CN103180505B - 从预处理的木质纤维素类生物质流中回收糖类的改进方法 - Google Patents

Abstract

本说明书公开了一种用于实施从生物质中去除以糖为基础的C5木聚糖的改进的方法。相对于实施一个浸泡和洗涤步骤，该改进的方法涉及对生物质进行一系列的浸泡和洗涤。

Description

从预处理的木质纤维素类生物质流中回收糖类的改进方法

背景技术

在生物质领域，将木质纤维素类生物质转化成乙醇是一种常见的做法。如果生物质为含有多糖的生物质且为木质纤维素类的，通常利用预处理或浸泡，以确保木质纤维素内含物的结构更接近酶，但与此同时，有害的抑制性副产物（例如，乙酸、糠醛和羟甲基糠醛）的浓度通常较高且在进一步处理中存在问题。

一般而言，处理越剧烈，材料的纤维素就越易接近。在文献上蒸汽爆破（汽爆）的强度通常称为Ro，且其为时间和温度的函数，表示为：

Ro=txe^{[(T-100)/14.75]}

其中温度T以摄氏度表示且时间t以常见单位表示。该式还可表示为Ln(Ro)，即

Ln(Ro)=Ln(t)+[(T-100)/14.75]。

一般认为高的Ro值与高数量的不需要的副产物有关，这些副产物抑制生物质的水解和发酵，例如，糠醛。

因此，需要一种具有高的总Ro且同时产生具有低的糠醛产量和高的糖产量的产物的剧烈方法。

发明内容

本说明书公开了用于浸泡木质纤维素类生物质的方法，包括以下步骤：A）将木质纤维素类生物质原料引入第一浸泡区域，B）在液体或液体蒸汽存在下，以与浸泡条件的第一强度相关的第一时间和第一温度，对这些木质纤维素类生物质原料进行浸泡，产生由至少一种化合物（选自由乙酸、葡萄糖、木糖及其可溶性低聚物组成的组中）组成的第一液体，C）从第一次浸泡的该生物质中分离出由至少一种化合物（选自由乙酸、葡萄糖、木糖及其可溶性低聚物组成的组中）组成的第一液体的至少一部分，D）在液体存在下，以与浸泡条件的第二强度相关的第二时间和第二温度，将第一浸泡区域的生物质引入第二浸泡区域，产生由至少一种化合物（选自由乙酸、葡萄糖、木糖以及其可溶性低聚物组成的组中）组成的第二液体，其中该第二强度大于该第一强度，E）从第二次浸泡的该生物质中分离出由至少一种化合物（选自由乙酸、葡萄糖、木糖及其可溶性低聚物组成的组中）组成的第二液体的至少一部分。

其进一步公开了在液体存在下，以与浸泡条件的第三强度相关的第三时间和第三温度范围，通过将第二浸泡区域的生物质引入第三浸泡区域进行第三次浸泡和洗涤步骤，产生由至少一种化合物（选自由乙酸、葡萄糖、木糖以及其可溶性低聚物组成的组中）组成的第三液体，其中该第三强度大于该第二强度，从第三次浸泡的生物质中分离出由至少一种化合物（选自由乙酸、葡萄糖、木糖及其可溶性低聚物组成的组中）组成的第三液体的至少一部分。

其进一步公开，浸泡和洗涤可在一系列（串联）容器、相同容器或单件设备中进行，且这些浸泡区域可位于彼此顶部或并排。其还公开，这些方法可以为连续式或分批式。

附图说明

图1示出了该方法第一实施方式的示意图。

图2示出了该方法第二实施方式的示意图。

具体实施方式

本发明公开了这一发现，当在一系列的浸泡/水解步骤中进行生物质（尤其是木质纤维素类生物质）的处理时，得到的总强度可以是非常高的，这表明在多个阶段期间，在一定温度下，其时间较长，但回收产品的数量大大高于预期。

该概念将在下面的工作例中证明，强度由下式确定：

Ro=txe^{[(T-100)/14.75]}

其中温度T以摄氏度表示且时间t以常用单位表示，在下面的示例中以分钟表示。

该式还可表示为Ln(Ro)，即

Ln(Ro)=Ln(t)+[(T-100)/14.75]

当实施一系列步骤时，总的强度为每个浸泡步骤的单个Ro的总和。

浸泡工序自身是本领域所熟知的，其为：将纤维素含量至少5%（以生物质的干重量计），且优选地至少10%（以生物质的干重量计）的木质纤维素类生物质置入浸泡区域或反应器，并引入蒸汽（通常地，水蒸汽），然后将这些生物质在一定温度下保持一定时间。以0.5kg水蒸汽/1kg生物质原料（0.5kgstm/1kgbiomassfeedstock）至10kg水蒸汽/1kg生物质原料的示例性比率（取决于所选择的强度），将水蒸汽加入该浸泡反应器中。还可添加液态水而不用添加水蒸汽，并将其加热至这些条件。在水蒸汽和水存在下，将生物质在浸泡区域中保持大约30分钟至3小时或更长，这也取决于所需的强度。浸泡温度可在100°C至210°C的范围内，或者甚至更高，但收益逐渐减少。浸泡后，在通常相同的浸泡反应器压力下，将该固体/液体/水蒸汽混合物排入倾斜的反应器中。在这点上，通过排料螺旋（螺杆）除去液体并将其引入该倾斜的反应器。固体生物质借助冷却的冷凝物或者甚至添加的水（其逆向流至固体流并去除含有溶解的木聚糖和木聚糖衍生物的游离液体）被运载至倾斜的反应器。

比较例CE-A和CE-C（参见表2）

在CE-A中，以在表1（浸泡条件）中指示的温度和时间对木质纤维素类生物质进行浸泡。对于该步骤计算的强度为20。该单个步骤仅回收原料流中所存在的6.94%的木聚糖。有87.89%保留在固体中，且损失5.17%，意味着它们被转化成一系列的不需要的副产物。

在CE-C中，在表1所示的条件下，对相同的原料进行浸泡，它的强度为6802，相比CE-A的条件，其显著地更为剧烈。在该单个步骤中，65.05%的木聚糖保留在固体中，且18.92%的木聚糖回收在液体中，而损失16.03%的木聚糖（转化成副产物）。

表1-浸泡条件

表2-比较例

在工作例2（参见表3）中，实施步骤CE-A，去除液体，然后实施步骤CE-C。如从数据中可以看出，液体流中回收的木聚糖的量比预期（由CE-A和CE-C直接相加所得的回收量）的略低。

出乎意料地，损失的木聚糖（转化成副产物）的量仅为11.68%，与单个CE-C步骤中损失的木聚糖数量16.03%相反。由于固体在浸泡后通常对其进行蒸汽爆破（汽爆）和酶水解，所以保留在固体中的木聚糖可供进一步回收。

工作例2结合了浸泡步骤A、洗涤和随后的浸泡步骤C的条件。

在工作例3中，添加了具有的强度在A和C之间的步骤，其命名为B。因此工作例3是将木质纤维素类生物质在条件A下浸泡，去除液体流。然后在条件B下对剩下的固体进行处理，去除液体。再在条件C下对剩下的固体进行处理并去除液体。如从表3-工作例中可以看出，相比于单个步骤C，其损失的木聚糖较少且36.97%的木聚糖增溶于液体中，47.91%的木聚糖保留在固体流中。

表3-工作例

该证据表明以贯续方式进行浸泡和洗涤步骤可使效率提高。该过程可以在图1所示的一系列容器（串联容器）中完成，其中从一个容器到另一个容器，强度（无论是温度或时间）逐渐增加。

参照图1，浸泡区域A、B和C是定向串联的。它们保持在它们各自的温度下。在区域A的情况下，将温度为T₁且压力为P₁的蒸汽引入浸泡区域A，并将生物质以时间t_A和温度T_A保存在该区域中。该生物质通过排料螺旋A_d流入倾斜的反应器（A_i），去除液体L_A。

将经过一次浸泡的生物质转移至下一浸泡区域，区域B（其与区域A的特征类似）。在区域B的情况下，将温度为T₂且压力为P₂的蒸汽引入浸泡区域B，并将生物质以时间t_B和温度T_B保存在该区域中。该生物质通过排料螺旋B_d流入倾斜的反应器（B_i），去除液体L_B。

现在将已经经过第二次浸泡和洗涤的生物质转移至第三浸泡区域，区域C（其与区域A和区域B的特征类似）。在区域C的情况下，将温度为T₃且压力为P₃的蒸汽引入浸泡区域C，并将生物质以时间t_C和温度T_C保存在该区域中。该生物质通过排料螺旋C_d流入倾斜的反应器（C_i），并去除液体L_C。

然后将该生物质转移至压缩器，以准备将其蒸汽爆破（汽爆）。最后的区域具有的强度高于过程中在其之前的区域中的至少一个区域的强度。

还可利用由各个区域组成的单个垂直反应器完成该过程，例如在美国专利申请US2008/0295981中所描述的那些（参见US2008/0295981的图1）。

一旦普通技术人员意识到在逐渐升高的温度中进行多次洗涤是有利的，采用该垂直塔（柱）是显而易见的。本说明书中的图2示出了这样的装置的单元操作。将生物质进料入容器的顶部，传递入区域A，其中在温和的温度条件下，在以温度T₁和压力P₁引入的蒸汽的存在下对该生物质进行处理，然后将生物质在温度T_A下保持一段时间t_A（一般具有低强度）。可以利用区域A下面的斜线所示的提取筛或一些其他装置，从该生物质中分离出包含木聚糖的液体L_A，并将固体传递至下一区域，区域B。

在区域B中，在以温度T₂和压力P₂引入的蒸汽存在下对该生物质进行处理，然后将该生物质在温度T_B下保持一段时间t_B，并利用区域B下面的斜线所示的提取筛或一些其他装置，从该生物质中分离出包含木聚糖的液体L_B，并将固体传递至下一区域，区域C。

在区域C中，在以温度T₃和压力P₃引入的蒸汽存在下对该生物质进行处理，然后将该生物质在温度T_C下保持一段时间t_C，并利用区域C下面的斜线所示的提取筛或一些其他装置，从该生物质中分离出包含木聚糖的液体L_C，并将固体传递至下一区域，或者在该情况下，实施压缩步骤以准备蒸汽爆破（汽爆）。

优选地，随着每次浸泡，强度增加。

在完成洗涤步骤后，可以收集并进一步处理该液体流。然后，回收该固体生物质并通常将其传递至蒸汽爆破步骤，其可安装在垂直反应器的底部。

在上述实施方式中，物质流是向下的。然而，该物质流还可以向上（借助不同的液体萃取（提取）装置），使得液体（通常为水）逆向流至该生物质流。这些区域还可被配置成彼此水平的且这些生物质将因此横向流动。

根据本发明的进一步的实施例，在该方法中至少一个洗涤步骤具有的强度大于或等于之前洗涤步骤的强度。

该方法可以作为连续方法或分批方法运行。

从这些实施例和实施方式应当显而易见的是本发明不局限于所述实施例，因为可存在本发明的许多变体。

Claims (6)

1.一种用于浸泡木质纤维素类生物质的方法，包括以下步骤：

A)将木质纤维素类生物质原料引入第一浸泡区域，

B)在其为水的液体或所述液体的蒸汽存在下，以与浸泡条件的第一强度相关的第一时间和第一温度，对所述木质纤维素类生物质原料进行浸泡，产生由选自由木糖及其可溶性低聚物所组成的组中的至少一种化合物组成的第一液体，

C)从第一次浸泡的所述生物质中分离出由选自由木糖及其可溶性低聚物所组成的组中的至少一种化合物组成的所述第一液体的至少一部分，

D)在液体存在下，以与所述浸泡条件的第二强度相关的第二时间和第二温度，将所述第一浸泡区域的所述生物质引入第二浸泡区域，产生由选自由木糖及其可溶性低聚物所组成的组中的至少一种化合物组成的第二液体，其中所述第二强度大于所述第一强度，

E)从第二次浸泡的所述生物质中分离出由选自由木糖及其可溶性低聚物所组成的组中的至少一种化合物组成的所述第二液体的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的方法，包括进一步的步骤：

在其为水的液体存在下，以与所述浸泡条件的第三强度相关的第三时间和第三温度范围，将来自所述第二浸泡区域的所述生物质引入第三浸泡区域，产生由选自由木糖及其可溶性低聚物所组成的组中的至少一种化合物组成的第三液体，其中所述第三强度大于所述第二强度，

从第三次浸泡的所述生物质中分离出由选自由木糖及其可溶性低聚物所组成的组中的至少一种化合物组成的所述第三液体的至少一部分。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中每个浸泡区域的所述浸泡在单独的容器中进行。

4.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中所述浸泡区域在单个容器内且所述第一浸泡区域位于所述第二浸泡区域的上方。

5.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中所述浸泡区域在单个容器内且所述第一浸泡区域和第二浸泡区域是彼此水平的。

6.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中所述浸泡区域在单个容器内且所述第一浸泡区域位于所述第二浸泡区域的下方。