專利名稱：處理纖維素材料的方法和設(shè)備的制作方法
發(fā)明的背景本發(fā)明涉及使用一方法和在套筒內(nèi)帶有一螺桿的設(shè)備，來(lái)處理纖維素材料，以使該材料膨脹，從而使它們能更有利于例如用作動(dòng)物飼料和用于發(fā)酵方法。尤其是，本發(fā)明涉及一方法和螺桿在套筒內(nèi)的設(shè)備，其能使用液態(tài)氨連續(xù)地處理纖維素材料，所述液態(tài)氨在從設(shè)備排出時(shí)從一液體變?yōu)橐粴怏w時(shí)能使纖維素材料膨脹。
相關(guān)技術(shù)的描述使用加壓的氨來(lái)增大含有纖維素的植物材料(紫花苜蓿)的蛋白質(zhì)利用率和纖維素消化性描述在授予Hultquist的美國(guó)專利US4356196中。氨是以液態(tài)形式提供在一容器內(nèi)，其浸透植物材料，并且當(dāng)迅速降低容器內(nèi)的壓力時(shí)，就會(huì)猛然揮發(fā)和釋放。所獲得的處理過(guò)的材料用于乙醇生產(chǎn)或用作食用或產(chǎn)奶動(dòng)物的飼料。Dale在美國(guó)專利US4600590和US5037663中描述了使用各種揮發(fā)性化學(xué)劑來(lái)處理含有纖維素的材料，特別是用氨，這就是已知的AFEX方法(Ammonia Freeze orAmmonia Fiber Explosion氨冷凍或氨纖維蓬松)。其處理壓力略高于Hultquist中的。Holzapple等在美國(guó)專利US5171592中描述了一改進(jìn)的AFEX方法，其中處理過(guò)的生物產(chǎn)品用一超加熱的膨脹劑蒸汽來(lái)進(jìn)行后處理，以除掉殘余的膨脹劑來(lái)循環(huán)利用。設(shè)備20具有一周期地打開的混合和階段閥21。授予Chou的美國(guó)專利US4644060其總的目的是使用超臨界的氨來(lái)釋放多聚糖。這些被授予專利的方法基本上是批量地完成的。
涉及AFEX工藝的其它現(xiàn)有技術(shù)有歐洲專利EP77287；Dale，B.E.，等，《生物技術(shù)與生物工程論文集》，No.12，31-439(1982)；Dale，B.E.，等，“工業(yè)微生物學(xué)的進(jìn)展”，《工業(yè)微生物學(xué)會(huì)會(huì)刊》，Vol.26(1985)；Holtzapple，M.T.等，《應(yīng)用生物化學(xué)與生物技術(shù)》，VOL.28/29，59-74(1991)；Blasig，J.D.等，《資源、節(jié)能與回收》，795-114(1992)；和Moniruzzaman，M.等，《應(yīng)用生物化學(xué)與生物技術(shù)》，67113-126(1997)。這些方法都是不連續(xù)的。
目的因此本發(fā)明的一目的是提供一種改進(jìn)的連續(xù)方法，其使用一膨脹劑來(lái)生產(chǎn)一膨脹的纖維素材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種新型的設(shè)備，其尤其適用于該方法。通過(guò)參照下面的描述和附圖，這些和其它目的將變得更明顯。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是表示用于該方法的一螺桿設(shè)備10的一示意圖；圖2是表示單個(gè)螺紋106的一單元螺紋元件100的一側(cè)視圖；圖3是沿平行的雙軸21的部分相互作用的兩個(gè)(2)螺紋元件100與101的一端視圖；圖4和圖5是搓揉塊200與201在各彼此相對(duì)位置時(shí)的端視剖視圖，它們沿著雙軸21的部分平行地作用；圖6A～6I是圖4和5的搓揉塊200與201在各相對(duì)位置的端視剖視圖；圖7和8表示一單個(gè)搓揉塊200的剖視圖和端視圖；圖9是一駝形螺紋件102的一端視圖，其鄰近于從設(shè)備延伸的一擠壓模具18，并且迫使纖維素材料進(jìn)入模具塊18內(nèi)并且通過(guò)模具18A；圖10是圖9的駝峰形螺紋件102的一側(cè)視圖，其也表示一柱塞103和用于將螺紋件102保持在一桿105(其用作圖1的軸21)上的螺釘104，其中桿105沿螺桿17支承螺紋件100、101和搓揉塊200與201。
圖11是表示在區(qū)域1～7內(nèi)的各種螺紋件100、101和搓揉塊200、201的一擠壓螺桿的一側(cè)視圖，其中這些區(qū)域?qū)⒈硎驹诤竺娴谋?中；圖12是沿?cái)D壓設(shè)備10的縱軸線安裝的一加熱與冷卻塊的一側(cè)視圖，其中×為出水口，○為進(jìn)水口，而+為安裝在套筒16的一開口內(nèi)的一電熱筒。表2表示各個(gè)位置的尺寸；圖13是模具塊18的一側(cè)視圖；圖14是模具18A的一頂視剖視圖；圖15是模具18A的一側(cè)視剖視圖；圖16是模具18A的出口的一視圖；圖17是表示谷物飼料在酶催化水解后總的糖濃度作為時(shí)間的函數(shù)的曲線圖，其中對(duì)谷物飼料用本發(fā)明的方法和設(shè)備進(jìn)行處理和不進(jìn)行處理。未使用模具18A或模具塊18。擠壓設(shè)備10可有效地增大總的糖濃度；
圖18是表示作為在圖17的同樣的方式中處理的一特定的糖的葡萄糖的一曲線圖；圖19是表示由本發(fā)明的方法和設(shè)備在不同條件下對(duì)谷物飼料進(jìn)行處理的總的糖濃度作為時(shí)間的函數(shù)的一曲線圖；圖20是表示作為在圖19的同樣的方式中處理的一特定的糖的葡萄糖的一曲線圖；圖21是表示由本發(fā)明的方法和設(shè)備在不同條件下對(duì)谷物飼料進(jìn)行處理的總的糖濃度作為時(shí)間的函數(shù)的一曲線圖；圖22是表示作為在圖21的同樣的方式中處理的一特定的糖的葡萄糖濃度的一曲線圖；圖23是表示對(duì)于各種樣品的谷物飼料內(nèi)的干物質(zhì)在母牛的瘤胃內(nèi)的體內(nèi)消化性作為時(shí)間的函數(shù)的一曲線圖；圖24是表示圖23的樣品的NDF(Neutral Detergent Fiber中性去污劑纖維)溶解濃度相對(duì)于時(shí)間的曲線圖；圖25是表示圖23的樣品的半纖維素濃度相對(duì)于時(shí)間的曲線圖；圖26是表示圖23的樣品的纖維素濃度相對(duì)于時(shí)間的曲線圖；圖27是表示圖23的樣品的木質(zhì)素濃度相對(duì)于時(shí)間的曲線圖；圖28是表示圖23的樣品的含灰量相對(duì)于時(shí)間的曲線圖；圖29是表示圖23的樣品的消化率作為時(shí)間的函數(shù)的曲線圖。
優(yōu)選實(shí)施例的描述本發(fā)明涉及一種用以膨脹纖維素材料的方法的改進(jìn)，是通過(guò)用浸透纖維素材料的一膨脹劑接觸該纖維素材料，然后迅速降低壓力，從而通過(guò)膨脹劑的氣化膨脹來(lái)使纖維素材料膨脹，其包括(a)將膨脹劑和纖維素材料注入在一套筒內(nèi)的螺桿，該套筒具有一通向螺桿的一送料喉口，其中螺桿沿其一部分長(zhǎng)度與套筒旋轉(zhuǎn)接觸，從而螺桿在操作中被密封，帶有一入口，用于在壓力下膨脹劑輸送進(jìn)送料喉口內(nèi)到螺桿，并帶有鄰近螺桿從套筒輸出的一出口；(b)通過(guò)在套筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)螺桿而擠壓膨脹劑和纖維素材料；(c)從套筒經(jīng)擠壓機(jī)的出口排出膨脹劑和纖維素材料，從而膨脹劑使纖維素材料膨脹；和(d)可選地從纖維素材料中回收膨脹劑。
而且，本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的設(shè)備，其帶有至少一個(gè)以相對(duì)的端部安裝在一套筒內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)的螺桿，通過(guò)套筒到螺桿的一送料入口，和從螺桿輸出并且經(jīng)套筒排出的一飼料出口，和位于套筒的端部之間的可選的加熱與冷卻裝置，其包括經(jīng)在端部中間的套筒到螺桿的一液體入口，由此在壓力下液體被輸送給螺桿，從而通過(guò)螺桿的旋轉(zhuǎn)從套筒排出纖維素材料時(shí)液體到氣體的改變使得纖維素材料膨脹。
本發(fā)明還涉及一種系統(tǒng)，用于膨脹一纖維素材料，其包括(a)一設(shè)備，該設(shè)備帶有以相對(duì)端安裝在一套筒內(nèi)的至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)螺桿，通過(guò)套筒到該螺桿的一飼料入口，和從螺桿輸出并且經(jīng)套筒排出的一飼料出口，以及可選地位于套筒端部之間的加熱和冷卻裝置，其包括經(jīng)在端部中間通過(guò)套筒到螺桿的一液體入口，由此在壓力下液體被輸送給螺桿，從而通過(guò)螺桿的旋轉(zhuǎn)，在從套筒排出纖維素材料時(shí)，通過(guò)液體改變?yōu)橐粴怏w，使該纖維素材料膨脹；(b)在壓力下向液體入口的液體供給；(c)一限定的空間，在該空間內(nèi)設(shè)置系統(tǒng)；和(d)鄰近于套筒端部的氣體排出裝置，以排出材料膨脹所釋放的氣體。
本發(fā)明的主要目的在于使用一螺桿和套筒設(shè)備10(示于圖1中)來(lái)改善氨纖維蓬松(AFEX)方法，這種方法以前只能在一批量處理反應(yīng)器中進(jìn)行。使用擠壓設(shè)備10處理的有效性被限定為在酶或瘤胃本身的消化性方面的增加。
例子1第一步是建立一安全的氨操作環(huán)境。為此，與密歇根州東蘭辛的密歇根州立大學(xué)(MSU)的輻射、化學(xué)和生物安全辦公室(ORCBS)進(jìn)行聯(lián)系。根據(jù)他們的建議，用乙烯基條帶完全地纏繞在繞擠壓設(shè)備10的區(qū)域，該區(qū)域封閉室內(nèi)的輔助通風(fēng)裝置，以抑制任何氨泄漏。用一煙幕彈來(lái)測(cè)試該封閉，其中煙幕彈每分鐘產(chǎn)生10000立方英尺的煙霧，未觀測(cè)到煙霧的逸出。另外，一水平煙罩11被連接到一個(gè)通風(fēng)管上，以濃縮緊圍繞擠壓機(jī)輸送口12和出口12以及氨注入口14的通風(fēng)量。最后，購(gòu)置兩個(gè)全面型呼吸器，其帶有可拆卸的氨筒，以在所有的試驗(yàn)過(guò)程中使用。建立一安全協(xié)議并且由任何試驗(yàn)中的每一個(gè)人來(lái)評(píng)論。
擠壓設(shè)備10是一Baker-perkins MPC/V-30(密歇根州的薩吉諾)型的，其帶有并排的平行雙螺桿17，每一螺桿由螺紋件100、101、102和搓揉塊200、201(圖2～10)構(gòu)成。馬達(dá)15以500RPM的轉(zhuǎn)速輸送3HP的功率。套筒16的輪廓直徑為30mm，長(zhǎng)徑比(L/D)為10∶1。兩(2)個(gè)螺桿17配合地旋轉(zhuǎn)并且本身帶有可變的形狀。圖11表示部段100、101、103和搓揉塊200、201的位置。表1表示元件的位置。
表1
擠壓設(shè)備10設(shè)有進(jìn)行加熱和冷卻兩者的控制裝置(未示出)。沿套筒16和模具塊18在三個(gè)區(qū)域(圖12中的+)由電熱筒進(jìn)行加熱。沿套筒16的長(zhǎng)度通過(guò)經(jīng)套筒截面芯部(圖12中的和○)輸送的冷卻水來(lái)進(jìn)行冷卻。尺寸示于表2中。
套筒16和模具塊18沿其長(zhǎng)度被加熱到30℃～100℃之間。最好是模具塊18被加熱到該范圍內(nèi)。
表2
模具18A用空氣冷卻，其中被處理過(guò)的飼料經(jīng)模具18A排出。模具塊18設(shè)有加熱器(圖13中的+)。擠壓設(shè)備10的所有內(nèi)表面滲有一63μ-英寸的氮化物并拋光，以提供極好的抗腐蝕性能。螺紋件100、101、102和搓揉塊200、201(圖2、3、4、5和6A～6I)用熱處理過(guò)的合金鋼制造。
在任何試驗(yàn)之前確定單個(gè)螺紋件100、101的抗腐蝕性能，并且在試驗(yàn)中未觀察到腐蝕。
用于輸送氨的一往復(fù)膜片計(jì)量泵50是一美國(guó)Lewa(麻薩諸塞州的Holliston)。泵50的頭部由316不銹鋼制造，帶有特氟綸密封。泵50能產(chǎn)生0.23～23.0GPH(加侖/小時(shí))的計(jì)量。驅(qū)動(dòng)源供給3HP的功率。泵50用水來(lái)校準(zhǔn)并且進(jìn)行必要的換算，以確定使用一特定的行程長(zhǎng)度和速度設(shè)置而輸送的液態(tài)氨的量。
所使用的所有導(dǎo)管、接頭和閥用316不銹鋼制造。所使用的導(dǎo)管外徑為3/8英寸，壁厚為0.065英寸，表壓定為6500psig(磅/平方英寸)。所有的接頭被定為導(dǎo)管的脈沖壓力。所使用的材料的壓力等級(jí)遠(yuǎn)在安全范圍內(nèi)。這樣做是為了在操作氨時(shí)確保安全。大多數(shù)的連接采用接套(Swagelok)接頭，但少量采用NPT(美國(guó)標(biāo)錐管螺紋)，設(shè)有一單向閥51和旁通閥52和53。帶有一截止閥55的一氨箱54是氨的輸送源。一排壓閥56用來(lái)清除系統(tǒng)的氨。一針閥57用來(lái)將氨送入擠壓設(shè)備10內(nèi)。
生物經(jīng)送料管20輸送到擠壓設(shè)備10內(nèi)。通向送料管20的一喂料器19用輸送的材料校準(zhǔn)一已知的時(shí)間周期，并且確定生物的量。分別校準(zhǔn)含有不同量水分的樣品。
在該工程中的第一材料是谷物飼料或禾莖。樣品材料在此也指生物。這包括除谷物和玉米本身外玉米植物的所有地面上部分。
用一大的方形捆包物的方式獲得谷物飼料。該材料用一拖拉機(jī)上安裝的研磨機(jī)進(jìn)行粗剁。然后材料被干燥(少于5％的水分)并且被進(jìn)一步磨碎，以通過(guò)在一旋轉(zhuǎn)刀磨床上的一2mm篩子。該尺寸在大約0.01英寸～1英寸之間。材料被儲(chǔ)藏在紙板鼓內(nèi)側(cè)的塑料袋內(nèi)。添加重量占10％～80％的水。新鮮的材料可以被使用(通常在大約80％的水分，取決于干燥物質(zhì)的重量)。
因此，以前用來(lái)處理聚合物的未經(jīng)改進(jìn)的擠壓設(shè)備需要進(jìn)行很大的改動(dòng)。這樣，需要進(jìn)行幾處修改。首先，加工一口14，以允許注入氨?？?4在套筒16長(zhǎng)度的大致一半的位置處。口14被選擇成使得生物與氨的平衡時(shí)間最小。平衡時(shí)間大約為一(1)分鐘，但取決于輸送速度、氨量(氨的裝載量)、模具溫度等。注入口14安裝有一特氟綸密封件，以使經(jīng)口14的氨損失最小。
其次，螺桿17的形狀進(jìn)行很大學(xué)修改，以盡量使經(jīng)送料管20的氨損失最小。另外，在螺桿17的排出端設(shè)有兩(2)個(gè)駝峰形螺紋件102(在圖9和10中各示出了一個(gè))。這些螺紋在端部原來(lái)是平坦的。初始的設(shè)計(jì)正好堵塞模具塊18。通過(guò)將每一螺桿103的端部制成一更錐形的形狀，生物被導(dǎo)入模具塊18內(nèi)并且經(jīng)模具18A排出而不會(huì)堵塞。
所使用的氨被供給在一50磅的圓筒54內(nèi)，該圓筒設(shè)有一封液管，以確保液體輸送。泵50允許控制和精確輸送氨。在注入口14前面一點(diǎn)的位置安裝有一單向閥51，以保持在泵后導(dǎo)管內(nèi)氨的壓力，有助于確保液體輸送。一旦由泵50產(chǎn)生的壓力達(dá)到單向閥51的開啟壓力，氨就會(huì)直接流入擠壓設(shè)備10內(nèi)。再次密封的壓力被設(shè)定在氨的蒸發(fā)壓力以上，以防止氨經(jīng)單向閥51的任何泄漏。設(shè)有幾個(gè)旁通閥52和53，以允許導(dǎo)管在擠壓設(shè)備使用后用排壓閥56來(lái)排泄，以清洗設(shè)備。
一旦確認(rèn)氨與生物將一起流過(guò)擠壓設(shè)備10，就使用增大地限制的模具18。首先不使用模具塊18。但是，由于可以獲得更大的可靠度，增加塊18與模具18A。只需使用塊18就可獲得幾次纖維素的蓬松爆發(fā)，但樣品的酶消化性只是略高于處理樣品的。另外，由一較小口的模具18A產(chǎn)生的增大的壓力提供一更有效的處理。
在擠壓模具18A的設(shè)計(jì)上已進(jìn)行了許多工作。但是，生物混合物不象任何聚合物或食品那樣能被擠壓通過(guò)一標(biāo)準(zhǔn)的模具。試用了幾個(gè)初級(jí)模具，很少成功。這些模具是用手加工的并且粗糙的邊緣和內(nèi)表面產(chǎn)生這樣的問(wèn)題，即生物的流過(guò)受阻。證明最有用的模具18A是用一5°的端銑刀進(jìn)行加工，以產(chǎn)生一光滑的入口，并且使入口面積逐漸縮小40％(即出口為入口面積的60％)。采用該模具塊18，可以一致地獲得蓬松爆發(fā)。該模具18A示于圖13、14和15中。其尺寸如下擠壓模具18A較大的口為入口并且面向擠壓機(jī)。
較大孔的面積＝π(0.5/2)2+(1-0.5)0.5＝0.446英寸2較小孔的面積＝(0.25-y)[π(0.25-y)+1]x＝y(tǒng)/tan5°
較小口的面積＝0.268英寸2通常以規(guī)則的間隔進(jìn)行蓬松爆發(fā)。一些試驗(yàn)表明具有±15秒鐘的再現(xiàn)性。根據(jù)氨的裝載量和溫度，穩(wěn)定狀態(tài)的操作或者是連續(xù)的或者是周期性的。較高量的氨(氨量/生物量＞1.5)促進(jìn)材料從擠壓設(shè)備10中慢慢地排出幾分鐘，然后從模具18A猛然排出。氨的裝載量用一質(zhì)量比給出。例如，氨量3表示相對(duì)于1磅(或千克或克等)的干燥生物為3磅的氨(或千克或克等)。此后，氨量用M/M單位給出，暗指質(zhì)量比。觀察到壓力大約為300psig，扭矩接近50％，直到蓬松爆發(fā)，此時(shí)壓力下降到0psig和大約11％的扭矩(通常沒(méi)有負(fù)荷值)?；蛘?，小量的氨(＜1.5M/M)表示連續(xù)的小蓬松爆發(fā)，這是操作的優(yōu)選模式。
還進(jìn)行了其它的改進(jìn)。例如，使用特氟綸層來(lái)使擠壓機(jī)的壓力損失最小。幾次觀察到兩個(gè)金屬-金屬交界面(擠壓設(shè)備10與模具塊18的界面以及在模具塊18與模具18A之間的界面)使得一部分高壓逸出，由于在交界面處形成泡沫，因此這種逸出是明顯的。但特氟綸層(未示出)被切割成繞密封的口安裝并且然后被插入兩個(gè)表面之間。在安裝這些密封件之后，未再觀察到泡沫。
改變的主要參數(shù)是溫度和氨量。生物的含水量也改變了，但很少成功。高于60％的含水量導(dǎo)致水被擠出生物并且流回到生物送料口。生物含水程度以總量的百分比給出(60％的含水量為100克生物與水混合物中有60克水)。這產(chǎn)生將生物送入擠壓設(shè)備10中的問(wèn)題，因?yàn)橛砂倍谒土瞎?0內(nèi)產(chǎn)生泡沫。或者，低于60％的含水程度不能有效地平衡氨，因而不能獲得蓬松爆發(fā)。因此，在結(jié)果部分中所涉及的所有試驗(yàn)都是在60％的含水量下獲得的。
在圖11的區(qū)域1～3中溫度用幾種方式變化。一般地，居于生物送料口中間的第一區(qū)域1未加熱并且關(guān)閉其冷卻。在此情形中，加熱是指加熱到室溫以上。第一區(qū)域的冷卻能力被去除了，因?yàn)槠湓谒土峡谥車a(chǎn)生凝縮，這將導(dǎo)致送料的阻塞。在氨注入口14處的第二區(qū)域2被稍微加熱，這取決于模具塊18的設(shè)定溫度。太高的加熱會(huì)使氨蒸發(fā)并導(dǎo)致一不太有效的處理。第三區(qū)域3通常被加熱到接近第二區(qū)域和模具塊18(圖13)的平均設(shè)定值的一溫度。模具塊18的溫度被考慮為反應(yīng)溫度。顯然模具塊18的溫度具有一上限，因?yàn)樵诟哂?0℃的一設(shè)定值時(shí)不能獲得蓬松爆發(fā)。這可能是部分因?yàn)榈谌訜釁^(qū)域3中的氨部分蒸發(fā)了的緣故。模具溫度通過(guò)熱傳導(dǎo)而促使第三區(qū)域3內(nèi)的溫度上升。這導(dǎo)致氨蒸發(fā)量的增大和較少有效的處理。另外，氨由于一較高的模具塊18的溫度而可能經(jīng)生物送料管20擠壓出來(lái)。因?yàn)榘睕](méi)有如所希望的那樣被有效地截留，因此蒸汽就會(huì)自由地離開擠壓設(shè)備10。較低溫度的處理將不會(huì)對(duì)送料管20產(chǎn)生這樣高的一壓力，因而不會(huì)受到這種作用。
氨量是改變的另一主要參數(shù)。氨量從0.5變化到2.0。所計(jì)算的氨量?jī)H僅是實(shí)際處理量的一估算值。所使用的擠壓設(shè)備10具有一相對(duì)小的L/D(10∶1，D＝30mm)，測(cè)量的套筒16的長(zhǎng)度大約為15.25英寸，并且唯一的用于氨注入的口14大約在套筒16的大致一半的位置處。這產(chǎn)生某些問(wèn)題，因?yàn)榘苯?jīng)生物送料管20流回。
進(jìn)行了一些努力，即通過(guò)改變螺桿17的外形來(lái)在氨注入口14之前產(chǎn)生一高混合區(qū)域，以有效地提供限制氨流回送料管20的一堵塞。螺紋件100、101、102和搓揉塊200、201設(shè)定于表2中。通過(guò)加熱和冷卻應(yīng)力將三個(gè)第一螺紋件100、101、102永久地固結(jié)到螺桿軸上。這些第一部分支配地向前輸送螺桿，其通常以50％的容量運(yùn)轉(zhuǎn)并且不會(huì)提供一有效的限制。因此，用可獲得的有限量的螺桿軸來(lái)實(shí)現(xiàn)混合區(qū)域，僅能使用五(5)個(gè)混合葉片。
對(duì)于混合區(qū)域還具有其它限制。搓揉塊200、201以各種角度在一單個(gè)桿105上對(duì)齊。當(dāng)搓揉塊200、201以0～90°的角度對(duì)齊時(shí)，如圖6A、6B、6C、6D、6E、6F、6G、6H和6I所示，混合區(qū)域的向前輸送隨著角度從任一方向接近45°而增大，并且隨著角度偏離45°而減小。角度由從排出端15向下看桿105、即向送料管20看來(lái)確定。所給出的角度是最外的搓揉塊201相對(duì)于在軸21下的下一個(gè)搓揉塊200的角度。例如，搓揉塊200和201以30°對(duì)齊，在軸上具有一個(gè)葉片，而下一個(gè)相對(duì)于前者順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°。在0o時(shí)沒(méi)有混合，而在90°時(shí)具有最大的混合。以負(fù)角度對(duì)齊的搓揉塊200與201就反轉(zhuǎn)并且迫使進(jìn)行相反方向的流動(dòng)。
下面的表表示搓揉塊200與201的傳輸性，其中F為前進(jìn)，R為反轉(zhuǎn)。
最好←傳輸性→最小45°F 60°F 90° 60°R 45°R試用了幾個(gè)混合區(qū)域?qū)R，但其大多數(shù)對(duì)扭矩具有限制。換言之，在扭矩接近其最大值之前，僅少量生物能送過(guò)機(jī)器。扭矩限制取決于雙軸21(由桿105支承)的轉(zhuǎn)速。因此，一45°混合區(qū)域被執(zhí)行。這允許形成一良好的堵塞并且也允許生物的一大流量。在填充后對(duì)螺紋件100和101的觀察表明在口14之前的混合區(qū)大約為90％滿，而在口14之外的其它區(qū)段大約填充了50％。遺憾的是，混合區(qū)的長(zhǎng)度不夠長(zhǎng)來(lái)提供對(duì)氨蒸汽的一顯著的限制。因此，注入的一些氨由于蒸發(fā)而經(jīng)送料管20損失了。因此，在處理中所使用的氨的實(shí)際量是不太確定的，但所有的操作都是根據(jù)注入的氨的量來(lái)分類。
例子2首先，定量化確定方法的有效性的主要措施是酶催化水解。由于主要目的是證明用于輸送AFEX的螺桿-套筒技術(shù)能操作，因此最大量的糖濃縮不是中心點(diǎn)，而是相對(duì)消化性。因此，所有的樣品用15IU/g的一纖維素酶的量和1mL/mL的纖維素酶的-β葡萄糖苷酶量在PH＝4.8的一檸檬酸鹽緩沖液中進(jìn)行水解。所使用的纖維素酶是CELLUCLAST，而所使用的β葡萄糖苷酶為NOVO 188，兩者都是Novo Nordisk(Franklinton，北卡羅萊納州)產(chǎn)生的。所有的樣品在50℃的溫度下在一攪動(dòng)的水池中用5％(重量)的溶液進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)48小時(shí)的水解。在一導(dǎo)引HPLC欄對(duì)葡萄糖、木糖、半乳糖、樹膠醛糖和苷露糖產(chǎn)生了主要分解。在一酸性欄進(jìn)行其它分解，其產(chǎn)生葡萄糖和合成糖峰值，包括木糖、甘露糖和半乳糖濃縮物。最后，還使用了一YSI(Yellow Springs，俄亥俄州)儀器并且產(chǎn)生葡萄糖濃縮。
單獨(dú)使用模具塊18產(chǎn)生一蓬松爆發(fā)，其導(dǎo)致在進(jìn)行24小時(shí)的酶催化水解后的總的糖濃度(葡萄糖、木糖、半乳糖、樹膠醛糖和苷露糖的總和)，為完全未處理的樣品的2.4倍。該材料的葡萄糖濃度為完全未處理的材料在同樣量的時(shí)間后的2.1倍。相同的材料產(chǎn)生的總的糖濃度比在沒(méi)有氨的一螺桿-套筒設(shè)備中處理的生物高2被，并且相應(yīng)的葡萄糖濃度為在沒(méi)有氨的一螺桿-套筒設(shè)備中處理的生物的2.5倍。單獨(dú)用模具塊18(不帶模具18A)進(jìn)行的進(jìn)一步的試驗(yàn)產(chǎn)生的總的糖濃度比未處理的材料高3.5倍，比未處理的材料在進(jìn)行24小時(shí)的水解后高3.4倍。
用模具18A獲得的最好的結(jié)果表明能獲得一總的糖濃度，其比完全未處理的材料在進(jìn)行6小時(shí)的酶催化水解后要高2.4倍。此時(shí)的葡萄糖濃度比此完全未處理的材料獲得的高2.3倍。
通常地，對(duì)于酶催化水解的最有效的處理是在低溫下進(jìn)行。所使用的模具塊18的溫度越高(高于70℃)，處理的效率就越低。這可能部分是由于在一較高的溫度下較多的氨會(huì)逸出設(shè)備。但是，采用一低溫，氨將保持與生物接觸較長(zhǎng)的時(shí)間并且獲得一更有效的處理。測(cè)試結(jié)果表示在圖19～22和表3中。
表3
例子2在酶消化性測(cè)試后，希望在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試材料的反芻消化性。為此，以不同的溫度處理和氨量產(chǎn)生幾個(gè)樣品。將它們帶到德克薩斯州的A&M大學(xué)的動(dòng)物科學(xué)系(College Station，德克薩斯州)并現(xiàn)場(chǎng)分析消化性。在經(jīng)過(guò)一已知的時(shí)間周期的重量減輕后的一干燥重量基礎(chǔ)上來(lái)分析樣品。材料被放置在已知重量的一小的可滲透口袋內(nèi)并且被干燥，以確定干燥物質(zhì)的量。然后將口袋放置在一插有管狀器官的被閹割過(guò)的牛的瘤胃內(nèi)。這是被閹割過(guò)的牛，其具有一外科插入的導(dǎo)管，以允許接近動(dòng)物的瘤胃。通過(guò)以特定的間隔(0，3，6，12，24，28和96小時(shí))取出口袋，徹底地清洗和干燥，確定材料的作為材料重量損失百分比的消化性。在一特定口袋內(nèi)材料的重量損失被稱為干燥物質(zhì)消化性，或DMD。
進(jìn)行一現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)集中在螺桿-套筒處理材料上，所進(jìn)行的控制是沒(méi)有氨在50℃下來(lái)處理一樣品。
試驗(yàn)結(jié)果示于圖23～29。試驗(yàn)的48小時(shí)消化性列表于表4中。試驗(yàn)表明擠壓處理過(guò)的材料在48小時(shí)的消化性高達(dá)77.4％的材料可消化，相比而言，在螺桿-套筒處理但未進(jìn)行處理控制(用氨)的方式中消化性只為63.0％。典型的瘤胃通過(guò)時(shí)間為48小時(shí)或以下。
表4-48小時(shí)干燥物質(zhì)消化性試驗(yàn)ID DMDNH3Load T(℃)F77.41.5 65H76.12.0 65C73.51.5 55I73.41.5 55E71.61.0 65G70.51.6 65B70.41.0 0D68.00.8 65A63.00.0 50注DMD是干燥物質(zhì)消化性，以百分比表示。
NH3量是注入的氨量相對(duì)于處理的生物量的比例。
T(℃)是模具設(shè)定溫度。
在48小時(shí)時(shí)，溫度的效果和氨量不是特別清楚。所獲得的兩個(gè)最有效的處理是在65℃的溫度，氨量為1.5和2.0(分別為樣品F和H)。F的消化性(77.4％)只略高于H的(76.1％)。但是，氨量為1.6M/M并且溫度為65℃的樣品G只是第六個(gè)最可消化的材料，其消化性為70.5％。第三和第四個(gè)最有效的處理(分別為樣品C和I)為完全相同的樣品，并且表示了極好的一致性，它們只差0.05％點(diǎn)并且具有73.5％的平均消化性。樣品I和C是在氨量為1.5M/M、溫度為55℃時(shí)產(chǎn)生的。在試驗(yàn)中，樣品H和F始終是最可消化的，而樣品H除了48小時(shí)和96小時(shí)外，在所有的時(shí)間點(diǎn)都是最可消化的。
還確定在每一時(shí)間點(diǎn)每一材料的成分。使用化驗(yàn)來(lái)確定中性去污劑纖維(NDF)、酸性去污劑纖維(ADF)、木質(zhì)素和不能溶解的灰的量。NDF化驗(yàn)給出了一樣品中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和灰的量。ADF處理去除半纖維素，木質(zhì)素處理去除纖維素，而灰處理去除木質(zhì)素。
纖維素和半纖維素兩者被認(rèn)為在一定程度上是可消化的，而木質(zhì)素被認(rèn)為是不可消化的。因此，希望明顯降低木質(zhì)素的含量，并且已獲得了成功。結(jié)果表明在65℃下在設(shè)備內(nèi)處理過(guò)的樣品的木質(zhì)素含量降低達(dá)20.9％，相比而言，在沒(méi)有氨的設(shè)備中的處理控制的平均降低只為11.9％。
產(chǎn)生消化的速度也是重要的。在所有情形中，所有氨處理樣品的初始消化速度比在沒(méi)有氨的設(shè)備中處理過(guò)的材料的要高。在此情形中，消化的初始速度被確定為在3～6小時(shí)之間的消化速度。在許多情形中，樣品從0～3小時(shí)的樣品中獲得重量，而0～3小時(shí)的樣本沒(méi)有提供可接受的數(shù)據(jù)。這可解釋為3小時(shí)樣品的不足的清洗，這就可能在口袋里留下被截留的灰塵、可溶微粒和微生物。另一解釋是用于填充0小時(shí)口袋的材料含有多于3小時(shí)樣品的灰塵，并且將允許更多的材料被洗掉。最大消化速度為試驗(yàn)控制(未處理的控制)的2.25倍。最大的觀察到的速度對(duì)于樣品H來(lái)說(shuō)為6.16％/小時(shí)。
數(shù)據(jù)也表明在整個(gè)時(shí)間半纖維素和纖維素微粒減少了，這意味著出現(xiàn)了這些成分的消化。第一試驗(yàn)的半纖維素含量降低，直到12小時(shí)，在24小時(shí)時(shí)升高，然后又降低，直到測(cè)試結(jié)束。纖維素微粒升高直到12小時(shí)，然后降低。這表明半纖維素首先被消化，直到纖維素被有效地分解，然后再消化半纖維素。正如所期望的，不可消化的木質(zhì)素濃度隨著試驗(yàn)的進(jìn)行而穩(wěn)定地上升。
在例子1和2中，螺桿-套筒設(shè)備10是用來(lái)便于AFEX方法。谷物飼料的酶消化性的總的糖產(chǎn)出增大達(dá)250％，對(duì)于完全未處理的樣品，現(xiàn)場(chǎng)反芻消化性增大了32％(從53.8％增大到71.2％)。另外，谷物飼料的酶消化性的總的糖產(chǎn)出增大達(dá)240％，對(duì)于在沒(méi)有氨的螺桿-套筒設(shè)備內(nèi)處理的材料，現(xiàn)場(chǎng)反芻消化性增大了19％(從63.0％增大到77.4％)。螺桿-套筒方法也產(chǎn)生了這樣的結(jié)果，其可以與批量方法進(jìn)行很好的比較，導(dǎo)致的結(jié)論是這樣的一方法可以如已被證明的批量方法那樣有效。
試驗(yàn)的其它結(jié)果也是令人鼓舞的。希望并且已獲得了木質(zhì)素的明顯降低，平均降低了11.9％(從8.42％～6.66％，最大降低20.9％)。還觀察到了一高的消化速度。最高的消化速度為各個(gè)試驗(yàn)中使用的控制所具有的消化速度的2.3倍。最好，在試驗(yàn)過(guò)程中觀察到了纖維素和半纖維素的較高程度的降低，這意味著利用了這些成分。
本發(fā)明的系統(tǒng)可用來(lái)回收由護(hù)罩11排出的氣體。使用傳統(tǒng)的氣體(氨)接收。本發(fā)明的此方面對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是公知的。
可以用各種類型的設(shè)備來(lái)實(shí)施本發(fā)明?？梢愿倪M(jìn)塑料擠壓機(jī)來(lái)實(shí)施本發(fā)明，而且，也可以修改紙漿去纖電震器來(lái)執(zhí)行本發(fā)明的方法，其中螺桿與一套筒呈緊密隔開接觸關(guān)系。所有的這些變型對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)都是顯而易見的。
前述描述僅意欲用來(lái)示范性地解釋本發(fā)明，本發(fā)明僅由所附的權(quán)利要求書來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種用以膨脹纖維素材料的方法，是通過(guò)用浸透纖維素材料的一膨脹劑接觸該纖維素材料，然后迅速降低壓力，從而通過(guò)膨脹劑的氣化膨脹來(lái)使纖維素材料膨脹，其改進(jìn)之處包括(a)將膨脹劑和纖維素材料注入在一套筒內(nèi)的螺桿，該套筒具有一通向螺桿的一送料喉口，其中螺桿沿其一部分長(zhǎng)度與套筒旋轉(zhuǎn)接觸，從而螺桿在操作中被密封，帶有一入口，用于在壓力下膨脹劑輸送進(jìn)送料喉口內(nèi)到螺桿，并帶有鄰近螺桿從套筒輸出的一出口；(b)通過(guò)在套筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)螺桿而擠壓膨脹劑和纖維素材料；(c)從套筒經(jīng)擠壓機(jī)的出口排出膨脹劑和纖維素材料，從而膨脹劑使纖維素材料膨脹；和(d)可選地從纖維素材料中回收膨脹劑。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在大約-40℃～60℃之間的環(huán)境溫度下，膨脹劑具有大于大氣壓的一蒸發(fā)壓力。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是膨脹劑是液態(tài)氨。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是膨脹劑是液態(tài)氨并且在步驟(d)中，從纖維素材料中去除氣態(tài)氨，以重新使用。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是套筒處在大約30℃～100℃之間的溫度。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是纖維素材料為谷物飼料或禾莖。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在被引入螺桿-套筒設(shè)備的送料喉口內(nèi)之前，纖維素材料被碾磨到在大約0.01和1.0英寸之間，并且包含基于纖維素材料干燥重量的大約10％～80％(重量)的水分。
8.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7之任一項(xiàng)所述的方法，其特征是在套筒上設(shè)置一模具裝置，其在從螺桿-套筒設(shè)備排出纖維素材料之前壓縮該纖維素材料。
9.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7之任一項(xiàng)所述的方法，其特征是在螺桿-套筒設(shè)備的套筒的出口上設(shè)置一模具塊，并且其中模具塊被任選地加熱到30℃～100℃，并且在塊上設(shè)置一模具，其在從設(shè)備排出纖維素材料之前壓縮該纖維素材料。
10.一種設(shè)備，其帶有至少一個(gè)以相對(duì)的端部安裝在一套筒內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)的螺桿，通過(guò)套筒到螺桿的一送料入口，和從螺桿輸出并且經(jīng)套筒排出的一飼料出口，和位于套筒的端部之間的可選的加熱與冷卻裝置，所述設(shè)備的改進(jìn)之處包括經(jīng)在端部中間的套筒到螺桿的一液體入口，由此在壓力下液體被輸送給螺桿，從而通過(guò)螺桿的旋轉(zhuǎn)從套筒排出纖維素材料時(shí)液體到氣體的改變使得纖維素材料膨脹。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征是在套筒的端部上安裝一模具裝置，纖維素材料經(jīng)該套筒排出，該模具裝置具有一開口，其向內(nèi)呈錐形從而纖維素材料在排出之前被模具壓縮。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征是鄰近模具裝置的螺桿的螺紋件的一端向內(nèi)朝螺桿的一縱軸線呈錐形。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征是螺紋件具有螺紋螺旋片，并且其中鄰近模具的其中一個(gè)螺旋片提供該錐形端部。
14.如權(quán)利要求10、11、12或13之任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征是螺桿上的搓揉塊設(shè)置在液體入口的上游側(cè)，其與纖維素材料一起用來(lái)防止液體流向送料入口。
15.如權(quán)利要求10、11、12或13之任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征是模具裝置設(shè)有加熱件，其將纖維素材料加熱到其從模具裝置排出時(shí)便于膨脹的一溫度。
16.如權(quán)利要求10、11、12或13之任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征是液體入口設(shè)有一液體箱和一液體泵，用于向入口提供液體。
17.如權(quán)利要求10、11、12或13之任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征是液體入口設(shè)有一控制閥，用于調(diào)節(jié)供給螺桿-套筒設(shè)備的液體的量。
18.一種系統(tǒng)，用于膨脹一纖維素材料，其包括(a)一設(shè)備，該設(shè)備帶有以相對(duì)端安裝在一套筒內(nèi)的至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)螺桿，通過(guò)套筒到該螺桿的一飼料入口，和從螺桿輸出并且經(jīng)套筒排出的一飼料出口，以及可選地位于套筒端部之間的加熱和冷卻裝置，其包括經(jīng)在端部中間通過(guò)套筒到螺桿的一液體入口，由此在壓力下液體被輸送給螺桿，從而通過(guò)螺桿的旋轉(zhuǎn)，在從套筒排出纖維素材料時(shí)，通過(guò)液體改變?yōu)橐粴怏w，使該纖維素材料膨脹；(b)在壓力下向液體入口的液體供給；(c)一限定的空間，在該空間內(nèi)設(shè)置系統(tǒng)；和(d)鄰近于套筒端部的氣體排出裝置，以排出材料膨脹所釋放的氣體。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征是在套筒的端部上安裝一模具裝置，纖維素材料經(jīng)該套筒排出，該模具裝置具有一開口，其向內(nèi)呈錐形，使得纖維素材料在排出之前被模具壓縮。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征是鄰近模具裝置的螺桿的螺紋件的一端向內(nèi)朝螺桿的一縱軸線呈錐形。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征是螺紋件具有螺紋螺旋片，并且其中鄰近模具的其中一個(gè)螺旋片提供了該錐形端部。
22.如權(quán)利要求18、19、20或21之任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征是搓揉塊設(shè)置在液體入口的上游鄰近螺桿，其與纖維素材料一起用來(lái)防止液體流向送料入口。
23.如權(quán)利要求18、19、20或21之任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征是模具裝置設(shè)有加熱件，其將纖維素材料加熱到一溫度，該溫度便于其從模具裝置排出時(shí)通過(guò)液體到氣體的改變使得纖維素材料膨脹。
24.如權(quán)利要求18、19、20或21之任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征是擠壓機(jī)上的液體入口設(shè)有一控制閥，用于調(diào)節(jié)供給螺桿-套筒設(shè)備的液體的量。
全文摘要
描述了用于膨脹纖維素材料的一方法和螺桿－套筒設(shè)備(10)。膨脹的纖維素材料可用作一動(dòng)物飼料和發(fā)酵方法的一營(yíng)養(yǎng)源。
文檔編號(hào)C08H8/00GK1354623SQ99807580
公開日2002年6月19日 申請(qǐng)日期1999年2月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月30日
發(fā)明者B·E·達(dá)勒, J·K·維弗 申請(qǐng)人:密執(zhí)安州大學(xué)