木质纤维原料中的多糖的低水水解或预处理的方法

专利名称：木质纤维原料中的多糖的低水水解或预处理的方法
技术领域：
本发明涉及木质纤维原料中的多糖的水解生成单糖和/或提高所述多糖对后续 的酶促转化成单糖的易感性或可及性的改进方法。该方法包括预处理木质纤维原料以使其 更易于酶促水解。
背景技术：
对于从木质纤维原料，如麦秆、玉米秸和柳枝稷，生产燃料乙醇的关注正在增加。从木质纤维原料生产乙醇的一个主要过程是进行预处理，而后将纤维素酶促水解 为葡萄糖。该预处理通常通过将该原料短时间暴露在稀硫酸和高压蒸汽中来实施。进行该 处理的一个方法是汽爆(steam exploration)( 一般性披露于美国专利No. 4，461，648和 No. 5，916，790中)。汽爆预处理极大地改善了后续的纤维素酶促水解。汽爆预处理可以采取间歇或连续方式实施。优选连续运行，其原因在于间歇式反 应器的充填和清空需要时间，因此连续式预处理反应器的生产率高于间歇式反应器。此外， 可均勻预处理原料的间歇式汽爆反应器也存在尺寸限制。该尺寸限制导致工业规模的乙醇 厂需要大量的间歇式汽爆反应器。另一方面，连续运行的汽爆预处理实现了高生产率以及良好的纤维素酶促水解。 然而，木质纤维原料必须连续地输送进入并通过预处理反应器。这可以通过制备由水中的 细碎木质纤维原料构成的浆料来实现。加入水有利于在预处理反应器内和其上游的单元操 作中的木质纤维原料的转运和机械处理。通常，为了使浆料均勻地流动，所含的水量经常是 所含的原料固体量的5至25倍。在现有技术的常规方法中，在引入预处理反应器前，通过一系列特殊设计的泵将 木质纤维原料浆加压至高于预处理反应器的压力，并将这些木质纤维原料浆加热到反应温 度。通过注入高温的高压蒸汽进行该加热。在此加热中所需的蒸汽量和酸量是浆料总量 (包括为转运该浆料所加入的水)的直接函数。因此，大量水的存在需要大量蒸汽来加热 以及大量的酸。在预处理反应器中，浆料在高温下保持预定的时间。在预处理反应完成后， 经预处理的木质纤维原料浆经由排放通过一系列闪蒸器来冷却，在闪蒸器中所加入的大量 起始蒸汽可以潜在地作为具有显著更低压力的闪蒸蒸汽被回收，并被重新利用来预热进料 的木质纤维原料浆。不能被回收的蒸汽作为冷凝水残留在浆料中并且造成浆料的进一步稀 释。在木质纤维原料预处理后的下游处理过程中，基本上所有加入的水主要通过蒸发 或蒸馏方法以高昂的成本去除。因此，为转运原料加入的水需要大量的蒸汽消耗、大量的酸 消耗以及大型蒸发或蒸馏系统，这给乙醇生产工艺增加了大量的投资和运行成本。美国专利No. 4，842，877公开了一种方法，其中首先将生物质基质用含有强碱的 反应介质预水解，而后将其用螯合剂进一步处理以去除金属离子，因而避免在处理设备上 形成不期望的沉淀物。螯合步骤的生物质产物随后被输送到其中加入有过氧化氢以及氧的 加压挤出机反应器中。氧的作用是激活过氧化氢，同时挤出机的摩擦和压力作用加速生物质与过氧化氢的反应。该挤出机装置优选为Wenger TX-138、X_175、X_185或Χ-200连续挤压炉。美国专利No. 4，427，453公开了一种蜗轮给料机形式的装置，其包括圆锥形的抗 压外壳，所述外壳在大直径端具有径向进料口，在小直径端具有圆筒形轴向出口套管。物料 被注入进料口，在强压缩和由此产生的高压下，通过旋转圆锥形蜗旋移动到小直径端，在小 直径端处以压缩栓塞形式被推出出口套管。圆锥形外壳上有穿孔，使得在压缩过程中液体 被从物料中挤出。美国专利No. 6，251，643公开了一种具有用于实施压榨步骤并处理物料水悬液的 腔室的螺旋压榨机。该腔室设置为与至少一个常规整体轴轴向排列，所述整体轴具有传送 物料的螺旋。在操作螺旋压榨机时，在每个螺旋的出口端形成压缩物料的栓塞。该栓塞在 一个腔室和下一个腔室之间形成密封。美国专利No. 7，347，140公开了一种从将固体/液体混合物中分离液体的螺旋压 榨机，该螺旋压榨机包括具有液体回收穿孔的外壳。该外壳包括具有经其挤压液体的环状 间隙的螺旋轴。一个反压装置为固体/液体混合物提供支持以增加环状间隙处的压力，以 便从该固体/液体混合物中提取更多的液体。WO 96/25553公开了一种木质纤维脱水系统，其在大气压力下运行以将木质纤维 原料挤压成压缩栓塞形式的插入物，其目的是将压缩机的大气介质与水解器中的高压介质 分离。题为“kcond Stage Countercurrent Reactor”的最终报告(国家可再生能源实 验室，Golden Colorado，2000 年 10 月 19 日，Harris Group 出版)公开了在 150psig (磅 / 平方英寸)、185°C下运行的第一阶段水平反应器和在370psig、225°C下运行的第二阶段垂 直反应器(也称为“消化器”)。在进入第一阶段前，大气栓塞螺旋给料机将经蒸汽预处理的 碎片压缩成紧密的栓塞，并且加压T形管组合件为第一阶段水平消化器提供压力密封。在 第二阶段水解中，加压栓塞螺旋给料机将来自第一阶段反应器的加压部分反应的碎片压缩 以形成对抗反应器压力的紧密栓塞。加压T形管组合件为第二阶段逆流反应器提供压力密 封。加压粉碎输送机将栓塞粉碎并为第二阶段垂直消化器连续给料，来自粉碎机的部分反 应的碎片在所述第二阶段垂直消化器中被酸水解。

发明内容
本发明提供一种经济的连续水解或预处理方法，其以低水量运行。通过按照该方 法操作，在从木质纤维原料生产发酵产物如乙醇方面，相对于采用大量水的现有方法，本发 明提供了显著的投资和运行成本优势。有利的是，在水解反应器中经蒸汽加热之前，从木质纤维原料中移除大量的水降 低了蒸汽用量以及需要在下游处理中通过蒸发或蒸馏移除的水量，因而降低了投资和运行 成本。本发明的另一有利特征在于其可使在水解或原料预处理中所需的酸或碱的量降低。因此，本发明的一大方面是提供一种将木质纤维原料中的多糖水解生成单糖的方 法，包括a)提供相互连接的脱水区、栓塞形成区和反应区，所述脱水区、栓塞形成区和反应 区各自具有入口区和出口区，所述脱水区的出口区与所述栓塞形成区的入口区操作关联，并且所述栓塞形成区的出口区与所述反应区的入口区操作关联，其中所述反应区的压力 (Pr)为约 90 至约 680psia ；b)将所述木质纤维原料的水浆进料至所述脱水区以生成部分脱水的木质纤维原 料以及含水液体，其中在所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力(Pdwi) 与Pr如下相关0 彡 ΔΡ < [(Pr-20psia)和 220psia]中的较低者，并且其中Δ P是已和Pdwi之间以psia计的绝对压差；c)在低于所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力的压力下，从 所述脱水区回收部分含水液体以生成回收的含水液体，所述回收的含水液体基本不含固体 木质纤维原料；d)将所述部分脱水的木质纤维原料从所述脱水区的出口区移动到所述栓塞形成 区的入口区；e)在所述栓塞形成区内形成木质纤维原料栓塞，以在所述脱水区的出口区和所述 反应区的入口区之间提供压力密封；f)将所述木质纤维原料栓塞从所述栓塞形成区的出口区进料至所述反应区的入 口区，其中所述栓塞形成区的出口区处的压力与所述反应区的入口区处的压力基本相同；g)在所述反应区中保持合适的温度和pH条件，以使所述木质纤维原料中的多糖 水解生成单糖；和h)回收在步骤g)中生成的单糖。本发明的另一大方面提供一种将木质纤维原料中的多糖水解生成单糖的方法，包 括a)提供相互连接的脱水区、栓塞形成区和反应区，所述脱水区、栓塞形成区和反应 区各自具有入口区和出口区，所述脱水区的出口区与所述栓塞形成区的入口区操作关联， 并且所述栓塞形成区的出口区与所述反应区的入口区操作关联，其中所述反应区的压力 (Pr)是约 300 至约 680psia ；b)将所述木质纤维原料的水浆进料至所述脱水区以生成部分脱水的木质纤维原 料以及含水液体，其中在所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力(Pdwi) 与Pr如下相关0 彡 Δ P < 220psia,并且其中Δ P是已和Pdwi之间以psia计的绝对压差；c)在低于所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力的压力下，从 所述脱水区回收部分含水液体以生成回收的含水液体，所述回收的含水液体基本不含固体 木质纤维原料；d)将所述部分脱水的木质纤维原料从所述脱水区的出口区移动到所述栓塞形成 区的入口区；e)在所述栓塞形成区形成木质纤维原料栓塞，以在所述脱水区的出口区和所述反 应区的入口区之间提供压力封闭；f)将所述木质纤维原料栓塞从所述栓塞形成区出口区投入所述反应区入口区，其 中所述栓塞形成区出口区的压力与所述反应区入口区的压力基本相同；
g)在所述反应区中保持合适的温度和pH条件，以使所述木质纤维原料中的多糖 水解生成单糖；并且h)回收所述在步骤g)中生成的单糖。根据本发明的另一大方面，提供一种生产预处理的木质纤维原料的方法，包括a)提供相互连接的脱水区、栓塞形成区和反应区，所述脱水区、栓塞形成区和反应 区各自具有入口区和出口区，所述脱水区的出口区与所述栓塞形成区的入口区操作关联， 并且所述栓塞形成区的出口区与所述反应区的入口区操作关联，其中所述反应区的压力 (Pr)为约 90 至约 680psia ；b)将所述木质纤维原料的水浆进料至所述脱水区以生成部分脱水的木质纤维原 料以及含水液体，其中在所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力(Pdwi) 与Pr如下相关0 彡 ΔΡ < [(Pr-20psia)和 220psia]中的较低者，并且其中Δ P是已和Pdwi之间以psia计的绝对压差；c)在低于所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力的压力下，从 所述脱水区回收部分含水液体以生成回收的含水液体，所述回收的含水液体基本不含固体 木质纤维原料；d)将所述部分脱水的木质纤维原料从所述脱水区的出口区移动到所述栓塞形成 区的入口区；e)在所述栓塞形成区形成木质纤维原料栓塞，以在所述脱水区的出口区和所述反 应区的入口区之间提供压力封闭；f)将所述木质纤维原料栓塞从所述栓塞形成区出口区投入所述反应区入口区，其 中所述栓塞形成区出口区的压力与所述反应区入口区的压力基本相同；g)在所述反应区中预处理所述木质纤维原料以生成所述预处理的原料。根据本发明的一个实施方案，在进入脱水区前，木质纤维原料的水浆中的水与干 木质纤维原料固体的重量比为约5 1至约33 1，优选为约7 1至约M 1。可以在 脱水区的入口区确定水与木质纤维原料固体的重量比。根据本发明的另一个实施方案，部分脱水的木质纤维原料中的水与干木质纤维原 料的重量比为约0.5 1至约5 1，优选为约1.5 1至约4 1。根据本发明的又一实施方案，在脱水区的入口处的木质纤维原料的水浆的压力为 约 70psia 至约 900psia、约 70psia 至约 800psia、约 140psia 至约 800psia、或约 300psia 至约 800psia。在本发明的另一实施方案中，从脱水区回收的含水液体的压力比在脱水区的入口 区处的木质纤维原料的水浆的压力低约0. 3psia至约50psia或约Ipsia至约50psia。根据本发明的另一实施方案，在部分脱水的木质纤维原料进入反应区前或在反应 区中或以上两者组合的情况下，将部分脱水的木质纤维原料加热。根据本发明的又一实施方案，在部分脱水的木质纤维原料进入反应区前或在反应 区中或以上两者组合的情况下，可以通过直接蒸汽注入将部分脱水的木质纤维原料至少部 分加热。根据本发明的又一实施方案，反应区中的木质纤维原料在酸性条件下反应。当木质纤维原料在酸性条件下反应时，反应区中的PH值可在0至约3之间、或在约0. 2至约3 之间、或在约0. 5至约3之间。可以在木质纤维原料栓塞进入反应区之前或在反应区中或 以上两者组合的情况下，将酸加入到木质纤维原料中。在本发明的再一实施方案中，当反应区中的木质纤维原料在酸性条件下反应时， 将木质纤维原料在约180°C至约260°C的适当温度下在反应区中保留约10秒至约20分钟、 或约10秒至600秒、或约10秒至约180秒的适当时间，以水解木质纤维原料。当木质纤维原料在酸性条件下反应时，加入木质纤维原料中的酸可以选自硫酸、 亚硫酸、盐酸、磷酸或其任意组合。优选地，所述酸为硫酸。根据本发明的另一实施方案，反应区中的木质纤维原料在碱性条件下反应。根据 该实施方案，所述碱可以选自氨、氢氧化铵、氢氧化钾、氢氧化钠或其任意组合。可以在木质 纤维原料栓塞进入反应区前或在反应区内或以上两者组合的情况下，将碱加入到木质纤维 原料中。反应区中的PH可以在9. 5至14之间。根据本发明的一个实施方案，在碱性条件下的反应过程中，反应区中的温度可以 为约135°C至约^KTC。根据本发明的另一实施方案，在碱性条件下的反应过程中，反应区 中的温度可以为约120°C至约220°C，并且木质纤维原料的反应时间可以为约1分钟至约 120分钟或约2分钟至约60分钟，以预处理木质纤维原料。根据本发明的又一实施方案，当木质纤维原料在碱性条件下反应时，所述碱为氨、 氢氧化铵或其组合，反应区中的温度为约20°C至约150°C或约20°C至约100°C，并且木质纤 维原料的反应时间为约1分钟至约20分钟，以预处理木质纤维原料。根据本发明的再一实施方案，当木质纤维原料在碱性条件下反应时，所述碱为氨、 氢氧化铵或其组合，反应区中的温度为约100°C至约150°C，并且木质纤维原料的反应时间 为约1分钟至约20分钟，以预处理木质纤维原料。根据本发明的另一个实施方案，当木质纤维原料在碱性条件下反应时，所述碱为 氢氧化钾、氢氧化钠或其组合，反应区中的温度为约100°C至约140°C，并且木质纤维原料 的反应时间为约15分钟至约120分钟，以预处理木质纤维原料。根据本发明的又一实施方案，在从反应区中排出后，将反应后的木质纤维原料冷 却到等于或低于100°c的温度。该实施方案还可以包括将反应后的木质纤维原料的压力降 低到大气压力的步骤。本发明的另一大方面提供一种用于预处理或水解木质纤维原料的系统，其包括相 互连接的脱水设备、栓塞形成设备和反应设备，其中所述反应设备中的压力(P》为约90至 约680psia，所述系统包括一个或更多个泵，用于在约70psia至约800psia的压力下将所述木质纤维原料的 水浆泵入所述脱水设备中，其中在所述脱水设备的入口处的所述木质纤维原料的水浆的压 力(Pdwi)与Pr如下相关0 ≤ ΔΡ < [(Pr-20psia)和 220psia]中的较低者，并且其中Δ P是已和Pdwi之间以psia计的绝对压差；所述脱水设备中的装置，其用于从所述木质纤维原料的水浆中移除含水液体以形 成部分脱水的木质纤维原料；用于从所述脱水设备内回收含水液体的装置；
用于将所述部分脱水的木质纤维原料从所述脱水设备引入所述栓塞形成设备以 形成木质纤维原料栓塞的装置；以及用于将所述木质纤维原料栓塞从所述栓塞形成设备中排出并将所述木质纤维原 料进料至所述反应设备中的装置，所述反应设备中的所述木质纤维原料的压力与从所述栓 塞形成设备中排出的所述木质纤维原料栓塞的压力基本相同。根据本发明的一个实施方案，当所述系统运行时，在约70psia至约SOOpsia的压 力下将木质纤维原料的水浆泵入脱水设备中。根据本发明的一个实施方案，所述系统包括在将木质纤维原料进料至反应设备之 前破碎木质纤维物料栓塞的装置。在另外的实施方案中，将脱水设备和栓塞形成设备整合成组合的脱水和栓塞形成 设备。


在附图中，图1是本发明一个实施方案的方法的流程图；图2是用于实施本发明方法的根据本发明一个实施方案的程式化设备的示意图； 以及图3是用于实施本发明方法的根据本发明一个实施方案的程式化设备的示意图。以下对优选实施方案的描述是示例性的，并且不限于使本发明生效所需的特征的组合。发明详述被脱水的原料是木质纤维物料。术语“木质纤维原料”是指任意类型的植物生物 质，例如但不限于非木质的植物生物质；耕种作物，例如但不限于草，例如但不限于C4草， 例如但不限于柳枝稷、米草、黑麦草、芒草、草庐或其组合；糖加工残留物，例如但不限于甘 蔗渣、甜菜浆或其组合；农业残留物，例如但不限于大豆秸秆、玉米秸秆、稻草、稻壳、大麦秸 秆、玉米芯、小麦秸秆、油菜秸秆、燕麦秸秆、燕麦皮、玉米纤维或其组合；林业生物质，例如 但不限于再循环的木浆纤维、锯屑、硬木如白杨木、软木或其组合。此外，木质纤维原料可以包括纤维素废料或林业废料，例如但不限于新闻纸、硬纸 板等。木质纤维原料可以包含一种纤维，或者作为替代方案，木质纤维原料可以包含源 自不同木质纤维原料的纤维混合物。木质纤维原料包含大于约20%、更优选大于约30%、更优选大于约40% (w/w)的 量的纤维素。例如，木质纤维原料可以包含约20%至约50% (w/w)的量或其间任意量的纤 维素。木质纤维原料还包含大于约10%、更通常大于约15% (w/w)的量的木质素。木质纤 维原料还可包含少量的蔗糖、果糖和淀粉。优选的木质纤维原料的实例包括(1)农业废料，例如玉米秸秆、小麦秸秆、大麦 秸秆、油菜秸秆、燕麦秸秆、稻草和大豆秸秆；和( 草，例如柳枝稷、芒草、米草和草庐。在脱水之前，通常通过下述方法减小木质纤维原料的尺寸，所述方法包括但不限 于碾、磨、搅拌、粉碎、压缩/膨胀或其它类型的机械作用。机械作用导致的尺寸减小可以采用适于该目的的任何类型的设备实施，例如但不限于选自以下的破碎装置锤式破碎机、 缸式粉碎机、辊压机、精磨机和水力碎浆机。可以将原料减小成长度为约1/16至约5英寸 或其间任意量的颗粒；例如，颗粒的长度可以是约1/16、约1/8、约3/16、约1/4、约5/16、约 3/8、约 7/16、约 1/2、约 9/16、约 5/8、约 11/16、约 3/4、约 13/16、约 7/8、约 1、约 2、约 3、约 4或约5英寸，或其间任意量。减小的颗粒的长度还可以为至少90重量％的颗粒的长度 小于5英寸或更小；例如，至少90重量％的颗粒的长度可以小于约4、约3、约2、约1或约 1/2英寸。可以进行清洗以去除沙、砂砾以及其它外来颗粒，这是由于它们会对下游设备造 成破坏。在进入脱水区前，将水与木质纤维原料的比例进行调整以形成浆料。在进入脱 水区前，木质纤维原料的水浆中水与干木质纤维原料固体的重量比可以是约5 1至约 33 1，或7 1至约M 1以及其间任意比例。例如水与干木质纤维原料固体的重量比 可以是约 5 1、约 6 1、约 7 1、约 8 1、约 9 1、约 10 1、约 11 1、约 12 1、 约 13 1、约 14 1、约 15 1、约 16 1、约 17 1、约 18 1、约 19 1、约 20 1、 约 21 1、约 22 1、约 23 1、约 24 1、约 25 1、约 26 1、约 27 1、约 28 1、约 29 1、约30 1、约31 1、约32 1或约33 1。可以在脱水区的入口区确定水与干 木质纤维原料固体的重量比。浆料中所需的水与干木质纤维原料固体的重量比可以通过例 如可泵送性、管线需要以及其它实际考虑确定。可以通过本领域技术人员已知的方法确定 水浆(例如木质纤维原料的水浆)中或湿物料(例如部分脱水的木质纤维原料或木质纤维 原料栓塞)中的水与干燥固体的重量比。一个方法是在一定温度下和时间内干燥已知重量 的浆料或湿物料样本，该温度和时间足以从浆料或湿物料样本中移除水而不造成固体(例 如，原料固体)的热降解。在这样的除水或干燥后，称重干燥固体，浆料或湿物料样本中的 水重量就是浆料或湿固体样本的重量与干燥固体重量之差。水浆中的干燥固体的量可以称 为浆料稠度。稠度可以表示为在一定重量的浆料中干燥固体的重量(例如，克/千克)或 基于重量的百分数(例如，％(W/V))。在权利要求和说明书中，术语“操作关联”是指通过中间区域或装置，使上游区域 或装置直接或间接地通向相应的下游区域或装置。脱水区包括在压力下从原料水浆中移除水的一个或更多个设备。适合用于本发明 的脱水设备包括加压螺旋压榨机(在下文中更详细描述)和加压过滤器。通过脱水步骤从 木质纤维原料中压出的水可以在本发明中重新利用，如用于输入原料的成浆。可以通过一个或更多个高压泵(如从Sulzer Corp或Andritz AG获得的)或其它 适合的给料设备将原料浆进料至加压脱水设备。所述泵或其它给料设备提高脱水区的入口 区处的原料浆的压力，例如提高至约70psia至约900psia或约70psia至约800psia，更优 选约140psia至约800psia。例如，在脱水区的入口区的原料的压力(psia)可以是约70、 约 90、约 110、约 140、约 175、约 220、约 290、约 300、约 310、约 400、约 460、约 470、约 480、 约550、约660、约680、约700、约750、约800、约880、约890或约900。该压力可以通过位 于脱水设备原料入口的压力传感器来测量。脱水区任选地包括预排水区，以在大气压力或更高压力下从原料浆中排水。而后 将该脱水的原料浆送入一个或多个设备以在压力下将浆料脱水。在比加压脱水区的入口区处的水浆的压力低约0. 3psia至约50psia或约Ipsia至约50psia的压力下，将基本不含木质纤维原料的经加压脱水压出的水回收。例如，从 脱水区回收的水的压力可以比脱水区的入口区处的木质纤维原料水浆的压力低约0.3、约 0. 5、约0. 8、约1、约1. 5、约2、约3、约4、约5、约7、约10、约15、约20、约25、约30、约35、 约40、约45或约50psia。将压出的水直接回收进一个或更多个回收水收集区。回收水可 含有其它可能在进料至加压脱水区的木质纤维原料水浆中存在并与水一起压出的液体。收 集区可被回收水淹没或者一个或多个回收区可被回收水部分填满，在该情况下在这些回收 区中会有回收水表面。可以通过用压力传感器测量回收水收集区或距离脱水区的入口区最 近的收集区(如果有多于一个收集区)中的压力来确定回收水的压力，进行测量的高度低 于任何可能在该收集区中存在的回收表面的高度，并调整该压力测量，以考虑到由于压力 传感器的放置高度与测量脱水区的入口区处的木质纤维原料浆体的压力时的高度不同而 导致的回收水的任何位势水头的差异。因此，如果将压力传感器放置在收集区的回收水的 表面液位(如果存在的话)以下，并且高度与测量脱水区的入口区处的木质纤维原料浆的 压力时所处的高度相同，则不需要因位势水头的差异而调整回收水的压力测量。如果在收 集区放置压力传感器的高度低于测量脱水区的入口区处的木质纤维原料浆时的高度，则通 过添加压力传感器的高度与测量脱水区的入口区处的木质纤维原料浆时的高度之间的回 收水高度所对应的位势水头来调整压力测量。类似地，如果在收集区放置压力传感器的高 度高于测量脱水区的入口区处的木质纤维原料浆时的高度，则通过减去测量脱水区的入口 区处的木质纤维原料浆时的高度到压力传感器的高度之间的回收水高度所对应的位势水 头来调整压力测量。本领域技术人员已知流体位势水头的计算法并需要考虑流体的密度。回收的含水液体优选每千克回收的含水液体中包含小于约15克的干木质纤维原 料固体；即，回收的含水液体可在每千克回收的含水液体中含有少于约15、约10、约8、约6、 约4、约3、约2或约1克的干木质纤维原料。可以通过上文所述的确定水浆中水与干燥固 体重量比的方法确定回收的含水液体中的木质纤维原料固体的量。部分脱水的木质纤维原料中的水与干木质纤维原料固体的重量比可以是约 0.5 1至约5 1，或约1.5 1至约4 1，以及其间所有比例，例如约0.5 1、约1 1、 约 1.5 1、约 2 1、约 2. 5 1、约 3 1、约 3. 5 1、约 4 1、约 4. 5 1 或约 5 1。 可以通过本文以上所述方法确定部分脱水的木质纤维原料中水与干木质纤维原料固体的 重量比。或者，可以通过本领域技术人员已知的质量平衡计算来确定该比例。该计算考虑 到许多因素，如进料至脱水区的物料的质量流量以及稠度或浓度(包括但不限于木质纤维 原料水浆的质量流量和稠度)，以及从脱水区回收的物料的质量流量以及稠度或浓度(包 括但不限于回收水的质量流量和稠度)。将部分脱水的木质纤维原料从脱水区的出口区移送到栓塞形成区的入口区。在该 区中，部分脱水的木质纤维原料形成栓塞，所述栓塞的功能是在脱水区的出口区和反应区 的入口区之间作为压力密封。在高压下将部分脱水的木质纤维原料进料至栓塞形成区，所述高压与加压的脱水 区入口的木质纤维原料水浆的压力(Pdwi)类似。在加压脱水区的入口处的木质纤维原料水 浆的压力(Pdwi)下游反应区中的压力(Pr)如下相关0 ≤ ΔΡ < [(Pr-20psia)和 220psia]中的较低者，并且其中Δ P是Pr和Pdwi (psia)之间的绝对压差；
该压差使形成的木质纤维原料栓塞能被蒸汽容易地穿透。ΔΡ可以是0至约 220psia的任意绝对压差以及所有其间的压差，例如0、约20、约30、约50、约75、约100、约 150、约 180、约 200、约 210 或约 220psia。木质纤维原料栓塞中的水与干木质纤维原料固体的重量比可以是约0.5 1至约 5 1，或约1 1至约4 1，或约1.5 1至约4 1，或约1.5 1至约3. 5 1，以及 其间所有比例，例如约0.5 1、约1 1、约1.5 1、约2 1、约2.5 1、约3 1、约 3.5 1、约4 1、约4.5 1或约5 1。可以通过本文以上所述的方法确定木质纤维原 料栓塞中的水与干木质纤维原料固体的重量比。或者，可以通过质量平衡计算来确定该比 例。随后将木质纤维原料栓塞从栓塞形成区排出并进料至下游反应区。任选地，在栓 塞形成区的排放和反应区之间放置一个或更多个破裂或粉碎栓塞和/或加热栓塞或已破 裂或粉碎的栓塞的设备。栓塞形成区的出口区的压力与反应区的入口区的压力基本相同。 在本发明的一个实施方案中，栓塞形成区的出口区与反应区的入口区的压差小于反应区的 入口区的压力的约25 %，并且可以小于反应区的入口区的压力的约20 %、约15 %、约10 % 或约5%。在本发明另一个实施方案中，栓塞形成区的出口区的压力与反应区的入口区的 压力相同。可以用压力传感器通过测量栓塞首先排入的区域的压力来确定栓塞形成区的出 口区的压力，其中所述排入区域的开放体积使得在操作时其中干木质纤维原料固体的密度 (表示为每立方米开放区域的体积中的干燥固体的千克数)小于栓塞形成区的出口区的干 木质纤维原料固体的密度(表示为每立方米的栓塞体积中干燥固体的千克数)。栓塞排入 的以上所述区域可以包含在圆筒形的管、容器或腔室或其一部分中，但不限于以上，所述圆 筒形的管、容器或腔室具有的内圆周划定的横截面大于栓塞形成区的出口区处的栓塞表面 的横截面，栓塞表面的横截面定义为出口区的栓塞与垂直于在栓塞形成区的出口区处的栓 塞流方向的横截平面的交汇面。其它设备或腔室(含有栓塞排入的区域并且具有必需的体 积)的非限制性实例包括栓塞破碎机、粉碎机、输送机、旋转给料机或加热机。可以将栓塞 直接排入反应区的入口区。如在下文中所讨论的，可以采用多种类型的反应器来构成反应 区，其包括串联或并联排列的两个或更多个反应器。可以采用位于反应器原料入口的压力 传感器来测量反应区的入口区的压力。如果两个或更多个反应器串联排列，则反应区的入 口区是指第一个反应器的入口区。根据本发明的一个实施方案，在反应区中，木质纤维原料所含的至少一部分多糖 被水解生成一种或更多种单糖。优选地，在预处理中，木质纤维原料中所含的至少一部分木 聚糖被水解至少生成木糖。本文所用的术语“多糖”为其常规含义，并且包括但不限于纤维素和木聚糖。本文 所用术语“单糖”为其常规含义，并且包括通过水解木质纤维原料释放的那些糖，例如，己 糖、半乳糖和果糖以及丙糖、甘油醛和二羟基丙酮；丁糖、赤藓糖、苏糖和赤藓酮糖；戊糖、 阿拉伯糖、来苏糖、核糖、脱氧核糖、木糖、核酮糖和木酮糖；以及己糖、阿洛糖、阿卓糖、半乳 糖、葡萄糖、古洛糖、甘露糖、塔洛糖、果糖、阿卢糖和塔格糖。如果本文中适用术语“寡糖”，则其为常规含义，即含有三至十个糖组分的糖聚合 物，包括果糖寡糖、半乳糖寡糖、甘露糖寡糖以及棉子糖、蜜二糖和麦芽三糖。反应区的压力在约90psia和约680psia之间以及其间的所有压力；例如，所述压力为约90、约100、约120、约150、约200、约M0、约250、约270、约观0、约四0、约300、约 ；350、约 400、约 450、约 500、约 550、约 580、约 590、约 600、约 650 或约 680psia。可以用一 个或更多个压力传感器测量反应区内的压力。如果反应区所包含的一个或更多个反应器的 构成方式使反应区中有不同的压力水平，则在本文中认为反应区中物料进入反应区(经过 入口区进入反应区)的位置的压力是反应区的压力。优选地，反应区中的木质纤维原料在酸性或碱性条件下进行处理。反应区中的木 质纤维原料的PH取决于反应区是在酸性还是碱性条件下运行。对于酸性条件，适合的pH 是约0至3，或约0. 2至约3、或约0. 5至约3，以及其间所有pH值；例如，pH可以是约0. 2、 约0. 3、约0. 4、约0. 5、约1、约1. 5、约2、约2. 5或约3。对于碱性条件，适合的pH是约9. 5 至14，以及其间所有pH值；例如，pH可以是约9. 5、约10、约10. 5、约11、约11. 5、约12. 5、 约13、约13. 5或约14。在反应区中加入以设定酸性条件的酸可以是硫酸、亚硫酸、盐酸、磷酸或其任意组 合。亚硫酸的加入包括加入二氧化硫、二氧化硫和水、或亚硫酸。还可以使用有机酸，其可 单独使用或与无机酸组合使用。在反应区中加入以设定碱性条件的碱可以是氨、氢氧化铵、氢氧化钾、氢氧化钠或 其任意组合。可以在木质纤维原料栓塞进入反应区之前，在栓塞形成区中、在反应区自身中或 以上两者组合的情况下加入酸、碱或其它化学物。例如，可以在进入加压螺旋压榨机入口之 前、在加压螺旋压榨机入口处、在加压螺旋压榨机的脱水区中、在加压栓塞螺旋给料机中和 /或在下游反应区中加入酸或碱。如果在栓塞形成区的排放和反应区之间放置一个或更多 个设备以破裂或粉碎栓塞和/或加热栓塞或已破裂或粉碎的栓塞，则可以将部分或全部酸 或碱加入这些设备中。根据本发明的一个实施方案，含有反应区的反应器是垂直反应器，包括上行流和 下行流垂直反应器两种。在本发明的另一个实施方案中，反应器是水平(图3)或倾斜反应 器。该反应器可以装备内部机械装置，如螺旋(图幻、输送机或类似机械装置，以在反应区 中输送木质纤维原料。可以将反应后的原料排入排料装置，如螺塞(图3)、扫口排料机、旋 转排料机、活塞式排料机等。可以采用串联或并联排列的两个或更多个反应器。如果两个 或更多个反应器串联排列，则反应区的入口区是指第一个反应器的入口区。反应区中适合的反应温度和时间取决于多个变量，包括反应区的pH，如果有多糖 的水解，则还取决于所需的多糖水解程度。可以在进入反应区之前、在反应区中或以上两者组合的情况下，加热部分脱水的 木质纤维原料。在本发明的一个实施方案中，对原料进行预处理。术语“预处理”是指木质纤维原 料在一定条件下反应的过程，所述条件可以破坏纤维结构并增加纤维素纤维中的纤维素对 后续酶促转化步骤的易感性和可及性，并导致纤维素到葡萄糖的中度转化。在预处理过程 中可以将木质纤维原料的一部分木聚糖水解成木糖和其它产物，尽管本发明也涵盖不水解 木聚糖的预处理步骤。在本发明的实施方案中，水解成木糖的木聚糖的量大于约50%、约 60%、约 70%、约 80%、或约 90%。术语“预处理的原料”是指已经进行预处理以使纤维素纤维中所含的纤维素对后续的酶促转化步骤具有更高的易感性和可及性的原料。预处理的原料包含预处理之前在原 料中存在的大部分或全部纤维素。可以在酸性或碱性条件下进行木质纤维原料的预处理。在酸性预处理过程中，在 反应区中的时间是约10秒至约20分钟、或约10秒至约600秒、或约10秒至约180秒，以 及其间任意时间，例如，约10、约20、约30、约40、约50、约60、约70、约80、约90、约100、约 110、约 120、约 140、约 150、约 160、约 170、约 180、约 200、约 250、约 300、约 400、约 500、约 550、约 600、约 650、约 700、约 750、约 800、约 850、约 900、约 950、约 1000、约 1050、约 1100、 约1150或约1200秒，并且在适当的温度下，即约180°C至约^(TC以及其间任意温度，例 如，约 180、约 200、约 210、约 215、约 220、约 225、约 230、约 235、约 240、约 245、约 250 或约 260°C。预处理的pH可以在约0.5至约3之间，或约1.0至约2.0之间。例如，pH可以是 约 0. 5、约 0. 8、约 1、约 1. 3、约 1. 5、约 1. 8、约 2. 0、约 2. 3、约 2. 5、约 2. 8 或约 3。在碱性预处理过程中，在反应器中的时间是约1分钟至约120分钟或约2分钟 至约60分钟，以及其间任意时间，并且适当的温度是约20°C至约220°C，或约120°C至约 220°C，以及其间任意温度。作为碱性预处理方法的氨纤维膨胀(Ammonia fiber expansion, AFEX)可能生成 很少的单糖或不产生单糖。因此，如果在反应区中采用AFEX处理，则反应区中产生的水解 产物可能不会生成任何单糖。根据AFEX方法，将木质纤维生物质与通常浓缩的氨或氢氧化铵在压力容器中接 触。将接触维持充足的时间以使氨或氢氧化铵膨胀(即去结晶化)纤维素纤维。而后快速 降低压力以使氨闪蒸或沸腾并爆破纤维素纤维结构。然后可以按照已知的方法回收闪蒸的 氨。可以在约20°C至约150°C或约20°C至约100°C以及其间任意温度下实施AFEX方法。该 预处理的持续时间可以是约1分钟至约20分钟或其间任意时间。稀氨预处理比AFEX采用更稀的氨或氢氧化铵溶液。该预处理方法可能会或可能 不会产生任何单糖。可以在约100至约150°C或其间任意温度下进行该预处理方法。该预 处理的持续时间可以是约1分钟至约20分钟或其间任意时间。当在预处理中使用氢氧化钠或氢氧化钾时，温度可以是约100°C至约140°C或其 间任意温度，所述预处理的持续时间可以是约15分钟至约120分钟或其间任意时间，并且 PH可以是约pH 11至约13或其间任意pH值。或者，可以在足够严苛的条件下进行酸性或碱性水解过程以将纤维素水解成葡萄 糖和其它产物。例如，水解成葡萄糖和其它产物的纤维素的量可以是至少约40%、约50%、 约60%、约70%、约80%、约90%、约95%或大致达到100%。水解木聚糖和纤维素的足够严苛的酸性水解可以进行约10秒至约20分钟或其间 任意时间。温度可以是约180°C至约260°C或其间任意温度。pH可以是0至约1或其间任 意pH。水解木聚糖和纤维素的足够严苛的碱性水解可以在约125°C至约260°C、或约 135°C至约260 V、或约125°C至约180 V或其间任意温度下进行，时间可以是约30分钟至约 120分钟或其间任意时间，pH可以是约13至约14或其间任意pH。可以将反应区内存在的经水解的或预处理的原料减压并冷却，例如冷却到约30°C 至约100°C。在本发明的一个实施方案中，将压力降低到约大气压力。可通过一个或更多个闪蒸器进行冷却和减压。如果在反应区中存在的经水解的或预处理的原料含有纤维素，则可以将其用纤维 素酶进行纤维素水解。术语“纤维素酶”、“纤维酶”或“酶”是指催化纤维素水解成产物的 酶，所述产物如葡萄糖、纤维二糖或其它纤维寡糖。纤维酶是指称多酶混合物的通用术语， 所述混合物包含可由多种植物和微生物生成的外切纤维二糖水解酶(CBH)、内切葡聚糖酶 (EG)和β-葡糖苷酶(i3G)。本发明的方法可以利用任意类型的纤维素酶来实施，而不论 其来源为何。通常，对大多数纤维素酶适合的温度是约45°C至约55°C或其间任意温度，尽管嗜 热纤维素酶的温度可更高。选择纤维素酶的剂量以实现充分高水平的纤维素转化。例如， 适合的纤维酶剂量可以是约5. 0至约100. 0滤纸单位(FPU或IU)/克纤维素，或者其间的 任意量。FPU是本领域技术人员熟悉的标准度量，并且根据(ihose (Pure and App 1. Chem., 1987,59 :257-268)进行定义和测量。β _葡糖苷酶的剂量水平可以是约5至约400 β -葡 糖苷酶单位/克纤维素，或其间任意量，或约35至约100 β -葡糖苷酶单位/克纤维素，或 其间任意量。也根据(^hose (同上)的方法测量葡糖苷酶单位。纤维素的水解根据所需的转化程度持续约M小时至约250小时，或其间任意时 间。在本发明的一个实施方案中，水解成葡萄糖的纤维素的量是至少约40%、约50%、约 60 %、约70 %、约80 %、约90 %、约95 %或约100 %。因此产生的浆料是含有葡萄糖、木质素 和其它未转化的悬浮固体的水溶液。在该水溶液中也可能存在其它在反应区中生成的糖。 糖易于从悬浮固体中分离并可以按照所需进一步处理，例如但不限于发酵以生成发酵产物 (包括但不限于通过酵母或细菌生成乙醇或丁醇)。如果生成乙醇，则可以用酵母进行发 酵，所述酵母包括但不限于酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。进行上述发酵的糖可以不只包括在纤维素水解中释放的葡萄糖，还可以是在反应 区的预处理中产生的那些糖，即木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖或其组合。可以与 纤维素水解产生的葡萄糖一起发酵这些糖，或可以将它们单独发酵。在本发明的一个实施 方案中，通过具有将葡萄糖和木糖转化成乙醇的能力的酵母菌株酿酒酵母，可以将这些糖 与纤维素水解生成的葡萄糖一起转化成乙醇。尽管已经报道了一些酿酒酵母酵母株天然能 够将木糖转化成乙醇，但是可以对酿酒酵母株进行遗传改造以使其生成该有价值的副产物 (参见，例如，美国专利No. 5，789，210，其通过引用并入本文)。或者，在酶促水解之前，通过用水溶液清洗浆料以产生含糖的水流和含未水解组 分的固体流，从而将预处理生成的糖与预处理原料浆中未水解的原料组分分离。进行该分 离的其它方法包括但不限于过滤、离心或其它移除纤维固体或悬浮固体的已知方法。然后 可以浓缩含糖水流，例如通过蒸发、采用膜等。通常通过微量过滤来移除任何痕量固体。在一个实施方案中，将与纤维固体分离的含糖水流用酵母或细菌发酵以生成糖 醇。该糖醇可以选自木糖醇、阿拉伯糖醇(arbitol)、赤藓糖醇、甘露糖醇和半乳糖醇。或 者，通过经天然或重组的细菌或真菌发酵，将所述糖转化成醇，如乙醇或丁醇。图1详述如图1所示，通过管线102将稠度为约3%至约5% (w/w)的木质纤维原料水浆输 送到预排水区104。在此处，将水通过排出管线106在大气压力或更高压力下排出以得到具 有约5%至约7% (w/w)稠度的第一部分脱水木质纤维原料浆。将第一部分脱水的木质纤维原料浆排出预排水区104，并通过管线110进料至高压泵108。高压泵108产生高压区， 以使第一部分脱水的木质纤维原料浆可以通过管线111以高压泵入加压的脱水区112的入 口区，所述高压例如在约70psia至约900psia之间，或在约70psia至约800psia之间。加压脱水区112在高压下操作以从第一部分脱水的木质纤维原料浆压出额外的 水以生成第二部分脱水的木质纤维原料，其中残留的水是干木质纤维原料固体重量的约 0. 5至约5倍，或更优选地为约1. 5至约4倍。在一定压力下回收和收集基本不含木质纤 维原料的压出的水，并通过管线114可控制地排出，该压力在约0. 3psia至约50psia之间， 小于加压脱水区112的入口区处的第一部分脱水木质纤维原料的水浆的压力。回收的水在 每千克回收水中含有少于15克的干木质纤维原料固体。回收水所含的干木质纤维原料固 体的量通过收集回收水样本(例如从排出管线114中)，并采用本文上述方法来确定样本 中的水与干燥固体的重量比进行确定。将该第二部分脱水木质纤维原料引入栓塞形成区 116。如以上指出的，脱水区在高压下。在加压脱水区112入口处的木质纤维原料水浆的压 力(Pdwi)与下游反应区的压力(Pr)如下相关0 彡 ΔΡ < [(Pr-20psia)和 220psia]中的较低者，并且其中Δ P是已和Pdwi之间以psia计的绝对压差；在栓塞形成区116中，第二部分脱水木质纤维原料形成栓塞，其作为在加压脱水 区和下游反应区之间的压力密封。将所述栓塞从栓塞形成区116排出，并通过适当尺寸的 出口管线122引入到反应区120。反应区中的高压为大于约90psia，并可以高达约680psia。 栓塞形成区的出口区的压力与反应区的入口区的压力基本相同。栓塞形成区的出口区的压 力与反应区的入口区的压力之间的差异可小于反应区的入口区压力的约25%。例如，栓塞 形成区的出口区的压力与反应区的入口区的压力之间的差异可小于反应区的入口区压力 的约25%、约20%、约15%、约10%或5%。栓塞形成区的出口区的压力可以与反应区的 入口区的压力相同。在反应区120中，木质纤维原料在一定条件下反应，该条件破坏纤维结 构，并水解木质纤维原料所含的多于50%的木聚糖生成木糖或其它产物。例如，水解为木 糖或其它产物的木聚糖的量可以多于约50 %、约60 %、约70 %、约80 %或约90 %。适于该 目的一类反应器是在酸性条件下进行的预处理反应器，其中木质纤维原料在适当的PH(例 如，约0. 5至约3的酸性pH)下在一定温度(约180°C至约260°C )下反应很短的时间，如 约10至约180秒。或者，可以采用在碱性条件下运行的预处理反应器。可选地，反应区可 以在以下条件下运行，所述条件使木质纤维原料所含的大部分木糖和纤维素分别水解为木 糖或其它产物及葡萄糖。将反应的木质纤维原料通过管线IM导入减压和冷却区126。在减压和冷却区1 中，压力降低到约大气压力，温度也被降低，如降低到约30°C至约100°C之间。如果冷却的 反应产物含有纤维素，然后可将其通过输送管线1 运送到酶促水解区(未显示)。图2详述首先清洗木质纤维原料并减小其尺寸(未显示)以提供用于机械加工目的的合适 尺寸，如约3/4英寸至约1英寸大小，或可达到5英寸大小。进行清洗(未显示)以去除沙、 砂砾以及其它外来颗粒，这是由于它们会对下游设备造成破坏。将木质纤维原料与水混合 以形成稠度至多为约20% (w/w)(例如，约3%至约5% (w/w))的浆料。浆料中所需的原 料浓度由可泵送性、管线需求等的因素确定。将清洗和成浆的具有如约3%至5% (w/w)稠度的木质纤维原料贮存在仓库(未显示)中，所述仓库具有类似于青贮料贮存仓库的贮存 设备。在策略上这些仓库可以位于工厂周边，以使在单循环内采用单个管线将原料转运到 工厂并将从位于工厂的脱水设备中除去的水转运回仓库。将木质纤维原料贮存直到工厂需 要。采用传统的纤维处理泵将木质纤维原料转运到预处理区。如在图2所见，通过管线204将木质纤维原料浆泵入第一预排出机202。第一预排出机202具有基本呈圆柱形的坚固外壳，其中是同心筛网208以及与其 同心的安装在轴211上的螺纹螺杆210。当螺纹螺杆210旋转时，将木质纤维原料向前运 送，并可作为清除器将排水后的木质纤维原料从筛网208上移走以避免筛网堵塞。预排出 机202还包括下方的排水系统212以通过第一排水管线214直接排水，并且可以将这些排 出的水返回贮存仓库以用于形成木质纤维原料的浆体。该第一部分脱水木质纤维原料排出刚好足够的水以使剩余的原料可以用常规的 浆料处理泵来泵送。这些泵在浆料和造纸工业中广泛应用，并可处理含有如以重量计约7 % 至约8% (w/w)原料的浆料，并且可以由Sulzer Corp.、Andritz AG或其它厂家供应。将含 有如约7%至约8% (w/w)的原料的第一部分脱水木质纤维原料通过进料管线216进料至 平衡罐218，并在其中贮存备用。泵220将贮存的第一部分脱水木质纤维原料从平衡罐218 中移出，并以高压通过管线2M将其泵入加压脱水压榨机222的入口区，所述高压例如为约 70psia至约900psia、或约70psia至约800psia、或更优选为约140psia至约800psia。管 线2M连接到加压脱水压榨机222上的原料入口(未显示)，并且可以通过位于原料入口的 压力传感器测量脱水区的入口区的原料的压力。加压脱水压榨机222包括基本呈圆筒状的坚固外壳226，其中是同心筛网2 及同 心螺纹螺杆230以从木质纤维原料浆中将水压出。将外壳2 设计为能承受脱水压榨机中 的木质纤维浆体的压力，所述压力可以为约70psia至约900psia、约70psia至约800psia 或更优选为约140psia至约SOOpsia。将从第一部分脱水木质纤维原料浆中压出的水和其 它任意液体回收进回收水收集箱232，从中利用工具(未显示)将其通过第二排水管线236 受控地回收。收集箱232中回收水的表面液位高于同心筛网228的最高点的高度，并高于 用于测量脱水区入口区原料压力的压力传感器的高度。箱232中回收水的压力比加压脱水 压榨机222入口的第一部分脱水木质纤维原料的压力小约0. 3psia至约50psia。收集箱 232中回收水的压力用压力传感器测量，所述压力传感器位于箱中回收水的表面液位以下， 并且其高度与用于检测脱水区的入口区的原料压力的压力传感器的高度相同。经管线236 将基本不含木质纤维原料的回收水回收，并可将其返回到贮存仓库区以用于形成木质纤维 原料的浆料。回收水在每千克回收水中所含的干原料固体小于约15克。通过从例如排出 管线236处收集回收水样本，并采用本文上述确定样本中的水与干固体重量比的方法确定 回收水中所含的干木质纤维原料固体的量。将第二部分脱水木质纤维原料从加压脱水压榨 机222中排入加压管线M0。该第二部分脱水木质纤维原料所含的水的范围是干木质纤维 原料固体的例如约0. 5至约5倍。通过从例如管线240处收集回收原料样本，并采用本文 上述确定样本重量比的方法确定第二部分脱水木质纤维原料中的水与干木质纤维原料固 体的重量比。任选地，以栓塞的形式从压榨机222中排出第二部分脱水木质纤维原料，所述 栓塞在任选的栓塞形成区231中形成。任选地，在所述栓塞形成区的出口末端可以存在阻 遏装置(未显示)。
排入管线MO中的第二部分脱水木质纤维原料处于高压(Pdw。)状态。Pdw。类似于 在加压脱水压榨机222的加压脱水区入口的第一部分脱水木质纤维原料的压力(Pdwi)。根 据加压螺旋压榨机的设计，Pdw。可以等于、小于或大于Pdwi。在将酸通过补充管线242加入 加压栓塞螺旋给料机238以将pH保持在约0. 5至约3. 0后，将第二部分脱水木质纤维原料 通过加压并具有适当尺寸的管线240进料至加压栓塞螺旋给料机238。任选地，可以在下述 位置将部分或全部酸加入到木质纤维原料中，即在加压螺旋压榨机222入口前、加压螺旋 压榨机222入口处、加压螺旋压榨机222脱水区中、加压栓塞螺旋给料机238中和/或下游 预处理反应区中。加压栓塞螺旋给料机238包括基本呈圆筒形的直立中空入口柱M4，其 与水平的基本呈截头圆锥形的压力箱246操作关联，在所述压力箱中装备有同心的并且可 旋转的截头圆锥状螺旋压榨器以将更多水和其它液体从木质纤维原料中压出。此时木质纤 维原料所含的水的范围是干原料固体重量的如约0. 5至小于约5. 0倍。优选地，木质纤维 原料的水含量是干原料固体重量的约1至约4倍、或更优选地约1. 5至约3. 5倍。通过质 量平衡计算确定水与干木质纤维原料固体的重量比，所述计算应考虑到第二部分脱水木质 纤维原料的质量流量和稠度、进料至栓塞螺旋给料机238的酸的质量流量和组成，以及从 栓塞螺旋给料机238中压出的水和其它液体的质量流量和组成。在收集箱250和251中的 水收集系统收集从木质纤维原料中压出的水，分别经排水管线252和248通过工具(未显 示)将水从所述收集箱受控地回收。在栓塞螺旋给料机238的栓塞形成区形成木质纤维原料栓塞。如以上指出的，进 料至栓塞螺旋给料机的木质纤维原料处于高压下，所述高压类似于加压脱水压榨机222的 加压脱水区入口处的第一部分脱水木质纤维原料的压力(Pdwi)。在该加压脱水区入口处的 木质纤维原料水浆的压力(Pdwi)与下游反应区的压力(Pr)如下相关0 ≤ ΔΡ < [(Pr-20psia)和 220psia]中的较低者，并且其中Δ P是已和Pdwi之间以psia计的绝对压差；此压差使形成的木质纤维原料栓塞可以被蒸汽容易地渗透。根据该实施方案，Pdwi是加压脱水压榨机222入口区处的第一部分脱水木质纤维 原料的压力。如以上指出的，可以通过位于所述压榨机原料入口处的压力传感器测量该压 力。通过压力排放阀门系统256将木质纤维原料栓塞排入预处理反应器2Μ的进入容 器258。在栓塞形成区的排出处和预处理反应器之间或在反应器入口处还可以装配栓塞破 碎器/刮削器(未显示)。进入容器258是直立的基本呈圆筒状的容器。由内部圆周界定 的进入容器258的横截面大于在栓塞螺旋给料机238出口的栓塞表面的横截面。栓塞表面 的横截面是在该出口的栓塞与该出口栓塞流方向垂直的横截平面的交叉面。根据本实施方 案，栓塞螺旋给料机238出口处的栓塞流与同心地装配在压力箱Μ6内的截头圆锥压榨器 的纵轴平行。进入容器258的开放体积使容器中的干木质纤维原料固体的密度(表示为每 立方米开放容器体积中干燥固体的千克数)小于在栓塞形成区出口区的干木质纤维原料 固体的密度(表示为每立方米栓塞体积中干燥固体的千克数)。在本实施方案中，可通过 测量进入容器258的压力确定栓塞形成区出口区的压力。可以用压力传感器测量容器中气 体(包括蒸汽)的压力来确定进入容器258的压力。进入容器258的底部与预处理反应器 254的入口相连，并且该入口的压力与容器258中的压力相同。因此，在本实施方案中，栓塞形成区出口区的压力与反应区入口区的压力相同。预处理反应器邪4包含基本呈圆柱状的 水平反应室沈2，通过蒸汽管线沈4向其中通入高压蒸汽。这为预处理反应提供了必要的 环境，即，约90psia至约680psia的高压、约180°C至约260°C的高温，以及约0. 5至约3的 PH。将木质纤维原料在反应器中处理约10至约180秒的时间。作为替代方案，预处理反应 器可以是垂直反应器。将预处理的木质纤维原料通过出口 270从预处理反应器排入压力栓塞容器沈6。 压力栓塞容器266由以下组成，即基本呈圆筒状的直立进入容器272，其与水平的基本呈截 头圆锥状的排出室274操作关联，所述排出室中同心地并可旋转地装备有截头圆锥状螺旋 275，其将木质纤维原料通过压力排放阀门系统(未显示)进料至一系列闪蒸器276中。闪蒸器系列276包括第一闪蒸器278和第二闪蒸器观0，两者通过弯管282相互连 接。通过排放管284从第一闪蒸器278中排出闪蒸汽。通过排放管285从第二闪蒸器280 中排出闪蒸汽。闪蒸器系列将温度阶段性降低至约100°C。将冷却的预处理木质纤维反应 产物通过具有压力栓给料装置四0的连接管2 送入基本呈圆筒状的水平排放室四4，所 述排放室装备有可旋转的螺旋输送机四6。基本呈圆筒状的水平排放室294与真空闪蒸器 286操作关联，以通过排放管线292将压力降低到大气压力。螺旋输送机296通过管线298 将预处理的木质纤维产物排出以备纤维素水解。图3详述如图3所示，浆料管线302中的木质纤维原料浆(按重量计稠度可达原料的约 20%，如约3%至约5% (w/w))通过泵304经进料管线306泵入加压脱水螺旋压榨机(由 总参照号308表示)。加压脱水螺旋压榨机308包含基本呈圆筒状的坚固外壳305，其上具 有径向入口 312和径向出口 314。进料管线306以如约70psia至约900psia的压力将木 质纤维原料通过入口 312进料至螺旋压榨机308。可以通过位于入口 312的压力传感器测 量该压力。在外壳305中同心地放置筛网316以在筛网和外壳305的内圆周之间形成环形 外部空间318。在筛网316中同心并可旋转的装配螺旋320，该螺旋的螺纹322外部直径基 本保持一致，并且与截头圆锥状螺旋轴相连，所述轴的直径沿加压脱水螺旋压榨机308的 入口端3M至出口端3 的方向增加。将从木质纤维原料浆体中压出的水和其它任何液体 回收到环形空间318，其作为回收水的收集室。环形空间318中回收水的表面水平低于用于 在螺旋压榨机308入口处测量木质纤维原料浆体压力的压力传感器的高度。环形空间中回 收水的压力比螺旋压榨机308入口处的原料浆的压力低约0. 3psia至约50psia。通过用位 于环形空间回收水表面液位以下的压力传感器测量压力，并调整该压力测量来确定环形空 间318中回收水的压力，所述调整通过添加压力传感器高度与用位于入口 312的压力传感 器测量木质纤维原料浆时的高度之间的回收水高度所对应的位势水头来进行。在计算该位 势水头时应考虑到环形空间318中回收水的密度。环形空间318通过出口 314与通过第一 排放管线330抽取回收水的涡轮332 (压力为入口端3M处的木质纤维原料的压力)连接。 回收水在每千克回收水中含有小于15克的干木质纤维原料固体。通过从如排放管线330 处收集回收水样本，并采用本文上述确定样本中的水与干燥固体重量比的方法确定回收水 所含的干木质纤维原料的量。可以将回收水或压出物通过管线334送到压出物返回浆料补 充系统(未显示)。部分脱水的木质纤维原料在出口 3 排出螺旋压榨机的脱水区。部分 脱水的木质纤维原料中干木质纤维原料固体的重量比在约0.5 1至约5 1的范围内，并且优选该比例在约1.5 1至约4 1的范围内。通过从如螺旋压榨机出口 3 处收集 原料样本，并采用本文上述方法确定样本中的重量比来确定部分脱水木质纤维原料中水与 干木质纤维原料固体的重量比。或者，可以通过质量平衡计算来确定部分脱水的木质纤维 原料中水与干木质纤维原料固体的重量比，所述计算应考虑到木质纤维原料浆的质量流量 和稠度，投入脱水螺旋压榨机308中的任何其它物料的质量流量和组成，以及从脱水螺旋 压榨机308中压出的水和其它液体的质量流量和组成。加压螺旋压榨机308的出口 3 与栓塞形成区336操作关联。在栓塞形成区336 形成部分脱水的木质纤维原料的栓塞，并将其在栓塞出口 337排出。在栓塞出口 337处还 可以有阻遏装置(未显示)。在脱水区入口处的木质纤维原料水浆的压力(Pdwi)与下游反 应区的压力(Pr)如下相关0 彡 ΔΡ < [(Pr-20psia)和 220psia]中的较低者，并且其中ΔΡ是已和Pdwi之间以psia计的绝对压差；根据本实施方案，Pdwi是加压脱水螺旋压榨机308入口 312的压力。所述压力差异(ΔΡ)使形成的木质纤维原料栓塞能被蒸汽容易地渗透。入口 338 通过蒸汽入口管线342与蒸汽源操作关联。蒸汽的压力等于或大于反应区的压力(P》。将 部分脱水的原料栓塞通过给料室343和破块器344经预处理反应器352的入口 350进料至 预反应器352，所述原料所含的水是干原料固体重量的约0. 5至约5倍。如下文所讨论的， 可以在栓塞形成区的入口处将酸加入木质纤维原料。如果没有将酸加入栓塞形成区，则栓 塞形成区的部分脱水木质纤维原料栓塞中的水与干木质纤维原料固体的重量比应与部分 脱水木质纤维原料中的水与干木质纤维原料的重量比相同。如果将含水酸加入栓塞形成 区，则可以通过计算确定栓塞形成区的部分脱水木质纤维原料栓塞中的水与干木质纤维原 料固体的重量比，所述计算应考虑到部分脱水木质纤维原料中的水与干木质纤维原料固体 的重量比，以及与酸一起加入的水。通过入口 338进料至系统的蒸汽将木质纤维原料加热， 并将预处理反应器352中的温度提高到所需水平。旋转螺旋320的驱动轴由变频驱动器VFD A驱动，并且部分该轴穿过给料室。给 料室343的开放体积(即该室内部总体积减去室中驱动轴的体积)使室中干木质纤维原料 固体的密度(表示为每立方米开放室体积中干燥固体的千克数)比栓塞形成区出口区处的 干木质纤维原料固体的密度(表示为每立方米栓塞体积中干燥固体的千克数)小。在本实 施方案中，可以通过测量给料室343的压力来确定栓塞形成区的出口区的压力。可以用压 力传感器测量室中气体(包括蒸汽)总压力来确定给料室343中的压力。入口至破块器 344的压力与破块器出口的压力相同。破块器的出口与预处理反应器254的入口 350直接 相连。因此，在本实施方案中，栓塞形成区的出口区的压力与反应区的入口区的压力相同。预处理反应器352含有基本呈圆筒状的水平朝向容器，其中同心地安装了具有 均一螺纹356的圆柱形螺旋输送机354。预处理反应器352运行的压力为约90psia至约 680pSia，pH是约0. 5至约3. 0，温度为约180°C至约260°C。将木质纤维原料在反应器中处 理约10至约180秒的时间。可以通过在以下位置对木质纤维原料加酸获得反应器352所 需的PH，即在加压螺旋压榨机之前、在加压螺旋压榨机的入口处、在加压螺旋压榨机的脱水 区中、在栓塞形成区出口和预处理反应器入口之间、在预处理反应器中或前述任意组合的 情况下。优选地，在加压螺旋压榨机入口之前或在加压螺旋压榨机入口处将酸加入到木质纤维原料中，以便于在将木质纤维原料的温度提高到预处理反应温度前，均勻地混合酸和 木质纤维原料。通过径向出口管358，螺旋输送机3M将反应后的木质纤维原料排放入栓塞螺旋 排料机(用总参照号368表示)。该栓塞螺旋排料机368包括与截头圆锥状出口部分364整 合在一起的圆柱状入口部分362。在该栓塞螺旋排料机中是截头圆锥状的螺旋输送机366， 其直径沿入口部分362至出口部分364减小。螺旋输送机将反应的木质纤维原料通过圆柱 状的出口管370传送，所述出口管将其投入闪蒸器(由总参照号382表示)。闪蒸器382包含由穹顶376加帽的圆柱状的上方部分372，并止于排放出口 378， 其经排放管线380导向蒸发器(未显示)。闪蒸器382包括下方的截头圆锥状部分，其终止 于水平放置的入口区384。通过圆筒状出口管370和排放阀门系统386将预处理的木质纤 维原料放入闪蒸器382的入口部分384。闪蒸器382在低于预处理反应器352压力的压力 下运行。由于预处理的木质纤维原料被加入闪蒸器，因此蒸汽被闪蒸掉并且冷却了预处理 的木质纤维原料。尽管在图3中只示出一个闪蒸器，但是可以采用串联排列并在连续降低 的压力下运行的两个或更多个闪蒸器生成不同压力下的闪蒸汽，并冷却预处理的木质纤维 原料。将减压并冷却的预处理的木质纤维产物通过排放管394经旋转排放器390排入可逆 螺旋输送机(由附图标记392表示)。可逆螺旋输送机392包含圆筒状的水平外壳，其中装备有可逆螺旋396。可逆螺旋 输送机392还包括两个径向出口 301和303。出口 301导向管线305，通过其不合格的预处 理木质纤维原料可以被移除并可被重新处理。出口 303通过管线307导向酶促水解。可逆 螺旋输送机392还包括通过管线311排出蒸汽、水蒸气和/或气体的排出口。
权利要求
1.一种将木质纤维原料中的多糖水解生成单糖的方法，包括a)提供相互连接的脱水区、栓塞形成区和反应区，所述脱水区、栓塞形成区和反应区各 自具有入口区和出口区，所述脱水区的出口区与所述栓塞形成区的入口区操作关联，并且 所述栓塞形成区的出口区与所述反应区的入口区操作关联，其中所述反应区的压力(P》为 约 90 至约 680psia ；b)将所述木质纤维原料的水浆进料至所述脱水区以生成部分脱水的木质纤维原料以 及含水液体，其中在所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力(Pdwi)与已 如下相关0≤ΔΡ < [(Pr-20psia)和220psia]中的较低者，并且其中ΔΡ是已和Pdwi之间以psia计的绝对压差；c)在低于所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力的压力下，从所述 脱水区回收部分含水液体以生成回收的含水液体，所述回收的含水液体基本不含固体木质 纤维原料；d)将所述部分脱水的木质纤维原料从所述脱水区的出口区移动到所述栓塞形成区的 入口区；e)在所述栓塞形成区内形成木质纤维原料栓塞，以在所述脱水区的出口区和所述反应 区的入口区之间提供压力密封；f)将所述木质纤维原料栓塞从所述栓塞形成区的出口区进料至所述反应区的入口区， 其中所述栓塞形成区的出口区处的压力与所述反应区的入口区处的压力基本相同；g)在所述反应区中保持合适的温度和PH条件，以使所述木质纤维原料中的多糖水解 生成单糖；和h)回收在步骤g)中生成的单糖。
2.一种将木质纤维原料中的多糖水解生成单糖的方法，包括a)提供相互连接的脱水区、栓塞形成区和反应区，所述脱水区、栓塞形成区和反应区各 自具有入口区和出口区，所述脱水区的出口区与所述栓塞形成区的入口区操作关联，并且 所述栓塞形成区的出口区与所述反应区的入口区操作关联，其中所述反应区的压力(P》是 约 300 至约 680psia ；b)将所述木质纤维原料的水浆进料至所述脱水区以生成部分脱水的木质纤维原料以 及含水液体，其中在所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力(Pdwi)与已 如下相关.0 彡 ΔΡ < 220psia，并且其中ΔΡ是已和Pdwi之间以psia计的绝对压差；c)在低于所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力的压力下，从所述 脱水区回收部分含水液体以生成回收的含水液体，所述回收的含水液体基本不含固体木质 纤维原料；d)将所述部分脱水的木质纤维原料从所述脱水区的出口区移动到所述栓塞形成区的 入口区；e)在所述栓塞形成区形成木质纤维原料栓塞，以在所述脱水区的出口区和所述反应区 的入口区之间提供压力封闭；f)将所述木质纤维原料栓塞从所述栓塞形成区出口区进料至所述反应区的入口区，其 中所述栓塞形成区的出口区的压力与所述反应区的入口区的压力基本相同；g)在所述反应区中保持合适的温度和PH条件，以使所述木质纤维原料中的多糖水解 生成单糖；并且h)回收所述在步骤g)中生成的单糖。
3.—种生产预处理的木质纤维原料的方法，包括a)提供相互连接的脱水区、栓塞形成区和反应区，所述脱水区、栓塞形成区和反应区各 自具有入口区和出口区，所述脱水区的出口区与所述栓塞形成区的入口区操作关联，并且 所述栓塞形成区的出口区与所述反应区的入口区操作关联，其中所述反应区的压力(P》为 约 90 至约 680psia ；b)将所述木质纤维原料的水浆进料至所述脱水区以生成部分脱水的木质纤维原料以 及含水液体，其中在所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力(Pdwi)与已 如下相关0彡ΔΡ < [(Pr-20psia)和220psia]中的较低者，并且其中ΔΡ是已和Pdwi之间以psia计的绝对压差；c)在低于所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力的压力下，从所述 脱水区回收部分含水液体以生成回收的含水液体，所述回收的含水液体基本不含固体木质 纤维原料；d)将所述部分脱水的木质纤维原料从所述脱水区的出口区移动到所述栓塞形成区的 入口区；e)在所述栓塞形成区形成木质纤维原料栓塞，以在所述脱水区的出口区和所述反应区 的入口区之间提供压力封闭；f)将所述木质纤维原料栓塞从所述栓塞形成区的出口区进料至所述反应区的入口区， 其中所述栓塞形成区的出口区的压力与所述反应区的入口区的压力基本相同；g)在所述反应区中预处理所述木质纤维原料以生成所述预处理的原料。
4.权利要求1、2或3的方法，其中在进入所述脱水区前，所述木质纤维原料的水浆中的 水与干木质纤维原料固体的重量比为约5 1至约33 1。
5.权利要求1、2或3的方法，其中在进入所述脱水区前，所述木质纤维原料的水浆中的 水与干木质纤维原料固体的重量比为约7 1至约M 1。
6.权利要求1至5中任一项的方法，其中所述部分脱水的木质纤维原料中的水与干木 质纤维原料固体的重量比为约0.5 1至约5 1。
7.权利要求1至5中任一项的方法，其中所述部分脱水的木质纤维原料中的水与干木 质纤维原料固体的重量比为约1.5 1至约4 1。
8.权利要求1至7中任一项的方法，其中所述脱水区的出口区处的所述木质纤维原料 栓塞中的水与干木质纤维原料固体的重量比为约0.5 1至约5 1。
9.权利要求1至7中任一项的方法，其中所述脱水区的出口区处的所述木质纤维原料 栓塞中的水与干木质纤维原料固体的重量比为约1.5 1至约4 1。
10.权利要求1至9中任一项的方法，其中在所述脱水区的入口处的所述木质纤维原料 的水浆的压力为约70psia至约900psia。
11.权利要求1至9中任一项的方法，其中在所述脱水区的入口处的所述木质纤维原料 的水浆的压力为约70psia至约800psia。
12.权利要求1至9中任一项的方法，其中在所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原 料的水浆的压力为约300psia至约800psia。
13.权利要求1至12中任一项的方法，其中从所述脱水区回收的所述含水液体的压力 比所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力低约0. 3psia至约50psia。
14.权利要求1至12中任一项的方法，其中从所述脱水区回收的所述含水液体的压力 比所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力低约Ipsia至约50psia。
15.权利要求1至14中任一项的方法，其中在所述部分脱水的木质纤维原料进入所述 反应区之前或在所述反应区中或者在以上二者组合的情况下，加热所述部分脱水的木质纤 维原料。
16.权利要求1至14中任一项的方法，其中在所述部分脱水的木质纤维原料进入所述 反应区之前或在所述反应区中或者在以上二者组合的情况下，通过直接蒸汽注入至少部分 地加热所述部分脱水的木质纤维原料。
17.权利要求1至16中的方法，其中在所述反应区中，所述木质纤维原料在酸性条件下反应。
18.权利要求17的方法，其中所述反应区中的pH在0和约3.0之间。
19.权利要求17的方法，其中所述反应区中的pH在0.2和约3. 0之间。
20.权利要求17的方法，其中所述反应区中的pH在0.5和约3. 0之间。
21.权利要求17至20中任一项的方法，其中在所述木质纤维原料栓塞进入所述反应区 之前，在所述木质纤维原料中加入酸。
22.权利要求17至20中任一项的方法，其中将酸加入所述反应区。
23.权利要求17至22中任一项的方法，其中将所述木质纤维原料在约180°C至约 260°C的适当温度下在所述反应区中保留约10秒至约20分钟的适当时间，以水解所述木质 纤维原料。
24.权利要求17至22中任一项的方法，其中将所述木质纤维原料在约180°C至约 260°C的适当温度下在所述反应区中保留约10秒至约600秒的适当时间，以预处理所述木 质纤维原料。
25.权利要求17至22中任一项的方法，其中将所述木质纤维原料在约180°C至约 260°C的适当温度下在所述反应区中保留约10秒至约180秒的适当时间，以预处理所述木 质纤维原料。
26.权利要求17至25中任一项的方法，其中加入所述木质纤维原料的酸选自硫酸、亚 硫酸、盐酸、磷酸或其任意组合。
27.权利要求17至25中任一项的方法，其中加入所述木质纤维原料的酸是硫酸。
28.权利要求1至16中任一项的方法，其中在所述反应区中，所述木质纤维原料在碱性 条件下反应。
29.权利要求观的方法，其中在所述木质纤维原料栓塞进入所述反应区之前或在所述 反应区中或在以上二者组合的情况下，将碱加入所述木质纤维原料中，所述碱选自氨、氢氧 化铵、氢氧化钾、氢氧化钠或其任意组合。
30.权利要求观或权利要求四的方法，其中所述反应区中的pH在约9.5至约14之间。
31.权利要求观至30中任一项的方法，其中所述反应区中的温度在约135°C至约 之间。
32.权利要求观至30中任一项的方法，其中所述反应区中的温度在约120°C至约 220°C之间，并且使所述木质纤维原料反应约1分钟至约120分钟，以预处理所述木质纤维 原料。
33.权利要求观至30中任一项的方法，其中所述反应区中的温度在约120°C至约 220°C之间，并且使所述木质纤维原料反应约2分钟至约60分钟，以预处理所述木质纤维原 料。
34.权利要求观至30中任一项的方法，其中所述碱是氨、氢氧化铵或其组合，所述反 应区中的温度在约20°C至约100°C之间，并且使所述木质纤维原料反应约1分钟至约20分 钟，以预处理所述木质纤维原料。
35.权利要求观至30中任一项的方法，其中所述碱是氨、氢氧化铵或其组合，所述反 应区中的温度在约20°C至约150°C之间，并且使所述木质纤维原料反应约1分钟至约20分 钟，以预处理所述木质纤维原料。
36.权利要求观至30中任一项的方法，其中所述碱是氨、氢氧化铵或其组合，所述反应 区中的温度在约100°C至约150°C之间，并且使所述木质纤维原料反应约1分钟至约20分 钟，以预处理所述木质纤维原料。
37.权利要求观至30中任一项的方法，其中所述碱是氢氧化钾、氢氧化钠或其组合，所 述反应区中的温度在约100°C至约140°C之间，并且使所述木质纤维原料反应约15分钟至 约120分钟，以预处理所述木质纤维原料。
38.权利要求1至37中任一项的方法，其中在将反应后的所述木质纤维原料从所述反 应区中排出后，将反应后的所述木质纤维原料冷却到等于或低于100°C的温度。
39.权利要求38的方法，包括将反应后的所述木质纤维原料的压力降低到大气压力的 步骤。
40.一种用于预处理或水解木质纤维原料的系统，其包括相互连接的脱水设备、栓塞形 成设备和反应设备，其中所述反应设备中的压力(P,)为约90至约680psia，所述系统包括一个或更多个泵，用于在约70psia至约900psia的压力下将所述木质纤维原料的水 浆泵入所述脱水设备中，其中在所述脱水设备的入口处的所述木质纤维原料的水浆的压力 (Pdwi)与Pr如下相关0彡ΔΡ < [(Pr-20psia)和220psia]中的较低者，并且其中ΔΡ是已和Pdwi之间以psia计的绝对压差；所述脱水设备中的装置，其用于从所述木质纤维原料的水浆中移除含水液体以形成部 分脱水的木质纤维原料；用于从所述脱水设备内回收含水液体的装置；用于将所述部分脱水的木质纤维原料从所述脱水设备引入所述栓塞形成设备以形成 木质纤维原料栓塞的装置；以及用于将所述木质纤维原料栓塞从所述栓塞形成设备中排出并将所述木质纤维原料进料至所述反应设备中的装置，所述反应设备中的所述木质纤维原料的压力与从所述栓塞形 成设备中排出的所述木质纤维原料栓塞的压力基本相同。
41.权利要求40的系统，其中当所述系统运行时，在约70psia至约800psia的压力下 将所述木质纤维原料的水浆泵入所述脱水设备中。
42.权利要求40或41的系统，其包括在将所述木质纤维原料进料至所述反应区之前， 破碎所述木质纤维物料栓塞的装置。
43.权利要求40至42任一项的系统，其中将所述脱水设备和所述栓塞形成设备整合成 组合的脱水和栓塞形成设备。
44.一种生产预处理的木质纤维原料的方法，包括a)提供相互连接的脱水区、栓塞形成区和反应区，所述脱水区、栓塞形成区和反应区各 自具有入口区和出口区，所述脱水区的出口区与所述栓塞形成区的入口区操作关联，并且 所述栓塞形成区的出口区与所述反应区的入口区操作关联，其中所述反应区的压力(P》为 约 90 至约 680psia ；b)将所述木质纤维原料的水浆进料至所述脱水区以生成部分脱水的木质纤维原料以 及含水液体，其中在所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力(Pdwi)与已 如下相关0彡ΔΡ < [(Pr-20psia)和220psia]中的较低者，并且其中ΔΡ是已和Pdwi之间以psia计的绝对压差；c)在低于所述脱水区的入口区处的所述木质纤维原料的水浆的压力的压力下，从所述 脱水区回收部分含水液体以生成回收的含水液体，所述回收的含水液体基本不含固体木质 纤维原料；d)将所述部分脱水的木质纤维原料从所述脱水区的出口区移动到所述栓塞形成区的 入口区；e)在所述栓塞形成区内形成木质纤维原料栓塞，以在所述脱水区的出口区和所述反应 区的入口区之间提供压力密封；f)将所述木质纤维原料栓塞从所述栓塞形成区的出口区进料至所述反应区的入口区， 其中所述栓塞形成区的出口区处的压力与所述反应区的入口区处的压力基本相同；g)在所述木质纤维原料栓塞进入所述反应区前或在所述反应区中，将酸加入所述部分 脱水的木质纤维原料中；和h)将温度保持在约180°C至约260°C之间，将pH保持在约0.5至约3之间，预处理所述 木质纤维原料约10秒至约600秒，以将所述原料中所含的半纤维素水解成木糖。
全文摘要
本发明提供一种将木质纤维原料中的多糖水解生成单糖或预处理木质纤维原料的方法，其中将木质纤维原料水浆加入加压的脱水区，在该脱水区中将所述原料部分脱水并压缩成栓塞。将该栓塞引入反应区以水解多糖或预处理所述原料，该反应区在大于约90psia的压力(Pr)和适当的温度和pH条件下工作。该栓塞在脱水区和反应区的出口之间提供压力密封。脱水装置入口处的木质纤维原料的水浆压力(Pdwi)与Pr如下相关0≤ΔP＜[(Pr-20psia)和220psia]中的较低者，并且其中ΔP是Pr和Pdwi之间以psia计的绝对压差。
文档编号C13K1/02GK102131940SQ200980133685
公开日2011年7月20日 申请日期2009年8月28日 优先权日2008年8月29日
发明者斯蒂芬·A·罗兰, 维贾伊·库马尔·阿南德, 老帕特里克·福迪 申请人:艾欧基能源公司