具有垂直桨的高固体酶反应器混合器及方法
【专利说明】具有垂直桨的高固体酶反应器混合器及方法
[0001]相关申请
[0002]本申请分别要求2013年10月25日申请的美国专利申请第14/063，156号和2012年11月7日申请的美国临时专利申请第61/723，538号的优先权，所述申请的全部内容通过引用合并在本申请中。
技术领域
[0003]本发明的实施例总体上涉及生物质到单糖的酶转化领域，尤其涉及混合生物质和酶以促进水解。
【背景技术】
[0004]生物质给料可以仅仅是木质纤维素材料或木质纤维素和其它材料的混合物。多糖生物质典型的是淀粉和木质纤维素材料的混合物。该淀粉可以包含在谷物或作为给料添加以形成生物质的精炼淀粉中。该生物质给料还可以包括聚合物和其它材料。
[0005]酶和生物质混合以提高水解作用。混合确保酶连续不断的进入接触生物质中的化学反应区域以提高生物质的水解作用或其它降解。此外，或者取代酶，其它纤维素降解生物体和生物催化剂可以被添加到生物质中以提高生物质的水解作用或其它降解。
[0006]木质纤维素材料的给料和酶或其它降解材料混合在一起形成生物质混合物。这个生物质混合物具有与高物质含量粉末相似的特征。液体也可以被添加到生物质混合物中以形成高粘性液体浆料。液体可以被添加以溶解生物质固体并产生由给料和液体构成的均匀的生物质乳状液，它们的特征具有显著差异。
[0007]混合器、不断搅拌反应器和其它类似的混合或搅拌装置可以用于混合并溶解给料和酶以形成生物质混合物。这些装置通常是垂直地安置的圆柱形容器且具有机械混合装置，例如具有径向臂和桨叶的搅拌器。这些混合装置通常围绕垂直轴旋转并穿过生物质，并伴随有根据所用的给料发生一段时间的混合。
[0008]木质纤维素给料到生物质的酶液化可能需要混合几个小时。所述混合的结果是生物质的粘度下降。酶使一般的固体生物质成分转变成液化的浆料。酶转化为单糖而进行预处理的生物质通常开始具有纤维状的或泥状稠度的混合过程。被添加到生物质中的酶相对于生物质通常具有相对较低的浓度。随着它进入混合器和预处理水解反应器系统，生物质和酶混合物趋于高粘性。在系统中可能有一个或多个水解反应器容器。
[0009]由于高粘性生物质进入水解反应器容器，需要大的力(扭矩)来转动混合装置并适当地混合酶和生物质。混合力通常限制了混合容器的尺寸。许多混合发生的常规容器往往是小直径容器，因为旋转混合臂所需要的扭矩与臂的径向长度以指数方式增加。由于生物质的高粘性，所述臂的径向长度通常短，这样它们可以穿过生物质。用于转动混合臂的电动机具有最大功率限制，这有助于限制混合臂的最大长度。由于混合部件的电动机和机械强度的限制，用于混合高粘性预处理生物质的容器通常小而窄。
[0010]由于这些以及其它的原因，用于木质纤维素生物质的酶熔解的混合容器通常批量操作而非连续模式，并经常需要多批次混合容器同时操作以供给大量的下游的容器。
[0011]一种能够混合高粘性生物质和酶的大型的连续模式混合容器近期被研制出来，被记载在美国专利申请公开2012-125549( “'549”申请)中。在这个系统中酶水解作用和混合过程依赖于物理力，例如重力和离心力，以确保生物质经受所需的机械力。
[0012]在连续的混合和反应器装置中，第一内部混合室具有从生物质入口扩展到第二室内部区域的横截面面积和贯穿该第二室的均匀内部横截面。在这个系统中，所述生物质反应器包含旋转的混合装置并与反应器容器同轴。这个混合室可以由容器中不同高度的多个区域组成。该混合由水平浆或托盘引起，并且还允许材料垂直沿容器向下的运动。液化浆从混合容器的下部区域流出，和一部分泵送或循环到容器上部区域的浆一起来调整容器上面高度处的给料缓慢变化的粘度。
[0013]当记载在'549申请中的系统和方法的应用考虑到混合和反应器容器的连续操作的时候，随着材料穿过反应器容器，起因于'549申请的方法的垂直混合被发现用来降低良好控制粘度降低所需要的理想的活塞流。“活塞流”指的是穿过给定区域的基本恒速的流。理想的活塞流促进反应器容器中一致的停留时间，并避免在停滞的生物质的容器中的区域。
【发明内容】
[0014]由于生物质和酶材料的阻力，它们倾向于比桨的旋转速度慢。随着生物质和酶材料沿着反应器容器的混合室向下降落，酶和生物质反应并且生物质和酶材料的粘度发生变化。遗憾的是，随着生物质和酶材料的粘度发生变化，生物质和酶材料的阻力和旋转速度也发生变化，这引起贯穿混合室长度的旋转增量。发明人已经意识到具有变化的水翼横截面或迎角的垂直桨可以用来保持生物质和酶材料的旋转在混合室的整个长度上基本上恒定。这个设计可以促进活塞流并降低旋转增量。
[0015]为了促进活塞流、改善混合并减少反应器容器混合室中的停滞区域，一种新的具有水翼形状的垂直定向的桨被构想出来用于混合生物质和酶材料。在实施例中，“迎角”(即桨接合生物质和酶材料的角度)可以沿着桨的长度变化。在其它实施方式中，沿水平面的桨的横截面面积可以沿着桨的长度变化。
[0016]最好是使材料的缓慢且均匀的活塞流沿反应器容器的混合室垂直向下。可能需要一个缓慢的、恒定的活塞流移动以确保比现有技术容器中发生的混合积极性低的混合，所述现有技术容器中发生的混合导致材料从混合室中较低的高度被沿着混合室向上推，从而扰乱活塞流。不同于在反应器容器的混合室中向上移动生物质和酶材料，生物质和酶材料在混合室内所有垂直位置的水平混合可以减少停滞材料的区域。
[0017]在反应器容器的混合室内，生物质和酶材料的移动最好是一致且缓慢的以避免生物质和酶材料的停滞区域并且允许用于对生物质发生反应的足够时间。混合室内生物质和酶材料的水平混合运动可以帮助建立和维持所需的反应环境。所需的反应环境可以包括用于酶的最佳温度范围。缓慢的水平混合可以形成活塞流，而且活塞流是更为可控的反应模式通常所需要的。
[0018]为了提供所需的水平混合移动或运动，一个或多个具有水翼形状的垂直桨可以用在反应器容器的混合室中。一个以上的垂直桨可以布置在围绕中心轴的阵列中。垂直桨的长度可以大体上是反应器容器混合室的垂直长度的80%或以上。如果需要的话，桨的长度可以是减小的长度，例如容器主体高度的至少75%。
[0019]垂直桨在每一端可以附着到顶部支撑杆和底部支撑杆上。每个支撑杆可以依次地水平附着到延伸于混合室的垂直长度的中心轴上。中心轴附着到马达，该马达能够移动支撑杆并因此移动垂直的、一致的桨围绕混合室的中心轴在单一方向上缓慢的圆周运动。根据生物质和酶材料的粘度，水翼设计可以使得桨具有偏离垂直角度负25度到正25度范围的偏置。在其它实施例中，对于混合来源于木浆、甘蔗渣或农业残余物的生物材料和酶，正15度到负15度的范围可能是可取的。在某些实施方式中，偏离垂直角的偏置可以沿着桨的垂直长度变化。例如，桨可以在垂直桨的第一端具有2度的垂直偏置角而在垂直桨的第二端具有15度的垂直偏置角。这种偏离垂直的偏置可以在反应器容器的混合室内在混合室中的很多垂直点提供生物质和酶材料的平稳的、一致的移动。
[0020]已经设想一种反应器容器，其包括:具有垂直长度、上部入口和下部出口的混合室；以及在所述混合室内具有垂直定向的至少一个桨，所述至少一个浆具有水翼横截面形状，其中，所述至少一个桨相对于所述混合室移动而同时保持垂直定向。
[0021]在其它实施方式中，垂直桨可以在每一端附着到顶部支撑杆和底部支撑杆上。每一个支撑杆可以依次附着到中心轴上，该中心轴没有延伸到混合室内超过接合垂直桨的顶部和底部支撑杆。所述轴的一端或两端可以附着到马达上，该马达能够移动支撑杆并因此移动垂直的、一致的桨围绕混合室的中心轴在单一方向上缓慢的圆周运动。
[0022]在其它实施方式中，沿着水平面测量的垂直桨的横截面面积可以沿着垂直桨的长度变化。例如，垂直桨在其一端的宽度可以比其另一端的宽度厚。横截面面积上的这种变化也可以在混合室内在混合室中的很多垂直点提供生物质和酶材料的平稳的、一致的移动。
[0023]在其它一些实施方式中，已经设想一种反应器容器，其包括:内部圆柱形混合室，延伸于所述内部圆柱形混合室的长度的中心轴，驱动地联结到所述中心轴的马达，在所述内部圆柱形混合室内并从所述中心轴的上部向外延伸的上部支撑杆，在所述内部圆柱形混合室内并从所述中心轴的下部向外延伸的下部支撑杆；以及由所述上部支撑杆和所述下部支撑杆支撑并且附着到所述上部支撑杆和所述