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通过使用连续预 水解和汽爆预处理工艺预提取半 纤维素的系统和方法

阅读：684发布：2020-12-31

专利汇可以提供通过使用连续预水解和汽爆预处理工艺预提取半纤维素的系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且已经开发了用于预处理纤维素生物质原料的系统，所述系统包括：第一加压反应器，其接收原料，其中，所述原料在所述第一加压反应器中经受水解；密封装置，其具有到所述第一加压反应器的原料排出端口的第一加压接头，和到第二加压反应器的第二加压接头；排放装置，其用于包含从所述第一加压反应器和所述密封装置中的至少一个中的原料提取的溶解的半纤维素材料的液体；第二加压反应器组件，其在基本上大于所述第一反应器中的压力的压力下接收来自密封装置的加压原料，其中，在所述第二加压反应器中，所述原料的细胞注入水；和膨胀装置，其在所述第二加压反应器组件下游，其中，所述膨胀装置快速释放从所述第二加压反应器排出的原料的压力，以使所述原料经受汽爆反应。，下面是通过使用连续预水解和汽爆预处理工艺预提取半纤维素的系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于预处理纤维素生物质原料的系统，包括：
第一加压反应器，其接收原料，其中，所述原料在所述第一加压反应器中经受水解；
密封装置，其具有到所述第一加压反应器的原料排出端口的第一加压接头，和到第二加压反应器的第二加压接头；
排放装置，其用于包含从所述第一加压反应器和所述密封装置的至少一个中的原料提取的溶解的半纤维素材料的液体；
第二加压反应器组件，其在基本上大于所述第一反应器中的压力的压力下接收来自所述密封装置的加压原料，和
膨胀装置，其在所述第二加压反应器组件下游，其中，所述膨胀装置快速释放从所述第二加压反应器排出的原料的压力，以使所述原料经受汽爆反应，
其中，所述第一反应器和所述第二反应器每一个包括接受直接蒸汽加热的蒸汽相，和用于与原料反应或加热原料的液体相。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一加压反应器具有接收原料的下部区域和包括原料排出端口的上部区域，所述排放装置位于所述下部区域处，将所述溶解的半纤维素材料从所述第一加压反应器排出。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述第一加压反应器倾斜，以使所述原料排出端口处于所述反应器下端。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的系统，其中，用于所述溶解的半纤维素材料的所述排放装置经过减压阀，到达泄料箱。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的系统，还包括弱酸、二氧化硫气体(SO2)、氧气、压缩空气、氨气、水蒸汽、水或其他催化剂中的至少一种的源，并且所述源连接到所述第一加压反应器或所述第二加压反应器的至少一个的入口。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的系统，其中，所述密封装置为加压螺旋进料器。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的系统，还包括从所述第二加压反应器组件接收原料并且将原料提供到所述膨胀装置的反应器排出装置。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的系统，其中，所述第二加压反应器组件包括第二加压反应器和连接到所述第二压力反应器的加压原料排出端口的反应器排出装置。
9.一种用于预处理纤维素生物质原料的系统，包括：
第一加压反应器，其接收原料，其中所述原料在所述第一反应器中，在1.5巴表压到6巴表压范围内的表压下，并且在至少110摄氏度的温度下经受水解；
密封提取装置，其具有到所述第一加压反应器的原料排出端口的第一加压接头和到第二加压反应器的第二加压接头；
清洗步骤，其将清洗液引入所述第一加压反应器和所述密封提取装置的至少一个中的所述原料内；
排放装置，其用于去除包含从所述第一加压反应器和所述密封提取装置的至少一个中的所述原料提取的溶解的半纤维素材料的液体；
第二加压反应器组件，其接收来自所述密封提取装置的加压原料，并且将蒸汽或水汽注入到所述第二加压反应器中的原料内，其中，所述反应器组件将在8巴表压到25.5巴表压范围内的压力施加到原料，并且所述第二加压反应器组件具有连接到排出管道的加压排出端，和
膨胀装置，其在所述第二加压反应器组件下游，其中，所述膨胀装置快速释放从所述第二加压反应器排出的原料的压力，以使所述原料经受汽爆反应。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述加压密封装置为加压密封提取装置，并且包括用于来自所述加压密封提取装置的溶解的半纤维素材料的液体的排放装置。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其中，所述第二加压反应器组件包括第二加压反应器和连接到所述第二压力反应器的加压原料排出端口的反应器排出装置。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述反应器排出装置包括盘式研磨机、中密度纤维板(MDF)盘式研磨机、盘式高压压缩机或排出料塞送料机中的至少一个。
13.根据权利要求9到12中任一项所述的系统，其中，所述膨胀装置降低了所述原料的压力至少10巴。
14.根据权利要求9到13中任一项所述的系统，其中，所述第一加压反应器倾斜，以使所述第一加压反应器的下端与所述第一加压反应器的具有原料排出端口的端部相对，并且在所述第一加压反应器下端的排放装置将溶解的半纤维素材料从所述第一加压反应器排出。
15.根据权利要求9到14中任一项所述的系统，还包括弱酸、二氧化硫气体(SO2)、氧气、压缩空气、氨气和催化剂、水蒸汽、水中至少一种的源，并且所述源连接到所述第一加压反应器和所述第二加压反应器的至少一个的入口。
16.根据权利要求9到15中任一项所述的系统，其中，所述第二加压反应器组件包括第二加压反应器和连接到所述第二压力反应器的加压原料排出端口的反应器排出装置。
17.一种用于预处理纤维素生物质原料的方法，包括以下步骤：
在第一加压反应器中预处理原料，其中，所述原料在所述第一加压反应器中经受水解；
将所述原料从所述第一加压反应器排出到加压密封装置，所述加压密封装置具有到所述第一加压反应器的原料排出端口的第一加压接头；
在所述第一加压反应器中通过将蒸汽喷射到所述第一加压反应器中维持所述第一加压反应器中的蒸汽相，其中，所述喷射的蒸汽向所述第一加压反应器中的原料提供热能；
在所述第一加压反应器或所述加压密封装置的下游区域中清洗所述原料；
将包含从来自所述第一加压反应器和所述加压密封装置的至少一个的所述原料提取的溶解的半纤维素材料的液体排放；
通过第二加压接头将所述原料从加压密封装置排出到第二加压反应器，其中，所述原料在所述第二加压反应器中保持在比在所述第一加压反应器中更高的压力下；
在所述第二加压反应器中，通过将蒸汽或水汽喷射到所述第二加压反应器中，注入原料细胞蒸汽或水汽，和
快速释放施加到所述注入水的原料的压力，以使蒸汽在所述原料的细胞中膨胀，并且研磨所述原料。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括将弱酸、二氧化硫气体(SO2)、氧气、压缩空气、蒸汽、水和催化剂引入所述第一加压反应器和所述第二加压反应器的至少一个中的原料。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，所述预处理原料的步骤在具有在110摄氏度到160摄氏度范围内的内部温度和在150千帕到600千帕范围内的压力下的所述第一加压反应器中进行，并且其中，所述原料保持在所述第一加压反应器中十分钟到六十分钟的时间段。
20.根据权利要求17到19中任一项所述的方法，其中，预处理所述原料的步骤在具有在110摄氏度到175摄氏度范围内的内部温度和在150千帕到1000千帕范围内的压力下的所述第一加压反应器中进行，并且其中，所述原料保持在所述第一加压反应器中十分钟到六十分钟的时间段。
21.根据权利要求17到20中任一项所述的方法，其中，所述原料以连续流流经所述第一加压反应器、所述加压密封装置、所述第二加压反应器，并且流到所述第二加压反应器下游的快速压力释放装置。
22.根据权利要求17到21中任一项所述的方法，其中，压力快速释放装置降低所述原料的压力至少10巴。
23.根据权利要求17到22中任一项所述的方法，其中，所述清洗步骤在所述排出步骤和所述排放步骤之间，并且从在所述第一加压反应器和所述第二加压反应器之间清洗来自所述原料的溶解的半纤维素材料。
24.权利要求23所述的方法，其中，所述清洗步骤在低于160℃的温度下进行。
25.权利要求23或24所述的方法，其中，所述清洗步骤在低于140℃的温度下进行。
26.根据权利要求17到25中任一项所述的方法，其中，所述方法为连续过程。
27.根据权利要求17到26中任一项所述的方法，其中，所述原料以连续流流经所述第一加压反应器和所述第二加压反应器。
28.根据权利要求17到27中任一项所述的方法，其中，喷射到所述第二反应器中的所述蒸汽或所述水汽在所述第二反应器中形成蒸汽相。

说明书全文

通过使用连续预 水解和汽爆预处理工艺预提取半 纤维素的

系统和方法

[0001] 本申请要求2008年2月28日提交的美国临时专利申请61/032,115和2009年2月19日提交的美国专利申请序列号No.12/389,020的权益，所述专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

[0002] 本发明涉及纤维素生物质原料，例如农业废弃物(包括茎、秣草和壳)、秸秆和草、森林和锯木厂废弃物(包括木屑和间伐材碎片)的预处理。具体地，本发明涉及用于从生物质原料提取碳糖的预水解和汽爆预处理。

背景技术

[0003] 通常在预处理中使用高压和/或高温来从纤维素原料产生醇类，例如乙醇。在这些传统的预处理中，一些C5糖转化为在预处理之后的发酵步骤中抑制C6糖的酒精发酵的组分。去除这些抑制组分，例如醛(如HMF，糠醛和甲醛)、单酚(例如香草醛和松柏醛)、酸(例如甲酸)和其他抑制剂应在预处理后的C6发酵中提高酒精收率。

发明内容

[0004] 已经开发了用于预处理纤维素生物质的系统，所述系统包括：第一加压反应器，其接收原料，其中，所述原料在所述第一加压反应器中经受水解；密封装置，其具有到所述第一加压反应器的原料排出端口的第一加压接头，和到第二加压反应器的第二加压接头；排放装置，其用于包含从所述第一加压反应器和所述密封装置中的至少一个中的原料提取的溶解的半纤维素材料的液体；第二加压反应器组件，其在基本上大于所述第一反应器中的压力的压力下接收来自密封装置的加压原料，和膨胀装置，其在所述第二加压反应器组件下游，其中，所述膨胀装置快速释放从所述第二加压反应器排出的原料的压力，以使所述原料经受汽爆反应，其中，所述第一反应器和所述第二反应器每一个包括接受直接蒸汽加热的蒸汽相，和用于与原料反应或加热原料的液体相。

[0005] 在另一个实施例中，用于预处理纤维素生物质原料的系统可包括：第一加压反应器，其接收原料，其中所述原料在所述第一反应器中，在1.5巴表压到6巴表压范围内的表压下，并且在至少110摄氏度的温度下经受水解；密封提取装置，其具有到所述第一加压反应器的原料排出端口的第一加压接头和到第二加压反应器的第二加压接头；清洗步骤，其将清洗液引入所述第一加压反应器和所述密封提取装置的至少一个中的所述原料内；排放装置，其用于去除包含从所述第一加压反应器和所述密封提取装置的至少一个中的所述原料提取的溶解的半纤维素材料的液体；第二加压反应器组件，其接收来自所述密封其他装置的加压原料，并且将蒸汽或水汽注入到所述第二加压反应器中的原料内，其中，所述反应器组件将在8巴表压到25.5巴表压范围内的压力施加到原料，并且所述第二加压反应器组件具有连接到排出管道的加压排出端，和膨胀装置，其在所述第二加压反应器组件下游，其中，所述膨胀装置快速释放从所述第二加压反应器排出的原料的压力，以使所述原料经受汽爆反应。

[0006] 已经开发了预处理纤维素生物质原料的方法，包括以下步骤：在第一加压反应器中预处理原料，其中，所述原料在所述第一加压反应器中经受水解；将所述原料从所述第一加压反应器排出到加压密封装置，所述加压密封装置具有到所述第一加压反应器的原料排出端口的第一加压接头；在所述第一加压反应器中通过将蒸汽喷射到所述第一加压反应器中维持所述第一加压反应器中的蒸汽相，其中，所述喷射的蒸汽向所述第一加压反应器中的原料提供热能；在所述第一加压反应器或所述加压密封装置的下游区域中清洗所述原料；将包含从来自所述第一加压反应器和所述加压密封装置的至少一个的所述原料提取的溶解的半纤维素材料的液体排放；通过第二加压接头将所述原料从加压密封装置排出到第二加压反应器，其中，所述原料在所述第二加压反应器中保持在比在所述第一加压反应器中更高的压力下；在所述第二加压反应器中，通过将蒸汽或水汽喷射到所述第二加压反应器中，注入原料细胞蒸汽或水汽，和快速释放施加到所述注入水的原料的压力，以使蒸汽在所述原料的细胞中膨胀，并且可研磨所述原料。附图说明

[0007] 图1图示了用于纤维素生物质原料预处理的双反应器工艺流程图。

[0008] 图2图示了具有倾斜的第一反应器和水平的第二反应器的反应器系统，第一反应器输入端比排出端低。

[0009] 图3图示了具有倾斜的第一反应器和水平的第二反应器的反应器系统，第一反应器输入端比排出端高。

[0010] 图4图示了具有圆锥形第二反应器的反应器系统。

[0011] 图5图示了具有多个旋风分离器的反应器系统。

[0012] 图6图示了具有料塞螺旋进料器的反应器系统。

[0013] 图7图示了具有垂直第一反应器的反应器系统。

[0014] 图8图示了具有圆锥形反应器的反应器系统的可交替布置方式。

具体实施方式

[0015] 图1显示了纤维素生物质原料预处理工艺10的流程图，该预处理工艺10具有用于从原料14水解和溶解半纤维素的第一加压反应器12。半纤维素溶解到液体中来在原料流到第二加压反应器16之前提取C5糖，第二加压反应器16用于蒸煮原料中剩余的纤维素。加压密封装置18允许加压的原料直接从第一反应器12连续流到第二反应器16。

[0016] 原料14可以是纤维素生物质材料，例如农业废弃物(例如茎、秣草和壳)、秸秆和草、森林和锯木厂废弃物(例如木屑和间伐材碎片)。原料14进料到储料仓20，原料至少临时在大气压力下保持在该储料仓20中。储料仓可提供预汽蒸来加热原料。原料由输送器22从储料仓20运送到压力密封装置24，例如旋转阀、料塞螺旋进料器或由Andritz Inc.(Glens Falls，New York，USA)出售的MSD 压力密封装置24用作原料到第一加压反应器12的输入端口。

[0017] 在第一加压反应器12中，纤维素生物质原料使用水解，例如预水解或自动水解预处理来在第二加压反应器16之前从原料提取碳糖，优选提取C5糖。第一加压反应器可以是水平的、倾斜的或垂直的。第一反应器12中的水解蒸煮可以是连续过程，在该连续过程中，原料连续进入、流经反应器12，并且从反应器12排放出到压力密封装置18、流经第二反应器16。

[0018] 在第一加压反应器12中，半纤维素溶解和水解，该半纤维素主要为5碳糖(本文称为“C5糖”)。半纤维素通过管道26在来自第一加压反应器12的液体中提取，管道26从反应器12延伸到泄料箱或桶28。

[0019] 软木中的半纤维素主要是葡甘露糖，其在第一反应器12的预水解和自动水解过程中溶解和水解。例如硬木、谷类秸杆和草中的半纤维素可在第一容器12中的酸性溶液中(可任选存在一种或多种催化剂)溶解和水解为低分子量C5糖，例如木糖和阿拉伯糖，并且在一定程度上溶解和水解为无定形C6糖。低分子量C5和无定形C6糖溶解在反应器12中，并且以液态(液体)从反应器12排放到管26。优选以液态从第一反应器12中的原料去除的C5糖副产物的示例包括：醛(HMF，糠醛和甲醛)、单酚(香草醛和松柏醛)、酸(例如甲酸和蚁酸)。如果不在第一反应器12中从原料分离，由于其或其反应副产物可能抑制C6糖的发酵，因此期望去除这些C5糖副产物。

[0020] 在第一加压容器反应器12中，原料可在酸性溶液中处理，该酸性溶液促进预水解或自动水解来将原料中的半纤维素溶解和水解为低分子量C5糖和无定形C6糖。反应器12可不充满原料，以允许蒸汽相存在于反应器中。蒸汽相给原料提供热能，并且促进原料中的水解反应，原料可存在于反应器中的蒸汽相或液相中的一相或两相中。到反应器12的蒸汽可以由蒸汽源13提供，蒸汽源13将蒸汽在反应器12的一个或多个位置处，并且优选靠近反应器的原料入口直接喷射到反应器内。蒸汽也可在紧邻反应器12的入口上游的原料输送器22，24中喷射。蒸汽在入口上游喷射到反应器12在蒸汽和原料混合物进入反应器之前增强蒸汽和原料的混合。

[0021] 水解以及部分预水解和自动水解统称为纤维素生物质原料在例如110摄氏度(℃)和160℃之间或110℃到175℃的温度下，在1.5巴到6巴(150到600千帕)或1.5巴到10巴(150到600千帕)的表压下蒸煮约十(10)分钟到六十(60)分钟，并且优选蒸煮20到30分钟。为了促进水解并且提供加压，第一加压反应器12可接收弱酸、二氧化硫气体(SO2)、氧气、压缩空气、氨气、水、水汽、蒸汽(用于加热和保温)和来自这些化合物的每一个源30，13的催化剂中的一种或多种流。所接收的一种或多种流30，13可在靠近原料进入反应器处并且远离原料离开第一加压容器处引入第一加压反应器12。作为添加酸的替代方式，第一反应器12可利用自动水解条件，例如通过使用由原料在自动水解条件下释放的木酸。

[0022] 原料可以湿态或干态从第一反应器12排出。稀释水或液32可任选地添加到第一反应器12或密封提取装置18。添加稀释水对从密封提取装置18去除任何溶解的物质是有益的，并且提高流经管道26和48的流中回收的糖量。

[0023] 而且，清洗步骤15可包括在第一反应器12中或紧跟在第一反应器12下游，在第二反应器16上游，优选在密封提取装置18上游，以使用稀释清洗原料，例如确保水解反应已经停止。例如，清洗步骤在第一反应器12流程结束处或在密封提取装置18中。清洗步骤15将清水，例如来自稀释水源32，引入到清洗区(见图7)中的原料，该清洗区靠近第一反应器出口或在密封提取装置18中。来自源32的清洗水可具有不超过160摄氏度、不超过140摄氏度或不超过110摄氏度的温度。清洗水的温度低于第一反应器12中的温度，以抑制清洗区中的水解反应。清洗区通过例如排水管48提取滤出液17。

[0024] 清洗步骤应在汽爆步骤上游，例如在阀34上游。在汽爆步骤上游清洗原料比在汽爆步骤之后清洗原料更经济有效。汽爆步骤降低原料粒度，因而提高原料的比表面积。小微粒和所得的大比表面积增加了脱水和清洗原料的难度。由于在汽爆之前原料相对较粗，并且具有较小的比表面积，因此清洗在汽爆步骤上游避免了这些困难。

[0025] 由于与清洗较小微粒相比较，清洗具有较大微粒的原料更有效，因此清洗设备，例如清洗区、水喷射器、滤液筛和提取装置可比清洗汽爆步骤下游所需的设备更灵巧，并且更廉价。同样地，与清洗相关的成本，例如，如果清洗步骤在汽爆步骤上游，比清洗步骤在汽爆步骤下游提供清洗液和提取滤出液的成本更少。

[0026] 泄料箱28通过管(也称为管道)26和48收集来自从第一反应器12和密封提取装置18中的原料提取的半纤维素的溶解的组分，例如C5糖。溶解的半纤维素液体溶液，例如从反应器12提取的C5糖，可通过通到泄料箱28的管48中或泄料箱28的排出端处的减压阀49减压。从原料分离并且存储在泄料箱28中后，半纤维素中的C5糖可通过传统工艺转化为木糖，以用作食品添加剂，通过有氧或无氧发酵转化为沼气，通过高辛烷氧化处理转化为甲基呋喃，并且转化为含水糖，以用于转化为醇类，例如乙醇。C5糖的转化可使用特定的微生物，例如酶，以促进转化反应。

[0027] 对于本发明中的任何反应器系统，可在第一反应器和第二反应器之间包括任选的清洗设备，以清洗原料。清洗设备可包括用于溶剂(例如用于第一反应器中的酸性溶液、水、水蒸汽或其组合)的输入端，以在去除溶解的半纤维素之前或之后与原料混合。该溶剂可进一步溶解在第一次去除溶解的组分之后没有去除的与原料结合的半纤维素。溶剂可在低于第一反应器的温度和压力的温度和压力下引入。由于温度或压力或两者都低于第一反应器的，因此溶剂具有阻止由第一反应器诱发的原料中的一种或多种化学反应的附加优点。盛装具有增加半纤维素的溶剂的清洗设备输出可单独处理，或与之前提取的溶解组分在泄料箱28中混合。清洗设备可进一步包括附加的蒸汽端口和输入端，以维持该过程的温度和压力。清洗设备可结合到第一反应器12或密封提取装置18中，从而其他硬件不需要实施清洗步骤。例如，第一反应器或密封提取装置可包括附加溶剂的输入端口，该附加溶剂用于进一步清洗原料。该溶剂可使用反应器系统的普通的溶剂去除端口，例如管道26或48去除。

[0028] 在去除溶解的半纤维之后，将剩余的原料从第一反应器12排出到密封提取装置18。原料保持加压，并且从第一反应器流到密封提取装置18。密封提取装置18将原料从第一反应器12输送到第二反应器16。密封或提取装置可将施加到原料的压力提高到高于第一反应器12中的压力水平，并且提高到适用于将在第二反应器16之后进行的汽爆的水平。
第二加压反应器16可包括水平或圆锥形反应器容器。

[0029] 加压密封提取装置18可以是(MSD) 类似螺杆装置的挤出机或料塞螺旋进料器或将预处理的原料挤压来提取溶解组分(主要是半纤维素)的类似装置，该溶解组分通过管道48排出到泄料箱28或类似装置。密封提取装置可将原料的压力从第一反应器的排出端处的表压，例如1.5巴到10巴，提高到第二反应器16中的8巴到高于25巴的表压。

[0030] 加压的原料可通过重力、通过原料在反应器中的连续流动(如图2到6中所示)或通过图7中所示的卸料刮刀或卸料螺杆51从第一反应器12流到密封提取装置18。密封提取装置18在第一和第二加压反应器12和16之间提供密封。由于原料在压力下从第一反应器12排出，因此密封提取装置18优选具有构造用于在压力下接收原料的入口。例如，到密封提取装置18的入口密封到第一反应器12的出口，并且在原料进入装置18时不释放压力。

[0031] 第二反应器16可以是例如垂直、水平或圆锥形的反应器。垂直反应器显示在图7和8中，并且可包括用于促进原料向下流动的底部截面，例如美国专利5,617975和5,628,873中公开的菱形截面，所述专利以引用的方式并入本文中。用于第二反应器16的合适的容器为传统的，并且通常用于汽爆制浆工艺中。

[0032] 第二反应器优选在比第一反应器更高的压力下操作。原料在高表压下，例如在8巴到25.5巴之间，从第二反应器组件(其可包括第二反应器16或第二反应器16和反应器排出装置36)排出。第二反应器组件可包括排出装置52，例如排出螺旋进料器，其将原料移动到反应器排出装置36。工艺10将原料从第一反应器12经过密封提取装置18、第二反应器16、反应器排出装置36到排污阀34保持在基本上高表压下，例如高于1.5巴。

[0033] 第二反应器16在例如170℃到230℃下，并且在八(8)巴到25.5巴(800千帕到2,550千帕)下处理纤维素生物质约二到五分钟(或更长)。第二反应器16可包括蒸汽相，其中蒸汽直接喷射在反应器中，以给原料提供热能。在第二反应器16中，一种或多种来自源53，32的蒸汽、水汽和液态水扩散到原料的木质纤维素内部结构中。另外，蒸汽、水汽或液态水源53，32可将其他液体，例如催化剂液体源喷射到第二加压反应器16中。

[0034] 水32可直接喷射到第二反应器16或密封提取装置18中，以提供将注入到原料中的稀释水。稀释水32和蒸汽、水汽和催化剂源53可在靠近原料进入反应器处喷射到第二反应器16中。

[0035] 蒸汽或水汽在第二反应器16中注入到原料内。蒸汽和水汽在第二反应器中正在处理的木质纤维素材料的内部结构的毛细管状微孔结构中部分凝结为液态水。

[0036] 通过穿过第二反应器组件下游的排污阀34，原料的压力显著降低。横跨排污阀34的压降优选压力减少至少十(10)巴。原料的压力可通过排污阀34减小到一到两巴表压，其中零巴表压基本上为大气压。横跨阀34的大的压降适用于汽爆制浆。快速压降，例如“闪蒸”，转变为汽蒸原料的木质纤维素材料细胞中的冷结液态水。水蒸气在原料细胞中的转变导致原料木质纤维素细胞中的混乱，例如“爆炸”。由于由蒸汽占据的细胞中的体积比水占据的多得多，因此发生混乱。混乱包括原料的各细胞的破裂和纤维沿无定形纤维素的断裂，例如在原料纤维素结构的圆柱状管和纤维之间。

[0037] 原料在第二反应器16排出端处的压力可足够用于汽爆制浆，如图8中所示。可替代地，排出装置36可包括在第二反应器组件中，以将原料压力增加到高于第二反应器中的压力。反应器排出装置36可进一步将原料压力提高到适用于汽爆制浆的压力，例如提高到8巴表压到25巴表压。

[0038] 第二加压反应器16可在高压下将原料排出到第二反应器和排污阀34之间的反应器排出装置36。第二加压反应器组件可包括具有或不具有反应器排出装置36的反应器16。反应器排出装置可以是例如第二反应器原料排出端口处的刮刀或清扫器、盘式研磨机、中密度纤维板(MDF)盘式研磨机、盘式高压压缩机或排出料塞进料器。例如，反应器排出装置36的实施例可以是由功率为150 马力(110千瓦)的电机驱动的在1200转每分(RPM)到3000RPM的旋转速度下操作的单盘研磨机。反应器排出装置36的盘式研磨机的实施例也可在原料通过经过排污阀34经受汽爆之前部分精研加压的原料。

[0039] 在汽爆过程中，处理的原料微粒从原料的纤维素网分离。旋风分离器或泄料箱38包括用于微粒的下部排出端39和用于蒸汽、不凝气体(NCG)、可压缩气体和其他化学蒸汽40的上部蒸汽排出端41。这些蒸汽40可回收，例如通过将蒸汽经过换热器来回收蒸汽中的热能，这些蒸汽可包括易挥发有机化合物(VOCs)。

[0040] 从旋风分离器或泄料箱38的下部排出端39排出的处理原料的分离的微粒可在冷却装置42中冷却，冷却装置42可包括带式或螺杆式输送器。处理的原料可通过其他一个或多个反应器44进一步处理，所述一个或多个反应器44可向处理的原料施加酸或酶处理。处理的原料最终以预处理原料46排出。

[0041] 图1中所示的工艺10可以多种反应器和其他装置的结构实现。这样的反应器和其他装置的结构的几个实施例显示在图2到8中。图2到8中的与图1共用的附图标记指代进行图1中共用的附图标记标示的相同功能的装置。

[0042] 如图2到8中所示，第一反应器12，例如预水解反应器，可以是：如图2到8中所示的倾斜的；如图9中所示垂直布置的，或如图10中所示的基本上水平布置的。

[0043] 第一加压反应器12可以是传统的反应器，例如潘迪亚式反应器，其具有内部螺旋钻或螺杆，以将原料移动通过反应器。原料可经过压力密封装置24(图1中)进入第一反应器12，压力密封装置24可以是旋转阀60(例如图2、4、5、7和8中所示)、料塞螺旋送料机62，例如MSD (如图3和6中所示)或将未加压原料引入加压反应器的其他进料系统。

[0044] 从反应器12排出的溶解的半纤维素可排放到管道26(如图2、4、6和7中所示)中，或完全排放到加压密封提取装置18(如图3和5中所示)中。如图2、3、4和5中所示，具有与排出原料的上端54相对的下端50的倾斜的第一反应器12将以液体在反应器下端50处排放大部分或全部溶解的半纤维素，例如C5糖。这些倾斜的第一反应器上端54具有到加压密封装置18的压力保持接头，该加压密封装置18可以是料塞螺旋进料器。具有溶解的半纤维素的其他液体可从密封装置18提取出，并且通过管道48和26引导到减压阀49，并且引导到泄料箱或桶28。如图3中所示，第一反应器12可倾斜，以使反应器容器的下端
56具有到加压密封装置的压力保持接头。如图3中所示的反应器12的下端56将原料和全部液体半纤维素材料排出到压力密封装置18。管道48将液体半纤维素从压力密封提取装置18排放，并且将液体引导到减压阀49和泄料箱或桶28。

[0045] 图4到6显示出原料在经过排污阀34并且通过汽爆处理之后，可分离为不同的流，每一个流具有不同的旋风分离器382、384和386，以及不同的排出装置和进一步的反应器422、424和426。例如，来自原料的纤维素的一部分可保留，以单独分离和处理用于纸浆(纸)或特定化学应用。

[0046] 图8中所示的倾斜的第一加压反应器12具有连接到加压密封装置18的下端56。反应器的上端58具有任选的排放管道26，其允许半纤维素液体从反应器流到减压阀49和泄料箱28。

[0047] 图7中所示的垂直的第一加压反应器12包括原料清扫器和运输器51，运输器51将原料从反应器容器排出，并且将半纤维素液体排放到管道26，管道26将所述液体引导经过减压阀49，并且引导到泄料箱或桶。

[0048] 纤维素生物质原料预处理工艺10的实施例的优点是，反应器容器优选具有恒定或增加的横截面，以允许原料流体积或流速的增大，而与横截面载荷的变化、反应器容器的沟道效应或堵塞无关。例如，反应器12，16中的每一个可垂直、倾斜和水平取向。同样地，流经每一个反应器的反应器原料可根据反应器容器的方向为向下、向上或水平。

[0049] 虽然本发明已经关于目前被认为是最实用和优选的实施例进行了描述，但是应可理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改形式和等同布置。

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