用于生产生物质制剂的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于生物质制备（生物质组合）的设备和方法，特指一种可发酵的生物质制备，其通过生物、机械和/或微生物活化剂热活化的组合，使其能够针对难以被消解的生物反应物，特别是生物质中的木质素，消解并使其可发酵。

背景技术：
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传统的沼气设备以水解化和甲烷化细菌行作业工作，其可将含糖物质等容易发酵的碳化合物代谢成甲烷。一般而言，沼气为有机基质经厌氧发酵和腐败等过程所产生的气体混合物，沼气的主要能量来源主要由甲烷（约起始材料体积的50-80％）、二氧化碳（体积的19-49％）和水蒸汽（体积的1-4％）组成。燃烧时，可以转化例如为能量、氧和二氧化碳。

然而，现有技术的沼气系统具有如下缺点：对于尤其是木质纤维素，例如秸秆等起始材料，其完全不能或几乎不能或者只能以很慢的速度发酵。在传统的沼气设备中，鉴于经济原因，生物质在发酵器中停留的时间有限，因此未能发酵的生物质超过50％以上。其效率低，因此起始材料使用消耗率高，在原料价格高涨时期，经济上非常不利，并危及传统沼气设备的收益。

已经开发的嗜热沼气反应器，可在较高的温度条件下发酵，藉此，难以发酵的物质成分可以较容易被消解以及被甲烷化；但仍残留相当数量未发酵的生物质成分，特别是秸秆生物质，即使在总产率已超过50％碳量的情况下，仍导致最终处置库内形成浮动层。植物生物质包括特别是纤维素、半纤维素和木质素，木质纤维素由木质素层保护，因此，若无进一步的预处理，其不能被发酵或者是仅能以非常缓慢的速度发酵。

近年来开发了许多系统，通过起始材料的捣碎以达到更好的发酵，然而，这些系统能量消耗高，特别是用于机械驱动的耗电量较高，借此所提高的效率相较之下为低，或者是几乎无效率，而且更是远远达不到能够消解木质素的程度。

此外也开发出生物和生化物质方法，以优化沼气设备的发酵代谢过程，通过这些方法可以纠正微生物代谢过程的缺失，借此可以提高产量。但是，上述该些方法并不能改变起始材料木质纤维素发酵不佳的事实，若是原料50％以上为秸秆生物质，例如玉米青贮，则秸秆几乎不可能发酵这一缺失相形严重；使用传统技术，通常仍然会有50％左右宝贵的生物质起始材料未能被发酵，使用秸秆含量高的生物质原料，如马粪，其发酵往往很困难且效率低。

因此，近年来发展出一种使用蒸汽的活化方法，不过，在此的问题是，蒸汽必须直接在沼气设备中形成，亦即代价高昂，然而已经证实，藉由蒸汽消解之后，其甲烷化的整体效率仍不能充分提高；至目前为止，例如含有秸秆的木质纤维素生物质的最完全消解，以及通过该方法以达成生物质原料的更完整发酵，其成果仍然无法令人满意；此外，该方法还应该高效、安全和具有经济效益。

木质素由固体生物聚合物组成，其可以存储于植物细胞壁上，并由此使植物细胞木质化。木质素特别是负责植物的抗压强度，可见于茎、秆和/或外壳中。

木质素的自然生物降解，其发生非常缓慢，在生物学上是一复杂而完整的过程，木质素的降解总是在有氧条件下发生，且能量非常密集，因此不能作为唯一碳源和能源使用，也因此木质素的自然降解不能被生物质发电设备所利用。

木质素的降解技术，特别是在纸浆生产过程中起重要作用，纸浆生产时，必须将木质素从木质纤维素中释放出来，并在过程中除去。纤维素降解和随后的纸浆漂白使用不同方法，约80％的纸浆厂中的消解使用所谓的硫酸盐法，也称为硫酸盐制浆法；纤维素降解的另一种方法是使用亚硫酸盐法，其中木质素的降解以磺化进行之。

德国专利DE 10 2005 030 895 A1描述了一种用于消解存在于分散液中的生物材料的设备，其具有输送该材料的容器，其中一组是由离散的声音发生器引入，尤其是超声波，该设备用于制造碎片，在此，超声波发生器的热能输入量，足使下游侧的发酵在适当温度下得以进行；所描述的该设备一起与发酵器、沼气于热电联产发电厂中使用，说明中提到，为使发酵器内容物充分混合，在高压下从下方注入制备的量体。

德国专利DE 10 201 1 113 646 B3描述了一种用于消解的容器，其用于接收秸秆束并用于供给预热酸/水混合物，其中该供给通过注射装置或者通过底部的筛分组件达成，而该筛分组件可从固体生物质中分离出液态水解物，优选的，该活化于140-160℃下发生，使用无机酸或有机酸，并可降解50％的木质素，而超过75％的半纤维素可被转化为单糖。

德国专利DE 31 38 309 A1描述了一种用于木材和其他木素纤维素物质的消解方法，其使用活在肠道的动物，它们主要被发现存在于白蚁共生现象中。另外描述原生动物和细菌于分离和繁殖后被冻结或被冷冻干燥。

德国专利DE 10 2011 118 067 A1描述了一种活化过程，其中添加了醋酸形成剂，通过所述活化剂促进转化成酸并维持其形式，“酸”在此亦可被理解为乙酸盐，乙酸所成的盐，因为在生物化学过程中大部分会出现阴离子CH₃COO，形成所谓的乙酸盐缓冲液，其利用活乙酸菌以及由糖醇和水制成的悬浮液，其中该悬浮液通常每立方米添加有1升的生物量，替选地，可以添加活酵母；该活化反应发生于pH值低于4时，该设备采用螺旋搅拌器。

德国专利DE 198 58 187 C2描述了一种用于减少可腐化物质的有机部分的方法和设备，其中，第一厌氧消化阶段与热分解，与随后的第二厌氧消化阶段结合，尽管使用了热分解，也只能达成半纤维素的消解，而木质素仍无法被消解，藉此大约只能提高10％左右的能量产率。

利用所有这些已知方法虽然也可以降解木质素，但其成果并不符合经济效益，到目前为止，发酵器内木质素的降解，在技术和经济层面上仍是效果不彰。因此至今为止，含有木质纤维素的植物成分仍然未能被利用而只能成为沼渣（在沼气池中高达生物质的50％）。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种生物质制备的设备和方法，藉此，即使具有非常高含量木质素的生物质，例如谷物秸秆、马粪、树木截枝、沼渣和芒草或C4植物等，皆可以做为起始材料（反应物）使用，而包含在反应物中的有机碳含量可以尽可能完全被转化成富含能量的烃（例如甲烷）。

本发明的目的可进一步通过一种用于生物质制备的方法实现，其包括：

a）提供一难以被消解的生物反应物；

b）提供一用于消解该反应物的试剂，在超过温度T_A时可被活化，而其中T_A > 55℃；以及

c）活化该反应物和该试剂的组合，以消解该反应物。

实施例中该方法还可以包括：

d）提供一用于增加压力或输送体积的装置。

在此，本发明的方法包括组合中的任选步骤，其中该组合由该反应物和该试剂组合而成并用于消解该反应物，其中并在热装置之前或之后，使用一例如泵或压缩机的升压装置，将压力提高至P > P_A。

本发明的方法特别有利于高效生产可发酵生物质组合物，尤其是含木质素反应物的消解，特别是生产所谓沼气，然而本发明并不局限于此。

本发明的方法主要奠基于微生物活化剂的热活化作用，其中该活化剂可消解该反应物（以下也称为用于消解该反应物的试剂），并可藉由升压而提升其消解能力。该活化剂与目前为止所使用的方法具有本质上的差异。

本发明的微生物活化剂中含有约每毫升1000亿颗大量的嗜热嗜压微生物颗粒，特别优选的活化条件为温度介于65至85℃之间；优选为温度介于70至80℃之间，而压力介于2巴至6巴之间。

该活化剂可事先在预混合器内弹性添加于该固体起始材料中；可替选地，该活化剂已经事先加入并在预混合器中混合，而成为起始材料的组成成分；该活化剂例如可加入例如为秸秆的起始材料中，并例如通过一喷嘴装置喷涂之，在这种情况下，该活化剂与起始材料粒子的表面进行接触。

另一种方法则是将该活化剂直接引入混合起始材料的管道中。

以下为二优选微生物组，可单独使用或优选地结合使用：

- 厌氧或好氧微生物，其可分裂和降解生物分子（例如：蛋白质、糖、脂肪、纤维素、核酸），亦即，其例如可消化长链纤维素并将之转化为较短链分子。

- 嗜热微生物，其在高于活化温度时产生剥离作用，例如将木质素层从生物质颗粒中剥离出。

在特别优选的活化剂中，使用三种以上不同类型的微生物，并且优选为组合使用。

- 可分裂和降解生物分子的厌氧微生物，其例如可消化长链纤维素并将之转化为较短链分子；

- 借助氧气和/或氧化剂推动新陈代谢的好氧微生物；

- 高于活化温度时产生剥离作用的嗜热微生物，例如将木质素层从生物质颗粒中剥离出。

一活化剂的实施例中，以微量元素结合上述混合物与微生物。

一活化剂的具体实施例中，以胶凝剂结合上述混合物与微生物。

一进一步活化剂的具体实施例中，以增强放热反应辅助方法结合上述混合物与微生物，该辅助方法随后可用于加热起始材料混合物。

本发明方法优选为TS值介于15至40时进行之，优选为15至30，特别优选为22至30，因为只有在这些值之下才能在秸秆液体混合物中取得一良好的热传导而发生活化效应，并使得整个过程可在合理时间内进行。该TS值取决于所选择起始材料而随之在上述范围内变化。在此，在特别优选的TS值范围内可获得秸秆的最佳热传导；但这并不意味着在其它优选温度范围内，本发明方法不能同样取得最大沼气量，最大沼气量的取得取决于木质素来源或起始材料本身。

TS值（以百分比表示）为每公斤原料或起始材料的干物质量。oTS值为有机干物质量，此处做为TS值的同义词。潮湿原料干物质含量低，干燥原料则含有大量干物质，一原料只有当干物质含量低于300克/千克．鲜重时才可被称为湿物质，对应为TS值30；只有当干物质含量超过500克/千克．鲜重（TS超过50）时才能被称为干燥物质。

TS值由干物质通过称重新鲜材料和随后的干燥确定之。随后，将干燥的样品再次称重，两个测量结果之间的差异在于水的含量，水于燥过程中被蒸发。干物质的量以克/千克．鲜重示之，通常，干物质亦可以百分比表示之，一330克/千克．鲜重的干物质含量与总固体含量百分之三十三是相同的，或者以无量纲量示之TS = 33。

该热活化的发生条件为：超过活化温度T_A以及至少的活化时间Z_A。在此，为消解难以消解之起始材料成分，该实际达到的温度Tt对于最少活化时间Z_A的长短具有决定性的影响。生物学下目前的最低温度Ta = 63℃，但它随后仍然需要几个小时的活化时间；因此，在技术上实际需要的温度为Tt = 70℃ 至 75℃,以在合理短时间内达到活化。令人惊奇的发现为，活化温度并没有被清楚界定或限制，而是可弹性定义之。在此存在一关系：双重超温Tt–Ta可以至少减少一半的活化时间Za；从技术上来说，最低温度Ta下，超出的实际活化时间Zt比最少活化时间Za长。通常热活化可以连带为起始材料消毒。

该例如为秸秆的固体反应物，有利的为在固液混合之前先进行机械粉碎。该起始进料的机械粉碎以及随后与加入的活化剂混合，皆根据本发明方法进行之。任选地，产生一大于100巴的工作压力，优选为大于2巴或大于3巴，以抑制气体的产生并增加气体溶解度。增加压力并非绝对必要，但在大气压力下往往伴随C0₂和NH₃的出现和逸出。因此本发明的特征为，特别是在加热区域范围内使用抗压封闭式设备。该固体输入料当然是开放的，在此，技术上通常利用漏斗将例如为秸秆倒入一固体输入料装置，然而，该固体输入料相对该加热区或该些加热区而言为流体密封和压力密封，压力下降仅发生于热活化之后，特别是在发酵器内由于管端离开时管的摩擦损失所引起的压力下降。

在进一步的实施例中，本发明方法如下：

制备时，首先提供一种主要由富含木质素的有机干物质生物质组成的混合物，优选地，将该混合物加热到20℃至30℃，任选地，可预先使其与所述活化剂接触，例如，通过喷洒等方式接触。

该混合干物质被压缩成固体进料，并与一引入的流动流体混合，该混合方法可以使用福格申(VOGELSANG)的干式进料系统(EnergyJet)，或者使用其他本领域技术人员已知的混合器。

将该输入的流动流体预热至约80℃，优选为通过逐步升温方式于循环系统中伴随热回收达成该预热。

本发明方法进一步实施例的循环设备中，所述方法可以周期方式进行（见图5）。

在周期A中，将液体进料输送到循环系统中，其中该循环阀（41）关闭，而该流入阀（43）和该计量阀（42）打开；此外，该增压泵和循环泵同时动作；该预热进料流入进料混合器（9）中，并在此和该固体进料进行搅拌混合；在每一周期中，同样的静压推力输送该混合进料，通过该具热活化作用的热交换器（23）以及该回热器（21），直至发酵器中。在此任选地，若为降压所需，可安装多个输送设备。

在周期B内，该流入阀（43）关闭，该循环阀（41）打开，而该计量阀（42）关闭，因此，整个循环管路处于一工作压力下，而该液体进料则通过该循环中的循环泵被输送，直到获得所需的预热温度；然后，再次进入周期A。

此时一部分在进料混合器中产生的混合物已经达到约70℃混合温度，并进一步加热至80℃，以尽量超越生物制备的所有物质元素的活化温度，并如上所述使用例如由发动机冷却水加热的回热式热交换器。

任选地，接着进行生物质制备的冷却。为了避免发酵器过热，通常例如于一回热器中进行冷却。

从木质纤维素生物质产生的生物质组合物，接着即可在生物提炼厂或在沼气设备中，作为具有非常高品质的起始进料使用。

微生物活化于回热式热交换器中以及其后发生。本发明的活化起初导致木质素的微生物分离，然后导致木质素的微生物消解，即使当温度以及压力再次下降时，该消解反应还是可以再次发生进行，直至停留并发生于随后的发酵器中。因此，该活化仅须在优选的几秒的最短时间内进行，而木质素的微生物分解即可以随后继续自行发生进行。因为木质素的消解，相应产生更多可利用的生物质能源材料，例如生物甲烷。

此外，依据本发明的起始原料的捣碎与活化，对于混合器，分离器等辅助设备而言，其所需的电能显着减少，所以整体来说，可以在有利条件下以极少的额外电能来进行木质素的消解，因此本发明极具经济效益与环境保护效果。

本发明的目的是通过一种于实施本发明方法时所使用的设备而得以进一步实现，其中该方法用于产生生物质制备，其包括：

- 一装置，用于引入一难以消解的生物反应物（起始进料）；

- 一具有一试剂的装置，用于消解该反应物，温度超过T_A时进行活化，其中T_A > 55℃；以及

该用于引入生物反应物的装置，可将难以消解的生物反应物转化成例如液体、糊状和/或固体。

该设备还可以包括：

- 一用于增加压力或输送体积的装置。

该用于增加压力或输送体积的装置，可包括例如一个泵和/或压缩机。

在进一步的实施例中，根据本发明用于生物质制备的设备包括：

a）一装置，用于引入难以消解的生物反应物（一或多个），特别是具富含木质素的反应物；

b）一装置，用于添加并混合一试剂（催化剂/活化剂），以消解该反应物，其中该活化剂在温度超过T_A可被启用，其中T_A > 55℃，任选地，附加条件为压力P > P_A，其中P_A > 1.3巴；

c）一装置，在压力P > P_A时，将温度提高至T > T_A，以活化反应物与活化剂的组合/混合物；

d）一装置，用于增加压力或输送体积，特别是一个泵和/或压缩机，优选为设置于输送方向上活化装置之前。

根据本发明的设备可以处理难以消解、尤其是含有木质素的起始进料，藉由大部分木质素的消解，可实现高品质的生物制备，非常适合于生物提炼或沼气设备使用。

所述活化剂包括一微生物混合物，优选为加入一液体，并且可选择地弹性补充营养素和关键物质。

根据本发明的微生物催化剂/活化剂中含有大量嗜热嗜压微生物（超过10⁸个/毫升，优选为10¹⁰至10¹²个/毫升），特别优选的活化条件为温度介于65至85℃，而压力介于2巴至6巴；该活化剂由微生物混合物组成，优选为加入液体中。

所述活化剂是例如含有每毫升超过一百万个颗粒的悬浮液，优选为每毫升超过十亿个颗粒，优选为包括嗜氧和厌氧嗜热微生物，这些微生物的一部分用于形成溶剂，亦即生物体于原料颗粒的表面上局部地形成溶解，该溶剂可攻击之前难以消解的表层且可溶解木质素层，所以，可以形成溶剂的微生物的存在是必要的，优选为形成溶剂的微生物为该热活化微生物的组分。另外在此必须说明的是，“形成可活化溶剂”与本发明没有使用的“直接加入溶剂”是不同的，可活化溶剂的形成通过根据本发明的微生物而实现，即藉由原生物（古菌）、细菌和/或真菌而实现；在此，必须说明的是，活化后形成于生物质界面的溶剂与一般在其它技术中所使用的溶剂是不同的；在此，活化后由微生物形成的溶剂导致例如最初只剥离木质素层而非溶解木质素，剥离后，该木质素层断片再由微生物溶解或消解成短链碳化合物。

所述反应物可以以固体、糊状或液体等形式形成并引入，以使几乎所有可能的生物质，例如秸秆、植物的茎、木屑、动物粪便以及屠宰场废弃物等皆可以被消解。

根据本发明的装置可以包括一使反应物与活化剂接触的装置，例如一混合腔，然而，在进一步的实施例中，该反应物于被导入本发明装置之前已经与活化剂接触，例如将液体活化剂喷涂于反应物上。

根据本发明用于热活化的装置，包括一用于将该反应物以及将该生物质制备的温度调至活化温度以上T > T_A的装置，优选为使用热交换器，例如使用附近热电联产发动机的热能进行加热。加热混合活化剂的反应物做为活化的开端，优选地，藉由提升压力加强该活化，其中该压力高于活化压力P > P_A。在特定的实施中，温度的增加也可通过内部化学热源达成，例如通过正在进行的放热反应、通过电加热或是通过电磁波或电磁噪声的辐射热等。进一步其他替选方案，将以参照附图的方式进行更详细的说明。

本发明设备的进一步实施例还包括一反应物混合装置，其设计方式如下：将具有固体、糊状或液体等不同状态的各种不同进料预先混合，例如使用固体预混合装置或是使用固液进料混合器。

在一些实施例中，本发明设备具有一热回收装置，使得本发明设备可以以特别高效、节能的方式操作；在这种情况下，优选地，从消解物得取的热能可传递到至少一进料，以提高其温度。

本发明设备的各种实施例，可以被描述为一个由生物、机械和/或热作用共同组成的设备：

- 一生物作用装置，其用于测量微生物活化物质（活化剂）剂量，在高于某一最低温度时，它可以攻击木质素层；

- 一机械作用装置，其用于引入难以消解的起始进料（反应物），混合活化剂，并由此达到一定的压力水平；以及

- 一热作用装置，其用于将温度调至高于活化温度，从而达到活化剂的活化作用以及开始木质素的微生物消解过程。

在一进一步的实施例中，本发明设备可以包括以下组件：

- 一用于制备生物质混合物的装置，例如，固液输入系统、预发酵器以及水解或崩解步骤，其中，在输出时提供一木质纤维素生物质的质量流；

- 一用于活化剂计量供给的装置，只有当压力、温度、营养素浓度以及时间在或达到活化条件下，该活化剂才被活化；

- 一装置，用于调整例如压力为4巴，并用于例如泵或压缩机的输送。

- 一装置，用于调整例如热交换器或加热器或内部生化热释放的介质温度。

本发明设备可进一步包括二加热系统，即一预热器和一回热器，其中该预热器将液体原料加热至一预混合温度Tv；该已预热的液体进料与一固定的原料制备进行混合，该固定的原料制备优选为做成碎片状，例如切碎或磨碎的秸秆；所得混合温度是T_M；该混合原料在混合前或混合后加入活化剂，随后以一再热器将温度加热至T > T_A；使得活化剂开始活化，然后开始木质素的微生物分离，再然后开始木质素的微生物消解。

本发明设备可进一步包括两个泵系统，用于增加压力与输送体积，即第一泵系统用以构建一工作压力，而第二泵系统则用以产生一循环流，该循环流优选为使液体进料流过该预加热器。

本发明设备可进一步包括三个热交换系统，其中至少两个为泵以及一个用于提供分离液的分离器或者一个用于固体生物质混入流体或液体生物质的输入系统。

优选地，三个热交换器系统被设计为，每一热交换器系统皆可输出50千瓦的热量，额定热输入则为500千瓦。第一热交换器做为预加热器，可将被回热式热交换器预热至约50℃的分离液，于循环模式下加热至80℃，该流体以约4至10巴的高压流经循环泵。第二热交换器做为再热器，其将生物质/活化剂的的混合物再次加热至超过70℃，优选为80℃，使其能开始消解该木质素。第三热交换器做为回热式热交换器，其用于热回收并将热能传递至例如在逆流下从本发明已消解的生物质制备所产生的热能传递至所提供的分离液、该液体原料成分，此点对于热输入能否被局限在发酵器内而言非常重要；优选地，该些热交换器被设计为管壳式换热器，在连通的内管内分别流动着粘度较高的流体，外管优选使用卷曲形式，并具有两个做为入口和出口的凸缘；总热损耗约为额定热输入的6％至20％；该热能可以例如通过一热电联供的发动机冷却水再生式提供。

具有较高干物质含量的原料，其压力的产生与原料的输送，从技术观点而言是困难的，特别是在超过60℃的高温条件下，因此，在一个特别优选的实施例中，本发明设备使用一加压泵，其可将一T < 50℃的低温流体原料压缩成一具有例如为4至6巴的预压Pv，然后才进行流体原料的加热；藉由工作压力的增加防止了气体的释出，该工作压力被用来作为主要驱动力，使该体量可以移动经过管道、混合器、阀门和换热器等。

该原料流体的预热由另外的热交换器进行之，藉此，可能在没有流体渗入进料混合器的干扰输送下，吸收该流体的热量。特别优选地，具有一由额外循环流通泵驱动的循环流通加热回路，其具有回路压力Pk，该泵浦输送压力为从Pkr至Pkv，加热回路中该压力下降经由管道、歧管、阀门、热交换器等而达成。

流体输入进料混合器的入口由至少一阀门Ve关闭，该阀门可在开口做变化，该循环流通回路同样也具有一阀门Vk，其开通或关闭该回路；第一位置为封闭循环阀Vk以及开放进料阀Ve，以带入该循环回路；第二位置为循环流通位置，开放循环阀Vk以及封闭进料阀Ve；以上两者之间的混合位置是可能的，并且有时是有利的。

本发明的进一步发展，还包括一用于固体进料的混合器，其任选地具有一活化剂以及流体输入料，优选为先预热之。该进料混合器包括一具有电机驱动的压缩路径，其可形成由原料组成的液密性插塞，并不断复制，其以在进料混合器中混入固体原料的方式进行之。该连续形成且持续消耗的插塞效果，可对在压力下输入的液体原料以及对该混合原料被热活化的活化区域产生压力密封效果。

在本发明一特定发展中，通过一种新颖的控制技术可保证该插塞的气密性。习用技术以调整加压泵的转数做为控制手段，令人惊讶的是，藉此并无法保证可以防止液体渗入反输送向；根据本发明在流体进料输入处配置有一做为调节的控制阀，安全起见并任选地，串联连接一关闭推块，如果进料混合器的密封性不再，可藉此迅速降低该流量；藉由其作动该进料混合器自动生成一持续消耗的进料插塞，其具有密封性能，当材料体量压实的程度较高时，则该密封性能较优，使得流体通道不存在。

本发明设备的进一步发展，包括一用于干燥原料的胶凝剂。在一原料密封性不良的测试情况下，具有如下令人惊讶的结果，于预混合器内固体进料混合物添加胶凝剂，会对进料混合器本身造成影响，亦即本身会形成特殊压力密封式插塞。因此本实施例包括一具有胶凝剂输入装置的进料混合器，适用的胶凝剂例如甲壳素制剂、壳聚糖制剂、油或果冻状制剂，特别是那些在温度升高时为液体，并在温度低于60℃为果冻状的胶凝剂，所添加的量可导致流体通道插塞封闭，在操作期间该插塞不断消耗掉而材料被继续加入混合，因此必须不断增加新的胶凝剂。

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

附图说明:

图1是根据本发明设备的示意图;

图2是根据本发明设备一实施例，其中该设备具有一用于固体原料的进料混合器;

图3是根据本发明设备一实施例，其中该设备具有一用于固体和液体原料的进料混合器;

图4是根据本发明设备一实施例，其中该设备具有一用于热回收的装置;以及

图5是根据本发明设备另一实施例示意图;

图6是使用本发明方法以及使用现有技术方法获得沼气量比较图。

附图标记说明

1 最终处置库容器 2 分离器 3 分离器流体容器 4 除离器 5 沉淀器 6 仿生学HAT罐 7 仿生学LT罐 8 固体混合器 9 固体输入料 21 回热器 - 热交换器 22 预热器 - 热交换器 23 再热器 - 热交换器 31 高压泵4巴，20-50℃ 32 循环泵1巴，70-90℃ 41 预热器回路中的循环阀 42 用于固体输入料的计量阀 43 用于预热器的流入阀 44 分离器流体中预热器的溢流阀 45 除离器的排放阀 51 除离器材料 - 固体沼渣 52 分离器流体TS04，低温低黏度 53 在外壳加热分离器流体

54 分离器流体通过流入阀，50℃ 55 分离器流体TS04在预热器回路，80℃ 56 E-Mix，固体原料加入后，< 70℃ 57 E-Mix TS12，加热后，80℃ 58 E-Mix TS12，冷却至55℃，往发酵器 91 发动机冷却水加热该预热器22 92 发动机冷却水加热该再热器23 93 必要时发动机冷却水加热分离器流体3 94 发动机冷却水加热仿生学HT罐6 95 必要时发动机冷却水加热固体输入料

该BMT系统的操作方式优选为周期性操作。

A、 导入周期，以及来自循环的喷出物加入混合中

循环中的加热周期，以及在热交换器23中再加热，和在WT21中冷却；然后再次执行A周期。 具体实施方式:

图1示出,不同的原料（50、51-55）被放入制备装置61-62进行制备，该些制备装置61-62可以例如为固-液进料混合器，如干式进料系统（EnergyJet），例如为液-液进料混合器、预发酵器、水解步骤、热粉碎机或分离装置等等；一般来说，本发明设备被提供有可泵送、可流动和导热性的生物质材料（1），该材料含有在经济层面上有意思但却难以被消解的木质纤维素生物质（在传统系统中，高达60％的秸秆原料在相关经济效益设备与停留时间内，不能被消解）。典型的生物质材料（1）中，其有机物质的30％至80％为木质纤维素生物质。为了能消解以前无法消解的木质素并从而使如CH₄（甲烷）能源进一步被释放，添加一活化剂，然后将其活化，基本上该添加动作可以在制备阶段（61-62）先行进行，且必须在活化阶段（21）之前进行。整个活化装置由多个组件（41、31、21等）组成，并藉此建立适当的活化条件，在此活化剂（42）的添加形成所述的生物条件（加入嗜热活化作用微生物，必要时加以补充如微量元素等的辅助材料，其中该嗜热活化作用微生物可以生成局部剥离木质素生物质的生化物质）。活化剂的添加通过计量系统进行，所给予剂量通常为0.1至10升/每吨总生物量。该计量系统（41）为任选，设计成在最高活化压力下（例如4巴）也能够计量供给；计量供给后，生物质与活化剂混合并接触，该动作例如通过一固液输入系统的混合（例如干式进料系统EnergyJet）或是一流体泵（例如旋转泵）的混合而实现；除了混合外，也可以在该输送组件（31）上增加压力，使其高于活化压力Pa，并将其温度上升至高于活化温度Ta，为升高温度可使用一加热组件（21）（选自：热交换器、加热筒或是添加剂的放热反应所形成的内部反应热源等）。活化后（活化最后开始于活化装置21中）最初发生木质纤维素生物质剥离现象，然后木质纤维素生物质逐渐溶出，其中，通常难以被消解的生物质转化成可发酵的混合物，特别是短链的碳化合物。

图2示出根据本发明设备，其中该设备具有一进料混合器，本文中标记为（9），该混合器用于产生实际活化系统的起始进料（1），我们还看到，所述泵（31）的位置被放置在流体回路中，重要的是，压力大小根据该混合器（9）而决定，以及在热活化装置（21）中必须符合P > Pa和T > Ta。随后，须被活化的起始进料在此标记为（58）。

将活化剂（42）加入该进料流中，任选地，加入进料混合物（50-55）中或加入由其所形成的进料混合（1）中。将该起始进料（1）带至压力P > Pa，温度T>Ta，藉此使得活化开始以及活化剂（42）的微生物组分开始变得活跃。活化后，形成一反应路径，在此温度已经可以再次被降低，但非必要；温度的降低可以例如通过回热式热交换器而任选地运用，以将发酵器的增温限制在随后的发酵器之内。在嗜热微生物发酵器中可以例如在活化后不需进行冷却动作。在一特别优选的方案中，为形成进料混合（1）使用了一部分的固体沼渣，优选为从最终处置库取出，这些固体沼渣例如通过一分离装置（过滤器、分离器等）而分离，并被带至进料混合器，在混合器中再与秸秆混合。另一特别优选的实施例中，使用一部分液体沼渣或发酵器内容物，其有机干物质含量通常低于10％，优选低于6％，最优选低于4％，以将该流体含量分别加热、压缩，并供给活化剂；接着，将该干固体原料置入一合适的混合装置中，例如福格申(VOGELSANG)的干式进料系统（EnergyJet），并混合之，由此形成的进料混合物，因为已添加活化剂并已经过混合动作，变成具备活化能力；而该预压力也可以利用来做为至少部分的活化压力；另外该混合后的前置温度Tv，对于进一步加热以超过活化温度Ta而言是一个很好的起始温度；在特殊情况下，该混合器前置温度Tv甚至已经达到活化温度Ta；一般而言，切换至进一步的加热路径（21），使其超过温度Ta，加热方式如下：通过发动机冷却水的热交换，通过电加热器的多余电力，或是通过内含的放热试剂。

特别优选为进一步，将该有机干物质（oTS）含量低的流体引入一例如为热交换器回路的预热装置内，并将压力提升至压力Pv，其高于活化压力Pa；为此，使用一增压步骤（31），并任选地再使用另一流通循环装置（32）。活化剂（42）的添加可选择地在进料混合器之前（流体侧或固体侧，以利其混合效果）或在进料混合器之后（但之后与后来的活化剂混合器结合成为（41）的一部分）进行，然而任何情况下都必须是在热作用活化装置（21）之前；该活化剂（42或70）的添加也可以在混合器（9）之后进行，但这并非有利，因为需另外设置一活化剂混合器（41）；优选地，该活化剂（42）的添加在进料混合器（9）之前，或是于图2所示系统（61-62）中，如此一来，该进料混合器的混合作用才得以使活化剂（42或70）充分被混合。

图3示出了本发明设备的进一步实施例，在此本设备包括一用于混合固体和液体原料的装置。混合器（9）之后，可用起始进料（1）为活化做准备，流体原料（53）的预热通过一例如为热交换器或加热组件的热路径（22）进行，任选地，该路径通过带有输送装置（32）的循环回路被延伸。该活化压力优选为以一增压步骤或输送装置（31）形成，该加热路径（21）可以确保起始进料所有温度皆可到达至少T > Ta。该已活化的起始进料（58或2）进入反应路径中，在其中该剥离的木质素被微生物溶解或消解掉。任选地，在此或之后，已活化原料的温度被降低。图3示出另一特定泵组件，在此该输送装置（31）已经产生较高的工作压力，该输送装置（31）可在流体起始进料（53）包含热路径（22）的预热器回路中，特别做为热交换器使用，并可例如以发动机的热量加热之。

作为加热路径（21和/或22）实施例的热交换器也可以使用电加热器或形成加热的生化反应组分代替之，至关重要的是，在该些加热路径中必须满足一热条件T > Ta，且必须将时间维持在Z > Za。

热交换器的使用可以在以下情形中被省略，当混合活化剂后该起使进料混合物拥有一可输送浓度，例如通过与流体混合方式，并在之前或之后因特殊的热释放而使其实际温度Tt高于活化温度Ta，且在至少时间Za内至少保持在该温度上；该特殊的热释放可以例如通过放热反应实现，例如可以通过使用氧化剂或其它反应剂达成；氧气的渗入，例如发生于从大气中输入固体原料时同时被带入，有可能成为可以形成反应的额外辅助方式。

图4示出根据图3中详细描述的设备的另一变化形式，该设备的变化形式在此另具有一热回收装置（回热式热交换器）。活化后，起始进料混合物最初具有一高于Ta的温度，从而输送很多比热，这些热可以例如被释放出来，以预热该起始进料液体，在此所形成的现象是热回收，其可降低设备的热能消耗。此外，该热输入在该发酵器中被降减，优选的温度，例如回热式热交换器之后为55°C，与图3所示的实施例相比，图4所示的设备具有一回热式热交换器（23），其用于从已活化的起始进料（58）中回收热量，该回收的热量可以例如被用来预热流体起始进料（53）。在一进一步的实施例中，该回热式热交换器（23）也可加热一简单的冷却器。

图5示出根据本发明设备的示意性结构。在该特定实施例中，特别是在固体输入料（9）装置中，因木质纤维素生物质与活化流体以及与回收材料的活化与混合作用，所引起的切碎秸秆的浮动，可有利地避免之。

避免导热至该秸秆与水混合物的解决方式如下： 首先经由一分离器（2）将一粘性低的流体分离出来，使其适于被泵送，该流体在回热式热交换器（21）中预热，并在预热器回路中藉由预热器热交换器（22）加热至约70℃至80℃。热能来源例如发动机冷却水。

在循环流通或周期性过程中，所述阀（41）关闭，通过计量阀（42）从预热器回路中除去必需的回收量/分离器流体，并以例如6巴压力加压于已准备好的有机质量体。

该木质纤维素生物质必须根据本发明，以至少几秒的时间，将温度加热至优选为75℃，更优选至85℃。

固体输入料之后，该生物质与活化剂的混合物可以立刻拥有70°C的混合温度，随后，在回热式热交换器中再度被加热至约80℃，藉此该微生物反应被触发，木质素开始裂解。

裂解后，任选地冷却该混合物，例如通过逆流热交换。在此该混合物温度下降至低于60℃，并被输送到发酵器中；该生物质组合物开始进行发酵，此时，先前保护木质素的生物质组分被消解，并转化成沼气，然后可以在一热电厂中被转化并由此提供根据本发明设备所需要的能量，藉此形成一封闭的能量循环。

这意味着，依据起始进料（例如秸秆）的不同，与现有技术方法相比，本发明可以达到三倍收益（高达600 Nm3/吨 (有机干物质)）。

实施例

（该附图标记适用于图5）

例一

随着现有工厂的动力改建，最终处置库开始拥有高固体原料成分，从最终处置库（1）将发酵残余物除去，并将之导入分离器（2），藉此分离出，例如25％oTS固体成分（51），以及4％oTS的流体成分（52），该分离器分出的液体被暂时存储在分离器的流体容器（3）中，必要时并为防霜而加热之。

该固体成分（51）也被暂时存储并在必要时被输送至固体混合器（8）入口侧，做为与输入材料混合之用。通过一个产生压力的泵（31）从储存容器（3）将该4％oTS流体成分（52）吸出，并以高达5巴的供应压力压缩之。

该低粘度和化学碱性的分离器流体（53）伴随着少许压降，流通经过一热交换器（21），在此其热量被一加热逆流（57）吸收，该逆流以加热完毕且已活化的进料混合物形式朝发酵器（58）方向输送。

该已预热的分离器流体流入混合室（82）被压缩并以该方式在循环流通（55）中产生高达4巴的系统压力。该流入仅于阀门（43）开放时可行，任选地，可在预加热器的循环回路（55）中建立一包括除离器（4）的缓冲存储器，其具有一可再填充的存储组件。

该循环回路（55）由一循环泵（32）驱动，该循环泵的设计不以压力为要求，而是特别着重耐腐蚀和耐高温。压力差为在循环回路中通过热交换器（22）和混合腔（82、83、84）的压力损失而形成。

该预加热器（8）被设计为一管式热交换器，通过沼气热电联产取得的发动机冷却水在逆流中加热，因此，该加热为百分百使用可再生能源的加热。

该循环流经过一混合腔（84）出口，在该混合腔出口上该流体被缩减，使得计量阀（42）上形成回压作用；当发动机阀（42）打开时，已加热的分离器流体（55）以约80℃或更高的温度流入固体输入料（9）。

于进入固体输入料（9）途中，一射流喷射于该活化剂（仿生学流体），该射流出自储罐（6）和为纯净热水，并进入腔室（81）内。

该进料输入由一固体混合器（8）产生，其依据需求将新鲜生物质与从分离器（2）中取得的回收材料（51）以及切碎秸秆进行混合，并添加一功能上非常重要的生物成分 - 活化剂，该活化剂取自一储罐（7）；在此该进料也被粉碎至小于30mm颗粒大小/长度，优选为约10毫米。

该预混合进料在固体输入料（9）中，被压缩，并与从腔室（81）流出的已预热分离器流体均匀混合，在此，优选地，该分离器流体占有较高的比例并具有较高的比热，其形成具有例如混合温度约70℃以下的生物质制备（56），该生物质制备（56）已加入活化剂但尚未开始完全活化，并将进一步被加热直至被活化，然后在回热式热交换器中略微冷却，从此开始将进入生产沼气的发酵器中，该产出的沼气将被导出、收集并用于一热电联产单元，藉此，又将该从生物气体燃烧所得热能，通过例如热水管道提供上述活化过程以及随后预混合步骤所需热能。

例二

在连续操作中，该根据本发明系统取得的生物质制备在发酵器中几乎是完全可利用及可回收的；藉此，经过数月，在最终处置库（1）中该有机固体含量（TS或o（=有机）TS）降至低于4％，此时已不再需要分离器（2），该最终处置库液体可直接当作液体原料（52）使用。

例三

作为起始进料，主要应该使用例如干秸秆，原因如下，因为干秸秆是大型农业营运下产生的垃圾废物，在这种情况下，秸秆必须切碎；秸秆TS含量约超过85％，为了后续处理必须加入例如为发酵液的液体混合之，然而，这会使矿物质含量越来越高，随后，水被加入该进料制备并与之混合，以使发酵器与最终处置库中的矿物质浓度不会长期太高。

例四

如鸡粪作为起始进料，则酸铵太多，须从计量容器（5）取出一沉淀剂加入除离器（4）中，以将酸铵肥料从加热循环流体（55）中沉淀出来，另外金属离子和其他成分也可以藉此从预热器回路中沉淀出来。

例五

该生物质流体回路应当被冲洗，为此，打开该流入阀（43）而关闭该循环阀（41），该计量阀（42）被打开而该固体输入料在必要时或在泄漏时可被桥接至他处（未示出），然后将由泵（31）、（32）输送的流体流通经过所有热交换器并清除之；回热式热交换器（21）之后，该流体可以再次被泵送入容器（3）（未示出）。

例六

对于总干物质具有20％以上高木质素含量的生物质而言，需要在高温下使用特别强的活化，首先该计量阀（42）被关闭而该分离器流体（55）循环地流通经过所述热交换器（22），并升温至85％，因此，只输入小量固体原料，并在E-Mix（56）中形成一升高的混合温度，并经过随后再热器（23）进一步升温，必要时，该回热式热交换器（21）也可以切换至加热模式，以提升所述流体（57）的进一步活化。

图6示出沼气（甲烷60％、二氧化碳37％、水3％）生产成果，该沼气来自稀浆液（所谓的分离器液体或分离器流体（55），见上述）与小麦秸秆（以不同尺寸切碎）的混合物，于TS值约25条件下，在不同温度下以四比一的混合比例混合；根据本发明的方法（G9-S3、G11-S4、G17-S7、G19-S8），与没有使用活化装置21的现有技术方法（G5-S1、G7-S2、G13-S5、G15-S6）相比较，本发明所获得沼气量显着为高，其中，获得最多沼气是在温度63℃时（G19-S8）；该方法是在一根据图5所示设备60中进行，其中，如上所述，现有技术方法中的设备没有使用活化装置21。