接或間接用作次級產物和/或用于增加系統100的總效率。例如，后加工子系統122可以產 生再循環的經處理的水用于用作其他子系統中的加工過程水，和/或可以產生可以用作燃 料用于產生蒸汽和/或電的鍋爐的可燃廢物。
[0084] 本文討論的螺桿擠壓步驟可以作為進料制備子系統的部分發生，例如以減少生物 量原料的大小和/或使生物量原料均質化。備選地或另外地，螺桿擠壓可以作為處理和/或 初級加工過程子系統的部分執行。在某些情況下，螺桿擠壓可以用于使纖維素材料致密化， 如下文將詳細討論的。在某些實現中，螺桿擠壓機可以用作反應器皿，在其中對生物量實施 反應例如水解。
[0085] 關于生物量轉變工廠的最佳大小受因素影響，所述因素包括規模經濟以及用作原 料的生物量類型和利用度。增加工廠大小趨于增加與工廠加工過程相關的規模經濟。然而， 增加工廠大小也趨于增加成本(例如，轉運成本)/原料單位。分析這些因素的研究提出關于 生物量轉變工廠的合適大小可以是2000-10,000噸干燥原料/天，至少部分依賴于所用原料 類型。原料的類型也可以影響工廠貯存需求，其中主要設計用于加工其可用度季節性改變 (例如，玉米秸桿的原料的工廠需要比設計為加工其可用度相對穩定(例如，廢紙）的原料的 工廠更多的現場或非現場原料貯存。
[0086] 螺桿擠壓
[0087] 本文公開的加工過程有利地采用至少一個螺桿擠壓步驟，以便增強生物量加工處 理成有用產物。如上文討論的，螺桿擠壓加工過程可以在生物量加工系統的一個或多個點 執行。一般地，所使用的設備和技術將是相似的，與在加工過程中的哪個點執行螺桿擠壓步 驟無關。現在將討論用于螺桿擠壓步驟的一般系統和參數。在這些參數中的任何將依賴于 何時執行螺桿擠壓改變方面來說，這將在描述生物量加工系統1〇〇的子系統的下述節段中 提及。
[0088] 圖13-20中所示的，所描述的第一種系統可以有利地用作在其中執行反應的反應 器皿，如下文將討論的。然而，在某些實現中，這種系統可以簡單地用于使生物量原料研磨、 研細或成漿，連同或不連同熱或壓力的應用。此外，雖然下文提及了化學反應物的例子，但 可以使用其他化學反應物或添加劑，或在其中螺桿擠壓機不用作反應器皿的某些實現中， 不添加任何東西。
[0089] 雖然下文討論且在附圖中顯示了單筒螺桿擠壓機，但如本文使用的，術語"螺桿擠 壓"包括共擠壓。因此，需要時，螺桿擠壓步驟可以包括使用多筒共擠壓機的共擠壓。多筒共 擠壓機可以具有例如2、3、4、5、6、7、8、9或10個筒。此類共擠壓機是眾所周知的，并且因此在 本文中不舉例說明。共擠壓可以以各種方法利用。例如，生物量可以分成2個或更多個部分， 其隨后通過共擠壓機的分開筒傳送。需要時，部分可以在不同筒中進行不同處理。例如，一 個部分可以通過用氧化劑處理進行氧化，而另一個部分可以實施蒸汽和壓力但不氧化。備 選地或另外地，多個部分在其引入共擠壓機前可以是不同的，例如一個部分可以具有高于 另一個的含濕量。在另一個實施方案中，將生物量供應到一個或多個筒內，同時將非生物量 材料供應到一個或多個其他筒內。共擠壓機可以用于沉積多個層，一個在另一個之上，以形 成多層擠出物。備選地，離開筒的多種擠出物可以僅僅混合在一起。一般地，在這種情況下， 共擠壓機用于允許不同部分或材料在共擠壓加工過程中進行不同處理。
[0090] 此外，需要時，2個或更多個螺桿擠壓機（以任何所需組合的單筒擠壓機和/或共擠 壓機)可以串聯連接在一起。這可以允許例如如在不同條件下執行螺桿擠壓步驟系列，或可 以允許在螺桿擠壓筒內的長停留時間，而無需單個長螺桿擠壓機。在一個例子中，生物量首 先在單筒螺桿擠壓機中進行加工，并且隨后所得到的經加工的生物量分成2個流，這供應到 共擠壓機的2個筒內。
[0091] 擠出物或共同擠出物可以是復合物，例如以板或丸劑形式。通過擠壓或共擠壓生 成的丸劑可以用于其他應用中，例如在用于制造復合板的加工過程中。關于擠出物或共同 擠出物的其他用途包括藥物、營養制品和食物產品。
[0092] 圖13顯示了螺桿擠壓機20，其可以是例如16?^^&?^6丨(16^1205-1(53雙螺桿擠 壓機。圖13中所示的螺桿擠壓機在其中具有由電動機21驅動的2個共旋螺桿，盡管也可以使 用正反轉排列。外殼20a包括其中接受待傳送的材料的進料進口。例如以漿的形式或以干燥 或半干燥狀態的生物量原料借助于充填式進料器10供應到擠壓機20內，所述充填式進料器 10如圖14中所示，具有用于將材料傳送到擠壓機內的螺桿元件。
[0093] 擠壓機20包括反應區25，其通過動力密封區24在其進口側上結合，并且通過排放 閥80在其排出口側上結合。反應區的上游是雙螺桿22的進口部分或預熱區22a，其中首先接 受纖維輸入且從而傳送到反應區內。
[0094]當纖維材料以漿接受時，在漿運送到反應區內的加工過程中去除漿的許多水，并 且為了這個目的，在動力密封上游提供脫水排水管23。當纖維材料以干燥形式供應時，脫水 排水管是不需要的，因為對其加入的液體僅足以充當載體，或在水解的情況下充當反應物， 并且從而在運送加工過程中去除很少的水或不去除水。
[0095]儀器進一步包括輸入裝置30用于加入添加劑，例如酸催化劑、氧化劑、還原劑或 堿。輸入裝置30包括槽31和計量栗32,其將添加劑延管33供應到擠壓機外殼中的輸入端口 34內。輸入端口 34優選在反應區25的開始處，如所示的，從而使得添加劑在反應物在反應區 中的基本上整個停留時間加工過程中作用于反應物。然而，輸入端口 34的位置可以改變，例 如依賴于反應區中的溫度。（在較高溫度下，反應一般更快速地發生，并且從而添加劑可以 在更接近于其排出口的位置處引入反應區內）。
[0096] 在某些實現中，反應在升高的溫度下發生是有利的并且為了使這以最有利的方式 發生，可以加入蒸汽，以給反應區添加能量，以獲得溫度中的快速增加。為此，提供了蒸汽供 應裝置40。裝置40包括蒸汽管41和蒸汽輸入端口 42。蒸汽還可以用作水的供應，用于在其在 反應區中冷凝后水解纖維素。
[0097] 還應當指出當纖維材料以干燥形式輸入擠壓機內時，水可以在動力密封24通過輸 入端口 34前加入預熱區中。
[0098]連同擠壓機外殼還提供了壓力指示器端口 51，其與壓力指示器50結合，使得能夠 監控反應區內的壓力。此外，還提供了溫度輸入端口 43，以使得能夠監控擠壓機部件的各個 區內的溫度。這些區在圖15中表示為區1-4,并且顯示儀器在使用加工過程中的熱配置的例 子。
[0099]此外，在反應區25的輸出端處，提供了壓力釋放閥60,以在反應區內的壓力超過可 接受的限度時提供壓力釋放。
[0100]反應物從擠壓機中的準連續或連續排放通過排放閥80實現，所述排放閥80將反應 物排放到收集器皿70內，所述收集器皿70具有通氣口 71和沖洗排水管72。
[0101 ]轉向圖17-18，將更詳細地討論可以在螺桿擠壓機中使用的排放閥80。在這個實現 中，通過使用液壓促動球閥以準連續方式達到排放，例如用于重型服務具有1.5"腔的2英寸 Kamyr球閥。具有1.5〃腔82的球81可在軸83上旋轉，所述軸83可以常規方式液壓移動。球81 位于擠壓機的排出口處，排出口具有凸緣27用于限定閥孔26,其與腔82協作以實現反應物 的準連續排放。
[0102] 圖17顯示了完全打開的閥80,即腔82與孔26完全對齊。圖18顯示了在完全閉合的 位置中的閥80，即其中腔82與孔26有90度相位差。球在Kramyr球閥的情況下，每20秒旋轉 180度，從而花費0.25秒旋轉。因此，閥每個循環約10%的時間并且因此約0.025秒處于完全 打開的位置中。
[0103] 現在參考圖19,更詳細地討論動力密封24。例如通過通過在動力密封區的區域中 提供左旋螺紋24連同在其上游的螺桿區域22a處和在其下游的螺桿區域22b處的右旋螺紋， 可以形成動力密封。左旋螺桿螺紋24作用于形成動力塞，這使反應區密封且阻止氣體逸出， 同時將輸入連續傳送到反應區內。
[0104]需要時，動力密封與閥80結合，允許在反應區中維持升高的壓力和/或溫度，同時 使得螺桿元件能夠將原料傳送到反應區內且離開反應區。
[0105]反應區輸入可以是例如25鎊/小時的干燥生物量原料、30鎊/小時的水和100鎊/小 時的化學反應物，例如酸溶液。對于這些輸入，輸出可以是例如20 %固體混合物，包括6鎊/ 小時的葡萄糖、9鎊/小時的纖維素、5鎊/小時的木質素、5鎊/小時的半纖維素或分解產物、 100鎊/小時的水。反應區中的組成將隨著進料而變化，并且產物組成也隨著進料和反應條 件而變化。
[0106] 關于濕潤進料的進料材料可以具有例如5%-50%漿的稠度，伴隨有限的粘度。可 以使用本文討論的任何生物量原料。優選地，材料具有約0.01-約250μπι的平均顆粒尺寸，例 如約0.1-約100μπι、或約0.250-約50μπι。顆粒尺寸偏差可以是例如平均顆粒尺寸的±6倍、平 均顆粒尺寸的3倍、或平均顆粒尺寸的1倍。一般優選粒子具有圓形或板狀形狀。
[0107] 進料速率可以依賴于進料材料的稠度和螺桿元件的RPM而改變，但優選非常高，以 促進在高流通量加工過程中的使用。例如，對于50，000，000加侖/年的乙醇工廠，流通量對 于生物量是約57噸/小時（114，0001b/小時），這獲得100加侖/噸。因此，優選進料速率是至 少50，000lb/小時，更優選至少100，000lb/小時。為了達到這些高進料速率，需要極大的洼 地。因此，一般需要螺桿擠壓機非常大，和/或多個螺桿擠壓機平行操作。
[0108] 反應溫度在lOOOpsi下可以從約350°F到約550°F不等，并且依賴于可用的蒸汽溫 度和快速排放的能力，還可以更高。備選能量轉移模式是可能的，例如過熱蒸汽或水或直接 加熱。熱配置是這樣的，使得所有區2-4是可互換的，并且在長度中可以從1到3個筒零件不 等。預熱區溫度可以從約32°F到約212°F不等，并且反應區溫度可以從約350°F到約550°F不 等。
[0109] 反應壓力可以例如從約135psi到約3000psi或更高不等，依賴于可用的蒸汽壓力 和快速排放的能力。在某些實現中，反應壓力可以是約200-約500psi。在某些實現中，螺桿 擠壓機中的壓力可以相對低，例如小于75ps i。
[0110] 關于加工過程的酸濃度可以是以0-300鎊/小時速率的0.1-10%酸注入。可以使用 備選酸或其他添加劑，例如過氧化物，例如過氧化氫或苯甲酰；堿例如氫氧化鈉或石灰； HC1; HN〇3;有機酸;或S02氣體。
[0111] 將發生的脫水將隨著螺桿速度和充填速度以及螺桿配置而變化。它可以從例如在 100鎊/小時進料時的80鎊/小時直到在900鎊/小時進料時的720鎊/小時。脫水排出口中的 固體也例如從0.05 %到5 %不等。
[0112] 螺桿配置可以具有2250mm的總長度，和塞前進料區，其是630mm長的每轉數使材料 向前傳送30mm的30mm螺距元件。塞區可以是例如30mm長，具有90mm左旋螺距。反應區可以是 例如1590mm長，具有45mm螺距不銹鋼元件。螺桿的零件可以改變，或整個螺桿可以改變，以 適應各種應用的需求。
[0113] 向前傳送預熱區22a可以是長度直到2000mm的右旋元件的任何組合，具有30、45、 60或90mm螺距元件。其中還包括的可以是混合、磨碎或搓揉元件，以給動力密封區25提供均 質材料。形成動力塞的動力密封區可以是15_360mm，并且包括30、45、60或90mm左旋螺距元 件。反應區包括右旋向前傳送元件，其長度直到2000mm，并且包括30、45、60或90mm螺距左旋 元件。排放閥可以是例如每180度循環以0.25秒的具有11/2"腔20秒循環的2"Kamyr球閥。
[0114] 以每分鐘轉數（RPΜ)的螺絲車床速度可以從約40RPΜ到約750RPΜ不等，例如約 50RPM-約300RPM。螺旋變換器和充填式進料器可以最大限度的約8 % -約100 %操作，例如約 8 % -約15 %。轉矩也例如從最大限度的約20 %到約100 %不等，例如約50 % -約70 %，基于螺 桿RPM、充填速率、進料稠度、螺桿配置、溫度概況、酸注入速率、轉變率和排放率。
[0115]葡萄糖轉變依賴于上文指出的所有參數，例如停留時間、酸濃度、溫度、混合，這都 依賴于機器參數且可以從理論轉換最大限度的5%到95%不等。
[0116]圖19和20顯示了配置為允許反應物響應反應區25中的預定壓力連續排放的備選 閥80 '。閥80 '包括球形閥體81，其與其中具有閥孔26的擠壓機外殼27的凸緣末端共同作用。 球形閥體81優選是2"閥體。
[0117] 閥體81在閥板82中密封，所述閥板82具有作用于其上的彈簧85，以使閥體81偏壓 到圖18中所示的閉合位置內。偏壓通過使用4個螺桿83執行，所述螺桿83在一個末端處固定 到凸緣部分27內，并且在其另一個末端處具有帶螺紋部分83a。安裝到帶螺紋部分83a上的 是板84,其通過螺帽86阻止移動到右側，所述螺帽86與帶螺紋部分83a可螺紋銜接。閥部件 通過板87密封，所述板87通過螺絲88擰緊到外殼89上，從而使得排放材料通過孔26的唯一 流出是通過排出口 90。
[0118] 在使用中，當反應區25內的壓力超過由彈簧8 5施加于閥體81的力時，閥體81如圖 20中所示移動到右側，并且排放經過孔26且通過排出口 90。當螺桿擠壓機在使用中時，反應 區內的壓力將連續維持，從而使得在加工過程初始化后，閥體81將保留在開放位置，并且排 放將連續經過閥80'。
[0119] 在其下閥80'將維持在連續開放位置（圖20)下的壓力可以通過使用上述螺帽86預 設置，所述螺帽86與帶螺紋部分83a銜接。為了增加選擇的壓力，螺帽86將順時針轉動，以使 板84移動到左側，從而增加彈簧85施加于板82和因而閥體81的力。因此，壓力可以通過反轉 上述加工過程得到降低。
[0120]如圖21中所示，在某些實現中，通過使用在每個螺桿上放射凹陷的無螺紋螺桿節 段240,連同任選的其上游的左旋螺旋節段24a和其下游的24b，可以形成動力密封區24。無 螺旋的放射凹陷部分240連同任選地左旋螺桿螺紋部分24a、24b，當與其上游的右旋螺桿螺 紋部分22a及其下游的22b結合考慮時，作用于產生動力塞，這使反應區密封且阻止氣體通 過進口逸出，同時使得待傳送的供給材料從而能夠進入反應區內。
[0121]動力密封與閥工具80結合，維持反應區中升高的壓力且在需要時維持升高的溫 度，同時使得螺桿元件能夠將供給原料傳送到反應區內且離開反應區，并且使得反應加工 過程能夠在其中發生。
[0122] 在某些實現中，螺桿擠壓機用于研磨且減少生物量的不順應。例如，螺桿擠壓機可 以用于使生物量原料脫木質素。用于執行此類加工過程的合適螺桿擠壓機的例子顯示于圖 22-24 中。
[0123] 圖22和23顯示螺軸擠壓機，其包括各自分別提供螺旋面603、604的一對平行軸 601、602，軸如此排列，使得表面603、604貫通。每個軸在每個末端處固定在軸承611、612、 621、622中，軸承固定在圍繞軸601、602的套605的末端中。
[0124] 2個軸經由電動機606通過2個減速齒輪661、662同時旋轉，所述減速齒輪各自包括 固定在各自軸超出相應軸承611、622的延長部分610、620上的小齒輪。2個減速齒輪頭尾 (head-to-tai 1)排列，一個在套605的每個末端處。減速齒輪如此排列，使得2個軸通過電動 機606以相同速度且以相同方向旋轉。在套605中提供2個開口 651、652，一個在套的每一個 末端處，開口 651排列在螺旋面的上游末端處，并且開口 652排列在螺旋面的下游末端處。軸 以這樣的方向旋轉，以促使供應到機器內的材料前進通過開口651朝向開口652。
[0125] 螺旋面603、604的螺距沿著軸601和602的長度改變，以便限定具有不同螺距的順 次區。在最簡單的實施方案中，如圖22中所示，螺旋面具有其中通過進口開口 651引入的材 料向下游前進的寬螺距的區A，和其中表面的螺距反轉的"制動"區B，所述"制動"區延長基 本上超過軸的前三分之一直到排出口開口 652。通過開口 651引入的材料沿著軸驅動朝向開 口 652,并且在進入區B時被制動，其中螺旋面趨于把其推入相反方向。
[0126] 在這個制動區中，提供了具有孔或窗口 630和640的螺旋面，所述孔或窗口可以從 軸延伸直到表面的外部邊緣。這些窗口的大小和分隔可以隨意選擇，并且窗口特別允許當 研磨進展時材料下游的進行性和可能地選擇性移動。
[0127] 漿實際上在大氣壓下經由開口 652離開。因此不需要機器配備收縮噴嘴，這意味著 軸承611、612、621、622可以固定在每個軸601、602的每個末端處，并且減速齒輪可以安裝在 套的2個末端處，如圖22中所示。
[0128] 外罩607可以沿著套排列，以允許借助于控制加熱和冷卻來精確控制區的溫度。優 選地，使用感應加熱，因為這使得溫度能夠特別準確地加以控制。需要時蒸汽可以引入套 中。
[0129] 通過開口651引入的材料通過軸的旋轉驅動向下游。此外，因為軸以相同方向轉 動，所以獲得抽吸作用，這使得甚至在螺旋面之間的間距未填滿時材料也能夠驅動向下游。 在區A中，材料以薄層的形式沿著進行性填滿的螺旋面展開。材料趨于以均勻方式定向，并 且特別是在其中螺旋面貫通的部分634(圖23)中，實施組合的壓縮和剪切力，前者主要是由 于表面的貫通，并且后者主要是由于軸以相同方向旋轉，這制備用于研磨的方式。此外，螺 旋面以相同方向旋轉產生材料的攪拌，這有利于其均質化。溫度由于摩擦升高，但可以通過 使套冷卻而不是稀釋驅動材料來控制且保持在所需水平下。
[0130] 在區A的末端處，由于通過區B中表面的螺距反轉引起的材料循環的制動，螺紋進 行性填滿。在對于區B的入口處，螺紋的反轉產生相當大的材料積累，這產生高壓縮區。正是 在區B中完成研磨，由于表面反轉的制動效應增強壓縮和剪切力的組合作用。
[0131] 材料因此在這個區中保持較長時期，并且經歷有利于其均質化的混合。在螺旋面 中形成的窗口 630和640允許材料在它研磨時前進向下游，研磨較不良好的部分在工作區域 中保持得較久。
[0132] 具有良好機械性質的高度濃縮的機械漿從開口 652中提取。
[0133] 在用于塑料材料的螺桿擠壓機的制造中，通常使用模塊形式的構建，每個螺桿由 附著在一起且在中央軸上帶螺紋的零件組成。這種形式的構建可以用于產生具有順次區的 螺旋面，所述順次區具有適合于所需最后結果的不同螺距。驅動速度可以沿著軸和同樣地 材料中的壓力而改變。表面可以包括例如連同用于材料經過的窗口一起提供的具有反轉螺 距的幾個部分，且充當其中將形成連續塞的彼此分離的制動區。通過改變螺距以及窗口數 目和大小，塞可以變得更致密或更不致密。借助于壓力栗或任何其他已知的方式，隨后可以 將液體注入制動區內或2個塞之間。液體可以例如是過熱水、或流或優選加熱的化學試劑。 在壓力下注入這種熱液體可以極大地促進其滲透到材料例如木纖維內，且加速研磨加工過 程。
[0134] 依賴于注入壓力，注入的試劑液體粘度和螺旋面的螺距，可以提供幾個注入點，用 于各種液體以與材料相同的方向移動或與材料的流動相反移動。
[0135] 圖24顯示了螺桿擠壓機的另一個實施方案。擠壓機包括區I，其中螺旋面具有相當 寬的螺距，并且原材料由蒸汽浸透。在這個區中，套配備感應加熱元件671。材料通過開口 651引入，并且蒸汽通過開口 653去掉，所述開口 653可以與在區的末端處的真空栗連接。
[0136] 在區II中，在通過開口654引入的化學試劑的存在下，可以執行第一個蒸煮階段。 在這個區中可以產生高壓，并且借助于加熱元件672獲得所需溫度。如上文提及的，在螺旋 面之間抽栗材料的效應使得碎片能夠沿著薄膜移動，這極大地促進試劑對碎片的接近，和 反應溫度的精確調節，更是如此因為表面以相同方向旋轉可以提供在其中表面貫通的區 634中層的攪拌。因此可以達到均勻得多和更佳控制的處理。
[0137] 在區III中，螺距反轉，并且提供了螺紋連同用于材料下游的控制經過的窗口630。 來自區II的原材料的機械研磨基本上在這個區III中實現。研磨依照上文描述的加工過程 執行。在進入區III時，材料在由于螺旋面的螺距反轉的制動效應下重壓縮。在表面中形成 的窗口使得材料能夠在研磨進展時循環向下游。此外，原材料在對區III的入口時的制動產 生任何過量液體返回至區II，其中它可以通過開口 655去掉用于可能的再循環。
[0138] 濕材料在套內的幾個貫通螺桿之間的經過導致液和氣相的上游移動和固相的下 游移動。
[0139] 在區IV中，在壓力下執行第二個蒸煮階段。在這個區中，螺旋面的螺距可以加寬， 以產生漿的薄膜。所需溫度借助于加熱元件673獲得。需要時，可以在壓力下引入氧。
[0140] 區V具有閉合螺距的螺旋面，具有其中漿再次壓縮的反轉螺紋和窗口，向上游移動 的液體通過開口 656去掉。用于除氣的開口 657可以同樣在上游提供。因此，在區V中，對任何 未經蒸煮的材料實現最終研