b에 도시된 바와 같이 실험에 사용된 성긴 필터 판에서, 여과 성능 및 액체 흐름 경로와 관련하여, 필터 슬롯들의 폭은 필터 판의 두께와 기본적으로 동일했고 일련의 축방향 홈이 제공되었다. 한 세트의 판의 전체 개방 면적(성긴 필터 판 + 지지판)은, 이 경우 판 두께의 비 = 0.005/0.025 = 20% 또는 미세 필터 판 시스템의 개방 면적의 약 4배이다. 전체 40개의 핑거 판들에서, 1”두께 판 팩의 성긴 판들을 이용한 결과, 판 당 40 x 0.0209제곱 인치의 개방 면적은 0.837제곱 인치의 개방 면적이었다. 이것은 1”지름 파이프보다 큰 것인데, 이 모두는 사용된 작은 1” 지름 압출기에서 압출기 길이의 1인치 거리 안에서 가능하다.

두 종류의 판들에 대한 공극률은 지지판들의 두께를 감소시키고 필터 판을 동일한 두께로 유지함으로써 현저하게 증가될 수 있다. 지지판 두께를 50% 감소시킴으로써 필터 유닛의 공극률은 두 배로 증가한다. 한편, 지지판 두께가 감소할 때마다 필터 유닛의 강도는 감소할 것이지만, 지지판들의 전체 지름을 증가시키고, 액체 흐름 경로를 약간 길게 하면서 개방 면적은 동일하게 유지함으로써 보상될 수 있다.

필터 모듈을 제조하기 위한 필터 판들(120)의 사용은 낮은 가격의 생산 방법들이 사용될 수 있기 때문에 낮은 가격의 필터 생산을 감안한다. 판들은 레이저 컷팅될 수 있거나, 더 성긴 판의 여과를 위해서 스탬핑될 수 있다. 바이오매스 전처리를 위한 전체 설비 가격 또한 단일 기계에서 다중 공정 단계들을 수행하는 성능 때문에 더 낮다. 고체/유체 분리 모듈은 세 가지 상 분리를 동시에 수용할 수 있다.

필터 유닛을 제조하는 데 이용되는 재료의 종류는 다른 공정 조건들에 적합화할 수 있다. 예를 들어, 낮은 pH/부식성 조건에서, 티타늄 합금, 고니켈 합금, 및 몰리브덴 합금과 같은 물질들이 이용될 수 있다.

구체적으로, 발명자들은 물질의 고체와 액체부들을 분리하면서 기존의 고체/유체 분리 장치보다 덜 막히는 고체/유체 분리 장치를 개발했다. 고체/유체 분리 장치는 물질의 고체/유체부들을 분리하기 위해 다양하게 응용될 수 있다는 것이 고려된다. 나아가, 본 발명의 고체/유체 분리 장치는 막힘이 덜 발생하기 때문에, 기존의 장치와 같은 주기적인 역세(back washing)를 포함하는 유지보수가 덜 필요하다. 따라서, 고체/유체 분리 장치를 공정에 이용할 때 정지 시간과 유지보수를 줄일 수 있어 생산 용량을 증가시키고 가격을 낮춘다.

설명한 고체/유체 분리 장치 안에서 내부적으로 물질을 이송하는 스크류 요소들은 바람직하게는 필터 블록의 내면에 매우 근접한 공차들을 가지고 필터 면으로부터 물질을 지속적으로 긁어낸다. 작은 양의 섬유들이 필터의 면 상에 잡힌 경우, 촘촘히 이격된 압출기 요소들에 의해 더 작은 조각들로 전단될 것이고, 최종적으로 필터를 통과해서 액체 흐름과 함께 배출될 것이다.

판 쌍들(핑거 판과 지지판)의 총 개수는 바이오매스에 따라 다양할 수 있고, 전체 여과 면적을 제어한다. 동일한 액체 분리 조건들에 대해서, 더 작은 기공들을 위해서 더 많은 판들/더 많은 표면적이 요구된다. 기공들의 크기는 액체부로 가는 고형물의 양을 제어한다. 각각의 바이오매스는 일정한 기공 크기에 대해 일정한 고형물 포집(액체 여과액의 부유 고형물 양)이 얻어질 필요가 있다.

다음의 예들은 발명의 향상된 트윈 스크류 압출기 분리 장치를 이용하여 다른 종류들의 고체/액체 혼합물과 슬러리들 등을 분리하기 위한 일련의 분리 작업들을 제시한다. 그러나, 이러한 예들은 예시를 통해 제공되고 그 안의 어떤 것도 발명의 전체 범위를 한정하는 것으로 간주해서는 안 된다는 것이 이해될 것이다.

예 I

바이오연료 공정

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 단순한 연속적인 셀룰로오스 에탄올 전처리 시스템(2)은 세 개의 기계로만 구성된다. 제1압출기(4)는 바이오매스를 위한 연속적인 고압 플러그 공급기(plug feeder)/혼합기로서 이용된다. 압출기(4)는 수직 반응기(6) 안으로 바이오매스를 공급한다. 수직 반응기(6)는 긴 체류 시간을 가질 수 있다. 수직 반응기(6)는 제2압출기(8), 바람직하게는 트윈 스크류 압출기 안으로 바이오매스를 공급한다. 전처리 공정은 제1압출기(4), 수직 반응기(6), 및 제2압출기(8)를 통한 바이오매스의 흐름을 포함한다.

트윈 스크류 압출기일 수도 있는 압출기(4)는 가압된 수직 반응기(6) 내부로의 연속적인 공급을 수행하는데 이용된다. 공급 원료의 종류에 따라 압출기(4)에서 다양한 화학물의 혼합이 가능하다. 압출기(4)는 자동 밸브를 가지고 있고, 자동 밸브는 공급 손실 발생 시 닫혀서 공급 원료가 손실될 경우 압력 손실을 막는다.

수직 반응기(6)는 바이오매스에 따라 350 psig에 이르는 압력들과 425˚F(220℃)에 이르는 온도들에서 다양한 화학물을 가지고 작동할 수 있다. 수직 반응기(6)에서의 체류 시간은 바이오매스에 따라 수 분에서 수 시간까지 다양할 수 있다.

부분적으로 처리된 바이오매스는 수직 반응기(6)로부터 가압 공급 구역(10)에서 제2압출기(8) 안으로 배출된다. 제2압출기(8)에서, 대부분의 고체 바이오매스는 출력단(도1의 우측)으로 이동하고, 그 작은 일부가 뒤로 전달되어 드라이브 축들 상에 압력 실을 형성한다. 제2압출기(8)에서, 다양한 바이오매스들에 의해 요구되는, 제1반응기에서보다 더 높은 압력들이 생성되고, 바이오매스에 따라 두 개 또는 세 개 이상의 분리 공정들에 의해 전처리 공정이 완료된다.

바이오매스가 압출기 끝단의 가장 깨끗한 액체로 세척되도록 세척액(물, 암모니아 등)은 고형물 바이오매스의 흐름과 반대로 또는 평행하게 이동한다(도1에서는 좌측으로). 기체들 또는 이산화탄소와 같은 초임계 유체들은, 처리된 바이오매스에 따라 요구되는 폭발력을 향상시키기 위해 출력단에서 분사될 수 있다. 출력단에서, 다양한 압출기 스크류들, 및/또는 또 다른 반응 용기, 및/또는 제어 밸브, 및/또는 회전 오리피스는 상이한 압력들 및 건조물 함량에서 상이한 종류들의 바이오매스에 의해 요구되는 폭발력과 동적 실(seal)을 생성하는데 사용될 수 있다. 출력부에서 이러한 장치들 중 하나로부터 바이오매스의 폭발 팽창 시, 사이클론 또는 다른 분리 장치가 이용되어 분출되는 임의의 기체들과 고형물을 모은다.

제2압출기(8)에 진입 시, 대부분의 바이오매스는 앞으로 전달되고 작은 양이 뒤로 전달되어 수직 반응기(6)로부터의 유출을 막는 동적 압력 실을 생성한다. 도 1에 도시된 바와 같이 바이오매스가 공정 단계 1에 진입하고, 제1고체/유체 분리 장치(12)를 이용하는 고압 고온 초기 역류 여과 구역에 보내지는데, 이는 도 2 내지 도 13을 참조하여 아래에서 더욱 상세하게 설명된다. 이때, 일부 바이오매스는 추출물들과 헤미셀룰로오스 시럽의 압착만을 요구하고 세척수는 요구하지 않을 수도 있다. 고체/유체 분리 장치에서, 액체 헤미셀룰로오스 시럽 및/또는 추출물들은 다양한 스크류 요소들의 사용에 의해 덩어리 두께가 제어되면서 제거된다. 투과율, 기공 크기, 여과 면적, 및 압력 등급은 처리되는 바이오매스 종류에 따라 상이한 필터 판 설계들을 이용함으로써 제어된다. 액체 압력 및 플래싱(flashing)은 압력이 제어된 플래시 탱크(16)의 사용에 의해 제어된다.

제1고체/유체 분리 장치(12)를 나오면서, 바이오매스는 다양한 스크류 요소들에 의한 압축/전달을 통한 압력과 전방 영역으로부터 스팀/고압수에 의해 전방으로 전달되고(도 1의 우측으로) 가열된다. 도 1에 도시된 공정 단계 2에서, 바이오매스는 전처리를 향상시키기 위해 다양한 바이오매스들을 위한 가변 전단 에너지로 고압 혼합/혼련된다. 덩어리 두께가 제어되면서 다양한 스크류 요소들의 사용에 의해 액체 헤미셀룰로오스의 고압 고온 최종 역류 여과가 발생한다(부분 헤미셀룰로오스 시럽 및 추출물들을 압착만 할 수 있고 일부 종류들의 바이오매스에 의해 요구되는 역류 세척은 하지 않을 수 있다). 투과율, 기공 크기, 여과 면적, 및 압력 등급은 처리되는 바이오매스 종류에 따라 제2고체/유체 분리 장치(14)에서 적절한 디자인의 필터 판들을 선택함으로써 제어된다. 액체 압력 및 플래싱(flashing)은 압력이 제어된 플래시 탱크(16)의 사용에 의해 제어된다.

공정 단계 3에서, 바이오매스는 다양한 상이한 압출기 스크류 요소들에 의한 압축/전달을 통해서 가열 가압된다. 전단 에너지가 바이오매스에 전해져, 다양한 바이오매스들의 전처리를 향상하기 위해 요구되는 효소 접근성을 향상시킨다. 전처리를 향상시키기 위해, 다양한 바이오매스들을 위한 가변 전단 에너지로 바이오매스의 고압 혼합/교반이 이용된다 다양한 스크류 요소들의 사용에 의해 덩어리 두께가 제어되면서 액체 헤미셀룰로오스 시럽의 역류 또는 병류 여과를 이용하여 고압 고온 중간 사이클(또는 바이오매스에 따라 최종 사이클)이 전해질 수 있다. 투과율, 기공 크기, 여과 면적, 및 압력 등급은 바이오매스 특성들에 맞도록 제3고체/유체 분리기(18)에서 적절한 필터 판들을 선택함으로써 제어된다. 액체 압력 및 플래싱(flashing)은 압력이 제어된 플래시 탱크(16)의 사용에 의해 제어된다.

도 1에 도시된 공정 단계 4에서, 바이오매스는 다양한 압출기 스크류 요소들에 의한 압축/전달을 통해서 가열 가압된다. 가변 전단 에너지를 이용한 바이오매스의 고압 혼합/혼련이 다양한 바이오매스들을 위해 선택 가능하다. 공정 단계 4에서, 바이오매스는 고압수 또는 최종 세척 단계를 위한 다른 유체들/용액들과 혼합된다. 다른 유체들은 고압 액체 CO ₂ 와 같은 상온에서 기체인 분자들을 포함할 수 있는데, 더 높은 온도나 고압 기체가 될 암모니아 때문에 압출기 안에서 초임계가 될 것이다.

다음으로, 고체 섬유성 바이오매스가 동적 실 대체물들 중 하나와 제2압출기(8)를 통해 시스템의 최고 압력에서 전달되고, 섬유들 안의 스팀, 암모니아, 또는 초임계 유체들과 같은 압축된 기체들의 제어된 폭발적 감압 하에서 트윈 스크류 압출기의 출구로부터 고체/기체 분리 장치(사이클론 등) 내부로 간다. 고압 액체 CO ₂ 가 이용되는 경우, 바이오매스에 의해 가열될 때 이 유체의 초임계 성질이 기체와 유사한 고체 섬유들의 내부에 퍼지고, 기체처럼 고형물 압력 프로파일에 대해 유체 상류의 부분적인 흐름을 야기한다. 섬유 내부의 이 초임계 유체는 동적 실을 통해 압출기를 나올 때, 대부분의 섬유들 내부에서부터 표준 기체보다 많은 횟수로 폭발력을 가해 고체 셀룰로오스 입자들을 바꾸고, 이에 효소 접근성을 증가시킨다. 또한, 트윈 스크류의 배출부에 있는 자동 제어 밸브는 공급 또는 동력 손실이 있는 경우 시스템이 다소 가압되는 것을 유지시키는데 이용된다.

시험을 위한 예시적 압출기 구성

예시적 압출기 구성이, 필터 모듈과 결합된 트윈 스크류 압출기를 포함하는 본 개시물에 따른 분리 장치의 동일한 주요 구성을 목질섬유소 바이오매스뿐만 아니라 다수의 다른 공급 원료들을 처리하는데 이용될 수 있다는 것을 확립하기 위해 이용되었다. 이 다른 공급 원료들은 목질섬유소 바이오매스와 매우 상이한 일관성들을 가지고 있고, 과거엔 매우 상이한 분리 장치들과 구성들을 이용하여 처리되었다. 이러한 다양한 공급 원료들을 위한 본 개시물에 따른 단일 예시적 트윈 스크류 압출기 장치의 성공적 이용은 본 개시물의 분리 장치 개념의 폭넓은 유용성을 예시한다. 예시적 압출기는 위에서 추가적으로 논의한 기본적인 트윈 스크류 압출기 구성을 가졌다. 압출기는 Harden Industries Ltd.(중국 광저우)에서 구입한 25 mm 지름 x 1143 mm 스크류 길이(전체 길이 1290 mm)의 동일한 쌍의 원통형 압출기 스크류들과, 7개는 동일한 고체 배럴 모듈이고 2개는 필터 모듈인 11개의 블록으로 구성된 배럴을 포함했는데, 이 구성은 아래에 설명한다. 필터 모듈 1은 블록 4와 5 안에 위치했고 필터 모듈 2는 블록 8과 9 안에 위치했다. 이는 배럴이 11개 블록의 길이이고, 각 블록은 4” 길이에 필터 모듈들 각각은 2 개의 배럴 블록의 길이를 덮었다는 것을 의미한다.

압출기는 Electrozad(캐나다 온타리오 채텀)에서 구입한 7.5 HP, 3상 전기 모터(모델 575, 전폐형 팬 냉각)에 의해 최대 속도의 약 5%인 40rpm의 회전 속도에서 구동되었다. 각각의 필터 블록은 480개의 교호하는 슬롯 필터 판들과 고체 지지판들을 포함했는데, 이는 240개의 슬롯 필터 판들과 240개의 고체 지지판들을 의미한다. 필터 판 두께는 0.0050”이고 지지판 두께는 0.020”이었다. 각각의 필터 판은 0.0150” 내지 0.163”의 폭에서 다중 슬롯들(22)을 포함해서, 판 당 1.94”의 코어(코어 개구 둘레의 44.6%)와 판 당 0.0097제곱 인치의 전체 개방 면적에서 전체 개방 폭을 제공했다. 480개 판들의 스택 전체 길이는 6”이었고, 판들의 스택을 둘러싸는 필터 블록 하우징의 전체 길이는 8”이었다. 4.656제곱 인치의 압출기 내 필터 모듈들의 전체 개방 면적에 대해 각 필터 모듈의 전체 개방 면적은 2.328제곱 인치였다. 각 필터 블록의 공극률은 8.9%였다.

압출기에서 상이한 공급 원료들을 처리하기 전에 무부하 조건에서 압출기를 구동하는데 필요한 전기 모터에 가해지는 부하에 대한 기본값을 확립하기 위해서 물만을 공급하여 예시적 압출기를 작동하였다.

예 II

대두 공급 원료

대두들은 현지에서(캐나다 남 온타리오 채텀 켄트에서 키운) 얻었다. 대두의 함량 분석은 공급 원료가 70.7%/wt의 고형물과, 13.8%/wt 기름과 15.5%/wt 물 형태의 29.3%/wt 액체들로 이루어졌음을 보여주었다. 대두들은 전처리없이 압출기로 모두 공급됐다. 압출기로 공급된 대두의 총량은 1.384 kg이었고 압출기의 총 작동시간은 1시간이었다. 대두 압출 동안, 모터 부하는 물에 의해 얻어진 기본 값보다 8배 높았다. 시간에 따른 공급률, 고형물 출력율 및 여과액 출력율이 도 16에 그래프로 도시된다. 그래프에서 명백한 바와 같이, 전체 작동시간동안 여과액 출력은 일정하여 필터 블록의 막힘도는 0이였다. 압출기의 전체 출력은 11.5%/wt의 여과액으로 필터 블록 #1, #2 각각을 통한 회수율이 5.95%로 동일하여 각 필터 블록의 여과율은 공급 원료의 상대적인 고형물 함량에 상관 없고, 압출기의 전체 여과율은 사용된 필터 블록 수에 직접적으로 비례한다는 것을 알 수 있었다. 이는 또한, 압출기의 전체 여과율이 더 많은 배럴 블록을 필터 블록으로 교체함으로써 쉽게 증가될 수 있음을 보여준다. 전체 고형물 배출은 88.5%/wt이였다. 여과액은 중량으로 55.1% 기름, 0.4% 부유 고형물, 및 44.5% 물로 구성됐고, 고형물 배출물은 중량으로 8.4% 기름, 79.9% 고형물, 및 11.7% 물로 구성됐다. 이는 올리브 기름 공급 원료에 있어서 들어간 기름의 46.0%가 여과액으로 회수되었고, 이는 그대로 들어간 콩으로부터 6.3% 콩기름(w/w)의 수율이 얻어졌거나 들어간 콩 공급 원료 14.5kg 당 콩기름 1리터가 얻어졌음을 의미한다.

예 III

사탕 무 공급 원료

사탕무들은 현지에서(캐나다 남 온타리오 채텀 켄트에서 키운) 얻었다. 전체 사탕무들은 수확 후 밭에서 바로 가지고 왔고 실외 창고에 저장됐다. 처리 전에, 사탕무들은 찌꺼기(먼지, 돌 등) 제거를 위해 세척되었다. 사탕무를 자르기 위해 손도끼가 사용된 후, 사탕무 슬라이스들은 갈 수 있는 날들이 있는 제1통로를 이용하는 음식 처리기로 공급되었고, 이어 컷팅 날들이 있는 제2통로로 공급되었다. 이렇게 하여, 압출기에 공급되기 적당한 5 mm x 5 mm 입자 크기의 바이오매스가 만들어졌다. 사탕무의 함량 분석은 공급 원료가 16.9%/wt의 자당, 1.4%/wt 기타 가용성 고형물, 1.3%/wt의 불용성 고형물, 및 80.4%/wt 물로 이루어졌음을 보여주었다. 압출기로 공급된 사탕무의 총량은 3.219 kg의 다진 사탕무였고 압출기의 총 작동시간은 1시간이었다. 사탕무 압출 동안, 모터 부하는 물에 의해 얻어진 기본값보다 25% 높았다. 시간에 따른 공급률, 고형물 출력율 및 여과액 출력율이 도 15에 그래프로 도시된다. 그래프에서 명백한 바와 같이, 전체 작동시간동안 여과액 출력은 일정하여 필터 블록의 막힘도는 0이였다. 압출기의 전체 출력은 66.2%/wt의 여과액으로 필터 블록 #1, #2을 통한 회수비는 40:60으로 여과율은 압력과 관련이 있지만, 공급 원료의 상대적인 고형물 함량엔 상관 없고, 압출기의 전체 여과율은 사용된 필터 블록 수와 분리 압력에 직접적으로 비례한다는 것을 알 수 있었다. 이는 또한, 압출기의 전체 여과율이 더 많은 배럴 블록을 필터 블록으로 교체함으로써, 그리고/또는 압력을 증가시키기 위해 압출기의 작동 속도를 증가시킴으로써 증가될 수 있음을 보여준다. 전체 고형물 배출은 33.8%/wt이였다. 여과액은 중량으로 14.1% 자당, 0.8% 기타 가용성 고형물, 2.6% 부유 고형물, 및 82.5% 물로 구성됐고, 고형물 배출물은 중량으로 22.4% 자당, 2.4% 기타 가용성 고형물, 1.7% 불용성 고형물, 및 73.5% 물로 구성됐다. 이는 들어간 자당의 55.2%가 여과액으로 회수되었고, 이는 들어간 사탕무 공급원료로부터 9.3% 자당(w/w)의 수율이 얻어졌거나 들어간 사탕무 공급 원료 10.7 kg 당 자당 1 kg이 얻어졌음을 의미한다.

예 IV

올리브 공급 원료

전체 생 블랙 올리브를 물이나 기름 안에 포장되지 않은 채로 미국의 유통업자로부터 얻었다. 올리브들은 씨가 발라져 있었고 미리 썰어져 있었다. 미리 썰어진 올리브들은 음식 처리기를 이용해 5 mm x 5 mm 입자 크기로 전처리되었다. 최종 올리브 공급 원료의 함량 분석은 공급 원료가 19.4%/wt의 고형물과, 27.7%/wt 기름과 52.9%/wt 물로 나눠지는 80.6%/wt 액체들로 이루어졌음을 보여주었다. 압출기로 공급된 공급 원료의 총량은 다진 올리브 1.458 kg이었고 압출기의 총 작동시간은 1시간이었다. 올리브 압출 동안, 모터 부하는 물에 의해 얻어진 기본값과 유사했다. 시간에 따른 공급률, 고형물 출력율 및 여과액 출력율이 도 14에 그래프로 도시된다. 그래프에서 명백한 바와 같이, 전체 작동시간동안 여과액 출력은 일정하여 필터 모듈들의 막힘도는 0이였다. 압출기의 전체 출력은 32.3%의 여과액으로 필터 모듈 #1, #2을 통한 회수비는 20:80으로 여과율은 압력과 밀접한 관련이 있지만, 공급 원료의 상대적인 고형물 함량엔 상관 없고, 압출기의 전체 여과율은 사용된 필터 모듈 수와 분리 압력에 직접적으로 비례한다는 것을 알 수 있었다. 이는 또한, 압출기의 전체 여과율이 더 많은 배럴 블록을 필터 모듈로 교체함으로써, 그리고/또는 압력을 증가시키기 위해 압출기의 작동 속도를 증가시킴으로써 증가될 수 있음을 보여준다. 전체 고형물 배출은 67.7%/wt였다. 여과액은 중량으로 50.9% 기름, 4.1% 부유 고형물, 및 45% 물로 구성됐고, 고형물 배출물은 중량으로 16.6% 기름, 26.7% 고형물, 및 56.6% 물로 구성됐다. 이는 들어간 기름의 59.4%가 여과액으로 회수되었고, 이는 들어간 올리브 공급 원료로부터 16.4% 올리브기름(w/w)의 수율이 얻어졌거나 들어간 올리브 공급 원료 5.5 kg 당 올리브기름 1리터가 얻어졌음을 의미한다. 위에서 언급한 바와 같이, 필터 모듈들을 추가하거나 작동 압력을 증가시킴으로써 수율을 증가시킬 수 있지만, 헥산과 같은 용매들을 이용함으로써 공급 원료로부터 기름 회수를 증가시킬 수 있고, 기름 회수 레벨을 올리기 위해 용매를 공급 원료가 압출기에 공급되기 전에 공급 원료에 혼합할 수 있고 또는 용매를 작동 중 압출기에 직접적으로 분사할 수 있다.

예 V

미리 가수분해된 옥수숫대 공급 원료

예 I에서 설명한 과정에 의해 미리 가수분해된 옥수숫대를 얻었다. 공급 원료의 함량 분석은 옥수숫대가 4.8%/wt의 헤미셀룰로오스, 6.8%/wt 셀룰로오스, 5.4%/wt의 기타 고형물, 및 83%/wt 물로 이루어졌음을 보여주었다. 압출기로 공급된 공급 원료의 총량은 7.025 kg이었고 압출기의 총 작동시간은 1시간이었다. 옥수숫대 압출 동안, 모터 부하는 물에 의해 얻어진 기본값보다 40% 높았다. 시간에 따른 공급률, 고형물 출력율 및 여과액 출력율이 도 17에 그래프로 도시된다. 그래프에서 명백한 바와 같이, 전체 작동시간동안 여과액 출력은 일정하여 필터 모듈들의 막힘도는 0이였다. 압출기의 전체 출력은 8.0%의 여과액으로, 필터 모듈 #1, #2을 통한 회수비는 99:1로 여과율은 압력과 밀접한 관련이 있고, 공급 원료의 상대적인 고형물 함량과 관련 가능성이 있다는 것을 보여준다. 여과액 회수는 압출기 압력들(더 높은 회전속도 또는 달라진 스크류 구성)이 높아질수록 훨씬 높아질 것으로 기대된다. 그러나, 전체 작동 시간 동안 일정한 여과액 흐름으로부터 여과 모듈들은 공급원료에 의해 막히지 않았다는 것이 명백하다. 이는 또한, 압출기의 전체 여과율이 더 많은 배럴 블록을 필터 모듈로 교체함으로써, 그리고/또는 압력을 증가시키기 위해 압출기의 작동 속도를 증가시킴으로써 증가될 수 있음을 보여준다. 전체 고형물 배출은 92%/wt였다. 여과액은 중량으로 4.8% 헤미셀룰로오스, 0.5% 부유 고형물(셀룰로오스:기타 고형물 60:40), 및 94.4% 물로 구성됐고, 고형물 배출물은 중량으로 4.7% 헤미셀룰로오스, 13.3% 고형물(셀룰로오스:기타 고형물은 56:54), 및 82% 물로 구성됐다. 이는 들어간 헤미셀룰로오스의 8.7%가 여과액으로 회수되었고, 이는 들어간 미리 가수분해된 옥수숫대 공급원료 44.6 kg 당 헤미셀룰로오스 설탕 1 kg이 얻어졌음을 의미한다. 위에서 언급한 바와 같이, 필터 모듈들을 추가함으로써, 또는 작동 압력을 증가시킴으로써, 수율은 증가될 수 있다.

추가적인 응용/공급 원료

펄프와 종이 슬러리들, 음식 슬러리들, 및 과일 펄프(사과주스 생산)의 탈수는 현재 제한적이만, 발명의 트윈 스크류 압출기 분리 장치는 이러한 공급 원료들의 탈수에 대해 비용 효율적 에너지 사용으로 50 내지 60% 수준의 건물량(dry matter (DM))을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 본 발명의 트윈 스크류 압출기 분리 장치는 추가적인 건조 없이 젖은 폐 고형물로부터 바이오에너지 알갱이들을 형성할 수 있을 것으로 기대되는데, 이는 80%를 초과하는 건조 고형물을 생산할 것으로 기대되기 때문이며, 이 건조 고형물은 알갱이 형성 공정 및 매우 적은 에너지로 바이오에너지 알갱이를 생산하는 부수적 최종 건조 공정으로 바로 보내질 수 있다.

본 발명의 트윈 스크류 압출기 분리 장치의 현재 확인된 다목적성의 견지에서, 장치는 다양한 요변성 광미사들의 탈수에 또한 적용 가능할 것으로 기대된다. 발명의 장치로 환원물 수조에 들어가기 전 이러한 슬러리들로부터 수분이 추출될 수 있을 것으로 기대된다. 이것은 환경적으로 유리하고 많은 양의 저장 용량을 절약할 것이다. 이것의 예는 솔베이(Solvay) 합성 소다회 공정 환원부일 수 있다.

위에서 논의된 바와 같은 대두들과 기타 공급 원료들의 성공적 처리의 견지에서, 본 발명의 트윈 스크류 압출기 분리 장치는, 용매를 이용하거나 이용하지 않은 압착과 가압을 통해 삼, 옥수수, 및 다양한 종류의 견과류와 씨앗류로부터 식물성유를 추출하는데 적용할 수 있다는 것이 기대된다.

위에서 논의된 바와 같은 다양한 공급 원료들의 성공적 처리의 견지에서, 본 발명의 트윈 스크류 압출기 분리 장치는, 토마토 페이스트, 토마토 케첩, 감자 녹말 처리, 주스, 및 기타 페이스트나 잼과 같은 다양한 음식 처리 응용들에 있어서 추가적인 탈수에 적용할 수 있다는 것이 기대된다.

본 개시물이 특정한 실시예들을 설명하고 도시했음에도 불구하고 설명한 시스템, 장치, 및 방법은 그 특정한 실시예들에 구속되지 않는다는 것을 또한 이해할 것이다. 오히려, 여기서 설명하고 도시된 특징들과 특정한 실시예들의 기능적이거나 기계적인 균등물들인 모든 실시예들이 포함된다는 것이 이해될 것이다.

다양한 특징들이 실시예들 중 하나와 관련하여 설명되었음에도, 다양한 특징들 및 실시예들은 여기서 설명하고 도시된 다른 특징들 및 실시예들과 조합되거나 함께 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.