RU2804489C2 - Вальцовая мельница для преобразования целлюлозных продуктов в сахар - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к пищевой промышленности. Предложено устройство для преобразования целлюлозосодержащего сырьевого материала в сахар, содержащее реакционную камеру, содержащую элементы управления; блок управления, функционально соединенный с реакционной камерой и с каждым из элементов управления, выполненных с возможностью приема и передачи операционных сигналов; дробильный блок, выполненный с возможностью приема смеси целлюлозосодержащего сырьевого материала с твердокислотным катализатором, предназначенный для измельчения указанной смеси под давлением; выходную воронку с детектором, выполненным с возможностью определения состава размолотой смеси, поступающей из дробильного блока. Блок управления выполнен с возможностью определения необходимости проведения повторной обработки размолотой смеси, и в случае подтверждения такой необходимости, настройки элементов управления для оптимизации производства сахара. Дробильный блок содержит валки и расположен непосредственно в реакционной камере. Изобретение направлено на увеличение производительности при минимальном времени производства. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение, в целом, относится к гидролизу целлюлозных продуктов. Более конкретно, настоящее изобретение касается некоторых новых и полезных разработок в области устройств, которые могут быть использованы для индуцирования гидролиза с целью расщепления глиозидной связи целлюлозы для получения мономерного сахара с максимально возможной производительностью по времени при одновременном уменьшении образования альтернативного продукта или потерь мономерного сахара; в описании настоящего изобретения используются ссылки на прилагаемые чертежи, составляющие часть настоящего изобретения.

Уровень техники

Целлюлоза представляет собой органическое соединение с общей формулой (C₆H₁₀O₅), полисахарид, состоящий из линейной цепи от нескольких сотен до многих тысяч β(1→4) связанных D-глюкозных звеньев, соединенных кислородной (эфирной) связью и образующих длинные, практически линейные молекулярные цепочки. Эти связи обуславливают высокую кристалличность целлюлозы и, следовательно, низкое действие на неё ферментов и кислотных катализаторов. Это явление известно как резистентность.

Целлюлоза является важным структурным компонентом первичной клеточной стенки зеленых растений, многих форм водорослей и оомицетов. Это происходит в непосредственной близости от гемицеллюлозы и лигнина, которые вместе составляют основные компоненты растительных волокон клеток. Кроме того, некоторые виды бактерий выделяют её с образованием биопленок. Естественно образуемая растениями целлюлоза является самым распространенным органическим полимером на Земле.

Гидролиз – это то, что делают ферменты. Ферменты являются катализатором особого типа, таким как жидкие или твердые кислоты. Целлюлоза, включая наноцеллюлозу, микрокристаллическую целлюлозу, глюкозу, может использоваться во многих продуктах; из глюкозы можно производить много продуктов, включая этиловый спирт, из которого в химической промышленности могут изготавливаться многие другие продукты.

Гидролиз, т.е. расщепление с помощью воды, является реакцией, включающей разрыв связи в молекуле с использованием воды. В результате гидролиза целлюлозы мы получаем смесь простых редуцирующих сахаров, главным образом, глюкозу. Эти продукты гидролиза могут быть преобразованы в этиловый спирт, который может быть использован в качестве жидкого топлива для замены нефти, обеспечивая более полное и чистое сгорание, а также может служить топливом или промежуточным решением на пути к другим видам топлива. Кроме того, продукты гидролиза могут использоваться также для производства различных органических химических веществ, в настоящее время изготовляемых из нефти. В плане доступной энергии, выраженной как теплота сгорания целлюлозы или глюкозного продукта, который теоретически может быть получен из неё, один фунт (0,45 кг) целлюлозы равен приблизительно 0,35 фунта (0,16 кг) бензина или других видов топлива.

Согласно оценкам, на Земле ежегодно вырабатывается и появляется 6,45 x 10¹¹ тонн углерода за счет фотосинтеза, причем приблизительно половина этого количества появляется в форме целлюлозы. Кроме того, было подсчитано, что около 3/4 приблизительного количества биомассы, получаемой на обрабатываемых землях и полях, в настоящее время идут в отход. Использование таких отходов для разработки альтернативных источников топлива, химических веществ и других полезных продуктов уже давно является желательным. Однако попытки гидролиза целлюлозы пока не увенчались успехом и не привели к созданию экономически выгодного способа производства сахаров, главным образом, из-за кристаллической структуры целлюлозы и присутствия в ней лигнина. Очевидная величина этого потенциального источника диктует необходимость совершенствования методов и систем использования целлюлозы.

Кроме того, в известных технологиях и методах химическая или термальная нагрузка на макромолекулы, особенно при обработке высоковязких, полизамещенных продуктов, настолько интенсивна, что во время преобразования макромолекулы могут разлагаться с разрывом цепи, что особенно заметно по более или менее большому снижению вязкости по сравнению с исходными продуктами. Кроме того, поверхности продуктов, обработанных с помощью предварительных операций охрупчивания или сушки, становятся шероховатыми. Кроме того, общей особенностью известных технологий является большое количество энергии, затрачиваемой на преобразование производных целлюлозы после предварительных операций сушки, охрупчивания или компактизации.

Таким образом, существует необходимость разработки усовершенствованного устройства, системы и способа преобразования целлюлозных продуктов в сахар, которые были бы экономически эффективными и обеспечивали бы максимально возможное получение сахара по времени, как это будет более подробно описано ниже.

Раскрытие изобретения

Приведенное ниже краткое описание настоящего изобретения приводится для того, чтобы обеспечить базовое понимание некоторых аспектов и отличительных признаков изобретения. Настоящее краткое описание не является подробным описанием и не предназначено для конкретного раскрытия ключевых или критических элементов изобретения или для определения его объема. Единственная цель настоящего краткого описания заключается в раскрытии некоторых концепций изобретения в упрощенной форме в качестве вступления к более подробному описанию, приведенному ниже.

Для осуществления вышеуказанных и других аспектов и в соответствии с целью настоящего изобретения предлагается устройство для преобразования целлюлозы в целлюлозосодержащих материалах в сахар, а также система и способ его использования.

Объектами настоящего изобретения являются система, устройство и способ, в которых используется твердофазная химическая реакция для преобразования целлюлозы в сахар и применяется по меньшей мере один комплект валков для получения оптимизированного выхода сахара при его производстве из целлюлозосодержащего сырьевого материала. В указанных системе, устройстве и способе применяется оптимизация внутренних условий с помощью датчиков атмосферного равновесия, с использованием целлюлозосодержащего сырьевого материала и твердокислотного катализатора с целью получения максимального выхода сахара при его производстве с минимальными затратами энергии.

В настоящем изобретении используется, в целом, смешивание (более конкретно, микросмешивание) для максимизации количества реакционных точек в целлюлозе, обеспечивая при этом увеличение времени реакции сырьевого материала. Микросмешивание расширяет область реакции и взаимодействие с катализатором, а также оптимизирует энергетические характеристики. Валки устанавливаются с возможностью полного регулирования механических, температурных, атмосферных и химических параметров реакции. Это должно обеспечивать идеальные условия для достижения оптимальной скорости реакции и эффективности процесса.

Соответственно, цель настоящего изобретения заключается в разработке эффективного и экономичного способа использования целлюлозных материалов для производства сахара.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в создании нового и усовершенствованного устройства для производства мономерного сахара с максимальной производительностью и в течение минимального времени.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в создании нового и усовершенствованного устройства, уменьшающего образование альтернативного продукта и снижающего потери мономерного сахара.

Более конкретно, цель настоящего изобретения заключается в создании нового и усовершенствованного устройства простой и недорогой конструкции, занимающего меньшую площадь, чем существующие аналогичные устройства, которое может быть использовано в процессе преобразования целлюлозы в целлюлозосодержащем сырьевом материале в сахар.

В приводимых в качестве примеров вариантах реализации представлены устройство для преобразования целлюлозы в целлюлозосодержащем сырьевом материале в сахар, а также система и способ его использования. Предлагаемое устройство выполнено в форме мельницы, специально предназначенной для использования в процессе преобразования целлюлозы в сахар.

Согласно настоящему изобретению, предлагается устройство/мельница для преобразования целлюлозосодержащего сырьевого материала в сахар, содержащее: реакционную камеру, содержащую множество элементов управления; блок управления, функционально соединенный с реакционной камерой и с каждым из элементов управления, выполненных с возможностью приема и передачи операционных сигналов; множество элементов управления которого включает дробильный блок, выполненный с возможностью приема смеси целлюлозосодержащего сырьевого материала с твердокислотным катализатором, предназначенный для измельчения указанной смеси под давлением с целью индуцирования твердофазного взаимодействия между целлюлозосодержащим сырьевым материалом и твердокислотным катализатором, включающего химическую реакцию с образованием сахара; и выходную воронку с детектором, выполненным с возможностью определения состава размолотой смеси, поступающей из дробильного блока, причем блок управления выполнен с возможностью определения необходимости проведения повторной обработки размолотой смеси, и в случае подтверждения такой необходимости, настройки элементов управления для оптимизации производства сахара.

В одном из возможных вариантов реализации множество элементов управления включает в себя входную воронку, дробильный блок, выходную воронку, блок датчиков, клапан впуска пара и клапан впуска углекислого газа. В одном из возможных вариантов реализации входная воронка дополнительно содержит детектор. В одном из возможных вариантов реализации входная воронка выполнена с возможностью получения и анализа данных о составе смеси сырьевого материала с катализатором. В состав смеси может входить белок, целлюлоза, крахмал, мономерный сахар, лигнин, неорганические остатки, вода или минеральные масла, или любые другие формы целлюлозосодержащих веществ. В качестве твердокислотного катализатора могут использоваться твердые кислоты любых типов, которые известны в настоящее время или появятся в будущем. В одном из возможных вариантов реализации в качестве детектора используется БИК-детектор, однако, может использоваться любой другой детектор, способный пассивно или активно определять свойства и состав вещества.

В одном из возможных вариантов реализации смесь сырьевого материала с катализатором поступает в дробильный блок из входной воронки. Дробильный блок выполнен с возможностью перемалывания, т.к. прикладывания крайне высокого давления к смеси для индуцирования химической реакции для производства сахара. В одном из возможных вариантов реализации дробильный блок содержит по меньшей мере одну пару валков с изменяющимися свойствами поверхности. В другом варианте реализации дробильный блок содержит по меньшей мере одну пару входящих в зацепление друг с другом валковых устройств с зубьями (например, зубчатых колес). В некоторых вариантах реализации дробильный блок содержит несколько пар входящих в зацепление друг с другом зубчатых колес или валков с практически гладкой поверхностью.

Выходная воронка содержит детектор. В одном из возможных вариантов реализации выходная воронка выполнена с возможностью определения степени реакции и подачи в систему управления сигнала для дополнительной настройки параметров размолотой смеси, получаемой от дробильного агрегата. Таким образом, блок управления выполнен с возможностью определения, требуется ли проведение повторной обработки размолотой смеси.

Блок датчиков выполнен с возможностью передачи в блок управления одного или нескольких параметров реакционной камеры, включая (но не только) данные по водородному показателю, температуре, содержанию кислорода, влажности и давлению. Блок датчиков содержит (но не только) датчик pH, датчик температуры, датчик содержания кислорода, датчик влажности и датчик давления.

Клапан впуска пара, выполнен с возможностью регулирования расхода пара, подаваемого в реакционную камеру, а клапан впуска углекислого газа выполнен с возможностью регулирования расхода углекислого газа, подаваемого в реакционную камеру. Углекислый газ может быть заменен любым другим веществом для предотвращения окисления, таким как азот или аргон, или может производиться добавление любого газа, усиливающего реакцию, обладающего определенными свойствами и определенным составом.

Устройство дополнительно содержит смесительное устройство и линию подачи. Смесительное устройство соединено с блоком управления и предназначено для смешивания сырьевого материала с катализатором. Линию подачи соединяет смесительное устройство с входной воронкой и служит для подачи смеси сырьевого материала с катализатором в реакционную камеру.

Устройство дополнительно содержит блоки атмосферного регулирования или эквалайзеры, такие как вакуумный насос и нагреватель, а также нагнетательный клапан или нагнетательный насос для полузакрытой системы. Насос выполнен с возможностью создания отрицательного или положительного давления в реакционной камере. Нагреватель выполнен с возможностью нагрева реакционной камеры. Устройство содержит также теплоотводящее или охлаждающее устройство, выполненное с возможностью охлаждения реакционной камеры. Устройство дополнительно содержит линию возврата, соединяющую выходную воронку с входной воронкой, для подачи размолотой смеси в реакционную камеру для повторной обработки. Устройство дополнительно содержит устройство сбора, выполненное с возможностью приема размолотой смеси из выходной воронки.

В одном из возможных вариантов реализации способ преобразования целлюлозосодержащего сырьевого материала в сахар включает в себя смешивание сырьевого материала с катализатором с помощью смесительного устройства, и подачу смеси сырьевого материала с катализатором во входную воронку реакционной камеры. В ходе еще одной операции данные о составе смеси сырьевого материала с катализатором получают и анализируют с помощью по меньшей мере одного детектора. В ходе еще одной операции смесь сырьевого материала с катализатором подается из входной воронки в дробильный блок для размалывания смеси с целью индуцирования химической реакции для производства сахара. В ходе еще одной операции дробильный блок определяет и доставляет информацию о составе смеси, размолотой дробильным блоком. В ходе следующей операции система управления совместно с реакционной камерой определяет, является ли необходимой дополнительная обработка. Если во время предыдущей операции было выяснено, что повторная обработка необходима, в ходе следующей операции размолотая смесь подается для повторной обработки в реакционную камеру по линии подачи. В ходе следующей операции во время повторной обработки получают сахар, который затем поступает из выходной воронки в устройство сбора.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки, преимущества и аспекты настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления с приведенным ниже его подробным описанием со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 – перспективное изображение (вид спереди) предлагаемого устройства, а именно, мельницы, которая может быть использована в способе преобразования целлюлозосодержащего сырьевого материала в сахар, согласно одному из возможных вариантов реализации настоящего изобретения;

на фиг. 2 – перспективное изображение (вид спереди) дробильного блока, входящего в состав мельницы, в соответствии с одним из возможных вариантов реализации настоящего изобретения;

на фиг. 3 – перспективное изображение (вид спереди) мельницы, содержащей три пары зубчатых колес, в соответствии с одним из возможных вариантов реализации настоящего изобретения;

на фиг. 4 – перспективное изображение (вид спереди) мельницы, содержащей три пары валков, в соответствии с одним из возможных вариантов реализации настоящего изобретения;

на фиг. 5 – блок-схема, демонстрирующая систему и способ индуцирования гидролиза с целью расщепления глиозидной связи целлюлозы для получения мономерного сахара с помощью предлагаемой мельницы, в соответствии с одним из возможных вариантов реализации настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение станет более понятным после ознакомления с приведенным ниже его подробным описанием со ссылками на прилагаемые чертежи.

Возможные варианты реализации настоящего изобретения иллюстрируются с помощью прилагаемых чертежей. Однако специалистам в данной области будет ясно, что нижеприведенное подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи приводится исключительно в иллюстративных целях и никоим образом не ограничивает возможные варианты реализации настоящего изобретения. Например, следует иметь в виду, что специалисты в данной области, ознакомленные с настоящим изобретением, легко увидят множество других альтернативных способов и вариантов его реализации, в зависимости от конкретных предъявляемых требований, для реализации функций любого описанного здесь аспекта или отличительного признака, помимо описанного конкретного описанного варианта реализации. Иными словами, существует множество возможных модификаций и вариантов реализации настоящего изобретения, которые слишком многочисленны, чтобы их здесь перечислять, но которые все охватываются объемом настоящего изобретения. Кроме того, существительные в единственном и множественном числе, а также мужского и женского рода (и наоборот) следует считать взаимозаменяемыми, где это уместно, и альтернативные варианты реализации не обязательно подразумевают, что они являются взаимоисключающими.

Следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается какими-либо определенными способом, соединениями, материалами, производственной технологией, использованием и применением, описанными в настоящем документе, поскольку они могут различаться. Следует также понимать, что используемая в настоящем документе терминология используется только с целью описания конкретных вариантов реализации и не ограничивает объем настоящего изобретения. Следует также иметь в виду, что используемые в описании и прилагаемой формуле изобретения существительные единственного числа с неопределенным артиклем "a", "an" и "the" подразумевают также данные существительные во множественном числе, если только контекст явно не предписывает иное. Таким образом, например, термин "элемент" подразумевает возможность использования одного или нескольких таких элементов, если контекст явно не диктует иное. Аналогичным образом, в качестве другого примера, термин "операция" или "средство" служит для обозначения одной или нескольких операций или одного или нескольких средств, и может подразумевать наличие вспомогательных операций или дополнительных средств. Все используемые союзы следует понимать в максимально широком смысле. Так, например, союз "или" следует понимать как логический элемент "ИЛИ", а не как логический элемент "исключающее ИЛИ", если только контекст явно не диктует иное. Описываемые здесь конструкции следует понимать также как функциональные эквиваленты таких конструкций. Термины, которые могут быть истолкованы как выражение аппроксимации, должны интерпретироваться именно таким образом, если только контекст явно не диктует иное.

Используемый в настоящем документе термин "материал" относится к материалу, вводимому в мельницу с целью обработки как часть способа преобразования целлюлозосодержащего сырьевого материала в сахар, так же, как и материал, выходящий из мельницы по завершении обработки.

Термин "взаимодействие" подразумевает, что в результате взаимодействия между сырьевым материалом и твердой кислотой происходит химическая реакция, в результате которой образуется сахар.

Если не указано иное, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют значения, обычно подразумеваемые специалистами в области техники, к которой относится настоящее изобретение. В настоящем документе описываются предпочтительные способы, технологии, устройства и материалы, хотя при тестировании или применении настоящего изобретения могут использоваться также любые способы, технологии, устройства и материалы, аналогичные или эквивалентные описанным. Описываемые здесь конструкции следует понимать также как функциональные эквиваленты таких конструкций. Ниже приведено подробное описание настоящего изобретения со ссылками на возможные варианты его реализации, иллюстрируемые с помощью прилагаемых чертежей.

На фиг. 1 приведено перспективное изображение (вид спереди) предлагаемого устройства, а именно, мельницы 100, которая может быть использована в способе преобразования целлюлозосодержащего сырьевого материала в сахар, согласно одному из возможных вариантов реализации настоящего изобретения. Данный вариант реализации мельницы 100 демонстрирует функциональные компоненты мельницы согласно одному из возможных вариантов реализации настоящего изобретения. Различные компоненты мельницы/устройства 100, а также функции, которые они выполняют в способе преобразования целлюлозосодержащего сырьевого материала в сахар, описаны ниже со ссылками на фиг. 1-3. Мельница/устройство 100 содержит реакционную камеру 102 с множеством элементов управления. В одном из возможных вариантов реализации множество элементов управления включает в себя входную воронку 120, дробильный блок 128, выходную воронку 122, блок датчиков, клапан впуска пара 118 и клапан впуска углекислого газа 124.

Как показано на фиг. 1, блок/система управления 132 соединена с узлом привода 130, и оба данных компонента соединены с реакционной камерой 102. В одном из возможных вариантов реализации узел привода 130 содержит электродвигатель. В одном из возможных вариантов реализации электродвигатель 130 приводится в действие электроэнергией от источника питания. Будучи соединенным с реакционной камерой 102, блок управления 132 может принимать информацию от различных датчиков 104-112, вакуумного насоса 116, нагревателя 126, дробильного блока 128, клапана впуска пара 118, клапана впуска углекислого газа (CO₂) 124 и детекторов 114A-114B, а также посылать им команды. За счет взаимной связи с вышеуказанными элементами блок управления 132 может осуществлять мониторинг, анализ и настройку в реальном масштабе времени, что гарантирует оптимизацию процесса. Вышеизложенное дополнительно рассматривается в настоящем документе при описании других компонентов устройства.

Дробильный блок 128 согласно настоящему изобретению выполнен с возможностью вызова химической реакции в твердой фазе между сырьевым материалом и катализатором (например, глиной). В одном из возможных вариантов реализации дробильный блок 128 может быть выполнен в виде единого блока практически гладких валков (например, округлой формы), однако, могут использоваться валки любой формы, при условии, что они обеспечивают требуемое давление. В другом возможном варианте реализации дробильный блок 128 может быть выполнен в виде валков, входящих в зацепление друг с другом (например, в виде зубчатых колес высокой твердости). В некоторых вариантах реализации дробильный блок 128 может представлять собой любой механизм, обеспечивающий сжатие твердых веществ под очень высоким давлением. Дробильный блок 128 выполнен с возможностью сжатия или сдавливания твердых частиц под очень высоким давлением и при заданной температуре, что обеспечивает прохождение межмолекулярной реакции между веществами твердой фазы, т.е. между сырьевым материалом и водосодержащей глиной, для получения или синтеза сахара с использованием сырьевого материала. В одном из возможных вариантов реализации в качестве веществ твердой фазы используются (но не ограничиваются ими) лигноцеллюлозная биомасса и твердые кислоты. В одном из возможных вариантов реализации отношение биомассы к твердой кислоте может составлять (но не ограничивается данным значением) 1:0.1-10 кг:кг. В одном из возможных вариантов реализации в качестве твердых кислот могут использоваться (но не только) каолин, бентонит и монтмориллонит, а также любые другие твердые кислоты, которые существуют в настоящее время или появятся в будущем.

Как показано на фиг. 1, узел привода l30 и блок управления 132 соединены также со смесительным устройством 134, осуществляющим смешивание сырьевого материала с катализатором; после смешивания материал по линии подачи 138 направляется во входную воронку 120. После вхождения материала во входную воронку 120 детектор 114A вместе с другими необходимыми датчиками или детекторами анализирует состав материала и вычисляет информацию, которая будет полезной в процессе переработки, такую как содержание белка, целлюлозы, крахмала и мономерного сахара, воды, лигнина, неорганических остатков, минеральных масел, и определяет его механические свойства. В одном из возможных вариантов реализации детектор (114A и 114B) представляет собой БИК-детектор, но может использоваться и любой другой датчик или детектор, обеспечивающий анализ веществ и материалов смеси. Эта информация будет использована для анализа материала с целью проведения процесса на оптимальном уровне для обеспечения последовательности и максимально возможного выхода. В одном из возможных вариантов реализации показания детектора 114A могут быть использованы блоком управления 132 с целью регулирования скорости дробильного блока 128 для обеспечения оптимального процесса. После анализа материала во входной воронке 120 открывается клапан подачи 144, чтобы открыть входную воронку 120, таким образом, чтобы материал мог пройти из входной воронки 120 вниз в направляющую подачи 140, по которой материал проходит вниз между элементами дробильного блока 128, расположенными внутри реакционной камеры 102. Как было указано выше, дробильный блок 128 приводится в действие узлом привода 130, а управление осуществляется блоком управления 132, которые соединены с реакционной камерой 102. В одном из возможных вариантов реализации дробильный блок 128 и узел привода 130 соединены приводным валом. По окончании процесса материал выходит из реакционной камеры 102 через выходную воронку 122. После поступления в выходную воронку 122 детекторы 114A и 114B совместно с другими необходимыми детекторами или датчиками анализируют материал, чтобы выяснить, ее требуется ли снова пропустить его через мельницу. Если выясняется, что материал необходимо снова пропустить через мельницу, он отправляется по линии возврата 142 обратно во входную воронку 120, где детектор 114A снова проводит анализ материала, определяя, какие настройки следует выполнить в устройстве для повторной обработки материала. По окончании процесса обработки и материал больше не требуется отправлять в дробильный блок 128, его отправляют в емкость 136 для сбора по выходной линии 140. В одном из возможных вариантов реализации на направляющей подачи или выходной линии может быть установлен выпускной клапан для регулирования расхода проходящего материала. В одном из возможных вариантов реализации на линиях 140 и 142 предусмотрены герметичные уплотнения с целью предотвращения возможных утечек материала. Важно отметить, что в камере 102 могут быть расположены не только один, но и несколько дробильных блоков 128.

Как показано на фиг. 1, с реакционной камерой 102 соединены входная воронка 120 и выходная воронка 122, служащие, соответственно, для подачи материала в устройство 102 сбора и вывода из него материала. Для открывания и закрывания входной воронки 120, таким образом, чтобы материал мог поступать в реакционную камеру 102, используется клапан подачи 144. В рассматриваемом варианте реализации управление входной воронкой 120 и выходной воронкой 122 осуществляется с помощью системы регулирования, регулирующей давление в реакционной камере 102 с целью оптимизации прохождения материалов в системе. В других возможных вариантах реализации управление входной воронкой 120 и выходной воронкой 122 осуществляется с помощью электронных систем, соединенных с блоком управления 132.

Как показано на фиг. 1, блок управления 132 соединен с узлом привода 130, который соединен с дробильным блоком 128, соединенным с реакционной камерой 102. Узел привода 130 должен обеспечивать мощность и крутящий момент, достаточные для вращения элементов дробильного блока 128 с заданной или оптимальной частотой вращения (об/мин), а также для изменения частоты вращения и мощности по времени. В различных вариантах реализации каждый из валков дробильного блока 128 может вращаться с различной частотой вращения с целью оптимизации прохождения реакции. В одном из возможных вариантов реализации блок управления 132 представляет собой процессор, считывающий показания датчиков 104-112 и автоматически реагирующий на заданные параметры. Измерение параметров в реальном масштабе времени позволяет производить регулирование в реальном масштабе времени с целью обеспечения работы дробильного блока 128 в оптимальном режиме. Например, узел привода 130 и блок управления 132 могут изменять частоту вращения и регулировать крутящий момент и мощность дробильного блока 128 в соответствии с заданной производительностью получения сахара и контролируемыми параметрами. В качестве другого примера, датчик температуры 106 посылает в блок управления 132 сигнал по температуре, указывающий на то, что температура вышла за границы заданного диапазона, после чего блок управления 132 посылает соответствующий сигнал на нагреватель 126, чтобы произвести нагрев реакционной камеры 102.

Как показано на фиг. 1, мельница 100 содержит также блок датчиков. В одном из возможных вариантов реализации блок датчиков содержит различные датчики 104-112, соединенные с внутренней полостью реакционной камеры 102, включающие в себя датчик водородного показателя (pH) 104, датчик температуры 106, датчик содержания кислорода 108, датчик влажности 110 и датчик давления 112, более подробно описанные ниже. Все датчики 104-112 соединены также с блоком управления 132 с целью обеспечения связи с другими системами и устройствами, которые могут быть соединены с реакционной камерой 102, для обеспечения производства целлюлозы на максимальном уровне; все вышеуказанные датчики подробно описаны ниже. Датчик pH 104 соединен с реакционной камерой 102 и служит для измерения активной кислотности в области реакции. Датчик pH выполнен с возможностью измерения концентрации ионов водорода раствора, что помогает определить активную кислотность во всех кислотных точках, а также количество таких точек. Поскольку гидролиз катализируется кислотными точками на катализаторе, более низкое значение pH указывает на большее количество кислотных точек, что указывает на большую вероятность гидролиза. Кроме того, контроль уровня pH и обеспечение заданного уровня влияет также на ферментацию и/или преобразование материалов, загруженных в реакционную камеру 102. Датчик температуры 106 может быть соединен с реакционной камерой 102 и использоваться для контроля температуры фрикционного нагрева внутри реакционной камеры 102, чтобы обеспечивалась температура, достаточной высокая для активации реакции гидролиза между водой и целлюлозой для получения сахара; в то же время, эта температура должна быть достаточно низкой, чтобы избежать реакций, которые могли бы приводить к разложению сахара.

Как показано на фиг. 1, с реакционной камерой 102 может быть соединен датчик содержания кислорода 108, используемый для контроля уровня содержания кислорода в реакционной камере 102. Поскольку кислород может вызывать окисление сахарных продуктов, его необходимо удалять из реакционной камеры 102 до завершения процесса преобразования целлюлозы в сахар. Для выполнения указанной задачи датчик содержания кислорода 108 работает совместно с вакуумным насосом 116, также соединенным с реакционной камерой 102, так что если датчик содержания кислорода 108 обнаруживает присутствие кислорода в реакционной камере 102, датчик содержания кислорода 108 соединяется с вакуумным насосом 116 через блок управления 132, с которым соединены как датчик содержания кислорода 108, так и вакуумный насос 116, чтобы откачать такой кислород из реакционной камеры 102. Эти датчики/устройства могут быть названы датчиками/устройствами атмосферного равновесия, работающими совместно с другими устройствами для оптимизации условий внутри мельницы 100.

Как показано на фиг. 1, датчик содержания кислорода 108 работает также совместно с клапаном впуска CO₂ 124, который также соединен с реакционной камерой 102 и с блоком управления 132. Таким образом, если датчик содержания кислорода 108 обнаруживает присутствие кислорода в реакционной камере 102 и через блок управления 132 соединяется с вакуумным насосом 116, чтобы произвести откачивание кислорода, клапан впуска углекислого газа 124 автоматически включит подачу защитного инертного углекислого газа в реакционную камеру 102 с целью поддержания положительного давления CO₂ в реакционной камере 102.

Как показано на фиг. 1, с реакционной камерой 102 соединен датчик влажности 110, используемый для контроля влажности в реакционной камере 102. В одном из возможных вариантов реализации настоящего изобретения влага действует как реагент для преобразования целлюлозы в сахар и расходуется в ходе реакции. По мере производства сахара содержание влаги в реакционной камере 102 падает, и влага локализуется для гидратации более гидроскопичных мономерных сахаров, которые производятся. Таким образом, датчик влажности 110 играет важную роль в рассматриваемом варианте реализации для обеспечения того, чтобы уровень влажности в реакционной камере 102 оставался оптимальным для обеспечения наилучшей реакции. В рассматриваемом варианте реализации, содержание влаги может составлять более 0,00%, но менее 50% по массе. Для обеспечения поддержания вышеупомянутого уровня влажности к реакционной камере 102 подсоединен также клапан впуска пара 118, используемый для подачи дополнительного пара в реакционную камеру 102, и датчик влажности 110 может через блок управления 132 соединяться с клапаном впуска пара 118 для подачи дополнительного пара в реакционную камеру 102.

Как показано на фиг. 1, с входной воронкой 120 и выходной воронкой 122 соединены спектральные детекторы 114A-114B, соответственно (совместно с другими необходимыми датчиками и детекторами), используемые для анализа состава материала при прохождении через воронки. Спектральные детекторы 114A-114B совместно с другими необходимыми датчиками или детекторами предоставляют данные по содержанию белка, целлюлозы, крахмалы, воды, мономерных сахаров, лигнина, неорганических остатков и минеральных масел. В будущих вариантах реализации возможно применение автоматизации алгоритмов ответного срабатывания вышеупомянутых устройств с помощью блока управления 134. В одном из возможных вариантов реализации детектор 114B, соединенный с выходной воронкой 122, будет определять, требуется ли снова пропустить материал через мельницу; если спектральный детектор 114B определит, что материал необходимо снова пропустить через мельницу, материал по линии возврата 142 будет возвращен во входную воронку 120. В одном из возможных вариантов реализации на линии возврата 142 может быть установлен подающий насос для возврата материала во входную воронку 120.

Как показано на фиг. 1, с реакционной камерой 102 соединен датчик давления 112, используемый для контроля давления в реакционной камере 102. Давление, требуемое для индуцирования гидролиза в реакционной камере 102, создается дробильным блоком 128, но давление в реакционной камере 102 необходимо контролировать, поскольку оно может повышаться или понижаться в зависимости от изменения температуры, что требует введения CO₂ в реакционную камеру 102 через клапан впуска CO₂ 124 с целью поддержания оптимального давления для реакции.

Как показано на фиг. 1, в основании реакционной камеры 102 расположен нагреватель 126. Несмотря на то, что тепло, необходимое для процесса преобразования целлюлозы в целлюлозосодержащем сырьевом материале в сахар, обеспечивается в основном трением, создаваемым в реакционной камере 102 во время процесса, начальный нагрев реакционной камеры 102 осуществляется с помощью нагревателя 126. В других альтернативных вариантах реализации может осуществляться также охлаждение с помощью вентиляторов и теплоотводящих устройств, соединенных с реакционной камерой 102, зубчатыми колесами или самими валками, управление которыми осуществляется блоком управления 132. Сам дробильный блок также может быть выполнен с возможностью регулирования температуры с помощью внешних или внутренних нагревательных и охлаждающих элементов.

На фиг. 2 приведено перспективное изображение (вид спереди) используемого в мельнице дробильного блока 128 (см. фиг. 1), обозначенного здесь общей ссылочной позицией 200. Дробильный блок 128 содержит два отдельных гладких валка 202A-202B, прижимаемых друг к другу пружиной 204, однако, в конструкции может использоваться любое устройство, способное создавать высокое давление, например, гидравлические плунжеры, винты и любые другие механизмы для создания давления, способные создавать давление, необходимое для реакции. Как было указано выше при рассмотрении фиг. 1, дробильный блок 128 вращается с определенной скоростью узлом привода 130, на который поступают сигналы от различных датчиков 104-112 для обеспечения оптимальной скорости вращения. Гладкие валки выполнены из материалов, обладающих отличной износоустойчивостью, чтобы они могли работать в течение длительного времени при высоких давлениях, и в различных вариантах реализации данные валки выполняются из материалов разной твердости.

Каждый из валков 202A и 202B может быть выполнен из материалов разной твердости (т.е. может иметь слои, выполненные из разных материалов). В рассматриваемом примере валки 202A и 202B содержат три слоя 206A и 206B, 208A и 208B, и 210A и 210B. Внешний слой 206A и 206B имеют максимально высокую твердость по сравнению с другими слоями. Внутренние слои 210A и 210B имеют самую низкую твердость, и промежуточные слои 208A и 208B имеют твердость, которая находится между значениями твердости внешних и внутренних слоев. Во время работы валки 202A и 202B, выполненные из слоев различной твердости, обеспечивают оптимальное протекание реакции, поскольку увеличивают микрореакции материалов. Внешние слои 206A и 206B с высокой твердостью обеспечивают высокое давление, воздействующие на материалы, а наличие промежуточных слоев другой (или более низкой) твердости предотвращает возможные высокие затраты энергии вследствие чрезвычайно высоких сил сжатия внешних слоев, и предотвращают сжатие материала валков. Изменяя твердость слоев, т.е. давление по глубине валков, мы можем регулировать давление на поверхности, и, следовательно, в реакционном пространстве, а также энергетическую эффективность. Количество, толщина, отношение высоты к ширине, длина, диаметр и материал слоев выбираются оптимальными в зависимости от используемого сырьевого материала, и влияют на характеристики валков по твердости, вязкости, прочности на сжатие и износостойкости.

В одном из возможных вариантов реализации валки могут быть выполнены с зубьями, поскольку они имеют поверхности высокой твердости и обеспечивают полезные остаточные напряжения сжатия, которые эффективно снижают рабочее напряжение, а в других вариантах реализации валки могут быть изготовлены из прочных металлов и сплавов, таких как карбид вольфрама, алмаз, пластики, керамика, композиционные материалы и т.п. В одном из возможных вариантов реализации к валам, используемым для вращения валков, может подводиться достаточное количество холодной, чистой и сухой смазки соответствующей вязкости с высоким пьезокоэффициентом вязкости с целью предотвращения точечного выкрашивания и усталости материала, при которой могут возникать усталостные трещины либо на поверхности зубьев, либо на небольшой глубине от поверхности. В одном из возможных вариантов реализации в качестве подшипников могут использоваться шарикоподшипники (но не только). Зубья отдельных зубчатых колес 202A-202B максимально возможной износостойкостью, так же как эффективностью по обеспечению реакции по площади контакта и давлению. Несмотря на то, что на фиг. 2 показан только одна пара валков, могут использоваться несколько последовательно установленных пар валков. Поверхности валков и зубчатых колес выполнены из материалов, подходящих для прохождения реакции и контакта с подаваемой смесью, в то время как в качестве материалов для опорных поверхностей валков или зубчатых колес могут использоваться материалы, обеспечивающие снижение трения и повышение износоустойчивости, а для приводных поверхностей используются материалы, обеспечивающие оптимальную работу шкивов, ремней, звездочек, цепей, муфт и соединительных элементов и элементов подключения прямого привода.

На фиг. 3 приведен вид спереди дробильного блока 128, содержащего три пары зубчатых валков 302. В еще одном возможном варианте реализации настоящего изобретения комплект зубчатых колес дробильного блока 128 используется для сжатия или сдавливания твердых частиц под очень высоким давлением и при заданной температуре, что обеспечивает прохождение межмолекулярной реакции между сырьевым материалом и водосодержащей глиной для получения или синтеза сахара из сырьевого материала. Управление тремя парами зубчатых валков 302 может осуществляться с помощью блока управления 132. В еще одном возможном варианте реализации дробильный блок 128 дополнительно содержит три пары гладких валков 146, как показано на фиг. 4. Смесь сырьевого материала с глиной захватывается валками 146 и сжимается с высоким давлением. Управление тремя парами валков 146 может осуществляться с помощью блока управления 132. Разумеется, в конструкции устройства могут использоваться дополнительные пары гладких или зубчатых валков, в зависимости от сырьевого материала.

На фиг. 5 показана блок-схема, демонстрирующая систему 500 и способ индуцирования гидролиза с целью расщепления глиозидной связи целлюлозы для получения мономерного сахара в процессе преобразования целлюлозы в целлюлозосодержащем сырьевом материале в сахар, в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения. Способ включает в себя начальную операцию введения целлюлозосодержащего материала 306 и катализатора 302 в смесительное устройство 130. Целлюлозосодержащий материал 306 обычно содержит клеточные стенки зеленых растений, многих форм водорослей и оомицетов, а также любых производных растительных материалов. Помимо материалов растительного происхождения, целлюлозосодержащий материал 306 также может быть получен из коры, древесины или листьев растений.

Как показано на фиг. 5, после смешивания материала в смесительном устройстве 130 он поступает в реакционную камеру 102 через входную воронку 120. К входной воронке 120 подсоединен детектор 114A, который осуществляет контроль состава материала, проходящего через входную воронку 120. Информация, полученная детектором 114A, передается в блок управления 132 для анализа материала в реальном масштабе времени. Блок управления 132 автоматически снимает показания датчиков 104 – 112, подсоединенных к реакционной камере 102, чтобы произвести настройку системы с целью обеспечения оптимального производства сахара. Например, блок управления 132 может нагревать реакционную камеру, если температура выходит из заданного диапазона, или вводить пар, когда низкая влажность, или повышать или понижать скорость вращения зубчатых колес.

Как показано на фиг. 5, по окончании процесса преобразования целлюлозы в целлюлозосодержащем сырьевом материале в сахар материал выходит из реакционной камеры 102 через выходную воронку 122. Детектор 114B, соединенный с выходной воронкой 122, контролирует состав материала на выходе из реакционной камеры 102. Если детектор 114B обнаруживает, что материал следует подвергнуть дополнительной обработке, он отправляется обратно во входную воронку 120 для повторной обработки. Информация, собранная детекторами 114A - 114B, будет отправлена обратно в блок управления 132, чтобы её можно было проанализировать и внести коррективы в систему для обеспечения оптимальных характеристик. После того, как материал считается окончательно обработанным, он передается в емкость 136 для сбора, и процесс завершается. Материал содержит белок, целлюлозу, воду, крахмал, мономерный сахар, лигнин, неорганические остатки и минеральные масла.

В одном из возможных вариантов реализации способ преобразования целлюлозы в целлюлозосодержащем сырьевом материале в сахар в одной из операций включает в себя смешивание сырьевого материала с катализатором в смесительном устройстве. В другой операции смесь сырьевого материала с катализатором загружается во входную воронку реакционной камеры. В ходе еще одной операции данные о составе смеси сырьевого материала с катализатором получают и анализируют с помощью детектора. В ходе еще одной операции смесь сырьевого материала с катализатором подается из входной воронки в дробильный блок для размалывания смеси с целью индуцирования химической реакции для производства сахара. В ходе еще одной операции дробильный блок определяет и доставляет информацию о составе размолотой смеси. В ходе следующей операции система управления совместно с реакционной камерой определяет, является ли необходимой дополнительная обработка. Если во время предыдущей операции было выяснено, что повторная обработка необходима, в ходе следующей операции размолотая смесь подается для повторной обработки в реакционную камеру по линии подачи. В ходе следующей операции во время повторной обработки получают сахар, который затем поступает из выходной воронки в устройство сбора.

Конкретные конфигурации и варианты реализации настоящего изобретения, описанные выше со ссылками на прилагаемые чертежи, приводятся только в целях иллюстрации. Специалистам в данной области будут очевидны многие другие возможные конфигурации и варианты реализации, которые могут быть изготовлены, использованы или проданы без отклонения от сущности и без выхода за границы объема настоящего изобретения. Например, термин "элемент" подразумевает возможность использования одного или нескольких таких элементов, если контекст явно не диктует иное. Все используемые союзы следует понимать в максимально широком смысле. Так, например, союз "или" следует понимать как логический элемент "ИЛИ", а не как логический элемент "исключающее ИЛИ", если только контекст явно не диктует иное. Описываемые здесь конструкции следует понимать также как функциональные эквиваленты таких конструкций.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано на примере считающихся наиболее предпочтительными и практичными вариантов реализации, следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми здесь вариантами реализации. Наоборот, настоящее изобретение включает различные модификации и эквивалентные устройства, входящие в сущность и охватываемые объемом притязаний согласно прилагаемой формуле изобретения.

Хотя отдельные отличительные признаки различных вариантов реализации изобретения могут быть показаны на одних чертежах и не показаны на других, это сделано только для удобства. В соответствии с принципами изобретения, отличительный признак/признаки, показанные на одном чертеже, могут быть объединены с любыми другими или всеми остальными отличительными признаками, показанными на любом другом чертеже. Используемые в настоящем описании термины "включающий в себя", "содержащий", "имеющий" и "с" следует толковать широко и не ограничиваться какой-либо физической взаимосвязью. Кроме того, любые варианты реализации, раскрываемые в настоящем документе, не должны интерпретироваться как единственно возможные. Наоборот, настоящее изобретение охватывает множество других модификаций и возможных вариантов реализации, которые охватываются прилагаемой формулой изобретения.

Claims (36)

1. Устройство для преобразования целлюлозосодержащего сырьевого материала в сахар, содержащее:

реакционную камеру, содержащую элементы управления;

блок управления, функционально соединенный с реакционной камерой и с каждым из элементов управления, выполненных с возможностью приема и передачи операционных сигналов;

дробильный блок, выполненный с возможностью приема смеси целлюлозосодержащего сырьевого материала с твердокислотным катализатором, предназначенный для измельчения указанной смеси под давлением с целью индуцирования твердофазного взаимодействия между целлюлозосодержащим сырьевым материалом и твердокислотным катализатором, включающего химическую реакцию с образованием сахара;

выходную воронку с детектором, выполненным с возможностью определения состава размолотой смеси, поступающей из дробильного блока, причем блок управления выполнен с возможностью определения необходимости проведения повторной обработки размолотой смеси, и в случае подтверждения такой необходимости, настройки элементов управления для оптимизации производства сахара;

в котором дробильный блок содержит валки и расположен непосредственно в реакционной камере, в которую поступает смесь целлюлозосодержащего сырьевого материала с твердокислотным катализатором, а выходная воронка выполнена с возможностью выдачи сырья после проведения измельчения и химической реакции.

2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее блок датчиков, выполненный с возможностью передачи в блок управления одного параметра или параметров реакционной камеры, включая данные по водородному показателю, температуре, содержанию кислорода, влажности и давлению.

3. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее клапан впуска пара, выполненный с возможностью регулирования расхода пара, подаваемого в реакционную камеру, и клапан впуска углекислого газа, выполненный с возможностью регулирования расхода углекислого газа, подаваемого в реакционную камеру.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что валки представляют собой пару валков, содержащих слои, от внутреннего до внешнего, выполненные из материалов, отличающихся друг от друга и имеющих твердости, отличающиеся друг от друга.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что валки содержат слои, в число которых входит внешний слой относительно самой высокой твердости, внутренний слой относительно самой низкой твердости и промежуточный слой, твердость которого является промежуточной между величинами твердости двух вышеуказанных слоев.

6. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее входную воронку с детектором, выполненным с возможностью получения и анализа данных по составу смеси сырьевого материала с катализатором, и смесительное устройство, соединенное с блоком управления, выполненное с возможностью перемешивания сырьевого материала с катализатором.

7. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее линию подачи, соединяющую смесительное устройство с входной воронкой для подачи смеси сырьевого материала с катализатором в реакционную камеру.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дробильный блок содержит по меньшей мере одну пару валков.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дробильный блок содержит пары входящих в зацепление друг с другом зубчатых колес или валков.

10. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее узел привода, соединенный с блоком управления, реакционной камерой и смесительным устройством.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления выполнен с возможностью получения данных от элементов управления реакционной камеры и узла привода для определения настроек, которые необходимо выполнить для элементов управления и узла привода с целью оптимизации производства сахара из сырьевого материала.

12. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее насос, выполненный с возможностью создания отрицательного или положительного давления в реакционной камере.

13. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее нагреватель, выполненный с возможностью нагрева реакционной камеры.

14. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее теплоотводящее или охлаждающее устройство, выполненное с возможностью охлаждения реакционной камеры.

15. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее линию возврата, соединяющую выходную воронку с входной воронкой, для подачи размолотой смеси в реакционную камеру для повторной обработки.

16. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок датчиков содержит датчик pH, датчик температуры, датчик содержания кислорода, датчик влажности и датчик давления.

17. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее устройство сбора, выполненное с возможностью приема размолотой смеси из выходной воронки.

18. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в состав смеси входят белок, целлюлоза, крахмал, мономерный сахар, воду, лигнин, неорганические остатки и минеральные масла.

19. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отношение биомассы к твердой кислоте составляет 1:0.1-10 кг:кг, и в качестве твердых кислот используются каолин, бентонит и монтмориллонит.

20. Способ преобразования целлюлозосодержащего сырьевого материала в сахар, реализуемый с использованием устройства по пп. 1-19, включающий в себя:

смешивание целлюлозосодержащего сырьевого материала с твердокислотным катализатором в смесительном устройстве;

подачу смеси сырьевого материала с катализатором во входную воронку реакционной камеры, содержащей детектор, причем реакционная камера содержит элементы управления, в состав которых входят входная воронка, дробильный блок, выходная воронка, блок датчиков, клапан впуска пара и клапан впуска углекислого газа;

получение и анализ детектором данных о составе смеси сырьевого материала с катализатором;

получение смеси сырьевого материала с катализатором из входной воронки;

измельчение указанной смеси под давлением с целью индуцирования твердофазного взаимодействия между целлюлозосодержащим сырьевым материалом и твердокислотным катализатором для производства сахара, причем: дробильный блок расположен непосредственно в реакционной камере и приведение его в действие осуществляется узлом привода; дробильный блок выполнен с возможностью измельчения указанной смеси под давлением с целью индуцирования твердофазной химической реакции между целлюлозосодержащим сырьевым материалом и твердокислотным катализатором для производства сахара;

определение данных по составу размолотой смеси, выходящей из дробильного блока;

определение соединенным с реакционной камерой блоком управления, не требуется ли проведение повторной обработки размолотой смеси, причем блок управления выполнен с возможностью получения данных от элементов управления реакционной камеры и узла привода для определения настроек, которые необходимо выполнить для элементов управления и узла привода для оптимизации процесса производства сахара;

поступление сахара из выходной воронки в устройство сбора при отсутствии необходимости проведения повторной обработки; или

подача размолотой смеси в реакционную камеру для повторной обработки по линии подачи в случае обнаружения необходимости проведения повторной обработки; и

поступление сахара, произведенного в ходе повторной обработки, из выходной воронки в устройство сбора.

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что дробильный блок содержит пару валков, причем валки представляют собой цельные элементы или содержат слои, от внутреннего до внешнего, выполненные из материалов, отличающихся друг от друга и имеющих твердости, отличающиеся друг от друга.