CN102549213A

CN102549213A - 用于在水解作用的上游对纤维素原料进行热处理的方法及装置

Info

Publication number: CN102549213A
Application number: CN2010800414882A
Authority: CN
Inventors: 默里·J·布尔克
Original assignee: Sunopta Bioprocess Inc
Current assignee: Sunopta Bioprocess Inc
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2012-07-04
Also published as: EP2454410A1; BR112012001166A2; CA2710254A1; EP2454410A4; WO2011006244A1; CA2673134A1; US20110011391A1

Abstract

本发明公开了一种用于在水解之前加热纤维素原料的装置。该装置包括可加压的处理室、混合及输送构件以及加热元件，其中混合及输送构件构造成解聚集纤维素原料并在室的上部部分中使纤维素原料与气体混合。处理室处于与下游的水解器的压力相当的压力下。另外，公开了一种方法。

Description

用于在水解作用的上游对纤维素原料进行热处理的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于制备纤维素原料的方法和装置，该纤维素原料用于来自纤维素原料中的纤维素以及半纤维素的可发酵糖流的后续生产，其中，可发酵的糖流可以用于后续的乙醇生产。更具体地，本发明涉及一种用于通过加热纤维素原料来制备用于水解的纤维素原料的方法和装置。

背景技术

用于乙醇的生产的若干工艺是已知的。大体上，燃料乙醇的生产涉及通过酵母使糖发酵。通常，糖源自谷物，例如玉米以及小麦。谷物中的淀粉经受酶水解，以生成糖，然后糖又被发酵以生成乙醇。

植物材料是可发酵糖的重要来源，例如可以被转换成生物燃料的葡萄糖。然而，植物材料中的糖包含在纤维素以及半纤维素的长聚合链中。当利用当前的发酵工艺时，必需在发酵步骤之前将这些聚合链分解为单糖。

近来，已经研发出利用植物材料例如玉米的穗轴、稻草以及锯屑来生产用于乙醇发酵的糖的工艺。这些工艺通常包括对原料进行预加热以提高纤维素到水解酶的可及性，以及使纤维素受到纤维酶系统的影响，以将纤维素转换成葡萄糖。

在本领域中，将植物生物质转化成可发酵糖的方法是已知的，并且这些方法大体上包括两个主要步骤：用以激活植物结构的预处理步骤以及用以将纤维素以及半纤维素的聚合链转换成单糖的酶水解或化学水解步骤。若干方法已经被用于预处理步骤，例如自动水解、酸解、氨气活化、硫酸盐制浆、有机溶剂制浆、热水预处理、氨渗滤(ammoniapercolation)、石灰预处理、苛性钠制浆、或碱性过氧化物预处理。早期的预处理步骤包括将原料研磨或碾磨成粉末，然后该粉末与水混合以形成浆料。

最近，溶剂基预处理、碱预处理以及酸预处理也已经被描述过。HolmChristensen的PCT公开WO/2007/009463描述了一种不涉及酸、盐或其它化学制品的添加的交替预处理。该预处理工艺涉及：将纤维素材料浸透在水中；将纤维素材料输送通过已加热和已加压的反应器；以及挤压纤维素材料以产生纤维组分以及液体组分。在该浸透步骤期间，每1kg的纤维添加了约2.5kg-3.5kg的液体，并且这些液体在挤压期间被再次移除。整个预处理过程会耗时约27分钟。

每个预处理技术具有作用于植物结构的不同机理，这些机理包括物理的和/或化学的改性。然而，预处理的主要目的是提供植物材料到酶的可及性。

发明内容

水解工艺在商业上的可行性取决于提供给水解单元的原料的特性。优选地，原料被激活使得原料的纤维素以及半纤维素的很大一部分(例如，大于75％)可触及水解酶。如果将这种已激活的原料提供给酶水解单元，则纤维素以及半纤维素中的至少60％、优选地大于75％以及更优选地大于90％会被转换成单糖。该富含糖的工艺流随后会经受发酵以产生醇流。来自发酵阶段的醇流(即，粗醇流)可以具有的乙醇含量约为3％-22％v/v，优选地约为5％-15％并且更优选地约为8％-12％。

用于酶水解的已激活的原料优选地通过自动水解来制备，该自动水解优选地在蒸汽爆破反应器中进行，蒸汽爆破反应器也被称为水解器或水解腔(也被称为蒸煮器)。自动水解是通过暴露在高温、蒸汽以及压力下来分解半纤维素以及纤维素的工艺。当该反应是在存在添加酸的情况下进行时，该反应被称为酸水解。

在自动水解期间，纤维素的聚合程度可以从约10,000降到约1,500-1,000。这个过程优选地是在高于木质素的玻璃转变温度(120℃-160℃)的情况下执行的。取决于反应的激烈程度，可以生产出降解产物，例如糠醛、羟基甲糠醛、蚁酸、乙酰丙酸以及其它有机化合物。

在蒸汽爆破处理(如果没有从外部添加的催化剂，则更通常地被称为自动水解)期间，可选地在加压容器中存在有适当的化学制品(例如，有机酸和/或无机酸、氨水、苛性钠、二氧化硫、溶剂等)的情况下，纤维素原料经受升高的热(例如，180℃到220℃)和压力(例如，131psig到322psig)。优选地，不利用外部化学制品添加，在这种情况下，仅可能会存在的催化剂可以是在原处产生的乙酸。已处理的纤维素原料然后从加压容器中释放，使得压力迅速地(例如，在一秒或更短的时间内，并且优选地是瞬间地)降低。该生物质可以离开水解器以处于降低的压力、优选地处于大气压并且更优选地处于真空。压力的迅速降低导致生物质分离成各单根纤维或纤维束。该步骤打开了纤维结构并增大了表面积。木质素连同纤维素以及剩余的半纤维素一起保留在纤维中。因此，与高温和高压处理相结合的压力的爆发性释放导致了纤维素原料的物理化学改性，然而改性后的纤维素原料适于进料至酶水解单元。

也已经确定的是：如果进料至水解器的纤维素原料具有过高的温度，则在开始自动水解反应之前，一定百分比的半纤维素糖将被降解成抑制性化合物，并且在自动水解反应自身期间被降解进一步的量。相反，如果进入水解器的纤维过冷，则最初的三分之一到一半的反应器容器可能会用作预加热装置而不是自动水解反应器，从而导致不完整的自动水解。优选的是，对于进料至水解器的纤维而言，在全年期间以及从夜间到白天的操作期间都具有非常一致的纤维温度。

另外，优选的是进料至自动水解单元的原料中的纤维具有相对较均匀的温度分布。例如，优选的是原料材料的中心部分具有的温度在材料外表面的温度的80％内，更优选地在90％内，最优选地在95％内。

因此，在一方面，提供了一种制备用于在水解室中水解的纤维素原料的方法，所述方法包括：

(a)将所述纤维素原料引入到具有内表面的纵向延伸的处理室中；

(b)在与所述水解室中的压力相当的压力下以及在小于50％的填充容积由此所述处理室具有上敞空部的情况下操作所述处理室；

(c)在将所述纤维素原料纵向地输送通过所述处理室的同时将所述纤维素原料的一部分抛射到所述处理室的上敞空部中；以及

(d)在所述纤维素原料被输送通过所述室时加热所述纤维素原料。

在一些实施方式中，步骤(c)可以包括在所述处理室的下部部分中解聚集所述纤维素原料并将已解聚集的纤维素原料分散在所述上敞空部中。

已经确定，置于具有加热的壁的水解器中并通过如可以在水解器中使用的缓慢旋转(例如，4rpm)的螺旋钻输送的纤维素原料的内部部分将趋于缓慢地加热。尽管与已加热表面接触的部分相对较快地被加热到所需的水解温度，但传导至内部的热是有限的，即便具有螺旋钻实现的混合也是如此。因此，在与已加热的表面接触的部分被升至水解温度时，一些部分可能过热并劣化。此外，内部部分一段充分的时间内可能不会升至水解反应所需的温度，以致在原料从水解器喷出之前水解反应无法进行到所需的完成程度。因此，根据本发明的这个方面，原料在被部分地填充的反应器中受到加热。该反应器是在一部分容积被气体(例如，空气，该空气可能由于添加了汽化而产生蒸汽的水而是潮湿的)占据的情况下操作的。原料通过例如快速旋转的桨叶而被向上抛射(例如抛掷)到反应器的敞空容积中。因此，不是作为密实材料存留在反应器的底部中的纤维素原料，原料的各个部分被彼此分开从而将原料的更多表面积暴露于反应器的敞空上部部分中的热环境中。这将使得当材料被向上抛射以及当材料由于重力而下落并沉在反应器的底部中时，原料的内部部分被加热。

在一些实施方式中，步骤(d)可以包括间接地加热所述纤维素原料。在可替代的实施方式中，可以在处理室中添加一些水。例如，可以在原料进入处理室时向其喷洒水，例如喷洒薄雾，同时将原料的含水量保持在30wt％至60wt％之间，以及优选地保持在45wt％至55wt％之间，和/或可将蒸汽引入到处理室中。

在一些实施方式中，步骤(c)可以利用输送构件，并且步骤(d)包括加热内室表面和所述输送构件中的至少一个，并且优选地对内室表面以及输送构件都进行加热。优选地，输送构件通过流体例如蒸汽在内部被加热。

在一些实施方式中，步骤(d)可以包括将所述原料加热至介于170℃与220℃之间，并且优选地加热至介于200℃与210℃之间。

在一些实施方式中，所述纤维素原料可以在没有增加水分的情况下被加热。

在一些实施方式中，步骤(a)可以包括提供如下纤维素原料：该纤维素原料处于介于5℃与100℃之间的温度，优选地处于介于50℃与70℃之间的温度，并且该纤维素原料处于介于30wt％与60wt％之间的含水量，并且优选地介于45wt％与60wt％之间的含水量。

在一些实施方式中，纤维素原料在室中的填充容积可以为从5％到30％，优选地从5％到25％，更优选地从5％到20％并且最优选地从5％到15％。

在一些实施方式中，是在如下压力下对所述室进行操作的：该压力介于75磅/平方英寸表压(PSIG)与500PSIG之间，优选地介于170PSIG与265PSIG之间(例如，如果在没有添加酸的情况下进行水解)，更优选地介于190PSIG与235PSIG之间

在一些实施方式中，纤维素原料可以在水解室中经受下游水解加工。水解室优选地邻接于处理室。例如，处理室与水解室可以是容器中连续的容积

可替代地，水解室可以在单独的容器中，例如在水解器中，以及处理室具有出口而水解室具有入口，并且该方法还包括将纤维素原料输送通过连接处理室与水解室的导管。优选地，所述入口在所述出口上方，并且该方法还包括将纤维素原料从处理室向下输送至水解室。原料可以完全通过重力在室之间行进。

在一些实施方式中，处理室可以处于与水解室相同的压力下。

在一些实施方式中，该方法还可包括扫过下表面以将纤维素原料输送通过处理室。

在一些实施方式中，输送构件可以包括纵向地延伸穿过处理室的旋转轴以及从所述轴径向向外延伸的多个桨叶，并且输送构件可以包括纵向地延伸穿过所述多个桨叶管和所述轴中的至少之一的流体导管，并且对纤维素原料进行加热的步骤可以包括将已加热的流体注入通过该流体导管。

在一些实施方式中，输送构件可以在如下速率下旋转：该速率介于25RPM与150RPM之间，优选地介于50RPM与100RPM之间，并且更优选地约为75RPM。

根据另一方面，还提供了一种装置，该装置包括：

(a)壳体，该壳体限定了具有下内表面的可加压的处理室，该壳体具有入口以及与该入口纵向地间隔开的出口从而限定轴向长度，该出口处于与在处理室下游的水解室相当的压力下；

(b)容置在壳体内的混合及输送构件；以及

(c)加热构件，该加热构件构造成对壳体和混合及输送构件中的至少一个进行加热，由此纤维素原料在水解之前被热处理。

在一些实施方式中，可加压的处理室可以邻接于水解室。例如，可加压的处理室以及水解室可以设置在壳体内。可替代地，处理室以及水解室可以设置在单独的容器中并且通过导管连接。在后一种实施方式中，可加压的处理室的出口优选地位于水解室的入口上方，并且更优选地位于水解室的入口正上方。

在一些实施方式中，输送构件可以构造成使原料分散于整个处理室。

在一些实施方式中，加热构件可以包括加热护套以及位于混合及输送构件内部的流体流导管中的至少一个。优选地，流体流导管不与处理室进行流体流连通。

在一些实施方式中，混合及输送构件可以包括构造成扫过处理室的下内表面的至少一个部分。

在一些实施方式中，水解室具有输送构件，并且与输送构件相比，混合及输送构件可以以更高的RPM操作。

在一些实施方式中，所述装置可以具有多于一个的输送构件。例如，输送构件可以包括第二轴，该第二轴与第一轴横向地间隔开并大体上平行于第一轴延伸，并且下内表面的横向截面为扇贝形。在一个这种实施方式中，第二轴与第一轴横向地间隔开并大体上平行于第一轴延伸。每个轴可以具有附连于其上的多个桨叶。每个桨叶优选地通过螺栓或以其它方式固定到轴上以允许角度的调整，从而对原料进行最佳的混合。下内表面具有位于第一轴下方的第一部分以及位于第二轴下方的第二部分，其中，当在横向截面中观察时，分别地，第一部分限定与第一轴相距恒定距离的弧形部，并且第二部分限定与第二轴相距恒定距离的弧形部。

附图说明

结合对本发明的优选实施方式的以下描述，将更完整和具体地理解本发明的这些以及其它优点，其中：

图1是本发明的装置的实施方式的立体图示；

图2是图1的装置的前视平面图；

图3是图1的装置的俯视平面图；

图4是图1的装置的俯视图，其中移除了装置的上部部分，示出了装置的内部；

图5A和图5B是沿着图2中的线5-5截取的横向截面图，图中示出了本发明的输送构件的实施方式的各个旋转位置；

图6是本发明的输送构件的实施方式的立体图示；

图7A是本发明的桨叶的实施方式的立体图示；

图7B是图7A的桨叶的前视平面图；

图7C是图7A的桨叶的侧视平面图；

图7D是图7A的桨叶的俯视平面图；

图8A是本发明的输送构件的实施方式的局部立体图示，其中，输送构件的桨叶包括轴，该轴延伸穿过该轴的流体导管；

图8B是图8A的桨叶的局部前视平面图；

图8C是图8A的桨叶的局部侧视平面图；

图8D是沿图8A中的线D-D截取的横向截面图，图中示出了轴与桨叶管之间的流体连通；

图9是根据本发明的一个实施方式的装置的示意性图示，其中，处理室处于与水解室分开的容器中；以及

图10是根据本发明的另一实施方式的装置的示意性图示，其中，处理室与水解室处于相同的容器中。

具体实施方式

本发明的实施方式提供了一种用于对可以用于后续的乙醇生产的纤维素原料进行处理的装置和方法。优选的实施方式的方法和装置用于加热原料以获得适于水解的原料。在其中一个优选的实施方式中，该方法和装置用于间接加热原料而不增大原料的含水量。在进一步的实施方式中，该方法和装置用于增大暴露于热的原料的量，以提高向进料至处理室的纤维素原料的内部部分的热传递。该方法和装置对于制备用于在水解器例如蒸汽爆破水解器中自动水解的纤维素原料而言是有用的。因此，在本文中描述的实施方式提供了适于产生发酵前体流的纤维素原料。该纤维素原料随后可以被处理以释放纤维素以及半纤维素中的糖并生产出糖流，该糖流然后可以进行发酵以获得高产量醇流。

在图1-图8中示出了本发明的装置的实施方式。应当理解的是，尽管该方法是参照装置200来进行描述的并且装置200可以根据该方法来使用，但该方法也可以通过可替代的装置来执行，并且装置200可以根据可替代的方法来使用。此外，尽管该方法被描述成连续的工艺，但应当理解的是，该方法可以执行为半连续或分批工艺。

根据在本文中描述的方法或利用装置200处理的纤维素原料优选地是木质纤维原料。木质纤维原料源自植物材料。如在本文中所使用的，“木质纤维原料”指的是包含纤维素、半纤维素以及木质素的植物纤维。在一些实施方式中，该原料可以源自树木优选地源自落叶树例如杨树(例如，木屑)。可替代地或附加地，原料也可以源自农作物废弃物，例如但不限于玉米秸秆、麦秆、大麦稿秆、稻草、柳枝稷、高粱、甘蔗渣、稻壳和/或玉米芯。优选地，木质纤维原料包括农作物废弃物以及木质生物质，更优选地包括木质生物质并且最优选地包括落叶性的木质纤维原料。本申请人预想到用于得到纤维素原料的包括纤维素、半纤维素和/或木质素在内的其它植物材料源(例如藻类)，并且可以使用它们中的任何。

木质纤维原料优选地被清洁，例如，以去除灰、硅石、金属条(例如，来自农产品)、石头以及尘土。木质纤维原料的成分的尺寸也可以被减小。原料的成分的长度尺寸可以是从约0.05英寸到约2英寸，优选地从约0.1英寸到约1英寸，并且更优选地从约0.125英寸到约0.5英寸。例如，纤维素原料可以包括长度介于约4mm与约7mm之间的纤维，例如铡碎的稿秆。可以利用能够挤压、碾磨或以其它方式减小颗粒尺寸的任何加工机械。

在一些实施方式中，该方法和装置在不增加水分的情况下对纤维素原料进行加热。优选的是在原料中具有较低的含水量，只要存在用于水解和/或激活原料的充足的水即可。在一方面，提供给装置200的木质纤维原料的含水量优选地为按重量计介于30％与70％之间。在更优选的实施方式中，木质纤维原料的含水量介于45％与55％之间。在一些实施方式中，纤维素原料在浸渗机中被预处理，以在原料被提供给装置200之前调节原料的含水量。例如，原料的含水量可以被测量，然后，可以将预定量的水添加到浸渗机中的原料，以对原料进行预处理并达到优选的含水量。还优选的是，进料至热处理室的原料中的纤维具有相对较均匀的水分分布。优选的是，原料的中心部分的含水量在材料的外表面的含水量的80％内，更优选地在90％内，最优选地在95％内。例如，如果材料的外表面的含水量为从45wt％到55wt％，则材料的中心部分的含水量优选地为从40.5wt％到49.5wt％。

可选地，在一些实施方式中，提供给装置200的原料被预处理以对原料进行加热。在一些实施方式中，原料所处的温度介于25℃与100℃之间，优选地介于50℃与约70℃之间，并且更优选地介于55℃与65℃之间，并且含水量按重量计在约30％到70％之间，并且在优选的实施方式中，按重量计在约45％到55％之间。在一个优选的实施方式中，纤维素材料在浸渗机中被预处理以获得处于这些条件下的纤维素原料。

根据本发明的一方面，该方法包括在纤维素原料被输送通过封闭容积时对纤维素原料进行加热。该封闭容积可以具有多种不同构型。在一个实施方式中，封闭容积是纵向延伸的室。参照图1-图5，在示出的实施方式中，装置200的室204包括封闭容积202。室204可以被称为处理室。

在示出的实施方式中，室204由壳体206限定，壳体206优选地设置有加热护套260。该室是可加压室，该可加压室可以在75PSIG与500PSIG之间操作，优选地在170PSIG与265PSIG之间操作，例如如果在没有添加酸的情况下进行水解，并且更优选地在190PSIG与235PSIG之间操作。壳体206优选地包括内壁208以及间隔开的外壁209，外壁209与内壁208在其间限定容积207。因此，室204可以是具有容积207的双壁式室，被加热的流体可以通过容积207从例如容积207的入口传送到容积的出口。壁208具有封闭了室204的内表面210。应当理解的是可以使用单壁式容器。应当理解的是，加热护套260可以仅围绕室204的一部分并且可以具有任何设计。

将原料提供到室204中的进料器262优选地定位在处理室204的上游。进料器262可以具有任何设计，并且优选地为如在加拿大专利申请No.2,339,002中示例的同轴进料器。优选地，进料器262是高压进料器，并且进料器262抑制原料向上游迁移，并优选地产生防止原料向上游迁移的材料堵头。该堵头可以被输送到入口外壳272中，入口外壳272安装至例如外壁209，并定位在容积202的入口211上方。然后，原料可以向下传送到室204中。

在图9中示出的实施方式中，处理室204处于与水解室分开的容器中。因此，室204包括至少一个原料入口211以及可以定位在出口通道218上方的至少一个已处理原料出口213(参见图2和图4)。入口211和出口213轴向地间隔开以限定长度L。长度L可以根据具体实施方式而改变，然而，在一些实施方式中，长度L可以介于约5英尺与约25英尺之间。在示出的实施方式中，入口211被限定在壳体206的上部部分中，而出口213被限定在壳体206的下部部分中。因而，纤维素原料堆放到入口211中并沿着室204的长度被输送，并且纤维素原料离开出口213落入可选的出口通道218中。优选的是，出口通道218向下延伸，并优选地竖直地延伸。因此，离开热处理室204的被加工的原料可以完全通过重力传送到水解器300中。在可替代的实施方式中，入口211和出口213可以定位在别处，例如定位在室204的相对端。

如在图9中所示例的，出口通道218连接于水解器300，水解器300具有水解器室302、与出口通道218连通的入口304、以及出口306，出口306优选地为蒸汽爆破出口。通道310从出口306延伸至下游加工单元，例如酶水解单元。水解器300可以在50％的或更高的填充系数下操作，优选地在低于40％的填充系数下操作，并且更优选地在25％的填充系数下操作。

在该实施方式中，处理室204可以具有一分钟或更少的滞留时间，例如30秒到45秒，并且水解室302可以具有约3分钟到14分钟的滞留时间，优选地具有5分钟到9分钟的滞留时间。如果水解室302在高填充系数(例如，75％-90％)下操作并且所述室具有大约相同的尺寸，则如果处理室204的填充系数过高，将开始在处理室中聚积纤维并且一些原料可能会被过度加热。因而，在处理室以及在水解室中的滞留时间优选地被选择成使得已处理的原料可以离开处理室而直接到达水解室并实现水解室中所需的填充容积)。

在图10中示出的实施方式中，处理室204与水解室302处于相同的容器中。因此，水解器与处理室204邻接。优选地，在该实施方式中，水解室302具有可以独立于处理室204的输送构件222来进行操作的输送构件312。因此，处理室204的输送构件222可以相对较为迅速地操作以将材料抛射到处理室204的敞空容积中，并且水解室302的输送构件302可以较缓慢地操作。输送构件222和输送构件312中的每个都可以是悬臂构件并且由马达278、314驱动。输送构件222和输送构件312可以是相同的或不同的，并且可以是在本领域中已知的任何构件。

当纤维素原料行进穿过处理室204时，纤维素原料在不增加水分的情况下被加热。优选地，纤维素原料被加热，使得当原料例如在出口213处离开处理室204时，原料所处的温度介于约170℃与约220℃之间，并优选地介于约200℃与约210℃之间。

室204可以具有下述任何构型：所述构型为原料提供滞留时间以使其被搅动和加热，从而获得具有处于预定范围内并且优选地均匀的温度的已处理的原料。在一个实施方式中，原料在不直接向原料增加水分例如热水或蒸汽的情况下被加热。在另一实施方式中，可以例如通过将蒸汽注入处理室204中和/或通过将水喷到进入室204的原料上(例如，可以在入口外壳272中设置喷水器298等)来添加水。

在一个优选的方面，处理室以及输送构件222构造成使得原料以相对较恒定的滞留时间移动通过所述室。可替代地或附加地，处理室以及输送构件222构造成使得原料可以在重力的作用下停靠在其上的下表面被扫过，因此原料将被连续地推动通过室。

在进一步的方面，输送构件222也用于在原料被推动通过室时对原料进行搅动。搅动原料促进了纤维素原料的混合，并且在另一实施方式中促进了向原料高效且均匀的热传递。在所示例的实施方式中，对原料的搅动使原料混合并使其分散到封闭容积202中，并遍布室204的填充容积。应当理解的是，使原料分散于整个室204促进了原料与室204的内表面210的接触，这促进了从壳体206向包含在壳体206中的纤维素原料的热传递。应该进一步理解的是，在纤维素原料被输送通过室时，对纤维素原料的搅动使原料混合并促进了原料内的热传递。

应当理解的是，输送构件222可以具有下述任何设计：所述设计在沿纵向方向将纤维素原料输送通过处理室的同时，将纤维素原料的一部分、并且优选为全部纤维素原料抛射到处理室的上敞空部中。在输送构件优选地以相对较高的速度旋转时，原料将被向上抛射并分散到室204的容积202中。本领域的技术人员应当理解的是，增大输送构件的旋转速度将大体上增大搅动以及原料输送通过室的速度。

向上抛射的材料的量将取决于输送构件的旋转速率和设计。在特别优选的方面，处理室204是在基本空的状态下(例如，约10％的填充容积)操作的，使得室204中的许多纤维可以在任意时间分散在室204的敞空的上部容积中。因此，在原料沿纵向方向行进通过外壳204时，原料可以基本上处于沿竖直方向的几乎连续的运动。例如，在输送构件222旋转时，原料的一部分可以被抛掷到空气中。然后，原料将分开并且分散到室中的气体中。因此，原料的更多的表面积将暴露于室中的热气体。然后，原料将向下落至室的底部，由此，将对工艺进行重复。原料可耗费其滞留时间的40％以上，优选地50％以上、并且更优选地75％以上暴露于空气。

如在图1-图3中所示例的，两个输送构件222以可旋转的方式安装在室204中并且以被驱动的方式连接于马达278。如所示例的，马达278经由设置在壳体280中的变速器或齿轮减速组件以驱动方式连接于输送构件222。齿轮减速组件可以以驱动方式连接于输送构件222的定位在外壳282内部的端部225、227。

根据该优选方面，室204沿着轴线220纵向地延伸并且具有可以基本为圆筒形的上部部分以及由壁部214形成的下部部分，该下部部分的横向截面优选地为扇贝形(见图5A和图5B)。具有扇贝形下部的优点在于，旋转安装的输送构件222可以扫过相邻的全部下壁部214或至少大部分下壁部214以降低由于材料未被沿着壁部214输送而使材料具有增加的滞留时间的可能性。在较不优选的可替代实施方式中，室204可以另外地成形。例如，上部部分也可以是扇贝形的。可替代地，结合本发明的其它方面，下部部分可以是基本圆筒形，在这种情况下，可以使用单输送构件222。

优选地，输送构件222构造成与下壁部214的构型相结合地通过扫过下壁部214而推动纤维素原料通过室204。也就是说，输送构件222优选地构造成使得输送构件222的至少一部分以连续的运动经过下内表面以向前推动纤维素材料。此外，输送构件222优选地构造成沿着室的大体整个轴向长度扫过下壁部214。因此，减少了并优选地基本上消除了下述可能性：原料保持与下壁部214接触一段时间而使得纤维通过容积207中已加热的流体而劣化。应当理解的是，在较不优选的实施方式中，下壁部214和输送构件222不需要构造成扫过下壁部214并且可以具有多种不同的其它构型。如果容积207不被蒸汽加热则可以使用该实施方式。

如在图4-图8中所示例的，输送构件222包括第一旋转轴224和第二旋转轴226，第一旋转轴224和第二旋转轴226沿纵向方向延伸穿过室204并且优选地沿横向方向间隔开并优选地是平行的。在可替代的实施方式中，输送构件可以包括仅一个旋转轴或多于两个的旋转轴。

轴224和轴226可以设置有螺旋钻、以及构造成在轴224和轴226旋转时将原料抛射到敞空容积中的多个桨叶或任何构件。如所示例的，多个桨叶228从每个旋转轴径向向外延伸。此外，如在图8A-图8D中所示例的，桨叶228可以各自包括叶片232和柄部230，柄部230将叶片232联接至旋转轴226和旋转轴228中的一个。每个叶片232可以是大体上平面的并且包括径向内边缘234、径向外边缘236以及相对的第一侧边缘238和第二侧边缘240，第一侧边缘238和第二侧边缘240在内边缘234与外边缘236之间延伸。在其它的实施方式中，桨叶可以通过其它方式来构造。例如，叶片可以直接从轴延伸并且可以不设置柄部。可替代地，如所示例的，柄部可以从轴向外延伸，使得在每个叶片与轴之间设有空间。

叶片232可以通过本领域中已知的任何手段例如焊接、或机械固定构件(例如铆钉或螺钉)而紧固于柄部230的一端。柄部230的另一端可以设置有螺纹276，螺栓274可以被容纳在螺纹276上。柄部230可以例如通过沿横向方向从一侧到另一侧延伸穿过轴224和轴226以及紧固于柄部230上的螺栓274而紧固于轴224和轴226。优选地，如果在输送构件222中设置有流体导管，则设置有适当的填料或垫圈等，以限制或防止轴224的容积256与室204的封闭容积202之间的流体连通，例如经过柄部230的流体连通。

柄部230可以设置有与轴224和轴226内部的容积256流体连通的一个或多个开口258。柄部230也可以与封闭在叶片232内的桨叶管流体连通。因而，流体可以流过轴224和轴226，流过柄部230到达叶片232中的封闭管。在另一实施方式中，叶片232不包括与柄部230和容积256流体连通的桨叶管。可选地，桨叶228也可以直接紧固于轴224和轴226，或者可以通过本领域中已知的任何其它手段来紧固。

在一个实施方式中，如在图7中所示例的，桨叶228设置成使得它们大体上限定了围绕每个旋转轴延伸的纵向延伸螺旋体。换句话说，如果用从旋转轴的入口端延伸到旋转轴的出口端的线将桨叶的径向外边缘236连接起来，则将限定出螺旋体。因而，成螺旋形地相邻的桨叶228，例如桨叶228a和桨叶228b，围绕轴的轴线以不同的角度位置从轴延伸，如可以在图4中所看到的。

优选地，每个桨叶228的叶片232是倾斜的。也就是说，每个叶片232的第一侧边缘238相对于第二侧边缘240沿轴向方向更靠近出口213并且在旋转上是靠后的(参见图5)。

优选地，当沿着旋转轴的长度轴向地观察时，一个桨叶的第一侧边缘与相邻的下一个桨叶的第二侧边缘轴向地交叠(参见图5A)。

在可替代的实施方式中，桨叶可以以其它方式构造。例如，它们可以不是倾斜的并且可以成形为楔形。另外，例如，它们可以围绕轴226和轴224设置成栅格状，而不是螺旋体。

因而，在示出的实施方式中，抛射和/或输送纤维素原料通过封闭容积202的步骤包括使每个轴224和轴226旋转，使得桨叶228与纤维素原料接合并将纤维素原料向上输送到室204的敞空容积中，并沿轴向方向推动纤维素原料通过室204。另外，在该实施方式中，当旋转轴224和旋转轴226旋转时，桨叶228以连续的运动经过内下壁部214，以向前推动纤维素材料。所示例出的设计的优点在于，桨叶的外径向边缘构造成在下壁部214上方行进大体上一致的距离，从而能够有效地扫过下壁部214。

根据该特别优选的方面，桨叶228和下壁部214构造成使得当指定的桨叶邻近下壁部214并经过下壁部214时，在桨叶228的外边缘236与下壁部214之间保持了基本恒定的距离。

例如，在示出的实施方式中，每个桨叶的外边缘236的形状是弯曲的或弓形的(例如参见图7B)，并且在轴旋转时，所述弯曲体优选地与外边缘236所扫过的或限定的弧242匹配(例如参见图5A)。因而，当轴224和轴226旋转时，每个桨叶228的外边缘236将描绘出圆。也就是说，每个桨叶232的外边缘236是弯曲的以限定具有半径R1的圆的弧段。应当理解的是，在叶片232倾斜的实施方式中，由外边缘236扫过的弧242将是三维的(即，将具有深度)。

应当理解的是，下壁部214可以构造成使得在横向截面中，下壁部214限定至少一个弧形部244并且更优选地限定两个或更多弧形部。在示出的实施方式中，输送构件包括两个旋转轴，下壁部214限定两个弧形部244a、244b，如在图5A-图5B中所示。也就是说，当在横向截面中观察时，下壁部214是扇贝形的。在可替代的实施方式中，输送构件包括不同数量的轴，下部部分可以限定不同数量的弧形部，优选的是每个轴限定一个弧形部。优选地，每个轴在弧形部244上方居中。

弧形部244a和弧形部244b具有半径R3。弧形部244a包括下壁部214的第一部分246，并且弧形部244b包括下壁部214的第二部分248。第一部分246在第一轴224下方，而第二部分在第二轴226下方。叶片232和部分246以及部分248构造成使得R3略大于R2，例如比R2大大约少于6.5mm。因而，当轴224以及轴226旋转时，与轴224相关联的桨叶将沿着第一部分246扫过，而与轴226相关联的桨叶将沿着第二部分248扫过，使得在桨叶与下壁部214邻近地经过时，在桨叶228的外边缘236与下壁部214的第一部分246以及第二部分248之间保持有优选地小于约6.5mm的距离。径向外边缘236与弧形部244之间的间距可以是从2mm到15mm。该间距可以根据原料中的颗粒物质的尺寸而改变。颗粒物质的尺寸越大，则间距可越大。优选地，该间距小于最大颗粒尺寸并且更优选地小于中等颗粒尺寸。因而，在轴旋转时，颗粒物质将连续地移动通过室。

应当理解的是，轴224和轴226可以沿相同的方向或沿相反的方向旋转。进一步地，应当理解的是，轴224和轴226的旋转可由马达驱动，如所示例的，或由另一适当装置来驱动。

纤维素原料可以以多种不同方式来被加热。在优选的实施方式中，纤维素原料被间接地加热。例如，在一些实施方式中，纤维素原料在被输送通过室204时通过与该纤维素原料接触的加热表面而被间接地加热。因而，在这些实施方式中，本方法可包括在使流体与处理室或输送构件的与原料接触的表面接触之前对流体进行加热，从而间接加热原料。

例如，室204的壳体206和/或输送构件222可以被加热。参照图4和图5，在示出的实施方式中，通过设置围绕壳体206的至少一部分的外壁209来加热室壁208。在外壁209与内壁208之间限定有封闭部207，并且已加热流体的供给与该封闭部相关联。封闭部207在一端与一个或多个入口流体连通，并且在另一端与一个或多个出口流体连通，其中，已加热流体被供给至所述一个或多个入口，使用过的已加热流体引向所述一个或多个出口。因而，被加热的流体在封闭部207内循环，并为纤维素原料提供热量。已加热的流体例如可以是水或蒸汽。可以使用本领域已知的任何加热护套等。在一个这种实施方式中，纤维素原料通过构造成对壳体206或输送构件222进行加热的加热构件260而被加热。

可替代地或附加地，输送构件222也可以被加热。在一个这种实施方式中，输送构件222可以通过加热构件而在内部被加热。在一个实施方式中，输送构件222包括带有流体导管256的轴224和226。已加热流体的供给与流体导管256相关联，因此已加热的流体通过流体导管256，从而对输送构件222进行加热。在优选的实施方式中，输送构件222还包括桨叶管254，桨叶管254通过柄部230中的出入口258与流体导管256流体连通。优选地，流体导管256以及桨叶管254不与室204的封闭容积202流体连通，以防止流体泄漏进室204中或泄漏出室204。已加热流体的供给与流体导管256相关联，使得已加热的流体通过流体导管256以及柄部230中的出入口258并进入桨叶管254。应当理解的是，如果要添加水，则可以通过在室204的内壁上和/或输送构件222的外表面中设置出入口而将蒸汽排入到室204中来添加水。

应当理解的是，为了清楚起见而在分开的实施方式或分开的方面的背景下描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方式中以组合的方式来提供。相反，为了简便起见而在单个实施方式或方面的背景下描述的本发明的各个特征也可以分别地或以任何适当的子组合的方式来提供。

尽管已经结合本发明的具体实施方式对本发明进行了描述，但明显的是许多替代方案、修改以及变型对本领域的普通技术人员将是显而易见的。因而，意在包含落入所附权利要求的精神以及广泛范围内的所有这些替代方案、修改以及变型。另外，本申请中对任何参考文献的引用或辨识不应当解释为承认了该参考文献可用作本发明的现有技术。

Claims

1.一种制备用于在水解室中水解的纤维素原料的方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)包括在所述处理室的下部部分中解聚集所述纤维素原料并将已解聚集的纤维素原料分散在所述上敞空部中。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，步骤(d)包括间接地加热所述纤维素原料。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，步骤(c)利用输送构件，并且步骤(d)包括加热所述室的内表面和所述输送构件中的至少一个。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述输送构件通过流体在内部被加热。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，步骤(d)包括将所述原料加热至介于170℃与220℃之间。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述纤维素原料在没有增加水分的情况下被加热。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，步骤(a)包括提供温度介于5℃与100℃之间且含水量介于30wt％与60wt％之间的纤维素原料。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述纤维素原料具有介于50℃与70℃之间的温度以及介于45wt％与60wt％之间的含水量。

10.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中，所述处理室在所述纤维素原料的填充容积为从5％到30％的情况下操作。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述室中的所述纤维素原料的填充容积为从5％到20％。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，还包括在介于75磅/平方英寸表压(PSIG)与500磅/平方英寸表压(PSIG)之间的压力下操作所述室。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，还包括在介于170PSIG与265PSIG的压力下操作所述室。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，还包括使所述纤维素原料在所述水解室中经受下游水解处理。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述水解室与所述处理室邻接。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中，所述处理室与所述水解室处于相同的压力下。

17.根据权利要求1至14中任一项所述或在权利要求16从属于权利要求1至14中任一项时根据权利要求16所述的方法，其中，所述处理室具有出口且所述水解室具有入口，并且所述方法还包括将所述纤维素原料输送通过连接所述处理室与所述水解室的导管。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述入口在所述出口的上方，并且所述方法还包括将所述纤维素原料从所述处理室向下输送至所述水解室。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，还包括扫过下表面以将所述纤维素原料输送通过所述处理室。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中，所述输送构件包括旋转轴以及多个桨叶，所述旋转轴纵向地延伸穿过所述处理室，所述多个桨叶从所述轴径向向外延伸，并且所述输送构件包括流体导管，所述流体导管纵向地延伸穿过所述多个桨叶管和所述轴中的至少一个，并且加热所述纤维素原料的所述步骤包括将已加热的流体注入通过所述流体导管。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，还包括使所述输送构件以介于25RPM与150RPM之间的速率旋转。

22.根据权利要求21所述的方法，包括使所述输送构件以介于50RPM与100RPM之间的速率旋转。

23.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，还包括在所述原料在所述处理室中的滞留时间的至少40％的时间内使所述原料保持暴露于空气。

24.一种装置，所述装置包括：

(a)壳体，所述壳体限定具有下内表面的可加压的处理室，所述壳体具有入口以及与所述入口沿纵向间隔开以限定轴向长度的出口，所述出口处于与位于所述处理室的下游的水解室的压力相当的压力下；

(b)混合及输送构件，所述混合及输送构件容置在所述壳体内；以及

(c)加热构件，所述加热构件构造成加热所述壳体和所述混合及输送构件中的至少一个，由此所述纤维素原料在水解之前被热处理。

25.根据权利要求23所述的装置，其中，所述可加压的处理室与所述水解室邻接。

26.根据权利要求24所述的装置，其中，所述可加压的处理室和所述水解室设置在所述壳体内。

27.根据权利要求23所述的装置，其中，所述处理室和所述水解室设置在单独的容器中并通过导管连接。

28.根据权利要求26所述的装置，其中，所述可加压的处理室的出口在所述水解室的入口的上方。

29.根据权利要求23至27中任一项所述的装置，其中，所述输送构件构造成将所述原料分散于整个所述处理室。

30.根据权利要求23至28中任一项所述的装置，其中，所述加热构件包括加热护套和位于所述混合及输送构件内部的流体流导管中的至少一个。

31.根据权利要求23至29中任一项所述的装置，其中，所述流体流导管与所述处理室隔离流体流连通。

32.根据权利要求23至30中任一项所述的装置，其中，所述混合及输送构件包括至少一个部分，所述至少一个部分构造成扫过所述处理室的下内表面。

33.根据权利要求23至31中任一项所述的装置，其中，所述水解室具有输送构件，并且与所述输送构件相比，所述混合及输送构件能够以更高的RPM操作。