CN101056720A - 生产预处理原料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种生产预处理原料的方法。所述原料选自草、谷类秸秆、秣草及它们的组合,并且至少大约80%的原料的颗粒长度为大约2-40cm。这种方法包括:用液体湿润原料,通过一台或一组辊压机挤压所述湿原料以便从湿原料中去除至少一部分水和可溶性物质,并剪切湿原料以产生原料颗粒,所述原料颗粒具有成浆时在固体浓度为大约8-20%时适合泵送的尺寸。所述一台辊压机或者所述一组辊压机中的至少一台辊压机包括带有圆周为V形槽的辊子。将所述挤压过的原料颗粒调成浆以产生稠度为大约8-20%的成浆原料,然后将所述成浆原料泵送到预处理反应器中。在160-280℃的温度下对所述成浆原料进行稀酸预处理。

Description

生产预处理原料的方法

技术领域

本发明涉及一种生产预处理原料的方法,更具体地说,涉及一种生产含纤维素的预处理原料的方法。

背景技术

目前,燃料乙醇是由玉米淀粉、甘蔗和甜菜等原料制造。然而,因为适合生产这种农作物的耕地有限和人与动物食物链的竞争,来自这些资源的乙醇生产不可能再进一步扩展。使用矿物燃料会在转化过程中伴随释放二氧化碳和其他产物,因此使用这些原料产生负面的环境影响。

从诸如农业废料、草地森林废料和糖类加工余料等含纤维素的原料中生产燃料乙醇已经受到了更多的关注,这是因为大量这些便宜原料可利用,以及与汽油相比乙醇作为燃料是清洁的。此外,纤维素转化过程的副产品(木质素)可以用作提高这种纤维素转化过程的燃料,从而避免了使用矿物燃料。研究表明,考虑整个循环过程,使用由纤维素制造的乙醇产生接近于零的温室效应气体。

可以用于乙醇生产的纤维素原料包括诸如玉米秸、小麦秆、大麦秆、菜籽秆和大豆秸等农业废料。也可以使用诸如柳枝稷、芒草、大米草和草芦等草料。

纤维素由非常不易破损的晶体结构组成,如半纤维素,它是这些原料中第二普遍的成分。纤维素纤维到乙醇的转化需要从木质素中释出纤维素和半纤维素,或者在纤维素原料中增加纤维素酶对纤维素和半纤维素的利用度,使半纤维素和纤维素的碳水化合物聚合物解聚成游离糖,然后使混合的己醣和戊糖发酵成乙醇。

将原料运送到设备中,并且通常按照随后的加工步骤将原料颗粒减小到适合处理的所需大小。

一种用于将纤维素转化为糖的众所周知的方法涉及在一定温度下使用蒸汽和酸的酸解方法,所用酸浓度和时间长度足以将纤维素水解成葡萄糖(Grethlein,1978,J.Appl.Chem.Biotechnol.28:296-308)。

纤维素水解的一种选择方法是酸性预水解(或者预处理),随后酶水解。在这种顺序中,首先仅在适度的温度、酸浓度和处理时间下使用上述酸水解方法预处理纤维素材料。这种预处理方法被认为是增加了纤维素纤维中的纤维素的利用度以用于随后的酶转化步骤,而不造成其自身从纤维素转化为葡萄糖。在下一步中,将预处理后的原料调节到适当的温度和pH值,然后由纤维素酶进行酶转化。

通过酸或纤维素酶进行纤维素水解,接着将糖发酵成乙醇,然后通过蒸馏法回收。

纤维素从纤维素材料到糖的有效转化和随后从糖到乙醇的发酵面临着有关商业可行性的主要挑战。具体地说,原料颗粒常常因太大而不能有效处理或加工。一种需要较小颗粒的可预期类型的处理系统是用泵泵送。在干式方法中,为了减小颗粒尺寸而不向原料中添加水。包括研磨、碾磨或粉碎的干式方法需要大量能量,从而增加了整个过程的成本。此外,对于具有较高或可变含水量的原料,对于适合泵送的较小尺寸的颗粒,干式方法处理不可能成功。一些含有20%或更多水分的原料常常堵塞碾磨设备,这样不能提供可接受的或适当的尺寸的减小。可选择的方法是利用提纯器或浆料稀释器等器材的湿式研磨方法或设备;然而,湿式研磨也需要昂贵的设备和使用高功率。此外,湿式研磨生产的材料非常稀,并且处理加工昂贵。

转化过程的第二个问题是在预处理过程中对酸要求非常高。比如麦秆和玉米秸等许多原料含有较强的天然碱性,这样就需要(向原料)添加0.5%~6%w/w的硫酸以达到半纤维素的有效水解和纤维素表面区域的暴露。相当量的这种酸用来中和原料中内在的碱性。这种强酸的使用不仅增加了过程的成本,还可能在预处理过程中引起木糖和其他产物的降解。

WO 02/070753(Griffin等人)描述了一种沥滤方法,这种方法包括使原料浸在水中至少持续2分钟以沥滤盐、蛋白质和其他杂质,接着去除水分和可溶化合物。Griffin等人的方法从木质纤维素原料中去除碱性,从而降低了预处理的酸需求。Griffin要求减小颗粒大小,但是这种方法消耗较水平的功率并且与所需设备结合来实施这种沥滤方法,从而导致了增加整个过程的成本。

利用压力机来使生物物质脱水在现有技术中是已知的。例如,US 4,436,028(Wilder)描述了使用锤磨机以大大减小颗粒的尺寸,接着双筒碾磨机施加强压力以减少废料的含水量。同样,US 4,525,172(Eriksson)教导了使用具有筛网圆筒的压力机使生物物质脱水。然而,这些方法不能在挤压或脱水过程中进行生物物质的研磨、剪切或颗粒尺寸的减小。这样导致较高的资金成本和操作成本却没有实现必须的颗粒尺寸减小。

US 4,543,881(Anderson)公开了一种使泥炭脱水的设备,这种设备包括外管状滚筒和容纳在外滚筒中的较小的内滚筒。较小的内滚筒旋转,因此它的外表面沿着外管状滚筒的内表面移动,从而挤压位于滚筒之间的泥炭以实现脱水。通过在不同速度、剪切力和挤压力下运行滚筒使其作用于泥炭。然而,滚筒挤压设备的目的是使泥炭脱水而不减小颗粒尺寸。

US 2,828,081(Collins)描述了利用辊压机来将干树皮上的软木与韧皮组织分开。干燥的富含软木的部分经过差速滚筒碾磨机,这种碾磨机通过剪切作用打碎软木集料而基本上不减小软木颗粒的大小。这种方法不是用来减小材料颗粒的大小。树皮也不适合乙醇的生产。

为了满足生物物质的进一步减小颗粒尺寸的需要,已经采用了多种方法来着手解决。例如,US 6,036,818(Odmark)描述了一种具有两个挤压浆料用的辊子的浆料脱水设备(辊压机)。当浆料经过滚筒时,刮刀粉碎并引导浆料从压力机中出来,然后通过螺旋粉碎机进一步粉碎浆料。US 5,451,296(Pikulin)教导了使用增稠单元(例如双辊压机)来从低稠度的浆料中去除多余的液体。结果,所得高稠度的浆料被运送到粉碎单元(比如搅拌机)以产生10mm或更小的浆料颗粒。US 6,036,818或US 5,451,296中使用的辊压机都不能运送、研磨、剪切,或减小浆料的颗粒尺寸。相反,需要附加设备来完成颗粒尺寸的减小,因此,对于整个过程而言增加了设备成本和能量成本。

US 4,728,044(Duill和Brummer)公开了一种用于研磨并干燥潮湿的原始材料的系统。用锤磨机预先粉碎原始材料,同时用热气干燥。在竖管中进一步干燥之后,在高压滚筒的辊子之间的夹缝中进一步粉碎材料。这种完成的材料作为干燥并研磨的未加工材料出现。尽管这种方法适合诸如未加工的水泥粉末、水泥熟料、矿砂、煤等材料的研磨和干燥,但是不能解决进一步加工原料来生产乙醇的问题。对于乙醇生产而言,没有提到合适的原料。

US 4,237,226(Grethlein)描述了在实验室环境中利用Wiley碾磨机碾磨干燥的橡木碎片以获得锯末状的产物。研磨后的碎片经过60筛目的筛子,然后按照18.5∶1重量比的水与固体比例在水中成浆,之后将浆料送入连续预处理反应器。这种Wiley碾磨机不适合含水量超过20%的纤维使用,并且显示出很高的功率消耗。此外,没有公开可以用来实施这些加工步骤的商业规模的设备。

Millett等人(Biotechnol.& Bioeng.Symp.No.6(1976)125-153)公开了几种用于制备原料的物理处理,包括干球体碾磨、湿球体碾磨和振动球体碾磨。利用干球体碾磨进行的精细颗粒生产大大增加了这种方法的成本,同时进行72小时的湿球体碾磨可提高利用瘤胃细菌对纤维素的消化。然而,在生产过程中,72小时不是实际的处理时间,并且没有涉及后面的预处理或酶水解。发现在220℃下振动球体碾磨干云杉木和白杨碎片30分钟可以提高酶水解率。然而,这种处理相当大地增加了这种方法的成本。

US 3,554,453(Thale等人)公开了一种用于粉碎诸如磨碎的木料、压缩的网状结构和扁平块状的亚硫酸盐以及半化学浆料等纤维物品的设备。这种设备设置有粉碎辊子和支撑辊子,每根辊子具有相互交错的有齿的圆盘,当纤维材料在辊子之间前进时有齿的圆盘用来粉碎纤维材料。辊子上有齿的圆盘的作用是产生脱纤维的材料,并且不造成材料的挤压。

US 4,683,814(Plovanich等人)公开了一种用于使含有纤维素的生物物质脱水的设备和干式方法,它利用了一对以不同速度运行的光滑并相对的滚筒。由于辊子速度的差别而使压缩的生物物质加热,这样就产生了辅助脱水和减小颗粒尺寸。此外,水分在较高速度旋转的滚筒上聚集,并且压缩的材料附着在较低速度旋转的滚筒上。这样就可以从较高速度旋转的滚筒上收集水分,并且从较低速度旋转的滚筒上收集压缩材料。尽管这种方法是一种使生物物质脱水的有效方法,但是Plovanich等人的方法仅去除了原料的一少部分碱性。此外,Plovanich等人没有教导生产具有适合泵送的颗粒尺寸的纤维素原料。

从甘蔗原料中榨取糖的方法是众所周知的。这种方法包括清洗甘蔗表面以去除杂质,粗略地将茎劈成小块,然后在一系列滚筒碾磨机中粉碎甘蔗块以榨取汁液。用压力机收集汁液,然后进一步加工用来生产糖。通常,在碾磨机中燃烧榨汁之后的甘蔗原料的剩余物(甘蔗残渣)。

为了使纤维素原料的连续预处理具有经济上和商业上的可行性,这种预处理系统必须适应多种原料的预处理;原料的碱性必须从其天然水平降低,以便降低酸要求和酸对糖类产物的降解;以及在不需要额外能量或固定设备的情况下必须减小原料颗粒尺寸,因此可以在水介质中泵送颗粒。

这种体系的发展保留了用于将纤维素原料转化为葡萄糖并随后转化为乙醇的全部过程的重要组成。

发明内容

本发明涉及一种生产预处理原料的方法,更具体地说,涉及一种生产含纤维素的预处理原料的方法。

本发明的目的是提供一种以提高的效率生产预处理原料的方法。

本发明提供了一种生产预处理原料的方法,这种方法包括以下步骤:a)提供选自草、谷类秸秆、秣草及它们的组合的原料,其中至少约80%的原料的颗粒长度为大约2-40cm;b)用大约0.25-10倍于原料的最大持水量的水流湿润原料以产生湿原料;c)通过一台或一组辊压机挤压所述湿原料,以便从湿原料中去除至少一部分水和可溶性物质,并剪切湿原料以产生具有以下颗粒尺寸的挤压过的原料:当所述挤压过的原料调成浆而生产成浆原料时,所述成浆原料在大约8-20%的干固体浓度下能够被泵送,其中一台辊压机,或者所述一组辊压机中的一台或多台辊压机包括带有圆周为V形槽的辊子,以及其中通过一台辊压机的辊间接触点(nip point)或所述一组辊压机中的一台或更多台辊压机的辊间接触点之后,所述挤压过的原料的干固体稠度为至少大约35%;d)将所述挤压过的原料颗粒调成浆,以产生干固体浓度为大约8-20%的成浆原料,然后将所述成浆原料泵入预处理反应器;以及e)在约160-280℃的温度下对所述成浆原料进行稀酸预处理以生产预处理原料。

本发明还涉及刚才所述的方法,其中,在成浆步骤(步骤d)之后,所述原料在温度约170-260℃、pH值约0.8-2.0下进行0.1-30分钟的预处理。此外,所述预处理原料可以通过纤维素酶进行水解以生成葡萄糖,随后葡萄糖可以发酵成乙醇。在挤压步骤(步骤c)之前可以部分浸提所述原料。

本发明还涉及上述的发明,其中,在提供原料步骤(步骤a)中,所述谷类秸秆选自小麦秆、大麦秆、稻草、菜籽秆或燕麦秸,所述秣草选自玉米秸和大豆秸。优选的是,在提供原料步骤(步骤a)中,至少大约80%的原料的颗粒长度为大约2-30cm。

本发明还涉及上述的发明,其中,在挤压步骤(步骤c)中,一台辊压机或者一组辊压机中的一台或多台辊压机产生额外的剪切力以减小原料颗粒尺寸,其中由所述一台辊压机或者一组辊压机中的一台或多台辊压机的辊子的直径差或速度差产生所述额外的剪切力。

优选的是,所述一组辊压机包括3台辊压机,但是也可以使用2台辊压机。

本发明还涉及上述的发明,其中使用一组辊压机,其中所述湿润步骤(步骤b)包括使用从所述一组辊压机中的一台或多台辊压机收集的挤压物逆流清洗所述原料。

本发明还涉及上述的发明,其中,在湿润步骤(步骤b)中,所述液体的温度为大约20-95℃,或者为大约30-85℃。

本发明还涉及上述的发明,其中,在成浆步骤(步骤d)中,所述成浆原料的干固体稠度为大约10-18%,或者为大约12-15%。优选的是,在挤压步骤(步骤c)之后和成浆步骤(步骤d)之前,所述挤压过的原料的干固体稠度为至少大约35%。在成浆步骤(步骤d)中,至少大约70%、80%或89%的原料颗粒的长度可以为2.4cm或更小。

本发明还涉及上述的发明,其中,在挤压步骤(步骤c)中,一台或多台其他压力机或者一台或多台其他脱水设备,与一台辊压机或一组辊压机结合使用,其中所述一台或多台其他压力机或者所述一台或多台其他脱水设备不是辊压机。如果除了辊压机还有其他压力机类型或脱水设备与一台辊压机或一组辊压机结合使用,那么挤压所述湿原料之后的干固体原料稠度优选为至少大约35%。

此外,本发明还涉及上述的发明,其中所述方法是一种连续供应原料并且连续提取预处理原料的连续方法。

本发明的湿式处理方法克服了现有技术中的缺点,因为与干式研磨相比它需要更少的输入功率。本发明还降低了因使用高含水量原料而堵塞干式碾磨器材的危险。此外,与提纯器或浆料稀释器等其他湿式研磨设备相比,压力机所需的输入功率更小,成本更低。本发明的方法生产一种使用最少量水溶液就可用泵泵送的原料。

另外,通过使用湿式方法,从原料去除了大部分盐、碱和蛋白质。这样就降低了酸要求并潜在地提高木糖产量。这些益处与WO02/070753(Griffin)利用浸提原料获得的益处一致,但是没有接触时间和浸提过程中用到仪器。

因此,在从木质纤维素原料来生产糖方面,本发明具有显著进步。

本发明的发明内容部分不必描述本发明的全部必要特征。

附图说明

参照附图,从下面的描述中将更清楚本发明的这些特征以及其他特征,附图中:图1显示了本发明原料处理系统的示例性组成部分的示意图。图1A显示了本发明原料处理系统的示例。图1B显示了具有3个辊子的辊压机。图1C显示了辊压机中辊子的外表面上呈现的齿状轮廓的截面图。

图2显示了在按照本发明进行处理之后的小麦秆颗粒长度的分析结果。经过一次(左侧挡板)、二次(中间挡板)或三次(右侧挡板)通过碾磨机之后的粗略粉碎后测定颗粒长度测量值。随机选择100条纤维并用标尺手工测量来估算颗粒长度的分布。

图3显示了在按照本发明进行处理之后的小麦秆颗粒尺寸的分析结果。使用标准的正方形筛网测定颗粒尺寸。这种筛网根据颗粒直径而不是长度将麦秆分开。粗略粉碎的(左侧挡板)、一次(左-中侧挡板)、二次(右-中侧挡板)和三次(右侧挡板)碾磨的材料中的各三个样本通过尺寸变化的筛网,然后对每一种材料的结果求平均值。

图4显示了在干原料(左侧挡板)中或者在一次(左-中侧挡板)、二次(右-中侧挡板)或三次(右侧挡板)通过碾磨机之后发现的水溶性钾和全部氮(全部凯氏氮,TKN)的总量。在挤压前后测定该溶解性成分,然后用原始含量的百分比表示。

图5显示了在测试单次轧制的小麦秆的过程中的中稠度(MC)泵的电流。

图6显示了在测试组合的二次和三次轧制的小麦秆的过程中的(MC)泵的电流。

具体实施方式

本发明涉及处理湿原料的方法和设备,更具体地涉及处理湿的含纤维素原料的方法和设备。

本发明提供了一种方法,这种方法可以粉碎、剪切原料,并且可以从该原料去除大量的可溶性盐、蛋白质、糖、碱性化合物和有机酸。使用一台辊压机或一组辊压机使湿润的原料经受挤压。这样的结果是减小了颗粒尺寸并且从湿润的原料中挤压掉水分。在挤压和剪切原料过程中可以收集由此释放的可溶性成分,然后可以对挤压并筛分的原料进行预处理或者进行结合随后处理步骤的预处理以使其转化为糖。这种方法可以作为一种连续方法,因此原料可以是以连续方式输送的或准备的被提取原料。然而,这种方法也可以用于批量处理。本发明的处理方法从原料中去除了潜在的抑制物,并且还降低了预处理过程中的酸需求。

本发明提供了一种生产预处理原料的方法,包括:a)提供选自草、谷类秸秆、秣草及它们的组合的原料,其中至少80%的原料的颗粒长度为大约2-40cm;b)用大约0.25-10倍于原料的最大持水量的水流湿润原料以产生湿原料;c)通过一台或一组辊压机挤压所述湿原料,以便从湿原料中去除至少一部分水和可溶性物质,并剪切该湿原料以产生具有以下颗粒尺寸的挤压过的原料:当所述挤压过的原料调成浆而生产成浆原料时,所述成浆原料在大约8-20%的干固体浓度下能够被泵送,其中一台辊压机,或者所述一组辊压机中的一台或多台辊压机包括带有圆周为V形槽的辊子,以及其中通过一台辊压机的辊间接触点或所述一组辊压机中的一台或更多台辊压机的辊间接触点之后,所述挤压过的原料的干固体稠度为至少大约35%;d)将所述挤压过的原料颗粒调成浆,以产生干固体浓度为大约8-20%的成浆原料,然后将所述成浆原料泵入预处理反应器;以及e)在约160-280℃的温度下对所述成浆原料进行稀酸预处理以生产预处理原料。

本发明的处理方法对多种原料都是有效的,这些原料包括:(1)秣草,比如玉米秸或大豆秸;(2)谷类秸秆,比如小麦秆、大麦秆、菜籽秆、燕麦秸和稻草;(3)草,比如柳枝稷、芒草、大米草和草芦;以及它们的任何组合。这些原料可以以很低的成本大量获得并且含有高含量的碳水化合物,因而与较高的乙醇潜在产量适应。

通常,用大捆或其他方便的形式将原料运送到乙醇设备。这种大捆可以粗糙地破裂以产生颗粒,可以使用现有技术中任何已知的方法通过一台辊压机或一组辊压机来处理这些颗粒。例如,在粗粒减小的过程中,可以使用锤磨机、旋转切碎机、剪切机、切割搅拌机、筒式粉碎机、碎木机等设备,或者减小所进入的固体颗粒尺寸的任何其他设备来破碎原料。减小的原料尺寸适合在本发明的系统中进行处理,即,至少80%的减小的原料的颗粒长度为大约2-40cm或者为在此之间的任何量。优选的是,至少80%的原料的长度为大约2-30cm,或者为大约4-25cm,或者在此之间的任何量。

在本发明的处理方法中,原料在挤压之前先用水流湿润。这种水流可以是湿润原料并通过一台或多台辊压机使其受挤压的任何合适的液体。例如,这种液体可以是水、碾磨水或来自前期原料处理的循环清洗液(挤压物)。在后面的情况中,湿润原料可以包括逆流清洗辊压机,这样得到的溶液用来湿润进入设备的原料。

可以使用现有技术中的任何方法湿润原料。例如,可以通过向原料喷射液体,在液体容器中浸泡或者使原料经过液体容器来湿润原料。

所用液体数量是经过选择的,以求充分湿润原料并提供额外的液体来去除杂质,但是也不能过多,以致产生稀释流而增加处理费用。充分湿润原料所需的最理想的液体数量将根据原料的物理性质和原料的颗粒尺寸而不同。可接受的水的量大约0.25-10倍于干原料的最大持水量,或者是在此之间的任何量。例如,添加的水的量可以大约0.25、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0以及10倍于干原料的最大持水量,或者是在此之间的任何量。更优选的是,添加的水的量大约1.5-3倍于干原料的最大持水量,或者是在此之间的任何量。原料的最大持水量通过以下方法测定:用已知量的松散捆扎的原料吸收水,直到向原料添加的补充水是自由流动的水的时候为止,然后测量水的重量。测量该点作为水在原料上形成稀薄连续层的点。在测定原料的最大持水量的过程中,优选的是,原料机械地破裂成大致相同尺寸的颗粒。此外,正如本领域技术人员所清楚的,优选基于松散捆扎的原料而不是紧密捆扎的原料测定原料的最大持水量。例如,如果1kg原料(干重计)可以存储4000g水,那么原料的最大持水量是4000g/kg。因而,可接受的水的量是1000-40,000g/kg原料。

可选择的是,可接受的水与固体的重量比为大约2.5∶1-100∶1,或者在此之间的任何量。更优选的是,水与固体的重量比为大约2.5∶1-25∶1,或者在此之间的任何量。例如,水与固体的重量比为大约2.5∶1、5∶1、7.5∶1、10∶1、12.5∶1、15∶1、17.5∶1、20∶1、22.5∶1或25∶1,或者为在此之间的任何量。液体与原料的通常重量比为大约2.5∶1-10∶1,或者为在此之间的任何量,例如,2.5∶1、5∶1、7.5∶1或10∶1。

添加水后挤压去除了原料中大量的碱、氮和钾。这样减少了预处理中的酸的使用并且可以增加木糖的产量。

原料的湿润可以作为挤压之前的砂粒去除过程或沥滤过程的一部分。去除砂粒的优点是防止辊压机因原料存在砂粒而磨损。为了去除砂粒,在上述比例下混合水和原料,即,大约0.25-10倍于干原料的最大持水量,或者在此之间的任何量,更优选的是,为大约1.5-3倍于干原料的最大持水量,或者为在此之间的任何量。在该过程中,可以在带有筛网的转筒或现有技术中已知的其他设备上进行湿润原料。沉降含有砂粒、水和可溶性杂质的滤液以去除砂粒,然后可以同时重新使用该溶液清洗新传送到设备的原料。在非限制性示例中,通过将含有砂粒的滤液引入水力旋流器来进行去除砂粒。

无论是否去除砂粒,湿润原料用的液体的温度可以是大约20-95℃范围内的任意温度,例如,20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃或95℃的温度,或者为在此之间的任何量。一般来说,较热的温度会导致更有效地使用液体提取可溶性成分。液体的温度范围可以为大约30-85℃,或者为在此之间的任何温度。

然后,减小湿润原料的尺寸。这是通过将原料传送经过一台或一组辊压机完成的。在本发明的处理方法中所用的每一台辊压机可以是在商业上可获得的辊压机(例如,购自Edwards Engineering Corp.Houston Texas;Bundaberg Foundry Engineers Ltd.,BundabergAustralia;或Fulton Iron and Manufacturing LLC,St.Louis Missouri),并且这种辊压机可以包括适当数量的辊子,例如,但不限于3个(参见图1B)或4个辊子(参见图1A;辊压机40、50和60)。此外,辊压机可以是下面更详细描述的改进的辊压机。

本发明既可以使用一台辊压机也可用使用成组的多台辊压机来提供充分减小的颗粒尺寸。例如,本发明的处理方法可以使用1-7台辊压机,或者为在此之间的任何量;例如,可以使用成组的1或2、3、4、5、6或7台辊压机。在更具体的示例中,这种处理方法使用成组的2-4台辊压机。优选的是,这种处理方法使用成组的2或3台辊压机。成组的辊压机可以一个接着一个地连续排列(参见图1A),或者其他处理设备可以设置在辊压机之间。

此外,一种或多于一种其他类型的压力机或脱水设备可以与一台辊压机或成组的辊压机组合使用。这种压力机的类型或脱水设备可以包括但不限于压带机、压滤机、螺杆压力机和离心机。

在不希望限制于任何方式的情况下,每台辊压机3可以具有3或4个辊子(图1B)。在这种结构中,4个辊子中的3个设置成三角形,第一和第二下部辊子2A和2B并排设置在底部,第三顶部辊子4设置在底部辊子之间的顶部。优选的是,第一和第二辊子2A和2B由固定在辊压机支架上的支承轴颈支撑,顶部辊子4可以安装在一组允许辊子4上下移动的导向板上。顶部辊子4还可以具有液压缸,该液压缸安装在顶部与底部辊子之间施加粉碎、剪切或粉碎和剪切力的每个末端上。如果辊压机包括4个辊子,那么第四个辊子作为进料辊。图1A显示了一组辊压机,每台辊压机都包括4个辊子。

参见图1B所示的非限制性示例,在辊压机3的操作过程中二次粉碎湿原料,一次在顶部辊子4与第一下部辊子2A之间,然后第二次在顶部辊子4与第二下部辊子2B之间。在顶部辊子4与第一下部辊子2A之间的进料口8A和在顶部辊子4与第二下部辊子2B之间的排放口8B各自设置为所需距离。用导向设备9引导原料经过辊压机。

辊压机的辊子可以由任何适当的材料构成,例如,但不限于,不锈钢。每个辊子的尺寸可以根据需要而不同,例如,但不应当认为限于,长度为大约0.75-4m,或者为在此之间的任何值,直径为大约0.45-2m,或者为在此之间的任何值。

辊压机中的一台或多台包括带有圆周槽的压辊,这种圆周槽具有切入每个辊子外表面的“v字形”(V形)截面6(图1C)。在辊压机上设置这种圆周槽可以增强湿原料的排放和剪切。降低湿原料的含水量,从而去除可溶性物质并增加原料的稠度。用圆周槽剪切原料能够有效减小颗粒尺寸,从而产生可泵送的原料。

槽之间的间隔5为大约1.0-10.0cm,或者为在此之间的任何值,槽的深度为大约1.0-10.0cm,或者为在此之间的任何值。顶部辊子4设置为:3个辊子的槽相互啮合,但是辊子不相互接触(参见图1B中的8A和8B)。辊子的辊间接触点之间的距离为大约0.0001-0.1cm,或者为在此之间的任何值。在辊子之间啮合槽6并粉碎装载物可以提供大部分剪切作用。

应当认识到,如果为了产生所需的颗粒尺寸减小而使用成组的辊压机,那么就不需要所有的辊压机都包含带有圆周槽的辊子。例如,应当预期到,在一台或几台辊压机包括具有圆周槽的辊子而其余辊压机具有光滑的辊子的情况下,就可以获得充分的剪切和水分的减少。

当通过一台或多台辊压机供应原料时,辊压机的辊子向原料施加压力。作用在辊子上的压力可以根据需要调节,以产生用于减小颗粒尺寸的额外的剪切力。为了去除挤压物(pressate)并减小原料颗粒尺寸,适当的压力范围为大约2400-3000psi,或者为在此之间的任何值。例如,辊压机的辊间压力为大约2400psi、2500psi、2600psi、2700psi、2800psi、2900psi或3000psi,或者为在此之间的任何值。

可以改进辊压机以增加原料的碾磨程度。可以利用不同直径的辊子在相同速度下旋转来实现增加的原料碾磨。所述直径差为大约1.2-20.0cm,或者为在此之间的任何值;更具体地说,直径差为大约1.5-10.0cm,或为大约1.5-2.5cm,或者为在此之间的任何量。可选择的是,可以使用相同直径的辊子,但这些辊子在不同速度下旋转。在这种情况下,辊子之间的速度差为大约0-10%,或者为在此之间的任何值;在更具体的示例中,速度差为大约3.5-10%,或者为在此之间的任何值。使用不同直径的辊子,不同速度下旋转的辊子,或者使用不同直径并在不同速度下旋转的辊子,因而有效减小原料颗粒尺寸,并且使用较少的辊压机就能获得所需的原料颗粒尺寸。此外,可以根据需要调整辊子之间的缝隙以产生额外的剪切力。

通过一台辊压机或一组辊压机的结果是,原料颗粒尺寸减小到适合处理的尺寸。颗粒具有这样的尺寸:当挤压过的原料接着调成浆时,所得到的浆料可以在干固体浓度为大约8-20%或者为在此之间的任何量下泵送。优选的是,颗粒具有这样的尺寸:成浆原料在干固体浓度为大约10-18%或者为在此之间的任何范围下,或者在于固体浓度为大约12-15%或者为在此之间的任何范围下泵送。优选的是,原料具有适合成浆并且使用中稠度泵(比如Sulzer MCPump)泵送的尺寸。当原料离开一台或一组辊压机时,大多数原料颗粒的长度为大约10cm或更小。优选的是,至少大约70%、80%或89%的原料颗粒的长度为2.4cm或更小。例如大约70-89%或者在此之间的任何量的原料颗粒的长度为大约0.05-2.4cm或者为在此之间的任何量。

如上文所述,挤压湿原料导致原料稠度的增加。如果仅使用一台辊压机,那么在通过辊压机的一个辊间接触点之后,原料稠度为至少大约35%干固体,或者大约35-95%,或者为在此之间的任何干固体量。例如,原料稠度可以为大约35-60%,或者为在此之间的任何量。如果使用一组辊压机,那么在通过成组的至少一台(即,一台或多于一台)辊压机的辊间接触点之后,干固体的稠度为至少大约35%,或者为大约35-60%,或者为大约35-95%,或者为在此之间的任何干固体量。通过举例并参照图1B,在通过顶部辊子4与第一底部辊子2A之间以后的原料稠度或者在通过顶部辊子4与第二底部辊子2B之间以后的原料稠度为至少大约35%。优选的是,在挤压步骤之后和成浆步骤之前,原料稠度为至少大约35%。例如,参照图1A,在离开第三辊压机之后,原料稠度为至少大约35%,例如60%。

应当认识到,在辊压机、或者与一台或成组的辊压机组合使用的其他类型的压力机或脱水设备中减少湿原料的含水量之后,在进入下游压力机或脱水设备之前,可以增加原料的含水量。例如,水流可以添加到上游压力机的排放口、下游压力机的入口、或脱水设备,或在此之间任何位置。

作为挤压或成浆之后的下一步,可以对原料进行额外的沥滤。该步骤通过以下操作实施:使原料与水接触并持续一段时间,这段时间足以使原料中的一部分可溶性成分溶解,然后将至少一部分水溶液与原料固体分离。

挤压之后,原料在水中成浆。向原料添加的水量通常选择能够泵送原料的最小量。这样通常获得的稠度或固体浓度为大约8-20%,或者为在此之间的任何值。例如,稠度或固体浓度可以为大约8%、10%、12%、14%、15%、16%、18%或20%,或者为在此之间的任何值。优选的是,将减小的原料调成浆,用于生产稠度为大约10-18%,或为大约12-15%,或者为在此之间任何范围的原料浆料。

可选择的是,向原料中添加的水量为大约2.5-10份水/份固体(重量),或者为在此之间的任何值。例如,水与固体之间的重量比为大约2.5∶1、3∶1、3.5∶1、4∶1、4.5∶1、5∶1、5.5∶1、6∶1、6.5∶1、7∶1、7.5∶1、8∶1、8.5∶1、9∶1、9.5∶1或10∶1,或者为在此之间的任何量。例如,但不应当认为限于,减小的原料以5或6份水/份固体(5∶1或6∶1)成浆。

然后,对成浆原料进行稀酸预处理过程。该预处理过程将半纤维素或一部分半纤维素转化为糖,并且可以将一部分纤维素转化为糖。这种预处理的非限制性示例包括蒸汽喷发,如U.S.4,461,648(Foody;在此通过引用将其并入)中所述。一般来说,木质纤维素原料的稀酸预处理的条件包括:温度为大约160-280℃,或者为在此之间的任何量,例如160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃或280℃,持续时间为大约0.1-30min,或者为在此之间的任何量,包括0.1min、0.5min、1min、5min、10min、15min、20min、25min或30min,并且pH值为大约0.8-2.0,或者为在此之间的任何量,例如pH值0.8、1、1.2、1.4、1.6、1.8或2.0。对于低pH值的预处理需要向原料中添加酸。用于预处理的酸可以是现有技术中已知的任何种类的合适的酸,包括但不限于硫酸、亚硫酸或磷酸。由于硫酸的成本较低,并且回收之后可以用于硫酸盐形式的化肥,所以硫酸是优选的。利用稀酸进行的著名预处理方法包括在Grethlein(US 4,237,226)和Sassner等人(Appl.Biochem.Biotech,2005,121-124:1101-1117)中所述的方法,在此通过引用并入其内容。

然后,利用纤维素酶对预处理原料进行酶水解,以将纤维素转化为葡萄糖。尽管不希望被理论限制,但这种预处理提高了原料通过纤维素酶进行水解的灵敏性。通常,纤维素酶可容许的pH值为大约3-7;因此,在酶水解之前一般对预处理原料进行中和。在预处理之后,可以使用氨气、氨水(氢氧化铵)、氢氧化钠、氧化钙、碳酸钠或氢氧化钾调节pH值。例如,对纤维素酶较适合的pH值为大约4.5-5.0,或者为在此之间的任何值,例如,pH值为4.5、4.6、4.7、4.8、4.9或5.0。然后,利用纤维素酶对pH值调节后的预处理原料进行酶水解。

术语“纤维素酶”或“酶”的含义是将纤维素催化水解成诸如葡萄糖、纤维二糖和其他纤维低聚糖等产物的酶。纤维素酶是一种上位术语,是指由大量微生物产生的多酶混合物,包括外纤维素二糖水解酶(CBH)、葡聚糖内切酶(EG)和β-葡糖苷酶(βG)。在研究、表征和商业上生产的纤维素酶中最普遍的是来自真菌类的Aspergillus、Humicola和Trichoderma,以及细菌类的芽孢杆菌和Thermobifida。纤维素酶可由本领域技术人员熟知的基因工程技术生产。在非限制性示例中,上述预处理原料可以使用由Trichoderma生产的纤维素酶进行水解。

在优选实施例中,糖发酵成为乙醇。可由能够将产物流发酵达到预期效率和产量的酵母、细菌或其他微生物或者混合酶进行发酵。在优选实施例中,可使用基因工程的酵母进行发酵,例如,酵母可以是但不限于Saccharomyces或Pichia,或者细菌,例如,细菌可以是但不限于运动发酵单胞菌(Zymomonas)或埃布氏菌,除了发酵己糖葡萄糖、甘露糖、半乳糖或它们的组合之外,还能够发酵戊糖木糖、阿糖或它们的组合。可选择的是,产物流中的糖发酵成乳酸。本领域技术人员熟悉用于产生乙醇、有机酸或糖醇的糖的发酵条件。

参照图1A,显示了整个处理系统的非限制性示例。例如成捆小麦秆等原料被切碎然后用0.25-10倍于小麦秆的最大持水量的水湿润。在倾斜的带有筛网的转筒20上清洗原料。砂粒和含有可溶性固体的液体通过所述筛网。成流的砂粒和溶液被传送到水力旋流器或沉淀容器30以去除砂粒。溶液可以被重新使用来清洗进入的原料,或者为其他用途而被处理。

筛过的湿润的原料移动到第一传送带1上。来自第一辊压机40和/或第二辊压机50的挤压物43和/或70的溶液可以分别湿润原料。湿原料被传送到将其粉碎并挤压的第一辊压机40。包含小颗粒和溶液的挤压物43通过第一泵48(经管线45)被传送到倾斜的带有筛网的转筒20中。在被传送到转筒20之前,挤压物43可以被传送到第一涡流容器47。回收挤压物的固体并与供应到第一辊压机40中的原料混合。收集这种含有可溶性蛋白质、糖和盐的溶液并有可能用作副产品。也可以传送这种液体用于进一步处理,例如,但不限于,回收并浓缩蛋白质。

通过第二传送带42将经过一次挤压的固体传送到第二辊压机50。利用来自第三辊压机60的挤压物80湿润这种固体。湿的固体经过辊压机50。包含小颗粒和溶液的挤压物70通过第二泵56被传送到用于回收固体的固体筛除网75上。在被引入固体筛除网75之前,挤压物70可以经过第二涡流容器54。由筛除网75回收的挤压物的固体供应给传送带77,然后引入供应第一辊压机40的第一传送带1。溶液82可以注入清洗液容器92,然后泵送到净化器94中以去除微粒。然后净化的溶液96可以返回到第一传送带I。

二次挤压的固体沿着第三传送带52向第三辊压机60传送。用处理或吸入的水7湿润固体。来自第三辊压机60的挤压物80包含小颗粒和溶液。这种含有小颗粒的挤压物80通过第三泵62传送到供应第二辊压机50的原料固体中。这样就允许使用三阶段逆流清洗/湿润原料来沥滤原料。可选的是,挤压物80可以经过第三涡流容器63。

当第三次挤压完成时,原料颗粒已经剪切成适合泵送的尺寸。然后来自第三辊压机60的碎纤维通过传送带系统84传送到储料箱86中,并在此储存一段固定的时间。然后碎纤维通过传送带88被引入混合容器90中,在该混合容器中将碎纤维调成浆,以产生稠度8-20%或10-18%或12-15%或者在此之间任何数量的原料浆料。可选择的是,来自第三辊压机60的碎纤维以大约4.5-8份水/份固体(重量),或者在此之间的任何量,例如大约4.5、4.8、5.0、5.2、5.4、5.6、5.8、6.0、6.2、6.4、6.6、6.8、7.0、7.2、7.4、7.6、7.8或8.0份水/份固体,或者在此之间的任何量,例如大约5份水调成浆。

然后,使浆料经受下一处理过程100,该处理过程涉及在预处理反应器中的预处理步骤。在预处理反应器中,对浆料进行稀酸预水解,然后对得到的预处理浆料进行酶水解,从而如前文所述将纤维素转化为糖。

在下面的示例中,将进一步举例说明本发明。

实施例实施例1:使用辊压机系统减小小麦秆的颗粒尺寸使用碎木机等设备进行小麦秆的最初尺寸减小。平均秸秆长度减小到大约15cm。在进行必须的压力试验以前一直储存这种切碎的秸秆,其中大约1/3在有盖的车箱中,其余的在户外的储料箱中。在试验过程中,持续两天经受大雨。

碾磨机为4-辊型,带有“浮动的”液压减振的顶部辊子。辊间接触点之间的缝隙设置为0.0001″(万分之一英寸)。辊子具有不锈钢结构,长度0.76m(30″),直径0.457m(18″)。在辊子的圆周上开槽,这种圆周槽之间间隔为1.3cm(0.5″)。圆周槽的深度不限。通过480V,74A,60hp,1775rpm的电动机驱动碾磨机。该电动机与变速箱连接,但是不规定齿轮减速比和最终辊子的转速。碾磨机装备有显示电动机安培数和辊间压力的针规。

将秸秆人工装载到不锈钢丝网的篮子中。从每个篮子中获取进料秸秆的样本进行初始含水量测量、颗粒尺寸分析和化学成分分析。篮子容量为1立方米,足够容纳50kg松散捆扎的秸秆。记录所用的每个篮子的精确重量。在5500升的容器中,将篮子浸入大约4900升的水中持续20分钟。对每个篮子记录最初和最终的水位,然后获得容器容量样本以估算秸秆带走的水量,并可以计算每个篮子溶解的秸秆原料的量。20分钟的浸泡之后,从容器中取出篮子,然后进行大约10分钟的排水。

从每个篮子中取出浸泡过并排水的秸秆样本进行含水量分析。将篮子中大约一半样本(大约25kg烘干的秸秆)人工装载到1.5×8ft的传送带上,然后传送带提升到碾磨机的进料斗。人工控制传送带的速度以保持在进料斗的高度。对5次试验测量向传送带供应秸秆所需的平均时间。取出挤压过的秸秆的样本进行含水量测量、颗粒尺寸分析和化学成分。获得碾磨机挤压物的样本进行溶解和未溶解的固体的分析。对篮子中的另一半样本重复这种操作。

在开始二次轧制材料之前,用气动水泵清空并重新填充沥滤容器。使用在设备中过夜存放的挤压过的材料,通过利用单次碾磨机轧制来处理8篮子秸秆,再次制备单次轧制材料。这种单次轧制材料重新装载到篮子中,按照前文所述进行浸泡并排水,然后经过碾磨机进行第二次轧制。

用类似的方式生产三次轧制材料。

分析单次、二次和三次轧制的秸秆以进行泵测试。同样进行进料和挤压过的秸秆的样本进行无机物和氮分析。分析沥滤液和挤压物的溶解固体和全部固体。此外,分析秸秆的含水量和颗粒尺寸。

用两种方法测量颗粒尺寸。对于初始小麦秆样本和来自每次碾磨机轧制的样本,用尺子测量100根随机选取的纤维,然后计算平均长度。第二,用烘箱烘干部分秸秆,然后使用5个一组的标准筛网对20g用烘箱烘干的秸秆样本进行颗粒尺寸分析,同时称量保留在每个筛网上的秸秆数量。记录保留在每个筛网上的材料质量。分析粗粉碎、单次、二次和三次碾磨的材料中的各三份样本,然后对每种材料的结果计算平均值。

还对单次、二次和三次通过甘蔗压榨机的秸秆进行中稠度(MC)泵测试。对二次和三次轧制的秸秆进行组合分析。通过向竖管中的已知体积的水中添湿润的、挤压过的秸秆来进行这种测试。由初始水的体积、密封水的泄漏率和湿秸秆中水的体积之和计算竖管中水的总体积。从每个盛材料的圆筒中取出秸秆样本并分析固体含量。称量圆筒的重量,从而可以计算秸秆的干质量。然后用水的总体积除以烘干的秸秆重量,计算出液体与固体的比例。

功率消耗供应25kg烘干的秸秆所需的时间保持为20-35秒,5组试验测量的平均时间为30秒。测试用碾磨机的干纤维生产量估算为2.5-3吨/小时。当向碾磨机供应秸秆时,发动机电流消耗平均为大约55A,为额定满载功率的75%,辊间压力仅增加100-200psig,或者超过空载值大约8%。因此,不知道生产量的真实上限。

使用发动机电流消耗的范围为50-57A,平均为55A,并且发动机电压480V,对于25kg烘干秸秆的进料时间为30秒(0.0083小时),具体功率消耗计算如下:(55A*480V)*(1KW/1000W)*0.0083hr/0.025吨秸秆=8.8KWhr/吨秸秆。

应当注意,与目前使用的锤磨机相比,Fulton碾磨机生产量更高,能量需求更低。目前使用的最大的碾磨机是由1200hp的电动机驱动,每天能够加工9000吨甘蔗。

颗粒长度分布图2用图显示了对于挤压过的小麦样本的颗粒长度分布的结果。对辊压机的观测表明,在操作中,显然一小部分秸秆绕过辊子的开槽部分,过早地沿着辊子的侧面避开碾磨机。这可以通过沿着辊子侧面安装钢刮刀来避免。正是这小部分负责特大尺寸的材料。通过连续碾磨机轧制减小这小部分特大尺寸的材料,而不明显改变纤维平均长度。

应当注意,在使用筛网分析颗粒长度分布的过程中,是根据颗粒直径而不是长度来分离秸秆。当尺寸不表示材料的真实平均纤维长度时,以前的工作已经显示了平均颗粒长度与锤磨秸秆用的筛网尺寸之间的相互关系。筛分样本的直观观测显示了对于挤压过的秸秆材料的相似趋势—较大的颗粒保留在较大网孔的筛网上,而较小的颗粒保留在较小的筛网上。图3表现了这种结果,它显示了纤维尺寸的分布和产生的微粒的数量。

图2和图3显示的结果表明,连续的碾磨轧制既减少了特大尺寸的材料的数量也减少了保留在最大筛网上的材料的数量。另外,平均颗粒尺寸趋向于1.3cm的辊子圆周槽的间隔。此外,利用碾磨机的连续轧制仅略微增加微粒含量(分类为小于0.85mm的材料)。

图2和图3并不完全解决碾磨的小麦秆微粒的生产问题,这是因为—小部分微粒会被碾磨机的挤压物带走。分析挤压物样本中的未溶解固体—即,小麦秆微粒—但不测定固体的尺寸分布。碾磨机挤压物的直观观测表明,挤压物中的大多数小麦秆颗粒都非常小,为0.2cm或更小的数量级。表1表示了碾磨机挤压物中未溶解固体的重量百分比。

表1:碾磨机挤压物中未溶解固体的重量百分比

利用进料和挤压过的秸秆的含水量能够计算所产生的挤压物的总量。当与挤压物中未溶解固体的有关数据结合时,能够根据干秸秆计算挤压物中损失的微粒的总量。表2表示了这种计算。

表2:挤压物中以微粒形式损失的进料秸秆的百分比

微粒回收是甘蔗工业的标准过程,常规方法是筛分碾磨机挤压物。

可溶性成分分析图4显示了小麦秆非结构成分的组成。

由于沥滤,可溶性钾盐减少了90%。在利用甘蔗压榨机三次轧制后,与秸秆蛋白质含量有关的氮含量减少了大约40%。在本测试的条件下,秸秆中的二氧化硅、灰分和钙的含量未受沥滤和挤压操作的影响。

可泵性测试在单次、二次和三次通过甘蔗压榨机的秸秆上进行中稠度(MC)泵测试。对于单次轧制材料,最终获得的液体与固体比例是6.1∶1。当测试耗尽了所有单次轧制的秸秆时,停止测试。在本测试过程中可从有源仪器获得的数据仅为MC泵的安培数、竖管水位的读数和MC泵#1(P20408)的排放压力。这些数据中,竖管水位仅具有计算液体与固体比例的作用,MC泵#1的排放压力可通过改变泵速和MC泵#1回流管道上的阀门人工控制为65psig。用相同的方法控制MC泵#1的安培数,目标数值接近100%的满载安培数。唯一独立的参数是MC泵#2的安培数。图5表示了本试验过程中的两个MC泵的电流消耗。在本测试中,MC泵#2的电流仅增加了2%,即从66%的满载安培数(%FLA)增加到68%。

使用二次和三次轧制的组合材料进行类似的测试。由于竖管的溢流,在最终液体-固体比例5.9∶1下停止测试。此外,可以争取更高的固体稠度。图6表示了两个MC泵的电流消耗。MC泵#2显示了相同的2%的电流增加,即从66%FLA到68%。

总结使用Fulton压力机进行辊压机测试工作。根据功率消耗、生产量和颗粒尺寸减小估算设备。制备单次、二次和三次轧制材料各大约300kg。进行秸秆的化学分析以测定在挤压操作中去除的内在盐。

在第一次轧制过程中,小麦秆的颗粒尺寸从最初粗粉碎的大约15cm的平均长度减小到大约70%为1.5cm或更小的长度,其余30%的秸秆的长度至多为6cm。利用压力机连续轧制不仅减小了特大材料的百分比,也略微减小了产生的中尺寸颗粒。从一次到三次挤压过的材料的碾磨挤出物中收集的细颗粒的量增加3倍。

挤压过的秸秆的泵测试表现了与锤磨过的小麦秆相似的性能。获得的最终液体与固体比例为大约6∶1。因为单次与二次轧制材料的性能表现相似,所以材料的可泵性似乎与甘蔗压榨机轧制的次数无关。

在圆筒的沥滤液和碾磨机挤压物中,溶解的材料的平均量仅为初始干秸秆质量的2.5%。易于溶解的钾盐被去除;钙、灰分和二氧化硅减少了不到10%。全部凯氏氮(TKN)减少了大约40%。

本测试用的压力机的估计生产量为每小时2.5-3吨烘干的秸秆。这种速度基于对于大约25kg秸秆为约30秒的进料时间,但是碾磨机可以在低于生产能力运行。计算出压力机运行的具体能量消耗为大约9千瓦小时/吨秸秆的数量级。将秸秆粉碎到与用锤磨机粉碎的相似的颗粒长度所需的功率总量为70千瓦小时/吨。

挤压过的秸秆的平均含水量为45%。该数值不受通过碾磨机的轧制次数的影响。与本试验记录的2900psi的甘蔗压榨机辊间压力平均数相似,以前的测试使用2500psi的液压机所产生的固体的值为43%。

实施例2:使用具有增强剪切力的辊压机系统优化小麦秆的颗粒尺寸使用碎木机等设备完成小麦秆最初的尺寸减小。小麦秆的平均长度减小到大约15cm。在需要进行压力试验之前一直存储着这种粉碎的秸秆。

碾磨机为4-辊型,带有“浮动的”液压减振的顶部辊子。辊间接触点之间的缝隙设置为约0.0001″(万分之一英寸)。辊子具有不锈钢结构,长度0.76m(30″),直径0.457m(18″)或0.432m(17″)。在辊子的圆周上开槽,这种圆周槽之间间隔为1.3cm(0.5″)。通过480V,74A,60hp,1775rpm的电动机驱动碾磨机。该碾磨机装备有显示电动机安培数和辊间压力的针规。

辊压机的辊子产生的剪切力可通过以下情况增加:a)使用直径0.432m(17″)的顶部辊子和直径0.457m(18″)的底部辊子,或者b)驱动顶部辊子,使其速度比底部辊子的速度快大约5%。任何一种情况都产生辊子之间的速度差,从而增加作用在原料上的剪切力。

将秸秆人工装载到不锈钢丝网的篮子中。从每个篮子中获取进料秸秆的样本进行初始含水量测量、颗粒尺寸分析和化学成分分析。篮子容量为1立方米,足够容纳50kg松散捆扎的秸秆。记录所用的每个篮子的精确重量。在5500升的容器中,将篮子浸入大约4900升的水中持续20分钟。对每个篮子记录最初和最终的水位,然后获得容器容量样本以估算秸秆带走的水量,并可以计算每个篮子溶解的秸秆原料的量。20分钟的浸泡之后,从容器中取出篮子,然后进行大约10分钟的排水。

从每个篮子中取出浸泡过的并排水的秸秆样本进行含水量分析。将篮子中大约一半样本(大约25kg烘干的秸秆)人工装载到1.5×8ft的传送带上,然后传送带提升到碾磨机的进料斗。人工控制传送带的速度以保持在进料斗的高度。对5次试验测量向传送带供应秸秆所需的平均时间。取出挤压过的秸秆的样本进行含水量测量、颗粒尺寸分析和化学成分。获得碾磨机挤压物的样本进行溶解和未溶解固体的分析。对篮子中的另一半样本重复这种操作。

在开始二次轧制材料之前,清空并重新填充沥滤容器。通过利用单次碾磨机轧制来处理8篮子秸秆,再次制备单次轧制材料。这种单次轧制材料重新装载到篮子中,按照前文所述进行浸泡并排水,然后经过碾磨机进行第二次轧制。

用类似的方式生产三次轧制材料。

将进料和挤压过的秸秆的样本进行无机物和氮分析。分析沥滤液和挤压物的溶解固体和全部固体。还分析秸秆的含水量和颗粒尺寸。用两种方法测量颗粒尺寸。对于初始小麦秆样本和来自每次碾磨机轧制的样本,用尺子测量100根随机选取的纤维,然后计算平均长度。第二,烘干部分秸秆,然后使用5个一组的标准筛网对20g烘干的秸秆样本进行颗粒尺寸分析,同时称量保留在每个筛网上的秸秆数量。记录保留在每个筛网上的材料质量。分析粗粉碎、单次、二次和三次碾磨的材料中的各三份样本,然后对每种材料的结果计算平均值。

使用a)直径为0.432m的顶部辊子,和b)速度大约快5%的顶部辊子获得类似于实施例1所述的结果。

在此通过引用并入所有引用文献。

已经结合一个或多个实施例描述了本发明。然而,显然对本领域技术人员来说,在不脱离权利要求书所限定的本发明的范围的情况下可以进行多种改变和修改。

Claims (30)

1.一种生产预处理原料的方法,包括:a)提供选自草、谷类秸秆、秣草及它们的组合的原料,其中至少80%的所述原料的颗粒长度为大约2-40cm;b)用大约0.25-10倍于所述原料的最大持水量的水流湿润所述原料以产生湿原料;c)通过一台或一组辊压机挤压所述湿原料,以便从所述湿原料中去除至少一部分水和可溶性物质,并剪切所述湿原料以产生具有以下颗粒尺寸的挤压过的原料:当将所述挤压过的原料调成浆而生产成浆原料时,所述成浆原料在大约8-20%的干固体浓度下能够被泵送,其中所述一台辊压机,或者所述一组辊压机中的一台或多台辊压机包括带有圆周为V形槽的辊子,以及其中通过所述一台辊压机的辊间接触点或所述一组辊压机中的一台或更多台辊压机的辊间接触点之后,所述挤压过的原料的干固体稠度为至少大约35%;d)将所述挤压过的原料颗粒调成浆,以产生干固体浓度为约8-20%的成浆原料,然后将所述成浆原料泵送到预处理反应器;以及e)在160-280℃的温度下对所述成浆原料进行稀酸预处理以生产预处理原料。
2.如权利要求1所述的方法,其中,在提供原料的步骤(步骤a)中,所述谷类秸秆为小麦秆、大麦秆、稻草、菜籽秆或燕麦秸。
3.如权利要求1所述的方法,其中,在提供原料的步骤(步骤a)中,所述秣草为玉米秸或大豆秸。
4.如权利要求1所述的方法,其中,在挤压(步骤c)之前去除所述原料中的砂粒。
5.如权利要求1所述的方法,其中,在湿润步骤(步骤b)中,所述水流为水或基于水的溶液。
6.如权利要求1所述的方法,其中,在提供原料的步骤(步骤a)中,所述原料的颗粒长度为大约2-30cm。
7.如权利要求6所述的方法,其中,在成浆步骤(步骤d)中,所述浆料被泵送到所述预处理反应器中,随后在温度170-260℃、pH值0.8-2.0下进行0.1-30分钟的预处理,以生产所述预处理原料。
8.如权利要求7所述的方法,其中所述预处理原料通过纤维素酶进行水解以生成葡萄糖。
9.如权利要求8所述的方法,其中所述葡萄糖发酵为乙醇。
10.如权利要求1所述的方法,其中在湿润步骤(步骤b)或挤压步骤(步骤c)之前部分沥滤所述原料。
11.如权利要求1所述的方法,其中,在挤压步骤(步骤c)中,使用三台一组的辊压机。
12.如权利要求1所述的方法,其中,在湿润步骤(步骤b)中,所述液体的温度为大约20-95℃。
13.如权利要求11所述的方法,其中,在湿润步骤(步骤b)中,所述液体的温度为大约30-85℃。
14.如权利要求1所述的方法,其中,在挤压步骤(步骤c)中,所述一台辊压机或者所述一组辊压机中的一台或多台辊压机对所述原料施加的压力为大约2400-3000psi。
15.如权利要求1所述的方法,其中,在成浆步骤(步骤d)中,至少70%的所述原料颗粒的长度为2.4cm或更小。
16.如权利要求15所述的方法,其中,在成浆步骤(步骤d)中,至少80%的原料颗粒的长度为2.4cm或更小。
17.如权利要求16所述的方法,其中,在成浆步骤(步骤d)中,至少89%的原料颗粒的长度为2.4cm或更小。
18.如权利要求1所述的方法,其中,在挤压步骤(步骤c)中,所述一台辊压机或者所述一组辊压机中的一台或多台辊压机产生额外的剪切力以减小所述原料颗粒的尺寸。
19.如权利要求18所述的方法,其中由所述一台辊压机或者所述一组辊压机中的至少一台辊压机的辊子的直径差产生所述额外的剪切力。
20.如权利要求19所述的方法,其中所述一台辊压机或者所述一组辊压机中的一台或多台辊压机的辊子的直径变化范围为大约1.2-20cm。
21.如权利要求18所述的方法,其中由所述一台辊压机或者所述一组辊压机中的一台或多台辊压机的辊子的速度差产生所述额外的剪切力。
22.如权利要求21所述的方法,其中所述一台辊压机或者所述一组辊压机中的一台或多台辊压机的辊子的速度变化范围为大约3.5-10%。
23.如权利要求1所述的方法,使用一组辊压机,其中所述湿润步骤(步骤b)包括使用从所述一组辊压机中的一台或多台辊压机收集的挤压物逆流清洗所述原料。
24.如权利要求1所述的方法,其中,在成浆步骤(步骤d)中,所述成浆原料的干固体稠度为大约10-18%。
25.如权利要求24所述的方法,其中所述成浆原料的干固体稠度为大约12-15%。
26.如权利要求1所述的方法,其中,在挤压步骤(步骤c)中,使用两个一组的辊压机。
27.如权利要求1所述的方法,其中,在挤压步骤(步骤c)之后和成浆步骤(步骤d)之前,所述挤压过的原料的干固体稠度为至少大约35%。
28.如权利要求1所述的方法,其中,在挤压步骤(步骤c)中,一台或多台其他压力机或者一台或多台的其他脱水设备,与所述一台辊压机或所述一组辊压机结合使用,其中所述一台或多台其他压力机或者所述一台或多台其他脱水设备不是辊压机。
29.如权利要求28所述的方法,其中,在挤压步骤(步骤c)之后和成浆步骤(步骤d)之前,所述挤压过的原料的干固体稠度至少为大约35%。
30.如权利要求1所述的方法,其中该方法是一种连续供应所述原料并且连续提取所述预处理原料的连续方法。
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