EA024959B1 - Переработка биомассы - Google Patents

Переработка биомассы Download PDF

Info

Publication number
EA024959B1
EA024959B1 EA201100837A EA201100837A EA024959B1 EA 024959 B1 EA024959 B1 EA 024959B1 EA 201100837 A EA201100837 A EA 201100837A EA 201100837 A EA201100837 A EA 201100837A EA 024959 B1 EA024959 B1 EA 024959B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
biomass
water
solvent
lignin
ultrasound
Prior art date
Application number
EA201100837A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201100837A1 (ru
Inventor
Стефен Брукс
Original Assignee
Байо-Сеп Лимитед
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Байо-Сеп Лимитед filed Critical Байо-Сеп Лимитед
Publication of EA201100837A1 publication Critical patent/EA201100837A1/ru
Publication of EA024959B1 publication Critical patent/EA024959B1/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B15/00—Preparation of other cellulose derivatives or modified cellulose, e.g. complexes
    • C08B15/02—Oxycellulose; Hydrocellulose; Cellulosehydrate, e.g. microcrystalline cellulose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08H—DERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08H8/00—Macromolecular compounds derived from lignocellulosic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B37/00—Preparation of polysaccharides not provided for in groups C08B1/00 - C08B35/00; Derivatives thereof
    • C08B37/0003—General processes for their isolation or fractionation, e.g. purification or extraction from biomass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B37/00—Preparation of polysaccharides not provided for in groups C08B1/00 - C08B35/00; Derivatives thereof
    • C08B37/0006—Homoglycans, i.e. polysaccharides having a main chain consisting of one single sugar, e.g. colominic acid
    • C08B37/0057—Homoglycans, i.e. polysaccharides having a main chain consisting of one single sugar, e.g. colominic acid beta-D-Xylans, i.e. xylosaccharide, e.g. arabinoxylan, arabinofuronan, pentosans; (beta-1,3)(beta-1,4)-D-Xylans, e.g. rhodymenans; Hemicellulose; Derivatives thereof
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C3/00—Pulping cellulose-containing materials
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C3/00—Pulping cellulose-containing materials
    • D21C3/22—Other features of pulping processes
    • D21C3/224—Use of means other than pressure and temperature

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Extraction Or Liquid Replacement (AREA)
  • Compounds Of Unknown Constitution (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

В изобретении представлен способ переработки биомассы, который включает вываривание материала биомассы в водной системе растворителей, подвергнутой действию ультразвуковых волн, и разделение биомассы на ее компоненты: лигнин, гемицеллюлозу и целлюлозу. Также описана система для переработки биомассы, которая включает вываривание материала биомассы в водной системе растворителей, подвергнутой действию ультразвуковых волн, и разделение биомассы на ее компоненты: лигнин, гемицеллюлозу и целлюлозу.

Description

Настоящее изобретение относится к новому способу обработки материалов биомассы. В частности, способ представляет метод разделения материала биомассы на его главные составляющие части.
Уровень техники изобретения
Большинство растительных материалов биомасс, таких как дерево, называются лигноцеллюлозным материалом и включают три основных компонента, а именно целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин.
Целлюлоза - это полисахарид, состоящий из линейной цепочки остатков Ό-глюкозы, соединенных в положении β(1 —>4), и содержащий, как правило, 7000-15000 молекул глюкозы.
Гемицеллюлоза - это полисахарид, родственный целлюлозе, но получаемый из нескольких сахаров, включая глюкозу, ксилозу, маннозу, галактозу, рамнозу и арабинозу, и состоит из более коротких цепей, состоящих из примерно 200 сахарных остатков.
Лигнин - это кросс-связанная макромолекула с молекулярной массой более 10000, является относительно гидрофобной и ароматической по природе. Лигнин богат фенилпропаноидами, такими как пкумариловый спирт, конифериловый спирт и синапиловый спирт.
В качестве замены нефтепродуктов предпочтительным источником основных реагентов считается лигнин. Естественно предпочтительно, чтобы любой способ отделения лигнина от материала биомассы оказывал минимальное воздействие на окружающую среду и, следовательно, обеспечивал экологичную технологию, не требуя больших энергетических затрат и производя незначительное количество отходов.
Были исследованы различные способы, к примеру, различные виды водных растворов неорганических реагентов применялись для растворения лигнина в воде. Однако, проблемой подобных способов является восстановление или разрушение неорганических реагентов.
В других известных способах применяют органические растворители для растворения лигнина из лигноцеллюлозного материала. Данные способы могут быть дорогостоящими, и восстановление или удаление органических растворителей делают эти способы нежелательными.
В других способах применяют водные смеси кислот и спиртов. Однако, избыток воды может негативно сказываться на процессе, а использование высоких концентраций кислоты требует дорогостоящих регенерационных систем.
Проводились различные попытки для обеспечения подходящих способов отделения лигнина от лигноцеллюлозных материалов.
В истории описаны многочисленные способы, например, в 1930-х годах, включающие обработку лигноцеллюлозного материала различными водными органическими растворителями. Однако, подобные способы обычно оказывались неэффективными и/или проблематичными из-за проблем, вызванных разделением растворителей, например этанола от воды.
Позднее патент США № 3932207 описывает способ, в котором перед варкой фрагменты необработанного лигноцеллюлозного материала пропитывают раствором лигнинрастворяющих реагентов в органическом растворителе, точка кипения которого выше температуры варки. Затем пропитанный материал погружают в жидкость, которая не смешивается с растворителем.
Патент США № 4520105 описывает способ, включающий предварительную химическую обработку смесью воды с низшими спиртами или ацетоном, после которой отделяют осадок и затем обрабатывают той же смесью растворителей при повышенной температуре. Однако, водные смеси спирта или ацетона сложно разделить на две фазы. Кроме того, отделение лигнина от растворенных сахаров потребовало бы дальнейшей обработки, например промывки большим количеством растворителей.
Патент США № 4594130 описывает способ варки в отсутствие кислорода, при повышенных температурах, с нейтральной или кислотной смесью спирта и воды, содержащей в качестве катализатора соль магния, кальция или бария. Катализатор используется для повышения удержания гемицеллюлозы в целлюлозном слое.
Заявка на Европейский патент № 386305606.5 описывает способ вываривания лигноцеллюлозного материала со сложным эфиром, органическим растворителем лигнина и водой. Растворителем лигнина является или органическая кислота, или спирт, или их смесь, и он смешивается как со сложным эфиром, так и с водой. Охлаждение жидкости несомненно приводит к частичному разделению фаз, но дополнительно требуется центрифугирование.
Последний патент США № 5730837 описывает применение серной кислоты в смеси 24% воды, 44% метилизобутилкетона и 32% этанола в разделении биомассы при 140°С, приводящее к 18% выходу лигнина по загруженному дереву.
Сущность изобретения
Авторы обнаружили, что применение ультразвуковой обработки обеспечивает чистый энергетически выгодный и низкотемпературный способ разделения материала биомассы на его компоненты - целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин.
Как правило, в разработанном способе лигнин, находящийся в биомассе, например дереве, экстрагируют в водную фазу, гемицеллюлозный материал и растворенные сахара остаются в органической фазе, и целлюлоза остается в виде пульпы в твердом веществе, остающемся от биомассы, например дерева.
Таким образом, в соответствии с первым аспектом изобретения мы обеспечиваем способ обработки биомассы, который включает вываривание материала биомассы в системе водного растворителя, под- 1 024959 вергнутого действию ультразвуковых волн, например ультразвука, и разделение биомассы на ее компоненты -целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин.
В соответствии с одним аспектом изобретения смесь биомассы, например дерево; вода, смешивающийся с водой растворитель и не смешивающийся с водой растворитель при различных значениях кислотности вываривают и раздельно, одновременно или последовательно подвергают обработке ультразвуком, чтобы разделить биомассу на целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Дополнительно, после вываривания для облегчения разделения на органическую и водную фазы можно добавить воду.
Применение ультразвуковой обработки особенно предпочтительно, помимо всего остального, в гидролизе гемицеллюлозы, находящейся в биомассе. Следовательно, находящийся в биомассе лигнин, как правило, экстрагируют в органическую фазу, гемицеллюлозный материал, растворенные сахара экстрагируют в водную фазу, и целлюлоза остается в осадке биомассы.
Способ изобретения включает вываривание лигноцеллюлозного материала в кислотной водной среде. Хотя может быть использовано множество кислот, в одном аспекте данного изобретения необходимо, чтобы кислота обладала максимально возможным значением рН. Специалисту в данной области техники известно, что могут быть использованы общеизвестные кислоты, к примеру, такая минеральная кислота, как серная, фосфорная или азотная кислота.
В качестве альтернативы, в другом аспекте изобретения предпочтительной кислотой может быть органическая кислота, такая как алифатическая карбоновая кислота, алифатическая дикарбоновая кислота, аминокарбоновая кислота или аминодикарбоновая кислота. Если в способе изобретения используется органическая кислота, она, как правило, может иметь значение рКа менее 5, например от 2 до 5. В случае дикарбоновой кислоты и особенно дикарбоновой аминокислоты, в которой карбоксильные группы внутри молекулы могут иметь различные значения рКа, по крайней мере одна из карбоксильных групп должна предпочтительно иметь рКа меньше 5. Следовательно, например, алифатическая карбоновая кислота или алифатическая дикарбоновая кислота может содержать 1-6 атомов углерода в молекуле, предпочтительно 1-4 атомов углерода.
Примеры органических карбоновых кислот включают, но не могут быть ограничены ими, уксусную кислоту и муравьиную кислоту. Такие кислоты признаны слабыми кислотами.
Альтернативно, кислотой может являться дикарбоновая кислота. В следующей альтернативе карбоновая кислота может быть цвиттер-ионной кислотой, такой как аминокарбоновая кислота, например глутаминовая кислота. Специалисту в данной области техники известно, что концентрация кислоты может меняться, и что могут быть использованы смеси вышеупомянутых кислот.
Как описано выше, применение обработки ультразвуком предпочтительно в гидролизе гемицеллюлозы, находящейся в биомассе. Следовательно, обработка ультразвуком может быть использована в качестве предварительной обработки перед применением других способов к материалу биомассы, как здесь описано. Однако, авторы неожиданно обнаружили, что обработка ультразвуком предпочтительна в гидролизе гемицеллюлозы до моносахарида, альдопентоз, таких как рибоза, арабиноза, ксилоза и ликсоза. Специалисту в данной области техники хорошо известно, что такие моносахариды полезны сами по себе или в образовании продуктов ферментации и т. п. Следовательно, следующий аспект изобретения обеспечивает способ гидролиза гемицеллюлоз, который включает вываривание гемицеллюлозного материала в системе водного растворителя, подвергнутого действию ультразвуковых волн, например ультразвуку, и разделение необходимых продуктов гидролиза, например моносахаридов, как описано выше. Известно, что гемицеллюлозный материал может быть смесью гемицеллюлозных материалов и может содержать гемицеллюлозу, отделенную от основного объема материала биомассы, или может содержать сам материал биомассы.
Как описано выше, необходимым элементом данного изобретения является применение обработки ультразвуком в качестве энергетического ресурса. Хотя в качестве энергоресурса ультразвук может иметь частоту в пределах от 2 до 10 МГц, для целей данного изобретения используемый ультразвук в основном имеет частоту в диапазоне от 10 до 250 кГц, альтернативно, от 2 0 до 100 кГц.
Обрабатываемый щелок или суспензию помещают в рабочее пространство ультразвукового зонда, если используется, или ультразвукового преобразователя энергии, такого как круговая сборка преобразователя ультразвуковой энергии, если используется подобная конфигурация. Подходящий пример подобного устройства, известный в промышленности и коммерчески как Ρτοδοηίΐτοη™, раскрыт в \УО 00/35579. Ультразвуковую энергию можно использовать непрерывно или периодически, например, в виде импульсов. Может быть использован любой удобный источник ультразвуковой иррадиации. Ультразвуковой зонд может, к примеру, быть помещен в смесительный сосуд, такой как ячейка непрерывного ультразвукового потока, ультразвуковой испускатель может быть помещен в смесительный сосуд, или смесительный сосуд может быть установлен в ультразвуковой ванне, или он может иметь ультразвуковой преобразователь, закрепленный на внешних стенках смесительного сосуда. Амплитуда и частота ультразвуковых волн воздействуют на скорость зарождения центров кристаллизации и рост кристаллов. Частота ультразвуковых волн может быть, к примеру, от 16 кГц до 1 МГц, предпочтительно 100-500 кГц, более предпочтительно, 10-100 кГц, как например, при 10, при 20, 40, 60, 80 или 100 кГц или при любой частоте между ними, как например, 30 или 50 кГц.
- 2 024959
Ультразвуковое облучение используют при амплитуде или удельной мощности, которые подходят для получения материала для заранее заданного применения. Для лабораторных зондовых измерительных установок с поверхностью испускания, например, 80 см2, выбранная амплитуда может быть от примерно 1-30 мкм, обычно от 3-20 мкм, предпочтительно от 5-10 мкм, например 6 мкм. Зонды с площадью поверхности 8 см и мощностными требованиями от 5-80 Вт обеспечивают удельную мощность от примерно 0,6-12,5 Вт/см2 при использовании амплитуды 2-15 мкм. В более крупных системах, предпочтительно в таких, как осуществлены в \УО 03/101577, включающих преобразователи, прикрепленные на проточную ячейку, например проточную ячейку объемом 6 л, удельная мощность используемых преобразователей может быть от 10-100 Вт/л, предпочтительно от 30-80 Вт/л и более предпочтительно от 5075 Вт/л, например 60 Вт/л или 70 Вт/л. Настоящее изобретение в особенности подходит для производства промышленного масштаба.
Время пребывания смешанных компонентов в ультразвуковой проточной ячейке предпочтительно больше 0,1 мс, более предпочтительно больше 1 мс, еще более предпочтительно больше 1 мин, например между 1 с и 24 ч, более предпочтительно между 1 мин и 6 ч, более предпочтительно между 5 мин и 1 ч.
Источник ультразвука может быть различным в зависимости от природы биомассы, но было установлено, что источник ультразвука с выходной мощностью от 50 до 400 Вт является предпочтительным, например от 100 до 300 Вт или от 150 до 250 Вт, например 200 Вт.
Механизм, по которому ультразвук улучшает отделение лигнина от лигноцеллюлозного материала, до конца еще не ясен, но это может быть обусловлено способностью ультразвука вызывать кавитацию, которая вызывает локальный рост температуры и давления в жидкости, где проходит реакция, и/или разрывает твердые вещества и удаляет пассивирующие слои инертного материала, освобождая площадь для прохождения реакции. Обработка ультразвуком снижает содержание нерастворимой пульпы и увеличивает выход органически растворимого лигнина.
В следующем аспекте изобретения способ может быть улучшен путем, например, депарафинизации лигноцеллюлозного материала перед реакцией. Хотя могут быть использованы любые общеизвестные депарафинизирующие агенты, депарафинизация может быть микробиологической, к примеру, при использовании грибковых организмов, или химической, к примеру, при использовании одного или нескольких органических растворителей. Хотя понятно, что могут быть использованы общеизвестные депарафинизирующие растворители, такие как толуол, в объеме данного изобретения, по возможности, применяется более экологически безопасные растворители.
Более того, эффективность способа вываривания может быть увеличена посредством предварительной обработки лигнина грибком. Это способствует уменьшению степени полимеризации лигнина и, следовательно, ускоряет самую медленную стадию реакции вываривания. Предварительная обработка материала биомассы перед дальнейшей переработкой может быть также полезной, поскольку может быть повышена степень чистоты конечных продуктов. Также, поскольку любая биомасса содержит не только лигнин, целлюлозу и гемицеллюлозу, но также белки, воск, эфирные масла, неорганические соединения и т. д., воздействие любых побочных продуктов, например, на дальнейшие процессы, может быть уменьшено.
В дополнение к этому, скорость реакции может быть выше в режиме потока в сравнении, например, с смесительной емкостью.
Способ реакции может включать дополнительный энергетический источник, то есть в дополнение к обработке ультразвуком. Может быть использовано множество дополнительных энергетических источников, например термическая энергия. Однако, особенным преимуществом настоящего изобретения является то, что процесс разделения может быть проведен при низкой температуре, то есть температуре низкой по сравнению со способом, известным из уровня техники. Таким образом, например, способ, известный из уровня техники, описанный в патенте США № 5370837, проводят при температуре от 140°С и вплоть до 220°С, тогда как, в отличие от этого, способ данного изобретения может быть проведен при температуре около 40°С, например от 30 до 60°С. В связи с этим согласно настоящему изобретению дополнительным источником энергии, который может быть использован, может являться микроволновая энергия. Хотя микроволновая энергия уже используется при обработке материала биомассы, применение микроволн совместно с обработкой ультразвуком является новым и рассматривается в объеме настоящего изобретения.
Способ настоящего изобретения при необходимости может быть проведен при атмосферном давлении, однако, в объеме настоящего изобретения реакцию проводят при повышенном давлении.
Хотя в настоящем изобретении может быть использовано множество не смешивающихся с водой органических растворителей, предпочтительно использовать кетон, такой как алифатический кетон. Предпочтительно кетон является алифатическим кетоном, имеющим не менее 4 атомов углерода (и может иметь до 10 атомов углерода). Алифатические кетоны, которые могут быть упомянуты, включают, например, метилэтилкетон, метилизопропилкетон, метилпропилкетон, метилбутилкетон, метилизобутилкетон, метилизоамилкетон, диэтилкетон, этилизопропилкетон, этилпропилкетон и этилизобутилкетон. Особенный кетон, который может быть упомянут, - метилизобутилкетон (МИБК). Обычно кетон присутствует в системе растворителей в количестве от примерно 5 до 65% м/м. Массовое отношение ке- 3 024959 тона к воде предпочтительно лежит в диапазоне от примерно 1:9 до 5:1, пока не получена первая фаза вывариваемой жидкости.
Растворителем, смешивающимся с водой или водорастворимым, предпочтительно может быть спирт. Спирт может иметь менее 4 атомов углерода, чтобы гарантированно знать, что он смешивается с водой. Подходящие спирты, которые могут быть упомянуты, включают, например, метанол, этанол, пропанол, изопропанол и бутанол. Спирт обычно присутствует в количестве от примерно 25 до 35% м/м.
Как правило, массовое соотношение растворителя(ей) к биомассе может меняться в зависимости, помимо всего остального, от природы биомассы, природы растворителя и т. п. Однако, соотношение может быть от 4:1 до 10:1.
После завершения разделения фаза может быть легко отделена добавлением или воды, или не смешивающегося с водой растворителя. Лигнин, находящийся в не смешивающемся с водой растворителе, может быть выделен дополнительными способами, такими как, например выпариванием обычно летучего не смешивающегося с водой растворителя. Гемицеллюлоза и растворенные сахара, как правило, находятся в водной или смешивающейся с водой фазе, а целлюлозный материал остается в нерастворимом слое.
Описанный здесь способ является выгодным, потому что большая часть материалов, используемых в описанном здесь способе, может быть переработана, например переработка материалов, например растворителей, кислоты и т. д., использованных в способе изобретения, может составить до 95%.
Таким образом, следующим аспектом изобретения является лигнин, гемицеллюлоза и/или целлюлоза, полученные по описанному выше способу. Другим аспектом изобретения является лигнин, полученный по описанному выше способу. В еще одном аспекте изобретение относится к гемицеллюлозе, полученной по описанному выше способу. В еще одном аспекте изобретение относится к целлюлозе, полученной по описанному выше способу.
В другом аспекте изобретение относится к способу получения чистых реагентов из лигнина, полученного в соответствии с описанным выше способом.
В дополнение к изобретению, описанному выше, способ кислотного гидролиза может быть заменен или поддержан гидролизом с использованием одного или нескольких гетерогенных катализаторов, таких как ксеолит, палладий и подобные.
В дополнение или в качестве альтернативы, способ разделения растворителей, как описано выше, может включать применение одной или нескольких совместимых с растворителем мембран, например наномембраны, которые помогают разделению, например, смешивающихся с водой и не смешивающихся с водой компонентов. Использование мембранного разделения может быть предпочтительно, так как это минимизирует или исключит применение определенных растворителей и особенно органических растворителей, которые могут быть экологически нежелательными.
Способ, как описано выше, может быть организован непрерывно или периодически. Для применения в промышленном масштабе предпочтителен непрерывный процесс. Однако, в одном аспекте настоящего изобретения предусмотрено, что биомасса может быть обработана по или близко к источнику, в этом случае может быть предпочтителен периодический процесс. Наиболее предпочтительным аспектом настоящего изобретения является низкотемпературный способ, требующий малых затрат энергии и экологически безвредный, используемый в небольших местностях, куда поставляют биомассу.
В следующем аспекте изобретения представлен способ или процесс, как описано выше, в котором ультразвук направлен к обрабатываемому щелоку или суспензии в сосуде, с использованием большого количества ультразвуковых преобразователей, прикрепленных к стенке сосуда в ряд как по окружности, так и по длине, причем каждый преобразователь соединяют с источником сигнала так, что преобразователь излучает не более 3 Вт/см2, при этом преобразователи расположены относительно близко друг к другу и число преобразователей относительно велико, таким образом, рассеивание мощности внутри сосуда составляет между 25 и 150 Вт/л.
Таким образом, в соответствии со следующим аспектом изобретения представлена система для переработки биомассы, которая включает вываривание материала биомассы в водной системе растворителей, подвергнутой действию ультразвуковых волн, и разделение биомассы на ее компоненты: лигнин, гемицеллюлозу и целлюлозу.
Далее представлен реактор, например подвижной реактор, для переработки биомассы, которая включает вываривание материала биомассы в водной системе растворителей, подвергнутой действию ультразвуковых волн, и разделение биомассы на ее компоненты: лигнин, гемицеллюлозу и целлюлозу. Как известно специалисту в данной области техники, установка для переработки биомассы может включать большое количество реакторов, установленных для проведения Процесса получения топлива, электрической, тепловой энергии и химикатов из биомассы.
Реактор, описанный выше, может включать реакционную емкость, источник ультразвука и систему разделения фаз. В дополнение к этому, описанный выше реактор может дополнительно содержать один или несколько источников микроволн, систему рециркуляции или регенерации растворителя, мембранную систему разделения и т. д.
Далее изобретение будет описано только на примерах и со ссылками на прилагаемые таблицы.
- 4 024959
Пример 1. Воспроизведение известного уровня техники США № 5730837.
Точные составы, использованные в воспроизводимых примерах данного исследования:
г сухой биомассы (высушенной в вакуумной печи, чтобы уточнить известное содержание воды в щелоке, и выструганной станком на щепки размером 1-3 мм),
150 мл щелока (24% воды, 44% метилизобутилкетона МИБК, 32% этанола),
0,05 моль/л серной кислоты Н2§04.
Исследования проводили в автоклаве из нержавеющей стали с внутренним объемом 250 мл и снабженном магнитной мешалкой и электрическим нагревателем.
Пример 2. Влияние ультразвука на кислотное вываривание деревянной биомассы.
Известно, что ультразвук эффективно разрушает клеточные стенки, ускоряя процесс экстракции. В данных исследованиях использовали лабораторный Нотп-Гуре ультразвуковой аппарат с регулируемой температурой и выходной мощностью ~83 Вт. Использовали биомассу дуба и стандартные условия разделения. Предварительную обработку биомассы провели в реакционном щелоке при 40-50°С.
Табл. 1 показывает, что увеличение времени обработки ультразвуком приводит к уменьшению количества осадочной нерастворимой пульпы и к увеличению содержания органически растворимого лигнина. Количество водорастворимой гемицеллюлозы остается неизмененным. Общее уменьшение количества пульпы между 15 и 60 мин обработки ультразвуком составляет примерно 5,2% от общего сухого веса образца биомассы, тогда как увеличение количества органически растворимого лигнина составляет примерно 4,8%.
Основным результатом обработки ультразвуком оказывается его способность провести процесс превращения полимера лигнина в органически растворимый лигнин более эффективно и/или превращение лигнина в более поддающийся действию органического растворителя.
Таблица 1
Влияние времени обработки ультразвуком на процесс разделения
Время обработки ультразвуком (мин) Пульпа (%) Лигнин (%) Гемицеллюлоза (%)
15 37, 4 13, 0 49, 6
30 34, 3 16, 8 48,9
60 32, 0 17, 8 50,2
Пример 3. Сравнительные исследования по отношению к патенту США № 5730837.
Сравнительные исследования провели, сравнивая низкотемпературный (40°С) процесс обработки ультразвуком настоящего изобретения (под названием ΒίοΕχ) для различных источников биомассы. В дополнение к этому, сравнение низкотемпературного процесса обработки ультразвуком против высокотемпературной реакции без обработки ультразвуком процесса известного уровня техники описано в патенте США № 5730837.
Результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
- 5 024959
нительно оснащенный терморегулирующей охлаждающей рубашкой 2, мешалку 3 и донный сток 4, через который рабочая жидкость/суспензия нагнетается до первой скорости потока через клапан 5 и насос 6 внутрь ультразвуковой проточной ячейки 7, снабженной круговой сборкой ультразвуковых преобразователей 8, размещенных на ее внешней поверхности. Ультразвуковое устройство 7 облучает смесь ультразвуковой энергией, и смесь протекает через выходное отверстие 9 в снабженный рубашкой сосуд 1, завершая непрерывный замкнутый поток циркуляции. Цикл повторяют до тех пор, пока не будет получена необходимая конечная смесь. Поэтому при работе приспособления рабочую смесь тщательно и быстро размешивают; при этом объем сосуда 1 и скорости потока такие, что время пребывания в ультразвуковой проточной ячейке 7 составляет, к примеру, 10, или 60, или 100 с. Специалисты оценят, что приспособление способа с замкнутой схемой на фиг. 1 может быть сконструировано таким образом, например, что рабочая суспензия может быть удалена из приспособления через клапан 10 и насос 1 и, например, путем введения дополнительных средств доставки 12, 13 для следующей рабочей жидкости или суспензии.

Claims (13)

1. Способ переработки биомассы, который включает вываривание материала биомассы в водной системе растворителей, содержащей воду и смешиваемый с водой растворитель, для растворения гемицеллюлозного материал и сахаров, а также органический растворитель для растворения лигнина, и включающей органическую кислоту; воздействие на биомассу ультразвуковыми волнами и разделение биомассы на ее компоненты: лигнин, гемицеллюлозу и целлюлозу.
2. Способ по п.1, в котором смесь биомассы, воды, смешивающегося с водой растворителя и не смешивающегося с водой растворителя вываривают и отдельно, одновременно или последовательно подвергают действию ультразвука.
3. Способ по п.1, в котором находящийся в биомассе лигнин экстрагируют в органическую фазу, гемицеллюлозный материал и растворенные сахара экстрагируют в водную фазу, и целлюлоза остается в осадке биомассы.
4. Способ по п.1, в котором применяют ультразвук с частотой от 10 до 250 кГц.
5. Способ по п.1, в котором способ включает стадию депарафинизации.
6. Способ по п.1, в котором способ проводят при температуре от 30 до 60°С.
7. Способ по п.1, в котором способ включает использование микроволновой энергии.
8. Способ по п.1, в котором не смешивающимся с водой органическим растворителем является кетон.
9. Способ по п.1, в котором смешивающимся с водой растворителем является спирт.
10. Способ по п.1, в котором способ включает использование одного или нескольких гетерогенных катализаторов для гидролиза.
11. Способ по п.1, в котором способ включает использование одной или нескольких совместимых с растворителем мембран, которые помогают разделению смешивающихся с водой компонентов растворителя и компонентов органического растворителя.
12. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором ультразвук направляют к обрабатываемой суспензии в сосуде с использованием большого количества ультразвуковых преобразователей, прикрепленных к стенке сосуда в ряд как по окружности, так и по длине, причем каждый преобразователь соединяют с источником сигнала так, что преобразователь излучает не более 3 Вт/см2, при этом число преобразователей выбрано таким, чтобы рассеивание мощности внутри сосуда составляло между 25 и 150 Вт/10-3 м3.
13. Способ гидролиза гемицеллюлозы, который включает вываривание гемицеллюлозного материала в водной системе растворителей, содержащей воду, смешиваемый с водой растворитель для растворения гемицеллюлозного материала и сахаров и включающей органическую кислоту; воздействие на биомассу ультразвуковыми волнами и разделение полученных продуктов гидролиза.
- 6 024959
EA201100837A 2008-11-24 2009-11-23 Переработка биомассы EA024959B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GBGB0821419.9A GB0821419D0 (en) 2008-11-24 2008-11-24 Processing of biomass
PCT/GB2009/002731 WO2010058185A1 (en) 2008-11-24 2009-11-23 Processing of biomass

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201100837A1 EA201100837A1 (ru) 2012-07-30
EA024959B1 true EA024959B1 (ru) 2016-11-30

Family

ID=40230715

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201100837A EA024959B1 (ru) 2008-11-24 2009-11-23 Переработка биомассы

Country Status (13)

Country Link
US (1) US20110313141A1 (ru)
EP (1) EP2358759B1 (ru)
CN (2) CN102239186A (ru)
AU (1) AU2009316977B2 (ru)
BR (1) BRPI0921987B1 (ru)
CA (1) CA2743788C (ru)
DK (1) DK2358759T3 (ru)
EA (1) EA024959B1 (ru)
ES (1) ES2664048T3 (ru)
GB (1) GB0821419D0 (ru)
NZ (1) NZ593402A (ru)
PL (1) PL2358759T3 (ru)
WO (1) WO2010058185A1 (ru)

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013082530A1 (en) * 2011-12-02 2013-06-06 Coastal Waters Biotechnology Group, Llc Biomass fertilization vessels
JP2015524250A (ja) * 2012-06-04 2015-08-24 レディング, ブルース ケイ.ジュニアREDDING, Bruce K., Jr. 超音波強化種子発芽システム
FI124553B (fi) 2012-07-11 2014-10-15 Bln Woods Ltd Ab Menetelmä biomassan uuttamiseksi
CN103007890B (zh) * 2012-10-11 2014-06-11 广西大学 一种微波、光波和超声波协同催化制备半纤维素基重金属离子吸附剂的方法
GB201303521D0 (en) * 2013-02-27 2013-04-10 Bio Sep Ltd Process operations for biomass fractionation
GB201303520D0 (en) 2013-02-27 2013-04-10 Bio Sep Ltd Biomass process optimisation
CN105142387A (zh) * 2013-07-19 2015-12-09 小布鲁斯·K·雷丁 超声波增强种子萌芽系统
US9421477B2 (en) 2013-08-12 2016-08-23 Green Extraction Technologies Biomass fractionation and extraction apparatus
US20150045543A1 (en) 2013-08-12 2015-02-12 Melvin Mitchell Isolation method for water insoluble components of a biomass and products provided therefrom
US20150044306A1 (en) * 2013-08-12 2015-02-12 Melvin Mitchell Process for fractionation and extraction of herbal plant material to isolate extractives for pharmaceuticals and nutraceuticals
EP3083035A1 (en) * 2013-12-20 2016-10-26 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Methods and systems for processing a reaction product mixture of a cellulosic biomass material
CN103806316B (zh) * 2014-03-04 2015-11-04 山东来利来生态纺织科技有限公司 一种细化生姜纤维及其制备方法
CN108473522A (zh) * 2015-11-16 2018-08-31 Ptt全球化学股份有限公司 木质纤维素生物质的分级方法
CN106676921A (zh) * 2016-12-19 2017-05-17 江南大学 一种采用生姜汁加工副产物姜丝纤维制备食品包装纸的方法
AT519535A1 (de) * 2016-12-23 2018-07-15 Univ Wien Tech Herstellungsverfahren
KR102001231B1 (ko) * 2017-03-02 2019-07-17 주식회사 지에스나노셀 초음파를 이용한 감압방식의 셀룰로오스 나노화 장치
US10557235B2 (en) * 2017-07-21 2020-02-11 Andritz Inc. Ultrasonic semelt dissolving and shattering system
CN108586770B (zh) * 2018-03-20 2020-11-17 青岛大学 一种从植物生物质中清洁分离木质素和半纤维素的方法
AT521393B1 (de) 2018-06-27 2021-02-15 Univ Wien Tech Verfahren zur Herstellung von Ligninpartikel im Rahmen eines kontinuierlichen Verfahrens
US20240183077A1 (en) * 2020-12-03 2024-06-06 Defugo Technologies Pte Ltd Decorticator and decorticating process
GB202218784D0 (en) * 2022-12-13 2023-01-25 Bio Sep Ltd Biomass treatment

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2747130A1 (fr) * 1996-04-09 1997-10-10 Drean Henri Louis Marie Bioreacteur polyvalent a structures verticales
US5730837A (en) * 1994-12-02 1998-03-24 Midwest Research Institute Method of separating lignocellulosic material into lignin, cellulose and dissolved sugars
WO2002004084A2 (en) * 2000-07-10 2002-01-17 Thorre Technologies, Llc Process for obtaining bio-functional fractions from biomass
US20050136520A1 (en) * 2003-10-03 2005-06-23 Kinley Michael T. Biomass conversion to alcohol using ultrasonic energy
WO2007095787A1 (fr) * 2006-02-27 2007-08-30 Pficker Pharmaceuticals Ltd. Nouveau procédé de production de combustible liquide à partir de la biomasse

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH552716A (fr) 1972-03-06 1974-08-15 Promotion Et D Exploit Ind De Procede d'obtention de la cellulose a partir de matieres premieres ligno-cellulosiques.
DE2737118A1 (de) * 1977-08-17 1979-03-01 Projektierung Chem Verfahrenst Verfahren zur gewinnung von zuckern, gegebenenfalls cellulose und gegebenenfalls lignin aus lignocellulosischen pflanzlichen rohstoffen
CA1100266A (en) * 1977-08-31 1981-05-05 Laszlo Paszner Organosolv delignification and saccharification process for lignocellulosic plant materials
US4594130A (en) 1978-11-27 1986-06-10 Chang Pei Ching Pulping of lignocellulose with aqueous alcohol and alkaline earth metal salt catalyst
US5494748A (en) * 1989-04-17 1996-02-27 Ecco Gleittechnik Gmbh Reinforcement fibers and/or process fibers based on plant fibers
US5338366A (en) * 1993-01-04 1994-08-16 Kamyr, Inc. Acid pre-hydrolysis reactor system
US6333181B1 (en) * 1997-04-07 2001-12-25 University Of Florida Research Foundation, Inc. Ethanol production from lignocellulose
GB9827360D0 (en) 1998-12-12 1999-02-03 Aea Technology Plc Process and apparatus for irradiating fluids
US20050067122A1 (en) * 2000-05-17 2005-03-31 Bijan Kazem Methods of processing lignocellulosic pulp with cavitation
ES2258168T3 (es) * 2001-12-11 2006-08-16 Ufo Ab Sistema transductor ultrasonico.
GB0212626D0 (en) 2002-05-31 2002-07-10 Accentus Plc Production of crystalline ingredients
DE60310923T2 (de) * 2002-05-31 2007-07-05 Accentus Plc Herstellung von kristallmaterialien mittels hochleistungsultraschall
US20040231060A1 (en) * 2003-03-07 2004-11-25 Athenix Corporation Methods to enhance the activity of lignocellulose-degrading enzymes
US20070029264A1 (en) * 2004-06-15 2007-02-08 Bowe Michael J Processing biological waste materials to provide energy
US8105451B2 (en) * 2005-02-18 2012-01-31 Force Technology Method and system for enhanced manufacturing of biomass-based products
US20100124583A1 (en) * 2008-04-30 2010-05-20 Xyleco, Inc. Processing biomass
CN101092435B (zh) * 2007-07-16 2010-06-09 北京梦狐宇通竹纤维研究开发中心 生物质有机组分的分离工艺方法
WO2009058204A1 (en) * 2007-11-01 2009-05-07 Eau-Viron Incorporated Methods and apparatus for hydrolyzing cellulosic material
US20110223643A1 (en) * 2007-11-23 2011-09-15 China Fuel (Huaibei) Bioenergy Technology Developm System for bionic catalytic hydrolyzing cellulose and its use in producing liquid fuel from cellulose biomass
CN101168679A (zh) * 2007-12-06 2008-04-30 四川大学 利用生物质原料制取液体燃料的方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5730837A (en) * 1994-12-02 1998-03-24 Midwest Research Institute Method of separating lignocellulosic material into lignin, cellulose and dissolved sugars
FR2747130A1 (fr) * 1996-04-09 1997-10-10 Drean Henri Louis Marie Bioreacteur polyvalent a structures verticales
WO2002004084A2 (en) * 2000-07-10 2002-01-17 Thorre Technologies, Llc Process for obtaining bio-functional fractions from biomass
US20050136520A1 (en) * 2003-10-03 2005-06-23 Kinley Michael T. Biomass conversion to alcohol using ultrasonic energy
WO2007095787A1 (fr) * 2006-02-27 2007-08-30 Pficker Pharmaceuticals Ltd. Nouveau procédé de production de combustible liquide à partir de la biomasse
EP2006354A2 (en) * 2006-02-27 2008-12-24 Pficker Pharmaceuticals Ltd. Novel method for production liquid fuel from biomass

Also Published As

Publication number Publication date
AU2009316977B2 (en) 2015-02-05
PL2358759T3 (pl) 2018-07-31
US20110313141A1 (en) 2011-12-22
WO2010058185A1 (en) 2010-05-27
BRPI0921987A2 (pt) 2018-06-05
CA2743788A1 (en) 2010-05-27
AU2009316977A1 (en) 2011-06-23
CA2743788C (en) 2018-07-17
NZ593402A (en) 2014-02-28
BRPI0921987B1 (pt) 2020-10-13
EP2358759A1 (en) 2011-08-24
CN102239186A (zh) 2011-11-09
DK2358759T3 (en) 2018-04-16
EA201100837A1 (ru) 2012-07-30
ES2664048T3 (es) 2018-04-18
EP2358759B1 (en) 2018-01-10
GB0821419D0 (en) 2008-12-31
CN107434828A (zh) 2017-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA024959B1 (ru) Переработка биомассы
Yu et al. Ultrasound-ionic liquid enhanced enzymatic and acid hydrolysis of biomass cellulose
CN111321618B (zh) 一种利用超声微波强化深共熔溶剂解离玉米秸秆的方法
US20090186383A1 (en) Method of Extracting Starches and Sugar from Biological Material Using Controlled Cavitation
Remón et al. Production of fermentable species by microwave-assisted hydrothermal treatment of biomass carbohydrates: reactivity and fermentability assessments
Lévêque et al. Organic sonochemistry: Challenges and perspectives for the 21st century
Acciardo et al. Process intensification strategies for lignin valorization
CN105358581A (zh) 生物质分级分离的工艺操作
Gaudino et al. Optimization of ultrasound pretreatment and enzymatic hydrolysis of wheat straw: From lab to semi-industrial scale
Draye et al. Organic sonochemistry: ultrasound in green organic synthesis
Wang et al. Microwave-assisted hydrolysis of corn cob for xylose production in formic acid
AU2014222492B2 (en) Biomass process optimisation
Savun et al. Pretreatment of sewage sludge by low-frequency ultrasound
Gagić et al. Hydrothermal treatment of sugars to obtain high-value products
Brahim et al. Innovative physically-assisted soda fractionation of rapeseed hulls for better recovery of biopolymers
US20200332328A1 (en) Method for producing saccharified solution by enzymatic technique using cellulosic biomass as raw material
RU2390364C1 (ru) Способ экстракции биологически активных веществ из растительного сырья
Thangavelu et al. Delignification of corncob using ultrasonic pretreatment
Bussemaker Parametric Influences of Ultrsound in Homogeneous and Heterogeneous Mixtures for Biofuel and Biorefinery Applications
RU2394419C1 (ru) Способ кондиционирования растительного сырья
Lakina et al. RESEARCH ON WAYS TO PRODUCE BIOFUELS FROM RENEWABLE ENERGY SOURCES
WO2024127000A1 (en) Biomass treatment
SU497328A1 (ru) Способ очистки древесной смолы
EP2961883A1 (en) Biomass process optimisation
JP2014152261A (ja) バイオマス誘導体の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM