CN102405318B - 用于制备纤维素原料的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于运输纤维素原料的方法和装置。该装置如收集槽具有通道。在该通道的出口处，提供运输构件以运输该纤维素原料侧向穿过该出口。该运输构件(例如至少一个螺旋运输器)具有沿着其长度可变的螺距。该方法包括：使该纤维素原料通过浸渍室到达该浸渍室的出口；将该纤维素原料从该浸渍室的出口送至收集槽的入口；使该纤维素原料下行通过该收集槽；维持在该收集槽中的基本上恒定的停留时间；和接着使该纤维素原料进行水解过程。

Description

用于制备纤维素原料的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于获得并运输纤维素原料的方法和装置，该纤维素原料可用于由该纤维素原料中的纤维素和半纤维素后续制备可发酵的糖流，其中该可发酵的糖流可用于后续制备乙醇。更特别地，本发明涉及用于从收集槽取出一个或多个原料流的方法和装置。
背景技术
几种用于制备乙醇的方法是已知的。通常，燃料乙醇的制备涉及用酵母来发酵糖。一般而言，该糖源自谷粒，例如玉米和小麦。该谷粒中的淀粉经酶促水解以生成糖，该糖随后经发酵以生成乙醇。
植物材料是可发酵的糖(如可转变成生物燃料的葡萄糖)的重要来源。然而，植物材料中的糖包含于纤维素和半纤维素的长的聚合物链中。利用目前的发酵方法，需要在发酵步骤之前将这些聚合物链分解成单糖。
近来，已开发出利用纤维素原料(如玉米穗轴、秸秆和锯末)来制备用于乙醇发酵的糖的方法。这些方法通常包括，预处理原料以增加纤维素与水解酶的可及度，并使该纤维素经受纤维素酶体系以使该纤维素转化成葡萄糖。
在现有技术中，已知使植物生物质转化成可发酵的糖的方法，该方法一般包括两个主要步骤：活化植物结构的预处理步骤，以及使纤维素和半纤维素的聚合物链转化为单糖的酶促或化学水解步骤。已将数种手段用于该预处理步骤，例如自动水解、酸水解、氨活化、硫酸盐法制浆(kraft pulping)、有机溶剂制浆、热水预处理、氨渗流、石灰预处理、苛钠制浆或碱过氧化物预处理。早期的预处理步骤包括将原料粉碎或研磨成粉末，随后将该粉末与水混合以形成浆。
最近，基于溶剂的预处理、碱预处理和酸预处理也已有描述。HolmChristensen的PCT公开WO/2007/009463描述了可选的预处理，该预处理并不涉及加入酸、碱或其他化学药品。此预处理方法涉及将纤维素质在水中浸湿，将该纤维素质运输经过加热并增压的反应器，以及压榨该纤维素质以制备纤维部分和液体部分。在压榨该纤维素质后，将该纤维素质曝露于水解酶。
每种预处理技术具有作用于植物结构的不同机理，该机理引起物理改性和/或化学改性。然而，该预处理的主要目的是提供植物材料和酶的可及度。
发明内容
水解方法的商业可行性取决于向水解单元提供的原料的特性。一般而言，这要求将原料活化以使得原料中纤维素和半纤维素的显著部分(例如75％以上)可接近水解酶。如果向酶促水解单元提供这种经活化的原料，那么可将至少60％，优选75％以上且更优选90％以上的纤维素和半纤维素转化成单糖。接着，可使此富含糖的工艺流经发酵以制备醇流。来自发酵阶段的醇流(即粗制醇流)可具有约3-22％体积/体积，优选约5-15％并且更优选约8-12％的乙醇含量。
优选地通过自动水解来制备用于酶促水解的经活化的原料，该自动水解优选地在蒸汽爆破反应器中进行，该蒸汽爆破反应器也称作水解器(还称作浸煮器)。自动水解是通过曝露于高温、蒸汽和压力下(有时在加入的化学剂如有机或无机酸(例如硫酸)的存在下)而将半纤维素和纤维素分解的方法。当在加入的酸的存在下进行时，该反应被称作酸水解。
在自动水解过程中，纤维素和半纤维素的聚合度可从大约10,000降低至大约1,500-1,000。此过程优选在木质素的玻璃化转变温度(120-160℃)以上进行。取决于该反应的剧烈程度，可生成降解产物，如糠醛、羟基-甲基糠醛、甲酸、乙酰丙酸和其他有机化合物。
在蒸汽爆破处理(如果并未从外部加入催化剂，则更普遍地称作自动水解)的过程中，纤维素原料在经增压的容器中任选地在合适的化学药品(例如有机和/或无机酸、氨、苛性钠、二氧化硫、溶剂等)的存在下经受升高的热(例如180-220℃)和压力(例如130psig至322psig)。优选地，并不利用从外部加入的化学药品；在此情况下，唯一可能存在的催化剂可能是原位生成的乙酸。随后从经增压的容器中释放出经处理的纤维素原料，从而使得压力迅速(例如1秒或更短)降低。将生物质从该水解器排出至降低的压力下，优选大气压和更优选真空。压力的快速降低造成该生物质分离成单独的纤维或纤维束。此步骤打开纤维的结构并使表面积增加。木质素与纤维束以及残余的半纤维素一同保留在纤维中。因此，与高温高压处理相结合的压力爆发性释放，造成该纤维素原料的物理化学改性，该纤维素原料随后适于进料至酶促水解单元。
为了使该蒸汽爆破过程能够制备经活化的原料(该经活化的原料能够制备这种富含糖的工艺流)，进料到蒸汽爆破反应器的纤维素原料的温度和水分水平优选为相对均匀的，并且优选地具有约50℃至约70℃的温度(更优选地50-65℃)和约30至约60重量％的水分含量(优选地45至约55重量％)。水分含量是包含于材料中的水量，且基于重量，它是材料中水的重量除以该材料的质量。
本发明的具体实施方案提供了用于从容器中取出纤维素原料的方法和装置，其通过从容器出口的不同部分主动地取出原料，并且优选地横穿该出口均匀地取出原料。此设计的优势在于，可实现该原料在该容器中基本上均匀的停留时间。例如，该停留时间的差别可为至多5分钟，优选地为3分钟以下，并且更优选地为2分钟以下。因此，可降低与该容器的受热表面(如与加热套热接触的表面)相邻的原料部分由于过热而降解的趋势，并且优选地可将该趋势消除。
可选地或另外地，本发明的具体实施方案提供以垂直于材料经过容器移动方向的方向从容器中取出纤维素原料的方法和装置。因此，如果该容器的取向使得穿过其中的通道基本上竖直，则将该原料基本上水平地取出。可获得多个原料流，每个原料流可在不同的方向上运输。
根据第一主要方面，提供用于制备纤维素原料的收集槽装置。该收集槽装置包括至少一个侧壁，该侧壁限定出具有上部和下部的体积。提供至少一个与该上部相邻的入口，并提供至少一个与该下部相邻的出口，该出口的高度在该入口以下。提供至少一个用于运输该纤维素原料侧向穿过该出口的螺旋运输器。该至少一个螺旋运输器具有沿其长度可变的螺距。提供螺距沿其长度可变的至少一个螺旋运输器，这可使从该出口的所有部分取出的纤维素原料量基本上相等。
在一些具体实施方案中，该至少一个螺旋运输器具有第一末端和第二末端，并且第一末端的螺距与第二末端的螺距不同。在一些进一步的具体实施方案中，该至少一个螺旋运输器包括具有第一螺距范围的第一区域和具有第二螺距范围的第二区域。在更进一步的具体实施方案中，该至少一个螺旋运输器包括第一区域和第二区域之间的中间区域，并且该中间区域具有第一螺距范围和第二螺距范围之间的第三螺距范围。
在一些具体实施方案中，该至少一个螺旋运输器具有第一末端和第二末端，并且螺距从第一末端到第二末端减小且优选地在第一末端和第二末端之间以恒定的比率变化。
在一些具体实施方案中，该出口限定成多个部分，并且螺距变化以使得从该出口的各部分取出的原料部分大约相等。
在一些具体实施方案中，该至少一个螺旋运输器包括多个螺旋运输器，并且该螺旋运输器中的至少一个在第一方向上运输该纤维素原料，且该螺旋运输器中的至少一个在第二方向上运输该纤维素原料。在进一步的具体实施方案中，第一方向和第二方向基本上相反。
在一些具体实施方案中，该至少一个螺旋运输器包括多个螺旋运输器，并且至少两个相邻的螺旋运输器具有长度并在第一方向上运输该纤维素原料，并且该螺旋运输器的螺距在沿该螺旋运输器长度的任何位置处基本上相同。
在一些具体实施方案中，该装置包括多个具有长度的螺旋运输器，并且第一对螺旋运输器在第一方向上运输纤维素原料，而第二对螺旋运输器在第二方向上运输纤维素原料。
在一些这类具体实施方案中，第一对螺旋运输器的螺距在沿长度的任何位置处基本上相同，并且第二对螺旋运输器的螺距在沿长度的任何位置处基本上相同。在一些进一步的具体实施方案中，第一对螺旋运输器在第一方向上运输纤维素原料，而第二对螺旋运输器在与第一方向相反的第二方向上运输纤维素原料，并且第一对螺旋运输器的螺距是第二对螺旋运输器的螺距的镜像。
在一些具体实施方案中，第一对螺旋运输器可沿着第一方向旋转，而第二对螺旋运输器可沿着与第一方向相反的第二方向旋转。
在一些具体实施方案中，该至少一个螺旋运输器延伸穿过整个该出口。
在一些具体实施方案中，该装置进一步包括装在该装置的至少一部分上的加热套。这类具体实施方案可具有优势，因为加热套可提高或维持该纤维素原料的温度，这可使得该纤维素原料进一步易于自动水解(优选地继以酶促水解)。
在一些具体实施方案中，该收集槽的下部具有与该收集槽的上部相比更大的截面积。这类具体实施方案可具有优势，因为其可防止纤维素质在其通过该收集槽时粘附或粘着于侧壁上。因此，通过该收集槽的纤维素原料的各部分在该体积中可具有基本上相同的停留时间。
在一些具体实施方案中，该侧壁包括第一侧壁和与第一侧壁相对的第二侧壁，并且第一和第二侧壁从上部到下部彼此偏离。
在一些具体实施方案中，该侧壁包括第三侧壁和与第三侧壁相对的第四侧壁，并且第三和第四侧壁在第一和第二侧壁之间延伸，并且第三和第四侧壁从上部到下部彼此偏离。
在另一个主要方面，提供用于生产乙醇的纤维素原料的制备方法。该方法包括：使该纤维素原料通过浸渍室到达该浸渍室的出口；将该纤维素原料从该浸渍室的出口送至收集槽的入口，该收集槽具有出口；使该纤维素原料下行通过该收集槽；在该收集槽中维持基本上恒定的停留时间；和接着使该纤维素原料进行下游的水解过程。
在一些具体实施方案中，该方法进一步包括使该收集槽中的温度维持在约50℃至约75℃。
在一些具体实施方案中，该方法进一步包括使各部分的停留时间的差别维持在至多5分钟的量。
在一些具体实施方案中，该方法进一步包括使该收集槽中的停留时间维持在约10至约45分钟。
在一些具体实施方案中，该方法进一步包括运输该纤维素原料侧向穿过该收集槽的出口。在一些这类具体实施方案中，基本上从该出口的整体主动地取出该纤维素原料。另外，在一些这类具体实施方案中，从该出口的各部分取出基本上等量的纤维素原料。另外，在一些这类具体实施方案中，在至少两个不同的侧向方向上运输该纤维素原料。
在一些具体实施方案中，利用具有不同螺距的螺旋运输器来运输该纤维素原料侧向穿过该收集槽的出口。
附图说明
通过对本发明的优选具体实施方案的以下描述，将更充分和更详细地理解本发明的这些优势和其他优势，其中：
图1是本发明的收集槽的具体实施方案的透视图，其显示了位于该收集槽上游的浸渍室；
图2是图1的浸渍室的透视图；
图3是图1的浸渍室的顶部剖视图；
图4是沿图2中4-4线得到的截面；
图5是沿图1中5-5线得到的截面；
图6是本发明的箱体(housing)的具体实施方案的透视图，其显示成已从收集槽移除。
图7是沿图6中7-7线得到的截面；
图8是图6的箱体的顶视图；
图9是本发明的箱体的可选具体实施方案的顶视图；和
图10是沿图1中10-10线得到的截面。
具体实施方式
本发明的具体实施方案提供原料在收集槽中的停留时间的增强的均匀性。特别地，尽管相对于流经该收集槽的方向，该原料是从侧向取出的，仍然可获得从该收集槽同时取出的该原料的所有部分的基本上均匀的停留时间。
图1-10中显示了本发明的装置的具体实施方案。应理解，虽然该方法参照该装置来描述(反之亦然)，然而该方法可用可选的装置来进行，并且该装置可根据可选的方法而使用。另外，虽然该方法被描述成连续过程，然而应理解，该方法可作为半连续或分批过程来进行。
纤维素原料优选地为木质纤维素原料。木质纤维素原料源自植物材料。如本文所用的术语“木质纤维素原料”指含有纤维素、半纤维素和木质素的植物纤维。在一些具体实施方案中，该原料来源自树木，优选地源自落叶树如杨属植物(例如木屑)。可选地或另外地，该原料也可源自农业残渣，如(但不限于)玉米秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、水稻秸秆、柳枝稷，高粱、甘蔗渣、稻壳和/或玉米穗轴。优选地，该木质纤维素原料包括农业残渣和木材生物质，更优选木材生物质，并且最优选落叶树的木材生物质。申请人考虑到将其他来源的包括纤维素、半纤维素和/或木质素的植物材料(如藻类)用于获取纤维素原料，那些植物材料的任何一种都可使用。该木质纤维素原料优选地为清洁的，例如去除了灰尘、硅石、金属箍(例如来自农业产品)、石头和污垢。还可减小该木质纤维素原料的组分的尺寸。在长度上，该原料的组分的尺寸可为约0.05至约2英寸，优选地为约0.1至约1英寸，并且更优选地为约0.125至约0.5英寸。例如，该纤维素原料可包括长度为约0.16英寸至约0.28英寸的纤维(例如切碎的秸秆)。可利用任何能够压碎、粉碎或以其他方式减小颗粒尺寸的加工机械。
优选地，在进入收集槽100时，用水处理该原料从而使其具有约30至约60重量％，优选约45至约55重量％的水分含量。例如，参照图1和图2，显示了本发明的收集槽装置100的具体实施方案，其中该收集槽100位于水浸渍反应器(如浸渍室10)的下游，优选在原料进入收集槽100之前使用该水浸渍反应器以预处理该原料。优选地，配置浸渍室10从而预处理纤维素原料，例如通过润湿和/或加热该纤维素原料。
图2-4中举例说明了优选的浸渍器10。如其中所示，在一些具体实施方案中，浸渍器进料器30(即，将原料运输到浸渍室12中的进料器)优选地位于混合室或浸渍室12的上游。进料器30可为任何设计。优选地，进料器30为抑制并优选地防止进料器30的水分逆流流动的设计。例如，可提供旋转阀等以切断这种逆流流动。优选地，浸渍进料器为包括发动机32的螺旋进料器，该发动机32驱动地(drivingly)连接到位于入口以下的螺旋或螺旋推运器(auger)34(例如通过装在箱体36中的变速器或齿轮减速组合件)。可将其上装有螺旋34的轴可旋转地安装在箱体38内，以使得螺旋推运器34为悬臂式栓塞螺旋运输器。因此，进料器30产生材料的栓塞，该栓塞防止水分的逆流移动。可将该栓塞运输到安装在浸渍室12上的入口箱体40中。该原料随后下行进入浸渍室12。
浸渍器10可包括位于入口箱体40以下的入口42，一个或多个用于沿室12的长度方向推动纤维素原料的运输构件14，一个或多个用于将水分注射进该纤维素原料的水分注射口16(可将其装在运输构件14的桨叶20和/或浸渍器10的内壁22上)，一个或多个装在内壁22外侧的用于加热该纤维素原料的加热套18以及出口24。加热套18可包括与内壁22隔开的外壁26，从而限定出通道28，经加热的流体(例如水)可从中通过。
如图2中举例说明的，一个或多个导管54可将水运输到分支管56，该分支管56延伸到室12的上部上的不同位置。通过例如加入水分的构件(如喷嘴或开口管等)，这些导管的末端与室12的内部流体流动连通。
如举例说明的，运输构件14可旋转地装在室12中，并且从动地(drivenly)连接到发动机46。如举例说明的，通过装在箱体48中的变速器或齿轮减速组合件，发动机46驱动地连接到运输构件14。该齿轮减速组合件可驱动地连接到位于箱体52内部的运输构件14的末端50。
为了防止材料滞留于浸渍器10中，浸渍器10可具有底部壁44，该底部壁具有两个或更多个部分，其中每个部分具有与其相连的运输构件14。优选地，配置底部壁44和运输构件14以使得底部壁44在运输构件14旋转时被清扫。例如，如图4中举例说明的，底部壁24可为扇形，例如具有两个倒拱或槽。关于任选的浸渍室10的各个具体实施方案的其他细节可在同时待审的美国专利申请12/181,596(于2008年7月29日提交)中找到，其公开内容以其整体作为参照并入本文。在可选的具体实施方案中，浸渍室10可以其他方式预处理纤维素原料，并且本发明并不限于这一点。
在浸渍室10中任选地预处理该纤维素原料之后，将其送至收集槽装置100(例如通过处于室12的出口24下游的出口通道58)，该纤维素原料在该收集槽装置中保存或容纳一段停留时间，以使得例如加入到浸渍室10中的水分有足够的时间渗入该原料，从而使该原料为下游加工作好准备。可选地或另外地，该原料可能需要额外的时间以使得该原料的所有部分升高至适于下游加工的预定温度。可选地，进入收集槽100的原料可处于用于下游加工的预定条件，而收集槽用作储蓄器以保存准备好的原料，从而使得下游过程可连续运行。可将来自收集槽100的纤维素原料送至位于该收集槽装置100下游的一个或多个水解反应器，优选一个或多个自动水解反应器并继而一个或多个酶促水解反应器(未显示)，从而使得纤维素可水解产生适于发酵成乙醇的糖。
如图1和图5中举例说明的，收集槽100的取向使得穿过收集槽100的通道优选地基本下行地延伸，并且优选地配置穿过其中的通道，从而减少且优选基本防止收集槽100中原料的桥连。另外，从浸渍器10到收集槽100的通道优选地基本下行地延伸。因此，穿过收集槽100的通道优选基本下行地延伸，并且优选该通道的下端具有与上端相比更大的截面积。更优选地，该截面积沿着下行方向连续增加。这可通过用沿着下行方向偏离的一个或多个壁来构造该收集槽的通道而实现。
如果该原料下行通过收集槽100连锁装置，则其可通过称作桥连的过程而形成堵塞。该堵塞可延伸至完全横穿收集槽100中的通道，从而阻止原料的下行移动，并导致下游加工单元的原料供应出现空缺。可选地，其可能仅堵塞该通道的一部分。无论如何，此时将需要进行干预以去除该堵塞。中断向下游加工单元传输原料可能需要在去除堵塞时将工厂的一部分停工，从而使生产量降低，并且还需要在该堵塞被清理之后立即将工厂恢复稳态操作条件。因此，可能需要监控该收集槽，从而得以在桥连发生的早期进行干预。通过增加在下游方向上的截面积，原料形成通道堵塞的趋势降低，并且可将其消除。
如图5和图10中举例说明的，收集槽100包括至少一个侧壁102，其限定出体积或通道104。在所示的具体实施方案中，收集槽装置100包括四个侧壁，称作前壁102a和间隔开的相对的后壁102b，以及侧壁102c和间隔开的相对的侧壁102d，并且进一步包括顶壁103。因此，通道104(其由侧壁102a、102b、102c和102d所限定)的横截面呈矩形。在其他具体实施方案中，收集槽装置100可包括例如单个圆形侧壁，从而使其所具有的横截面呈圆形、椭圆形等。将理解，可利用任何其他的横截面。
通道104优选地纵向延伸，例如沿轴105延伸，并且包括顶部106,和底部108。通道104优选地竖直延伸。然而，通道可基本上竖直地延伸(即，以竖直的角度延伸，以使得原料将在重力作用下下行地穿过其中流动)。在一些具体实施方案中，通道104可具有约5英尺至约20英尺的沿轴105的长度。
提供与上部106相邻的入口110，并提供与下部108相邻的出口112，该出口的高度在入口110以下。在所示的具体实施方案中，入口110由顶壁103的开口所限定，而出口112由侧壁102的下端114所限定。将理解，入口110可包括收集槽100的整个顶部，因此可能不需要顶壁103。将理解，在优选的具体实施方案中，通道104不设有下表面，并且通道104的下端是开放的。因此，原料可穿过通道104而畅通地下行流动，直至其与贮存在收集槽100中的原料相遇，或者直至其与箱体116相遇。如举例说明的，入口110与浸渍室10的出口24流体连通并接收来自浸渍室10的出口24的纤维素原料(例如，其处于出口导管58的下游)，而出口112优选地与一个或多个自动水解反应器流体连通并将纤维素原料送至一个或多个自动水解反应器(未显示)。
仍参照图5，在优选的具体实施方案中，通道104的底端108具有与通道104的顶端106相比更大的截面积。换言之，相比于在入口110附近穿过通道104而得到的横截面，在出口112附近穿过通道104而得到的横截面具有更大的截面积。例如，在出口112附近得到的截面积可具有约40平方英尺至约60平方英尺的面积，而在入口110附近得到的横截面可具有约20平方英尺至约40平方英尺的面积。
可按照各种方式配置侧壁102，以提供与顶端106相比具有更大截面积的底端108。在所示的具体实施方案中，侧壁102a和侧壁102b彼此相对，而侧壁102c与侧壁102d彼此相对，并且每个侧壁均从入口110到出口112偏离轴105。因此，通道104基本上是截头金字塔形，并且底端108具有与顶端106相比更大的截面积。在可选的具体实施方案中，侧壁102a和102b可基本上与轴105平行地延伸，而侧壁102c和102d可偏离轴105。在另一个可选的具体实施方案中，收集槽装置100可包括单个圆形侧壁，该圆形侧壁限定出截头圆锥形通道104。在另一个具体实施方案中，侧壁102可为阶梯状。优选侧壁102连续地偏离，并且如举例说明的，其在通道104的整个长度上连续地偏离。优选地，它们以约1o至约20o，优选2o至约5o的角度A偏离竖直方向。还将理解，侧壁102的内表面138优选地为光滑的，并且没有凸起，该凸起可以是导致发生桥连的起因。
为下部108提供与上部106相比更大的截面积，可有助于防止纤维素质在其通过收集槽装置100时粘附或粘着于侧壁102上。因此，通过收集槽100的纤维素原料的各部分可具有基本上相同的在通道104中的停留时间。
在可选的具体实施方案中，体积104的下部108可不具有与体积104的上部106相比更大的截面积。例如，每个侧壁102可基本上竖直且相互平行地延伸。
在一些具体实施方案中，该原料可直接下行地移动到下一个工艺单元，例如蒸汽爆破反应器。在此情况下，优选该通道的截面积连续地增加(与使用漏斗相反)。然而，在该原料经过通道104下行移动之后，优选将该原料侧向地(与轴105垂直地)运输。另外，优选从收集槽104主动地取出该原料，而不允许该原料被动地离开该收集槽。因此，收集槽100可进一步包括或装有至少一个与出口112相邻的运输器，将该运输器配置成主动地运输该纤维素原料侧向穿过出口112，从而从通道104取出该纤维素原料。参照图5至图8，在所示具体实施方案中，该至少一个运输器包括多个螺旋运输器126，该螺旋运输器126安装在箱体116中。该运输器可具有本领域已知的任何输送机理，从而从出口112的侧向主动地输送原料。例如，该运输器可包括垂直于轴105延伸的螺旋推运器、螺旋运输器、具有挡板的装有刮板的螺杆(tabbed flight screw with bars)等。
在所示具体实施方案中，箱体116包括底部118、侧壁120和开放的顶部122。开放的顶部122优选地至少与出口112一样大，并与出口112垂直对齐，以使得通过出口112的材料可直接地下行通过开放的顶部122。将理解，在可选的具体实施方案中，通道104的侧壁102可提供箱体116的侧壁。即，侧壁102可延伸至越过出口112。因此，在这种具体实施方案中，通道104的出口112并非由侧壁102的末端114所限定，而是由在末端114以上的侧壁102的一部分所限定。
箱体116至少包括第一箱体出口124，由螺旋运输器126所运输的纤维素原料经过第一箱体出口124离开箱体116。离开箱体出口124的纤维素原料可进入一个或多个导管125，例如，该导管125可通往一个或多个例如自动水解反应器(未显示)。优选地，每个导管125装有一个或多个沿着导管125的方向延伸的螺旋运输器等。优选地，提供多于一个的出口124。具有多于一个的出口的优势在于，可从收集槽100提供两个经处理的原料流，其中每个原料流可进料至不同的下游加工容器，例如不同的蒸汽爆破反应器。
如举例说明的，箱体116包括限定于底部118中的两个箱体出口124a、124b(见图7)。优选地，安置每个出口124以使其不位于通道104下方(侧向地与通道104隔开)，并优选地提供多于一个的出口124。侧向于通道104地安置出口124的优势在于，可从整个出口112取出原料，更优选地，横穿出口112均匀地取出原料。另外，优选地将箱体出口124a和124b安置在箱体116的相对的侧面上。因此，箱体出口124a和124b可将纤维素质导向至两个不同的例如自动水解反应器(其位于收集槽100的相对的侧面上)。如图1和图6举例说明的，箱体116可具有上壁166，其延伸覆盖箱体116位于收集槽100侧向的部分。上壁166可覆盖螺旋运输器126位于收集槽100侧向的部分。任选地，可将栅条168(或者其他提供窗口的构件)安置在出口124上方的顶壁166中。栅条168允许工人观察原料向导管125中的移动。
如举例说明的，该螺旋运输器126安装在底部118上方，并且每个螺旋运输器垂直于轴105延伸横穿出口112(即，每个螺旋运输器的长度L至少从出口112的第一侧延伸至出口112的第二侧)。每个螺旋运输器126包括轴128和至少一个围绕该轴延伸的螺旋刮板130，并且被配置成旋转以保证材料离开出口112并向箱体出口124中的一个运输该材料。可通过本领域已知的任何方式可旋转地安装轴128。如举例说明的，轴128具有作为轴承箱164中的轴颈的一端和作为变速箱162中的轴颈的另一端。
在所示的具体实施方案中，箱体116包括四个成对设置的螺旋运输器126。每一对均包括两个相邻的螺旋运输器126，其沿着相同的方向向共同的箱体出口124运输纤维素原料。在所示的具体实施方案中，第一对132a包括螺旋运输器126a和126b，其分别围绕基本上平行的第一轴134a和第二轴134b旋转，而第二对132b包括螺旋运输器126c和126d，其分别围绕基本上平行的第一轴134c和第二轴134d旋转。每个轴134优选地为水平的，但可与水平方向呈直至45o或更大的角。因此，螺旋运输器126a和126b将经处理的原料输送至出口124a，而螺旋运输器126c和126d将经处理的原料输送至出口124b(其位于与出口124a相对的一侧)。将理解，螺旋运输器126a、126b、126c和126d在基本上整个出口112的下方延伸。因此，该螺旋运输器126优选地从出口112的所有部分取出经处理的原料。可选地或另外地，每个出口124可具有一个或多个螺旋运输器126或者与其相连的其他输送构件。
仍参照图7，如举例说明的，第一对132a的螺旋运输器126a和126b可各自沿箭头A1所指的方向旋转，以使来自上方的材料沿箭头A2所指的方向向箱体出口124a进料。另外，第二对132b的螺旋运输器126c和126d可各自沿箭头A3所指的方向旋转，以使来自上方的材料沿箭头A4所指的方向向箱体出口124b进料。
为了允许每个螺旋运输器126旋转，沿着特定的旋转方向，每个螺旋运输器可由其自有的驱动发动机160来驱动。如图6和图7中所示，每个轴128穿过侧壁120而向外延伸至变速箱162，其中发动机160驱动地连接至轴128。可使用本领域所知的任何驱动连接。将理解，在可选的具体实施方案中，可由单个发动机160驱动两个或更多个轴。
因此，如举例说明的，箱体出口124a和124b位于箱体116的相对的侧面上，并且每个螺旋刮板130均为右旋的。因此，A1方向与A3方向彼此相反，而A2方向与A4方向彼此相反。然而，在可选的具体实施方案中，箱体出口124a和124b可位于彼此相同的侧壁上。在这种具体实施方案中，A1和A3方向可基本上相同，而A2和A4方向可基本上相同。在更进一步的可选的具体实施方案中，第一对132a的螺旋运输器126a、126b的螺旋刮板130可为右旋的，而第二对132b的螺旋运输器126c、126d的螺旋刮板130可为左旋的。因此，在这种具体实施方案中，A1和A3方向可相同，而A2和A4方向可相反。将理解，可配置每对螺旋运输器126以使其沿相反方向旋转。例如，可将螺旋运输器126a配置成顺时针旋转，并且可将螺旋运输器126b配置成逆时针旋转。
将理解，在可选的具体实施方案中，可另外地配置一个或多个螺旋运输器126。例如，箱体116可仅包括一个螺旋运输器126和一个出口124，或者箱体116可包括多个并不成对设置的螺旋运输器(例如，该螺旋运输器可设置成三个一组，或者设置成单个螺旋运输器)，或者箱体116可包括多于两对的螺旋运输器。例如，在图9中所示的可选的具体实施方案中，收集槽100包括四个箱体出口124(每个出口124均位于导管125的上游)和四对132的螺旋运输器126。
仍参照图5-7，至少一个螺旋运输器126(且优选地所有的螺旋运输器126)具有沿其长度可变的螺距。即，至少一个螺旋运输器126的螺旋刮板130的螺距沿长度L并不恒定。
例如，在所示的具体实施方案中，每个螺旋运输器具有接近其各自的箱体出口124(即，该螺旋运输器向其运输纤维素原料的出口)的第一末端158和远离其各自的箱体出口124的第二末端156(图7中所示)。与第二末端156处的螺旋刮板130的螺距相比，第一末端158处的螺旋刮板130的螺距更大或更宽。例如，第一末端处的螺距可为约14英寸至约88英寸，而第二末端处的螺距可为约4英寸至约8英寸。
在所示的具体实施方案中，各螺旋刮板130的螺距在第一末端158和第二末端156之间连续变化，并且优选地以恒定的比率变化。即，该螺距向着各个卸料构件出口124逐渐变宽。在可选的具体实施方案中，在刮板的较宽和较窄区域之间可发生骤变。例如，各螺旋运输器可具有从第一末端158向螺旋运输器126的中点延伸的第一区域和从第二末端156向该中点延伸的第二区域。第一区域可具有第一螺距范围，而第二区域具有第二螺距范围。例如，第一螺距范围可为约14英寸至约18英寸，而第二螺距范围可为约4英寸至约8英寸。在另一个的具体实施方案中，各螺旋运输器可包括第一区域和第二区域之间的中间区域，并且该中间区域具有小于第一螺距范围并大于第二螺距范围的第三螺距范围。例如，第三螺距范围可为约6英寸至约10英寸。
优选地，每一对132的螺旋运输器126在沿其长度的任何位置上均具有相同的螺距。即，螺旋运输器126a和126b的螺旋刮板基本上相同，而螺旋运输器126c和126d的螺旋刮板基本上相同。
另外，第一对螺旋运输器的螺距优选地为第二对螺旋运输器的螺距的镜像，第二对螺旋运输器在与第一对螺旋运输器相反的方向上运输纤维素原料。即，螺旋运输器126a和126b(其沿A2方向运输纤维素质)的螺距为螺旋运输器126c和126d(其沿A4方向运输纤维素质)的螺距的镜像。
为各螺旋运输器提供可变的螺距，并且更特别地在远离该箱体出口处提供较窄的螺距，允许从出口112的各部分取出数量更加等量的纤维素原料，并且可允许取出基本上等量的纤维素原料。即，将向此螺旋运输器各自的出口124运输在远端156处堆积于螺旋运输器126中的材料。在侧向地输送此材料时，该螺旋运输器的螺距增加，允许来自出口112的额外的材料直接堆积在该螺旋运输器中。该螺距的进一步增加将允许额外部分的材料落入螺旋运输器。该螺旋运输器接近于出口124(沿输送的方向)的一个或多个部分具有较宽的螺距，从而使其可接纳从远端区域运输过来的材料以及直接从通道104堆积至其上的材料。从而横穿整个出口112取出原料。
参照图5和图10，收集槽装置100优选地进一步包括装在收集槽装置100的至少一部分上的加热套136。优选地，至少一个侧壁102装有加热套。例如，在所示的具体实施方案中，各个侧壁102全部包围着加热套136。加热套136可包括多个外壁，该外壁与侧壁102基本上平行并且与侧壁102隔开，从而限定出其间的空腔(enclosure)142。可使流体从入口(未显示)通过空腔142到达出口(未显示)，从而使得经加热的流体流过空腔142。加热套136可为本领域已知的任意结构。因此，当纤维素质通过收集槽装置100时，可将纤维素质加热到预定的温度，或者将其维持在预定的温度。
参照图5，在进一步优选的具体实施方案中，箱体116还包括由箱体116提供的第二加热套146。在所示的具体实施方案中，将加热套146配置成与加热套136类似，并且可包括与侧壁120和/或底部118从外部隔开的外壁154，并进行配置以使经加热的流体通过由外壁154和侧壁120和/或底部118所限定出的空腔150。加热套146可为本领域已知的任何结构。
在一些具体实施方案中，可在通道104中提供一个或多个温度传感器。例如，可在通道104的上部106中提供第一热电偶(未显示)，从而测量进入入口110的纤维素原料的温度，并在通道104的下部108中提供第二热电偶(未显示)，从而测量离开出口112的纤维素原料的温度。在一些具体实施方案中，可将一个或多个显示器(未显示)偶联至该一个或多个温度传感器，从而使得使用者可观看测量的温度，并且任选地基于该测量的温度来调节向收集槽100提供的热量。在进一步的具体实施方案中，可将一个或多个传感器偶联至处理器，该处理器可基于该测量的温度自动调节向收集槽100提供的热量。
现在描述处理可用于制备乙醇的纤维素原料的方法。虽然该方法将参照收集槽装置100来描述，将理解，该方法可使用可选的装置来进行，并且收集槽100可根据可选的方法来操作。
在进入该收集槽之前，优选地首先使合适的纤维素原料经过水分浸渍，从而使该原料中的水分含量提高到预定的水平。优选地，在进入该收集槽时，该原料的水分含量为约30重量％至约60重量％，优选地为约45重量％至约55重量％。例如，该纤维素原料可从预处理设备如浸渍器10获得，其中将水分加入该纤维素原料从而使该水分含量从例如约15％以下提高到进入该收集槽时的约30％至约60重量％。优选地，在进入该收集槽时，该水分含量为约45重量％至约55重量％。
将该纤维素原料从该浸渍室的出口送至收集槽的入口。例如，可将该纤维素原料从浸渍室10的出口18送入收集槽100的入口110。
随后优选地使该纤维素原料(其经过或未经过浸渍)下行通过该收集槽。例如，参照收集槽100，入口110设在出口112以上的高度。因此，该材料可在重力作用下从入口向出口下行移动。另外，在下部108具有与上部106相比更大的截面积的具体实施方案中，该材料将在其下行移动时进一步侧向移动。
优选地，维持在该收集槽中的基本上恒定的停留时间。即，该收集槽优选地在稳态条件下连续运行，以使得在入口110加入的原料的各个部分或层的所有部分以相同的速率下行送至出口112。此结果可通过从该出口112的所有部分取出原料来实现。例如，可通过操作一个或多个螺旋运输器(如上文所述的螺旋运输器126)而将该原料移出该出口，从而使得在该螺旋运输器中同时收集来自该出口112的所有部分的原料(例如该出口112中同一水平层的所有原料)，并将其输送至出口或下游通道。将理解，可通过调节该螺旋运输器的刮板的螺距来改变从该收集槽出口的各个部分取出的材料的量。通过扩大某个位置的螺距，可增加从那些位置取出的原料的量。
将理解，在使用中，可能存在初始启动阶段，其中并不从该收集槽移出材料，而是用来自浸渍室12的纤维素原料装填该槽。
例如，停留时间可为约10至约30分钟。此方法的优势在于，可实现该原料在该容器中大致均匀的停留时间。例如，该停留时间的差别可为至多5分钟，优选地为3分钟以下，并且更优选地为2分钟以下。
在一些具体实施方案中，该方法包括从该收集槽的通道侧向地运输该纤维素原料。因此，一旦该原料到达该收集槽的排出口(出口)，就将该原料侧向地运输至例如与下游加工单元流体连通的一个或多个导管。例如，该收集槽可包括安装在与下端108相邻的箱体116中的多个螺旋运输器126。如上文所述，该卸料构件的一个或多个螺旋运输器126可运输该纤维素原料侧向穿过出口112。
可选地或另外地，在其他的具体实施方案中，基本上从出口112的整体主动地取出该纤维素质。由此至少在机械的协助下将该原料移出该收集槽。例如，如上文所述，箱体116可包括多个穿过出口112延伸的螺旋运输器126，该螺旋运输器在转动时保证该纤维素质接近该出口112的整体，并向卸料构件出口运输此纤维素质。
可选地或另外地，在其他具体实施方案中，优选地从该出口112的各部分取出基本上等量的纤维素质。在这种具体实施方案中，可使用具有不同螺距的螺旋运输器(逐渐变宽的螺距)来运输该纤维素原料侧向穿过该收集槽的出口。例如，螺旋运输器126可具有螺旋刮板，该螺旋刮板在与卸料构件出口相邻处具有第一螺距，并在远离该卸料构件出口处具有与第一螺距相比更窄的第二螺距。因此，可从与卸料构件出口相邻的区域和从远离卸料构件出口的区域取出基本上等量的原料。
在一些具体实施方案中，优选地沿第一侧向方向取出第一部分的纤维素原料，并且优选地沿第二侧向方向取出第二部分的纤维素原料，第二侧向方向优选地与第一侧向方向相反。例如，收集槽可包括第一对螺旋运输器和第二对螺旋运输器。每个螺旋运输器可包括右旋的螺旋刮板，并且第一对螺旋运输器可沿第一方向旋转从而在第一侧向方向上运输该纤维原料，而第二对螺旋运输器可沿第二方向旋转从而在第二侧向方向上运输该纤维原料。
在一些具体实施方案中，该方法进一步包括将该收集槽中的温度维持在约50℃至约75℃。例如，收集槽可任选地装有加热套，如加热套136，和/或箱体116可任选地装有加热套146。该加热套可用以加热该收集槽和/或该卸料构件的壁，以使得该收集槽之内的材料的温度维持在或升高至50℃至约75℃。
将理解，为了清楚起见而在不同具体实施方案或不同方面的情况下描述的本发明的某些特征也可在同一具体实施方案中组合提供。相反地，为简洁起见而在同一具体实施方案或同一方面的情况下描述的本发明的各个特征也可单独地提供，或以任何合适的再次组合而提供。
虽然已经结合其特定的具体实施方案而对本发明进行了描述，但如果明显时，则许多替换、修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本申请旨在包括落入权利要求书的实质和广阔范围以内的所有替换、修改和变化。另外，对本申请中的任何文献的引用或确认不应解释为承认此文献可作为本发明的现有技术。

Claims (26)

1.一种用于制备纤维素原料的装置，所述装置包括：
浸渍器，所述浸渍器用于用水处理纤维素原料从而获得水分含量为30重量％至60重量％的经浸渍的纤维素原料，所述浸渍器具有出口通道用于将经浸渍的纤维素原料从所述浸渍器送至收集槽，
收集槽，所述收集槽包括：
(a)至少一个侧壁，该侧壁限定具有上部和下部的体积，其中所述下部具有与所述上部相比更大的截面积；
(b)至少一个与所述上部相邻的入口；
(c)至少一个与所述下部相邻的出口，该出口的高度在所述入口以下；和
(d)至少一个螺旋运输器，该螺旋运输器运输所述经浸渍的纤维素原料侧向穿过所述出口，所述至少一个螺旋运输器沿其长度具有可变的螺距，
其中所述出口由至少一个侧壁的下端所限定，
其中所述至少一个螺旋运输器安装在箱体中，所述箱体包括底部、侧壁和开放的顶部，所述开放的顶部至少与出口一样大；和
其中所述至少一个螺旋运输器在出口的下方延伸。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个螺旋运输器具有第一末端和第二末端，并且所述第一末端的螺距与所述第二末端的螺距不同。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述至少一个螺旋运输器包括具有第一螺距范围的第一区域和具有第二螺距范围的第二区域。
4.根据权利要求3所述的装置，其进一步包括所述第一区域和所述第二区域之间的中间区域，并且所述中间区域具有所述第一螺距范围和所述第二螺距范围之间的第三螺距范围。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个螺旋运输器具有第一末端和第二末端，并且所述螺距从所述第一末端到所述第二末端减小。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述螺距在所述第一末端和所述第二末端之间以恒定的比率变化。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述出口限定成多个部分，并且所述螺距变化以使得从所述出口的各部分取出相等的原料部分。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个螺旋运输器包括多个螺旋运输器，并且所述螺旋运输器中的至少一个在第一方向上运输所述经浸渍的纤维素原料，且所述螺旋运输器中的至少一个在第二方向上运输所述经浸渍的纤维素原料。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一方向和所述第二方向相反。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个螺旋运输器包括多个螺旋运输器，并且至少两个相邻的螺旋运输器具有长度，并在第一方向上运输所述经浸渍的纤维素原料，并且所述螺旋运输器在沿所述螺旋运输器长度的任何位置处的螺距相同。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述装置包括多个具有长度的螺旋运输器，其中第一对螺旋运输器在所述第一方向上运输经浸渍的纤维素原料，而第二对螺旋运输器在所述第二方向上运输经浸渍的纤维素原料。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述第一对螺旋运输器的螺距在沿所述长度的任何位置上相同，并且所述第二对螺旋运输器的螺距在沿所述长度的任何位置上相同。
13.根据权利要求11所述的装置，其中在所述第一方向上运输经浸渍的纤维素原料的所述第一对螺旋运输器的螺距是在所述第二方向上运输经浸渍的纤维素原料的所述第二对螺旋运输器的螺距的镜像。
14.根据权利要求11所述的装置，其中所述第一对螺旋运输器可沿第一方向旋转，而所述第二对螺旋运输器可沿相反的方向旋转。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个螺旋运输器延伸穿过整个所述出口。
16.根据权利要求1所述的装置，该装置进一步包括装在所述装置的至少一部分上的加热套。
17.根据权利要求1所述的装置，其中所述收集槽的侧壁包括第一侧壁和与所述第一侧壁相对的第二侧壁，并且所述第一和第二侧壁从上部到下部彼此偏离。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述收集槽的侧壁包括第三侧壁和与所述第三侧壁相对的第四侧壁，并且所述第三和第四侧壁在所述第一和第二侧壁之间延伸，所述第三和第四侧壁从上部到下部彼此偏离。
19.一种用于制备乙醇的纤维素原料的制备方法，该方法包括：
(a)使纤维素原料通过浸渍室到达所述浸渍室的出口，其中用水处理所述纤维素原料从而获得水分含量为30重量％至60重量％的经浸渍的纤维素原料；
(b)将所述经浸渍的纤维素原料从所述浸渍室的出口送至收集槽的入口，所述收集槽具有出口；
(c)使所述经浸渍的纤维素原料下行通过所述收集槽并且用至少一个螺旋运输器运输所述经浸渍的纤维素原料侧向穿过所述收集槽的出口；
(d)在所述收集槽中维持恒定的停留时间；和
(e)接着使所述经浸渍的纤维素原料进行下游的水解过程，
其中所述收集槽包括至少一个侧壁，该侧壁限定具有为入口的上部和为出口的下部的体积，其中所述下部具有与所述上部相比更大的截面积，
其中所述出口的高度在所述入口以下并且由至少一个侧壁的下端所限定，
其中所述至少一个螺旋运输器安装在箱体中，所述箱体包括底部、侧壁和开放的顶部，所述开放的顶部至少与出口一样大；和
其中所述至少一个螺旋运输器在出口的下方延伸。
20.根据权利要求19所述的方法，该方法进一步包括将上述收集槽中的温度维持在50℃至75℃。
21.根据权利要求19所述的方法，该方法进一步包括将各部分的所述停留时间的差别维持在至多5分钟的量。
22.根据权利要求19所述的方法，该方法将所述收集槽中的停留时间维持在10至30分钟。
23.根据权利要求19所述的方法，其中从所述出口的整体主动地取出所述经浸渍的纤维素原料。
24.根据权利要求19所述的方法，其中从所述出口的各部分取出等量的经浸渍的纤维素原料。
25.根据权利要求19所述的方法，其中在至少两个不同的侧向方向上运输所述经浸渍的纤维素原料。
26.根据权利要求19所述的方法，其中利用具有不同螺距的螺旋运输器来运输所述经浸渍的纤维素原料侧向穿过该收集槽的出口。
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