CN107530710B - 生物质固体的均质水化浆料及其制造装置 - Google Patents

生物质固体的均质水化浆料及其制造装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种能够容易地泵送并运输到诸如化学和/或生物化学加工单元等下游加工单元的高固体生物质浆料。所述浆料在小于36小时的加工时间内能够实现大于70％的糖化效率。本公开还提供了一种用于加工诸如高固体生物质浆料等材料的装置。

Description

生物质固体的均质水化浆料及其制造装置
相关专利申请的交叉参考
本申请要求于2015年3月27日提交的美国临时申请No.62/139,554的优先权权益，其全部内容通过引用的方式并入本文。
背景技术
生物质和生物质衍生材料的加工通常在进行化学或生物化学加工以产生燃料和/或化学物质(通常称为“生物燃料”或“生物化学物质”)的目的下进行。实现这一目的的初始加工步骤通常包括进行水化和水解以产生糖或富糖中间体；这种转化也称为“糖化”。
水化和水解步骤的材料和能量效率通常在很大程度上取决于生物质材料(其通常始于固相物理状态)的预加工和预处理。这些效率直接受到固体颗粒尺寸和尺寸分布、固体连同与加入的水的混合及润湿(“水化”)的分散的有效性以及该两相混合物在该状态下可均质化并输送到下游单元操作的程度的影响。另外，通常有利的是：只要可以维持上述条件，就可以使所得到的两相浆料混合物中的实际可实现的固体含量最大化。该属性使得下游的化学和/或生物化学反应的强度增加，从而降低了这些单元操作中的资本成本，并且降低了与后续产品分离和水回收相关的能源成本。
现有技术包括各种分散和混合装置以及技术(包括Medoff在专利US 8,420,356B2以及申请US 13/789,102和US 14/224,340中定义的那些)，其中在高固体装载下在分批糖化过程的循环回路中利用分散系统对纤维原料进行分散，从而将木质纤维素原料糖化或液化成单体糖。
一些战略重要的生物质材料(特别是玉米秸秆和甘蔗渣)在干运输中往往具有低密度和抗水化作用(难降解)。对于这些材料，期望实现高效和有效的与水的混合、水化(包括彻底润湿)和高固体均质的浆料。特别地在应用具有挑战性且战略重要的这类原料时，本发明有助于产生这些浆料用于生物燃料和/或生物化学生产的目的。
发明内容
本公开的一个方面提供了一种高固体生物质浆料。例如，所述浆料可以具有大于20wt％的散体材料。因此，在一些实施方案中，所述浆料包含大于20wt％的散体材料或由其组成。在一些实施方案中，所述浆料是均质水化浆料。在一些实施方案中，所述浆料可以容易地泵送并运输到下游加工单元。在一些实施方案中，所述下游加工单元是化学和/或生物化学加工单元操作。在一些实施方案中，所述浆料的保水值大于2.5g H2O/g固体。在一些实施方案中，所述生物质固体衍生自玉米秸秆或甘蔗渣残余材料。
在一些实施方案中，所述下游加工是水解或糖化。与先前浆料相比，本文所述的高固体浆料具有糖化效率增加的优点。在一些实施方案中，所述浆料在小于36小时的加工时间内能够实现大于70％的糖化效率。在一些实施方案中，所述浆料在小于24小时的加工时间内能够实现大于70％的糖化效率。
在一些实施方案中，所述生物质固体的水化浆料包含大于20wt％的固体材料或由其组成。例如，在一些实施方案中，所述生物质固体的水化浆料包含大于25wt％、大于30wt％或大于35wt％的固体材料。
本公开的另一个方面提供了一种用于混合和/或均质化和/或分散和加工材料的装置。例如，在一些实施方案中，所述装置包括以下部件：
a.在引入水之前或在引入水的同时(通过剪切切割和分散)对进入的固体进行初始加工的一个阶段或多个阶段的剪切切割元件；
b.位于所述剪切切割阶段和排出叶轮阶段之间用于增强混合和均质化的一系列的两个或多个叶轮阶段；和
c.能够在所述排出叶轮部的出口处实现最高的固体和可泵送性并将固体引入到装置排出口的“泵送环”。
在一些实施方案中，所述装置与下游研磨装置串联使用，所述下游研磨装置可用于减小颗粒尺寸并进一步均质化材料以产生适于下游酶促水解加工的预处理材料。在一些实施方案中，所述下游研磨装置是胶体磨机。在一些实施方案中，由所述装置进行加工的生物质材料是玉米秸秆或甘蔗渣。在一些实施方案中，所述装置是能够混合、均质化、分散和研磨浆料的混合装置。在一些实施方案中，所述混合装置构造在单一壳体内。
本公开的另一个方面提供了一种用于混合和/或均质化和/或分散和/或研磨生物质材料的装置或串联装置。在一些实施方案中，所述装置产生由大于20wt％固体材料组成的生物质固体的均质水化浆料，所述浆料能够容易地泵送和运输到诸如酶促水解等下游化学加工和/或生物化学加工单元操作。在一些实施方案中，所述装置或串联装置包括以下部件：
a.在引入水之前或在引入水的同时(通过剪切切割和分散)对进入的固体进行初始加工的一个阶段或多个阶段的剪切切割元件；
b.位于所述剪切切割阶段和排出叶轮阶段之间用于增强混合和均质化的一系列的两个或多个叶轮阶段；
c.能够在所述排出叶轮部的出口处实现最高的固体和可泵送性并将固体引入到装置排出口的“泵送环”；和
d.减小颗粒尺寸并进一步增强浆料相分散的一个或多个胶体磨机或胶体磨机阶段。
在一些实施方案中，所述装置或串联装置产生在小于24小时的加工时间内能够实现大于70％的糖化效率的浆料。在一些实施方案中，将糖化酶引入到所述装置的剪切区、泵送区、排出叶轮出口或排出口中的一个或多个内。在一些实施方案中，所述糖化酶包括选自纤维素酶、葡聚糖酶、木聚糖酶、木质素酶或过氧化物酶的酶类中的一种或多种酶。
定义
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管基本上与本文所述的方法和材料类似的任何方法和材料都可以用于实践或本发明的测试中，但是仅说明了示例性方法和材料。为了对本发明进行说明的目的，下面对以下术语进行定义。
术语“一种”和“所述”包括复数指示物，除非上下文清楚地另外指明。
术语“生物质”或“生物质原料”指的是包含木质纤维素材料、全谷物、淀粉、菊粉或任何其他类型的结构烃类的任意材料。木质纤维素材料由三种主要组分组成：纤维素、半纤维素和木素。纤维素和半纤维素含有包含多糖和低聚糖的碳水化合物，并且可以与诸如蛋白质和/或脂质等其他组分组合。生物质的例子包括但不限于诸如谷物(例如，玉米、小麦和大麦)等农产品和废物产品；甘蔗；玉米秸杆、玉米棒、块茎、菊芋、茎秆和/或食用作物的其他不可食用的废物部分；食物废物；诸如柳枝稷等草类；以及诸如木材、纸、木板和废木材产品等林业生物质。
术语“木质纤维素”指的是同时包含木素和纤维素的材料，并且也可以含有半纤维素。
关于材料或组合物的术语“纤维素质”指的是包含纤维素的材料，并且也可以含有半纤维素。
术语“浆料”指的是生物质和水的混合物，其中一些水被水化成生物质纤维结构，一些水包含在纤维网或纤维毡的外孔结构内，一些水包含在纤维和原纤维的细孔结构内，并且一些水包含在细胞壁内。生物质的水化程度的表征简化为两组：“纤维内水”和“纤维间水”。“纤维间水”主要捕获在纤维之间，有时被认为是“体相水”，外部保持在纤维网的较大孔内；“纤维内水”是包含在细胞壁结构的细孔内和细胞内结构中的水。木质纤维素纤维的机械预加工和热预加工通过增加细孔的数量并使细胞内原纤维孔结构开口并暴露于体相水而使它们饱和并保留水来增加纤维内水。孔结构内的保留水提供了用于酶运输和进入目标葡聚糖和木聚糖聚合物链的可及性通道。
“保水值(WRV)”是样品中水的质量与生物质样品中干物质的质量之比。通过诸如离心等标准实验室分离来实现生物质样品的WRV测量。用于测量WRV的基本处理过程是向标准的50ml实验室离心管配备过滤器组(即，夹持在底部的60目筛盘和顶部的200目筛盘之间的玻璃微纤维过滤盘)，在其上装载有待测量质量的生物质。制备含约1％固体的样品用于WRV测定。通过使样品在900xg下离心30分钟来去除游离水，并测量样品的湿重。然后，将样品在105℃下干燥至少3h，并测量样品的干重。通过保留水(毫克)与干生物质(毫克)之比来测定WRV。
术语“溶解固体”指的是糖、可溶性碳水化合物、多糖、残余木素和以分子、电离或微粒状悬浮形式包含在液体中的其他这种物质。通常，操作定义是固体必须足够小以穿过具有两微米或更小孔的过滤器或其他固液分离方法。示例性固液分离方法包括但不限于膜滤、切向流过滤(TFF)、离心、沉淀和浮选。
术语“适于将生物质的组分水解成糖的条件”指的是使固相生物质与包括但不限于纤维素酶、半纤维素酶和辅助酶或蛋白质的水解酶接触以从生物质中的多糖生产可发酵糖和短链低聚物。该条件还可以包括最适合糖化酶的活性的pH值，例如，约4.0～7.0的pH值范围或该范围内的子集。该条件还可以包括最适合糖化酶的活性的温度，例如，约35℃～75℃的温度范围或该范围内的子集。该条件还可以包括具有或没有酶和/或化学物质的条件以及具有或没有机械剪切和混合的条件的组合，其促进高分子碳氢化合物水解或部分水解成糖和糖的短链低聚物。适于将生物质的组分水解成糖的条件还包括支持将生物质中的多糖转化为短链糖、纤维二糖和单体糖的任何条件。转化可以包含诸如酸、碱或其他化学物质的水解等任何可用的各种化学和热化学方法。
术语“糖化”指的是从生物质或生物质原料生产可发酵糖和短链糖低聚物。糖化可以由包括但不限于过氧化物酶、虫漆酶、棒曲霉素和膨胀素的水解酶和/或辅助蛋白质来实现。糖化还可以由没有特定酶或特定条件的化学和热水解来实现。糖化在适于将生物质的组分水解成糖的条件下进行。术语“糖化效率”指的是在糖化期间生产的可发酵糖和短链糖低聚物的量与在糖化之前生物质中包含的可发酵糖和短链糖低聚物的理论量之比(以百分比表示)。
术语“可发酵糖”指的是在发酵过程中(例如，在由酵母发酵的过程中)可以转化成乙醇或诸如(但不限于)丁醇、丙醇、琥珀酸、乙酸和异戊二烯等其他产物的糖或短链糖低聚物。例如，葡萄糖是从纤维素的水解衍生的可发酵糖，而木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖是从半纤维素的水解衍生的可发酵糖。
术语“适于发酵的条件”指的是温度、pH、固体含量、酶浓度、微生物浓度的条件和支持将糖和短链糖低聚物转化成乙醇或其他产物的其他条件。术语“微生物”指的是酵母、细菌或其组合或者支持将糖转化为所需产物的其他生物体。
术语“同时糖化和发酵(SSF)”指的是在发酵过程中提供糖化酶或适于将生物质的组分水解成糖的其他条件。这与术语“单独的水解和发酵(SHF)”步骤形成对比。
术语“预处理”指的是用物理、化学或生物方法或者它们的任意组合对生物质进行处理以使得生物质更易于水解(例如，通过糖化酶)。预处理可以包括在高压和/或高温下对生物质进行处理。预处理还可以包括对生物质进行物理混合和/或研磨以减小生物质颗粒的尺寸、改变其孔径分布以及破坏生物质的结构组分或微结构。例如，适用于生物质的物理预处理的设备包括锤磨机、剪切磨机、气蚀磨机、胶体磨机、球磨机、立铣刀、研磨机、压碎机、轧板机、圆盘碾磨机或用于研磨、切割、剪切、切碎、纤维化、粉碎、裂化、摩擦、卷曲、起毛、扭曲、堆叠、混合或精制生物质的其他高剪切磨机。预处理过程可以用干燥、潮湿或湿态以及在各种压力和温度下的生物质来完成。示例性胶体磨机是CellunatorTM(Edeniq,Visalia,CA)。例如，在WO 2010/025171中说明了颗粒尺寸的减小，其全部内容以引用的方式并入本文。
术语“预处理的生物质”指的是已经过预处理的生物质，从而使生物质更易于水解。
在预处理步骤的情况下，术语“高压”指的是高于基于海拔的大气压力(例如，在海平面上为1atm)的压力，例如，在海平面上至少5、10、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140或150psi以上。
在预处理步骤的情况下，术语“高温”指的是高于环境温度的温度，例如，至少30、50、80、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190或200℃以上。当用于热预处理(TPT)中时，该术语包括足以大幅提高封闭系统中的压力的温度。例如，封闭系统中的温度可以提高到使得压力为至少100psi以上(例如，110、120、130、140、150psi以上)，并且与混合物中的挥发性组分的温度处于相位平衡状态。
术语“水解”指的是打破多糖中的糖苷键以产生简单的单体糖和/或低聚糖。例如，纤维素的水解产生6碳(C6)糖葡萄糖，而半纤维素的水解产生5碳(C5)糖木糖和阿拉伯糖。水解可以通过酸处理或通过诸如(但不限于)淀粉酶、纤维素酶、β葡糖苷酶、木聚糖酶、葡糖淀粉酶、菊粉酶等酶以及包括这些酶组分的任何子集的其他混合物或混合料来实现。水解酶的例子包括纤维素酶和半纤维素酶。“纤维素酶”是包括联合作用以将纤维素水解成纤维二糖和葡萄糖的外切纤维二糖水解酶、内切葡聚糖酶和β葡糖苷酶的多酶混合物或混合料的通称。
术语“抑制剂”指的是抑制糖化和/或发酵过程的化合物。例如，纤维二糖和葡萄糖都抑制纤维素酶的活性。例如，低聚木糖、木聚糖酶抑制剂蛋白质(XIP)和木糖抑制半纤维素酶的活性。其他抑制剂包括从木质纤维素和/或纤维素的预处理产生的糖降解产物。其他抑制剂的例子包括2-糠酸、5-羟甲基糠醛(HMF)、糠醛、4-羟基苯甲酸(HBA)、丁香酸、香草醛、丁香醛、对香豆酸、阿魏酸、诸如乙酸等有机酸和从木素的分解产生的酚类化合物。这些抑制剂也可以通过抑制酵母的活性来抑制发酵。
附图说明
图1示出了用于在糖化之前对生物质进行连续加工的创新装置的概念构成。
图2a和图2b示出了与设备相关联的创新装置和组件的特定构成。
图3a和图3b示出了创新装置的替代构成，其包括与混合、水化和分散相结合来减小颗粒尺寸的高剪切转子定子部。
图4示出了示例性转子定子盘构成。
图5示出了几个附加的示例性转子定子盘构成。
图6示出了指示秸秆颗粒和地被秸秆的操作的试点规模版本的创新装置的操作映射。
图7示出了通过比较原始材料和由创新装置处理的材料获得的保水值的增加。
图8示出了各种处理的保水值的相对改进。
图9示出了各种处理的葡聚糖至葡萄糖的转化率与机械预处理生物质的保水值的关系。
具体实施方式
引言
制造一种装置以实现从一系列固体中产生浆料，并且实现浆料混合和水化以及固体分散的定性属性。主要的例子是由IKA Works(Wilmington,NC)提供的MHD-2000产品。在本申请中研发了相对于现有技术的新颖和非显而易见的改进，以进一步使这些装置能够对低密度、抗水化(即，难降解)的固体进行加工，并且使固体的装载水平能够比先前获得的装载水平更高，从而促进这些材料在生物燃料和/或生物化学生产中的高资本效率和高能效的下游水解(即，糖化)。
本发明的关键实施方案是期望的高固体均质浆料的生产，其可以容易地运输并进一步高效率地加工(包括糖化、产物分离以及水回收和循环)。已经实现了对现有技术的设备的特定改变，即，产生具有对水化和水解的增加的润湿性和增加的反应性的组合属性改进的“混合”设备功能(尤其是包括入口固体颗粒剪切和尺寸减小)。相对于现有技术的进一步改进提高了使所得浆料在非常高的固体装载水平(在这些应用中尤其用于生物质加工的装载水平)下脱离混合阶段的可泵送性。
研制包括混合、水化、分散、均质化和研磨/尺寸调整功能的设备并使其适用于加工浆状固体(通常是水性浆料)。更具体地，为了结合上述所有功能而在高装载加工下对纤维素质生物质材料进行处理并且能够实现高转化率、低停留时间的下游水解反应(例如，酶促糖化)，本申请定制且串联配置了特定混合/水化/分散和浆料均质化以及研磨设备，以实现这些目标属性。高装载加工或高固体浆料是按干质量计大于10wt％固体、大于12wt％固体、大于15wt％固体、大于18wt％固体、大于20wt％固体、大于22wt％固体、大于25wt％固体和大于30wt％固体的生物质混合物。
研制了专用于本申请的混合水化分散加工器(MHD；例如，来自IKA Works USA-Wilmington,NC)。在图1中概念性地示出了该装置100的一个实施方案。将干固体生物质101直接引入到进料区122中或通过进料斗组件103引入到进料区中，该进料斗组件设计成向装置100提供连续进料，以确保将一致水化的生物质104传送到下游处理。生物质首先进入水化区123，其中引入处理液体102以与生物质101混合。处理液体102包含水。在一些实施方案中，处理液体102包含含有诸如但不限于Mg(OH)2、NaOH、其他碱、硫酸、乙酸、HCl、其他酸等缓冲剂和/或酶的其他组分。然后，被润湿的生物质进入剪切区124，在该区域中剪切力将生物质加工成更小的颗粒和更细的结构。在一些实施方案中，原料以颗粒的形式传送，剪切区的功能是破坏颗粒并增强水化作用。在一些实施方案中，剪切区还配备有剪切切割元件，其不仅破坏颗粒和纤维，而且引入更高程度的剪切，从而对纤维和颗粒进行切割并使其破裂。在这些实施方案中，剪切区124基本上将生物质颗粒的平均尺寸减小到长度小于1mm的目标区间。在所有实施方案中，在水的存在下，剪切力通过打开细胞间结构和降低平均孔径来增强其水吸附和保留而增加了生物质的保留水含量。水化区123和剪切区124可以是紧邻的，以进一步增强生物质的保水特性。通过侧面或顶部喷嘴将水共同引入，并与初始剪切区中的固体密切混合，使得剪切力产生的热能分散在整个散装混合物中，从而减缓局部温度的升高。生物质进入下游的离心泵送区125，其向水化生物质产生向外的离心力，并将水化生物质传送到腔室的外径或排出叶轮区126。该区域配备有清扫杆叶轮，其使生物质围绕外壁移动并将湿生物质转移到浆料出口127。
在图2a和图2b中示出了装置200的替代实施方案，其示出了当对原料进行造粒并且原料具有大于0.5kg/L或大于0.75kg/L或大于1.0kg/L的堆密度时最有用的一种构成。在该实施方案中，当生物质进入进料区222时，使入口201最大化以使进料限制最小化，并且出口204相对于装置的直径切向地构造，以增强水化生物质的传送压力。该组件设计有外部壳体组件和内部旋转轴以及用于增强生物质与液体或水的混合、水化和分散的各种部件。液体入口202构造成将水传送到配备有分布壁235的水化区223，该分布壁具有设计成当生物质向下流动时允许液体均质喷射到水化区中的孔243的图案。水化区223配备有桨叶式混合杆233，其可以配备有设计成将生物质向外推向水化壁并向下推向离心泵送区225的桨叶。在水化区的下部区域处，隔离盘245用于隔离离心泵送区225并使该区域内的内循环模式最小化。水化生物质进入离心叶轮255，其将材料向外推向排出叶轮区226。在一些实施方案中，离心叶轮255和排出叶轮236之间的流动路径配备有由分段齿组成的固定壁障或定子，其中当将生物质材料从装置中排出时60％、50％、40％或30％的流动路径被阻塞以产生另一高剪切区。该定子可以与隔离盘245一体化。与组件一起旋转的是作为轴241组件的一部分的排出叶轮236。该叶轮236将所有的水化生物质从区域226中围绕壳体246的内径并朝向切向出口204清扫。排出叶轮236和切向出口204提供了未在现有装置中发现的优点。
桨叶式混合杆233、离心叶轮255和排出叶轮236都组装在旋转轴241上，以向所有部件提供直接驱动恒定的旋转速度。在一些实施方案中，它们都以相同的旋转速度旋转，但是在一些实施方案中，在轴241和部件之间使用直接驱动齿轮转换以降低特定部件的旋转速度。例如，可以使排出叶轮236以离心叶轮的速度的50％或75％或85％或95％旋转，从而在将水化生物质清扫到出口204周围之前增强水化生物质相对于壁的压缩。该特征有助于压缩夹带有空气的生物质并产生从该装置传送的更致密的生物质浆料。该实施方案还增强了水化生物质的组成特性，这对于下游操作(诸如但不限于使用Cellunator或诸如胶体磨机等其他转子定子式磨机以及包括诸如板型磨机等典型造纸厂用磨机的其他研磨机进行湿磨)是非常重要的。可以实施直接驱动齿轮转换以使排出叶轮236相对于离心泵叶轮反向旋转，并且改变材料从装置中移出的运动方式。
装置200的替代实施方案可以包括组装到驱动轴241上并且位于桨叶式混合杆233上方的进料区222的中央的螺旋进料机构，以使生物质更加可靠地移动到水化区223中。所有这些替代构成都通过包括排出叶轮236和切向流出口204来加强。在装置200的一些实施方案中，隔离板245配备有位于离心泵叶轮255和清扫杆236之间的垂直面向下的指状部或中断的定子壁(如图所示)，从而在生物质上产生额外的剪切力，用于减小颗粒尺寸并进行混合和水化。
水化区223可以构造成包括进一步混合固体和水的附加阶段和混合叶片，从而在向固体分散和浆料匀化提供离心驱动力的同时能够进行水化。在串联两级或更多级的混合叶片之后，浆料到达排出部或离心泵送区225和在那里将浆料从单元中泵送出的排出叶轮区226。排出擦拭件或泵送环的存在有助于将固体和浆料从区域中清除，并使浓缩的浆料直接流动到排出口204中。排出叶轮可以由任意数量的包括具有2、3、4或更多个垂直杆的清扫杆组件的构成组成，以将固体从壳体246的内周边清扫。替代实施方案包括两个旋转杆组件，其中一个将水化生物质从离心叶轮255的外径清扫，另一个将固体从壳体246的内径清扫。如前所述，这些多个清扫用排出叶轮236的旋转速度和方向可以与离心叶轮255的旋转特性相同或不同。
取决于原料以及原料的诸如颗粒、长纤维、中等纤维或细纤维等形式，可以改变装置100或200的特定构成以使性能以及生物质混合、水化和分散最佳化。在一些实施方案中，进料区122或222配备有旋转螺旋钻元件，其有助于将生物质从进料区122或222运输到水化区123或224中。在颗粒的情况下，该螺旋钻元件是有用的，但是在松散的较长纤维的情况下，该螺旋钻元件的效果较差。
在装置和工艺构成的一些实施方案中，诸如胶体磨机等浆料研磨装置可以与混合、水化和分散装置串联安装。利用直接从该装置提供的水化浆料中的高度分散的固体，这提供了使生物质水化并随后进行研磨和减小颗粒尺寸的连续功能。组合效应产生了细颗粒、高装载、均质的生物质固体含水浆料。生物质固体含水浆料可以具有用于下游加工的最佳特性。该中间产品极其适用于具有非常高效率的水解工艺，即，高转化率、低停留时间要求的酶促糖化。浆料可以具有固体含量为10％、15％、20％、25％、30％、35％或更高固体重量百分比的均质水化。通过使用进料斗组件103来管理干固体进入装置的恒定固体供给速率和管理进入装置的恒定液体供给速率，可以使用该装置来维持均质的水化固体的一致性。诸如使生物质与水批量混合或半批量混合到储罐中等替代的生物质水化过程不能产生一致的受控水化程度的连续操作。干生物质可以是极其疏水的，因而初始的润湿和水化可能与漂浮在储罐上的一些材料不一致，被润湿且密度大于水的一些纤维可以沉到储罐的底部。即使将受控的水和生物质供给到大批量水化罐中，传送或提取的固体的一致性也可能变化并且波动很大。引入再循环和罐内剪切混合可以提高一致性，但初始进入的疏水材料的不一致性仍然是一个关键问题。即使在储罐周围的循环回路中使用在线水化装置，也会导致固体含量的不一致，特别是当目标固体大于15％或大于20％时，原因是储罐中浆料的固体含量由于新鲜干生物质被供给到装置中而必须小于从装置离开的固体含量。随着把更高的固体含量作为目标，将再循环的固体和储罐中的散体混合成为传送的固体的一致性的关键控制因素。将通过进料斗组件103供给的干生物质管理到混合、水化和分散装置100中的这种创新的水化构成199提供了一种用于向下游加工传送受控质量流量和水化度的独特的解决方案。
将桨叶式混合杆233的剪切功能集成到水化区223中提供了改善使用该装置实现的水化有效性的额外的益处。如所定义的，与生物质混合的水可以是体相水或保留水。可以通过离心力将体相水从生物质中去除，同时保留水完全水化到生物质的纤维和原纤维结构中。创新装置提供了增加体相水和保留水的生物质水化。后者是诸如酶促糖化等最重要的有效的下游加工。该装置产生保留水含量增加5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％或大于13％的水化生物质。该装置实现了生物质固体和液体的混合、水化和分散，使得水化生物质获得大于55％、56％、57％、58％、59％、60％、61％、62％、63％、64％或大于65％的保留水含量并传送具有大于15wt％固体、20wt％固体、25wt％固体或大于30wt％固体的受控散体含量的水化生物质固体。对从该装置离开的受控生物质的固体含量进行连续管理，以将散体含量维持在每分钟变化或每小时变化小于20％、小于15％、小于10％或小于5％内(在连续的基础上)。该装置提供了基于下游损失和压力要求来产生高达75psi的排出压力或更低的能力。当装置在诸如Cellunator等装置的上游使用时，将所产生的排出压力管理为0～15psi或15～40psi或40～65psi。压力传送类似于离心泵，其中构成粘度或流变性的固体颗粒尺寸、浓度和液体的其他性质都会影响潜在的排出压力能力。
在图3中示出了该装置的替代实施方案，其中对混合、水化和分散装置300进行了修改，以将减小颗粒尺寸的功能与混合、水化和分散的功能结合在一起。在该实施方案中，干燥或所接收的固体(通常为50％～95％的固体)通过端口301供给，而液体或水通过端口302供给，并且水化生物质通过端口304排出。生物质供给速率由生物质进料斗103的操作来控制，给水速率由液体供给口302上游的流动控制阀或类似装置控制。在该实施方案中，生物质通过进料区322进入水化区323中，在该实施方案中其取向为向下流动的给水方向。水化区的桨叶式混合杆333减少到两个元件。如果所供给的生物质是低密度、松散的纤维，则桨叶式混合杆333可以将纤维收集成阻塞进料区322的束，因此桨叶式混合杆333的设计和数量可以基于正在加工的原料的类型来调整。水化区323的水分布由被孔343的图案覆盖的供给板335提供，以提供水或液体通过水化区进入到生物质中的均匀分布。
在该实施方案300中示出了剪切切割和颗粒尺寸减小组件334，其与图1的剪切区124一致。剪切切割组件334由一系列交替的转子和定子板组成，当转子板相对于固定的定子板旋转时，其切割、抓取、冲击生物质并使其暴露于高剪切力。如果生物质纤维垂直地夹在相邻的板之间，则对该生物质纤维进行切割，如果生物质纤维水平地夹在相邻的板之间，则可以对生物质纤维进行机械地滚动式研磨。在一些实施方案中，纤维瞬时地包装到网状物中，直到网状物或片材足够大以与组件中的下一个叶片相互作用，此时该片材被拉动到相对的开口中并被旋转的叶片或板片剪切。在这两种情况下，水和生物质在高剪切环境下混合，从而增加了水化作用并提高了生物质的保留水含量。各种替代的设计构成适用于转子和定子，并且孔图案和盘构成的任何特定构成或取向不旨在限制创新。在生物质通过高剪切区324之后，其被充分混合、水化和分散并进入离心泵送区325，该离心泵送区包括离心叶轮355以将生物质向外朝着壳体346的内径和排出叶轮区326驱动。如同在前述实施方案中那样，排出叶轮区326使用清扫杆336，以沿着壳体壁收集水化生物质并将其转移到出口304，其中来自离心泵叶轮的力支持将其从单元中运输出来。出口304也与装置主体切向地取向，以增强生物质从装置的排出。排出叶轮336的任何替代构成都适用于如前所述的装置的这种构成。
在图4和图5中进一步示出了高剪切转子定子组件334。在图4中示出了两个替代的转子和定子构成。定子410放置在转子420上方，转子和定子都具有椭圆形的槽或孔，其中定子具有边缘411，转子具有边缘421。开口的图案定位成使得在任何给定的旋转下，存在使生物质流过该开口的开放区域424。在该图中，如果转子420顺时针旋转，则转子和定子的切割交叉点425将朝向中央径向向内前进。孔426用于驱动轴。示出了定子430和转子440的替代转子定子图案。在图5中示出了转子和定子的其他替代构成。在该例子中，转子标记为A、B、C、D和E，而定子标记为F、G、H和I。可以将转子锁定到装置的驱动轴上，并且将定子组装和锁定到装置的壳体组件上。在高剪切组件334的一些实施方案中，诸如例子G和H等定子配备有圆形或矩形或六边形孔，并且在一些实施方案中，孔更多地与诸如例子F和I等槽相关联。组件334可以由一个转子和一个定子或多个交替的转子和定子组成。在一些实施方案中，存在2个转子和2个定子，在另一些实施方案中，存在3个转子和3个定子以及4个或更多个转子定子组合。在一个实施方案中，转子比定子多一个，使得组件的顶部和底部由旋转盘组成。在一个实施方案中，定子比转子多一个，使得堆叠件的顶部和底部由固定盘组成。
在组件的一些实施方案中，转子和定子的设计、构造材料以及间隔使得高剪切组件334的更换成本相对较低，从而使得组件的周期性更换对加工的整体操作成本没有显著影响。大量的切割盘转子和定子的更换成本可能为每个组件大约$300～500。这种构成的替代方案是在HMD装置的下游使用胶体磨机以起到减小颗粒尺寸的作用。该设备的等效容量磨损部件的更换成本可能在每年$20k～$40k的范围内。如果每年需要更换切割盘10次，则更换部件的成本将比胶体磨机替代的成本的25％还要低。与胶体磨机替代相比，具有高剪切切割元件的MHD的实施方案提供了小于25％、小于20％或小于10％量级的较低重复成本。
生物质纤维可以作为相对较长的纤维线(例如，所接收的玉米秸秆)引入到装置中，并且具有高剪切切割组件334的混合、水化和分散装置300的优点是将纤维减少到短片并使生物质的纤维和原纤维结构水化的单一步骤过程。原料可以由具有10wt％纤维且长度大于2cm或大于3cm或4cm或5cm或6cm或更长的纤维混合物组成。原料还可以由已通过干磨步骤(例如，锤磨机、辊磨机、研磨机等)进行预加工的材料组成，使得90wt％的材料具有小于3mm的颗粒尺寸，但仍含有其颗粒尺寸大于1mm的5～20％的材料。在水化过程中的机械剪切破裂、切割和中断纤维结构，使得95wt％的颗粒(或更多)的尺寸小于1mm或小于0.5mm，或者使得97wt％的颗粒(或更多)的尺寸小于1mm或小于0.5mm。在水化过程中的机械剪切导致产生具有大于50％、大于55％或大于60％的保留水分的出口水化生物质。散体装载在大于15％、大于20％、大于25％或大于30％的散体的控制范围内。另外，该装置将生物质水化成具有颗粒尺寸减小、保留水分含量和散体的组合。
该工艺的一个实施方案是使进料斗将生物质纤维传送到MHD装置，在其中对材料进行混合、水化(例如，与水或液体混合)和分散以产生具有大于15％固体或大于20％固体或大于30％固体或大于40％固体的散体含量并且具有大于2.5或大于3.0或大于3.5的WRV的生物质混合物。该工艺的一个实施方案是进料斗向MHD供料，MHD产生具有大于15％固体或大于20％固体或大于30％固体或大于40％固体的散体含量的水化生物质混合物并且具有足够的传送压力能力以向下游胶体磨机供料，从而提供高剪切颗粒尺寸减小能力，使得MHD的传送压力在稳态操作中大于30psig或大于40psig或大于50psig或者在空载运行时具有达到大于120psig的能力。该工艺的一个实施方案是使进料斗将堆密度大于0.5kg/L的生物质颗粒传送到使颗粒分解并使生物质水化的MHD构成中，从而使得水化生物质具有大于2.5或大于3.0或大于3.5的WRV并且具有大于15％固体或大于20％固体或大于30％固体或大于40％固体的散体含量。该工艺的一个实施方案是包括具有至少两个定子或至少三个定子或至少四个定子或至少五个定子的交替定子切割盘和转子切割盘的高剪切区的MHD构成，从而对具有纤维混合物(其中大于5％的纤维的长度长于1英寸或长于2英寸或长于3英寸)的进给生物质进行混合、水化和分散，并以减小颗粒尺寸的方式离开MHD，使得小于1％质量的纤维具有大于0.05英寸或大于0.04英寸或大于0.03英寸或大于0.02英寸的长度或者具有大于2.5或大于3.0或大于3.5的WRV并且具有大于15％或大于20％或大于30％或大于40％的散体含量。该工艺的一个实施方案是进料斗或生物质输送机单元将生物质纤维传送到MHD中，MHD将水化生物质传送到胶体磨机中，使得具有大于2.0或大于2.5或大于3.0的WRV的水化生物质可以流动到胶体磨机并且当其离开MHD时具有大于30psig、大于40psig或大于50psig的可测量压头，从而在MHD和胶体磨机之间不需要泵。
在系统的一个实施方案中，用于制备糖化用的生物质的机械预处理(MPT)功能由两个单独的设备组成。第一个是提供生物质的初始混合、水化和分散的各种构成的MHD装置，第二个是在产生下游加工用的均质浆料的同时提供颗粒尺寸减小和优化作用的胶体磨机或转子定子装置。在一些实施方案中，MPT功能由集成装置组成，该集成装置包括混合、水化和分散所需的元件，并且还包括如图3～5所示的转子定子高剪切研磨元件。在一个实施方案中，MPT功能位于任何热预处理(TPT)或化学预处理(CPT)或组合化学/热预处理(C/TPT)的上游。在一些实施方案中，MPT功能可以位于TPT、CPT或C/TPT工艺的下游。在一些实施方案中，通过固液分离(SLS)功能和设备对生物质进行加工，该固液分离设备包括诸如模锻摩擦压力机(Vincent Press)、压滤机、振动筛分离器(例如，来自Florence,KY的SWECO)、离心机、楔形丝过滤器、筛网过滤器、旋转过滤器、J筛(例如，来自New Brighton,Minnesota的Johnson Screens)以及其他组合装置等设备，其将生物质混合物有效地分离成包含生物质固体和一些液体的固体流以及包含散装液体、溶解固体和一些细小的悬浮固体的液体流。在一些实施方案中，SLS功能位于MPT功能的下游，以分离残余和/或天然糖或溶解的固体。在一些实施方案中，SLS功能位于TPT、CPT、C/TPT的下游，以将副产物或抑制剂与诸如酶促糖化等下游加工分离。
所得到的设备串联定制(包括在MHD和研磨单元操作中针对生物质设定的单元)在纤维素质糖的生产中可以理想地用于纤维素生物质基质的预处理，所述纤维素质糖是生产乙醇或其他生物燃料以及生化物质的关键中间体。作为主要的例子，具有直接商业利益的这两种基质是玉米秸秆和甘蔗渣。各种实施方案中的装置的元件将包括表1中概述的功能元件的组合。例如，如果生物质原料是干颗粒，则该装置可以包括1-4-5-7-8-13-14-15-16-18-20的组合，或者如果生物质原料是干松散纤维，则该装置可以包括1-2-3-4-5-9-10-13-14-16-19-20的组合。在其他实施方案中，如果原料是干松散纤维或具有各种长度以及对原料进行最少的预加工，则该装置可以包括1-4-5-9-10-14-16-19-20的组合。
Figure GDA0001981168490000171
在表2中限定了该装置的一些优选实施方案，其使用表1中限定的元件以及如图4和图5所示的特定切割板。其他组合是适宜的，并且这些列为优选构成的例子。
Figure GDA0001981168490000172
Figure GDA0001981168490000181
在一些实施方案中，其中混合、水化和分散功能与剪切/颗粒尺寸减小功能结合在一个MHD单元中，特别地在热预处理(TPT)不在机械预处理(MPT)下游的情况下，可以将预期的糖化或水解化学反应步骤与MHD整合在一起并且这是有利的。这可以通过将糖化酶(例如，纤维素酶、葡聚糖酶、木聚糖酶、木质素酶、过氧化物酶或这些酶类中的两种或更多种的各种组合)直接施加到MHD装置的高剪切或混合区域中或者通过将相同的酶引入到MHD的泵送和/或排出部(接近高剪切或混合区域的下游)中。因此，该构成包括将活性糖化酶引入到区域124,125和/或127中的一个或多个内(图1)。除了工艺简化之外，该实施方案还具有增加这些酶在糖化或水解步骤中的有效性(转化效率和/或速度)的益处，起因于在该构成中在MHD的高剪切区中或之后立即发现的基质浆料的高固体、小颗粒尺寸、均质和水化状态下酶和反应性基质之间的紧密接触。
实施例
实施例1
由IKA Works,USA (Wilmington,NC)制造的MHD-20定制为包括入口剪切切割区和高固体排出叶轮。该单元与Edeniq,Inc.(Visalia,CA)的CellunatorTM(特别是IKA MK2000/20单元)串联配置，用于串联加工玉米秸秆生物质的目的。
在进行处理之前，该秸秆初始被预加工成大约6”的上限颗粒尺寸。该材料中的固体约为95wt％。
在大约15GPM和18％S的固体装载下通过将MHD-Cellunator串联在一起对材料进行连续处理。这里，在实验室测试中独立地验证了将该材料有效地用在糖化加工中的倾向。
实施例2
由IKA Works,USA(Wilmington,NC)制造的MHD-20定制为包括入口剪切切割区和高固体排出叶轮。该单元与Edeniq，Inc.(Visalia，CA)的CellunatorTM(特别是IKA MK-20单元)串联配置，用于串联加工甘蔗渣生物质的目的。
在进行处理之前，甘蔗渣初始被预处理成约1.5mm的上限颗粒尺寸，没有进行上游热处理加工。
在大约10GPM和20％的固体装载下通过将MHD-Cellunator串联在一起对材料进行连续处理。这里，对材料进行实验室热预处理，并且在实验室测试中独立地验证了将该材料有效地用在糖化加工中的后续倾向。
实施例3
在玉米秸秆颗粒和松散纤维秸秆的情况下对结合有向离心泵送环供料的高剪切桨叶区和清扫横杆的MHD构成进行操作。该小型装置(即，IKA MHD-20)的加工能力被部分地映射为总质量流量和所得生物质固体分数的函数，如图6所示。颗粒和松散纤维均成功地用于产生下游加工用的均质、有活性的浆料。当对颗粒进行加工时，浆料中的最大固体含量被证实为大约30％，而当对松散纤维进行加工时，获得了大约40％固体的浆料。使用颗粒时加工的总质量流量高达6.5mt/h，使用松散纤维时加工的总质量流量大约3mt/h。最大固体供给速率超过1.1mt/h干原料。这些实验验证了装置具有较宽的操作范围，如图6所示。
实施例4
在如图7所示的另一个实施例中，对甘蔗渣的以下两种生物质水化方式进行比较：通过浸泡48小时以上的方法来进行水化或者通过装置进行加工(即，IKA MHD2000/20)。该单元构造成[1,2,3,4,5,6,7,7,7,7,13,14,16,18,20]并供给生物质，其中数字序列指的是在表1和表2中概述的功能元件的组合。“原始样品”是甘蔗渣生物质的松散纤维，其在环境温度下在水中浸泡和搅拌48小时，确保将其水化、压制并使其与水重新混合以在测量保水值之前获得初始散体含量。通过装置对各种批次的“MHD样品”中的甘蔗渣生物质的相同的松散纤维进行加工，以便通过该装置一次就达到了目标固体含量。然后，使用实验室离心机对样品组进行测试以测量保水值。50ml离心管构造成将生物质保持在管子的一半上，并允许收集被去除的水。在每次测试中使用约10g的材料，并对两个样品进行平均以表示数据集。该方案允许样品以固定速度旋转2min，此时在使其以更高的离心速度重新旋转之前将去除的液体称重。在完成旋转之后，将材料干燥以测定用于计算保水值的保留固体质量。如图7所示，MHD样品维持比浸泡样品更高的保水值，并且WRV升高了30％。
实施例5
在图8中示出了MHD装置和MPT功能在水化生物质方面的有效性的另一个例子。在该测试中，修改了保水值方案，以便在900xg下离心30min的单次离心步骤之后仅评估WRV，修改方案是为了提高测试的可靠性。在该实验中，对五个生物质样品(包括原始的Raw(即，水浸泡生物质)、处理A(即，由MHD加工的)，处理B(即，由MHD和胶体磨机一体化系统加工的)、处理C(即，仅经过TPT的生物质)和处理D(即，由MHD和胶体磨机以及随后的TPT加工的TPT生物质))进行测试。如图所清楚地示出的，处理A、B和C(即，在TPT之前的样品)的WRV大于原始材料的WRV，并且MHD以及MHD和胶体磨机的组合与原始材料相比均提供了增加的WRV。替代策略是在机械预处理之前将生物质暴露于TPT条件下，并且在处理D与未进行机械处理的后TPT饼的比较中示出了该影响。与未进行机械预处理的样品(后TPT饼)相比，处理D显示生物质的WRV增加30％以上。酶促转化是受酶混合物、剂量选择和纤维暴露影响的复杂过程，而除了期望的纤维内水的水化程度之外，WRV还受到颗粒尺寸的极大影响。为了评估观察到的WRV增加是否与改进的糖化相关，用酶对这些材料进行糖化，以将葡聚糖和其他结构碳水化合物加工成葡萄糖和木糖单体。在图9中示出了葡聚糖至葡萄糖的转化结果，其绘制了葡聚糖至葡萄糖的转化率与各处理的保水值的函数关系。示出了两个单独的测试：测试A(即，菱形)和测试B(即，正方形)，以反映由(A)在TPT之后进行机械处理引起的和由(B)两种不同TPT条件引起的转化率随WRV的变化。测试A表示已经用固液分离步骤额外处理并且使用基线剂量的纤维素酶A将所得固体暴露于48小时的酶促糖化的TPT生物质。镂空的菱形数据点是仅具有TPT的材料，实心的菱形数据点表示相同的材料，但是通过固液分离及随后的机械加工(使用MHD及随后的胶体磨机)进行加工。在该例子中，观察到WRV和葡聚糖转化率都有所增加。测试B表示在高剂量的纤维素酶B下糖化24小时后，在两个不同强度系数(即，镂空数据点3.25的强度系数SF和实心数据点3.75的强度系数SF)下的TPT生物质。在该例子中，较高强度的TPT也会提升WRV和转化性能。
应当理解的是，本文所述的实施例和实施方案仅用于说明的目的，并且基于它们的各种修改或改变将提示给本领域技术人员并包含在本申请的精神和权限以及所附的权利要求书的范围内。本文所引用的所有公开出版物、专利和专利申请的全部内容出于所有的目的由此以引用的方式并入本文。

Claims (7)

1.一种用于混合、均质化、分散和加工材料的装置，所述装置包括以下部件：
a.构造成在引入水之前或在引入水的同时通过剪切切割和分散来对进入的固体进行初始加工的一个阶段或多个阶段的剪切切割元件，其中所述剪切切割元件包括一系列交替的转子和定子；
b.位于所述剪切切割阶段和排出叶轮阶段之间用于增强混合和均质化的一系列的两个或多个叶轮阶段；和
c.使材料从所述排出叶轮阶段的出口直接流到排出口的泵送环，其中所述排出口相对于所述装置的直径切向地构造，以增强水化生物质的传送压力。
2.如权利要求1所述的装置，还包括构造成减小颗粒尺寸并进一步将材料均质化到适于下游酶促水解加工的预处理状态的下游研磨装置。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述下游研磨装置是胶体磨机，并且被加工的材料是玉米秸秆或甘蔗渣。
4.如权利要求2所述的装置，其中所述混合、均质化、分散和加工在构造于单一壳体内的混合装置中完成。
5.一种用于混合、均质化、分散、研磨和加工衍生自玉米秸秆或甘蔗渣的生物质材料的装置或串联装置，用于产生包含大于20wt％固体材料的生物质固体的均质水化浆料，所述浆料能够容易地泵送和运输到下游化学加工和/或生物化学加工单元操作，所述装置包括以下部件：
a.在引入水之前或在引入水的同时通过剪切切割和分散来对进入的固体进行初始加工的一个阶段或多个阶段的剪切切割元件，其中所述剪切切割元件包括一系列交替的转子和定子；
b.位于所述剪切切割阶段和排出叶轮阶段之间用于增强混合和均质化的一系列的两个或多个叶轮阶段；
c.使浆料从所述排出叶轮的出口直接流到排出口的泵送环，其中所述排出口相对于所述装置的直径切向地构造，以增强水化生物质的传送压力；和
d.减小颗粒尺寸并进一步增强浆料相分散的一个或多个胶体磨机或胶体磨机阶段；
使得在小于24小时的加工时间内产生糖化效率能够大于70％的浆料。
6.如权利要求5所述的装置或串联装置，其中将糖化酶加入到所述装置的剪切区、泵送区、排出叶轮出口或排出口中的一个或多个内。
7.如权利要求6所述的装置或串联装置，其中直接引入到所述装置的剪切区、泵送区、排出叶轮出口或排出口中的一个或多个内的糖化酶由纤维素酶、葡聚糖酶、木聚糖酶、木质素酶或过氧化物酶的酶类中的一种或多种组成。
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