專利名稱：自包容式、高效率纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將纖維素生物質(zhì)處理為燃料級(jí)乙醇和高等級(jí)蛋白質(zhì)產(chǎn)物的自包 容式(self-contained)的高效率設(shè)備。該處理設(shè)備可以是便攜式和可移動(dòng)的，這使得其在 任何位置都可方便地獲取，以節(jié)省運(yùn)輸所述纖維素生物質(zhì)和/或所得產(chǎn)物的成本。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，不穩(wěn)定的(volatile)能源價(jià)格導(dǎo)致對(duì)諸如纖維素生物質(zhì)的可選能源增 長(zhǎng)的關(guān)注。美國(guó)主要的纖維素生物質(zhì)來(lái)源包括城市木材廢物、大型磨房殘余物、森林殘余 物、農(nóng)業(yè)殘余物和專用的能源作物。在另一方面，纖維素生物質(zhì)設(shè)備相對(duì)較大，不能從它們 的固定位置被移動(dòng)。纖維素生物質(zhì)經(jīng)常體積龐大，將其運(yùn)輸?shù)教幚碓O(shè)備的費(fèi)用昂貴。結(jié)果 是，大多數(shù)可利用的纖維素生物質(zhì)不能被處理成燃料級(jí)乙醇或其它產(chǎn)物，只能是堆放在或 靠近它的來(lái)源處，直至成為廢物。傳統(tǒng)的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備也具有不能完全破壞或者將纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成 燃料級(jí)乙醇和其它副產(chǎn)物的缺點(diǎn)。一種類型的傳統(tǒng)設(shè)備在有稀酸存在下依靠加熱、壓力和 持續(xù)時(shí)間來(lái)將生物質(zhì)中的lingo-纖維素糖化。多達(dá)50wt%的纖維素生物質(zhì)不能在第一時(shí) 間內(nèi)糖化，需要分離和回收。這些因素導(dǎo)致傳統(tǒng)處理設(shè)備具有相對(duì)大的尺寸和固定的狀態(tài)。 一種傳統(tǒng)生物質(zhì)處理設(shè)備可見(jiàn)述于授予Brelsford的美國(guó)專利US M11594，其公開(kāi)內(nèi)容通 過(guò)引用結(jié)合在此。此外，從傳統(tǒng)纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備得到的副產(chǎn)物典型地是重的濕料漿形式的， 為了提供有價(jià)值的最終產(chǎn)物，其還需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。所述副產(chǎn)物通常必須要運(yùn)輸?shù)狡渌?方進(jìn)行處理、固體分離和進(jìn)一步處理。運(yùn)輸所述副產(chǎn)物的費(fèi)用相對(duì)于最終產(chǎn)物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值 是過(guò)高的。人們需求或渴望有這樣的纖維素生物質(zhì)設(shè)備，其可在纖維素生物質(zhì)有降低的費(fèi)用 和更高地轉(zhuǎn)化為燃料級(jí)乙醇和副產(chǎn)物下運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備還有一種需求是 可以制造得足夠小，以便于攜帶，并且能夠?qū)⑵溥\(yùn)輸?shù)缴镔|(zhì)來(lái)源和/或最終產(chǎn)物使用的 地方。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種自包容式、高效率纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其可以a)達(dá)到比傳統(tǒng) 設(shè)備更高的轉(zhuǎn)化百分?jǐn)?shù)，b)比傳統(tǒng)設(shè)備需要更小的尺寸和空間，以及c)能夠制造成便攜式 的和被運(yùn)輸?shù)讲煌牡胤健Ｋ鲈O(shè)備包括將纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成燃料級(jí)乙醇和副產(chǎn)物的兩 段式反應(yīng)器。每工段均配有一個(gè)或更多個(gè)基于量子波的能量源，其可以協(xié)助化學(xué)反應(yīng)和破壞纖維素生物質(zhì)，并促進(jìn)其轉(zhuǎn)化成燃料級(jí)乙醇和富含蛋白質(zhì)的副產(chǎn)物。所述基于量子波的能量源包括超聲波、紫外波、磁波(包括電磁波和其它磁波)、 以及直流電(納米脈沖)中的至少有一個(gè)及其適宜的組合。所述基于量子波的能量源在一 定程度上可促進(jìn)纖維素生物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)和轉(zhuǎn)化，以至于能夠顯著降低兩工段中的每一個(gè) 的設(shè)備裝置尺寸和停留時(shí)間，同時(shí)增加所述轉(zhuǎn)化率百分?jǐn)?shù)。在第一工段中，新鮮的纖維素生物質(zhì)原料與熱的、加壓的稀酸-水溶液混合。所述 稀酸-水溶液和一些未水解的纖維素和木質(zhì)素可以以再循環(huán)料流從第二工段提供。所得纖 維素生物質(zhì)水漿料進(jìn)一步被加熱到約135-195°c的反應(yīng)溫度，飽和壓力約45-200psi，停留 時(shí)間約5-10分鐘。所述一個(gè)或多個(gè)基于量子波的能量源被提供給所述漿料，以促進(jìn)在所述 第一工段中的半纖維素水解反應(yīng)。所得半纖維素水解反應(yīng)的漿料被閃蒸至降低的壓力和溫度，以使糖的降解減到最 少。所述漿料此時(shí)分離成a)產(chǎn)物溶液，其包括半纖維素水解產(chǎn)物戊糖、己醣和α-纖維素 水解產(chǎn)物葡萄糖，以及b)未水解的纖維素固體殘余物，其作為部分α-纖維素的水解原料 進(jìn)入第二工段。在第二工段中，源自第一工段的未水解纖維素固體殘余物與源自第二工段的回收 的未水解纖維素固體殘余物部分相摻混，以提供α-纖維素水解原料。α-纖維素水解原 料與新鮮的稀酸-水溶液混合，形成α-纖維素水解反應(yīng)漿料。所述漿料在飽和壓力約 100-200psi下被加熱到約165-260°C的溫度約8_17分鐘。所述一個(gè)或多個(gè)波的能量源被 應(yīng)用于幫助促進(jìn)將α-纖維素水解反應(yīng)漿料轉(zhuǎn)化為溶解在稀酸水溶液中的α-纖維素水解 葡萄糖。所得產(chǎn)物漿料被閃蒸至降低的壓力和溫度，以使降解的葡萄糖減到最少。此時(shí)產(chǎn) 物漿料被分離后可回收a)剩余的工藝熱(process heat)，以作為閃蒸蒸汽，b)熱的α-纖 維素水解糖和稀酸溶液，以及c)固體，該固體包括具有最少的或不含未水解α-纖維素的 高蛋白質(zhì)產(chǎn)物殘余物。所述溶液此時(shí)可以從高蛋白質(zhì)產(chǎn)物殘余物中進(jìn)行分離，并且被回收 到第一工段的反應(yīng)混合物中。本發(fā)明還包括一種一體化設(shè)備，其將所述纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備與將高蛋白質(zhì)殘 余物轉(zhuǎn)變成最終的高級(jí)別蛋白質(zhì)產(chǎn)物的設(shè)備相組合。所述一體化設(shè)備能夠制備為便于攜 帶，例如，所述一體化設(shè)備可以被設(shè)計(jì)在具有輪子的平臺(tái)上或具有搬運(yùn)器的可運(yùn)輸模塊中。 所述便攜式的一體化設(shè)備能夠制造得足夠小，以便在不同來(lái)源的纖維素生物質(zhì)原料和/或 食品級(jí)乙醇產(chǎn)物和/或高等級(jí)蛋白質(zhì)產(chǎn)物使用的不同場(chǎng)所之間運(yùn)輸。如前所述，本發(fā)明的一個(gè)特征和優(yōu)點(diǎn)就是提供了一種自包容式、高效率的纖維素 生物質(zhì)處理設(shè)備，由于它的功效更高，其比傳統(tǒng)設(shè)備更小且更容易運(yùn)輸。本發(fā)明再一個(gè)特征和優(yōu)點(diǎn)是提供了一種便攜式的自包容式、高效率的纖維素處理 設(shè)備。本發(fā)明的另一個(gè)特征和優(yōu)點(diǎn)是提供了一種一體化設(shè)備，其將所述纖維素生物質(zhì)處 理設(shè)備與將高蛋白質(zhì)殘余物轉(zhuǎn)變成最終的高級(jí)別蛋白質(zhì)產(chǎn)物的設(shè)備相組合，并且其可以是 便攜式的。本發(fā)明還有一個(gè)特征和優(yōu)點(diǎn)是提供了對(duì)纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備的效率和操作的 改進(jìn)，這種設(shè)備由前面所提到的Bresford的專利中所描述，由于有增加的基于量子的波的能量源，所述改進(jìn)包括對(duì)催化劑和工藝熱的減少的需求，以及減小的反應(yīng)器尺寸。現(xiàn)在，相 同體積的生物質(zhì)可以用不超過(guò)在先尺寸一半的反應(yīng)器來(lái)處理。


圖1所示為本發(fā)明的自包容式、高效率纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備的示意圖。圖2所示為一體化設(shè)備的示意圖，其將本發(fā)明的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備與將高蛋 白質(zhì)殘余物轉(zhuǎn)變成最終高級(jí)別蛋白質(zhì)產(chǎn)物的設(shè)備相組合。
具體實(shí)施例方式圖1示意性地舉例說(shuō)明了本發(fā)明的自包容式、高效率纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備100。 圖1的示意圖結(jié)合了本發(fā)明包括兩個(gè)雙管換熱器的活塞流反應(yīng)器和串聯(lián)的閃蒸罐子系統(tǒng) 的兩工段系統(tǒng)的改進(jìn)，串聯(lián)的閃蒸罐子系統(tǒng)如授予Brelsford的美國(guó)專利US 5411594中所 描述的，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此。下面描述的改進(jìn)使得能夠?qū)崿F(xiàn)一種更高效率、更小 尺寸和便攜式的設(shè)備100。設(shè)備100包括第一工段1和第二工段2。在第一工段中，典型地以釀酒廠濕谷物 (DDG)形式的纖維素生物質(zhì)原料通過(guò)進(jìn)口 102轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)進(jìn)料器150。稀酸溶液通過(guò)進(jìn)口 103進(jìn)入到設(shè)備100中，并與旋轉(zhuǎn)進(jìn)料器150之下的漿料混合器101中的纖維素生物質(zhì)原料
混合ο纖維素生物質(zhì)進(jìn)料可以源自基于不同植物源的纖維素，包括但不限于木材，例如 軟松木和其他種類的軟木和硬木；食用植物，例如玉米、小麥、大麥和大豆；草；回收的纖維 素產(chǎn)品，如紙或紙板；和其他纖維素來(lái)源。稀酸溶液可以是包含約0. 75-2. 5wt%的酸水溶 液，適宜為約1.5-2.2Wt%。適宜的酸包括但不限于硫酸、硝酸、水合氫離子酸及其他類似 物。纖維素生物質(zhì)進(jìn)料和稀酸溶液的漿料混合物可以包含約5-75wt%的纖維素生物質(zhì)固 體，適宜為約8-55wt%的纖維素生物質(zhì)固體。稀酸溶液在通過(guò)進(jìn)口 103時(shí)，可以還包含一些 回收的纖維素生物質(zhì)固體，這些固體是包含在前述重量百分?jǐn)?shù)的纖維素生物質(zhì)固體中的。為了部分地達(dá)到需要的工段1的約135-195°C的反應(yīng)溫度、適宜為約150_175°C， 以及所需飽和壓力約45-200psi、適宜約120-190psi，稀酸溶液可以是預(yù)熱的，和/或漿料 混合物101可以被加熱。漿料混合物從混合器101通過(guò)漿料泵123傳送到工段1的活塞流 反應(yīng)器IM的內(nèi)管152中?；钊鞣磻?yīng)器IM包括工段1中進(jìn)行反應(yīng)的內(nèi)管152，和限定換 熱器155和提供所述必須的加熱流體以維持如前所述的所需要的工段1反應(yīng)溫度和壓力的 相互連接的外管156。如圖1所示，換熱器155包括四個(gè)相互連接的提供熱交換流體的外管156。內(nèi)反應(yīng) 器管152縱向穿過(guò)每個(gè)外管156，從而使得四個(gè)通道157、158、159和160穿過(guò)換熱器155。 換熱器巧5能夠提供有合適的熱流體，例如過(guò)熱蒸汽，其通過(guò)外管156進(jìn)料以加熱內(nèi)反應(yīng)器 管152。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)內(nèi)反應(yīng)器管152還提供了一個(gè)或多個(gè)基于量子波的能量源。如圖 1所示的基于量子波的能量源包括直流電的源162、光能的源(紫外線波)164、超聲波的源 166和電磁波的源168。在穿過(guò)換熱器156進(jìn)入第一通道157前，直流電的源162和光能的源164被各自 提供給內(nèi)反應(yīng)器管152。源162的直流電提供約0.2至3.0安培的電流。所述直流電施加能量在纖維素的羧基基團(tuán)的極性部分上，促進(jìn)分子鍵的斷裂和纖維素的破裂。該直流電能 夠從任意適宜的源提供，包括但不限于可購(gòu)自于Hoefer公司的AC-DC變壓器或電池。來(lái)自 源164的光(紫外線)波能提供有約IO15至約IO"5赫茲的紫外線。所述光波能可促進(jìn)對(duì) α-纖維素鍵施加能量并使其破壞，這用別的方式是更難以破壞的。所述光能可以是任何合 適的源，包括但不限于可購(gòu)自于Reactors公司的Nd-Yag (釹釔鋁石榴石)激光的鹵素球形 紫外源。超聲波的源166和電磁波的源168各自通過(guò)換熱器156被提供給介于第一通道 157和第二通道158之間、介于第二通道158和第三通道159之間、和介于第三通道159和第 四通道160之間的內(nèi)反應(yīng)器管152。超聲波能幫助防止和/或逆轉(zhuǎn)纖維素生物質(zhì)和其副產(chǎn) 物以及反應(yīng)物成分的任何物理團(tuán)聚。特別地，超聲波可誘導(dǎo)在反應(yīng)器液體里的微氣穴現(xiàn)象， 這又會(huì)產(chǎn)生微壓力波，其使得不斷地改變所述纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的鄰位扭曲(orthothrombic distortion)。微壓力波產(chǎn)生的波能由化學(xué)鍵通過(guò)波形共振吸收，從而導(dǎo)致纖維素鍵增加的 鍵長(zhǎng)度、不穩(wěn)定性和破壞。超聲波可由使用聲頻在約20KHz至約60KHz范圍的任何合適的 超聲變頻器提供，例如購(gòu)自Telsonic的管狀共鳴變頻器。電磁能使纖維素中的羧基基團(tuán)的極性部分的鍵角度彎曲。鍵角度的彎曲增加了離 子電泳作用的效力，并促進(jìn)分子鍵的破裂。特別地，在單個(gè)分子中由電磁場(chǎng)產(chǎn)生的羧基鍵角 度的變形可超過(guò)0. 5%，其顯著地增加了其對(duì)稀酸纖維素水解的脆弱性。電磁能以場(chǎng)強(qiáng)度 約20-1000高斯的磁場(chǎng)中的低頻提供。任何合適的電磁能的源都是可以采用的，例如可購(gòu) 自Eriez的永久磁鐵或電磁石。第二直流電的源162以約0. 2至約3. 0安培提供給第四通道160之后的內(nèi)反應(yīng)器 管152。這導(dǎo)致纖維素的羧基基團(tuán)進(jìn)一步的鍵增能和去穩(wěn)定。當(dāng)在反應(yīng)器管152中時(shí)，纖維 素生物質(zhì)被轉(zhuǎn)化成水解的半纖維素漿料和產(chǎn)物溶液。所述波能的源與反應(yīng)器熱量和壓力相 組合，使得反應(yīng)能夠在第一工段1中進(jìn)行約1. 5-4. 5分鐘的時(shí)間，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)基于纖維素生 物質(zhì)原料干重的轉(zhuǎn)化百分?jǐn)?shù)(纖維素鍵的水解)約85-100%。所得到的半纖維素水解反應(yīng)漿料被通入閃蒸罐106，在此其被閃蒸到降低的約 35-65°C的溫度和降低的約環(huán)境大氣壓的壓力。閃蒸蒸汽通過(guò)出口 121離開(kāi)閃蒸罐106，并 且可以在第二工段2被用來(lái)預(yù)熱稀酸溶液。反應(yīng)漿料通過(guò)導(dǎo)管122進(jìn)入分離器107，其將所 述漿料分離成含有半纖維素水解產(chǎn)物戊糖和己糖、以及α-纖維素水解產(chǎn)物葡萄糖和未水 解纖維素固體殘余物的產(chǎn)物溶液。產(chǎn)物溶液通過(guò)出口 108離開(kāi)分離器107和設(shè)備100。未 水解的纖維素固體殘余物通過(guò)導(dǎo)管109傳送到設(shè)備100的第二工段2中。參照?qǐng)D1，載有源自工段1的未水解纖維素固體殘余物的導(dǎo)管109與導(dǎo)管118匯 聚在一起，導(dǎo)管118載有源自工段2的回收部分的未水解纖維素固體殘余物。在此階段，未 水解的纖維素鍵大多為α-纖維素，而大多數(shù)的半纖維素鍵已經(jīng)在工段1中被水解。結(jié)合 的導(dǎo)管1 將未水解纖維素固體殘余物進(jìn)料至工段2的位于漿料混合器110之后的旋轉(zhuǎn)進(jìn) 料器170中，在此未水解的纖維素固體殘余物與從進(jìn)口 111進(jìn)入的稀酸溶液相結(jié)合。稀酸 溶液可以是包含約為1. 75-2. 5wt%、適宜為約2. 0-2. 25wt%酸的水溶液。合適的酸包括但 不限于硫酸、硝酸、水合氫離子酸等。進(jìn)入工段2的進(jìn)口 111的稀酸可與進(jìn)入工段1的進(jìn)口 103的稀酸溶液是相同的類型和濃度。在混合器110內(nèi)的漿料混合物可以包括約5-75wt% 的未水解纖維素固體，適宜地為約8-55wt%。
為了幫助實(shí)現(xiàn)需要的工段2的反應(yīng)溫度約165-260°C、適宜地約180_225°C，以及 需要的飽和壓力約100-250psi、適宜地約180-220psi，稀酸溶液可以是預(yù)先加熱的，和/或 所述漿料混合器110也可以加熱。如工段1，多數(shù)需要的熱量和壓力可以在活塞流反應(yīng)器中 實(shí)現(xiàn)。任何早于活塞流反應(yīng)器的加熱可能只會(huì)帶來(lái)所述漿料的溫度和壓力部分程度上達(dá)到 所需要的水平。漿料混合物從混合器110通過(guò)漿料泵IM被傳送到工段2活塞流反應(yīng)器174的內(nèi) 管172中?；钊鞣磻?yīng)器174包括內(nèi)管172，工段2的反應(yīng)發(fā)生在其中，還包括相互連接的 外管176，其限定了換熱器175，并提供所必須的加熱流體來(lái)維持上面所述的所需要的工段 2的反應(yīng)溫度和壓力。如圖1所示，工段2的換熱器175包括4個(gè)相互連接的外管176，用 于提供熱交換流體。內(nèi)反應(yīng)器管道172徑向穿過(guò)外管176的每一個(gè)，從而使四個(gè)通道177、 178、179和180穿過(guò)換熱器175。換熱器175能夠提供有合適的加熱流體，例如超熱蒸汽， 其通過(guò)外管176進(jìn)料來(lái)加熱內(nèi)反應(yīng)器管道172。根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)反應(yīng)器管道172也提供一個(gè) 或多個(gè)基于量子波的能量源。如圖1所示的波能量源包括直流電的源162、光波能(紫外 線)的源164、超聲波的源164和電磁波的源168。直流電的源162和光波能的源164的每一種可以在其通過(guò)換熱器176進(jìn)入第一 通道177前提供給內(nèi)反應(yīng)器管道172。源162的直流電提供約0. 2至3. 0安培的電源。源 164的光(紫外)波能以約IO15至IO"5赫茲提供。提供這些能量的源到工段2反應(yīng)器174 的設(shè)備可以與工段1反應(yīng)器154中所示的相同。超聲波的源166和電磁波的源168均通過(guò)換熱器176提供給介于第一通道177和 第二通道178之間、介于第二通道178和第三通道179之間、和介于第三通道179和第四通 道180之間的內(nèi)反應(yīng)器管道172。超聲波提供約20KHz至160KHz的聲頻。電磁能以約20 至1000高斯的場(chǎng)強(qiáng)提供低頻。提供這些能量源到工段2反應(yīng)器174的裝置可以與工段1 反應(yīng)器154中所示的相同。第二直流電的源162以為約0. 2至3. 0安培提供給第四通道180之后的內(nèi)反應(yīng)器 管道172。所述波能的源與反應(yīng)器熱量和壓力相組合，其使得反應(yīng)能夠在第二工段2中以反 應(yīng)器停留時(shí)間約7. 0-14分鐘進(jìn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于進(jìn)入第一工段的纖維素生物質(zhì)原料干重 的轉(zhuǎn)化百分?jǐn)?shù)約為85-100%。工段2反應(yīng)器174充分地將進(jìn)入工段2的α -纖維素水解原 料轉(zhuǎn)化為包括溶解于稀酸水溶液中的α-纖維素水解產(chǎn)物葡萄糖和固體產(chǎn)物部分的產(chǎn)物 漿料。所述產(chǎn)物漿料被通入閃蒸罐115，在此其被閃蒸至約55-85°C的降低的溫度和約 環(huán)境大氣壓力的降低的壓力。閃蒸蒸汽通過(guò)出口 105離開(kāi)閃蒸罐116，并能夠作為工段1換 熱器156的加熱流體而回收利用，如圖1所示。產(chǎn)物漿料的殘余物通過(guò)導(dǎo)管119進(jìn)入分離 器116，在此將剩余的漿料分離成包含在稀酸中的α-纖維素水解產(chǎn)物葡萄糖的溶液和固 體產(chǎn)物部分。所述溶液通過(guò)管線103離開(kāi)分離器116，并回收回到如所示的工段1的漿料混 合器101中。由于設(shè)備100的轉(zhuǎn)化率效率，該固體產(chǎn)物部分完全或充分地由包含最少或不 含未水解的α-纖維素的高蛋白質(zhì)產(chǎn)物殘余物組成。該高蛋白產(chǎn)物殘余物通過(guò)出口 117離 開(kāi)分離器116，并進(jìn)一步處理為高品級(jí)的高蛋白質(zhì)產(chǎn)品。設(shè)備100包括工藝熱供給源113，其最初傳遞熱量至加熱流體，諸如高壓蒸汽，其 經(jīng)過(guò)管線120輸入，并通過(guò)管線114傳遞至工段2反應(yīng)器174的換熱器175中。在通過(guò)換熱器175之后，加熱流體通過(guò)管線120回收，并再次由熱供給源11將其加熱。工段1反應(yīng) 器154的加熱流體是由工段2閃蒸罐閃蒸的蒸汽通過(guò)管線105來(lái)提供的，其通向工段1反 應(yīng)器的換熱器155。來(lái)自熱源的另外的熱量(未示出)可以用于提高蒸汽至所需要的溫度 和壓力。其它的加熱裝置和技術(shù)在不背離本發(fā)明下也可應(yīng)用。由于包括波能量源的改進(jìn)，纖維素生物質(zhì)的處理可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)約80%、或者超過(guò) 約85 %、或者超過(guò)約90 %、或者超過(guò)約95 %、或者約100 %的半纖維素和α -纖維素鍵水 解，因此使在殘余脫離料流117中未水解的纖維素的量最小化。這可以方便高蛋白質(zhì)殘余 物至有用的高蛋白產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。圖2示意性示出了一種一體化設(shè)備200，其組合有圖1的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備與 將所述高蛋白質(zhì)產(chǎn)物殘余物轉(zhuǎn)化為最終高等級(jí)高蛋白質(zhì)產(chǎn)物的裝置。在圖2中，為了簡(jiǎn)單 起見(jiàn)，圖1中的整個(gè)纖維素處理設(shè)備100由單個(gè)方塊100表示。通過(guò)出口 117離開(kāi)設(shè)備100 的高蛋白殘余物通過(guò)進(jìn)口 212給料至混合器料斗210。這些殘余物可以包括選自以下的多 種成分谷物殘余物、溶解的糖和蛋白質(zhì)、殘留乙醇、水、二氧化碳、酵母、酶及其它副產(chǎn)物和 成分。這些殘余物可以在混合器料斗210中與通過(guò)進(jìn)口 214進(jìn)料至混合器料斗的增香劑、 營(yíng)養(yǎng)素、結(jié)構(gòu)改性劑、沉淀劑和其它添加劑組合，來(lái)提供一種組合的殘余物混合物222。示范 性的增香劑成分非限制性地包括谷物提取物、合成香料、礦物鹽和它們的組合。示范性的營(yíng) 養(yǎng)素非限制性地包括維他命、礦物、蛋白質(zhì)和它們的組合。示范性的結(jié)構(gòu)改性劑非限制性地 包括谷物提取物、蛋白質(zhì)、合成添加劑和它們的組合。示范性的沉淀劑包括有機(jī)或無(wú)機(jī)沉淀 劑和它們的組合。殘余物混合物通過(guò)出口 216從混合器料斗進(jìn)料到壓縮裝置，在此實(shí)施方案中，可 使用由驅(qū)動(dòng)馬達(dá)206和驅(qū)動(dòng)軸204驅(qū)動(dòng)的雙螺桿擠出機(jī)224。雙螺桿擠出機(jī)設(shè)計(jì)成容納為 特殊目的的不同的螺桿配置。雙螺桿擠出機(jī)2Μ可設(shè)計(jì)為用于所述成分的混合和壓縮，并 包括在箭頭2 位置的真空接口。真空接口與一個(gè)或多個(gè)真空泵連接(未示出)，以使殘余 物漿料中的水蒸汽形式的大量水分被去除揮發(fā)份并脫除。當(dāng)水蒸氣被除去后，殘余物混合 物在其沿著箭頭227方向向前傳送時(shí)經(jīng)歷減小的粘度和更高的壓力。壓縮裝置可以減少殘 余物混合物中的液體含量，從開(kāi)始時(shí)的大大超過(guò)80%重量的含量至大為減少的3-8%重量 的液體含量。壓縮過(guò)的殘余物混合物通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)224，經(jīng)過(guò)通道2 和增壓泵230，其增 加混合物的壓力至約250-約3000psi，然后該殘余物混合物通過(guò)通道232進(jìn)入干燥裝置，圖 示如閃蒸干燥室234，并進(jìn)入所述室234的壓縮區(qū)233中。當(dāng)在壓縮區(qū)233中時(shí)，或者直接 在其之前，殘余物混合物與壓力為約250至3000dpi、溫度約65°C至約180°C的壓縮的加熱 氣體混合，如空氣或二氧化碳。殘余物混合物離開(kāi)壓縮區(qū)233時(shí)所伴隨的壓力釋放導(dǎo)致室 234內(nèi)的快速減壓和急劇的快速干燥。殘余的水蒸汽通過(guò)出口 237離開(kāi)室234。所得水分 含量少于約3wt%的干燥的高等級(jí)蛋白質(zhì)產(chǎn)物通過(guò)成型裝置，該成型裝置如圖顯示為一個(gè) 或多個(gè)線股(strand) 236形式的擠出板235。線股236可以使用任何適宜安裝的刀片、造粒機(jī)或其它造粒裝置238造粒，以形成 高等級(jí)蛋白質(zhì)產(chǎn)物小球M0。高等級(jí)蛋白質(zhì)產(chǎn)物能夠包裝和儲(chǔ)存，或者輸送用于直接使用。 其它適宜將高蛋白質(zhì)殘余物轉(zhuǎn)化為高等級(jí)蛋白質(zhì)的裝置也可使用，并且可與纖維素生物質(zhì) 處理設(shè)備100組合形成一體化設(shè)備。這些其它裝置通常包括壓縮裝置、干燥裝置、成型裝置和造粒裝置，但是可以進(jìn)行一些不同于圖2所示順序的相應(yīng)的步驟。圖2所示的一體化設(shè)備200在成型步驟前在快速干燥室234中進(jìn)行干燥步驟，這 大致上如同干燥的壓縮殘余物通過(guò)擠出板235所進(jìn)行的。急劇的快速干燥導(dǎo)致高等級(jí)蛋 白質(zhì)產(chǎn)物具有少于約的低含水量，適宜為少于約Iwt %，或少于約0. 5wt%，或少于約 0. 2wt %，或或少于約0. Iwt %，或少于約0. 05wt %，或少于約0. 02wt %。該低含水量通過(guò)減 輕水分誘導(dǎo)的損失而提高所述高等級(jí)蛋白質(zhì)產(chǎn)物的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備100和/或一體化設(shè)備200能夠通過(guò)將所述設(shè)備置于鋼制 平臺(tái)或其它適宜的支撐裝置上而制備為便于攜帶。所述平臺(tái)可以提供有輪子，并且可以提 供有用于汽車牽引的栓鉤裝置。纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備100和/或一體化設(shè)備200的可攜 帶能夠帶來(lái)更高效率的設(shè)備和更小尺寸的需求，原因在于使用了可促進(jìn)半纖維素和α-纖 維素鍵水解的波能量源。除增加設(shè)備效率和減小設(shè)備尺寸之外，基于量子波的能量源的使用引人注目地減 少了操作設(shè)備所需的能源消耗。所述設(shè)備輕便的性能允許其被輸送至多種來(lái)源的纖維素生 物質(zhì)，因此消除了輸送纖維素生物質(zhì)的成本。根據(jù)操作的要求，所述設(shè)備可以制造為大或 小。為了大容積的商業(yè)用途，所述設(shè)備可以制造得大些，或者，為了私下個(gè)人使用的較小容 積，其又可制造得小些。本發(fā)明的實(shí)施方案僅是示范性的描述。其它的修正和改進(jìn)都可進(jìn)行，只要不背離 本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍。本發(fā)明的保護(hù)范圍已在權(quán)利要求書中進(jìn)行說(shuō)明，在等同物意義 和范圍內(nèi)的所有改變均包含在其保護(hù)范圍中。
權(quán)利要求
1.一種纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其包括第一工段，該第一工段包括第一活塞流反應(yīng)器、用于所述第一活塞流反應(yīng)器的熱源、以 及一個(gè)或多個(gè)與所述第一活塞流反應(yīng)器連通的第一工段基于量子波的能量源；以及第二工段，該第二工段包括第二活塞流反應(yīng)器、用于所述第二活塞流反應(yīng)器的熱源、以 及一個(gè)或多個(gè)與所述第二活塞流反應(yīng)器連通的第二工段基于量子波的能量源，其中所述第一工段接收纖維素生物質(zhì)物料和稀酸溶液，并導(dǎo)致所述纖維素中的分子間 鍵的水解，而所述第二工段接收源自所述第一工段的未水解的纖維素和稀酸溶液，并導(dǎo)致 分子間鍵的進(jìn)一步水解。
2.權(quán)利要求1的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其中一個(gè)或多個(gè)第一工段基于量子波的能量 源選自以下組中的源超聲波、紫外波、磁波、直流電、和它們的組合。
3.權(quán)利要求2的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其中所述第一工段基于量子波的能量源包括 以下的源超聲波、紫外波、磁波和直流電。
4.權(quán)利要求1的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其中一個(gè)或多個(gè)第二工段的基于量子波的能 量源選自以下組中的源超聲波、紫外波、磁波、直流電、和它們的組合。
5.權(quán)利要求4的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其中所述第二工段基于量子波的能量源包括 以下的源超聲波、紫外波、磁波和直流電。
6.權(quán)利要求1的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其中所述第一活塞流反應(yīng)器包括第一內(nèi)管， 用于所述第一活塞流反應(yīng)器的熱源包括第一換熱器，該第一換熱器包括多個(gè)相互連接的環(huán) 繞所述第一內(nèi)管的外管，所述第二活塞流反應(yīng)器包括第二內(nèi)管，用于所述第二活塞流反應(yīng) 器的熱源包括第二換熱器，該第二換熱器包括多個(gè)環(huán)繞第二內(nèi)管的外管。
7.權(quán)利要求6的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其中所述第一內(nèi)管使得第一、第二、第三和第 四通道穿過(guò)所述第一換熱器，并且在所述第一通道之前、所述第一和第二通道之間、所述第 二和第三通道之間、所述第三和第四通道之間、以及在所述第四通道之后提供有一個(gè)或多 個(gè)與所述第一內(nèi)管連通的基于量子波的能量源。
8.權(quán)利要求6的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其中所述第二內(nèi)管使得第一、第二、第三和第 四通道穿過(guò)所述第二換熱器，并且在所述第一通道之前、所述第一和第二通道之間、所述第 二和第三通道之間、所述第三和第四通道之間、以及在所述第四通道之后提供有一個(gè)或多 個(gè)與所述第二內(nèi)管連通的基于量子波的能量源。
9.權(quán)利要求1的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其進(jìn)一步包括從所述第二工段接收高蛋白質(zhì) 殘余物、并將其轉(zhuǎn)化為高等級(jí)蛋白質(zhì)產(chǎn)物的裝置。
10.權(quán)利要求9的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其中接收和轉(zhuǎn)化所述高蛋白殘余物的裝置 包括壓縮裝置、成型裝置、干燥裝置和造粒裝置。
11.權(quán)利要求1的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其進(jìn)一步包括用于運(yùn)輸該設(shè)備的有輪子的
12.一種處理纖維素生物質(zhì)原料的方法，其包括以下步驟將所述纖維素生物質(zhì)原料與稀酸溶液混合以形成漿料；加熱所述漿料；使?jié){料通過(guò)反應(yīng)器；為所述反應(yīng)器提供一個(gè)或多個(gè)基于量子波的能量源，以促進(jìn)半纖維素和α -纖維素鍵的水解，形成產(chǎn)物漿料；以及分離所述產(chǎn)物漿料的固體和液體成分。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述反應(yīng)器包括第一工段反應(yīng)器和第二工段反應(yīng)器，有 一個(gè)或多個(gè)基于量子波的能量源被提供給所述第一工段反應(yīng)器和工段反應(yīng)器的每一個(gè)。
14.權(quán)利要求12的方法，其中所述基于量子波的能量源包括以下的源超聲波、磁波和 直流電。
15.權(quán)利要求13的方法，其中一個(gè)或多個(gè)基于量子波的能量源在所述第一工段反應(yīng)器 中的多個(gè)位置和所述第二工段反應(yīng)器中的多個(gè)位置提供。
16.權(quán)利要求13的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)基于量子波的能量源被提供至所述第一 工段反應(yīng)器中的至少三個(gè)位置和所述第二工段反應(yīng)器中的至少三個(gè)位置。
17.權(quán)利要求13的方法，其中所述產(chǎn)物漿料被分離成液流和高蛋白殘余物，并進(jìn)一步 包括壓縮、成型、干燥和造粒所述高蛋白殘余物，以形成高等級(jí)蛋白質(zhì)產(chǎn)物的步驟。
18.—種纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其包括第一工段，其包括第一活塞流反應(yīng)器、用于所述第一活塞流反應(yīng)器的熱源、一個(gè)或多個(gè) 與所述第一工段活塞流反應(yīng)器連通的第一工段基于量子波的能量源、與所述第一工段活塞 流反應(yīng)器連通的閃蒸罐、和與所述閃蒸罐連通的分離器，其中所述一個(gè)或多個(gè)第一工段基于量子波的能量源被提供與所述第一工段活塞流反 應(yīng)器中的多個(gè)位置連通。
19.權(quán)利要求18的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其進(jìn)一步包括第二工段，其包括第二活塞流反應(yīng)器、用于所述第二活塞流反應(yīng)器的熱源、一個(gè)或多個(gè) 與所述第二工段活塞流反應(yīng)器連通的第二工段基于量子波的能量源、與所述第二工段活塞 流反應(yīng)器連通的閃蒸罐、和與所述閃蒸罐連通的分離器，其中所述一個(gè)或多個(gè)第二工段基于量子波的能量源被提供與所述第二工段活塞流反 應(yīng)器中的多個(gè)位置連通。
20.權(quán)利要求18的纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其中所述一個(gè)或多個(gè)第一工段基于量子波 的能量源包括以下的源超聲波、紫外波、電磁波和直流電。
全文摘要
一種自包容式的、高效率纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備，其包括基于量子波的能量源來(lái)促進(jìn)半纖維素和α-纖維素鍵的稀釋酸水解。所述基于量子波的能量源提供超聲波、紫外線波、磁波和直流電的一種或多種及其適當(dāng)?shù)慕M合，以促進(jìn)分子間鍵的斷裂。本發(fā)明還提供一種一體化的設(shè)備，其將所述纖維素生物質(zhì)處理設(shè)備與將高蛋白質(zhì)殘余物轉(zhuǎn)變成最終的高級(jí)別蛋白質(zhì)產(chǎn)物的設(shè)備組合。由于使用基于量子的波能所產(chǎn)生的高效率，所述設(shè)備可以使用更少能源，并可以小型和便攜。
文檔編號(hào)B09B3/00GK102066423SQ200980118688
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2009年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月22日
發(fā)明者T·C·劉易斯 申請(qǐng)人:T·C·劉易斯