CN104903469A - 用于借助氢卤酸水解可团粒化的生物质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及借助于氢卤酸，优选地，所谓的盐酸的植物生物质的水解性分解。在过去，优选水解木质生物质，这是因为其他生物质，例如秸秆，仅可以以非常低的密度填入反应器中并倾向于在方法的进程中被压紧。本发明通过两项变化解决了该问题。第一，将可团粒化的生物质全部或部分地以团粒形式装填并因此取得大大提高的装填密度。第二，倾斜地，优选地在30°和60°之间布置水解反应器并且避免压紧。对于每一个可团粒化的生物质确定两项变化的经济效果。可能的是，可以取消两项变化中的一个。

Description

用于借助氢卤酸水解可团粒化的生物质的方法

现有技术

通常知道，可以用氢卤酸如下地分解植物生物质，从而植物中以纤维素、半纤维素、淀粉的形式和/或寡聚形式存在的碳水化合物被提取、通过酸解聚并溶解在其中。知晓许多方法，其中仅Bergius-Rheinau方法在工业上已获得实施。水解的一般原理在直立的和一个接一个连接的反应器中实现，其中不同浓度的酸经过反应器被引导(参见DE 927139)。

这些方法获得了应用，然而优选地在针叶木的情况下。在专利DE 3539492中，简略地知道对于该限制的原因。据此重要的是，“水解后残留的木质素颗粒具有这样的强度，从而所产生的糖-盐酸溶液还可以经过木质素层流动并且木质素骨架不粘结为不再允许过滤的坚固糕饼”。特别是“弱木质化的一年生植物”……“不能按照该方法加工或仅在非常困难的条件下被加工”。在严格的条件下可以弄清对于这些“粘结”的机制并找到简单的用仪器的解决办法。

此外，在专利DE 3539492中提供了对于上面提及的问题的解决办法。在反应器中，将生物质与盐酸和HCl-气体一起借助于转运泵(Umpumpen)经过冷却器混合并同时引开在此所产生的热。该做法，如在专利中详尽解释的那样，在实验室标准下例如对于秸秆作了测试并且取得了良好的结果。在此强调这样的事实，可以达到高的固体浓度(溶液中30％TS)。这在传统的方法中通过使用直立式反应器虽然也是可能的，然而酸不得不经由显著更大的体积泵送，这是因为例如秸秆糠的填充密度在大约0.06-0.1千克/升。这以在相同的生物质通过量下显著更多数目的反应器为条件，这最终导致相当大的投资费用增加。与此相反，借助于转运泵的秸秆的混合导致这样的效应，其平衡了该情况。所提出的做法的缺点是苛求的仪器设计。待混合的料堆在反应器中被移动的设备压紧(能量消耗)并且必须借助于特殊的泵(其必须是耐酸的且能输送固体)，经特殊的为此而设计的冷却器引导。与此相反，传统的方法对于待输送的液体用泵来对付，而没有反应器中的可活动装配，并且没有冷却器。

发明

在此描述的发明以非常简单的方式使得适应传统方法成为可能，从而按照传统方法的主要特征——流动相经过直立固相的输送，可以使一年生或弱木质化的植物糖化，而不发生投资费用的显著增高。

发明描述

在此描述的发明基本上基于两个主要的变化。

第一个变化基于弱木质化的生物质大多数可以被团粒化这种情况。即，它们在装填入水解反应器之前被压紧。相应的压紧设备因此不必是耐酸的，这可能导致明显的费用节省。由此，填充的密度，例如秸秆的，可以提高8倍。与传统的用木片的装载(大约200-230kg/m³)相比，这相当于待安装的反应器容积的大概一半。可是已显示，仅用团粒填充可以导致在酸的引入下如此地膨胀，以致不再可以保证均匀的流动。酸顺着反应器壁沿膨胀的生物质旁流动。既不获得完全的水解(酸仅不完全地到达生物质中)，酸包括已溶出的物质也不能从生物质中被提出来。例如对于秸秆，反应器被秸秆糠和团粒的混合物填满，会出现这样的情况。两个组成部分的份额使确定的装载调整成为可能。对于秸秆，可以通过实验发现，在300kg/m³的载荷下，可以相应地保证传统的方法的生产。这进一步相应于相比用木材的传统装载而言30-50％的提高。另一个方面涉及泵的选择和布局，用以引导液体经过反应器。理论上必须可能的是，当所采用的泵(或相应于此的技术前提)抵消由较密的散积物引起的增加的压力损失，而液体的均匀流动没有被填料(Schüttung)危害时，达到较高的填充密度。然而，该可变性在安排方面不触及核心想法，即通过经定义的团粒混合增加较高的填充密度。

传统方法的第二个变化基于机制的澄清，为什么在弱木质化的生物质水解的情况下发生木质素层的“粘结”。在实验室中，可以深入地观察在于玻璃容器中水解期间固体残余物的行为。下面，应当按照水解过程的简化描写，来描述决定性的效应。

假定一个已填充的反应器。第一阶段以缓慢的酸引入开始。在引入期间，发生植物材料中的扩散，其中立即开始水解过程。第一阶段因此这样结束，即如果反应器完全充满酸，就认为水解在技术意义上为完成的。固体残余物在该时间点具有比围绕其的液体更小的密度。在反应器中出现一定程度的漂浮。固体残余物的坚固性基本上松懈了，这是因为纤维素化合物已被酸溶出了。

第二阶段以从上面的水引入和依照密度原理的酸排挤开始。这意味着，理想地，在相应缓慢和均匀引入的情况下，特定的重水解物溶液与特定的轻水不会发生混合。这意味着，较重相和较轻相之间的相界面从上面开始通过反应器并由此也通过固体残余物地移动。如上面所提及的，残余物的密度比水解物小。然而，它比来自上面的水显著地大。处于水中的固体残余物部分因此往下“挤压”，而漂浮在水解物中的部分往上争取。因此在相界面处发生压紧。这在太过快引入的情况下导致沿着整个管横截面所述排挤不再均匀地进行。相界面因此在壁旁比在固体残余物的内部移动得快。然而，该效应可以借此遇到，通过相应缓慢地引入水的方法。然后，当相界面处泡胀力和下压力消除时，结束第二阶段。在该时刻，木质素体和相界面一起往下沉降。这发生着直至木质素体到达反应器的下底部。木质素体的移动停止，然而相界面的移动不停止。这时在材料上沿着相界面的压力不断增大，这是因为处于水相中的木质素体的部分不断增加。现在在反应器中水解后遗留下来的木质素复合物分别取决于生物质而具有不同的坚固性。在实践中，木头的木质素复合物证明是如此坚固，以至于不阻碍液体的流动。然而，对于弱木质化的生物质例如秸秆，这是不同的。木质素复合物被连续地压紧，以至于实际上在木质素体的下端形成凝块，其在最好的情况下，仅还有侧面绕流。在最坏的情况下，发生堵塞。该效应在上面提及的专利中被表述为“粘结”。

技术解决办法看起来非常简单，然而只有以在此陈述的机制的精确观察才是明显的。酸排挤过程中的压紧问题借此被消除，即水解反应器不是直立地而是倾斜地，以确定的角度布置。该布置决不阻碍依照密度原理的酸排挤，这是因为该过程非常缓慢地进行。此外，它具有更多的优点。

1.木质素复合物以其全部重量沿着侧下壁分布并且不再仅在反应器的底上。排挤期间的压紧效应被减小。结构上可通过改适侧下壁促进该效果，例如在壁上制作阻碍木质素下滑的凹痕。

2.在相同的体积流量下，相界面的下沉减小，这是因为横截面积已扩大。这因此是重要的，因为这支持酸相以及水相的不相混合。

3.在整个反应器构造的相同建造高度下，可建造较长的反应器，这或者导致每个反应器的总载荷的增加，或者导致更好的长度与直径比例。反应器相对于直径越长，则容积越大，这必须流过任何一个体积单元并且其因此对新鲜生物质产生糖化作用。

借助于这两个在此描述的措施使得对于弱木质化的生物质，例如秸秆的水解可能的是，显著地提高反应器的载荷(3-5倍)，消除如在过去所报道的压紧的问题，且尽管如此保留传统的方法原理，通过这样的方式，即由不同浓度的盐酸和水组成的方案(Regime)被引导通过植物生物质的固相并与此同时水解植物生物质中的纤维素。

在实践中，该措施的安排可能分别取决于生物质而得出不同结果。因此对于反应器的倾斜度，仅给出在30°至60°之间的指导值。压紧的生物质和未压紧的生物质的混合比例也是这样。确定的安排必须通过相应的试验来测定。结果表明，某些生物质能够在直立反应器中无需团粒化地经济地水解，则使用已知的方法。在此完成的发明则无意义。这是对于强木质化的生物质的情况。

与其相应地，在本发明所介绍的方法的范围内也可能的是，所述变化之一被证明是经济上有意义的并因此仅由方法决定。

为了准确地描述压紧的方法学和因此说明在此提出的方法与其他方法的界限，在此再一次定义术语团粒化。它在这种情况下是生物质的压紧，目的是制备单一体，所谓的团粒，其本身拥有这样的坚固性，从而其可以大量地以疏松物料(Schüttgut)被使用。

Claims (3)

1.在溶于水的氢卤酸的使用下用于水解弱木质化的生物质的方法，其特征在于：

a)按照传统方法施行水解，通过这样的方式，即由不同浓度的盐酸和水组成的方案被引导通过植物生物质处于其中的反应器，并且植物生物质经被水解，

b)将生物质以团粒化和非团粒化形式混合并填充到反应器中，且以这样的比例，水解期间团粒的膨胀不导致对液体流的阻碍，

c)反应器倾斜地，优选地以30-60°的角度布置。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，取消方法特征1c)并在直立反应器中进行经济的水解。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，取消方法特征1b)并利用完全非团粒化的生物质进行经济的水解。