用于对木质纤维生物质进行水热预处理的方法和装置与流程

本发明涉及用于对木质纤维生物质进行水热预处理的方法和装置。

发明背景

在所谓的“第二代”生物精炼中，乙醇和/或其它有用产物是通过对衍生自木质纤维生物质的纤维素和半纤维素链的5碳糖和6碳糖进行发酵来产生的。在许多“第二代”系统中，可发酵糖是通过使用市售可得的纤维素酶制剂或酶分泌微生物来对生物质进料进行酶促水解而产生的。

有效的酶促水解通常需要对生物质进料进行一定形式的预处理以便使纤维素链更容易获得。一类特别吸引人的预处理方法是所谓的“水热”预处理。在这些方法中，在对应于4-23巴之间压力的150-220℃之间的温度下，在具有或不具有添加的酸、碱或其它化学药品的情况下，将加压和通常饱和的蒸汽施加于进料，以便熔融木质素和部分水解半纤维素成可溶性单糖和多糖，由此改进纤维素链的可获得性。

水热预处理系统的资金成本通常是“第二代”生物精炼中总资金成本的重要组成部分——多达20％或更多。适合于大规模加工的加压蒸汽反应器已被证明是昂贵的，在部分程度上是因为需要精细的加载系统以在环境压力下加工生物质进料。已报道了各种此类加载系统，包括“螺旋塞”进料器，所述进料器在将生物质引入反应器中的同时压缩生物质从而形成压力紧密密封。其它加载系统包括诸如wo2011024145中所描述的精细闸装置以及诸如wo2010058285中所描述的“低密度”塞式系统。对于加压蒸汽反应器而言，资金成本的另一重要组成部分是对用于连续生物质输送的机械构件和内部搅动系统的要求。

使用此处描述的立式“塞流”反应器的实施方案，水热预处理系统的资金成本可大大降低。生物质经过加压蒸汽反应器的等动能或“塞流”输送由重力单独驱动。有效地，仅有的移动部件是机械上简单的“限制器构件”，所述限制器构件的周期性运动使限定量的预处理生物质从反应器下部以一定间隔移除，从而提供稳定状态的进料输入和预处理生物质输出。

可以应用本发明的实施方案，其中具体优点在于加工先前使用往复式活塞压机经历机械压缩到至少500kg/m³的堆积密度的生物质进料。如在此特意以全文引用方式并入的wo2013/152771中所描述的，机械压缩到此堆积密度水平的这种方式产生机械引起的蒸气膨胀或“蒸汽爆炸”，这大大改变物料的物理性质。最值得注意地，木质纤维进料吸附水的容量在吸附发生速率和总持水容量方面均大大提高。例如，如wo2013/152771中所描述的，经历“机械蒸汽爆炸”的小麦秆通常可在水中吸收其自身重量的5与10倍之间。

使用以这种方式压缩的进料，不需要预浸泡物料以便在预处理期间达到适合的含水量。受压缩生物质在加压反应器内非常迅速地吸收水。在反应器温度和压力下可容易地引入额外含水量以便控制反应器内吸收的水量，从而在预处理期间达到最优含水量。因此，可使用机械上简单和价廉的闸加载器来将相对大量的“机械蒸汽爆炸的”、具有低含水量的、受压缩进料有利地引入加压蒸汽反应器中。此外，在预处理期间的蒸汽消耗可按这种方式大大降低。生物质进料通常在65重量％-80重量％之间的含水量下经历水热预处理。参见例如larsen等人(2008)；petersen等人(2009)；kootstra等人(2009)；larsen等人(2012)。在反应器内向具有低含水量的受压缩生物质添加热水的情况下，过量水的浪费加热得以避免。还得以避免的是不需要的含水量增加，这是由于与对生物质进料的含水量从环境温度起进行加热相关联的蒸汽冷凝而发生的。

附图说明

图1示出本发明的设备的一个实施方案。

图2示出限制器构件的一个实施方案。

图3示出反应器容器的替代实施方案。

图4示出反应器容器的另一替代实施方案。

发明详述

在一些实施方案中，本发明提供用于对木质纤维生物质进行水热预处理的设备，所述设备包括：

大致立式的反应器容器，所述反应器容器适合于加压至4与23巴之间并且具有位于其上部的生物质入口、位于其下部的生物质出口和一个或多个蒸汽入口，以及

上部限制器构件和下部限制器构件，所述限制器构件位于所述反应器容器的下部和可在缩回位置与接合位置之间移动，在所述缩回位置中所述限制器构件不堵塞生物质经过所述容器的通路，在所述接合位置中所述限制器构件通过横跨所述反应器容器截面形成物理障碍物来堵塞生物质的通路。

在一些实施方案中，加压容量可在5与12巴之间，或在4.7与10巴之间，或在7与12巴之间。

在一些实施方案中，所述设备进一步包括生物质入口闸容器，所述入口闸容器任选地大致立式、位于大致立式的反应器容器的顶部上方、任选地与生物质进料输入传送器连通。在一些实施方案中，所述设备进一步包括生物质出口闸容器，所述出口闸容器任选地大致立式、位于大致立式的反应器容器的底部下方。

在一些实施方案中，反应器容器或生物质入口闸容器或两者装配有用于注入加压热水的构件。

在一些实施方案中，限制器构件和其驱动机构位于加压附加容器内，所述附加容器可从主反应器容器中移除以用于维护。

在一些实施方案中，本发明提供用于对木质纤维生物质进行水热预处理的方法，所述方法包括以下步骤：

经过位于大致立式的加压反应器容器的上部的入口引入生物质进料，在所述反应器容器中蒸汽压力维持在4与23巴之间以便将温度维持在150-220℃之间的水平，并且所述反应器容器以这种方式在其下部装配有上部限制器构件和下部限制器构件，所述方式使得进入的进料落在先前引入的生物质柱的顶部上，所述生物质柱由上部限制器构件支撑在反应器内，接着

缩回上部限制器构件以使生物质柱向下降落以由下部限制器构件支撑，接着

穿过生物质柱再插入上部限制器构件以便将生物质柱支撑在上部限制器构件上方，接着

缩回下部限制器构件以使由下部限制器构件支撑的一定量的生物质向下降落至位于反应器容器下部的出口。

在一些实施方案中，生物质进料的引入以离散批次来实现。

在一些实施方案中，所述方法可使用如所描述的设备的任何实施方案来实践。例如，本发明的方法的另一限制可涉及限制器构件和其驱动机构在附加容器内的位置，所述附加容器可从主反应器容器中移除以用于维护。

如本领域技术人员将容易理解的，所述方法的实施方案通常经实践以便实现进料输入和来自反应器容器的预处理生物质输出的稳定状态。任何给定反应器中的上部限制器构件与下部限制器构件之间的垂直距离限定通过限制器构件的缩回和再插入的一个循环在一个“批次”中所移除的预处理生物质的量。在一些实施方案中，加压反应器容器可装配有水平检测器构件，所述水平检测器构件提供测量信号以通知调控进料输入速率的控制过程。

如众所周知的，木质纤维生物质的蒸汽预处理通常由条件的所谓“苛刻度”来定义。参数ro，通常称为其log值，往往在本领域中用来定义预处理苛刻度，合并有进行预处理的温度以及在该温度下生物质的停留时间两个因子：ro＝texp[t-100/14.75]，其中t是以分钟计的停留时间并且t是以摄氏度计的温度。例如，在反应器温度维持在对应于10巴饱和蒸汽压力的180℃的情况下，并且在生物质进料停留于该条件30分钟的情况下，预处理苛刻度将为logro＝3.84。

在本发明的实施方案中，有利的是实现生物质经过立式反应器的等动能“塞流”，其中重力驱动的输送受限制器构件的周期性缩回和再插入控制。在进入的进料一致地经过反应器容器降落以便在预定义蒸汽压力下实现预定义停留时间的情况下，输出均匀地受预处理。

实施方案可使用各种不同方案来实践以将生物质加载至加压反应器容器并且从加压反应器容器卸载生物质。在一些实施方案中，进料传送器系统可经过反应器入口将物料送进反应器中并且在反应器压力下从反应器出口移除预处理物料。

在一些实施方案中，通过包括以下步骤的方法将生物质进料引入加压反应器容器中：

将生物质进料引入位于大致立式的加压反应器容器上方的大致立式的闸容器中，接着将闸容器加压至接近或等于反应器压力的压力，以及

打开位于反应器容器上部的入口阀，并且通过使生物质经过打开的入口阀从闸容器降落的重力将生物质进料引入加压反应器容器中。

在一些实施方案中，通过包括以下步骤的方法将预处理生物质从加压反应器容器中移除：

打开位于大致立式的加压反应器容器的底部的出口阀，并且使预处理生物质在反应器压力下通过重力经过打开的反应器出口阀降落至位于反应器下方的大致立式的闸容器中，接着

关闭反应器出口阀，并且将闸容器减压至接近或等于环境的压力，接着

打开位于闸容器底部的出口阀，并且通过使物料经过打开的闸出口阀降落的重力的作用来移除预处理生物质。

任何适合的木质纤维生物质可用来实践本发明的方法，包括至少小麦秆、玉米秸、空果串、稻秆、燕麦秆、大麦秆、油菜秆、黑麦秆、甘蔗渣、高粱渣或甜高粱渣、以及芦竹。在一些实施方案中，使用至少10kg进料、或至少100kg、或至少500kg来实践本发明的方法。

生物质进料可有利地经预加工，其任选地通过切割、研磨或切碎至平均粒度小于3.0cm、或小于2.0cm、或小于1.0cm、或小于5mm、或小于2mm，接着使用在往复式活塞压机中重复压缩到至少500kg/m³、或至少700kg/m³、或至少900kg/m³、或至少1000kg/m³的堆积密度来进行机械压缩，如wo2013/152771中所描述的。

使用重复压缩，其中将松散生物质进料送进活塞前方的活塞室中，所述活塞将松散生物质移动至管状反应室中，在所述反应室中生物质受压缩，机械引起的蒸气爆炸或“蒸汽爆炸”在物料中产生。这大大改变进料的物理性质，最值得注意的是大大提高物料吸收水的速率以及提高物料的总持水容量。

在一些实施方案中，使用简单、小和价廉的闸系统将此受高度压缩、“机械蒸汽爆炸的”进料引入加压反应器中。在加压反应器内，受压缩进料迅速吸收在生物质中冷凝为液态水的蒸汽，直至在反应器温度下达到热平衡。受压缩进料通常具有小于20重量％的低含水量。在典型反应器温度下，例如在对应于10巴饱和蒸汽压力的180℃下，通过与将物料从环境温度加热至反应器温度相关联的蒸汽冷凝，受压缩进料的含水量将仅提高至约25％-35％。

在预处理期间任何给定的受压缩进料的最优含水量可由本领域技术人员通过用预处理物料实现的酶促水解产率和总糖回收率的常规实验来容易地测定。在许多情况下，在预处理期间最优含水量可显著更高，可能高达65％。参见例如modenbach和nokes(2012)；以及参见allen等人(2001)。

通过在反应器温度下简单注入液态水、加压至适合压力，可将适合的含水量施加于加压反应器内的受压缩进料。可使用提供液滴细雾的喷嘴来有利地实现注入。在一些情况下，在由专用蒸汽发生器提供蒸汽供应的情况下，所提供蒸汽的液态水含量可通过避免应用雾消除器来提高。

在150℃或更高的温度下，受压缩、“机械蒸汽爆炸的”生物质进料非常迅速地吸收反应器内的水，通常在1分钟内、并且至多在3分钟内。通过调整加压反应器内进料的含水量，可使用小、价廉和机械上简单的闸装置将极大量的生物质送进反应器中。相比之下，在以60％-65％含水量将未压缩进料添加至加压反应器的情况下，需要精细和昂贵的闸系统、螺旋塞进料器或其它资本密集型加载装置以实现相当的生物质通量。此外，当将湿生物质添加至反应器时，通过与将含水量加热至反应器温度相关联的蒸汽冷凝来引入相当大的额外含水量。

在一些实施方案中，本发明包括用于对木质纤维生物质进行水热预处理的方法，所述方法包括以下步骤：

提供木质纤维生物质进料，所述木质纤维生物质进料使用往复式活塞压机压缩到至少500kg/m³的堆积密度，接着

使用闸系统将受压缩生物质进料引入加压水热预处理反应器中，在所述反应器中将蒸汽压力维持在4与23巴之间，接着

通过引入加压液态水在加压反应器内调整生物质进料的含水量。

在实践所述实施方案的方法中，受压缩生物质进料的初始含水量通常小于30重量％，或小于25％，或小于20％，或小于18％。生物质含水量通常在加压反应器内调整至最终水平，其包括与加热生物质相关联的冷凝，所述最终水平大于35％，或大于40％，或大于45％，或大于50％，或在35％与48％之间，或在38％与51％之间，或在40％与65％之间。

如本文所使用，术语“大致立式”指的是容器与重力方向对准以使得铅垂线可沿容器的垂直轴穿过容器。

用于实施方案中的加压反应器容器可具有从可用于研究目的的台式规模装置到适于在单一容器中加工10吨生物质/小时或更多的商业生物精炼规模的大小范围。容器尺寸通常落入0.025-2.5米之间的直径和0.1与10.0米之间的高度的范围。高度与直径之比有利地为约4:1，或3:1与5:1之间。

“限制器构件”指的是一个或多个物理装置的配置，所述物理装置可横跨反应器容器的截面替代地插入或者缩回，并且具有足够质量和适合配置以便支撑生物质柱。限制器构件的适合质量和配置可针对任何给定反应器大小容易地确定，这取决于必须受支撑的生物质柱的质量。

上部限制器构件有利地配备有尖锐边缘、优选尖锐点，其用来切穿生物质柱。这些可有利地包括一系列单独组件，这可更容易地使所述组件穿过生物质柱，并且所述组件与单一“刀型”表面相比产生可影响经过反应器的“塞流”的生物质积累的可能性较少。在一些实施方案中，例如，上部限制器构件包括一系列平行矛状体，所述矛状体具有大体圆柱形状和在尖端处的锥形尖锐点，所述尖端突出至反应器截面中。在一些实施方案中，可使用具有平坦几何形状的“刀片”。

下部限制器构件可由矛状体或由诸如“铲”形的单一平坦表面组成。

通过使限制器构件和其驱动机构位于加压附加容器内，可产生可容易地从加压反应器中移除并且替换的模块系统，从而允许无工厂操作时间重大损失的维护。大体有利的是将限制器构件和其驱动机构维持在反应器压力下，因为替代物将需要昂贵、敏感和高维护压力密封。可容易移除的附加容器可通常通过凸缘附接至主反应器容器。“闸容器”指的是其中可输入生物质进料或从加压反应器中移除预处理物料的容器，所述反应器以分批模式操作以使得输入或输出的一个循环涉及交替加压至处于或接近(意指0.5巴内)反应器压力的温度和减压至处于或接近环境的压力。

图1示出本发明的设备的一个实施方案。设备1包括大致立式的反应器容器2，反应器容器2适合于加压至4与23巴之间。反应器容器2具有生物质入口5和生物质出口6，生物质入口5位于反应器容器2的上部并且包括入口阀，所述入口阀可对位于生物质入口5上方的大致立式的闸容器4交替地关闭或打开，生物质出口6位于反应器容器2下部并且包括出口阀，所述出口阀可对位于生物质出口6下方的大致立式的闸容器14交替地关闭或打开。上闸容器4与生物质进料输入传送器3连通。反应器容器2进一步包括用于引入加压液态水的喷嘴12、至少一个蒸汽入口7和生物质水平传感器13。反应器容器2进一步包括以预定相互垂直距离8布置的上部限制器构件9和下部限制器构件10。限制器构件可在缩回位置(未例示)与如图1中所示的接合位置之间移动。限制器构件的移动由箭头9a和10a例示。

当使用图1中所示实施方案来实践本发明的方法时，将生物质进料11在环境压力下通过生物质进料输入传送器3引入闸容器4中。然后将闸容器4加压至反应器压力，并且将生物质进料11经过入口阀5引入反应器容器2中。闸容器4的减压和再加压的每一循环将生物质进料11的批或“填塞(plug)”引入反应器容器2中。进入的“填塞”的生物质进料可通过经喷嘴12引入加压液态水来润湿。反应器容器2内的蒸汽压力可通过经至少一个蒸汽入口7引入蒸汽来维持在4与23巴之间的水平。反应器内的生物质将具有如由虚线11i至11vi例示的层状结构。输入进料的每一批次或“填塞”将因此为大致上分开的。在停留时间的一定时段之后，通过限制器构件9和10的作用在反应器容器2中从底部移除生物质物料。首先缩回上部限制器构件9，使包括“填塞”11i至11vi的生物质柱通过重力向下降落至下部限制器构件10的支撑物上。然后横跨反应器容器2的截面再插入上部限制器构件9，从而支撑包括生物质“填塞”11ii至11vi的生物质柱。然后缩回下部限制器构件10，使生物质“填塞”11i通过重力经过生物质出口阀6向下降落至闸容器14中。通过以对应于生物质“填塞”近似厚度的垂直距离8来布置限制器构件9和10，反应器容器2内生物质的停留时间保持合理地均匀。生物质水平传感器13进一步提供测量信号以用于控制经过闸容器4的生物质进料输入的循环。

图2示出限制器构件的一个实施方案。在此实施方案中，限制器构件包括多个棒20，所述棒20如参考图1所解释的，如由箭头9a、10a所例示可移动进出接合。在图2中所例示的实施方案中，限制器构件20为具有尖端的大致上圆棒的形状。然而可使用任何截面的棒。

图3示出反应器容器2′的替代实施方案，其中加压容器2′内的加压容积19被设计成容纳限制构件9′、10′。以这种方式，在加压反应器容器壁中不需要提供敏感密封或耦接，所述敏感密封或耦接将最终失效并且由此减少反应器容器2′和由此整个设备的使用寿命。图4示出反应器容器2″的另一替代实施方案的截面图。反应器装配有可移除的加压附加容器21，附加容器21由凸缘22附接至主容器。附加容器21容纳：上部限制器构件23，其包括多个矛状体24，矛状体24在末端上具有锥形和尖锐的点，所述末端是生物质柱(未示出)的穿透点；下部限制器构件25，其包括平坦铲；以及液压驱动机构26和27，二者分别用于下部限制器构件和上部限制器构件。所公开实施方案仅为代表性的，并且不意图限制如由权利要求书限定的本发明的范围。

参考文献

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larsen，j.etal.“theibusprocess-lignocellulosicbioethanolclosetoacommercialreality，”chem.eng.technol.(2008)31(5)：765.

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petersen，m.etal.“optimizationofhydrothermalpretreatmentofwheatstrawforproduc-tionofbioethanolatlowwaterconsumptionwithoutaddedchemicals，”bio-massandbio-energy(2009)33：834.

modenbach，a.andnokes，s.“theuseofhighsolidsloadingsinbiomasspretreat-ment-areview，”biotechnol.bioeng.(2012)109：1430.

larsen，j.etal.“inbiconmakeslignocellulosicethanolacommercialreality，”bio-massandbioenergy(2012)46：36.