CN101939480B - 用于水解纤维素物质的方法和设备 - Google Patents

Abstract

水解含有木质素和气袋的木质纤维素物质的方法涉及，在pH为10-14的第一碱中浸渍木质纤维素物质，使得第一碱接触木质纤维素物质中的木质素。下面，提升木质纤维素物质通过将纤维素物质酸解转变为糖的重力压力容器。根据其它方法，在浸渍过程中或者在重力压力容器或两者可以引入超声。

Description

用于水解纤维素物质的方法和设备

此申请要求2007年11月1日申请的、系列号为11/981,437的美国非临时专利申请的优先权，在本文中将其引入作为参考。

技术领域

本发明一般指向一种方法，由此木材纤维素物质通过将纤维素物质酸解为随后被发酵的糖而转化为乙醇。该酸解在重力压力容器中发生。特别地，本发明指向用碱浸渍木材纤维素物质使其在重力压力容器中更温和处理的设备和方法。在更特别的实施方式中，本发明还指向在重力压力容器中使用超声波以辅助处理木材纤维素物质。

背景技术

乙醇是可行的、经济的、且相对清洁的燃料替代品或添加剂。它通常从谷物或其它含有糖和淀粉的物质发酵而获得。较少地，能够将从废弃资源中获得的纤维素物质转变为糖，该糖能够被发酵而获得乙醇。这种废弃纤维素的使用在面对较高的谷物成本和有关废弃处置已经具有特别的吸引力。使用谷物生产乙醇安排增加对谷物的需求，增加了其它用途的成本。通过在产生乙醇时使用纤维素废弃物质，可能降低对化石燃料和谷物产生的燃料的需求。

纤维素物质通常包括废纸、农业废物(chafe)、城市的固体废弃残留废物(fluff)和木材产品。含有纤维素物质的原料通常从一般在销售商品提取之后的城市的固体废物得到。然而，纤维素原料物质不能从任何资源中得到。

纤维素物质能够通过水解而转变为糖。迄今在本领域中，纤维素物质已经通过先将该物质还原为纸浆、然后将纸浆与硫酸反应而水解。通过引入加热，水解开始、纤维素物质转变为糖。通过快速冷却混合物而停止反应，随后酸中和。需要快速停止是因为水解反应实质上是瞬间的，而且对热过度曝露于热和酸性条件将产生糖产品的分解，由此降低收率。

在本领域中已知进行水解的多种方法和反应。例如，美国专利号3,853,759、4,792,408、5,711,817和5,879,637公开了连续流动水压塔，其中，将悬浮在水中的物质加热并重力加压至产生水解。通过塔压力推动加热的物质向上通过塔，由此冷却并减压。专利号5,711,817和5,879,637公开了用于水解纤维素物质的水压塔(也称作“重力压力容器”)，用于控制和操纵水解反应的长度、并控制反应的停止。本发明可特别在那些专利中应用的，而其应用不限于那里或那方面。

本发明主要涉及通过使用重力压力容器和发酵过程将“木材”纤维素物质转变为有用的最终产品。本文中，“木材纤维素物质”被理解为是指含有含可变百分比的不同种类组分的含有纤维的或木质的基质的纤维素物质，包括但不限于：气袋、木质素、葡聚糖、水分、木聚糖、灰分或任意的金属氧化物、糖醛酸、阿拉伯树胶(arabinan)、半乳聚糖、甘露聚糖、乙酰、土壤、叶绿素、蛋白质和其它对本领域所实践的那些所公知的痕量提取物。尽管对于其它种类的纤维素物质重力压力容器和有关方法已经有一些成功实践，但在使用木质纤维素物质时已遇到困难。需要大量的能量来机械地破坏木质纤维素物质，以暴露纤维素物质，以水解为糖。输入以破坏木质纤维素物质成为通过弱酸水解没有纤维能转变为多糖的尺寸的能量能够显著地大于由产生自纤维素物质的乙醇所产生的能量。另外，木质纤维素物质中的气袋能够通过重力压力容器使该物质漂浮在载液中，防止该物质通过系统而流动。结果，这种木质纤维素物质或者没有在重力压力容器中应用，或者到可以如此应用它们的程度对存在的领域通常是难控制的。

本发明寻求满足本领域中用于降低向重力压力容器中加料的木质纤维素物质尺寸方法的需要，还寻求更好地将木质纤维素物质悬浮在重力压力容器的载液中，以增加经过酸水解和发酵将纤维素物质转变为乙醇的方法的效率。

发明内容

一般而言，本发明提供了水解含有木质素和气袋的木质纤维素物质的方法。根据该方法，将木质纤维素物质用pH为10-14的第一碱浸渍，使得该第一碱与含木质素的木质纤维素物质内的木质素接触。此后，木质纤维素物质通过用于将纤维素物质酸解转变为糖的重力压力容器提升。

根据其它实施方式，本发明提供了水解含有木质素和气袋的木质纤维素物质的方法，其中，该方法涉及将木质纤维素物质引入重力压力容器中，并在重力压力容器中引入超声波。更特别地，重力压力容器包括(a)具有较低封闭端的管状外壳，(b)位于管状外壳内并具有较低开口端的逆流管状外壳，由此外部反应器环形套筒形成于管状外壳和逆流管状外壳之间，以及(c)紧接管状外壳的较低封闭端的缺乏氧化反应区。超声波在缺乏氧化反应区引入。

在另一个实施方式中，本发明提供了水解含有木质素和气袋的木质纤维素物质的方法，其中，该方法包括用pH为10-14的第一碱浸渍木质纤维素物质，使得第一碱与木质纤维素物质内的木质素接触，此后将木质纤维素物质引入重力压力容器中，并在重力压力容器中引入超声波。更特别地，重力压力容器包括(a)具有较低封闭端的管状外壳，(b)位于管状外壳内并具有较低开口端的逆流管状外壳，由此外部反应器环形套筒形成于管状外壳和逆流管状外壳之间，以及(c)紧接管状外壳的较低封闭端的缺乏氧化反应区。超声波在缺乏氧化反应区引入。

引入本发明的概念的、优选的用于将纤维素物质连续转变为乙醇的示例设备和方法通过附图中的实例来示出，而没有企图显示本发明可能概括的所有各种形式和改变，通过所附的权利要求书而不是通过详细说明来估量本发明。

附图说明

图1为根据本发明由纤维素物质生产乙醇的全部过程和系统的流程图；

图2为用于将碱液引入纤维素流动通过系统的设备的一般示意图；

图3为图2的第一碱液交换过滤器的一般示意图；

图4为图2的第二碱液交换过滤器的一般示意图；

图5为根据本发明重力压力容器的部分垂直的截面视图；

图6为暴露内部反应壳的部分重力压力容器的等比例视图；

图7显示了用于引入清洁重力压力容器的液体蒸汽和用于向重力压力容器引入超声波的根据本发明所制成的搅拌桨的立面视图，以及图7A、B和C显示了它的截面图；

图8显示了用于管带组件的运行门组件的截面侧视图和截面图；

图9显示了重力压力容器系统的一般侧面立面图，显示出用于驱动管条带组件的卷轴。

具体实施方式

参考图1的示意性表示最好地描述本发明的整个过程和系统。应该理解，为了此公开，特别关于示意性表示，将合适的泵送设备和管道应用于在系统的各步骤之间移动物质。还应该理解，将纤维素物质转变为乙醇的过程是连续的过程，因此本领域的技术人员会理解将使用各种泵送设备和储存区域来维持连续操作中的过程。

在由数字10在图1的示意中一般标明的过程中，将纤维素物质的原料物流12、不要的原料和水递送到沉渣槽14，在那里以已知的方式将纤维素物质与不要的原料分离。原料物流包括木质的或纤维的纤维素物质。根据本发明，木质的纤维素物质能够从任何包括但不限于以下的多种资源，建筑或拆卸的碎片；农业废物；庭院废物；制造中或来自制造的木材产品；风暴损害的碎片；纸浆和纸生产废物；甘蔗渣；玉米杆(corn stover)；和收获的纤维质农作物。因为一些这些类型物质通常被指定为废物而几乎没有价值，因此它们经常存在储存责任，而且通常具有这种物质的人将负担去除它们的费用。

随着引入作为部分原料物流12的水，一些物质可能溶解，同时纤维素物质可能悬浮在水中作为浆液。大多数木质纤维素物质将悬浮在载液中，使载液难以运送它通过系统。在沉渣槽14，不要的较高密度物质如沙砾或土壤能够被除去，同时留下悬浮的木质纤维素物质。沉在载液中的不要的较高密度物质能够被除去。

从沉渣槽14，将除去杂质的水和纤维素物质的物流递送至盆式研磨机(tub mill)16，在那里将固体减小至通常较小的尺寸。一般而言，将固体减小至约2×2×4cm大小、或者更优选1×1×2cm大小以及其它任意的更细物质，尽管根据由该方法的最终产品获得的能量必须考虑将该物质减小至甚至更小片的能量成本。在盆式研磨机16，可以存在除去生产物流中附着在纤维素物质上或者另外在沉渣槽14中没有除去的不要物质的第二次机会。

本发明集中于处理木质纤维素物质，使其能够对用于解聚全纤维素物质及用于流过将纤维素物质转变为乙醇的重力压力容器的化学品是可接近的。木质纤维素物质不容易与水流过重力压力容器，而是漂浮并阻碍系统的流动。因此，在本发明中，将碱引入木质纤维素物质的基质中以使其密度更接近并优选稍微高于载体水，因此确保生产物流中大部分木质纤维素物质将流过重力压力容器并被有效地加工。待加工的悬浮液中物质的目标比重为0.98-1.04，或者更优选1.00-1.02。

现在参考图2，纤维素物质离开输送机(scale conveyor)18上的盆式研磨机16，并引至覆盖的浮出漏斗(emersion funnel)20。还将水从水源22引至浮出漏斗20。水和纤维素物质从漏斗20流入导管24、通过存水弯26、流入第一碱液过滤器28，由于水跌(hydraulic drop)而移动从漏斗20的入口至第二碱液交换过滤器30的出口通过虹吸系统，下面更全面地说明。水跌移动纤维素和水，优选在漏斗20产生科里奥利效应，足以拖动木质纤维素物质通过导管24。此效应足以使木质纤维素物质与水载液一起移动。

在第一碱液交换过滤器28，水载液基本上从生产物流除去，并用第一碱液替换。参见图3，能够看见第一碱液交换过滤器28包括主腔室32，该主腔室中具有筛网圆筒(sieve drum)34，以在主腔室32的壁38和筛网圆筒34的多孔壁40之间产生环形空间36。导管42与圆筒34的内部44连通、且可以包括泵43以从生产物流中汲取具有溶解的糖类的水，通过多孔壁40、进入要通过导管42吸出的内部44。圆筒34在主腔室32中以箭头A的方向旋转，且从入口46至出口腔室48，引至第一碱液交换过滤器28的纤维素物质涂覆圆筒34的多孔壁40、并依靠在多孔壁40上。通过泵43从生产物流中抽取水，多个冲洗喷嘴50将除气后的水指向纤维素物质、并进入圆筒22的内部。优选脱气后的水以使气体引入系统的任何可能最小化。从木材和纤维材料抽取的气体如空气不冷凝、并通过鼓风机53从系统除去，以保持真空条件来支持包括封闭的过滤器28和漏斗20与76的图3的导管24、62和72的虹吸特点。还用能够通过在蛇管55中急冷而冷凝的空气提取水蒸气，因此水蒸气有助于建立和支持虹吸系统中的真空条件。

在出口腔室48，多个碱喷嘴52将第一碱液指向依靠在圆筒34上的纤维素物质，将来自圆筒34内部44的第一碱液通过多孔壁40指向，由此除掉圆筒34上的纤维素物质并进入出口腔室48。以此方式，将水基本上从生产物流中除去，被第一碱液替换。本文使用的术语“第一碱液”使这里使用的碱液与在此过程之后使用的“第二碱液”区别开。再参考图2，按需要，将第一碱液从原料碱源54供料，以及在某些实施方式中，从按以下描述的在第二碱液交换过滤器30从生产物流除去的第一碱的任选循环供料。使用泵56从原料碱源54移动新碱液，使用泵58从过滤器30移动循环的碱液。

选择第一碱液用于其能力以溶解木质纤维素物质的基质中的木质素，由此使其破碎成均匀的较小的片、优选为小的分离纤维，暴露纤维素物质的更多表面积。当木质素溶解时木质纤维素物质将开始松碎，纤维将去掉。最后将纤维素物质供料至重力压力容器。在重力压力容器，将由载液中的氧来氧化溶解的木质素，并且放热的氧化反应将提供热以使生产物流更接近用于纤维素物质酸解解聚的目标温度。通过木质纤维素物质破碎成小的分离纤维的事实将改善酸解。

当纤维素物质原料具有含大量可溶的淀粉和糖或胶质(如阿拉伯糖或木糖)、其能容易地被通常为水的载液提取的本质上的种类就最容易利用过滤器28。对于这种原料，过滤器28将许多那些容易提取的淀粉和糖与载液一起除去，如此除去的淀粉和糖能够供料至另外的生产设备，如图1中在箭头60所表示的、或者如图2中在导管42。应该理解，水基本上除去，以便在通过紫外线照射或其它合适的非化学的侵入方式灭菌后，有效地回收水中的糖和淀粉用于其在发酵过程中的使用。

在参见图1，能够看到在导管42的在第一碱液交换过滤器除去的任何可用的可溶提取物能够供料至可溶提取物消毒站61，以除去入侵的细菌或使其无害以产生乙醇或其它代谢的预选择产物，该入侵的细菌会干扰最优的真菌代谢。任何必要的灭菌之后，能够将可溶的提取物提升至糖类浓缩站63以增加其中糖类的浓度，具有在65提取的任何销路好的副产品。能够将浓缩的糖类供料至已知的发酵过程，如第一步发酵110所示。由此，过滤器28提供初始淀粉和糖的回收步骤，而该淀粉和糖在发酵过程中被处理以产生有用的产物、特别是乙醇。过滤器28最有利地用于含有足够的能在过滤器28除去的类型的淀粉和糖的原料以验证另外加工装置的使用。更特别地，如果用于提取在过滤器28的淀粉和糖、并移动和处理这些糖以获得乙醇的能量超过从乙醇和其它产生的产物获得的能量，则过滤器28会是无益的。当处理不含有大量淀粉和糖以在过滤器28除去的纤维素物质原料时，第一碱液可以在虹吸管20直接添加，并能够从该过程中去掉过滤器28。这示于图2中，在虚线画出的元件，特别是在导管24′；和碱供料管线57和59，将直接向虹吸管20提供第一碱液。

生产物流通过第一碱液交换过滤器28后，随着水基本上被除去并用第一碱液替代，生产物流进入虹吸供料管62，在那里接收另外的第一碱，如入口64所示。流过虹吸供料管62的生产物流现在是指包括第一碱液和纤维素物质，当那些为主要成分时。

选择并添加第一碱液，以便上升通过虹吸供料管62的生产物流表现出具有pH为约10-14、更优选11-13的特性。在出口腔室48能够使用传感器以读出生产物流的pH，能够将微处理机51编程以调节原料和添加的循环碱液的量。通常，第一碱液为水性液体，尽管可以有利地使用除水以外的溶剂用于特别的纤维素物质原料，而且本发明不限于水性碱液。可以从氧化钙或其它已知的沉淀或中和碳酸或硫酸的无毒金属氧化物碱选择用于提供第一碱液的可使用的碱，但排除产生发酵抑制剂或积累再循环水系统的成分例如氯化物或毒性金属如铅或汞。特别有用的碱是氢氧化钙。

再参见图1的示意图，接着参考图2，将纤维素物质的生产物流与第一碱液通过虹吸导管62从碱液交换过滤器28供料至伞形漏斗66。在漏斗66，将碱引至进入木质纤维素物质的基质，特别是接触木质纤维素物质的木质素。如图2所看到的，真空源68作用于漏斗66，并用于除去其中木质纤维素物质的空气。从木质材料和纤维材料提取的气体如空气不压缩，且通过鼓风机69从系统除去，以保持真空条件来支持包括封闭过滤器28的图3的导管24、62和72，以及漏斗20和76的虹吸特性。还用能够通过在蛇管71中冷凝来冷凝的空气提取水蒸气，并因此贡献于产生和支持虹吸系统的真空条件。真空源68优选在漏斗66产生低于1大气压的压力、更优选0.7-0.2atm、甚至更优选0.5-0.2atm。这些压力可能足够用于除去鼓风的纤维素物质内的气袋，但是在此处的公开并不被认为是限制本发明。

当生产物流从虹吸管入口70至存水弯72流过漏斗66时，由于在高度上的滴落产生压力增加，在木质纤维素物质中的空气预先充满的空间至少用第一碱部分替换。优选漏斗组件66的尺寸为使得从入口70至存水弯72底部的压力增加至少为1.3大气压。

漏斗66优选由通常圆柱形的上部74和截头圆锥体的下部76形成，入口70将生产物流切线地引至圆柱形上部74，以帮助加强克里奥利效应(在北半球的顺时针方向和南半球的逆时针方向)。

这种优选的流动有助于引起第一碱和纤维素物质的液体物流中剩余部分漂浮的碎片的浸没。

可选择地，超声波驱动器82能够定位以在漏斗组件66中引入超声波。超声波将搅动生产物流并有助于改进气体提取和碱进入木质纤维素物质的基质的速率，由此增加通过碱将木质素溶解的速率。这增加了木质纤维素物质的清扫，并增加了能够通过酸解解聚为多糖的其分离为更小的纤维。实质上能够通过特别是超声波具有23W/cm²+/-10％的功率密度，及24kHz-45kHz的频率、更特别为26kHz-30kHz的频率加上其谐波的特别的实施方式，可以将任何超声波引至虹吸管66。优选地，生产物流的停留时间为使得将生产物流暴露到超声2-10秒、更优选3-5秒。

纤维素物质生产物流和第一碱载液从出口腔室48至第二碱液交换过滤器30以水跌(水压滴落)的方式移动通过密封的系统。第二碱交换过滤器30基本上与第一碱液交换过滤器28相似，只是引入第二碱而不是第一碱。如下面更详细地描述，使用过滤器30将生产物流的pH降至用于重力压力容器的更中和的水平。参见图4，第二碱液交换过滤器30包括主腔室84，该主腔室具有在主腔室84的壁90与圆筒86的多孔壁91之间建立环形空间88的筛网圆筒86。在第二碱液交换过滤器30，通过导管92和泵93除去第一碱载液，并将新的第二碱液在出口腔室96的第二碱喷嘴94引入。显著地，基本上为除去的是第一碱载液，同时木质纤维素物质的基质内的第一碱留下来。纤维素物质被运输到具有作为载液的第二碱的过程10的下一个设备，尽管随着第一碱液交换过滤器28一些第一碱液可以留下。离开过滤器30的生产物流优选包括极少第一碱液，使得需要较少的第二碱液使生产物流达到希望的目标pH水平。

选择第一碱液为适合于保持木质纤维素物质的基质中pH为10-13的强碱。这适合于破碎木质纤维素物质中的木质素，以使木质纤维素物质更易破碎成分离的纤维素纤维。然而，此生产物流中的纤维素物质最终将在重力压力容器中进行酸解反应。因此，选择比第一碱的碱性弱的第二碱，使得必须加入纤维素物质和第二碱的生产物流的酸较少而带来重力压力容器中的湿酸解。

选择并添加第二碱液，使得提升至重力压力容器的生产物流表现出pH约7-8.5、更优选7.8-8.2的特性。能够在出口腔室96使用传感器，以读出生产物流的pH，能够将微处理器编程以调整所添加的第二碱液的量。通常，第二碱液可以为水性液体，尽管可以有利地使用除水以外的溶剂用于特别的纤维素物质原料，而且本发明不限于水性碱液。可以选择氧化钙或其它已知的沉淀或中和碳酸或硫酸的无毒金属氧化物碱用于提供第二碱液的可使用的碱，但排除产生发酵抑制剂或积累再循环水系统的成分例如氯化物或毒性金属如铅或汞。特别有用的碱是氢氧化钙。再参见图1，生产物流继续从过滤器30至重力压力容器100。生产物流中的纤维素物质具有聚集在一起的倾向，因此，在重力压力容器100前，可以将生产物流供料至管线浸渍器98，在那里能够打开这些团块。另外，纤维素物质还能够分离成更小、更有用的尺寸，能够进行额外的作用以除去生产物流中的任何不要的物质。离开过滤器30或管线浸渍器98的生产物流，如果使用一个，将优选具有上述pH条件，该条件具有按可变的领域条件所规定的8-16％、更通常为10-14％的悬浮固体含量，以及运输介质的平均重力压力容器温度(粘度)。

在将在下文中更详细描述的重力压力容器100内，使处理的生产物流进行实现酸解的合适条件。此水解将大部分纤维素物质转变为糖。应该理解所得到的糖变成水解后的部分生产物流。用于此描述的目的，术语糖通常指由纤维素物质的酸解产生的那些产物，通常可定义为糖和淀粉及其衍生物。然而，应该理解，可以由水解产生所得到物质的非常宽的光谱，即使当使用精密控制的原料。

将酸、氧、碱和二氧化碳供料至重力压力容器100。这通常在酸配方102、氧供料104、碱供料105和二氧化碳清扫106以及在图1中有关联的箭头来显示。在重力压力容器100中，将木质纤维素物质破碎，并将木质的和非木质的纤维素物质二者一起转变为糖类，由此产生糖类溶液。例如通过密度分离器或过滤器如在108净化糖类溶液。下面，如果必要，例如通过使用反渗透过滤器或分子筛如在63浓缩糖类溶液(如果有第一碱液交换过滤器28提取的糖类，则一起浓缩)。然后将浓缩的糖类溶液供料至发酵阶段，如第一阶段发酵110这里所示的示例发酵阶段，具有第一“A”酵母提取和循环站112，以及第二阶段发酵114，具有第二“B”酵母提取和循环站116。如在燃料提取118和图1中有关的箭头所示，提取所得到的乙醇燃料，作为副产物和水。同样，二氧化碳、挥发的有机化合物、和其它适于销售的化合物包括但不限于，糠醛、尿素、酸性酸、甲酸、木糖、碳酸钙、糖类、酵母、聚集体和金属矿石，可以从该过程提取，并且适当加工并取得至市场或者返回供料至图1过程的合适区域，如在二氧化碳清扫106所示。

使用重力压力容器以产生需要的糖类通常是已知的，同样是发酵过程和各种用于回收试剂以循环入系统或者回收可销售的产品或者废产品的各种过程。在GPV中生产糖类的方法提供在美国专利No.5,711,817和5,879,637，并且该发明不特别涉及GPV实践的细节的公开。而是，本发明通过在GPV中使用木质纤维素物质的方法并增加在GPV中存在的过程的效率，在已知的重力压力容器领域上改进。上述公开教导了怎样使木质纤维素物质适应碱液，以便可以容易地流过GPV而不需要能量消耗的泵。以及提到能够选择碱液，以有助于破碎木质纤维素物质，并且下面的公开将教导可以怎样使用超声来破碎GPV中的纤维素物质，以获得更有效的酸解。下面的公开还说明了通过第一碱液溶解的木质素的有利处理。

如上所述，将来自第二碱液交换过滤器30的生产物流供料至重力压力容器100。重力压力容器及其处理纤维素物质的操作通常是已知的，而且重力压力容器的细节在此不需要重复。反而，将公开通常的结构以便能够集中由本发明提供的GPV过程的提升。由此参考图5和图6，GPV 100包括反应容器150，该反应容器具有形成于管状外壳153和逆流管状外壳156之间形成的外部反应器环157。内部反应器环165形成于末端敞开的管状外壳156与二氧化碳输入管160之间。内部反应外壳170设置于内部反应器环165内，并可拆除地固定到二氧化碳输入管160的部分垂直长度。内部反应外壳170改变了内部反应器环165的形状，并产生和定义了反应区域。

在作为缺乏氧化反应区的区域190，生产物流下降并达到外壳153的封闭末端154。当其下降时，当在木质纤维素物质的基质内由第一碱液溶解木质素时，木质纤维素物质继续破碎。这导致生产物流中基本量的溶解木质素的存在。另外，当木质纤维素物质破碎时，在上升通过重力压力容器，暴露更多纤维素物质以水解。在现有技术中，通常在区域190添加蒸汽以将热递送至生产物流。然而，根据包括使用木质纤维素物质的本发明，氧通常向下引入管162至排出点167。这将在下面更详细地描述。

从区域190，生产物流上升通过内部反应器环165、通过内部反应外壳170并通过由此限定的反应区。在此实施方式中，内部反应外壳170包括第一文丘里管部分171、第二文丘里管部分173、和第三文丘里管部分175。为了说明上升通过内部反应器环165的纤维素物质的水解，考虑这些文丘里管部分以限定六个反应区域。

第一区域191通常被定义为第一文丘里管区域171的点172下面的环165的区域。在第一反应区域191或其附近，二氧化碳输入管160在排放点161终止，以将二氧化碳引至区域191内的生产物流。这涉及图1的示意图以及如在106的二氧化碳的引入。二氧化碳在生产物流内形成碳酸，由此降低pH并催化水解反应。优选将足够的二氧化碳添加至生产物流以使溶液的pH为5.0以下、优选3.5以下。由于由降下外部反应器环157的生产物流的高度产生的压力以及由二氧化碳的引入而产生液体密度的降低，将生产物流向上上升至内部反应器环165。

现在含有足够二氧化碳的预热生产物流继续向环165上升、并相遇第二反应区域192，在那里由于第一文丘里管部分171而限制了液体物流的流动。生产物流与文丘里管部分171的接触在通过的液体中产生了微小的冲击波，该通过的液体为即时混合液体和悬浮颗粒的源。

向上移动通过环165，液体物流下一步进入第三反应区域193。区域193通常定义为与第一文丘里管部分171和第二文丘里管部分173的连接点相邻或靠近的环165内的区域。在区域193内，通过酸供料管181和酸供料环183将酸引至系统，以获得约2.0至约3.0范围内的pH，这实现了纤维素物质的水解。这涉及图1的示意图以及如在酸配方102的酸的引入。

当酸解反应将纤维素物质转变为糖时，液体物流继续向环165并进入前反应区域194。区域194通常被限定为按第二文丘里管部分173的圆柱形部件174的结果所邻近并降低的环165内的区域。限制区域194以增加经历酸解的液体物流的流速，由此限制水解发生的时间。延长纤维素物质的酸解超过需要的时间将破坏从该反应所寻求的糖。通常，花费约2至约4秒以使液体物流上升通过区域194。由于反应时间很关键，可以随几种因素而变化包括原料的性质、区域194的长度以及通过改变部件174的尺寸能够改变的反应时间。

快速移动通过区域194，然后液体物流上升进入第五反应区域195。区域195通常被限定为与第二文丘里管部分173和第三文丘里管部分175的连接点相邻或靠近的环165内的区域。在区域195内，通过腐蚀性物料管182和腐蚀性物料环184引入腐蚀性溶液如氢氧化钙。这涉及图1的示意图以及如在105的碱的引入。按已知的，腐蚀性溶液的引入将pH升至约7.5或以上，由此阻止酸解反应。在105的碱添加称为“废”碱，因为可以由来自过滤器28的回收第一碱来提供，尽管还能够由不同的源提供。

向反应器容器150顶部上升，由于产生冲击波混合的第三文丘里管部分175，液体物流再次限制在第六反应区域196。继续从该区域向上移动，液体不受限制地向上升至环165的剩余部分，并最终达到反应器容器150顶部，在出口166离开该容器。

上面已公开了重力压力容器的一般结构和功能，现在公开本发明的进程。按所提到的，根据本发明，通过管162将氧引入区域190，在那里在现有技术中通常添加蒸汽。添加氧以氧化特别包括木质素的溶液中的物质，因此这是缺乏的氧化反应区，其中，通过“缺乏的氧化反应区”，供给的氧比在溶液或悬浮液中全部氧化所有有机物所需要的氧少，而且供给足够的氧以产生所需要的热增益来支持自发的重力压力容器操作。当生产物流上升通过内部反应环165时木质素和其它物质将氧化，该放热反应将加热向上流动的生产物流，也依次加热向下流动的生产物流。因此，当在现有技术中在最接近的区域190添加蒸汽，在此过程中能够添加氧气以处理溶液中的木质纤维素物质和大量木质素。如果木质素的氧化不产生足够的热以使向下流动的生产物流达到需要的温度，则仍然需要蒸汽。在本系统冷却开始时中也需要蒸汽。因此，管162按需要递送氧、或者蒸汽或者二者。将以比所需要化学计量的量少的量添加氧气。按液体介质的流速、说明层升温和较低GPV辐射损失的重力压力容器操作的寿命、存在于原料中木质素的量、通过GPV内部热传递管的热回收的可变速率、以及GPV液体入口和出口之间的需要的最终温度差值所规定的来选择所需要的氧的量。

需要通过达到区域190的时间生产物流达到约250-260℃的温度。因此，可以采用热电偶管壳185以监控反应器容器150内连续流动液体的物理和化学性质，并可以基于在该壳185所取得的读数使用微处理器以通过管162控制添加氧或蒸汽或二者。一旦该容器以连续方式操作，当其下降至外部反应器环157由木质素氧化和酸解反应产生的热迁移通过逆流壳156以加热生产物流。因此，蒸汽仅以需要的基础递送通过管162；即，补偿通过逆流156不足预热的那部分向下流的液体。

应该理解，需要驱使纤维素物质水解的热通常大于200℃、并优选约260至约290℃范围内。温度越高，越需要较少的酸来驱使该反应。然而，在太高的温度下，水解反应不容器控制，因此导致糖产物的分解。因此，基于本文的教导，本领域的技术人员能够改变获得最佳结果的温度和酸度。自然，不断改变的原料流也是成为所寻求的最佳温度与酸度的因素。还应该理解，当生产物流接近该容器底部时，在重力压力容器内通过生产物流所经历的压力增加。通常在约600psi至约1200psi范围内、并优选约800psi至约1000psi的增加的压力进一步用于驱使水解反应。

为了更好地使用重力压力容器内的木质纤维素物质，引入超声以帮助破碎木质纤维素物质。引入超声以影响外部反应环157内的向下流动的生产物流，并在生产物流达到至少280℃的温度的点引入。这通常在区域190内，或非常接近190，接近于环157的底部。优选连续施加超声。可以使用任何方式的超声，尽管本发明提供了特定的桨叶结构以提供超声波处理。实质上，可以向重力压力容器引入任何超声波，尽管在特别的实施方式中，超声波具有23W/cm²+/-10％的功率密度，24kHz-45kHz、更特别为26kHz-30kHz的频率加上其谐波。优选生产物流的停留时间为使得将生产物流暴露到超声2-10秒、更优选3-5秒。在美国专利No.5,080,720中，公开了桨包括在重力压力容器中清洗环形圆筒的清洗喷嘴，例如在重力压力容器100的外部反应环157和内部反应环165。在本发明的实施方式中，在这种桨叶中提供额外的功能元件。特别地，在桨叶内设置超声能量转换器，以将超声引入重力压力容器，来辅助打碎木质纤维素物质的纤维结构。还对桨叶进行额外的改进。

参见图7，由数字200显示并指定桨叶。在外部反应环157，这里公开的桨叶200用于当生产物流流下重力压力容器100时向生产物流引入超声。因此通过各种管和电缆在重力压力容器100内支持该桨叶200，该管和电缆向桨叶200的各种元件提供必要功能性，下面变得更显然。

桨叶200具有主体部分201、以及一对供料管202和204交替供给液体物流通过主体部分201内的通路，为了递送在各清洁头203、205的用于清洁环157的液体。供料管202和204能够在位于重力压力容器上部的卷轴(图9)上支持，以便它们可以按需要提升或降低。此外，管202和204在性质上是柔性的，以便按下文所述的它们可以自由地摆动。主体部分201包括合适的阀门、液体通路和喷嘴以产生液体喷雾扇形喷射，清洁限定重力压力容器环的壁、同时赋予喷射状力或推力引起桨叶在环内以需要的方向移动。例如由美国5,080,720内所公开的，通常已知这种清洁功能。

桨叶200还包括上部超声能量转换器206和下部超声能量转换器208，各通过合适的供料通过其各自管207、209来控制。这些能量转换器206、208按已知的接收来自中央操作单元的能量转换器脉冲控制，因此向重力压力容器100中的需要位置递送超声。在阳极210为桨叶200提供阴极保护。这些各种管状供料(供料管202、204，管207、209和阳极210)作为管带组件保护在一起，以数字212示出。在214表示的相邻管的焊缝优选用于产生管带组件212。小直径管成分之间的这种焊接连接当它们在整个重力压力容器100移动时减轻了使它们纠缠的倾向。

可以在重力压力容器的环和用于阴极保护的阳极210两者中使用该桨叶200，尽管优选超声仅在向下气流中使得在向上气流柱中的桨叶优选仅包括用于清洁的供料管202、204。区域190是最可能适合引入超声的区域，当其最好地接通向下气流柱、环157。优选在全部时间，来自环157或者环165的至少一个桨叶将在区域190内以在缺乏的氧化反应区内引入超声。因此，如图9所示，将桨叶通过管式卷轴230和232以及管式矫直机342、340送至环。设置管式卷轴用于各管带组件212，且长度依靠或在管式卷轴上缠回以降低或提升固定其上的桨叶200。因此当管202、204，管207、209和阳极212在卷轴与重力压力容器之间的矫直设备(未示出)来去时而冷却处理。结果有时管必须退火以减轻冷操作应力，并设置退火室234(仅在卷轴232上示出)用于理解还用于卷轴230。蛇管可以在减轻冷操作应力的时间为加热的，该冷操作应力会在桨叶的连续降低和升高时积累。为了优选的由合金金属制成的管，蛇管必须加热至400-450℃，并且任何用于布线的绝缘在那些温度下必须是稳定的。矿物绝缘金属管夹套布线足够。

因为通过蛇管来降低桨叶，如果存在功率损失同时桨叶位于环中的较大深度，带组件的悬挂的管能很快恢复并相互纠缠、或与形成重力压力容器的环形套筒的管纠缠。为了排除此事的发生，提出桨叶的主体部分201充分大且重以提供充足的静负载来保持悬挂的管线。随着理解本发明的重力压力容器可以为高度1600英尺至2000英尺，主体部分201优选长度为约10至20英尺，而重量为100-400lbs，在其它实施方式中为200-300lbs。

因为清洁功能需要桨叶在重力压力容器的环形套筒内上下行进，同时GPV操作，因此需要提供设备，通过该设备，管带组件可以提升和降低而不允许物质从环形套筒泄漏。该设备还应该允许桨叶自身通过，用于将桨叶引入环或用于除去桨叶，例如用于维修。提供运行门组件300、301(图8和9)，而且设置用于进入腔室157的管带组件212的运行门组件300为用于其公开的焦点，理解运行门组件301将构成相似的功能。

在图8中，可以看见运行门组件300包括固定的铁砧302，其提供凹度306，以及移动的铁砧304，其提供凹度308，当移动的铁砧304与固定的铁砧302接触时，凹度306、308限定了管带组件212的接收空间。移动的铁砧可以通过水力或螺旋给料或者通过其它合适的机理来移动。在不同的相互堆叠的阶段设立固定的铁砧302和移动的铁砧304，以提供如下面讨论的运行门组件300的各种功能。管带组件212向上通过腔室157的顶壁并进入运行门组件300的第一阶段310。空气或诸如干二氧化碳的气体经过入口312注入阶段310并建立通过相反于移动的管带组件212的逆流中的通路314移动空气擦。该气体以高于腔室157中的压力引入，使得来自腔室157的物质不会离开腔室157并进入阶段310。预想接近其顶壁的腔室器157可以具有接近2bar的压力，且该气体将以接近2.2bar在阶段310引入。然后来自通路314的气体沿着管带组件212向下通过，并由隔板316限制或受限流动。向上继续，通过气体提取出口320对待运行门组件300的下一个阶段318，该气体提取出口通过隔板设置322拉动气体通过管带组件212。在阶段318的压力保持在阶段310(下面)和阶段324(上面)的压力。进行上述开始的实施例，预想约1.5bar的压力。在运行门组件步骤324中，相反于管带组件212表面通过喷嘴326引入清洁水。以高于阶段318(下面)和阶段330(上面)的压力引入水。在给出的实施例中，预想接近1.8bar的压力。运行门组件的下一个阶段330是由气体提取出口332服务的额外低压力排空区，它从步骤324和334拉动。在本实施例中，预想约0.8bar的压力。将运行门组件300的阶段334加压至需要排除从向下通过运行门组件300并进入腔室157的来自外部腔室157的气体或液体流动的程度。通过入口336将空气或如干二氧化碳的气体注入阶段334。预想腔室157外部为周围大气压，在阶段334设立的压力接近但稍微超过1bar，预想的约1.1bar。以此方式，运行门组件300产生适应管带组件212的连续和无限制的移动的密封，同时流体的分离。任何来自系统的泄漏都是在各阶段引入物质的受控泄漏，这种泄漏是可接受的且从腔室157(或腔室165)的泄漏上是优选的。

优选的本发明的重力压力容器具有约1800至约2200英尺的高度。按照具有反应器的尺寸，反应器的液体生产量为原料特性的功能。理想地，本发明的重力压力容器每小时处理约500至约1000加仑的生产物流，生产物流通常含有约8-16％、更优选10-14％百分比的纤维素物质，进一步理解根据本发明所使用的纤维素物质应该包括大量的木质纤维素物质或者甚至全部木质纤维素物质。

液体的预处理和后处理和处理的生产产物和其它物质构成、比例、净化、腐蚀与侵蚀控制、催化剂、可选择的酸、排气提取和挥发有机化合物的控制、应力应变控制、膨胀补偿或同类的详情，全是本领域技术人员已知的且在本文中不描述。

因此应该很显然的是，本文在此公开的方法和设备能支持可服从将木质纤维素物质提升通过水解商购品质的纤维素物质的重力压力容器的条件。尽管特定的设备实施方式和生产步骤已按需要在此处详细描述，但本发明并不特别限于或由这些实施方式和生产步骤所限制。而任何明显的变化都落入所要求的本发明的范围，因此特定成分元件的选择可以确定而不背离本文公开和描述的本发明的实质。本发明的范围将包括落入权利要求范围的所有修改和变化。

Claims (4)

1.一种水解含有木质素和气袋的木质纤维素物质的方法，该方法包括以下步骤：

用pH为10-14的第一碱浸渍木质纤维素物质，使得第一碱与含木质素的木质纤维素物质中的木质素接触，

其中，所述浸渍木质纤维素物质的步骤包括：

产生木质纤维素物质和第一碱作为载液的生产物流；

向生产物流施加真空，由此除去木质纤维素物质的气袋的空气，且此后

增加对生产物流所经受的压力，使得生产物流的部分第一碱进入木质纤维素物质内的气袋，同时剩余的第一碱留下作为第一碱载液，且此后

将木质纤维素物质引入重力压力容器，其中重力压力容器包括：

具有较低封闭端的管壳，

位于该管壳内并具有较低开口端的逆流管壳，由此在管壳与逆流管壳之间形成外部反应环；和

接近管壳的较低封闭端的缺乏的氧化反应区；和

在缺乏的氧化反应区引入超声。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在用第一碱浸渍木质纤维素物质的步骤后，引入纤维素物质的步骤还包括基本上除去第一碱载液并用pH为7-8.5的第二碱载液替代的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述浸渍的步骤还包括：

在向生产物流施加真空之前使生产物流的木质纤维素物质和第一碱经受超声。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括在缺乏的氧化反应区附近添加氧。

Images