处理生物质和有机废物的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了通过发酵处理生物质材料的方法，所述方法包含通过热水解和湿式爆炸预处理所述生物质材料，得到干物质浓度高于25％且温度高于90℃的中间产物，其将被引入发酵，其中用于所述发酵的消化罐的一部分内容物再循环并与来自所述预处理的一部分中间产物混合。

Method and apparatus for treating biomass and organic waste

The present invention provides a method for processing by fermentation of biomass materials, the method includes solution by hot water and wet explosion pretreatment of the biomass materials, to obtain an intermediate product of dry matter concentration is higher than 25% and the temperature higher than 90 DEG C, which will be introduced for the fermentation, the fermentation can digest a part of material recycle and from the pretreatment part of intermediate product mix.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】处理生物质和有机废物的方法和装置
本专利技术涉及处理主要是有机来源、例如呈废物或生物质形式的材料的方法、工艺和装置，其中经处理材料的糖类等的含量可用于发酵成一种或多种所需产物。
技术介绍
城市和工业上的污泥和废物及主要是有机来源的其它来源的废品，如园艺、农业、林业、木材工业、食品加工业等的副产物，多年以来作为生产CO2中性燃料(如生物乙醇或沼气)的可能起始材料越来越受到关注。在文献中已经描述了许多不同的预处理方法用于生物质材料，其中糖类等的内容物更容易获得。最著名的是：强酸和弱酸水解；湿式爆炸(蒸汽爆炸-STEX)；湿式氧化(WO)；碱性纤维爆炸(氨纤维爆炸-AFEX)；和热水解(液态热水-LHW)。通常强酸和弱酸水解的特征在于半纤维素被水解并溶解，且纤维素的可利用性增加，用于随后基于酸的水解或酶促水解。当使用这些类型的水解时，在分离不溶性和溶解的部分之后，此外可以通过发酵进一步加工这些部分。Lightner(US6.258.175)描述了其中的强酸水解，其中还描述了用乙醇沉淀后重新使用所用酸的可能性。此工艺的主要目的是溶解纤维素和半纤维素，以便随后用于(例如)通过发酵生产乙醇。生物质酸水解涉及有几个问题。首先需要将材料分成非常细的颗粒(<1mm)，这是极其耗能的。此外，需要中和经处理材料，这通常通过加入CaCO3(石灰石)进行。这意味着此工艺中化学品的消耗较高，同时中和工艺积累大量水合硫酸钙。此外，与其它形式的处理得到的材料相比，来自酸水解的处理材料对酶促水解和微生物发酵具有抑制作用(参见下文)。最后，由于酸催化工艺，泵、反应器等容易遭受腐蚀。对湿式爆炸(STEX)的描述可追溯至1928年，当时Mason开发了制造硬纸板的工艺(US1.824.221和2.759.856)。STEX工艺包括高压下的热水解，然后压力以所谓的“闪蒸作用”释放，其中由于压力大幅下降，使得每条纤维发生爆炸，因此得名湿式爆炸(或蒸汽爆炸)。这种处理方法后来进一步开发用于制造(例如)乙醇或纸(例如，WO98/27269)。在STEX中通常会发生半纤维素的部分溶解(>80％)，并且纤维素可用于随后的水解。STEX的作用类似于酸水解的作用-然而，STEX工艺使工艺设备更不容易磨损，且对于化学品的使用和废物的积累并不是那么苛刻。然而，在STEX中，依然形成了相当量的抑制可能的后续发酵工艺的物质(Palmqvist和Hahn-Hagerdal2000)，特别是当用酸(SO2或H2SO4(Martin等人，2002))预先对材料进行液化时。已经开发了湿式氧化(WO)以氧化有机废物部分(US2.690.425)，并且后来进行了改进，从而从含有木素纤维素的生物质和有机废物得到半纤维素溶液(参见例如WO00/14120)。湿式氧化包含加入氧化剂(如超压氧)的热工艺。在湿式氧化中，半纤维素部分溶解，并且存在的木质素的一部分被氧化，从而纤维素的可利用性增加。通常，WO不需要额外的工艺步骤来去除抑制性物质。碱性纤维爆炸(AFEX)是结合蒸汽爆炸和添加碱性催化剂的工艺。在传统的AFEX中，生物质在中等温度(～50℃)下在氨水中液化，之后压力瞬间释放(爆炸)。通过这种工艺，纤维素和木质素被改性，这使得纤维素更具反应性(可利用性)，同时释放半纤维素。热水解(LHW)是其中半纤维素的高度溶解与木质素的部分溶解同时发生，且纤维素的可利用性提高(用于酶促水解)的工艺(通常为170℃-230℃)。预先未被分开且用LHW预处理的甘蔗废物在添加中等量的酶之后，经酶促水解和发酵后导致高达90％的理论乙醇产率(VanWalsum等人，1996)。美国专利4.461.648描述了增加含纤维素和木质纤维素的材料的可利用性的方法。该方法包含在压力、热处理和湿式爆炸下添加水蒸气，进一步描述了蒸汽的再循环是不可能的。用于生产基于此类有机废物或生物质的CO2中性燃料的已知方法通常包括采用某种热水解工艺(THP)的预处理步骤，然后进行厌氧消化。这些工艺通常是基于在一个或多个反应器中使用高温和高压的组合进行热水解的步骤，以分解废物或污泥中的有机材料的细胞结构并分解高分子量有机化合物为更小的分子。热水解步骤之后可能是在一个或多个压力释放罐中进行蒸汽爆炸的步骤，其中罐的内容物由于压力的快速释放而分解。生物质的分解和分裂使得后续发酵步骤更有效。由采用热水解工艺(THP)的预处理步骤产生的产物通常具有高温(例如高于90℃)，且特征在于相对高干物质含量(例如高于25％)，且在某些情况下也相对低的pH(例如低于5)。因此，此产物的处理通常需要高度专业化的设备，且此外通常必须在将其引入基于厌氧消化的后续工艺之前对其进行冷却、中和和/或稀释(例如用水)，因为后续工艺通常是在较低的温度、较低的干物质含量和中性pH下进行。WO2007/009463公开了将纤维素材料转化为乙醇和其它产物的方法。对纤维素材料进行至少一次浸泡操作的水热预处理、在加压反应器中的水热预处理及之后的压制操作，产生纤维部分和液体部分。水热预处理将至少80％的木质素留在纤维部分中。由于需要处理具有高干物质含量的材料，WO2007/009463中描述的工艺通常需要高度专业化的设备。WO03/013714公开了闸系统，通过它可以分配具有高干物质含量的产物，且然后通过至少一个闸室和两个压力栓分别输送，从而允许(例如)从低压区转移到高压区。多年来，已经开发了对上述生物质和有机废物处理工艺的不同改进。因此，实现这些改进的一种方式是通过使用再循环。特别是在工艺中以其它方式使用的蒸汽的再循环及其用于预热生物质，以及来自工艺的水流出物的再循环以减少在工艺中以其它方式使用的工艺水的消耗，已经在现有技术中进行了描述。WO2011/006854公开了用于生物质的热水解和蒸汽爆炸的方法和装置。该方法涵盖以下步骤：预热生物质，将预热的生物质引导到至少两个反应器中，在此通过加入蒸汽加热和加压，及最后使用两个压力释放罐逐步降低压力。预热罐由来自第一和第二压力释放罐的返回蒸汽预热。WO01/60752公开了为连续工艺的方法，涉及湿式氧化或蒸汽爆炸，用于将生物质材料发酵转化为乙醇。与生产的乙醇分离后的发酵废水流出物随后进行厌氧发酵步骤，产生甲烷和废水流出物，其中潜在的抑制物质的量处于亚抑制水平，允许全部或一部分流出水再循环到工艺中以减少工艺用水的消耗。WO2014/039984公开了处理生物质以获得单体糖的方法，其中预处理的生物质经受酶促水解，并且来自酶促水解反应器的至少一部分液化材料作为热预处理生物质的一部分冷却剂再循环到添加酶的上游的位置。US2009/0098616公开用于处理植物材料以释放可发酵糖类的方法。该方法涉及两阶段酶促水解工艺，且优选地其前为自动水解步骤，其中材料优选在酸存在下经受高温、蒸汽和压力。来自第一水解阶段的低粘度流出物流部分地再循环到第一酶促水解阶段，一些或全部直接进入反应器，或者在进入反应器之前可与新鲜的木质纤维素原料混合。进一步公开的是，酶促工艺可以在真空下进行以去除挥发性成分，例如酶抑制性化合物(如糠醛)。尽管生物质材料的处理方法很多，但是仍然需要一种方法：其中生物质经预处理和随后发酵，而无需过度使用化学添加剂或专本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于处理生物质材料的方法，其包含至少以下步骤：所述生物质材料的预处理，其包含以下步骤：1)在高于140℃的温度下热水解，随后2)湿式爆炸，产生干物质浓度高于25％且温度高于90℃的中间产物，随后在消化罐中发酵所述中间产物，以及所述方法的特征进一步在于，通过将所述中间产物混合到被输送于从所述消化罐开始的再循环回路中的所述消化罐的一部分内容物中从而将其引入所述消化罐中，其中所述混合是在所述中间产物和所述消化罐的所述一部分内容物的混合物进入所述消化罐之前进行。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.29 EP 14190813.71.一种用于处理生物质材料的方法，其包含至少以下步骤：所述生物质材料的预处理，其包含以下步骤：1)在高于140℃的温度下热水解，随后2)湿式爆炸，产生干物质浓度高于25％且温度高于90℃的中间产物，随后在消化罐中发酵所述中间产物，以及所述方法的特征进一步在于，通过将所述中间产物混合到被输送于从所述消化罐开始的再循环回路中的所述消化罐的一部分内容物中从而将其引入所述消化罐中，其中所述混合是在所述中间产物和所述消化罐的所述一部分内容物的混合物进入所述消化罐之前进行。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述中间产物的温度高于100℃。3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述中间产物的pH值低于5。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包含在高于步骤1)中所述热水解的饱和压力的压力下进行的湿式氧化，并且在所述热水解之后和所述湿式爆炸之前进行。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中将所述消化罐的所述一部分内容物与所述中间产物混合，其方式使得至少10份(体积)所述消化罐的内容物与一份(体积)所述中间产物混合，优选至少20份(体积)所述消化罐的内容物与一份(体积)所述中间产物混合。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中通过使用所述消化罐的一部分内容物作为冷却介质，将来自所述预处理的一部分气相冷凝。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述冷凝气相中的糠醛是通过提取分离。8.根据权利要求6所述的方法，其中所述冷凝气相中...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍尔·加利·尼尔森，汉斯·瑞斯姆斯·霍特，
申请(专利权)人：坎比科技公司，
类型：发明
国别省市：挪威,NO