[发明专利]用于固体生物质的分离和处理的设备

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及在2002年7月16日授予Wingerson并且名称为“处理木质 素纤维素生物质以制备纤维素的方法(Method of Treating Lignocellulosic Biomass to Produce Cellulose)”的美国专利6,419,788，并且还涉及在2003 年9月16日授予Wingerson并且名称为“由木质素纤维素生物质生产纤维 (Cellulose Production from Lignocellulosic Biomass)”的美国专利6,620,292， 对于所有目的，将两个专利的全部内容通过引用而结合在此。

发明背景

天然纤维素原料典型地称为“生物质”。已经将许多类型的生物质，包 括木材、纸张、农业残余物、草本作物和源自作物的市政和工业固体废物， 认作用于宽范围的物品的制造的原料。这些生物质材料主要由与少量的提 出物、果胶、蛋白质和灰分一起结合在复杂凝胶结构中的纤维素、半纤维 素和木质素组成。由于生物质材料的复杂的化学结构，在没有在预先处理 的情况下，微生物和酶不能有效地攻击纤维素，因为纤维素对于酶或细菌 是高度难以接近的。此难以接近性可以由以下所示例：牛尽管可以消化来 自例如草的材料，但是它们不能消化木材，原因在于其高的木质素含量。 生物质作为化学原料的成功商业使用取决于纤维素与其它成分的分离。

从纤维素生产糖和其它产物的可能性已经引起了大量的关注。此关注 是由于：大量的纤维素原料的可用性；使废弃纤维素材料的燃烧或填埋最 小化的需要；和糖和纤维素作为取代油基产品的原料的有用性。其它的生 物质成分也具有潜在的市场价值。

纤维素与其它生物质成分的分离是困难的，部分地是因为木质素纤维 素生物质的化学结构是如此复杂的。例如参见，1989年由G.W.Glasser 和S.Sarkanen编辑、美国化学会出版的ACS专题系列397，“木质素性质 和材料(Lignin Properties and Materials)”，其包括这样的陈述：“木材的真胞 间层中的木质素是包含以不同方式连接在一起的苯基丙烷单体的无规三 维网状聚合物。在次生壁中的木质素是非无规两维网状聚合物。构成这些 网络的单体和键的化学结构在不同的形貌区域(胞间层对次生壁)、不同类 型的细胞(导管对纤维)和不同类型的木材(软木对硬木)方面不同。当使木材 脱木质素时，使得可溶的大分子的性质反映了从网络得到大分子的网络的 性质”。纤维素与其它生物质成分的分离进一步由以下事实所复杂化：木 质素是以不同的方式与作为糖的聚合物的纤维素和半纤维素纠缠和连接 的。因而需要将固体生物质(例如木质素纤维素生物质)分离为它的构成组 分并且处理该组分从而制得有用产物的系统和方法。这些和其它的需要由 本发明所解决。

发明概述

本发明的实施方案包括一种用于分离固体生物质的组分的设备。该设 备包括由机筒单元容纳的螺纹轴，其中所述螺纹轴沿该轴的长度具有许多 通过动态活塞段(dynamic plug segment)相互分离的反应区段(zone segments)。轴的螺纹可以在反应区段中具有第一螺距，而在动态活塞段中 具有小于第一螺距的第二螺距。该设备还可以包括连接到螺纹轴的第一末 端的用于旋转该轴的电动机，以及连接在与第一末端相对的轴的第二末端 的出口，其中当电动机旋转轴时，固体原料在从轴的第一末端至第二末端 的方向上移动。固体原料的一种或多种组分通过出口离开该设备。该设备 还可以进一步具有：用于对螺纹轴供给固体原料的进料器，其中来自进料 器的固体原料首先在最接近轴的第一末端的第一反应区段接触螺纹轴；和 用于对螺纹轴提供漂洗流体的泵，其中该漂洗流体在固体原料的相反方向 上沿轴流动。

本发明的实施方案还可以包括一种用于处理固体原料的设备。该设备 可以包括具有第一末端和与第一末端相反的第二末端的螺纹轴，其中将电 动机连接到第一末端以旋转该轴，并且将出口连接到第二末端，以及当电 动机旋转该轴时，固体原料在从轴的第一末端至第二末端的方向上移动。 固体原料的一种或多种组分通过出口离开该设备。该设备还可以包括：用 于对螺纹轴供给固体原料的入口、用于对螺纹轴提供漂洗流体的泵，其中 该漂洗流体在固体原料的相反方向上沿轴流动。该设备可以进一步包括动 态过滤器，以捕获来自离开轴的部分漂洗流体的颗粒，并且将该颗粒返回 螺纹轴。