CN105899524A - 生物质分馏和萃取方法以及设备 - Google Patents

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Abstract

一种生物质分馏设备，包括容器，所述容器具有加工室、配置成接收生物质进入该加工室的入口、以及配置成从该室排出已加工生物质的出口。底板活动地定位在所述加工室内并且包括实质上平行间隔分开的从所述底板向外延伸的多个细长翅片。圆筒形转子可旋转地固定在所述加工室内、邻近所述底板并与其间隔分开。所述转子具有沿圆周间隔分开的从所述转子径向向外延伸的多个细长叶片。当转子旋转时，叶片配置成使所述加工室的生物质朝向所述底板的翅片加速并且引起所述底板相对所述转子振动。

Description

生物质分馏和萃取方法以及设备
相关申请
本申请主张于2013年8月12日提交的第61/864,853号美国临时专利申请和于2013年11月27日提交的第61/909,418号美国临时专利申请的权益和优先权，上述申请的公开内容如其整体所陈述的那样通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及生物质，并且更具体地涉及生物质加工。
背景技术
天然纤维素原料通常被称为“生物质”。许多类型的生物质，包括木材、纸张、农业残余物、草本作物以及木质纤维素、市政和工业固体废料，已经被认为是用于生产和制备多种多样的物品的原料。植物生物质材料主要由与大量的萃取物、果胶、蛋白质和灰分一起在复杂胶状结构中粘合在一起的纤维素、半纤维素、其它糖和木质素组成。因此，生物质直接作为原料或其组分的成功的商业使用可取决于各种成分的分离。
在生物质的生产、收获、储存、运输和加工中常常需要许多步骤来生产有用的产品。加工中的一个步骤是将生物质分离或分馏成其主要组分：萃取物、半纤维素、木质素、其它糖和纤维素。为了解开这种复杂结构已经研究了许多方法。一旦实现了这种分离，则用于将每个组分进一步加工成可销售的产品的多种路径将打开。例如，用生物质生产产品（诸如生物燃料、聚合物和乳胶替代品）的可能性近来已收到大量关注。这种关注是由于大量的纤维素原料的可得性、减少废弃纤维素材料的燃烧或填埋的需要，以及糖和纤维素作为替代油基产品的原材料的实用性。其它生物质成分（诸如从生物质中脱离的萃取物和木质素）也可具有潜在的市场价值。
困难在于高效地且以环保的方式将组分彼此分离。因此，对于用于将固体生物质分离成其构成组分并且顾及诸如环境和能源利害、效率和成本有效性因素的改进的系统和方法，仍然存在需要。
发明内容
应当领会的是，提供此发明内容来以简化形式介绍构思的选择，该构思将在下文的具体实施方式中进一步地描述。本发明内容不旨在确认本公开的关键特征或必要特征，也不旨在限制本发明的范围。
根据本发明的一些实施例，一种生物质分馏设备包括具有加工室、配置成接收生物质进入加工室的入口和配置成从该室排出加工过的生物质的出口的容器。圆筒形转子可旋转地固定在该加工室内，并且马达可操作地连接到该转子并且配置成使所述转子旋转。底板邻近该转子活动地定位在该加工室内。泵与该容器入口形成流体连通（例如经由管道），并且配置成将生物质馈送入该加工室内。在一些实施例中，该泵配置成以大约10加仑/分钟（gpm）和大约20 gpm之间的速率将生物质馈送到所述加工室内。
该转子具有沿圆周间隔分开的从中径向向外延伸的多个细长叶片。每个转子叶片具有与该转子的旋转轴线实质上平行的纵向方向。底板包括实质上平行间隔分开的从中向外延伸的多个细长翅片（fin）。偏压机构被配置成克服由生物质流过该转子和该底板之间的加工室所引起的相对作用力而朝向转子推进该底板。
在一些实施例中，偏压机构包括位于容器外部的配重。该配重经由一个或多个活节连杆（articulating linkage）连接到该底板。在其它实施例中，该偏压机构可包括至少一个气压缸、至少一条弹簧等。
当经由马达使该转子旋转时，转子叶片配置成使加工室内的生物质朝向底板的翅片加速。该生物质对抗该底板的作用力以及该偏压机构对抗该底板的相对作用力引起底板相对该转子与其间的生物质一起迅速地振动。
在一些实施例中，每个转子叶片具有实质上矩形的横截面构造。在一些实施例中，每个转子叶片具有大约0.375英寸的宽度。在一些实施例中，每个转子叶片具有与该转子间隔大约0.50英寸的远自由端。该转子叶片相对于底板翅片的旋转引起容器内的生物质从大约4英尺每秒（fps）加速到大约40 fps。
在一些实施例中，由每个底板翅片限定的纵向方向相对于由每个转子叶片限定的纵向方向倾斜。这防止转子叶片和底板翅片接合（即相互交叉），而这可以损坏该设备。在一些实施例中，每个底板翅片具有带有弓形构造的远自由端。
在一些实施例中，容器入口位于转子上方并且以横向于转子的旋转轴线的角度取向。在一些实施例中，容器出口邻近底板定位。
加工室可由各种材料形成，包括但不限于：碳钢和合金钢、不锈钢、铸铁、黄铜、铜和聚合材料。类似地，该底板可由各种材料形成，包括但不限于：碳钢和合金钢、黄铜、不锈钢、铸铁和聚合材料。转子可由各种材料形成，包括但不限于：碳钢和合金钢、不锈钢、铸铁、黄铜、铜和聚合材料。
根据本发明的一些实施例，一种用于分馏生物质的方法包括预处理步骤，其中，生物质被转变为流化的或可流动的形式并且可包括切斩、切割、摩擦、碾碎等，和/或与溶剂（例如，乙醇、含水乙醇、水、短链醇、甘油或其任意组合等）接触，例如，以生产流化生物质；并且使该流化生物质在加工室内经受振动和剪力同时避免各个组分变性，以生产第一分馏物和已分馏生物质。示例性分馏物是诸如木质素、萃取物、果胶、纤维素、糖、纤维、蛋白质和半纤维素，或其任意组合的组分。
加工室包括具有多个沿圆周间隔分开的从中径向向外延伸的细长叶片的圆筒形转子，和邻近该转子活动地定位在加工室内的底板。该底板包括实质上平行间隔分开的从中向外延伸的多个细长翅片。使该转子旋转以使该流化生物质朝向该底板的翅片加速并且引起该底板相对该转子和其间的流化生物质一起振动。例如，在一些实施例中，可使转子旋转使得该底板相对该转子以至少1000次振动每秒的频率振动。
在一些实施例中，已分馏生物质在与额外的溶剂接触时经受压缩力以提供从之前分馏的生物质中分离的第二分馏物，并且然后，该第一分馏物和该第二分馏物可结合在一起，以结合的形式进一步分离或彼此分离开来。可过滤该第一分馏物和该第二分馏物的结合以从中去除任意固体材料。
在一些实施例中，在环境温度下进行每个步骤。
根据本发明的其它实施例，生物质分馏系统包括生物质纤维拆解站、分馏设备、压力机和筛网。该纤维拆解站配置成提供流化生物质，其中，纤维已被机械地分解同时维持每个纤维组分的全部化学性质。分馏设备配置成使流化生物质在加工室内经受剪力和振动同时避免各个组分变性，以生产第一分馏物和已分馏生物质。加工室包括具有多个沿圆周间隔分开的从中径向向外延伸的细长叶片的圆筒形转子，和邻近该转子活动地定位在该加工室内的底板。该底板包括实质上平行间隔分开的从中向外延伸的多个细长翅片。使转子旋转使得生物质朝向该底板的翅片加速，并且引起该底板相对转子和其间的生物质一起振动。压力机配置成使已分馏生物质在与额外的溶剂接触时经受压缩力以提供从之前分馏的生物质中分离的第二分馏物。筛网配置成过滤第一分馏物和第二分馏物的结合以去除任意固体材料（尤其纤维碎片）。生物质分馏系统也可包括用于分离每个组分的分离器（例如薄膜等）。例如，在一些实施例中，分离器配置成将已分馏生物质分离成两个或多个产物流（诸如木质素/萃取物产品流和糖/半纤维素产品流等）。
注意到的是，尽管没有关于其具体地进行描述，但关于一个实施例所描述的本发明的方面可结合在不同的实施例中。也就是说，所有实施例和/或任意实施例的特征能够以任意方式和/或组合来结合。因此，申请人保留变更任意原始提交的权利要求或提交任意新权利要求的权利，包括能够修改任意原始提交的权利要求以使其从属于任意其它权利要求和/或合并任意其它权利要求的任意特征的权利，尽管最初没有以那种方式要求保护。在下文详细解释本发明的这些和其它目的和/或方面。
附图说明
形成本说明书的一部分的附图示出一些示例性实施例。附图和描述共同用于全面地解释示例性实施例。
图1是根据本发明的一些实施例的生物质分馏设备的俯视透视图。
图2是图1的设备去除了生物质入口和出口软管的俯视透视图。
图3是根据本发明的一些实施例的图1的设备的顶视图，并且容器顶处于打开位置以示出加工室以及可旋转地固定于其内的转子。
图4是图3的加工室内的转子和底板的局部视图。
图5是在图1的设备的加工室内的底板的俯视平面图。
图6是图5的底板的顶侧透视图。
图7示意地示出了根据本发明的一些实施例的转子、底板和偏压机构。
图8A-8B是根据本发明的一些实施例的用于生物质的分馏和萃取的操作的流程图。
图9是根据本发明的一些实施例的生物质分馏设备的顶视、剖视图。
图10是图9的生物质分馏设备沿线10-10得到的横截面视图。
图11是根据本发明的其它实施例的生物质分馏设备的横截面视图。
具体实施方式
现在将参考示出本发明的实施例的附图在下文更全面地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式体现并且不应该被理解为限制于本文陈述的实施例。贯穿全文同样的数字指代同样的元件。在附图中，为了清楚起见会夸大某些部件或特征，并且除非另外地具体说明，虚线可图示可选的特征或元件。另外，操作（或步骤）的次序不限于呈现在附图和/或权利要求中的顺序，除非另外地明确地表明。尽管没有如此具体地描述或示出，但关于一幅附图或一个实施例描述的特征能够与另一个实施例或附图关联。
将理解的是，当特征或元件被称为在另一个特征或元件“上”时，它能够直接在另一特征或元件上，或也可存在介于中间的特征和/或元件。相对地，当特征或元件被称为“直接”在另一个特征或元件“上”时，则不存在介于中间的特征或元件。也将理解的是，当特征或元件被称为“连接”、“附接”或“联接”到另一个特征或元件时，它能够直接地连接、附接或联接到另一特征或元件，或可存在介于中间的特征或元件。相对地，当特征或元件被称为“直接连接”、“直接附接”或“直接联接”到另一个特征或元件时，则不存在介于中间的特征或元件。尽管关于一个实施例描述或示出，但这样描述或示出的特征和元件能够应用于其它实施例。
本文使用的术语仅出于描述具体实施例的目的并且不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地表明。
如本文所使用的，术语“包括”、“包括着”、“包括有”、“包含”、“包含着”、“包含有”、“具有”、“有”、“具有着”或其变体是开放式的，并且包括一个或多个陈述的特征、整体、元件、步骤、部件或功能，但不排除一个或多个其它特征、整体、元件、步骤、部件、功能或其集合的存在或附加。此外，如本文使用的，常用缩写“例如”，起源于拉丁短语“举例如下”，其可被用于介绍或具体说明之前先提到的项目的普通示例或多个普通示例，并且不旨在限制这种项目。常用缩写“即”，起源于拉丁短语“也就是”，其可被用于用更普通的叙述具体说明特定项目。
如本文使用的，术语“和/或”包括关联的罗列的项目中的一个或多个的任意和全部组合并且可缩写为“/”。
如本文所使用的，短语诸如“在X和Y之间”和“在大约X和Y之间”应当被解释为包括X和Y。如本文所用的，短语诸如“在大约X和Y之间”意味着“在大约X和大约Y之间”。如本文所用的，短语诸如“从大约X至Y”意味着“从大约X至大约Y”。
本文可使用空间相关的术语（诸如 “在...之下”、“在...下面”、“下”、“在...之上”、“上”等）以便使用以描述如附图中所示的一个元件或特征相对于另一个元件（多个元件）或特征（多个特征）的关系的描述简易。将理解的是，空间相关的术语旨在除了包含在附图中描绘的取向之外还包含装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的装置被倒转，描述为在其它元件或特征“之下”或“下方”的元件将于是被定向为在该其它元件或特征“之上”。因此，该示例性术语“在...之下”可包含在...之上和在...之下的两个方向。该装置可以另外地取向（旋转90度或处于其它方向）并且据此解释本文所使用的空间相关的描述词。类似地，在本文使用术语“向上地”、“向下地”、“竖直的”、“水平的”等仅出于解释的目的，除非另外地具体地表明。
将理解的是，尽管术语第一和第二在本文被用于描述各种特征或元件，但这些特征或元件不应当受限于这些术语。这些术语仅用于将一个特征或元件与另一个特征或元件区分开。因此，在不偏离本发明的教导的情况下，下文讨论的第一特征或元件能够叫做第二特征或元件，并且类似地，下文讨论的第二特征或元件能够叫做第一特征或元件。除非以其它方式限定，否则本文使用的所有术语（包括技术和科学术语）都具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。还将理解的是，术语（诸如在常用辞典中限定的那些）应该被解释为具有与它们在说明书和相关技术的背景中的含义一致的含义，并且不应当在理想化的或过度正式的意义上来解释，除非本文清楚地这样限定。为了简洁和/或清楚，可能未详细描述众所周知的功能或结构。
术语“大约”，如本文相关于值或数字所使用的那样，意味着该值或数字能够变化+/-20%、10%、5%、1%、0.5%或甚至0.1 %。
术语“生物质”包括任意非化石化的，即可再生的，有机物。生物质的类型包括但不限于植物生物质、动物生物质（任意动物副产品、动物粪便等）和市政废料生物质（带有诸如去除的金属和玻璃的可循环回收物的生活垃圾和轻型商业垃圾）。
术语“流化”，如本文关于生物质所使用的那样，意味着引起生物质通过将拆解的纤维悬浮在空气、气体或液体中来获得流体特性。
术语“植物生物质”或“木质纤维素生物质”实际上包括在可持续的基础上可用于能源的任意植物源有机物（木质或非木质）。“植物源”必然地包括产籽中涉及的有性繁殖植物器官（例如，花蕾、花、果和籽）和营养器官（例如，叶、根、叶芽和茎）。植物生物质可包括但不限于农作物废弃物和残余物，诸如玉米秸秆、小麦秆、稻秆、蔗糖渣、亚麻、大麻、燕麦秆、细茎针草、洋麻等。植物生物质还包括但不限于木质能源作物、木质废料和残余物，诸如树、针叶林间伐材、树皮废料、锯屑、纸张和纸浆工业废料流、木纤维、草本植物材料等。另外，饲料作物（诸如柳枝稷、小麦草等）具有大规模数量生产和提供另一种植物生物质的重要来源的潜力。对于城市地区，潜在的植物生物质原料包括庭园废料（例如，草屑、叶、树屑、灌木丛等）和蔬菜加工废料。
生物质的组分可包括但不限于木质素、用作药品或营养品的萃取物、纤维素、半纤维素、其它糖、果胶、蛋白质、纤维和从植物的叶、茎、花、芽、根、块茎、籽、果实等获取的其它材料。应注意的是，具体生物质可具有更高的此类组分。例如，木质和草质生物质具有高半纤维素、纤维素、糖和木质素。草本材料具有高萃取物。叶芽和花具有高蛋白质。
“温度略微升高的周围环境”包括进行本发明的实施例的周围的温度。温度略微升高的环境可包括但不限于“室温”和大约10℃至大约100℃（64℉至212℉）的范围内的温度。
“醇”包括但不限于甲醇、乙醇、异丙醇、丙醇、异丁醇和丁醇。“短链醇”通常包括C1至C4醇。
“水”包括但不限于去离子水、泉水、蒸馏水、自来水和井水，以及它们的混合物。
参考图1-3，图示了根据本发明的一些实施例的生物质分馏设备10。图示的设备10包括支撑容器14的框架12。容器14具有加工室16（图3），其带有配置成接收生物质进入加工室16的入口18，以及配置成从室16排出加工后的生物质的出口20。在图示的实施例中，入口18位于加工室16内的转子（图3的40）上方并且以横向于转子40的旋转轴线A1（图3）的角度定向。在该图示的实施例中，加工室16具有大约两（2）夸脱的体积。然而，本发明的实施例不限于具有任意具体尺寸或体积的加工室16。此外，容器14可具有各种形状和构造，并且入口18和出口20的喷嘴可具有不同取向（例如图10-12中所图示的那样）。
图示的容器14包括顶部14t，其经由铰链14h可枢转地固定到容器14并且在打开位置（图3）和闭合位置（图1和2）之间是可动的。在生物质加工期间，顶部14t经由锁定装置15保持在闭合位置。可利用各种类型的锁定装置，并且本发明的实施例不限于图示的锁定装置15。例如，在其它实施例中，容器14可包括经由紧固件固定于其上的顶部等。
经由与容器入口18经由软管24形成流体连通的泵22将流化的生物质泵送到加工室16内。如将在下文描述的那样，流化的生物质在加工室16内经受分馏，并且经由容器出口20离开加工室16。离开加工室16的已分馏生物质被引导到储罐或经由连接到容器出口20的软管26引导到进一步的下游加工。
在一些实施例中，泵22配置成将流化的生物质以大约10加仑每分钟（gpm）至大约20 gpm之间的速率馈送到加工室16内。然而，可以利用其它馈送速率。示例性泵是制药Fristam泵（可从威斯康辛州米德尔顿的美国Fristam Pumps得到）。然而，根据本发明的实施例可以利用各种类型的泵。
参考图3，容器14的顶部14t已经枢转到打开位置以显露加工室16和旋转地固定于其内的细长的圆筒形转子40。图示的加工室16具有大体弓形的内壁16a，其在加工期间促进流化生物质通过室16的流动。如本领域技术人员将理解的那样，转子40固定到轴52，并且轴52经由轴承可旋转地固定到该容器的相对端壁14w。如本发明的技术领域人员将理解的那样，轴52经由联接装置50C连接到马达50。可利用的示例性联接装置包括由伊利诺伊州唐纳斯格罗夫的Lovejoy有限公司（Lovejoy, Inc., Downers Grove Illinois）制造的柔性联接件。在一些实施例中，马达50配置成使转子40旋转高达大约1500转每分（rpm）。然而，实施例不限于任何具体的马达尺寸或rpm范围。此外，马达50可以是定速马达或变速马达。
如将在下文进一步描述的那样，细长底板30（图4-6）活动地定位在加工室16内在转子40的下方。底板30具有与转子40的长度实质上相同的长度。然而，其它长度是可能的，包括长于或短于转子40的长度的长度。加工室16包括形成在其底部的细长开口16b（图4）和活动地并且可密封地定位在开口16b内的底板30。如下文将描述的那样，底板30配置成随着转子40经由马达50旋转而相对转子40快速地振动，并且流化生物质经由泵22泵入室16。密封件（未示出）防止在加工室16内加工的生物质在底板30周围泄漏出腔室16。
在图示的实施例中，转子40包括多个沿圆周间隔分开的径向向外延伸的细长叶片42。转子40的旋转轴线限定轴向方向A1（图3）。每个转子叶片42沿与方向A1实质上平行的方向伸长。另外，每个图示的转子叶片42具有实质上矩形的横截面构造，以及大体上平行的相对的侧壁42a、42b和远自由端42c（图4、7）。在一些实施例中，每个细长叶片42具有大约0.375英寸的宽度W1（图4），并且每个转子叶片具有大约0.50英寸的高度H1（图4）。在图示的实施例中，转子40具有大约8.0英寸的直径和大约6.0英寸的长度。图示的转子40包括三十二（32）个沿圆周间隔分开的径向向外延伸的叶片。然而，本发明的实施例不限于任何具体数量的叶片42或任何具体尺寸的转子40或叶片42。此外，转子叶片42可具有其它形状和构造并且不限于图示的形状和构造。
参考图5和图6，图示的底板30包括多个实质上平行间隔分开的细长翅片32。每对邻近的翅片32限定相应的槽34。在图示的实施例中，每个翅片32具有大体上平行的相对侧壁32a、32b和弓形远自由端32c。在一些实施例中，每个细长翅片具有大约1/4英寸的宽度W2（图4）。如图6中所图示的，最外侧的翅片32的高度H2大于内部的两个翅片32的高度H3。如图7中所图示的，翅片32的高度的不同以及弓形远端32c允许在转子40的旋转期间，每个转子叶片远端42c与每个翅片远自由端32c以大约相同的量间隔分开。
底板30活动地定位在加工室内并且能够随着生物质朝向其翅片32加速而相对于转子40往复运动（即，浮动）。例如，在图示的实施例中，底板30相对于转子40上下运动。偏压机构60可操作地与底板30关联并且配置成克服由生物质被泵送穿过加工室16所引起的相对作用力而朝向转子40推进底板30。在图示的实施例中，偏压机构60包括一个或多个经由活节连杆64a、64b连接到底板的配重62。在图示的实施例中，一个或多个配重62位于容器14（图2）的外部，并且放置在经由连杆64a、64b连接到底板30的平台64c上。
在图示的实施例中提供锁定机构66以使偏压机构60在非操作期间从底板30脱离。
然而，本发明的实施例不限于连杆64a、64b以及配重平台64c的图示构造。例如，可使用单臂将平台64c连接到底板。
本发明的实施例不限于图示的偏压机构60。可利用其它方法克服由生物质被泵送穿过加工室16引起的相对作用力而朝向转子40推进底板30。例如，在一些实施例中，一个或多个弹簧可以可操作地与底板30关联以朝向转子40推进底板30。在其它实施例中，如图10-12所示，偏压机构可包括配置成朝向转子40推进底板30的一个或多个气动（或其它流体致动）缸70。
如图5中所示，细长的底板翅片32沿方向A2延伸。底板30和转子40定位在加工室16内，使得方向A2倾斜于或横向于方向A1（即转子40的旋转轴线和由每个转子叶片42限定的纵向方向）。底板翅片32相对于转子叶片42的倾斜的取向防止转子叶片42卡入底板翅片32之间的槽34中（即互相交叉），而这会伤害转子40和/或底板30。
在操作中，生物质通常在加工室16内具有大约1.5-3.0秒之间的停留时间。然而，停留时间可通过经由泵22调节生物质的流动速率来改变。在该时间量中，转子40将引起底板在加工室16内相对于转子振动大约900次至大约3600次。这些振动和生物质的迅速加速（例如，从进入软管24中大约4.0英尺每秒（fps）-8.0 fps到在加工室16中大约40 fps）引起生物质的细胞结构在不变性或不改变各个组分的化学性质的情况下释放其组分，也就是分馏成各种的组分中的每一个。
在本发明的一些实施例中，加工室内表面16a可由诸如碳钢和合金钢、黄铜、不锈钢、铸铁和聚合材料的材料形成。在本发明的一些实施例中，转子40和转子叶片42可由诸如碳钢和合金钢、不锈钢、铸铁、黄铜、铜和聚合材料的材料形成。类似地，在本发明的一些实施例中，底板30和底板翅片32可由诸如碳钢和合金钢、不锈钢、铸铁、黄铜、铜和聚合材料的材料形成。
现在参考图10-12，图示了根据本发明的其它实施例的分馏设备10。首先参考图10和图11，如上文所描述，图示的分馏设备10包括具有加工室16和可旋转地固定于其内的转子40的容器14。转子40固定到轴52并且轴52经由轴承53可旋转地固定到容器14。另外，在围绕轴52在容器14的两侧均设置密封压盖54（例如Teflon®牌密封压盖等），以防止生物质从加工室经由容器14中用于轴52的开口泄漏。
在图示的实施例中，提供一对气动缸70，其用作偏压机构以朝向转子40推进底板30并且当转子40旋转并且生物质被泵送入室16内时引起底板30迅速振动。每个气动缸70包括活塞74，其经由通过气体入口72的气体致动。当用气体使气动缸加压时，每个活塞74朝向底板30推动。图示的分馏设备10还包括底板停止调节器76，其用于设定底板30可相对于转子40运动的距离。
配置图9和图10中所示的分馏设备10，使得底板30定位于转子40的一侧（如与在转子40的下方相对，如图1-4中图示的实施例的情况那样）。另外，如图示的那样，入口18和出口20位于转子40的对侧。
如图示的那样，图11图示了根据本发明的其它实施例的分馏设备10，并且其中，底板30定位在转子40上方而入口18和出口20位于转子40的对侧（即在转子40下方）。
在图10和11中图示的每个实施例中，中滑键17定位在加工室16内。中滑键17是细长构件，其降低生物质绕过底板30并且直接从入口18流动到出口20的能力。每个实施例中转子40的旋转方向由箭头R图示。从而每个实施例中的中滑键17帮助引导生物质沿旋转方向R围绕转子40。
现在参考图8A，将描述根据本发明的一些实施例的用于各种生物质的分馏和萃取的操作。在环境温度下，并且可选地在与溶剂接触时，可进行预处理步骤（框90）。生物质可经过预浸泡步骤（框100）和/或拆解步骤（框110），在拆解步骤中机械地拆解纤维，随后经由图1-7或9-11的生物质分馏设备10使其经受高频率振动和高剪力（框120）以分馏或萃取该生物质。然后，可对已分馏或已萃取生物质进行过滤（框125），随后使其经受压缩力（框130），并且然后继之以额外的过滤和/或分离（框140）。然后，分馏物可被用于提供期望的产物流（框150）。应注意的是，可在该方法的较早的时刻收集初始分馏物或萃取产物，并且将这种先前收集的分馏物与分馏物或萃取产物流结合。
在预处理步骤（框90）的初始预浸泡步骤（框100）中，生物质可与诸如带有醇、含水醇、水或甘油或共溶剂，或其混合物的溶剂接触，以便开始该生物质的分馏或萃取。在该预处理步骤（框100）期间，生物质会膨胀。可以通过在萃取前诸如切斩、切割、摩擦或碾碎来拆解生物质（框110）。在具体实施例中，例如，如果该生物质是新鲜的植物生物质或草本植物材料，则可用醇萃取该材料。如果该生物质是干燥的植物生物质或草本植物材料，则可用含水醇溶液萃取该材料。可在不同浓度的含水醇中执行含水醇分馏或萃取。合适的醇可以是短链醇，诸如但不限于：甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇和异丁醇。在具体实施例中，醇是乙醇。醇可以是共溶剂混合物，诸如醇和水的混合物。含水醇溶液可包括大约0-100%（v/v）的醇。更为具体地，该含水醇溶液可包括大约25-95%（v/v）的醇。在具体实施例中，含水醇溶液是大约25%（v/v）或更多的醇。在另一个具体实施例中，含水醇可以是大约60%（v/v）的醇。在另一个实施例中，含水醇溶液可以是大约70%（v/v）的醇。在又一个实施例中，含水醇溶液可以是大约86%（v/v）或更多（v/v）的醇。在再一个实施例中，用于分馏或萃取生物质的过程可包括使该生物质与甘油或含水甘油溶液接触。在又一个实施例中，用于萃取生物质的过程可包括使该生物质与水接触。通常，在本发明的其它实施例中，与所用的溶剂/液体接触的生物质/固体的比可以是大约1:1至1:10的固体与液体之比。
本发明的实施例不限于涉及溶剂的预处理步骤。在一些实施例中，能够在不使用溶剂的情况下，通过在干燥的条件下经由不同装置切割、磨损、精炼，引起纤维“展开”。
在一些实施例中，预处理步骤（框90）可进行对于分馏或萃取过程而言充足的任意时间段，并且可在任意容器、盛器或适于使生物质与溶剂接触的混合器中进行。在一些实施例中，预处理步骤可以是例如15分钟、30分钟、1小时、24小时、72小时等之间的任意长度的时间。在另一个实施例中，预处理步骤可以是15分钟或更少的时间。预处理步骤（框90）可以是一分钟或更少的时间。在预处理步骤（框90）中，与溶剂接触的生物质可选地经受压缩力，这能够导致溶剂吸收到生物质中。在预处理步骤（框90）中的压缩可根据本领域技术人员已知的任意技术来进行。在本发明的实施例中，在预处理步骤期间的压缩可由螺旋压力机实现。然而，如上文所讨论，预处理步骤（框90）不需要使用溶剂。
在溶剂中进行预浸泡（框100）之后，生物质可以进一步经受拆解步骤（框110）。该材料可诸如通过在机械式高浓流化机器（诸如可从例如Sprout Waldron、Beloit Jones和Andritz处得到的精磨机、盘式研磨机）中加工来拆解。通过利用精磨机或盘式研磨机，在不破坏该纤维材料的纤维特性的情况下，该生物质并且尤其是其纤维材料可被改变，使得分馏设备的高频率振动和剪力能够通达该纤维材料。该加工可进行如本领域技术人员所理解的实现这种步骤所必要的必要的任意量的时间。在具体实施例中，该拆解过程进行一分钟或更少时间。在存在溶剂的情况下，该生物质可经受额外的压缩。替代地，该生物质可经受离心等以将液体分馏物从固体分馏物中分离。
在纤维的拆解（框110）之后，可使用高频振动和剪力使该材料进行分馏（框120），例如经由图1-7或图9-11的设备10以使用剪力和高频振动分馏或萃取生物质。应当领会的是，在具体实施例中，振动和剪力被用于避免各个组分的化学性质变性或改变。由于生物质可以呈流化形式，因此可从该生物质中分离出一部分分馏物或萃取物。使生物质经受剪力和高频振动（框120）可进行如本领域技术人员所领会的实现此步骤所必要的必要的任意量的时间。在具体实施例中，使生物质经受剪力和高频振动（框120）进行一分钟或更少的时间。在操作中，在避免生物质粒子的破碎或摩损的同时，在大于1000次振动每秒的能量下使该生物质迅速地从大约4 mph加速到大约120 mph。这促进生物质的细胞结构从该生物质的复杂且纠缠的结构中释放其各种分馏物或成分而不使任何该生物质组分及其化学性质发生实质上变性或改变的能力。
然后，在有或无搅拌（框125）的情况下，可对生物质材料进行过滤或分离步骤，并且然后使其经受压缩力（框130），例如碾碎力或浸渍力，可选地在有溶剂的情况中进行，其中该压缩力去除液体以便收集，同时排出低液固体滤饼（low liquid solid cake）。如本领域技术人员将理解的那样，能够根据各种技术施加该压缩力。在具体实施例中，该压缩力由将在先前萃取的生物质浸渍的螺旋压力机的螺杆实现。可从此压缩步骤中提供从先前分馏的或萃取的生物质中分离的第二分馏物或萃取物。在本发明的另一个实施例中，经受压缩力的与额外溶剂接触的生物质可再次进行经受压缩以提供第二萃取物。此步骤的压缩可进行如本领域技术人员所领会的实现此步骤所必要的必要的任意量的时间。
在这时，可结合并且过滤来自先前步骤的第一分馏物或萃取物以去除任意残留的纤维。萃取物的过滤/筛选可通过本领域技术人员已知的任意方法用适合过滤以及将任意残留固体物质从萃取物中去除并且可包括搅拌的任意装置来执行。从根据本发明的一些实施例的过程中提供的分馏物或萃取物可被用于提供期望的分馏物或萃取产物流（框150）。提供的产物流将取决于在分馏或萃取过程中使用的溶剂。例如，在本发明的实施例中，如果溶剂是乙醇或含水乙醇，则可提供木质素或药物的分馏或萃取。在另一个实施例中，如果溶剂是水，则可提供糖或半纤维素的分馏或萃取。还可使用薄膜、离心、沉淀等将分馏物或萃取物进一步分离、隔离或纯化。在一个实施例中，可使用基于分子量分离组分的薄膜。
现在参考图8B，将描述根据本发明的一些实施例的用于分馏和萃取各种生物质的操作。生物质（例如草本材料）经受包括额外的拆解步骤（例如浸渍）的激活步骤（框210），随后经由图1-图7和图9-图11的生物质分馏设备10使用高剪力和高频振动使其进行高频率振动（框220）以分馏或萃取该生物质。然后，已分馏或已萃取生物质可经由一个或多个滤筛过滤（框240）并且然后经由例如螺旋压力机进行压碎（框230）。然后，分馏物或萃取物可被用于提供期望的产物流（框250）。应注意的是，可在该方法的较早的时刻收集初始分馏物或萃取产物，并且将这样的先前收集的分馏物与分馏物或萃取产物流结合。而且，筛选过的液体或者可以通过滤筛再循环（框240），或者可以在激活步骤中再次使用（框210）。
分离的、隔离的或纯化的各个组分可以各种各样的方式使用。根据本发明的实施例提供的木质素可用于产品（诸如涂层和粘合剂）的制备。在进一步的实施例中，分馏和萃取提供糖和/或半纤维素。根据本发明的实施例提供的糖、纤维素和/或半纤维素还可被用于生物燃料（诸如乙醇）的制备或聚合物/塑料的制备。分馏物可用作原料以提供额外的产品或直接使用。例如，另一个实施例是所提供的分馏物的发酵以生产乙醇。在另一个实施例中，该聚合物是聚乳酸（PLA）。在另一个实施例中，木质素可以进一步分离以便进一步加工。因为木质素未经受高温，因此其官能团未发生化学反应并且该隔离的木质素的活性可以更强。在一个实施例中，进一步的精炼和加工可提供适合于纸张产品和/或纸张涂层的纸浆（纤维素）。在又一个实施例中，提供的分馏物和萃取物可用在涂料添加剂中。在又一个具体实施例中，生物质是草本植物材料。用于萃取的草本植物材料以全叶、茎、梗、根等形式提供，并且在处理前研磨或切割。草本植物材料可以是有机的、耕种的或野生的。合适的草本植物材料包括但不限于卡瓦胡椒、紫锥菊、金丝桃、缬草根、奶蓟草籽、西伯利亚人参、荨麻叶、银杏、积雪草、强效银杏/积雪草、黄芪、金印草、当归、人参、强效金丝桃、强效紫锥菊/金印草、越桔、绿茶、山楂、姜、姜黄、黑升麻、猫爪藤、甘菊、蒲公英、圣洁莓、小白菊、蒜、马栗、甘草、小米草、育亨宾、强效黄芪、强效缬草罂粟和镇静酏剂。在本发明的一些实施例中，草本植物材料或茶可在环境温度下萃取而无需加热。
前述内容是对本发明的说明并且不应被理解为对其进行限制。尽管已经描述了本发明的一些示例性实施例，但是本领域技术人员将容易地领会到，可以在不实质上偏离本发明的教导和优点的情况下对示例性实施例作出许多修改。因此，所有这样的修改都旨在包括在如权利要求中所限定的那样的本发明范围内。本发明由以下权利要求以及应包括在本文中的权利要求的等价物共同限定。

Claims (29)

1. 一种生物质分馏设备，包括：
容器，所述容器包括加工室、配置成接收生物质进入所述加工室的入口，和配置成从所述室排出已加工生物质的出口；
活动地定位在所述加工室内的底板；
圆筒形转子，所述转子能够旋转地固定在所述加工室内，邻近所述底板并且与所述底板间隔分开，所述转子具有沿圆周间隔分开的从所述转子径向向外延伸的多个细长叶片，并且其中，当所述转子旋转时，所述叶片配置成使生物质加速朝向所述底板流动穿过所述加工室；以及
偏压机构，所述偏压机构配置成克服由所述生物质穿过所述加工室的流动引起的相对作用力而朝向所述转子推进所述底板。
2. 根据权利要求1所述的设备，还包括可操作地连接到所述转子并且配置成使所述转子旋转的马达。
3. 根据权利要求2所述的设备，还包括与所述容器入口流体连通的泵，其中，所述泵配置成将所述生物质馈送至所述加工室内，其中，所述生物质穿过所述加工室的流动和所述转子的旋转引起所述底板相对所述转子与所述底板和所述转子之间的所述生物质一起振动，并且其中，振动频率随着生物质流动速率减小而增加。
4. 根据权利要求2所述的设备，其中，所述泵配置成将生物质以大约10加仑每分钟（gpm）和大约20 gpm之间的流动速率馈送入所述加工室内。
5. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述底板包括实质上平行间隔分开的从所述底板向外延伸的多个细长翅片。
6. 根据权利要求5所述的设备，其中，所述转子叶片相对于所述底板翅片的旋转引起所述容器内的所述生物质从大约4英尺每秒（fps）加速到大约40 fps。
7. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述偏压机构包括位于所述容器外部的配重，其中，所述配重经由一个或多个活节连杆连接到所述底板。
8. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述偏压机构包括至少一个气动缸。
9. 根据权利要求1所述的设备，其中，每个转子叶片具有实质上矩形的横截面构造。
10. 根据权利要求1所述的设备，其中，每个转子叶片具有大约0.375英寸的宽度以及与所述转子间隔大约0.50英寸的远自由端。
11. 根据权利要求5所述的设备，其中，由每个底板翅片限定的纵向方向相对于由每个转子叶片限定的纵向方向倾斜，使得所述底板翅片和所述转子叶片不能够互相交叉。
12. 根据权利要求5所述的设备，其中，每个底板翅片包括带有弓形构造的远自由端，并使得每个底板翅片的所述远自由端和每个转子叶片的远自由端之间的间隙实质上相同。
13. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述容器入口位于所述转子上方并且以横向于所述转子的旋转轴线的角度取向。
14. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述加工室的内表面包括选自由碳钢和合金钢、不锈钢、铸铁、黄铜、铜以及聚合材料组成的集合的材料，其中，所述转子和转子叶片包括选自由碳钢和合金钢、不锈钢、铸铁、黄铜、铜以及聚合材料组成的集合的材料，并且其中，所述底板和底板翅片包括选自由碳钢和合金钢、不锈钢、铸铁、黄铜、铜以及聚合材料组成的集合的材料。
15. 一种用于分馏生物质的方法，所述方法包括：
预处理生物质以产生流化生物质；并且
使所述流化生物质在加工室内经受剪力和振动以产生第一分馏物和已分馏生物质，其中，所述加工室包括圆筒形转子，所述圆筒形转子具有沿圆周间隔分开的从所述转子径向向外延伸的多个细长叶片，以及邻近所述转子活动地定位在所述加工室内的底板，其中，所述底板包括实质上平行间隔分开的从所述底板向外延伸的多个细长翅片，并且其中，使所述转子旋转使得所述生物质朝向所述底板的所述翅片加速，并且引起所述底板相对所述转子与所述底板和所述转子之间的所述生物质一起振动。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中，预处理所述生物质包括使所述生物质与溶剂接触。
17. 根据权利要求15所述的方法，还包括：
使所述已分馏生物质在与额外的溶剂接触时经受压缩力以提供从先前分馏的生物质中分离出的第二分馏物；并且
使所述第一分馏物和所述第二分馏物结合在一起。
18. 根据权利要求17所述的方法，还包括过滤所述第一分馏物和所述第二分馏物的结合以去除任意固体材料。
19. 根据权利要求15所述的方法，其中，每个步骤都在环境温度下进行。
20. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述溶剂选自由短链醇、甘油和水组成的集合，或短链醇、甘油和水的任意组合的共溶剂混合物。
21. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述溶剂是乙醇或含水乙醇。
22. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述溶剂是水。
23. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述生物质经受所述底板相对所述转子至少1000次振动每秒的振动。
24. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述分馏物包括选自由木质素、萃取物、纤维素、果胶、糖、半纤维素、蛋白质、纤维和从植物的叶、茎、花、芽、根、块茎、籽、果实等获取的其它组分，或其任意组合组成的集合的组分。
25. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述生物质是草本植物材料。
26. 根据权利要求25所述的方法，其中，所述草本植物材料选自由卡瓦胡椒、紫锥菊、金丝桃、缬草根、奶蓟草籽、西伯利亚人参、荨麻叶、银杏、积雪草、黄芪、金印草、当归、人参、越桔、绿茶、山楂、姜、姜黄、黑升麻、猫爪藤、甘菊、蒲公英、圣洁莓、小白菊、蒜、马栗、甘草、小米草、育亨宾和缬草罂粟组成的集合。
27. 一种生物质分馏系统，包括：
生物质纤维拆解站；
分馏设备，所述分馏设备配置成使离开所述生物质纤维拆解站的已拆解生物质纤维在加工室内经受剪力和振动以产生第一分馏物和已分馏生物质，其中，所述加工室包括具有沿圆周间隔分开的从转子径向向外延伸的多个细长叶片的圆筒形转子，以及邻近所述转子活动地定位在所述加工室内的底板，其中，所述底板包括实质上平行间隔分开的从所述底板向外延伸的多个细长翅片，并且其中，使所述转子旋转以使所述生物质朝向所述底板的所述翅片加速，并且引起所述底板相对所述转子与所述底板和所述转子之间的所述生物质一起振动；
压力机，所述压力机配置成使所述已分馏生物质在与额外的溶剂接触时经受压缩力以提供从先前分馏的生物质中分离出的第二分馏物；和
滤筛，所述滤筛配置成过滤所述第一分馏物和所述第二分馏物的结合以去除任意固体材料。
28. 根据权利要求27所述的系统，还包括配置成将所述已分馏生物质分离成两个或更多产物流的分离器。
29. 根据权利要求28所述的系统，其中，所述两个或更多产物流包括木质素/萃取物产物流和糖/半纤维素产物流。
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