[发明专利]用于对木质纤维素生物质进行水热预处理的方法和装置

说明书

技术领域

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。