CN107075409A - 从植物中分离蜡和纤维 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及植物蜡提取物和从植物例如农业生物废弃物中、特别是从谷物秸秆中提取蜡的方法，其包括：第一干法机械处理步骤，以从低蜡的秸秆部分中分离富蜡部分；和包括对富蜡部分进行酶处理的第二湿法步骤。

Description

从植物中分离蜡和纤维
技术领域
本发明涉及从植物中、特别是从农业植物中、优选从农业生物废弃物中提取蜡的方法。
背景技术
碳水化合物生物质的发酵已经作为燃料和其它化学品的石化来源的有希望替代品提出多年。碳水化合物聚合物(纤维素和半纤维素)含有不同的可发酵糖单体(六和五碳糖)并且与芳族聚合物木质素紧密结合。纤维素、半纤维素和木质素以及少量的蛋白质、果胶、蜡和不同的无机化合物组成“木质纤维素生物质”，即植物的干物质。木质纤维素生物质可以大致分为原生生物质、废物生物质和能源作物。原生生物质包括所有天然存在的陆生植物例如树、灌木和草。废物生物质作为各种工业部门例如农业(玉米秸秆、甘蔗渣、秸秆等)和林业的低价值副产品产生。能源作物为具有高产量木质纤维素生物质的作物，其生产作为用于生产第二代生物燃料的原料。第二代生物乙醇生产是基于市政和农业废物中木质纤维素生物质的酵母发酵。
从生物质生产乙醇的一个障碍为发酵所需的糖捕获在木质纤维素内部。木质纤维素已经进化以抵抗降解并赋予植物的细胞壁以水解稳定性和结构鲁棒性。这种鲁棒性是由碳水化合物聚合物纤维素和半纤维素与木质素之间经由酯和醚键的交联引起的。为了提取可发酵的糖，纤维素必须与木质素断开，然后水解以将其分解成简单的单糖。生物质发酵的另一个挑战为半纤维素中高百分比的戊糖，例如木糖。不同于己糖例如葡萄糖，戊糖难以发酵。
在将木质纤维素生物质转化为生物乙醇中涉及三个主要工艺步骤：1)预处理生物质以破坏细胞壁基质，细胞壁基质包括碳水化合物聚合物和木质素之间的交联；并解聚和溶解半纤维素聚合物；2)将细胞壁纤维素和在一些情况下半纤维素酶水解成单体；和3)将单体发酵成乙醇。
根据生物质(原料)的类型，存在几种预处理生物质的方法和随后应用的技术。热化学处理，例如，在或不在快速蒸汽减压下的稀酸处理或氨处理和水热处理在研究的预处理中。
丹麦能源公司因比肯(Inbicon)的前身在20世纪90年代开始关注使用生物质生产能源。第一个试点工厂于2003年开业，它可以处理2.4公吨生物质/天。到2005年，试点工厂规模扩大，可以处理24公吨/天。第一台因比肯生物质炼油厂于2009年在丹麦卡伦堡开设，在示范工厂中，他们每天可以使用100吨生物质原料。因比肯的未来目标为可以每天使用1200吨原料的工厂。公司的技术设计的最佳生物质原料是小麦秸秆。然而，他们还测试了玉米秸秆、草、甘蔗渣、芦竹、高粱和棕榈油残渣。因此，它是可以利用最有益的原料的适应性工艺。
因比肯生物质炼油厂的关键是因比肯核心技术，其由机械和水热预处理，以及随后的酶水解组成。因比肯核心技术溶解木质素并解开纤维素和半纤维素以转化成糖。这些糖可以发酵成乙醇。
因比肯在原料的机械调理(预切割和切碎)之后使用水热预处理方法(US 8,123,864)。该方法的前提是通过使用热水的提取来生产纤维部分和液体部分。在纤维部分中，该方法实现了存在于初始原料中的大于80％的木质素，而液体部分包含：五碳糖、碱金属氯化物和发酵抑制剂。存在的主要发酵抑制剂为乙酸。在水热预处理工艺的初始步骤过程中，将原料浸泡并同时置于高达100℃的温度和环境压力下。这允许提取存在的空气和用水使原料饱和。下一步需要在170-230℃的高温下通过加入热水或蒸汽加压处理约5-15分钟。在整个水热预处理中，形成的酸使得纤维部分的pH几乎为中性。其主要优点为pH几乎不必为酶液化而调整。
因比肯的水热预处理背后的想法不是从纤维部分中除去半纤维素和木质素，而是使其对纤维素的保护无效。因比肯推理当木质素在水的存在下熔化时，由于其疏水性质，它将形成在较低温度下凝固的微滴。预处理中使用的条件也水解半纤维素。因此，这些木质素微滴的产生和半纤维素的水解中和了两组分对纤维素的保护。该方法使原料保持其天然纤维状态，同时提高随后酶水解的效率。
在目前在因比肯卡伦堡示范工厂中运转的五碳+六碳混合糖发酵概念中，使五碳和六碳糖都发酵，随后蒸馏成乙醇，例如用作运输燃料。如果五碳糖用于五碳糖蜜，五碳糖将直接用于蒸发而不是酶水解。从发酵开始，可以使用标准的第一代技术和设备。
蒸馏后，剩余的组合物由固体和液体部分组成。固体经分离并可以用于电力和热的产生。将液体部分蒸发以生产可用于生产沼气的酒糟。
因比肯还开发了一种用于生物乙醇的非无菌发酵的方法(US 8,187,849)；用于生产青贮生物质的方法(US 8,187,848)；和在木质素存在下减少第二代生物乙醇发酵中酶消耗的方法(US 7,972,826)。
预处理的效果之一是从秸秆中除去蜡(Kristensen；Hansen)。蜡与其它固体一起分离并用于电力或热的产生。
植物叶和茎表面涂覆有具有无数功能的蜡质材料的薄层。该层在结构上为微晶的且形成角质膜的外边界，即它是植物和大气之间的界面。它用于许多目的，例如限制水和溶质的扩散，同时允许控制释放挥发物，其可以阻止害虫或吸引传粉昆虫。蜡提供免受疾病和昆虫的保护，并且帮助植物抵抗干旱。由于植物覆盖了大部分地球表面，似乎植物蜡为所有天然脂质中最丰富的。植物蜡中脂质类型的范围在性质和组成上都是高度可变的。每种脂质类别的量以及每种类别内各种分子种类的性质和比例随植物种类和蜡沉积位点(叶、茎、花、果实等)而变化很大。
市售的植物蜡不是很常见，其部分由于缺乏经济上有吸引力的从普通栽培的农业植物中提取蜡的生产方法，并且部分由于竞争的石化工业的廉价来源。
在墨西哥和美国的半干旱地区生长的荷荷巴植物(Simmondsia chinensis)的独特之处在于，在其种子中生产蜡酯而不是三酰基甘油，且其已经变成重要的作物。
在巴西生长的巴西棕榈树(Copernicia cerifera)的叶有一层厚厚的蜡(“巴西棕榈蜡”)，其可以从干叶中收获。
其它植物“蜡”例如杨梅或日本蜡更好地描述为“牛油”，因为它们主要由高熔点三酰基甘油组成。
植物蜡传统上通过使用有机溶剂例如氯仿、苯和己烷萃取，随后溶剂蒸发和纯化。最近，已经公开了使用超临界CO2的提取方法。
植物蜡为来自石化工业的蜡的高价值替代物，且可以用作各种用途中矿物油基蜡的天然和“绿色”替代物，其包含于化妆品、医疗添加剂、润滑剂、抛光剂、表面涂料(木材、皮革、服装等)、油墨、油漆、服装等，甚至用于烛光。
今天，唯一的商业植物蜡来自荷荷巴植物和巴西棕榈树，但生产远远不能覆盖潜在的市场。因此，需要以高数量和相对低的价格生产植物蜡的新方法。
发明内容
本发明涉及一种从植物中、特别是从农业植物中、优选从农业生物废物例如秸秆中提取蜡的方法。此外，本发明涉及从这样的植物中提供部分或完全纯化的蜡以用于化妆品、医药添加剂、润滑剂、抛光剂、表面涂层(木材、皮革、服装、包装等)、油墨、油漆、建筑产品、烛光等。甚至进一步地，该方法提供具有减少量的蜡的纤维部分，因此可用作生产生物燃料、纤维板、面板、建筑产品、畜牧业、吸收剂和湿模塑包装等的有利原料。
更具体地，本发明涉及一种用于将含蜡植物材料分离为蜡部分和部分贫蜡的纤维部分的方法，所述方法包括以下步骤：
a、在环境温度下在干燥工艺中机械处理植物材料以提供粉碎的植物材料，
b、将粉碎的植物材料分离成包含富含植物蜡的植物细粉的部分A和包含部分贫乏植物蜡的植物纤维的部分B，
c、将水性液体加入到部分A中，然后在升高的温度下混合和搅拌，
d、向水性混合物中加入一种或多种酶，
e、将混合物加热至一定温度，由此使蜡液化并使酶失活，
f、从加热的混合物中分离含蜡的液体部分C和含有植物物质的部分D，
g、从部分C中分离蜡。
本发明特别涉及用于从植物获得富含蜡的样品的湿法，其包括以下步骤：
a、提供富含植物蜡的植物细粉的样品，
b、向样品中加入水性液体，然后在升高的温度下混合和搅拌，
c、向混合物中加入一种或多种酶，
d、加热混合物至使蜡熔化和液化的温度，
e、从混合物中分离蜡。
富含植物蜡的植物细粉的样品在包括机械加工的干法中获得，所述机械加工包括切割和破碎(切碎)植物原料，随后根据重量/尺寸分级(例如通过筛分)，其中小和/或轻的植物细粉部分通常没有或具有推定量的蜡，因此被丢弃用于其它用途例如发酵、燃烧、在建筑材料中使用或用作家畜垃圾。因此，在下一步骤湿法之前，可以除去大于原料中全部植物材料的约50％、60％、70％或80％，以及来自收获物的杂质。
植物材料(原料)选自谷物、高能草、甘蔗、棕榈树的叶等，更优选为来自谷物例如小麦、黑麦、大麦、燕麦、高粱(durra)、水稻或来自高能草的的生物废物。
在湿法中，将水性液体(例如水)以至少5：1(例如10：1)的水与植物物质比例加入到植物细粉中，且调节其温度以溶解混合物中的水溶性组分。
然后调节温度和pH以优化加入的酶(一种或多种)的活性，酶用于降解与植物细粉样品中与蜡相连的除了蜡之外的一种或多种组分例如蛋白质。酶(一种或多种)优选选自蛋白酶，例如选自内肽酶和/或外肽酶。酶处理过的液体混合物可以进行机械处理，例如，在湿磨机中，以便帮助释放与剩余植物物质例如蛋白质、纤维等部分相连的蜡。
在从植物物质释放蜡之后，将混合物加热以熔化并液化蜡。加热应优选也使酶(一种或多种)失活。在下一步骤中，将剩余的植物物质/纤维从液相中分离和除去，例如，通过倾析液相。在最后步骤中，将蜡相与水相分离，例如，通过降低温度以凝固蜡相以容易除去。
蜡可以直接使用，或者可以通过从蜡相中除去全部或一些剩余的杂质来进一步纯化。
附图说明
图1表示在湿法中工艺流程的一个实例。
图2表示小麦秸杆蜡的差示扫描量热法(DSC)分析。一条曲线表示当样品从环境温度加热至630℃时质量变化的监测。这表明蜡在高达约210℃时是稳定的，之后分解开始。另一条曲线表示在相同加热状态期间样品内热能变化的监测。由于蜡的熔化，曲线在65-70℃下显示清晰的吸热。
具体实施方式
定义：
“秸秆”是指农业植物的遗骸，例如，已除去种子头之后的谷物，即叶和茎/秆(节和节间)。秸秆也可以指整个高能草，例如大象草。
“原料”是指用于机械处理的植物材料，例如农业生物废物、高能草或棕榈叶。
“植物纤维”、“秸秆纤维”和“研磨产生的纤维”是指机械处理过的原料的富含纤维且蜡含量低的部分。
“植物细粉”和“研磨生成的细粉”是指机械处理过的原料的富含蜡含量和低纤维含量的部分。
“秸秆细粉”是指研磨产生的细粉的纤维部分。
“环境温度”是指处理地点的环境的正常温度，因此通常不受加热或冷却的影响。
如上所述，蜡为大多数植物的叶和茎上的表面成分。本发明可以应用于大多数种类的包括蜡的植物原料。为了说明本发明的目的，选择小麦秸秆作为测试原料，因为其含有大量的蜡，作为来自农业的生物废物可以大量获得，其为用于生产生物燃料的原料的实例，其中蜡为需要在发酵前的预处理中去除的成分。传统地，蜡在生产生物燃料的工艺中燃烧。其它原料可以以相同的方式或以对本领域技术人员显而易见的较小修改进行处理。
植物原料，例如生物废物可替代地用作在电力和/或热力工厂中用于电力和热供应的可燃材料的来源，其中大部分蜡的除去导致改进的燃烧工艺，其具有更少的污染和更少的焦油在燃烧室中的问题。在本发明的另一个实施方案中，当用作家畜的垫料时，机械脱蜡的秸秆具有优异的吸收性能。使用脱蜡的植物材料(例如，切碎的秸秆)的另一个实例为在建筑材料中，例如在刨花板等中。
导致本发明的工作最初分成许多关键任务。第一部分是对秸秆的机械处理的开发，使得蜡可以与纤维在很大程度上分离，由此两部分在流程工艺中变得有益，以获得蜡终端产物和低蜡的纤维终端产物，将纤维部分(低蜡)转化为生物燃料和/或类似的下游产品。
进行的工作的第二部分是基于开发适合于从机械处理过的秸秆中提取和提高蜡回收的方法，优选在避免有机溶剂的环境友好的湿法中。
在研究的第一部分中，用不同的有机溶剂提取机械加工的小麦秸秆和未处理的小麦秸秆的不同部分，以研究是否机械加工可导致蜡在其一个部分中机械分离。机械处理包括将小麦秸秆切割(切碎)为适合于在合适的磨机(例如，锤磨机或盘磨机)中进行后续处理以使秸秆变形的长度。在机械处理之后，将粉碎的植物材料分离成含有较长秸秆纤维的部分(富含纤维)与含有来自秸秆的较小部分和颗粒的部分(细粉)。主要的切割通常导致切割为长度在约5和20cm之间的秸秆，研磨进一步将秸秆切为长度小于5cm的碎片，和几毫米的碎屑以及高达约2cm的秸秆细粉。从实施例1和2中可以看出，来自秸秆的蜡主要在细粉中回收。因此，简单的干燥机械加工可以为来自植物原料的蜡的向上浓缩的第一步骤，并且同时获得改进的秸秆部分用于进一步使用，其中大部分的蜡已经除去。
因此，本发明的机械部分涉及一种从干燥的蜡涂覆的植物材料中分离蜡的方法，其包括以下步骤：通过使用适于使植物材料的至少外表面变形的装置，在干法中机械加工植物材料，使得蜡涂层破裂并从剩余的部分脱蜡的植物材料中释放；将分离器中的植物材料分离为包含具有相对高含量的破裂和释放的蜡涂层和相对低含量的剩余的部分脱蜡的植物材料的植物材料的部分A、和包含分别相对低含量的破裂和释放的蜡涂层和相对高含量的剩余的部分脱蜡的植物材料的部分B。分离器可以采用任何合适的形式，例如筛、旋风分离器等。
不同植物原料的蜡含量取决于性质例如植物种类、品种、植物生长的土壤和气候、肥料和/或杀虫剂的使用和用作原料的植物部分。作为实例，在丹麦收获的小麦秸秆包含约1-3％的蜡。
机械处理导致可以分离为两部分的产物，即部分A和部分B，它们的比例为约30：70(w/w)或更低，优选为25：75或更低，更优选为20：80或更低，最优选为15：85或更低，例如10：90或更低。部分A通常含有大于50％的原料中蜡的总量，例如50％或更多、60％或更多、70％或更多、75％或更多，优选地原料中蜡的总量的80％或更多，例如至少85％、90％或95％。因此，部分B含有小于50％、40％、30％、25％、20％的原料中蜡的总量，例如至多15％、10％或5％。因此，与原料中蜡含量相比，机械处理和分离为部分A和B导致部分A中蜡浓度增加约66％至超过400％。蜡在部分B中占该部分的低至约0.75％，优选地低至约0.25％。蜡构成部分A中固体材料的高达约12％、优选地高达15％，甚至更多。
本方法将允许回收多于40％的存在于原料中的蜡，例如在40和95％之间。回收率优选为大于50％，例如在50和90％之间。优选地，通过本发明的方法回收原料中大于60％的蜡，甚至更优选回收大于65％、70％或75％的蜡。通过选择和优化方法步骤，原料的蜡部分的回收可高达80、85、90、95或100％。
为了在下游发酵或燃烧中利用部分B，期望在机械处理(包括分级/分离)中产生尽可能低的部分A与部分B的比例，同时在部分B中尽可能少的蜡。机械处理和分离为部分的另一个优点为减少在下面的湿法中待处理的固体物质，从而减少湿法处理设备的尺寸、能量供应例如加热、加工添加剂例如水和酶，并因此降低从植物原料中分离蜡的成本。
基于在机械工艺中蜡可以部分地与纤维分离的发现，研究了是否可以通过使用水溶液代替通常使用的有机溶剂以从细粉(部分A)中提取或分离蜡。实施例3证明确实可以通过在水中蒸煮细粉而从细粉中提取蜡质部分，留下在分离后部分不含蜡的纤维“废弃”部分。
在样品离心分离后，观察到薄的、熔化的、浮动然后凝固的蜡质层，但是不认为其对于大规模分离是数量足够的，因为它不超过离心管深度的1-2％。这表明如在溶剂萃取分析中所见，不是将所有可用的蜡质材料去除到该层中。然而，在离心样品中的纤维相上方和液体上清液下方也注意到棕黄色的固体层。该层怀疑为使人想起的富含蛋白质的层。还已知表皮蜡与草/秸秆中的角质蛋白相连，研究这些蛋白质的分解是否有助于进一步的蜡分离。从实施例4可以看出，用包含细粉的水性浆液的蛋白酶(例如)蛋白酶处理，接着加热混合物并分离蜡质部分，其显示显著增加的从秸秆(细粉)中蜡的提取和回收率。
因此可以通过酶处理研磨植物原料来增强机械处理后从植物细粉中释放蜡。特别地，植物节包括与蜡相连的蛋白质。通过实施例显示，商业蛋白酶和可用于降解结合蜡的蛋白材料。然而，其它蛋白酶可单独或组合地使用以释放自由蜡。蛋白酶参与通过分裂连接氨基酸残基的肽键将长蛋白链消化为较短的片段。一些将末端氨基酸从蛋白质链分离(外肽酶，例如氨基肽酶、羧肽酶A)；其它攻击蛋白质的内部肽键(内肽酶，例如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、弹性蛋白酶)。合适的蛋白酶可以选自不同类别，例如丝氨酸蛋白酶、苏氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶、谷氨酸蛋白酶和金属蛋白酶。许多蛋白酶是可商购的，例如(来自地衣芽孢杆菌的蛋白酶)、(来自解淀粉芽孢杆菌的蛋白酶)，二者均可从丹麦诺维信获得；和(来自菠萝的蛋白酶)，可从英国BioCatalysts获得。两种或更多种酶的组合可有利于将植物蛋白质降解至使人满意的释放和纯化蜡的程度。为了尽可能多地从酶处理中获益，酶活性的条件(例如温度、pH、盐浓度等)应当在浆料/混合物中尽可能多地优化。向浆料/混合物中加入酸或碱可能是达到最佳pH条件必需的。
从细粉中存在的粉碎的植物材料的部分中蜡的酶辅助释放可以通过同时或随后的机械处理来支持，例如在湿磨机等中。这种湿磨可根据需要重复多次。2、3或4次重复通常就足够了。在蜡的酶辅助释放期间的最佳温度选择为适合使用的酶和湿磨过程中的操作条件。如果使用热稳定性酶，温度可以是25、30、35、40、45、50℃或甚至更高。
一旦酶处理认为足以达到蜡需要或可能的释放程度，则升高混合物的温度以熔化和液化释放的蜡，使得固体材料(例如来自秸秆的纤维和其它残留物)可以从包含熔化蜡的液体部分中分离。熔体可以完全或部分地液化，这取决于蜡的组成和温度。分离可以通过使用任何所需的分子大小的任何形式的筛分进行。一旦已将固体部分除去，蜡可以从液体或半液体的水性部分分离。可以使用有机溶剂萃取，特别是如果需要非常干净的部分时。然而，优选为通过将温度降低至低于熔点以简单沉淀蜡，之后可以从水性部分分离固体或半固体蜡，例如通过倾析。
在提高温度以熔化释放的蜡时，期望在使酶失活的温度下达到最低的温度。这涉及将蜡质相熔融至高于70℃，优选为高于80℃、90℃或95℃，并且通过搅拌将蜡分散在水相中。粗蜡含有大于85-90％的蜡，其余是不同的杂质。从水性部分分离后，从蜡质提取物中蜡的纯化可以通过任何已知的方法进行。蜡质提取物可以包含不同的水溶性化合物，例如糖、木质素(在碱性溶液中)、蛋白质以及不同的植物降解产物。纯化程度可取决于蜡的预期用途。如果需要，根据分子含量的蜡的不同部分也可以通过已知的方法实现。已知的纯化方法包括在热水或水溶液中的重复水性提取。脱色可以通过温和的氧化漂白来进行。
因此，本发明的一方面中，提供一种用于将含蜡植物材料分离为蜡部分和部分贫蜡的纤维部分的方法，所述方法包括：
a、以干法机械处理植物材料以提供粉碎的植物材料，
b、将粉碎的植物材料分离成包含富含植物蜡的植物细粉的部分A和包含部分贫乏植物蜡的植物碎片/片段/纤维的部分B，
c、将水性液体加入到部分A中，然后在升高的温度下混合和搅拌，
d、向水性混合物中加入一种或多种酶，
e、将混合物加热至一定温度，由此使蜡熔化和液化并使酶失活，
f、从加热的混合物中分离含蜡的液体部分C和含纤维的部分D，
g、从部分C中分离蜡。
部分B和部分D富含纤维且蜡含量低，因此可以作为如上所述的含秸秆产品或生物燃料生产中使用的有利的纤维材料。
部分B和D都可替代地用于产生热量，例如用作电力和/或热生产中的可燃产物。在优选的实施方式中，部分D可以压制成具有合适的液体浓度的可燃颗粒。
在优选的实施方式中，将升高的温度设定为适合加入的酶，并且酶处理和蜡释放通过浆料/混合物的湿磨来支持。
本发明的另一方面中，提供一种从植物获得富含蜡的组合物的方法，其包括：
h、提供富含植物蜡的植物细粉的样品，
i、向样品中加入水性液体，然后在升高的温度下混合和搅拌，
j、向混合物中加入一种或多种酶，
k、加热混合物至使蜡液化的温度，
l、从混合物中分离蜡。
图1表示湿法中工艺流程的一个实例。本发明不旨在限于该特定实例。工艺流程可以具有许多不同的构成。
在本发明的一种优选实施方式中，一种或多种酶选自蛋白酶。
富含蜡的植物细粉的样品来自在环境温度下机械干燥处理的秸秆的分级，以释放位于植物部分/秸秆的干燥表面上的大部分蜡。因此，富含植物蜡的植物细粉包括在机械处理期间从秸秆中释放的蜡颗粒和薄片。分级可以通过使用分离器来实现，例如具有适于将所述部分B保留在筛子的一侧上并允许所述部分A通过筛子的筛孔的筛子。可以通过抽吸强迫所述部分A通过筛子。
机械处理优选为切割和研磨，并且在将分离器中的植物材料分离为所述部分A和B之前进行。可以收集部分B并用作低蜡秸秆。
适于从干燥的蜡涂覆植物材料中分离蜡的加工设备的实例包括适于液化布置在所述脱蜡容器中的植物材料的蜡含量的脱蜡容器，加工设备还可以包括：
a、破碎机，其适于使植物材料的至少外表面破碎/变形，使得蜡涂层破裂并从剩余的部分脱蜡的植物材料中释放，
b、分离器，其适于将植物材料分离为包含具有相对高含量的破裂和释放的蜡涂层和相对低含量的剩余的部分脱蜡的植物材料的植物材料的部分A、和包含分别相对低含量的破裂和释放的蜡涂层和相对高含量的剩余的部分脱蜡的植物材料的部分B，
c、第一输送机，其适于将材料从破碎机输送到分离器，和
d、第二输送机，其适于将部分A从分离器输送到所述脱蜡容器。
第一和第二输送机可以各自设置于防尘管中，包括在所述防尘管的每端设置入口和出口。破碎机可以包括适于将植物材料切割成粉碎的植物材料的刀具；适于研磨粉碎的植物材料的研磨机；以及适于将粉碎的材料从切割机输送到研磨机的第三输送机。研磨机可以为锤磨机或盘磨机或任何等效的破碎装置。
在本发明的另一方面中，植物(原料)选自谷物、甘蔗、高能草、棕榈树和其它树的叶。
在本发明的一个实施方式中，谷物选自小麦、黑麦、大麦、燕麦、高粱(durra)、水稻等。高能草的一个实例为大象草。
在优选的实施方式中，加入到细料中以产生浆料的水性液体为水，在优选为高于15℃的温度例如20、25、30、35或40℃下搅拌浆料以产生水溶性部分和固体的混合物。试错表明在实验室条件下需要使用比例为12：1的水与秸秆物质的重量比，以便于在使用的容器中存在“自由水”。在较低的比例下，没有足够的水可用于允许纤维表面的“搅拌洗涤”和任何熔化的蜡质膜的移动。因此，水与秸秆物质的比例优选为高于5：1，更优选为高于10：1，例如12：1，以重量比计。
在酶处理期间，调节温度和pH以优化加入的酶(一种或多种)的活性。如果使用热稳定性酶时，蜡的酶辅助释放期间的最佳温度可以为25、30、35、40、45、50℃、甚至更高。
在从水性部分和固体中分离蜡质部分之后，收集蜡并且准备以其原形式或在除去杂质和/或颜色之后使用。
优选收集在湿处理后从混合物中除去蜡后获得的固体部分，压制成颗粒并燃烧，例如，用于电力和/或热的产生。
在本发明的一个例示性实例中，从新西兰西部的丹麦农田在收获小麦并分离谷物后收集小麦秸秆。分级步骤包括a)机械处理、b)部分A的湿处理、和c)原蜡的分离，得到以下产物。部分A通常含有10-40％的水，更通常为15-30％，例如20-25％，例如约25％。
1)酶处理和加热后的未溶解的有机材料，例如残留秸秆材料
2)未溶解的无机材料，例如石头、土壤等
3)水溶性有机材料(冷却后)，例如蛋白质、肽氨基酸、单糖、二糖和寡糖、来自木质素的可溶性酚衍生物、盐、矿物质等
4)冷却加热的“原蜡”时的凝固物
5)为了获得相同量的固体蜡而不进行机械处理和分级，需要在湿法中处理约500kg的小麦秸秆
6)原料中蜡的％回收率
7)可萃取的溶剂-DCM-
在本发明的另一个例示性实例中，从不同的新西兰西部的丹麦农田收获小麦并分离谷物后收集小麦秸秆。分级步骤包括a)机械处理、b)部分A的湿处理、和c)原蜡的分离，得到以下产物。
原料： 重量/kg ％ 蜡/kg 总体的％蜡 部分的％蜡
小麦秸秆 550 100 16.5 3.0(100)
部分A 165 30 13.2 2.4(80) 8.07
部分B 385 70 3.3 0.6(20) 0.97
部分A： 165 100
固体1 153.4 93
原蜡溶液 11.6 7
原蜡： 9.90 100
杂质3 1.16 10
固体蜡4,5 10.40 90 636
1)-7)见上表。1)＝上表的1)+2)。
通过改变原料和/或处理性质，可以从使用的原料中分离出更多或更少的固体蜡。
实施例
实施例1
由Box Straw ApS生产和供应的秸秆部分。
2-10Kg量的纤维和细粉样品至TI，og
小麦秸秆原料。
工作说明
2013年5月收到了一包“BS秸秆”，即由BoxStraw ApS使用，
还收到了25kg包装的BoxStraw制备产品(锤磨制剂)
在Ti(2013年6-7月)将10kg该秸秆(“BS秸秆”)依次锤磨、盘磨，然后筛分成2个部分(细粉和纤维)
通过穿过0.75mm筛网筛分经盘磨的秸秆以限定和获得细粉部分。
产物：
纤维部分：7900g(“TI盘磨产生的细粉”)
细粉部分：1770g(“TI盘磨产生的纤维富集体”)
BoxStraw ApS(“BS”)提供10kg其自己生产线产生的细粉样品(在生产期间锤磨秸秆-“BS生产细粉”)。
将这些材料用作提取研究的基础。
实施例2
使用3种不同的溶剂提取蜡，确定蜡含量。
检查不同的秸秆部分/类型。
秸秆纤维类型：
盘磨的纤维部分1：细粉(“盘磨产生的细粉”)
盘磨的纤维部分2：纤维富集体(“盘磨产生的纤维富集体”)
Box-Straw细粉(“BS生产细粉”)
溶剂：
二氯甲烷、氯仿、乙醇
工作说明
在该任务中，确定各种秸秆部分(包括原始“完整”秸秆)的蜡和可溶剂萃取的含量，以便为每个部分的可提取材料的值设定基线，并且如果发现需要进行溶剂提取以进行提升，指示萃取的“最佳”溶剂。
在该阶段(初始实验后)中，如下进行提取实验。
1、称取30g(精确至小数点2位)秸秆材料(全秸秆、BS提供的细粉、盘磨产生的细粉、或盘磨产生的富纤维部分)，并放置于2L带凸缘的圆底烧瓶中，其配有带凸缘的多颈顶部和冷凝器。
2、加入1L溶剂(二氯甲烷、氯仿或乙醇)，并将烧瓶+冷凝器置于加热套中，将混合物温和回流2h，使蜡(或其它组分)萃取到溶剂中。
3、在使沸腾停止后，从“纤维”或细粉中倾析溶剂，通过过滤最终分离。
4、蒸发溶剂部分，留下蜡质沉积物。
5、使残余纤维干燥，然后重新称重以确定提取的物质。
结果
测得的2组“细粉”的二氯甲烷(“DCM”)提取物显示(视觉上和加热至70℃时软化)最具蜡质特征，且进一步的表征集中在这些提取物上。从细粉材料中容易提取包含7-8％秸秆质量的蜡质材料的水平。细粉明显包含比在盘磨或锤磨以及筛分(BS生产细粉)之后获得的全秸秆或纤维部分更多的可提取蜡。这表明了使用细粉部分用于蜡的更有效的提取的优点。
当在烘箱中暴露于70℃时，使DCM提取物软化，并且在60℃也开始软化。
通过差示扫描量热法(DSC)分析提取物，DSC是一种热分析技术，其中，测定提高样品温度需要的热量差异作为温度的函数。设计用于DSC分析的温度程序，使得样品保持器温度作为时间的函数线性增加。小麦秸秆蜡的DSC分析示于图2中。这表明蜡在高达约210℃为稳定的(没有起因于分解的质量损失)，之后分解开始。由于蜡熔化(熔化期间能量的净吸收)，轨迹在65-70℃显示出清晰的吸热。蜡在65-70℃熔化。
实施例3
基于实施例2中获得的结果，开发了通过使用水且不使用有机溶剂从秸秆细粉中提取蜡的有效方法。
对尝试使用沸水从秸秆中除去表面蜡的方法进行测试并开展工作。这包括熔化蜡相(高于70℃)并通过搅拌分散在水相中。
试错表明在实验室条件下优选使用比例12：1的水与秸秆物质，以促进使用的容器中存在“自由水”。在较低的比例下，没有足够的水可用于纤维表面的“搅拌洗涤”和任何熔化的蜡质膜的移动。
在一系列实验室实验中使用以下方法：
1、将50g秸秆材料加入600ml水中；
2、将混合物煮沸，并机械或磁力搅拌；
3、将热混合物文火炖(即轻柔沸腾)30分钟；
4、将热混合物以5000rpm离心分离5分钟；
5、倾析液相，并在600℃烘箱中蒸发24小时；
6、将残余秸秆材料仔细回收并在60℃烘箱中干燥24小时，重新称重并计算质量损失。
在较大的加热混合器(例如Kenwood型，3L规模)中容易实现增加的搅拌。这已测试且工作在实施例4中延伸。
结果：热水(实验室方法)
材料类型 萃取质量(％)
盘磨产生的细粉 13.8
盘磨产生的纤维富集体 6.8
BS生产细粉 12.6
水具有还从秸秆中溶解/溶化松散糖和更小水溶性分子的能力。这反映在与DCM溶剂萃取(其仅溶解和移动蜡质化合物)相比产率为更高的百分比。然而，萃取的残余物(在蒸发水后获得的相中)在70℃显示出软化，表明有显著的蜡质组分。
实施例4
将上述公开的水基方法升至每批数升的水平，并间歇性湿磨该热悬浮液以增加搅拌和机械工作。
初步研究包括以下步骤：
1、将500g细粉悬浮在加热的钢碗中的5L温(40℃)水中，并在机械搅拌下将温度升至90℃。
2、保持加热和搅拌30分钟。
3、在95℃下进一步处理30分钟期间，通过(手动进料)使用Fryma湿磨机(即胶体磨)3次。
4、取出样品(各50ml)进行离心分离(5000rpm下5分钟)。
5、冷却并观察分离的蜡质顶层。
在样品离心分离后，观察到薄的、熔化的、浮动然后凝固的蜡质层，但是不认为其对于大规模分离是数量足够的，因为它不超过管深度的1-2％。这表明(如溶剂萃取分析中所见)不是将所有可用的蜡质材料去除到该层中。
然而，在离心样品中的纤维相上方和液体上清液下方也注意到棕黄色的固体层，且这使人想起在其它生物质类型(包括谷物麸)的分级处理期间观察到的富含蛋白质的层。
已知表皮蜡与草/秸秆中的表皮蛋白质相连，并且认为这些蛋白质的分解将有助于进一步的蜡分离。因此，在另一组试验中，以3L规模研究/开展以下方案。
1、将300g秸秆细粉悬浮在加热的钢碗中的3L温(40℃)水中，并在机械搅拌下将温度升至50℃。
2、保温，调节pH至7.5并且搅拌30分钟。
3、加入0.3ml的诺维信蛋白酶制剂“Alcalase”并搅拌15分钟，随后进一步处理30分钟期间通过(手动进料)Fryma湿磨机3次。
4、在进一步混合期间提高温度至95℃，以使酶失活并熔化/软化蜡质组分。
5、在95℃下进一步处理30分钟期间通过(手动进料)Fryma湿磨机(即胶体磨)3次。
6、取出样品(各50ml)进行离心分离(5000rpm下5分钟)。
7、冷却并观察/收集分离的蜡质顶层。
离心分离后观察到更宽和更大量的分离(蜡质)顶层。这显示出比在所述第一碱性、非酶水基处理中回收显著更多的蜡(其中分离层的宽度加倍)。
实施例5
将实施例4的蜡提取物再悬浮于热水(10×水至蜡)中并加热至90℃。将溶液机械搅拌以帮助溶解糖和其它水溶物。搅拌后，将混合物分离成两层并分离出非水层(蜡质层)。在蜡质部分上重复热水分离。
进一步的颜色去除可以通过温和氧化(即氧)漂白来实现。
对提取物进行热测试(DSC)以热表征蜡质材料。结果与实施例2中公开的分析一致。
实施例6
在增大试验(其中在湿分级试验装置上处理10kg批次的秸秆细粉，使用与实施例5相同的相对比例的水和碱性蛋白酶)中注意到，通过滤液的倾析从工艺混合物中将纤维最终除去后，蜡层没有清楚地分离以达到清洁去除。这归因于在加工期间通过在蛋白酶水解期间释放的肽对蜡质组分的乳化。因此，开始进一步的实验室研究，其中蛋白酶(主要是内切蛋白酶)改变为由英国BioCatalysts Ltd.提供的商品“Promod”。
1、将300g秸秆细粉悬浮在加热的钢碗中的3L温(40℃)水中，并在机械搅拌下将温度升至50℃。
2、保温，调节pH至7.5，搅拌30分钟。
3、加入0.05或0.1ml的BioCatalysts Ltd.蛋白酶制剂“Promod”并搅拌15分钟，随后在进一步处理30分钟期间通过(手动进料)Fryma湿磨机3次。
4、在进一步混合期间提高温度至95℃，使酶失活并熔化/软化蜡质组分。
5、在95℃下进一步处理30分钟期间通过(手动进料)Fryma湿磨机(即胶体磨)3次。
6、取出样品(各50ml)进行离心(5000rpm下5分钟)。
7、冷却并观察/收集分离的蜡质顶层。
在两种情况/酶剂量下，在离心分离后再次观察到更大量的分离(蜡质)顶层。这显示出比在所述第一碱性、非酶水基加工中回收显著更多的蜡(其中分离层的宽度加倍)。

Claims (24)

1.一种用于将含蜡植物材料分离为蜡部分和部分贫蜡的纤维部分的方法，其包括：
a、以干法在环境温度下机械处理植物材料以提供粉碎的植物材料，
b、将粉碎的植物材料分离为包含富含植物蜡的植物细粉的部分A和包含部分贫乏植物蜡的植物纤维的部分B，
c、将水性液体加入到部分A中，然后在升高的温度下混合和搅拌，
d、向水性混合物中加入一种或多种酶，任选地伴随机械处理，例如湿式研磨，
e、加热混合物至使蜡液化且使酶失活的温度，
f、从加热的混合物中分离含蜡的液体部分C和含纤维的部分D，
g、从所述部分C中分离蜡。
2.一种从植物中获得富含蜡的样品的方法，其包括：
a、提供富含植物蜡的植物细粉的样品，
b、向样品中加入水性液体，然后在升高的温度下混合和搅拌，
c、向混合物中加入一种或多种酶，
d、将混合物加热至使蜡液化的温度，
e、从混合物中分离蜡。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述富含蜡的植物细粉的样品来源于在环境温度下机械干燥处理的秸秆的分级。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述机械处理包括切割和压碎(剁碎)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述分级为按重量/尺寸(例如筛分)进行。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述酶选自蛋白酶。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述植物选自谷物、草、甘蔗、棕榈、树等。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述谷物选自小麦、黑麦、大麦、燕麦、蜀黍(高粱)、水稻等。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，富含植物蜡的植物细粉的样品包括：在机械处理期间从植物物质释放的蜡颗粒和薄片。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，所述水性液体为水，调节其温度以溶解混合物中的水溶性组分，且所述水与植物物质的比例为至少5：1(重量)，例如10：1。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，调节温度和pH以优化所加入的酶的活性。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中，所述酶被选择用于降解与植物细粉的样品中的蜡相连的一种或多种蛋白质。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述酶选自内切和/或外切蛋白酶。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中，对所述酶处理的液体混合物进行机械处理，例如在湿式磨机中进行机械处理，以释放与植物物质残留物例如蛋白质和纤维相连的蜡。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的方法，其中，将所述酶处理过的混合物加热以使蜡液化。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，进一步选择温度以使所述酶失活。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的方法，其中，将酶处理和加热后的剩余植物物质从液相中分离并除去。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的方法，其中，在除去剩余植物物质之前或之后将蜡相与液体的水相分离。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的方法，其中，通过从蜡相中除去剩余杂质以纯化蜡。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，将所述剩余植物物质中的固体压制为用于燃烧工艺的粒料。
21.一种在根据权利要求1-19中任一项所述的方法中获得的植物蜡。
22.一种产品，其包含根据权利要求21所述的植物蜡。
23.一种产品，其包含在根据权利要求1-8中任一项所述的方法中作为部分B获得的脱蜡植物材料。
24.根据权利要求20所述的方法获得的可燃粒料。
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Ajayi et al. Cleaner and Circular Bioeconomy

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