接或间接用作次级产物和/或用于增加系统100的总效率。例如，后加工子系统122可以产 生再循环的经处理的水用于用作其他子系统中的加工过程水，和/或可以产生可以用作燃 料用于产生蒸汽和/或电的锅炉的可燃废物。
[0084] 本文讨论的螺杆挤压步骤可以作为进料制备子系统的部分发生，例如以减少生物 量原料的大小和/或使生物量原料均质化。备选地或另外地，螺杆挤压可以作为处理和/或 初级加工过程子系统的部分执行。在某些情况下，螺杆挤压可以用于使纤维素材料致密化， 如下文将详细讨论的。在某些实现中，螺杆挤压机可以用作反应器皿，在其中对生物量实施 反应例如水解。
[0085] 关于生物量转变工厂的最佳大小受因素影响，所述因素包括规模经济以及用作原 料的生物量类型和利用度。增加工厂大小趋于增加与工厂加工过程相关的规模经济。然而， 增加工厂大小也趋于增加成本(例如，转运成本)/原料单位。分析这些因素的研究提出关于 生物量转变工厂的合适大小可以是2000-10,000吨干燥原料/天，至少部分依赖于所用原料 类型。原料的类型也可以影响工厂贮存需求，其中主要设计用于加工其可用度季节性改变 (例如，玉米秸杆的原料的工厂需要比设计为加工其可用度相对稳定(例如，废纸）的原料的 工厂更多的现场或非现场原料贮存。
[0086] 螺杆挤压
[0087] 本文公开的加工过程有利地采用至少一个螺杆挤压步骤，以便增强生物量加工处 理成有用产物。如上文讨论的，螺杆挤压加工过程可以在生物量加工系统的一个或多个点 执行。一般地，所使用的设备和技术将是相似的，与在加工过程中的哪个点执行螺杆挤压步 骤无关。现在将讨论用于螺杆挤压步骤的一般系统和参数。在这些参数中的任何将依赖于 何时执行螺杆挤压改变方面来说，这将在描述生物量加工系统1〇〇的子系统的下述节段中 提及。
[0088] 图13-20中所示的，所描述的第一种系统可以有利地用作在其中执行反应的反应 器皿，如下文将讨论的。然而，在某些实现中，这种系统可以简单地用于使生物量原料研磨、 研细或成浆，连同或不连同热或压力的应用。此外，虽然下文提及了化学反应物的例子，但 可以使用其他化学反应物或添加剂，或在其中螺杆挤压机不用作反应器皿的某些实现中， 不添加任何东西。
[0089] 虽然下文讨论且在附图中显示了单筒螺杆挤压机，但如本文使用的，术语"螺杆挤 压"包括共挤压。因此，需要时，螺杆挤压步骤可以包括使用多筒共挤压机的共挤压。多筒共 挤压机可以具有例如2、3、4、5、6、7、8、9或10个筒。此类共挤压机是众所周知的，并且因此在 本文中不举例说明。共挤压可以以各种方法利用。例如，生物量可以分成2个或更多个部分， 其随后通过共挤压机的分开筒传送。需要时，部分可以在不同筒中进行不同处理。例如，一 个部分可以通过用氧化剂处理进行氧化，而另一个部分可以实施蒸汽和压力但不氧化。备 选地或另外地，多个部分在其引入共挤压机前可以是不同的，例如一个部分可以具有高于 另一个的含湿量。在另一个实施方案中，将生物量供应到一个或多个筒内，同时将非生物量 材料供应到一个或多个其他筒内。共挤压机可以用于沉积多个层，一个在另一个之上，以形 成多层挤出物。备选地，离开筒的多种挤出物可以仅仅混合在一起。一般地，在这种情况下， 共挤压机用于允许不同部分或材料在共挤压加工过程中进行不同处理。
[0090] 此外，需要时，2个或更多个螺杆挤压机（以任何所需组合的单筒挤压机和/或共挤 压机)可以串联连接在一起。这可以允许例如如在不同条件下执行螺杆挤压步骤系列，或可 以允许在螺杆挤压筒内的长停留时间，而无需单个长螺杆挤压机。在一个例子中，生物量首 先在单筒螺杆挤压机中进行加工，并且随后所得到的经加工的生物量分成2个流，这供应到 共挤压机的2个筒内。
[0091] 挤出物或共同挤出物可以是复合物，例如以板或丸剂形式。通过挤压或共挤压生 成的丸剂可以用于其他应用中，例如在用于制造复合板的加工过程中。关于挤出物或共同 挤出物的其他用途包括药物、营养制品和食物产品。
[0092] 图13显示了螺杆挤压机20，其可以是例如16?^^&?^6丨(16^1205-1(53双螺杆挤 压机。图13中所示的螺杆挤压机在其中具有由电动机21驱动的2个共旋螺杆，尽管也可以使 用正反转排列。外壳20a包括其中接受待传送的材料的进料进口。例如以浆的形式或以干燥 或半干燥状态的生物量原料借助于充填式进料器10供应到挤压机20内，所述充填式进料器 10如图14中所示，具有用于将材料传送到挤压机内的螺杆元件。
[0093] 挤压机20包括反应区25，其通过动力密封区24在其进口侧上结合，并且通过排放 阀80在其排出口侧上结合。反应区的上游是双螺杆22的进口部分或预热区22a，其中首先接 受纤维输入且从而传送到反应区内。
[0094]当纤维材料以浆接受时，在浆运送到反应区内的加工过程中去除浆的许多水，并 且为了这个目的，在动力密封上游提供脱水排水管23。当纤维材料以干燥形式供应时，脱水 排水管是不需要的，因为对其加入的液体仅足以充当载体，或在水解的情况下充当反应物， 并且从而在运送加工过程中去除很少的水或不去除水。
[0095]仪器进一步包括输入装置30用于加入添加剂，例如酸催化剂、氧化剂、还原剂或 碱。输入装置30包括槽31和计量栗32,其将添加剂延管33供应到挤压机外壳中的输入端口 34内。输入端口 34优选在反应区25的开始处，如所示的，从而使得添加剂在反应物在反应区 中的基本上整个停留时间加工过程中作用于反应物。然而，输入端口 34的位置可以改变，例 如依赖于反应区中的温度。（在较高温度下，反应一般更快速地发生，并且从而添加剂可以 在更接近于其排出口的位置处引入反应区内）。
[0096] 在某些实现中，反应在升高的温度下发生是有利的并且为了使这以最有利的方式 发生，可以加入蒸汽，以给反应区添加能量，以获得温度中的快速增加。为此，提供了蒸汽供 应装置40。装置40包括蒸汽管41和蒸汽输入端口 42。蒸汽还可以用作水的供应，用于在其在 反应区中冷凝后水解纤维素。
[0097] 还应当指出当纤维材料以干燥形式输入挤压机内时，水可以在动力密封24通过输 入端口 34前加入预热区中。
[0098]连同挤压机外壳还提供了压力指示器端口 51，其与压力指示器50结合，使得能够 监控反应区内的压力。此外，还提供了温度输入端口 43，以使得能够监控挤压机部件的各个 区内的温度。这些区在图15中表示为区1-4,并且显示仪器在使用加工过程中的热配置的例 子。
[0099]此外，在反应区25的输出端处，提供了压力释放阀60,以在反应区内的压力超过可 接受的限度时提供压力释放。
[0100]反应物从挤压机中的准连续或连续排放通过排放阀80实现，所述排放阀80将反应 物排放到收集器皿70内，所述收集器皿70具有通气口 71和冲洗排水管72。
[0101 ]转向图17-18，将更详细地讨论可以在螺杆挤压机中使用的排放阀80。在这个实现 中，通过使用液压促动球阀以准连续方式达到排放，例如用于重型服务具有1.5"腔的2英寸 Kamyr球阀。具有1.5〃腔82的球81可在轴83上旋转，所述轴83可以常规方式液压移动。球81 位于挤压机的排出口处，排出口具有凸缘27用于限定阀孔26,其与腔82协作以实现反应物 的准连续排放。
[0102] 图17显示了完全打开的阀80,即腔82与孔26完全对齐。图18显示了在完全闭合的 位置中的阀80，即其中腔82与孔26有90度相位差。球在Kramyr球阀的情况下，每20秒旋转 180度，从而花费0.25秒旋转。因此，阀每个循环约10%的时间并且因此约0.025秒处于完全 打开的位置中。
[0103] 现在参考图19,更详细地讨论动力密封24。例如通过通过在动力密封区的区域中 提供左旋螺纹24连同在其上游的螺杆区域22a处和在其下游的螺杆区域22b处的右旋螺纹， 可以形成动力密封。左旋螺杆螺纹24作用于形成动力塞，这使反应区密封且阻止气体逸出， 同时将输入连续传送到反应区内。
[0104]需要时，动力密封与阀80结合，允许在反应区中维持升高的压力和/或温度，同时 使得螺杆元件能够将原料传送到反应区内且离开反应区。
[0105]反应区输入可以是例如25镑/小时的干燥生物量原料、30镑/小时的水和100镑/小 时的化学反应物，例如酸溶液。对于这些输入，输出可以是例如20 %固体混合物，包括6镑/ 小时的葡萄糖、9镑/小时的纤维素、5镑/小时的木质素、5镑/小时的半纤维素或分解产物、 100镑/小时的水。反应区中的组成将随着进料而变化，并且产物组成也随着进料和反应条 件而变化。
[0106] 关于湿润进料的进料材料可以具有例如5%-50%浆的稠度，伴随有限的粘度。可 以使用本文讨论的任何生物量原料。优选地，材料具有约0.01-约250μπι的平均颗粒尺寸，例 如约0.1-约100μπι、或约0.250-约50μπι。颗粒尺寸偏差可以是例如平均颗粒尺寸的±6倍、平 均颗粒尺寸的3倍、或平均颗粒尺寸的1倍。一般优选粒子具有圆形或板状形状。
[0107] 进料速率可以依赖于进料材料的稠度和螺杆元件的RPM而改变，但优选非常高，以 促进在高流通量加工过程中的使用。例如，对于50，000，000加仑/年的乙醇工厂，流通量对 于生物量是约57吨/小时（114，0001b/小时），这获得100加仑/吨。因此，优选进料速率是至 少50，000lb/小时，更优选至少100，000lb/小时。为了达到这些高进料速率，需要极大的洼 地。因此，一般需要螺杆挤压机非常大，和/或多个螺杆挤压机平行操作。
[0108] 反应温度在lOOOpsi下可以从约350°F到约550°F不等，并且依赖于可用的蒸汽温 度和快速排放的能力，还可以更高。备选能量转移模式是可能的，例如过热蒸汽或水或直接 加热。热配置是这样的，使得所有区2-4是可互换的，并且在长度中可以从1到3个筒零件不 等。预热区温度可以从约32°F到约212°F不等，并且反应区温度可以从约350°F到约550°F不 等。
[0109] 反应压力可以例如从约135psi到约3000psi或更高不等，依赖于可用的蒸汽压力 和快速排放的能力。在某些实现中，反应压力可以是约200-约500psi。在某些实现中，螺杆 挤压机中的压力可以相对低，例如小于75ps i。
[0110] 关于加工过程的酸浓度可以是以0-300镑/小时速率的0.1-10%酸注入。可以使用 备选酸或其他添加剂，例如过氧化物，例如过氧化氢或苯甲酰；碱例如氢氧化钠或石灰； HC1; HN〇3;有机酸;或S02气体。
[0111] 将发生的脱水将随着螺杆速度和充填速度以及螺杆配置而变化。它可以从例如在 100镑/小时进料时的80镑/小时直到在900镑/小时进料时的720镑/小时。脱水排出口中的 固体也例如从0.05 %到5 %不等。
[0112] 螺杆配置可以具有2250mm的总长度，和塞前进料区，其是630mm长的每转数使材料 向前传送30mm的30mm螺距元件。塞区可以是例如30mm长，具有90mm左旋螺距。反应区可以是 例如1590mm长，具有45mm螺距不锈钢元件。螺杆的零件可以改变，或整个螺杆可以改变，以 适应各种应用的需求。
[0113] 向前传送预热区22a可以是长度直到2000mm的右旋元件的任何组合，具有30、45、 60或90mm螺距元件。其中还包括的可以是混合、磨碎或搓揉元件，以给动力密封区25提供均 质材料。形成动力塞的动力密封区可以是15_360mm，并且包括30、45、60或90mm左旋螺距元 件。反应区包括右旋向前传送元件，其长度直到2000mm，并且包括30、45、60或90mm螺距左旋 元件。排放阀可以是例如每180度循环以0.25秒的具有11/2"腔20秒循环的2"Kamyr球阀。
[0114] 以每分钟转数（RPΜ)的螺丝车床速度可以从约40RPΜ到约750RPΜ不等，例如约 50RPM-约300RPM。螺旋变换器和充填式进料器可以最大限度的约8 % -约100 %操作，例如约 8 % -约15 %。转矩也例如从最大限度的约20 %到约100 %不等，例如约50 % -约70 %，基于螺 杆RPM、充填速率、进料稠度、螺杆配置、温度概况、酸注入速率、转变率和排放率。
[0115]葡萄糖转变依赖于上文指出的所有参数，例如停留时间、酸浓度、温度、混合，这都 依赖于机器参数且可以从理论转换最大限度的5%到95%不等。
[0116]图19和20显示了配置为允许反应物响应反应区25中的预定压力连续排放的备选 阀80 '。阀80 '包括球形阀体81，其与其中具有阀孔26的挤压机外壳27的凸缘末端共同作用。 球形阀体81优选是2"阀体。
[0117] 阀体81在阀板82中密封，所述阀板82具有作用于其上的弹簧85，以使阀体81偏压 到图18中所示的闭合位置内。偏压通过使用4个螺杆83执行，所述螺杆83在一个末端处固定 到凸缘部分27内，并且在其另一个末端处具有带螺纹部分83a。安装到带螺纹部分83a上的 是板84,其通过螺帽86阻止移动到右侧，所述螺帽86与带螺纹部分83a可螺纹衔接。阀部件 通过板87密封，所述板87通过螺丝88拧紧到外壳89上，从而使得排放材料通过孔26的唯一 流出是通过排出口 90。
[0118] 在使用中，当反应区25内的压力超过由弹簧8 5施加于阀体81的力时，阀体81如图 20中所示移动到右侧，并且排放经过孔26且通过排出口 90。当螺杆挤压机在使用中时，反应 区内的压力将连续维持，从而使得在加工过程初始化后，阀体81将保留在开放位置，并且排 放将连续经过阀80'。
[0119] 在其下阀80'将维持在连续开放位置（图20)下的压力可以通过使用上述螺帽86预 设置，所述螺帽86与带螺纹部分83a衔接。为了增加选择的压力，螺帽86将顺时针转动，以使 板84移动到左侧，从而增加弹簧85施加于板82和因而阀体81的力。因此，压力可以通过反转 上述加工过程得到降低。
[0120]如图21中所示，在某些实现中，通过使用在每个螺杆上放射凹陷的无螺纹螺杆节 段240,连同任选的其上游的左旋螺旋节段24a和其下游的24b，可以形成动力密封区24。无 螺旋的放射凹陷部分240连同任选地左旋螺杆螺纹部分24a、24b，当与其上游的右旋螺杆螺 纹部分22a及其下游的22b结合考虑时，作用于产生动力塞，这使反应区密封且阻止气体通 过进口逸出，同时使得待传送的供给材料从而能够进入反应区内。
[0121]动力密封与阀工具80结合，维持反应区中升高的压力且在需要时维持升高的温 度，同时使得螺杆元件能够将供给原料传送到反应区内且离开反应区，并且使得反应加工 过程能够在其中发生。
[0122] 在某些实现中，螺杆挤压机用于研磨且减少生物量的不顺应。例如，螺杆挤压机可 以用于使生物量原料脱木质素。用于执行此类加工过程的合适螺杆挤压机的例子显示于图 22-24 中。
[0123] 图22和23显示螺轴挤压机，其包括各自分别提供螺旋面603、604的一对平行轴 601、602，轴如此排列，使得表面603、604贯通。每个轴在每个末端处固定在轴承611、612、 621、622中，轴承固定在围绕轴601、602的套605的末端中。
[0124] 2个轴经由电动机606通过2个减速齿轮661、662同时旋转，所述减速齿轮各自包括 固定在各自轴超出相应轴承611、622的延长部分610、620上的小齿轮。2个减速齿轮头尾 (head-to-tai 1)排列，一个在套605的每个末端处。减速齿轮如此排列，使得2个轴通过电动 机606以相同速度且以相同方向旋转。在套605中提供2个开口 651、652，一个在套的每一个 末端处，开口 651排列在螺旋面的上游末端处，并且开口 652排列在螺旋面的下游末端处。轴 以这样的方向旋转，以促使供应到机器内的材料前进通过开口651朝向开口652。
[0125] 螺旋面603、604的螺距沿着轴601和602的长度改变，以便限定具有不同螺距的顺 次区。在最简单的实施方案中，如图22中所示，螺旋面具有其中通过进口开口 651引入的材 料向下游前进的宽螺距的区A，和其中表面的螺距反转的"制动"区B，所述"制动"区延长基 本上超过轴的前三分之一直到排出口开口 652。通过开口 651引入的材料沿着轴驱动朝向开 口 652,并且在进入区B时被制动，其中螺旋面趋于把其推入相反方向。
[0126] 在这个制动区中，提供了具有孔或窗口 630和640的螺旋面，所述孔或窗口可以从 轴延伸直到表面的外部边缘。这些窗口的大小和分隔可以随意选择，并且窗口特别允许当 研磨进展时材料下游的进行性和可能地选择性移动。
[0127] 浆实际上在大气压下经由开口 652离开。因此不需要机器配备收缩喷嘴，这意味着 轴承611、612、621、622可以固定在每个轴601、602的每个末端处，并且减速齿轮可以安装在 套的2个末端处，如图22中所示。
[0128] 外罩607可以沿着套排列，以允许借助于控制加热和冷却来精确控制区的温度。优 选地，使用感应加热，因为这使得温度能够特别准确地加以控制。需要时蒸汽可以引入套 中。
[0129] 通过开口651引入的材料通过轴的旋转驱动向下游。此外，因为轴以相同方向转 动，所以获得抽吸作用，这使得甚至在螺旋面之间的间距未填满时材料也能够驱动向下游。 在区A中，材料以薄层的形式沿着进行性填满的螺旋面展开。材料趋于以均匀方式定向，并 且特别是在其中螺旋面贯通的部分634(图23)中，实施组合的压缩和剪切力，前者主要是由 于表面的贯通，并且后者主要是由于轴以相同方向旋转，这制备用于研磨的方式。此外，螺 旋面以相同方向旋转产生材料的搅拌，这有利于其均质化。温度由于摩擦升高，但可以通过 使套冷却而不是稀释驱动材料来控制且保持在所需水平下。
[0130] 在区A的末端处，由于通过区B中表面的螺距反转引起的材料循环的制动，螺纹进 行性填满。在对于区B的入口处，螺纹的反转产生相当大的材料积累，这产生高压缩区。正是 在区B中完成研磨，由于表面反转的制动效应增强压缩和剪切力的组合作用。
[0131] 材料因此在这个区中保持较长时期，并且经历有利于其均质化的混合。在螺旋面 中形成的窗口 630和640允许材料在它研磨时前进向下游，研磨较不良好的部分在工作区域 中保持得较久。
[0132] 具有良好机械性质的高度浓缩的机械浆从开口 652中提取。
[0133] 在用于塑料材料的螺杆挤压机的制造中，通常使用模块形式的构建，每个螺杆由 附着在一起且在中央轴上带螺纹的零件组成。这种形式的构建可以用于产生具有顺次区的 螺旋面，所述顺次区具有适合于所需最后结果的不同螺距。驱动速度可以沿着轴和同样地 材料中的压力而改变。表面可以包括例如连同用于材料经过的窗口一起提供的具有反转螺 距的几个部分，且充当其中将形成连续塞的彼此分离的制动区。通过改变螺距以及窗口数 目和大小，塞可以变得更致密或更不致密。借助于压力栗或任何其他已知的方式，随后可以 将液体注入制动区内或2个塞之间。液体可以例如是过热水、或流或优选加热的化学试剂。 在压力下注入这种热液体可以极大地促进其渗透到材料例如木纤维内，且加速研磨加工过 程。
[0134] 依赖于注入压力，注入的试剂液体粘度和螺旋面的螺距，可以提供几个注入点，用 于各种液体以与材料相同的方向移动或与材料的流动相反移动。
[0135] 图24显示了螺杆挤压机的另一个实施方案。挤压机包括区I，其中螺旋面具有相当 宽的螺距，并且原材料由蒸汽浸透。在这个区中，套配备感应加热元件671。材料通过开口 651引入，并且蒸汽通过开口 653去掉，所述开口 653可以与在区的末端处的真空栗连接。
[0136] 在区II中，在通过开口654引入的化学试剂的存在下，可以执行第一个蒸煮阶段。 在这个区中可以产生高压，并且借助于加热元件672获得所需温度。如上文提及的，在螺旋 面之间抽栗材料的效应使得碎片能够沿着薄膜移动，这极大地促进试剂对碎片的接近，和 反应温度的精确调节，更是如此因为表面以相同方向旋转可以提供在其中表面贯通的区 634中层的搅拌。因此可以达到均匀得多和更佳控制的处理。
[0137] 在区III中，螺距反转，并且提供了螺纹连同用于材料下游的控制经过的窗口630。 来自区II的原材料的机械研磨基本上在这个区III中实现。研磨依照上文描述的加工过程 执行。在进入区III时，材料在由于螺旋面的螺距反转的制动效应下重压缩。在表面中形成 的窗口使得材料能够在研磨进展时循环向下游。此外，原材料在对区III的入口时的制动产 生任何过量液体返回至区II，其中它可以通过开口 655去掉用于可能的再循环。
[0138] 湿材料在套内的几个贯通螺杆之间的经过导致液和气相的上游移动和固相的下 游移动。
[0139] 在区IV中，在压力下执行第二个蒸煮阶段。在这个区中，螺旋面的螺距可以加宽， 以产生浆的薄膜。所需温度借助于加热元件673获得。需要时，可以在压力下引入氧。
[0140] 区V具有闭合螺距的螺旋面，具有其中浆再次压缩的反转螺纹和窗口，向上游移动 的液体通过开口 656去掉。用于除气的开口 657可以同样在上游提供。因此，在区V中，对任何 未经蒸煮的材料实现最终研