CN113366111B - 清洁用于处理木质纤维素生物质的反应器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及清洁用于处理木质纤维素生物质(P)的反应器(4)的方法，所述方法包括以下步骤：a)排空所述反应器中的含有生物质的反应混合物，b)采用碱性水溶液(EB)填充所述反应器，c)排空所述反应器，d)将蒸汽(V)注入所述反应器中，e)采用水溶液(E)填充所述反应器，f)排空所述反应器。

Description

清洁用于处理木质纤维素生物质的反应器的方法
技术领域
本发明涉及处理木质纤维素生物质以生产“第二代”(2G)糖液(sugary liquor)的方法。这些糖液可用于经由生物化学途径生产其他产品(例如醇，如乙醇、丁醇或其他分子，或溶剂，例如丙酮等)。该方法包括多个步骤，通常包括三个步骤，即液体的制备、采用该液体浸渍生物质和通过蒸煮，特别是采用蒸汽爆破对经浸渍的生物质进行预处理。
现有技术
木质纤维素生物质代表着地球上最丰富的可再生资源之一。所考虑的基质是非常多样的，它们涉及木质基质，例如各种木材(硬木和软木)，产生自农业的副产品(麦秸、玉米芯等)或产生自其他农业食品、造纸等行业的副产品。
将木质纤维素材料生物化学转化为2G糖液的方法特别包括预处理步骤和采用酶混合物(cocktail)的酶促水解步骤。这些方法通常还包括在预处理之前的浸渍步骤。然后将产生自水解的糖液例如通过发酵进行处理，并且所述方法还包括分离步骤和/或最终产物的纯化步骤。
木质纤维素生物质由三种主要的聚合物组成：纤维素(35％-50％)，其是一种基本上由己糖组成的多糖；半纤维素(20％-30％)，其是一种基本上由戊糖组成的多糖；和木质素(15％-25％)，其是一种具有复杂结构和高分子量的聚合物，由通过醚键连接的芳族醇组成。这些不同的分子是植物壁的固有性质的原因并组织成复杂的缠结体。
在组成木质纤维素生物质的这三种基础聚合物中，纤维素和半纤维素是能够生产2G糖液的基础聚合物。
通常，在预处理期间，半纤维素主要分解成单体糖和低聚糖，并且纤维素通过酶促水解转化成葡萄糖。然而，对于酶而言，其仍然难以接近天然基质中的原始纤维素，因此需要预处理。该预处理可以改变木质纤维素材料的物理化学性质，从而改善纤维素对于酶的可及性及其对酶促水解的反应性。
存在许多对实施该预处理的发明感兴趣的技术，这些技术将在下文中统称为通用术语“蒸煮”，其涉及在高温下将生物质加热一段限定的时间。已知技术尤其包括酸性蒸煮，其中使生物质在蒸煮之前/期间与酸性溶液接触，以及碱性蒸煮，其中使生物质在蒸煮之前/期间与碱性溶液接触。另一种已知技术是通过“蒸汽爆破”蒸煮(酸性、碱性或无浸渍)，其中对生物质施以加压蒸汽。
还存在被称为“有机溶剂制浆”的预处理方法。该方法涉及在一种或多种有机溶剂和通常水的存在下的预处理。所述溶剂可以是醇(乙醇)、酸(例如乙酸或甲酸)，或者丙酮，或者这些化合物的混合物。“有机溶剂制浆”方法导致木质素的至少部分溶解和半纤维素的部分溶解。因此，存在两个出口物流：具有残余的纤维素、半纤维素和木质素的经预处理的基质，以及含有溶解的木质素和一部分的半纤维素的溶剂相。通常存在溶剂的再生步骤，这可以提取木质素物流。某些“有机溶剂制浆”处理(特别是采用乙醇)可以与加入强酸(例如H2SO4)相结合。还可以设想在蒸煮步骤之前经由浸渍反应器使生物质与溶剂接触，或者在通过“有机溶剂制浆”进行蒸煮之前使生物质与酸性催化剂接触。
例如，在文献“Production of bioethanol from lignocellulosic materialsvia the biochemical pathway: A review”，M. Balat，Energy Conversion andManagement 52 (2011) 858-875，或在文献“Bioethanol production from agriculturalwastes: an overview”， N. Sarkar，S. Kumar Ghosh，S. Bannerjee，K. Aikat，Renewable Energy 37 (2012) 19-27中报道了各种配置。
最有效的预处理之一是前述蒸汽爆破蒸煮，因为它可使半纤维素几乎完全水解，并显著改善纤维素对于酶而言的可及性和反应性。在该预处理之前/之后可以进行一个或多个其他处理，并且这正将是本发明更特别感兴趣的——然而，其应用并不限于此。
已经表明，预处理反应器，尤其是蒸煮反应器，有结垢倾向——在高温下加热反应器中的反应混合物导致产生各种固体残渣，所述残渣粘附在反应器的内壁上。这些残渣经一段比生物质在反应器中的平均停留时间更长的时间逐渐积累。它们可能逐渐引起操作问题，例如反应器出口堵塞的风险、在反应器内输送生物质的难度增加，并且通常它们的存在对反应器的性能特性产生负面影响。
为抑制这些残渣而提供的第一种解决方案涉及排空反应器，从而使反应器停止运行，并打开反应器，以通过机械和/或液压作用，换言之，通过刮壁和/或通过施加被加压至数百巴的水来清洁反应器的内壁。虽然这个程序是有效的，但它确实消耗了时间和能量，它不仅必须涉及使反应器停止运行，还要等它冷却(在高于100℃的温度和一定压力下进行蒸煮)，然后打开该反应器，进行清洁，在重新开始生产之前重新关闭反应器并将其恢复到一定温度。
因此，本发明的目的是克服这些缺点。更具体而言，本发明旨在开发有效地除去这些残渣中的一部分或全部的方法，同时缩短反应器停工时间以及降低实施所述方法使用的能量消耗。
发明概述
本发明的第一主题是清洁用于处理木质纤维素生物质的反应器的方法，所述方法包括以下步骤：
a)排空所述反应器的含有生物质的反应混合物，
b)采用碱性水溶液填充所述反应器，
c)排空所述反应器，
d)将蒸汽注入所述反应器中，
e)采用水溶液填充所述反应器，
f)排空所述反应器。
本发明的上下文中的“处理”是指旨在改变生物质的一种或多种特性的任何步骤。这尤其可以是预处理，这是在木质纤维素生物质处理领域中已知的术语，其目的是制备用于酶促水解的生物质。
步骤b)中使用的碱性溶液在引入反应器之前优选具有至少9、特别是至少10、优选至少11或12的pH。
步骤e)中使用的水溶液在引入反应器之前优选具有基本中性的pH、特别是6-8、或优选6.5-7.5、有利地接近7的pH。
因此，本发明已开发了以多个步骤清洁反应器的方法，证实该方法在抑制壁上的所有或几乎所有固体残渣方面是非常有效的。因此，本发明涉及以至少三个步骤进行清洁：首先是，一旦反应器被排空，则采用碱性水溶液(其在下文中也可称为术语“碱性液体”)，例如含有 KOH的溶液处理反应器的步骤，然后是蒸汽处理步骤，最后是用水冲洗的步骤。
这种方法明显比机械或液压清洁更容易实施：这是因为它可以在无需打开反应器的情况下进行，因为只需为碱性水溶液和冲洗水溶液提供入口/出口(或重新使用已经存在的入口/出口)，并且在通过蒸汽爆破蒸煮进行预处理的反应器的情况下，蒸汽入口通常已经存在。而且，无需等待反应器冷却以进行清洁。相反，甚至已经发现，在仍然很热的反应器中进行全部或部分清洁非常有利于粘附的残渣的分离。由于反应器可以在清洁过程中保持相对较热，因此相比采取先前的机械/液压解决方案，在恢复生产时将反应器恢复到一定温度可以消耗少得多的能量。
有利地，在排空反应混合物的步骤a)和采用碱性水溶液填充的步骤b)之间，根据本发明的方法可任选地包括至少一个采用水溶液填充反应器的步骤a')、随后是排空反应器的步骤a'')。所述水溶液优选处于中性pH或接近中性pH（例如6-8，优选接近7，如步骤e)中使用的水溶液）。
因此可以在采用碱性溶液进行处理之前增加冲洗步骤，当采用由酸性催化剂浸渍的生物质进行生物质处理时可以证实这是有益的：正如本发明已经表明在碱性溶液的存在下更容易将残渣除去和分离，事先采用水冲洗反应器确保碱性溶液是完全有效的，而不会使至少一部分的碱被用于中和反应器中残余的痕量酸度。
有利地，在步骤a)之后，根据本发明的方法可任选地进一步包括将固体研磨材料的颗粒单独地引入反应器或通过将所述颗粒引入碱性溶液中或引入水溶液或水溶液之一中而引入反应器中。
在碱性溶液的化学作用补充有采用研磨颗粒的机械作用的情况下，研磨颗粒将刮擦/刮划壁并促进残渣的分离。
在引入反应器之前，优选将碱性水溶液和/或水溶液或水溶液之一加热，特别是加热至至少20℃、特别是至少60℃、优选至多90℃的温度。
这是因为，如上所述，当使碱性溶液与反应器内壁的接触趁热进行时，这种接触的效率提高。类似地，趁热用水冲洗也更有效。
采用碱性水溶液填充反应器的步骤b)至少优选在反应器的内部体积处于至少60℃、特别是至少80℃、特别是至少100℃ (通常至多250℃或至多240℃或至多220℃) 的温度下的情况下进行。如上所述，在明显高于环境温度的高温条件下的接触促进了通过碱性溶液分离残渣的作用。这进而可能获益于以下事实：反应器通常在热的情况下进行生物质预处理，通过在反应器仍然很热时进行清洁(通过关闭反应器加热设备，并利用反应器的热惯性，或通过在其生产温度或虽然较低但仍高于环境温度的温度下继续加热反应器)。
有利地，在排空步骤c)期间，在任选的过滤以除去其可能包含的固体残渣之后，可以将排出的碱性溶液回收用于再循环。可以将其全部或部分再循环用于在反应器内壁与碱性溶液接触的步骤期间将其重新注入。也可以将其保留以在随后的清洁操作期间重新注入反应器中。通过将其添加到在步骤a')和/或步骤e)期间使用的一种或多种水溶液中，也可以将其全部或部分再循环。
在排空步骤c)期间，一种可能性是将排出的碱性溶液过滤以回收其包含的固体残渣，并将这些残渣特别是通过洗涤进行处理，以从其中提取碱性溶液用于再循环。所讨论的洗涤水可以通过也将它们添加到碱性溶液中再循环：这进一步优化了根据本发明的清洁中的碱性溶液的消耗。也可以将这些洗涤水全部或部分添加到在步骤a')和/或步骤e)期间使用的水溶液中。
当已按照步骤b)填充所述反应器时且在将所述反应器排空之前，采用碱性溶液浸渍反应器优选30秒至4天、特别是30分钟至10小时、特别是1至3小时的时间。该持续时间与工业生产的要求相适应，该持续时间可以特别根据进行这些清洁操作的频率来调节。
采用碱性溶液和/或水溶液或水溶液之一填充反应器的填充度可以为20％-100％。这是因为不需要用溶液完全填充反应器——例如，如果反应器配备有搅拌装置，或者如果已经观察到最显著的残渣倾向于位于反应器的底部处。术语“填充度”在此理解为占反应器总体积的%，总体积包括实际反应体积加上生物质入口的上游体积和生物质出口的下游体积。
在步骤d)中，优选注入在1×105-20×105Pa、特别是12×105-18×105Pa、特别是约15×105Pa的压力下的所述蒸汽。
可以将步骤e)和步骤f)重复至少两次，特别是2-10次，重复这些水冲洗确保已经从壁分离的所有残渣确实从反应器中排出；这也允许从反应器中除去残余的痕量碱度，当反应器采用酸性介质中的生物质进行预处理时，这可是有用的。
本发明的另一主题是处理木质纤维素生物质的方法，所述方法包括以下步骤：-制备含有催化剂，特别是酸性催化剂的浸渍液， -将生物质引入浸渍反应器中以采用所述浸渍液浸渍，-将经浸渍的生物质转移到预处理反应器中以在其中通过蒸煮进行预处理，-将经预处理的生物质酶促水解，-将获得的酶促水解待发酵物（must）进行醇发酵，其中所述方法在全部或部分所述步骤中连续地进行，并且在所述预处理反应器中的预处理步骤暂停，从而采用如上所述的方法清洁所述预处理反应器。
将所讨论的生物质处理方法暂停以清洁预处理反应器，优选根据给定的频率和/或当直接或间接测量或评估的所述反应器中的反应混合物的物理化学特性或流变特性超过阈值时。例如，它可以是用于转动反应器中的输送螺杆、转动反应器中的搅拌设备或反应器中的任何其他运动部件的电动机的功率阈值。例如，当反应器内部的输送螺杆或输送螺杆之一的扭矩相对于在生产开始时观察到的扭矩增加了超过15%时，可以启动清洁。也可以在给定的时间段之后启动清洁，所述时间段可以是生产2小时至4个月。
本发明的另一主题是实施根据本发明的清洁方法的任何装置，所述装置包括用于预处理木质纤维素生物质的反应器、用于制备碱性水溶液的罐，其与所述反应器是流体连接的，从而将碱性溶液从所述罐引入所述反应器中，以及在排空反应器时将从所述反应器中排出的全部或部分碱性溶液从所述反应器再循环到所述罐中，以及，任选地，在将从反应器中排出的溶液重新引入制备罐之前将其过滤的设备。因此，本发明所建议的实施方式向现有装置增加了制备碱性溶液的罐，所述罐可以进料有水、浓碱(例如KOH或NaOH，或任何其他有机碱或无机碱)，和任选的在将反应器排空后再循环的碱性溶液。所述罐配备有已知设备，其特别用于通过添加KOH或水来使溶液的pH保持恒定。所述罐还可以配备有在将碱性溶液引入反应器之前使碱性溶液达到/保持在所需温度的加热设备。可以将所述加热设备替代地或组合地（cumulatively）设置在将碱性溶液从所述罐引导至所述反应器的管道型流体连接设备上。
本发明的另一主题是任何实施上述生物质处理方法的装置，其中所述装置依次包括用于浸渍生物质的反应器（通过用于制备浸渍溶液的罐进料有浸渍溶液）、用于预处理经浸渍的生物质的反应器（通过用于制备碱性水溶液的罐进料有碱性水溶液）、酶促水解反应器和醇发酵反应器，所有的反应器串联安装，或至少其中两个反应器串联安装。
在SSCF(该首字母缩略词对应于短语“同步糖化共发酵”)的情况下，酶促水解反应器可以与醇发酵反应器相同。
本发明的另一主题是上述生物质处理方法或装置用于处理生物质(例如木材、秸秆、农业残渣和所有专用能源作物，特别是一年生或多年生植物，例如芒草)，以生产糖、生物燃料或生物基分子。
附图说明
图1表示集成到生物质处理方法中的用于清洁生物质预处理反应器的方法的方框图。
图2表示根据图1的清洁方法的第一阶段。
图3表示根据图1的清洁方法的第二阶段。
图4表示根据图1的清洁方法的第三阶段。
图5表示根据图1的清洁方法的第四阶段。
图6表示根据图1的清洁方法的第五阶段。
图7表示根据图1的清洁方法的第六阶段。
图8表示根据图1的清洁方法的第七阶段。
图9表示再循环根据图1的清洁方法中使用的碱性溶液的第一方式。
图10表示再循环根据图1的清洁方法中使用的碱性溶液的第二方式。
图11表示再循环根据图1的清洁方法中使用的碱性溶液的第三方式。
实施方案的描述
附图是高度示意性的，在不同的附图中，相同的附图标记对应于相同的组件。设备基本上以其在操作位置中所占据的空间位置来显示。
在本文中，在旨在通过下文中概略描述的根据图1的方法的步骤生产醇，尤其是生物乙醇形式的生物燃料的生物质预处理方法的背景下举例说明用于清洁生物质预处理反应器的方法。例如，在专利WO 2018/015227中更详细地描述了该方法的一个实施方案，需要时可以参考该专利。
应当注意的是，根据本发明的清洁方法同样适用于任何生物质处理反应器，特别是但不仅限于预处理反应器，更一般地，其同样适用于任何旨在处理木质纤维素生物质的反应器，该处理的目的是改变生物质的化学、物理或流变特性，并且通常在升高的温度下进行。
在本文中作为一个实例并在图1中示出的生物质处理方法包括在立式反应器3中浸渍生物质的第一步骤，随后是在蒸汽爆破反应器4中预处理经浸渍的生物质的步骤。连续地实施该方法的这些步骤，并在下文中借助于用于实施该方法的设备的描述来详细说明这些步骤：
-设置用于制备含有化学催化剂的浸渍液的罐1，所述浸渍液由进料至所述罐的水E和催化剂A组成，在本实例中的催化剂是含水相中的强酸(例如浓硫酸)，并且该罐允许将水E和化学催化剂A的混合物进料至浸渍反应器3，
-将新鲜的生物质(在这种情况下为麦秸P)进料至浸渍反应器3的锥形螺杆2(也称为“塞式螺杆”或“密封螺杆”)，
-反应器的浸渍液进料管线，其连接液体制备罐1和浸渍反应器3，
-配备有两个上行的输送螺杆(未显示)的浸渍反应器3，所述螺杆允许将生物质从反应器下部的浸渍区输送到反应器上部的排干（straining）区，并将经浸渍和排干的生物质送至反应器顶部的反应器出口。然后经由开口至第二锥形螺杆2'的进料管线将所述经浸渍和排干的生物质送去预处理，
-第二锥形螺杆2'将经浸渍的生物质进料至预处理反应器4，
-预处理反应器4通过蒸汽爆破处理经浸渍的生物质，
-设置用于洗涤浸渍反应器3和预处理反应器4的锥形螺杆2、2'的水回路，其在图1中示意性地通过所述螺杆处的水E的入口表示，
-蒸汽分离设备5通过反应器4进料有经过蒸汽爆破蒸煮的生物质，作为例如旋风分离设备，在顶部出口处具有蒸汽V，在底部出口处具有经爆破的生物质，也称为待发酵物M。
在该步骤，所述待发酵物M具有足够的纤维素对酶的可及性，以通过酶促水解处理以产生2G糖液。在该分离之后的酶促水解以及连续或同步发酵(图1中未显示)的条件适用于所需的产品并且是本领域技术人员已知的。
上述预处理技术的使用导致不同类型的生物质(在本文中是麦秸，还有芒草、白杨木等)的沉积，其积聚/粘附至预处理反应器 4内部的至少一个输送螺杆的表面和预处理反应器 4的壁。这些沉积物经历比生物质在反应器中的正常停留时间更长时间的蒸煮，并转化为残渣，在本文中也可以称为“焦炭”。这种“焦炭”会导致各种操作问题，例如堵塞反应器4的出口孔、增加至少一个内部输送螺杆在容纳它们的腔室的壁上的摩擦事件，并且可能导致如图1 所示的预处理单元的整体性能降低。
定义“焦炭”的组成已被证明是复杂的，它是一种外观和组成随时间逐渐变化的残渣：在生产周期开始时，沉积的材料是生物质，因此其具有与继续通过反应器4并送至下游步骤的生物质基本相同的特性。通过粘附在反应器4的内壁上形成的沉积物将保持比在蒸煮条件(尤其是温度)下所期望的时间长得多的时间。温度的作用影响残渣的组成和形态，残渣会越来越成为“经烘烤的（baked）”残渣。残渣被“烘烤”的程度越大，它就越紧实并且越粘附在反应器的壁上。
这些“焦炭”沉积物是积聚的：设备连续运行的时间越长，沉积的焦炭量越大，越多的靠近壁的焦炭的“层”将变成非常坚硬的固体。因此，这些沉积物引起结垢现象，增加了壁的厚度并减少了反应器的可用体积。根据蒸煮反应器的配置，特别是适当位置处的内件的类型，可以观察到某些元件(例如螺杆，或者至少是在蒸煮过程中在反应器中输送生物质的螺杆)的旋转受到影响。这种影响特别表现为驱动相关螺杆旋转的电动机功率的增加。
在整个生产过程中，另一种可能性是该残渣的或多或少硬化的部分在例如所讨论的螺杆或螺杆中的至少一个的旋转作用下，或在生物质通过反应器的作用下从反应器壁上分离：因此，密度远大于经历蒸煮的生物质床的颗粒可能导致自身分离并被携带到反应器的出口孔，这可能导致下游的堵塞或操作问题的情况。尽管存在这些分离，但发现沉积物在给定的生产周期期间随着时间继续增加。
在停止、冷却和打开蒸煮反应器4之后，发现焦炭呈两种形式：与反应器的内壁直接接触的硬质形式，以及覆盖硬质焦炭的更易碎形式。这两种焦炭的区别在于它们的元素组成，如下表 1 所示：
易碎焦炭 硬质焦炭
碳含量(%) 44.57 65.07
氢含量(%) 5.85 4.67
氧含量(%) 34.63 24.58
发现硬质焦炭中的碳百分数高于易碎焦炭中的碳百分数，而氧含量则记录到相反的趋势，氢含量的值相似。结论是，易碎焦炭在某种程度上是致密焦炭的前体。
本发明涉及停止浸渍反应器3和预处理反应器4的操作，从而进行反应器4的化学清洁以提取该焦炭C。虽然该清洁是不连续的步骤，但不需要如以前情况那样打开反应器和对反应器内部进行机械清洁。因此，根据本发明的清洁(稍后详述)更快、更经济且更安全，因为它限制了与组装和拆卸单元相关的操作风险。
使用一组附图来解释根据本发明的方法的工作实例及其变体。在图1的基础上，除了已经描述的设备之外，它还需要以下辅助设备：
-用于制备含有碱的清洁液EB的罐6。罐6可用于将一定浓度的碱性溶液进料至预处理反应器4。其进料有水E和碱B(例如KOH的浓水溶液形式的碱B)，调节其组成以得到具有所需碱浓度和所需pH的液体。该碱性溶液的浓度范围为1-50重量％的KOH，并且溶液的pH优选大于8，优选大于9或10，有利地为12-13。例如，浓度可以是 3重量％KOH且pH为约13.5(在清洁过程中，当已将溶液引入反应器时，pH 会略微降低)。
-反应器4的清洁液进料管线，其连接清洁液制备罐6和预处理反应器4以进行清洁，通过在合适的情况下采用专用设备(例如缠绕管线的电阻加热器)将所述管线预热。
根据本发明的方法的示例性实施方案如下运行：
-序列1：停止生产，如图1 和图3 所示，关闭预处理反应器 4的进料管线和出口(通过反应器的入口管线和出口管线上的十字符号来表示关闭)，然后将反应器排空，基本上排空生物质(图2代表在生产停止之前的生产中的生物质处理方法)，
-序列2：通过将加热到一定温度的水E注入反应器4中的水浴，如图3所示。该第一浴的目的是提高反应器中残余生物质的pH，从而使采用 KOH 溶液进行碱性清洁更为有效。操作条件如下：浴持续时间为0至20分钟，优选小于或等于30秒；反应器的填充度为其可用内部体积的20%-100%，例如100%；在注入之前经预热的水温为20℃(环境温度)-90℃(预热温度)，将水预热至例如80℃的温度，
-序列3：排空反应器4中所含的水，如图4所示(从反应器中排出的水E容易含有焦炭，因此在附图中标注为E+C)，
-序列4：采用来自制备罐6的碱性溶液EB将反应器4填充一定的时间，在引入反应器之前任选地将碱性溶液EB预热，如图5所示；操作条件如下：反应器浸渍的持续时间为30秒至4天，例如2小时；反应器的填充度为其可用内部体积的 20%-100%，例如100%；在注入之前碱性溶液的温度为20℃(环境温度)-90℃，将该溶液预热至例如80℃的温度，
-序列5：从反应器4中排空含有焦炭C的碱性溶液EB，即EB+C，如图6所示，
-序列6：通过注入蒸汽V加热反应器4，也如图6所示。这里的目的是通过与碱性溶液的作用互补的热作用使生物质残渣C的碎片分离。操作条件如下：压力为1-20巴(1×105-20×105Pa)，例如15巴(15×105Pa)，在恒定的蒸汽加热温度下的持续时间为30秒至6小时，例如2小时，
-序列7：通过将加热到一定温度的水E注入反应器4中的水浴，如图7所示。操作条件如下：浴持续时间为0至20分钟，例如至多30秒；反应器的填充度为其可用内部体积的20%-100%，例如100%；在注入之前经预热的水温为20℃(环境温度)-90℃(预热温度)，将水预热至例如80℃的温度，
-序列8：排空反应器4中所含的水，如图8所示，然后排空任选地含有焦炭的水E，即E+C，
-序列9和10：在相同的操作条件下重复序列7和8，即通过将加热到一定温度的水E注入反应器中的水浴，然后排空任选地含有焦炭的水E，即E+C，随后可以将序列7和8再重复至少一次。
清洁程序的频率可根据预处理反应器4的类型和尺寸和/或所处理生物质的类型而广泛变化。例如，当反应器的输送螺杆之一的扭矩相对于生产开始时观察到的扭矩增加了超过15%时，可以启动清洁。
可以为上述示例性清洁方法提供多种变型，同时所述变型仍在本发明的范围内，其中一些详述如下(它们可以是替代的或组合的)：
-可以在环境温度下将水溶液E和碱性溶液EB引入反应器4中，或者可以将水溶液E和碱性溶液EB预热到60℃、80℃和甚至90℃。应该注意的是，即使在环境温度下引入，它们在反应器中时通常也倾向于升温，因为反应器具有一定的热惯性(因为经预处理的生物质的生产在高温下进行)，
-在引入碱性液体 EB 之前的水浴序列2和3是任选的，因此可以省略，
-离开反应器4的碱性液体B包含经降解的生物质的残渣，即上述“焦炭”：EB+C。可以过滤该液体以提取其焦炭C，然后将其再循环至碱性液体制备罐6或实施清洁程序的序列2(水浴)，如图9所示，
-离开反应器4的焦炭C具有高碱含量。可用水E洗涤以提取其残余碱，然后可将洗涤水再循环至碱性液体制备罐6或实施清洁程序的序列2(水浴)，如图10所示。因此，这是比图9中提议的再循环更大范围的再循环，
-可以将离开反应器4的焦炭以及碱性液体(B+C)直接送入碱性液体制备罐6，如图11所示。优点仍然是回收离开预处理反应器4的残余碱，如图9和图10中的情况，用于制备用于通过浸渍清洁反应器和减少KOH消耗的碱性液体。然后在将碱性溶液B注入预处理反应器4 之前，必须进行过滤，
-清洁程序可以应用于没有先前浸渍步骤的原始生物质处理(此时称为自水解)的情况中，
-在与反应器的机械操作相容的固体研磨材料的存在下，反应器4的内部体积可以浸入碱性溶液/液体EB中，以产生辅助机械作用来使焦炭从反应器的壁分离。可以将颗粒单独地或在碱性液体B中引入反应器4。
贯穿本文，缩写“SC”表示固体含量，其根据标准ASTM E1756-08(2015)“StandardTest Method for Determination of Total Solids in Biomass”进行测量。
实施例
实施例1：不根据本发明
本实施例采用麦秸作为生物质来实施。原料的特性和组成如下：
固体含量(SC)：91.07%
生物质流量：65 kg SC/h
生产经预处理的生物质的操作条件如下：
-浸渍反应器 3 中的生产用浸渍和清洁：
H2SO4酸性溶液流量：1.5 kg/h(pH接近1)
-预处理反应器4中的经浸渍的生物质的蒸汽爆破：
停留时间：5分钟
生产时长：72小时
现有技术的机械清洁：
温度下降时长：48小时
打开和拆卸时长：8小时
清洁时长：8小时
重新组装时长：8小时
产生的焦炭C的质量为16kg，在反应器4中占据0.012m3的体积，即反应器的体积减少了8.7%，焦炭的生产速率为222g/h。
实施例2：根据本发明
在与实施例1相同的条件下采用与实施例1相同的生物质实施浸渍和蒸汽爆破。
根据本发明，在下列条件下，在生产停止之后立即清洁反应器4：
-在80℃下的水浴，填充度为100%，然后立即排空反应器，
-将反应器4的整个可用内部体积(相当于100%的填充度)浸入含有3%KOH的碱性溶液B中，相当于在注入反应器之前的初始pH为13.6。在注入之前，将碱性溶液在 80℃下加热2小时。然后排空反应器4，
-通过注入蒸汽，在200℃下将反应器4加热2小时(不存在生物质)，
-采用80℃的热水冲洗 3 次，完全浸没反应器4的内部体积(填充度：100%)，然后立即排空。
在清洁程序结束时回收的焦炭质量为15 kg，焦炭的生产速率为208g/h。因此，所述清洁程序实现了反应器4中形成的焦炭的94%的回收率，从而使其结垢率降低94%。
实施这种化学清洁所需的时间明显少于对比例1的机械清洁所需的时间。本发明的清洁方法的干扰性也小得多，因为它不需要打开反应器。

Claims (26)

1.处理木质纤维素生物质(P)的方法，所述方法包括以下步骤：
-制备含有催化剂的浸渍液，
-将生物质引入浸渍反应器(3)中，从而采用所述浸渍液进行浸渍，
-将经浸渍的生物质转移到预处理反应器(4)中，从而通过蒸煮在其中进行预处理，
-将经预处理的生物质酶促水解，
-任选地，将获得的酶促水解待发酵物进行醇发酵，
其特征在于所述方法在全部或部分所述步骤中连续地进行，并且在所述预处理反应器中的预处理步骤暂停，从而采用包括以下步骤的方法清洁所述预处理反应器：
a）排空所述反应器中的含有生物质的反应混合物，
b）采用碱性溶液(EB)填充所述反应器，
c）排空所述反应器，
d）将蒸汽(V)注入所述反应器中，
e）采用水溶液(E)填充所述反应器，
f）排空所述反应器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂是酸性催化剂。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据给定的频率和/或当所述反应器中的反应混合物的物理化学特性或流变特性超过阈值时，将所述方法暂停，从而清洁预处理反应器(4)。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在排空反应混合物的步骤a)和采用碱性溶液(EB)填充的步骤b)之间，所述方法包括至少一个采用水溶液(E)填充所述预处理反应器(4)的步骤a')、随后是排空所述反应器的步骤a'')。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤a)之后，所述方法进一步包括将固体研磨材料的颗粒单独地引入预处理反应器(4)中或通过将所述颗粒引入碱性溶液(EB)中或引入水溶液(E)中而引入预处理反应器(4)中。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在引入预处理反应器(4)之前加热所述碱性溶液(EB)和/或水溶液(E)。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在引入预处理反应器(4)之前，将所述碱性溶液(EB)和/或水溶液(E)加热至至少20℃的温度。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在引入预处理反应器(4)之前，将所述碱性溶液(EB)和/或水溶液(E)加热至至少60℃的温度。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在引入预处理反应器(4)之前，将所述碱性溶液(EB)和/或水溶液(E)加热至至多 90℃的温度。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用碱性溶液(EB)填充预处理反应器(4)的步骤b)至少在所述反应器的内部体积处于至少60℃的温度下的情况下进行。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，采用碱性溶液(EB)填充预处理反应器(4)的步骤b)至少在所述反应器的内部体积处于至少80℃的温度下的情况下进行。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，采用碱性溶液(EB)填充预处理反应器(4)的步骤b)至少在所述反应器的内部体积处于至少100℃的温度下的情况下进行。
13.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在排空步骤c)期间，将排出的碱性溶液回收用于再循环，任选地将其过滤以除去固体残渣(C)。
14.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在排空步骤c)期间，将排出的碱性溶液过滤以回收其包含的固体残渣(C)，并将这些残渣进行处理，以从其中提取碱性溶液用于再循环。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，这些残渣通过洗涤进行处理。
16.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当按照步骤b)填充所述反应器时，在将所述反应器排空之前，采用碱性溶液(EB)浸渍所述预处理反应器(4)持续30秒至4天的时间。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，当按照步骤b)填充所述反应器时，在将所述反应器排空之前，采用碱性溶液(EB)浸渍所述预处理反应器(4)持续30分钟至10小时的时间。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，当按照步骤b)填充所述反应器时，在将所述反应器排空之前，采用碱性溶液(EB)浸渍所述预处理反应器(4)持续1至3小时的时间。
19.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用碱性溶液(EB)和/或采用水溶液(E)填充所述预处理反应器(4)的填充度是20%-100%。
20.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤d)中注入在1×105-20×105Pa的压力下的所述蒸汽(V)。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，在步骤d)中注入在12×105-18×105Pa的压力下的所述蒸汽(V)。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，在步骤d)中注入在15×105Pa的压力下的所述蒸汽(V)。
23.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将步骤e)和步骤f)重复至少两次。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，将步骤e)和步骤f)重复2-10次。
25.实施如权利要求1-24中任一项所述的方法的装置，其特征在于，所述装置包括用于预处理木质纤维素生物质的预处理反应器(4)、用于制备碱性溶液(EB)的罐(6)，所述罐(6)与所述反应器流体连接，从而将碱性溶液(EB)从所述罐引入所述反应器中，以及在排空反应器时将从所述反应器中排出的全部或部分碱性溶液从所述反应器再循环到所述罐中，以及，任选地，在将从反应器中排出的溶液重新引入制备罐之前将所述溶液过滤的设备。
26.实施如权利要求1-24中任一项所述的方法的装置，其特征在于，所述装置依次包括用于浸渍生物质(P)的浸渍反应器(3)、用于预处理经浸渍的生物质的预处理反应器(4)、酶促水解反应器和醇发酵反应器，所述浸渍反应器(3)通过用于制备浸渍溶液的罐(1)进料有所述溶液，所述预处理反应器(4)通过用于制备碱性溶液(EB)的罐(6)进料有所述溶液，所有的反应器串联安装，或其中至少两个反应器串联安装。
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