分散原料和加工物料的製作方法

2023-09-20 08:49:00

專利名稱：分散原料和加工物料的製作方法
分散原料和加工物料背景纖維素和木質纖維素材料在眾多應用中以巨大的量產生、加工和使用。這類物料經常使用一次，並且隨後作為廢物丟棄，或者簡單地被認為是廢料，例如，汙水、蔗渣、鋸屑和秸杆。各種纖維素和木質纖維素材料、其用途和應用已經在美國專利No. 7，307, 108、7, 074, 918,6, 448, 307,6, 258, 876,6, 207，729,5, 973, 035 和 5,952，105 以及許多專利申請中描述，包括 2006 年 3 月 23 日提交的 PCT/US2006/010648 「FIBROUS MATERIALS ANDCOMPOSITES(纖維物料和複合材料)」和美國專利申請公開No. 2007/00454564 「FIBROUSMATERIALS AND COMPOSITES (纖維物料和複合材料)」。概述
本文中公開了這樣的工藝，其通過將物料(如纖維素或木質纖維素原料)的纖維素部分轉化成低分子量糖而用於糖化或液化該物料，例如使用酶。本發明還涉及將原料轉化成產物，例如，通過發酵。所述工藝包括使用分散系統來將纖維狀和/或顆粒狀原料分散於液體介質中。本文中公開的工藝可以使用低堆密度物料，例如纖維素或木質纖維素原料，所述物料已經物理地經預處理以具有小於約0. 75g/cm3的堆密度，例如，小於約0. 7,0. 65,0. 60、0. 50,0. 35,0. 25,0. 20,0. 15,0. 10,0. 05 或更小，例如，小於 0. 025g/cm3。這類物料可以是特別難以分散於液體中，例如，水或用於糖化、發酵或其他加工的溶劑體系。歸因於它們的低堆密度，這些物料傾向於漂浮在液體的表面上而非被潤溼並分散於液體中。在一些情況下，這些物料可以是疏水性的、高度結晶的，或否則難以潤溼的。同時，需要在固形物水平相對高的分散體中加工原料，以便在加工後獲得糖在糖化物料中的高終濃度或高濃度所需產物(例如，發酵後的高濃度乙醇或其他醇類)。在一些情況下，使用本文所述的方法，在加工期間分散體的固形物水平可以例如是以重量計至少10、15、20、22. 5,25,27. 5、30、35、40、45%或甚至至少50%溶解的固形物。例如，固形物水平可以是約10 至 50%，例如，約 10-40%、10-30% 或 10-20%o發明人已經發現，可以通過在添加原料期間使用某種設備增強添加至液體的原料的初始分散。本文所述的設備允許原料或其他固體或液體(例如，養分)快速和容易地分散於液體內，從而允許將大量原料高效添加至液體。原料的這種高效分散有助於減少液化時間並因此有助於高通量，並且促進高固形物水平混合物的產生。在一個方面，本發明的特徵在於一種方法，所述方法包括將容器中的生物質原料糖化，所述生物質原料已經使用分散系統而分散於液體介質中，所述分散系統包括腔室和在所述腔室內部的轉動件，所述轉動件將所述原料和液體介質軸向地抽入所述腔室內並且將所述原料在所述介質中的分散體從所述腔室徑向地排出。一些實施方式包括一個或多個以下特徵原料可以具有例如小於約0. 5g/cm3的堆密度。液體介質可以包括水。該方法可以進一步包括將糖化劑(例如酶)輸送至容器。轉動件可以作為葉輪發揮作用，並且轉動件在腔室內部的作用可以是起離心泵作用。該方法可以進一步包括在糖化期間用射流混合器混合。轉動件可以包括與轉子同軸設置的混合部件，所述轉子以轉子-定子關係與所述腔室的側壁布置。所述分散系統可以進一步包括射流混合器。該方法可以進一步包括將所述原料和/或糖化劑從一個源輸送至所述容器，所述源布置於該容器外部，例如位於所述容器上方或與其相鄰，或與所述容器相隔一定距離並且通過管道與其連通。輸送原料可以包括將該原料吹到容器中液體介質的表面上。該方法可以進一步包括將液體介質流從分散系統的腔室輸送到在所述液體介質表面上的原料上面，以潤溼所述原料。在輸送至容器之前，原料可以處於大體上乾燥的狀態，例如，0. I至15%含溼量。從中輸出的物料的源可以包括料鬥，所述料鬥可以與振動裝置連通。該分散系統可以包括多個分散裝置。在一些實施方案中，糖化包括將原料以離散增量添加至液體介質；並且在添加另一個增量的原料之前，使用所述分散系統將每個離散增量的原料分散至液體介質內。該方法也可以包括在糖化期間監測原料、液體介質和糖化劑的混合物的葡萄糖水平。額外的原料和糖化劑可以在糖化期間添加至所述容器並且使用所述分散系統分散於所述介質中。
在另一個方面，本發明的特徵在於一種原料糖化設備，所述原料糖化設備包括(a)罐，(b)設置為將生物質原料和液體介質輸送至所述罐的輸送系統，(C)設置為將所述生物質原料分散於所述液體介質內的分散系統，(d)設置為將計量的量的糖化劑輸送至所述罐的糖化劑輸送裝置，和(e)設置為混合所述罐的內容物的混合器。一些實施方式包括一個或多個以下特徵。分散系統包括腔室和在所述腔室內部的轉動件，其中所述轉動件將所述原料和液體介質軸向地抽入所述腔室內並且將所述原料在所述介質中的分散體從所述腔室徑向地排出。該設備進一步包括控制器，所述控制器基於來自扭矩監測器的輸入而調節所述原料輸送裝置和/或所述糖化劑輸送裝置的運行。在一些情況下，混合器是射流混合器。輸送系統可以包括設置為將原料吹到罐中液體的表面上的吹氣機，並且分散系統可以設置為將液體流輸送到在所述液體表面上的原料上面，潤溼該原料。在另一個方面，本發明的特徵在於一種方法，所述方法包括將生物質原料在含有液體介質的容器中糖化，所述生物質原料已經通過將生物質原料吹到容器中液體介質的表面上而分散於液體介質中，使在表面上的原料與液體流接觸以潤溼原料，並且混合原料和液體，例如，使用射流混合器混合。在一些實施方式中，使用正排量泵輸送液體流。在又一個方面，本發明的特徵在於一種方法，所述方法包括將容器中的生物質原料糖化，所述生物質原料已經通過將生物質原料吹到容器中液體介質的表面上而輸送至容器並且使用分散系統而分散於該液體介質中，所述分散系統包括腔室和在所述腔室內部的轉動件，所述轉動件將所述原料和液體介質軸向地抽入所述腔室內並且將所述原料在所述介質中的分散體從所述腔室徑向地排出到液體介質表面上的原料上面。該方法可以進一步包括用射流混合器混合所述罐的內容物。在另一個方面，本發明的特徵在於一種原料糖化設備，所述原料糖化設備包括(a)罐，(b)設置為將生物質原料和液體介質輸送至所述罐的輸送系統，其包括用於將生物質原料吹入罐中的吹氣機，(C)設置為將計量的量的糖化劑輸送至所述罐的糖化劑輸送裝置和(d)設置為混合所述罐的內容物的混合器。
本文所述的方法通常提供相對高固形物水平的原料的相對快速且有效的潤溼。通過增加混合物中原料的初始固形物水平，方法可以更快、更高效和更有成本效益地進行，並且通常可以在成品中實現所產生的高濃度。本文所述的糖化方法允許將纖維素或木質纖維素原料轉化成便利和濃縮的形式，所述形式可以容易地運輸並且在另一個生產設施(例如，設置為將糖溶液發酵成醇的設施)中使用，以製造產物，例如，燃料如乙醇。這類濃縮物可以使用較少的水，這可以導致大幅度的製造和運輸成本節省。本文中公開的一些方法包括原料的糖化和從生產或貯存原料的遠處位置運輸原料至生產設施。在一些情況下，糖化可以在運輸期間部分地或完全地發生。在一些情況下，本文所述的系統或其組件可以是可移動的，從而該系統可以從一 個位置運輸(例如，通過鐵路、卡車或航運容器)至另一個位置。這種移動式加工在美國系列No. 12/374，549和國際申請No. W02008/011598中描述，所述文獻的全部公開內容通過弓I用併入本文。可以通過使用本文所述方法產生的示例性產物包括烴、蛋白質、醇(例如，一元醇或二元醇)如乙醇、正丙醇或正丁醇、羧酸、如乙酸或丁酸、羧酸鹽、羧酸和羧酸鹽的混合物和羧酸酯(例如，甲酯、乙酯和正丙酯)、酮、醛、a、P -不飽和酸如丙烯酸、烯烴如乙烯，和這些物質中任何者的混合物。具體例子包括乙醇、丙醇、丙二醇、丁醇、1，4-丁烷、1，3-丙二醇、這些醇中任一者的甲酯或乙酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、3-羥丙酸、所述酸中任一者的鹽和所述酸中任一者及相應鹽的混合物。這些產物和其他產物在USSN 12/417,900中描述，所述文獻的內容通過引用併入本文。使用ASTM D1895B測定堆密度。簡而言之，該方法包括用樣品填充已知體積的量筒和獲得樣品的重量。通過以克計的樣品重量除以立方釐米計的已知量筒體積，計算出堆
山/又o本文所提及和所附的全部出版物、專利申請、專利和其他參考文獻含有的所有內容通過引用完整地併入。附圖簡述圖I是說明將纖維素酶促水解成葡萄糖的示意圖。圖2是說明通過生產和運輸葡萄糖溶液將原料轉化成乙醇的流程圖。圖2A是根據一個實施方案的糖化系統的圖解說明。圖2B是根據另一個實施方案的糖化系統的圖解說明。圖3是乙醇生產設施的示意圖，所述乙醇生產設施已經改造的以利用本文中公開的溶液和混懸液。圖4是根據一個實施方案的分散系統的圖解透視圖。圖5和圖5A分別是可以在圖4內所示分散系統中使用的分散裝置的的圖解截面圖和透視圖。圖6是根據另一個實施方案的分散系統的圖解透視圖。圖7和圖7A是說明圖6中所示分散系統的替代性運行模式的圖示。圖8是以在圖6內所示分散系統中使用的分散部件的圖解透視圖。圖9和圖9A是圖示說明離開噴嘴的射流。


圖10是根據一個實施方案的射流攪拌器的圖解透視圖。圖IOA是圖10的射流攪拌器的葉輪和噴管的放大透視圖。圖IOB是備用葉輪的放大透視圖。圖11是輸送生物質原料的吹氣機的示意圖。圖12是具有半球形底部的罐和從上方延伸至該罐內的兩個射流混合器的截面視圖。詳述對於含有葡聚糖和/或木聚糖的物料例如纖維素物料和木質纖維素物料，使用本文所述的方法，可以將生物質(例如，植物生物質、動物生物質、紙和城市廢物)轉化或加工以產生有用的中間體和產物如有機酸、有機酸鹽、酐、有機酸酯和燃料，例如，內燃發動機用燃料或燃料電池的原料，如本文所述的那些原料。本文描述了可以使用纖維素和/或木質纖維素材料作為原材料的系統和方法，所述的纖維素和/或木質纖維素材料是豐富和輕 易可獲得的，但是經常可能難以加工的纖維素或木質纖維素材料，例如，城市廢物流和廢紙流，如包括新聞紙、牛皮紙、瓦楞紙或這些紙的混合物的流。通常，如果需要，物料可以經物理處理用於加工和/或後續加工，經常通過尺寸縮減方式處理。如果需要縮減物料的抗降解性，則可以採用物理加工方法如發酵法。本文所述的多種方法可以有效地降低原料的抗降解性水平，使得它更易於加工，如通過生物處理法(例如，採用本文所述的的任何微生物，如同型產乙酸菌(homoacetogen)或異型產乙酸菌(heteroacetogen)和/或本文所述的任何酶)、熱處理法(例如，氣化或熱解)或化學方法(例如，酸水解或氧化)。生物質原料可以使用本文所述的任何方法中一種或多種進行處理或加工，如機械處理、化學處理、輻射、超聲波處理、氧化、熱解或蒸氣爆炸法。多種處理系統和方法可以在這些技術或本文和其他地方所述的其他技術中的兩種、三種或甚至四種或更多種技術組合的情況下使用。 為了將原料轉化成可以在現有製造廠(例如單細胞蛋白廠、酶製造廠或燃料廠例如穀物乙醇生產設施)中輕易加工的形式，本文中公開的工藝可以使用低堆密度物料，例如纖維素或木質纖維素原料，所述物料已經物理地經預處理以具有小於約0. 75g/cm3的堆密度，例如，小於約 0. 7,0. 65,0. 60,0. 50,0. 35,0. 25,0. 20,0. 15,0. 10,0. 05 0. 75g/cm3 或更小，例如，小於0.025g/cm3。使用ASTM D1895B測定堆密度。簡而言之，該方法包括用樣品填充已知體積的量筒和獲得樣品的重量。通過以克計的樣品重量除以立方釐米計的已知量筒體積，計算出堆密度。為了將原料轉化成可以輕易加工的形式，通過糖化劑(例如酶或酸)，將原料中含有葡聚糖或木聚糖的纖維素水解成低分子碳水化合物，如糖，一種稱作糖化的方法。低分子量碳水化合物可以隨後例如在現有製造廠(如單細胞蛋白廠、酶製造廠或燃料廠例如乙醇生產設施)中使用。包含纖維素的物料可以通過將該物料和糖化劑在液體介質例如溶劑如水溶液中合併而用糖化劑處理。下文詳細討論用於將物料快速和高效地分散於液體介質內的方法。一旦物料已經分散於介質中，則將糖化劑、物料和液體介質徹底混合，在一些情況下徹底糖化。在一些實施方式中，將物料和/或糖化劑遞增地添加而非一次性地添加。例如，可以將所述物料的一部分添加至液體介質，分散於其中並且與糖化劑混合，直至該物料至少部分地糖化，此時將物料的第二部分分散於該介質中並且添加至混合物。這種方法可以繼續直至獲得想要的糖濃度。
分解生物質如生物質的纖維素和/或木質素部分的酶和破壞生物質的生物，含有或製造多種纖維素裂解的酶(纖維素酶)、木質素酶或多種破壞小分子生物質的代謝物。這些酶可以是協同地作用以降解生物質的晶狀纖維素或木質素部分的酶複合物。纖維素裂解酶的例子包括葡聚糖內切酶、纖維二糖水解酶和纖維二糖酶(￠-葡糖苷酶)。參考圖1，纖維素底物最初由葡聚糖內切酶在隨機位置水解，產生低聚物中間體。這些中間體隨後是從纖維素聚合物末端產生纖維二糖的外切性葡聚糖酶如纖維二糖水解酶的底物。纖維二糖是水溶性1，4-連接的葡萄糖二聚體。最後，纖維二糖酶切割纖維二糖以產生葡萄糖。合適的纖維素酶將在本文稍後部分中討論。完成糖化所要求的時間將取決於所用的工藝條件和原料及酶。如果糖化在製造廠中在受控條件下進行，則纖維素可以在約12-96小時中基本上完全轉化成葡萄糖。如果部分或完全地短暫進行糖化，則糖化可以花費更長時間。在一些情況下，糖化在pH約4至7，例如約4. 5至6或約5至6處進行。通常優選的是，糖溶液中的葡萄糖終濃度應當是相對高的，例如，以重量計大於 10%，或大於15、20、30、40、50、60、70、80、90或甚至大於95%。這減少待運輸的體積，並且還抑制溶液中的微生物生長。在糖化後，水的體積可以縮減，例如，通過蒸發或蒸餾。可以通過限制隨酶一起添加至原料的介質(例如，水)的量，獲得相對高的濃度溶液。可以例如，通過控制糖化多大程度地發生來控制濃度。例如，可以通過添加更多原料至溶液而增加濃度。可以例如通過增加溶液的溫度和/或通過添加如下文討論的表面活性劑而增加原料在介質中的溶解度。例如，溶液可以維持在40-50°C、50-60°C、60-80°C或甚至更高的溫度。參考圖2，用於製造醇(例如，乙醇)的方法可以包括例如任選地物理預處理原料，例如，以縮減其大小(步驟110)，在這種處理之前和/或之後，任選地處理該原料以降低其抗降解性(步驟112)，並且將原料糖化以形成糖溶液(步驟114)。可以通過將原料在液體介質(例如，水)中的分散體與酶混合(步驟111)進行糖化，如會在下文詳細討論。在糖化期間或之後，混合物(如果將在途中部分地或完全進行糖化)或溶液可以例如由管道、有軌車輛、卡車或船舶運輸至製造廠(步驟116)。在工廠，溶液可以經生物加工以產生想要的產物，例如，乙醇(步驟118)，所述產物隨後進一步加工，例如，通過蒸餾(步驟120)進一步加工。下文將詳細描述這種工藝的各個步驟。根據需要，如所示，測量木質素含量的步驟(步驟122)和設定或調節工藝參數(步驟124)的步驟可以在工藝的多個階段進行，例如緊鄰用來改變原料結構的工藝步驟之前。如果包括這些步驟，則調節工藝參數以補償原料的木質素含量變異，如2009年2月11日提交的美國臨時申請No. 61/151，724中所述，所述專利的完整公開內容通過引用併入本文。混合步驟111和糖化步驟114可以使用例如圖2A和2B中所示系統的任一種進行。這些系統包括罐136，其最初初始含有液體介質並且稍後含有液體介質、原料和糖化劑的混合物138。將液體介質通過帶閥門的管道系統(未顯示)輸送至該罐。該系統還包括與分散單元134連通的料鬥130。在圖2B內所示的實施方案中，料鬥130接收已經由原料預處理模塊132處理以縮減其大小和任選地降低其抗降解性(上文的步驟110和112)的原料。在兩種實施方案中，料鬥可以接收例如來自供給源30的其他乾燥成分，如酵母和養分。任選地，振動裝置36可以與料鬥連接以促進從料鬥輸送物料。該系統還包括分散單元134。將液體介質從罐中抽入分散單元134，並且通過分散單元經出口管137返回該罐。如所示，出口管137的開口可以在液體水平之上，或在一些情況下可以浸沒於罐中的液體內。在一些情況下，根據所用的分散單元(如下文將討論)的類型，該系統可以包括設置為使液體介質循環穿過分散系統的泵139 (例如，正排量泵)和/或監測分散體的粘度並且在測量的粘度達到預定值時開啟泵的粘度計141。在圖2A中所示的實施方案中，將原料輸送至罐中的液體介質的表面，例如，經具有輸送管道34 (例如，軟管或管道)的輸送裝置32。輸送裝置32也可以與振動裝置36連接，以促進物料流入該裝置。輸送裝置32可以是例如設置為將纖維狀和/或顆粒狀物料從來源經軟管吹至遠離該來源的吹氣機，例如，隔絕式吹氣機如從Frederick, Colorado可獲得的F0RCE3吹氣機。吹氣機500的例子在圖11中示意性顯示。吹氣機500的料鬥502從料源504接收物料，例如，藉助真空506經入口 505抽入物料。一旦處於料鬥中，使用轉動裝置508使物料去團聚化，其包括止於柔性槳葉512的轉動臂510。轉動裝置508還將物料經開口 514掃下至氣閘516。物料至氣閘的輸送由平板或閥門518計量。氣閘516包括限定腔室522的多個轉動葉片520。氣閘516的靠下部分包括通道524，其中空氣經所述通道524從壓縮空氣供給源(未顯示)吹至出口管(例如，輸送管道34，圖2A)。葉片將物料掃 至各個部分中的通道，一旦這些物料位於通道附近，則它們被吹入出口管中。轉動葉片520足夠緩慢地轉動，以使每個腔室足夠長時間地位於通道附近，因此部分物料和某個量的空氣被輸送至出口管內。因此，空氣和物料的備用部分輸送至出口管。當物料沿出口管(它可能相當長)下行時，物料和空氣混合，從而吹送物料並且使其經出口管順暢移動至罐。將攪拌器和氣閘中的轉動件的轉動速率一起調整，並且該速率可以由用戶基於原料、出口管的長度和其他變量而變動。可選地，物料可以使用其他技術如自重進料或螺杆輸送器輸送至液體的表面。在一些實施方案中，罐配備有柔性透氣的蓋或其它設置為允許空氣在原料輸送期間從罐中排洩、同時防止原料從罐中吹出和/或雜質進入罐內的裝置。當原料物料經輸送管道34輸送到罐中液體的表面上時，液體經分散單元134的出口管137釋放到物料上。釋放的液體潤溼原料物料，引起物料沉入液體中，在這裡它可以由分散單元134、任選地與下文討論的射流混合器144的混合作用組合時而分散。通常優選，當原料輸送管道經輸送時，分散單元134和射流混合器144運行。在2B中所示的實施方案中，原料經料鬥130輸送至罐，所述料鬥130可以接收來自例如原料處理模塊132的原料，並且進入分散單元134，在此，原料分散於液體介質(例如，水)內。在兩個實施方案中，糖化劑從包括計量裝置142的料鬥140輸送至罐中。將該罐的內容物混合，例如，通過一個或多個射流混合器混合。在圖2A和圖2B中示例性地顯示射流混合器144 ;合適射流混合器的例子將在下文詳細描述，並且還在2009年6月19日提交的美國臨時申請No. 61/218，832中描述，所述文獻的公開內容在此通過引用併入本文。使用驅動泵和/或轉子(未顯示)的電機146，射流混合器產生射流。由電機146產生的扭矩與罐中混合物的固形物水平相關，所述固形物水平轉而反映混合物已發生糖化的程度。扭矩由扭矩監測器148測量，所述扭矩監測器148發送信號至驅動輸送器130的電機150並且還發送信號至料鬥140的計量裝置142。因此，作為罐內容物的糖化的函數，處理的原料和酶的供應可以中斷或恢復。由扭矩監測器測量的數據也可以用來調節射流混合器，例如，以降低利用轉子的混合器的RPM，或用來降低泵驅動混合器的射流速度。作為扭矩監測器的替代或除扭矩監測器之外，該系統可以包括測量電機的全負荷安培數的安培監測器(未顯示)。在一些情況下，射流混合器可以包括變頻器(VFD)以允許調整電機的速度。該系統也可以包括熱監測器(未顯示)，所述熱監測器監測液體介質的溫度並且響應於溫度增加而調節原料的進料速率和/或混合條件。這種溫度反饋環可以用來防止液體介質達到將使酶變性的溫度。當一個或多個泵在本文所述的系統中使用時，通常優選應當使用正排量泵(PD)泵，例如，螺杆泵或螺杆型ro泵。在一些情況下，製造廠可以是例如現有的基於穀物或基於糖的乙醇廠或已經通過將生物加工系統上遊的設備(在常見乙醇廠中，它通常包括穀物接收設備、錘磨機、糖漿混合器、烹煮設備和液化設備)移除或退役而改造的工廠。因此，由工廠接收的原料直接輸入 發酵設備中。圖3中示意性地顯示改造的工廠。現有的基於穀物或基於糖的乙醇廠的用途以這種方式在2010年2月11日提交的美國系列No. 12/704,521中描述，所述文獻的公開內容通過引用併入本文。在一些實施方案中，並非將糖化的原料(糖溶液)運輸至單獨的製造廠，或甚至單獨的罐，將糖溶液接種並且在同一個罐或用於糖化的其他容器中發酵。發酵可以在同一個各器中完成，或可以以這種方式啟動並且隨後如上文討論在運輸期間完成。在2010年I月20提交的美國臨時申請No. 61/296，673中描述了在單一罐中的糖化和發酵，所述文獻的公開內容通過引用併入本文。通常，應當控制發酵容器中的氧水平，例如，通過監測氧水平並且根據需要使罐通風或使混合物曝氣。還需要監測容器中乙醇的水平，從而當乙醇水平開始下降時，可以終止發酵過程，例如，通過加熱或添加亞硫酸氫鈉。終止發酵的其他方法包括添加過氧化物(例如，過氧乙酸或過氧化氫)、添加琥珀酸或其鹽、冷卻容器的內容物，或降低氧鼓泡速率。可以使用這些方法中任意兩種或多種方法的組合。如果發酵將在運輸期間實施或完成，運輸容器(例如，軌道車或罐車的罐)可以配有包括氧監測器和乙醇監測器的控制單元、用於輸送亞硫酸氫鈉(或其他發酵終止添加物)至罐的輸送系統和/或用於調節罐中參數以停止發酵的系統。根據需要，可以在發酵期間使用射流混合，並且如果發酵在與糖化相同的容器中實施，則可以使用相同的設備。然而，在一些實施方案中，射流混合不是必需的。例如，如果發酵在運輸期間實施，則軌道車或罐車的運動可以提供充分的攪拌。分散和混合分散分散單元134可以包括用液體介質潤溼原料的任何類型的分散設備。多種分散裝置包括在腔室中如此安置的腔室和轉子，從而將原料和液體介質軸向地抽吸至轉子並且向外徑向地擠壓至轉子的周界並且因此穿過離心泵形式的單元的出口。取決於分散單元的構造，可能需要備份泵(泵139，上文討論)以抽吸高粘度的流體穿過分散單元。構建一些分散裝置以在單元內部產生極高靜流體壓力；當使用這類裝置時，通常不需要備份泵。在圖4-5A中顯不合適的分散系統300的一個例子。這種系統產生相對低的吸力，並且因此一般使用備份。分散系統300包括可以從較大料鬥或袋子(未顯示)或其他源中接收原料並且輸送至分散單元301的接收料倉302。分散單元301包括殼體304，其限定分散室306(圖5A)、液體入口 308、與料倉302連通的固體入口 310(圖5A)和出口 312。分散系統300還包括驅動分散單元301的電機314、用戶控制界面316和幫助維持分散單元301內部的密封件完整性的加壓單元318。閥門(未顯示)布置在接收料倉302和固體入口 310之間以計量向分散單元301的固體輸送。分配單元301的內部結構在圖5-5A中顯示。在穿過固體入口 310後，固體由攪龍320向下移動，此時固體由經液體入口 308進入的液體接觸。液體和固體隨後由一系列混合葉片322混合，並且最終由轉子324 (在圖5A中詳細顯示)混合，其中所述轉子324以相對於腔室306側壁的轉子/定子布局而布置。該系列混合部件以遞增水平的剪切力用液體潤溼固體，產生從出口 312離開的基本上同質的分散體。通過文丘裡原理，葉輪產生在腔室306和料倉302之間有差異的巨大壓力，所述壓力抽出真空並且因此幫助將物料從料倉抽出至腔室。 圖6-8中顯不另一個合適的分散系統400。這種系統從IKA Works, Wilmington, North Carolina在CMS2000商品名稱下可商業獲得。如所供應,分散系統400包括液體罐402。然而，如果需要，可以省略相對小的罐402並且系統的剩餘物排入較大的罐，例如，工業體積罐(未顯示)。系統400還包括固體接收漏鬥403、包括殼體404的分配單元401，所述殼體304具有與上文討論的殼體304相似的結構，電機414、用戶控制界面416和加壓單元418。分散系統400和分配系統300之間的主要差異在於分配裝置401和301的內部結構。圖8中詳細顯示的分配單元401包括作為葉輪發揮作用並且在單元內部產生很高靜流體壓力的轉子420。因此，分散單元以離心泵的方式發揮作用，並且通常不需要備份泵，甚至在相對高的粘度時也是如此。轉子420將液體從罐經入口 408以高吸力抽吸至腔室406。液體和固體(經入口410進入)軸向地以高壓被抽吸至轉子420內，並且藉助將原料分散於液體中的高速紊流徑向地離開轉子420。基本上均勻分散體經出口 412離開腔室並且輸送至罐用於糖化。分散系統400可以按多種模式運行,其例子在圖7和圖7A中顯不。在圖7中，分散單元401通過將原料載入料鬥422進料，所述料鬥422安裝在殼體404的固體入口上。閥門424控制原料向分散單元401的輸送。原料可以使用任何所需的輸送技術加載，例如，手工、通過輸送器、風力裝料機(pneumatic loader)等。在圖7A中，使用空吸棒(suctionwand) 426，將原料從袋或料倉424吸出。在這種情況下，可以通過控制空吸速率而控制原料的輸送。可以使用其他布局。原料可以連續地或斷續地輸送至分散單元，並且該分散系統可以按再循環或「單程」模式運行。根據需要，在初始分散已經完成後，分散單元可以用於糖化期間的混合。射流混合—旦原料已經基本上分散於液體中，可能需要關閉分散系統並且使用要求更少能量以進一步混合的混合器。用於這個目的特別有利的混合器稱作「射流混合器」。通常，合適的混合器的共同之處在於，它們產生高速度循環流，例如環形的或橢圓樣式的流。通常，優選的混合器顯示高的整體流率。優選的混合器以相對低的能量消耗提供這種混合作用。通常還優選，混合器產生相對低的剪切力並且避免加熱液體介質，因為剪切力和/或熱可能不利地影響糖化劑(或微生物，例如，在發酵的情況下)。如下文將詳細討論，一些優選的混合器將混合物經入口抽入可以包括轉子或葉輪的混合部件，並且隨後從混合部件中經出口噴嘴排出混合物。這種循環作用和離開噴嘴的射流的高速度有助於分散漂浮在液體表面上的物料或已經沉降至罐底部的物料，這取決於混合部件的方向。混合部件可以以不同方向存在以分散漂浮物料和沉降物料，並且在一些情況下，混合部件的方向可以是可調節的。在一些優選的混合系統中，與外圍流體相交時，射流的速度v0是約2至300m/s，例如，約5至150m/s或約10至100m/s。對於100，000L罐，混合系統的功率消耗可以是約20至 1000KW，例如，30 至 570KW.50 至 500KW，或 150 至 250KW。射流混合包括將高速度液體的淹沒射流或眾多淹沒射流釋放入流體介質，在這種情況下即生物質原料、液體介質和糖化劑的混合物。液體的射流穿透流體介質，而其能量因 紊流或一些初熱而消散。這種紊流與速度梯度(流體剪切力)相關。周圍的流體被加速並且夾帶至射流中，而這種次生夾帶流隨距射流噴嘴的距離增加而增加。當射流膨脹時，次生流的動量通常保持恆定，只要該流不撞擊到牆壁、地板或其他障礙物。該流在其撞擊到任何障礙物之前持續的時間越長，夾帶至次生流中的液體越多，從而增加罐或容器中的整體流。當遇到障礙物時，次生流將更多或更少地損失動量，這取決於罐的幾何學，例如，該流衝擊到障礙物上的角度。通常需要修正射流和/或設計該罐，從而相對於罐壁的水力損失最小化。例如，可以需要罐具有弓形底部(例如，半球形封頭)，並且射流混合器相對接近側壁定位，如圖12中所顯示。罐底部(下部封頭)可以具有任何所需的半球形構型，或可以具有橢圓或圓錐狀幾何形狀。射流混合與大部分類型的液體和液體混合不同，在於驅動力是液力而非機械力。不同於如機械攪拌器那樣剪切流體並且推動它遍及混合容器，射流混合器經罐內部的一個或多個噴嘴擠壓流體，從而產生夾帶其他流體的高速射流。結果是剪切(流體針對流體)和循環,這高效地混合罐內容物。參考圖9，來自淹沒射流的芯流和周圍流體之間高速度梯度造成渦流。圖9A顯示淹沒射流的一般特徵。隨著淹沒射流擴展至周圍環境中，速度分布隨距噴嘴的距離(X)增加而變扁平。另外，速度梯度dv/dr隨給定距離X處的r(距射流中線的距離)變化，從而產生限定混合區域的渦流(來自噴嘴的圓錐狀擴張物)。在空氣中淹沒射流的實驗性研究中(所述研究的結果適用於任何流體，包括水),Albertson 等人(「淹沒射流的擴散」，論文 2409，Amer. Soc. of Civil EngineersTransactions,第 115 卷639-697, 1950,第 657 頁)闡述了無量綱關係 v(r)x/v(x)r = Q(在給定X的速度分布)、Qx/Qq (流夾帶)和Ex/Eq (能量隨X的變化):(I)中線速度，V (X) r=。/V。:
「00821 62 (2)在任何X處的速度分布，V (r) Jv (x) r=o-
[v(r) a X I - _rt . rA
r00841--1 ■* Wm f9一33~
￡>!xk (3)在任何x處的流量和能量
權利要求
1.一種方法，包括 將容器中的生物質原料糖化，所述生物質原料已經使用分散系統分散於液體介質中，所述分散系統將所述原料和液體介質從所述容器抽出並將所述原料和液體介質再循環返回至所述容器內。
2.根據權利要求I所述的方法，其中所述分散系統包括腔室和在所述腔室內部的轉動件，所述轉動件將所述原料和液體介質軸向地抽入所述腔室內並且將所述原料在所述介質中的分散體從所述腔室徑向地排出。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其中所述分散系統包括正排量泵。
4.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述原料具有小於約0.75g/cm3的堆山/又o
5.根據上述權利要求中任一項所述的方法,其中所述液體介質包含水。
6.根據上述權利要求中任一項所述的方法，進一步包括將糖化劑輸送至所述容器。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述糖化劑包括酶。
8.根據權利要求2所述的方法，其中所述轉動件作為葉輪發揮作用，並且所述轉動件在所述腔室內部的作用起離心泵作用。
9.根據上述權利要求中任一項所述的方法，進一步包括在糖化期間用射流混合器混口 o
10.根據權利要求2所述的方法，其中所述轉動件包括與轉子同軸設置的混合部件，所述轉子以轉子-定子關係與所述腔室的側壁布置。
11.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述分散系統進一步包括射流混合器。
12.根據上述權利要求中任一項所述的方法，進一步包括將所述原料和/或糖化劑從布置於所述容器外部的源輸送至所述容器。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述源位於所述容器上方。
14.根據上述權利要求中任一項所述的方法，進一步包括將液體介質流輸送到在所述液體介質表面上的原料上面，以潤溼所述原料。
15.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述原料在輸送至所述容器之前處於大體上乾燥的狀態。
16.根據權利要求12所述的方法，其中所述源包括料鬥並且所述料鬥與振動裝置連通。
17.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述分散系統包括多個分散裝置。
18.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中糖化包括 將所述原料以離散增量添加至所述液體介質；並且 在添加另一個增量的原料之前，使用所述分散系統將每個離散增量的原料分散至所述液體介質內。
19.根據上述權利要求中任一項所述的方法，進一步包括在糖化期間監測所述原料、所述液體介質和所述糖化劑的混合物的葡萄糖水平。
20.根據上述權利要求中任一項所述的方法，進一步包括在糖化期間將額外的原料和糖化劑添加至所述容器，並且使用所述分散系統將所述原料分散於所述介質中。
21.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述容器包括罐。
22.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述原料包括纖維素或木質纖維素材料。
23.根據上述權利要求中任一項所述的方法，進一步包括將乳化劑或表面活性劑添加至所述容器中的混合物。
24.根據權利要求3所述的方法，其中所述正排量泵包括螺杆泵。
25.—種原料糖化系統，包括 罐， 設置為將生物質原料和液體介質輸送至所述罐的輸送系統， 設置為將所述生物質原料分散於所述液體介質中的分散系統， 設置為將計量的量的糖化劑輸送至所述罐的糖化劑輸送裝置，和 設置為混合所述罐的內容物的混合器。
26.根據權利要求25所述的系統，其中將所述分散系統設置為從所述罐抽出所述原料和液體介質並且使其再循環返回至所述罐中。
27.根據權利要求26所述的系統，其中所述分散系統包括腔室和在所述腔室內部的轉動件，所述轉動件將所述原料和液體介質軸向地抽入所述腔室內並且將所述原料在所述介質中的分散體從所述腔室徑向地排出。
28.根據權利要求26所述的系統，其中所述分散系統包括正排量泵。
29.根據上述權利要求中任一項所述的系統，進一步包括控制器，所述控制器基於來自扭矩監測器的輸入而調節所述原料輸送裝置和/或所述糖化劑輸送裝置的運行。
30.根據上述權利要求中任一項所述的系統，其中所述混合器包括射流混合器。
31.根據上述權利要求中任一項所述的系統，其中將所述分散系統設置為將液體流輸送到在所述液體表面上的原料上面，潤溼所述原料。
全文摘要
處理生物質原料(例如，工廠生物質、動物生物質和城市廢物生物質)以產生有用的產品，如燃料。例如，描述了能夠將原料轉化成糖溶液的系統，隨後將所述糖溶液發酵以產生乙醇。將生物質原料分散於液體介質中並隨後糖化。
文檔編號C12M1/00GK102782116SQ201080060525
公開日2012年11月14日 申請日期2010年11月18日 優先權日2010年1月20日
發明者M·梅多夫, T·馬斯特曼 申請人:希樂克公司