CN101725068B - 用于分级分离基于木质纤维素的生物质的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于分级分离基于木质纤维素的生物质的方法和装置。所述方法包括：提供基于木质纤维素的生物质，通过加入能够溶解木质素的第一溶剂从所述生物质萃取木质素；通过将能够溶解半纤维素的第二溶剂加入到用第一溶剂处理过的生物质萃取木糖；和萃取残留在生物质中的纤维素。在该方法中，可进行连续工艺代替低效率的分批工艺，并且可以高产率获得生物质的组分。

Description

用于分级分离基于木质纤维素的生物质的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年10月29日提交的韩国专利申请No.10-2008-0106618和2009年7月2日提交的韩国专利申请No.10-2009-0060397的权益，且所有权益根据35U.S.C.§119从上述申请产生，所述申请通过引用在此引入如同在本文中完全阐述。
技术领域
公开内容涉及用于分级分离基于木质纤维素的生物质的方法和装置。
背景技术
随着对过度使用化石燃料所带来的资源枯竭和环境污染的全球越来越多的关注，正在考虑用于稳定且连续地产生能量的新的且可再生的替代能源。在这种替代能源正在进行的开发中，从生物质生产醇的技术受到强烈的关注。
地球上最富足且完全可再生的生物质是木质纤维素。木质纤维素是非生物可降解的芳族聚合物如木质素与碳水化合物如纤维素和半纤维素的复合结构。木质纤维素已经常用于指生物质。从生物质生产的各种水溶性燃料如醇、柴油和氢通常称为生物能源。
作为木质纤维素的重要组分的纤维素是由通过β-1，4糖苷键连接的葡萄糖单元的直链组成的稳定的多糖，使其比自然状态中的由通过α-1，4糖苷键连接的葡萄糖单元组成的螺旋直链淀粉物理上和化学上坚固得多。
作为木质纤维素另一重要组分的半纤维素是聚合度比纤维素低的多糖。半纤维素由作为主要组分的戊糖如木糖的聚合物和较少量的戊糖如阿拉伯糖的聚合物与己糖如甘露糖、半乳糖或葡萄糖的聚合物组成。由于半纤维素的聚合度比纤维素低，且具有比纤维素不规则的结构，它更易于通过物理和化学处理而降解。
木质素是具有复合结构的疏水性大分子聚合物。木质素部分地有助于保护植物不受由昆虫以及微生物如霉菌造成的各种生化威胁。由于木质素在物理上和化学上都是高度耐久的，它被视作本质上最不可降解的化合物之一。
为了从木质纤维素生产乙醇或各种化合物，形成木质纤维素的多糖必须转化成能乙醇发酵的可发酵糖(糖平台)。液态燃料如乙醇和丁醇、作为生物聚合物如聚乳酸的单体的有机酸、和各种氨基酸可从可发酵的糖产生。糖平台的概念最初由美国能源部(DOE)构思。在此，木质纤维素到糖平台的转化包括对木质纤维素预处理或分级分离以从纤维素和半纤维素生产糖。
木质纤维素的预处理可基本上分为物理方法、化学方法和生物方法。
物理方法可包括研磨工艺和蒸汽爆发工艺。研磨工艺包括用研磨机将木质纤维素颗粒粉碎成小尺寸的颗粒，从而引起木质纤维素的结构变化。不经常使用研磨工艺，因为其消耗相当大量的能量且提供低产率或低糖化。蒸汽爆发工艺包括在热蒸汽的高压容器中蒸木质纤维素预定的时间以及瞬间打开该容器的阀门以使木质纤维素的结构更易于酶攻击。
为了提高上述物理方法的效果，对化学方法和物理方法的组合进行了很多研究。化学方法和物理方法的组合的典型例子为稀释酸水解工艺。该工艺包括将木质纤维素浸渍在2％(w/w)或更低的硫酸溶液中以及与蒸汽爆发工艺类似地将木质纤维素在热蒸气的容器中在约160到约200℃的温度下蒸约60秒到约10分钟。在该工艺中，半纤维素通过酸催化水解成单糖和寡糖，并且所产生的一些戊糖可通过过度的反应降解成可作为发酵抑制剂的糠醛。
稀释酸水解工艺中，半纤维素水解使纤维素和半纤维素之间的键以及木质素和半纤维素之间的键断裂，从而促进酶糖化。因此，可在分级分离工艺中获得并分离半纤维素水解产物，如木糖，其在水解产物中水解并溶解。随后，在分级分离工艺中不降解的不溶性纤维素和木质素都进行酶糖化，然后转化成葡萄糖和木质素残基，使得木质素可一起转移到随后的发酵工艺。但是，在这种情况下，来自木质素降解的酚化合物会抑制酶工艺和发酵工艺。
采用碱代替酸来分级分离生物质的替代方法是由Bruce Dale等开发的氨纤维爆发(AFEX)工艺(“Enzyme hydrolysis and ethanol fermentation of liquid hot water and AFEX pretreated distillers’grains at high-solids loadings”Bioresource Technology，Volume 99，Issue 12，August 2008，Pages 5206-5215.Youngmi Kim，Rick Hendrickson，Nathan S.Mosier，Michael R.Ladisch，BryanBals，Venkatesh Balan，Bruce E.Dale)。根据该AFEX工艺，氨和生物质以1∶1到1∶3的比例混合，得到的混合物在高温下处理约5到约30分钟，并且含有该混合物的反应容器的压力爆发地释放到大气压以回收气态氨并引起生物质结构的物理和化学变化，从而改进酶糖化的速率。在该工艺中，很少的半纤维素水解，但大部分木质素溶解并从纤维素和半纤维素分离，使得纤维素和半纤维素可以在随后的酶糖化工艺过程中糖化以获得葡萄糖和戊糖如木糖。
基于生物的分级分离工艺可包括主要使用霉菌的预处理，所述霉菌例如白腐菌，其在温和的条件下利用通过木质纤维素降解得到的糖生长。但是，虽然生物分级分离工艺是十分有效的，但其产率相对低且酶昂贵，使得其没有投入大规模商业化而仅用于小规模生产中。
发明内容
示例性的实施方式提供了使用两种溶剂连续分级分离基于木质纤维素的生物质的方法和装置，其中首先利用第一溶剂萃取木质素，和其次利用第二溶剂萃取木糖。
木质纤维素的结构示于图1中。木质素通过共价键连接到半纤维素，并且半纤维素通过氢键连接到纤维素。大体上，半纤维素通过氢键包裹线性的纤维素微原纤维并且通过共价键被木质素包裹。也就是说，木质纤维素被构造成保护纤维素，即，植物的主要碳水化合物。
在预处理工艺中，如图2所示，从木质纤维素部分地除去木质素和半纤维素或半纤维素和纤维素之间的键松弛，且纤维素也部分降解，使得纤维素酶可更容易地与纤维素相互作用。
示例性的实施方式提供通过预处理分级分离木质纤维素的组分的方法。根据示例性的实施方式，分级分离基于木质纤维素的生物质的方法包括：提供基于木质纤维素的生物质(下文有时称作“生物质提供过程”)；通过加入能够溶解木质素的第一溶剂从所述生物质萃取木质素(下文有时称为“木质素萃取过程”)；通过将能够溶解半纤维素的第二溶剂加入到在木质素萃取过程中用第一溶剂处理过的生物质而萃取木糖(下文有时称为“木糖萃取过程”)；和从用第二溶剂处理的其中萃取了木质素和木糖的生物质萃取剩余的纤维素(下文有时称为“纤维素萃取过程”)。
所述方法可在单一的反应容器中连续地进行以依次萃取木质素、木糖和纤维素，从而改进工艺效率。
根据另一示例性的实施方式，分级分离基于木质纤维素的生物质的方法包括：提供基于木质纤维素的生物质；通过将氨水或碱性溶剂加入到反应容器中从生物质萃取木质素并将木质素收集在第一存储罐中；通过将酸性溶剂加入到反应容器中从用氨水或碱性溶剂处理的生物质萃取木糖并将木糖收集在第二存储罐中；以及从反应容器中含有的固体组分即生物质萃取剩余的纤维素。在该方法中，木质素、木糖和纤维素可在单一的反应容器中萃取。
该反应容器可保持在约50到约330psig或约250到约330psig的压力约80到约150℃的温度下。
根据又一示例性的实施方式，提供从利用上述方法萃取的纤维素或木糖生产生物燃料如生物醇的方法。例如，纤维素可从其中萃取了木质素和木糖的生物质中萃取、水解和发酵以产生乙醇，和木糖也可发酵以产生乙醇。纤维素的水解可利用酶糖化工艺进行。
根据再一示例性的实施方式，提供用于分级分离基于木质纤维素的生物质的装置。该装置包括：配置成含有生物质的反应容器；配备在该反应容器的一侧并配置成含有待加入到该反应容器的第一和第二溶剂的第一和第二溶剂罐，其中该第一溶剂罐含有第一溶剂且该第二溶剂罐含有第二溶剂；和配备在该反应容器的另一侧并配置成存储来自该反应容器的萃取物的第一和第二存储罐，其中该第一存储罐存储木质素且该第二存储罐存储木糖。
分级分离装置可进一步包括配置成含有水的第三溶剂罐。第一溶剂可为氨水或碱性溶剂，并且第二溶剂可为酸性溶剂。例如，碱性溶剂可包括NaOH，酸性溶剂可包括H2SO4。
溶剂泵可进一步设置在反应容器与第一和第二溶剂罐之间。而且，预加热器和/或蒸汽发生器可进一步设置在溶剂泵与反应容器之间。
另外，冷却器和/或换热器可进一步设置在反应容器与第一和第二存储罐之间，和压力保持器可结合到第一和第二存储罐。
为了在整个上述装置中保持压力，背压调节器可安装在反应容器与第一和第二存储罐之间，或者配置成注入压缩氮气以保持约50到约330psig压力的压力调节器可结合到所述压力保持器。
在一些情况下，分级分离装置可进一步包括配置成存储葡萄糖的第三存储罐。
附图说明
以下参考附图进一步详细描述示例性的实施方式。应理解，附图的各方面为了清楚起见可已经放大：
图1为木质纤维素结构的示意图；
图2是显示在预处理(或分级分离)工艺期间木质纤维素结构变化的示意图；
图3是根据示例性实施方式的分级分离工艺的流程图；
图4为根据示例性实施方式的分级分离装置的示意图；和
图5为根据另一示例性实施方式的分级分离装置的示意图。
具体实施方式
现在将参考其中显示了一些示例性实施方式的附图更完整地说明各种示例性实施方式。在附图中，可为了清楚起见而放大了层和区域的厚度。
1.分级分离基于木质纤维素的生物质的方法
图3是根据示例性实施方式的分级分离基于木质纤维素的生物质的方法的流程图。
参考图3，该分级分离基于木质纤维素的生物质的方法可包括：提供基于木质纤维素的生物质(操作S1)；通过加入用于溶解木质素的第一溶剂从生物质萃取木质素(操作S2)；通过将用于溶解至少一部分半纤维素的第二溶剂加入到反应容器从在木质素萃取过程中用第一溶剂处理的生物质萃取木糖(操作S3)；和从生物质萃取剩余的纤维素(操作S4)。
根据示于图3的方法，基于木质纤维素的生物质可在单一的反应容器中连续处理，其中不仅作为基于木质纤维素的生物质的主要组分的纤维素，而且木质素和木糖都可在该反应容器中同时分级分离。因此，根据该示例性实施方式的分级分离工艺与常规的分批型不连续分级分离工艺相比具有优异的工艺效率，所述常规的分批型不连续分级分离工艺采用多个反应容器以在萃取基于木质纤维素的生物质的各个组分后从萃取物中萃取其它组分。
而且，使萃取的纤维素成为可发酵的糖的糖化工艺或发酵工艺可在分级分离工艺完成后立即进行，由此降低工艺成本。具体来说，木糖作为不需要酶糖化的单糖形式的糖化的糖萃取且该单糖具有用于发酵的合适pH，例如约pH 6，使得其可以直接应用于发酵工艺。
另外，根据示例性实施方式的方法，在从生物质萃取木质素之后可为从半纤维素萃取木糖，使得分级分离工艺可以在相对温和的条件下进行。因此，可使能够抑制糖化和发酵的物质如糠醛的产生最小化，并且可以出乎预料地提高木糖的产率和产量。结果，占通过纤维素的糖化生产生物燃料的成本大部分的所用酶的量可以显著地降低，且反应速率可以提高，从而提高糖化产率。
供参考，在木质素萃取过程、半纤维素萃取过程和纤维素萃取过程中，主要萃取物分别为木质素、半纤维素和纤维素。例如，尽管在木质素萃取过程中木质素和半纤维素可一起萃取，但是木质素的量相对高于其他萃取物的量。因此，来自这些过程的萃取物包括，但不限于，木质素、半纤维素、纤维素及其组合。
在木质素萃取过程中，可以例如以丸或小片的形式提供基于木质纤维素的生物质。基于木质纤维素的生物质可由以下形成：硬木、软木、草本植物、回收纸、废纸、木片、纸浆、纸质废物、废木、疏剪树木(thinning-out tree)、玉米秆、玉米穗轴、稻秸、谷壳、麦秸、甘蔗穗轴、棕榈树副产品、甘蔗渣、农业副产品和废物、牲畜粪肥、或其组合，但不限于此。
生物质可连续地或不连续地供应而没有任何限制。
而且，当各个过程不连续进行时，生物质可不连续地供应。例如，在将反应容器用生物质填充后，根据上述分级分离方法萃取各组分，除去作为残留在反应容器中固体组分的生物质，然后将反应容器用另一生物质填充。
当生物质可连续供应时，例如，生物质供应器、反应容器、和生物质排出器整体构建。在这种情况下，在从生物质萃取组分后，在固体组分从反应容器转移到分离器的同时，另一生物质可从生物质供应器供应。
这里，反应容器可为渗滤设备或挤出机，但不限于此。
如果生物质在过高的温度下分级分离，半纤维素过度降解成糠醛，或者纤维素过度降解成羟基糠醛，导致较低的木糖产率。例如，由于在添加酸性催化剂后，常规分级分离工艺如蒸汽爆发工艺在高压下在约180到约250℃的高温下进行，因此需要大量的能量并且基本不能利用半纤维素。
但是，根据示例性实施方式，作为不可降解的组分的木质素首先从生物质萃取以促进从半纤维素回收木糖，因此其余的分级分离工艺可在相对温和的条件下进行。
例如，在分级分离过程中，反应容器可保持在约50到约200℃、约80到约150℃、约90到约180℃、约100到约150℃或约120到约160℃的温度下。在一些情况下，反应温度甚至可通过延长浸渍时间而降低到约50℃。为了保持固-液反应，反应容器可保持在约50-约330psig、约130-约320psig、约140-约300psig、约150-约300psig或约250-约300psig的压力下。由此，可防止半纤维素的过度降解，从而大大改善木糖的产率和可用性。
为了提高反应容器中生物质的反应性，如需要，可从蒸汽供应器如蒸汽发生器供应蒸汽，可用预热线圈预热反应容器，和在操作S2和S3中第一和第二溶剂供应到反应容器之前预热第一和第二溶剂。
上述反应条件可在整个分级分离工艺期间连续地保持。压力条件可通过在反应容器和存储罐之间安装背压调节器、或将压缩氮气或压缩空气注入压力保持器中来保持。
在操作S2中，可通过将第一溶剂加入到生物质萃取木质素，其中该第一溶剂可为在能够溶解至少部分的木质素，例如，至少约50％或约65％或更多的木质素的溶剂。但是，在给定的条件下，过度降解纤维素和半纤维素的溶剂是不合适的。
在一个实例中，用于萃取木质素的第一溶剂可为氨水或碱性溶剂，其具有10或更高pH，其可渗透木质素。碱性溶剂的pH可为约pH 10到约pH 13。例如，第一溶剂可为选自以下的至少一种：氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、硫化钠(Na2S)、氢氧化钾(KOH)和其组合。
虽然对第一溶剂的浓度没有具体限制，但供应具有高浓度的第一溶剂可导致原料成本和由高蒸汽压力造成的工艺不稳定性的增加、回收成本提高、设备腐蚀、和环境污染等。因此，氨水可以约1重量％到约30重量％或约3重量％到约20重量％的浓度供应，基于溶剂的总重量，并且碱性溶剂可以约1重量％到约30重量％或约2％到约15％的浓度供应，基于溶剂的总重量。
而且，第一溶剂可停留在反应容器中约1分钟到约1小时、或约5到约40分钟。
如上所述，可通过将第一溶剂加入到反应容器从生物质萃取木质素。所萃取的木质素可转移到第一存储罐中。为了提高回收率，所萃取的木质素可在其进行冷却过程或热交换过程之后转移。
在操作S2中，所萃取的木质素的产率可为至少约30％、约40％、约50％、约60％或约65％以使酶糖化过程中的抑制反应最小化。
木质素为具有复杂结构的疏水性大分子聚合物，其含有大量的通过甲氧基化的对香豆醇(p-coumaryl alcohol)、松柏醇、或芥子醇的聚合形成的芳香族化合物。因此，所萃取的木质素可在没有任何额外处理的情况下用作蒸汽锅炉或电厂锅炉的燃料，或通过降解用作酚化学品。
第一溶剂可在萃取木质素之后蒸馏和再循环。
如上所述，在示例性实施方式中，首先萃取作为形成基于木质纤维素的生物质的木质纤维素的不溶性主要组分的木质素，使得木糖可在相对温和的条件下萃取。
例如，为了使脱木质素和木糖的产率最大化，工艺温度在操作S2和S3之间即注入第二溶剂的时间点可变化。考虑到生物质的脱木质素效果和木糖的产率，工艺温度可优化。该温度可为例如约80℃到约150℃。
在操作S3中，可通过向其中萃取了至少部分木质素的生物质添加第二溶剂萃取半纤维素。
第二溶剂能够溶解至少部分半纤维素，例如至少约50％、约60％、约70％或约80％的半纤维素。
第二溶剂可为pH为6.5或更低的酸性溶剂。例如，第二溶剂可为选自以下的至少一种：硫酸(H2SO4)、盐酸(HCl)、磷酸(H3PO4)、硝酸(HNO3)、乙酸(CH3COOH)、过酸(过氧乙酸(PAA))和其组合。
第二溶剂可具有约0.1到约10重量％、约0.5到约5重量％或约0.5到约3重量％的浓度，基于溶剂的总重量。
在操作(3)中，当添加第二溶剂时，形成半纤维素的戊糖聚合物降解成单糖。当反应温度太高和pH太低时，单糖过度降解和转化为发酵副产物如糠醛。
相反，当反应温度太低和pH处于中性或碱性水平时，半纤维素不能降解为戊糖单糖，并以低聚物的形式存在。
为了防止副产物如糠醛的产生和增加萃取的单糖的量，反应温度可为约50-约200℃或约100-约150℃，和在操作(3)后残留的生物质可调节至pH 4-7或pH 4-6。
在该pH范围中，可获得有效的酶活性，使得萃取的木糖和残留的纤维素可直接用于糖化或发酵工艺，而无需单独的中和或pH调节工艺。
由于长的工艺时间也可刺激发酵副产物如糠醛的产生，对于各溶剂的工艺时间可为约10-20分钟。
例如，第一溶剂可为氨水或碱性溶剂，和第二溶剂可为酸性溶剂。在这种情况下，反应容器中的pH可通过注入第二溶剂调节至酸性或中性。
氨水或碱性溶剂可用作第一溶剂，和酸性溶剂可用作第二溶剂。在这种情况下，反应容器的pH可通过加入第二溶剂而调节到酸性或中性。
这里，由于用溶剂处理的生物质是碱性的，因此必须长时间添加大量的酸性溶剂以通过添加第二溶剂而调节反应容器的pH到约4到约7。
在一个实例中，在萃取木质素后，可使生物质经历洗涤过程。该洗涤过程可通过如下进行：在萃取木质素后在高压下打开反应容器的出口以除去碱，和在约100℃或更低的温度下添加反应容器容积1-3倍的水。
根据该洗涤过程，可除去残留在反应容器中的木质素或碱。而且，在木糖的萃取过程中使用的第二溶剂如酸溶剂的量可减小。
在另一实例中，木糖萃取过程可通过如下进行：添加具有基于溶剂总重量约3-8重量％的高浓度的酸约1-10分钟，和添加具有基于溶剂总重量约0.1-约3重量％的低浓度的酸约10-30分钟，而不用洗涤过程。
例如，通过添加具有约5重量％的高浓度的酸，可中和生物质，然后可添加适于回收戊糖的具有约1-约2重量％浓度的酸，使得戊糖的回收率可提高，和发酵副产物的产生可大大减少。
如上所述，萃取的木质素和木糖可分别转移到存储罐。例如，萃取的木质素和木糖可在转移到存储罐之前经历冷却过程或热交换过程。
即，在操作S3中，通过将第二溶剂加入反应容器，作为半纤维素组分的木糖可从生物质萃取。为了使所萃取的木糖的过度降解最小化，从木质素分离的木糖可在转移到第二存储罐之前进行冷却或热交换过程。该热交换过程可防止由于热引起的作为单糖的木糖的过度降解。
由于木糖在操作S3中在相对温和的条件下萃取，使木糖向糠醛的过度降解最小化，从而大大提高木糖的产率。而且，所萃取的木糖可直接应用于发酵工艺而无需额外的清洗和中和过程。但是，如需要，可在发酵工艺前进行洗涤过程和中和过程。
在操作S3中液体萃取物所含有的戊糖和己糖的浓度可分别为约5-约10重量％和约1-约3重量％。最终萃取的木糖的产率可为至少约70重量％、约75重量％、约80重量％、或约85重量％。目前没有已知的能够以这样高的产率萃取木糖而没有产生或除去发酵副产物的技术。
同时，常规地，通过仅使用稀释硫酸的单一工艺分离木糖。由于木质素结构上包裹并保护半纤维素，半纤维素不能有效地降解。因此，为了促进半纤维素的脱木质素和分离，必须升高工艺温度、延长工艺时间、或提高硫酸的浓度。但是，由于更严苛的反应条件，该常规工艺导致发酵抑制剂如糠醛的形成。由于所使用的酸的量增加，使用更多的中和剂，这增加成本。结果，萃取的木糖可具有约0.5重量％或更低的糖浓度，这使得难以应用于经常使用更高糖浓度的发酵工艺。
相反，根据示例性实施方式的方法萃取的木糖可以从木糖萃取非常高浓度的糖。在整个工艺中平均糖浓度可为约2.0重量％到约15重量％、或约3.0重量％到约6.0重量％。随着平均糖浓度通过连续添加生物质达到约10.0重量％或更高、减少工艺时间和有效调节所使用的溶剂的量，该方法易于投入实际和商业使用。
最后，在操作S4中，可从作为在操作S3后残留在反应容器中的固体组分的生物质萃取剩余的纤维素。基于纤维素初始量的至少约70重量％、约80重量％、或约85重量％可剩余在包含于反应容器中的生物质中。类似地，纤维素可直接应用于糖化和发酵工艺而无需额外的中和过程，从而提高加工性。
根据另一示例性实施方式的分级分离基于木质纤维素的生物质的方法可包括：向反应容器提供基于木质纤维素的生物质(操作S1)；通过将氨水或碱性溶剂加入反应容器从生物质萃取木质素并将木质素转移到第一存储罐中(操作S2)；通过将酸性溶剂加入反应容器从萃取了木质素的生物质萃取木糖并将木糖转移到第二存储罐中(操作S3)；和从作为残留在反应容器中的固体组分的生物质萃取剩余的纤维素(操作S4)。
根据上述方法，基于木质纤维素的生物质可在单一的反应容器中连续地处理，和不仅作为基于木质纤维素的生物质的主要组分的纤维素，而且木质素和木糖都可利用连续工艺同时分级分离。
上述分级分离工艺可在比常规方法中使用的条件温和的反应条件下进行，例如，在约50到约330psig或约130到约320psig的反应压力下在约50到约200℃或约80到约150℃的反应温度下、在约140到约300psig的反应压力下在约90到约180℃的反应温度下、或在约150到约300psig的反应压力下在约120到约160℃的反应温度下。这是因为在从半纤维素萃取木糖之前从生物质萃取木质素。木糖的过度降解可在温和的反应条件下最小化，从而提高木糖的产率。
由于氨水或碱性溶剂可用于操作S2中，和酸性溶剂可用于操作S3中，在操作S3中反应容器的pH可调节为中性或弱酸性。因此，木质素和半纤维素被有效地除去和处理以促进对纤维素的酶接近，使得残留在反应容器中的纤维素可直接用于发酵工艺，和萃取的木糖也可直接用于发酵工艺。
在萃取木质素后，如需要，可进行洗涤过程。另外，操作S3可通过如下进行：添加具有基于溶剂总重量约3-约8重量％的高浓度的酸约1-约10分钟，和添加具有基于溶剂总重量约0.1-约3重量％的低浓度的酸约10-30分钟。
在萃取木质素和半纤维素后残留在反应容器中的固体组分包含纤维素作为主要成分。因此，残留在反应容器中的木质素和半纤维素的量最小化，使得几乎没有糖化抑制发生。另外，当固体组分的纤维素利用酶工艺糖化时，酶的效率提高，使得所使用的酶的量与常规方法相比可以大大降低。此外，可以提高反应速率，由此改进葡萄糖产率。
2.制备生物燃料的方法
另一示例性实施方式提供使用根据上述方法分级分离基于木质纤维素的生物质萃取的木糖和纤维素制备生物燃料的方法。
当使用上述方法分级分离基于木质纤维素的生物质时，木质素、木糖和纤维素可利用单一连续工艺以高产率获得。
生物燃料可包括醇如甲醇、乙醇或丁醇、基于烷烃的化合物、基于C3-C6的化学原料、和有机酸，但不限于此。
例如，制备生物燃料的方法可包括预处理工艺、糖化工艺、发酵工艺、及分离和纯化工艺。典型地，发酵工艺可包括使用酵母使包含于生物质中的己糖或戊糖发酵以及将己糖或戊糖转化成乙醇，如下式中所表示的：
C6H12O6→2C2H5OH+2CO2
3C5H10O5→5C2H5OH+5CO2
为了利用上述分级分离工艺从木糖和预处理的纤维素获得乙醇，可进行糖化工艺和/或发酵工艺。
在一个实例中，生物燃料如乙醇可通过使纤维素糖化然后发酵而获得。纤维素的糖化可使用酶、酸或微生物进行。
例如，纤维素可使用选自如下的至少一种可将淀粉和(半)纤维素水解成葡萄糖和木糖的工业水解酶糖化：α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、木聚糖酶、纤维素酶、和它们的组合。或者，纤维素可使用稀释的硫酸或能够产生上述酶的微生物糖化。
在一个实例中，生产生物燃料可包括使用酶的糖化工艺和使用微生物的发酵工艺。
例如，生产生物燃料可包括(a)用固体纤维素和糖化酶填充糖化反应罐并在对于糖化酶最佳的温度下使该固体纤维素糖化以产生水解产物；和(b)用微生物填充微生物发酵罐并将该水解产物加入该微生物发酵罐以使水解产物在最佳的温度下发酵。或者，生产生物燃料可在其中糖化和发酵工艺两者同时进行的同时糖化和发酵工艺中进行。
在另一实例中，根据示例性实施方式的方法，木糖可作为单糖萃取，使得其可以直接应用于发酵工艺而无需水解(或糖化)工艺以生产生物燃料。
发酵工艺可使用微生物如酵母进行。例如，生物燃料可通过分别培养C5菌株和C6菌株而生产。在一些情况下，从木糖和纤维素萃取的两种糖可混合并分批发酵以生产生物燃料。
使用同时糖化/发酵菌株的发酵工艺是使用可商购酶糖化纤维素的工艺和使用菌株制备乙醇的工艺的结合(参见M.Takagi，S.Abe，S.Suzuki，G.H.Emert，N.Yata，Bioconversion symposium proceedings.，IIT，Delhi，pp.551-557(1977))。与其中糖化工艺与发酵工艺分离的常规方法相比，同时糖化/发酵工艺可减少所使用的反应容器的数量及减少通过在水解中形成的糖的最终产品的抑制。
3.用于分级分离基于木质纤维素的生物质的装置
又一示例性实施方式提供用于分级分离基于木质纤维素的生物质的装置。现将参考图4详细说明该装置。图4是根据总的发明构思的另一示例性实施方式的分级分离装置的示意图。
参考图4，根据本示例性实施方式的分级分离装置包括：反应容器100；第一和第二溶剂罐201和202；及包括第一和第二存储罐301和302的存储罐。反应容器100含有基于木质纤维素的生物质。该第一和第二溶剂罐201和202可配置在反应容器100的一侧并含有提供给反应容器100的溶剂。第一溶剂罐201含有第一溶剂，而第二溶剂罐202含有第二溶剂。存储罐配置在反应容器100的另一侧并存储来自反应容器100的萃取物。存储罐包括存储木质素的第一存储罐301和存储木糖的第二存储罐302。
根据示例性实施方式的分级分离装置采用单一反应容器100。而且，第一和第二溶剂可连续加入该分级分离装置，由此可连续地萃取和存储木质素和木糖。
不同于其中使用单一反应容器仅萃取木质纤维素的一种组分的常规的分批型装置，根据示例性实施方式的分级分离装置可通过连续添加两种溶剂从生物质分别萃取木质素和木糖。
在根据示例性实施方式的分级分离装置中，第一和第二溶剂罐201和202可位于反应容器100的一侧并含有引入到反应容器100的溶剂。第一溶剂罐201可含有第一溶剂，而第二溶剂罐202含有第二溶剂。
包含于第一溶剂罐201的第一溶剂可为氨水或碱性溶剂，且包含于第二溶剂罐202的第二溶剂可为酸性溶剂。例如，碱性溶剂可为氢氧化钠(NaOH)或氨(NH3)，并且酸性溶剂可为硫酸(H2SO4)，或任意上述碱性或酸性组成。
任选地，分级分离装置可进一步包括含有水或缓冲溶液的第三溶剂罐203以调节溶剂的浓度或洗涤溶剂。
由此，水可在将第一溶剂或第二溶剂加入反应容器100的过程中适当地从第三溶剂罐供应以调节第一溶剂或第二溶剂的浓度。
任选地，在通过将第一溶剂加入反应容器100中萃取木质素后，打开第三溶剂罐203以将水供应到反应容器100，由此洗涤材料在反应容器中的木质素或第一溶剂以除去。
为了便于将溶剂加入到反应容器100，溶剂泵210可进一步位于反应容器100与第一和第二溶剂罐201和202之间。
而且，预热器220和/或蒸汽发生器230可进一步位于溶剂泵210与反应容器100之间。
预热器220可结合到反应容器100并可预热反应容器100。或者，预热器220可结合到溶剂泵210，使得从溶剂罐201和202供应的溶剂可在提供到反应容器100之前预热。预热器220可为预热线圈，但不限于此。
蒸汽发生器230可用于保持反应容器100的反应温度并且可结合到反应容器100和/或预热器220。蒸汽发生器230可为已知的蒸汽发生器，但不限于此。
同时，存储罐可位于反应容器100的另一侧以接收来自生物质的萃取物。存储罐包括存储木质素的第一存储罐301和存储木糖的第二存储罐302。
为了防止从反应容器100萃取的木质素和木糖的过度降解或转化，冷却器和/或换热器310可进一步位于反应容器100与第一和第二存储罐301和302之间。由此，所萃取的木质素和木糖可冷却，然后分别转移到第一和第二存储罐301和302中。分级分离装置可配置使得通过换热器320交换的热被蒸汽发生器230利用。
压力保持器320可结合到第一和第二存储罐301和302。压力保持器320也可结合到反应容器100、冷却器、或换热器310，使得其可以提供恒定的压力以保持固-液反应。
为了保持高压，压力调节器如使用氮气或压缩空气的背压调节器或压力调节器可进一步安装在存储罐301和302与反应容器100之间、在存储罐301和302与冷却器/换热器310之间、或在压力保持器320中。
分级分离装置可进一步包括用于回收或循环第一溶剂的设备，使得第一溶剂可以在萃取木质素之后蒸馏并再循环用于下一反应。
分级分离装置可进一步包括用于存储葡萄糖的第三存储罐。在通过加入第二溶剂分级分离木糖后，当第二溶剂(酸性溶剂)从第二溶剂罐202再次加入反应容器100时，反应容器100的pH可从中性变为略微酸性。这里，可根据反应容器100的温度和压力条件萃取葡萄糖。
在示例性实施方式的变型中，分级分离装置包括安装在其中进行各工艺操作的各设备中的温度计或压力计，以保持在反应容器100中恒定的反应温度和压力。例如，温度计安装在各溶剂泵210、预热器220、反应容器100和冷却器/换热器310中，并且压力计安装在各溶剂泵210和压力保持器320中。
现将描述采用根据示例性实施方式的分级分离装置分级分离基于木质纤维素的生物质的工艺的实例。
反应容器100可填充有生物质，并且蒸汽可从蒸汽发生器230供应到预热器220和反应容器100以将反应容器100保持在约80到约150℃的反应温度。在反应温度上升期间，在溶剂泵210中进行的工艺操作之前，可通过压力保持器320施加约50到约300psig的预定压力。
由此，当反应容器100保持在恒定的温度和压力时，第一溶剂如氨水或NaOH溶液从第一溶剂罐201经溶剂泵210和预热器220供应到反应容器100，以萃取木质素。在萃取木质素后，木质素经冷却器/换热器310转移到第一存储罐301中。
在萃取木质素约5到约40分钟的预定工艺时间后，第二溶剂如H2SO4从第二溶剂罐202经溶剂泵210和预热器220供应到反应容器100。由此，木糖可在通过加入第二溶剂进行的中和期间分级分离约5-约20分钟的预定时间，并通过冷却器/换热器310转移到第二存储罐302中。
在整个分级分离工艺完成后，含有纤维素的固体组分可剩余在反应容器100中。纤维素可在反应容器中通过酶糖化而水解或在连续工艺中纤维素在分离的酶糖化罐中转移和水解。
尽管反应容器100可为具有反应浴形式的渗滤设备，其也可具有连续供应生物质的挤出机形式。
与此相关，图5是根据另一示例性实施方式的分级分离装置的反应容器101的示意图。为了方便，相同的部分或器件以与图4相同的附图标记显示。
参考图5，配置成输入生物质的入口110形成在反应容器101的上部，和配置成输出生物质的出口120形成在反应容器101的下部。
如上所述，当入口和出口110和120分别形成在反应容器的上部和下部时，从入口110的生物质输入可由于重力和液体流动转移到出口120，而无需从外部提供单独的动力。但是，发明点不限于入口和出口110和120的位置。
螺杆型传输设备400可结合到入口110以连续供应生物质。另外，螺杆型传输设备500可结合到出口120以容许输出生物质传输。
因此，可进行包括提供生物质、从提供的生物质萃取所需萃取物和除去生物质的连续过程。
传输设备400和500可分别使用螺杆410和510的轴向旋转传输生物质，其通过由结合到螺杆410和510的马达420和520提供的力而工作。
提供到位于入口110的传输设备400的生物质可通过结合到传输设备另一端的切割器(未示出)切割。也可结合输送带450以将生物质传输到传输设备400。
经由输送带450传输的生物质通过在传输设备一端形成的料斗440传输到传输设备400，然后输入反应容器中。
同时，其中萃取了木质素和木糖的生物质可通过出口120供应到传输设备500以被除去。这里，为了促进生物质的除去，可向传输设备500内部施加正压。
为了在萃取木质素和木糖的过程中从生物质分离液体组分，固-液分离器550可结合到与出口120结合的传输设备500.因此，液体多糖或单糖可从作为固体组分的生物质分离。
根据在反应容器101中分级分离生物质的过程，例如，生物质经由输送带450传输到料斗440，并通过位于反应容器101上部的螺杆型传输设备400供应到反应容器101以填充反应容器101。使用蒸汽发生器或外部热交换设备230加热填充反应容器101的生物质以达到预定温度，然后施加第一溶剂以开始渗透。
根据通过添加第一溶剂引起的渗透，以液相分级分离木质素(约20-约70重量％)和半纤维素(约10-约50重量％)，使得残留固体的重量降低至基于反应前生物质重量的约30-约60重量％。因此，生物质由于重量和液体流动而转移到反应容器101的下部并堆积，使得反应容器101的容积减小。
这里，当通过在入口101处布置的传输设备400额外供应生物质时，在反应容器上部中空的空间可再次被填充。如需要，可进行生物质的第三次供应。
在工艺时间经过后，关闭在反应容器101上部布置的溶剂供应阀(未示出)，并打开在反应容器101下部布置的溶剂排空阀(未示出)，由此由于内压排出在反应容器中的残留碱，以除去富木质素的黑液。
之后，通过使用第二溶剂渗透从在反应容器中的固体生物质降解半纤维素，并将其分级分离成液体戊糖。在使用第二溶剂渗透后，关闭在反应容器101上部布置的溶剂供应阀(未示出)，并打开在反应容器101下部布置的溶剂排空阀(未示出)，由此由于内压除去第二溶剂。
最后，残留的固体生物质可通过在反应容器101下部布置的入口120传输到传输设备500以被除去。
反应容器101可以包括连续供应生物质、连续反应和连续除去残留固体的完全连续过程操作。另外，在萃取木质素的过程中，生物质可以间歇式反应容器容积的约2-约5倍供应。因此，在半纤维素萃取过程中产生的戊糖如木糖的产率可增加约2-约5倍。
以下将详细描述本发明的实施例。
[实施例1]
使用示于图4的分级分离装置，反应容器100用生物质填充，并保持在约200psig的压力下约130℃的反应温度下。
接着，10％的氨水从第一溶剂罐201供应到反应容器100，使得生物质渗滤约5分钟。从生物质萃取的木质素然后转移到第一存储罐301中。基于在生物质中原始存在的木质素的含量，获得约58％的木质素。
接着，3重量％的H2SO4水溶液从第二溶剂罐202供应到反应容器100。然后，萃取的木糖转移到第二存储罐302中。木糖的产率为约80重量％，基于在生物质中原始存在的木糖的含量。
最后，萃取剩余在反应容器100中的固体组分。固体组分中纤维素的产率为约85％，基于在生物质中原始存在的纤维素的含量。
[实施例2]
生物质以与实施例1中相同的方式分级分离，除了10％的NaOH在约150psig的压力下约80℃的反应温度下从第一溶剂罐201供应到反应容器100以外。木质素的产率为约65％，木糖的产率为约83％，和纤维素的产率为约85％，如以上所确定的。
[比较例1]
如在名为″Characterization of Degradation Products from Alkaline WetOxidation of Wheat Straw″(Bioresour-Technol.2002Mar；82(1)：15-26，Klinke，Helene B et al.)的论文中所描述的制备比较例1。这里，使用湿氧化工艺在约195℃的温度下分级分离生物质约10分钟。纤维素和半纤维素的产率示于表1中。
[比较例2]
如在名为″Characterization of Degradation Products from Alkaline WetOxidation of Wheat Straw″(Bioresour-Technol.2002Mar；82(1)：15-26，Klinke，Helene B et.al)和″Characterization of Dilute Acid Pretreatment of Silvergrass forEthanol Production″(Bioresource Technology 99(2008)6046-6053，Klinke，Gia-Luen Guo et al.)的论文中所描述的制备比较例2。这里，使用酸工艺在约121℃的温度下分级分离生物质约10到约180分钟。纤维素和半纤维素的产率示于表1中。
[比较例3]
如在名为″Ethanol Production from Steam-Explosion Pretreated WheatStraw″(Applied Biochemistry and Biotechnology 496 Vol.129-132，2006；IGNACIO BALLESTEROS et al.)的论文中所描述的制备比较例3。这里，使用蒸汽爆发工艺在约210℃的温度下分级分离生物质约4分钟。纤维素和半纤维素的产率示于表1中。
[比较例4]
使用碱工艺在约100℃的温度下分级分离生物质约60分钟。纤维素和半纤维素的产率示于表1中。
[比较例5]
如在名为″Complete and Efficient Enzymic Hydrolysis of Pretreated WheatStraw″(Process Biochemistry 37(2002)937 to 941；Nicoletta Curreli et al.)和″Comparison of Three Microwave/Chemical Pretreatment Processes forEnzymatic Hydrolysis of Rice Straw″(Biosystems Engineering(2006)93(3)，279-283；Shengdong Zhu et al.)的论文中所描述的制备比较例5，分级分离生物质。为了引起生物质的分级分离，最初向保持在约90℃的温度下的反应容器100供应2％的H2SO4约2到约24小时。接着，供应1％的NaOH约6到约24小时，然后供应0.3％的H2O2约6到约24小时。纤维素和半纤维素的产率示于表1中。
[比较例6]
如在名为″Comparison of Three Microwave/Chemical PretreatmentProcesses for Enzymatic Hydrolysis of Rice Straw″(Biosystems Engineering(2006)93(3)，279-283；Shengdong Zhu et al.)和″Pretreatment byMicrowave/Alkali of Rice Straw and its Enzymic Hydrolysis″(ProcessBiochemistry，Volume 40，Issue 9，September 2005，Pages 3082-3086；Shengdong Zhu et al.)的论文中所描述的制备比较例6，分级分离生物质。为了引起生物质的分级分离，最初向保持在约110℃的温度下的反应容器100供应2％的H2SO4约30分钟。接着，供应1％的NaOH约30分钟，和供应0.3％的H2O2约12小时。纤维素和半纤维素的产率示于表1中。
[比较例7]
为了分级分离生物质，将乙醇与水以6∶4的比的组合在约70℃的温度下供应到反应容器100约4小时。之后，2％的H2O2在约45℃的温度下供应约16小时。纤维素和半纤维素的产率示于表1中。
表1
如可以从表1中清楚看到的，当根据示例性实施方式的方法通过供应两种溶剂分级分离基于木质纤维素的生物质时，可得到纤维素的高产率，并且出乎预料地，还可同时得到半纤维素的高产率。相反，比较例没有得到半纤维素和纤维素两者的高产率。由于半纤维素的高产率，与常规方法相比，在纤维素的酶糖化期间，可以大大降低所使用的酶的量，并且可以显著地减少工艺时间和成本，从而改善工艺效率。
[实施例3至10]
利用图4所示的分级分离装置，反应容器100用生物质填充并使用氮气保持在约250-约300psig的压力下。在表2中所示的相同工艺条件下，顺序处理作为第一溶剂的15％氨水和作为第二溶剂的硫酸。测量包含在所得液体中的戊糖和糠醛的含量以及最终得到的固体生物质的pH。
[比较例8]
在表2所示的相同工艺条件下，仅施加氨水以预处理生物质，然后测量包含在所得液体中的戊糖和糠醛的含量以及最终得到的固体生物质的pH。
[比较例9]
在表2所示的相同工艺条件下，仅施加硫酸以预处理生物质，然后测量包含在所得液体中的戊糖和糠醛的含量以及最终得到的固体生物质的pH。
表2
碱(％/℃/分钟/psi) 洗涤(℃/分钟) 酸(％/℃/分钟/psi)   在液体中的戊糖*(回收率) 最终pH 糠醛**
  实施例3   15/130/20   -   1/130/20   2％或更低   10或更高   0.5g/L或更低
  实施例4   15/130/20   -   3/130/20   2％或更低   10或更高   0.5g/L或更低
  实施例5   15/130/20   -   5/130/20   18.6％   2或更低   2.0g/L
  实施例6   15/130/20   -   10/130/20   2％或更低   2或更低   2.8g/L
  实施例7   15/130/20   100/10   2/130/20   40.7％   4.8   0.5g/L或更低
  实施例8   5/130/20   100/10   2/130/20   31.3％   5.6   0.5g/L或更低
  实施例9   5/130/20   100/10   1/130/20   32.0％   6.4   0.5g/L或更低
实施例10 15/130/20 -   5/130/51/130/15 42.0％ 4.3 0.5g/L或更低
  比较例8   15/130/40   -   -   -   10或更高   0.5g/L或更低
  比较例9   -   -   3/130/40/300   2％或更低   2或更低   3.4g/L
*表示基于生物质中所含的半纤维素的含量，在预处理后在液体中所含有的戊糖的含量，
**表示糠醛的检测量。当检测的糠醛为0.5g/L或更低时，可认为基本上检测不到。
如从表2可见的，当根据示例性实施方式，生物质为使用碱和酸的两步预处理时，所产生的糠醛的量小于仅处理硫酸的比较例9的量，且通过半纤维素的降解得到的液体中的戊糖的回收率也非常高。
但是，在使用碱脱木质素后，当生物质为使用约1-约3％硫酸两步预处理(实施例3和4)时，最终pH为约10或更高，使得在液体中戊糖的回收率为约2％或更低。估计由于向其供应的大部分硫酸被剩余的碱中和，半纤维素未降解为戊糖，而是以低聚物的形式存在。
同时，当在使用碱预处理后添加高浓度硫酸(实施例5和6)时，戊糖的回收率高，但是最终的pH为约2或更低，使得可以看出产生的糠醛的量相对高。这是因为在反应容器中的残留碱被在早期供应的酸中和，然后反应容器处于酸性条件下，使得一些戊糖被回收，但是由于高酸性，它们被过度降解并转化为糠醛。
因此，可推断出，在两步预处理中，合适的最终pH范围为约2-约10，或约4-约7。
在第一次碱处理后，当工艺温度降低至100℃或更低且然后在使用水的洗涤过程后进行后处理(实施例7至9)时，非常高，例如，约30％或更高地得到从液体回收的戊糖。这是因为由于通过仅添加低浓度的酸从反应容器中除去基本上所有残留的碱而实现所需的最终pH，因此半纤维素有效地降解。
特别地，当在15％碱处理和用水的洗涤过程后使用2％酸渗滤生物质(实施例7)时，液体戊糖的回收率为约40.7％。另外，当残留的固体物质被酶糖化时，戊糖的回收率为约35％，因此可确认从液体和固体残余物中回收总共75.7％的戊糖。
另外，当在碱处理后以5％或更高的浓度供应酸以中和生物质而没有洗涤过程，然后以约1-约2％的低浓度添加酸(实施例10)时，可以看出戊糖的回收率为约42％，且产生的糠醛的量也小。
根据示例性实施方式的用于分级分离基于木质纤维素的生物质的方法和装置可通过顺序萃取木质素和木糖防止木糖的过度降解，并由于连续过程具有优异的可加工性。而且，该方法和装置可大大降低能量和操作费用，使得其可具有工业效率。
虽然已在此公开了示例性实施方式，但应理解，其它变型也是可能的。所述变型不被认为脱离本申请示例性实施方式的精神和范围，并且所有对本领域技术人员显然的这种变型都意图包括在所附权利要求的范围内。

Claims (25)

1.用于分级分离基于木质纤维素的生物质的方法，包括：
提供基于木质纤维素的生物质；
通过加入能够溶解木质素的第一溶剂从所述生物质萃取木质素；
通过将能够溶解半纤维素的第二溶剂加入用第一溶剂处理过的生物质萃取木糖；和
从其中萃取了木质素和木糖的所述生物质萃取剩余的纤维素。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括在木质素萃取过程后洗涤所述生物质以除去残留的木质素和第一溶剂。
3.根据权利要求1的方法，其中木糖萃取过程通过如下进行：添加具有基于溶剂总重量3-8重量％的高浓度的酸1-10分钟，和添加具有基于溶剂总重量0.1-3重量％的低浓度的酸10-30分钟。
4.根据权利要求1的方法，其中在从所述生物质萃取木质素之后是蒸发和再循环所述第一溶剂。
5.根据权利要求1的方法，其中所述生物质是连续地提供的。
6.根据权利要求1的方法，其中反应温度在50到330psig的压力下保持在50到200℃。
7.根据权利要求1的方法，其中所述第一溶剂是氨水或碱性溶剂。
8.根据权利要求7的方法，其中使用所述碱性溶剂，且所述碱性溶剂包括选自以下的至少一种：氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、硫化钠(Na2S)、氢氧化钾(KOH)和它们的组合。
9.根据权利要求7的方法，其中所述氨水的浓度在2.5重量％到15重量％的范围内，基于溶剂的总重量，和所述碱性溶剂的浓度在5重量％到10重量％的范围内，基于溶剂的总重量。
10.根据权利要求1的方法，其中所述第二溶剂是酸性溶剂。
11.根据权利要求10的方法，其中所述酸性溶剂包括选自以下的至少一种：硫酸(H2SO4)、盐酸(HCl)、磷酸(H3PO4)、硝酸(HNO3)、过酸和它们的组合。
12.根据权利要求1的方法，其中在萃取木糖之后，所述生物质的pH调节至4到6。
13.根据权利要求1的方法，其中所萃取的木质素进行冷却过程或热交换过程，然后存储在第一存储罐中，和所萃取的木糖进行冷却过程或热交换过程，然后存储在第二存储罐中。
14.根据权利要求1的方法，其中所萃取的木质素的产率为50％或更高，基于在原始生物质中存在的木质素的量，所萃取的木糖的产率为80％或更高，基于在原始生物质中存在的木糖的量，和所萃取的纤维素的产率为85％或更高，基于在原始生物质中存在的纤维素的量。
15.根据权利要求1的方法，其中通过萃取木糖获得的萃取物含有总共3g/L或更少的的糠醛和羟甲基糠醛(HMF)。
16.从根据权利要求1的方法萃取的纤维素生产生物燃料的方法，包括：
将所述纤维素糖化；和
将所述糖化的纤维素发酵以形成生物燃料，
其中所述纤维素用酶、酸或微生物糖化。
17.从根据权利要求1的方法萃取的木糖生产生物燃料的方法，包括将所述木糖发酵以形成生物燃料。
18.生物质分级分离装置，包括：
含有生物质的反应容器；
配备在该反应容器的一侧并配置成含有可加入该反应容器的第一和第二溶剂的第一和第二溶剂罐，其中该第一溶剂罐含有第一溶剂且该第二溶剂罐含有第二溶剂；和
包括第一和第二存储罐的存储罐，其配置在该反应容器的另一侧并配置成存储来自该反应容器的萃取物，其中木质素存储在该第一存储罐中且木糖存储在该第二存储罐中。
19.根据权利要求18的装置，其中在该反应容器的上部形成入口以输入生物质，和在该反应容器的下部形成出口以输出生物质。
20.根据权利要求19的装置，其中螺杆型传输设备结合到所述入口以连续输入生物质，和螺杆型传输设备结合到所述出口以传输所述输出的生物质。
21.根据权利要求18的装置，进一步包括配置成含有水的第三溶剂罐和/或配置成存储戊糖或己糖的第三存储罐。
22.根据权利要求18的装置，其中所述第一溶剂是氨水或碱性溶剂，和所述第二溶剂是酸性溶剂。
23.根据权利要求18的装置，进一步包括置于所述反应容器与所述溶剂罐之间的溶剂泵，和置于所述溶剂泵与所述反应容器之间的预热器和或蒸汽发生器。
24.根据权利要求18的装置，进一步包括置于所述反应容器与所述存储罐之间的冷却器和/或换热器，和结合到所述第一和第二存储罐的压力保持器。
25.根据权利要求24的装置，进一步包括连接在所述反应容器与所述第一和第二存储罐之间、或连接到与所述第一和第二存储罐结合的压力保持器的压力调节器。
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