CN107429279A - 将木质纤维素原料压缩成离散单元的方法及相关系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及加工木质纤维素原料的方法，其包括研磨木质纤维素原料以提供碎木质纤维素原料；并压缩所述碎木质纤维素原料的至少一部分以形成至少一个离散单元。在一些实施例中，多个离散单元的体积密度为4磅/立方英尺至25磅/立方英尺。本发明也包括相关的系统。

Description

将木质纤维素原料压缩成离散单元的方法及相关系统
相关申请
本非临时申请要求2015年4月3日提交的系列号为62/142,773的共有临时申请的权益，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于加工木质纤维素原料以形成至少一个离散单元的方法和/或系统。更具体地，本发明涉及用于压缩碎木质纤维素原料以形成具有期望的体积密度的多个离散单元的方法和/或系统。
背景技术
木质纤维素原料可用在生物精炼厂中制备一种或多种生物化学物质(例如，乙醇)。例如，木质纤维素原料可以包括使用各种技术可以分解以产生单糖的一种或多种多糖分子(例如，半纤维素和/或纤维素)。单糖可以被微生物(例如，酵母)用于经由生化转化过程如发酵产生一种或多种生物化学物质。该生物化学物质可以通过各种技术如蒸馏来浓缩。
在生物精炼厂中处理和/或加工木质纤维素原料以形成单糖和/或生物化学物质如乙醇可能涉及例如，由木质纤维素原料的尺寸和/或体积密度引起的一个或多个挑战。例如，可以研磨木质纤维素原料如农业残留物(例如玉米秸秆)以便于对其进行处理，从而产生一种或多种生物化学物质。在某些情况下，可以将玉米秸秆收集、捆包并运送至生产生物化学物质的设施。玉米秸秆捆包可以在生物精炼厂中拆捆并研磨至平均尺寸为10英寸或更小，甚至4英寸或更小。碎玉米秸秆可以在生物精炼厂内通过输送系统转运。如果碎玉米秸秆通过开口转移，碎玉米秸秆可能桥接开口，且过度堆积。在一些实施例中，碎玉米秸秆堆积的方式会阻止碎玉米秸秆流过开口，这可能破环输送系统的设备。由于碎秸秆的体积密度，这种输送系统可能相对较大，并且在生物精炼厂内占据大量的空间。
另一个与处理木质纤维素原料相关挑战的例子涉及在将液体从固体中分离出来的装置中处理木质纤维素原料。例如，可以将木质纤维素原料如玉米秸秆研磨并与液态水性组合物如水混合以形成浆料并处理碎玉米秸秆。可以处理浆料中碎玉米秸秆以将多糖(例如，半纤维素和/或纤维素)分解成寡糖和/或单糖(例如，戊糖和/或己糖)。将在浆料中的碎玉米秸秆处理之后，至少一部分来自碎玉米秸秆的残留固体可以与浆料中的至少一部分液体分离。在一些情况下，可以使用筛网从液体中分离残留固体。残留的碎玉米秸秆固体可能是相对较直的纤维材料，相对较直的纤维材料可能过度堵塞该筛网。在一些实施例中，残留的玉米秸秆固体可能堆积至基本上阻止液体通过该筛网的程度。
发明内容
本文的实施例中公开了处理木质纤维素原料的方法，所述方法包括研磨木质纤维素原料以提供碎木质纤维素原料；以及压缩至少一部分碎木质纤维素原料以形成多个离散单元，其中根据ASAES269.4测得的所述多个离散单元的体积密度为4磅/立方英尺至25磅/立方英尺。
本文的实施例中公开了用于处理木质纤维素原料的系统，其包括木质纤维素原料的来源；研磨系统，所述研磨系统配置为研磨木质纤维素以提供碎木质纤维素原料；以及压缩系统，所述压缩系统配置为压缩至少一部分木质纤维素原料以形成多个离散单元，其中根据ASAES269.4测得的所述多个离散单元的体积密度为4磅/立方英尺至25磅/立方英尺，其中，所述研磨系统与所述压缩系统流体连通。
附图说明
图1示意性展示了根据本发明的由木质纤维素原料形成的离散单元的实施例。
图2显示根据本发明的系统的实施例的示例性流程图。
图3显示根据本发明的清洁系统的实施例的示例性流程图。
图4A显示放射状挤压模具的示例性实施例的俯视草图。
图4B显示图4A中的模具的剖视草图。
图4C显示图4A中的模具的第二剖视草图。
图5显示示例性放射状挤出机的草图。
图6A显示放射状挤压模具的实施例的俯视草图。
图6B显示图6A中的模具的剖视草图。
图6C显示图6A中的模具的第二剖视草图。
图7显示图6C中的模具的缩短版的剖视草图。
具体实施方式
本文实施例公开了加工木质纤维素原料以形成离散单元的方法和/或系统。
木质纤维素原料
木质纤维素原料可以包括木质素、半纤维素和纤维素。在生物化学转化过程如使用微生物制备生物化学物质(例如乙醇)的背景下，可以通过水解作用处理木质纤维素原料以产生糖。在示例性实施例中，木质纤维素原料可以包括玉米秸秆(叶和茎和穗轴)、苜蓿、禾本科植物、大豆茬、中拱木(hogged wood)、柳枝稷(switch grass)、芒草、稻草、木屑等。
本文所用的“原料”(如果有的话)是指在研磨和压缩前最低程度地加工的木质纤维素材料。例如，木质纤维素原料可以指处于“绿色状态”的木质纤维素材料，这意味着该原料最近才从其生长的农场或种植园收集。作为另一个例子，木质纤维素原料可以指(例如，在储存系统中或在其生长的田地中)老化的木质纤维素材料。在研磨和压缩之前木质纤维素原料可能经历的最低程度的加工包括拆捆、清洁(例如，从而去除污垢和其它异物)、润湿(例如，从而控制水分)，干燥(例如，从而控制水分)，及其组合，等等。此外，木质纤维素原料是指可以压缩以形成体积密度为4磅/立方英尺至25磅/立方英尺的多个离散单元的木质纤维素材料。
木质纤维素原料可以作为木质纤维素原料的来源而获得以进行磨碎。例如，木质纤维素原料可以以捆包或松散材料运输至生物精炼厂。木质纤维素原料的捆包可以包括可以缠绕木质纤维素原料的麻线、网等，并以捆包(例如，矩形包)的形式固定木质纤维素原料。
如果木质纤维素原料以捆包的形式提供，则在研磨前可以将捆包拆捆。可手动地将木质纤维素原料的捆包拆捆或可在拆捆系统中的拆捆装置下移除麻线或网状物，使得木质纤维素原料变得松散以便进入到研磨系统中。
研磨木质纤维素原料
可以研磨木质纤维素原料以提供碎木质纤维素原料。研磨木质纤维素原料可有助于提供后续压缩想要的尺寸的木质纤维素原料。例如，可以基于挤出机模具的尺寸将木质纤维素原料研磨至一定尺寸，以压缩碎原料，反之亦然(将在下文加以讨论)。
此外，研磨可以提供相对较均一的木质纤维素原料的尺寸，其可以促进形成相对均一的离散单元。
可以在配置为研磨木质纤维素原料以提供碎木质纤维素原料的研磨系统中研磨木质纤维素原料。在一些实施例中，研磨系统可以包括一个或多个研磨装置，如饲料切碎机、锤式粉碎机、筒式粉碎机、刀式粉碎机等，及其组合。可以通过筛网尺寸、转子转速、进料速率等中的一种或多种控制碎木质纤维素原料的粒径。
清洁木质纤维素原料
可选地，可以在压缩之前清洁木质纤维素原料。清洁涉及从木质纤维素原料中除去非木质纤维素材料。示例性的非木质纤维素材料包括污垢、淤泥、沙子、岩石、杂质金属、玻璃等。
在一些实施例中，这种清洁出现在压缩之前。在一些实施例中，清洁发现在研磨之后和压缩之前。
下文将结合图3进一步描述清洁木质纤维素原料。
压缩碎木质纤维素原料
在研磨后，可以压缩至少一部分碎木质纤维素原料以形成至少一个离散单元。虽然不受理论的束缚，但据信压缩的碎木质纤维素原料的离散单元可以包括多个碎木质纤维原料的单独块体，原料由于压缩而弯曲且使得单独块体形成互锁结构从而形成离散单元。图1示意性展示从木质纤维素原料形成的离散单元的例子。如图1所示，离散单元100包括压缩的碎木质纤维素原料的单独块体105，该原料由于压缩而具有弯曲形状，使得块体105彼此互锁。虚线101表示离散单元100的大致矩形形状。在一些实施例中，据信可能特别需要木质纤维素原料如玉米秸秆和类似于玉米秸秆的那些原料，因为其天然形式可以在压缩下弯曲并与压缩的碎木质纤维素原料其它类似块体互锁，从而形成离散单元。
值得注意的是，在许多实施例中，不需要化学粘合剂来形成离散单元。此外，可以避免如麻线、网状物等机械粘合剂。上述互锁结构可能足以形成使至少一部分生化过程，如由糖生产乙醇，保持独立的独立离散单元。
在一些实施例中，可以使用一种或多种化学粘合剂以促进形成离散单元。示例性的化学粘合剂包括粘土(例如膨润土)、淀粉、树胶等中的一种或多种，及其组合。可以商购获得的合适的化学粘合剂的商品名是挪威萨尔普斯堡的Borregaard LignoTech的和PellTech。
压缩的碎木质纤维素原料可相对于未压缩的碎木质纤维素原料增密，但压缩的碎木质纤维素原料可以具有对应于一三维结构的、相对足够低的密度，该三维结构足够开放，从而能够允许流体有效地渗透和处理该压缩的碎木质纤维素原料。例如，一种或多种液体水性组合物(例如，包含酸、酶等的液体水性组合物)可以穿透压缩的碎木质纤维素原料并接触压缩的碎木质纤维素原料的所需表面积，从而有助于在期望的时间段内将所需量的多糖分解为单糖。
在一些实施例中，可以压缩至少一部分碎木质纤维素原料以形成多个离散单元，其中，多个离散单元的体积密度为4磅/立方英尺至25磅/立方英尺。本文所用的“体积密度”是指充满已知体积的容器(如，立方英尺箱)的压缩的碎木质纤维素原料的多个离散单元的质量(如，磅)除以多个离散单元的总重量(如，磅)。通过对充满多个离散单元的容器称重，然后减去空容器的重量，可以获得压缩的碎木质纤维素原料的多个离散单元的总重量。在一些实施例中，可以根据ASAES269.4来测量体积密度，其通过引用并入本文。
根据ASAES269.4，应使用直径380毫米(15英寸)和高495毫米(19.5英寸)(内部尺寸)的圆柱形容器。用材料的净质量(以kg计)除以0.05615m3(2.00ft3)，获得以kg/m3(lb/ft3)计的体积密度。通过从容器顶部边缘上方610mm(2ft)的高度倾倒来填充容器。然后使容器从150毫米(6英寸)的高度掉落到硬表面上5次以变得坚实。在小颗粒和碎屑的情况下，材料应与顶部表面分开。在立方体和大颗粒的情况下，去除其体积过半高于容器顶部边缘的立方体或大颗粒，留下其体积过半低于容器顶部边缘的那些立方体或大颗粒。应使用Unit Density第3.2.9段的方程式，将通过该方法确定的密度校正为0％含水量。由于形成后立方体在一段时间内膨胀的趋势，在处理立方体时，应规定形成和测量之间的时间间隔以及测量时的含水量。体积密度测量应重复至少3次，并报告平均值。
在一些实施例中，可以压缩至少一部分碎木质纤维素原料以形成多个离散单元，该多个离散单元的体积密度为8磅/立方英尺至25磅/立方英尺。在一些实施例中，可以压缩至少一部分碎木质纤维素原料以形成多个离散单元，该多个离散单元的体积密度为13磅/立方英尺至18磅/立方英尺。
有利地，与未压缩的碎木质纤维素原料相比，压缩的碎木质纤维素原料的离散单元可以具有更好的流动特性。例如，离散单元倾向于穿过开口(例如，经由开口掉落)，而不是桥接开口且过度堆积。在一些实施例中，可以形成相对一致且均匀的离散单元，与未压缩的碎木质纤维素原料相比，这有助于更精确地计量压缩的碎木质纤维素原料。
此外，与未压缩的碎木质纤维素原料相比，压缩的碎木质纤维素原料的相对更致密的离散单元可以用相对较小的输送系统运送以实现所需的通量。
作为另一个优点，压缩的碎木质纤维素原料(或其一部分)的离散单元对用于从固体中分离至少一部分液体的筛网的堵塞趋势降低。不受理论约束地，据信压缩的碎木质纤维原料的弯曲结构有助于防止木质纤维素原料在筛网上平铺和过度堆积、从而使得液体(如果有的话)几乎不能通过筛网。相反，即使弯曲的木质纤维素原料可能堆积在筛网的一侧，弯曲结构仍可以允许液体以期望的流速通过筛网。
由于压缩的碎木质纤维素原料的离散单元通过生物精炼(例如，乙醇生产设施)处理和/或加工，一个或多个单独块体可以与最初形成的离散单元分离。与未按照本文所述那样压缩的碎磨木质纤维素原料相比，可能与最初形成的离散单元分离的单独块体倾向于保持弯曲形状，该弯曲形状仍然能便于改进处理和/或加工。例如，即使碎纤维木质素的一个或多个单独块体可以从最初形成的离散单元分离，弯曲结构可有助于防止桥接，因为碎木质纤维素的单独块体通过一个开口输送，和/或有助于防止该单独块体卡在液体/固体分离筛网中并堵塞所述筛网。以下结合分离系统245进一步讨论包括筛网的液体/固体分离装置。
图1示意性展示了一个或多个单独块体如何能从原始形成的离散单元中分离的例子。如图1所示，木质纤维素原料的一个或多个单独块体105可以与离散单元100分离。木质纤维素原料的分离的块体105如120所示。至少一些木质纤维原料的单独块体105可能保持互锁，以形成较小的离散单元107并由115识别。虚线110表示离散单元107的一般形状。从图1可以看出，木质纤维素原料的分离的块体105和120倾向于在承受压缩时保持其弯曲结构。与具有笔直的(未弯曲)形状的木质纤维原料的块体相比，这种弯曲结构可以减少甚至单独的块体105堵塞设计用以分离固体和液体的筛网的趋势。
压缩的碎木质纤维素原料的离散单元可以以报道为颗粒耐久性指数(PelletDurability Index)的耐久性值来表征，耐久性值根据ASAES269.4(其全部内容通过引用并入本文)中所述的方法来测量。根据ASAES269.4，可以通过以40r/min翻滚测试样品3分钟来确定立方体形式的离散单元的耐久性(颗粒耐久性指数)。转筒的角铁框架的外部尺寸如ASAES269.4的图1所示。覆盖物可以是张紧铺设于框架外部的、12.5mm(0.5英寸)的网状五金布。内部突出物，如螺丝头，应保持至最小值，且应该是很圆的。箱子应安装在对角轴(2个平面)上，两个短轴终止于角铁框架的外部。为了便于制造，这些轴可以是中空轴。每端有300×300×430mm(12×12×17英寸)的铰接式三角门。旋转轴应为水平轴(见ASAES269.4图1)。为了确定立方体形式的离散单元的耐久性，应通过翻滚代表性的10立方体样品来测试立方体，按照ASAES269.4的5.1段所述的方式，该样品的个体质量变化不会超过平均原始质量的+/-10％。应注意立方体在称重后并在装入转筒时不会破碎或分解。在这次翻滚测试之后，应记录每次称重大于平均初始立方体质量的20％的所有颗粒的总质量并指定为立方体尺寸材料CSM。立方体的耐久性等级表示为CSM超过平均初始立方体质量的20％的百分比。使用原始平均立方体质量，计算5个质量类别，每个质量类别表示原始平均立方体质量的20％增量。在翻滚后将剩余的立方体块体分离成5个质量类别规定的堆。重量超过平均原始立方体质量的块体将被包括在最高质量类别中。应通过将每个类别中的总质量除以测试前的总质量来确定每类中材料的百分比。然后通过将5个类别中的每一个类别的材料的百分比从高到低分别乘以四(4)，三(3)，二(2)，一(1)，零(0)，然后计算通过该方法获得的总和来获得耐久性的尺寸分布指数。优选的指数为400(见ASAES269.4的表1)。
可替换地，可以确定耐久性。用筛子，通常为US#7(2819微米)筛子，来筛选样品，得到500克样品，无细粉。然后将筛过的样品放入翻滚罐中，并翻转约5分钟。然后将翻滚后的样品再次在#7筛网上筛选，以去除细粉。然后称量没有细粉的成分。该重量/500×100％得到可用于表征耐久性的百分比。
在一些实施例中，根据ASAE5269.4的测得的离散单元的颗粒耐久性指数小于90。在一些实施例中，根据ASAE5269.4的测得的离散单元的颗粒耐久性指数小于50。在一些实施例中，根据ASAE5269.4的测得的离散单元的颗粒耐久性指数大于0～60。在一些实施例中，根据ASAE5269.4的测得的离散单元的颗粒耐久性指数为5至50。
压缩的碎木质纤维素原料的离散单元可以具有任何期望的形状。该形状可以至少部分基于离散单元如何形成(例如，用于压缩原料的挤出机模具的形状)而确定。在一些实施例中，压缩的碎木质纤维素原料的离散单元可以为矩形棱柱、圆柱形、六边形、立方体等形状
压缩的碎木质纤维素原料的离散单元可以具有任何期望的尺寸。该尺寸可以至少部分基于离散单元如何形成(例如，用于压缩该原料的挤出机模具的尺寸)而确定。在一些实施例中，压缩的碎木质纤维素原料的离散单元的至少一个主要尺寸(例如，长度或直径)可以为0.5英寸至5英寸，0.75英寸至3英寸，或者1英寸到2.5英寸。在示例性实施例中，压缩的碎木质纤维素原料的立方体形状的离散单元的尺寸可以为约1.25英寸×1.25英寸X1.25英寸。
可以使用压缩系统压缩碎木质纤维素原料以形成至少一个离散单元。例如，压缩系统可以被配置为压缩至少一部分碎木质纤维素原料以形成具有如本文所述的体积密度(例如，4磅/立方英尺至25磅/立方英尺)的多个离散单元。
在一些实施例中，压缩系统包括挤出机装置，该挤出机装置包括一个或多个挤出机模具。挤出机装置可以配置为施压于至少一部分碎木质纤维素原料，使得至少一部分碎原料通过该一个或多个挤出机模具，以形成体积密度为4磅/立方英尺至25磅/立方英尺的的多个离散单元。在一些实施例中，挤出机装置是放射状挤出装置，其配置使得碎木质纤维素原料可以通过放射状挤出装置以形成多个离散单元。放射状挤出机也被称为“切粒机”。
在一些实施例中，切割装置不需要随着压缩的碎木质纤维素原料离开挤出机模具而形成离散单元，因为离散单元可以由于其自身的重量而被动地断开。然而，可以使用切割装置来提供长度相对较一致的离散单元。
可影响压缩的碎木质纤维素原料的离散单元的性质的因素包括挤出机模具的构型、碎木质纤维素原料的粒径，碎木质纤维素原料的水分含量、木质纤维素原料的种类等中的一个或多个。如上所述，在一些实施例中，木质纤维素原料如玉米秸秆和类似于玉米秸秆的那些原料可能是特别理想的，因为其天然形式可以弯曲并与压缩的碎木质纤维素原料的其它类似块体互锁，从而形成离散单元。
挤出机模具的配置
挤出机模具开口的尺寸可以影响木质纤维素原料压缩的程度，这反过来又影响形成的多个离散单元的密度和/或颗粒耐久性指数。例如，对于给定种类且具有给定粒径和水分含量的碎木质纤维素原料，随着挤出模具开口的尺寸增加，碎木质纤维素原料所承受的压缩可能降低，这可以降低所形成的多个离散单元的体积密度和/或颗粒耐久性指数。
挤出模具的尺寸可以是任何期望的尺寸。在一些实施例中，具有方形开口的挤出模具(例如，放射状挤出模具)出口的尺寸可以为0.5英寸或更大。在一些实施例中，具有方形开口的挤出模具(例如，放射状挤出模具)出口的尺寸可以为0.5英寸至5英寸，0.5英寸至2英寸或甚至0.75英寸到2英寸。
在一些实施例中，具有方形开口的挤出模具(例如，放射状挤出模具)入口的尺寸可以为1英寸或更大。在一些实施例中，具有方形开口的挤出模具(例如，放射状挤出模具)出口的尺寸可以为0.5英寸至1英寸，或甚至1.5英寸到2英寸。
在一些实施例中，挤出模具(例如，放射状挤出模具)的长度(即，模具入口和出口之间的距离)可以为6英寸或更大。在一些实施例中，挤出模具(例如，放射状挤出模具)的长度可以为3英寸至5英寸，4英寸至6英寸或甚至6英寸到8英寸。
挤出模具的流动路径的横截面可以是任何期望的形状。例如，其可以为矩形、正方形、圆形等。
在一些实施例中，挤出机模具可以包括锥形。挤出机模具开口的锥形可以影响形成的多个离散单元的密度和/或颗粒耐久性指数。在一些实施例中，挤出模具(例如，放射状挤出模具)可以从碎木质纤维素原料进入模具处至其离开处逐渐变细。即，挤出模具可以从碎木质纤维素原料进入模具处的相对大的开口尺寸逐渐变细至碎木质纤维素原料离开模具处的相对较小的开口尺寸。在一些实施例中，具有正方形或矩形横截面的模具开口可以具有双向锥形或四向锥形。双向锥形是指这样的模具通道，其仅具有两个从碎木质纤维素原料进入模具处至其离开处逐渐变细的相对侧，。四向锥形是指这样的模具通道，其中所有四侧从碎木质纤维素原料进入模具处至其离开处逐渐变细。在一些实施例中，挤出模具可以以线性方式逐渐变细。图4A-4C展示以线性方式逐渐变细的放射状挤出双向锥形模具400的示例性实施例。图4A展示模具400的俯视图。图4B展示模具400的前部的正剖视图，其中内侧425和430是笔直的且从入口405至出口410不会逐渐变细。图4C展示模具400的侧部的正剖视图，其中内侧415和420是线性的并且从入口405至出口410逐渐变细。
图5展示示例性放射状挤出机的素描图。内板或辊510可以旋转并通过放射状地形成的模具515推出木质纤维素原料，以形成多个离散单元。
在一些实施例中，可以调节挤出装置的挤出模具以提供期望的体积密度和/或颗粒耐久性指数。例如，缩短现有的挤出模具可以减少碎木质纤维素原料在通过模具时的停留时间，与在其它方面与缩短的模具相同的相对较长的挤出机模具相比，其可以降低体积密度。虽然不受理论束缚，但据信停留时间减少可以降低碎木质纤维素原料所受的摩擦和压实。更详细地，在一些实施例中，放射状挤出模具可沿着从木质纤维素原料进入模具处至其离开处的方向(例如以双向或四向线性地)逐渐变细。即，放射状挤出模具可以从碎木质纤维素原料进入模具处的相对大的开口尺寸逐渐变细至碎木质纤维素原料离开模具处的相对较小的开口尺寸。可以通过使模具出口端附近的至少一部分模具缩短(即，去除)从而增加模具出口的尺寸来调整模具。图6A-6C展示以线性方式逐渐变细的径向挤出双向锥形模具600的示例性实施例。图6A展示模具600的俯视图。图6B展示模具600的正剖视图，其中内侧625和630是笔直的并且从入口605至出口610不会逐渐变细。图6C展示模具600的正剖视图，其中内侧615和620是笔直的并且从入口605至出口610逐渐变细。图7展示模具700的侧视图，模具700为图6C所示的模具的缩短形式。如图7所示，模具700表示通过去除模具出口610附近的一部分模具而缩短的模具600。因此，与模具出口610附近的模具600的开口相比，模具出口710附近的模具700的开口更大。模具入口705附近的模具开口尺寸与模具开口605附近的模具600的模具开口尺寸相同。此外，内侧715和720为线性的并且从入口705至出口710逐渐变细。
碎木质纤维素原料的粒径
碎木质纤维素原料的粒径可以影响木质纤维素原料形成互锁结构从而形成离散单元的程度。例如，对于给定的挤出模具开口尺寸和给定原料流速和具有给定水分含量的种类，由于木质纤维素原料的粒径降低，碎木质纤维素原料承受的压缩可能降低，这可能降低碎木质纤维素原料形成互锁结构以便形成离散单元的能力。
在一些实施例中，碎木质纤维素原料的尺寸为挤出机模具出口的尺寸的至少0.5倍。在一些实施例中，碎木质纤维素原料的至少一部分包括具有长度和宽度的颗粒，并且其中所述颗粒的平均长度为12英寸或更小。在一些实施例中，所述颗粒的平均长度为1/4英寸至10英寸，1/2英寸至5英寸，或甚至5/8英寸至4英寸。
碎木质纤维素原料的水分含量
碎木质纤维素原料的水分含量可影响多个离散单元的硬度和/或体积密度。例如，对于给定的挤出模具开口尺寸和给定种类且具有给定粒径的碎木质纤维素原料，由于碎木质纤维素原料的水分含量降低(变得更干燥)，离散单元的硬度趋于增加，反之亦然。而且，随着碎木质纤维素原料的水分含量降低(变得更干燥)，离散单元的体积密度趋于增加，反之亦然。
在一些实施例中，至少一部分碎木质纤维素原料的水分含量占碎木质纤维素原料总重量的10％至50％。在其它实施例中，至少一部分碎木质纤维素原料的水分含量占碎木质纤维素原料总重量的10％至30％。在其它实施例中，至少一部分碎木质纤维素原料的水分含量占碎木质纤维素原料总重量的13％至20％。在又一些其它实施例中，至少一部分碎木质纤维素原料的水分含量占碎木质纤维素原料总重量的14％至19％。
在一些实施例中，可以通过控制碎木质纤维素原料的水分含量来控制碎木质纤维素原料的离散单元的硬度。可以通过在压缩碎木质纤维素原料以形成本文所述的离散单元之前或同时，干燥木质纤维素原料、润湿木质纤维素原料及其组合来控制碎木质纤维素原料的水分含量。
在一些实施例中，可以通过保持挤出机模具尺寸恒定并在研磨之前和/或在研磨之后和/或在压缩期间使至少一部分木质纤维素原料与水性组合物接触，使得至少一部分碎木质纤维素原料具有所需的水分含量，从而控制碎木质纤维素原料的水分含量。
可以使用润湿系统来使木质纤维素原料与水性组合物接触。润湿系统可以连接至用于加工木质纤维素原料的系统并且配置为在研磨之前和/或在研磨之后和/或在压缩期间将水性组合物施加到至少一部分含水性组合物的木质纤维素原料中，使得至少一部分碎木质纤维素原料的具有所需的水分含量。
用于润湿木质纤维素原料的水性组合物可以包括与生产生物化学品的给定过程可相容的任何水性组合物。水性组合物可以从循环流、补充流及其组合获得。在示例性实施例中，水性组合物可以包括水、来自纤维素乙醇工艺的一种或多种废物流、来自玉米乙醇工艺的一种或多种废物流及其组合。来自纤维素乙醇工艺的示例性废物流包括糖浆、来自厌氧消化器的流出物、发酵后回收的木质素结块等。来自玉米乙醇工艺的示例性废物流包括糖浆等。
水性组合物可以以任何所需形式施加至木质纤维素原料。例如，可以以蒸汽形式、液体形式及其组合施加所述水性组合物。
使用压缩的木质纤维素原料的离散单元
如本文所述，压缩的木质纤维素原料的离散单元可以具有改进的性能，特别是在生产一种或多种生物化学品的生物精炼厂的下游工艺中。例如，通过将木质纤维素原料中的多糖水解为单糖并且通过微生物如酵母把单糖转化为一种或多种生物化学品，压缩的木质纤维素原料的多个离散单元可用于制备一种或多种生物化学品，如乙醇，的生物精炼厂中。
在一些实施例中，至少一个离散单元可以与水性组合物接触并水解至少一部分半纤维素和/或纤维素并形成液体组分和固体组分。在一些实施例中，可以从固体中分离至少一部分液体成分。如上文所述，压缩的碎木质纤维素原料(或其一部分)的离散单元有力地具有减少堵塞用于从固体中分离至少一部分液体的筛网的趋势。不受理论约束地，据信压缩的碎木质纤维原料的弯曲结构有助于防止木质纤维素原料在筛网上平铺和过度堆积、从而使得液体(如果有的话)几乎不能通过筛网。相反，即使弯曲的木质纤维素原料可能堆积在筛网的一侧上，弯曲结构也可以允许液体以期望的流速通过筛网。可替换地，可随后在一个或多个单元操作中加工液体组分和固体组分，而不从固体组分中分离出液体组分。
更详细地，对于水解木质纤维素原料的离散单元，水解木质纤维素原料可以提供固体组分和液体组分，该固体组分包括葡聚糖和木质素，该液体组包括单糖如木糖和/或葡萄糖。在一些实施例中，可以从液体组分中分离出固体组分，使得液体组分可用于发酵。通过螺旋压榨机、离心机、过滤带、压滤机、重力筛、振动筛等中的一种或多种，可以在水解后从固体组分中分离出液体组分。
在木质纤维素原料中多糖的水解可以通过多种技术产生，例如使木质纤维素原料与热水、酸、碱、酶等接触。例如，专利号为5,424,417(Torget等人)，6,022,419(Torget等人)和8,450,094(Narendranath等人)的美国专利以及公布号为2010/0233771(McDonald等人)的美国公布文献描述了水解木质纤维素底物以提供例如木糖和/或葡萄糖，其中所有专利文献的全部内容通过引用并入本文用于所有目的。
图2展示根据本发明的系统的实施例的示例性流程图。用于加工木质纤维素原料的系统200包括木质纤维素原料205的来源。如图所示，木质纤维素原料205的来源包括多个捆包，该捆包包括木质纤维素原料，如玉米秸秆。捆包205可以在拆捆系统210中拆捆以提供拆捆的木质纤维素原料215。拆捆的木质纤维素原料215与研磨系统220流体连通。
研磨系统220被配置为研磨木质纤维素原料215以提供碎木质纤维素原料225。研磨系统220与压缩系统230流体连通。
压缩系统230配置为压缩至少一部分碎木质纤维素原料225以形成体积密度为4磅/立方英尺至25磅/立方英尺的多个离散单元235。在一些实施例中，压缩系统230包括挤出机装置(未展示)，该挤出机装置包括一个或多个挤出机模具。挤出机装置可以配置为施压于至少一部分碎木质纤维素原料，使得至少一部分碎原料通过一个或多个挤出机模具，以形成体积密度为4磅每立方英尺至25磅/立方英尺的多个离散单元235。
如图2所示，系统200还包括水解系统240，水解系统240与压缩系统230和水性组合物来源(未展示)流体连通。水解系统240配置为使多个离散单元235与水性组合物接触以水解木质纤维素原料中的至少一部分的半纤维素和/或纤维素并形成液体组分和组体成分。
如图2所示，系统200还包括分离系统245，该分离系统245与水解系统240流体连通且配置为从固体组分255中分离至少一部分液体组分250。分离系统245包括至少一个筛网装置(未展示)，该筛网装置配置为在至少一部分液体组分250通过筛网装置以从固体组份255中分离出至少一部分液体组分250的同时保持固体组分255。包括筛网装置的示例性分离系统包括离心机、过滤带、压滤机、重力筛、振动筛等。筛网装置可以包括穿孔板、楔形钢丝等，从而有助于从固体中分离液体。示例性的筛网开口尺寸取决于正在脱水的材料，为260微米(.010英寸)至2540微米(.10英寸)。
可选地，系统200可以包括一个或多个润湿系统(未展示)，该润湿系统连接至系统200且配置为将水性组合物施加至至少一部分木质纤维素原料和/或碎木质纤维素原料，使得碎木质纤维素原料具有所需的水分含量(例如，占碎木质纤维素原料的总重量的10％至50％)。例如，润湿系统可以连接至系统200，将水性组合物施加至进料捆包205中，施加至拆捆系统210的木质纤维素原料中，施加至拆捆的木质纤维素原料215中，施加至研磨系统220的木质纤维素原料中，施加至碎木质纤维素原料中和/或施加至压缩系统230的碎木质纤维素原料中。水性组合物可以通过任何所需的技术施加至木质纤维素原料和/或碎木质纤维素原料中。示例性的润湿技术包括分散、喷洒、浸渍、浸没等。在一个实施例中，在压缩系统230之前，碎木质纤维素原料225可在混合螺旋钻(未展示)中与水性组合物混合。
可选地，系统200可以包括可操作地连接至系统200的控制系统(未展示)，以控制多个离散单元的体积密度。例如，如上所述，可以控制碎木质纤维素原料的水分含量，从而控制多个离散单元的体积密度。在一个实施例中，控制系统包括配置为执行程序指令的控制器。控制器可以可操作地连接至润湿系统(未展示)和压缩系统230，以使润湿系统和压缩系统230执行一个或多个程序指令。程序指令可以包括测量用于在压缩系统230中为挤出机装置供电的电动挤出机电机的安培值。可以将多个安培值与碎木质纤维素原料的水分含量值相关联，得到所形成的多个离散单元的期望体积密度。即，安培值可以指示碎木质纤维素原料是否太干、太湿或具有合适的水分含量而得到多个离散单元的期望体积密度。如果碎木质纤维素原料太干，则润湿系统可以施加适量的水性组合物以使水分含量达到规定范围。如果碎木质纤维素原料的水分含量在规定范围内，则控制器可以控制润湿系统在此时不施加任何水性组合物。在一些实施例中，可以选择控制目标水分含量，使得(如果真要发生)碎木质纤维素原料不会太湿，因此不需要干燥。因此，程序指令还可以包括基于安培值确定施用于碎木质纤维素原料的水性组合物的量，以将多个离散单元的体积密度控制为4磅/立方英尺至25磅/立方英尺。
可选地，系统200可以包括一个或多个清洁系统以清洁木质纤维素原料。图3展示了如何将第一清洁系统305和第二清洁系统可选地并入图2中的系统200中。
如图3所示，第一清洁系统305与研磨系统220流体连通以接收碎木质纤维素原料。第一清洁系统305可配置为从碎木质纤维素原料中去除至少一部分非木质纤维素原料材料315。在第一清洁系统305中去除的非木质纤维素原料材料315可以包括污垢、淤泥、沙子等。因为污垢、淤泥、沙子等是相对较小的颗粒，所以第一清洁系统305可以被称为“细分离”系统。第一清洁系统305可以使用各种的分离技术去除非木质纤维素材料315。用于第一清洁系统305的示例性分离技术包括通过筛孔筛选木质纤维素原料；用空气或水流处理木质纤维素原料；密度分离；这些技术的组合；等等。
如图3所示，第二清洁系统310与第一清洁系统305流体连通以接收来自第一清洁系统305的碎木质纤维素原料。第二清洁系统305可配置为从碎木质纤维素原料中去除至少一部分非木质纤维素原料材料320。在第二清洁系统310中去除的非木质纤维素原料材料320可以包括岩石、杂质金属、玻璃等。因为岩石、杂质金属、玻璃等是相对较大的颗粒，所以第二清洁系统310可以被称为“粗分离”系统。第二清洁系统310可以使用各种的分离技术去除非木质纤维素材料320。用于第二清洁系统320的示例性分离技术包括通过筛孔筛选木质纤维素原料；用空气或水流处理木质纤维素原料；磁分离技术；这些技术的组合；等等。
第二清洁系统310与压缩系统230流体连通，从而为压缩系统230提供清洁的碎木质纤维素原料。
注意，可以根据需要变换第一清洁系统305和第二清洁系统310的顺序。进一步地，根据需要还可包括一个或多个另外的第一清洁系统305和/或第二清洁系统310。
根据本发明的系统可以包括一种或多种可选的系统以回收和/或浓缩一种或多种生物化学品。示例性的可选系统包括蒸馏系统等。

Claims (20)

1.一种加工木质纤维素原料的方法，包括：
研磨木质纤维素原料以提供碎木质纤维素原料；以及
压缩该碎木质纤维素原料的至少一部分以形成多个离散单元，其中，根据ASAES269.4测得的所述多个离散单元的体积密度为4磅/立方英尺至25磅/立方英尺。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碎木质纤维素原料的至少一部分包括具有长度和宽度的颗粒，并且其中所述颗粒的平均长度为12英寸或更小。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碎木质纤维素原料的至少一部分的水分含量为占碎木质纤维素原料总重量的10％至50％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括使所述木质纤维素原料和/或所述碎木质纤维素原料与水性组合物接触，以使得所述碎木质纤维素原料的至少一部分的水分含量为占所述碎木质纤维素原料总重量的10％至50％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素原料包括半纤维素和纤维素，并且所述方法还包括：
使所述多个离散单元与水性组合物接触，以水解至少一部分半纤维素和/或纤维素并形成液体组分和固体组分。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在研磨之前清洁所述碎木质纤维素原料，以从该碎木质纤维素原料中去除至少一部分非木质纤维素原料材料，其中所述非木质纤维素原料材料选自：污垢、淤泥、沙子、岩石、杂质金属、玻璃及其组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩包括：使所述木质纤维素原料通过一个或多个挤出机模具以形成所述多个离散单元。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩包括：使所述木质纤维素原料通过放射状挤出装置以形成所述多个离散单元。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素原料包括玉米秸秆。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在研磨前，将成捆的木质纤维素原料拆捆，以提供木质纤维素原料进行研磨。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据ASAE5269.4测得的多个离散单元的颗粒耐久性指数小于90。
12.一种用于处理木质纤维素原料的系统，包括：
木质纤维素原料来源；
研磨系统，该研磨系统配置为研磨所述木质纤维素原料以提供碎木质纤维素原料，其中所述木质纤维素原料来源与所述研磨系统流体连通；以及
压缩系统，该压缩系统配置为压缩所述碎木质纤维素原料的至少一部分，以形成多个离散单元，其中，根据ASAES269.4测得的该多个离散单元的体积密度为4磅/立方英尺至25磅/立方英尺，其中所述研磨系统与所述压缩系统流体连通。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，还包括润湿系统，所述润湿系统连接至所述用于处理木质纤维素原料的系统并配置为将水性组合物施加至所述木质纤维素原料和/或碎木质纤维素原料的至少一部分。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统可操作地连接至所述系统以将所述多个离散单元的体积密度控制为4磅/立方英尺至25磅/立方英尺，其中所述压缩系统包括挤出机装置，所述挤出机装置具有电动挤出机电机，其中所述控制系统包括配置为执行程序指令的控制器，其中所述控制器可操作地连接至所述润湿系统和所述压缩系统以使所述润湿系统和所述压缩系统执行一个或多个所述程序指令，并且其中所述程序指令包括：
测量电动挤出机电机的安培值；
基于所述安培值确定施加至所述碎木质纤维素原料的水性组合物的量，以将所述多个离散单元的体积密度控制在4磅/立方英尺至25磅/立方英尺。
15.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述润湿系统配置为将水性组合物施加至所述木质纤维素原料和/或所述碎木质纤维素原料的至少一部分，以使得所述碎木质纤维素原料的水分含量为占所述碎木质纤维素原料总重量的10％至50％。
16.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述木质纤维素原料包括半纤维素和纤维素，并且所述系统还包括：
水性组合物来源；
水解系统，所述水解系统与所述压缩系统和所述水性组合物来源流体连通，其中所述水解系统配置为使所述多个离散单元与所述水性组合物接触以水解至少一部分半纤维素和/或纤维素并形成液体组分和固体组分；以及
非必要性地，分离系统，该分离系统与所述水解系统流体连通并配置为使至少一部分所述液体组分与所述固体组分分离，其中所述分离系统包括至少一个筛网装置，所述筛网装置配置为在至少一部分液体组分通过所述筛网装置的同时截留固体组分，以使该至少一部分液体组分与所述固体组分分离。
17.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述压缩系统包括挤出机装置，所述挤出机装置包括一个或多个挤出机模具，其中，所述挤出机装置配置为对所述碎木质纤维素原料的至少一部分施加压力，使得所述碎木质纤维素原料的至少一部分通过所述一个或多个挤出机模具以形成体积密度为4磅/立方英尺至25磅/立方英尺的所述多个离散单元。
18.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，还包括：
第一清洁系统，所述第一清洁系统与所述研磨系统流体连通，以接收所述碎木质纤维素原料，其中，所述第一清洁系统配置为从所述碎木质纤维素原料中去除至少一部分非木质纤维元素原料材料，其中，所述非木质纤维素原料材料选自：污垢、淤泥、沙子及其组合；以及
第二清洁系统，所述第二清洁系统与所述第一清洁系统流体连通，以接收所述碎木质纤维素原料，其中，所述第二清洁系统配置为从所述碎木质纤维素原料中去除至少一部分非木质纤维元素原料材料，其中，所述非木质纤维素原料材料选自：岩石、杂质金属、玻璃及其组合；其中，所述研磨系统与所述第二清洁系统流体连通。
19.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述木质纤维素原料包括玉米秸秆。
20.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，还包括：
由包含木质纤维素原料的多个捆包构成的来源；以及
拆捆系统，所述拆捆系统能拆开所述多个捆包以便为所述研磨系统提供已拆捆的木质纤维素原料。
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