CN101155958B - 转化生物质的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及将纤维素生物质，特别是含木质纤维素的生物质，转化为可发酵糖的方法。本发明还涉及适合实施该方法的设备。依照本发明，生物质转化为可发酵糖是通过将所述生物质与酸在反应器中接触，同时使能吸收水的惰性气流通过所述反应器，由此可以控制所述反应器中的pH值。

Description

转化生物质的方法和设备
本发明涉及将生物质，特别是将含木质纤维素的生物质转化为可发酵糖的方法。本发明还涉及适合实施该方法的设备。
将来，可再生材料将起到越来越重要的作用。生物转化方法将是由可再生起始材料(例如生物质)生产有价值产品(例如乙醇)的重要方法。碳水化合物从木质纤维素(生物质的主要成分)中的释放步骤构成了生物质转化过程中的瓶颈。为了使生物催化剂(例如微生物)进入起始材料，有必要将木质纤维素解聚和/或解晶化。
为此目的的公知技术是强酸处理，其见述于例如：US-A-5562777、US-A-5580389、US-A-5597714、US-A-5620877、US-A-5726046、US-A-5782982、US-A-5820687、US-A-6054611和US-A-6239198。
国际申请WO-A-94/23071描述了由含纤维素和半纤维素的材料生产糖的方法。该方法包括用酸将纤维素和半纤维素解晶化并水解，再将水解产物分为糖和酸。
US-A-4427584描述了逐步的方法：用液体或气体三氧化硫将晶型α-纤维素转化为无定形α-纤维素以引起α-纤维素的解晶作用，然后水解经处理的纤维以产生糖。
将纤维素材料转化为可发酵产物的公知技术通常需要机械搅拌装置，以获得纤维素材料与强酸的充分混合。实际上这常常导致复杂化，因为运动机件与强酸的结合会引起腐蚀问题。纤维素材料通常也需要机械预处理以获得所需的颗粒大小(通常直径为10毫米或者更小)和含水量(通常小于10％)。
另外，为了克服使强酸与纤维素材料良好接触方面的困难，公知技术需要将纤维素材料剁碎或者碾碎成不大于10目的颗粒尺寸。使纤维素材料悬浮在热空气流中也需要这种小的颗粒尺寸。
另外，独立的蒸发器是必需的，以产生浓酸。这导致了额外投资费用。
另外，所述公知技术需要相当大量的酸，这些酸随后要使用适量的碱中和。这导致了相当大量的废物流，例如石膏，这需要被处理掉，因而引起花费。
本发明希望克服与现有技术相关的这些问题，以及下文中将显现出来的其它问题。
发现用以下方法可以达到这个目的，在该方法中使生物质填充床或生物质堆接触到酸，并接触作为连续相的气体。在该方法中，生物质被分裂成10毫米或更大的颗粒尺寸。优选地，使生物质顺流与酸接触而逆流与气体接触。可以将生物质与大比表面积的惰性材料(例如塑料鲍尔环)混合，以保证所需的填充生物质的结构长度，并确保气体和液体的良好分布。因而，一方面，本发明涉及将生物质转化为可发酵糖的方法，该方法包括使所述生物质在反应器中与酸接触，同时使气流通过所述反应器，其中所述气体是能吸收(take up)水，从而有效改变反应器中pH值的惰性气体。
使气流通过反应器，可以改变酸溶液中水的蒸发，并且可以有效控制酸的浓度以及pH和含湿量。另外，气流有助于将酸均匀分布在整个反应器中，而不需要机械搅拌装置。所用的酸可以是任何本领域公知的适于此目的的强酸，例如盐酸、磷酸、氢氟酸和硫酸。最优选的是硫酸，因为可以用生物方法将其除去。此外，可以将(气体)三氧化硫加入反应器中存在的水相中，以此形式使用硫酸。
在将生物质装入反应器之后加入酸，例如通过从反应器顶部将其喷雾加入。任选或者作为可选方式，加入SO3。如果需要，可以加入水以获得有理想酸浓度的水相。随后加入气体，优选从反应器底部加入。反应器中所用的酸可以再循环回来进入反应器，这依赖于生物质的解聚程度。气流也被循环。可以调整气体流速以使溶液的pH(可以例如用pH电极装置经常监控)保持在期望水平上。酸的浓度优选被控制在70至75％重量，基于所述反应器中存在的酸(用kg H2SO4/kg无水纤维素材料表示)和水的重量计算。
以此方式，可以在差不多不变的且高的酸浓度下进行解聚。其结果是，木质纤维素转化为粘浆向下流到反应器底部，在这里可被收集。在足够长的时间后，可将包含解聚的纤维素和半纤维素的产物从反应器中移出，并进行后续处理步骤，任选在为除去粗的未转化部分的过筛步骤之后进行后续处理步骤。解聚步骤通常以分批过程进行。也可以半连续方式进行：将生物质加入反应器，同时，气体和酸被循环，直到未转化物质的量是将其从反应器中移走所需的量。
本发明方法的又一个好处是，未转化的物质(其常常由生物质进料中的污染物，例如沙子或者塑料碎片所形成)残留在反应器中，并且在反应完成后可以相对容易地从反应器中移走。
本发明方法将耗酸量减到了最少。此外，甚至可以有效地转化大块生物质(例如大块木头)。因为可以通过本发明方法相对容易地控制酸的浓度和含湿量，所以可以使用的不同类型的进料的含水量可以变化很大，这增加了本方法的通用性。
用来通过反应器的气体原则上可以是任何能吸收足量水的气体。该气体对于酸处理过程是惰性的，也就是说，该气体不妨碍酸处理过程。优选地，这种气体包含CO2(通常大于90％体积，例如大于99％体积)，因为可以由随后的发酵步骤获得CO2，在发酵步骤中，经酸处理转化的生物质被转化为例如乙醇。CO2的另一个好处是，它有助于抑制不需要的产物的形成，特别是抑制氧化产物的形成。其它适合的气体包括氮气(N2)和空气。因此，气流优选包括选自以下的组分：CO2、氮气、空气及其混合物。由于反应器中pH低，空气相对于反应器内容物差不多也是惰性的。
出于方法经济的考虑，优选使气流循环。这包括在气流重新加回反应器之前把气流中的水除去。可以使用公知的技术除去水，例如冷却至足够低的温度。发现在ca.0至4℃的温度下气体足够干燥。在约2℃的温度下获得良好的结果。
反应器中所用的酸优选硫酸。可以将浓H2SO4(例如90％重量或者更浓)加入反应器，但是也可通过将三氧化硫气体加入反应器中，在原处形成硫酸，所述三氧化硫气体在溶解于水中时生成硫酸：SO3+H2O→H2SO4。可以使用氧气或空气燃烧硫化合物，由不同方法步骤获得三氧化硫。优选地，这种硫化合物是硫化氢，它可以由硫酸盐还原步骤获得，该硫酸盐还原步骤可以用来除去产物中的硫化合物。
在典型实施方式中，保持通过床的气体速度相对低(例如低于0.5米/秒)，以使经过床的压力下降有限(例如限于约50mm H2O)。
反应器中的压力可以为常压或者稍高。
反应器中的温度优选60至100℃，更优选75至85℃，因为这已经提供了适合的反应速度，并同时避免了水的过分蒸发。
酸的量是低的。优选存在的酸量少于2kg酸/kg干物质，更优选1.2至1.4kg H2SO4/kg干物质。用强酸处理生物质的现有技术通常使用的酸量远远多于2kg酸/kg干物质。
本发明方法中酸的浓度优选控制在70至75％重量，基于所述反应器中酸(用kg H2SO4/kg干物质表示)和水的重量计算。
当反应器内容物的停留时间设为10至14小时，优选约12小时，可获得良好的化学转化。
实施本发明方法的设备通常包括非搅拌的分批反应器容器，其可以方便地由混凝土(廉价且结实)构成，其内部具有耐酸衬里，例如TeflonTM衬里或者PVC衬里。该反应器还具有气体入口和气体出口装置，以及加酸装置，特别是一个或多个分布酸溶液的喷嘴。该设备还可以包括在气体进入流进入反应器之前将其加热的加热器。在操作过程中，木质纤维素解聚并形成浆体。该浆体向下移并在反应器底部被收集。实施本发明的设备还可以包括将浆体从反应器中泵出的泵。其还可以包括一个或多个筛网以除去产物流中粗的部分。
从本发明方法获得的产物可以进一步在后续步骤中处理。通常这包括加入水，其作用是将解聚的纤维素和半纤维素水解成低聚糖或者单糖。在该步骤中，可以使木质素沉淀并在过滤步骤中滤除掉。存在于溶液中的碳酸盐和重碳酸盐转化为CO2，该CO2可在进行该步骤的反应器顶部收集。该CO2流可以用来通过将生物质水解成低聚糖或者单糖的反应器。

Claims (18)

1.一种将纤维素生物质转化为可发酵糖的方法，该方法包括使所述生物质的填充床或堆在反应器中与酸接触，同时使气体流通过所述反应器，其中所述气体是能够吸收水，从而有效改变反应器中pH值的对于该方法是惰性的气体。
2.权利要求1的方法，其中所述气体包括CO2、空气、氮气或者其混合物。
3.前述权利要求中任一项的方法，其中所述气体流被循环。
4.权利要求1或2的方法，其中所述气体流被冷却，从而使水由其中冷凝，并获得干燥气体流，所述干燥气体流随后被加至所述反应器。
5.权利要求1或2的方法，其中所述生物质包含大块或粗颗粒，其平均颗粒尺寸等于或大于10毫米。
6.权利要求1或2的方法，其中所述反应器中的温度为60至100℃。
7.权利要求1或2的方法，其中，基于反应器中存在的酸和水的重量计算，酸的浓度被控制在70至75％重量。
8.权利要求1或2的方法，其中在所述反应器中的停留时间为10至14小时。
9.权利要求1的方法，其中所述酸为硫酸。
10.权利要求9的方法，其中至少部分所述硫酸是通过将SO3加至所述反应器而获得的。
11.权利要求9或10的方法，其中存在1至2kg H2SO4/kg干物质。
12.权利要求2的方法，其中所述气体包括＞90％体积的CO2。
13.权利要求6的方法，其中所述反应器中的温度为75至85℃。
14.权利要求8的方法，其中在所述反应器中的停留时间为12小时。
15.权利要求11的方法，其中存在1.2至1.4kg H2SO4/kg干物质。
16.一种用于权利要求1的方法中的将纤维素生物质转化为可发酵糖的设备，该设备包括非搅拌的分批反应器容器，在其中使所述生物质的填充床或堆与酸接触，该反应器容器内部具有耐酸衬里，还具有气体入口和气体出口装置以及加酸装置。
17.权利要求16的设备，该设备由混凝土构成。
18.权利要求16或17的设备，其中所述加酸装置包括一个或多个喷嘴。
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