[发明专利]固体/流体分离器件和包括固体/流体分离的用于处理生物质的方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种固体/流体分离器件；和一种用于处理生物质的方法，其中包括固体/流体分离，更具体地说，是包括在生物化学转化工艺中对木质纤维素生物质的预处理。

发明背景

木质纤维素生物质的预处理过程用于转化为化学物，该过程需要较长的滞留时间、高压以及高温。从所处理的生物质中分离出液体的过程必须在以上条件下进行，才能实现高产量和工艺效率。当前，需要多件设备才能达成这一效果，这在资金和操作成本方面成本较高。此外，工艺效率很低。

木质纤维素生物质的预处理过程中工艺效率的关键组成部分是从固体生物质/纤维素部分中洗涤和压榨出水解的半纤维素糖、毒素、抑制剂和/或其他提取物的能力。在纤维素预处理所需的高热和压力下，难以将固体与液体有效地分离。

在固体/流体分离期间，残留于固体部分中的液体的量取决于所施加的分离压力的量、固体滤饼的厚度以及过滤器的孔隙率。过滤器的孔隙率取决于过滤器孔隙的数目和尺寸。压力降低、滤饼厚度增加或过滤器的孔隙率降低都将导致液体/固体分离程度和固体部分的最终干燥程度的降低。

对于特定的固体滤饼厚度和过滤器孔隙率来说，最大分离是在尽可能最高的分离压力下实现的。对于特定的固体滤饼厚度和分离压力来说，最大分离仅仅取决于过滤器的孔隙尺寸。

高分离压力不幸地需要能够经受该分离压力的强过滤介质，从而使得工艺困难并且所需要的设备成本非常高。当需要高分离压力时，过滤介质的厚度需要增加以经受那些压力。然而，为了维持与具有更薄过滤介质的过滤器相同的总孔隙率，更厚的过滤介质需要更大的孔隙尺寸。这会产生一个问题，取决于待截留的固体，因为过滤器的可接受的孔隙尺寸受固体部分中的纤维和颗粒的尺寸限制，所以液体部分的澄清度仅仅受过滤介质的孔隙尺寸限制。太大的孔隙使得大量悬浮的颗粒可在液体部分中聚集，从而降低液体/固体分离效率。

随时间进展，过滤介质倾向于被悬浮的固体堵塞，从而降低其生产率，尤其在纤维素预处理所需的高压下更是如此。因此，通常需要液体的回洗流来清除堵塞并且恢复生产率。一旦过滤器变得堵塞，则需要高压来回洗这些介质。在为了最大化生产率并获得高纤维素预处理工艺效率而连续生产的工艺中，在高于1000psig的压力下使用过滤介质来工作时，上述过滤器堵塞现象尤其是一个问题。有效地执行纤维素预处理所需的当前设备是复杂并且昂贵的，这是由于不存在任何一种已知设备可以在一个单一装置中同时进行多个木质纤维素生物质预处理步骤。

常规单螺杆、双螺杆或三螺杆挤出机不具有低能量预处理生物质所必需的滞留时间，并且也不具有用于预处理生物质的适用且有效率的固体/流体分离器件。美国专利US7,347,140披露了一种螺杆压力机，该螺杆压力机具有一个穿孔的壳体。这种螺杆压力机的工作压力由于穿孔的壳体的低强度而较低。美国专利US5,515,776披露了一种蜗轮压力机和压力机夹套中的排流穿孔，这些穿孔增加了排出的液体的流动方向上的截面积。美国专利US7,357,074涉及一种螺杆压力机，该螺杆压力机具有一个圆锥形脱水外壳，该外壳具有多个开孔以用于从压力机中压缩的大块固体中排出水。同样，使用一个穿孔的壳体或夹套。如将容易理解，外壳中的穿孔数目越高，外壳的压力耐受性越低。此外，当微细固体的分离需要非常小的孔时，在一个外壳或压力机夹套中穿孔会涉及到一些严重的挑战。因此，需要一种用于螺杆压力机的改进的脱水模块。

发明概述

本发明的一个目的是消除或减轻现有固体液体分离器件和工艺的至少一个缺陷。

另一个目的是提供一种用于预处理木质纤维素生物质的改进方法；和一种用于在升高的分离压力下获得改进的分离性能的液体/固体分离模块。

为了改进固体/流体分离，本发明提供了一种用于螺杆压力机的固体/流体分离模块，该模块从含有固体物质的液体中分离流体，该液体被螺杆压力机压缩到高于100psig的压力。该分离模块包括一个过滤器单元，该过滤器单元具有5%到40%（相对于总过滤器面积的总孔隙面积）的孔隙率。优选地，该模块在5%到40%、更优选地11%到40%的过滤器孔隙率下经受3000psig的操作压力。该过滤器单元优选地包括多个过滤器孔隙，该多个过滤器孔隙具有0.00005平方英寸到0.005平方英寸的孔隙尺寸。