用于从植物基和再生材料生产纸浆、能源和生物衍生物的方法和系统技术方案

本发明专利技术所公开主题涉及一种用于处理各种植物材料以生产市场材料的工业系统。具体地，该系统结合了亚临界水提取技术，并包括恒定控制温度，压力和/或停留时间的预处理模块和二级处理模块（处理模块）。在一些实施例中，所公开系统的最终产物可包括用于生物燃料生产（糖和/或油）的原料成分，生物炭和各种工业原料（例如用于制造纸产品和/或用于食品或工业产品的纤维素的纸浆）。所公开系统可以是模块化的或非模块化的，并且可以包括带自动编程或手动操作的预制元件，使得其能够容易地在现场移动和/或组装。

Methods and systems for the production of pulp, energy and biological derivatives from plant based and regenerative materials

The disclosure of the present invention relates to an industrial system for the processing of various plant materials to produce market materials. Specifically, the system combines sub critical water extraction technology, and includes preconditioning module and two level processing module (processing module) with constant temperature, pressure and / or residence time. In some embodiments, the final product of the disclosed system can include raw material components for biofuel production (sugar and / or oil), biochar and various industrial raw materials, such as pulp for making paper products and / or cellulose for food or industrial products. The disclosed system can be modularized or non modularized, and can include prefabricated elements with automatic programming or manual operation, so that it can be easily moved and / or assembled on the spot.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于从植物基和再生材料生产纸浆、能源和生物衍生物的方法和系统
本专利技术所公开的主题涉及用于植物材料，木材，木渣，藻类，真菌生物质，农业废弃物，再生材料，易腐烂废弃物，和/或副产物或其中间产物的工业加工的模块化或非模块化系统，使用亚临界水辅助水解作用生产纸和纸浆产品，用于生物能源行业的原料成分以及其它生物衍生物商品。
技术介绍
禾本科植物，非食物作物和农业废弃物作为生物燃料和纸浆/造纸生产的成本效益"绿色"原料已经显现出潜力，并且在过去的十年中已经成为广泛研究项目的主题。然而，由于可以从给定地形移除的生物质的量有限，生物质必须从场地运输到处理器，增加了生产过程的成本。此外，在生产纸浆和纸产品的过程中，需要大量的能量用于加热，以及相对较大量的化学催化剂（通常氢氧化钠含量超过25%，以体积计量），增加了制造成本。因此，具有用于处理植物生物质以生产用于生物能源工业和/或绿色化工以及用于制造纸浆和纸产品的原料成分的经济可行的系统和技术是有利的。
技术实现思路
在一些实施例中，本专利技术所公开主题涉及一种系统，该系统包括具有用于提取水溶性可发酵碳水化合物的机械处理器/材料处理的预处理部分和具有反应器的提取部分，向所述反应器中提供生物质和亚临界水以生产可发酵碳水化合物，油，纤维素，纸浆和其它生物衍生物。在一些实施例中，反应器包括在第一压力和第一温度下的第一操作条件，第一压力和第一温度持续第一预定时间段以分解第一链强度（"阶段1"）的碳水化合物，以及在第二压力和第二温度下的第二操作条件，第二压力和第二温度持续第二预定时间段以分解第二链强度（“阶段2”）的剩余的碳水化合物。在一些实施例中，反应器仅包括两个操作条件中的一个（阶段1或阶段2）。在一些实施例中，反应器包括重复阶段1和/或阶段2的几个操作条件。在一些实施例中，本专利技术所公开主题涉及一种生产用于纸或作为食品添加剂的纸浆的方法。具体地，在一些实施例中，所述方法包括：将生物质加工成加工尺寸；用包含量小于约10wt%的碱性催化剂（例如，但不限于NaOH和/或KOH）的催化剂处理生物质以生产纸浆产品；利用亚临界水工艺处理生物质。因此，碱性催化剂可以0，0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，7.5，8，8.5，9，9.5或10wt%的量存在。在一些实施例中，本专利技术所公开主题涉及由烟草生物质制成用于纸的纸浆，其中纸浆由包括以下步骤的方法制得：将生物质加工成加工尺寸；使用亚临界水处理方法，用包含量小于约10%的碱性催化剂的催化剂处理生物质以生产纸浆产品。在一些实施例中，处理步骤包括干燥或新鲜生物质和/或通过诸如锤式粉碎机的机械研磨机处理生物质。在一些实施例中，亚临界水处理过程包括应用加热（约180℃或更低）到反应器。在一些实施方案中，本专利技术所公开主题涉及一种生产具有优良性能的生物炭的方法。该方法包括将生物质引入所公开系统中，所公开系统包括具有用于提取水溶性可发酵碳水化合物的机械处理器/材料处理的预处理部分，以及具有供有生物质和亚临界水的反应器的提取部分。该方法还包括在生物炭生产过程中向系统中加入油，其中，所产生的生物炭与现有技术方法生产的生物炭相比表现出更优良的性能（例如，热值增加）。在一些实施例中，本专利技术所公开主题涉及一种系统，该系统包括（a）预处理部分，其具有用于提取水溶性可发酵碳水化合物以及用于制备进一步提取的材料的机械处理器/材料处理器；（b）提取部分，其包括供有生物质和亚临界水的反应器或反应器组件，该反应器组件具有在处于恒定水平的第一压力和第一温度下的第一操作条件，第一压力和第一温度持续第一预定时间段以分解第一链强度的碳水化合物；在处于恒定水平的第二压力和第二温度下的第二操作条件，第二压力和第二温度持续第二时间段以分解第二链强度和脂肪酸的剩余低碳水化合物，其中，在可发酵碳水化合物、脂肪酸或两者的回收率都达到所需产量之前，该系统是可重复的。在一些实施例中，预处理部分的机械处理器/材料处理器包括用于初级提取可溶性碳水化合物的机械压力机，可操作地连接到进料机构的湿式或干式研磨机，或两者，以及用于混合水或其他液体的存储箱。在一些实施例中，该系统还包括将混合的生物质和液体泵送到下游的可变速流量泵。在一些实施例中，所公开系统还包括（a）用于增加系统压力的高压泵，其可提供可变速度和流量；（b）用于持续第一操作条件中压力的压力控制阀；（c）用于增加第二温度和第二压力流动通道中生物质压力的泵；以及（d）用于持续第二压力和第二温度区段压力的压力控制阀。在一些实施例中，第一操作条件包括约为0-300psi的压力，高达约180℃的温度，第二操作条件包括约301-3000psi的压力和约180℃至350℃的温度。在一些实施例中，采用集中式计算机软件控制和监控预处理和第一、第二操作条件以能够持续所需的压力，温度，以及所需时间段的流量；其中，该系统包括安装并连接到集中式计算机管理软件的多个传感器，集中式计算机管理软件包含实时采集诸如压力，温度，流量，含量水平等主要参数的技术信息，传送到管理系统并分析的网络；其中，实时控制和修正上述参数。在一些实施例中，反应器组件包括一个或多个反应器的组件，随后是一个或多个压力控制阀，用于冷却反应器输出物的换热器，和用于从水相中收集有价值的材料从而回收水的分离器。在一些实施例中，系统被配置以产生基于其最终产物的原料成分，例如可发酵碳水化合物，脂肪酸和其它用于生物燃料生产的化合物，生物炭，纸浆，纤维素，或各种工业原料，或来自植物基材料或易腐烂废弃物的组合。在一些实施例中，系统是模块化的和扩展的，静止的或移动的；其中，当处于移动形式时，系统可以安装在一个或多个卡车拖车，轨道车，运输集装箱，用于从一个地点传送到另一地点的其它平台，或其组合上。在一些实施例中，本专利技术所公开主题涉及一种生产纸浆的方法，包括：将生物质加工成加工尺寸；使用亚临界水处理方法，用包含浓度为约1.5-10wt%或更少的碱性催化剂的催化剂处理生物质以生产纸浆产品。在一些实施例中，纸浆产品具有约0.000001-12mm的纤维长度。在一些实施例中，该方法通过反应器提供连续流动的材料，使得该方法提供纸浆产品，纤维素或其组合的连续制造。在一些实施例中，所公开的方法是模块化的和扩展的，静止的或移动的；并且，当处于移动形式时，系统可以安装在一个或多个卡车拖车，轨道车，运输集装箱，用于从一个地点传送到另一地点的其它平台，或其组合上。在一些例中，本专利技术所公开主题涉及纸浆，粉状纤维素，纳米纤维素，根据权利要求10所述的方法制备的溶解浆，其纤维尺寸为0.000001-12mm；其中，可溶性碳水化合物和其它在水中可溶性材料作为副产物产生。在一些实施例中，纸浆在低于200℃的温度下进一步暴露于反应器中。在一些实施例中，本专利技术所公开主题涉及一种从植物基或易腐烂材料生产改进性能的生物炭的方法，该方法包括：（a）向所公开系统中引入生物质；（2）在生物炭生产过程中向系统中加入油；其中，相比于生产过程中系统中未添加油产生的生物炭，所产生的生物炭的热值增加。在一些实施例中，生物炭表现出20000-30000btu/磅的热值，其中约14000-16700btu/磅归因于所添加的油。在一些实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统包括：预处理部分，其具有用于提取水溶性可发酵碳水化合物以及用于制备进一步提取的材料的机械处理器/材料处理器；提取部分，其具有供有生物质和亚临界水的反应器或反应器组件，所述反应器组件具有在处于恒定水平的第一压力和第一温度下的第一操作条件，第一压力和第一温度持续第一预定时间段以分解第一链强度的碳水化合物，以及在处于恒定水平的第二压力和第二温度下的第二操作条件，第二压力和第二温度持续第二时间段以分解第二链强度和脂肪酸的剩余低碳水化合物，其中，在可发酵碳水化合物、脂肪酸或两者的回收率都达到所需产量之前，该系统是可重复的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.11 US 62/174，478;2016.05.06 US 62/332，8831.一种系统包括：预处理部分，其具有用于提取水溶性可发酵碳水化合物以及用于制备进一步提取的材料的机械处理器/材料处理器；提取部分，其具有供有生物质和亚临界水的反应器或反应器组件，所述反应器组件具有在处于恒定水平的第一压力和第一温度下的第一操作条件，第一压力和第一温度持续第一预定时间段以分解第一链强度的碳水化合物，以及在处于恒定水平的第二压力和第二温度下的第二操作条件，第二压力和第二温度持续第二时间段以分解第二链强度和脂肪酸的剩余低碳水化合物，其中，在可发酵碳水化合物、脂肪酸或两者的回收率都达到所需产量之前，该系统是可重复的。2.如权利要求1所述的系统，其中，预处理部分的机械处理器/材料处理器包括用于初级提取可溶性碳水化合物的机械压力机，操作地连接到进料机构的湿式或干式研磨机，或两者，以及用于混合水或其他液体的存储箱。3.如权利要求1所述的系统，还包括将混合的生物质和液体泵送到下游的变速流量泵。4.如权利要求1所述的系统，还包括：用于增加系统压力的高压泵，其可提供可变速度和流量；用于持续第一操作条件中压力的压力控制阀；用于增加第二温度和第二压力流动通道中生物质压力的泵；以及用于持续第二压力和第二温度区段压力的压力控制阀。5.如权利要求1所述的系统，其中，第一操作条件包括约为0-300psi的压力，高达约180℃的温度，第二操作条件包括约为301-3000psi的压力和约为180至350℃的温度。6.如权利要求1所述的系统，其中，采用集中式计算机软件控制和监控预处理和第一、第二操作条件以能够持续所需的压力，温度，以及所需时间段的流量；其中，该系统包括安装并连接到集中式计算机管理软件的多个传感器，集中式计算机管理软件包含实时采集诸如压力，温度，流量，含量水平等主要参数的技术信息，传送到管理系统并分析的网络；其中，实时控制和修正上述参数。7.如权利要求1所述的系统，其中，反应器组件包括一个或多个反应器的组件，随后是一个或多个压力控制阀，用于冷却反应器输出物的换热器，和用...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑迪普·库马尔，皮特·马杰瑞诺斯科，伊戈尔·考斯特尤克，尤利安·鲍勃，弗罗林·巴拉，
申请(专利权)人：泰顿生物科学有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US