用于加工含木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于加工含木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)(例如秸稈)的方法，所述方法使得纖維素和半纖維素易于通常通過分解而被進一步加工，而無需在水中耗能溶解生物質(zhì)。所述方法包括在往復(fù)式活塞壓機中重復(fù)壓縮所述生物質(zhì)，其中疏松的生物質(zhì)被連續(xù)供給活塞前的活塞室，所述活塞將所述疏松的生物質(zhì)移至管狀反應(yīng)室中，在所述管狀反應(yīng)室中所述生物質(zhì)被壓縮用于在壓縮生物質(zhì)通過所述反應(yīng)室的同時位移下產(chǎn)生蒸汽爆炸和自動水解。在壓縮后，所述生物質(zhì)可被添加生物氣設(shè)施中的流體牲畜糞肥、流體廢水污泥等用于后續(xù)生物氣加工。
【專利說明】用于加工含木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)的方法發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于加工含木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)(例如秸桿)的方法，所述方法使得纖維素和半纖維素易于通過(通常為)分解(優(yōu)選酶分解)而被進一步加工。更確切地說，本發(fā)明涉及一種其中經(jīng)加工的木質(zhì)纖維素用于生產(chǎn)生物燃料，例如像乙醇、丁醇、氫氣、甲醇和生物氣的方法。
[0002]本發(fā)明的問世與秸桿處理有關(guān)。因此，在若干點上，將就秸桿對本發(fā)明進行說明，但是通過這些說明應(yīng)理解相應(yīng)的優(yōu)點可通過含木質(zhì)纖維素的其它種類的生物質(zhì)來獲得。
[0003]發(fā)明背景
[0004]第一代生物乙醇主要是基于谷類作物(如小麥和玉蜀黍以及甘蔗)生產(chǎn)的。這是因為玉米和甘蔗含有容易獲得的碳水化合物，如淀粉，其可以簡單方式轉(zhuǎn)化為糖，糖隨后被發(fā)酵為乙醇。
[0005]然而，這種生產(chǎn)因除了不可持續(xù)發(fā)展之外，還將良好的糧食轉(zhuǎn)化為能量而受到批評。因此多年來，已對利用食品生產(chǎn)中的作物殘茬來生產(chǎn)生物燃料(特別是生物乙醇)做了研究。研究特別集中在將秸桿和木屑轉(zhuǎn)化為生物乙醇。這種類型的乙醇被標記為第二代生物乙醇或纖維素乙醇。
[0006]生物質(zhì)，如小麥秸桿和其它玉米和玉蜀黍作物的秸桿以及木材，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，這也是其為什么被統(tǒng)稱為木質(zhì)纖維素的原因。
[0007]纖維素是具有通過β -1, 4-葡糖苷鍵互相連接的多達15，000個葡萄糖單元的直鏈均質(zhì)聚合物。然而，半纖維素是長度多達200個單元的非均質(zhì)支鏈聚合物，其可由例如阿拉伯糖、木糖、半乳糖、甘露糖和葡萄糖組成。
[0008]木質(zhì)素構(gòu)成通過單體P-香豆酰醇、松柏醇和芥子醇的聚合作用而形成的網(wǎng)格。木質(zhì)素的復(fù)雜網(wǎng)格包封纖維素和半纖維素并且有助于將它們結(jié)合在一起。由此植物細胞壁的結(jié)構(gòu)得以加強并且得到保護免受自然界中例如由真菌或昆蟲侵襲所致的分解的損害。通常，木質(zhì)纖維素含有約35% -50%纖維素、20% -30%半纖維素和15% -30%木質(zhì)素。
[0009]然而，不同植物的內(nèi)容物有很大的不同并且半纖維素和木質(zhì)素的組成非常大地取決于物種。通常，木材比秸桿含有更多的木質(zhì)素和更少的半纖維素，并且其中秸桿中的半纖維素主要由阿拉伯糖和木糖組成，松柏科植物中的半纖維素主要含有甘露糖以及僅少量的木糖。
[0010]利用木質(zhì)纖維素作為各種發(fā)酵過程的底物以將纖維素和半纖維素預(yù)先分解成它們各自的單體為先決條件。此過程的第一步是對木質(zhì)纖維素進行熱化學(xué)處理，借此釋放木質(zhì)素，并且使半纖維素和纖維素部分地溶解或使半纖維素和纖維素更易與酶接近。
[0011]用于分解木質(zhì)纖維素的酶可被分為兩個主要的組:纖維素酶和半纖維素酶。分解纖維素的最后一步是通過β-葡糖苷酶將纖維二糖裂解為兩個葡萄糖分子。半纖維素的更具非均質(zhì)性的結(jié)構(gòu)意味著需要更大數(shù)量的不同的酶來將其完全分解為糖分子。這種復(fù)雜酶混合物的實例是Novozyme’ s Cellic.CTec3，其含有不同的纖維素酶和半纖維素酶以及其它水解酶。
[0012]如所提及的，利用木質(zhì)纖維素的第一步是預(yù)處理并且通常為熱化學(xué)預(yù)處理。蒸汽爆炸是廣泛范圍的這類不同熱化學(xué)預(yù)處理方法中的一種。這種方法與水和催化劑如酸和堿或氣體(如氧氣和二氧化硫)的添加相結(jié)合。
[0013]已對預(yù)處理生物質(zhì)(如秸桿和木屑)用于制備流體生物燃料(尤其乙醇)做了全面的研究努力，并且因此在此領(lǐng)域可獲得大量的科學(xué)文獻。
[0014]近年來，已描述了主要的生物化學(xué)方法。在此無意全面列出這些方法，但是應(yīng)注意一些研究組指出自動水解是優(yōu)選技術(shù)，這是因為:它不基于化學(xué)品，抑制劑的形成是適度的并且可對具有相對高的干物質(zhì)含量的生物質(zhì)進行加工。大多數(shù)作者也更偏向此技術(shù)而非在加工中添加氧的濕式氧化。
[0015]自動水解的叫法不一，但是它經(jīng)常被稱為熱水解、汽蒸或蒸汽爆炸，雖然爆炸部分不一定是材料水解或粉碎的優(yōu)點。該方法與“液態(tài)熱水處理”近似，其取決于水和濕式氧化(如果氧氣形成加工的一部分)的量。
[0016]此外，科學(xué)文獻指出大量化學(xué)品和催化劑的使用或者木質(zhì)纖維素的水解，包括弱酸強酸弱堿強堿以及一些氣體(如S02、CO2, 02、NH3> H2O2, O3)。向此添加酶的應(yīng)用，無論是工業(yè)使用還是作為生物預(yù)處理。
[0017]用于這種含木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)的熱化學(xué)預(yù)處理的技術(shù)設(shè)備僅有少數(shù)實例。
[0018]最著名的裝置是SunOpta的staketech水解器,其被用于基于稻桿生產(chǎn)生物乙醇的商業(yè)設(shè)施中。這種機器具有水平的反應(yīng)室，該反應(yīng)室具有在高壓和高溫下將秸桿向前移動的螺旋輸送機，從而允許秸桿在頻繁的時間間隔內(nèi)，即幾秒的間隔內(nèi)，爆炸進入相關(guān)聯(lián)的膨脹容器中。操作溫度和壓力分別為190°C -210°C和15巴-20巴。
[0019]用于水解羽毛的Atlas Stord水解器使用了不同的原理，即所謂的栓塞流，其中反應(yīng)室為豎直反應(yīng)室，在底部該反應(yīng)室具有在幾秒間隔內(nèi)打開并且關(guān)閉的閥。因此反應(yīng)室中的超壓將使水解的羽毛爆炸進入膨脹容器中。因此反應(yīng)室不設(shè)有軸通道。操作溫度和壓力分別為1600C -210°C和6巴-10巴。
[0020]最后，Villavicenc1(1987)公布了通過若干反應(yīng)室熱化學(xué)處理纖維的發(fā)明。通過螺旋輸送機向第一反應(yīng)室提供生物質(zhì)，所述螺旋輸送機也充當(dāng)背壓閥。
[0021]所有技術(shù)的共同點為
[0022]I)從外部熱源(具體通過熱水或蒸汽)供應(yīng)熱量;
[0023]2)在加工中添加液態(tài)水或蒸汽形式的水以使反應(yīng)室中的干物質(zhì)含量最多為30% -40%，并且通常為10% ；
[0024]3)將添加水或蒸汽作為在160°C _220°C高溫水平下處理的必要的先決條件。
[0025]所述技術(shù)的操作模式，并且如名稱“蒸汽爆炸”所指示，是通過壓力突然從例如20巴下降至大氣壓引起的蒸汽爆炸所實現(xiàn)的對生物質(zhì)的纖維的機械分解。在壓力下，在例如200°C下，水的狀態(tài)為液態(tài)，但是當(dāng)壓力驟然下降至大氣壓時，水的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，這意味著水也出現(xiàn)在植物纖維的所有部分。當(dāng)這種水在纖維素纖維中爆炸時，生物質(zhì)被機械地撕裂。這種撕裂有助于使木質(zhì)纖維素的組分部分纖維素和半纖維素易于如例如通過酶分解進行進一步加工。
[0026]常規(guī)的蒸汽爆炸通常在160°C _220°C范圍內(nèi)的溫度和0.60MPa_4.83MPa的相應(yīng)壓力下完成。在通過爆炸性減壓使材料暴露在大氣壓下之前，加工時間從幾秒變化至幾分鐘。由于高壓，此過程使得半纖維素分解并且木質(zhì)素轉(zhuǎn)變。半纖維素由乙酸以及在處理期間形成的其它有機酸，即通過所謂的自動水解而分解。木質(zhì)素不能分解到相同的程度，但是因為熔融和解聚/再聚合反應(yīng)，木質(zhì)素重新分布在纖維表面上。
[0027]除了這些化學(xué)效應(yīng)，隨著材料爆炸和破碎，蒸汽爆炸也具有純粹的機械或物理效應(yīng)，由此可接觸的表面得以增大。
[0028]如上所述，通過向生物質(zhì)中添加水，無論是液態(tài)水形式的水或蒸汽形式的水或其組合，并且加熱混合物來執(zhí)行該程序。通過用熱水或蒸汽加熱來達到高溫。
[0029]通過這些系統(tǒng)獲得的最高的干物質(zhì)濃度為約30% -40%，通常更低，由于水的量和生物質(zhì)的較大結(jié)構(gòu)，這需要大型的技術(shù)設(shè)備。即使壓縮的秸桿捆的密度也為約150kg/m3，這并不高。
[0030]該技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是用于預(yù)處理的大量的水和能量以及用于壓力容器、閥、管、螺旋輸送機等必要的大型設(shè)備。
[0031]由于水和秸桿的大量添加使生物氣設(shè)施的液壓容量變得緊張并且由于能量消耗降低了凈能生產(chǎn)和成本效率，生物氣設(shè)施也帶來實質(zhì)性缺陷。
[0032]可以生物氣的形式提供生物燃料。到目前為止，生物質(zhì)，優(yōu)選以秸桿的形式，還未被用于生物氣生產(chǎn)。使用秸桿用于生物氣目的還尚未可知。僅已知秸桿形成生物氣設(shè)施的一部分到這樣的程度:在畜牧業(yè)生產(chǎn)中秸桿被用作草墊，并且所得的牲畜糞肥被脫氣。
[0033]實際上，秸桿不是用于生物氣目的實在令人驚奇。鑒于牲畜糞肥，即主要是牛和豬的液態(tài)糞肥，是干物質(zhì)含量在4%與8%之間的流體的這樣的事實，所以在生物氣設(shè)施中尚有其它干物質(zhì)的空間，尤其是秸桿。
[0034]秸桿是難以處理的材料。它非常粗糙，非常不易被水沾濕并且密度非常低，即低于每平方米(m3) 100kg。因此在任何方面并且特別是在生物氣設(shè)施中，處理秸桿需要特別的技術(shù)。
[0035]此外，秸桿主要由纖維素纖維組成，所述纖維素纖維為(1-4)-β-D-葡萄糖的結(jié)晶聚合物。半纖維素形成秸桿的一部分，其相應(yīng)地為由(1-4)_β-木糖組成的無定形且部分結(jié)晶的聚合物。半纖維素形成纖維和細胞壁兩者的一部分。木質(zhì)素，秸桿的第三重要組分，是苯酚的聚合物。半纖維素以及木質(zhì)素保護纖維素抵抗“天氣和風(fēng)”，并且在這方面抵抗酶和微生物的分解。
[0036]為了在生物氣設(shè)施中有效地利用秸桿，因此為了打開秸桿中的纖維并且使木質(zhì)纖維素的組分部分易于分解，預(yù)處理秸桿是有必要的。如上所提及，這將消耗能量并且需要使用大型設(shè)施。
[0037]發(fā)明目的
[0038]本發(fā)明的目的是指示一種用于加工含有木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)(例如秸桿)的方法，所述方法使得纖維素和半纖維素易于酶分解特別是為了制備生物燃料(例如像乙醇和生物氣)。
[0039]發(fā)明描述
[0040]根據(jù)本發(fā)明，這通過因包括以下步驟而獨特的方法來實現(xiàn):
[0041]-在往復(fù)式活塞壓機中重復(fù)壓縮生物質(zhì)，其中疏松的生物質(zhì)被連續(xù)供給活塞前的活塞室，所述活塞將疏松的生物質(zhì)移至管狀反應(yīng)室中，在所述管狀反應(yīng)室中，生物質(zhì)被壓縮用于在壓縮生物質(zhì)通過反應(yīng)室的同時位移下產(chǎn)生機械誘導(dǎo)的水蒸汽爆炸和自動水解。
[0042]隨著機械誘導(dǎo)的蒸汽爆炸引起的水爆炸致使纖維素纖維機械撕裂，由此通過本發(fā)明實現(xiàn)了用于在利用木質(zhì)纖維素作為用于各種加工的底物的過程中建立第一步的有效方法。這種撕裂使得木質(zhì)纖維素組分纖維素和半纖維素易于經(jīng)受隨后的酶分解而分解為它們各自的單體。
[0043]生物質(zhì)的持續(xù)供給和壓縮生物質(zhì)經(jīng)過并且離開反應(yīng)室的同時位移使在只需要非常有限的容積的加工單元的設(shè)施中進行持續(xù)加工成為可能。因此具有每小時加工I噸生物質(zhì)的能力的活塞壓機的尺寸可小于3立方米。對更大機器的進一步改進可進一步優(yōu)化此比率。
[0044]活塞沖程以500巴與3000巴之間，具體1000巴與2500巴之間的壓力作用于生物質(zhì)。生物質(zhì)以此被壓縮至500kg/m3-1000kg/m3并且直接受到機械壓擠。同時，活塞的動能以熱量的形式沉積在秸桿中。
[0045]生物質(zhì)中的熱量形成主要是由于生物質(zhì)與反應(yīng)室室壁之間的摩擦以及生物質(zhì)中的內(nèi)部摩擦而發(fā)生。熱量形成引起對反應(yīng)室室壁的強烈加熱和對生物質(zhì)的較低加熱。雖然局部溫度上升到200°C以上，但通常室壁被加熱至110°C與200°C之間，生物質(zhì)被加熱至60°C與170°C之間。反應(yīng)室中的壓縮引發(fā)很多局部蒸汽爆炸。
[0046]因為這種水處于壓力下，所以它保持液體狀態(tài)直到所述活塞在新的活塞沖程前回縮為止。在回縮時，水爆炸并且生物質(zhì)如蒸汽爆炸時被壓擠。如此重復(fù)多次，直到在壓縮室中壓縮的生物質(zhì)行進得足夠遠活塞沖程不再影響此生物質(zhì)為止。
[0047]熱量和蒸汽爆炸的作用引起生物質(zhì)的某種程度的自動水解，這意味著高溫下的蒸汽通過水解過程部分地溶解了木質(zhì)纖維素。通過自動水解，產(chǎn)生了有機酸，所述有機酸將pH降到4-6，通常pH 5。
[0048]因為無需加熱大量的水，所以所述過程以非常節(jié)約能量而著稱。
[0049]總之，可以說蒸汽爆炸是具有以下若干協(xié)同效應(yīng)的技術(shù):高溫效應(yīng)(即有機酸、木質(zhì)素熔體的形成)；自動水解效應(yīng)(通過特別是乙酸的活性分解半纖維素和部分木質(zhì)素)；以及機械撕裂效應(yīng)。
[0050]機械壓機被設(shè)計為偏心壓機。機械壓機包括恒定旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動機構(gòu)，所述驅(qū)動機構(gòu)通過偏心輪將活塞的旋轉(zhuǎn)移動轉(zhuǎn)化為往復(fù)移動?；钊哂袃蓚€極限位置。在一個位置處，活塞的壓制面位于活塞室，又稱為預(yù)壓縮室中，其中材料具體通過被壓縮成壓塊而被預(yù)處理，而在另一個位置處，活塞的壓制面位于通向在預(yù)壓縮室側(cè)的開口錐形噴嘴的入口處。活塞在從一個極限位置到另一個極限位置的過程中將材料中的一些從其前面的室推動到噴嘴中。被各個活塞沖程壓縮并且預(yù)處理的材料部分，或在具體情況下的形成的生物壓塊，被持續(xù)地通過噴嘴的出口推出。由于壓力至少達到800巴，機械壓機的操作壓力遠遠高于液壓機。在液壓機制備的生物壓塊中，生物材料的粘結(jié)主要是機械粘結(jié)其次是粘附粘結(jié)，而機械壓機制備的生物壓塊中的生物材料粘結(jié)主要是粘附粘結(jié)其次是機械粘結(jié)。本發(fā)明在機械壓塊壓機的【技術(shù)領(lǐng)域】中使用，因為它涉及生物壓塊的高生產(chǎn)能力或生物材料的預(yù)處理。
[0051]已知用于制備壓塊，主要是木材或其它可用的生物材料(如纖維、MDF粉末、植物纖維、秸桿、大麻、樹皮、紙、硬紙板、煤粉、生活垃圾、牲畜糞肥或污泥)的壓塊的往復(fù)式機械壓塊壓機。壓塊可主要用于在固體燃料爐中燃燒，例如用于民用空間加熱的。材料通常為來自木材行業(yè)的鋸末或刨花形式的殘余產(chǎn)物。
[0052]材料含水量為5%至20%，通常為6%至16%。在這里我們講的是重量百分比。在巨大的壓力和隨之產(chǎn)生的高溫下，材料在模具中被壓縮。生物材料含有細胞，尤其包括水、纖維素和木質(zhì)素。壓縮的目的是為了活化木質(zhì)素，木質(zhì)素在冷卻后使得材料(生物壓塊)粘合在一起。在如預(yù)處理和可能添加有機酸的應(yīng)用期間，這是用于提取木質(zhì)素并且從而曝光纖維素和半纖維素纖維以便進一步加工的基礎(chǔ)。生物材料中上升的壓力使細胞中溫度升高，導(dǎo)致通過細胞中的水蒸汽爆炸轉(zhuǎn)變成蒸汽，從而摧毀細胞壁并且釋放木質(zhì)素。蒸汽爆炸在約400巴-500巴的壓力下開始并且在壓力上升到大于2000巴的最大值時繼續(xù)。如果水分下降到6%以下，正常情況下材料中沒有足夠的水分用于產(chǎn)生足夠的蒸汽爆炸繼而可發(fā)生粘結(jié)。如果水分上升到16%以上，蒸汽爆炸通常變得足夠強以至于該過程使壓塊破碎，并且壓塊被拋到機器外或回到系統(tǒng)中。作為預(yù)處理，這可以是有利的，因為這種情況而非形成實際的壓塊是所需要的。
[0053]如上所呈現(xiàn)，由于更高的壓力，在機械壓塊壓機中壓塊的形成下實現(xiàn)了細胞更完全的分解。用于后續(xù)生物壓塊粘結(jié)釋放的木質(zhì)素的量實質(zhì)上更高。
[0054]生物材料離開連續(xù)桿形式的壓塊壓機?？梢赃@么說，每個活塞沖程將生物質(zhì)的“盤”添加到材料操作中，并且在每個盤之間形成了斷裂面。機械壓機通常用在更大的裝置中，從約200kg/h至約2500kg/h。因此,在機械壓機中,可僅通過安裝不同錐度的噴嘴或使用可變擠壓噴嘴來調(diào)節(jié)需要的背壓。由于機械壓機通過電動機而不是液壓發(fā)動機來驅(qū)動，所以機器中只有較少的能量損失，并且因此生產(chǎn)量與能耗之間的比率是最佳的。機械壓機的使用壽命周期比液壓壓機的長很多。
[0055]將本發(fā)明作為分散的解決方案來進行是可能的，這意味著在一個位置處進行壓縮以用于形成壓塊并且貯存壓塊，然后將其運輸至用于分解的設(shè)備，例如生物氣設(shè)施或生物乙醇設(shè)施。
[0056]通過本發(fā)明，能夠?qū)⑸镔|(zhì)壓縮至高密度，通過機械動能來提供熱量，避免水的添加，以及使用生物質(zhì)約5% -20 %，通常為6% -16%的天然含水量進行重復(fù)的蒸汽爆炸。以此該過程變得合理，因為在高溫下僅僅生物質(zhì)而非大量的水被處理，并且這發(fā)生在非常小的反應(yīng)室中。
[0057]已知壓縮木材和秸桿是將這些材料壓制成壓塊或小球以用于后續(xù)燃燒。但是，將用于應(yīng)用的機械壓縮優(yōu)化為生物質(zhì)的機械誘導(dǎo)蒸汽爆炸，以使得纖維素和半纖維素在發(fā)酵為乙醇或其它生物燃料之前易于酶分解是未知的。
[0058]通過本發(fā)明，實現(xiàn)了秸桿800kg/m3與1200kg/m3之間的非常高的比密度，通常為500kg/m3與600kg/m3之間的容積密度，從而大大地降低了反應(yīng)室的尺寸(由于高的比密度)和可能運輸至中心加工設(shè)施的需要(由于高容積密度)。因此本發(fā)明實現(xiàn)的特殊優(yōu)點之一是緊湊的反應(yīng)室。與在其它系統(tǒng)中頻繁使用的幾立方米(5m3-10m3或更多)相反，僅使用了幾升，即少于50升，并且通常約為10升的反應(yīng)器體積。
[0059]水的添加得以避免，并且因此生物質(zhì)(例如以秸桿的形式)以其5%-20%，通常為6%與16%之間的天然水含量被處理。這大幅降低了能量要求，因為水的熱容量為約
4.2J/gK而干秸桿和木材的熱容量為約1.2J/gK。通過熱化學(xué)預(yù)處理，通常添加水將秸桿的重量增加了 10倍，因此在直接加工中，能量消耗增加了約40倍。
[0060]如果在給定過程中方便，可在機械蒸汽爆炸后，但隨后在溫度低于100°C并且通常約為50°C _80°C下，提取木質(zhì)素。根據(jù)已知的提取木質(zhì)素的規(guī)定，僅可通過水或酸或堿來提取木質(zhì)素。在此，通常施加有機酸，如乳酸、檸檬酸或乙酸，這些酸可能可在壓制之前添加，并且有助于水解以及木質(zhì)素的提取。
[0061]隨著壓縮下的活塞行程和重復(fù)的蒸汽爆炸直接壓擠秸桿，秸桿受到更大機械強度的壓擠。這在隨后的酶反應(yīng)(如液化和糖化)期間，在乙醇發(fā)酵之前提供了更好的酶可達性并且從而減少了添加酶的需要。
[0062]存在著許多用于纖維素/半纖維素的液化和糖化的商業(yè)酶。據(jù)估計，消耗可被減少至常規(guī)熱化學(xué)加工的秸桿的正常消耗的50%以下并且通常至20%。
[0063]調(diào)整生物質(zhì)的熱處理，以使得它在40°C至240°C范圍內(nèi)的溫度，優(yōu)選60°C至170°C的可測量的溫度，并且具體在60°C與120°C之間范圍內(nèi)的溫度下操作?？蓪⒓庸r間調(diào)節(jié)在Imin與30min之間，并且具體在Imin與5min之間。因為在緊湊的反應(yīng)室中，只有秸桿被加熱和加工，所以關(guān)于溫度和時間，對熱處理沒有實際的限制?？刹槐鼐窒抻谶@些考慮來優(yōu)化處理。當(dāng)需要更長的熱處理，包括水解時間時，將噴嘴延伸到管或隔離的螺旋輸送機中，這實現(xiàn)I小時-2小時或更長的停留時間。通常，在90°C下，可需要一小時的補充熱處理和水解。
[0064]秸桿的吸水能力得到提升?？梢钥闯?，秸桿在水中可吸收它自身重量2倍與15倍之間，并且通常為它自身重量5倍與10倍之間的水。
[0065]秸桿變得可直接與水和酶混合。通常不需要添加表面活性劑來增強與水的混合和酶的作用。
[0066]在加工期間，由于熱量和氧的存在，木質(zhì)素實現(xiàn)顯著溶解。在水中氧的分壓為約2xl(T5大氣壓(Iatm = 101.325kPa);大氣中氧的分壓為約2ΧΚΓ1 ;因此大氣中的分壓比氧飽和的水中的大14倍。因此在壓力下，即5atm-20atm,通常為1atm,通過濕式氧化添加氧，但是由于向加工中添加的大量的水，仍難以達到氧與木質(zhì)素的反應(yīng)。在機械蒸汽爆炸期間，秸桿和具有約20%氧的環(huán)境大氣壓受到所述最高2000巴- 2500巴的壓力。因此,氧比常規(guī)濕式氧化期間更具反應(yīng)性，并且因此木質(zhì)素被更大程度地破壞。
[0067]此外，在被引入活塞室之前，參照上述用于預(yù)處理木質(zhì)纖維素的熱化學(xué)方法，秸桿可被氣體和/或堿或酸浸潰。這可在混合機或自由下落混合機中進行。
[0068]最終，在處理后，可通過噴嘴添加酶和水，所述噴嘴可在自由下落混合機中將混合物噴灑在干秸桿上。因此，酶和水將均勻地分布在秸桿上，并且秸桿的特定的新的吸水能力將特別地將水分和酶分布在稻桿的各個部分。
[0069]具有酶的潤濕的秸桿現(xiàn)在可被液化(水解)并且供應(yīng)至酶-膜反應(yīng)器，其中纖維素和半纖維素最終被糖化為糖低聚糖和單體。在反應(yīng)器中，相關(guān)聯(lián)的膜將保留木質(zhì)素和其它未轉(zhuǎn)化的物質(zhì)，同時糖傳遞至乙醇發(fā)酵。在其它設(shè)置中，可有利地使木質(zhì)素、糖等的全部混合物，即所謂的“全漿料”發(fā)酵并且在發(fā)酵和蒸餾后分離。這尤其取決于生物質(zhì)中木質(zhì)素的量。
[0070]用于生物質(zhì)(優(yōu)選秸桿)的蒸汽爆炸的新技術(shù)裝置包括活塞?；钊麑⒈话惭b在曲柄上以用于建立往復(fù)移動，從而將疏松的生物質(zhì)秸桿從活塞室移進反應(yīng)室。后者優(yōu)選地由具有漏斗形噴嘴的開管形成，在其中在500巴與3000巴之間，具體是1000巴與1500巴之間的壓力下，生物質(zhì)被壓縮。
[0071]通過生物質(zhì)(秸桿)建立背壓，所述生物質(zhì)在反應(yīng)室中被累積并壓縮，并且以壓縮的形式及通過生物質(zhì)與室壁之間的摩擦移動通過壓縮室。
[0072]根據(jù)需要取決于溫度作用的持續(xù)時間來調(diào)整反應(yīng)室的長度及其隔離。為該室提供熱量夾套，從而可根據(jù)需要來調(diào)節(jié)溫度。
[0073]優(yōu)選生物質(zhì)(秸桿)可被切割成幾厘米的秸桿長度。而且，優(yōu)選在壓縮前清理生物質(zhì)的石頭、沙和其它異物。
[0074]根據(jù)需要為壓機提供溫度計和壓力計。
[0075]通過活塞的沖程力、反應(yīng)室的冷卻和反應(yīng)室的隔離來調(diào)節(jié)秸桿中的溫度。
[0076]最終的壓縮的秸桿之后可被粉碎，再次像切割后的秸桿出現(xiàn)，只是更加柔軟了。然而在處理后，秸桿已完全改變了它的特征并且尤其變得吸水了。秸桿可吸收其自身重量2倍與15倍，具體是其自身重量的5倍-10倍之間的水。
[0077]因此，有可能在自由下落混合機或其它種類的混合機中，例如通過噴灑噴嘴來同時添加酶和水。因此，酶和水可被均質(zhì)地分布在秸桿上。
[0078]也可將壓縮形式的秸桿直接加入生物反應(yīng)器、熱反應(yīng)器、化學(xué)反應(yīng)器、熱化學(xué)反應(yīng)器或其它種類的反應(yīng)器中。此外，在生物氣加工前，可將秸桿加入流體牲畜糞肥、流體廢水污泥等中，其中然后秸桿以最高產(chǎn)率在生物氣反應(yīng)器中被轉(zhuǎn)化成生物氣。
[0079]根據(jù)本發(fā)明的方法可用于秸桿的預(yù)處理以用于生產(chǎn)生物氣。使100，000噸流體牲畜糞肥脫氣并且將氣體傳遞至分散的聯(lián)合熱電廠的典型的生物氣設(shè)施同樣可利用適合的技術(shù)，無需對生物氣設(shè)施進行太大的進一步投資每年利用例如10，000噸秸桿。借此，每年生物氣產(chǎn)量從約2.5m m3增大至4m m3(利用牲畜糞肥)并且增大至6.5m m3 (利用秸桿)。所述方法為現(xiàn)存的設(shè)施提供了大幅度增加生物氣生產(chǎn)的可能性。
[0080]機械蒸汽爆炸的總效應(yīng)包括機械壓縮、熱處理、蒸汽爆炸、氧化和自動水解。
[0081]根據(jù)本發(fā)明的方法可例如以下述方式進行，所述方式是基于秸桿描述的，但是其可類似地用于其它含木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)。
[0082]在機械蒸汽爆炸之前，通過向活塞室供給干燥的切割秸桿、干燥的鋸屑或類似的木質(zhì)纖維素來開始加工。曲柄上的活塞將疏松的秸桿移入管狀反應(yīng)室中。通過曲柄，活塞來回移動并且通過各個沖程將新的秸桿移入反應(yīng)室中。壓縮的秸桿通過重復(fù)的供給秸桿及其壓縮被推動通過管。
[0083]在引入活塞室之前，根據(jù)需要，秸桿可被氣體、堿或酸浸潰。借此自動水解可得以增強，并且經(jīng)處理的材料中的PH被進一步降低，即降低至pH 1-4，通常為pH 2。或者，可添加堿并且因此可在機械誘導(dǎo)效應(yīng)以外進行堿性水解。
[0084]隨后壓縮的秸桿可被粉碎并且因此接受在自由下落的混合機或其它種類的混合機中水和酶的添加。
[0085]將經(jīng)處理的秸桿供應(yīng)至生物氣過程、生物乙醇過程或其它發(fā)酵過程或用于生產(chǎn)生物燃料、有機酸或其它有機生物產(chǎn)物(如紙、工業(yè)化學(xué)品、飼料或其它材料)的過程。
[0086]本發(fā)明可利用可商購的機械部件，包括用于大捆形式的秸桿的裝卸線，包括輸送帶、借助錘磨機撕裂、粉碎至所需的尺寸、在機械蒸汽爆炸前分離石頭、沙和其它污染物。
[0087]因此也可在改進后使用商業(yè)壓塊壓機以提供誘導(dǎo)秸桿和類似生物質(zhì)中的蒸汽爆炸所需的過程參數(shù)。
[0088]在機械蒸汽爆炸后，材料可納入生物乙醇、生物氣或其它形式的生物燃料；通常將為乙醇的生產(chǎn)中。在生物乙醇的生產(chǎn)中，原則上存在兩個系統(tǒng):在乙醇加工中直接使用材料或在乙醇加工前提取木質(zhì)素。
[0089]最后，可以若干方式對所述處理導(dǎo)致材料被壓縮至高密度這一事實加以利用。首先，隨著秸桿被壓縮并且可以任何方式引入反應(yīng)器(例如生物反應(yīng)器)中，可在熱化學(xué)反應(yīng)器或其它反應(yīng)器中在高密度下發(fā)生后續(xù)處理。但是，還可以利用的是，生物質(zhì)(例如秸桿)可在本地收集并且在本地分散的加工站處理，在那里所述生物質(zhì)以壓縮狀態(tài)貯存，之后被運輸?shù)街行募庸ぴO(shè)施(如生物乙醇設(shè)施)。
[0090]因此本地處理包括收集10，000噸-50，000噸或諸如此類的量的(例如)秸桿，
在秸桿處理線中處理生物質(zhì)，如本發(fā)明所述壓制生物質(zhì)，并且在本地貯存前稱重、注冊和質(zhì)檢。應(yīng)注意在這里處理和壓縮都是用于用來收集送至中心生物乙醇設(shè)施的量值為0.5m-lm噸或更多的秸桿的全程物流解決方案的。
[0091]此外，在處理中，添加酸、堿或氣體作為催化劑，并且同時在貯存期間作為抗微生物劑。借此避免生物質(zhì)在貯存期間被微生物侵襲-生物質(zhì)被非常簡單地保存著。同時通過整個預(yù)處理來清理、注冊并且質(zhì)檢生物質(zhì)并且在類型和質(zhì)量方面原樣貯存。
[0092]根據(jù)特別的實施方案，根據(jù)本發(fā)明的方法的特殊之處在于在離開反應(yīng)室后，生物質(zhì)被直接移入選自酶反應(yīng)器、熱化學(xué)反應(yīng)器、熱反應(yīng)器、化學(xué)反應(yīng)器、生物反應(yīng)器或不同反應(yīng)器的反應(yīng)器中。
[0093]根據(jù)特別的實施方案，根據(jù)本發(fā)明的方法的特殊之處在于在離開反應(yīng)室后，生物質(zhì)被貯存在本地并且在中心設(shè)施中進行后續(xù)加工。
[0094]根據(jù)另一特別的實施方案，指示一種用于制備飼料(如例如牛飼料)的方法。這通過經(jīng)機械誘導(dǎo)蒸汽爆炸處理的稻桿的青忙(ensilat1n)來實現(xiàn)。這能對稻桿進行青忙，獨立地或通過摻和干草、玉蜀黍或其它用于青貯飼料的作物。這改善了秸桿和混合青貯飼料的飼用價值，包括提高干物質(zhì)含量、蛋白質(zhì)含量和青貯飼料的總體消化率。
[0095]根據(jù)另一特別的實施方案，指示一種用于將木屑形式的生物質(zhì)處理成紙漿或其它纖維產(chǎn)品的方法，其中機械誘導(dǎo)蒸汽爆炸構(gòu)成了插入的預(yù)處理。這種預(yù)處理發(fā)生在利用氫氧化鈉(NaOH)和硫化鈉(Na2S)中的常規(guī)熱化學(xué)處理(KRAFT)之前。這蘊含著常規(guī)處理可通過消耗更少的水、更小體積的化學(xué)品和能量來實現(xiàn)，并且因此以更成本有效的方式來執(zhí)行。
[0096]附圖描述
[0097]在下文中，將通過參照附圖來更詳細地說明本發(fā)明，其中:
[0098]圖1示意性地示出用于在生物質(zhì)中建立機械蒸汽爆炸的活塞壓機的設(shè)計；
[0099]圖2示出用于說明根據(jù)本發(fā)明的方法的各種實施方案的圖；
[0100]圖3示出用于說明利用機械蒸汽爆炸作為同時進行預(yù)處理并且將秸桿供給至生物氣反應(yīng)器，可選地直接或間接供給至熱反應(yīng)器、化學(xué)反應(yīng)器、熱化學(xué)反應(yīng)器或其它生物反應(yīng)器的技術(shù)的原理的圖；
[0101]圖4示出用于說明利用機械蒸汽爆炸作為生物乙醇加工之前對秸桿的預(yù)處理的原理和生物乙醇加工中的主要原理的圖，并且其中在酶反應(yīng)器中提取木質(zhì)素；
[0102]圖5示出用于說明利用機械蒸汽爆炸作為生物乙醇加工之前對秸桿的預(yù)處理的原理和生物乙醇加工中的主要原理的圖，并且其中通過壓制作用去除木質(zhì)素；
[0103]圖6示出用于說明在包括典型熱化學(xué)反應(yīng)器或其它反應(yīng)器的生物乙醇加工中整合機械誘導(dǎo)蒸汽爆炸用于預(yù)處理的原理的圖；
[0104]圖7示意性地示出其中使用活塞壓機用于在生物質(zhì)中建立機械蒸汽爆炸作為在弓I入生物反應(yīng)器中之前對生物質(zhì)的預(yù)處理的生物氣設(shè)施；
[0105]圖8示出用于說明在生產(chǎn)飼料(例如牛飼料)的方法中整合機械誘導(dǎo)蒸汽爆炸的原理的圖；并且
[0106]圖9示出用于說明在將木屑形式的生物質(zhì)處理成紙漿或其它纖維產(chǎn)品的方法中，在常規(guī)熱化學(xué)處理前整合機械誘導(dǎo)蒸汽爆炸的原理的圖。
[0107]本發(fā)明實施方案的詳述
[0108]圖1:
[0109]示出在生物氣加工前，秸桿的機械蒸汽爆炸的技術(shù)布置和操作。
[0110]圖1中使用了以下參考標號:11為活塞室；12為活塞；13為曲柄；14為疏松的稻桿；15為反應(yīng)室(管)并且16為被壓縮的稻桿。
[0111]圖2:
[0112]示出用于利用本發(fā)明由秸桿生產(chǎn)生物乙醇的流程圖。接收秸桿1)，在2)壓機中處理和可能的補充水解前在秸桿處理線中撕裂并且清理，之后3)將壓縮的秸桿撕裂為疏松的秸桿?，F(xiàn)在可對這種疏松的秸桿噴灑或添加水和酶的適合混合物來進行4)混合和液化，也被稱為專用水解。向水中添加水解酶，并且向秸桿中添加這種酶-水混合物，以使得對于水解以及整個生物乙醇生產(chǎn)中的其余過程來說，干物質(zhì)含量為最佳的。應(yīng)注意本發(fā)明能夠最佳地調(diào)節(jié)干物質(zhì)/水/酶比率，因為秸桿是在干燥狀態(tài)下被預(yù)處理的，并且在水解之前未被脫水，例如因為并未在大量水中通過常規(guī)蒸汽爆炸對秸桿進行預(yù)處理。液化和專用水解最佳地在40°C -80°C，通常為50°C _55°C的溫度范圍內(nèi)，并且pH4-7，通常pH 5.0-5.5下實現(xiàn)。專用水解的持續(xù)時間為I小時-100小時，通常為24小時-72小時，具體為48小時?？赏ㄟ^膜酶反應(yīng)器來進一步延伸這種專用水解，其中水解被延伸直到糖聚合物完全分解為糖低聚物和單體。在膜反應(yīng)器中維持水解的最佳溫度和PH，并且關(guān)聯(lián)的膜只允許溶解的糖低聚物和單體通過所述膜，而木質(zhì)素、未轉(zhuǎn)化的秸桿和酶被保留在酶反應(yīng)器中。酶-膜系統(tǒng)通常由通過振動篩、滾筒篩或用于將更大的顆粒保留在酶反應(yīng)器中的微型篩進行的篩選組成，通常顆粒在10 μ m與200 μ m(微米)之間，優(yōu)選50 μ m-150 μ m并且通常低于100 μ m?，F(xiàn)在將此篩選過的材料通過膜過濾，通常為孔徑為10nm-100nm(納米),優(yōu)選25nm_75nm并且通常為約50nm的超濾膜(UF-膜)。這種膜的分子量截留量(MWCO)為5道爾頓-15，000道爾頓并且通常約為10，000道爾頓。這種膜允許糖通過，而木質(zhì)素被保留，從而構(gòu)成木質(zhì)素濃縮物。在優(yōu)選的配置中，將UF-過濾與RO-過濾相結(jié)合，由此在發(fā)酵前濃縮溶解的糖，并且在其中或者在它之前將滲透物純水再循環(huán)至酶反應(yīng)器。將濃縮的糖供應(yīng)至6)生物反應(yīng)器以發(fā)酵成生物乙醇、進行后續(xù)蒸餾等。圍繞5)酶-膜反應(yīng)器的過程可由篩選或UF-膜單獨或其組合組成，膜系統(tǒng)也可包括RO-過濾。與系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的最重要的優(yōu)點在于持續(xù)去除溶解的糖-即酶活動的產(chǎn)物，借此消除酶的產(chǎn)物抑制。此外，生物質(zhì)顆粒在酶-膜反應(yīng)器中的停留時間與液壓停留時間斷開，這也有助于生物質(zhì)的完全水解。最后，在RO-設(shè)施中濃縮糖以獲得最佳濃度10% -30%，通常為約20%，從而在發(fā)酵和蒸餾過程中確保最佳的乙醇濃度。
[0113]圖3:
[0114]示出用于將秸桿注入生物氣反應(yīng)器的流程圖，其中在于壓機中實際預(yù)處理前，秸桿在秸桿處理線中被撕裂并且清理?，F(xiàn)可直接或間接向生物氣反應(yīng)器，或就此而言向不同的反應(yīng)器供應(yīng)預(yù)處理并且壓縮的秸桿。在此利用的是秸桿是預(yù)處理過的，并且因此是粘滯的并且易于溶解在反應(yīng)器液體中，也易于被壓縮至0.5-1.5，優(yōu)選0.8-1.2并且通常為約I的高比密度。壓縮的秸桿必須具有高密度，因為秸桿因此可浸入液體中，在液體中懸浮很短的一段時間并且分布在整個反應(yīng)器液體體積中。因此無浮層或防止轉(zhuǎn)化為生物氣的其它事物形成。還有必要的是，秸桿改變了它的特征并且變得非常粘滯，即變得吸水，因為這種特性允許秸桿懸浮并且分布在整個反應(yīng)器液體體積中。可通過在壓機上連接排放管或延伸噴嘴至生物反應(yīng)器實現(xiàn)直接添加，同時應(yīng)意識到此處在延伸管道中流動的壓縮的秸桿會遇到具有與反應(yīng)器中液體水平成比例的超壓(例如I巴或更高)的液體。然而，在延伸管道中壓縮的秸桿在如此高的超壓(高達上述的2000巴)下壓縮并且行進，以致于秸桿可在沒有液體回流或生物氣泄露的風(fēng)險下在反應(yīng)器的底部被引入并且因此處于液體表面的下面。還有可能通過另一個螺旋系統(tǒng)供應(yīng)秸桿，其中長的傾斜或豎直的螺旋輸送機將秸桿上移到在液體表面下打開的短的傾斜供給螺旋系統(tǒng)。以此方式也可避免液體回流和生物氣逸出。在此秸桿也可浸入反應(yīng)器液體中并且在短時間內(nèi)懸浮。短時間意味著Imin與120min之間，優(yōu)選30min-90min并且通常低于I小時。鑒于液壓在生物氣反應(yīng)器中通常停留時間為10天-90天，此時間周期是短的。也可通過與其它生物質(zhì)摻和間接地向生物反應(yīng)器供應(yīng)秸桿，所述其它生物質(zhì)通常為流動的牲畜糞肥、污泥、廢水以及諸如此類通過泵送被供應(yīng)至生物氣反應(yīng)器的生物質(zhì)。通常在生物氣設(shè)施中為液體生物質(zhì)提供接收儲存器或接收罐，并且秸桿可在此處從壓機添加，與其它生物質(zhì)一起懸浮并且被泵送入生物反應(yīng)器中。如果在運輸?shù)缴锬芰吭O(shè)施之前，在分散的收集站中進行預(yù)處理、壓縮、貯存等，通常將通過另一個螺旋輸送機或其它閉鎖進料器系統(tǒng)弓I入秸桿。
[0115]圖4:
[0116]示出生物乙醇過程配置的流程圖，其中木質(zhì)素在預(yù)處理后并且在發(fā)酵前被去除，也參照圖2(參見此)。參照圖2的描述，發(fā)酵和蒸餾是最佳的，并且由于發(fā)酵是在不存在大量的木質(zhì)素下發(fā)生，發(fā)酵將會產(chǎn)生純酵母，所述酵母可通過離心從蒸餾物中分離出來。離心機中的濃縮物構(gòu)成酵母餾分，而不合格的水構(gòu)成含有溶解的糖、酵母細胞、木質(zhì)素等殘余物的薄的液體餾分，所述液體餾分可有利地在生物氣反應(yīng)器中被脫氣以用于生產(chǎn)生物氣并且在RO-過濾前調(diào)整液體，并且出于施肥目的制備酒糟(K-肥料)并且純水用于再循環(huán)。生產(chǎn)流程的實際關(guān)鍵圖的實例在圖中示出。每年輸入100，000噸稻草或以12.5t/h的速度輸入8000個操作小時。假設(shè)秸桿由40%纖維素、30%半纖維素、20%木質(zhì)素和10%水組成。
[0117]圖5:
[0118]示出當(dāng)生物質(zhì)含有更大量的木質(zhì)素，并且因此在預(yù)處理后并且在發(fā)酵等前插入特定木質(zhì)素提取的情況下的流程圖。這種木質(zhì)素提取的特別優(yōu)點在于參照本發(fā)明，預(yù)處理的秸桿是干燥并且吸水的，并且因此可將其添加至就提取木質(zhì)素而言是最佳的液體中。在優(yōu)選的配置中，使用有機酸，如檸檬酸、乳酸、乙酸以及類似的有機酸在40°C _120°C，優(yōu)選60°C-100°C，通常為80°C，在最終pH為1-6，優(yōu)選2-4并且通常pH 3下，提取木質(zhì)素。應(yīng)注意，參照本發(fā)明，可在壓制前添加這些酸，并且如果這樣做的話，在壓制后只添加水來提取木質(zhì)素。以此方式木質(zhì)素以及部分提取半纖維素和鉀鹽被提取，而純纖維素纖維被留下以進一步加工。通過向經(jīng)處理的秸桿添加水和有機酸的混合物來實現(xiàn)提取，之后所述液體在一段時間之后，在一個或兩個步驟中經(jīng)受機械壓制。纖維素纖維在此過程中繼續(xù)，而木質(zhì)素-酸的混合物被供應(yīng)生物氣過程，其中具體半纖維素和溶解的糖以及有機酸被轉(zhuǎn)化成生物氣，同時木質(zhì)素通過UF-膜穿過生物氣反應(yīng)器以進行后續(xù)濃縮。在UF-膜之后，K-鹽在RO-膜中被濃縮，而濃縮物、純水被再循環(huán)用于再次提取。參照圖2，在發(fā)酵和蒸餾，并且最終為了制備純酵母餾分進行離心之前，向酶膜反應(yīng)器供應(yīng)純纖維素纖維。在圖中提及實際生產(chǎn)圖和材料流程的實例。每年輸入100，000噸秸桿或以12.5t/h的速度輸入8000個操作小時。假設(shè)秸桿由40%纖維素、30%半纖維素、20%木質(zhì)素和10%水組成。
[0119]圖6:
[0120]更詳細地示出所謂的“全漿料”的過程配置，其中在預(yù)處理后不進行木質(zhì)素的分離，但是其中將全部預(yù)處理的生物質(zhì)供應(yīng)于發(fā)酵和蒸餾，并且僅在蒸餾后將所述生物質(zhì)分成主要的組分酵母細胞、經(jīng)生物氣過程獲得的甲烷、木質(zhì)素和酒糟，其中酒糟由營養(yǎng)性鹽(具體是鉀、磷和氮)組成。參照本發(fā)明，通過收集秸桿并通過I)秸桿處理線對秸桿進行初步處理來啟動配置，在秸桿處理線中秸桿被撕裂至lcm-20cm，通常為5cm-10cm的長度，并且通過氣動旋風(fēng)器清理去除污染物，之后在2)機械壓機處理之前，錘磨機進一步將秸桿的長度減少至0.lcm-5cm,通常為lcm_2cm。在這方面,可能且非?？赡茉谶\輸?shù)街行纳餁庠O(shè)施前，在分散的收集站中收集、預(yù)處理、質(zhì)檢、注冊、稱重并且在本地貯存。在中心生物能設(shè)施中，將壓縮形式的壓縮秸桿供應(yīng)至3)熱化學(xué)反應(yīng)器中，在這里根據(jù)需要向秸桿中添加水，并且通過直接注入蒸汽來使秸桿經(jīng)受補充水解，以使得將秸桿暴露在60°C與220°C之間，通常為120°C -180°C并且具體為140°C _60°C的溫度下，并且培育適當(dāng)?shù)臅r間，SPlmin-120min,通常為10min-60min并且具體為30min-40min?，F(xiàn)已準備好稻桿來進行4)酶液化，又稱為專用水解，并且向水中添加適合的酶，并且向秸桿添加這種酶-水混合物，這樣就水解和整個生物乙醇生產(chǎn)中其余的過程而言，干物質(zhì)含量是最佳的。應(yīng)注意，因為秸桿是在干燥狀態(tài)下被預(yù)處理并且在水解之前并未被脫水，本發(fā)明能夠最佳地調(diào)節(jié)干物質(zhì)/水/酶比率。相應(yīng)地，可在熱化學(xué)反應(yīng)器中使用最佳水/干物質(zhì)與可用的催化劑之間的比率來進行補充預(yù)處理。液化和專用水解最佳地在40°C _80°C，通常為50°C _55°C的溫度范圍下，在pH 4-7，通常pH 5.0-5.5下實現(xiàn)。專用水解的持續(xù)時間為I小時-100小時，通常為24小時-72小時，具體為48小時。發(fā)酵和蒸餾5大體上作為SSF發(fā)酵(同時糖化和發(fā)酵)，即同時糖化和發(fā)酵發(fā)生，并且蒸餾作為真空蒸汽蒸餾發(fā)生，參照其已知的原理。然而，特殊特征在于，發(fā)酵延長至2天-14天，通常為8天-12天并且具體為10天，這與常規(guī)操作的設(shè)施通常I天-3天形成對照。這是為了在考慮全漿料系統(tǒng)中木質(zhì)素含量的同時，獲得特定乙醇產(chǎn)量的最大值。發(fā)酵在標準PH和溫度下發(fā)生，并且因此蒸餾在標準條件下進行。在分離6)過程中，通過適用于這種類型的含酵母細胞的蒸餾物的新技術(shù)從蒸餾物中分離酵母細胞形成此過程的一部分。蒸餾物經(jīng)受“溶解氣浮選”，即注入并且溶解氣泡，從而將酵母提升至液體表面，在這里它從液體中被傳導(dǎo)走并且被離心。以此方式獲得可被用作蛋白質(zhì)飼料的純酵母底物。將具有一定量的溶解木質(zhì)素、殘余量的糖、酵母細胞和底物的殘余液體供應(yīng)至生物膜反應(yīng)器以用于生產(chǎn)生物氣。通常木質(zhì)素通過生物氣反應(yīng)器而殘余糖等轉(zhuǎn)化為生物氣。在生物脫氣后，液體因此含有純木質(zhì)素餾分并且非常適合沉降和超濾以便分離木質(zhì)素。以此方式產(chǎn)生純木質(zhì)素餾分。同時，UF-過濾使得能夠通過最終RO-分離(R0:逆滲透)和蒸發(fā)來從殘余液體中分離溶解的營養(yǎng)性鹽。來自RO-分離的濃縮物構(gòu)成酒糟，而滲透物為純水，其被再循環(huán)至步驟3和步驟4。以此方式完成生產(chǎn)過程并且由此由秸桿產(chǎn)生生物乙醇、酵母底物、甲烷、木質(zhì)素和酒糟。
[0121]圖7:
[0122]示出一種設(shè)施，其包括容器I (其包括分配青貯窖和圖1中示出的類型的壓機)、兩個熱量處理螺桿2、供給單元3、第一輸送機4、生物反應(yīng)器5、填充單元6和第二輸送機7。
[0123]所示的設(shè)施在切割秸桿形式的生物質(zhì)中操作，所述生物質(zhì)最大長度為40mm，被填充至填充單元6中。
[0124]秸桿通過第二輸送機7移送至分配青貯窖(這是容器I的整合部分)，并且下移至壓機中，在所述壓機中進行壓塊過程。在壓塊過程后，壓塊經(jīng)由壓機反應(yīng)室上的排放管(又稱為延伸噴嘴)移至熱量處理螺桿2?？稍跍囟群屯ㄟ^時間方面調(diào)節(jié)熱量處理螺桿2。熱量處理螺桿的容量為750kg_1200kg，這通常與一小時的生產(chǎn)相對應(yīng)。
[0125]輸送機4將壓塊移至供給單元3。供給單元3被適配成以在壓塊供給期間不會發(fā)生氣體從生物反應(yīng)器5泄露的方式，引入壓塊至生物反應(yīng)器的液體水平之下。
[0126]或者，可通過熱量處理螺桿2將壓塊直接從活塞壓機移至生物反應(yīng)器5的底部在液體水平之下。
[0127]圖8:
[0128]示出一種通過青貯經(jīng)處理的秸桿來生產(chǎn)飼料，例如牛飼料的方法。機械誘導(dǎo)蒸汽爆炸能夠獨立地或通過摻和割草、玉蜀黍或其它用于青貯的作物來青貯秸桿。這通過1.a.提高干物質(zhì)含量、蛋白質(zhì)含量和青貯飼料的總體消化率，改善了秸桿和混合青貯飼料的飼用價值。
[0129]圖9:
[0130]示出一種用于將木屑形式的生物質(zhì)加工成紙漿或其它纖維產(chǎn)品的方法，其中在利用氫氧化鈉(NaOH)和硫化鈉(Na2S)的常規(guī)熱化學(xué)處理(KRAFT)之前，機械誘導(dǎo)蒸汽爆炸構(gòu)成了插入的預(yù)處理。這蘊含著常規(guī)處理可通過消耗更少的水、更小體積的化學(xué)品和能量來實現(xiàn)，并且因此整體以更成本有效的方式來執(zhí)行。
【權(quán)利要求】
1.一種用于加工含木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)(例如秸桿)的方法，所述方法使得纖維素和半纖維素易于被進一步加工，通常被分解，優(yōu)選酶分解，其特征在于所述方法包括以下步驟: -在往復(fù)式活塞壓機中重復(fù)壓縮所述生物質(zhì)，其中疏松的生物質(zhì)被連續(xù)供給活塞前的活塞室，所述活塞將所述疏松的生物質(zhì)移至管狀反應(yīng)室中，在所述管狀反應(yīng)室中，所述生物質(zhì)被壓縮用于在壓縮生物質(zhì)通過所述反應(yīng)室的同時位移下產(chǎn)生機械誘導(dǎo)的水蒸汽爆炸和自動水解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在壓縮期間在所述生物質(zhì)中施加500巴至3000巴，具體在1000巴與2500巴之間的壓力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述活塞壓機被調(diào)整成使得所述反應(yīng)室的至少第一部分中的溫度在40°C至240°C的范圍內(nèi)，優(yōu)選通常為60°C至170°C的可測量的溫度，并且具體在60°C與120°C之間的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述生物質(zhì)在被引入所述活塞室之前用氣體和/或堿或酸浸潰以用于預(yù)處理木質(zhì)纖維素。
5.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于在壓縮后添加酶和水，優(yōu)選通過將混合物噴灑在干秸桿上，并且隨后撕裂所述壓縮生物質(zhì)。
6.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述壓縮生物質(zhì)在離開所述反應(yīng)室后被撕裂并且粉碎。
7.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述生物質(zhì)在離開所述反應(yīng)室后被移至酶反應(yīng)器并且進行后續(xù)發(fā)酵。
8.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述生物質(zhì)在壓縮后被添加生物氣設(shè)施中的流體牲畜糞肥、流體廢水污泥等用于后續(xù)生物氣加工。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述生物質(zhì)在所述生物氣設(shè)施的反應(yīng)罐中低于表面的水平下添加。
10.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于補充水解在所述壓縮生物質(zhì)已離開所述反應(yīng)室后實現(xiàn)。
11.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于在將所述生物質(zhì)供應(yīng)至所述活塞室之前，從所述生物質(zhì)中清除石頭、沙和其它雜質(zhì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于所述生物質(zhì)在離開所述反應(yīng)室后被直接移至反應(yīng)器，所述反應(yīng)器選自酶反應(yīng)器、熱化學(xué)反應(yīng)器、熱反應(yīng)器、化學(xué)反應(yīng)器、生物反應(yīng)器或不同的反應(yīng)器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于所述生物質(zhì)在離開所述反應(yīng)室后被存在本地并且后續(xù)加工在中心設(shè)施中進打。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于在所述機械誘導(dǎo)的水蒸汽爆炸后，青貯由秸桿組成的所述生物質(zhì)來生產(chǎn)草料，例如牛草料。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于在所述機械誘導(dǎo)的水蒸汽爆炸后，由用于紙漿或其它纖維產(chǎn)品的木屑構(gòu)成的所述生物質(zhì)經(jīng)受利用氫氧化鈉(NaOH)和硫化鈉(Na2S)的常規(guī)熱化學(xué)加工(KRAFT)。
【文檔編號】D21C1/02GK104271752SQ201380023061
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月11日
【發(fā)明者】T·A·邦德 申請人:動力生物燃料公司