CN115053033A - 用于生物质的预处理的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本公开内容总体上涉及用于木质纤维素类生物质的预处理的预处理设备(100)，其包含反应器容器(101)，该反应器容器具有用于接收生物质的上游入口(102)以及用于排放生物质的下游出口(103)。该预处理设备(100)进一步包含气体阀(104)和气体流量控制装置(106)。

Description

用于生物质的预处理的设备和方法

技术领域

本公开内容总体上涉及用于木质纤维素类生物质在反应器容器中的预处理的设备和方法，该反应器容器具有用于接收生物质的上游入口以及用于排放生物质的下游出口。

背景技术

来自林业的木质纤维素类残留物作为用于生产绿色化学品和燃料的原料是具有吸引力的，因为其是充裕、相对便宜的，且不用于食品。木质纤维素主要由木质素和两类多糖(纤维素和半纤维素)组成。多糖可水解成糖并借助于发酵微生物(例如酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae))转化为各种发酵产物(例如生物乙醇)。

纤维素的水解典型地在预处理工艺之前进行，其中半纤维素发生降解且使得纤维素更易于接近纤维素分解酶。在水解过程中，将所存在的纤维素部分地转化成还原糖。

在将生物质转化成发酵产物的过程中，预处理被认为是关键的部分，主要是因为其影响下游工艺并决定最终的糖产率。存在多种预处理工艺，其中的许多依赖于高温处理和高压。

预处理工艺典型地在预处理设备(例如预处理反应器)中进行。预处理反应器通常包含：用于接收待预处理的生物质的入口和用于排放经预处理的生物质的出口，以及，在其中进行预处理工艺的封闭容器。

预处理的总的目标是破坏结晶纤维素结构并从木质纤维素类生物质中除去或部分地除去木质素。预处理工艺复杂且涉及很多反应和副反应。这样的反应可导致形成各种副产物，对于下游工艺而言，所述副产物可为抑制性的。此外，木质纤维素生物质中所含的挥发性化合物和气体在材料降解或部分降解时放出。气体可积累在反应器的生物质浆料水平(液位)上方的部分中。

一些预处理方法(例如蒸汽爆破)涉及有意地升高反应器内的压力和温度。可加入蒸汽和气态催化剂(例如二氧化硫(SO₂)或二氧化碳(CO₂))来催化反应。蒸汽和气态催化剂的加入可导致在反应器内的过量的气体积累。

在苛刻条件下的预处理与诸如反应器内的温度和压力条件的不合乎期望的波动等问题有关。反应器内的工艺条件的稳定性因此受到损害。这样的不平衡或不稳定的反应条件的影响是预处理工艺变得不太有效，即，提供较低的产量(产率)。另一影响是可在反应器壁上形成沉积物。

存在如下需要：在防止预处理期间形成沉积物的方面进行改善，以及，克服与反应波动有关的问题。特别地，需要提供这样的预处理系统，其是稳定且受控的，而且，其允许预处理工艺以一致且可靠的方式进行。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的是提供关于用于木质纤维素类生物质的预处理的方法和设备的改善，特别是关于实现在运行期间在反应器内的更稳定的反应条件以及减少在反应器内的沉积物形成。

根据本发明的第一方面，提供了用于木质纤维素类生物质材料的预处理的预处理设备，包含：

反应器容器，该反应器容器具有用于接收生物质的上游入口和用于排放生物质的下游出口；气体阀，该气体阀布置成从反应器容器移除气体且具有能够调节的开口构造；测量装置，该测量装置布置成用于测量反应器容器中的预处理的若干工艺参数，该工艺参数至少包括温度参数和压力参数；和气体流量控制装置，该气体流量控制装置配置成响应于所测得的工艺参数来调节气体从气体阀的流出，由此，实现了从反应器容器出来的气体的受控流动。

本发明的构思基于以下理解：与不稳定的预处理条件有关的问题主要涉及反应器容器中的气体积累且与归因于气体积累的在反应器容器中的温度和压力的各自的升高有关。

本发明提供了通过可调节的气体阀并基于预处理温度和压力的测量的气体从反应容器的受控移除，导致受控的预处理。温度和压力已被确定为关键参数，它们一起足以实现稳定的预处理条件，这意味着有效的预处理和沉积物在反应器内壁上的减少的形成。

根据优选的实施方式，预处理设备包含气体流量控制装置，该气体流量控制装置配置成响应于温度和压力之间的关系(例如，表示为温度和压力之间的比率)来调节气体从气体阀的流出，以便实现从反应器容器出来的气体的受控流动。

在其它优选实施方式中，气体流量控制装置配置成确定温度参数和压力参数之间的比率并响应于所确定的比率来调节气体从气体阀的流出。气体流量控制装置可配置成如果所确定的比率偏离用于预处理的预定参比比率(例如，表示为区间)则调节气体从气体阀的流出。

在实施方式中，气体流量控制装置配置成如果所确定的比率偏离预定参比比率超过5％(例如超过10％)则调节气体从气体阀的流出。

通过响应于温度和压力之间的关系来调节气体从气体阀的流出，温度和压力、或者温度和压力之间的比率可保持在预定的偏差区间内(基本上恒定，如果该区间比较窄的话)以用于进行特定的预处理。

这样的预处理设备将抵消或补偿在降解或部分降解期间由来自生物质的气体释放引起的反应器内的温度和压力之间的不平衡，并且，如果通过应用蒸汽或额外的催化剂(特别是气态催化剂)进行预处理，则这尤其成问题，导致在反应器中的过量的积累气体。

在实施方式中，测量装置配置成用于以连续或半连续的方式监测工艺参数，而且，气体流量控制装置配置成响应于所监测的工艺参数来自动地调节气体阀的打开。

在实施方式中，使用测量装置测得的工艺参数进一步包含指示反应器容器中的气体的量或浓度的气体参数。

这允许从反应器容器的更为复杂且受控的气体移除，且因此也允许更为受控的预处理。

在实施方式中，测量装置包含配置成测量来自反应器容器的气体的流出的流量计，而且，气体流量控制装置配置成还响应于所测得的气体流出来调节气体阀的打开。

在实施方式中，反应器容器是沿着纵向中心线延伸且包含上部部分和下部部分的立式反应器容器，气体阀布置在反应器容器的上部部分中或者布置在反应器容器的外部但与反应器容器的上部部分直接气体连通，当预处理设备运行时，反应器容器的上部部分位于反应器容器中的生物质水平的上方。

在实施方式中，预处理涉及蒸汽爆破。预处理设备可适用于在反应器容器的下游或出口区域中(即在出口中或接近于出口)进行蒸汽爆破。

如所述的，在蒸汽爆破期间，加入蒸汽和额外的酸催化剂，这可导致在反应器容器中的过量的气体积累。因此，气体阀的引入是用于控制反应器内的工艺波动并提供稳定且有效的预处理的有效手段。

在实施方式中，具有蒸汽爆破的预处理设备包含配置以排放从反应器容器的出口接收的生物质的闸门容器，其中闸门容器布置成与反应器容器流体连通且布置于反应器容器的下游。闸门容器包含单独的容器或隔室，布置有闸门装置(阀)以便能够具有与反应器容器内的压力不同的压力。

闸门容器确保了经预处理的生物质从反应器容器的经改善的排放且对于涉及蒸汽爆破的预处理工艺是特别有利的。如果预处理涉及蒸汽爆破，则这样的工艺对所利用的装备提出了要求。在反应器内使用的高的温度和压力可导致在反应器内形成沉积物，且这样的沉积物可堆积在反应器壁上。闸门容器的提供允许生物质首先在反应容器中在用于预处理的最佳的条件(合适的时间、压力、温度等)下进行处理，并且随后，可在闸门容器内(即，在反应器容器的外部)，使压力升高。当从闸门容器排放时，压力下降并导致材料分成更小的颗粒。因此，与大的压力变化相关的“苛刻”的工艺条件是与反应器容器分开进行的，并且，能够避免糖和生物质在反应器容器内的燃烧或炭化。因此，生物质的排放以受控且经改善的方式实施。

在实施方式中，预处理设备进一步包含刮擦器械，该刮擦器械配置成刮除在在反应器容器的内壁上形成的沉积物。可在反应器容器中布置刮擦器械以防止沉积物在反应器内壁上的形成并刮擦掉潜在地形成的沉积物。

根据本发明的另一方面，提供了用于木质纤维素类生物质的受控预处理的方法，其中该方法包括以下步骤：

在包含反应器容器的预处理设备中预处理木质纤维素类生物质材料，该反应器容器具有用于接收生物质的上游入口和用于排放生物质的下游出口、以及布置成从反应器容器移除气体且具有能够调节的开口的气体阀；

测量反应器容器中的预处理的若干工艺参数，该工艺参数至少包括温度参数和压力参数；和

响应于所测得的工艺参数来调节气体从气体阀的流出。

在实施方式中，该方法包括确定压力参数和温度参数之间的比率并且响应于所确定的比率来调节气体从气体阀的流出。在这样的情况下，调节步骤可包括：将所确定的比率与用于预处理的预定参比比率进行比较；以及，如果所确定的比率偏离预定参比比率(例如偏离超过5％，例如偏离超过10％)，则调节气体从气体阀的流出。

在实施方式中，测量步骤包括以连续或半连续的方式监测工艺参数，而且，调节步骤包括响应于所监测的工艺参数来自动地调节气体阀的打开。

在实施方式中，该方法进一步包括设置气体从气体阀的流出的下限，以使得气体在预处理期间能够从气体阀连续流出。

在实施方式中，所测得的工艺参数进一步包括指示反应器容器中的气体的量或浓度的气体参数。

在实施方式中，该方法进一步包括测量来自反应器容器的气体的流出并且还响应于所测得的气体流出来调节气体阀的打开。

附图说明

本发明的各个方面(包括其具体的特征和优点)将从以下详细描述和附图容易地理解，在所述附图中：

图1说明了根据本发明的示例性实施方式的预处理设备；

图2是说明常规预处理设备中的气体形成与温度和压力之间的一般关系的示意性示例图；

图3是说明根据本发明的示例性实施方式的预处理设备中的气体流量与温度和压力之间的关系的示意性示例图；和

图4示意性地说明了本发明的示例性实施方式的用于受控预处理的方法的步骤。

图5示意性地说明了根据本公开内容的用于处理木质纤维素类生物质的系统。

具体实施方式

下面将参照附图更全面地描述本发明。然而，本发明可以很多不同的形式来实现并且不应被解释为限于在此所阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式是为了向本领域技术人员彻底和完整且充分地传达本发明的范围。

图1说明了用于木质纤维素类生物质的预处理的预处理设备100，其包含反应器容器101，该反应器容器101具有用于接收生物质的上游入口102以及用于排放生物质的下游出口103，其中预处理设备100包含：气体阀104，该气体阀104配置成从反应器容器101移除气体；测量装置105，该测量装置105用于测量至少预处理反应器中的温度和压力；以及，气体流量控制装置106，该气体流量控制装置106配置成响应于所测得的工艺参数来调节气体从气体阀104的流出。

木质纤维素类生物质107借助于入口102进入反应器容器101。在图1中，生物质107借助于柱塞式螺杆进料器108进料到反应器容器101中。柱塞式螺杆进料器108确保生物质的均匀流进入反应器容器101中。预处理设备100不限于特定类型的入口或进料装置，而是可使用本领域技术人员已知的用于供给生物质的任何入口或装置。

木质纤维素类生物质可为，但不限于，硬木、软木、甘蔗渣、能源甘蔗、玉米秸秆、玉米芯、玉米纤维、水稻秸秆(straw from rice)、小麦、黑麦、以及其它作物或林业残留物。

如由箭头109所说明的，在实施方式中，可将蒸汽和/或额外的催化剂加入到反应器容器101中以用于某些预处理条件。

在运行期间，反应器容器101的内容物可分被为气相(其布置在生物质浆料水平110的上方)和生物质浆料相(在生物质浆料相中发生用于使木质纤维素类生物质降解或部分降解的反应)。

在这样的反应期间，且特别是在将额外的蒸汽109或气体引入到反应器容器101中的时候，过量的气体集中在反应器容器101的气相中。

在木质纤维素类生物质的降解期间，化学键断裂且可导致挥发性化合物(VOC)和气体的释放。这样的气体典型地为惰性气体，即，不具有与其它物质的化学反应性或化学反应性极低的气体。惰性气体的实例包括例如氮气(N₂)和二氧化碳(CO₂)。如果使用二氧化硫(SO₂)来催化预处理反应，则SO₂也可变得集中在反应器容器101的气相中。

如前所述，不稳定的预处理是不太有效的(即，提供较低的产量(产率))，而且，导致诸如沉积物在反应器容器的内壁上的堆积的问题。本发明人已经认识到，与不稳定的预处理条件有关的问题是与反应器容器中的气体(主要是惰性气体)的积累且与归因于气体积累的在反应器容器中的温度和压力的各自的升高非常相关的。

本发明基于以下认识：气体(主要包括在预处理期间形成的惰性气体)的受控移除能够提供稳定的预处理。更具体地，提出了通过可调节的气体阀并基于反应器容器的温度和压力的测量的气体从反应器容器的受控移除。温度和压力已被确定为用于实现稳定预处理条件的关键参数。根据优选的实施方式，预处理设备包含气体流量控制装置，该气体流量控制装置配置成响应于温度和压力之间的关系(例如，表示为温度和压力之间的比率)来调节气体从气体阀的流出，以便实现从反应器容器出来的气体的受控流动。

图2是说明不具有气体移除的常规预处理设备中的气体形成与温度和压力之间的一般关系的示意性示例图。如由该曲线所明晰的，从反应器容器出来的气体流量为零。随着反应器容器中的气体量的增多，温度和压力之间的关系(在此以温度/压力之比为例)发生改变。出于说明目的，压力在图2的理论模拟中保持恒定(例如，对应于涉及恒定的所需(目标)压力值的工艺控制机构(mechanism))，而且，明晰的是，温度/压力之比不是恒定的。随着惰性气体在反应器中的积累，温度/压力之比降低。

图3是这样的示意性示例图，其说明了根据本发明的示例性实施方式的具有气体受控移除的预处理设备中的气体流量与温度和压力之间的关系。而且，在图3的理论模拟中，反应器中的压力在整个工艺中是相同的。配置气体流量控制装置，以便响应于温度和压力来调节气体流量。控制标准是将温度和压力之间的比率保持在预定的参比比率区间内。当由温度和压力测量确定的比率偏离太多时，改变气体从气体阀的流出以抵消该偏离。在图3中，温度和压力之间的比率首先降低，但是，随着归因于本发明的气体流量控制装置的气体流量的增大，该比率逐渐地返回到其所需的值或区间并达到气体流量与温度/压力比之间的稳态条件。这样的稳态可继续(prevail)，直至出现压力与温度之间的关系的其它变化，所述其它变化例如为归因于由改变的反应条件、工艺扰动、正在进入的木质纤维素类材料的变更等导致的反应器中的积累气体的变化。

回到图1，现在将更详细地描述预处理设备的一些特征和实施方式。

将反应器容器内的用于测量温度和压力的测量装置105配置成测量反应器容器101内的多个时间点处的温度(优选连续地测量)，并且，配置成测量反应器容器101内的多个时间点处的压力(优选连续地测量)。

测量装置105典型地包含常规的温度和压力传感器，该温度和压力传感器布置成分别测量反应器容器101内的温度和压力并将所记录的温度和压力信号传送至气体流量控制装置106。温度和压力传感器布置在反应器容器的位于生物质浆料水平110上方的上部部分114中。

气体流量控制装置106配置成响应于所测得的温度、压力、以及可能的其它工艺参数来调节气体从气体阀104的流出。气体流量控制装置106典型地包含常规的控制装置，该控制装置布置成与测量装置105、112通讯并且收集来自测量装置105、112的信号并向气体阀104(或者，可选择地，向中间阀门调节器械(未示出))发送控制信号，以便调节气体阀104的打开。

气体流量控制装置106优选地包含适合用于联机(online)或在线(inline)的预处理控制的自动化控制装置(例如计算机控制装置)。

气体阀104布置成与反应容器101气体连通，以确保气体的适当移除。更具体地，气体阀104布置成与反应容器的在运行期间包含反应器容器内容物的气相的部分气体连通。

气体阀104可附接至反应器容器101，或者，其可借助于管道、管路、或其它连接装置连接至反应器容器101。气体阀104还可布置在反应器容器101中或者延伸进反应器容器101中。在图1中，气体阀104布置在反应器容器101的外部且借助于例如管道与反应器容器相连。气体的流出由箭头111示出。

气体阀104具有能够调节的开口构造，即，气体阀104的打开程度和/或气体阀104的打开时间是能够调节的。气体阀104可在打开和关闭形态(configuration)之间以“1/0”、逐步、或无级的方式操作。

在一些实施方式中，气体阀104配置成能够在打开和关闭位置之间操作。由此实现了允许快速调节或“修正”反应器容器101内的反应条件的灵活、仍受控的系统。其还允许节能，因为当不需要从反应器容器101移除气体时，气体阀104可保持处于关闭位置。

在可选择的实施方式中，气体阀104配置成从反应器容器101连续地移除气体。对于某些预处理工艺(例如蒸汽爆破)而言，这可为有益的，在这些预处理工艺(例如蒸汽爆破)中，还存在额外的蒸汽以及潜在的气体催化剂的流入，这能够破坏反应器容器101内的平衡。于是，少量、连续的气体流出可补偿这些波动并在反应器容器内重新建立恒定且稳定的预处理条件。因此，对于气体流量控制装置106而言，设置气体的最小流出可为有益的，系统不得低于该最小流出。

技术人员理解，气体流速可例如取决于反应器尺寸、原材料、压力。

本公开内容不限于特定类型的阀，而且，如技术人员所明晰的，所用的阀的类型可例如取决于用于预处理的工艺条件和方法以及反应器是用于大规模预处理工艺还是小规模预处理工艺。具体地说，反应器容器的尺寸和形状可影响哪种类型的阀是合适的。

示例性的阀包括电磁阀、针阀、夹管阀、球阀、截止阀、刀阀、滑阀、蝶形阀、节流阀、膜片阀、隔膜阀、闸式阀、活塞阀、和旋塞阀。

在优选实施方式中，气体阀104为控制阀，即，具有可变且可控的打开程度的阀。控制阀配置成具有能够调节的、逐步或无级的用于气体流出的开口，而不仅仅是1/0或开/关(“1/0”)模式。在实施方式中，控制阀为截止阀、球阀、或针阀。

在采用相对小的反应器及低的流速的实施方式中，气体阀104可例如为针阀。针阀典型地包含小的端口以及带螺纹的针形柱塞，并且，在其中需要相对低的流速的情况下，允许气体流出的精确控制。

在实施方式中，预处理设备进一步包含任选的流量计112，该流量计配置成测量来自反应器容器101的气体的流出。气体流量控制装置106则配置成还响应于所测得的气体流出来调节气体阀104的打开，即，增大或减小来自反应器容器101的气体的流出。

举例而言，如果流量计112指示存在不适当的气体流量(太多或太低)，则可响应于这样的指示来打开或关闭气体阀104。这可有益于确保能量在反应过程中不发生损失或“浪费”。由此，实现了成本有效且精确受控的途径。

如果来自反应器容器101的气体的流出太高，则反应器内的压力可降低太快，这进而能够导致浆料的过度沸腾。因此，具有相对低的气体流出可为有利的。

用于气体流量控制装置106的可能的途径是控制气体的移除，使得实现或瞄准温度和压力之间的所需的比率、以及由流量计112检测到的气体的实际流量的所需区间。这可有益于确保稳定的反应条件、有效的预处理性能和能量有效的预处理。由此能够实现成本有效且充分受控的预处理工艺。

气体阀104和流量计112可布置在同一单元内或者可借助于管道或管路相连。在图1的实例中，气体阀104和流量计112是分开布置、但气体连通的。流量计112可布置在气体阀104的上游或下游。在图1的实例中，流量计112布置在气体阀104的下游且适用于测量气体从气体阀104的流出。

预处理设备100不限于使用特定的流量计112，而是可使用适合用于测量来自反应器容器101的气体的流出的任何类型的流量计。

流量计112可例如选自差压流量计、可变流量计、Coriolis流量计、超声流量计、光学流量计或热分散流量计。

在实施方式中，流量计112是转子流量计。转子流量计是一种测量气体的体积流速的可变流量计。转子流量计典型地包含带有“浮子”的逐渐变细的管路，即，浮子的重量使得，当气体流量增大时，浮子被向上推动。通过允许气体通过的横截面面积发生变化来测量流速。

图1中的反应器容器101是立式反应器容器。然而，本公开内容的预处理设备不限于使用立式反应器容器。出于本公开内容的目的，还能够想到卧式反应器容器以及倾斜式反应器容器。

如图1中所说明的，反应器容器101是沿着纵向中心线113延伸且包含上部部分114和下部部分115的立式反应器容器；气体阀104或管道布置在反应器容器101的上部部分114中。

进料至立式反应器容器101的生物质107借助于重力从入口102流向出口103，且不需要额外的装置来提高反应器容器101内的生物质流量。在预处理反应期间在反应器容器101中形成的气体聚集在反应器容器101的上部部分114中，即，在生物质浆料水平的上方。因此，将用于移除气体的气体阀104或管道布置在反应器容器101的上部部分114中，以确保从反应器容器101有效移除气体(而非浆料)。

如所述的，反应器容器101的上部部分114对应于在运行期间布置在反应器容器101内的生物质浆料水平110上方的反应器容器101的部分。反应器容器101的下部部分115对应于在运行期间布置在反应器容器101内的生物质浆料水平110下方的反应器容器101的部分。上部部分114和下部部分115之间的界面可对应于在运行期间的最大生物质浆料水平。

在实施方式中，该上部部分114具有对应于反应器容器101的最大纵向延伸的10-50％的纵向延伸，而且，该下部部分115具有对应于反应器容器101的最大纵向延伸的50-90％的纵向延伸。

如图1中所说明的，下部部分115有利地朝着反应器容器101的出口103逐渐变细。更具体地，下部部分115是至少部分地朝着出口逐渐变细的。优选地，下部部分115的至少底部部分116(即，出口103附近的部分116)是逐渐变细的。这是为了促进和改善生物质117从出口103的排放。

典型地，反应器容器101具有圆形或椭圆形的横截面。反应器容器101可例如是圆柱形的。在优选实施方式中，反应器容器101相对于纵向中心线113具有旋转对称性。

本公开内容的预处理设备可用于各种类型的预处理方法，包括兼备水热方法、化学方法、物理方法和生物学方法。

在实施方式中，预处理涉及蒸汽爆破。换句话说，预处理设备100包含蒸汽爆破设备。

在蒸汽爆破期间，反应器容器中可聚集过量的气体，且由这些气体导致的问题是特别严重的。因此，根据本发明的受控气体移除适合用于蒸汽爆破设备。

在实施方式中，预处理设备100包含闸门容器118，该闸门容器118布置于反应器容器101的下游且布置成与反应器容器101流体连通，其中闸门容器118配置成排放从反应器容器101的出口103接收的生物质。对于控制经预处理的木质纤维素类材料117的排放以及对于改善反应器容器101内的工艺条件控制而言，闸门容器118是有利的。

闸门容器118可包含：第一排放阀119；布置于第一排放阀119的下游的第二排放阀120；以及，布置于第一排放阀119和第二排放阀120之间的隔室121。闸门容器118可进一步包含装置122，该装置122用于提高闸门容器118的隔室121中的压力。用于提高压力的装置122可为适用于向隔室121供给气体(例如蒸汽)的管路，且可例如包含阀123以控制气体的供给。第一排放阀119和第二排放阀120配置成能够在打开和关闭位置之间操作。当隔室121中的压力升高时，两个排放阀(119和120)均处于关闭位置。

在反应器容器101的下游提供闸门容器118允许保持反应器容器101内的压力，同时，可显著地升高和降低闸门容器118中的压力。由生物质从闸门容器118的第二排放阀120的排放导致的压力降低改善了经预处理的生物质117向更小的颗粒的分裂。因此，闸门容器118可适用于蒸汽爆破。在反应器容器101的外部和下游实施蒸汽爆破是有益的，因为在反应器容器101内防止了由苛刻的预处理条件(高压和高温)导致的潜在的沉积物。通过提高闸门容器118内的压力，在从第二排放阀120排放生物质时获得了更高的压力降。结果，与如果实施从反应器容器101的直接排放相比，经处理的生物质将被分成更小的碎片。

如图1中所说明的，预处理设备可包含刮擦器械124。刮擦器械124确保生物质在反应器容器101中的连续流动，同时，刮擦掉在反应器容器101的内壁125上形成的沉积物。刮擦器械124防止沉积物在反应器容器101内的堆积，而且，反应器容器101的全部内部容积均可因此用于木质纤维素类生物质的预处理。

刮擦器械124包含轴126以及从轴126延伸的至少两个刮擦刮板127。刮擦刮板127优选地配置成遵循反应器容器101的下部部分115的至少一部分的内壁125的轮廓而不接触该内壁125。轴126可布置在反应器容器101的外部或者可配置成延伸到反应器容器101的上部部分114中。优选地，轴126不延伸进入反应器容器101的下部部分115中。换句话说，轴126不延伸到其中存在生物质浆料的容器部分中。原因在于：延伸到生物质浆料中的轴126可形成额外的表面，沉积物可在该表面上形成和发展。

将刮擦刮板127布置成围绕纵向中心线113旋转并优选地布置成提供对反应器内壁125的有效刮擦，且不存在这些内壁变得被刮板损坏的风险。因此，应当在刮擦刮板127和内壁125之间提供小的间隙。

在实施方式中，将刮擦刮板127布置在离反应器容器101的内壁125的距离d1处，其中距离d1对应于反应器容器101的直径的0.5-20％、优选地2-15％。

根据本公开内容的另一方面，提出了用于控制预处理设备中的气体流出的方法。图4示意性地说明了根据本发明的示例性实施方式的用于受控预处理的方法的步骤。在步骤S1中，在预处理设备中对木质纤维素类生物质材料进行预处理，该预处理设备包含反应器容器以及布置成从反应器容器移除气体的能够调节的气体阀。在步骤S2中，测量反应器容器中的预处理的若干工艺参数。所测得的工艺参数至少包括温度参数和压力参数，基于此，在步骤S3中确定比率。在步骤S4中，响应于所确定的比率来调节气体从气体阀的流出。

优选地，测量反应器容器内的多个时间点处的温度(优选连续地测量)。优选地，测量反应器容器内的多个时间点处的压力(优选连续地测量)。

该方法优选地是自动化的且适用于连续操作。在实施方式中，测量步骤S2包括以连续或半连续的方式监测工艺参数，而且，调节步骤包括响应于所监测的工艺参数来自动地调节气体阀的打开。

步骤S4中的调节可包括：将所确定的比率与用于预处理的预定参比比率进行比较；以及，如果所确定的比率偏离预定参比比率(例如偏离超过5％、例如偏离超过10％)，则调节气体从气体阀的流出。

在实施方式中，参比比率Q_参比代表用于反应器容器中的预处理的压力和温度之间的所需比率，即，Q_参比＝temp/P之比或Q_参比＝P/temp(其中temp是所测得的温度或者包括或直接依赖于所测得的温度的参数，并且，P是所测得的压力或者包括或直接依赖于所测得的压力的参数)。Q_参比可为预定的设定值或区间，或者，可选择地，预定为例如在预处理工艺的初始阶段处的压力和温度之间的比率。

在实践中，调节步骤典型地涉及增大气体(典型地惰性气体)的移除，即，当压力过高时(或者，换句话说，当由气体积累导致的压力的升高已经超过温度的升高(相对于温度呈非线性关系)时)，增大气体阀的打开。

在实施方式中，步骤S2中测得的工艺参数进一步包括指示反应器容器中的气体(典型地惰性气体)的量或浓度的气体参数。

因此，能够实现从反应器容器的更为复杂且受控的气体移除，且因此也能够实现更为受控的预处理。

在实施方式中，该方法包括测量来自反应器容器的气体(典型地惰性气体)的流出并且还响应于所测得的气体流出来调节气体阀的打开。

在实施方式中，该方法包括设置气体从气体阀的流出的下限，以使得气体在预处理期间能够从气体阀连续流出。

本发明的预处理控制特别良好地适用于蒸汽爆破工艺，蒸汽爆破工艺典型地与苛刻的反应条件和大量的积累气体有关。因此，该方法可有利地包括蒸汽爆破步骤。

在根据本发明的具有气体流量控制的预处理期间，反应器容器中的温度可例如在185-225℃(例如200-215℃)的区间内。

在根据本发明的具有气体流量控制的预处理期间，反应器容器中的压力可例如在10-25巴(例如15-20巴)的区间内。

参考图5，本公开内容进一步提供了用于处理木质纤维素类生物质的系统500，其包含：根据本公开内容的第一方面的用于预处理木质纤维素类生物质的预处理设备501；水解单元502，该水解单元502布置于预处理设备501的下游且布置成与预处理设备501流体连通；以及，任选地，发酵单元503(例如发酵容器)，其布置于水解单元502的下游且布置成与水解单元502流体连通。系统500可包含本领域技术人员已知的额外的单元和组件。举例而言，可将分离单元布置在预处理设备501和水解单元502之间，和/或，在水解单元502和发酵单元503之间。

在水解单元中，借助于糖化酶，使经预处理的生物质经历酶法水解。水解产物向目标化学品的发酵典型地借助于发酵生物体(例如细菌和/或酵母)来进行。系统500还可包含布置在发酵单元503的下游且与发酵单元503流体连通的产物收取单元(例如蒸馏或离子交换色谱)。

本公开内容的第一方面的术语、定义和实施方式比照地适用于本公开内容的其它方面，且反之亦然。

尽管已经参考本公开内容的具体示例性实施方式对其进行了描述，但是，对于本领域技术人员来说，许多不同的改变、修改等将变得明晰。

经由对附图、本公开内容和所附权利要求书的研究，在实践本公开内容时，本领域技术人员能够理解和实现对所公开的实施方式的变型。此外，在权利要求书中，措辞“包括(包含)”不排除其它的要素或步骤，而且，不定冠词“一”或“一个(种)”不排除多个(种)。

Claims (18)

1.用于木质纤维素类生物质材料的预处理的预处理设备(100)，包含：

反应器容器(101)，该反应器容器(101)具有用于接收生物质的上游入口(102)和用于排放生物质的下游出口(103)，

气体阀(104)，该气体阀(104)布置成从反应器容器移除气体且具有能够调节的开口构造，

测量装置(105、112)，该测量装置(105、112)布置成用于测量反应器容器中的预处理的若干工艺参数，该工艺参数至少包括温度参数和压力参数，和

气体流量控制装置(106)，该气体流量控制装置(106)配置成响应于所测得的工艺参数来调节气体从气体阀的流出，由此，实现了从反应器容器出来的气体的受控流动。

2.根据权利要求1的预处理设备(100)，其中气体流量控制装置(106)配置成确定温度参数和压力参数之间的比率并响应于所确定的比率来调节气体从气体阀(104)的流出。

3.根据权利要求2的预处理设备(100)，其中气体流量控制装置(106)配置成如果所确定的比率偏离用于预处理的预定参比比率则调节气体从气体阀(104)的流出。

4.根据前述权利要求中任一项的预处理设备(100)，其中测量装置(105)配置成用于以连续或半连续的方式监测工艺参数，而且，气体流量控制装置(106)配置成响应于所监测的工艺参数来自动地调节气体阀的打开。

5.根据前述权利要求中任一项的预处理设备(100)，其中工艺参数进一步包含指示反应器容器(101)中的气体的量或浓度的气体参数。

6.根据前述权利要求中任一项的预处理设备(100)，其中测量装置(105、112)进一步包含配置成测量来自反应器容器(101)的气体的流出的流量计(112)，而且，气体流量控制装置(106)配置成还响应于所测得的气体流出来调节气体阀(104)的打开。

7.根据前述权利要求中任一项的预处理设备(100)，其中反应器容器(101)是沿着纵向中心线(113)延伸且包含上部部分(114)和下部部分(115)的立式反应器容器，气体阀(104)布置在反应器容器(101)的上部部分(114)中或者布置在反应器容器(101)的外部但与反应器容器(101)的上部部分(114)直接气体连通，当预处理设备(100)运行时，反应器容器(101)的上部部分(114)位于反应器容器(101)中的生物质水平的上方。

8.根据前述权利要求中任一项的预处理设备(100)，其中预处理设备(100)适用于在反应器容器(101)的下游或出口区域中进行蒸汽爆破。

9.根据前述权利要求中任一项的预处理设备(100)，进一步包含配置以排放从反应器容器(101)的出口(103)接收的生物质的闸门容器(118)，其中闸门容器(118)布置成与反应器容器(101)流体连通且布置于反应器容器(101)的下游。

10.根据前述权利要求中任一项的预处理设备(100)，其中反应器容器(101)进一步包含刮擦器械(124)，该刮擦器械(124)配置成刮除在反应器容器(101)的内壁(125)上形成的沉积物。

11.用于木质纤维素类生物质的受控预处理的方法，包括以下步骤：

在包含反应器容器的预处理设备中预处理(S1)木质纤维素类生物质材料，该反应器容器具有用于接收生物质的上游入口和用于排放生物质的下游出口、以及布置成从反应器容器移除气体且具有能够调节的开口的气体阀；

测量(S2)反应器容器中的预处理的若干工艺参数，该工艺参数至少包括温度参数和压力参数；和

响应于所测得的工艺参数来调节(S4)气体从气体阀的流出量。

12.根据权利要求11的方法，包括

确定(S3)压力参数和温度参数之间的比率并且响应于所确定的比率来调节气体从气体阀的流出。

13.根据权利要求12的方法，其中调节(S4)步骤包括

将所确定的比率与用于预处理的预定参比比率进行比较；和

如果所确定的比率偏离预定参比比率超过5％、例如超过10％，则调节气体从气体阀的流出。

14.根据权利要求11-13中任一项的方法，其中测量(S2)步骤包括以连续或半连续的方式监测工艺参数，而且，调节(S4)步骤包括响应于所监测的工艺参数来自动地调节气体阀的打开。

15.根据权利要求11-14中任一项的方法，进一步包括

设置气体从气体阀的流出的下限，以使得气体在预处理期间能够从气体阀连续流出。

16.根据权利要求11-15中任一项的方法，其中所测得的工艺参数进一步包括指示反应器容器中的气体的量或浓度的气体参数。

17.根据权利要求11-16中任一项的方法，进一步包括测量来自反应器容器的气体的流出并且还响应于所测得的气体流出来调节气体阀的打开。

18.根据权利要求11-17中任一项的方法，进一步包括蒸汽爆破步骤。

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