ФЕРМЕНТНЫЙ РЕАКТОР ИЛИ СМЕСИТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК C12M1/40 

2420-192867RU/045

ФЕРМЕНТНЫЙ РЕАКТОР ИЛИ СМЕСИТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Описание

Перекрестная ссылка на родственные заявки

По настоящей заявке испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США № 61/393740, поданной 15 октября 2010 г., содержание которой полностью включено в настоящий документ путем ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в общем, к области ферментативного превращения биомассы в мономерные сахара и, в частности, к смешиванию биомассы с ферментами для активизации гидролиза.

Исходная биомасса может представлять собой исключительно лигноцеллюлозный материал или смесь лигноцеллюлозного и других материалов. Полисахаридная биомасса обычно является смесью крахмала и лигноцеллюлозных материалов. Крахмал может содержаться в зернах или как рафинированный крахмал, добавляемый в качестве исходного сырья для получения биомассы. Исходная биомасса также может включать полимеры и другие материалы.

Ферменты, такие как целлюлозоразрушающий фермент, смешивают с биомассой для активизации гидролиза. Благодаря перемешиванию гарантируется, что ферменты непрерывно и многократно вступают в контакт с реакционными центрами биомассы. Дополнительно или вместо ферментов к биомассе могут быть добавлены другие целлюлозоразрушающие организмы и биокатализаторы, такие как термофильные бактерии или дрожжи, для активизации гидролиза или иного разложения биомассы.

Различные исходные материалы и ферменты (или другие разрушающие материалы) смешивают друг с другом с образованием смеси биомассы. Смесь биомассы может обладать характеристиками, подобными параметрам порошка с высоким содержанием частиц вещества. Жидкость также может быть добавлена в смесь биомассы, чтобы получить пластичную суспензию. Жидкость добавляют для ожижения твердой фазы биомассы и получения однородной эмульсии биомассы из исходного материала и жидкостей, которые существенно отличаются по своим параметрам.

Смесители, реакторы с непрерывным перемешиванием и другие подобные им смешивающие или перемешивающие устройства могут быть использованы для смешивания и ожижения исходного материала и ферментов с получением смеси биомассы. Эти устройства обычно представляют собой цилиндрические резервуары, установленные вертикально и снабженные устройствами для механического перемешивания, такими как мешалки с радиальными лопастями. Эти устройства для механического перемешивания, как правило, вращаются вокруг вертикального вала и движутся в биомассе. Длительность перемешивания, необходимая для данной смеси биомассы, зависит от исходного материала, используемого для образования биомассы.

Для ферментативного ожижения лигноцеллюлозной биомассы может потребоваться перемешивание в течение нескольких часов. В ходе такого процесса перемешивания уменьшается вязкость биомассы по мере того, как биомасса из твердой по большей части композиции превращается в ожиженную суспензию. Биомасса, предварительно обработанная перед ферментативным превращением в мономерные сахара, обычно поступает на перемешивание, имея волокнистую или глинистую консистенцию. Ферменты, добавляемые в биомассу, обычно имеют относительно низкую концентрацию по сравнению с биомассой. Смесь биомассы и ферментов, поступающая в реакционную систему смешивания и предварительной обработки, включающую один или несколько реакционных резервуаров гидролиза, обычно имеет большую вязкость.

Из-за большой вязкости биомассы, поступающей в реакционный резервуар гидролиза, для приведения в действие и надлежащего смешивания ферментов с биомассой требуются большие усилия (крутящий момент). При смешивании частота вращения лопастей и других компонентов мешалки в смесительной камере обычно составляет менее 300 об/мин. Необходимое усилие смешивания традиционно является ограничительным параметром для размера смесительных резервуаров. Традиционные устройства для механического перемешивания, как правило, представляют собой резервуары небольшого диаметра, поскольку крутящий момент, необходимый для вращения лопастей мешалки, экспоненциально увеличивается с увеличением длины лопастей. Из-за большой вязкости биомассы радиальная длина лопастей традиционно мала настолько, чтобы лопасти могли двигаться в биомассе. Точно так же двигатели, обеспечивающие вращение лопастей мешалки, имеют ограничения по максимальной мощности, что накладывает ограничение на максимальную длину лопастей мешалки. В связи с ограничениями со стороны двигателя и механической прочности компонентов мешалки резервуары для смешивания высоковязкой предварительно обработанной биомассы обычно небольшие и узкие.

Кроме того, смесительные резервуары для ферментативного ожижения лигноцеллюлозной биомассы традиционно предназначены для работы скорее в периодическом, чем в непрерывном режиме. Периодический режим часто лучше подходит для случаев, когда несколько менее крупных смесительных резервуаров обеспечивают загрузку более крупного, находящегося далее в технологической цепочке резервуара, такого как автоклав или другой реакционный резервуар.

Предложено рециркулировать ожиженный материал для разбавления поступающей предварительно обработанной биомассы, чтобы уменьшить ее вязкость и улучшить перемешивание. Недостаток, присущий рециркуляции, заключается в том, что требуется дополнительный объем для смешивания, чтобы обеспечить заданное время пребывания в резервуаре. При периодическом режиме обработки объем системы увеличивается, так как нужно время для заполнения и опорожнения резервуара.

Существует потребность в крупнотоннажных смесительных резервуарах, пригодных для смешивания высоковязкой биомассы с ферментами. Такие резервуары предпочтительно представляют собой проточные резервуары, в которых организован непрерывный поток биомассы внутрь, внутри и из резервуара. Крупнотоннажный резервуар мог бы обеспечить экономичный, высокопроизводительный процесс перемешивания биомассы и ферментов.

Краткое описание изобретения

В настоящем документе раскрываются новое устройство и способ для перемешивания, например ожижения, биомассы. Данные устройство и способ могут быть использованы для ожижения и осахаривания содержащей полисахариды биомассы, в которой содержание сухого вещества может составлять выше 10 вес.%. В данных устройстве и способе процесс ферментативного гидролиза объединен с процессом перемешивания, основанным на физических усилиях, таких как сила тяжести и центробежная сила, в результате чего биомасса подвергается воздействию механических усилий, таких как усилие сдвига и разрыва.

Раскрываемые в настоящем документе устройство и способ можно применять в процессах обработки биомассы, таких как ферментация биомассы до спиртов биологического происхождения, таких как этанол или бутанол, производство биогаза, производство специальных углеводов для пищи и кормов с получением углеводистого корма и переработка биомассы в пластмассы и химикаты.

В настоящем документе раскрывается смесительный и реакционный резервуар, включающий: внутреннюю смесительную камеру, в которой имеется первая секция камеры с площадью поперечного сечения, увеличивающейся от входного отверстия для биомассы внутренней смесительной камеры ко второй секции камеры, вторая секция камеры, по существу с постоянной площадью внутреннего поперечного сечения от противоположного конца первой секции камеры до разгрузочного конца смесительной камеры; входное отверстие для биомассы, соединенное с источником предварительно обработанной биомассы, расположенным вовне реакционного резервуара; и вращающееся устройство для механического перемешивания, расположенное во внутренней смесительной камере и соосное с реакционным резервуаром.

В настоящем документе раскрыт способ смешивания биомассы и фермента в реакционном и смесительном резервуаре, включающий следующие стадии: подачу биомассы и фермента в резервуар, в котором входное отверстие соответствует узкому концу первой внутренней смесительной камеры данного резервуара; перемещение и перемешивание биомассы и фермента по мере их продвижения от узкого конца к широкому концу первой секции внутренней смесительной камеры, причем поперечное сечение первой внутренней смесительной камеры увеличивается вдоль направления перемещения биомассы и фермента через камеру; перемещение и дальнейшее перемешивание смеси биомассы и фермента от первой внутренней смесительной камеры ко второй внутренней смесительной камере, имеющей, по существу, постоянную площадь поперечного сечения в направлении перемещения; выгрузку из резервуара смеси биомассы и фермента через разгрузочное отверстие второй секции внутренней смесительной камеры. Смесь биомассы и фермента может содержать, собственно, фермент, такой как целлюлозоразрушающий фермент, термофильные бактерии или другие целлюлозоразрушающие организмы или биокатализаторы.

Первая внутренняя смесительная камера может иметь множество зон на различных уровнях по высоте резервуара. Эти зоны могут быть разделены необязательными и, возможно, регулируемыми днищами, например отражательными перегородками или тарелками, находящимися в резервуаре для оптимизации пошагового преобразования твердой фазы биомассы в суспензию. Эти промежуточные днища предпочтительно расположены горизонтально и занимают, по существу, все поперечное сечение резервуара на той высоте, где расположена платформа. Днища также могут быть немного наклонены относительно горизонтали. В промежуточных днищах может быть предусмотрено наличие регулируемых отверстий с целью изменения потока через днища и из одной зоны в следующую за ней. В зависимости от содержания сухого вещества в сырье и от конкретной перемешиваемой суспензии (которая может быть ферментной смесью), промежуточные днища в резервуаре могут отсутствовать, так что направленное вниз движение смеси биомассы зависит только от силы тяжести и поршневого режима потока увлеченного материала через реакционный резервуар.

Уже доведенная до требуемого состояния (ожиженная) суспензия вытекает из нижних зон (или дна) смесительного резервуара. Часть потока суспензии может быть подана насосом или направлена в верхние зоны резервуара с целью регулирования медленно изменяющейся вязкости исходной биомассы в верхних частях резервуара.

Коническая форма верхней части может обеспечить приблизительно постоянный крутящий момент по мере движения материала через смеситель. Угол наклона конуса может изменяться по мере увеличения диаметра, поскольку снижение вязкости сначала происходит быстро, а затем замедляется. Верхняя часть резервуара также может состоять из нескольких состыкованных соосно цилиндров с диаметрами, увеличивающимися сверху вниз.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схему поперечного сечения вертикального резервуара для смешивания и гидролиза биомассы.

Фиг.2 представляет собой схему, отражающую ожидаемую вязкость биомассы в реакционном резервуаре, показанном на фиг.1, как функцию времени пребывания биомассы в резервуаре.

Фиг.3 представляет собой схему поперечного сечения конического резервуара для смешивания и гидролиза, соединенного с цилиндрическим резервуаром для смешивания и гидролиза.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 схематично представлен реакционный и смесительный резервуар 10 с конической верхней секцией 12 и цилиндрической нижней секцией 14. Эти секции 12, 14 образуют внутреннюю реакционную камеру, в которой происходит смешивание биомассы с ферментом(ами) и ее гидролиз. Внутренняя реакционная камера может иметь объем в диапазоне от 50 до 2500 м³. Более узкие диапазоны от 200 до 1200 м³ или от 400 до 800 м³ также могут быть пригодны в зависимости от конкретного применения процесса смешивания и реакционного процесса. Данная реакционная камера может иметь существенно больший объем, чем смесительные/реакционные резервуары периодического действия, традиционно используемые для перемешивания высоковязкой биомассы.

В данном резервуаре имеется способный вращаться вал 16, проходящий вдоль вертикальной оси резервуара. Вал приводится в действие (вращается) двигателем с редуктором 18, который может быть установлен сверху или снизу резервуара. Вал 16 может проходить по вертикальной оси резервуара и занимать всю высоту резервуара. Вал приводит в действие устройство 28 для механического перемешивания, например лопасти мешалки, которые движутся в биомассе и размешивают биомассу в резервуаре.

Источник 20 биомассы и ферментов может непрерывно подавать сырье в верхнее входное отверстие 22 резервуара 10. Биомасса и ферменты могут подаваться в резервуар в виде смеси или по отдельности. Источник 20 может включать горизонтальную мешалку с коротким временем пребывания, в которой осуществляют первоначальный контакт биомассы с ферментами. При необходимости рециркулируемый гидролизованный материал 21 низкой вязкости подают в источник 20 или верхнее входное отверстие 22 резервуара.

Через входное отверстие 22 биомасса поступает в узкую часть конической верхней секции 12. Площадь поперечного сечения верхней секции 12 увеличивается от верхней узкой части к переходному участку 24 между верхней секцией 12 и нижней секцией 14. Площадь поперечного сечения нижней секции 14 может быть постоянной на всей ее высоте. Дно нижней секции находится рядом с разгрузочным отверстием 26 для гидролизованной биомассы, непрерывно вытекающей из резервуара 10 в другие технологические устройства, такие как автоклав, ферментер или резервуар непрерывного ферментативного гидролиза. Дно нижней секции может иметь наклон, чтобы обеспечивать равномерную выгрузку со всей площади поперечного сечения основания нижней секции.

Устройство 28 для механического перемешивания (схематично показанное на фиг.1 тремя вращающимися лопастями 30) смонтировано на валу 16 и вращается внутри биомассы и ферментов, движущихся вниз через верхнюю и нижнюю секции 12, 14 резервуара. Устройство 28 для механического перемешивания может включать отходящие радиально от вала лопасти или перекладины 30 на разной высоте резервуара. Лопасти могут располагаться горизонтально или могут быть наклонены относительно горизонтали. Лопасти 30 могут представлять собой перекладины, отходящие от вала. Лопасти могут быть снабжены смесительными скребками, лопатками или штырями 32, закрепленными на радиальном конце лопастей и, необязательно, в различных точках вдоль радиальной длины каждой лопасти.

Расположение лопастей 30 может быть отрегулировано так, чтобы они находились на разных высотах и в разных местах резервуара. Аналогично, скребки, лопатки или штыри 32 могут быть установлены на каждой из лопастей с возможностью регулирования. При регулировании может изменяться, например, угол, под которым ориентированы скребки, лопатки или штыри относительно направления вращения лопастей. Ориентация скребков, лопаток или штырей может быть выбрана так, чтобы организовать небольшой радиально возвратный поток биомассы с целью равномерного распределения биомассы по всей площади поперечного сечения резервуара. Вращение лопастей со скребками, лопатками или штырями на одной или нескольких высотах или радиусах может также вызывать небольшой подъем биомассы, чтобы предотвратить образование коротких каналов движения биомассы, текущей по резервуару сверху вниз.

Лопасти вращаются в биомассе внутри резервуара по принципу кругового вращения. Лопасти вращаются за счет вращения вала 16. Движение лопастей и смесительных скребков, лопаток или штырей вызывает перемешивание фермента с биомассой и тем самым вступление фермента в контакт с реакционными центрами биомассы. Реакция между ферментом и биомассой активизирует гидролиз биомассы в резервуаре.

Турбулизаторы 32 могут быть установлены на внутренней стенке резервуара в нижней секции 14 и необязательно в верхней секции 12. Биомасса, текущая через нижнюю секцию, имеет относительно низкую вязкость по сравнению с вязкостью у входного отверстия резервуара. Турбулизаторы являются наиболее подходящими для потоков с низкой вязкостью через смесительный резервуар. Тарелки или отражательные перегородки также могут быть установлены между лопастями мешалки, чтобы улучшить распределение материала биомассы.

Вал и лопасти мешалки могут осуществлять косвенное охлаждение или нагревание биомассы, например, благодаря наличию охладительных или нагревательных каналов в лопастях. Точно так же внутренние стенки резервуара могут быть снабжены рубашкой или охлаждающими или нагревательными змеевиками 34.

В качестве примера, для гидролиза 1200 т биомассы в день, где биомасса содержит 25% твердой фазы, размеры реакционного резервуара должны быть рассчитаны на переработку примерно 5000 м³ в течение 24 ч пребывания в этом резервуаре. Резервуар должен быть больше, если время пребывания биомассы дольше, например от 72 до 120 ч. Для обеспечения длительного времени пребывания непрерывного потока большого количества биомассы, например 1200 т/день, подвергаемого гидролизу, может понадобиться резервуар с объемом внутренней камеры от 15000 до 25000 м³.

Диаметр, высота и другие габаритные размеры резервуара зависят от расхода потока биомассы и времени пребывания биомассы в резервуаре. В качестве примера, может потребоваться реакционный резервуар 10 с эффективным внутренним объемом примерно 1200 м³ для обработки 1200 т биомассы в день при содержании 25% твердой фазы и времени пребывания 6 ч. Принимая, что отношение размеров (диаметра к высоте) резервуара равно6, диаметр резервуара будет составлять примерно 5,4 м, а его высота будет больше 33 м.

Коническая верхняя секция 12 является наиболее узкой у верхнего входного отверстия, через которое в резервуар поступает высоковязкая биомасса. Вязкость биомассы самая большая у верхнего входного отверстия резервуара. Хотя из-за большой вязкости увеличивается начальный крутящий момент, необходимый для вращения устройства для механического перемешивания, этот крутящий момент уменьшается по причине коротких лопастей мешалки в узкой верней части. По мере перемешивания с ферментом и перемещения вниз по резервуару биомасса становится менее вязкой. Снижение вязкости позволяет сделать лопасти мешалки длиннее без увеличения крутящего момента, необходимого для вращения вала. Лопасти в ниже расположенных частях верхней конической секции длиннее, чем большинство или все верхние лопасти 30. Для вращения более длинных лопастей в биомассе требуется больший крутящий момент, если вязкость биомассы остается постоянной. Объединение эффектов снижения вязкости биомассы и удлинения лопастей приводит к приемлемым требованиям в отношении крутящего момента для перемешивающего устройства в верхней конической секции.

Благодаря конической форме верхней секции уменьшается начальный крутящий момент. Для перемешивания требуется меньше энергии, биомасса может быть более тщательно перемешана, и биомасса менее склонна направляться вниз по резервуару. Благодаря конической форме также обеспечивается относительно частое и активное перемешивание вблизи входного отверстия резервуара, где перемешивание может быть наиболее полезно для активизации гидролиза.

Крутящий момент увеличивается пропорционально квадрату диаметра. Крутящий момент, необходимый для передвижения (перемешивания) текучей среды по кругу, является функцией силы, необходимой для передвижения текучей среды, умноженной на радиус приложения этой силы от центра вращения. Сила, необходимая для передвижения текучей среды, является функцией вязкости текучей среды, скорости движения и расстояния, на которое эту текучую среду нужно передвинуть.

Если принять, что вязкость текучей среды и частота вращения устройства для механического перемешивания постоянные, то крутящий момент, необходимый для вращения устройства для механического перемешивания, зависит от квадрата радиуса резервуара. Из-за квадратичной зависимости между крутящим моментом и диаметром резервуара при уменьшении диаметра резервуара сильно уменьшается величина крутящего момента или, при том же крутящем моменте, появляется возможность перемешивания потока чрезвычайно высоковязкой биомассы.

Коническая верхняя секция 12 приспособлена для размещения коротких лопастей мешалки в верхней части резервуара, где находится биомасса с высокой вязкостью. Самые короткие лопасти мешалки находятся в верхней части резервуара, где вязкость биомассы наибольшая и сопротивление биомассы механическому перемешиванию высокое. По мере того как биомасса движется вниз через верхнюю секцию, вязкость биомассы снижается, сопротивление перемешиванию снижается и появляется возможность использовать более длинные лопасти ввиду увеличивающегося диаметра конической части резервуара.

Зная вязкость биомассы на различной высоте верхней секции 12, можно так подобрать угол наклона конуса верхней секции, чтобы радиус лопастей мешалки увеличивался на величину, обеспечивающую одинаковый крутящий момент на лопастях на любой высоте. Таким образом, для каждой лопасти мешалки для перемешивания материала будет требоваться одинаковый крутящий момент, даже если диаметр конической секции увеличивается книзу.

Промежуточные днища, тарелки или отражательные перегородки 38 могут быть установлены и согласованы так, чтобы они разделяли верхнюю секцию 12 на множество зон с целью оптимизации пошагового преобразования смеси биомассы в суспензию с более высоким содержанием жидкости, чем в исходной биомассе. Эти зоны, как правило, могут быть выровнены в резервуаре по вертикали. Эти промежуточные и регулируемые днища могут располагаться в резервуаре горизонтально, но также могут быть немного наклонены относительно горизонтали. Кроме того, регулируемые отверстия в промежуточных днищах могут быть использованы для изменения расхода потока между зонами, образуемыми этими днищами. Точно так же, промежуточные днища, тарелки и отражательные перегородки 39 могут быть установлены в нижней секции 14 во множестве зон.

На фиг.2 приведена диаграмма 40, отображающая вязкость биомассы в резервуаре 10 как функцию времени. Диаграмма приведена с целью пояснения. На диаграмме показана вязкость биомассы, которая представляет собой взорванную паром кукурузную солому, перемешанную при температуре 50°С в резервуаре с устройствами для механического перемешивания, вращающимися со частотой 20 об/мин. На диаграмме показан диапазон величин вязкости в миллиПаскаль-секундах (мПас) для биомассы, подвергающейся осахариванию. Этот диапазон является результатом двух различных схем перемешивания на начальном этапе, использованных для этой биомассы.

Как показано на диаграмме 40, вязкость биомассы может быстро снижаться, так что величина вязкости уменьшается на половину или более через 6 ч проведения реакции в резервуаре. Известно, что только около 6 ч продолжения реакции (или несколько больше времени реакции) нужно, чтобы в этом резервуаре преобразовать вязкий поток биомассы в текучий, с консистенцией сиропа. Во время этого начального периода реакции (например, от 15 мин до 8 ч, предпочтительно от 1 до 6 ч, наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч) кажущаяся вязкость биомассы быстро уменьшается, так как под действием ферментов полимерные сахара биомассы распадаются на молекулы с более короткими цепями.

Расход нисходящего потока биомассы в резервуаре может быть вычислен или оценен обычным способом. Как показано на фиг.2, продолжительность реакции биомассы в проточном резервуаре 10 непрерывного действия согласуется с движением биомассы книзу резервуара. Резервуар может быть снабжен устройством для механического перемешивания, нагревательными змеевиками и промежуточными днищами, как показано на фиг.1. Непрерывный поток биомассы через резервуар показан диагональной штриховкой на изображении резервуара.

Используя величину расхода потока через резервуар и время реакции до уменьшения вязкости биомассы до определенной величины, например уменьшения вязкости на 50% или менее, может быть вычислено расстояние по вертикали по высоте резервуара, чтобы определить, при каких высоте/времени 42 реакции биомасса обладает вязкостью, составляющей половину вязкости биомассы, поступившей в резервуар. Коническая верхняя секция 12 может быть сконструирована так, чтобы переход 24 к нижней цилиндрической секции 14 был расположен на той же высоте, на которой вязкость биомассы уменьшается вдвое.

Фиг.3 представляет собой схему поперечного сечения конического резервуара 50 для смешивания и гидролиза, соединенного с цилиндрическим резервуаром 52 для смешивания и гидролиза. Биомасса, текущая через эти резервуары, показана диагональной штриховкой. Конический резервуар 50 для смешивания и гидролиза во многих отношениях подобен конической части резервуара 10, показанного на фиг.1, на что указывают одинаковые номера позиций на фиг.1 и 3.

Биомассу и ферменты подают из источника 20 в верхнее входное отверстие 22 в узком конце конической смесительной и реакционной камеры 50. Устройство 28 для механического перемешивания снабжено лопастями 36, длина которых увеличивается с увеличением диаметра конической смесительной камеры. Промежуточные днища, например, отражательные перегородки, тарелки или иные пластины 38, могут быть размещены в коническом резервуаре для регулирования нисходящего потока биомассы через резервуар. Вязкость биомассы уменьшается по мере перемешивания биомассы и осуществления реакции в резервуаре 50. Когда биомассу выгружают из резервуара через порт 54, ее вязкость может уменьшиться на половину по сравнению с вязкостью биомассы 20, поступающей в резервуар. Коническое или наклонное днище 56 может направлять биомассу в порт 54.

Транспортный канал, например труба 58, и насос 60 могут быть использованы для транспортировки ожиженной биомассы в верхнее входное отверстие 62 цилиндрического резервуара 52. В цилиндрическом резервуаре имеется устройство 64 для механического перемешивания и, необязательно, отражательные перегородки 32. Устройство для механического перемешивания связано с валом 66, приводимым в действие двигателем с редуктором 68. Гидролизованную биомассу выгружают из цилиндрического резервуара через порт 70.

Изобретение было описано подробно для ясности и понимания. Однако следует принимать во внимание, что возможны определенные изменения и модификации раскрытого варианта осуществления изобретения, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения.

Группа изобретений относится к гидролизной промышленности, в частности к устройству для гидролиза биомассы преимущественно из лигноцеллюлозного материала или смеси лигноцеллюлозного и других материалов и к способу перемешивания биомассы с ферментами для активации процесса гидролиза. Ферментный реактор содержит реакционный резервуар с вращающимся устройством механического перемешивания. Реакционный резервуар имеет входное отверстие для подачи биомассы и фермента в реакционный резервуар в виде смеси или по отдельности, разгрузочное отверстие, внутреннюю смесительную камеру. Внутренняя смесительная камера содержит первую секцию камеры и вторую секцию камеры. Первая секция камеры расположена над второй секцией камеры и имеет увеличивающуюся площадь поперечного сечения в направлении от входного отверстия к выходному разгрузочному концу, расположенному у второй секции камеры, причем входное отверстие совпадает с узким концом первой секции камеры. Вторая секция камеры имеет разгрузочное отверстие и постоянную площадь внутреннего поперечного сечения от конца, расположенного у широкого конца первой секции камеры, до разгрузочного конца внутренней смесительной камеры, где расположено разгрузочное отверстие. Вращающееся устройство механического перемешивания расположено во внутренней смесительной камере и соосно с первой секцией камеры и имеет лопасти, отходящие радиально от вращающегося вала, соосного с реакционным резервуаром, и длина которых увеличивается с увеличением поперечного сечения первой секции камеры.

Способ перемешивания биомассы из лигноцеллюлозного материала или смеси лигноцеллюлозного и других материалов осуществляется посредством использования ферментного реактора вышеприведенной конструкции, причем в процессе обработки вязкость смеси уменьшается, по меньшей мере, на 50 или на 25% от вязкости биомассы, поданной в реактор. Группа изобретений при реализации обеспечивает повышение качества ферментативной обработки биомассы из лигноцеллюлозного материала или смеси лигноцеллюлозного и других материалов в крупномасштабных смесительных резервуарах при одновременном снижении экономических затрат. 3 н. и 15 з.п ф-лы, 3 ил.

1. Ферментный реактор, включающий реакционный резервуар, содержащий входное отверстие; разгрузочное отверстие; внутреннюю смесительную камеру,
причем внутренняя смесительная камера содержит первую секцию камеры и вторую секцию камеры, при этом
первая секция камеры расположена над второй секцией камеры и при этом
первая секция камеры имеет увеличивающуюся площадь поперечного сечения, где
входное отверстие совпадает с узким концом первой секции камеры и предназначено для подачи биомассы и фермента в реакционный резервуар в виде смеси или по отдельности,
а поперечное сечение первой секции камеры увеличивается от входного отверстия к концу, расположенному у второй секции камеры,
вторая секция камеры имеет, по существу, постоянную площадь внутреннего поперечного сечения от конца, расположенного у широкого конца первой секции камеры, до разгрузочного конца внутренней смесительной камеры, где расположено разгрузочное отверстие; и
вращающееся устройство механического перемешивания, расположенное во внутренней смесительной камере и соосное с первой секцией камеры,
при этом вращающееся устройство механического перемешивания имеет лопасти, отходящие радиально от вращающегося вала, соосного с реакционным резервуаром, и длина которых увеличивается с увеличением поперечного сечения первой секции камеры.

2. Реактор по п. 1, в котором первая секция камеры является конической и площадь ее поперечного сечения увеличивается линейно.

3. Реактор по п. 1 или 2, в котором вторая секция камеры является цилиндрической.

4. Реактор по п. 1, в котором объем внутренней смесительной камеры составляет, по меньшей мере, 50 м³.

5. Реактор по п. 1, в котором ось реактора вертикальна, входное отверстие находится в верхней части реактора, а разгрузочный конец находится в нижней части реактора.

6. Способ смешивания биомассы и фермента, включающий следующие стадии:
подачу биомассы и фермента во входное отверстие ферментного реактора по любому из п.п. 1-5 в виде смеси или по отдельности;
перемещение и перемешивание биомассы и фермента вращающимся устройством механического перемешивания по мере их продвижения от узкого конца к широкому концу первой секции камеры, при этом поперечное сечение первой секции камеры увеличивается вдоль направления перемещения биомассы и фермента через первую секцию камеры;
перемещение и дальнейшее перемешивание смеси биомассы и фермента вращающимся устройством механического перемешивания от первой секции камеры ко второй секции камеры, имеющей, по существу, постоянную площадь поперечного сечения в направлении перемещения; и выгрузку из реактора смеси биомассы и фермента через разгрузочное отверстие второй секции камеры.

7. Способ по п. 6, в котором по мере того, как смесь биомассы и фермента перемещается через первую секцию камеры, вязкость смеси уменьшается, по меньшей мере, на 50% от вязкости биомассы, поданной в реактор.

8. Способ по п. 6 или 7, в котором по мере того, как смесь биомассы и фермента перемещается через первую секцию камеры, вязкость смеси уменьшается, по меньшей мере, на 25% от вязкости биомассы, поданной в реактор.

9. Способ по п. 6, в котором первая секция камеры является конической и площадь ее поперечного сечения увеличивается линейно в направлении движения биомассы.

10. Способ по п. 6, в котором вторая секция камеры является цилиндрической.

11. Способ по п. 6, в котором общий объем первой и второй секций камеры составляет, по меньшей мере, 50 м³.

12. Способ по п. 6, в котором реактор ориентирован вертикально, входное отверстие находится в верхней части реактора, а разгрузочный конец находится в нижней части реактора.

13. Ферментный реактор, включающий первую коническую смесительную камеру; вторую реакционную камеру, причем
первая коническая смесительная камера включает входное отверстие и разгрузочное отверстие и имеет увеличивающуюся площадь поперечного сечения, при этом входное отверстие совпадает с узким концом первой конической смесительной камеры и предназначено для подачи биомассы и фермента в первую коническую смесительную камеру в виде смеси или по отдельности,
площадь поперечного сечения первой конической смесительной камеры увеличивается от входного отверстия к разгрузочному отверстию, которое расположено у широкого конца первой конической смесительной камеры,
биомасса из разгрузочного отверстия первой конической смесительной камеры поступает во вторую реакционную камеру, при этом вторая реакционная камера имеет, по существу, постоянную площадь поперечного сечения от конца, расположенного у разгрузочного отверстия первой смесительной камеры, до разгрузочного конца второй реакционной камеры; и
вращающееся устройство механического перемешивания, расположенное в первой конической смесительной камере и соосное с первой конической смесительной камерой,
при этом вращающееся устройство механического перемешивания имеет лопасти, отходящие радиально от вращающегося вала, соосного с первой конической смесительной камерой, и длина которых увеличивается с увеличением поперечного сечения первой конической смесительной камеры.

14. Реактор по п. 13, в котором первая коническая смесительная камера находится в первом резервуаре, а вторая реакционная камера находится во втором резервуаре и имеет гидравлическое соединение с первой конической смесительной камерой.

15. Реактор по п. 13 или 14, в котором площадь поперечного сечения первой конической смесительной камеры увеличивается линейно.

16. Реактор по п. 13, в котором вторая реакционная камера является цилиндрической.

17. Реактор по п. 13, в котором первая коническая смесительная камера и вторая реакционная камера находятся внутри единого реакционного резервуара, и первая коническая смесительная камера расположена над второй реакционной камерой.

18. Реактор по п. 13, в котором общий объем первой конической смесительной камеры и второй реакционной камеры составляет, по меньшей мере, 50 м³.