用于将预处理的生物质从较高压力区域排放至较低压力区域的改进装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于排放已经受加压处理的生物质到较低压力或大气压区域中的排放装置和方法。此外，本发明涉及包含与预处理反应器相结合的这种排放装置的设备。此外，本发明涉及这样的排放装置用于将预处理的生物质从较高压力转移至较低压力的用途。
【背景技术】
[0002]对于富含碳水化合物的生物质的发酵和气化以提供用于燃料、牲畜饲料和有机化学产品前体的石化资源的替代物出现了强烈的兴趣。
[0003]包含工业和农业废弃物的木质纤维素生物质已经证明作为碳水化合物来源具有特别的意义。
[0004]对于经受酶促水解处理的木质纤维素生物质，通常需要预处理以便从纤维素纤维中分离木质素和半纤维素和由此提高水解酶的催化有效的接触。多种预处理工艺已被报道，其中许多依罪在尚压下的尚温处理。综述参见参考文献1和2。
[0005]预处理的生物质从高压区域排放到在较低压力或大气压下的后续处理提出之前通过三种通用的方法解决的一个技术问题。已开发出适用于半连续加工的水闸系统，其提供生物质从不同压力的区域的压力密封转移。见例如，W0 2011/024145，其在此通过引用整体引入本文。
[0006]另外，已经使用“蒸汽爆破”实现预处理的生物质从高压区域的排放，其中生物质确实被吹出压力处理装置至排放槽(blow tank)中。参见例如US 6506282。或者，还可以借助于“水力旋流器”系统将生物质从加压的预处理反应器排出，如在W0 2009/147512 A2中所描述的，其全文在此通过引用引入本文。
[0007]W0 2009/147512 A2公开了一种用于将预处理的生物质从较高压力区域排放至较低的压力区域的装置。在高压下在其中部分地填充有水或水性溶液的排放容器的顶部加入预处理的热生物质。该容器包含多个位于其侧面的水喷嘴，通过其注入水或水性溶液以在容器的下部产生强湍流。
[0008]这种湍流，优选涡旋湍流或“水力旋流”，在生物质和水作为浆料通过容器底部的孔或阀高速喷射之前混合生物质和水。在排放容器内建立稳定的温度分层，由此热水保持在容器的顶部，从而减少预处理反应器的热和蒸汽损失。
[0009]在纸浆和造纸工业中，使用碎浆机粉碎废纸纤维是公知的。这样的碎浆机包括在下部包含圆锥形螺杆形式的旋转器或搅拌器(其对废纸施加物理冲击)的容器，由此导致废纸纤维的粉碎。在使用这种碎纸机的过程中，工艺水被添加到废纸中。用于废纸工业中的这样的碎浆机的实例在US 4，460，132中公开。在US 4，460，132中公开的设备没有包含用于与加压的生物质预处理装置连接的手段且因此不适合用于将预处理的生物质从较高压力排放至较低压力。
[0010]在造纸和纸浆工业中使用的另一设备公开于US 4,725 295中。US 4,725 295公开了一种用于在造纸制浆工业中使用的，在加压处理系统中从气态流体分离固体颗粒的设备。该设备包含蒸汽管，其在顶端具有木肩和蒸汽的入口。在蒸汽管的下部设置旋转式搅拌器。在蒸汽管的下部还设置用于还没有被制成纸浆的木片的排放。在蒸汽管的下游，制造的纸浆经过热机械精炼机，之后通过压力驱动的纸浆进入旋流器。旋流器本身包括包含蒸汽排气口的上部和包含叶轮的下部。叶轮被设计用于使用扫孔原理(sweep orificeprinciple)将纸浆通过纸浆出口孔扫出。由于工艺中的木肩主要是用蒸汽处理而基本上没有液态水存在，在超大气压的压力下存在的含有相当量的液态水的生物质含水浆料的减压问题没有在US 4,725 295的发明中遇到。在US 4,725 295中公开的设备没有提供任何使得存在于超大气压的压力下的含有相当量的液态水的生物质含水浆料从该超大气压的区域安全转移至低压区域的手段。
[0011]在浆料或液体的处理中涉及搅拌器的组合的其他系统被分别公开在W02009/137867 AUW0 03/045525 A1 和US 6,428,591 B1 中。
[0012]ffO 2009/137867 A1公开了使包含液体悬浮液或纸浆的进料液脱气的设备。该设备包含进料管道以将进料液体输送到分离器中。分离器包含用于在分离室中引起进料液体的旋转流动的机械搅拌器，使得所述旋转流动产生离心涡流以将进料液体分离成基本上由泡沫或气体组成的第一组分和基本上由脱气的液体或淤渣组成的第二组分。较低的输出通道允许将第二组分引导出分离器。用于泡沫的出口形式的溢流通道被安排在分离器的上部，从而提供从分离器的内部到分离器外部的点的直接通路。由于存在这个溢流通道，在W02009/137867 A1中公开的分离器将不适合于处理在超大气压力下存在的淤浆。
[0013]ffO 03/045525 A1公开了一种涡流分离器，其用于将物料分离成具有不同比重的三个部分。所述分离器包含具有上端和下端的涡流管。上端包含用于将物料引入分离器中的进料入口。分离器的下端包含安排在分离器的内部位置的最低出口开口，并适于收集具有最高比重的物料;最高出口开口安排在所述分离器的外部位置并适于收集具有最低比重的物料;和中间出口开口安排在所述分离器的中间位置，并适于收集具有中等比重的物料。在分离器的顶部安排了用于产生被进料到分离器的物料的涡流的叶轮。由于在顶部安排了搅拌器，该设备将不适合用于提供进入装置的固体物料的浆料的搅拌，且特别地这一设备将不适合用于将预处理的生物质从较高压力区域转移到较低压力区域。
[0014]US 6,428,591 B1公开了用于加压的物料处理系统，诸如中密度纤维板(MDF)加工系统中的旋流器，用于分离在维持升高的压力下的气态流体中夹带的固体物料和用于降低V0C的排放。旋流器包含具有上端、下端和限定纵向轴的基本上圆筒形侧壁的壳体。入口在壳体内靠近所述上端形成，并相对于侧壁切向定向用于诱导流体围绕纵向轴旋转，从而对固体物料施加离心力。气态流体出口从壳体的上端向上延伸用于提供气态流体的第一或分离的部分的出口。用于固体的出口在外壳内形成，并在靠近下端定位。搅拌器组件被定位在壳体内靠近下端。搅拌器组件包括与纵向轴同轴设置垂直延伸的，可旋转地支撑的驱动轴。搅拌器组件还包含多个从壳体的内侧延伸到壳体的中央部分的固定的抗旋转元件。由于这些固定的抗旋转元件的存在和木质纤维素生物质的含水浆料的粘性性质，在US 6，428，591B1中所公开的设备因为堵塞的风险将不适合于加工木质纤维素生物质。
[0015]在木质纤维素生物质的生产规模的加工中，我们在一定条件下利用W02009/147512 A2中所描述的水力旋流器系统经历负面的复杂化情况。
[0016]这种水力旋流器系统在该系统包含的流体体积内产生温度梯度。预处理的生物质从大约170摄氏度或更高的温度下从加压反应器释放到水力旋流器内的流体体积中。水喷嘴向系统中灌输热水，从而打破预处理生物质物料的团块并提供了流化的预处理生物质浆料的平稳的连续输出。但结果总是在水力旋流器内出现温度梯度，在容器上方最接近于加压反应器的出口的水比水力旋流器的出口处的水温度显著高。
[0017]已发现，当使用公开于W02009/147512 A2中的装置将水热预处理的生物质从较高压力区域转移到较低压力区域时，最初存在于木质纤维素材料中的不希望的高百分比的C5糖，如木聚糖物质，不可避免地流失到浆料的液相中。因此C5糖的这种损失意味着在其中水热预处理的木质纤维素的固体材料打算用于水解和后续发酵成乙醇的情况中较低的乙醇产率。
[0018]本文所用的术语“木聚糖”一般用来指木糖的所有寡聚和多聚物长度，其是来源于半纤维素的主要C5糖。然而所测量的“木聚糖”包含单体可溶性木糖的成分，以至可溶性“木聚糖”包含“木糖”。
[0019]此外，利用W02009/147512 A2中公开的装置，已经发现，与这种C5糖流失到浆料的液相中同时，在液相中出现糠醛的累积。众所周知，糠醛在C5和06糖的乙醇发酵中作为某些特定发酵微生物的发酵抑制物起作用。即使存在于纤维性木质纤维素生物质的液体痕迹(liquid traces)中的少量糠醛可代表对糖发酵微生物的显著的抑制。
[0020]此外，利用在W02009/147512 A2中公开的装置，在某些条件下，在水力旋流器的顶部在较高温度上累积静止层，而预处理生物质的“团块”沉淀到在较低的温度下的反应器底部。作为在水力旋流器内建立的温度梯度内预处理生物质的这种不均匀分布的结果，生物质在最早的加压预处理结束之后可能会发生不均匀的额外的“蒸煮”。这随之导致在随后的处理步骤中的困难。此外，作为在反应器的底部和侧面上积聚的预处理材料的沉降团块的结果，可能会出现“木质素炭化”的显著发生率，这引起了在后续处理步骤中使用的过滤器和栗“堵塞”的倾向。
[0021]因此，存在着对于其中消除上述问题的用于将预处理的生物质从较高压力排放至较低压力的改进的装置和方法的需要。
【发明内容】
[0022]根据本发明的排放装置、设备、用途和方法满足了该需要。
[0023]因此，本发明涉及一种排放装置，其用于将预处理的生物质从较高压力排放至较低压力，所述排放装置按其预期使用的定向包含:
[0024]-在顶部具有到高压区域的开口，并配置成与加压的生物质预处理装置相连的容器；
[0025]-沿容器的侧面定位的一个或多个入口开口，水或液体可以通过其加入；
[0026]-在所述容器的下部的孔或阀，所述的孔或阀被配置成喷射预处理的生物质，任选至管道中；
[0027]其特征在于所述排放装置包含机械搅拌工具，所述搅拌工具包含在所述容器的下部安排在所述容器内部，和被配置成提供所述容器的内容物的搅拌的搅拌元件，其中所述搅拌工具适于承受所述容器内部10巴或更高的压力。
[0028]本发明还涉及一种设备，其包含与水热预处理反应器相结合的根据本发明的排放装置；
[0029]其中所述水热预处理反应器包含基本上水平地排列和具有在第一轴末端的用于生物质的入口和在与所述第一末端相反的第二轴末端的用于生物质的出口的圆筒；
[0030]其中，所述圆筒在其内部包含可旋转的螺旋螺杆，所述螺旋螺杆被配置为用于将生物质从所述第一轴末端输送到所述第二轴末端；
[0031]其中所述圆筒还包含一个或多个用于蒸汽和/或水的入口；
[0032]其中在所述圆筒的第二轴末端的用于水热预处理的生物质的所述出口被连接至安排在所述排放装置的容器顶部的所述开口。
[0033]本发明还涉及根据本发明的排放装置或根据本发明的设备用于将生物质从较高压力排放至较低压力的用途。
[0034]最后，本发明涉及用于将生物质从较高压力排放至较低压力的方法，其包括:
[0035]i)将来自较高压力环境的预处理生物质加载到容器的上端，以在所述容器内获得包含生物质的下部水性浆料和上部气体部分；
[0036]ii)通过安排在所述容器内部的机械搅拌元件进行对所述容器下部的所述含水浆料的机械搅拌；
[0037]iii)向容器中供给含水液体流；
[0038]iv)从所述容器的下部卸载包含预处理的生物质的含水浆料。
[0039]在根据本发明的排放装置及其用途和方法中，已经令人惊奇地发现，C5-糖如木聚糖物质从纤维性的木质纤维素生物质到液体部分中的损失的减少相对于W02009/147512A2中公开的装置和方法可以被相当大的降低。这类C5糖代表在预处理的木质纤维素生物质的下游加工中用于发酵生物体的有价值的碳源，从而促进目标物质的产量增加。
[0040]此外，已经令人惊奇地发现，在根据本发明的排放装置、设备及其用途中和方法中，与用W02009/147512 A2中所述的装置和方法所获得的结果相比，可以降低在伴随纤维性木质纤维素部分的液体部分中糠醛的浓度。
[0041]因此，在纤维性木质纤维素生物质的液体痕迹中糠醛浓度的显著降低意味着在生物质的下游进一步处理中目标发酵物质产率提高方面非常有益的效果。
[0042]在木质纤维素生物质已经在