具有垂直桨的高固体酶反应器混合器及方法
具有垂直桨的高固体酶反应器混合器及方法
【专利说明】具有垂直桨的高固体酶反应器混合器及方法
[0001]相关申请
[0002]本申请分别要求2013年10月25日申请的美国专利申请第14/063，156号和2012年11月7日申请的美国临时专利申请第61/723，538号的优先权，所述申请的全部内容通过引用合并在本申请中。
技术领域
[0003]本发明的实施例总体上涉及生物质到单糖的酶转化领域，尤其涉及混合生物质和酶以促进水解。
【背景技术】
[0004]生物质给料可以仅仅是木质纤维素材料或木质纤维素和其它材料的混合物。多糖生物质典型的是淀粉和木质纤维素材料的混合物。该淀粉可以包含在谷物或作为给料添加以形成生物质的精炼淀粉中。该生物质给料还可以包括聚合物和其它材料。
[0005]酶和生物质混合以提高水解作用。混合确保酶连续不断的进入接触生物质中的化学反应区域以提高生物质的水解作用或其它降解。此外，或者取代酶，其它纤维素降解生物体和生物催化剂可以被添加到生物质中以提高生物质的水解作用或其它降解。
[0006]木质纤维素材料的给料和酶或其它降解材料混合在一起形成生物质混合物。这个生物质混合物具有与高物质含量粉末相似的特征。液体也可以被添加到生物质混合物中以形成高粘性液体浆料。液体可以被添加以溶解生物质固体并产生由给料和液体构成的均匀的生物质乳状液，它们的特征具有显著差异。
[0007]混合器、不断搅拌反应器和其它类似的混合或搅拌装置可以用于混合并溶解给料和酶以形成生物质混合物。这些装置通常是垂直地安置的圆柱形容器且具有机械混合装置，例如具有径向臂和桨叶的搅拌器。这些混合装置通常围绕垂直轴旋转并穿过生物质，并伴随有根据所用的给料发生一段时间的混合。
[0008]木质纤维素给料到生物质的酶液化可能需要混合几个小时。所述混合的结果是生物质的粘度下降。酶使一般的固体生物质成分转变成液化的浆料。酶转化为单糖而进行预处理的生物质通常开始具有纤维状的或泥状稠度的混合过程。被添加到生物质中的酶相对于生物质通常具有相对较低的浓度。随着它进入混合器和预处理水解反应器系统，生物质和酶混合物趋于高粘性。在系统中可能有一个或多个水解反应器容器。
[0009]由于高粘性生物质进入水解反应器容器，需要大的力(扭矩)来转动混合装置并适当地混合酶和生物质。混合力通常限制了混合容器的尺寸。许多混合发生的常规容器往往是小直径容器，因为旋转混合臂所需要的扭矩与臂的径向长度以指数方式增加。由于生物质的高粘性，所述臂的径向长度通常短，这样它们可以穿过生物质。用于转动混合臂的电动机具有最大功率限制，这有助于限制混合臂的最大长度。由于混合部件的电动机和机械强度的限制，用于混合高粘性预处理生物质的容器通常小而窄。
[0010]由于这些以及其它的原因，用于木质纤维素生物质的酶熔解的混合容器通常批量操作而非连续模式，并经常需要多批次混合容器同时操作以供给大量的下游的容器。
[0011]一种能够混合高粘性生物质和酶的大型的连续模式混合容器近期被研制出来，被记载在美国专利申请公开2012-125549( “'549”申请)中。在这个系统中酶水解作用和混合过程依赖于物理力，例如重力和离心力，以确保生物质经受所需的机械力。
[0012]在连续的混合和反应器装置中，第一内部混合室具有从生物质入口扩展到第二室内部区域的横截面面积和贯穿该第二室的均匀内部横截面。在这个系统中，所述生物质反应器包含旋转的混合装置并与反应器容器同轴。这个混合室可以由容器中不同高度的多个区域组成。该混合由水平浆或托盘引起，并且还允许材料垂直沿容器向下的运动。液化浆从混合容器的下部区域流出，和一部分泵送或循环到容器上部区域的浆一起来调整容器上面高度处的给料缓慢变化的粘度。
[0013]当记载在'549申请中的系统和方法的应用考虑到混合和反应器容器的连续操作的时候，随着材料穿过反应器容器，起因于'549申请的方法的垂直混合被发现用来降低良好控制粘度降低所需要的理想的活塞流。“活塞流”指的是穿过给定区域的基本恒速的流。理想的活塞流促进反应器容器中一致的停留时间，并避免在停滞的生物质的容器中的区域。
【发明内容】
[0014]由于生物质和酶材料的阻力，它们倾向于比桨的旋转速度慢。随着生物质和酶材料沿着反应器容器的混合室向下降落，酶和生物质反应并且生物质和酶材料的粘度发生变化。遗憾的是，随着生物质和酶材料的粘度发生变化，生物质和酶材料的阻力和旋转速度也发生变化，这引起贯穿混合室长度的旋转增量。发明人已经意识到具有变化的水翼横截面或迎角的垂直桨可以用来保持生物质和酶材料的旋转在混合室的整个长度上基本上恒定。这个设计可以促进活塞流并降低旋转增量。
[0015]为了促进活塞流、改善混合并减少反应器容器混合室中的停滞区域，一种新的具有水翼形状的垂直定向的桨被构想出来用于混合生物质和酶材料。在实施例中，“迎角”(即桨接合生物质和酶材料的角度)可以沿着桨的长度变化。在其它实施方式中，沿水平面的桨的横截面面积可以沿着桨的长度变化。
[0016]最好是使材料的缓慢且均匀的活塞流沿反应器容器的混合室垂直向下。可能需要一个缓慢的、恒定的活塞流移动以确保比现有技术容器中发生的混合积极性低的混合，所述现有技术容器中发生的混合导致材料从混合室中较低的高度被沿着混合室向上推，从而扰乱活塞流。不同于在反应器容器的混合室中向上移动生物质和酶材料，生物质和酶材料在混合室内所有垂直位置的水平混合可以减少停滞材料的区域。
[0017]在反应器容器的混合室内，生物质和酶材料的移动最好是一致且缓慢的以避免生物质和酶材料的停滞区域并且允许用于对生物质发生反应的足够时间。混合室内生物质和酶材料的水平混合运动可以帮助建立和维持所需的反应环境。所需的反应环境可以包括用于酶的最佳温度范围。缓慢的水平混合可以形成活塞流，而且活塞流是更为可控的反应模式通常所需要的。
[0018]为了提供所需的水平混合移动或运动，一个或多个具有水翼形状的垂直桨可以用在反应器容器的混合室中。一个以上的垂直桨可以布置在围绕中心轴的阵列中。垂直桨的长度可以大体上是反应器容器混合室的垂直长度的80%或以上。如果需要的话，桨的长度可以是减小的长度，例如容器主体高度的至少75%。
[0019]垂直桨在每一端可以附着到顶部支撑杆和底部支撑杆上。每个支撑杆可以依次地水平附着到延伸于混合室的垂直长度的中心轴上。中心轴附着到马达，该马达能够移动支撑杆并因此移动垂直的、一致的桨围绕混合室的中心轴在单一方向上缓慢的圆周运动。根据生物质和酶材料的粘度，水翼设计可以使得桨具有偏离垂直角度负25度到正25度范围的偏置。在其它实施例中，对于混合来源于木浆、甘蔗渣或农业残余物的生物材料和酶，正15度到负15度的范围可能是可取的。在某些实施方式中，偏离垂直角的偏置可以沿着桨的垂直长度变化。例如，桨可以在垂直桨的第一端具有2度的垂直偏置角而在垂直桨的第二端具有15度的垂直偏置角。这种偏离垂直的偏置可以在反应器容器的混合室内在混合室中的很多垂直点提供生物质和酶材料的平稳的、一致的移动。
[0020]已经设想一种反应器容器，其包括:具有垂直长度、上部入口和下部出口的混合室；以及在所述混合室内具有垂直定向的至少一个桨，所述至少一个浆具有水翼横截面形状，其中，所述至少一个桨相对于所述混合室移动而同时保持垂直定向。
[0021]在其它实施方式中，垂直桨可以在每一端附着到顶部支撑杆和底部支撑杆上。每一个支撑杆可以依次附着到中心轴上，该中心轴没有延伸到混合室内超过接合垂直桨的顶部和底部支撑杆。所述轴的一端或两端可以附着到马达上，该马达能够移动支撑杆并因此移动垂直的、一致的桨围绕混合室的中心轴在单一方向上缓慢的圆周运动。
[0022]在其它实施方式中，沿着水平面测量的垂直桨的横截面面积可以沿着垂直桨的长度变化。例如，垂直桨在其一端的宽度可以比其另一端的宽度厚。横截面面积上的这种变化也可以在混合室内在混合室中的很多垂直点提供生物质和酶材料的平稳的、一致的移动。
[0023]在其它一些实施方式中，已经设想一种反应器容器，其包括:内部圆柱形混合室，延伸于所述内部圆柱形混合室的长度的中心轴，驱动地联结到所述中心轴的马达，在所述内部圆柱形混合室内并从所述中心轴的上部向外延伸的上部支撑杆，在所述内部圆柱形混合室内并从所述中心轴的下部向外延伸的下部支撑杆；以及由所述上部支撑杆和所述下部支撑杆支撑并且附着到所述上部支撑杆和所述 下部支撑杆的至少一个垂直桨，其中，所述至少一个垂直桨围绕所述中心轴移动。
[0024]生物质和酶材料在混合室中的大致垂直、一致、连续而且缓慢流动的这种移动可以保证生物质酶材料从混合室入口到混合室出口的所需活塞流。混合室中的生物质和酶材料可以处于20°C到60°C之间的温度，例如，用于嗜热酶如纤维素酶的40°C到50°C的温度。对于嗜常温酶，可能合适的范围是25°C到30°C，对于用在同步糖化发酵(“SSF”)中的酶，可能合适的范围是20°C到25°C。SSF方法涉及混和酶例如纤维素酶和酵母。生物质和酶材料在混合室内消耗的时间可以在I到5个小时之间。这个范围可以根据所使用的酶的类型变化。对于纤维素酶，可能合适的范围是大约2.5到3.5个小时，对于与生物材料例如木肩、甘蔗渣和农业残余物反应的纤维素酶，可能合适的范围是大约3个小时。生物质和酶材料在混合室内的保留期应该足以影响生物质和酶材料的粘度，从混合室顶部的超过15000厘泊“cp”的进入粘度到在混合室的下部排放端具有小于lOOOcp粘度的生物质和酶材料。
[0025]当使用垂直桨设计时，可能没有必要在垂直桨的上面或下面使用水平混合臂。
[0026]为了进一步改善混合室内垂直桨的使用，“流动锥”可以附着到中心轴上，例如靠近保持桨或挡板的上部支撑杆。所述流动锥可以是中空的。此外，所述流动锥可以具有沿着侧面的切口部分以使得流动锥的侧面从流动锥的顶部到底部在长度上可能不一致。所述切口部分使得流动锥侧面的至少一部分敞开，而流动锥侧面的另一部分可以延伸到流动锥的底部。由于流动锥的切口部分，桨在顶端所附着的支撑杆在一端可以至少部分地由流动锥覆盖而支撑杆的另一端可以未被覆盖。
[0027]公开了一种系统，其中生物质的浆料材料被供给到反应器容器，该反应器容器包括:在每以端连接到支撑杆的至少一个垂直定向的水翼形状的挡板或桨，其中，所述支撑杆连接到被安置为位于或靠近混合室的中心垂直轴线的中心轴上，所述中心轴附着到马达上以将运动提供给所述中心轴，从而以一致的、单向的方式、基本上贯穿混合室整个长度地移动挡板。
[0028]另一个实施方式可以包括流动锥的使用，该流动锥附着到中心轴上靠近保持水翼形状的桨的上部支撑杆。流动锥是中空的锥体，其侧面部分被去除以允许进入混合室的浆料材料的平滑移动以被基本上均匀地分布在混合室的圆形区域上。
[0029]在此公开了一种方法，其中，混合室中的生物质和酶材料的浆料材料可以处于20°C到60°C之间的温度。例如，对于嗜热酶，可能合适的范围是40°C到50°C。对于嗜常温酶，可能合适的范围是25 °C到30 °C，对于用在SSF中的酶，可能合适的范围是20 °C到25 °C。生物质和酶材料在混合室内消耗的时间可以在I到5个小时之间。这个范围可以根据所使用的酶的类型变化。对于纤维素酶，可能合适的范围是大约2.5到3.5个小时，对于与生物材料例如木肩、甘蔗渣和农业残余物反应的纤维素酶，可能合适的范围是大约3个小时。温度、混合以及生物材料和酶在混合室中消耗的时限允许生物质和酶的浆料材料的粘度变化，从其在反应器容器顶部的超过15000cp的进入粘度到具有粘度小于lOOOcp的生物质和酶的浆料材料；使用垂直定向的水翼形状的挡板或桨以单向的方式基本上在混合室的整个长度上混合生物质和酶的浆料材料；从混合室排放生物质和酶的低粘度的浆料材料。
[0030]在另一实施方式中，垂直定向的水翼形状的桨或桨可以以不同的速度旋转。在其它实施方式中，垂直定向的水翼形状的桨或桨可以在相反的方向上旋转。在其它实施方式中，垂直定向的水翼形状的桨或桨可以不一致地移动通过混合室。在另一实施方式中，同轴的桨或桨可以在相反的方向上旋转以使得包括至少一个桨的一组桨可以绕着中心轴线按顺时针方向移动而包括至少一个桨的另一组桨可以绕着中心轴线按逆时针方向移动。水翼形状的桨或桨的迎角可以被调整以降低酶和生物质材料的垂直搅动的发生率。调整水翼形状的桨或桨的迎角从而可以促进活塞流。
[0031]在另一个实施方式中，桨可以占据混合室的象限以使得桨从混合室的顶部和底部延伸到混合室长度的一半。占据一个象限的桨可以在不同于占据其它象限的桨的方向上移动。此外，一象限内的至少一个桨可以在至少一个方向上移动，而该象限内的至少第二个桨可以在第二个方向上移动。
[0032]公开了在使用垂直定向的混合室和垂直延伸通过混合室的至少一个桨叶的反应器容器中混合生物质和酶的另一种方法:将生物质和酶的混合物连续地供给到所述反应器容器的上部入口并且将生物质和酶的混合物添加到所述混合室；移动所述至少一个桨叶通过混合室中的所述生物质和酶的混合物而同时保持所述至少一个桨叶处于垂直定向；在所述生物质和酶的混合物向下移动通过所述混合室时通过所述至少一个桨叶的移动混合所述生物质和酶的混合物；从所述反应器容器的下部出口排放所述生物质和酶的混合物。
[0033]另一种方法在此被公开，其中生物质和酶的浆料材料被供给到反应器容器，包括:作为处于大约20°C到60°C之间温度的生物质和酶材料的浆料。例如，对于嗜热酶，可能合适的范围是40°C到50°C。对于嗜常温酶，可能合适的范围是25°C到30°C，对于用在SSF中的酶，可能合适的范围是20°C到25°C。生物质和酶材料在混合室内消耗的时间可以在I到5个小时之间。这个范围可以根据所使用的酶的类型变化。对于纤维素酶，可能合适的范围是大约2.5到3.5个小时，对于与生物材料例如木肩、甘蔗渣和农业残余物反应的纤维素酶，可能合适的范围是大约3个小时。温度、混合以及生物材料和酶在混合室中消耗的时限允许生物质和酶的浆料材料的粘度变化，从其在反应器容器顶部的超过15000cp的进入粘度到在反应器容器底部具有粘度小于lOOOcp的生物质和酶材料的浆料。生物质和酶材料的浆料与附着到中心轴上的靠近保持水翼形状的桨的顶部支撑杆的流动锥接触，以提供进入反应器容器的混合室的生物质和酶材料的浆料的平滑移动从而被基本上均匀地分布在混合室的圆形区域上。使用垂直定向的水翼形状的挡板或桨以单向的方式基本上在混合室的整个长度上混合生物质和酶材料的浆料。低粘度材料被从混合室排放。
[0034]在另一实施方式中，已经设想了一种反应器容器，其包括:具有垂直轴线的圆柱形混合室；由上部支撑杆和下部支撑杆支撑的至少一个垂直桨；沿着所述圆柱形混合室的垂直轴线延伸的中心轴，其中，所述上部和下部支撑杆附着到所述中心轴上并且从所述中心轴径向向外延伸；发动机或马达，其在反应容器的外面并且驱动地联结到所述中心轴以旋转所述中心轴、上部支撑杆和下部支撑杆以及所述至少一个垂直桨；圆锥形导流器，其具有与所述垂直轴线对齐的顶点并且被安置在所述至少一个垂直桨的上方。
[0035]在整个附图中，相应的附图标记指示对应的部分。虽然附图表示根据本公开的各种特征和组件的实施方式，但这些附图并不一定成比例，并且某些特征可以放大以更好地阐明本公开的实施方式，而且这些范例不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。
【附图说明】
[0036]图1示出了具有垂直桨的立式圆柱形反应器容器的实施例的侧视图。
[0037]图2示出了具有垂直桨和流动锥的立式圆柱形反应器容器的实施例的侧视图。
[0038]图3示出了垂直桨的实施例的侧视图。
[0039]图4是垂直桨的水翼形状的实施例的俯视图。
[0040]图5示出了示例性流动锥的侧视图。
[0041]图6描绘了具有不一致的垂直轴线偏置角的示例性垂直桨。
[0042]图7a描绘了具有垂直桨和流动锥以及没有显著地延伸到混合室中的中心轴的立式圆柱形反应器容器的实施例。
[0043]图7b描绘了生物质和酶材料中的颗粒在其向下流动通过混合室时所采取的最佳螺旋路径。
[0044]图8a描绘了具有大体上延伸于混合室的圆柱高度的整个高度的垂直桨的立式圆柱形反应器容器的实施例。
[0045]图Sb描绘了立式圆柱形反应器容器自上而下的透视图。这个示例性实施例示出了可以在相反方向上旋转的两组支撑杆。
[0046]图8c是图8b中外部支撑杆的特写图。这个支撑杆具有可以从混合室的内壁去除生物质和酶材料的积聚物的刮板挡板。
【具体实施方式】
[0047]流动锥可以附着到中心轴上并且可以被安置成允许位于桨的顶端的支撑杆安装在流动锥的底部或刚好在流动锥内。由于流动锥附着在中心轴上，它以与中心轴相同的运动方式移动。随着生物质和酶的浆料材料进入混合室，生物质和酶的浆料材料接触流动锥并沿着 流动锥的外表面移动。流动锥可以将进入容器的生物质和酶的浆料材料的流引导到混合室主体的所有部分。流动锥还可以将浆料材料和酶的流沿着混合室的圆形区域分布而没有优先分布到混合室的任一区域。结果，流动锥可以沿着混合室的表面形成厚垫状层以避免未完全结合在浆料中的液体沿着混合室的内核聚集。流动锥的切口部分允许一些生物质和酶的浆料材料落入桨的区域，而其它的生物质和酶的浆料材料可以被导向混合室壁。流动锥的较短部分提供了至桨区的开口，而流动锥的较长部分向着混合室墙移动生物质和酶的浆料材料。
[0048]流动锥的使用可以促进生物质和酶的浆料材料遍及混合室的圆形横截面的均匀分布。流动锥因此可以提高生物质和酶的浆料材料内酶的反应能力并且以活塞流方式促进期望的粘度变化。在这种方式中，流动锥可以促进期望的活塞流和生物质的液化。
[0049]在此公开的反应器容器的特征包括:在容器的混合室中垂直定向的桨，所述桨在桨的上端和下端由支撑杆支撑并附着到支撑杆上而且附着到混合室的旋转中心轴上。所述桨可以具有水翼横截面形状并且沿着它们的长度可以具有不一致的横截面形状以使浆引起生物质和酶材料在混合室内改变高度的倾向最小化。水翼横截面是被设计用来移动通过生物质和酶材料的形状并且包括例如翼型、翅膀或鳍的横截面形状，而且可以具有形状如水滴、钻石、新月或椭圆的横截面。桨可以以缓慢的、恒定的、单向的方式旋转，例如，每分钟低于10转，以在同一高度促进生物质和酶材料的混合。桨的缓慢的、恒定的、单向运动降低了混合作用改变生物质和酶材料高度的倾向。这个运动还允许生物质和酶材料在它们被混合时以一致的、缓慢的、连续的方式向下移动。
[0050]在一些实施方式中，反应器容器还可以包括由从中心轴径向延伸的刮板支撑杆支撑的刮板挡板，其中，所述刮板挡板接合混合室的内壁。
[0051]位于混合室的上部区域并且紧贴至混合室的生物质和酶输入下面的一导流器例如圆锥形导流器或流动锥可以可以在混合室的上部区域均匀地分布生物质和酶材料。所述导流器可以安装到从中心轴径向延伸到浆的上端的上部支撑杆上。所述导流器可以具有与中心轴同轴、与至反应器容器的生物质和酶输入垂直地对齐或两者皆的顶点。所述导流器可以具有不规则的周界和切口以促进生物质和酶材料在混合室中的均匀分布。所述导流器可以是流动锥，其具有锥形表面、是中空的、在锥形表面上具有切口、而且具有下部周界，该下部周界具有位于距离中心轴线的不同半径处且阶梯式错开的一些部分。
[0052]所述流动锥帮助遍及混合室的内部均匀地分布生物质和酶浆料材料。生物质和酶材料的均匀分布促进生物质中酶的均匀分布以及酶与生物质之间的均匀反应。所述流动锥避免材料向着混合室的中心积聚，否则其将在混合室的中心形成更大粘性的生物质和酶材料的柱状物。该更大粘性的生物质和酶材料将会向上推动位于混合室底部的较低粘性的生物质和酶材料。
[0053]所述导流器可以引起一部分生物质和酶材料形成邻近混合室的壁的厚环形垫。所述垫防止未完全结合入生物质和酶材料的浆料的液体沿着混合室的壁聚集和在通道中向下流动通过混合室从而造成成问题的旋转增量。
[0054]图1示出了用于混合和保留生物质和酶的高粘性供给浆料材料I的反应器容器10。生物质和酶的浆料材料I可以在粘度超过15000CP时进入混合室2并且在混合室2中与酶发生反应。在一些实施方式中，混合室2可以具有至少100英尺的垂直长度和至少30英尺的直径。反应过的生物质浆料7在混合室的排放处可以具有大约lOOOcp的相对低的粘度。
[0055]混合室2可以装备有在桨的两端附着到支撑杆4上的至少一个桨3。桨3可以是垂直定向的并且可以被涂层以防止生物质和酶材料的粘附。该涂层可以是聚四氟乙烯材料如杜邦品牌的聚四氟乙烯或其它合适的涂层材料。此类合适的材料可以包括提供不粘表面的材料。在一些实施方式中，可能需要涂层材料耐腐蚀性的环境。在其它实施方式中，可能需要涂层材料能够抵抗碱性环境或中性PH值环境。混合室2还可以被涂层以防止生物质和酶材料的粘附。该涂层可以是聚四氟乙烯材料如杜邦品牌的聚四氟乙烯或其它合适的涂层材料。混合室2还可以在反应器容器10的内部。通过在每一端附着到支撑杆4上，桨3保持刚性。支撑杆4附着到基本上沿着混合室2的中心轴线安置的中心轴5上。中心轴5可以附着到马达6上。中心轴5通过马达6进行圆周运动以使得所有桨3同时以缓慢的、恒定的、单向的方式在混合室2内移动。
[0056]随着生物质和酶的浆料材料I向下移动通过混合室2，酶与生物质和酶的浆料材料I中的生物质发生反应以将生物质和酶材料的粘度从大约15000cp降低到混合室2的底部处的大约lOOOcp。反应过的生物质浆料7可以被送出混合室2用于进一步处理。
[0057]根据生物质和酶材料的粘度，桨3可以附着到支撑杆4上以使得桨3相对于桨3的垂直轴线的角度在负25度到正25度的范围内。在其它实施例中，对于混合来源于木浆、甘蔗渣或农业残余物的生物材料和酶，正15度到负15度的范围可能是可取的。
[0058]如果需要，偏离桨3的垂直轴线的角度可以沿着桨3的垂直长度变化。该实施方式更详细地描述在图6中。
[0059]在其它实施方式中，沿着水平面测量的桨3的横截面面积可以沿着垂直浆3的长度变化以使得桨3在沿着桨的一个位置的宽度大于在沿着浆的另一个位置的宽度。该实施方式更详细地描述在图6中。
[0060]图2示出了附加流动锥28的立式圆柱形反应器容器20。流动锥28可以在混合室22的顶部刚好在支撑杆24的上方附着到中心轴25上。位于混合室22顶部的支撑杆24可以接合垂直桨23。马达26还可以接合和旋转中心轴25。流动锥28更详细地显示在图5中。
[0061]图3示出了用在图1、图2和图7的反应器容器中的桨33的一部分。桨33基本上在图1的混合室2的长度的90%或80%之间，或者其可以小于整个长度，例如大于混合室2的长度的50%。大于混合室2的长度的50%的桨长度可能是促进生物材料例如木肩、甘蔗渣和农业残余物的活塞流所需要的。
[0062]图4示出了桨的示例性设计。桨具有水翼设计43，其在生物质和酶材料I以活塞流方式沿着图1中的混合室2的长度成螺旋形地向下移动时允许生物质和酶材料I的平滑移动。
[0063]图5示出了流动锥28的切除区域。圆锥体的侧面具有不同的长度，例如一侧面58可以比相对的侧面57短。流动锥28可以是中空的，并且可以安装在图2的支撑杆24的上方。流动锥28可以被涂层以防止生物质和酶材料的粘附。该涂层可以是聚四氟乙烯材料如杜邦品牌的聚四氟乙烯或其它合适的涂层材料。流动锥28将进入反应器容器20的生物质和酶的浆料材料21均匀地分布在反应器容器20的圆形区域上并且可以沿着混合室22的内表面形成生物质和酶材料的厚垫状层。所述垫层防止没有完全结合在生物质和酶材料的浆料中的液体聚集和形成更重的、更大粘性材料的内核。这样的核可以沿混合室22向下行进并且将位于混合室22底部的较低粘性材料向上推从而扰乱活塞流。
[0064]图6a示出了示例性桨63的俯视图。桨63具有水翼形状和不一致的被称为迎角的偏离垂直轴线的偏置角。桨63的顶部631可以限定第一射线633。桨63的底部632可以限定第二射线634。桨63的主体635跨越由第一射线和第二射线形成的角以沿着桨63的长度形成不一致的迎角。
[0065]图6b示出了桨63的侧视图，其中桨的主体635具有由桨63的顶部631和底部632限定的不一致的迎角。
[0066]图6c是桨63的另一个俯视图。桨63可以是平面的而且浆63的底部632的横截面面积可以比浆63的顶部631的横截面面积大以形成具有不一致的横截面面积的桨63的主体635。该实施方式还示出了不一致的横截面面积如何可以被用来形成不一致的迎角。
[0067]图7a示出了附加流动锥78的立式圆柱形反应器容器70的实施例。流动锥78可以附着到中心轴75上。中心轴可能不延伸超过位于混合室72的顶部或底部的支撑杆74。马达76可以接合并旋转中心轴75。反应过的生物质浆料77可以被送出混合室72用于进一步处理。
[0068]图7b描绘了生物质和酶材料中的颗粒的理想活塞流路径。在一实施方式中，垂直桨73在基本相同的方向上移动，生物质和酶材料中的颗粒倾向于以螺旋形路径721向下移动通过混合室72。
[0069]图8a示出了附加流动锥88的立式圆柱形反应器容器80的实施例。立式圆柱形反应器容器80可以由容器支架803支撑。流动锥88可以附着到中心轴85上。马 达86可以接合和旋转中心轴85。中心轴可能不延伸超过位于混合室82的顶部或底部的支撑杆84。在该实施例中，支撑杆可以随着混合室82的顶部和底部弯曲或采用混合室82的顶部和底部的轮廓。桨83可以混合室82内以缓慢的方式移动。该实施例描绘了基本上跨越混合室82的整个长度的桨83。在这个实施例中，刮板桨805可以被用来从混合室的内壁820去除生物质和酶材料。这个更充分地解释在图8b和8c中。桨83和刮板桨805的移动可以保证生物质和酶材料81从混合室入口 801到混合室出口 802的期望活塞流。混合室入口 801可以大体上居中地位于混合室82顶部的中心轴线上或者混合室入口 801可以偏离混合室82的中心轴线。同样地，混合室出口 802可以大体上居中地位于混合室82底部的中心轴线上或者混合室出口 802可以偏离混合室82的中心轴线。反应过的生物质浆料87可以被送出混合室82用于进一步处理。
[0070]图Sb是沿着图8a的A-A线的立式圆柱形反应器容器80的自上而下的透视图。容器支架803支撑立式圆柱形反应器容器80。在该示例性实施方式中，具有两组支撑杆，这两组支撑杆支撑在相反方向上移动的两组桨83。刮板支撑杆841在一端支撑刮板桨805并且在相对端支撑相对桨806。在该实施例中，刮板桨支撑杆按逆时针方向移动。相对桨806不接触混合室的内壁820 (如图8c中所示)，然而它引导混合室中的一部分生物质和酶材料朝向混合室的内壁820 (如图8c中所示)。
[0071 ] 桨支撑杆842可能支撑一个或多个桨807。在这个实施例中，桨支撑杆按顺时针方向旋转。
[0072]图8c是图8b的详细区域，其示出了接合混合室内壁820的刮板桨805。刮板可以去除混合室内壁820上的生物质和酶材料的积聚物。刮板桨805可以是根据任何前面列出的桨实施方式构造的改进桨。例如，刮板桨805的迎角和横截面面积可以沿着刮板桨805的垂直长度变化。
[0073]为了清楚和理解的目的，已经详细描述了本发明。但是，应当理解的是，在本发明权利要求的范围内，可以对本发明所公开的实施方式的进行某些改变和修改。
【主权项】
1.一种反应器容器，包括: 具有垂直长度、上部入口和下部出口的混合室；和 在所述混合室内具有垂直定向的至少一个桨，所述至少一个浆具有水翼横截面形状，其中，所述至少一个桨相对于所述混合室移动而同时保持垂直定向。2.根据权利要求1所述的反应器容器，其中，所述至少一个桨延伸于所述混合室的垂直长度的至少50%。3.根据权利要求1或2所述的反应器容器，其中，所述至少一个挡板基本上延伸于所述混合室的圆柱形高度的整个高度。4.根据权利要求1到3中任何一项所述的反应器容器，其中，所述混合室的垂直长度是至少100英尺而且所述混合室的直径是至少30英尺。5.根据权利要求1到4中任何一项所述的反应器容器，其进一步包括联结到所述至少一个桨的中心轴。6.根据权利要求1到5中任何一项所述的反应器容器，其中，所述至少一个桨是水翼阵列而且所述水翼阵列绕所述混合室的垂直轴轴线对称布置。7.根据权利要求1至6中任何一项所述的反应器容器，其进一步包括分别联结到所述至少一个桨的相对端部区域的上部支撑杆和下部支撑杆。8.根据权利要求7所述的反应器容器，其进一步包括与所述混合室的中心轴线同轴的中心轴，所述上部支撑杆连接到所述中心轴的上部而且所述下部支撑杆连接到所述中心轴的下部。9.根据权利要求1到8中任何一项所述的反应器容器，其中，所述至少一个桨沿着桨的长度具有不一致的横截面形状。10.根据权利要求1到9中任何一项所述的反应器容器，其中，所述至少一个桨具有偏离垂直轴线的偏置角，其沿着所述至少一个桨的长度是不一致的。11.根据权利要求10所述的反应器容器，其中，所述偏离垂直轴线的偏置角在负25度到正25度之间的范围内。12.—种反应器容器，包括: 内部圆柱形混合室， 延伸于所述内部圆柱形混合室的长度的中心轴， 驱动地联结到所述中心轴的马达， 在所述内部圆柱形混合室内并从所述中心轴的上部向外延伸的上部支撑杆， 在所述内部圆柱形混合室内并从所述中心轴的下部向外延伸的下部支撑杆；以及 由所述上部支撑杆和所述下部支撑杆支撑并且附着到所述上部支撑杆和所述下部支撑杆的至少一个垂直桨，其中，所述至少一个垂直桨围绕所述中心轴移动。13.根据权利要求12所述的反应器容器，其进一步包括配置为接收生物质和酶材料的到所述混合室的上部入口和配置为从所述内部圆柱形混合室排放反应过的生物质材料的下部出口。14.根据权利要求12或13所述的反应器容器，其中，垂直桨移动促进生物质和酶材料的浆料在所述内部圆柱形混合室中的水平移动。15.根据权利要求12到14中任何一项所述的反应器容器，其中，所述至少一个垂直桨具有水翼横截面形状。16.根据权利要求12到15中任何一项所述的反应器容器，其进一步包括由从所述中心轴径向延伸的刮板支撑杆支撑的刮板挡板，其中，所述刮板挡板接合所述混合室的内壁。17.根据权利要求12到16中任何一项所述的反应器容器，其中，所述至少一个桨具有偏离垂直轴线的偏置角，其沿着所述至少一个桨的长度是不一致的。18.根据权利要求17所述的反应器容器，其中，所述偏离垂直轴线的偏置角在负25度到正25度之间的范围内。19.根据权利要求12到18中任何一项所述的反应器容器，其中，所述中心轴没有延伸到所述混合室中超过与所述垂直桨接合的上部和下部支撑杆。20.—种在反应器容器中混合生物质和酶的方法，所述反应器容器包括垂直定向的混合室和垂直延伸通过所述混合室的至少一个桨叶，所述方法包括: 将生物质和酶的混合物连续地供给到所述反应器容器的上部入口并且将生物质和酶的混合物添加到所述混合室； 移动所述至少一个桨叶通过混合室中的所述生物质和酶的混合物而同时保持所述至少一个桨叶处于垂直定向； 在所述生物质和酶的混合物向下移动通过所述混合室时通过所述至少一个桨叶的移动混合所述生物质和酶的混合物；以及 从所述反应器容器的下部出口排放所述生物质和酶的混合物。21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少一个桨叶的移动是围绕所述混合室的轴线的圆周移动。22.根据权利要求20或21所述的方法，其中，所述至少一个桨是桨阵列而且所述桨阵列是不一致地移动通过所述混合室。23.根据权利要求22所述的方法，其中，包括至少一个桨的一组桨绕中心轴线按顺时针方向旋转而包括至少一个桨的另一组桨绕所述中心轴线按逆时针方向旋转。24.一种反应器容器，包括: 具有垂直轴线的圆柱形混合室； 由上部支撑杆和下部支撑杆支撑的至少一个垂直桨； 沿着所述圆柱形混合室的垂直轴线延伸的中心轴，其中，所述上部和下部支撑杆附着到所述中心轴上并且从所述中心轴径向向外延伸； 发动机或马达，其在反应容器的外面并且驱动地联结到所述中心轴以旋转所述中心轴、上部支撑杆和下部支撑杆以及所述至少一个垂直桨； 圆锥形导流器，其具有与所述垂直轴线对齐的顶点并且被安置在所述至少一个垂直桨的上方。25.根据权利要求24所述的反应器容器，其中，所述圆锥形导流器具有下边缘，所述下边缘具有距离所述垂直轴线位于不同的径向长度处的周界。26.根据权利要求24或25所述的反应器容器，其中，所述下边缘是阶梯式的以使得所述下边缘距离所述垂直轴线位于不同的径向距离处。27.根据权利要求24到26中任何一项所述的反应器容器，其中，所述圆锥形导流器具有切口和不规则下边缘以将生物质和酶材料分布到所述圆柱形混合室内。28.根据权利要求24到27中任何一项所述的反应器容器，其中，所述圆锥形导流器遍及所述圆柱形混合室分布生物质和酶浆料材料。29.根据权利要求24到28中任何一项所述的反应器容器，其进一步包括由从所述中心轴径向延伸的刮板支撑杆支撑的刮板挡板，其中，所述刮板挡板接合所述混合室的内壁。
【专利摘要】一种反应器容器，其包括：具有垂直长度、上部入口和下部出口的混合室；以及在所述混合室内垂直定向且具有水翼横截面形状的桨，其中，所述桨相对于所述混合室移动。
【IPC分类】C12M1/00, C12M1/06, C12M1/40
【公开号】CN104903437
【申请号】CN201380069276
【发明人】爱德温·威廉·博尔兹, 鲁道夫·罗梅罗
【申请人】安德里兹有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月7日
【公告号】CA2890446A1, EP2917332A1, US9169505, US20140127756, WO2014074687A1
【专利说明】具有垂直桨的高固体酶反应器混合器及方法
[0001]相关申请
[0002]本申请分别要求2013年10月25日申请的美国专利申请第14/063，156号和2012年11月7日申请的美国临时专利申请第61/723，538号的优先权，所述申请的全部内容通过引用合并在本申请中。
技术领域
[0003]本发明的实施例总体上涉及生物质到单糖的酶转化领域，尤其涉及混合生物质和酶以促进水解。
【背景技术】
[0004]生物质给料可以仅仅是木质纤维素材料或木质纤维素和其它材料的混合物。多糖生物质典型的是淀粉和木质纤维素材料的混合物。该淀粉可以包含在谷物或作为给料添加以形成生物质的精炼淀粉中。该生物质给料还可以包括聚合物和其它材料。
[0005]酶和生物质混合以提高水解作用。混合确保酶连续不断的进入接触生物质中的化学反应区域以提高生物质的水解作用或其它降解。此外，或者取代酶，其它纤维素降解生物体和生物催化剂可以被添加到生物质中以提高生物质的水解作用或其它降解。
[0006]木质纤维素材料的给料和酶或其它降解材料混合在一起形成生物质混合物。这个生物质混合物具有与高物质含量粉末相似的特征。液体也可以被添加到生物质混合物中以形成高粘性液体浆料。液体可以被添加以溶解生物质固体并产生由给料和液体构成的均匀的生物质乳状液，它们的特征具有显著差异。
[0007]混合器、不断搅拌反应器和其它类似的混合或搅拌装置可以用于混合并溶解给料和酶以形成生物质混合物。这些装置通常是垂直地安置的圆柱形容器且具有机械混合装置，例如具有径向臂和桨叶的搅拌器。这些混合装置通常围绕垂直轴旋转并穿过生物质，并伴随有根据所用的给料发生一段时间的混合。
[0008]木质纤维素给料到生物质的酶液化可能需要混合几个小时。所述混合的结果是生物质的粘度下降。酶使一般的固体生物质成分转变成液化的浆料。酶转化为单糖而进行预处理的生物质通常开始具有纤维状的或泥状稠度的混合过程。被添加到生物质中的酶相对于生物质通常具有相对较低的浓度。随着它进入混合器和预处理水解反应器系统，生物质和酶混合物趋于高粘性。在系统中可能有一个或多个水解反应器容器。
[0009]由于高粘性生物质进入水解反应器容器，需要大的力(扭矩)来转动混合装置并适当地混合酶和生物质。混合力通常限制了混合容器的尺寸。许多混合发生的常规容器往往是小直径容器，因为旋转混合臂所需要的扭矩与臂的径向长度以指数方式增加。由于生物质的高粘性，所述臂的径向长度通常短，这样它们可以穿过生物质。用于转动混合臂的电动机具有最大功率限制，这有助于限制混合臂的最大长度。由于混合部件的电动机和机械强度的限制，用于混合高粘性预处理生物质的容器通常小而窄。
[0010]由于这些以及其它的原因，用于木质纤维素生物质的酶熔解的混合容器通常批量操作而非连续模式，并经常需要多批次混合容器同时操作以供给大量的下游的容器。
[0011]一种能够混合高粘性生物质和酶的大型的连续模式混合容器近期被研制出来，被记载在美国专利申请公开2012-125549( “'549”申请)中。在这个系统中酶水解作用和混合过程依赖于物理力，例如重力和离心力，以确保生物质经受所需的机械力。
[0012]在连续的混合和反应器装置中，第一内部混合室具有从生物质入口扩展到第二室内部区域的横截面面积和贯穿该第二室的均匀内部横截面。在这个系统中，所述生物质反应器包含旋转的混合装置并与反应器容器同轴。这个混合室可以由容器中不同高度的多个区域组成。该混合由水平浆或托盘引起，并且还允许材料垂直沿容器向下的运动。液化浆从混合容器的下部区域流出，和一部分泵送或循环到容器上部区域的浆一起来调整容器上面高度处的给料缓慢变化的粘度。
[0013]当记载在'549申请中的系统和方法的应用考虑到混合和反应器容器的连续操作的时候，随着材料穿过反应器容器，起因于'549申请的方法的垂直混合被发现用来降低良好控制粘度降低所需要的理想的活塞流。“活塞流”指的是穿过给定区域的基本恒速的流。理想的活塞流促进反应器容器中一致的停留时间，并避免在停滞的生物质的容器中的区域。
【发明内容】
[0014]由于生物质和酶材料的阻力，它们倾向于比桨的旋转速度慢。随着生物质和酶材料沿着反应器容器的混合室向下降落，酶和生物质反应并且生物质和酶材料的粘度发生变化。遗憾的是，随着生物质和酶材料的粘度发生变化，生物质和酶材料的阻力和旋转速度也发生变化，这引起贯穿混合室长度的旋转增量。发明人已经意识到具有变化的水翼横截面或迎角的垂直桨可以用来保持生物质和酶材料的旋转在混合室的整个长度上基本上恒定。这个设计可以促进活塞流并降低旋转增量。
[0015]为了促进活塞流、改善混合并减少反应器容器混合室中的停滞区域，一种新的具有水翼形状的垂直定向的桨被构想出来用于混合生物质和酶材料。在实施例中，“迎角”(即桨接合生物质和酶材料的角度)可以沿着桨的长度变化。在其它实施方式中，沿水平面的桨的横截面面积可以沿着桨的长度变化。
[0016]最好是使材料的缓慢且均匀的活塞流沿反应器容器的混合室垂直向下。可能需要一个缓慢的、恒定的活塞流移动以确保比现有技术容器中发生的混合积极性低的混合，所述现有技术容器中发生的混合导致材料从混合室中较低的高度被沿着混合室向上推，从而扰乱活塞流。不同于在反应器容器的混合室中向上移动生物质和酶材料，生物质和酶材料在混合室内所有垂直位置的水平混合可以减少停滞材料的区域。
[0017]在反应器容器的混合室内，生物质和酶材料的移动最好是一致且缓慢的以避免生物质和酶材料的停滞区域并且允许用于对生物质发生反应的足够时间。混合室内生物质和酶材料的水平混合运动可以帮助建立和维持所需的反应环境。所需的反应环境可以包括用于酶的最佳温度范围。缓慢的水平混合可以形成活塞流，而且活塞流是更为可控的反应模式通常所需要的。
[0018]为了提供所需的水平混合移动或运动，一个或多个具有水翼形状的垂直桨可以用在反应器容器的混合室中。一个以上的垂直桨可以布置在围绕中心轴的阵列中。垂直桨的长度可以大体上是反应器容器混合室的垂直长度的80%或以上。如果需要的话，桨的长度可以是减小的长度，例如容器主体高度的至少75%。
[0019]垂直桨在每一端可以附着到顶部支撑杆和底部支撑杆上。每个支撑杆可以依次地水平附着到延伸于混合室的垂直长度的中心轴上。中心轴附着到马达，该马达能够移动支撑杆并因此移动垂直的、一致的桨围绕混合室的中心轴在单一方向上缓慢的圆周运动。根据生物质和酶材料的粘度，水翼设计可以使得桨具有偏离垂直角度负25度到正25度范围的偏置。在其它实施例中，对于混合来源于木浆、甘蔗渣或农业残余物的生物材料和酶，正15度到负15度的范围可能是可取的。在某些实施方式中，偏离垂直角的偏置可以沿着桨的垂直长度变化。例如，桨可以在垂直桨的第一端具有2度的垂直偏置角而在垂直桨的第二端具有15度的垂直偏置角。这种偏离垂直的偏置可以在反应器容器的混合室内在混合室中的很多垂直点提供生物质和酶材料的平稳的、一致的移动。
[0020]已经设想一种反应器容器，其包括:具有垂直长度、上部入口和下部出口的混合室；以及在所述混合室内具有垂直定向的至少一个桨，所述至少一个浆具有水翼横截面形状，其中，所述至少一个桨相对于所述混合室移动而同时保持垂直定向。
[0021]在其它实施方式中，垂直桨可以在每一端附着到顶部支撑杆和底部支撑杆上。每一个支撑杆可以依次附着到中心轴上，该中心轴没有延伸到混合室内超过接合垂直桨的顶部和底部支撑杆。所述轴的一端或两端可以附着到马达上，该马达能够移动支撑杆并因此移动垂直的、一致的桨围绕混合室的中心轴在单一方向上缓慢的圆周运动。
[0022]在其它实施方式中，沿着水平面测量的垂直桨的横截面面积可以沿着垂直桨的长度变化。例如，垂直桨在其一端的宽度可以比其另一端的宽度厚。横截面面积上的这种变化也可以在混合室内在混合室中的很多垂直点提供生物质和酶材料的平稳的、一致的移动。
[0023]在其它一些实施方式中，已经设想一种反应器容器，其包括:内部圆柱形混合室，延伸于所述内部圆柱形混合室的长度的中心轴，驱动地联结到所述中心轴的马达，在所述内部圆柱形混合室内并从所述中心轴的上部向外延伸的上部支撑杆，在所述内部圆柱形混合室内并从所述中心轴的下部向外延伸的下部支撑杆；以及由所述上部支撑杆和所述下部支撑杆支撑并且附着到所述上部支撑杆和所述 下部支撑杆的至少一个垂直桨，其中，所述至少一个垂直桨围绕所述中心轴移动。
[0024]生物质和酶材料在混合室中的大致垂直、一致、连续而且缓慢流动的这种移动可以保证生物质酶材料从混合室入口到混合室出口的所需活塞流。混合室中的生物质和酶材料可以处于20°C到60°C之间的温度，例如，用于嗜热酶如纤维素酶的40°C到50°C的温度。对于嗜常温酶，可能合适的范围是25°C到30°C，对于用在同步糖化发酵(“SSF”)中的酶，可能合适的范围是20°C到25°C。SSF方法涉及混和酶例如纤维素酶和酵母。生物质和酶材料在混合室内消耗的时间可以在I到5个小时之间。这个范围可以根据所使用的酶的类型变化。对于纤维素酶，可能合适的范围是大约2.5到3.5个小时，对于与生物材料例如木肩、甘蔗渣和农业残余物反应的纤维素酶，可能合适的范围是大约3个小时。生物质和酶材料在混合室内的保留期应该足以影响生物质和酶材料的粘度，从混合室顶部的超过15000厘泊“cp”的进入粘度到在混合室的下部排放端具有小于lOOOcp粘度的生物质和酶材料。
[0025]当使用垂直桨设计时，可能没有必要在垂直桨的上面或下面使用水平混合臂。
[0026]为了进一步改善混合室内垂直桨的使用，“流动锥”可以附着到中心轴上，例如靠近保持桨或挡板的上部支撑杆。所述流动锥可以是中空的。此外，所述流动锥可以具有沿着侧面的切口部分以使得流动锥的侧面从流动锥的顶部到底部在长度上可能不一致。所述切口部分使得流动锥侧面的至少一部分敞开，而流动锥侧面的另一部分可以延伸到流动锥的底部。由于流动锥的切口部分，桨在顶端所附着的支撑杆在一端可以至少部分地由流动锥覆盖而支撑杆的另一端可以未被覆盖。
[0027]公开了一种系统，其中生物质的浆料材料被供给到反应器容器，该反应器容器包括:在每以端连接到支撑杆的至少一个垂直定向的水翼形状的挡板或桨，其中，所述支撑杆连接到被安置为位于或靠近混合室的中心垂直轴线的中心轴上，所述中心轴附着到马达上以将运动提供给所述中心轴，从而以一致的、单向的方式、基本上贯穿混合室整个长度地移动挡板。
[0028]另一个实施方式可以包括流动锥的使用，该流动锥附着到中心轴上靠近保持水翼形状的桨的上部支撑杆。流动锥是中空的锥体，其侧面部分被去除以允许进入混合室的浆料材料的平滑移动以被基本上均匀地分布在混合室的圆形区域上。
[0029]在此公开了一种方法，其中，混合室中的生物质和酶材料的浆料材料可以处于20°C到60°C之间的温度。例如，对于嗜热酶，可能合适的范围是40°C到50°C。对于嗜常温酶，可能合适的范围是25 °C到30 °C，对于用在SSF中的酶，可能合适的范围是20 °C到25 °C。生物质和酶材料在混合室内消耗的时间可以在I到5个小时之间。这个范围可以根据所使用的酶的类型变化。对于纤维素酶，可能合适的范围是大约2.5到3.5个小时，对于与生物材料例如木肩、甘蔗渣和农业残余物反应的纤维素酶，可能合适的范围是大约3个小时。温度、混合以及生物材料和酶在混合室中消耗的时限允许生物质和酶的浆料材料的粘度变化，从其在反应器容器顶部的超过15000cp的进入粘度到具有粘度小于lOOOcp的生物质和酶的浆料材料；使用垂直定向的水翼形状的挡板或桨以单向的方式基本上在混合室的整个长度上混合生物质和酶的浆料材料；从混合室排放生物质和酶的低粘度的浆料材料。
[0030]在另一实施方式中，垂直定向的水翼形状的桨或桨可以以不同的速度旋转。在其它实施方式中，垂直定向的水翼形状的桨或桨可以在相反的方向上旋转。在其它实施方式中，垂直定向的水翼形状的桨或桨可以不一致地移动通过混合室。在另一实施方式中，同轴的桨或桨可以在相反的方向上旋转以使得包括至少一个桨的一组桨可以绕着中心轴线按顺时针方向移动而包括至少一个桨的另一组桨可以绕着中心轴线按逆时针方向移动。水翼形状的桨或桨的迎角可以被调整以降低酶和生物质材料的垂直搅动的发生率。调整水翼形状的桨或桨的迎角从而可以促进活塞流。
[0031]在另一个实施方式中，桨可以占据混合室的象限以使得桨从混合室的顶部和底部延伸到混合室长度的一半。占据一个象限的桨可以在不同于占据其它象限的桨的方向上移动。此外，一象限内的至少一个桨可以在至少一个方向上移动，而该象限内的至少第二个桨可以在第二个方向上移动。
[0032]公开了在使用垂直定向的混合室和垂直延伸通过混合室的至少一个桨叶的反应器容器中混合生物质和酶的另一种方法:将生物质和酶的混合物连续地供给到所述反应器容器的上部入口并且将生物质和酶的混合物添加到所述混合室；移动所述至少一个桨叶通过混合室中的所述生物质和酶的混合物而同时保持所述至少一个桨叶处于垂直定向；在所述生物质和酶的混合物向下移动通过所述混合室时通过所述至少一个桨叶的移动混合所述生物质和酶的混合物；从所述反应器容器的下部出口排放所述生物质和酶的混合物。
[0033]另一种方法在此被公开，其中生物质和酶的浆料材料被供给到反应器容器，包括:作为处于大约20°C到60°C之间温度的生物质和酶材料的浆料。例如，对于嗜热酶，可能合适的范围是40°C到50°C。对于嗜常温酶，可能合适的范围是25°C到30°C，对于用在SSF中的酶，可能合适的范围是20°C到25°C。生物质和酶材料在混合室内消耗的时间可以在I到5个小时之间。这个范围可以根据所使用的酶的类型变化。对于纤维素酶，可能合适的范围是大约2.5到3.5个小时，对于与生物材料例如木肩、甘蔗渣和农业残余物反应的纤维素酶，可能合适的范围是大约3个小时。温度、混合以及生物材料和酶在混合室中消耗的时限允许生物质和酶的浆料材料的粘度变化，从其在反应器容器顶部的超过15000cp的进入粘度到在反应器容器底部具有粘度小于lOOOcp的生物质和酶材料的浆料。生物质和酶材料的浆料与附着到中心轴上的靠近保持水翼形状的桨的顶部支撑杆的流动锥接触，以提供进入反应器容器的混合室的生物质和酶材料的浆料的平滑移动从而被基本上均匀地分布在混合室的圆形区域上。使用垂直定向的水翼形状的挡板或桨以单向的方式基本上在混合室的整个长度上混合生物质和酶材料的浆料。低粘度材料被从混合室排放。
[0034]在另一实施方式中，已经设想了一种反应器容器，其包括:具有垂直轴线的圆柱形混合室；由上部支撑杆和下部支撑杆支撑的至少一个垂直桨；沿着所述圆柱形混合室的垂直轴线延伸的中心轴，其中，所述上部和下部支撑杆附着到所述中心轴上并且从所述中心轴径向向外延伸；发动机或马达，其在反应容器的外面并且驱动地联结到所述中心轴以旋转所述中心轴、上部支撑杆和下部支撑杆以及所述至少一个垂直桨；圆锥形导流器，其具有与所述垂直轴线对齐的顶点并且被安置在所述至少一个垂直桨的上方。
[0035]在整个附图中，相应的附图标记指示对应的部分。虽然附图表示根据本公开的各种特征和组件的实施方式，但这些附图并不一定成比例，并且某些特征可以放大以更好地阐明本公开的实施方式，而且这些范例不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。
【附图说明】
[0036]图1示出了具有垂直桨的立式圆柱形反应器容器的实施例的侧视图。
[0037]图2示出了具有垂直桨和流动锥的立式圆柱形反应器容器的实施例的侧视图。
[0038]图3示出了垂直桨的实施例的侧视图。
[0039]图4是垂直桨的水翼形状的实施例的俯视图。
[0040]图5示出了示例性流动锥的侧视图。
[0041]图6描绘了具有不一致的垂直轴线偏置角的示例性垂直桨。
[0042]图7a描绘了具有垂直桨和流动锥以及没有显著地延伸到混合室中的中心轴的立式圆柱形反应器容器的实施例。
[0043]图7b描绘了生物质和酶材料中的颗粒在其向下流动通过混合室时所采取的最佳螺旋路径。
[0044]图8a描绘了具有大体上延伸于混合室的圆柱高度的整个高度的垂直桨的立式圆柱形反应器容器的实施例。
[0045]图Sb描绘了立式圆柱形反应器容器自上而下的透视图。这个示例性实施例示出了可以在相反方向上旋转的两组支撑杆。
[0046]图8c是图8b中外部支撑杆的特写图。这个支撑杆具有可以从混合室的内壁去除生物质和酶材料的积聚物的刮板挡板。
【具体实施方式】
[0047]流动锥可以附着到中心轴上并且可以被安置成允许位于桨的顶端的支撑杆安装在流动锥的底部或刚好在流动锥内。由于流动锥附着在中心轴上，它以与中心轴相同的运动方式移动。随着生物质和酶的浆料材料进入混合室，生物质和酶的浆料材料接触流动锥并沿着 流动锥的外表面移动。流动锥可以将进入容器的生物质和酶的浆料材料的流引导到混合室主体的所有部分。流动锥还可以将浆料材料和酶的流沿着混合室的圆形区域分布而没有优先分布到混合室的任一区域。结果，流动锥可以沿着混合室的表面形成厚垫状层以避免未完全结合在浆料中的液体沿着混合室的内核聚集。流动锥的切口部分允许一些生物质和酶的浆料材料落入桨的区域，而其它的生物质和酶的浆料材料可以被导向混合室壁。流动锥的较短部分提供了至桨区的开口，而流动锥的较长部分向着混合室墙移动生物质和酶的浆料材料。
[0048]流动锥的使用可以促进生物质和酶的浆料材料遍及混合室的圆形横截面的均匀分布。流动锥因此可以提高生物质和酶的浆料材料内酶的反应能力并且以活塞流方式促进期望的粘度变化。在这种方式中，流动锥可以促进期望的活塞流和生物质的液化。
[0049]在此公开的反应器容器的特征包括:在容器的混合室中垂直定向的桨，所述桨在桨的上端和下端由支撑杆支撑并附着到支撑杆上而且附着到混合室的旋转中心轴上。所述桨可以具有水翼横截面形状并且沿着它们的长度可以具有不一致的横截面形状以使浆引起生物质和酶材料在混合室内改变高度的倾向最小化。水翼横截面是被设计用来移动通过生物质和酶材料的形状并且包括例如翼型、翅膀或鳍的横截面形状，而且可以具有形状如水滴、钻石、新月或椭圆的横截面。桨可以以缓慢的、恒定的、单向的方式旋转，例如，每分钟低于10转，以在同一高度促进生物质和酶材料的混合。桨的缓慢的、恒定的、单向运动降低了混合作用改变生物质和酶材料高度的倾向。这个运动还允许生物质和酶材料在它们被混合时以一致的、缓慢的、连续的方式向下移动。
[0050]在一些实施方式中，反应器容器还可以包括由从中心轴径向延伸的刮板支撑杆支撑的刮板挡板，其中，所述刮板挡板接合混合室的内壁。
[0051]位于混合室的上部区域并且紧贴至混合室的生物质和酶输入下面的一导流器例如圆锥形导流器或流动锥可以可以在混合室的上部区域均匀地分布生物质和酶材料。所述导流器可以安装到从中心轴径向延伸到浆的上端的上部支撑杆上。所述导流器可以具有与中心轴同轴、与至反应器容器的生物质和酶输入垂直地对齐或两者皆的顶点。所述导流器可以具有不规则的周界和切口以促进生物质和酶材料在混合室中的均匀分布。所述导流器可以是流动锥，其具有锥形表面、是中空的、在锥形表面上具有切口、而且具有下部周界，该下部周界具有位于距离中心轴线的不同半径处且阶梯式错开的一些部分。
[0052]所述流动锥帮助遍及混合室的内部均匀地分布生物质和酶浆料材料。生物质和酶材料的均匀分布促进生物质中酶的均匀分布以及酶与生物质之间的均匀反应。所述流动锥避免材料向着混合室的中心积聚，否则其将在混合室的中心形成更大粘性的生物质和酶材料的柱状物。该更大粘性的生物质和酶材料将会向上推动位于混合室底部的较低粘性的生物质和酶材料。
[0053]所述导流器可以引起一部分生物质和酶材料形成邻近混合室的壁的厚环形垫。所述垫防止未完全结合入生物质和酶材料的浆料的液体沿着混合室的壁聚集和在通道中向下流动通过混合室从而造成成问题的旋转增量。
[0054]图1示出了用于混合和保留生物质和酶的高粘性供给浆料材料I的反应器容器10。生物质和酶的浆料材料I可以在粘度超过15000CP时进入混合室2并且在混合室2中与酶发生反应。在一些实施方式中，混合室2可以具有至少100英尺的垂直长度和至少30英尺的直径。反应过的生物质浆料7在混合室的排放处可以具有大约lOOOcp的相对低的粘度。
[0055]混合室2可以装备有在桨的两端附着到支撑杆4上的至少一个桨3。桨3可以是垂直定向的并且可以被涂层以防止生物质和酶材料的粘附。该涂层可以是聚四氟乙烯材料如杜邦品牌的聚四氟乙烯或其它合适的涂层材料。此类合适的材料可以包括提供不粘表面的材料。在一些实施方式中，可能需要涂层材料耐腐蚀性的环境。在其它实施方式中，可能需要涂层材料能够抵抗碱性环境或中性PH值环境。混合室2还可以被涂层以防止生物质和酶材料的粘附。该涂层可以是聚四氟乙烯材料如杜邦品牌的聚四氟乙烯或其它合适的涂层材料。混合室2还可以在反应器容器10的内部。通过在每一端附着到支撑杆4上，桨3保持刚性。支撑杆4附着到基本上沿着混合室2的中心轴线安置的中心轴5上。中心轴5可以附着到马达6上。中心轴5通过马达6进行圆周运动以使得所有桨3同时以缓慢的、恒定的、单向的方式在混合室2内移动。
[0056]随着生物质和酶的浆料材料I向下移动通过混合室2，酶与生物质和酶的浆料材料I中的生物质发生反应以将生物质和酶材料的粘度从大约15000cp降低到混合室2的底部处的大约lOOOcp。反应过的生物质浆料7可以被送出混合室2用于进一步处理。
[0057]根据生物质和酶材料的粘度，桨3可以附着到支撑杆4上以使得桨3相对于桨3的垂直轴线的角度在负25度到正25度的范围内。在其它实施例中，对于混合来源于木浆、甘蔗渣或农业残余物的生物材料和酶，正15度到负15度的范围可能是可取的。
[0058]如果需要，偏离桨3的垂直轴线的角度可以沿着桨3的垂直长度变化。该实施方式更详细地描述在图6中。
[0059]在其它实施方式中，沿着水平面测量的桨3的横截面面积可以沿着垂直浆3的长度变化以使得桨3在沿着桨的一个位置的宽度大于在沿着浆的另一个位置的宽度。该实施方式更详细地描述在图6中。
[0060]图2示出了附加流动锥28的立式圆柱形反应器容器20。流动锥28可以在混合室22的顶部刚好在支撑杆24的上方附着到中心轴25上。位于混合室22顶部的支撑杆24可以接合垂直桨23。马达26还可以接合和旋转中心轴25。流动锥28更详细地显示在图5中。
[0061]图3示出了用在图1、图2和图7的反应器容器中的桨33的一部分。桨33基本上在图1的混合室2的长度的90%或80%之间，或者其可以小于整个长度，例如大于混合室2的长度的50%。大于混合室2的长度的50%的桨长度可能是促进生物材料例如木肩、甘蔗渣和农业残余物的活塞流所需要的。
[0062]图4示出了桨的示例性设计。桨具有水翼设计43，其在生物质和酶材料I以活塞流方式沿着图1中的混合室2的长度成螺旋形地向下移动时允许生物质和酶材料I的平滑移动。
[0063]图5示出了流动锥28的切除区域。圆锥体的侧面具有不同的长度，例如一侧面58可以比相对的侧面57短。流动锥28可以是中空的，并且可以安装在图2的支撑杆24的上方。流动锥28可以被涂层以防止生物质和酶材料的粘附。该涂层可以是聚四氟乙烯材料如杜邦品牌的聚四氟乙烯或其它合适的涂层材料。流动锥28将进入反应器容器20的生物质和酶的浆料材料21均匀地分布在反应器容器20的圆形区域上并且可以沿着混合室22的内表面形成生物质和酶材料的厚垫状层。所述垫层防止没有完全结合在生物质和酶材料的浆料中的液体聚集和形成更重的、更大粘性材料的内核。这样的核可以沿混合室22向下行进并且将位于混合室22底部的较低粘性材料向上推从而扰乱活塞流。
[0064]图6a示出了示例性桨63的俯视图。桨63具有水翼形状和不一致的被称为迎角的偏离垂直轴线的偏置角。桨63的顶部631可以限定第一射线633。桨63的底部632可以限定第二射线634。桨63的主体635跨越由第一射线和第二射线形成的角以沿着桨63的长度形成不一致的迎角。
[0065]图6b示出了桨63的侧视图，其中桨的主体635具有由桨63的顶部631和底部632限定的不一致的迎角。
[0066]图6c是桨63的另一个俯视图。桨63可以是平面的而且浆63的底部632的横截面面积可以比浆63的顶部631的横截面面积大以形成具有不一致的横截面面积的桨63的主体635。该实施方式还示出了不一致的横截面面积如何可以被用来形成不一致的迎角。
[0067]图7a示出了附加流动锥78的立式圆柱形反应器容器70的实施例。流动锥78可以附着到中心轴75上。中心轴可能不延伸超过位于混合室72的顶部或底部的支撑杆74。马达76可以接合并旋转中心轴75。反应过的生物质浆料77可以被送出混合室72用于进一步处理。
[0068]图7b描绘了生物质和酶材料中的颗粒的理想活塞流路径。在一实施方式中，垂直桨73在基本相同的方向上移动，生物质和酶材料中的颗粒倾向于以螺旋形路径721向下移动通过混合室72。
[0069]图8a示出了附加流动锥88的立式圆柱形反应器容器80的实施例。立式圆柱形反应器容器80可以由容器支架803支撑。流动锥88可以附着到中心轴85上。马 达86可以接合和旋转中心轴85。中心轴可能不延伸超过位于混合室82的顶部或底部的支撑杆84。在该实施例中，支撑杆可以随着混合室82的顶部和底部弯曲或采用混合室82的顶部和底部的轮廓。桨83可以混合室82内以缓慢的方式移动。该实施例描绘了基本上跨越混合室82的整个长度的桨83。在这个实施例中，刮板桨805可以被用来从混合室的内壁820去除生物质和酶材料。这个更充分地解释在图8b和8c中。桨83和刮板桨805的移动可以保证生物质和酶材料81从混合室入口 801到混合室出口 802的期望活塞流。混合室入口 801可以大体上居中地位于混合室82顶部的中心轴线上或者混合室入口 801可以偏离混合室82的中心轴线。同样地，混合室出口 802可以大体上居中地位于混合室82底部的中心轴线上或者混合室出口 802可以偏离混合室82的中心轴线。反应过的生物质浆料87可以被送出混合室82用于进一步处理。
[0070]图Sb是沿着图8a的A-A线的立式圆柱形反应器容器80的自上而下的透视图。容器支架803支撑立式圆柱形反应器容器80。在该示例性实施方式中，具有两组支撑杆，这两组支撑杆支撑在相反方向上移动的两组桨83。刮板支撑杆841在一端支撑刮板桨805并且在相对端支撑相对桨806。在该实施例中，刮板桨支撑杆按逆时针方向移动。相对桨806不接触混合室的内壁820 (如图8c中所示)，然而它引导混合室中的一部分生物质和酶材料朝向混合室的内壁820 (如图8c中所示)。
[0071 ] 桨支撑杆842可能支撑一个或多个桨807。在这个实施例中，桨支撑杆按顺时针方向旋转。
[0072]图8c是图8b的详细区域，其示出了接合混合室内壁820的刮板桨805。刮板可以去除混合室内壁820上的生物质和酶材料的积聚物。刮板桨805可以是根据任何前面列出的桨实施方式构造的改进桨。例如，刮板桨805的迎角和横截面面积可以沿着刮板桨805的垂直长度变化。
[0073]为了清楚和理解的目的，已经详细描述了本发明。但是，应当理解的是，在本发明权利要求的范围内，可以对本发明所公开的实施方式的进行某些改变和修改。
【主权项】
1.一种反应器容器，包括: 具有垂直长度、上部入口和下部出口的混合室；和 在所述混合室内具有垂直定向的至少一个桨，所述至少一个浆具有水翼横截面形状，其中，所述至少一个桨相对于所述混合室移动而同时保持垂直定向。2.根据权利要求1所述的反应器容器，其中，所述至少一个桨延伸于所述混合室的垂直长度的至少50%。3.根据权利要求1或2所述的反应器容器，其中，所述至少一个挡板基本上延伸于所述混合室的圆柱形高度的整个高度。4.根据权利要求1到3中任何一项所述的反应器容器，其中，所述混合室的垂直长度是至少100英尺而且所述混合室的直径是至少30英尺。5.根据权利要求1到4中任何一项所述的反应器容器，其进一步包括联结到所述至少一个桨的中心轴。6.根据权利要求1到5中任何一项所述的反应器容器，其中，所述至少一个桨是水翼阵列而且所述水翼阵列绕所述混合室的垂直轴轴线对称布置。7.根据权利要求1至6中任何一项所述的反应器容器，其进一步包括分别联结到所述至少一个桨的相对端部区域的上部支撑杆和下部支撑杆。8.根据权利要求7所述的反应器容器，其进一步包括与所述混合室的中心轴线同轴的中心轴，所述上部支撑杆连接到所述中心轴的上部而且所述下部支撑杆连接到所述中心轴的下部。9.根据权利要求1到8中任何一项所述的反应器容器，其中，所述至少一个桨沿着桨的长度具有不一致的横截面形状。10.根据权利要求1到9中任何一项所述的反应器容器，其中，所述至少一个桨具有偏离垂直轴线的偏置角，其沿着所述至少一个桨的长度是不一致的。11.根据权利要求10所述的反应器容器，其中，所述偏离垂直轴线的偏置角在负25度到正25度之间的范围内。12.—种反应器容器，包括: 内部圆柱形混合室， 延伸于所述内部圆柱形混合室的长度的中心轴， 驱动地联结到所述中心轴的马达， 在所述内部圆柱形混合室内并从所述中心轴的上部向外延伸的上部支撑杆， 在所述内部圆柱形混合室内并从所述中心轴的下部向外延伸的下部支撑杆；以及 由所述上部支撑杆和所述下部支撑杆支撑并且附着到所述上部支撑杆和所述下部支撑杆的至少一个垂直桨，其中，所述至少一个垂直桨围绕所述中心轴移动。13.根据权利要求12所述的反应器容器，其进一步包括配置为接收生物质和酶材料的到所述混合室的上部入口和配置为从所述内部圆柱形混合室排放反应过的生物质材料的下部出口。14.根据权利要求12或13所述的反应器容器，其中，垂直桨移动促进生物质和酶材料的浆料在所述内部圆柱形混合室中的水平移动。15.根据权利要求12到14中任何一项所述的反应器容器，其中，所述至少一个垂直桨具有水翼横截面形状。16.根据权利要求12到15中任何一项所述的反应器容器，其进一步包括由从所述中心轴径向延伸的刮板支撑杆支撑的刮板挡板，其中，所述刮板挡板接合所述混合室的内壁。17.根据权利要求12到16中任何一项所述的反应器容器，其中，所述至少一个桨具有偏离垂直轴线的偏置角，其沿着所述至少一个桨的长度是不一致的。18.根据权利要求17所述的反应器容器，其中，所述偏离垂直轴线的偏置角在负25度到正25度之间的范围内。19.根据权利要求12到18中任何一项所述的反应器容器，其中，所述中心轴没有延伸到所述混合室中超过与所述垂直桨接合的上部和下部支撑杆。20.—种在反应器容器中混合生物质和酶的方法，所述反应器容器包括垂直定向的混合室和垂直延伸通过所述混合室的至少一个桨叶，所述方法包括: 将生物质和酶的混合物连续地供给到所述反应器容器的上部入口并且将生物质和酶的混合物添加到所述混合室； 移动所述至少一个桨叶通过混合室中的所述生物质和酶的混合物而同时保持所述至少一个桨叶处于垂直定向； 在所述生物质和酶的混合物向下移动通过所述混合室时通过所述至少一个桨叶的移动混合所述生物质和酶的混合物；以及 从所述反应器容器的下部出口排放所述生物质和酶的混合物。21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少一个桨叶的移动是围绕所述混合室的轴线的圆周移动。22.根据权利要求20或21所述的方法，其中，所述至少一个桨是桨阵列而且所述桨阵列是不一致地移动通过所述混合室。23.根据权利要求22所述的方法，其中，包括至少一个桨的一组桨绕中心轴线按顺时针方向旋转而包括至少一个桨的另一组桨绕所述中心轴线按逆时针方向旋转。24.一种反应器容器，包括: 具有垂直轴线的圆柱形混合室； 由上部支撑杆和下部支撑杆支撑的至少一个垂直桨； 沿着所述圆柱形混合室的垂直轴线延伸的中心轴，其中，所述上部和下部支撑杆附着到所述中心轴上并且从所述中心轴径向向外延伸； 发动机或马达，其在反应容器的外面并且驱动地联结到所述中心轴以旋转所述中心轴、上部支撑杆和下部支撑杆以及所述至少一个垂直桨； 圆锥形导流器，其具有与所述垂直轴线对齐的顶点并且被安置在所述至少一个垂直桨的上方。25.根据权利要求24所述的反应器容器，其中，所述圆锥形导流器具有下边缘，所述下边缘具有距离所述垂直轴线位于不同的径向长度处的周界。26.根据权利要求24或25所述的反应器容器，其中，所述下边缘是阶梯式的以使得所述下边缘距离所述垂直轴线位于不同的径向距离处。27.根据权利要求24到26中任何一项所述的反应器容器，其中，所述圆锥形导流器具有切口和不规则下边缘以将生物质和酶材料分布到所述圆柱形混合室内。28.根据权利要求24到27中任何一项所述的反应器容器，其中，所述圆锥形导流器遍及所述圆柱形混合室分布生物质和酶浆料材料。29.根据权利要求24到28中任何一项所述的反应器容器，其进一步包括由从所述中心轴径向延伸的刮板支撑杆支撑的刮板挡板，其中，所述刮板挡板接合所述混合室的内壁。
【专利摘要】一种反应器容器，其包括：具有垂直长度、上部入口和下部出口的混合室；以及在所述混合室内垂直定向且具有水翼横截面形状的桨，其中，所述桨相对于所述混合室移动。
【IPC分类】C12M1/00, C12M1/06, C12M1/40
【公开号】CN104903437
【申请号】CN201380069276
【发明人】爱德温·威廉·博尔兹, 鲁道夫·罗梅罗
【申请人】安德里兹有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月7日
【公告号】CA2890446A1, EP2917332A1, US9169505, US20140127756, WO2014074687A1
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