本發(fā)明涉及處理主要是有機來源、例如呈廢物或生物質(zhì)形式的材料的方法、工藝和裝置，其中經(jīng)處理材料的糖類等的含量可用于發(fā)酵成一種或多種所需產(chǎn)物。

背景技術(shù)：

城市和工業(yè)上的污泥和廢物及主要是有機來源的其它來源的廢品，如園藝、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、木材工業(yè)、食品加工業(yè)等的副產(chǎn)物，多年以來作為生產(chǎn)co2中性燃料(如生物乙醇或沼氣)的可能起始材料越來越受到關(guān)注。

在文獻中已經(jīng)描述了許多不同的預(yù)處理方法用于生物質(zhì)材料，其中糖類等的內(nèi)容物更容易獲得。最著名的是：強酸和弱酸水解；濕式爆炸(蒸汽爆炸-stex)；濕式氧化(wo)；堿性纖維爆炸(氨纖維爆炸-afex)；和熱水解(液態(tài)熱水-lhw)。

通常強酸和弱酸水解的特征在于半纖維素被水解并溶解，且纖維素的可利用性增加，用于隨后基于酸的水解或酶促水解。當(dāng)使用這些類型的水解時，在分離不溶性和溶解的部分之后，此外可以通過發(fā)酵進一步加工這些部分。lightner(us6.258.175)描述了其中的強酸水解，其中還描述了用乙醇沉淀后重新使用所用酸的可能性。此工藝的主要目的是溶解纖維素和半纖維素，以便隨后用于(例如)通過發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。

生物質(zhì)酸水解涉及有幾個問題。首先需要將材料分成非常細的顆粒(<1mm)，這是極其耗能的。此外，需要中和經(jīng)處理材料，這通常通過加入caco3(石灰石)進行。這意味著此工藝中化學(xué)品的消耗較高，同時中和工藝積累大量水合硫酸鈣。此外，與其它形式的處理得到的材料相比，來自酸水解的處理材料對酶促水解和微生物發(fā)酵具有抑制作用(參見下文)。最后，由于酸催化工藝，泵、反應(yīng)器等容易遭受腐蝕。

對濕式爆炸(stex)的描述可追溯至1928年，當(dāng)時mason開發(fā)了制造硬紙板的工藝(us1.824.221和2.759.856)。stex工藝包括高壓下的熱水解，然后壓力以所謂的“閃蒸作用”釋放，其中由于壓力大幅下降，使得每條纖維發(fā)生爆炸，因此得名濕式爆炸(或蒸汽爆炸)。這種處理方法后來進一步開發(fā)用于制造(例如)乙醇或紙(例如，wo98/27269)。

在stex中通常會發(fā)生半纖維素的部分溶解(>80％)，并且纖維素可用于隨后的水解。stex的作用類似于酸水解的作用-然而，stex工藝使工藝設(shè)備更不容易磨損，且對于化學(xué)品的使用和廢物的積累并不是那么苛刻。然而，在stex中，依然形成了相當(dāng)量的抑制可能的后續(xù)發(fā)酵工藝的物質(zhì)(palmqvist和hahn-hagerdal2000)，特別是當(dāng)用酸(so2或h2so4(martin等人，2002))預(yù)先對材料進行液化時。

已經(jīng)開發(fā)了濕式氧化(wo)以氧化有機廢物部分(us2.690.425)，并且后來進行了改進，從而從含有木素纖維素的生物質(zhì)和有機廢物得到半纖維素溶液(參見例如wo00/14120)。濕式氧化包含加入氧化劑(如超壓氧)的熱工藝。在濕式氧化中，半纖維素部分溶解，并且存在的木質(zhì)素的一部分被氧化，從而纖維素的可利用性增加。通常，wo不需要額外的工藝步驟來去除抑制性物質(zhì)。

堿性纖維爆炸(afex)是結(jié)合蒸汽爆炸和添加堿性催化劑的工藝。在傳統(tǒng)的afex中，生物質(zhì)在中等溫度(～50℃)下在氨水中液化，之后壓力瞬間釋放(爆炸)。通過這種工藝，纖維素和木質(zhì)素被改性，這使得纖維素更具反應(yīng)性(可利用性)，同時釋放半纖維素。

熱水解(lhw)是其中半纖維素的高度溶解與木質(zhì)素的部分溶解同時發(fā)生，且纖維素的可利用性提高(用于酶促水解)的工藝(通常為170℃-230℃)。預(yù)先未被分開且用lhw預(yù)處理的甘蔗廢物在添加中等量的酶之后，經(jīng)酶促水解和發(fā)酵后導(dǎo)致高達90％的理論乙醇產(chǎn)率(vanwalsum等人，1996)。美國專利4.461.648描述了增加含纖維素和木質(zhì)纖維素的材料的可利用性的方法。該方法包含在壓力、熱處理和濕式爆炸下添加水蒸氣，進一步描述了蒸汽的再循環(huán)是不可能的。

用于生產(chǎn)基于此類有機廢物或生物質(zhì)的co2中性燃料的已知方法通常包括采用某種熱水解工藝(thp)的預(yù)處理步驟，然后進行厭氧消化。

這些工藝通常是基于在一個或多個反應(yīng)器中使用高溫和高壓的組合進行熱水解的步驟，以分解廢物或污泥中的有機材料的細胞結(jié)構(gòu)并分解高分子量有機化合物為更小的分子。

熱水解步驟之后可能是在一個或多個壓力釋放罐中進行蒸汽爆炸的步驟，其中罐的內(nèi)容物由于壓力的快速釋放而分解。生物質(zhì)的分解和分裂使得后續(xù)發(fā)酵步驟更有效。

由采用熱水解工藝(thp)的預(yù)處理步驟產(chǎn)生的產(chǎn)物通常具有高溫(例如高于90℃)，且特征在于相對高干物質(zhì)含量(例如高于25％)，且在某些情況下也相對低的ph(例如低于5)。因此，此產(chǎn)物的處理通常需要高度專業(yè)化的設(shè)備，且此外通常必須在將其引入基于厭氧消化的后續(xù)工藝之前對其進行冷卻、中和和/或稀釋(例如用水)，因為后續(xù)工藝通常是在較低的溫度、較低的干物質(zhì)含量和中性ph下進行。

wo2007/009463公開了將纖維素材料轉(zhuǎn)化為乙醇和其它產(chǎn)物的方法。對纖維素材料進行至少一次浸泡操作的水熱預(yù)處理、在加壓反應(yīng)器中的水熱預(yù)處理及之后的壓制操作，產(chǎn)生纖維部分和液體部分。水熱預(yù)處理將至少80％的木質(zhì)素留在纖維部分中。由于需要處理具有高干物質(zhì)含量的材料，wo2007/009463中描述的工藝通常需要高度專業(yè)化的設(shè)備。

wo03/013714公開了閘系統(tǒng)，通過它可以分配具有高干物質(zhì)含量的產(chǎn)物，且然后通過至少一個閘室和兩個壓力栓分別輸送，從而允許(例如)從低壓區(qū)轉(zhuǎn)移到高壓區(qū)。

多年來，已經(jīng)開發(fā)了對上述生物質(zhì)和有機廢物處理工藝的不同改進。因此，實現(xiàn)這些改進的一種方式是通過使用再循環(huán)。特別是在工藝中以其它方式使用的蒸汽的再循環(huán)及其用于預(yù)熱生物質(zhì)，以及來自工藝的水流出物的再循環(huán)以減少在工藝中以其它方式使用的工藝水的消耗，已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)中進行了描述。

wo2011/006854公開了用于生物質(zhì)的熱水解和蒸汽爆炸的方法和裝置。該方法涵蓋以下步驟：預(yù)熱生物質(zhì)，將預(yù)熱的生物質(zhì)引導(dǎo)到至少兩個反應(yīng)器中，在此通過加入蒸汽加熱和加壓，及最后使用兩個壓力釋放罐逐步降低壓力。預(yù)熱罐由來自第一和第二壓力釋放罐的返回蒸汽預(yù)熱。

wo01/60752公開了為連續(xù)工藝的方法，涉及濕式氧化或蒸汽爆炸，用于將生物質(zhì)材料發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇。與生產(chǎn)的乙醇分離后的發(fā)酵廢水流出物隨后進行厭氧發(fā)酵步驟，產(chǎn)生甲烷和廢水流出物，其中潛在的抑制物質(zhì)的量處于亞抑制水平，允許全部或一部分流出水再循環(huán)到工藝中以減少工藝用水的消耗。

wo2014/039984公開了處理生物質(zhì)以獲得單體糖的方法，其中預(yù)處理的生物質(zhì)經(jīng)受酶促水解，并且來自酶促水解反應(yīng)器的至少一部分液化材料作為熱預(yù)處理生物質(zhì)的一部分冷卻劑再循環(huán)到添加酶的上游的位置。

us2009/0098616公開用于處理植物材料以釋放可發(fā)酵糖類的方法。該方法涉及兩階段酶促水解工藝，且優(yōu)選地其前為自動水解步驟，其中材料優(yōu)選在酸存在下經(jīng)受高溫、蒸汽和壓力。來自第一水解階段的低粘度流出物流部分地再循環(huán)到第一酶促水解階段，一些或全部直接進入反應(yīng)器，或者在進入反應(yīng)器之前可與新鮮的木質(zhì)纖維素原料混合。進一步公開的是，酶促工藝可以在真空下進行以去除揮發(fā)性成分，例如酶抑制性化合物(如糠醛)。

盡管生物質(zhì)材料的處理方法很多，但是仍然需要一種方法：其中生物質(zhì)經(jīng)預(yù)處理和隨后發(fā)酵，而無需過度使用化學(xué)添加劑或?qū)I(yè)化設(shè)備來處理具有高干物質(zhì)含量、高溫和相對低的ph的致密材料。另外，需要在能量成本降低的同時將水稀釋最小化的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在第一方面，本發(fā)明涉及處理生物質(zhì)材料的方法，其包含至少以下步驟：

-該生物質(zhì)材料的預(yù)處理，包含以下步驟：

1)在高于140℃的溫度下熱水解，隨后

2)濕式爆炸，導(dǎo)致中間產(chǎn)物的干物質(zhì)濃度高于25％，且溫度高于90℃，

-隨后在消化罐中發(fā)酵該中間產(chǎn)物，

且其特征進一步在于，通過將該中間產(chǎn)物混合到在從該消化罐開始的再循環(huán)回路中輸送的該消化罐的一部分內(nèi)容物中從而將其引入該消化罐中，其中該混合是在該中間產(chǎn)物和該消化罐的該一部分內(nèi)容物的混合物進入該消化罐之前進行。

在第二方面，本發(fā)明涉及處理生物質(zhì)材料的裝置，其中該裝置包含：

-一個或多個反應(yīng)器，

-連接到反應(yīng)器的一個或多個壓力釋放罐，用于釋放生物質(zhì)上的壓力，以及

-連接到壓力釋放罐的一個或多個消化罐，用于發(fā)酵，

其中消化罐連接到壓力釋放罐，用于將與壓力釋放罐的一部分內(nèi)容物混合的消化罐的一部分內(nèi)容物的再循環(huán)。

本文上述的涉及再循環(huán)的改進都不能克服這一需要：即需要高度專業(yè)化設(shè)備進一步處理加工由采用熱水解工藝的常規(guī)預(yù)處理步驟產(chǎn)生的具有高溫(例如高于90℃)、相對高干物質(zhì)含量(例如高于25％)和相對低的ph(例如低于5)的產(chǎn)物。

相反，本發(fā)明的方法和裝置使用正在發(fā)酵的一部分材料的再循環(huán)以克服上述對專業(yè)化設(shè)備、冷卻、中和和/或稀釋(例如用水)的正常需要。

附圖說明

圖1(示意性地)示出了本發(fā)明的實施例。

圖2(示意性地)示出了已知現(xiàn)有技術(shù)方法的典型實施例，涉及(例如)使用蝸桿、螺旋(spiral)或螺旋(helical)輸送機通過管道輸送具有高干物質(zhì)含量的材料。

圖3(示意性地)示出了本發(fā)明的實施例，用于首先通過熱水解(d)和濕式爆炸(j)預(yù)處理生物質(zhì)，且隨后將由此獲得的中間產(chǎn)物在消化罐(q)中發(fā)酵，其中消化罐的一部分內(nèi)容物在再循環(huán)回路(t)中輸送進入壓力釋放罐(j)中，該實施例包括被引入冷凝器(g)和循環(huán)泵(k)的閃蒸蒸汽的任選特征，以及用于引導(dǎo)冷凝物到下游消化罐(q)或進一步加工來回收化學(xué)品(p)的選項。

圖4(示意性地)示出了本發(fā)明的實施例，用于首先通過熱水解(d)和濕式爆炸(j)預(yù)處理生物質(zhì)，且隨后將由此獲得的中間產(chǎn)物在消化罐(q)中發(fā)酵，其中消化罐的一部分內(nèi)容物在再循環(huán)回路(t)中輸送進入壓力釋放罐(j)中。

圖5(示意性地)示出了本發(fā)明的實施例，其中消化罐(q)的一部分內(nèi)容物脫水(ah)并作為干物質(zhì)含量增加的所謂脫水餅返回到進料線路(a)，用于熱水解反應(yīng)器(d)，從而將其與以其它方式進料到此工藝的生物質(zhì)材料混合在一起。

具體實施方式

本發(fā)明涉及處理生物質(zhì)材料的方法，其包含至少以下步驟：

-該生物質(zhì)材料的預(yù)處理，包含以下步驟：

1)在高于140℃的溫度下熱水解，隨后

2)濕式爆炸，導(dǎo)致中間產(chǎn)物的干物質(zhì)濃度高于25％，且溫度高于90℃，

-隨后在消化罐中發(fā)酵該中間產(chǎn)物，

且其特征進一步在于，通過將該中間產(chǎn)物混合到從該消化罐開始的再循環(huán)回路中輸送的該消化罐的一部分內(nèi)容物中而將其引入該消化罐中，其中該混合是在該中間產(chǎn)物和該消化罐的該一部分內(nèi)容物的混合物進入該消化罐之前進行。

由類似thp工藝產(chǎn)生的材料中的干物質(zhì)含量通常極高，有時高于90％。當(dāng)干物質(zhì)含量高于25％時，當(dāng)使用常規(guī)設(shè)備和裝置時，問題出現(xiàn)了，因為中間產(chǎn)物不能通過標(biāo)準(zhǔn)管道并采用標(biāo)準(zhǔn)泵送設(shè)備輸送到消化罐。因此，需要高度專業(yè)化的設(shè)備，例如具有螺旋(screw)、螺旋(spiral)或螺旋(helical)輸送機的管道，且由于材料的相對低的ph和高溫以及干物質(zhì)含量，因此任何設(shè)備的使用都需要頻繁的維護和修理。因此，本發(fā)明方法產(chǎn)生的一個優(yōu)勢是，根據(jù)傳統(tǒng)方法需要通過專業(yè)化設(shè)備輸送的具有高干物質(zhì)含量的材料，如今與來自下游消化罐的再循環(huán)流混合。由于消化罐的內(nèi)容物具有較低的干物質(zhì)含量和較低粘度，混合流具有相對較低的干物質(zhì)含量和粘度，且因此適用于通過標(biāo)準(zhǔn)管道并采用標(biāo)準(zhǔn)泵送設(shè)備方便輸送。

容器、管道且尤其是熱交換器/冷卻器內(nèi)部的結(jié)垢、結(jié)塊和有時堵塞是某些材料、特別是富含木質(zhì)素、樹脂等的有機材料的熱處理期間的已知問題。生產(chǎn)力降低和操作難題可能對此類工廠的運營至關(guān)重要。可能需要頻繁使用就地清潔系統(tǒng)來維持可操作性，并且通常使用堿性清潔化學(xué)品。在下游厭氧消化工藝(發(fā)酵)中發(fā)生的生物降解降解有機酸，并利用堿性液體建立相對堿性的環(huán)境。本發(fā)明的額外優(yōu)勢是容器、管道、閥門和冷卻器從消化材料的再循環(huán)中獲益，提供連續(xù)的堿性清潔，而無需在正常操作期間添加額外的化學(xué)品。對于大多數(shù)原料，此工藝無需使用就地清潔(cip)化學(xué)品。對于最困難的原料，額外的清潔化學(xué)品的消耗將大大減少。

纖維和纖維素材料的行為受幾個因素的影響。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)保持纖維懸浮的能力的影響因素之一是ph。由于有機材料的熱預(yù)處理而產(chǎn)生的低ph使得難以保持纖維懸浮，因此阻塞成為主要問題。本發(fā)明的再循環(huán)的主要優(yōu)勢是堿性消化物增加ph，由此改變纖維和纖維素材料的行為，使其保持懸浮，并允許其被泵送到下游工藝而不使用輸送機系統(tǒng)。

本發(fā)明人具體發(fā)現(xiàn)，在消化罐中發(fā)酵期間獲得的ph通常在ph7.3-8.3的范圍內(nèi)，有利于纖維潤濕性和輸送性質(zhì)。完全或部分水解的生物質(zhì)纖維，例如從濕式爆炸獲得，具有在低ph(例如ph低于6)下與剩余中間產(chǎn)物分離的趨勢。因此，通過再循環(huán)消化罐的一部分內(nèi)容物并與來自濕式爆炸的產(chǎn)物混合，可以增加其它輕微酸性中間產(chǎn)物的ph值，并保持完全或部分水解的生物質(zhì)纖維溶解。

在本發(fā)明的具體實施例中，將中間產(chǎn)物與再循環(huán)發(fā)酵產(chǎn)物混合后獲得的消化罐的進料的ph高于ph6；在優(yōu)選的實施例中，混合后消化罐的進料的ph高于ph6.5。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，上述中間產(chǎn)物的溫度高于100℃。

在此類情況下，即涉及溫度高于100℃的中間產(chǎn)物，可以獲得額外的優(yōu)勢，因為然后可以使用通常伴隨此類中間產(chǎn)物的蒸汽(當(dāng)作為類似thp工藝的結(jié)果時)加熱或甚至巴氏滅菌包含有機來源的材料(例如液體廄肥)在內(nèi)的其它工藝流，這些有機來源的材料將在消化前被加入到預(yù)處理的材料中。

在本發(fā)明的另一個實施例中，上述中間產(chǎn)物的ph低于5。

由熱水解預(yù)處理產(chǎn)生的中間產(chǎn)物通常是酸性的(例如ph4-5)。因此，除了此類產(chǎn)物通常在引入基于厭氧消化的工藝之前必須進行單獨中和(需要使用化學(xué)品)的事實之外，酸性材料從預(yù)處理工藝到消化罐的輸送可能還涉及專業(yè)化設(shè)備。然而，在本發(fā)明的方法中，來自消化罐的再循環(huán)的同時，可以實現(xiàn)中間產(chǎn)物的至少一部分中和。從而在降低對化學(xué)品中和和/或其它用于輸送酸性材料的專業(yè)化設(shè)備的需要方面實現(xiàn)了額外的優(yōu)勢。在本發(fā)明的一個實施例中，中間產(chǎn)物通過與來自消化罐的再循環(huán)材料混合來中和?？梢哉{(diào)整本發(fā)明的方法，使得中間產(chǎn)物的酸度越高，則將要再循環(huán)的消化物越多，以便獲得最佳的ph范圍。

作為另一個益處，本發(fā)明的工藝可以在封閉系統(tǒng)中進行。因此，周圍環(huán)境將受益于不經(jīng)受揮發(fā)性化合物，否則后者可能從經(jīng)歷預(yù)處理和隨后的消化罐中發(fā)酵的材料中蒸發(fā)，并且其可能是潛在的危險且聞起來非常糟糕。

熱水解預(yù)處理通?？梢苑峙M行。類似連續(xù)的工藝流程可能在熱水解的下游，因此可以處理、捕獲和使用從濕式爆炸釋放的相對大量的蒸汽(即在材料的溫度高于100℃的情況下)，這進一步導(dǎo)致整個工藝的外部能量消耗最小化。

根據(jù)本發(fā)明，從消化罐到壓力釋放罐的再循環(huán)優(yōu)選地可以是連續(xù)的工藝流程。由于熱水解進料，壓力釋放罐優(yōu)選是分批工藝，在此情況下，壓力釋放罐中的水解液含量會變化。當(dāng)以此方式應(yīng)用本發(fā)明的方法時，壓力釋放罐進一步用作緩沖儲存罐，由此獲得向下游消化罐和其中的發(fā)酵工藝的連續(xù)工藝流程。

對于大型設(shè)備，有利的是包括一個以上反應(yīng)器用于熱水解預(yù)處理。以此方式，可以運行幾個具有延遲循環(huán)的批次，由此向壓力釋放罐的輸出也隨時間分布，因為用于加熱反應(yīng)器的所需蒸汽輸入更均勻地分布。后者有利于蒸汽生產(chǎn)設(shè)施的尺寸設(shè)計和其能源需求。向壓力釋放罐的半連續(xù)流動可以以此方式獲得。另外，包括一個以上用于熱水解步驟的反應(yīng)器的另一個優(yōu)勢是將來自生物質(zhì)儲存罐的生物質(zhì)進料到熱水解罐的連續(xù)性增加的上游優(yōu)勢。

在本發(fā)明的一個實施例中，來自濕式爆炸步驟(在一個或多個壓力釋放罐中進行)的返回蒸汽可以用于在將生物質(zhì)泵送到反應(yīng)器之前預(yù)熱預(yù)熱罐中的生物質(zhì)。在生物質(zhì)填充期間和之后，還將蒸汽提供給反應(yīng)器，以將生物質(zhì)加熱至所需溫度。從而減少了向反應(yīng)器添加新鮮蒸汽的需要。

由生物質(zhì)材料的預(yù)處理(即熱水解和濕式爆炸)產(chǎn)生的中間產(chǎn)物通常將具有高于25％的干物質(zhì)濃度和高于90℃的溫度。通常，具有高干物質(zhì)含量的中間產(chǎn)物的輸送是通過高度專業(yè)化設(shè)備來解決。此外，中間產(chǎn)物的溫度通常是由傳統(tǒng)的冷卻水來降低。本發(fā)明是基于消化罐的至少一部分內(nèi)容物的再循環(huán)，從而消除了在中間產(chǎn)物能夠進入消化罐之前由其它必要的處理所產(chǎn)生的缺點。生物質(zhì)材料的預(yù)處理可以以如下所述的各種方式進行。

在文獻中已經(jīng)描述了許多不同的預(yù)處理方法用于生物質(zhì)材料，其中糖類等的內(nèi)容物更容易獲得，其中一些方法在本文中在背景部分中提及。最著名的是：強酸和弱酸水解、濕式爆炸、濕式氧化(wo)、氨纖維爆炸(afex)、熱水解(液態(tài)熱水-lhw)及其組合。這些處理可以單獨地或以任何組合形式作為本發(fā)明的預(yù)處理的一部分。根據(jù)預(yù)處理的選擇，本發(fā)明的方法可以進一步包含對生物質(zhì)進行全部或部分研磨的預(yù)處理步驟。

預(yù)處理步驟的其它細節(jié)描述如下：

熱水解

將生物質(zhì)和/或有機廢物材料引入反應(yīng)器，其中將材料與直接或間接蒸汽混合并加熱至高于140℃的溫度，通常在140-220℃的范圍內(nèi)、優(yōu)選在140-200℃、更優(yōu)選150-190℃、甚至更優(yōu)選160-180℃的范圍內(nèi)且最優(yōu)選170℃(在飽和壓力下)。當(dāng)達到所需溫度和所需壓力時，材料可以在這些條件下保持5-30min、優(yōu)選10-25min、更優(yōu)選10-20min且最優(yōu)選15-20min。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，熱水解在高于140℃的溫度下進行并保持5-30分鐘，隨后通過將壓力從5-35巴減小到大氣壓來進行濕式爆炸。

濕式氧化

在本發(fā)明的一個實施例中，方法進一步包含濕式氧化，此氧化優(yōu)選地可以在熱水解步驟之后但在濕式爆炸之前進行。在熱水解終止后，可以將適當(dāng)?shù)难趸瘎┘尤氲讲牧现校瑑?yōu)選氧氣、過氧化氫或空氣，其量可以取決于木質(zhì)素的含量，并且通常相當(dāng)于材料的cod(化學(xué)需氧量)含量的2-20％、優(yōu)選3-19％、更優(yōu)選5-17％(例如優(yōu)選7-16％)、更優(yōu)選8-15％(例如優(yōu)選9-14％)、更優(yōu)選10-13％并由反應(yīng)器的壓力發(fā)展決定。濕式氧化通?？梢栽?70-220℃的溫度范圍內(nèi)進行。

隨著濕式氧化進行，壓力和溫度可以分別增加到15-35巴、優(yōu)選20-35巴、更優(yōu)選25-35巴且最優(yōu)選30-35巴和170-210℃、優(yōu)選180-200℃、更優(yōu)選為190-200℃。在一個實施例中，氧化所處壓力高于步驟1)的熱水解中的飽和壓力。當(dāng)添加氧化劑后達到所需溫度和所需壓力時，材料可以在這些條件下保持1-30min、優(yōu)選5-25min、更優(yōu)選10-20min且最優(yōu)選15-20min。任選地，在濕式氧化反應(yīng)終止之后，材料的壓力可以部分地釋放到5-10巴。在這種情況下，可以進行后續(xù)濕式爆炸的壓力區(qū)間為5-35巴。如果不進行部分壓力釋放，則壓力區(qū)間為1-35巴。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，方法包含在15-35巴的壓力和170-220℃的溫度下的氧化，其保持1-30分鐘。在本發(fā)明的更具體實施例中，方法包含在15-35巴的壓力和170-210℃的溫度下的氧化，其保持1-30分鐘，此氧化在另一個優(yōu)選的實施例中在熱水解之后但在濕式爆炸之前進行。

濕式爆炸

在熱水解步驟和任選的濕式氧化步驟終止之后，處理的生物質(zhì)材料此后被引導(dǎo)到一個或多個壓力釋放罐，在此期間壓力從5-35巴降低；壓力通常可以降低到低于2巴、優(yōu)選低于1.5巴的壓力。優(yōu)選地，壓力從15-35巴降低到大約1巴，即大氣壓。在此濕式爆炸期間，大多數(shù)細胞結(jié)構(gòu)被分解。濕式爆炸后，氧化材料的溫度立即優(yōu)選為95-110℃，使材料無菌。當(dāng)熱處理材料從熱水解反應(yīng)器排放時，通過反應(yīng)器和下游壓力釋放罐之間的壓力差來驅(qū)動向一個或多個壓力釋放罐的排放。由于壓力降，冷凝的蒸氣將在壓力釋放罐內(nèi)部閃蒸。濕式爆炸是通過一個壓力釋放罐進行的，或者在兩個或更多個壓力釋放罐中依次進行。術(shù)語“閃蒸罐”和術(shù)語“壓力釋放罐”在本文中可互換使用。

發(fā)酵

在冷卻到所需溫度后，經(jīng)處理材料可通過發(fā)酵進一步加工成乙醇、氫、乳酸、甲烷、琥珀酸、有機酸或其它所需產(chǎn)物。

本發(fā)明的總體工藝還可以涵蓋用酶(例如纖維素酶)處理，以便在發(fā)酵為乙醇或其它發(fā)酵產(chǎn)物之前將碳水化合物轉(zhuǎn)化成一水合物。

在預(yù)處理之后，漿料和/或其水相可以進一步進行酶促水解處理，導(dǎo)致纖維素和半纖維素的至少部分水解，以獲得含有一定量的微生物可發(fā)酵糖類的漿料和/或水相。

此類酶促水解處理的目的是水解在濕式氧化處理(如果有的話)和/或纖維素和/或半纖維素來源的蒸汽爆炸期間產(chǎn)生的寡糖和可能的多糖物質(zhì)，形成可發(fā)酵糖類(例如葡萄糖、木糖和可能的其它單糖)。

在本發(fā)明的一個實施例中，方法進一步包含該中間產(chǎn)物的酶促水解，酶促水解在發(fā)酵步驟之前進行，但可以在該中間產(chǎn)物與該消化罐的一部分內(nèi)容物混合之前或之后進行。在優(yōu)選的實施例中，方法不包含任何單獨的酶促水解步驟。

酶促水解可以通過用一種或多種合適的碳水解酶(糖苷酶，ec3.2)處理以已知方式實現(xiàn)。在優(yōu)選的實施例中，碳水解酶選自由以下組成的群組：在水解纖維素或纖維素片段的情況下，纖維素酶(ec3.2.1.4)；在水解木糖的情況下，木聚糖酶(例如內(nèi)切-1,4-3-木聚糖酶，ec3.2.1.8)；在纖維素可溶性片段水解成葡萄糖的情況下，包括葡聚糖-1,3-β-葡糖苷酶(外切-1,3-β-葡聚糖酶，ec3.2.1.58)或內(nèi)切-1,3(4)-β-葡聚糖酶，ec3.2.1.6的3-葡聚糖酶，以及水解果膠和其它半乳糖醛酸情況下的果膠酶(多聚半乳糖醛酸酶，ec3.2.1.15)。在這方面相關(guān)的商業(yè)酶產(chǎn)品包括可從丹麥巴格斯瓦德的諾和諾德公司(novonordiska/s)獲得的celluclast^tm，例如作為celluclast^tm1.5l(液體制劑)。celluclast顯示出纖維素酶活性(將纖維素降解為葡萄糖、纖維二糖和較高級葡萄糖聚合物)和某種程度的木聚糖酶活性。

通過水解獲得的可發(fā)酵糖、特別是單糖產(chǎn)物可用于進一步轉(zhuǎn)化以產(chǎn)生其它有用的產(chǎn)物(例如乙醇或木糖醇)。因此，可以使用如本文所述的相關(guān)發(fā)酵微生物將葡萄糖(衍生自纖維素)和木糖(衍生自半纖維素中的木聚糖)轉(zhuǎn)化為乙醇，并且例如可以視情況通過已建立的方法(例如通過催化氫化或通過發(fā)酵)將木糖轉(zhuǎn)化成木糖醇。

在根據(jù)本發(fā)明的方法中，中間產(chǎn)物在一個或多個消化罐中進行發(fā)酵。發(fā)酵步驟可以采用一種或多種能夠降解存在于該液相中的寡糖和/或單糖以形成乙醇的發(fā)酵微生物。

關(guān)于(例如)葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，能夠?qū)⑵咸烟寝D(zhuǎn)化成乙醇的任何微生物都可以用于本發(fā)明的工藝中。例如，合適的微生物包括中溫微生物(即在20-40℃的溫度范圍內(nèi)生長最佳的微生物)，例如也被稱為“面包酵母”的酵母，釀酒酵母(saccharomycescerevisiae)。

關(guān)于(例如)木糖發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，能夠?qū)⒛咎寝D(zhuǎn)化成乙醇的任何微生物都可以用于本發(fā)明的工藝中。有用的微生物包括(例如)某些類型的嗜熱菌(即在高溫-通常是超過約50℃的溫度下生長最佳的生物體)和由其衍生的遺傳工程微生物。在優(yōu)選的實施例中，用于乙醇發(fā)酵的合適的生物體選自由以下組成的群組：包括馬瑞氏熱厭氧桿菌(t.mathranii)的熱厭氧桿菌菌種、包括運動發(fā)酵單胞菌(z.mobilis)的發(fā)酵單胞菌菌種和酵母菌種(例如畢赤酵母菌種)。馬瑞氏熱厭氧桿菌的有用菌株的實例描述于sonne-hansen等人，1993或ahring等人，1996中，其中該菌株命名為菌株a3m4。

應(yīng)當(dāng)理解，有用的乙醇發(fā)酵生物體可以選自上述有用生物體之一的遺傳修飾生物體，該遺傳修飾生物體相對于其來源的生物體，具有增加或改進的乙醇發(fā)酵活性。本文所用的表述“遺傳修飾細菌”以該術(shù)語的常規(guī)含義使用，即指通過使生物體經(jīng)歷任何常規(guī)使用的誘變處理(包括用化學(xué)誘變劑如乙烷磺酸鹽(ems)或n-甲基-n'-硝基-n-硝基胍(ntg)、uv光處理)獲得的菌株或自發(fā)發(fā)生的突變體，包括經(jīng)典誘變。此外，由于可以通過隨機誘變或通過選擇自發(fā)發(fā)生的突變體，即不使用重組dna技術(shù)來提供遺傳修飾細菌，可以設(shè)想，一旦特定dna序列經(jīng)鑒定和分離，上述生物體的突變體可以通過包括定點誘變和pcr技術(shù)以及此類序列的其它體外或體內(nèi)修飾技術(shù)的此類技術(shù)來提供。

使用具有不同最佳生長溫度要求的微生物分別發(fā)酵葡萄糖和木糖以產(chǎn)生乙醇，因此可能需要以兩階段工藝進行所討論的發(fā)酵步驟，其中在前述步驟之后的漿料和/或水相因此首先在適當(dāng)?shù)臈l件下與其中一種微生物接觸(例如在約30℃的溫度下，釀酒酵母)，且隨后在其合適條件下與其它微生物接觸(例如在約70℃的溫度下，馬瑞氏熱厭氧桿菌)。在本發(fā)明中，消化罐的一部分內(nèi)容物的再循環(huán)可以用兩個階段中的一個或兩個的內(nèi)容物進行。在需要增加冷卻能力的情況下，再循環(huán)可以優(yōu)選地用第一個較不溫暖的階段完成。兩個階段可以適當(dāng)?shù)卦趩为毜陌l(fā)酵反應(yīng)容器中進行或在相同的反應(yīng)容器中依序進行。

與具有明確的工藝并且依賴于例如溫度、ph和酶添加量的酶促水解相反，發(fā)酵反應(yīng)在所選微生物需要存在適當(dāng)生長條件的角度上更為關(guān)鍵。此外，生長培養(yǎng)基(在本情況中為預(yù)處理的生物質(zhì)材料)，就(例如)營養(yǎng)物質(zhì)和毒性或抑制物質(zhì)而言，需要保持平衡。重要的平衡包括：c:n比、npk平衡、s含量和關(guān)鍵的微量營養(yǎng)物質(zhì)含量。一些生物質(zhì)材料可能一開始就包含低量成分，例如但不限于硒、鉬和鈷。因此，特別是單側(cè)的生物質(zhì)材料可能一開始就包含優(yōu)化發(fā)酵所需的低量的某些關(guān)鍵成分。在此類情況下，將原始材料與補充性生物質(zhì)材料平衡將是有益的，且因此本發(fā)明也允許基于混合生物質(zhì)材料的工藝。在平衡材料無法實現(xiàn)的情況下，基于發(fā)酵期間的實際營養(yǎng)物質(zhì)平衡分析，可能需要添加微量營養(yǎng)物質(zhì)。如果需要，根據(jù)基于對發(fā)酵材料的微量營養(yǎng)物質(zhì)的分析而認為需要的營養(yǎng)物質(zhì)混合物的類型，可以通過放置在循環(huán)回路上的注入點添加營養(yǎng)物質(zhì)溶液，或者通過將營養(yǎng)物質(zhì)直接添加到進入發(fā)酵反應(yīng)容器的材料進料中。也可以加入化學(xué)品以便結(jié)合某些成分，否則這些成分若以高濃度存在則會抑制工藝。此類成分的實例是硫，其若在某些工藝中以高濃度存在，則可以抑制預(yù)期的發(fā)酵工藝，但是其可以通過加入fecl溶液以結(jié)合硫成為硫酸鐵而去除。

關(guān)于本發(fā)明，特別值得注意的是，酶促水解通常產(chǎn)生ph為4至6的水解液。由首先熱水解且然后濕式爆炸預(yù)處理的生物質(zhì)材料的發(fā)酵，另一方面，得到ph通常在7-8.5范圍內(nèi)、優(yōu)選在ph7-8.3的范圍內(nèi)且更優(yōu)選在ph7.3-8.3的范圍內(nèi)的發(fā)酵產(chǎn)物。從ph的這些差異可以看出，根據(jù)本發(fā)明，本文上述的纖維潤濕性、溶解性和因此輸送性質(zhì)增加的優(yōu)勢僅通過將一部分消化罐內(nèi)容物再循環(huán)到來自濕式爆炸的產(chǎn)物而獲得，并且不會通過從酶促步驟的任何可能的再循環(huán)而獲得。由于從消化罐開始的再循環(huán)回路，本發(fā)明方法提供了ph增加的消化罐進料。在本發(fā)明的具體實施例中，將中間產(chǎn)物與再循環(huán)發(fā)酵產(chǎn)物混合后獲得的消化罐進料的ph高于ph6；在優(yōu)選的實施例中，混合后消化罐進料的ph高于ph6.5。

影響發(fā)酵工藝的一些工藝參數(shù)是固體停留時間(srt)和水力停留時間(hrt)。后者是可溶性化合物保持在消化罐中的平均時間長度的量度。通過在從發(fā)酵容器開始的循環(huán)回路上引入分離步驟，如附圖所示，對于發(fā)酵工藝，srt和hrt可以顯著不同。在本發(fā)明的方法中，發(fā)酵通?？梢宰鳛檫B續(xù)工藝進行，hrt為10-40天、優(yōu)選15-30天，且srt為10-40天、優(yōu)選20-40天，確保存在于生物質(zhì)材料中的難降解固體更長時間地暴露并因此增加其揮發(fā)性固體減量(vsr)。在本發(fā)明的一個實施例中，發(fā)酵是連續(xù)工藝，hrt為2至20天之間；優(yōu)選10至20天之間；更優(yōu)選15至17天之間。在本發(fā)明的另一個實施例中，發(fā)酵是連續(xù)工藝，srt為15至40天之間；優(yōu)選20至40天之間，且更優(yōu)選30至40天之間。就其本質(zhì)而言，上述分離步驟的效率對于所產(chǎn)生的hrt和srt之間的差異是重要的。另一方面，高度的分離也可能耗能，這可能對所有應(yīng)用都是不利的。為此目的設(shè)計的水力旋流器通常足以以可接受的嘗試有效改善hrt和srt之間的差異，并且通常能夠使得固體停留時間(srt，與hrt相比)提高5-30％，這取決于具體的底物和工藝參數(shù)。

在本發(fā)明的另一個實施例中，測試揭示了在兩個階段中進行水解的積極作用。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，發(fā)酵容器的一部分內(nèi)容物可以脫水并作為干固體(ds)含量增加的所謂脫水餅返回到進料線路，用于水解步驟，從而將其與以其它方式進料到在附圖的a或x中該工藝的生物質(zhì)材料混合。脫水可以在位置ac或ah進行或者視情況在下游脫水。然后材料的一部分可以在合適的位置重新進料到該工藝，以便實現(xiàn)存在于生物質(zhì)材料中的難降解固體的兩階段水解。本發(fā)明的此類實施例在附圖5中圖解說明。脫水可以在離心機、帶式濃縮機、帶式壓力機、壓濾機、螺旋壓力機或任何其它適合的脫水機器中進行。與傳統(tǒng)離心機相比，不同脫水機器(例如重力帶式濃縮機和螺旋壓力機)的組合可顯著增加電耗降低的潛力。降低的電耗可能在沉降式離心機電耗的1/2-1/6的范圍內(nèi)。

可以采用任何合適的已知類型的發(fā)酵反應(yīng)容器(消化罐/發(fā)酵罐)進行所討論類型的一個或多個發(fā)酵步驟。關(guān)于合適的反應(yīng)容器的更多細節(jié)，可以參考(例如)j.e.bailey和d.f.ollis，1986。分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵都適用于此。術(shù)語“發(fā)酵反應(yīng)容器”、“消化器”和“消化罐”在本文中可互換使用。

在乙醇發(fā)酵步驟之后，從發(fā)酵培養(yǎng)基中分離乙醇。

再循環(huán)

如本文前面所述，本發(fā)明的方法使用來自消化罐內(nèi)容物的再循環(huán)流，其中來自消化罐的一部分內(nèi)容物再循環(huán)至預(yù)處理的最終步驟，且因此與中間產(chǎn)物混合。預(yù)處理的最終步驟是濕式爆炸，或任選地在生物質(zhì)材料上進行的任何進一步的預(yù)處理步驟。

來自消化罐的材料的流量優(yōu)選地比明顯高于由預(yù)處理(熱水解、濕式爆炸及任選地進一步預(yù)處理，如濕式氧化)的最終步驟產(chǎn)生的預(yù)處理材料的流量，通常高3-30、優(yōu)選5-25倍。以這種方式，進入消化罐的所得混合流將具有與消化罐的正常工作工藝參數(shù)相容的ph、溫度和干物質(zhì)含量。此外，干物質(zhì)及因此粘度將通過用消化物再循環(huán)3-30次來平衡再循環(huán)進行調(diào)整。然而，再循環(huán)本身不影響來自熱水解反應(yīng)的進料的平均干物質(zhì)含量。相反，干物質(zhì)含量可以在熱水解(ag)之前以(例如)圖3、4和5所述的方式通過用水稀釋來調(diào)整，或經(jīng)由再循環(huán)回路進入壓力釋放罐(af)中來調(diào)整。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，將消化罐的一部分內(nèi)容物與一部分中間產(chǎn)物混合，使得至少10份(體積)的消化罐內(nèi)容物與一份(體積)中間產(chǎn)物混合，優(yōu)選至少20份(體積)的消化罐內(nèi)容物與一份(體積)中間產(chǎn)物混合。

混合可以通過使來自各個管道的流進入混合罐或直接進入公共管道來實現(xiàn)?；旌峡梢酝ㄟ^額外的混合裝置來實現(xiàn)。

再循環(huán)可以(例如)通過將來自消化罐的內(nèi)容物注入壓力釋放罐液位以下來進行，從而同時獲得有效的混合?；蛘撸瑏碜韵薜脑傺h(huán)流可以(例如)通過噴嘴引導(dǎo)到壓力釋放罐的頂部，由此再循環(huán)流同時用作驟冷液，用于冷凝壓力釋放罐內(nèi)部的閃蒸蒸汽。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，混合在壓力釋放罐中進行；作為再循環(huán)步驟的主要優(yōu)勢之一是濕式爆炸后的纖維潤濕性和輸送性質(zhì)增強。因此，通過在濕式爆炸之后但在中間產(chǎn)物的任何輸送之前直接進行混合，獲得最大的益處。然而，稍后階段的混合也是可能的。

10份(體積)的消化罐內(nèi)容物與一份(體積)中間產(chǎn)物的混合應(yīng)理解為將兩種產(chǎn)物以體積比10:1混合；優(yōu)選體積比在3:1至30:1的范圍內(nèi)，取決于進料特性，并在相同的壓力和溫度下測量。

措辭“消化罐內(nèi)容物”是指由發(fā)酵產(chǎn)生但在發(fā)酵產(chǎn)物(例如乙醇)分離之前的液體和/或水性漿料。

措辭“中間產(chǎn)物”是指由預(yù)處理產(chǎn)生但在發(fā)酵之前的液體和/或水性漿料。

術(shù)語“一部分內(nèi)容物”應(yīng)理解為液體和/或水性漿料的部分量或全部量。

在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，將一份(體積)中間產(chǎn)物以至少5m³/h、優(yōu)選至少10m³/h的流量引入混合。來自消化罐的內(nèi)容物或中間產(chǎn)物的流量在25℃和1巴下測量，表示為m³/h。

生物質(zhì)材料可以選自由以下組成的群組：秸稈、木材、纖維、餌料、紙漿和廢物流；或選自來自其它加工業(yè)(如食品加工業(yè))的副產(chǎn)物、能源作物、樹葉、樹枝、漿料和家庭廢物或適用于生產(chǎn)乙醇或其它生物產(chǎn)物的其它類似材料。優(yōu)選地，生物質(zhì)材料選自富含纖維素和/或半纖維素的生物質(zhì)。秸稈、木質(zhì)纖維和能源作物(例如玉米)特別實現(xiàn)了有益的結(jié)果。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，生物質(zhì)材料選自由以下組成的群組：秸稈、木質(zhì)纖維和能源作物(例如玉米)。

通常，引入本發(fā)明方法的生物質(zhì)可以具有50-80％的干物質(zhì)含量。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，引入工藝的生物質(zhì)材料的干物質(zhì)濃度高于25重量％、優(yōu)選高于50重量％且更優(yōu)選高于75重量％。干物質(zhì)含量或濃度的百分比是指重量百分比，即％(w/w)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，中間產(chǎn)物的干物質(zhì)濃度高于25重量％、優(yōu)選高于30％、更優(yōu)選高于35％且最優(yōu)選高于40％。中間產(chǎn)物在此是指在該預(yù)處理步驟之后，與來自消化罐的再循環(huán)內(nèi)容物的任何混合之前或用水進行任何的進一步稀釋之前的預(yù)處理產(chǎn)物(熱水解和濕式爆炸)。

根據(jù)所應(yīng)用的生物質(zhì)材料，本發(fā)明的方法可以進一步包含一個或多個稀釋步驟。生物質(zhì)材料或中間產(chǎn)物的稀釋可以在該方法期間的幾個點進行。例如，稀釋可以在熱水解之前進行，例如通過將水引入熱水解反應(yīng)器；或在熱水解反應(yīng)器的上游進行，例如通過將水引入再循環(huán)回路進入壓力釋放罐或直接引入壓力釋放罐。后一種選擇允許使用稀釋用水以至少部分地將閃蒸蒸汽驟冷。由于消化罐中的干物質(zhì)含量要低得多，所以干物質(zhì)含量的稀釋可以額外由來自消化罐的再循環(huán)材料的體積比來調(diào)節(jié)。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，經(jīng)由再循環(huán)回路或直接進入壓力釋放罐進行稀釋。

稀釋(如有必要)有助于控制消化罐進料中的干物質(zhì)含量，且從而有助于控制負荷率。消化罐的負荷率通?？梢栽?-10kgvs/m³/天的范圍內(nèi)(vs＝揮發(fā)性固體)，并且可以優(yōu)選在3-6kgvs/m³/天的范圍內(nèi)。不同的進料材料可以提供不同的粘度，并且可以相應(yīng)地調(diào)整負荷率。傳統(tǒng)上，生物質(zhì)粘度是負荷率的限制因素之一，然而，本發(fā)明顯著改善了纖維潤濕性和輸送性質(zhì)，從而允許更高的負荷率。

來自消化罐的低溫流可以進一步用于冷凝來自壓力釋放罐的氣相，從而產(chǎn)生額外優(yōu)勢：即能夠從氣相回收原本會丟失的有益成分(例如揮發(fā)性酸)到消化罐中。此外，可以以這種方式從氣相中提取和分離不期望的成分，例如糠醛，以避免抑制下游消化器，或用于隨后的外部純化和使用，或氧化用于熱量回收。

通過使用由發(fā)酵產(chǎn)生的一部分液體和/或水性漿料作為冷卻介質(zhì)，可以實現(xiàn)來自壓力釋放罐的氣相的冷凝(使氣體成為液態(tài))。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過使用消化罐的一部分內(nèi)容物作為冷卻介質(zhì)，將來自預(yù)處理的一部分氣相冷凝。

措辭“一部分氣相”是指壓力釋放罐中氣相的部分量或全部量。

在本發(fā)明的一個實施例中，經(jīng)冷凝氣相中的糠醛通過提取而分離?？啡┮卜Q為呋喃-2-甲醛(furan-2-carbaldehyde)。其它名稱是(例如)呋喃-2-甲醛(furan-2-carboxaldehyde)、呋喃甲醛、糠醛(furfuraldehyde)、2-呋喃甲醛和焦粘醛。

在本發(fā)明的實施例中，來自壓力釋放罐中的氣相的揮發(fā)性酸被冷凝，且然后再循環(huán)到消化罐中，在此其可用于發(fā)酵。揮發(fā)性酸是指低沸點酸，如碳酸、乙酸和丁酸。

本發(fā)明還涉及實現(xiàn)與本發(fā)明方法所述相同的優(yōu)勢的裝置。

在第二方面，本發(fā)明涉及處理生物質(zhì)材料的裝置，其中該裝置包含：

-一個或多個反應(yīng)器，

-連接到反應(yīng)器的一個或多個壓力釋放罐，用于釋放生物質(zhì)上的壓力，以及

-連接到壓力釋放罐的一個或多個消化罐，用于發(fā)酵，

其中消化罐連接到壓力釋放罐，用于將與壓力釋放罐的一部分內(nèi)容物混合的消化罐的一部分內(nèi)容物的再循環(huán)。本文提及的“反應(yīng)器”也可以稱為“熱水解反應(yīng)器”。

如本領(lǐng)域技術(shù)人員將知道的，對于大多數(shù)應(yīng)用而言，消化罐包括可以從頂部表面、側(cè)面或底部出來的出口。然而，對于某些類型的進料材料，具有不同的固體停留時間(srt)和水力停留時間(hrt)可能是有益的。這可以通過將一個或多個分離器或濃縮機包括在本發(fā)明的裝置中來獲得。

本發(fā)明的方法和裝置可以進一步包含一個或多個分離器或濃縮機，優(yōu)選一個或多個水力旋流分離器，連接到從消化罐開始的再循環(huán)回路用于分離固體，該分離器或濃縮機的一個出口的干物質(zhì)含量增加，且一個出口的干物質(zhì)含量較低，干物質(zhì)含量增加的出口可以被引回到消化罐中，或者可以優(yōu)選地連接到壓力釋放罐，且干物質(zhì)含量較低的出口可能是消化罐排放出口。

在本發(fā)明中可以應(yīng)用消化罐出口(即從頂部表面、側(cè)面或底部出來)和/或由具有較低干物質(zhì)含量的分離器的出口補充的任何組合。然而，為了獲得srt和hrt之間的最大差異，可以使經(jīng)由分離器的出口最大化，并且可以使直接來自消化罐的出口最小化。

在本發(fā)明的一個實施例中，方法和裝置進一步包含連接到從消化罐開始的再循環(huán)回路的分離器，用于分離固體，該分離器的一個出口的干物質(zhì)含量增加，且一個出口的干物質(zhì)含量較低，干物質(zhì)含量增加的出口連接到壓力釋放罐，且干物質(zhì)含量較低的出口是消化罐排放出口。在此實施例中，分離器優(yōu)選地可以是水力旋流器。

在本發(fā)明的一個實施例中，方法或裝置進一步包含連接到消化罐排放出口的用于分離固體的分離器；分離器的一個出口的干物質(zhì)含量增加且一個出口的干物質(zhì)含量較低，干物質(zhì)含量增加的出口連接到熱水解反應(yīng)器的入口，或連接到熱水解反應(yīng)器的生物質(zhì)進料；且干物質(zhì)含量較低的出口是工藝的排放出口。以這種方式，干物質(zhì)含量增加的分離部分可以返回到熱水解反應(yīng)器進行第二次熱水解處理。在此具體實施例中，分離器優(yōu)選地可以選自離心機、帶式濃縮機、帶式壓力機、壓濾機和螺旋壓力機。該裝置或方法可以僅具有經(jīng)由分離器的排放出口，或者其可以具有經(jīng)由分離器的排放出口及直接來自消化罐的排放出口二者。

分離器通?？梢允切L(fēng)分離器(例如水力旋流器)、離心機、帶式濃縮機、帶式壓力機、壓濾機、螺旋壓力機或任何其它適當(dāng)?shù)姆蛛x或脫水機器。

在本發(fā)明的一個實施例中，提供了三個并聯(lián)的反應(yīng)器。反應(yīng)器的數(shù)量可能與此不同。使用三個反應(yīng)器可以實現(xiàn)反應(yīng)器的連續(xù)填充。

本發(fā)明的裝置可以包括一個以上的壓力釋放罐。通過串聯(lián)使用至少兩個壓力釋放罐，可以回收更多的能量。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，該裝置可以進一步但不一定包含連接到消化罐和壓力釋放罐、通過使用消化罐的一部分內(nèi)容物作為冷卻介質(zhì)用于冷凝來自壓力釋放罐的一部分氣相的熱交換器。在兩階段壓力釋放罐解決方案的情況下，第二罐可以配備內(nèi)部冷卻回路，而不是再循環(huán)消化罐。

在本發(fā)明的一個實施例中，裝置進一步包含提取組件，用于從冷凝氣相分離糠醛。

在本發(fā)明的另一個實施例中，熱交換器連接到消化罐，用于再循環(huán)冷凝氣相中的揮發(fā)性酸。

本文中關(guān)于本發(fā)明的方法所描述的特征和實施例適用于本發(fā)明的裝置，只是加以必要的變更；且反之亦然。

附圖的詳細描述

圖1示出了用于預(yù)處理生物質(zhì)和有機廢物部分、隨后進行生物降解(如厭氧消化)的方法和裝置。通常在接收/儲存(a)倉中接收的固體生物質(zhì)和/或有機廢物部分通過進料裝置(c)(通常為進料閥門或蒸汽輔助進料系統(tǒng))輸送(b)到一個或多個高壓反應(yīng)器(d)。將高壓蒸汽(e)加入到反應(yīng)器中，并通過關(guān)閉入口和出口閥門(c和f)，達到足夠的壓力以實現(xiàn)所接收生物質(zhì)的有益水解。當(dāng)達到足夠的蒸汽壓力時，閥門保持關(guān)閉，直到有益的保持時間過去。根據(jù)原料的特性，在加熱和保持期間去除一些氣體可能是有益的。如果這些氣體不被排出，氣體可以通過釋放閥門(h)被引導(dǎo)到冷凝器系統(tǒng)(g)。在保持時間過去之后，在打開排放閥門(f)之前，通過釋放閥門(h)可以減小壓力。當(dāng)排放閥門打開時，預(yù)處理材料通過牢固支撐的排放管道(i)快速排放到閃蒸罐(j)。排放速率由反應(yīng)器和下游閃蒸罐(j)之間的壓力差驅(qū)動。由于壓力降，冷凝的蒸汽將閃蒸，并與閃蒸罐(j)內(nèi)部的材料和水分離。閃蒸罐(j)內(nèi)部釋放的過剩閃蒸蒸汽通過管道從閃蒸罐頂部釋放出來。閃蒸蒸汽優(yōu)選被引導(dǎo)到冷凝器(g)。優(yōu)選由具有循環(huán)泵(k)的驟冷塔和冷凝物冷卻器(i)組成的冷凝器液化過剩的蒸汽。冷凝器可以視情況用直接注入冷凝器(g)的冷的冷卻水進行操作。非冷凝物(m)從冷凝器排放出來，因此可能需要氣味處理。冷凝物被排放回到閃蒸罐(n)、通過管道輸送(o)到下游工藝，或者從可能用于化學(xué)品回收(p)的進一步處理工藝中分離出來。生物降解材料，例如來自下游厭氧消化器(q)的消化物，通過消化器循環(huán)泵(r)循環(huán)到閃蒸罐。通過在液位以下(t)注入閃蒸罐，實現(xiàn)了閃蒸罐內(nèi)部的混合。如果優(yōu)選閃蒸罐內(nèi)部的冷凝，則再循環(huán)流通過噴嘴(s)引導(dǎo)到閃蒸罐的頂部，因此，閃蒸罐用作冷凝閃蒸蒸汽的驟冷器。由于抑制物的全部產(chǎn)生，此類冷凝可能不是有益的。在此類情況下，冷凝應(yīng)在單獨的冷凝器(g)內(nèi)部進行。預(yù)處理的材料、冷凝物和再循環(huán)的生物降解材料(如消化物)的混合物將通過進料泵(u)泵送到下游工藝，例如厭氧消化器(q)。根據(jù)下游工藝中的優(yōu)選溫度，冷卻可以在冷卻器(v或w)中進行。

從熱預(yù)處理中獲益的液體生物質(zhì)(x)可以直接或通過進料系統(tǒng)(a或b)加入到反應(yīng)器(d)中，以在反應(yīng)器之前進行有利的混合。從熱預(yù)處理獲益較少的液體生物質(zhì)(y)可以直接引導(dǎo)到閃蒸罐，或者到消化器循環(huán)回路(z-1或z-2)。必須選擇適當(dāng)?shù)谋?aa和ab)用于將液體生物質(zhì)輸送到該工藝中。

圖3示出了用于首先預(yù)處理生物質(zhì)(例如有機廢物)且隨后通過發(fā)酵進行生物降解的方法和裝置的另一個實例。圖3如圖1所述，除了沒有冷凝物冷卻器(i)，且沒有將冷凝物(n)排放回閃蒸罐(j)，然而示出了用水稀釋的兩個可能的連接，一個經(jīng)由再循環(huán)回路到閃蒸罐(af)，且一個連接到熱水解反應(yīng)器(d)的入口(c)。進一步示出了連接到消化罐(q)和閃蒸罐(j)之間的再循環(huán)回路的分離器或濃縮機(ac)，分離器(ac)具有輸出(ad)。來自消化罐(q)的直接出口顯示為(ae)。

圖4示出了用于首先通過熱水解(d)和濕式爆炸(j)預(yù)處理生物質(zhì)，且隨后將由此獲得的中間產(chǎn)物在消化罐(q)中發(fā)酵的方法和裝置的另一個實例，其中消化罐的一部分內(nèi)容物在再循環(huán)回路(t)中輸送進入壓力釋放罐(j)中。通常在接收/儲存(a)倉中接收的固體生物質(zhì)和/或有機廢物部分通過進料裝置(c)(例如進料閥門或蒸汽輔助進料系統(tǒng))輸送(b)到一個或多個高壓反應(yīng)器(d)。從熱水解中獲益的液體生物質(zhì)(x)可以直接或通過進料系統(tǒng)(a或b)加入到反應(yīng)器(d)中，以在反應(yīng)器之前進行有利的混合。將高壓蒸汽(e)加入到反應(yīng)器(d)中，并通過關(guān)閉入口和出口閥門(c和f)，達到足夠的壓力以實現(xiàn)所接收生物質(zhì)的有益水解。當(dāng)達到足夠的蒸汽壓力時，閥門保持關(guān)閉，直到有益的保持時間過去。根據(jù)原料的特性，通過釋放閥門(h)去除一些氣體可能是有益的?？梢酝ㄟ^釋放閥門(h)減壓。當(dāng)排放閥門(f)打開時，預(yù)處理材料通過排放管道(i)快速排放到壓力釋放罐(j)。排放速率由反應(yīng)器和下游壓力釋放罐(j)之間的壓力差驅(qū)動。由于壓力降，冷凝的蒸氣將閃蒸，且可以通過管道從壓力釋放罐頂部釋放出來。來自下游消化罐(q)的發(fā)酵材料(例如消化物)通過消化器循環(huán)泵(r)并經(jīng)由分離器或濃縮機(ac)循環(huán)到壓力釋放罐(j)。分離器(ac)具有輸出(ad)且來自消化罐(q)的另一個直接出口顯示為(ae)。通過在液位以下(t)注入壓力釋放罐，實現(xiàn)了壓力釋放罐內(nèi)部的混合。如果優(yōu)選壓力釋放罐內(nèi)部的冷凝，則再循環(huán)流通過噴嘴(s)引導(dǎo)到壓力釋放罐(j)的頂部，由此，壓力釋放罐(j)用作冷凝閃蒸蒸汽的驟冷器。預(yù)處理的材料和再循環(huán)的生物降解材料(如消化物)的混合物將通過進料泵(u)泵送到下游工藝，例如消化罐(q)。根據(jù)下游工藝中的優(yōu)選溫度，冷卻可以在冷卻器(v或w)中進行。從熱預(yù)處理獲益較少的液體生物質(zhì)(y)可以直接引導(dǎo)到壓力釋放罐，或者到從消化罐開始的循環(huán)回路(z-1或z-2)。用水稀釋可以經(jīng)由再循環(huán)回路(af)到閃蒸罐(j)而引導(dǎo)到工藝中或直接引導(dǎo)(ag)到熱水解反應(yīng)器(d)的入口(c)。必須選擇適當(dāng)?shù)谋?aa和ab)以將液體生物質(zhì)輸送到該工藝中。來自消化罐(q)的直接出口顯示為(ae)。

圖5示出了本發(fā)明的另一個實施例，其中消化罐(q)的一部分內(nèi)容物在分離器(ah)中脫水(ah)并作為干物質(zhì)(干固體)含量增加的所謂脫水餅返回到進料線路(a)，用于水解步驟，從而將其與以其它方式進料到此工藝的生物質(zhì)材料混合在一起。