專(zhuān)利名稱(chēng):將植物生物質(zhì)連續(xù)分離為液體相和稠漿狀含固體相的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及將植物生物質(zhì)連續(xù)分離為液體相和稠漿狀含固體相的方法。所述液體相和含果肉相的固體都可再利用,即它們都具有工業(yè)上的價(jià)值。該方法的起始原料是處于濕潤(rùn)狀態(tài)的植物生物質(zhì)。
本發(fā)明方法使用的植物生物質(zhì)或者為自然濕潤(rùn)狀態(tài),或者為工業(yè)加工的濕潤(rùn)狀態(tài)。
一種采用工業(yè)加工濕潤(rùn)狀態(tài)的植物生物質(zhì)的例子是廢谷物,更具體地說(shuō)是用于制造啤酒、威士忌等的廢谷物。
一種采用自然濕潤(rùn)狀態(tài)的植物生物質(zhì)的例子是從中可產(chǎn)出飼料的新鮮起始原料,更具體地說(shuō)是來(lái)自牧場(chǎng)的草。通常,人們考慮處于自然濕潤(rùn)狀態(tài)的植物生物質(zhì)的例子是具有高蛋白質(zhì)含量和/或糖含量的新鮮植物或植物成分或它們的新鮮渣。這具體地包括三葉草、苜蓿草和草(上面提到的),但是還可以是豆類(lèi)植物、大豆、高梁、芥菜、羽衣甘藍(lán)草、蕪菁、香蕉葉、甘蔗渣、葡萄皮、外殼/皮、果渣如柑橘類(lèi)水果和無(wú)核水果的渣,以及富水植物(ranking water plants)如浮萍屬和風(fēng)眼藍(lán),及幾種其他的植物。
從美國(guó)專(zhuān)利US3684520A和/或FR2294647A和/或FR2294648A中已知加工新鮮的碎葉綠植物或其他碎植物生物質(zhì),所述植物處于自然濕潤(rùn)狀態(tài),首先在一個(gè)混合機(jī)中與目標(biāo)添加劑相結(jié)合,然后在一個(gè)壓榨機(jī)中產(chǎn)生壓榨的汁液,蛋白質(zhì)和/或葉綠素從所述汁液中分離出來(lái),及壓榨餅可以被經(jīng)濟(jì)地干燥。
在美國(guó)專(zhuān)利US3684520A中更具體地描述了壓榨促使自然植物的結(jié)構(gòu)被破壞,使不同的物質(zhì)(所述物質(zhì)一般通過(guò)植物的結(jié)構(gòu)組織作用被分離出來(lái))相互接觸,這會(huì)使這些物質(zhì)中的一些被降解。
在FR2294647A和/或FR2294648A中更具體地描述了用來(lái)自壓榨機(jī)的循環(huán)的榨出汁向混合機(jī)進(jìn)料,從而將循環(huán)的榨出汁與待壓榨的物質(zhì)相混合,其目的是利用循環(huán)汁液的熱量及其包含的化學(xué)物質(zhì)(如果存在的話)。從公開(kāi)的內(nèi)容看出,循環(huán)的榨出汁的重量約為處理的生物質(zhì)干重的3倍,及小于用于產(chǎn)品分離的榨出汁輸出量之重量。還公開(kāi)了在進(jìn)行混合操作之前對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行機(jī)械裂解處理,如在錘式粉碎機(jī)進(jìn)行撕裂或粉碎處理。
另外,一種類(lèi)似于現(xiàn)有技術(shù)提到的方法如EP0213605A公開(kāi)的方法,在該專(zhuān)利中來(lái)自甘蔗(非甘蔗渣)的生物質(zhì)被進(jìn)行干餾以生產(chǎn)纖維和非纖維部分;與厚壁組織細(xì)胞相對(duì)應(yīng)的纖維部分包括外殼和維管束,及與軟組織細(xì)胞相對(duì)應(yīng)的非纖維部分。甘蔗塊首先被刀片切碎以得到剁碎的物料,粒徑為2-6cm,然后干燥,然后分餾。非纖維部分是高糖含量的固體物料,適宜用作動(dòng)物的飼料或制糖的起始原料。纖維的制備不是本發(fā)明的目的。
在GB1377438A中更具體地公開(kāi)了輸入自然濕潤(rùn)狀態(tài)的植物生物質(zhì)至裝配有旋轉(zhuǎn)刀片的容器中,及將從所述植物生物質(zhì)中分離出的含水汁液的一部分再循環(huán),從而減少懸浮于綠色汁液中起始原料的尺寸;從所述綠色汁液中分離葉綠體核蛋白質(zhì),留下清汁液的殘留物;從清汁液中分離胞漿蛋白留下以棕色汁液為特征的殘留物;所述棕色汁液的濃縮物或者用于生產(chǎn)糖漿,或者再循環(huán)到所述第一操作。再循環(huán)液的重量是所述植物生物質(zhì)(是紫花苜蓿)重量的1-3倍。據(jù)說(shuō)該方法能產(chǎn)生有價(jià)值的汁液并留下適宜用作動(dòng)物飼料的干燥蛋白質(zhì)。纖維的制備不是該方法的目的。
在US4468463A中更具體的公開(kāi)了輸入肥料到粉碎機(jī)及再循環(huán)從所述肥料中分離出的一部分含水汁液。
為了處理植物生物質(zhì)在含水汁液中的流動(dòng)懸浮物以制備纖維,及由于生物質(zhì)的纖維形成細(xì)胞壁(該細(xì)胞壁封住了有價(jià)值的有機(jī)物如蛋白質(zhì)和其他位于細(xì)胞中的目標(biāo)產(chǎn)品),需要對(duì)所述細(xì)胞壁進(jìn)行粉碎操作,從而釋放并回收有價(jià)值的有機(jī)物。
在前面所提到的現(xiàn)有技術(shù)中,該粉碎操作是通過(guò)沖壓、碾壓和/或切碎完成的,上述操作會(huì)使纖維散亂地變短。此外,這種處理不能將纖維相互地分離開(kāi)來(lái)和挑選出來(lái)。另外,當(dāng)運(yùn)用該方法處理包含適宜百分比的完整細(xì)胞(該細(xì)胞具有不可破碎的細(xì)胞壁)的植物原料時(shí),沖壓是一種相當(dāng)?shù)托У母稍锓椒ā?br>
一種已知類(lèi)型的粉碎機(jī)用于分裂細(xì)胞壁并將小直徑的纖維挑選出來(lái),同時(shí)維持纖維的長(zhǎng)度,至少達(dá)到適宜的程度。這種特別類(lèi)型的粉碎機(jī)例如被公開(kāi)在各自的公報(bào)專(zhuān)利或?qū)@暾?qǐng)或?qū)嵱眯滦臀墨I(xiàn)DE2338964A、DE3231168B、DE3533255A、EP0134697B、DE7819825B和DE7808695U中,所述粉碎機(jī)例如可以從Siefer Maschinen-fabrikGmbH 3 Co.KG,D-42551 Velbert(Germany)購(gòu)得,cf.例如(其中)它們的工業(yè)實(shí)例為T(mén)RIGONAL(R)type SM 290。重要的是,這種特別類(lèi)型的粉碎機(jī)是具有至少一個(gè)粉碎段的旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī),所述粉碎段包括相互聯(lián)系的定子和轉(zhuǎn)子部件,它們具有各自的操作表面并被所述粉碎段的相聯(lián)操作隙間隔開(kāi),所述表面通過(guò)相聯(lián)操作隙相對(duì)設(shè)置,所述表面的每個(gè)都裝配了切割部件,所述切割部件直接進(jìn)入所述相聯(lián)操作隙并止于切割緣,粉碎段的有效保護(hù)隙被定義為如下位置的最小距離當(dāng)所述粉碎機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在各段的相聯(lián)操作隙中其中一個(gè)切割緣與另一個(gè)操作面之間的距離。
傳統(tǒng)上,這種特別類(lèi)型的粉碎機(jī)被給入產(chǎn)品懸浮液,該懸浮液由所述產(chǎn)品被切碎后置入載體流或介質(zhì)中形成。當(dāng)使用植物生物質(zhì)時(shí),需要加入一些含水液體,因?yàn)橹参锷镔|(zhì)的自然濕度不足以提供所需要的懸浮液,及粉碎操作會(huì)產(chǎn)生易于堵塞所述粉碎機(jī)的漿料。然而,基于經(jīng)濟(jì)的原因通常加入含水液體的量被保持在盡可能低的水平以有利于粉碎機(jī)的操作,即不高于適宜處理所述物質(zhì)所需要的量,這意味著植物生物質(zhì)在含水液體中以相當(dāng)濃的懸浮液形式被輸入粉碎機(jī);cf.例如根據(jù)上面提到的GB1377438A的教導(dǎo),其中循環(huán)液的重量是植物生物質(zhì)重量的1-3倍。然后,所述粉碎機(jī)制造懸浮在含水汁液中的粉碎生物質(zhì)物料的漿料。該漿料最終被分離為含水汁液和糊狀物,然后它們都被最大程度地使用。
令人驚奇地是,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)上面所提到的粉碎機(jī)類(lèi)型的慣用操作模式被改變,從而使得含水液體的加入量多于完全處理該物料所需要的量,即所述粉碎機(jī)的正確操作,這種改變(即使用更多的添加含水液體)提高了粉碎機(jī)挑選小直徑纖維的處理能力,同時(shí)維持了纖維在所得到的漿液中的長(zhǎng)度,及還會(huì)對(duì)所述植物生物質(zhì)的細(xì)胞起作用以打開(kāi)它們,使它們所含的物質(zhì)釋放到含水汁液中。
為了達(dá)到上面所述效果,優(yōu)選地,所述粉碎機(jī)的最后粉碎段具有一個(gè)有效的剪切隙,其寬度10倍于所產(chǎn)生的預(yù)定最大纖維厚度并在含固體相中結(jié)束。
所述驚人效果是由流動(dòng)懸浮物內(nèi)部一定流速梯度產(chǎn)生,該成分足以產(chǎn)生一種剪切效應(yīng),作用于植物生物質(zhì)的細(xì)胞以打開(kāi)它們并使其所含的物質(zhì)釋放到含水汁液中,留下的殘?jiān)饕衫w維組成。相信所述剪切效應(yīng)促使所述纖維與流動(dòng)方向相一致,及因此防止它們?cè)诜鬯闄C(jī)通過(guò)縱向被切斷。
然而,在切割設(shè)備中類(lèi)似的驚人效果是沒(méi)有使用任何切割部件。這樣一種切割設(shè)備至少有一個(gè)切割段,由相互連接在一起的定子和轉(zhuǎn)子部件組成,通過(guò)所述級(jí)一個(gè)相連的有效切割隙將各自切割面分隔開(kāi),所述切割面通過(guò)相連的有效切割隙面對(duì)面設(shè)置。
因此,所述驚人效果不僅由于通過(guò)處理設(shè)備的載體流的流速提高,還由于所述漿料一同被稀釋?zhuān)幌笊厦嫠f(shuō)的,所述驚人效果主要是由于懸浮流通過(guò)處理設(shè)備時(shí)產(chǎn)生了一定流速梯度,該梯度產(chǎn)生的切割效應(yīng)作用于所述植物生物質(zhì)的細(xì)胞。相信所述強(qiáng)切割效應(yīng)還破壞了生物質(zhì)中細(xì)胞的結(jié)構(gòu),這是從該處理設(shè)備的含水汁液中以高百分比回收有價(jià)值產(chǎn)品的原因,所述產(chǎn)品如蛋白質(zhì)和/或葉綠素及其他有機(jī)產(chǎn)物(如用于制造發(fā)酵產(chǎn)品和/或生物氣的產(chǎn)物)。這也說(shuō)明了在糊狀物(所述糊狀物由流出處理設(shè)備的漿料產(chǎn)生)中例如通過(guò)壓榨作用容易達(dá)到相當(dāng)?shù)偷暮俊嘈爬w維中的細(xì)胞經(jīng)切割破壞后使后者含有較少量的水,因此相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中達(dá)到的含水量更容易被干燥。
最后,當(dāng)經(jīng)過(guò)處理的稀釋漿料被分割后,所得到的含水汁液和糊狀物都具有現(xiàn)有技術(shù)不能達(dá)到的特征,從而使它們比從濃縮漿料中得到的含水汁液和糊狀物更具有價(jià)值,下面將要做出詳細(xì)地解釋。
因此,本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種如上面所描述的方法來(lái)處理植物生物質(zhì),包括在流動(dòng)懸浮液內(nèi)部產(chǎn)生一定流速梯度,該梯度足以作用于植物生物質(zhì)的細(xì)胞以打開(kāi)所述細(xì)胞,并允許其中所含物質(zhì)釋放到含水汁液中,而主要由纖維組成并最終為含固體相的殘?jiān)涣粝聛?lái),所產(chǎn)生的含水汁液和糊狀物更具有工業(yè)價(jià)值,更具體地說(shuō),它們的應(yīng)用相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的情況在技術(shù)上和/或經(jīng)濟(jì)上更有利。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種如上面所描述的方法,將所述漿料分離為稠漿狀(即含糊狀物的纖維)含固體相和液體相(即含水的汁液),所述糊狀物含有大量有價(jià)值的細(xì)長(zhǎng)纖維,該糊狀物相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)能被更經(jīng)濟(jì)地干燥并能更有意義地使用,所述含水汁液能容易分離或直接使用來(lái)自細(xì)胞的有價(jià)值的有機(jī)物如蛋白質(zhì)、葉綠素、發(fā)酵產(chǎn)品等。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種如上面所描述的方法,其中能量代謝、輸入和輸出物料的經(jīng)濟(jì)方面都可以被最佳化,及更具體地說(shuō),當(dāng)前送往所述系統(tǒng)的新鮮水大大地小于與通過(guò)產(chǎn)生梯度(gradient-generating)的處理設(shè)備的水流對(duì)應(yīng)的水量,另外,其中所有得到的產(chǎn)品(即所有含水汁液和湖狀物)被利用及沒(méi)有產(chǎn)生明顯數(shù)量的廢產(chǎn)物。
根據(jù)本發(fā)明,通過(guò)將權(quán)利要求1描述的方法步驟相結(jié)合這些目的可以被實(shí)現(xiàn),該方法優(yōu)選的技術(shù)方案被記載在后面的權(quán)利要求書(shū)中。
本發(fā)明方法一些具體的方面如下所述載體流中生物質(zhì)的懸浮物優(yōu)選被大于載體流4倍的水稀釋?zhuān)枰妮d體流量?jī)H僅取決于傳統(tǒng)的技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)因素。換句話說(shuō),所使用的載體流量比一般地用量要大,優(yōu)選5倍于一般用量。
任選地,為有利于進(jìn)料,作為起始原料供應(yīng)的植物生物質(zhì)在被送入所述處理設(shè)備之前先被預(yù)切割以減小其尺寸,更具體地說(shuō)在與載體流混合之前。典型地,所述起始原料的尺寸被減小后由長(zhǎng)度不超過(guò)約5厘米的細(xì)長(zhǎng)片組成。當(dāng)所述植物生物質(zhì)由短纖維材料(如廢谷物)組成時(shí)所述預(yù)切割操作可以被省去。
為了節(jié)省處理設(shè)備,可含在起始原料中的任何比植物生物質(zhì)密度大的雜質(zhì)可以通過(guò)重力從起始原料和含水汁液的混合物中分離,所述雜質(zhì)如石頭、沙礫、沙子、灰和其他類(lèi)似的物料,在所述混合物中通過(guò)高度稀釋起始原料當(dāng)然有利于分離。
經(jīng)過(guò)所述處理設(shè)備的通道之后,流出所述處理設(shè)備的懸浮在載體流中的生物質(zhì)漿料被分離為含水漿液和糊狀物,及接下來(lái)含水汁液被分離成兩部分。其中第一部分再循環(huán)使用以作為所述處理設(shè)備的載體流。另一部分(或第二部分)例如被用于分離出有價(jià)值的產(chǎn)品。另外,直接離開(kāi)所述系統(tǒng)的含水汁液的第二部分具有如下水含量,該水含量約維持了水的平衡及補(bǔ)償進(jìn)入所述系統(tǒng)的水量和離開(kāi)所述系統(tǒng)的水量,其中前者為作為起始原料的植物生物質(zhì)所含的水分,后者為所述糊狀物包含的水分。
簡(jiǎn)單地說(shuō),在本發(fā)明的方法中,(a)約同樣數(shù)量的流體(主要是水)將于當(dāng)前以植物生物質(zhì)(作為起始原料)中所含水分的形式進(jìn)入該處理設(shè)備中,及以含水流體殘留物(從含水汁液中分離有價(jià)值的產(chǎn)品)和糊狀物中所含水分的形式離開(kāi)所述處理設(shè)備;及(b)更大數(shù)量的流體將于當(dāng)前通過(guò)所述處理設(shè)備流動(dòng),數(shù)量大于上面所述當(dāng)前進(jìn)入和離開(kāi)所述處理設(shè)備的流體。
實(shí)際上,通過(guò)所述處理設(shè)備流動(dòng)的液體數(shù)量取決于所提供的植物生物質(zhì)的干物含量(即所提供的當(dāng)前進(jìn)入所述處理設(shè)備的起始原料),該液體數(shù)量將被調(diào)到約為所述物料干物含量的20-500倍,優(yōu)選50-200倍(W/W)。因此,通過(guò)所述處理設(shè)備流動(dòng)的液體數(shù)量遠(yuǎn)大于進(jìn)入和離開(kāi)所述處理設(shè)備的液體數(shù)量,所述進(jìn)入的液體數(shù)量與離開(kāi)的液體數(shù)量大致相等。
不論所述處理設(shè)備是一種旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)還是一種如上面所描述的剪切裝置,在所述處理設(shè)備內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的大量流體都會(huì)構(gòu)成和調(diào)整較后者,使其最后階段具有相當(dāng)大的有效的切割隙。實(shí)際上,根據(jù)如下參數(shù)所述有效切割隙會(huì)被最佳化,所述參數(shù)包括但不限于作為起始原料的植物生物質(zhì)的種類(lèi),所使用的處理設(shè)備的類(lèi)型,后者的旋轉(zhuǎn)速度及其操作表面的相互位置關(guān)系。所述有效切割隙一般被調(diào)整到寬度大于所制得的最終含固體相中的預(yù)定最大纖維寬度的10倍,及優(yōu)選地,在所述處理設(shè)備的任何操作階段所述切割隙的寬度大于約1毫米。
考慮到液體流動(dòng)和在所述流動(dòng)懸浮物內(nèi)部一定流速梯度,即使相當(dāng)大的有效切割隙對(duì)懸浮在含水汁液中的生物質(zhì)物料也具有強(qiáng)剪切作用,該剪切作用產(chǎn)生了預(yù)定纖維長(zhǎng)度的生物質(zhì)物料的纖維,例如對(duì)于細(xì)長(zhǎng)纖維典型地為幾厘米長(zhǎng)及直徑為十分之幾個(gè)毫米。直到現(xiàn)在,這種生物質(zhì)物料的細(xì)長(zhǎng)纖維不能在粉碎機(jī)中由生物質(zhì)物料經(jīng)濟(jì)地制造,及人們不知道它們完全可以在切割設(shè)備中被制造。
現(xiàn)在通過(guò)本發(fā)明可以從生物質(zhì)物料中制造該細(xì)長(zhǎng)纖維,該細(xì)長(zhǎng)纖維使得以新的方式使用所述生物質(zhì)物料的纖維部分及獲得不同于以前的新產(chǎn)品成為可能。通過(guò)實(shí)施例,現(xiàn)在可能超過(guò)通常制造的小生物相容性小球(如飼料小球),制造出高強(qiáng)度的大生物相容性產(chǎn)品以用于園藝、建筑物及類(lèi)似用途,例如墊子、無(wú)紡布、板、模塑部件和擠壓部件。
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述及對(duì)更詳細(xì)的細(xì)節(jié)做出例示,其中
圖1顯示根據(jù)EP0134697B公開(kāi)的旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)的粉碎段的縱向剖視圖,用于介紹該技術(shù)的技術(shù)背景;及圖2是系統(tǒng)地介紹本發(fā)明的方法步驟的系統(tǒng)流程圖。
在
圖1中,根據(jù)EP0134697B公開(kāi)的處理設(shè)備實(shí)例顯示了旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)的技術(shù)背景,一般地指1。圖中顯示了旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)1各部件的縱向剖視圖,所述粉碎機(jī)相對(duì)應(yīng)的一個(gè)粉碎段標(biāo)示為2。在所述粉碎段2中一個(gè)定子部件3與一個(gè)轉(zhuǎn)子部件4相連并具有各自的操作表面5和6,表面5和6被粉碎段2的一個(gè)相聯(lián)操作隙7間隔開(kāi),操作面5和6通過(guò)相聯(lián)操作隙7面對(duì)面設(shè)置。所述操作面5和6裝配了各自的切割部件8和9,部件8和9導(dǎo)入相聯(lián)操作隙7并止于各自的切割緣10和11。
當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)1被操作時(shí),在所述切割緣10和11之間的距離會(huì)發(fā)生變化,所述切割緣10和11分別在定子3和轉(zhuǎn)子4上,及相應(yīng)地設(shè)置在一操作面5和6及另一操作面5和6。因此,一個(gè)有效地切割隙可以被定義為在所述粉碎段2的相聯(lián)操作隙7的內(nèi)部后切割緣10和11之間通道的最小距離。所述有效切割隙具有
圖1中兩個(gè)輔助線所示的寬度,作為各自切割緣10和11延長(zhǎng)線的兩個(gè)輔助線相互平行,其間隔距離以x表示,因此,應(yīng)該理解到所述有效切割隙以x表示,及所述有效切割隙的寬度是x的值或測(cè)量值。
然而,在附圖中沒(méi)有顯示的另一個(gè)處理設(shè)備實(shí)例是上面所提到類(lèi)型的切割設(shè)備,其中的數(shù)據(jù)可以在下面的實(shí)施例4中發(fā)現(xiàn)。
在圖2中參照流程圖介紹本發(fā)明的方法步驟。
應(yīng)該理解到雖然下面本發(fā)明的方法按順序描述,但是本發(fā)明的方法是連續(xù)進(jìn)行的,因此,在連續(xù)地操作中該方法步驟同時(shí)發(fā)生,所指示的數(shù)量應(yīng)被理解為流量,各種流量的流速可以相互作比(如以每單位時(shí)間重量計(jì))。
應(yīng)該理解到在下文中對(duì)本發(fā)明方法步驟的描述參照了一種處理設(shè)備,該設(shè)備可以是上文所述類(lèi)型的粉碎機(jī)及如
圖1所示,但這只是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,該處理設(shè)備實(shí)施方案另一個(gè)實(shí)施例是上面所描述類(lèi)型的切割設(shè)備。
方框21說(shuō)明了提供的起始原料,該起始原料由處于自然濕潤(rùn)狀態(tài)的植物生物質(zhì)組成,其最終接受本發(fā)明的方法步驟的處理。
例如所提供的起始原料可以是來(lái)自牧場(chǎng)的草。在這種情況下,箭頭22提示了所提供的起始原料被送到任何已知和適宜類(lèi)型的切割機(jī)23中,對(duì)其進(jìn)行預(yù)切割操作,從而減小其尺寸,該操作對(duì)于進(jìn)行下面的方法步驟是必需的。典型地,預(yù)切割草料的尺寸被減小后由草料的斷片組成,其長(zhǎng)度不超過(guò)如約5厘米。
如圖所示預(yù)切割起始原料從所述切割機(jī)23出來(lái)后被送往調(diào)整容器(一般地表示為25)。如圖2的系統(tǒng)流程圖所示,在所述調(diào)整容器25的上部設(shè)置有一個(gè)裝配了攪拌設(shè)備27的混合區(qū)26,及在所述混合區(qū)26的下面還有一個(gè)沉淀區(qū)28。
更準(zhǔn)確地說(shuō),如箭頭24所示從所述切割機(jī)23排出的預(yù)切割起始原料被送到所述調(diào)整容器25的混合區(qū)26。如箭頭29所示,如方框30所示還向混合區(qū)26輸送一種含水汁液。象下面所要解釋的,所述含水汁液從該方法的后面步驟再循環(huán)到調(diào)整容器25的混合區(qū)26。如圖所示分別通過(guò)箭頭24和29被送往調(diào)整容器25之混合區(qū)26的物料和含水汁液在攪拌設(shè)備27的作用下被攪拌,從而在調(diào)整容器25的混合區(qū)26的內(nèi)部制造一種混合物。
將來(lái)自牧場(chǎng)的草作為起始原料是為了舉例說(shuō)明,如上面所述,通過(guò)在切割機(jī)23中提前進(jìn)行預(yù)切割操作這種混合也是可能的。
在這里為了舉例說(shuō)明采用由短纖維物料自然組成的起始原料,例如當(dāng)所述起始原料是廢谷物時(shí),所述預(yù)切割操作和切割機(jī)23可以被省略。因此,在這種情況下箭頭22將直接進(jìn)入箭頭24,即所提供的起始原料21將直接進(jìn)入調(diào)整容器25的混合區(qū)26。
一些雜質(zhì)如石頭、沙礫、沙子、灰和其他類(lèi)似的物料可以與所提供的起始原料21一起進(jìn)入調(diào)整容器25。這種伴隨雜質(zhì)一般比植物生物質(zhì)密度大,在混合過(guò)程中它們將通過(guò)重力從所述起始原料和含水汁液的混合物中分離出來(lái)。然后分離出來(lái)的雜質(zhì)將從調(diào)整容器25的混合區(qū)26下降到調(diào)整容器25的沉淀區(qū)28,在這里被收集起來(lái),接下來(lái)如箭頭31所示被排出和處理。
如上所述已經(jīng)被除去雜質(zhì)的起始原料和含水汁液的混合物從調(diào)整容器25的混合區(qū)26被送往粉碎機(jī)33,如箭頭32所示,粉碎機(jī)33處于操作狀態(tài)。粉碎機(jī)33可以是如上所述同樣類(lèi)型的旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)1(參見(jiàn)
圖1),或者是任何相當(dāng)類(lèi)型的粉碎機(jī),例如所述粉碎機(jī)類(lèi)似于一般用于造紙工業(yè)的圓盤(pán)精研機(jī)。
在粉碎機(jī)33中對(duì)輸入的起始原料和含水汁液的混合物進(jìn)行的操作最終制造出懸浮在含水汁液中的碎生物質(zhì)物料的漿液。
該漿液然后從粉碎機(jī)33被送到分離器35,如圖中箭頭34所示。在該分離器35中,所述漿液被分離為含水汁液(如圖中箭頭36所示)和糊狀物(如圖中箭頭37所示)。所述糊狀物呈粘稠狀并最終從分離器35中被移走作進(jìn)一步地處理,如圖所示到達(dá)箭頭37指示的方框38。典型地應(yīng)用來(lái)自牧場(chǎng)的草作為起始原料以用于解釋本發(fā)明,但是也可以使用其他起始原料,移走的糊狀物38被用作稠漿狀粗濕纖維起始原料,由于其含有細(xì)長(zhǎng)的纖維可用來(lái)制造高強(qiáng)度的纖維產(chǎn)品。象上面提到的,這種產(chǎn)品是生物相容的及可以被做成相當(dāng)大的形狀,所以它們可用于園藝、建筑物及類(lèi)似用途,例如墊子、無(wú)紡布、板、模型部件和擠壓部件。
任選地,其他有機(jī)產(chǎn)品也可以從除去的糊狀物38中分離出來(lái),例如通過(guò)對(duì)粗濕纖維起始原料進(jìn)行發(fā)酵和/或酶降解。
如圖中箭頭36所示從分離器35排出的含水汁液在節(jié)點(diǎn)39被分為兩個(gè)不相等的部分,其中主要部分如箭頭40所示,次要部分如箭頭41所示。在連續(xù)操作中,在單位時(shí)間內(nèi),含水汁液的主要部分(箭頭40)相對(duì)于含水汁液的次要部分(箭頭41)的重量百分比的選擇應(yīng)使得下面所述兩種水分大約保持平衡(以重量計(jì))其一是在所述次要部分(箭頭41)的含水汁液和移走的糊狀物(箭頭37)中包含的水分,及另一是作為起始原料和將被處理的植物生物質(zhì)所含水分的形式。
從分離器35排出的含水汁液的主要部分再循環(huán)(箭頭40)至調(diào)整容器25的混合區(qū)26。順便說(shuō)一下,如果在所述處理過(guò)程中需要某種溫度控制,那么控制循環(huán)的含水汁液的溫度是可能的。
從分離器35排出的含水汁液的次要部分用于后續(xù)步驟(箭頭41),下面將會(huì)描述其中一個(gè)實(shí)施例。
在說(shuō)明書(shū)中為了舉例說(shuō)明本發(fā)明典型地使用來(lái)自牧場(chǎng)的草作為提供的起始原料,但是也可以使用許多其他的起始原料,以得到期望的高強(qiáng)度切割和粉碎作用,從所述生物質(zhì)物料中制造出所需要的細(xì)長(zhǎng)纖維,以重量計(jì)(每單位時(shí)間),所述含水汁液的主要部分相對(duì)于其次要部分的比例優(yōu)選為大于約4∶1,即所述含水汁液的主要部分(箭頭40)的流速將大于其次要部分(箭頭41)的流速的4倍。
在說(shuō)明書(shū)中為了舉例說(shuō)明本發(fā)明典型地使用來(lái)自牧場(chǎng)的草作為提供的起始原料,但是也可以使用許多其他的起始原料,所述粉碎機(jī)33優(yōu)選以如下方式建造和操作其最后粉碎段具有一個(gè)有效的切割隙,其寬度(參見(jiàn)
圖1中的x)被調(diào)整到大于約1毫米。
從分離器35排出的含水汁液的次要部分的應(yīng)用例如可在方框42所示的處理設(shè)備中進(jìn)行,如箭頭41所示將其引向42,還包含其他操作如加熱、pH調(diào)整、沉淀等以沉淀出其中的有機(jī)產(chǎn)物,例如蛋白質(zhì)產(chǎn)物。處理后的有機(jī)物然后如箭頭43所示被送到一個(gè)分離器,如澄清器、過(guò)濾器、離心分離機(jī)等,它們被描述在方框44中,從而從殘余流體中沉淀出有機(jī)產(chǎn)物。
分離出的有機(jī)產(chǎn)物然后被移走以進(jìn)行后續(xù)處理,如箭頭45所示。所移走的有機(jī)產(chǎn)物一般被記載于在方框46中,最后對(duì)其進(jìn)行操作,如通過(guò)加熱進(jìn)行干燥,接下來(lái)分離有機(jī)產(chǎn)物和回收熱量。
另外,所述殘液仍然含有部分溶解的有機(jī)產(chǎn)物。然后所述殘余流體如箭頭47所示被送到方框48所示的無(wú)氧發(fā)酵桶,如在傳統(tǒng)的廢水設(shè)備中,通過(guò)發(fā)酵作用產(chǎn)生生物氣,該生物氣如箭頭49所示被移走,澄清的水如箭頭51所示被移走。移走的生物氣一般顯示在方框50中,并可用來(lái)產(chǎn)生燃燒熱,然后該熱量循環(huán)至所述處理設(shè)備,如用于循環(huán)含水汁液的溫控(箭頭40)和/或干燥已分離的有機(jī)產(chǎn)物(方框46)和/或干燥移走的糊狀物38和/或由其制造的纖維產(chǎn)物。移走的澄清水一般顯示在方框52中,它可以排放和/或再循環(huán)到有用的處理設(shè)備。
另一方面,前面討論的有關(guān)有機(jī)物分離的一些例子包括酶降解及酶降解產(chǎn)物的副產(chǎn)物。
下面將用實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的方法步驟和由本發(fā)明的方法得到的結(jié)果,其中粗纖維根據(jù)the Weender方法得到,即在下面指示的數(shù)量不包括半纖維素。
所述起始物料在約2.5小時(shí)之內(nèi)被送到處理設(shè)備,在該時(shí)間段內(nèi)約100立方米含水汁液(所述含水汁液的主流部分)被輸送和再循環(huán)至調(diào)整容器,及約6.2立方米含水汁液(所述含水汁液的次流部分)被直接送到后續(xù)處理設(shè)備,在這里含水汁液的主流部分與次流部分的比率約16∶1(重量)。澄清水的輸出量約為5.7立方米。在所述粉碎機(jī)中有效切割隙的寬度約為2毫米及通過(guò)有效切割隙的含水汁液流的平均流速經(jīng)過(guò)計(jì)算約為7-10m/s。
回收的產(chǎn)品組分如下·經(jīng)過(guò)分離和壓榨后得到888千克纖維產(chǎn)品,其包含42%干物質(zhì),所述干物質(zhì)包含17.9%粗蛋白質(zhì)和31.4%粗纖維。干燥該纖維產(chǎn)品需要約1230MJ的熱量。
·575千克干物質(zhì)含量為32%的濕蛋白質(zhì)產(chǎn)品,所述干物質(zhì)含38.3%粗蛋白質(zhì)和6.4%粗纖維。干燥該纖維產(chǎn)品需要約2060MJ的熱量。
·約6000千克液體,其中含約5500千克水、370千克溶于水的有機(jī)物和72千克其他物質(zhì)。處理該液體能制造185立方米生物氣,該生物氣能產(chǎn)生至少約450kWh的電能和約2250MJ的熱能,所述熱能可再循環(huán)使用以干燥上面提到的產(chǎn)品。
從上面的結(jié)果顯然可以看出在該實(shí)施例中當(dāng)前循環(huán)含水汁液的重量約為所處理植物生物質(zhì)干重的100倍。
所述纖維產(chǎn)品包含的纖維平均長(zhǎng)度為5-30毫米及平均直徑小于0.1毫米,這樣的纖維產(chǎn)品具有良好的粘結(jié)性能。只需對(duì)所述纖維產(chǎn)品(約達(dá)8×105N/m2)進(jìn)行冷加工而勿需添加任何粘結(jié)劑便可制得不同厚度和密度(干燥后達(dá)600kg/m3)的板。這種板(最終經(jīng)進(jìn)一步處理)適宜于應(yīng)用,如建筑(絕熱和隔音材料、用于放置小動(dòng)物如兔子的地板材料)和園藝(用于供植物生長(zhǎng)、給植物澆水、施肥的底物材料)。所述纖維產(chǎn)品還可用于其他場(chǎng)合,例如用于制造可生物降解的合成材料、墊子、模壓部件、植物盒、及用于制造飼料(尤其是馬和兔子的飼料)所述蛋白質(zhì)產(chǎn)品含約35-40%的粗蛋白質(zhì),其性質(zhì)使得其適宜于作為豬、家禽和其他動(dòng)物的飼料。另外,對(duì)所述蛋白質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)深加工還能分離和濃縮有價(jià)值的有機(jī)物如葉綠素、亞油酸和果聚糖等。實(shí)施例2用類(lèi)似于實(shí)施例1描述的方法處理一批3314千克未切割的含18.5%干物料成熟牧草(后切割)。處理溫度為60℃,有效切割隙為2毫米。
在約1.5小時(shí)內(nèi)對(duì)總液流量約為88立方米(所述含水汁液的主流部分)的起始物料進(jìn)行處理。總量約2.1立方米的含水汁液直接被送到后續(xù)步驟,所述含水汁液的主要部分與次要部分的比率約為42∶1。通過(guò)所述有效切割隙的含水汁液的平均流速經(jīng)過(guò)計(jì)算約為8-11m/s。
回收的產(chǎn)品組成(沒(méi)有蛋白質(zhì)的分離)如下·1167千克干物質(zhì)含量為33%的纖維產(chǎn)品。
·2.1m3包含135千克化學(xué)需氧量(COD)的含水汁液,所述含量的化學(xué)需氧量可以轉(zhuǎn)化為約70立方米的生物氣。
對(duì)所述纖維進(jìn)行洗滌可以減少它們的氮含量至小于0.7%(重量)并大量地增加化學(xué)需氧量以用于生物氣的制造。循環(huán)汁液的重量是所處理的植物生物質(zhì)重量的153倍。
然后,所述起始物料在約16分鐘之內(nèi)被送到處理設(shè)備,在該時(shí)間段內(nèi)約13.2立方米含水汁液(所述含水汁液的主流部分)被輸送和再循環(huán)至調(diào)整容器,及約0.46立方米含水汁液(所述含水汁液的次流部分)送到后續(xù)處理設(shè)備,在這里含水汁液的主流部分與次流部分的比率約28.7∶1(重量)。在所述粉碎機(jī)中有效切割隙的寬度約為2毫米及通過(guò)有效切割隙的含水汁液流的平均流速經(jīng)過(guò)計(jì)算約為8-11m/s。
回收的產(chǎn)品組分如下·536千克干物質(zhì)含量為28%的纖維產(chǎn)品,所述干物質(zhì)包含11.5%粗蛋白質(zhì)和20.7%粗纖維。
·59千克干物質(zhì)含量為35%的濕蛋白質(zhì)產(chǎn)品,所述干物質(zhì)含62.0%粗蛋白質(zhì)和4.4%粗纖維。
·約1800千克液體,其中含約56千克溶于水的有機(jī)物和灰。
從上面的結(jié)果顯然可以看出在該實(shí)施例中當(dāng)前循環(huán)含水汁液的重量約為所處理植物生物質(zhì)干重的50倍。
所述纖維產(chǎn)品包含的纖維平均長(zhǎng)度為3-6毫米及平均直徑為0.5毫米。該纖維產(chǎn)品適宜于以下應(yīng)用,如作為泥煤的替代物,或用于燃燒。
所述蛋白質(zhì)產(chǎn)品含約66%的粗蛋白質(zhì),其性質(zhì)使得其適宜于作為飼料或供人食用(經(jīng)過(guò)深加工)。另外,它又可作為產(chǎn)品如可生物降解塑料的填充劑。
上面的實(shí)施例幫助理解本發(fā)明上面所描述的方法。然而,應(yīng)該理解到所述起始原料的組成和濕含量及制得產(chǎn)品的組成、產(chǎn)量和濕含量可以經(jīng)歷大的變化,部分歸因于操作條件的變化,如在分離步驟中進(jìn)料的溫度或用于給纖維產(chǎn)品脫水的條件。
當(dāng)把干固體含量(重量)約1%(基于實(shí)施例1所示的新鮮三葉草和草(早切割的)的混合物或如實(shí)施例2所示的新鮮的切割過(guò)的成熟牧草(后切割的))的漿料輸送到所述切割設(shè)備時(shí),所得到的纖維產(chǎn)品包含平均長(zhǎng)度約10-40毫米及平均直徑小于約0.1毫米的纖維,產(chǎn)生的纖維產(chǎn)品具有如實(shí)施例1和2所示的優(yōu)良的粘結(jié)性能。
附圖標(biāo)記的說(shuō)明x 有效切割隙的寬度1 旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)2 粉碎段3 定子部件4 轉(zhuǎn)子部件5 定子部件3的操作表面6 轉(zhuǎn)子部件4的操作表面7 段1的操作隙8 定子3的操作面5的切割部件9 轉(zhuǎn)子4的操作面6的切割部件10 切割部件8的切割緣11 切割部件9的切割緣21 提供的起始原料22 起始原料的輸入23 切割機(jī)
24 預(yù)切割原料的輸入25 調(diào)整容器26 調(diào)整容器的混合區(qū)27 混合區(qū)的攪拌設(shè)備28 調(diào)整容器的沉淀區(qū)29 含水汁液的輸入30 含水汁液31 雜質(zhì)的排放和處理32 來(lái)自混合區(qū)的混合物的輸入33 粉碎機(jī)34 來(lái)自粉碎機(jī)的漿料的輸入35 分離器36 來(lái)自分離器的含水汁液37 來(lái)自分離器的糊狀物38 移走的糊狀物39 節(jié)點(diǎn)40 主流部分41 次流部分42 含水汁液處理設(shè)備43 已處理含水汁液的輸入44 分離器45 有機(jī)產(chǎn)物的給入46 移走的有機(jī)產(chǎn)物47 殘液的輸入48 無(wú)氧發(fā)酵桶49 生物氣的輸送50 移走的生物氣51 澄清水的輸送52 移走的澄清水
權(quán)利要求
1.一種將植物生物質(zhì)連續(xù)分離為由基本上含水汁液組成的液體相和稠漿狀含固體相的方法,液體相和固體相都可被進(jìn)一步地使用,其中所提供的植物生物質(zhì)處于自然濕潤(rùn)狀態(tài)并與所述含水汁液的循環(huán)液相混合而形成懸浮液,其中在含水汁液中的植物生物質(zhì)流動(dòng)懸浮物被處理以制備纖維,其特征在于所述處理包括在流動(dòng)懸浮物內(nèi)部制造一定的流速梯度,該流速梯度足以作用于所述植物生物質(zhì)的細(xì)胞,打開(kāi)所述細(xì)胞并將其中所含物質(zhì)釋放到含水汁液內(nèi),而主要由纖維組成的殘留物被留下來(lái)并最終成為含固體相。
2.如權(quán)利要求1的方法,包括以下步驟提供一個(gè)具有混合區(qū)(26)的調(diào)整容器(25),所述混合區(qū)裝配了攪拌設(shè)備(27);輸入(24)植物生物質(zhì)(21)至調(diào)整容器的混合區(qū)(26);輸入(29)由該方法后續(xù)步驟循環(huán)(40)的含水汁液(30)至所述調(diào)整容器的混合區(qū)(26);在所述調(diào)整容器(25)的混合區(qū)(26)攪拌(27)其中的植物生物質(zhì)和含水汁液以制備它們的混合物;提供一個(gè)處理設(shè)備(33),其中處理在含水汁液中的植物生物質(zhì)流動(dòng)懸浮物以制備纖維;將來(lái)自調(diào)整容器(25)混合區(qū)(26)的混合物輸送(32)至處理設(shè)備(33),同時(shí)操作后者,從而將制備已處理的植物生物質(zhì)物料懸浮于含水汁液中的漿料;將來(lái)自處理設(shè)備(33)的漿料輸送(34)至分離器(35)以把所述漿料分離成含水汁液和糊狀物;從所述分離器(35)移走糊狀物(37)以深加工移走的糊狀物;從所述分離器(35)移走含水汁液(36);將移走的含水汁液(39)分為主要部分(40)和次要部分(41);循環(huán)(29)主要部分(40)的含水汁液(30)至調(diào)整容器(25)的混合區(qū)(26);及提供用于處理次要部分(41)含水汁液的部件(42-52);其特征在于被移走含水汁液(36)的主要部分(40)相對(duì)于其次要部分(41)的重量百分比的選擇應(yīng)使得下面所述兩種水分大約保持重量平衡其一是在所述次要部分(41)的含水汁液和移走的糊狀物(37-28)中包含的水分,及另一是作為起始原料(21)的植物生物質(zhì)所含水分。
3.如權(quán)利要求2的方法,其中所述處理設(shè)備是具有至少一個(gè)粉碎段(2)的旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)(1),所述粉碎段2包括相連的定子部件(3)和轉(zhuǎn)子部件(4),它們具有各自的操作表面(5-6),表面(5-6)被粉碎段2的一個(gè)相聯(lián)操作隙(7)間隔開(kāi),操作面(5-6)通過(guò)相聯(lián)操作隙(7)面對(duì)面設(shè)置,所述操作面(5-6)的每個(gè)都裝配了各自的切割部件(8-9),部件(8-9)導(dǎo)入相聯(lián)操作隙7并止于各自的切割緣(10-11),當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)(1)被操作時(shí),一個(gè)粉碎段(2)有效切割隙可以被定義為在所述粉碎段(2)的相聯(lián)操作隙(7)中兩個(gè)操作面(5-6)各自切割緣(10-11)之間通道的最小距離,其特征在于所述粉碎機(jī)的最后粉碎段(2)有一個(gè)有效切割隙(7),其寬度10倍于所產(chǎn)生并最終為含固體相的預(yù)定最大纖維厚度。
4.如權(quán)利要求2的方法,其中所述處理設(shè)備是一個(gè)具有至少一個(gè)切割段的切割設(shè)備,所述切割段由相連的轉(zhuǎn)子和定子部件組成并具有被所述段的相連有效切割隙間隔開(kāi)的切割面,所述切割面通過(guò)相連有效切割隙面對(duì)面設(shè)置,其特征在于所述切割設(shè)備的最后切割段有一個(gè)有效切割隙,其寬度10倍于所產(chǎn)生并最終為含固體相的預(yù)定最大纖維厚度。
5.如權(quán)利要求3和4任何一項(xiàng)所述的方法,其中在所述處理設(shè)備的任何階段所述有效切割隙的寬度大于約1毫米。
6.如權(quán)利要求2的方法,其中調(diào)整容器(25)被裝配了一個(gè)位于所述混合區(qū)(26)之下的沉淀區(qū)(28),同時(shí)所述起始原料(24)和含水汁液(29)的混合物被攪拌,任何密度大于將進(jìn)入(24)調(diào)整容器(25)的植物生物質(zhì)的雜質(zhì)與起始生物質(zhì)物料(21)一起進(jìn)入調(diào)整容器,在這里它們將通過(guò)重力從所述攪拌的混合物中分離出來(lái),并從調(diào)整容器(27)的混合區(qū)(26)降到調(diào)整容器(25)的沉淀區(qū)(28),在這里被收集起來(lái),接下來(lái)被處理(31)。
7.如權(quán)利要求2的方法,其中所述含水汁液的主要部分(40)與次要(41)部分的比率約大于4∶1。
8.如權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)所述的方法,其中所提供(22)的植物生物質(zhì)(21)在被送往(24)調(diào)整容器(25)的混合區(qū)(26)之前被預(yù)切割(23)以減小尺寸。
9.如權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)所述的方法,其中移走的糊狀物(38)被用于制造纖維產(chǎn)品及任選地分離其他有機(jī)產(chǎn)物。
10.如權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)所述的方法,其中所述含水汁液的次要部分(41)被用于(42-43)提取有機(jī)產(chǎn)物(44-46)。
11.如權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)所述的方法,其中所述次要部分(41)的含水汁液被用于(42-43、47)有機(jī)產(chǎn)物的發(fā)酵(48),并得到用于提供燃燒熱的副產(chǎn)物生物氣(49-50)。
12.如權(quán)利要求11的方法,其中所述燃燒熱被用于干燥所制得的纖維產(chǎn)品(38)和/或提取的有機(jī)產(chǎn)物(46)。
13.如權(quán)利要求9-11中任何一項(xiàng)所述的方法,其中有機(jī)產(chǎn)物(45-46)的分離步驟包括發(fā)酵或酶降解及產(chǎn)生發(fā)酵或酶降解副產(chǎn)物。
全文摘要
本發(fā)明中,濕植物生物質(zhì)(21)被送(22、24)至調(diào)整容器(25)中裝配了攪拌設(shè)備(27)的混合區(qū)(26)。由后續(xù)步驟(39)循環(huán)(40)的含水汁液(30)被輸送(29)至混合區(qū)(26)。該混合物被輸送(32)至處理設(shè)備(33),在這里的操作包括在流動(dòng)懸浮液內(nèi)部產(chǎn)生一定流速梯度,該流速梯度打開(kāi)植物生物質(zhì)的細(xì)胞并將所含物質(zhì)釋放到含水汁液中。制備的漿料(34)被送至分離器(35)以分離為含水汁液(36)和糊狀物(37)。所述糊狀物被移走(38)。所述含水汁液被分離(39)為主要部分(40)和次要部分(41),其比例使得進(jìn)入該系統(tǒng)的水和離開(kāi)該系統(tǒng)的水保持平衡,所述主要部分(40)再循環(huán)至混合區(qū)(26)及次要部分(41)被移走。優(yōu)選地,其比例大于約4∶1。優(yōu)選地,所述處理設(shè)備(33)具有一個(gè)有效切割隙,其寬度大于1毫米。
文檔編號(hào)C05F5/00GK1409604SQ00817007
公開(kāi)日2003年4月9日 申請(qǐng)日期2000年12月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月20日
發(fā)明者格雷姆·漢森, 斯蒂芬·格拉斯 申請(qǐng)人:2B公開(kāi)股份有限公司