处理木质纤维素生物质的方法
发明领域
本发明涉及处理木质纤维素生物质以生产“第二代”(2G)糖液的方法。这些糖液可用于经由生物化学途径生产其他产品(例如醇，如乙醇、丁醇或其他分子，例如溶剂，如丙酮等)。该方法通常包括三个步骤，即液体（liquor）制备、生物质的浸渍和经浸渍的生物质的预处理，例如通过蒸煮，任选地随后进行蒸汽爆破。本发明更特别地集中于该方法的前两个步骤。
现有技术
木质纤维素生物质代表着地球上最丰富的可再生资源之一。所考虑的基质是非常多样的，它们涉及木质基质，例如各种木材(硬木和软木)，产生自农业的副产品(麦秸、稻秸、玉米芯等)或产生自其他农业食品、造纸等行业的副产品。
将木质纤维素材料生物化学转化为2G糖液的方法特别包括预处理步骤和采用酶混合物(cocktail)进行酶水解的步骤。这些方法通常还包括在预处理之前的浸渍步骤。然后将产生自水解的糖液例如通过发酵进行处理，并且所述方法还包括分离步骤和/或最终产物的纯化步骤。
木质纤维素生物质由三种主要的聚合物组成：纤维素(35％-50％)，其是基本上由己糖构成的多糖；半纤维素(20％-30％)，其是基本上由戊糖构成的多糖；和木质素(15％-25％)，其是具有复杂结构和高分子量的聚合物，由经由醚键连接的芳族醇组成。这些不同的分子是植物壁的固有特性的原因并且它们自身组织成复杂的缠结体。
在组成木质纤维素生物质的这三种基础聚合物中，纤维素和半纤维素是能够生产2G糖液的基础聚合物。
通常，在预处理期间，半纤维素主要分解成糖，并且纤维素通过酶水解转化成葡萄糖。然而，对于酶而言，其难以接近粗纤维素，因此需要预处理。该预处理可以改变木质纤维素材料的物理化学性质，从而改善纤维素对于酶的可及性及其对酶水解的反应性。
存在许多有利于本发明的实施该预处理的技术，这些技术将在下文中归类为通用术语“蒸煮”：酸性蒸煮、碱性蒸煮、蒸汽爆破、“有机溶剂制浆”方法。后一种方法涉及在一种或多种有机溶剂和通常水的存在下的预处理。所述溶剂可以是醇(乙醇)、酸(例如乙酸或甲酸)或丙酮。“有机溶剂制浆”方法导致木质素的至少部分溶解和半纤维素的部分溶解。因此，存在两种出口物流：具有残余的纤维素、半纤维素和木质素的经预处理的基质，以及含有溶解的木质素和一部分的半纤维素的溶剂相。通常存在溶剂的再生步骤，这可以提取木质素物流。某些“有机溶剂制浆”处理(特别是采用乙醇)与加入强酸(例如H2SO4)相结合。还可以设想在蒸煮阶段之前使生物质经由浸渍反应器与溶剂接触，或者在进行“有机溶剂制浆”蒸煮之前使生物质与酸性催化剂接触。
例如，在出版物“Production of bioethanol from lignocellulosic materialsvia the biochemical pathway: A review”，M. Balat，Energy Conversion andManagement 52 (2011) 858-875，或在出版物“Bioethanol production fromagricultural wastes: an overview”， N. Sarkar，S. Kumar Ghosh，S. Bannerjee，K.Aikat，Renewable Energy 37 (2012) 19-27中均报道了各种配置。
最有效的预处理之一是酸性蒸汽爆破，它可使半纤维素几乎完全水解，并显著改善纤维素对于酶的可及性和反应性。在该预处理之前可以进行一个或多个其他处理。
专利US-8057639和US-8512512提出了一种方法，该方法包括在温和的条件下将半纤维素水解为C5糖的第一步骤，该温和的条件因此保护它们免于降解。该步骤在第一反应器中通过注入蒸汽在1.5巴或更高的压力、110℃或更高的温度下，且任选地在弱酸的存在下进行。在该步骤之后，进行洗涤以提取和回收C5糖液，然后将富含纤维素和木质素的剩余生物质输送到其中发生蒸汽爆破的第二步骤(第二反应器)。通过注入高压蒸汽，这导致生物质的突然膨胀(蒸汽爆破)，该第二反应器在比第一反应器更高的压力下操作。
造纸领域中的专利申请WO-2013/141776描述了在包含碱性浸渍液体的立式反应器(浸渍器)中的浸渍方法，该反应器因此界定出其中进行浸渍的第一区。在浸渍器的底部接收木质纤维素材料，并借助于两个输送螺旋将其转移至浸渍器的顶部。在将其转移到位于液位上方的浸渍器的第二区的过程中，将生物质排干，且液体回落到第一区中。在这种配置中，通过引入碱性液体来控制液位。
本发明的目的是改善上述申请WO-2013 /141776中描述的浸渍方法和合适的设备。
本发明特别涉及改善用催化液体浸渍生物质的品质。
另外，本发明致力于使浸渍方法和设备更易于使用和/或较不流体密集。
发明概述
本发明的主题首先是处理木质纤维素生物质的方法，所述方法包括以下步骤：
a.制备包含意在用于浸渍所述生物质的化学催化剂的浸渍液体，所述化学催化剂选自酸性催化剂、碱性催化剂和氧化催化剂，优选酸性催化剂；
b.经由浸渍反应器的入口引入经研磨的生物质，所述入口位于所述浸渍反应器的第一浸渍区中，所述浸渍反应器包括两个叠置区，即所述第一浸渍区和在所述浸渍区上方的第二“排干”区；
c.经由位于反应器的所述第一浸渍区中的第一液体入口引入液体。
本发明的特征在于，所述方法还包括以下步骤：
d.经由位于第一浸渍区中的生物质入口下方的反应器的另一区域中的第二液体入口将所述液体引入所述反应器。
在本发明的上下文中， “上方”或“下方”类型的空间参考被理解为随着优选的垂直方向或相对于反应器的垂直线的倾斜方向变化而变化，因此反应器沿其高度包括一系列区域(包括引入区，然后是排干区)，进料至反应器的生物质经过这些区域。生物质优选在反应器中经历上升运动，因此引入区位于排干区的“下方”。(本发明可以适用于其他反应器配置，这些术语也适用)。
因此，本发明提出将催化液体注入浸渍反应器中而不仅注入反应器的浸渍区中(这是常规的)，还注入浸渍区的下方，低于生物质在反应器中的注入点。该区域通常被认为是反应器的“死区”或“非活性区”，因为引入第一浸渍区的生物质将被输送到浸渍区上方的排干区，该上升运动是由反应器中的输送设备(例如输送螺旋)引起的。该区域相对于其他两个区域通常高度较低，并且位于第一浸渍区的下方，相当于通常垂直或倾斜放置的反应器的底部，经由该底部将一个或多个输送螺旋引入反应器中，输送螺旋的运动是由电动机驱动的。将液体注入该区域与常规做法背道而驰，因为该区域中有很少/没有生物质停留，如果设想将流体注入该区域，则该流体(如果有的话)只可能是在反应器中使用输送螺旋的情况下意在用于润滑螺旋的水(因此基本上是出于机械目的)。
现在，出乎意料地证实，在生物质在反应器中的注入点的下方，将催化液体注入该区域对浸渍过程是特别有益的。实际上，通过对在浸渍处理之后进行的蒸汽爆破预处理结束时的收率的对比测量间接证明了：对于等量的催化剂消耗而言 (即不过多消耗催化液体，而是通过将催化液体注入反应器的两个不同区域而不是注入一个区域) ，生物质的浸渍更成功地进行。
该改善的浸渍的原因可能是多种多样的：在生物质注入点下方注入的液体可以使恰好在其注入区中的生物质得到更好的处理。实际上，为了注入生物质，通常可以使用进料螺旋，该进料螺旋将生物质压缩并输送到反应器中，在螺旋的下游部分所形成的生物质塞防止液体回流到螺旋的上游端。此外，该生物质塞在进入反应器时特别是通过使用活塞(其在反应器中与所考虑的生物质塞相遇)机械破裂。在其中生物质塞破裂的区域的略下方注入液体似乎非常有利于在反应器中输送生物质的过程中使催化剂“更早地”浸渍生物质，从而对于相同的反应器停留时间而言，实现了更好、更完全的浸渍。另外，还发现由此注入的液体完美地替代了任何用于润滑反应器中的螺旋类型的生物质输送设备的洗涤水。
本发明的其他优点：在没有额外消耗催化剂的情况下获得了更好的结果。简化了设备，因为不需要在反应器的底部提供单独的水供应，而是将液体从其制备区中取出。限制向反应器中添加水对于限制反应器中的催化液体的稀释也是有利的，因此例如限制重新调节液体中的催化剂含量这样的需求(如果有的话)。
有利地，并且如前所述，通过输送设备，诸如一个或多个输送螺旋将生物质从第一浸渍区输送到第二排干区。在第一区中，生物质变得被液体浸渍，在第二区中排干。排干区的输送螺旋可以被栅格包围，过量的液体通过栅格的孔口流出。
同样有利的是，通过进料设备将生物质引入反应器的第一浸渍区中，所述进料设备产生防止液体从所述第一区回流到所述进料设备中的生物质塞，所述进料设备特别是进料螺旋。
因此，根据本发明，将产生自同一制备区的液体注入两个点，对于给定的液体消耗量而言，可以计量注入浸渍区中的液体相对于在生物质注入点下方注入的液体的比例：优选地，引入浸渍反应器中的液体的80体积％-98体积％、特别是85体积％-90体积％经由第一液体入口引入，引入该反应器的液体的至100％的剩余部分经由第二液体入口引入。因此，大部分的所述液体被注入其常规区域中， “取出”该量的最多20％，以将其注入反应器的底部。
经由第一液体入口和/或经由第二液体入口引入液体可以连续或不连续地进行。
优选地，其中第二液体入口所在的反应器的另一区域是位于基本垂直或相对于垂直方向倾斜放置的反应器的底部的非活性区域。
根据一个优选的实施方案，所用的液体是酸性催化液体，并且将所述液体的pH调节至0.1-4，特别是0.3-2。
可以使用的酸的实例包括选自硫酸、盐酸、硝酸和草酸中的至少一种酸。它们在水相中的含量优选为0.2重量％-8重量％。
本发明的另一个主题是连续处理木质纤维素生物质的方法，其包括前述步骤，并且通过包括以下步骤连续或不连续地继续进行：
e.将经浸渍和排干的生物质从浸渍反应器出口转移至蒸煮反应器，所述蒸煮反应器任选地与蒸汽爆破组合；
f.在所述反应器中预处理所述生物质；
g.将经预处理的生物质酶水解；
h.对获自经预处理的生物质的酶水解产物（must）进行醇发酵。
本发明的另一个主题是木质纤维素生物质处理装置，其包括：
-配备有液体出口的制备包含用于浸渍生物质的化学催化剂，特别是酸性催化剂、碱性催化剂或氧化催化剂，优选酸性催化剂的浸渍液体的区域；
-浸渍反应器，其包括配备有生物质入口的第一浸渍区和叠置于所述第一浸渍区上且配备有生物质出口的被称为排干区的第二区；
-将经研磨的生物质经由位于第一浸渍区中的反应器的生物质入口进料至浸渍反应器的设备；
-将浸渍液体进料至反应器的第一设备，所述设备将液体制备区的液体出口连接至反应器的第一浸渍区中的第一液体入口；
所述装置还包括：
-将浸渍液体进料至反应器的第二设备，所述设备将液体制备区的液体出口连接至位于第一浸渍区的生物质入口下方的反应器区域中的第二液体入口。
通过提供用于将催化液体引入浸渍反应器的第二点中的设备，所述装置可以实施前述方法。
应当注意，本发明还包括在除两个注入点之外的点将催化液体注入浸渍反应器中，例如经由三个或四个不同的入口注入反应器中，包括浸渍区中的至少一个，例如两个入口和生物质注入点下方的至少一个，例如一个或两个入口。
根据本发明的装置优选使用垂直或相对于垂直方向倾斜取向的浸渍反应器，通过放置在所述区域中的反应器中的一个或多个输送螺旋，生物质经历了从第一浸渍区到第二排干区的上升运动。
浸渍液体制备区可以是槽、静态混合器或动态混合器或任何其他可以混合溶剂(例如水)和催化剂(例如在酸性液体的情况下为酸，例如H2SO4)的设备。
根据第一实施方案，第一和第二液体进料设备包括连接至液体制备区的相同液体出口的公用管线部分：在管线上形成旁路以将液体供应至反应器的浸渍区。
根据另一个实施方案，第一和第二液体进料设备各自连接至液体制备区的不同出口：然后使用完全独立的管线将液体从另一出口输送至反应器的第二液体入口。
如已经提到的，生物质进料设备优选被设计成产生防止液体从所述第一区回流到所述进料设备中的生物质塞，所述进料设备特别是进料螺旋。
根据本发明的装置还可以另外包括用于预处理在浸渍反应器的出口处获得的生物质的反应器、酶水解反应器和醇发酵反应器，反应器组或其中至少两个反应器串联安装。
本发明的另一个主题是前述方法或装置用于处理生物质，诸如木材、秸秆、农业残余物和所有专用能源作物、特别是一年生或多年生植物例如芒草以生产糖、生物燃料或生物基分子的用途。更一般而言，根据本发明的方法中使用的木质纤维素生物质或木质纤维素材料获自例如原木或加工木材(硬木和软木)，农业副产品(例如秸秆)、植物纤维、林业作物、来自产醇植物、产糖植物和产谷植物的残余物、来自造纸工业的残余物、海洋生物质(例如纤维素大型海藻)或纤维素或木质纤维素材料转化产品。所述木质纤维素材料也可以是生物聚合物，并且优选富含纤维素。
优选地，所使用的木质纤维素生物质是木材、麦秸、木浆、芒草、稻秸或玉米秆。
详细说明
下面将借助于通过以下附图说明的非限制性实例对本发明进行详细描述：
-图1：根据现有技术的采用液体浸渍生物质的设备的示意图；
-图2：本发明中使用的浸渍设备和方法的方框图类型的概括性示意图；
-图3：从如图2所示的生物质浸渍至生物质连续转化为乙醇的完整设备和方法的方框图类型的概括性示意图。
使用以下附图标记对图1至图3进行描述，在所有附图中，相同的附图标记对应于相同的组件/流体/产物：
1：水进入液体制备槽
2：酸进入液体制备槽
3：液体制备设备(槽)
4：酸性液体
4a：酸性液体进入浸渍设备(反应器)(经由浸渍区注入)
4b：酸性液体进入浸渍设备(反应器)(注入底部以润滑输送螺旋)
5：浸渍设备(反应器)
5a：浸渍反应器的浸渍区
5b：浸渍反应器的排干区
5c：将生物质输送到浸渍反应器中的螺旋
5d：位于浸渍区5a下方的浸渍反应器区(在生物质通过进料螺旋6a进入反应器5的点6b的下方)
6：经研磨的生物质
6a：将生物质进料至浸渍反应器的锥形螺旋
6b：进料螺旋6a中的生物质密封塞
7：经浸渍和排干的生物质
8：预处理设备的螺旋进料器或螺塞（plug-screw）进料器
9：预处理设备(爆破反应器)
10：预处理设备的螺旋8的压榨液
11：注入蒸汽进行预处理
12：经预处理的生物质和蒸汽
13：分离蒸汽和经预处理的生物质的设备(旋风分离器)
14：蒸汽冷凝
15：经预处理的生物质
16：酶水解
17：含糖的酶水解产物
18：醇（乙醇）发酵
19：含有乙醇的发酵酒（醇）
20：蒸馏
21：浓缩醇
22：粗酒糟。
图1是根据现有技术的采用液体浸渍生物质的设备的示意图；因此，其不一定按比例绘制并且不代表设备的所有组件，而仅是那些对于描述本发明而言更特别关心的组件。
根据本发明的方法是在酶水解之前处理木质纤维素生物质的方法。它被集成到了涉及生产第二代糖的方法中，通过许多生物化学途径可以由所述糖获得含氧分子(例如，醇，如乙醇、丁醇等)。
因此，以下实例涉及集成的酸浸渍方法，然后连续或不连续地进行蒸汽爆破预处理，任选地将酸性浸渍液体再循环。
该方法与生产2G糖(即由木质纤维素生物质获得的那些)或更广泛意义上的生物基分子(即来自天然基质或衍生自天然基质的分子)的方法相容。
生物质和转移区
根据生物质(秸秆、木材等)，需要研磨步骤来使颗粒尺寸与步骤的技术手段和操作条件相容。为此，简单的切碎可能足够，但可能需要有或没有细化（refining）的研磨。
通常，经研磨的生物质6具有不大于300mm的颗粒尺寸(最大尺寸)。通常，采用5-100mm的筛网进行秸秆的研磨，并将木材切碎成长方体碎屑，其长度为20-160mm，宽度为10-100mm，厚度为2-20mm。
经研磨的生物质6经由锥形进料螺旋6a引入浸渍反应器的第一浸渍区5a，在该锥形进料螺旋中，密封生物质塞6b防止液体在刚进入第一浸渍区之前从所述区5a回流到螺旋6a中。该锥形压缩螺旋可包括穿孔栅格形式的罩。它具有圆锥形的部分，所述圆锥形的部分连接到反应器的第一浸渍区5a的底部。因此，该螺旋6a起到双重作用：首先，将生物质连续地引入浸渍反应器中，其次，形成生物质塞以实现密封性并防止液体从浸渍反应器泄漏到螺旋和螺旋的上游。
浸渍步骤
浸渍在大气压和10-95℃的温度下进行。生物质在浸渍反应器5中的停留时间通常为20秒至60分钟，优选至少30秒，优选至少1分钟，优选不多于45分钟，并且通常为1-35分钟。优选地，它在单个反应器中进行。
浸渍反应器5(或浸渍器)是管状的，并且具有垂直或相对于垂直方向小于60°的角度的倾斜取向。在实例中它是垂直的。该反应器包括位于同一轴线上的两个叠置的浸渍区5a，5b。下部区域5a被称为第一浸渍区，并经由孔口接收来自进料螺旋6a的经压缩的生物质，在该孔口上方设置有仍然位于该第一区5a中的酸性液体入口4。位于上方的区域5b(顶部区域)被称为第二浸渍区或排干区：它接收来自第一浸渍区5a的生物质。
反应器5(浸渍器)配备有一个或多个输送螺旋5c，其经由第一浸渍区的底部将生物质经由第二浸渍区5b的顶部转移至出口孔口。
第一浸渍区5a(因此发生浸渍的区域)对应于充有浸渍液体的空间。第二浸渍区5b不包含任何连续液相。在第一浸渍区和第二浸渍区之间保持恒定的分配是特别有利的。为此，反应器配备有检测系统(液位传感器)，优选地配备有用于调节液位的系统(未示出)，这可以确保填充至期望的液位。
催化浸渍液体是pH为0.1-6、优选0.2-4.0且温度为10-95℃的水溶液。此处的酸是硫酸。这种类型的液体对于本领域技术人员是众所周知的，并且通常用于浸渍的任何其他酸都适合使用。酸的量和液体的温度通常是固定的。用于获得和保持温度的装置是本领域技术人员已知的。此处的液体的制备在具有水入口1和浓硫酸入口2的槽3中进行。
在形成生物质塞的过程中(在输送螺旋的高度处)压缩生物质的效果，以及在充有液体的第一浸渍区的入口处减压的效果，可以更好地使生物质饱和(海绵效应)。生物质通过第一区5a转移，在第一区5a中，生物质朝着位于液位上方的第二浸渍区5b的浸渍。
在第二浸渍区5b中，一部分的浸渍液体通过在上升到第二浸渍区的过程中排干而与经浸渍的生物质分离，排出的液体落回第一浸渍区5a中。
优选地，第二浸渍区5b配备有将湿生物质保持在第二浸渍区中的一个或多个筛网，所述筛网由此允许液体从第二浸渍区5b流入第一浸渍区5a。
在离开第二浸渍区和浸渍反应器时，经浸渍和排干的生物质被回收并且包含很少的自由水或不含自由水。其固含量通常为15重量％-40重量％。
在第一浸渍区的液体中发现了经分离的液体，通常称为废液。
浸渍液体的制备
由于浸渍，损失了液体和酸度。因此有必要定期添加新鲜的酸性液体。
这些添加使得可以精确地调节浸渍反应器中的液位。
液体制备也是一个可以调节其操作参数，例如温度、pH或任何其他特征的步骤。适当的酸浓度通过酸和/或水的输入来调节。还可以产生均质的液体。该步骤在液体制备区中进行。
可以使用各种设备，例如，在此为配备有搅拌系统的混合槽或混合器(优选静态混合器)(未示出)。
优选地，该设备配备有用于测量pH和水、酸和所制备的液体的流量等的传感器。所有这些传感器一起可以实施平衡流量和酸度的控制，从而具有在所需条件下稳定的连续运行。
液体制备槽3和/或浸渍反应器5配备有加热设备，诸如夹套、盘管(以及任选地位于与所述设备(槽、混合器等)相邻的或直接在所述设备(槽、混合器等)上的任选的液体再循环环路上的交换器)以进行加热。
液体槽3经由一个或多个液体输送管线连接到浸渍反应器。
因此，可以以合适的浓度和合适的流量制备液体，这可以获得确定的pH(或任何其他特征)，该pH可以是调节的标称值。
本发明源于以下观察：仍然在图1中，在浸渍反应器5中，注意到存在位于生物质塞6b的引入高度的下方，第一浸渍区5a下方的第三区5d：这是“死”区，因为在该位置没有所需的生物质经过。该死区或“非活性”区是必要的，从而为生物质塞的膨胀留出空间并限制固体在反应器底部的积累。该区域5d基本上由液体组成，因为它位于固体所需的通道之外。然而，考虑到与通过上升螺旋5c进行的活塞输送的理想情况的偏离，并考虑到生物质塞中存在颗粒，在死区中可能观察到存在一小部分固体。现在，希望避免固体组分在该区域5d中的积累。
因此选择向该区域5d中注入流体，该流体不是简单的水供应(水会导致反应器中液体的额外稀释)，而是来自制备槽3的额外液体供应，如下文描述的的图2和图3所示。
根据图2，分别经由管线1和管线2将酸和水引入酸性液体制备槽3中。然后，将管线4的酸性液体注入浸渍器5中，与经由管线6引入该方法中的经研磨的生物质混合。借助于管线4a和管线4b将酸性液体4注入浸渍槽5中，更确切地说，注入浸渍区5a中。然后，与浸渍区5a中的酸性液体接触的生物质进入排干区5b，以便与液体级分分离。经浸渍和排干的生物质通过管线7转移到该方法的下一步骤。
在本发明的该实施例中，选择增加另外的管线4b用于将液体供应到反应器5的生物质进料点下方的区域5d，在此，所述管线4b为连接至槽3的入口的主管线4-4a的旁路管线的形式。不用说，也将液体输送到反应器底部的任何其他管线布置也是可能的，特别是通过替代地提供将槽的第二出口连接到反应器5的区域5d的入口处的专用管线，或通过使用任何其他将液体从槽3分配到反应器5的两个独立的入口的系统。设置用于调节相对于注入区域5d中的量，注入浸渍区5a中的液体的量的设备，并且所述设备是现有技术中已知的(调节阀等)。
图3示出了图2的方法，其通过连续的蒸汽爆破预处理而在浸渍后继续，然后通过其他若干个连续的处理步骤直至醇发酵。
因此该方法以下列方式进行：在反应器5中如图2所示进行浸渍，因此将不再描述。
一旦生物质被浸渍和排干，就将生物质经由管线7转移并借助于输送螺旋8引入蒸汽爆破预处理单元9中，该输送螺旋8能够压缩生物质以形成生物质塞。在该压缩过程中，发生固/液分离，并且废酸性液体10通过螺旋的穿孔区域排出。任选地，该废酸性液体10，也称为压榨液，可以通过将其重新引入液体制备槽3中而至少部分地再循环。然后将生物质在处理设备9中进行处理。将蒸汽经由管线11引入预处理反应器9中。在该反应器中进行酸性蒸煮和蒸汽爆破。发生爆破性膨胀，并将经预处理的基质和蒸汽的混合物12送入旋风分离器型的分离设备13。
应该注意的是，在该实例中，在蒸煮之后进行蒸汽爆破，但是蒸汽爆破仍然是任选的，并且为了实现该预处理的目的，除了蒸煮之外的其他处理也是可能的，即改变(经浸渍的)生物质的至少一种物理化学性质，例如其聚合度或结晶度。这些其他蒸煮处理已在上文中提到。在此为酸性的蒸煮的操作条件例如如下：设备9包括蒸煮区，在该蒸煮区中，使生物质与蒸汽接触1-30分钟，比蒸汽消耗量为0.05-10吨/吨生物质固体，所述区域的温度为150-250℃，压力为0.5-4 MPa，然后是使从蒸煮区获得的生物质发生膨胀的区域，然后是将蒸汽与生物质分离的区域。优选地，调节所述条件以将蒸煮时间限制为1-30分钟。通常，比蒸汽消耗量为0.05-10吨/吨固体。将回收的蒸汽有利地在压缩之后再循环到蒸汽爆破步骤中，或者任选地再循环到现场的公用工程中。在此，该步骤在反应器9中进行，反应器9为管状且水平的(也可以稍微倾斜以使液体流动)，并且配备有生物质输送螺旋。在反应器9的下游末端，生物质被蒸汽非常快速地夹带到称为吹扫管线（blowline）的管线中的膨胀区，该管线相对于蒸煮区具有减小的直径。
在设备13中，将蒸汽14与经预处理的生物质15分离。然后，采用酶混合物将经预处理的生物质在转化设备16中转化为含糖的酶水解产物（must）17。在发酵步骤18中通过发酵将所述糖转化为醇(例如：乙醇、丙酮、丁醇)。将发酵酒19输送至分离和纯化步骤20。例如通过蒸馏进行的步骤20可以实现含有经浓缩的醇的物流21与粗酒糟(废水，残余的木质素)22的分离。酶水解的条件以及连续或同时发酵的条件适合于所需产物，并且是本领域技术人员已知的。
应当注意，对于图2，本发明同样并且以相同的优点适用于其中在蒸汽爆破之后的一些或所有步骤不是连续地进行而是以“间歇”或“间歇进料”模式进行的方法。
实施例
在以下描述的实施例中，缩写“SC”表示固含量，其根据标准ASTM E1756-08(2015)“Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”来测定。
实施例1(对比)
该实施例涉及浸渍和预处理具有以下特征的木材的方法：
原料：杨木，流量6.79吨/小时，固含量SC：55.6％，平均组成(基于SC)：
木材以特征尺寸为50mm的碎屑形式使用。进入单元的碎屑的温度为室温。
碎屑经由锥形螺旋6a输送到浸渍反应器5。浸渍反应器5是其中通过串联的两个逆向旋转螺旋5c垂直地输送生物质6b的垂直管。反应器的总工作体积为1.95m3。调节螺旋速度和液位，以确保在浸渍区的停留时间为30秒，排干时间为60秒。
将以下物质引入浸渍反应器5中：
-经由锥形输送螺旋6a的压缩的木材碎屑，
-在90℃的温度下，质量浓度为1.76重量％的2.5吨/小时的采用水和硫酸制备的酸性液体，
-在20℃的温度下，引入区域5d中的浸渍反应器5的底部的0.3吨/小时的水以润滑垂直输送螺旋5c。
从浸渍反应器5中移除经浸渍的碎屑，并将其转移至蒸汽爆破反应器9中。在200℃下以上述连续配置并采用短停留时间进行蒸汽爆破预处理。介质突然膨胀到1.3个大气压的压力。
如此获得的经预处理的基质具有6.9％(基于SC)木糖的游离木糖含量和14.5％(基于SC)的以木糖形式表示的潜在木糖含量(单体、低聚物和聚合物)。浸渍消耗44kg的纯H2SO4/小时，即11.65kg的纯酸/吨基质SC。表示为游离形式的木糖相对于总潜在木糖的百分比的木糖释放程度为47.6%。
实施例2(根据本发明)
该实施例使用根据本发明的浸渍方法和木材的预处理方法，处理与实施例1相同的原料。
碎屑经由锥形螺旋6a输送到浸渍反应器5。浸渍反应器5与实施例1中的相同。调节螺旋5c的速度和液位，以确保在浸渍区的停留时间为30秒，排干时间为60秒。将以下物质引入浸渍反应器5中：
-经由锥形输送螺旋6a的压缩的木材碎屑，
-在85℃的温度下，经由位于浸渍区5a中的入口，质量浓度为1.57重量％的2.5吨/小时的采用水和硫酸制备的酸性液体，
-在85℃的温度下，将0.3吨/小时的相同的酸性液体引入浸渍反应器5的底部；在位于反应器中的生物质6注入点下方的区域5d中。
从浸渍反应器5中移除经浸渍的碎屑，并经由进料螺旋8将其连续转移至蒸汽爆破反应器9中。以与对比例1相同的方式进行蒸汽爆破预处理。
如此获得的经预处理的基质具有11.1％(基于SC)木糖的游离木糖含量和15.1％(基于SC)的以木糖形式表示的潜在木糖含量(单体、低聚物和聚合物)。浸渍消耗44kg的纯H2SO4/小时，即11.65kg的纯酸/吨基质SC。表示为游离形式的木糖相对于总潜在木糖的百分比的木糖释放程度为73.5%。
尚不存在对离开浸渍步骤的采用液体浸渍生物质的品质的精确而可靠的测量，但是可以通过根据图2在反应器9中的蒸汽爆破预处理结束时获得的木糖含量来间接评估该品质。应当注意，如果浸渍步骤和蒸汽爆破预处理步骤以“间歇”方式不连续地进行，则也保留了本发明的优点。
通过比较实施例1和实施例2的结果，另外可以看出，通过将液体另外注入反应器的底部，在相同的酸消耗下，本发明可以使木糖更好地释放在经预处理的基质中，所有因素在其他方面是相等的，因此证明了生物质的更好浸渍：该值显著地从6.9％的游离木糖含量转变为11.1％的游离木糖含量，这意味着，采用本发明，几乎两倍的木糖可以在不消耗更多酸的情况下从相同的生物质中释放出来，其中对方法和设备的改变完全适度，并且易于使用生产线上现有的设备来实施。
实施例3(根据本发明)
在该实施例中，采用根据本发明的将木质纤维素生物质转化为乙醇的方法处理秸秆。使用的秸秆具有以下特征：
原料：天然秸秆，流量3.36吨/小时，固含量SC：85.6％，平均组成(基于SC)：
将秸秆在50mm筛网上研磨，然后通过锥形螺旋6a输送到浸渍反应器5。将以下物质引入浸渍反应器5中：
-经由锥形输送螺旋6a的压缩的秸秆，
-在75℃的温度下，在酸性液体制备槽3中制备的14.53吨/小时的酸性液体，
-在75℃的温度下，将相同的酸性液体以0.57吨/小时引入浸渍反应器的底部，在位于反应器中的生物质引入点下方的区域5d中。
将经浸渍的秸秆从浸渍反应器5中移除并转移至锥形输送螺旋8中，该锥形输送螺旋8确保将经浸渍的秸秆引入蒸汽爆破反应器9中。在经浸渍的秸秆进入锥形输送螺旋的过程中，以9.74吨/小时的平均流量提取被称为压榨液的汁液，将该压榨液与水混合以进行锥形螺旋的外部洗涤，收集的总流量为10.59吨/小时，其中85％被再循环。在185℃下以连续配置采用短停留时间进行蒸汽爆破预处理。介质突然膨胀到1.3个大气压的压力。
输送至浸渍反应器的酸性液体在酸性液体槽中通过混合以下物质制备：
-部分再循环的压榨液，流量为9吨/小时，
-以0.126吨/小时的流量供应的96重量％的H2SO4酸，
-以5.973吨/小时供应的水。
从预处理爆破反应器9的进料螺旋中提取压榨液10，并且在该实施例中，收集所述压榨液并泵送至液体制备槽3以在其中再循环。因此，该实施例中，混合槽3通过水供应管线1、供应浓H2SO4酸溶液的管线2和输送再循环的压榨液10的附加管线(图中未示出)来进料。
如此获得的经预处理的基质具有15.9％(基于SC)木糖的游离木糖含量和21.8％(基于SC)的以木糖形式表示的潜在木糖含量(单体、低聚物和聚合物)。
然后将经预处理的基质送至反应器16以同时进行酶水解和发酵。为了达到所需的操作条件，将酶混合物物流、酵母物流和水物流添加到基质中，总量为4.85吨/小时。所述酶混合物由里氏木霉属真菌产生，所用的酵母是经基因修饰成消耗木糖的酿酒酵母类型的酵母。在反应结束时，培养基包含浓度为47g/kg的乙醇。将酒19送入分离单元20中，从而可以通过蒸馏和脱水获得浓度为99.7重量％的乙醇物流。该乙醇物流的流量为0.552吨/小时。
对于秸秆类型的生物质，将额外的液体注入浸渍反应器的底部也是有效的。
