用于木质纤维素底物的预处理的逆向流扩散器技术的制作方法
用于木质纤维素底物的预处理的逆向流扩散器技术的制作方法
【专利摘要】本发明涉及适用于生物燃料生产的方法、水解扩散器装置和/或生物炼制机。对生物质进行预处理以生产生物燃料的方法包括：将生物质料流与预处理溶液料流逆向流动地相接触，以及产生水解产物料流和预处理过的生物质料流。水解扩散器装置包含：一系列级，其中在一个级中具有用于生物质的入口，并且在另一个级中具有用于预处理溶液的入口；以及用于使生物质连续移动的系统、连续抽取所述预处理溶液以产生水解产物料流的系统、和连续抽取预处理过的生物质以产生预处理过的生物质料流的系统。生物炼制机包含水解器扩散器装置、糖化装置和转化装置。
【专利说明】用于木质纤维素底物的预处理的逆向流扩散器技术
【技术领域】
[0001]本发明涉及适用于生物燃料生产的方法、逆向流扩散器装置和其他反应器构造、木质纤维素预处理和/或生物炼制机。
【背景技术】
[0002]生物燃料可以源自于多种原料，包括木质纤维素生物质。木质纤维素生物质是指由纤维素、半纤维素和木质素构成的植物生物质。木质纤维素预处理系统被用于提高木质纤维素对随后的水解和提取步骤的敏感性。这样的预处理系统可能涉及木质纤维素的粉碎、切碎、研磨、加热、超声处理、辐照、加压、水解和/或化学处理。
[0003]例如，用于木质纤维素的酸水解的现有装置操作利用稀矿物酸(1-3% wt/wt)作为催化剂并利用水蒸汽(150-200°C饱和的)作为传热介质，以便实现半纤维素和/或纤维素质木质纤维素级分的水解。通常将稀酸与固体木质纤维素预先混合，然后通过直接注入水蒸汽将带有酸的浆料加热至反应温度。这些组分通常被共同进料到水解反应器例如螺旋输送机的一个末端中。
[0004]在典型的同向流反应器构造中，有数个问题是常见的。例如，需要高压实心螺杆来克服来自于入口注入的水蒸汽的入口压力屏障。此外，当在反应器中发生反应并在较晚时形成单体时，单体降解成醛的偏好性是令人讨厌的。此外，还具有由共同进料设计造成的水蒸汽消耗增加的缺点。
[0005]在糖工业中，在从切碎的甘蔗提取蔗糖中，扩散器技术正被越来越广泛地接受。扩散器在本质上是逆向流水性提取系统，其中将切碎的甘蔗进料到一个末端中，并将液体热水进料到另一个末端中。从第η+1级连续抽取液体以施加到第η级，并在同时将甘蔗从第η级移动到第η+1级。同时，将合并的水和甘蔗在扩散器内压缩并浸溃。通过一个出口移除水性蔗糖，同时通过另一个出口移除残留的甘蔗渣。甘蔗被分解得越多，提取收率越高。因此，生物质分解的增加会导致用于生产生物燃料的原料增加，并因此导致生物燃料生产的收率提高。
[0006]概括来说，在糖工业中，常规的扩散器技术仅限于从切碎的甘蔗进行可溶性糖的逆向流、水性提取。此外，常规的预处理技术仅限于不溶性多糖的同向流水解。因此，对用于木质纤维素生物质的预处理的改进的方法和系统，存在着需要和需求。
【发明内容】
[0007]本发明涉及适用于生物燃料或其他可再生材料生产的方法、逆向流扩散器装置和其他反应器构造、木质纤维 素预处理和/或生物炼制机。
[0008]根据某些实施方式，本发明涉及对生物质进行预处理的方法。所述方法包括:将生物质料流与预处理溶液料流逆向流动地相接触，以及产生水解产物料流和预处理过的生物质料流两者。
[0009]根据某些实施方式，所述生物质料流包括木质纤维素材料。根据某些实施方式,所述木质纤维素材料可以包含纤维素、半纤维素、木质素或这些材料的任何组合。
[0010]根据某些实施方式，所述预处理溶液料流可以包括酸或碱。例如，所述酸可以包括无机酸、有机酸、氨基酸、矿物酸、布朗斯台德酸、路易斯酸或这些酸的任何组合。更具体来说，所述酸可以是硫酸、磺酸、磷酸、硝酸、乙酸、乳酸、甲酸、草酸、琥珀酸、乙酰丙酸、碳酸、乙醇酸、糖醛酸、葡糖二酸、氢氟酸、硼酸、三氟化硼或这些酸的任何组合。作为另一个实例，所述碱可以包括无机碱、有机碱、矿物碱、布朗斯台德碱、路易斯碱或这些碱的任何组合。更具体来说，所述碱可以是氨、氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸盐、胺、脲或这些碱的任何组合。 [0011]根据某些实施方式，所述水解产物料流可以含有超过约30重量％的原始生物质。
[0012]根据某些实施方式，所述预处理过的生物质料流可以具有超过约70%的纤维素的酶消化率。
[0013]根据某些实施方式，逆向流动接触可以发生在多个相互作用区中。
[0014]根据某些实施方式，所述预处理溶液可以具有以质量计约0.01%至约10%的浓度。
[0015]根据某些实施方式，所述方法还可以包括将所述预处理溶液加热到约100°C至约180°C的温度。
[0016]根据某些实施方式，所述方法包括在水解扩散器装置中进行逆向流动接触，其中所述生物质在所述扩散器装置内具有约I分钟至约60分钟的停留时间。
[0017]根据某些实施方式，所述方法还包括将所述生物质转化成一种或多种糖。例如，所述糖可以包括蔗糖、葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、己糖、戊糖、纤维二糖、寡糖或这些糖的任何组合。
[0018]根据某些实施方式，所述方法可以包括将所述糖转化成可再生材料或其他产物。例如，所述产物可以包括乙醇、乙烯、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、丁烯、异丁烯、类异戊二烯、甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇、丁二醇、甲酸、乙酰丙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛、丙酮-丁醇-乙醇、丙酮、氨基酸或这些材料的任何组合。
[0019]根据某些实施方式，本发明涉及一种水解扩散器装置。所述装置可以包括从第η级到第η+ζ级的一系列级，其中第η级包括用于生物质的入口，并且第η+ζ级包括用于预处理溶液的入口。所述装置还可以包括将生物质从第η级连续移动到第η+1级的系统，将生物质从第η+ζ级连续移动到第η+ζ-1级的系统,从第n+y级连续抽取所述预处理溶液以由此产生水解产物料流的系统，以及从第n+m级连续抽取预处理过的生物质以由此产生预处理过的生物质料流的系统。
[0020]根据某些实施方式，对于所述水解扩散器装置来说，η≥1，η≤z≤η+20,O < y < z-1,并且 m < z。
[0021]根据某些实施方式，所述系统移动所述生物质的速率为所述生物质提供了在所述扩散器装置内约I分钟至约60分钟的停留时间。
[0022]根据某些实施方式，所述水解扩散器装置还包含用于控制每一级内的压力的装置。
[0023]根据某些实施方式，所述扩散器装置可以适用于碱性预处理溶液或酸性预处理溶液。[0024]根据某些实施方式，本发明涉及允许改变木质纤维素、酸和/或水蒸汽或其他传热介质的流动的反应器构造。更具体来说，这些反应器构造允许在所述木质纤维素材料从反应入口向出口移动时降低温度、提高酸浓度和/或逆向流动。
[0025]根据某些实施方式，本发明涉及用于生产生物燃料的生物炼制机。所述生物炼制机可以包含水解器扩散器装置，用于将生物质转化成糖的糖化装置，以及用于从所述糖生产可再生材料的转化装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]被并入在本说明书中并构成本说明书的一部分的【专利附图】
【附图说明】了本发明的实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的特征、优点和原理。在所述附图中:
[0027]图1示出了某些实施方式的水解扩散器装置；
[0028]图2是沿着同向流动地进料的预处理反应器的长度的温度和酸浓度的图示；
[0029]图3示出的反应途径显示了半纤维素水解成单体糖(Ii1)和糖随后降解成醛(kD)的动力学；
[0030]图4是酸浓度和反应温度对1^/1?的凭经验估算的比率的影响的图示；
[0031]图5示出了某些实施方式的双通道螺旋输送机；
[0032]图6示出了某些实施方式的双级预处理系统；
[0033]图7示出了某些实施方式的使用木质纤维素的重力沉降和预热的酸催化剂的向上流动的反应器；
[0034]图8示出了某些实施方式的用于逆向流动的固体-液体的分离的混合罐和沉降罐的系统；并且
[0035]图9示出了某些实施方式的生物炼制机。
【具体实施方式】
[0036]本发明涉及适用于生物燃料生产的方法、逆向流扩散器装置和其他反应器构造、木质纤维素预处理和/或生物炼制机。根据某些实施方式，在糖工业中使用的扩散器技术的目标应用被改变成用于生物燃料生产。根据某些实施方式，在扩散器技术中使用的液体热水料流的化学被改变成用于改进生物质的分解。根据某些实施方式，扩散器技术的目标应用和在扩散器技术中使用的液体热水料流的化学两者都被改变成用于改进生物质的分解。
[0037]根据某些实施方式，在糖工业中使用的扩散器技术可以被改变成用于使用木质纤维素生物质作为进料的生物燃料生产。使用这种方法，扩散器实现木质纤维素的预处理，所述预处理使生物质易于进一步酶水解成单体糖。通过将甘蔗渣或其他木质纤维素生物质而不是切碎的甘蔗进料到扩散器中，扩散器可以破坏构成木质纤维素的异聚物基质，使木质纤维素生物质更容易进行酶水解以回收单体糖。
[0038]更具体来说，根据某些实施方式，用于生产生物燃料的生物质预处理，可以通过将生物质料流与预处理溶液料流逆向流动地相接触，并产生水解产物料流和预处理过的生物质料流来进行。在下面详细描述的水解扩散器装置可用于执行这一过程。生物质料流可以包括木质纤维素材料，所述木质纤维素材料可以包括例如纤维素、半纤维素、木质素或任何这些材料的组合。
[0039] 根据某些实施方式，预处理溶液料流可以是在用于糖工业的常规扩散器技术中使用的热水料流。然而，正如上面提到的，在扩散器技术中使用的液体热水料流的化学可以被改变成用于改进生物质的分解。更具体来说，根据某些实施方式，水料流可以是碱性或酸性的，其引起木质纤维素生物质的预处理的改进。例如，预处理溶液可以具有以质量计约0.01%至约10%或约0.01%至约5%的浓度。
[0040]根据某些实施方式，预处理溶液料流可以包括酸例如无机酸、有机酸、氨基酸、矿物酸、布朗斯台德酸、路易斯酸或任何这些酸的组合。更具体来说，在某些实施方式中，酸可以是硫酸、磺酸、磷酸、硝酸、乙酸、乳酸、甲酸、草酸、琥珀酸、乙酰丙酸、碳酸、乙醇酸、糖醛酸、葡糖二酸、氢氟酸、硼酸、三氟化硼或任何这些酸的组合。
[0041]根据某些实施方式，预处理溶液料流可以包括碱例如无机碱、有机碱、矿物碱、布朗斯台德碱、路易斯碱或任何这些碱的组合。更具体来说，在某些实施方式中，碱可以是氨、氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸盐、胺、脲或任何这些碱的组合。
[0042]根据某些实施方式，生物质预处理、更具体为生物质与预处理溶液料流的逆向流动接触，可以在水解扩散器装置例如图1中示出的水解扩散器装置10中进行。如图1中所示，水解扩散器装置10包括从第η级到第η+ζ级的一系列级12。第η级包括用于生物质的入口 14，并且第η+ζ级包括用于预处理溶液的入口 16。水解扩散器装置10还包括将生物质从第η级连续移动到第η+1级的系统18，以及将预处理溶液从第η+ζ级连续移动到第η+ζ-1级的系统20，由此产生通过多个相互作用区的逆向流动接触。此外，水解扩散器装置10包括从第n+y级连续抽取预处理溶液以由此产生水解产物料流24的系统，以及从第n+m级连续抽取预处理过的生物质以由此产生预处理过的生物质料流22的系统。水解产物料流可能含有超过约20重量％或甚至超过约30重量％的原始生物质。预处理过的生物质料流可能具有超过约60%或甚至超过约70%的纤维素的酶消化率。在这里使用的变量可以具有下列值的范围:
[0043]η ≥ I
[0044]n ≤ z≤ η+20
[0045]O ≤ y ≤ z-1
[0046]m ≤ z
[0047]除了图1中示出的水解扩散器装置10之外，在本发明的范围内还包括其他实施方式。例如，水解扩散器装置10可以与一个或多个其他扩散器装置组合。更具体来说，作为实例，常规的扩散器可以被扩展成包括用于酸预处理的新的逆向流动区段。在这样的实施方式中，上面使用的变量不一定准确描述所述系统，但是执行逆向流动接触的方式基本上是相同的。
[0048]在某些实施方式中，水解扩散器装置或逆向流动区段包括从第一级到最终级并在其间具有一个或多个中间级的一系列级。第一级包括用于生物质的入口，并且最终级包括用于预处理溶液的入口。所述装置还包括一种系统，所述系统从中间级连续抽取预处理溶液并将预处理溶液进料到第一级以由此产生水解产物料流，并在同时将生物质从第一级移动到中间级以由此产生预处理过的生物质料流。
[0049]根据某些实施方式，生物质在水解扩散器装置10内可以具有约小于I分钟至约90分钟的停留时间，所述停留时间从生物质进入入口 14的时间起测量，直至从同一生物质产生的预处理过的生物质料流22离开第n+y级。生物质在水解扩散器装置10中的停留时间取决于系统18将生物质从第η级移动到第η+1级的速率。
[0050]根据某些实施方式，预处理溶液在水解扩散器装置10内可以具有约小于I分钟至约120分钟的停留时间，所述停留时间从预处理溶液进入入口 16的时间起测量，直至水解产物料流24离开第n+y级。预处理溶液在水解扩散器装置10中的停留时间取决于系统20将预处理溶液从第η+ζ级移动到第η+ζ-1级的速率。在某些实施方式中，生物质的停留时间与预处理溶液的停留时间相同。在其他实施方式中，预处理溶液的停留时间大于生物质的停留时间，在其他实施方式中，预处理溶液的停留时间小于生物质的停留时间。
[0051]可以在水解扩散器装置10中将预处理溶液加热到约100°C至约180°C的温度，以协助分解生物质。热可以由水蒸汽、饱和水蒸汽、超热水蒸汽、热水、二醇、传热油、传热流体、其他工艺料流等供应。温度控制可以使用任何适合的技术和/或构造，例如间接热交换、直接热交换、对流、传导、辐射等。
[0052]此外或者可选地，水解扩散器装置10可以包括用于控制每一级12内的压力的装置。例如，当使用稀氨水作为预处理溶液时，当稀氨水从第η+1级向第η级移动时，每一级12内的压力可用于控制水性相氨的量，并由此允许调节预处理的严格性和有效性。
[0053]当在本文中使用时，术语“级”和“区”可互换使用，是指过程中的单个步骤或区域，其可以根据时间和/ 或距离被其他步骤或区域隔开。
[0054]水解扩散器装置10可以适用于碱性预处理溶液或酸性预处理溶液。例如，水解扩散器装置10可以主要由高合金材料形成，所述材料例如为可以从HaynesInternational, Inc.(Kokomo, Indiana)商购的 Hastelloy?，可以从 Huntington Alloys
Corporation (Huntington, West Virginia)商购的 Incoloy?，可以从 Allegheny LudlumCorporation (Pittsburgh, Pennsylvania)商购的合金 AL-6XN'.φ (Ν08367)，可以从 MMCSuperalloy (Saitama, Japan)商购的 MC 合金，可以从 M.Woite GmbH(Erkrath, Germany)商购的合金926 (N08926)，各自可以从多个供应商商购的合金G (N06007)、合金20Cb-3?(N08020)、合金 255 (S39255)、7Mo_PLUS (S32950)、合金 59 (N06059)和镍 200 (N02200)，钛稳定化的合金，锆稳定化的合金，硅稳定化的合金，铬稳定化的合金，镍稳定化的合金，钥稳定化的合金，铜稳定化的合金，以及任何这些材料的组合。
[0055]根据某些实施方式，在水解扩散器装置10中的预处理期间或之后，生物质可以被转化成一种或多种糖，例如蔗糖、葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、己糖、戊糖、纤维二糖、寡糖或任何这些糖的组合。在某些实施方式中，一种或多种糖随后可以被转化成可再生材料或其他产物。所述产物可以包括例如甲烷、甲醇、乙醇、乙烯、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、丁烯、异丁烯、类异戊二烯、甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇、丁二醇、甲酸、乙酰丙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛、丙酮、氨基酸或这些材料的任何组合。
[0056]本文中还设想了允许改变木质纤维素、酸和/或水蒸汽或其他传热介质的流动的其他预处理反应器构造。这些反应器构造允许在木质纤维素材料从反应入口向出口移动时降低温度、提高酸浓度和/或逆向流动。
[0057]在某些实施方式中，水蒸汽冷凝向固体木质纤维素提供了大部分的热传递。当水蒸汽与木质纤维素混合时，水蒸汽冷凝，并且木质纤维素/酸浆料的温度沿着反应器的长度而升高。当反应浆料沿着反应器的长度前进时，这种冷凝的水蒸汽有效地稀释矿物酸催化剂。图2中的图示出了沿着反应器的长度，温度和酸浓度的过度简化(线性)的分布情况，其中O是反应器入口，I是反应器出口。
[0058]然而，关于半纤维素水解成单体糖CO以及糖随后降解成醛(kD)的动力学的可用数据表明，沿着反应器的长度升高反应器温度和降低酸浓度有利于醛降解产物的形成。图3示出的反应途径显示了在将多糖降解成单糖CO以及进一步从单糖降解成降解物(kD)的途径中的h和kD。此外，图4中的图示出了酸浓度和反应温度对的凭经验估算的比
率的影响。
[0059]根据某些实施方式，双通道螺旋输送机30可用于连续添加逆向流动的水蒸汽。双通道螺旋输送机30的实例示出在图5中。在这种构造中，任选地将木质纤维素与预处理溶液混合并进料到在螺旋输送机30的一个末端处的进料入口 32中。然后将水蒸汽注入到在反应器30的相反末端处的穿过旋转环形板36的环形入口 34中，并通过双环螺旋盘管38、40向后流动，其相对于向前前进的木质纤维素逆向流动。螺旋盘管38、40环绕驱动轴42。图5a是沿着图5中的线A-A获得的环形板36的横截面视图。一个螺旋盘管40可以被制造成具有孔，例如由金属筛网或其中形成有孔的实心材料制成，以允许水蒸汽直接注入到向前流动的木质纤维素中。水蒸汽被注入到入口箱44中，并流入到旋转环形板36中的环形入口 34中，最终进入双螺旋间隔中，在那里水蒸汽相对于向前前进的木质纤维素逆向流动。图5b是沿着图5中的线B-B获取的入口箱44的横截面视图。然后，预处理过的木质纤维素和水解产物通过出口 46离开。环的宽度以及沿着反应器长度的用于注入水蒸汽的孔的间隔、尺寸和位置都可以被操控，以优化水蒸汽引起的加热的速率、位置和总体程度。与常规反应器相比，水蒸汽的逆向流动注入允许更低的水蒸汽注入量以及对添加固体而言更小的前端压力屏障。
[0060]图5中示出的设计的其他排列包括使用沿着反应器长度的多个预处理溶液注入点和多个水蒸汽添加接头而不是用于直接注入水蒸汽的内部环。此外，通过在不具有孔的内部环中冷凝水蒸汽，可以实现水蒸汽加热而不用直接注入水蒸汽。冷凝液可以在木质纤维素酸添加点的上游处从内部环排出。
[0061] 根据某些实施方式，可以使用水蒸汽/酸添加级和随后的冷却/酸添加级来进行双级预处理。双级预处理系统的实例示出在图6中。在这种构造中，反应器50被分成两个区，即高温区52和随后的具有附加的酸进料的低温区54。例如，高温区52可以维持约140°C至约180°C范围内的温度，而低温区54可以维持约100°C至约160°C范围内的温度，其中高温区52中的温度超过低温区54中的温度。在高温区52中，将预先混合的木质纤维素和酸与超热水蒸汽同向流动地进料。预先混合的木质纤维素和酸可以通过第一入口 56进料，而超热水蒸汽通过第一入口 56或与第一入口紧邻的另一个入口 58进料。如在前面的实施方式中所述，水蒸汽冷凝并加热木质纤维素/酸浆料。在这个热反应区之后，通过第二入口 60添加冷的水性酸，这起到淬灭反应的木质纤维素/酸浆料以及提高酸浓度两种作用。例如，高温区52可以具有约Owt %至约2wt %的酸的范围内的酸浓度，而在酸淬灭后的低温区可以具有约0wt%至约5wt%的酸的范围内的酸浓度。高温反应区52起到启动聚合的半纤维素向低聚物的快速分解的作用，而低温反应区54允许在与单体降解成醛相比更有利于水解成单体的条件下，获得完全水解成单体的停留时间。在低温区54的下游，被水解的生物质通过出口 62离开反应器50。
[0062]图6中示出的设计的其他排列包括将上述反应器50分隔成两个物理上分开的反应器，在这两个物理上分开的反应器之间可能包括固体/液体分离系统，用于移除被水解的碳水化合物和去除淬灭的酸的更大的浓缩/冷却影响。此外，正如在其他实施方式中讨论的，可以通过定向热传递来进行低温区54中的热淬灭。另一种实施方式包括使用沿着预处理反应器长度的多个酸淬灭端口 60。
[0063]根据某些实施方式，可以将木质纤维素的重力沉降与预热的酸催化剂的向上流动一起使用。这样的反应器70的实例示出在图7中。在这种构造中，将固体木质纤维素进料到在逆向流反应器70的顶端处或顶端附近的第一入口 72中。预处理溶液被注入到在反应器70的底端附近的第二入口 74中并向上流动，与固体木质纤维素的重力产生的向下运动相反。在反应器70的底端处，在用于添加酸的端口 74下方，输送机76通过出口 78从反应器70连续地移除预处理固体木质纤维素。同时，通过在反应器70的顶端处或顶端附近的出口 80移除水解产物。这种设计允许固体木质纤维素与水性催化剂的逆向流动。当在本文中使用时，术语“顶端”是指反应器高度的约顶部25%。同样地，当在本文中使用时，术语“底端”是指反应器高度的约底部25%。在某些实施方式中，也可以在沿着反应器70的高度的多个点82处进料附加的预处理溶液，和/或可以将反应器79周围的多分区夹套84用于热传递以控制沿着反应器高度的温度分布(temperature profile)。例如,夹套84可以包括用于对沿着反应器高度的反应器70的一个或多个区进行加热的水蒸汽入口 86。在另一种实施方式中，可以沿着反应器的高度在一个或多个间歇的废酸出口 79处移除预处理溶液。
[0064]在其他实施方式中，将固体木质纤维素在逆向流反应器70的底部处或底部附近的入口 74处进料，同时将预处理溶液注入到在反应器的顶部附近的入口 72中。因此，图7中示出的反应器70可用于由上至下的进料流动以用于重力协助的进料流动，或者用于由下至上的进料流动以用于重力协助的洗涤。
[0065]在生物质向上移动并且液体向下移动的实施方式中，可以使用过量的压力、例如水蒸汽或压缩气体(例如C02、N2等)形式的压力来迫使液体穿过生物质，由此减少液体相对于进料的滞留时间，并提高进料对液体的渗透性。
[0066]根据某些实施方式，可以将混合罐92和沉降罐94的系统90用于逆向流动的固体-液体的分离。这样的系统90的实例示出在图8中。
[0067]在这种构造中，木质纤维素和酸逆向流动地流入一系列混合iip 92和沉降iig 94中。将木质纤维素通过第一入口 96导入到第一混合罐(混合罐I)中，同时将酸通过第二入口98进料到最后一个混合罐(混合罐3，在图8中)中。将混合罐I中的木质纤维素与来自于第二沉降罐(沉降罐b)的水性相的水性酸混合。将木质纤维素/酸浆料从混合罐I连续进料到沉降罐a中，并通过酸出口 100从沉降罐a移除水性相，同时将固体级分进料到混合罐2中。酸和木质纤维素的逆向流动可以按照足够停留时间的要求前进到任何数量的混合罐和沉降罐中， 其中被水解的木质纤维素通过在所述系列的最后一个沉降罐中的出口 102离开系统。此外，当将水性酸从沉降罐进料到下一个混合罐时，可以将水性酸冷却或加热，以便定制每个容器内的反应动力学，以有利于碳水化合物水解反应速率和/或使醛降解产物的形成最小化。这种设计也允许在沿着系统的任何位置处简化酸的添加和/或废酸的移除。
[0068]在某些实施方式中，适用于本文中描述的基本上任何反应器构造，可以在各个罐、装置或区之间使用透水膜，以协助酸料流的重新浓缩。或者，酸料流的重新浓缩可以使用蒸馏来实现。
[0069]在某些反应器实施方式、尤其是图7中示出的重力沉降反应器70或图8中示出的混合罐92和沉降罐94的系统90中，可以使用离子膜在降解前从生物质水解产物移除酸。
[0070]图9示出了一种实施方式的生物炼制机110。生物炼制机110包括连接到木质纤维素预处理装置114的进料管线112，用于例如供应木质纤维素材料。生物炼制机110还包括连接到预处理反应器装置114的预处理溶液管线116，用于例如供应预处理溶液。预处理反应器装置114分解或解聚木质纤维素材料，并且可以包括任何适合的预处理步骤、过程和/或装置，其随后产生预处理料流118。预处理可以包括化学、机械和/或热处理，包括使用酸和/或碱，以例如将多糖转化成单糖。例如，预处理反应器装置114将纤维素分解或解聚成葡萄糖，并将半纤维素分解或解聚成木糖。在某些实施方式中，预处理反应器装置114可以适用于碱性预处理溶液或酸性预处理溶液。
[0071]根据某些实施方式，可以将预处理料流118连接到液体-固体分离装置120，以产生预处理过的生物质料流122和水解产物料流124。例如，用于液体-固体分离的装置可以包括滤器、膜、沉降罐或螺旋式压机。
[0072]另外，可以将预处理过的生物质料流122连接到糖化装置126，在糖化装置126中将预处理过的木质纤 维素材料转化成糖，所述糖以基于可再生材料的进料料流128的形式离开糖化装置126。基于可再生材料的进料料流128连接到转化装置130，以从糖形成可再生材料136或其他产物。可再生材料136或其他产物可以包括例如乙醇、乙烯、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、丁烯、异丁烯、类异戊二烯、甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇、丁二醇、甲酸、乙酰丙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛、丙酮-丁醇-乙醇、丙酮、氨基酸或这些材料的任何组合。
[0073]可以将水解产物料流124连接到转化装置130。或者，可以将水解产物料流124在进料到转化装置130或独立的转化装置134中之前连接到调制装置132，以产生可再生产物138，例如烃、醇、多元醇、糖衍生物、有机酸、酮、醛、胺等。生物炼制机110的其他构造也在本发明的范围之内。
[0074]生物炼制机泛指用于例如生产可再生材料或其他产物的设备、工业复合体、工艺装置的集合体等。
[0075]可再生材料泛指至少部分源自于能够至少部分地被天然生态循环和/或资源代替的来源和/或过程的物质和/或物品。可再生材料可以广泛地包括化学品、化学中间体、溶剂、单体、低聚物、聚合物、生物燃料、生物燃料中间体、生物汽油、生物汽油混调物、生物柴油、绿色柴油、可再生柴油、生物柴油混调物、生物馏出物、生物炭、生物焦炭、可再生建筑材料等。理想但不是必需地，可再生材料可以源自于活生物体，例如植物、藻类、细菌、真菌
坐寸ο
[0076]生物燃料泛指适合用作燃料和/或燃烧源并至少部分源自于可再生来源的组分和/或料流。生物燃料可以被可持续地生产和/或例如与化石燃料相比时具有降低的和/或没有向大气的净碳排放。根据某些实施方式，可再生来源可以排除例如从地下开采或钻探的材料。在某些实施方式中，可再生资源可以包括单细胞生物体、多细胞生物体、植物、真菌、细菌、藻类、栽培作物、非栽培作物、木材等。生物燃料可以适合用作运输燃料，例如用于陆上交通工具、海上交通工具、空中交通工具等。生物燃料可以适合用于产能，例如产生水蒸汽、与适合的传热介质交换能量、产生合成气、产生氢气、发电等。
[0077]生物汽油泛指适合于直接使用和/或掺混到汽油合并物和/或辛烷储备物中并源自于可再生来源的组分和/或料流，例如甲烷、氢气、合成气、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、二甲醚、甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚、己醇、脂族或烯烃化合物(直链、支链和/或环状)、庚烷、异辛烷、环戊烷、芳香族化合物、乙基苯等。丁醇泛指1-丁醇、2-丁醇、异丁醇、其他异构体等的产物和衍生物。生物汽油可用于火花点火式发动机例如汽车汽油内燃发动机。根据一种实施方式，生物汽油和/或生物汽油混调物满足或符合工业上接受的燃料标准。 [0078]生物柴油泛指适合于直接使用和/或掺混到柴油合并物和/或鲸蜡烷储备物中并源自于可再生来源的组分和/或料流。适合的生物柴油分子可以包括脂肪酸酯、甘油单酯、甘油二酯、甘油三酯、脂质、脂肪醇、烷烃、石脑油、馏程材料、石蜡材料、芳香族材料、脂族化合物(直链、支链和/或环状)等。生物柴油可用于压缩点火式发动机例如汽车柴油内燃发动机、卡车重型柴油发动机等。或者，生物柴油也可用于气体涡轮机、加热器、锅炉等。根据某些实施方式，生物柴油和/或生物柴油混调物满足或符合工业上接受的燃料标准，例如 B20、B40、B60、B80、B99.9、BlOO 等。
[0079]生物馏出物泛指适合于直接使用和/或掺混到航空燃料(喷气)、润滑基础原料、煤油燃料、燃料油等中的组分和/或料流。生物馏出物可以源自于可再生来源，并且可以具有任何适合的沸点范围，例如约100°C至约700°C、约150°C至约350°C等的沸点范围。
[0080]生物质泛指来自于活的或近期活着的生物体例如植物或动物物质的生物材料。
[0081]水解产物泛指通过水解产生的物质。
[0082]逆向流系统泛指其中两种或更多种材料料流以不同方向彼此流过的系统。相反，同向流系统包括以相同方向流动的两种或更多种材料料流。
[0083]木质纤维素的泛指含有纤维素、半纤维素、木质素等，例如可以源自于植物材料等。木质纤维素材料可以包括任何适合的材料，例如甘蔗、甘蔗渣、能源甘蔗渣、水稻、稻杆、谷物、谷物秸杆、小麦、麦杆、玉米、玉米秸杆、高粱、高粱秸杆、甜高粱、甜高粱秸杆、棉花残留物、甜菜、甜菜浆、大豆、油菜籽、麻疯树、柳枝稷、芒草、其他草、木材、软木、硬木、木材废料、锯屑、纸张、废纸、农业废物、城市废物、任何其他适合的生物质材料等。
[0084]木质素泛指可以作为植物中的次生细胞壁的一部分的生物聚合物，例如可以共价连接到半纤维素的复杂的高度交联的芳香族聚合物。
[0085]半纤维素泛指例如具有总体上随机的无定形结构的主要由戊糖构成的支链糖聚合物，并且通常可以包括多达几十万个戊糖单元。
[0086]纤维素泛指具有结构式(C6HltlO5)z的有机化合物，其中z包括任何适合的整数。纤维素例如可以包括具有数百个至超过一万个己糖单元的直链并具有高结晶度结构的多糖。
[0087]本发明的范围不仅限于生物质的分解，而且可以广泛应用于其他过程和/或应用，和/或与其他过程和/或应用一起使用。
[0088]当在本文中使用时，术语“具有”、“包含”和“包括”是开放性和包含性的表述。或者，术语“由……构成”是封闭性和排除性的表述。如果在解释权利要求书或说明书中的任何术语时存在任何歧义，则起草者的意图倾向于开放性和包含性的表述。
[0089]对于方法或过程中的步骤的次序、数量、顺序和/或重复限度来说，除非明确提供，否则起草者的意图是不暗示所述步骤的次序、数量、顺序和/或重复限度属于本发明的范围。
[0090]对于范围来说，范围应该被解释为包括上限值与下限值之间的所有点，以便为所述上限值与下限值之间包含的所有可能的范围、包括没有上边界和/或下边界的范围提供支持。
[0091]对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在所公开的结构和方法中做出各种修改和改变，而不背离本发明的范围或精神。具体来说，可以将任一实施方式的描述自由地与其他实施方式的描述组合，以产生两种或更多种要素或限制的组合和/或变化。对于本领域技术人员来说，在考虑了本文公开的发明的描述和实践之后，本发明的其他实施方式是显而易见的。说明 书和实施例意欲仅被认为是示例性的，并且本发明的真正范围和精神由权利要求书指明。
【权利要求】
1.一种对生物质进行预处理的方法，所述方法包括: 将生物质料流与预处理溶液料流逆向流动地相接触；以及 产生水解产物料流和预处理过的生物质料流。
2.权利要求1的方法，其中所述生物质料流包含木质纤维素材料。
3.权利要求2的方法，其中所述木质纤维素材料包含纤维素、半纤维素、木质素及其组合中的至少一种。
4.前述权利要求任一项的方法，其中所述预处理溶液料流包含酸或碱。
5.权利要求4的方法，其中所述酸包含无机酸、有机酸、氨基酸、矿物酸、布朗斯台德酸、路易斯酸及其组合中的至少一种。
6.权利要求4或5的方法，其中所述酸选自硫酸、磺酸、磷酸、硝酸、乙酸、乳酸、甲酸、草酸、琥珀酸、乙酰丙酸、碳酸、乙醇酸、糖醛酸、葡糖二酸、氢氟酸、硼酸、三氟化硼及其组合。
7.前述权利要求任一项的方法，其中所述水解产物料流含有超过约30重量％的原始生物质。
8.权利要求4的方法，其中所述碱包含无机碱、有机碱、矿物碱、布朗斯台德碱、路易斯碱及其组合中的至少一种。
9.权利要求4或8的方法，其中所述碱选自氨、氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸盐、胺、脲及其组合。
10.前述权利要求任一项的方法，其中所述预处理过的生物质料流具有超过约70%的纤维素的酶消化率。
11.前述权利要求任一项的方法，其中逆向流动接触发生在多个相互作用区中。
12.前述权利要求任一项的方法，其中所述预处理溶液具有以质量计约0.01%至约10%的浓度。
13.前述权利要求任一项的方法，其还包括将所述预处理溶液加热到约100°C至约180°C的温度。
14.前述权利要求任一项的方法，其包括在水解扩散器装置中进行逆向流动接触，其中所述生物质在所述扩散器装置内具有约I分钟至约60分钟的停留时间。
15.前述权利要求任一项的方法，其中所述预处理溶液的停留时间小于所述生物质的停留时间。
16.前述权利要求任一项的方法，其还包括将所述生物质转化成一种或多种糖。
17.权利要求16的方法，其中所述糖选自蔗糖、葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、己糖、戊糖、纤维二糖、寡糖及其组合。
18.权利要求16或17的方法，其还包括将所述糖转化成产物。
19.权利要求18的方法，其中所述产物包含乙醇、乙烯、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、丁烯、异丁烯、类异戊二烯、甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇、丁二醇、甲酸、乙酰丙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛、丙酮-丁醇-乙醇、丙酮、氨基酸及其组合中的至少一种。
20.一种水解扩散器装置，其包含: 从第η级到第η+ζ级的一系列级，其中第η级包含用于生物质的入口，并且第η+ζ级包含用于预处理溶液的入口； 将生物质从第η级连续移动到第η+1级的系统；将生物质从第η+ζ级连续移动到第η+z-1级的系统； 从第n+y级连续抽取所述预处理溶液以由此产生水解产物料流的系统；以及 从第n+m级连续抽取预处理过的生物质以由此产生预处理过的生物质料流的系统。
21.权利要求20的扩散器装置，其中: n ≥1
n ≤ z ≤ η+20
O ≤ y ≤ z-1
m≤ Z0
22.权利要求20或21的扩散器装置，其中所述系统移动所述生物质的速率为所述生物质提供了在所述扩散器装置内约I分钟至约60分钟的停留时间。
23.权利要求20-22任一项的扩散器装置，其还包含用于控制每一级内的压力的装置。
24.权利要求20-23任一项的扩散器装置，其中所述扩散器装置适用于碱性预处理溶液或酸性预处理溶液。
25.权利要求20-23任一项的扩散器装置，其中所述扩散器装置与至少一个其他扩散器装置组合。
26.一种水解扩散器装置，其包含: 从第一级到最终级并在其间具有一个或多个中间级的一系列级，其中所述第一级包含用于生物质的入口，并且所述最终级包含用于预处理溶液的入口 ；以及 一种系统，所述系统从中间级连续抽取所述预处理溶液并将所述预处理溶液进料到所述第一级以由此产生水解产物料流，并在同时将生物质从所述第一级移动到中间级以由此产生预处理过的生物质料流。
27.一种反应器，其包含: 双通道螺旋输送机，所述双通道螺旋输送机具有:在所述螺旋输送机的第一末端处用于生物质与酸混合的入口 ；与所述第一末端相反在所述螺旋输送机的第二末端处用于水蒸汽的入口，其中所述水蒸汽与生物质混合物逆向流动；以及用于水蒸汽加热的生物质混合物的出口。
28.权利要求27的反应器，其中所述螺旋输送机包含在所述第二末端处用于直接注入水蒸汽的环，以及在所述第一末端与所述第二末端之间延伸的双环螺旋盘管。
29.权利要求28的反应器，其中在所述螺旋输送机的第二末端处包含用于水蒸汽的入口的螺旋盘管被制造成具有孔，以允许水蒸汽注入到向前流动的生物质混合物中。
30.权利要求27的反应器，其中所述螺旋输送机包含沿着所述反应器的长度的多个水蒸汽添加接头。
31.权利要求27的反应器，其中所述螺旋输送机包含水蒸汽能够在其中冷凝的无孔内部环。
32.—种反应器，其包含: 高温区，所述高温区具有用于生物质与酸和水蒸汽混合的第一入口 ； 在所述高温区下游的低温区，所述低温区具有用于冷却的水性酸的第二入口 ；以及 在所述低温区下游的用于生物质的出口。
33.权利要求32的反应器，其中所述高温区和低温区被安装在单个反应器中。
34.权利要求32的反应器，其中所述高温区和低温区被安装在两个分开的反应器中，并且所述反应器还包含在所述两个分开的反应器之间的固体/液体分离系统，其中在低温区反应器的上游具有用于被水解的碳水化合物的出口。
35.一种反应器，其包含: 在所述反应器的顶端处或顶端附近的用于生物质的入口； 在所述反应器的底端附近的用于液体酸催化剂的入口 ；以及 位于所述用于液体酸催化剂的入口下方的螺旋输送机，其中所述螺旋输送机通过出口从所述反应器连续移除预处理过的生物质。
36.权利要求35的反应器，其还包含沿着所述反应器的高度的多个入口，通过所述入口能够进料附加的酸。
37.权利要求35或36的反应器，其还包含在所述反应器周围的提供热传递的多分区夹套，以便控制沿着所述反应器的高度的温度分布。
38.一种反应器，其包含: 在所述反应器的底端处或底端附近的用于生物质的入口 ；以及 在所述反应器的顶端附近的用于液体酸催化剂的入口。
39.权利要求38的反应器，其还包含沿着所述反应器的高度的多个入口，通过所述入口能够进料附加的酸。
40.权利要求38的反应器，其还包含沿着所述反应器的高度的多个出口，通过所述出口能够移除水解产物溶液。
41.权利要求38-40任一项的反应器，其还包含在所述反应器周围的提供热传递的多分区夹套，以便控制沿着所述反应器的高度的温度分布。
42.权利要求38-41任一项的反应器，其还包含用于水蒸汽或压缩气体的入口，以迫使所述液体酸催化剂穿过所述生物质。
43.一种反应器，其包含: 多个混合罐和多个沉降罐，其中生物质和水性酸逆向流动地流入到所述混合罐和所述沉降罐中。
44.权利要求43的反应器，其中将所述生物质导入到含有来自于第二沉降罐的水性酸的第一混合罐中； 将生物质/酸浆料从所述第一混合罐连续进料到第一沉降罐中；并且 通过酸出口从所述第一沉降罐移除水性相，同时将固体级分进料到第二混合罐中。
45.权利要求43或44的反应器，其中在将所述水性酸从沉降罐进料到后续的混合罐时，对所述水性酸进行温度控制。
46.权利要求27-45任一项的反应器，其还包含协助酸料流的重新浓缩的透水膜。
47.权利要求27-45任一项的反应器，其还包含协助酸料流的重新浓缩的蒸馏设备。
48.权利要求35-45任一项的反应器，其还包含离子膜，所述离子膜被构造成用于在降解前从生物质水解产物移除酸。
49.一种用于生产生物燃料的生物炼制机，其包含: 权利要求19-38任一项的水解器扩散器装置或反应器； 用于将生物质转化成糖的糖化装置；以及用于从所述糖生产产物的转化装置。
50.权利要求49的生物炼制机，其中所述扩散器适用于碱性预处理溶液或酸性预处理溶液。
51.权利要求49或50的生物炼制机，其中所述产物包含乙醇、乙烯、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、丁烯 、异丁烯、类异戊二烯、甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇、丁二醇、甲酸、乙酰丙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛、丙酮-丁醇-乙醇、丙酮、氨基酸及其组合中的至少一种。
【文档编号】C13K1/02GK103975079SQ201280060315
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年12月5日 优先权日:2011年12月6日
【发明者】雅各布·博尔登, 詹姆斯·B·格瑞特, 约翰·W·沙巴克 申请人:Bp北美公司
【专利摘要】本发明涉及适用于生物燃料生产的方法、水解扩散器装置和/或生物炼制机。对生物质进行预处理以生产生物燃料的方法包括：将生物质料流与预处理溶液料流逆向流动地相接触，以及产生水解产物料流和预处理过的生物质料流。水解扩散器装置包含：一系列级，其中在一个级中具有用于生物质的入口，并且在另一个级中具有用于预处理溶液的入口；以及用于使生物质连续移动的系统、连续抽取所述预处理溶液以产生水解产物料流的系统、和连续抽取预处理过的生物质以产生预处理过的生物质料流的系统。生物炼制机包含水解器扩散器装置、糖化装置和转化装置。
【专利说明】用于木质纤维素底物的预处理的逆向流扩散器技术
【技术领域】
[0001]本发明涉及适用于生物燃料生产的方法、逆向流扩散器装置和其他反应器构造、木质纤维素预处理和/或生物炼制机。
【背景技术】
[0002]生物燃料可以源自于多种原料，包括木质纤维素生物质。木质纤维素生物质是指由纤维素、半纤维素和木质素构成的植物生物质。木质纤维素预处理系统被用于提高木质纤维素对随后的水解和提取步骤的敏感性。这样的预处理系统可能涉及木质纤维素的粉碎、切碎、研磨、加热、超声处理、辐照、加压、水解和/或化学处理。
[0003]例如，用于木质纤维素的酸水解的现有装置操作利用稀矿物酸(1-3% wt/wt)作为催化剂并利用水蒸汽(150-200°C饱和的)作为传热介质，以便实现半纤维素和/或纤维素质木质纤维素级分的水解。通常将稀酸与固体木质纤维素预先混合，然后通过直接注入水蒸汽将带有酸的浆料加热至反应温度。这些组分通常被共同进料到水解反应器例如螺旋输送机的一个末端中。
[0004]在典型的同向流反应器构造中，有数个问题是常见的。例如，需要高压实心螺杆来克服来自于入口注入的水蒸汽的入口压力屏障。此外，当在反应器中发生反应并在较晚时形成单体时，单体降解成醛的偏好性是令人讨厌的。此外，还具有由共同进料设计造成的水蒸汽消耗增加的缺点。
[0005]在糖工业中，在从切碎的甘蔗提取蔗糖中，扩散器技术正被越来越广泛地接受。扩散器在本质上是逆向流水性提取系统，其中将切碎的甘蔗进料到一个末端中，并将液体热水进料到另一个末端中。从第η+1级连续抽取液体以施加到第η级，并在同时将甘蔗从第η级移动到第η+1级。同时，将合并的水和甘蔗在扩散器内压缩并浸溃。通过一个出口移除水性蔗糖，同时通过另一个出口移除残留的甘蔗渣。甘蔗被分解得越多，提取收率越高。因此，生物质分解的增加会导致用于生产生物燃料的原料增加，并因此导致生物燃料生产的收率提高。
[0006]概括来说，在糖工业中，常规的扩散器技术仅限于从切碎的甘蔗进行可溶性糖的逆向流、水性提取。此外，常规的预处理技术仅限于不溶性多糖的同向流水解。因此，对用于木质纤维素生物质的预处理的改进的方法和系统，存在着需要和需求。
【发明内容】
[0007]本发明涉及适用于生物燃料或其他可再生材料生产的方法、逆向流扩散器装置和其他反应器构造、木质纤维 素预处理和/或生物炼制机。
[0008]根据某些实施方式，本发明涉及对生物质进行预处理的方法。所述方法包括:将生物质料流与预处理溶液料流逆向流动地相接触，以及产生水解产物料流和预处理过的生物质料流两者。
[0009]根据某些实施方式，所述生物质料流包括木质纤维素材料。根据某些实施方式,所述木质纤维素材料可以包含纤维素、半纤维素、木质素或这些材料的任何组合。
[0010]根据某些实施方式，所述预处理溶液料流可以包括酸或碱。例如，所述酸可以包括无机酸、有机酸、氨基酸、矿物酸、布朗斯台德酸、路易斯酸或这些酸的任何组合。更具体来说，所述酸可以是硫酸、磺酸、磷酸、硝酸、乙酸、乳酸、甲酸、草酸、琥珀酸、乙酰丙酸、碳酸、乙醇酸、糖醛酸、葡糖二酸、氢氟酸、硼酸、三氟化硼或这些酸的任何组合。作为另一个实例，所述碱可以包括无机碱、有机碱、矿物碱、布朗斯台德碱、路易斯碱或这些碱的任何组合。更具体来说，所述碱可以是氨、氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸盐、胺、脲或这些碱的任何组合。 [0011]根据某些实施方式，所述水解产物料流可以含有超过约30重量％的原始生物质。
[0012]根据某些实施方式，所述预处理过的生物质料流可以具有超过约70%的纤维素的酶消化率。
[0013]根据某些实施方式，逆向流动接触可以发生在多个相互作用区中。
[0014]根据某些实施方式，所述预处理溶液可以具有以质量计约0.01%至约10%的浓度。
[0015]根据某些实施方式，所述方法还可以包括将所述预处理溶液加热到约100°C至约180°C的温度。
[0016]根据某些实施方式，所述方法包括在水解扩散器装置中进行逆向流动接触，其中所述生物质在所述扩散器装置内具有约I分钟至约60分钟的停留时间。
[0017]根据某些实施方式，所述方法还包括将所述生物质转化成一种或多种糖。例如，所述糖可以包括蔗糖、葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、己糖、戊糖、纤维二糖、寡糖或这些糖的任何组合。
[0018]根据某些实施方式，所述方法可以包括将所述糖转化成可再生材料或其他产物。例如，所述产物可以包括乙醇、乙烯、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、丁烯、异丁烯、类异戊二烯、甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇、丁二醇、甲酸、乙酰丙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛、丙酮-丁醇-乙醇、丙酮、氨基酸或这些材料的任何组合。
[0019]根据某些实施方式，本发明涉及一种水解扩散器装置。所述装置可以包括从第η级到第η+ζ级的一系列级，其中第η级包括用于生物质的入口，并且第η+ζ级包括用于预处理溶液的入口。所述装置还可以包括将生物质从第η级连续移动到第η+1级的系统，将生物质从第η+ζ级连续移动到第η+ζ-1级的系统,从第n+y级连续抽取所述预处理溶液以由此产生水解产物料流的系统，以及从第n+m级连续抽取预处理过的生物质以由此产生预处理过的生物质料流的系统。
[0020]根据某些实施方式，对于所述水解扩散器装置来说，η≥1，η≤z≤η+20,O < y < z-1,并且 m < z。
[0021]根据某些实施方式，所述系统移动所述生物质的速率为所述生物质提供了在所述扩散器装置内约I分钟至约60分钟的停留时间。
[0022]根据某些实施方式，所述水解扩散器装置还包含用于控制每一级内的压力的装置。
[0023]根据某些实施方式，所述扩散器装置可以适用于碱性预处理溶液或酸性预处理溶液。[0024]根据某些实施方式，本发明涉及允许改变木质纤维素、酸和/或水蒸汽或其他传热介质的流动的反应器构造。更具体来说，这些反应器构造允许在所述木质纤维素材料从反应入口向出口移动时降低温度、提高酸浓度和/或逆向流动。
[0025]根据某些实施方式，本发明涉及用于生产生物燃料的生物炼制机。所述生物炼制机可以包含水解器扩散器装置，用于将生物质转化成糖的糖化装置，以及用于从所述糖生产可再生材料的转化装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]被并入在本说明书中并构成本说明书的一部分的【专利附图】
【附图说明】了本发明的实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的特征、优点和原理。在所述附图中:
[0027]图1示出了某些实施方式的水解扩散器装置；
[0028]图2是沿着同向流动地进料的预处理反应器的长度的温度和酸浓度的图示；
[0029]图3示出的反应途径显示了半纤维素水解成单体糖(Ii1)和糖随后降解成醛(kD)的动力学；
[0030]图4是酸浓度和反应温度对1^/1?的凭经验估算的比率的影响的图示；
[0031]图5示出了某些实施方式的双通道螺旋输送机；
[0032]图6示出了某些实施方式的双级预处理系统；
[0033]图7示出了某些实施方式的使用木质纤维素的重力沉降和预热的酸催化剂的向上流动的反应器；
[0034]图8示出了某些实施方式的用于逆向流动的固体-液体的分离的混合罐和沉降罐的系统；并且
[0035]图9示出了某些实施方式的生物炼制机。
【具体实施方式】
[0036]本发明涉及适用于生物燃料生产的方法、逆向流扩散器装置和其他反应器构造、木质纤维素预处理和/或生物炼制机。根据某些实施方式，在糖工业中使用的扩散器技术的目标应用被改变成用于生物燃料生产。根据某些实施方式，在扩散器技术中使用的液体热水料流的化学被改变成用于改进生物质的分解。根据某些实施方式，扩散器技术的目标应用和在扩散器技术中使用的液体热水料流的化学两者都被改变成用于改进生物质的分解。
[0037]根据某些实施方式，在糖工业中使用的扩散器技术可以被改变成用于使用木质纤维素生物质作为进料的生物燃料生产。使用这种方法，扩散器实现木质纤维素的预处理，所述预处理使生物质易于进一步酶水解成单体糖。通过将甘蔗渣或其他木质纤维素生物质而不是切碎的甘蔗进料到扩散器中，扩散器可以破坏构成木质纤维素的异聚物基质，使木质纤维素生物质更容易进行酶水解以回收单体糖。
[0038]更具体来说，根据某些实施方式，用于生产生物燃料的生物质预处理，可以通过将生物质料流与预处理溶液料流逆向流动地相接触，并产生水解产物料流和预处理过的生物质料流来进行。在下面详细描述的水解扩散器装置可用于执行这一过程。生物质料流可以包括木质纤维素材料，所述木质纤维素材料可以包括例如纤维素、半纤维素、木质素或任何这些材料的组合。
[0039] 根据某些实施方式，预处理溶液料流可以是在用于糖工业的常规扩散器技术中使用的热水料流。然而，正如上面提到的，在扩散器技术中使用的液体热水料流的化学可以被改变成用于改进生物质的分解。更具体来说，根据某些实施方式，水料流可以是碱性或酸性的，其引起木质纤维素生物质的预处理的改进。例如，预处理溶液可以具有以质量计约0.01%至约10%或约0.01%至约5%的浓度。
[0040]根据某些实施方式，预处理溶液料流可以包括酸例如无机酸、有机酸、氨基酸、矿物酸、布朗斯台德酸、路易斯酸或任何这些酸的组合。更具体来说，在某些实施方式中，酸可以是硫酸、磺酸、磷酸、硝酸、乙酸、乳酸、甲酸、草酸、琥珀酸、乙酰丙酸、碳酸、乙醇酸、糖醛酸、葡糖二酸、氢氟酸、硼酸、三氟化硼或任何这些酸的组合。
[0041]根据某些实施方式，预处理溶液料流可以包括碱例如无机碱、有机碱、矿物碱、布朗斯台德碱、路易斯碱或任何这些碱的组合。更具体来说，在某些实施方式中，碱可以是氨、氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸盐、胺、脲或任何这些碱的组合。
[0042]根据某些实施方式，生物质预处理、更具体为生物质与预处理溶液料流的逆向流动接触，可以在水解扩散器装置例如图1中示出的水解扩散器装置10中进行。如图1中所示，水解扩散器装置10包括从第η级到第η+ζ级的一系列级12。第η级包括用于生物质的入口 14，并且第η+ζ级包括用于预处理溶液的入口 16。水解扩散器装置10还包括将生物质从第η级连续移动到第η+1级的系统18，以及将预处理溶液从第η+ζ级连续移动到第η+ζ-1级的系统20，由此产生通过多个相互作用区的逆向流动接触。此外，水解扩散器装置10包括从第n+y级连续抽取预处理溶液以由此产生水解产物料流24的系统，以及从第n+m级连续抽取预处理过的生物质以由此产生预处理过的生物质料流22的系统。水解产物料流可能含有超过约20重量％或甚至超过约30重量％的原始生物质。预处理过的生物质料流可能具有超过约60%或甚至超过约70%的纤维素的酶消化率。在这里使用的变量可以具有下列值的范围:
[0043]η ≥ I
[0044]n ≤ z≤ η+20
[0045]O ≤ y ≤ z-1
[0046]m ≤ z
[0047]除了图1中示出的水解扩散器装置10之外，在本发明的范围内还包括其他实施方式。例如，水解扩散器装置10可以与一个或多个其他扩散器装置组合。更具体来说，作为实例，常规的扩散器可以被扩展成包括用于酸预处理的新的逆向流动区段。在这样的实施方式中，上面使用的变量不一定准确描述所述系统，但是执行逆向流动接触的方式基本上是相同的。
[0048]在某些实施方式中，水解扩散器装置或逆向流动区段包括从第一级到最终级并在其间具有一个或多个中间级的一系列级。第一级包括用于生物质的入口，并且最终级包括用于预处理溶液的入口。所述装置还包括一种系统，所述系统从中间级连续抽取预处理溶液并将预处理溶液进料到第一级以由此产生水解产物料流，并在同时将生物质从第一级移动到中间级以由此产生预处理过的生物质料流。
[0049]根据某些实施方式，生物质在水解扩散器装置10内可以具有约小于I分钟至约90分钟的停留时间，所述停留时间从生物质进入入口 14的时间起测量，直至从同一生物质产生的预处理过的生物质料流22离开第n+y级。生物质在水解扩散器装置10中的停留时间取决于系统18将生物质从第η级移动到第η+1级的速率。
[0050]根据某些实施方式，预处理溶液在水解扩散器装置10内可以具有约小于I分钟至约120分钟的停留时间，所述停留时间从预处理溶液进入入口 16的时间起测量，直至水解产物料流24离开第n+y级。预处理溶液在水解扩散器装置10中的停留时间取决于系统20将预处理溶液从第η+ζ级移动到第η+ζ-1级的速率。在某些实施方式中，生物质的停留时间与预处理溶液的停留时间相同。在其他实施方式中，预处理溶液的停留时间大于生物质的停留时间，在其他实施方式中，预处理溶液的停留时间小于生物质的停留时间。
[0051]可以在水解扩散器装置10中将预处理溶液加热到约100°C至约180°C的温度，以协助分解生物质。热可以由水蒸汽、饱和水蒸汽、超热水蒸汽、热水、二醇、传热油、传热流体、其他工艺料流等供应。温度控制可以使用任何适合的技术和/或构造，例如间接热交换、直接热交换、对流、传导、辐射等。
[0052]此外或者可选地，水解扩散器装置10可以包括用于控制每一级12内的压力的装置。例如，当使用稀氨水作为预处理溶液时，当稀氨水从第η+1级向第η级移动时，每一级12内的压力可用于控制水性相氨的量，并由此允许调节预处理的严格性和有效性。
[0053]当在本文中使用时，术语“级”和“区”可互换使用，是指过程中的单个步骤或区域，其可以根据时间和/ 或距离被其他步骤或区域隔开。
[0054]水解扩散器装置10可以适用于碱性预处理溶液或酸性预处理溶液。例如，水解扩散器装置10可以主要由高合金材料形成，所述材料例如为可以从HaynesInternational, Inc.(Kokomo, Indiana)商购的 Hastelloy?，可以从 Huntington Alloys
Corporation (Huntington, West Virginia)商购的 Incoloy?，可以从 Allegheny LudlumCorporation (Pittsburgh, Pennsylvania)商购的合金 AL-6XN'.φ (Ν08367)，可以从 MMCSuperalloy (Saitama, Japan)商购的 MC 合金，可以从 M.Woite GmbH(Erkrath, Germany)商购的合金926 (N08926)，各自可以从多个供应商商购的合金G (N06007)、合金20Cb-3?(N08020)、合金 255 (S39255)、7Mo_PLUS (S32950)、合金 59 (N06059)和镍 200 (N02200)，钛稳定化的合金，锆稳定化的合金，硅稳定化的合金，铬稳定化的合金，镍稳定化的合金，钥稳定化的合金，铜稳定化的合金，以及任何这些材料的组合。
[0055]根据某些实施方式，在水解扩散器装置10中的预处理期间或之后，生物质可以被转化成一种或多种糖，例如蔗糖、葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、己糖、戊糖、纤维二糖、寡糖或任何这些糖的组合。在某些实施方式中，一种或多种糖随后可以被转化成可再生材料或其他产物。所述产物可以包括例如甲烷、甲醇、乙醇、乙烯、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、丁烯、异丁烯、类异戊二烯、甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇、丁二醇、甲酸、乙酰丙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛、丙酮、氨基酸或这些材料的任何组合。
[0056]本文中还设想了允许改变木质纤维素、酸和/或水蒸汽或其他传热介质的流动的其他预处理反应器构造。这些反应器构造允许在木质纤维素材料从反应入口向出口移动时降低温度、提高酸浓度和/或逆向流动。
[0057]在某些实施方式中，水蒸汽冷凝向固体木质纤维素提供了大部分的热传递。当水蒸汽与木质纤维素混合时，水蒸汽冷凝，并且木质纤维素/酸浆料的温度沿着反应器的长度而升高。当反应浆料沿着反应器的长度前进时，这种冷凝的水蒸汽有效地稀释矿物酸催化剂。图2中的图示出了沿着反应器的长度，温度和酸浓度的过度简化(线性)的分布情况，其中O是反应器入口，I是反应器出口。
[0058]然而，关于半纤维素水解成单体糖CO以及糖随后降解成醛(kD)的动力学的可用数据表明，沿着反应器的长度升高反应器温度和降低酸浓度有利于醛降解产物的形成。图3示出的反应途径显示了在将多糖降解成单糖CO以及进一步从单糖降解成降解物(kD)的途径中的h和kD。此外，图4中的图示出了酸浓度和反应温度对的凭经验估算的比
率的影响。
[0059]根据某些实施方式，双通道螺旋输送机30可用于连续添加逆向流动的水蒸汽。双通道螺旋输送机30的实例示出在图5中。在这种构造中，任选地将木质纤维素与预处理溶液混合并进料到在螺旋输送机30的一个末端处的进料入口 32中。然后将水蒸汽注入到在反应器30的相反末端处的穿过旋转环形板36的环形入口 34中，并通过双环螺旋盘管38、40向后流动，其相对于向前前进的木质纤维素逆向流动。螺旋盘管38、40环绕驱动轴42。图5a是沿着图5中的线A-A获得的环形板36的横截面视图。一个螺旋盘管40可以被制造成具有孔，例如由金属筛网或其中形成有孔的实心材料制成，以允许水蒸汽直接注入到向前流动的木质纤维素中。水蒸汽被注入到入口箱44中，并流入到旋转环形板36中的环形入口 34中，最终进入双螺旋间隔中，在那里水蒸汽相对于向前前进的木质纤维素逆向流动。图5b是沿着图5中的线B-B获取的入口箱44的横截面视图。然后，预处理过的木质纤维素和水解产物通过出口 46离开。环的宽度以及沿着反应器长度的用于注入水蒸汽的孔的间隔、尺寸和位置都可以被操控，以优化水蒸汽引起的加热的速率、位置和总体程度。与常规反应器相比，水蒸汽的逆向流动注入允许更低的水蒸汽注入量以及对添加固体而言更小的前端压力屏障。
[0060]图5中示出的设计的其他排列包括使用沿着反应器长度的多个预处理溶液注入点和多个水蒸汽添加接头而不是用于直接注入水蒸汽的内部环。此外，通过在不具有孔的内部环中冷凝水蒸汽，可以实现水蒸汽加热而不用直接注入水蒸汽。冷凝液可以在木质纤维素酸添加点的上游处从内部环排出。
[0061] 根据某些实施方式，可以使用水蒸汽/酸添加级和随后的冷却/酸添加级来进行双级预处理。双级预处理系统的实例示出在图6中。在这种构造中，反应器50被分成两个区，即高温区52和随后的具有附加的酸进料的低温区54。例如，高温区52可以维持约140°C至约180°C范围内的温度，而低温区54可以维持约100°C至约160°C范围内的温度，其中高温区52中的温度超过低温区54中的温度。在高温区52中，将预先混合的木质纤维素和酸与超热水蒸汽同向流动地进料。预先混合的木质纤维素和酸可以通过第一入口 56进料，而超热水蒸汽通过第一入口 56或与第一入口紧邻的另一个入口 58进料。如在前面的实施方式中所述，水蒸汽冷凝并加热木质纤维素/酸浆料。在这个热反应区之后，通过第二入口 60添加冷的水性酸，这起到淬灭反应的木质纤维素/酸浆料以及提高酸浓度两种作用。例如，高温区52可以具有约Owt %至约2wt %的酸的范围内的酸浓度，而在酸淬灭后的低温区可以具有约0wt%至约5wt%的酸的范围内的酸浓度。高温反应区52起到启动聚合的半纤维素向低聚物的快速分解的作用，而低温反应区54允许在与单体降解成醛相比更有利于水解成单体的条件下，获得完全水解成单体的停留时间。在低温区54的下游，被水解的生物质通过出口 62离开反应器50。
[0062]图6中示出的设计的其他排列包括将上述反应器50分隔成两个物理上分开的反应器，在这两个物理上分开的反应器之间可能包括固体/液体分离系统，用于移除被水解的碳水化合物和去除淬灭的酸的更大的浓缩/冷却影响。此外，正如在其他实施方式中讨论的，可以通过定向热传递来进行低温区54中的热淬灭。另一种实施方式包括使用沿着预处理反应器长度的多个酸淬灭端口 60。
[0063]根据某些实施方式，可以将木质纤维素的重力沉降与预热的酸催化剂的向上流动一起使用。这样的反应器70的实例示出在图7中。在这种构造中，将固体木质纤维素进料到在逆向流反应器70的顶端处或顶端附近的第一入口 72中。预处理溶液被注入到在反应器70的底端附近的第二入口 74中并向上流动，与固体木质纤维素的重力产生的向下运动相反。在反应器70的底端处，在用于添加酸的端口 74下方，输送机76通过出口 78从反应器70连续地移除预处理固体木质纤维素。同时，通过在反应器70的顶端处或顶端附近的出口 80移除水解产物。这种设计允许固体木质纤维素与水性催化剂的逆向流动。当在本文中使用时，术语“顶端”是指反应器高度的约顶部25%。同样地，当在本文中使用时，术语“底端”是指反应器高度的约底部25%。在某些实施方式中，也可以在沿着反应器70的高度的多个点82处进料附加的预处理溶液，和/或可以将反应器79周围的多分区夹套84用于热传递以控制沿着反应器高度的温度分布(temperature profile)。例如,夹套84可以包括用于对沿着反应器高度的反应器70的一个或多个区进行加热的水蒸汽入口 86。在另一种实施方式中，可以沿着反应器的高度在一个或多个间歇的废酸出口 79处移除预处理溶液。
[0064]在其他实施方式中，将固体木质纤维素在逆向流反应器70的底部处或底部附近的入口 74处进料，同时将预处理溶液注入到在反应器的顶部附近的入口 72中。因此，图7中示出的反应器70可用于由上至下的进料流动以用于重力协助的进料流动，或者用于由下至上的进料流动以用于重力协助的洗涤。
[0065]在生物质向上移动并且液体向下移动的实施方式中，可以使用过量的压力、例如水蒸汽或压缩气体(例如C02、N2等)形式的压力来迫使液体穿过生物质，由此减少液体相对于进料的滞留时间，并提高进料对液体的渗透性。
[0066]根据某些实施方式，可以将混合罐92和沉降罐94的系统90用于逆向流动的固体-液体的分离。这样的系统90的实例示出在图8中。
[0067]在这种构造中，木质纤维素和酸逆向流动地流入一系列混合iip 92和沉降iig 94中。将木质纤维素通过第一入口 96导入到第一混合罐(混合罐I)中，同时将酸通过第二入口98进料到最后一个混合罐(混合罐3，在图8中)中。将混合罐I中的木质纤维素与来自于第二沉降罐(沉降罐b)的水性相的水性酸混合。将木质纤维素/酸浆料从混合罐I连续进料到沉降罐a中，并通过酸出口 100从沉降罐a移除水性相，同时将固体级分进料到混合罐2中。酸和木质纤维素的逆向流动可以按照足够停留时间的要求前进到任何数量的混合罐和沉降罐中， 其中被水解的木质纤维素通过在所述系列的最后一个沉降罐中的出口 102离开系统。此外，当将水性酸从沉降罐进料到下一个混合罐时，可以将水性酸冷却或加热，以便定制每个容器内的反应动力学，以有利于碳水化合物水解反应速率和/或使醛降解产物的形成最小化。这种设计也允许在沿着系统的任何位置处简化酸的添加和/或废酸的移除。
[0068]在某些实施方式中，适用于本文中描述的基本上任何反应器构造，可以在各个罐、装置或区之间使用透水膜，以协助酸料流的重新浓缩。或者，酸料流的重新浓缩可以使用蒸馏来实现。
[0069]在某些反应器实施方式、尤其是图7中示出的重力沉降反应器70或图8中示出的混合罐92和沉降罐94的系统90中，可以使用离子膜在降解前从生物质水解产物移除酸。
[0070]图9示出了一种实施方式的生物炼制机110。生物炼制机110包括连接到木质纤维素预处理装置114的进料管线112，用于例如供应木质纤维素材料。生物炼制机110还包括连接到预处理反应器装置114的预处理溶液管线116，用于例如供应预处理溶液。预处理反应器装置114分解或解聚木质纤维素材料，并且可以包括任何适合的预处理步骤、过程和/或装置，其随后产生预处理料流118。预处理可以包括化学、机械和/或热处理，包括使用酸和/或碱，以例如将多糖转化成单糖。例如，预处理反应器装置114将纤维素分解或解聚成葡萄糖，并将半纤维素分解或解聚成木糖。在某些实施方式中，预处理反应器装置114可以适用于碱性预处理溶液或酸性预处理溶液。
[0071]根据某些实施方式，可以将预处理料流118连接到液体-固体分离装置120，以产生预处理过的生物质料流122和水解产物料流124。例如，用于液体-固体分离的装置可以包括滤器、膜、沉降罐或螺旋式压机。
[0072]另外，可以将预处理过的生物质料流122连接到糖化装置126，在糖化装置126中将预处理过的木质纤 维素材料转化成糖，所述糖以基于可再生材料的进料料流128的形式离开糖化装置126。基于可再生材料的进料料流128连接到转化装置130，以从糖形成可再生材料136或其他产物。可再生材料136或其他产物可以包括例如乙醇、乙烯、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、丁烯、异丁烯、类异戊二烯、甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇、丁二醇、甲酸、乙酰丙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛、丙酮-丁醇-乙醇、丙酮、氨基酸或这些材料的任何组合。
[0073]可以将水解产物料流124连接到转化装置130。或者，可以将水解产物料流124在进料到转化装置130或独立的转化装置134中之前连接到调制装置132，以产生可再生产物138，例如烃、醇、多元醇、糖衍生物、有机酸、酮、醛、胺等。生物炼制机110的其他构造也在本发明的范围之内。
[0074]生物炼制机泛指用于例如生产可再生材料或其他产物的设备、工业复合体、工艺装置的集合体等。
[0075]可再生材料泛指至少部分源自于能够至少部分地被天然生态循环和/或资源代替的来源和/或过程的物质和/或物品。可再生材料可以广泛地包括化学品、化学中间体、溶剂、单体、低聚物、聚合物、生物燃料、生物燃料中间体、生物汽油、生物汽油混调物、生物柴油、绿色柴油、可再生柴油、生物柴油混调物、生物馏出物、生物炭、生物焦炭、可再生建筑材料等。理想但不是必需地，可再生材料可以源自于活生物体，例如植物、藻类、细菌、真菌
坐寸ο
[0076]生物燃料泛指适合用作燃料和/或燃烧源并至少部分源自于可再生来源的组分和/或料流。生物燃料可以被可持续地生产和/或例如与化石燃料相比时具有降低的和/或没有向大气的净碳排放。根据某些实施方式，可再生来源可以排除例如从地下开采或钻探的材料。在某些实施方式中，可再生资源可以包括单细胞生物体、多细胞生物体、植物、真菌、细菌、藻类、栽培作物、非栽培作物、木材等。生物燃料可以适合用作运输燃料，例如用于陆上交通工具、海上交通工具、空中交通工具等。生物燃料可以适合用于产能，例如产生水蒸汽、与适合的传热介质交换能量、产生合成气、产生氢气、发电等。
[0077]生物汽油泛指适合于直接使用和/或掺混到汽油合并物和/或辛烷储备物中并源自于可再生来源的组分和/或料流，例如甲烷、氢气、合成气、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、二甲醚、甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚、己醇、脂族或烯烃化合物(直链、支链和/或环状)、庚烷、异辛烷、环戊烷、芳香族化合物、乙基苯等。丁醇泛指1-丁醇、2-丁醇、异丁醇、其他异构体等的产物和衍生物。生物汽油可用于火花点火式发动机例如汽车汽油内燃发动机。根据一种实施方式，生物汽油和/或生物汽油混调物满足或符合工业上接受的燃料标准。 [0078]生物柴油泛指适合于直接使用和/或掺混到柴油合并物和/或鲸蜡烷储备物中并源自于可再生来源的组分和/或料流。适合的生物柴油分子可以包括脂肪酸酯、甘油单酯、甘油二酯、甘油三酯、脂质、脂肪醇、烷烃、石脑油、馏程材料、石蜡材料、芳香族材料、脂族化合物(直链、支链和/或环状)等。生物柴油可用于压缩点火式发动机例如汽车柴油内燃发动机、卡车重型柴油发动机等。或者，生物柴油也可用于气体涡轮机、加热器、锅炉等。根据某些实施方式，生物柴油和/或生物柴油混调物满足或符合工业上接受的燃料标准，例如 B20、B40、B60、B80、B99.9、BlOO 等。
[0079]生物馏出物泛指适合于直接使用和/或掺混到航空燃料(喷气)、润滑基础原料、煤油燃料、燃料油等中的组分和/或料流。生物馏出物可以源自于可再生来源，并且可以具有任何适合的沸点范围，例如约100°C至约700°C、约150°C至约350°C等的沸点范围。
[0080]生物质泛指来自于活的或近期活着的生物体例如植物或动物物质的生物材料。
[0081]水解产物泛指通过水解产生的物质。
[0082]逆向流系统泛指其中两种或更多种材料料流以不同方向彼此流过的系统。相反，同向流系统包括以相同方向流动的两种或更多种材料料流。
[0083]木质纤维素的泛指含有纤维素、半纤维素、木质素等，例如可以源自于植物材料等。木质纤维素材料可以包括任何适合的材料，例如甘蔗、甘蔗渣、能源甘蔗渣、水稻、稻杆、谷物、谷物秸杆、小麦、麦杆、玉米、玉米秸杆、高粱、高粱秸杆、甜高粱、甜高粱秸杆、棉花残留物、甜菜、甜菜浆、大豆、油菜籽、麻疯树、柳枝稷、芒草、其他草、木材、软木、硬木、木材废料、锯屑、纸张、废纸、农业废物、城市废物、任何其他适合的生物质材料等。
[0084]木质素泛指可以作为植物中的次生细胞壁的一部分的生物聚合物，例如可以共价连接到半纤维素的复杂的高度交联的芳香族聚合物。
[0085]半纤维素泛指例如具有总体上随机的无定形结构的主要由戊糖构成的支链糖聚合物，并且通常可以包括多达几十万个戊糖单元。
[0086]纤维素泛指具有结构式(C6HltlO5)z的有机化合物，其中z包括任何适合的整数。纤维素例如可以包括具有数百个至超过一万个己糖单元的直链并具有高结晶度结构的多糖。
[0087]本发明的范围不仅限于生物质的分解，而且可以广泛应用于其他过程和/或应用，和/或与其他过程和/或应用一起使用。
[0088]当在本文中使用时，术语“具有”、“包含”和“包括”是开放性和包含性的表述。或者，术语“由……构成”是封闭性和排除性的表述。如果在解释权利要求书或说明书中的任何术语时存在任何歧义，则起草者的意图倾向于开放性和包含性的表述。
[0089]对于方法或过程中的步骤的次序、数量、顺序和/或重复限度来说，除非明确提供，否则起草者的意图是不暗示所述步骤的次序、数量、顺序和/或重复限度属于本发明的范围。
[0090]对于范围来说，范围应该被解释为包括上限值与下限值之间的所有点，以便为所述上限值与下限值之间包含的所有可能的范围、包括没有上边界和/或下边界的范围提供支持。
[0091]对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在所公开的结构和方法中做出各种修改和改变，而不背离本发明的范围或精神。具体来说，可以将任一实施方式的描述自由地与其他实施方式的描述组合，以产生两种或更多种要素或限制的组合和/或变化。对于本领域技术人员来说，在考虑了本文公开的发明的描述和实践之后，本发明的其他实施方式是显而易见的。说明 书和实施例意欲仅被认为是示例性的，并且本发明的真正范围和精神由权利要求书指明。
【权利要求】
1.一种对生物质进行预处理的方法，所述方法包括: 将生物质料流与预处理溶液料流逆向流动地相接触；以及 产生水解产物料流和预处理过的生物质料流。
2.权利要求1的方法，其中所述生物质料流包含木质纤维素材料。
3.权利要求2的方法，其中所述木质纤维素材料包含纤维素、半纤维素、木质素及其组合中的至少一种。
4.前述权利要求任一项的方法，其中所述预处理溶液料流包含酸或碱。
5.权利要求4的方法，其中所述酸包含无机酸、有机酸、氨基酸、矿物酸、布朗斯台德酸、路易斯酸及其组合中的至少一种。
6.权利要求4或5的方法，其中所述酸选自硫酸、磺酸、磷酸、硝酸、乙酸、乳酸、甲酸、草酸、琥珀酸、乙酰丙酸、碳酸、乙醇酸、糖醛酸、葡糖二酸、氢氟酸、硼酸、三氟化硼及其组合。
7.前述权利要求任一项的方法，其中所述水解产物料流含有超过约30重量％的原始生物质。
8.权利要求4的方法，其中所述碱包含无机碱、有机碱、矿物碱、布朗斯台德碱、路易斯碱及其组合中的至少一种。
9.权利要求4或8的方法，其中所述碱选自氨、氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸盐、胺、脲及其组合。
10.前述权利要求任一项的方法，其中所述预处理过的生物质料流具有超过约70%的纤维素的酶消化率。
11.前述权利要求任一项的方法，其中逆向流动接触发生在多个相互作用区中。
12.前述权利要求任一项的方法，其中所述预处理溶液具有以质量计约0.01%至约10%的浓度。
13.前述权利要求任一项的方法，其还包括将所述预处理溶液加热到约100°C至约180°C的温度。
14.前述权利要求任一项的方法，其包括在水解扩散器装置中进行逆向流动接触，其中所述生物质在所述扩散器装置内具有约I分钟至约60分钟的停留时间。
15.前述权利要求任一项的方法，其中所述预处理溶液的停留时间小于所述生物质的停留时间。
16.前述权利要求任一项的方法，其还包括将所述生物质转化成一种或多种糖。
17.权利要求16的方法，其中所述糖选自蔗糖、葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、己糖、戊糖、纤维二糖、寡糖及其组合。
18.权利要求16或17的方法，其还包括将所述糖转化成产物。
19.权利要求18的方法，其中所述产物包含乙醇、乙烯、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、丁烯、异丁烯、类异戊二烯、甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇、丁二醇、甲酸、乙酰丙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛、丙酮-丁醇-乙醇、丙酮、氨基酸及其组合中的至少一种。
20.一种水解扩散器装置，其包含: 从第η级到第η+ζ级的一系列级，其中第η级包含用于生物质的入口，并且第η+ζ级包含用于预处理溶液的入口； 将生物质从第η级连续移动到第η+1级的系统；将生物质从第η+ζ级连续移动到第η+z-1级的系统； 从第n+y级连续抽取所述预处理溶液以由此产生水解产物料流的系统；以及 从第n+m级连续抽取预处理过的生物质以由此产生预处理过的生物质料流的系统。
21.权利要求20的扩散器装置，其中: n ≥1
n ≤ z ≤ η+20
O ≤ y ≤ z-1
m≤ Z0
22.权利要求20或21的扩散器装置，其中所述系统移动所述生物质的速率为所述生物质提供了在所述扩散器装置内约I分钟至约60分钟的停留时间。
23.权利要求20-22任一项的扩散器装置，其还包含用于控制每一级内的压力的装置。
24.权利要求20-23任一项的扩散器装置，其中所述扩散器装置适用于碱性预处理溶液或酸性预处理溶液。
25.权利要求20-23任一项的扩散器装置，其中所述扩散器装置与至少一个其他扩散器装置组合。
26.一种水解扩散器装置，其包含: 从第一级到最终级并在其间具有一个或多个中间级的一系列级，其中所述第一级包含用于生物质的入口，并且所述最终级包含用于预处理溶液的入口 ；以及 一种系统，所述系统从中间级连续抽取所述预处理溶液并将所述预处理溶液进料到所述第一级以由此产生水解产物料流，并在同时将生物质从所述第一级移动到中间级以由此产生预处理过的生物质料流。
27.一种反应器，其包含: 双通道螺旋输送机，所述双通道螺旋输送机具有:在所述螺旋输送机的第一末端处用于生物质与酸混合的入口 ；与所述第一末端相反在所述螺旋输送机的第二末端处用于水蒸汽的入口，其中所述水蒸汽与生物质混合物逆向流动；以及用于水蒸汽加热的生物质混合物的出口。
28.权利要求27的反应器，其中所述螺旋输送机包含在所述第二末端处用于直接注入水蒸汽的环，以及在所述第一末端与所述第二末端之间延伸的双环螺旋盘管。
29.权利要求28的反应器，其中在所述螺旋输送机的第二末端处包含用于水蒸汽的入口的螺旋盘管被制造成具有孔，以允许水蒸汽注入到向前流动的生物质混合物中。
30.权利要求27的反应器，其中所述螺旋输送机包含沿着所述反应器的长度的多个水蒸汽添加接头。
31.权利要求27的反应器，其中所述螺旋输送机包含水蒸汽能够在其中冷凝的无孔内部环。
32.—种反应器，其包含: 高温区，所述高温区具有用于生物质与酸和水蒸汽混合的第一入口 ； 在所述高温区下游的低温区，所述低温区具有用于冷却的水性酸的第二入口 ；以及 在所述低温区下游的用于生物质的出口。
33.权利要求32的反应器，其中所述高温区和低温区被安装在单个反应器中。
34.权利要求32的反应器，其中所述高温区和低温区被安装在两个分开的反应器中，并且所述反应器还包含在所述两个分开的反应器之间的固体/液体分离系统，其中在低温区反应器的上游具有用于被水解的碳水化合物的出口。
35.一种反应器，其包含: 在所述反应器的顶端处或顶端附近的用于生物质的入口； 在所述反应器的底端附近的用于液体酸催化剂的入口 ；以及 位于所述用于液体酸催化剂的入口下方的螺旋输送机，其中所述螺旋输送机通过出口从所述反应器连续移除预处理过的生物质。
36.权利要求35的反应器，其还包含沿着所述反应器的高度的多个入口，通过所述入口能够进料附加的酸。
37.权利要求35或36的反应器，其还包含在所述反应器周围的提供热传递的多分区夹套，以便控制沿着所述反应器的高度的温度分布。
38.一种反应器，其包含: 在所述反应器的底端处或底端附近的用于生物质的入口 ；以及 在所述反应器的顶端附近的用于液体酸催化剂的入口。
39.权利要求38的反应器，其还包含沿着所述反应器的高度的多个入口，通过所述入口能够进料附加的酸。
40.权利要求38的反应器，其还包含沿着所述反应器的高度的多个出口，通过所述出口能够移除水解产物溶液。
41.权利要求38-40任一项的反应器，其还包含在所述反应器周围的提供热传递的多分区夹套，以便控制沿着所述反应器的高度的温度分布。
42.权利要求38-41任一项的反应器，其还包含用于水蒸汽或压缩气体的入口，以迫使所述液体酸催化剂穿过所述生物质。
43.一种反应器，其包含: 多个混合罐和多个沉降罐，其中生物质和水性酸逆向流动地流入到所述混合罐和所述沉降罐中。
44.权利要求43的反应器，其中将所述生物质导入到含有来自于第二沉降罐的水性酸的第一混合罐中； 将生物质/酸浆料从所述第一混合罐连续进料到第一沉降罐中；并且 通过酸出口从所述第一沉降罐移除水性相，同时将固体级分进料到第二混合罐中。
45.权利要求43或44的反应器，其中在将所述水性酸从沉降罐进料到后续的混合罐时，对所述水性酸进行温度控制。
46.权利要求27-45任一项的反应器，其还包含协助酸料流的重新浓缩的透水膜。
47.权利要求27-45任一项的反应器，其还包含协助酸料流的重新浓缩的蒸馏设备。
48.权利要求35-45任一项的反应器，其还包含离子膜，所述离子膜被构造成用于在降解前从生物质水解产物移除酸。
49.一种用于生产生物燃料的生物炼制机，其包含: 权利要求19-38任一项的水解器扩散器装置或反应器； 用于将生物质转化成糖的糖化装置；以及用于从所述糖生产产物的转化装置。
50.权利要求49的生物炼制机，其中所述扩散器适用于碱性预处理溶液或酸性预处理溶液。
51.权利要求49或50的生物炼制机，其中所述产物包含乙醇、乙烯、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、丁烯 、异丁烯、类异戊二烯、甘油三酯、脂质、脂肪酸、乳酸、乙酸、丙二醇、丁二醇、甲酸、乙酰丙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛、丙酮-丁醇-乙醇、丙酮、氨基酸及其组合中的至少一种。
【文档编号】C13K1/02GK103975079SQ201280060315
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年12月5日 优先权日:2011年12月6日
【发明者】雅各布·博尔登, 詹姆斯·B·格瑞特, 约翰·W·沙巴克 申请人:Bp北美公司
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