JP2016508177A - A continuous process for the conversion of lignin into useful compounds. - Google Patents

A continuous process for the conversion of lignin into useful compounds. Download PDF

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Abstract

この明細書は、リグニンバイオマス供給流を、芳香族化合物を含む変換リグニン流に変換する方法を開示する。該プロセスは、反応容器中でリグニン並びに少なくとも1つの溶媒及び少なくとも1つの触媒を組み合わせることを含む。好ましくは、触媒のモル数対リグニンのモル数の比が4:1から15:1の間の範囲内にある。リグニンバイオマス供給流はその後、脱酸素時間の間、脱酸素温度及び脱酸素圧力で、変換リグニン流へ脱酸素される。This specification discloses a method for converting a lignin biomass feed stream into a converted lignin stream comprising aromatic compounds. The process includes combining lignin and at least one solvent and at least one catalyst in a reaction vessel. Preferably, the ratio of moles of catalyst to moles of lignin is in the range between 4: 1 and 15: 1. The lignin biomass feed stream is then deoxygenated to a converted lignin stream at a deoxygenation temperature and deoxygenation pressure during the deoxygenation time.

Description

優先権および相互参照
本出願は、2013年1月13日に出願された米国仮特許出願第61/751,919号、2013年2月14日に出願された米国仮特許出願第61/754,611号、2013年2月15日に出願された米国仮特許出願第61/765,402号、2013年2月22日に出願された国際出願PCT/US2013/027393号、2013年2月26日に出願された国際出願PCT/EP2013/053625号、2013年2月26日に出願された国際出願PCT/EP2013/053626号、2013年2月26日に出願された国際出願PCT/EP2013/053628号、2013年2月26日に出願された国際出願PCT/EP2013/053629号、2013年2月26日に出願された国際出願PCT/EP2013/053630号、2013年2月26日に出願された国際出願PCT/EP2013/053631号、2013年10月27日に出願された国際出願PCT/EP2013/067734号、2013年2月24日に出願された米国特許出願第13/775,229号、2013年2月24日に出願された米国特許出願第13/775,230号、2013年2月24日に出願された米国特許出願第13/775,238号、2013年2月24日に出願された米国特許出願第13/775,239号、2013年2月24日に出願された米国特許出願第13/775,240号、2013年2月24日に出願された米国特許出願第13/775,241号、2013年2月24日に出願された米国特許出願第13/775,242号、2013年6月20日に出願された米国仮特許出願第61/837,262号、2013年8月16日に出願された米国仮特許出願第61/866,734号、および2013年10月18日に出願された米国仮特許出願第61/892,617号の優先権を主張し、それらのそれぞれの教示は、参照されて本明細書の一部とする。
Priority and cross-reference This application is filed in US Provisional Patent Application No. 61 / 751,919 filed on January 13, 2013, US Provisional Patent Application No. 61/754, filed on February 14, 2013. No. 611, US Provisional Patent Application No. 61 / 765,402 filed on Feb. 15, 2013, International Application No. PCT / US2013 / 027393, Feb. 26, 2013, filed Feb. 22, 2013 International application PCT / EP2013 / 053625 filed on February 26, 2013 International application PCT / EP2013 / 053626 filed on February 26, 2013, International application PCT / EP2013 / 053628 filed on February 26, 2013 International application PCT / EP2013 / 053629, filed February 26, 2013, filed February 26, 2013 International Application PCT / EP2013 / 053630, International Application PCT / EP2013 / 053631 filed on February 26, 2013, International Application PCT / EP2013 / 067734 filed on October 27, 2013, 2013 US Patent Application No. 13 / 775,229 filed February 24, US Patent Application No. 13 / 775,230 filed February 24, 2013, filed February 24, 2013 U.S. Patent Application No. 13 / 775,238, U.S. Patent Application No. 13 / 775,239 filed on Feb. 24, 2013, U.S. Patent Application No. 13/775, filed on Feb. 24, 2013 240, U.S. Patent Application No. 13 / 775,241, filed February 24, 2013, U.S. Patent, filed February 24, 2013 Application No. 13 / 775,242, US Provisional Patent Application No. 61 / 837,262, filed June 20, 2013, US Provisional Patent Application No. 61/866, filed August 16, 2013 734, and US Provisional Patent Application No. 61 / 892,617, filed Oct. 18, 2013, each of which is incorporated herein by reference. .

水素および触媒を使用する回分法(batch process)におけるリグニンの変換は公知である。例えば、(非特許文献1)は、風乾ポプラを水素およびRaneyニッケルに回分オートクレーブ中で340℃から350℃において1または2時間曝露して「油生成物」を生成することを開示する。   The conversion of lignin in a batch process using hydrogen and a catalyst is known. For example, Non-Patent Document 1 discloses exposing air-dried poplar to hydrogen and Raney nickel in a batch autoclave at 340 ° C. to 350 ° C. for 1 or 2 hours to produce an “oil product”.

しかしながら、(非特許文献1)によれば、「Raneyニッケルの使用は、目下、ニッケル塩からのニッケルの方を選択して中止されている・・・」。   However, according to (Non-Patent Document 1), "The use of Raney nickel is currently stopped by selecting nickel from nickel salts ...".

リグニンを回収するための触媒の使用も公知である。(非特許文献2)は、リグニンを変換する触媒的試みの包括的概説である。   The use of catalysts to recover lignin is also known. (Non-Patent Document 2) is a comprehensive review of catalytic attempts to convert lignin.

理論的な連続法が数多く提唱されている一方、本発明者らは、理論的基礎を超えて実施可能な程度のいかなる開示も知らない。例えば、固体リグニンの変換は、(非特許文献3)に示されるとおり重要な取扱上の課題を提示する。   While many theoretical continuous methods have been proposed, the inventors are not aware of any disclosure to the extent that they can be implemented beyond the theoretical basis. For example, conversion of solid lignin presents an important handling problem as shown in (Non-patent Document 3).

「バイオマススラリーのための高圧供給系は、1973年のアラブ石油禁輸以降、少なくとも現代のバイオマス変換系が開発中である限り、プロセス開発問題として認識されている。著者らは、技術水準および種々のスラリーポンプ輸送系を概説しており、その圧倒的多数は、ボール逆止弁を含む。著者らの結論は、高圧供給が小スケール生産についての課題を残すことであるが、著者らは「バイオマススラリーの高圧供給は、より大きい流量においてより容易に達成されるべきであり、バイオマスの繊維性は、オリフィスおよび弁を架橋および塞栓しないと予測される」と考えている。   “High pressure supply systems for biomass slurries have been recognized as a process development issue since the Arab oil embargo in 1973, at least as long as modern biomass conversion systems are under development. The slurry pumping system is outlined, with the vast majority including ball check valves, and our conclusion is that the high pressure supply leaves challenges for small scale production, The high pressure feed of the slurry should be more easily achieved at higher flow rates and the biomass fiber is expected not to bridge and plug the orifices and valves.

したがって、スラリーのためのポンプ輸送および装入スキームを提供することが必要とされている。   Therefore, there is a need to provide a pumping and charging scheme for the slurry.

この一例は、(特許文献1)、(特許文献2)、(特許文献3)、(特許文献4)、(特許文献5)、(特許文献6)、(特許文献7)、および(特許文献8)の一連の出願に存在する。共通の発明者によるこれらの出願は、回分オートクレーブ結果のみに基づく連続法を提唱し、エチレングリコールの高い触媒選択性を実証する。しかしながら、高いエチレングリコール収率は、3単位のエチレングリコールに直観的に開裂するセルロース原料の純度に依存する。列記される実験のうち、工業的または天然環境において見出されるバイオマス原料に最も近い原料を使用する実験は、晒パルプである。しかしながら、晒パルプは、37%の収率を生成したにすぎない。ヘミセルロースが使用される場合(キシロース)、結果は、エチレングリコールからかなり離れてプロピレングリコールにシフトされると予測される。連続法が理論的に記載されている一方、この出願は、実施可能な程度の連続法を開示し得ない。例えば、開示は、「連続法の材料は、低圧源から反応帯域中に輸送することができなければならず、生成物は、反応帯域から生成物回収帯域に輸送することができなければならない。操作方式に応じて、残留固体は、存在する場合、反応帯域から除去することができなければならない」と記述する。これは、連続法を操作する直観的に明らかな要件を開示するが、この記述は、当業者がそれらの要件をいかに達成するかを教示し得ない。この出願においてこの本質的な課題は考察も解決もされていない。実際、この刊行物の図2の考察の間、温度および圧力条件は、スラリーを1800psig、またはさらには200psigの列記圧力にいかに上昇させることができるかに関していかなる開示もせずに考察されている。1973年の石油禁輸以降2006年時点で存在する輸送の課題を考慮する場合、当業者に材料の輸送が重要であることを教示する開示は、実施可能とみなすことはほぼできない。   Examples of this are (Patent Literature 1), (Patent Literature 2), (Patent Literature 3), (Patent Literature 4), (Patent Literature 5), (Patent Literature 6), (Patent Literature 7), and (Patent Literature 7). It exists in a series of applications 8). These applications by common inventors propose a continuous process based solely on batch autoclave results and demonstrate the high catalyst selectivity of ethylene glycol. However, high ethylene glycol yields depend on the purity of the cellulose raw material that is intuitively cleaved to 3 units of ethylene glycol. Of the experiments listed, the experiment that uses the feedstock closest to the biomass feedstock found in industrial or natural environments is bleached pulp. However, the bleached pulp produced only a 37% yield. If hemicellulose is used (xylose), the results are expected to be shifted to propylene glycol far away from ethylene glycol. While a continuous process is theoretically described, this application cannot disclose a continuous process to the extent practicable. For example, the disclosure states: “Continuous process materials must be able to be transported from a low pressure source into the reaction zone and the product must be transportable from the reaction zone to the product recovery zone. Depending on the mode of operation, residual solids, if present, must be able to be removed from the reaction zone. Although this discloses intuitively obvious requirements for operating a continuous process, this description cannot teach how one of ordinary skill in the art will achieve those requirements. This essential problem is not discussed or solved in this application. In fact, during the discussion of FIG. 2 of this publication, temperature and pressure conditions are discussed without any disclosure regarding how the slurry can be raised to a listed pressure of 1800 psig, or even 200 psig. In view of the transportation challenges that exist as of 2006 since the 1973 oil embargo, disclosure that teaches those skilled in the art that material transportation is important can hardly be considered feasible.

これらの一連の出願は、水を反応帯域中で液相で保持することも開示する。これは、回分オートクレーブ中で密封性に起因して生じる。しかしながら、これは、連続法においていかにこれを行うかも、それを行うことができるかどうかさえも開示し得ない。   These series of applications also disclose holding water in the liquid phase in the reaction zone. This occurs due to tightness in the batch autoclave. However, this cannot disclose how to do this in a continuous process or even whether it can be done.

上記出願および刊行物において、記載されているが解決されていないポンプ輸送および装入の課題を回避するため、リグニンの溶解が提唱されている。(特許文献9)は、逆止弁および高圧液体装入系を十分に利用して材料を液体として装入することができるようなリグニンの溶解に依存する。実際、(特許文献9)によれば、「唯一の制限は、水素化分解反応に供給されるリグニンが、供給温度において、前記溶媒中で十分に溶解していることである」。   In the above applications and publications, dissolution of lignin has been proposed to avoid the pumping and charging problems described but not solved. (Patent Document 9) relies on the dissolution of lignin such that the material can be charged as a liquid, fully utilizing a check valve and high pressure liquid charging system. In fact, according to (Patent Document 9), “the only limitation is that the lignin supplied to the hydrocracking reaction is sufficiently dissolved in the solvent at the supply temperature”.

変換リグニン供給流の生成物の基本芳香族化合物への変換は長きにわたり産業的に望まれている。低苛酷条件下(<190℃)での変換リグニン供給流の生成物の変換が試みられてきた。しかしながら、これらの条件は、全てではないが数モデルの化合物における芳香族化合物の選択性を得るにあたり無益であることが証明された。   Conversion of the product of the converted lignin feed stream to basic aromatics has long been industrially desired. Attempts have been made to convert the product of the converted lignin feed stream under low harsh conditions (<190 ° C.). However, these conditions have proved useless in obtaining aromatic compound selectivity in a few, but not all, models.

したがって、取扱、装入、および実施すべきプロセスに不可欠な条件を含む、リグニンをいかに連続的に変換するかを適切に実施可能な程度の開示が必要とされている。リグニン由来供給流から相当な比率の芳香族化合物を生成し得る方法を提供することも必要とされている。これらの条件およびステップは、新規性および発明性の両方を示し、実験的に実施可能とされた最初のものであると考えられる。   Therefore, there is a need for a disclosure that is adequate to implement how to continuously convert lignin, including the conditions essential to handling, charging, and the process to be performed. There is also a need to provide a process that can produce a substantial proportion of aromatic compounds from a lignin derived feed stream. These conditions and steps represent both novelty and inventiveness and are considered the first to be experimentally feasible.

米国特許出願公開第2011/0312051号明細書US Patent Application Publication No. 2011/0312051 米国特許出願公開第2011/0312487号明細書US Patent Application Publication No. 2011/0312487 米国特許出願公開第2011/0312488号明細書US Patent Application Publication No. 2011/0312488 米国特許出願公開第2011/0313212号明細書US Patent Application Publication No. 2011/0313212 米国特許出願公開第2011/0313210号明細書US Patent Application Publication No. 2011/0313210 米国特許出願公開第2011/0313209号明細書US Patent Application Publication No. 2011/0313209 米国特許出願公開第2011/0313208号明細書US Patent Application Publication No. 2011/0313208 Specification 米国特許出願公開第2011/0312050号明細書US Patent Application Publication No. 2011/0312050 国際公開第2011/117705号International Publication No. 2011/117705

Boocock,D.G.B et al,“The Production of Synthetic Organic Liquids from Wood Using a Modified Nickel Catalyst”Boocock, D.C. G. B et al, “The Production of Synthetic Organic Liquids From Wood Using a Modified Nickel Catalyst” Zakzeski,Pieter C,et al;“The Catalytic Valorization of Lignin for the Production of Renewable Chemicals”,2010年Zakzeski, Pieter C, et al; “The Catalytic Valuation of Lignin for the Production of Renewable Chemicals”, 2010. PNNL−16079,2006年9月PNNL-16079, September 2006

本明細書において、変換リグニンバイオマス供給流の変換リグニン流への変換のための方法が開示される。本明細書に開示される方法は、反応容器中でリグニン及び少なくとも第1の溶媒を含むリグニンバイオマス供給流と第1の触媒と組み合わせることであって、第1の触媒のモル数とリグニンのモル数の比が4:1から15:1の間の範囲である工程、及び、脱酸素の時間の間、脱酸素温度及び脱酸素圧力で、前記リグニンバイオマス供給流から脱酸素して変換リグニン流にする工程を含む。   Disclosed herein is a method for conversion of a converted lignin biomass feed stream to a converted lignin stream. The method disclosed herein is to combine a first catalyst with a lignin biomass feed stream comprising lignin and at least a first solvent in a reaction vessel, the number of moles of the first catalyst and the mole of lignin. Deoxygenated and converted lignin stream from the lignin biomass feed stream at a deoxygenation temperature and deoxygenation pressure during the process wherein the ratio of the number is between 4: 1 and 15: 1 and during the time of deoxygenation The process of making.

本明細書で記載される方法の一実施形態において、第1の触媒のモル数とリグニンのモル数の比が4:1から12:1の間の範囲である。更なる実施形態において、第1の触媒のモル数とリグニンのモル数の比が4:1から10:1の間の範囲である。また更なる実施形態において、第1の触媒のモル数とリグニンのモル数の比が4:1から9:1の間の範囲である。更に別の実施形態において、第1の触媒のモル数とリグニンのモル数の比が5:1から9:1の間の範囲である。   In one embodiment of the method described herein, the ratio of moles of first catalyst to moles of lignin ranges between 4: 1 and 12: 1. In a further embodiment, the ratio of moles of first catalyst to moles of lignin ranges between 4: 1 and 10: 1. In still further embodiments, the ratio of the number of moles of first catalyst to the number of moles of lignin ranges between 4: 1 and 9: 1. In yet another embodiment, the ratio of moles of the first catalyst to moles of lignin ranges between 5: 1 and 9: 1.

本明細書で記載される方法の一実施形態において、脱酸素温度は205℃から325℃の間の範囲である。更なる実施形態において、脱酸素温度は215℃から300℃の間の範囲である。また更なる実施形態において、脱酸素温度は225℃から280℃の間の範囲である。   In one embodiment of the method described herein, the deoxygenation temperature ranges between 205 ° C and 325 ° C. In a further embodiment, the deoxygenation temperature ranges between 215 ° C and 300 ° C. In still further embodiments, the deoxygenation temperature ranges between 225 ° C and 280 ° C.

本明細書で記載される方法の一実施形態において、第1の触媒は金属触媒を含み、該金属はニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、モリブデン、コバルト、および鉄からなる群から選択される。   In one embodiment of the method described herein, the first catalyst comprises a metal catalyst, wherein the metal is selected from the group consisting of nickel, palladium, platinum, ruthenium, rhodium, molybdenum, cobalt, and iron. .

本明細書で記載される方法の一実施形態において、脱酸素圧力は60バール(bar)から100バールの間の範囲である。更なる実施形態において、脱酸素圧力は70バール(bar)から100バールの間の範囲である。また別の実施形態において、脱酸素圧力は75バール(bar)から95バールの間の範囲である。   In one embodiment of the method described herein, the deoxygenation pressure ranges between 60 bar and 100 bar. In a further embodiment, the deoxygenation pressure ranges between 70 bar and 100 bar. In yet another embodiment, the deoxygenation pressure ranges between 75 bar and 95 bar.

一実施形態において、脱酸素時間は5分間から2時間の間の範囲である。更なる実施形態において、脱酸素時間は10分間から1.5時間の間の範囲である。また別の実施形態において、脱酸素時間は15分間から1時間の間の範囲である。   In one embodiment, the deoxygenation time ranges between 5 minutes and 2 hours. In a further embodiment, the deoxygenation time ranges between 10 minutes and 1.5 hours. In yet another embodiment, the deoxygenation time ranges between 15 minutes and 1 hour.

リグノセルロース系バイオマス原料をポリエステルボトルに連続的に変換する完全統合プロセスのユニット操作の模式的説明である。It is a schematic description of the unit operation of the fully integrated process which continuously converts a lignocellulosic biomass raw material into a polyester bottle. プロセスのさらなる実施形態を示す。Fig. 4 shows a further embodiment of the process. 統合施設の前処理またはスラリー作出ステップにおいて再使用されるリグニン変換プロセスからの水の少なくとも一部を用いる一実施形態を示す。7 illustrates one embodiment using at least a portion of water from a lignin conversion process that is reused in an integrated facility pretreatment or slurry creation step. リグニン変換プロセスのための連続撹拌槽型反応器の一実施形態を示す。1 illustrates one embodiment of a continuous stirred tank reactor for a lignin conversion process. 最終分散濃度対時間に対する混合型および真空の効果を示す。Figure 6 shows the effect of mixing and vacuum on final dispersion concentration versus time. リグニンを含むスラリーをリグニン変換反応器に装入するために使用されるピストンポンプおよび弁の模式図を示す。FIG. 2 shows a schematic diagram of a piston pump and valves used to charge a slurry containing lignin into a lignin conversion reactor. リグニンを含むスラリーをリグニン変換反応器に装入するために使用されるピストンポンプおよび弁の模式図を示す。FIG. 2 shows a schematic diagram of a piston pump and valves used to charge a slurry containing lignin into a lignin conversion reactor. 気泡塔の模式図を示す。The schematic diagram of a bubble column is shown. リグニンを含むスラリーを連続撹拌槽型反応器から達成されるものと同等のリグニン変換生成物に変換する気泡塔の能力を示す。Figure 2 shows the ability of a bubble column to convert a slurry containing lignin into a lignin conversion product equivalent to that achieved from a continuous stirred tank reactor.

本明細書は、特にバイオマス原料からの高収率の連続リグニン変換プロセスの実施可能な程度の開示および現実の実施化である。原料中の利用可能なリグニンの約80%が、使用可能な生成物として回収される。   This specification is a feasible disclosure and actual implementation of a high yield continuous lignin conversion process, especially from biomass feedstock. Approximately 80% of the available lignin in the feed is recovered as a usable product.

数字から明らかでないが、開示されるプロセスは、極めて高い収率の変換プロセスである。概算して、使用される1kgのバイオマス原料は、乾燥供給物の重量で50%のリグニン、41%の炭水化物および9%の灰分を含有した。   Although not clear from the numbers, the disclosed process is a very high yield conversion process. Approximately, 1 kg of biomass feedstock used contained 50% lignin, 41% carbohydrates and 9% ash by weight of dry feed.

1kgの原料に基づくプロセスの実証された高いリグニン回収率は、以下のとおりである:
原料の50乾燥重量%はリグニンでなく、それは、破壊されており、または灰分の場合には簡易に利用可能でないため使用されない。残りのリグニンのうち、リグニンの35〜40重量%は酸素であり、それはプロセスから除去される(脱酸素される)。したがって原料の50%がリグニンである一方、その重量の40%は、利用不能なリグニン(酸素)であり、原料の総重量の30%のみがリグニンの理論回収量として残される。以下の実験は原料の最大24〜26重量%を回収し、または理論的に利用可能なリグニンの約80%が使用可能な油に変換された。
The demonstrated high lignin recovery for a process based on 1 kg of raw material is as follows:
50% dry weight of the raw material is not lignin, it is broken down or not used in the case of ash because it is not readily available. Of the remaining lignin, 35-40% by weight of the lignin is oxygen, which is removed (deoxygenated) from the process. Thus, 50% of the raw material is lignin, while 40% of its weight is unusable lignin (oxygen), leaving only 30% of the total weight of the raw material as the theoretical recovered amount of lignin. The following experiments recovered up to 24-26% by weight of the feed, or about 80% of the theoretically available lignin was converted to usable oil.

背景技術の項に記載のとおり、回分オートクレーブからのリグニン変換データに基づき開発された連続リグニンおよびバイオマス反応器が数多く提唱されている。これらの従来の開示は、連続法を教示および実施可能とすることを試みている。しかしながら、これらは、これらの方法が連続法が抱える課題を対処し得ないため、実施可能な程度の開示でなく、一般に、操作不能である。   As described in the Background section, many continuous lignin and biomass reactors have been proposed that have been developed based on lignin conversion data from batch autoclaves. These prior disclosures attempt to teach and enable continuous processes. However, these are not disclosures to the extent that they can be implemented and are generally inoperable as these methods cannot address the challenges of continuous processes.

一例として、連続法は、極めて少量の長鎖脂肪族炭化水素を生成した一方、同等の回分法は、顕著な量の長鎖脂肪族炭化水素を生成した。連続法は、炭水化物を極めて低分子量、低沸点の分子、例えば、メタンおよび二酸化炭素に破壊し、それらを流出ガスに通して除去したと考えられる。回分法において、これらの化合物は、反応器中で保持され、長鎖脂肪族炭化水素(12を超える炭素)にさらに変換されると考えられる。したがって、本開示の連続法において、変換生成物の総重量のパーセントとして表現される11を超える数の炭素を有する脂肪族炭素の量は、10重量%未満であり、8重量%未満がより好ましく、5重量%未満がいっそうより好ましく、2.5重量%未満が最も好ましい。   As an example, the continuous process produced very small amounts of long chain aliphatic hydrocarbons, while the equivalent batch process produced significant amounts of long chain aliphatic hydrocarbons. The continuous process is thought to have broken down carbohydrates into very low molecular weight, low boiling molecules such as methane and carbon dioxide and removed them through the effluent gas. In batch processes, these compounds are believed to be retained in the reactor and further converted to long chain aliphatic hydrocarbons (greater than 12 carbons). Thus, in the continuous process of the present disclosure, the amount of aliphatic carbon having more than 11 carbons expressed as a percentage of the total weight of the conversion product is less than 10 wt%, more preferably less than 8 wt%. Less than 5% by weight is even more preferred, and less than 2.5% by weight is most preferred.

上記課題は、工業リグノセルロース系原料を使用し、モデル化合物を使用しない連続法を作出しようとする場合、本発明者らが直面する多くのものの1つにすぎない。これらの課題により、回分データまたはモデル化合物に基づき理論的な連続法を予測および実施可能な程度で特許請求することができない。   The above problem is only one of many that the present inventors face when using an industrial lignocellulosic raw material and creating a continuous process that does not use a model compound. Due to these challenges, claims cannot be made to the extent that a theoretical continuous method can be predicted and implemented based on batch data or model compounds.

本明細書は、当業者がリグニンを液体油に変換する連続法を操作することを十分に実施可能とするだけでなく、本明細書は、ポリエステルボトルまたは容器を作製するための油の後続の使用も開示する。   This specification not only fully enables those skilled in the art to operate a continuous process for converting lignin to liquid oil, but the specification also describes the subsequent use of oil to make polyester bottles or containers. The use is also disclosed.

リグニン
特許請求される方法は、リグニンを含む供給物または原料を利用する。それは、リグニンからなる原料、または本質的にリグニンからなる原料、または少なくとも95重量%のリグニンを含む原料も利用し得る。
Lignin The claimed method utilizes a feed or raw material containing lignin. It can also utilize a raw material consisting of lignin, or a raw material consisting essentially of lignin, or a raw material containing at least 95% by weight of lignin.

リグニンは、単一の化学構造を有さない。実際、Kirk Othmer Encyclopediaによれば、リグニンの正確な化学構造は、それが木材中で生じるために不明であり、その構造を変化させずに木材から抽出することが困難であるため、正確な構造は公知になり得ない。リグニンの多くの変種が存在する一方、本明細書において使用されるリグニンという用語は、p−ヒドロキシフェニル単位、シリンギル単位、およびグアヤシル単位を含む任意のポリマーを指す。   Lignin does not have a single chemical structure. In fact, according to Kirk Othmer Encyclopedia, the exact chemical structure of lignin is unknown because it occurs in wood and is difficult to extract from wood without changing its structure, so the exact structure Cannot be known. While there are many variants of lignin, the term lignin as used herein refers to any polymer containing p-hydroxyphenyl units, syringyl units, and guaiacyl units.

純粋なリグニン、例えば、オルガノソルブ、アセトソルブリグニンを使用することができる一方、リグニンのその天然起源からの抽出は、有機溶媒を使用して高価であり、環境問題が付随する。特許請求される方法の堅牢性は、リグニンがリグニン−セルロース系バイオマス原料中に見出される場合、本方法がリグニンを変換することが連続基準で実験的に実証されるという事実により確立される。   While pure lignin, such as organosolv, acetosorb lignin, can be used, extraction of lignin from its natural source is expensive using organic solvents and is associated with environmental problems. The robustness of the claimed method is established by the fact that when lignin is found in a lignin-cellulosic biomass feedstock, it is experimentally demonstrated on a continuous basis that the method converts lignin.

リグニンセルロース系バイオマス原料
本発明において変換すべきリグニンは、少なくとも1つの炭水化物およびリグニンを含む天然リグノセルロース系バイオマスの供給物または原料として存在し得る。天然リグノセルロース系バイオマスをいかに処理するかに応じて、原料の別の実施形態は、下記の組成ならびに特有の分解温度および表面積を有し得る。
Lignin cellulosic biomass feedstock The lignin to be converted in the present invention can be present as a feed or feedstock of natural lignocellulosic biomass comprising at least one carbohydrate and lignin. Depending on how the natural lignocellulosic biomass is treated, another embodiment of the feedstock may have the following composition and specific decomposition temperature and surface area:

原料は、天然存在のリグノセルロース系バイオマスを使用し得るため、流れは、比較的若い炭素材料を有する。ASTM D6866−04から抜粋された以下のものは、現代の炭素について記載し、それは、何千年も前のバイオマスに由来した、油井に由来する炭化水素とは対照的に、バイオ系炭化水素において見出されるものである。「化石炭素および生体生物圏からの炭素の相対的寄与の直接的な指標は、現代の炭素の率(または割合)、記号fとして表現することができる。これは、最近数十年にわたる大気中14Cの観察される入力関数の使用を介してfから導き出され、14Cの化石希釈(微量)および核実験による増大(大量)の複合的な影響を表す。fとfとの間の関係は、必然的に時間の関数である。引用文献[ASTM D6866−04、その教示は参照により全体として組み込まれる]において微粒子サンプリングが考察されている1985年までに、f比は、約1.2に減少していた。」 Since the feed can use naturally occurring lignocellulosic biomass, the stream has a relatively young carbon material. The following excerpt from ASTM D6866-04 describes modern carbon, which is found in bio-based hydrocarbons, as opposed to oil-derived hydrocarbons derived from biomass thousands of years ago. It is what “A direct indicator of the relative contribution of fossil carbon and carbon from the living biosphere can be expressed as the rate (or percentage) of modern carbon, the symbol f C. Derived from f M through the use of an observed input function of medium 14 C and represents the combined effect of fossil dilution (minority) and increase (mass) from nuclear experiments with 14 C. f C and f M The relationship between is necessarily a function of time, and by 1985 when particulate sampling was considered in the cited document [ASTM D6866-04, the teaching of which is incorporated by reference in its entirety], the f M ratio is , Decreased to about 1.2. "

化石炭素は、その年代が14Cの半減期5730年よりはるかに古いため、本質的に放射性炭素を含有しない炭素である。モダンカーボンは、δ13C=−19%に正規化された、SRM4990b(原型シュウ酸放射性炭素標準)の比放射能の明確に0.95倍である。機能的には、モダンカーボンの割合=(1/0.95)であり、単位1は、[紀元]1950年(すなわち、大気中核実験前)の木と同時期の14Cの濃度として定義され、0.95は、[紀元]1950年の核爆弾による大気中への14Cの注入後の補正に使用される。分析および試験法の解釈の項に記載されるとおり、100%の14Cは、完全にモダンカーボン源、例えば、本方法に由来する生成物を示す。したがって、本方法からの生成物流の14Cパーセントは、少なくとも75%であり、85%がより好ましく、95%がいっそう好ましく、少なくとも99%がいっそうより好ましく、少なくとも100%が最も好ましい(試験法は、14Cパーセントが、方法に記載の理由から100%よりもわずかに高くなり得ることに留意する)。これらの割合はまた、同様に現代の炭素の量と等しくなり得る。 Fossil carbon is essentially free of radioactive carbon because its age is much older than the 14 C half-life of 5730 years. Modern carbon is clearly 0.95 times the specific activity of SRM4990b (prototype oxalate radiocarbon standard) normalized to δ 13 C = −19%. Functionally, the proportion of modern carbon = (1 / 0.95), and unit 1 is defined as the concentration of 14 C at the same time as the tree in [Era] 1950 (ie before atmospheric nuclear testing). , 0.95 is used for correction after the introduction of 14 C into the atmosphere by the 1950 nuclear bomb. As described in the Analytical and Test Method Interpretation section, 100% of 14 C represents a completely modern carbon source, for example a product derived from the method. Thus, the 14 C percent of the product stream from this method is at least 75%, more preferably 85%, more preferably 95%, even more preferably at least 99%, and most preferably at least 100% (test method is Note that the 14 C percent can be slightly higher than 100% for reasons described in the method). These proportions can also be equal to the amount of modern carbon as well.

したがって、炭素の総量に対する現代の炭素の量は、好ましくは、少なくとも75%であり、85%がより好ましく、95%がいっそうより好ましく、少なくとも99%がいっそうより好ましく、少なくとも100%が最も好ましい。それに対応して、複数の炭素含有変換生成物を含む反応器中のそれぞれの炭素含有化合物は、好ましくは少なくとも75%であり、85%がより好ましく、95%がいっそうより好ましく、少なくとも99%がいっそうより好ましく、少なくとも100%が最も好ましい、炭素の総量に対する現代の炭素の量を有する。   Thus, the amount of modern carbon relative to the total amount of carbon is preferably at least 75%, more preferably 85%, even more preferably 95%, even more preferably at least 99%, and most preferably at least 100%. Correspondingly, each carbon-containing compound in a reactor comprising a plurality of carbon-containing conversion products is preferably at least 75%, more preferably 85%, even more preferably 95%, and at least 99% Even more preferred, at least 100% has the most preferred amount of modern carbon relative to the total amount of carbon.

一般に、天然または天然存在のリグノセルロース系バイオマスは、本方法のための1つの原料であり得る。リグノセルロース系材料は、以下のとおり記載することができる。   In general, natural or naturally occurring lignocellulosic biomass can be one feedstock for the process. The lignocellulosic material can be described as follows.

デンプンとは別に、植物バイオマス中の3つの主要成分は、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニンであり、それらは一般にリグノセルロースという総称により称される。総称としての多糖含有バイオマスには、デンプンおよびリグノセルロース系バイオマスの両方が含まれる。したがって、原料の一部のタイプは、植物バイオマス、多糖含有バイオマス、およびリグノセルロース系バイオマスであり得る。   Apart from starch, the three main components in plant biomass are cellulose, hemicellulose and lignin, which are commonly referred to by the generic name lignocellulose. Collectively polysaccharide-containing biomass includes both starch and lignocellulosic biomass. Thus, some types of raw materials can be plant biomass, polysaccharide-containing biomass, and lignocellulosic biomass.

本発明による多糖含有バイオマスには、例えば、デンプンならびに精製デンプン、セルロースおよびヘミセルロースの形態のポリマー糖を含有する任意の材料が含まれる。   The polysaccharide-containing biomass according to the invention includes, for example, any material containing starch and polymeric sugars in the form of purified starch, cellulose and hemicellulose.

特許請求される発明を導くための天然存在のバイオマスの関連タイプには、デンプン含有穀粒、精製デンプン;コーン茎葉、バガス、藁、例えば、イネ、コムギ、ライムギ、オートムギ、オオムギ、セイヨウアブラナ、ソルガムからの藁;軟木、例えば、ヨーロッパアカマツ(Pinus sylvestris)、ラジアータパイン(Pinus radiate);硬木、例えば、ヤナギ属種(Salix spp.)、ユーカリ属種(Eucalyptus spp.);塊茎、例えば、ビート、ジャガイモ;例えば、イネ、コムギ、ライムギ、オートムギ、オオムギ、セイヨウアブラナ、ソルガムおよびコーンからの穀草からなる群から選択される農作物;古紙、バイオガス処理からの繊維区分、堆肥、アブラヤシ処理からの残留物、都市固形廃棄物などに由来するバイオマスが含まれ得る。実験は上記に列挙されるリストの数例に限定されるが、本発明は、全てに適用可能と考えられる。それというのも、特性決定は主としてリグニンの固有の特徴および表面積に対するためである。   Related types of naturally occurring biomass to guide the claimed invention include starch-containing grains, refined starch; corn stover, bagasse, straw, such as rice, wheat, rye, oats, barley, oilseed rape, sorghum Softwood such as Pinus sylvestris, Pinus radiate; hardwood such as Salix spp., Eucalyptus spp .; tuber such as beet, Potatoes; for example, crops selected from the group consisting of cereals from rice, wheat, rye, oats, barley, rape, sorghum and corn; waste paper, fiber division from biogas treatment, compost, residue from oil palm treatment , It may include biomass derived from, such as the city solid waste. Although the experiment is limited to a few examples of the lists listed above, the present invention is considered applicable to all. This is because the characterization is primarily on the inherent characteristics and surface area of lignin.

本組成物を導くために使用されるリグノセルロース系バイオマス原料は、好ましくは、通常、禾本(grasses)と呼ばれる科からのものである。適切な名称は、顕花植物の単子葉植物綱(Liliopsida)(単子葉植物)におけるイネ科(Poaceae)または禾本科(Gramineae)として公知の科である。この科の植物は、通常、禾本と呼ばれ、またはそれらを他のイネ科植物と区別するため、真正禾本と呼ばれる。タケも含まれる。約600の属および約9,000〜10,000以上の種の禾本が存在する(World Grass SpeciesのKew Index)。   The lignocellulosic biomass feedstock used to derive the present composition is preferably from a family commonly referred to as grasses. Appropriate names are the families known as Poaceae or Gramineae in the monocotyledonous family of flowering plants (Liliopsida) (monocotyledonous plants). Plants of this family are usually referred to as Enomoto or to authenticate them to distinguish them from other Gramineae plants. Bamboo is also included. There are approximately 600 genera and approximately 9,000-10,000 or more species (World Index Specials, Kew Index).

イネ科(Poaceae)には、世界中で生育される主食穀粒および穀草作物、芝生および飼料草、ならびにタケが含まれる。イネ科(Poaceae)は、一般に、節と呼ばれる間隔において塞がれている(中実である)稈と呼ばれる中空の茎を有し、節は葉が生じる稈に沿った箇所である。禾本の葉は、通常、互生、対生(1つの平面で)またはまれに螺生で平行脈である。それぞれの葉は、ある距離で茎を抱える下位葉鞘と、通常全縁の葉身とに区別される。多くの禾本の葉身は、シリカの植物ケイ酸体により硬化され、それは草食動物を遠ざける助けとなる。一部の禾本(例えば、ソードグラス)において、これにより禾本葉身の縁がヒトの皮膚を切断するほど十分に鋭利になる。葉舌と呼ばれる膜質付属物または毛の房は、葉鞘と葉身との間の接合部に存在し、水または昆虫が葉鞘中に侵入するのを防止する。   Poaceae includes staple grains and cereal crops, lawns and forage grasses, and bamboos grown around the world. Poaceae generally have hollow stems called cocoons that are plugged (solid) at intervals called nodes, where the nodes are points along the heel where the leaves form. Enomoto's leaves are usually parallel, anti-vibration (in one plane) or rarely spiral. Each leaf is differentiated between a lower leaf sheath that has a stem at a certain distance and a leaf blade that is usually full-length. Many Enomoto leaf blades are hardened by silica phytosilicates, which help keep herbivores away. In some samples (eg, sword glass), this makes the edges of the sample leaf blade sharp enough to cut the human skin. A membranous appendage or tuft of hair, called the leaf tongue, is present at the junction between the leaf sheath and leaf blades and prevents water or insects from entering the leaf sheath.

禾本の葉身は、葉身の基部において生長し、伸長した茎頂からは生長しない。この低い生長点は草食動物に応答して進化し、それにより植物の甚大な損傷なしで規則的な禾本の草食または刈り取りが可能となる。   Enomoto's leaf blades grow at the base of the leaf blades and do not grow from the elongated shoot apex. This low growth point evolves in response to herbivores, allowing for regular grazing or cutting of plants without undue damage to the plant.

イネ科(Poaceae)の花は、特徴的には小穂中で配置され、それぞれの小穂は、1つ以上の小花を有する(小穂は、円錐花序または穂状花序にさらに大別される)。小穂は、包頴と呼ばれる基部における2つ(またはより少ない場合もある)の苞葉と、それに続く1つ以上の小花とからなる。小花は、外頴(外側のもの)および内頴(内側)と呼ばれる2つの苞葉により包囲された花からなる。花は、通常、雌雄同花(雌雄同株であるトウモロコシは例外)であり、受粉は、ほとんど常に風媒である。花被は、鱗被と呼ばれる2つの芽鱗にまとめられ、それらが伸縮して外頴および内頴を広げ;これらは一般に、変形萼片と解釈される。   Poaceae flowers are characteristically placed in spikelets, and each spikelet has one or more florets (spikelets are further broadly divided into conical or spikes). . A spikelet consists of two (or possibly less) leaflets at the base called bales followed by one or more florets. A floret consists of a flower surrounded by two cocoon leaves, called the outer bud (outside) and the inner bud (inner). The flowers are usually hermaphroditic (except for hermaphroditic corn), and pollination is almost always airborne. The flower coat is grouped into two bud scales called scale coats that expand and contract to expand the outer and inner wings; these are generally interpreted as deformed pieces.

イネ科(Poaceae)の果実は、種皮が果皮に融合しており、したがって、それから分離不可能である(トウモロコシ穀粒におけるように)頴果である。   Poaceae fruits are fruits that have a seed coat fused to the peel and therefore cannot be separated therefrom (as in corn kernels).

禾本には、生長習性の3つの一般分類;束型(群生とも呼ばれる)、匍匐枝型および根茎が存在する。   Enomoto has three general classes of growth habits: bundle type (also called colony), toothpick type, and rhizome.

禾本の成果は、部分的には、それらの形態および生長プロセスに存在し、部分的には、それらの生理学的多様性に存在する。禾本のほとんどは、炭素固定のためにC3およびC4光合成経路を使用する2つの生理学的な群に分類される。C4禾本は、特殊化された葉のクランツ構造と連結された光合成経路を有し、その構造は、特に高温気候および二酸化炭素が少ない雰囲気にそれらを適合させる。   Enomoto's achievements exist partly in their morphology and growth process, and partly in their physiological diversity. Most of the books fall into two physiological groups that use the C3 and C4 photosynthetic pathways for carbon fixation. C4 variants have photosynthetic pathways linked to specialized leaf crants structures that make them particularly suitable for high temperature climates and low carbon dioxide atmospheres.

C3禾本は、「寒冷期禾本」と称される一方、C4植物は、「温暖期禾本」とみなされる。禾本は、一年生または多年生のいずれかであり得る。一年生寒冷期の例は、コムギ、ライムギ、一年生ブルーグラス(一年生メドウグラス、スズメノカタビラ(Poa annua)およびオートムギ)である。多年生寒冷期の例は、オーチャードグラス(カモガヤ(Dactylis glomerata))、ウシノケグサ(ウシノケグサ属種(Festuca spp))、ケンタッキーブルーグラスおよびホソムギ(Lolium perenne)である。一年生温暖期の例は、コーン、スーダングラスおよびパールミレットである。多年生温暖期の例は、ビッグブルーステム、インディアングラス、バミューダグラスおよびスイッチグラスである。   C3 transcripts are referred to as “cold season transcripts” while C4 plants are considered “warm season transcripts”. Enomoto can be either a first year or a perennial. Examples of annual cold season are wheat, rye, annual bluegrass (annual meadowgrass, Poa annua and oats). Examples of perennial cold seasons are orchardgrass (Dactylis glomerata), oxenogusa (Festaca spp), Kentucky bluegrass and Lolium perenne. Examples of annual warming seasons are corn, Sudangrass and pearl millet. Examples of perennial warm periods are big blue stem, Indian glass, Bermuda glass and switch glass.

禾本科の1つの分類は、12の亜科を認定する:これらは、1)2つの属(アノモクロア(Anomochloa)、ストレプトケタ(Streptochaeta)が含まれる広葉禾本の小系統であるアノモクロア亜科(anomochlooideae);2)3つの属、例として、ファルス(Pharus)およびレプタスピス(Leptaspis)が含まれる禾本の小系統であるファロア亜科(Pharoideae);3)アフリカ属プエリア(Puelia)が含まれる小系統であるプエリア亜科(Puelioideae);4)コムギ、オオムギ、オートムギ、ブロムグラス(Bronnus)およびリードグラス(ノガリヤス属(Calamagrostis))が含まれるイチゴツナギ亜科(Pooideae);5)タケが含まれるタケ亜科(Bambusoideae);6)イネ、および野生イネが含まれるエールハルタ亜科(Ehrhartoideae);7)オオヨシおよびヨシが含まれるダンチク亜科(Arundinoideae)8)キビ亜科(Panicoideae)に含まれることもある11の属の小亜科であるラッパグサ亜科(Centothecoideae);9)ヒゲシバ亜科(Chloridoideae)、例として、ラブグラス(スズメガヤ属(Eragrostis)、約350種、例として、テフ)、ドロップシード(ネズミノオ属(Sporobolus)、約160種)、シコクビエ(Eleusine coracana(L.)Gaertn.)、およびムーリーグラス(ネズミガヤ属(Muhlenbergia)、約175種);10)キビ亜科(Panicoideae)、例として、パニックグラス、トウモロコシ、ソルガム、サトウキビ、ほとんどのキビ、フォニオおよびブルーステムグラス;11)ミクライロア亜科(Micrairoideae)ならびに12)ダンソニオダ亜科(Danthoniodieae)、例として、パンパスグラス;約500種の禾本の属であるイチゴツナギ属(Poa)については、両半球の温帯地域原産である。   One classification of the family is Twelve subfamily: These are: 1) Anomocroa subfamily, which is a small strain of broadleaf genus including two genera (Anomochlora, Streptocheta) 2) Three genera, including, for example, Pharoideae, a small lineage of genus including Pharus and Leptaspis; 3) Small, including the African genus Puelia Lines Puelioidee; 4) Strawberry subfamily including wheat, barley, oats, brongras and leadgrass (Calamagrostis); 5 Bambousideae containing bamboo; 6) Rice, and Ehrhartoideae containing wild rice; 7) Arundinoideae containing pear and reed 8) Panicoideae The subfamily of 11 genera that may also be included in the genus, Cenotecoideae; 9) Chloridoidee, for example, Rabgrass (Eragrostis), about 350 species, Tef), drop seed (Sporobolus, about 160 species), millet (Eleusine coracana (L.) Gaertn.), And Moury grass (Muhlenb) ergia), about 175 species); 10) Panicoideae, for example, panic glass, corn, sorghum, sugar cane, most millet, fonio and blue stemgrass; 11) Micrairoideae) and 12) Danthoniodiae, for example, Pampasgrass; about 500 species of strawberry genus (Poa) are native to the temperate regions of both hemispheres.

可食種子のために生長させる農産禾本は、穀草と呼ばれる。3つの一般的な穀草は、イネ、コムギおよびトウモロコシ(コーン)である。全ての作物のうち、70%が禾本である。   Agricultural samples that grow for edible seeds are called cereals. Three common cereals are rice, wheat and corn (corn). Of all the crops, 70% are Japanese.

サトウキビは、製糖の主要源である。禾本は、建築に使用される。タケから作製された足場は、鋼製足場を破壊する台風の力の風に耐え得る。より大きいタケおよびダンチク(Arundo donax)は、材木と同様に使用することができる頑丈な稈を有し、禾本の根は、芝土家屋の芝土を安定化させる。ダンチク属(Arundo)は、木管楽器のためのリードを作製するために使用され、タケは、多数の道具に使用される。   Sugarcane is a major source of sugar production. Enomoto is used for construction. Scaffolds made from bamboo can withstand winds of typhoon forces that destroy steel scaffolds. The larger bamboo and dungeon (Arundo donax) has a sturdy firewood that can be used in the same way as timber, and the roots of Enomoto stabilize the turf of the turf house. Arundo is used to make reeds for woodwind instruments, and bamboo is used for many tools.

別の天然存在のリグノセルロース系バイオマス原料は、木本植物または木材からのものでもあり得る。木本植物は、木材をその構造組織として使用する植物である。これらは、典型的には、茎およびより大きい根が維管束組織に隣接して産生された木材により補強される多年生植物である。これらの植物の主要な茎、より大きい枝、および根は、通常、肥厚した樹皮の層により覆われる。木本植物は、通常、木、低木、または蔓性植物のいずれかである。木材は、木本植物が地上茎から年々生長するのを可能とし、こうして一部の木本植物を最大および最長植物とする構造的細胞順応である。   Another naturally occurring lignocellulosic biomass feedstock may be from woody plants or wood. Woody plants are plants that use wood as their structural organization. These are typically perennials whose stems and larger roots are reinforced by wood produced adjacent to the vascular tissue. The main stems, larger branches, and roots of these plants are usually covered by a thickened bark layer. Woody plants are usually either trees, shrubs or vines. Wood is a structural cell adaptation that allows woody plants to grow from the ground stem year after year, thus making some woody plants the largest and longest.

これらの植物は、水および栄養素を根から葉に移動させるため(木部)ならびに糖を葉から植物の残部に移動させるため(師部)の維管束系を必要とする。2種類の木部:前形成層からの一次生長の間に形成される一次木部および維管束形成層からの二次生長の間に形成される二次木部が存在する。   These plants require a vascular system to move water and nutrients from the roots to the leaves (xylem) and sugar from the leaves to the rest of the plant (phloem). There are two types of xylem: a primary xylem formed during primary growth from the pre-forming layer and a secondary xylem formed during secondary growth from the vascularization layer.

通常、「木材」と呼ばれるものは、そのような植物の二次木部である。   What is usually called “wood” is the secondary xylem of such plants.

二次木部を見出すことができる2つの主要な群は、以下のものである:
1)球果植物(マツ目(Coniferae)):約600種の球果植物が存在する。全ての種は、この群にわたり構造が比較的均一な二次木部を有する。多くの球果植物は、高木になり:そのような木の二次木部は、軟木として市販される。
2)被子植物(被子植物門(Angiospermae)):約25万から40万種の被子植物が存在する。この群の中で、二次木部は単子葉植物(例えば、イネ科(Poaceae))においては見出されていない。多くの非単子葉被子植物は、木になり、それらの二次木部は、硬木として市販される。
The two main groups that can find secondary xylem are:
1) Coniferous plant (Coniferae): There are about 600 species of coniferous plants. All species have secondary xylem that is relatively uniform in structure across this group. Many coniferous plants become tall trees: the secondary xylem of such trees is marketed as softwood.
2) Angiosperms (Angiospermae): There are approximately 250,000 to 400,000 angiosperms. Within this group, secondary xylem has not been found in monocotyledonous plants (eg, Poaceae). Many non-monocotyledonous angiosperms become trees and their secondary xylem is marketed as hardwood.

本方法において有用な軟木という用語は、裸子植物に属する木からの木材を説明するために使用される。裸子植物は、子房中で包まれていないむき出しの種子を有する植物である。これらの種子「果実」は、硬木よりも原始的であるとみなされる。軟木の木は、通常、常緑性であり、球果を担持し、針葉または葉のような芽鱗を有する。これらには、球果植物種、例えば、マツ、トウヒ、モミ、およびシダーが含まれる。木材硬度は、球果植物種により変動する。   The term softwood useful in the present method is used to describe wood from trees belonging to gymnosperms. A gymnosperm is a plant having bare seeds that are not encased in the ovary. These seed “fruits” are considered more primitive than hardwood. Softwood trees are usually evergreen, carry cones, and have bud scales like needles or leaves. These include coniferous plant species such as pine, spruce, fir and cedar. Wood hardness varies depending on the cone type.

本方法において有用な硬木という用語は、被子植物科に属する木からの木材を説明するために使用される。被子植物は、子房中で保護のために包まれている胚珠を有する植物である。受精時、これらの胚珠は、種子に発達する。硬木の木は、通常、広葉性であり;温帯および寒帯緯度において、それらはほとんど落葉性であるが、熱帯および亜熱帯においてはほとんど常緑性である。これらの葉は、単葉(単一の葉身)であり得、またはそれらは葉柄に付いている小葉を有する複葉であり得る。形状が変動し得るが、全ての硬木の葉は、細い葉脈の明確な網目を有する。硬木植物には、例えば、アスペン、カバノキ、サクラ、カエデ、オークおよびチークが含まれる。   The term hardwood useful in the present method is used to describe wood from trees belonging to the Angiospermaceae family. Angiosperms are plants with ovules that are wrapped for protection in the ovary. At fertilization, these ovules develop into seeds. Hardwood trees are usually broad-leaved; in temperate and cold latitudes they are mostly deciduous, but are almost evergreen in the tropics and subtropics. These leaves can be single leaves (single leaf blades) or they can be compound leaves with leaflets attached to the petiole. Although the shape can vary, all hardwood leaves have a clear network of fine veins. Hardwood plants include, for example, aspen, birch, cherry, maple, oak and teak.

したがって、好ましい天然存在のリグノセルロース系バイオマスは、禾本および木材からなる群から選択することができる。別の好ましい天然存在のリグノセルロース系バイオマスは、球果植物、被子植物、イネ科(Poaceae)に属する植物からなる群から選択することができる。別の好ましい天然存在のリグノセルロース系バイオマスは、その乾物の少なくとも10重量%をセルロースとして、またはより好ましくは、その乾物の少なくとも5重量%をセルロースとして有するバイオマスであり得る。   Accordingly, preferred naturally occurring lignocellulosic biomass can be selected from the group consisting of cocoons and wood. Another preferred naturally occurring lignocellulosic biomass can be selected from the group consisting of cones, angiosperms and plants belonging to the family Poaceae. Another preferred naturally occurring lignocellulosic biomass may be a biomass having at least 10% by weight of the dry matter as cellulose, or more preferably at least 5% by weight of the dry matter as cellulose.

本発明を構成する炭水化物は、グルコース、キシロース、およびマンノースモノマーならびにそれらの混合物をベースとする炭水化物の群から選択される。   The carbohydrates making up the present invention are selected from the group of carbohydrates based on glucose, xylose, and mannose monomers and mixtures thereof.

リグニンを含む原料は、小粒子に粉砕された天然存在のリグノセルロース系バイオマス、またはさらに処理されたものであり得る。リグニンを含む原料を作出するための1つのプロセスは、以下のステップを含む。   The raw material containing lignin can be naturally occurring lignocellulosic biomass ground into small particles, or further processed. One process for producing a raw material containing lignin includes the following steps.

好ましい前処理
原料の前処理が、加圧環境中でのリグニンまたは多糖を含む不溶性固体原料の処理の困難性の解決法であることが理論化されている。米国特許出願公開第2011/0312051号明細書によれば、サイジング、粉砕、乾燥、高温触媒処理およびそれらの組合せが、原料の連続輸送を容易にするための原料の好適な前処理である。米国特許出願公開第2011/0312051号明細書は、いかなる実験的証拠も提示しない一方、多糖の弱酸加水分解、多糖の触媒的水素化、または多糖の酵素的加水分解が、輸送可能な原料を作出するために全て好適であることを特許請求する。米国特許出願公開第2011/0312051号明細書は、熱水処理、水蒸気処理、加熱処理、化学処理、生物処理、または触媒的処理が、未処理物と比較して容易に輸送されるより低分子量の多糖および脱重合化リグニンをもたらし得ることも特許請求する。これは輸送の助けとなり得る一方、前処理から得られる固液スラリーをいかに加圧するかの開示も解決もされていない。実際、本発明者らが理解したとおい、スラリーの加圧に使用される慣用の通念および慣用の系が、前処理されたリグノセルロース系バイオマス原料が使用される場合に機能しなかった。
Preferred pretreatment It has been theorized that the pretreatment of the raw material is a solution to the difficulty of processing insoluble solid raw materials containing lignin or polysaccharides in a pressurized environment. According to US 2011/0312051, sizing, grinding, drying, high temperature catalyst treatment and combinations thereof are suitable pretreatments of raw materials to facilitate continuous transportation of raw materials. US 2011/0312051 does not present any experimental evidence, while weak acid hydrolysis of polysaccharides, catalytic hydrogenation of polysaccharides, or enzymatic hydrolysis of polysaccharides creates transportable feedstocks It is claimed that everything is suitable for the purpose. US Patent Application Publication No. 2011/0312051 describes a lower molecular weight than hydrothermal treatment, steam treatment, heat treatment, chemical treatment, biological treatment, or catalytic treatment is easily transported compared to untreated. It is also claimed that it can result in the following polysaccharides and depolymerized lignin. While this can aid in transportation, there is no disclosure or resolution of how to pressurize the solid-liquid slurry obtained from the pretreatment. In fact, as the inventors understood, the conventional wisdom and conventional system used to pressurize slurries did not work when pretreated lignocellulosic biomass feedstock was used.

統合された第二世代工業操作において、前処理は、リグノセルロース系含有物の構造を触媒、例えば、酵素により接近可能とし、同時に、有害な阻害副生物、例えば、酢酸、フルフラールおよびヒドロキシメチルフルフラールの濃度を実質的に低いままであることを確保するために使用されることが多い。増加した接近可能性を達成するためのいくつかの方針が存在し、それらの多くは今後発明され得る。   In integrated second generation industrial operations, pretreatment makes the structure of lignocellulosic inclusions accessible by catalysts such as enzymes, while at the same time harmful inhibitory by-products such as acetic acid, furfural and hydroxymethylfurfural. Often used to ensure that the concentration remains substantially low. There are several strategies for achieving increased accessibility, many of which can be invented in the future.

現在の前処理方針は、リグノセルロース系バイオマス材料を110〜250℃の温度に1〜60分間供することであり、例えば:
熱水抽出
阻害物質が形成される前に溶解材料を取り出す多段階希酸加水分解
比較的低い苛酷条件における希酸加水分解
アルカリ湿式酸化
水蒸気爆砕。
The current pretreatment policy is to subject the lignocellulosic biomass material to a temperature of 110-250 ° C. for 1-60 minutes, for example:
Multistage dilute acid hydrolysis to remove dissolved material before hot water extraction inhibitor is formed Diluted acid hydrolyzed alkaline wet oxidative steam explosion in relatively low harsh conditions.

天然存在のリグノセルロース系バイオマスの好ましい前処理は、天然存在のリグノセルロース系バイオマス原料を浸漬させ、次いで浸漬された天然存在のリグノセルロース系バイオマス原料の少なくとも一部を水蒸気爆砕させることを含む。   A preferred pretreatment of the naturally occurring lignocellulosic biomass comprises immersing the naturally occurring lignocellulosic biomass feedstock and then steam blasting at least a portion of the soaked naturally occurring lignocellulosic biomass feedstock.

浸漬は、物質、例えば、蒸発形態の水である水蒸気、もしくは液体形態の水のいずれかまたは液体および水蒸気中で一緒に行って生成物を生成する。生成物は、第1の液体を含有する浸漬バイオマスであり、第1の液体は、通常、液体もしくは蒸発形態、またはある混合物の水である。   Immersion is carried out in either a substance, for example, water vapor in the form of evaporation, or water in liquid form, or in liquid and water vapor to produce a product. The product is a submerged biomass containing a first liquid, which is usually a liquid or an evaporating form, or some mixture of water.

この浸漬は、物質を、水蒸気もしくは液体もしくは水蒸気および水の混合物であり得る水に、またはより一般には、高温高圧において水に曝露する任意数の技術により行うことができる。温度は、以下の範囲:145から165℃、120から210℃、140から210℃、150から200℃、155から185℃、160から180℃の1つであるべきである。時間は長時間であり得るが、例えば、24時間未満、または16時間未満、または12時間未満、または9時間未満または6時間未満であり得;曝露時間は、好ましくは、極めて短く、1分から6時間、1分から4時間、1分から3時間、1分から2.5時間、より好ましくは、5分から1.5時間、5分から1時間、15分から1時間の範囲である。   This soaking can be done by any number of techniques that expose the material to water, which can be water vapor or a liquid or a mixture of water vapor and water, or more generally at high temperature and pressure. The temperature should be one of the following ranges: 145 to 165 ° C, 120 to 210 ° C, 140 to 210 ° C, 150 to 200 ° C, 155 to 185 ° C, 160 to 180 ° C. The time can be long, for example, less than 24 hours, or less than 16 hours, or less than 12 hours, or less than 9 hours or less than 6 hours; the exposure time is preferably very short, from 1 minute to 6 The time ranges from 1 minute to 4 hours, 1 minute to 3 hours, 1 minute to 2.5 hours, more preferably 5 minutes to 1.5 hours, 5 minutes to 1 hour, and 15 minutes to 1 hour.

水蒸気を使用する場合、それは好ましくは、飽和されているが、過熱することができる。浸漬ステップは、撹拌を用いるまたは用いない回分式または連続式であり得る。高温浸漬前に低温浸漬を使用することができる。低温浸漬の温度は、25から90℃の範囲内である。時間は、長時間であり得るが、例えば、24時間未満、または16時間未満、または12時間未満、または9時間未満または6時間未満であり得;曝露時間は、好ましくは、極めて短く、1分から6時間、1分から4時間、1分から3時間、1分から2.5時間、より好ましくは、5分から1.5時間、5分から1時間、15分から1時間の範囲である。   If steam is used, it is preferably saturated but can be overheated. The dipping step can be batch or continuous with or without agitation. Low temperature immersion can be used before high temperature immersion. The temperature of the low temperature immersion is in the range of 25 to 90 ° C. The time can be long, but can be, for example, less than 24 hours, or less than 16 hours, or less than 12 hours, or less than 9 hours or less than 6 hours; the exposure time is preferably very short, from 1 minute The range is 6 hours, 1 minute to 4 hours, 1 minute to 3 hours, 1 minute to 2.5 hours, more preferably 5 minutes to 1.5 hours, 5 minutes to 1 hour, 15 minutes to 1 hour.

いずれの浸漬ステップも、プロセスの後においてより高い性能を達成するために、他の化合物、例えば、HSO、NHの添加を含み得る。しかしながら、酸も、塩基も、ハロゲンも、プロセスまたは前処理のいずれの箇所でも使用されないことが好ましい。原料は、好ましくは、添加される硫黄も、ハロゲンも、窒素も欠く。存在する場合、組成物中の硫黄の量は、全組成物の0から1乾燥重量%の範囲内である。さらに、存在する場合、全ハロゲンの量は、全組成物の0から1乾燥重量%の範囲内である。原料がハロゲンを含まないようにすることにより、リグニン変換生成物中にはハロゲンが存在しない。 Any dipping step may involve the addition of other compounds, such as H 2 SO 4 , NH 3 , to achieve higher performance after the process. However, it is preferred that no acid, base or halogen is used anywhere in the process or pretreatment. The feed is preferably devoid of added sulfur, halogens and nitrogen. When present, the amount of sulfur in the composition is in the range of 0 to 1% by dry weight of the total composition. Further, when present, the amount of total halogen is in the range of 0 to 1 dry weight percent of the total composition. By making the raw material free of halogen, there is no halogen in the lignin conversion product.

次いで、第1の液体を含む生成物を分離ステップに流し、第1の液体を浸漬バイオマスから分離する。液体は、液体の少なくとも一部、好ましくは、経済的な時間枠で可能な限り多くの液体が分離されるように完全には分離しない。この分離ステップからの液体は、第1の液体を含む第1の液体流として公知である。第1の液体は、浸漬において使用される液体、一般に、水および原料の可溶性種である。これらの水溶性種は、グルカン、キシラン、ガラクタン、アラビナン、グルコリゴマー(glucolygomer)、キシロオリゴマー、ガラクトオリゴマーおよびアラビノオリゴマーである。固体バイオマスは、第1の固体流と呼ばれる。それというのも、それは、全てではないが、固体のほとんどを含有するためである。   The product containing the first liquid is then run through a separation step to separate the first liquid from the soaked biomass. The liquid does not completely separate so that at least a portion of the liquid, preferably as much liquid as possible, is separated in an economical time frame. The liquid from this separation step is known as the first liquid stream containing the first liquid. The first liquid is a liquid used in dipping, generally water and a soluble species of raw material. These water-soluble species are glucan, xylan, galactan, arabinan, glucolygomer, xylo-oligomer, galacto-oligomer and arabino-oligomer. The solid biomass is referred to as the first solid stream. That is because it contains most if not all of the solids.

液体の分離は、ここでも、公知の技術および今後発明され得る好適なものにより行うことができる。1つの好ましい装置は、プレスである。それというのも、プレスは高圧下で液体を生成するためである。   The separation of the liquid can again be carried out by known techniques and suitable ones that can be invented in the future. One preferred device is a press. This is because the press produces a liquid under high pressure.

次いで、第1の固体流を水蒸気爆砕させ、固体および第2の液体を含む水蒸気爆砕流を作出する。水蒸気爆砕は、バイオマス分野における周知技術であり、今日および将来的に利用可能な系のいずれもこのステップに好適と考えられる。水蒸気爆砕の苛酷性は、文献においてRoとして公知であり、それは時間および温度の関数であり、
Ro=texp[(T−100)/14.75]
と表現され、温度Tは、摂氏度で表現され、時間tは、共通単位で表現される。
The first solid stream is then steam blasted to produce a steam blast stream comprising the solid and the second liquid. Steam explosion is a well-known technique in the biomass field and any system available today and in the future is considered suitable for this step. The severity of steam explosion is known in the literature as Ro, which is a function of time and temperature,
Ro = text [(T-100) /14.75]
The temperature T is expressed in degrees Celsius, and the time t is expressed in common units.

この式は、Log(Ro)として、すなわち、
Log(Ro)=Ln(t)+[(T−100)/14.75]
としても表現される。
This equation is expressed as Log (Ro), that is,
Log (Ro) = Ln (t) + [(T−100) /14.75]
It is also expressed as

Log(Ro)は、好ましくは、2.8から5.3、3から5.3、3から5.0および3から4.3の範囲内である。   Log (Ro) is preferably in the range of 2.8 to 5.3, 3 to 5.3, 3 to 5.0 and 3 to 4.3.

水蒸気爆砕流は、少なくとも水により任意選択的に洗浄することができ、同様に使用される他の添加剤が存在し得る。別の液体を将来的に使用することができるため、水が絶対的に不可欠とは考えられないことが想定される。現在のところ、水が好ましい液体であり、水を使用する場合、それを第3の液体とみなす。任意選択の洗浄からの液体流出液は、第3の液体流である。この洗浄ステップは、不可欠とはみなさず、任意選択である。   The steam explosion stream can optionally be washed with at least water and there may be other additives used as well. It is envisaged that water is not considered absolutely essential since another liquid can be used in the future. At present, water is the preferred liquid and if water is used, it is considered a third liquid. The liquid effluent from the optional wash is a third liquid stream. This washing step is not considered essential and is optional.

次いで、洗浄爆砕流を、洗浄爆砕材料中の液体の少なくとも一部を除去するように処理する。この分離ステップも任意選択である。少なくとも一部を除去するという用語は、可能な限り多くの液体の除去が望ましい一方(プレス)、100%の除去が可能である見込みがないことを留意させる。いずれにしても、水の100%の除去は望まれない。それというのも、水は後続の加水分解反応に必要とされるためである。このステップのための好ましいプロセスは、ここでも、プレスであるが、他の公知の技術および依然として発明されていない技術が好適であると考えられる。このプロセスから分離される生成物は、第2の固体流中の固体および第2の液体流中の液体である。   The cleaning blast flow is then treated to remove at least a portion of the liquid in the cleaning blast material. This separation step is also optional. The term removing at least a part makes it note that while removal of as much liquid as possible is desirable (press), it is unlikely that 100% removal is possible. In any case, 100% removal of water is not desired. This is because water is required for the subsequent hydrolysis reaction. The preferred process for this step is again a press, but other known and still uninvented techniques are considered suitable. The products separated from this process are solids in the second solid stream and liquids in the second liquid stream.

次いで、水蒸気爆砕流を加水分解に供し、加水分解流を作出する。任意選択的に、第1の液体流の液体の少なくとも一部を水蒸気爆砕流に添加する。また、水を任意選択的に添加する。水蒸気爆砕流の加水分解は、水蒸気爆砕流を触媒と接触させることにより実現する。酵素および酵素組成物が好ましい触媒である。リグニンを変化させることが知られている酵素であるラッカーゼを使用することができる一方、組成物は、好ましくは、リグニンを変換する少なくとも1つの酵素を欠く。水蒸気爆砕流の好ましい加水分解は、
A)水蒸気爆砕流を、溶媒の少なくとも一部と接触させるステップ(溶媒は、水溶性加水分解種を含み;水溶性加水分解種の少なくともいくつかは、水蒸気爆砕流の加水分解から得られる水溶性加水分解種と同一である)と;
B)水蒸気爆砕流と溶媒との間の接触を、20℃から200℃の範囲内の温度において、5分から72時間の範囲内の時間維持して水蒸気爆砕流から加水分解流を作出するステップと
を含む。
The steam explosion stream is then subjected to hydrolysis to create a hydrolysis stream. Optionally, at least a portion of the liquid of the first liquid stream is added to the steam explosion stream. Also, water is optionally added. Hydrolysis of the steam blast flow is achieved by contacting the steam blast flow with a catalyst. Enzymes and enzyme compositions are preferred catalysts. While laccase, an enzyme known to alter lignin, can be used, the composition preferably lacks at least one enzyme that converts lignin. The preferred hydrolysis of the steam explosion flow is
A) contacting the steam-cracked stream with at least a portion of the solvent (the solvent comprises a water-soluble hydrolyzed species; at least some of the water-soluble hydrolysed species are water-soluble resulting from hydrolysis of the steam-cracked stream The same as the hydrolyzed species);
B) maintaining the contact between the steam blast flow and the solvent at a temperature in the range of 20 ° C. to 200 ° C. for a time in the range of 5 minutes to 72 hours to create a hydrolyzed stream from the steam blast flow. including.

加水分解流は、グルコース、キシロース、およびマンノースからなる群から選択される炭水化物モノマーを含む。   The hydrolyzed stream comprises a carbohydrate monomer selected from the group consisting of glucose, xylose, and mannose.

加水分解流は、発酵に供して組成物および水を含む発酵流を作出する。発酵は、加水分解流への酵母または酵母組成物の添加により実施する。   The hydrolyzed stream is subjected to fermentation to produce a fermented stream comprising the composition and water. Fermentation is performed by the addition of yeast or yeast composition to the hydrolyzed stream.

最終的には、加水分解および発酵は、同時糖化発酵(SSF)の周知技術に従って同時に実施することができる。   Finally, hydrolysis and fermentation can be performed simultaneously according to the well-known technique of simultaneous saccharification and fermentation (SSF).

天然存在のリグノセルロース系バイオマスに由来する組成物は、発酵流中の水から分離する。液体の分離は、公知技術により、および今後発明され得る好適なものにより行うことができる。1つの好ましい装置は、プレスである。   Compositions derived from naturally occurring lignocellulosic biomass separate from the water in the fermentation stream. Separation of the liquid can be performed by known techniques and by suitable ones that can be invented in the future. One preferred device is a press.

組成物は、標準Brunauer、EmmettおよびTeller(BET)法に従って計算されるような広い表面積を有するという点で、天然存在のリグノセルロース系バイオマスとは異なる。   The composition differs from naturally occurring lignocellulosic biomass in that it has a large surface area as calculated according to the standard Brunauer, Emmett and Teller (BET) method.

乾燥組成物のBET表面積は、少なくとも4m/グラム、より好ましくは4から80m/グラムの範囲内であり、4から50m/グラムがより好ましく、4から25m/グラムがいっそうより好ましく、4から15m/グラムがいっそうより好ましく、4から12m/グラムが最も好ましい。 BET surface area of the dry composition is at least 4m 2 / g, in the range more preferably from 4 to 80 m 2 / g, more preferably 50 m 2 / gram to 4, even more preferably it is 25 m 2 / gram to 4, 4 to 15 m 2 / gram is even more preferred, and 4 to 12 m 2 / gram is most preferred.

組成物は、TGAとして公知の熱重量分析の間に生成されるピークによりさらに特性決定する。   The composition is further characterized by a peak generated during thermogravimetric analysis known as TGA.

熱重量分析において、温度に対する重量のプロットおよび温度に対する重量の一次導関数のプロットを一般に使用する。   In thermogravimetric analysis, a plot of weight versus temperature and a plot of the first derivative of weight versus temperature are commonly used.

材料または材料の成分の分解が、特定の温度範囲内で生じる場合、温度に対する重量の一次導関数のプロットは、一次導関数ピークとしても定義される、特定の温度範囲内での最大値を表す。一次導関数ピークに対応する温度の値は、材料またはその材料の成分の分解温度とみなす。   If decomposition of a material or material component occurs within a specific temperature range, the plot of the first derivative of weight versus temperature represents the maximum value within the specific temperature range, also defined as the first derivative peak. . The value of the temperature corresponding to the first derivative peak is considered the decomposition temperature of the material or components of that material.

材料は、異なる特定の温度範囲内で分解する多くの成分の組成物であり、温度に対する重量の一次導関数のプロットは、それぞれの特定の温度範囲内のそれぞれの成分の分解に関連する一次導関数ピークを表す。一次導関数ピークに対応する温度値は、材料のそれぞれの成分の分解温度とみなす。   A material is a composition of many components that decompose within different specific temperature ranges, and the plot of the first derivative of weight against temperature is the first derivative associated with the decomposition of each component within each specific temperature range. Represents a function peak. The temperature value corresponding to the first derivative peak is considered the decomposition temperature of each component of the material.

原則として、最大値は、2つの最小値の間に位置する。最小値に対応する温度値は、分解温度が2つの最小値の間に含まれる一次導関数ピークに対応する成分の分解温度範囲の初期分解温度および最終分解温度とみなす。このようにして、導関数ピークは、分解温度範囲に対応する。初期分解温度と最終分解温度との間の範囲内の材料の重量損失は、その材料の成分の分解および一次導関数ピークに関連する。   In principle, the maximum value is located between the two minimum values. The temperature value corresponding to the minimum value is regarded as the initial decomposition temperature and the final decomposition temperature in the decomposition temperature range of the component corresponding to the first derivative peak whose decomposition temperature is included between the two minimum values. In this way, the derivative peak corresponds to the decomposition temperature range. The weight loss of a material within the range between the initial decomposition temperature and the final decomposition temperature is related to the decomposition of the material components and the first derivative peak.

リグニン組成物を導くために使用される天然存在のリグノセルロース系バイオマスが、異なる種の禾本もしくは植物または他の材料の混合物である場合、天然存在のリグノセルロース系バイオマスの混合物は、組成物が導かれる材料との比較に使用すべきものである。   If the naturally occurring lignocellulosic biomass used to derive the lignin composition is a mixture of different species of cocoons or plants or other materials, the mixture of naturally occurring lignocellulosic biomass is It should be used for comparison with the derived material.

作出された組成物は、第1のリグニン分解ピークの最大値に対応する温度が、天然存在のリグノセルロース系バイオマスの第1のリグニン分解ピークの最大値に対応する温度未満であるという特徴を有する。この差は、天然存在のリグノセルロース系バイオマスの第1のリグニン分解ピークの最大値に対応する温度よりも、少なくとも10℃、少なくとも15℃、少なくとも20℃、および少なくとも25℃からなる群から選択される値だけ低い第1のリグニン分解ピークの最大値について顕著である。   The composition produced has the characteristic that the temperature corresponding to the maximum value of the first lignin degradation peak is less than the temperature corresponding to the maximum value of the first lignin degradation peak of the naturally occurring lignocellulosic biomass. . This difference is selected from the group consisting of at least 10 ° C, at least 15 ° C, at least 20 ° C, and at least 25 ° C above the temperature corresponding to the maximum value of the first lignin degradation peak of the naturally occurring lignocellulosic biomass. This is notable for the maximum value of the first lignin degradation peak which is lower by a certain value.

第1のリグニン分解温度の最大値のこの低減は、前処理後の第1のリグニン分解温度の最大値と比較することができる。   This reduction in the maximum value of the first lignin decomposition temperature can be compared with the maximum value of the first lignin decomposition temperature after the pretreatment.

さらに、特許請求されるリグニン組成物の第1のリグニン分解ピークに関連する乾燥基準の絶対質量は、第2のリグニン分解ピークの乾燥基準の絶対質量よりも大きい。ダンチク(Arundo donax)については、天然存在のリグノセルロース系バイオマスの第1の分解温度の絶対質量は、天然存在のリグノセルロース系バイオマスの第2の分解温度の絶対質量よりも大きい一方、これは、多くのリグノセルロース系バイオマス、例えば、コーン茎葉および麦藁においては当てはまらない。しかしながら、変換後、これらのバイオマスに由来するリグニン組成物は、第2のリグニン分解温度に関連する乾燥基準の質量よりも大きい、第1のリグニン分解温度に関連する乾燥基準の質量を有する。   Further, the absolute mass on a dry basis associated with the first lignin degradation peak of the claimed lignin composition is greater than the absolute mass on a dry basis of the second lignin degradation peak. For Arundo donax, the absolute mass of the first decomposition temperature of the naturally occurring lignocellulosic biomass is greater than the absolute mass of the second decomposition temperature of the naturally occurring lignocellulosic biomass, This is not the case with many lignocellulosic biomass, such as corn stover and wheat straw. However, after conversion, the lignin compositions derived from these biomass have a dry basis mass associated with the first lignin decomposition temperature that is greater than the dry basis mass associated with the second lignin decomposition temperature.

原料は、第1のリグニン分解範囲の最大値に関連する温度を、原料を導くために使用されたリグノセルロース系バイオマスの第1のリグニン分解範囲の最大値に関連する温度と比較することにより、さらに特性決定することができる。   By comparing the temperature associated with the maximum value of the first lignin degradation range to the temperature associated with the maximum value of the first lignin degradation range of the lignocellulosic biomass used to derive the feedstock, Further characteristics can be determined.

原料は、乾燥基準で存在するグルカンおよびキシランを含む炭水化物の相対量により、さらに特性決定することもできる。組成物は、組成物の乾燥重量の10から60%、より好ましくは10から40%、いっそう最も好ましくは5から35%の範囲内の組成物中に存在する全炭水化物の量を有し得る。但し、当然ながら、組成物中に存在する全リグニンの量は、組成物の乾燥重量の30から80%の範囲内であり、炭水化物の重量パーセントおよびリグニンの重量パーセントは、原料の乾燥重量の100%未満である。   The feedstock can also be further characterized by the relative amount of carbohydrates including glucan and xylan present on a dry basis. The composition may have an amount of total carbohydrate present in the composition in the range of 10 to 60%, more preferably 10 to 40%, and most preferably 5 to 35% of the dry weight of the composition. Of course, however, the amount of total lignin present in the composition is in the range of 30 to 80% of the dry weight of the composition, and the weight percent of carbohydrate and the weight percent of lignin is 100% of the dry weight of the raw material. %.

リグニンを含む原料の組成物は、それが由来する出発材料により変動し得るため、原料が由来する天然存在のリグノセルロース系バイオマスは、禾本および食用作物からなる群から選択することができる。   Since the composition of the raw material containing lignin can vary depending on the starting material from which it is derived, the naturally-occurring lignocellulosic biomass from which the raw material is derived can be selected from the group consisting of cocoons and food crops.

スラリー作出
リグニンは、リグニン変換反応器(500)に液体中でスラリー化された固体として装入することができる。好ましい実施形態において、液体は、水を含み得る。別の実施形態において、液体は、水素供与体を含み得る。水素供与体の使用は、周知であり、Wang,X,and Rinaldi,R.;“Exploiting H−Transfer reactions with RANEY(登録商標)Ni for upgrade of phenolic and aromatic biorefinery feeds under unusual,low severity conditions:”,Energy Environ.Sci.,2012,5,8244に記載されている。
Slurry Production The lignin can be charged to the lignin conversion reactor (500) as a solid slurried in liquid. In a preferred embodiment, the liquid can include water. In another embodiment, the liquid can include a hydrogen donor. The use of hydrogen donors is well known and is described in Wang, X, and Rinaldi, R .; "Exploiting H-Transfer reactions with RANEY (R) Ni for upgrade of phenolic and aromatic biorefinance federals, federal, low-severity." Sci. , 2012, 5, 8244.

リグニンを含むスラリーは、作出、維持および取扱を困難とするいくつかの特有の特徴を有し、多くの例において、リグニンを含むスラリーは、慣例のスラリーと異なる様式で挙動することが発見された。   Lignin-containing slurries have several unique characteristics that make them difficult to create, maintain and handle, and in many instances, lignin-containing slurries have been found to behave differently than conventional slurries. .

リグニンを含むスラリーの固体含有率は、約1から70重量%の範囲内であるべきであり、5から35重量%の固体含有率がより好ましい。慣例的には、スラリーは、固体含有率が低い場合、維持するのがより容易である。驚くべきことに、リグニンを含むスラリーは、固体含有率が高い場合(20重量%を超える固体)、維持するのがより容易である。   The solids content of the slurry containing lignin should be in the range of about 1 to 70% by weight, with a solids content of 5 to 35% by weight being more preferred. Conventionally, slurries are easier to maintain when the solids content is low. Surprisingly, slurries containing lignin are easier to maintain when the solids content is high (solids above 20% by weight).

リグニンを含むスラリーの粒子サイズは、数平均サイズが200ミクロン未満の範囲内であるようなものであるべきであり、150ミクロン未満が好ましく、100ミクロン未満が最も好ましい。粒子サイズ低減は、リグニンを含む原料が水蒸気爆砕されている場合、必要でない。しかしながら、粒子サイズ低減は、実施者が天然存在のリグニン、例えば、木片から出発している場合、必要と考えられる。   The particle size of the slurry containing lignin should be such that the number average size is in the range of less than 200 microns, preferably less than 150 microns and most preferably less than 100 microns. Particle size reduction is not necessary when the raw material containing lignin is steam exploded. However, particle size reduction may be necessary if the practitioner is starting from a naturally occurring lignin, such as a piece of wood.

界面活性剤も乳化剤も必要とされないが、それらを使用することができる。   No surfactants or emulsifiers are required, but they can be used.

特許請求される方法の製造場所に応じてリグニンを含むスラリーを作出するいくつかの方針が存在する。リグニン変換をリグノセルロース系バイオマス(10)の前処理または炭水化物変換と同時に配置する場合、リグニンは、既にスラリー形態で存在し得、それはスティレージまたはスティレージリグニンと称されることが多く、水溶性糖をほとんど有さず、もしくは有さず、または水溶性糖を欠く。リグノセルロース系バイオマス(10)を最初に前処理または炭水化物変換プロセスに通して流す場合、水溶性糖を糖以外の種に変換する。水溶性糖は、洗浄除去し、抽出し、または酵素もしくは触媒により糖以外の種に変換し、リグニンおよび多くが依然としてリグニンに結合している未変換不溶性炭水化物を含む底部液を残す。これらの底部液は、遊離水溶性糖を欠き、または実質的に欠く。   There are several strategies for creating slurries containing lignin depending on the manufacturing location of the claimed method. When lignin conversion is co-located with pretreatment of lignocellulosic biomass (10) or carbohydrate conversion, lignin may already be present in slurry form, which is often referred to as stilage or stilage lignin, Has little or no water or lacks water-soluble sugars. When lignocellulosic biomass (10) is initially flowed through a pretreatment or carbohydrate conversion process, water soluble sugars are converted to species other than sugars. Water soluble sugars are washed away, extracted, or converted to species other than sugars by enzymes or catalysts, leaving a bottom liquor containing lignin and unconverted insoluble carbohydrates that are still mostly bound to lignin. These bottom liquids lack or substantially lack free water soluble sugars.

この反復実施形態において、糖または炭水化物変換プロセス(例えば、発酵)の底部液(またはスティレージもしくはスティレージリグニンと称されることが多いもの)を、より多くの炭水化物をさらに取り出し得る次のプロセスに直接流し;または底部液を本明細書に記載のリグニン変換プロセスに直接流す。このようにして、他では高価な廃水処理プラントを介して処理しなければならない炭水化物変換プロセスからの水を、スラリー液体として使用してリグニンを含むスラリーを維持または作出してリグニン変換プロセスに供給する。次いで、リグニンを含む炭水化物変換プロセスから取り出されたスラリー液体であるスティレージリグニンを、リグニン変換プロセスの水素により現場で清浄する一方、同時に、リグニンを変換する。下記のとおり、リグニン変換プロセスから生じるスラリー液体は、BODとしても公知の総生化学的酸素要求量、および/またはCODとしても公知の化学的酸素要求量がスティレージリグニンからの流入スラリー液体中のBODおよびCODの量に対して顕著に低く、したがって、スラリー液体の環境への放出前に必要とされる廃水処理の量、およびコストを低減させる。BODおよびCODは、リグニン変換プロセスの条件により化学的に破壊されている。   In this iterative embodiment, the bottom liquid of a sugar or carbohydrate conversion process (eg, fermentation) (or what is often referred to as stilage or stilage lignin) is directly transferred to the next process where more carbohydrate can be further removed. Sink; or bottom liquid directly into the lignin conversion process described herein. In this way, water from a carbohydrate conversion process that must be processed through an otherwise expensive wastewater treatment plant is used as a slurry liquid to maintain or create a slurry containing lignin and supply it to the lignin conversion process. . The slag lignin, the slurry liquid removed from the lignin-containing carbohydrate conversion process, is then cleaned in situ with the hydrogen of the lignin conversion process while simultaneously converting the lignin. As described below, the slurry liquid resulting from the lignin conversion process has a total biochemical oxygen demand, also known as BOD, and / or a chemical oxygen demand, also known as COD, in the incoming slurry liquid from stilage lignin. Significantly lower than the amount of BOD and COD, thus reducing the amount of wastewater treatment and cost required prior to release of the slurry liquid to the environment. BOD and COD are chemically destroyed by the conditions of the lignin conversion process.

さらなるリファインメントにおいて、リグニン変換プロセスからのスラリー液体の少なくとも一部を、前処理プロセス中で補給水または水蒸気として使用することができ、したがって、水処理の量およびコストを顕著に低減させる(図3参照)。   In further refinement, at least a portion of the slurry liquid from the lignin conversion process can be used as make-up water or steam in the pretreatment process, thus significantly reducing the amount and cost of water treatment (FIG. 3). reference).

この模式図を図3に実証し、リグノセルロース系バイオマス(10)は、前処理プロセスに流入し、前処理されたリグノセルロース系バイオマスを炭水化物変換プロセス、この場合、発酵に流す。炭水化物変換プロセスにおいて、糖を1つまたは複数の最終生成物に変換する。リグニン変換プロセスからのスラリー液体(620)を、前処理プロセスの水蒸気爆砕ステップの前にまたはそれと同時に導入することが好ましい。   This schematic is demonstrated in FIG. 3, where the lignocellulosic biomass (10) flows into the pretreatment process and flows the pretreated lignocellulosic biomass into a carbohydrate conversion process, in this case fermentation. In the carbohydrate conversion process, sugar is converted into one or more end products. It is preferred that the slurry liquid (620) from the lignin conversion process is introduced before or simultaneously with the steam explosion step of the pretreatment process.

リグニン、スラリー液体、および考えられる炭水化物を含む底部液、またはスティレージをスラリー作出ステップ(300)に流す。スティレージリグニンが十分に安定なスラリーであり、所望濃度(例えば、固体、緩衝液、pH)である場合、それをいかなるさらなる処理、例えば、水希釈も水低減も、撹拌も、真空もなしでスラリーポンプ(400)に直接流すことができる。   The bottom liquid, or stilage, containing lignin, slurry liquid, and possible carbohydrates is flowed to the slurry making step (300). If the stillage lignin is a sufficiently stable slurry and is at the desired concentration (eg, solid, buffer, pH), it can be processed without any further treatment, such as water dilution, water reduction, stirring, or vacuum. It can flow directly to the slurry pump (400).

調整が必要とされる場合、撹拌および任意選択的に真空下で固体濃度を調整することにより、リグニンを含むスラリーを最適スラリー条件にする。通常、これは、リグニンを含むスラリーの高剪断撹拌下である。   If adjustment is required, the slurry containing lignin is brought to optimal slurry conditions by adjusting the solids concentration under agitation and optionally under vacuum. Usually this is under high shear agitation of the slurry containing lignin.

一部の実施形態において、炭水化物変換プロセスの底部液を、リグニン変換のために異なる場所に送出する。既にスラリー化されたスティレージを送出することが可能である一方、水を送出するコストにより送出のコストが大きくなり得る。この例において、リグニンを含む原料を固体として送出し、またはそれは通常、フィルタプレス、乾燥、もしくはその両方により可能な限り水が除去されて乾燥していることが多いことが予期される。リグニンを含む固体原料を冷蔵し、またはさらに冷凍して送出または貯蔵の間の微生物の成長を妨害することが多い。脱水プロセスからのスラリー液体は廃水処理に送ることが多く、そこでそれを清浄してBODおよびCODを除去し、次いで環境に放出し、または前処理プロセスの一部において再使用する。リグニン変換プロセスからのスラリー液体の少なくとも一部を再使用し、または再循環させることにより最小化し、または低減させることができるのは、この外部処理ステップである。   In some embodiments, the bottom liquid of the carbohydrate conversion process is delivered to a different location for lignin conversion. While it is possible to deliver already slurried stilage, the cost of delivery can be high due to the cost of delivering water. In this example, it is expected that the raw material containing lignin will be delivered as a solid, or that it will usually be dry with as much water as possible removed by filter pressing, drying, or both. Often, solid raw materials containing lignin are refrigerated or further frozen to prevent microbial growth during delivery or storage. The slurry liquid from the dehydration process is often sent to wastewater treatment where it is cleaned to remove BOD and COD and then released to the environment or reused as part of the pretreatment process. It is this external processing step that can be minimized or reduced by reusing or recycling at least a portion of the slurry liquid from the lignin conversion process.

リグニンを含む原料は過剰に処理困難であり、粒子は分離するのが極めて困難であることが直接観察されている。これは、特に、リグニンを含む原料をフィルタプレスにおけるように脱水圧力に供して脱水させた場合である。可視光顕微鏡試験は、リグニンを含む原料が、Velcro(登録商標)と酷似する触毛および鉤を有する巻きひげを有することを示す。   It has been directly observed that raw materials containing lignin are overly difficult to process and the particles are extremely difficult to separate. This is particularly the case when a raw material containing lignin is subjected to dehydration pressure as in a filter press and dehydrated. Visible light microscopy studies show that the raw material containing lignin has a tendril with vellus and heel that closely resembles Velcro®.

上記のとおり、炭水化物変換ステップ後の原料が既にスラリーである場合、スラリーをプロセスにさらなる処理なしで直接添加することが可能であり得る。しかしながら、一般にこれは予測されない。炭水化物変換後、除去すべきスティレージリグニン中で捕捉された気体が存在する可能性が高い。   As noted above, if the raw material after the carbohydrate conversion step is already a slurry, it may be possible to add the slurry directly to the process without further processing. However, in general this is not expected. After carbohydrate conversion, there is a high probability that there will be gas trapped in the stillage lignin to be removed.

リグニン変換をリグノセルロース系バイオマス(10)の前処理とも発酵とも同時に配置させない場合、リグニンを含むスラリーを作出する1つの方針は、高剪断力を適用し得る機械を使用し、高剪断力をリグニンを含む未スラリー化固体原料に適用することである。高剪断力は、リグニンを含む固体原料を配合機に通して供給することにより達成することができる。好ましい配合機実施形態には、2軸共回転スクリュ配合機、2軸反転スクリュ配合機、押出機、banbury、または通して処理される材料に機械力を付与することが公知の別の装置が含まれる。   If the lignin conversion is not co-located with the pretreatment or fermentation of the lignocellulosic biomass (10), one strategy for creating a slurry containing lignin is to use a machine that can apply high shear forces and to apply high shear forces to the lignin. Is applied to an unslurried solid raw material. High shear force can be achieved by feeding a solid feed containing lignin through a blender. Preferred compounder embodiments include a twin screw co-rotating screw compounder, a twin screw reversing screw compounder, an extruder, a banbury, or another device known to impart mechanical force to material being processed through. It is.

要求される機械力の量は、リグニンを含む固体原料を容易に分散可能とするために要求されるエネルギーの量に関連する。リグニンを含む原料に適用される機械力が高いほど、分散がより容易になる。要求される機械力の量は、消費されるエネルギーを、得られた固体をスラリーのスラリー液体中に分散させるために要求されるエネルギーと比較することにより反復的に決定することができる。リグニンを含む固体原料に適用される機械力の量およびタイプを変動させる技術は、装置に依存し、当該技術分野において使用される特定の機械に精通する者に周知である。   The amount of mechanical force required is related to the amount of energy required to make the solid raw material containing lignin readily dispersible. The higher the mechanical force applied to the raw material containing lignin, the easier the dispersion. The amount of mechanical force required can be determined iteratively by comparing the energy consumed with the energy required to disperse the resulting solids in the slurry liquid of the slurry. Techniques for varying the amount and type of mechanical force applied to a solid feedstock that includes lignin are equipment dependent and well known to those familiar with the particular machine used in the art.

スラリー液体は、リグニンを含む固体原料に添加してリグニンを含むスラリーを生成することができる。スラリー液体を、リグニンを含む固体原料に配合機の流出後に添加することが好ましい。これに関して、リグニンを含む固体原料は、遊離液体を欠き、これは、遊離液体が組成物の重量の5%未満で含まれ、遊離液体が存在しないことが好ましいことを意味する。別の実施形態において、スラリー液体は、リグニンを含む固体原料に配合機中で添加することができる。好ましい実施形態において、スラリー液体は、水を含む。別の実施形態において、スラリー液体は、水素供与体を含み得る。本明細書の目的のため、スラリー液体は、担体液体としても同様に公知であることに留意すべきである。   The slurry liquid can be added to a solid raw material containing lignin to produce a slurry containing lignin. It is preferable to add the slurry liquid to the solid raw material containing lignin after flowing out of the blender. In this regard, the solid raw material comprising lignin lacks free liquid, which means that it is preferred that the free liquid is contained in less than 5% of the weight of the composition and that there is no free liquid. In another embodiment, the slurry liquid can be added in a blender to a solid feed containing lignin. In a preferred embodiment, the slurry liquid includes water. In another embodiment, the slurry liquid can include a hydrogen donor. It should be noted that for the purposes of this specification, slurry liquids are also known as carrier liquids.

スラリー液体中に容易に分散可能な、および/またはスラリー液体中に分散された場合に低粘度を有するリグニンを含む固体原料を作出するのに必要な配合機により消費されるエネルギーの量は、トルクの計測により決定することができる。リグニンを含む固体原料は、リグニンを含む固体原料をスラリー液体中に加水分解触媒の不存在下で分散させるために要求されるトルクの量が、機械力の適用前に、リグニンを含む固体原料をスラリー液体中に同一条件下で分散させるために要求されるトルクの量の50%未満である場合、スラリー液体中に容易に分散される。   The amount of energy consumed by the compounding machine required to produce a solid feedstock containing lignin that is easily dispersible in the slurry liquid and / or has a low viscosity when dispersed in the slurry liquid is the torque It can be determined by measuring. The amount of torque required to disperse the solid raw material containing lignin in the slurry liquid in the absence of the hydrolysis catalyst is less than the amount of torque required to disperse the solid raw material containing lignin before applying mechanical force. If it is less than 50% of the amount of torque required to be dispersed in the slurry liquid under the same conditions, it will be easily dispersed in the slurry liquid.

トルクの量は、固体をスラリー液体中に分散させるために固体−スラリー液体混合物に適用されるエネルギーの総量である。トルクの量は、固体がスラリー液体中に分散したとみなされる時点に対応する所与の時点tにおいて適用されるトルクの線の曲線下面積により決定することができる。固体は、スラリー液体の統計的に有効な数のアリコートの乾物含有率のパーセントの数平均が、スラリー液体中の総乾物含有率のパーセントの2.5%以内である場合、スラリー液体中に分散したとみなされる。   The amount of torque is the total amount of energy applied to the solid-slurry liquid mixture to disperse the solid in the slurry liquid. The amount of torque can be determined by the area under the curve of the torque line applied at a given time t corresponding to the time at which the solid is considered dispersed in the slurry liquid. The solid is dispersed in the slurry liquid if the number average of the dry matter content percentage of the statistically effective number of aliquots of the slurry liquid is within 2.5% of the total dry matter content percentage in the slurry liquid. It is considered that

スラリー液体含有物中で分散されたリグニンを含む機械的に分散された固体原料の25℃、10s−1の剪断速度において計測されたリグニンを含むスラリーの粘度は、同一条件(例えば、乾物含有率)下で計測される場合、機械的処理前にスラリー液体中で分散されたリグニンを含む固体原料のスラリーの粘度未満であるべきである。 The viscosity of the slurry containing lignin measured at 25 ° C. and a shear rate of 10 s −1 of the mechanically dispersed solid feed containing lignin dispersed in the slurry liquid content is the same (eg, dry matter content ) When measured below, it should be less than the viscosity of the slurry of the solid feed containing lignin dispersed in the slurry liquid prior to mechanical processing.

リグニンを含むスラリーを生成した後、リグニンを含むスラリーは、機械的撹拌により維持することができる。   After producing the slurry containing lignin, the slurry containing lignin can be maintained by mechanical stirring.

リグニン変換をリグノセルロース系バイオマス(10)の前処理とも発酵とも同時に配置させない、リグニンを含むスラリーを作出する別の方針は、スラリー液体、好ましくは、水中のリグニンを含む固体原料を、真空または大気圧未満の圧力に曝露することであり、0.8bar未満が好ましく、0.7bar未満がより好ましく、0.4bar未満がいっそうより好ましく、0.2bar未満が最も好ましい。リグニンを含む原料は、小粒子に急速に膨張し、解離し、分散する。このようにして、高剪断混合および/または高剪断力は、より高濃度が可能であれば回避される。より急速に粒子を分散させるために真空ステップと同時に生じる少なくともいくらかの機械的撹拌を有することが好ましい。スラリー作出実験の項および図5は、スラリーに対する圧力を増加させる前に、リグニンを含む固体原料に対して真空を使用する利点を定量的に示す。真空は、運搬スクリュを介して剪断および撹拌と同時に適用することができる。真空の適用を維持するための最小時間は、粒子を25℃における理論的分散の50%を超えるまで分散させるために十分な時間であり、25℃における75%を超える分散がより好ましく、25℃における90%を超える分散が最も好ましい。リグニンを含む固体原料を、真空の十分な有効性のためにスラリー液体により包囲または包含することが好ましい。好ましい実施形態において、このスラリー液体は、水である。別の実施形態において、このスラリー液体は、水素供与体を含む。25℃における100%の分散が、理論的分散である。分散の量は、沈降2分後の試料中の固体の量を計測することにより決定する。84グラムの液体中に16グラムの固体が存在する場合、100%の分散における乾物含有率は、16%である。理論的分散の50%において、沈降2分後の試料の乾物含有率は、8%である。   Another strategy to create a slurry containing lignin that does not place lignin conversion simultaneously with pretreatment or fermentation of lignocellulosic biomass (10) is to produce a slurry liquid, preferably a solid feed containing lignin in water, vacuum or large Exposure to pressures below atmospheric pressure, preferably less than 0.8 bar, more preferably less than 0.7 bar, even more preferably less than 0.4 bar, and most preferably less than 0.2 bar. The raw material containing lignin expands rapidly into small particles, dissociates and disperses. In this way, high shear mixing and / or high shear forces are avoided if higher concentrations are possible. It is preferred to have at least some mechanical agitation that occurs simultaneously with the vacuum step to disperse the particles more rapidly. The slurry creation experiment section and FIG. 5 quantitatively illustrate the benefits of using a vacuum on a solid feed containing lignin before increasing the pressure on the slurry. The vacuum can be applied simultaneously with shear and agitation via the conveying screw. The minimum time to maintain the application of vacuum is sufficient to disperse the particles to more than 50% of the theoretical dispersion at 25 ° C, more preferably more than 75% dispersion at 25 ° C, A dispersion of greater than 90% is most preferred. It is preferred that the solid raw material comprising lignin be surrounded or included by the slurry liquid for sufficient effectiveness of the vacuum. In a preferred embodiment, the slurry liquid is water. In another embodiment, the slurry liquid includes a hydrogen donor. 100% dispersion at 25 ° C. is the theoretical dispersion. The amount of dispersion is determined by measuring the amount of solids in the sample after 2 minutes of settling. If 16 grams of solid is present in 84 grams of liquid, the dry matter content at 100% dispersion is 16%. At 50% of theoretical dispersion, the dry matter content of the sample after 2 minutes of settling is 8%.

リグニン変換をリグノセルロース系バイオマス(10)の前処理とも発酵とも同時に配置させない、リグニンを含むスラリーを作出する最後の方針は、スラリー液体、好ましくは、水中のリグニンを含む固体原料を、リグニンを含む原料の粒子をさらにスラリー全体にわたり経時的に分散させる高剪断、例えば、ブレンダ中に見出されるものに曝露することである。別の実施形態において、スラリー液体は、水素供与体である。   The final policy of creating a slurry containing lignin that does not place lignin conversion simultaneously with pretreatment and fermentation of lignocellulosic biomass (10) is to include a slurry liquid, preferably a solid feed containing lignin in water, containing lignin Exposure to high shear, such as that found in a blender, which further disperses the raw material particles over time throughout the slurry. In another embodiment, the slurry liquid is a hydrogen donor.

ほとんどの例において、スラリー液体は、水または少なくとも1つの水素供与体との組合せにおける水である。スラリー液体の水の重量と、リグニン原料の乾燥重量との量の比は、好ましくは、0.3から9の範囲内であり、0.5から9がより好ましく、1から9がいっそうより好ましく、2から9がさらに好ましい比であり、3から5がいっそうより好ましい比である。   In most instances, the slurry liquid is water or water in combination with at least one hydrogen donor. The ratio of the amount of water in the slurry liquid to the dry weight of the lignin raw material is preferably in the range of 0.3 to 9, more preferably 0.5 to 9, and even more preferably 1 to 9. 2 to 9 are more preferred ratios, and 3 to 5 are even more preferred ratios.

スラリー作出実験
真空処理下のスラリー調製を、標準的な機械的撹拌下のスラリー調製と比較して評価するための実験を実施した。
Slurry creation experiment An experiment was conducted to evaluate slurry preparation under vacuum treatment compared to slurry preparation under standard mechanical agitation.

スラリー作出実験1
53%の乾物を有する450gの量のリグニン高含有組成物を、1050gの水を有する3リットルの丸底フラスコ中に挿入して混合物中のリグニン高含有組成物の乾物の16%の理論的濃度に到達させた。機械的混合は適用しなかった。
Slurry production experiment 1
A 450 g quantity of lignin-rich composition with 53% dry matter was inserted into a 3 liter round bottom flask with 1050 g of water to give a theoretical concentration of 16% of the dry product of lignin-rich composition in the mixture. Reached. No mechanical mixing was applied.

フラスコは約16cmの寸法を有し、約6cmの寸法を有する撹拌器を備えた。   The flask had a size of about 16 cm and was equipped with a stirrer having a size of about 6 cm.

フラスコを密封し、29.8mmHgの真空を5分間適用し、除去した。2分間の沈降時間後、リグニンを含むスラリーの第1の試料を抽出した。   The flask was sealed and a 29.8 mm Hg vacuum was applied for 5 minutes and removed. After a 2 minute settling time, a first sample of the slurry containing lignin was extracted.

リグニンを含むスラリーに機械的撹拌を大気圧において1分間適用し、次いで機械的撹拌を停止し、2分間の沈降時間後に試料を抽出した。機械的撹拌手順を、さらに5、10、30、および60分間の撹拌時間繰り返し、試料を毎回2分間の沈降時間後に抽出した。   Mechanical stirring was applied to the slurry containing lignin for 1 minute at atmospheric pressure, then the mechanical stirring was stopped and the sample was extracted after a settling time of 2 minutes. The mechanical agitation procedure was repeated for an additional 5, 10, 30, and 60 minutes of agitation time, and samples were extracted after a settling time of 2 minutes each time.

フラスコの底部に塊状物は存在せず、リグニンを含むスラリーは均一に混合して現れた。   There was no lump at the bottom of the flask, and the slurry containing lignin appeared to be uniformly mixed.

スラリー作出実験2
53%の乾物を有する450gの量のリグニン高含有組成物を、1050gの水を有する3リットルの丸底フラスコ中に挿入して混合物中のリグニン高含有組成物の16%の乾物の理論的濃度に到達させることにより対照実験を実現した。
Slurry production experiment 2
A theoretical concentration of 16% dry matter of the lignin-rich composition in the mixture by inserting a 450 g quantity of lignin-rich composition with 53% dry matter into a 3 liter round bottom flask with 1050 g of water. A control experiment was realized by reaching.

フラスコおよび機械的撹拌器は、真空を用いて実施される実験におけるものと同一であった。リグニンを含むスラリーを機械的撹拌のみに供し、試料を5、1、5、10、30、60分間の撹拌後に抽出した。それぞれの試料採取前、機械的撹拌を2分間の沈降時間停止した。   The flask and mechanical stirrer were the same as in the experiment performed using vacuum. The slurry containing lignin was subjected to mechanical stirring only and samples were extracted after 5, 1, 5, 10, 30, 60 minutes of stirring. The mechanical stirring was stopped for 2 minutes before each sampling.

関連量の塊状物がフラスコの底部に存在し、リグニンを含むスラリーは不均一で現れた。   A relevant amount of lumps was present at the bottom of the flask and the slurry containing lignin appeared heterogeneous.

機械的撹拌は、両方の実験においてリグニンを含むスラリーを250rpmにおいて撹拌することにより得た。   Mechanical agitation was obtained by agitating the slurry containing lignin at 250 rpm in both experiments.

リグニン高含有組成物の乾物の濃度は、試料をオーブン中で105℃において15時間乾燥させることにより測定した。   The dry matter concentration of the lignin-rich composition was measured by drying the sample in an oven at 105 ° C. for 15 hours.

図5は、リグニンを含むスラリー中のリグニン高含有組成物の完全分散パーセントのグラフを報告する。完全分散パーセントは、理論的濃度に関して正規化されたリグニンを含むスラリー中のリグニン高含有組成物の乾物の濃度である。   FIG. 5 reports a graph of percent complete dispersion of the lignin-rich composition in a slurry containing lignin. The percent complete dispersion is the dry matter concentration of the lignin-rich composition in the slurry containing lignin normalized with respect to the theoretical concentration.

実験は、真空を適用することにより、リグニンを含むスラリー中のリグニン高含有組成物の完全な分散を得るために必要とされる時間が大幅に低減され、それにより、混合エネルギー節約、時間節約およびスラリー槽容積低減を可能とすることを実証する。   The experiment shows that by applying a vacuum, the time required to obtain a complete dispersion of the lignin-rich composition in the slurry containing lignin is significantly reduced, thereby reducing mixing energy, time savings and It is demonstrated that the slurry tank volume can be reduced.

スラリー加圧および輸送
リグニンを含むスラリーを作出した後、スラリーをリグニン変換反応器(500)中に装入することができるように、それをリグニン変換反応器圧力およびスラリーポンプ出口からリグニン変換反応器(500)への圧力よりもわずかに高い圧力にしなければならない。
Slurry Pressurization and Transport After creating a slurry containing lignin, it is fed from the lignin conversion reactor pressure and slurry pump outlet to the lignin conversion reactor so that the slurry can be charged into the lignin conversion reactor (500). The pressure should be slightly higher than the pressure to (500).

リグニンを含むスラリーは、スラリーポンプ(400)を使用して加圧することができる。本明細書の目的のため、スラリーポンプ(400)という用語は、所望の圧力に到達し得る任意のポンプ、例えば、ピストンポンプおよび/またはシリンジポンプを指すことを意味する。多段階遠心ポンプも要求圧力に到達し得る。本実験において使用されるピストンポンプとして示されるスラリーポンプ(400)は、入口弁(350)を有する。入口弁位置は、完全開口から完全閉口の範囲に及び得る。したがって、入口弁位置は、開口、閉口および少なくとも部分的な開口からなる群から選択することができ、開口は、完全開口(圧力降下により計測される弁にわたる制限が、考えられる最小である)を意味し、閉口は、液体も気体も弁を通り流れないような完全閉口を意味し、少なくとも部分的な開口は、弁が完全に閉口および完全に開口していないが、完全閉口と完全開口との間のある箇所であることを意味する。スラリーポンプ(400)は、出口弁(450)を有する。出口弁は、開口、閉口および少なくとも部分的な開口からなる群から選択される出口弁位置で存在し得、開口、閉口および少なくとも部分的な開口は、入口弁位置についてのものと同一の意味を有する。   The slurry containing lignin can be pressurized using a slurry pump (400). For purposes herein, the term slurry pump (400) is meant to refer to any pump that can reach the desired pressure, eg, a piston pump and / or a syringe pump. Multistage centrifugal pumps can also reach the required pressure. A slurry pump (400), shown as a piston pump used in this experiment, has an inlet valve (350). The inlet valve position can range from fully open to fully closed. Thus, the inlet valve position can be selected from the group consisting of an opening, a closing and at least a partial opening, where the opening is a full opening (the restriction over the valve measured by the pressure drop is the smallest possible). Means closed, meaning that neither liquid nor gas flows through the valve, and at least a partial opening means that the valve is not fully closed and fully open, Means somewhere in between. The slurry pump (400) has an outlet valve (450). The outlet valve may exist at an outlet valve position selected from the group consisting of an opening, a closing and at least a partial opening, where the opening, the closing and the at least partial opening have the same meaning as for the inlet valve position. Have.

スラリーポンプ(400)は、ピストン(420)およびピストンチャンバ(425)をさらに含む。ピストン(420)は、ピストンチャンバ(425)内側の、およびそれに対する密封を形成してポンプキャビティを形成する。キャビティのサイズは、ピストン(420)がピストンチャンバ(425)内のどこにあるかに依存する。   The slurry pump (400) further includes a piston (420) and a piston chamber (425). The piston (420) forms a pump cavity forming a seal inside and to the piston chamber (425). The size of the cavity depends on where the piston (420) is in the piston chamber (425).

少なくとも部分的な開口および開口(430A)からなる群から選択される入口弁位置で存在する入口弁(350)にリグニンを含むスラリーを通し、ピストンチャンバ(425)からピストン(420)の少なくとも一部を引くことにより形成されるポンプキャビティに流す。この入口ステップの間、出口弁(450)は、閉口出口弁位置(440B)である。ポンプキャビティは、入口ポンプキャビティ圧力におけるものである。ある量のリグニンを含むスラリーがポンプキャビティに流入した後、入口弁位置を閉口(430B)に切り替え、または換言すると、入口弁を閉口する。次いで、リグニンを含むスラリーの圧力が、リグニン変換反応器圧力または脱酸素圧力としても公知の反応器操作圧力よりも高い排出圧力に到達するまでピストンチャンバ(425)中のピストン(420)に力を配置または適用する。反応器は、80から245bar、80から210bar、90から210barおよび90から175barの範囲内で作動する。したがって、ポンプの排出圧力も、80から245bar、80から210bar、90から210barおよび90から175barの上記範囲内であるが、リグニン変換圧力よりも高くなるべきである。本明細書の目的のため、リグニン変換容器およびリグニン変換反応器という用語は互換的であることにも留意すべきである。   At least a portion of the piston (420) from the piston chamber (425) through the slurry containing lignin through an inlet valve (350) present at an inlet valve position selected from the group consisting of at least a partial opening and an opening (430A) Flow into the pump cavity formed by pulling. During this inlet step, the outlet valve (450) is in the closed outlet valve position (440B). The pump cavity is at the inlet pump cavity pressure. After a slurry containing a certain amount of lignin flows into the pump cavity, the inlet valve position is switched to closed (430B), or in other words, the inlet valve is closed. The force is then applied to the piston (420) in the piston chamber (425) until the pressure of the slurry containing lignin reaches a discharge pressure higher than the reactor operating pressure, also known as lignin conversion reactor pressure or deoxygenation pressure. Place or apply. The reactor operates in the range of 80 to 245 bar, 80 to 210 bar, 90 to 210 bar and 90 to 175 bar. Therefore, the pump discharge pressure should also be within the above ranges of 80 to 245 bar, 80 to 210 bar, 90 to 210 bar and 90 to 175 bar, but should be higher than the lignin conversion pressure. It should also be noted that for purposes of this specification, the terms lignin conversion vessel and lignin conversion reactor are interchangeable.

出口弁(450)を開口することにより、すなわち、出口弁位置を少なくとも部分的な開口および開口からなる群から選択される位置に切り替えることにより、リグニンを含むスラリーの少なくとも一部をポンプキャビティから排出する。ピストン(420)をポンプ本体中にさらに圧入してポンプキャビティの容積を低減させ、リグニンを含むスラリーの少なくとも一部を出口弁(450)に通して押す。出口弁(450)は、管、パイプまたは他の連結部によりリグニン変換反応器(500)に連結されている。リグニン変換反応器に連結されているとは、ポンプキャビティからの材料が出口弁を通り、一般に、パイプ、管を通り、または一連の連結パイプもしくは管を通りリグニン変換反応器(500)中に流動し得ることを意味する。一実施形態において、出口弁とリグニン変換反応器(500)との間に複数の追加の弁、例えば、リグニン変換反応器(500)を遮断するための弁が存在し得る。   By opening the outlet valve (450), ie, switching the outlet valve position to a position selected from the group consisting of at least partial openings and openings, at least a portion of the slurry containing lignin is discharged from the pump cavity. To do. The piston (420) is further pressed into the pump body to reduce the volume of the pump cavity and push at least a portion of the slurry containing lignin through the outlet valve (450). The outlet valve (450) is connected to the lignin conversion reactor (500) by a tube, pipe or other connection. Connected to the lignin conversion reactor means that the material from the pump cavity flows through the outlet valve, generally through a pipe, tube, or through a series of connecting pipes or tubes into the lignin conversion reactor (500). It means you can. In one embodiment, there may be a plurality of additional valves between the outlet valve and the lignin conversion reactor (500), for example, a valve for shutting off the lignin conversion reactor (500).

プロセスを連続様式で実行するため、リグニンを含むスラリーをリグニン変換反応器(500)に連続的に導入することは必要でない。例えば、1つのピストンポンプのみを使用する場合、リグニンを含むスラリーをリグニン変換反応器(500)中に定常のアリコートまたはパルスで導入する。したがって、リグニン変換反応器に流入する生成物が存在しない時期が存在する。しかしながら、経時的には、リグニン変換反応器中に導入される質量は、リグニン変換反応器から取り出される質量と等しい。連続プロセスと回分プロセスとの間の1つの区別される特徴は、連続プロセスにおいては、リグニンを含むスラリーをリグニン変換反応器(500)中に導入し、および/またはリグニン変換生成物をリグニン変換反応器から取り出すのと同時に反応を行い、または進行させていることである。これを記述する別の手法は、リグニン変換反応器中の変換(例えば、脱酸素、または水素化)を行う一方、同時に、または一緒にリグニン変換反応器(500)からリグニン変換反応器含有物の少なくとも一部を取り出すことである。そのような取出は、アリコートまたはパルス取出が含まれる連続様式で行う。   In order to run the process in a continuous manner, it is not necessary to continuously introduce a slurry containing lignin into the lignin conversion reactor (500). For example, if only one piston pump is used, a slurry containing lignin is introduced into the lignin conversion reactor (500) in steady aliquots or pulses. Therefore, there is a period when there is no product flowing into the lignin conversion reactor. However, over time, the mass introduced into the lignin conversion reactor is equal to the mass removed from the lignin conversion reactor. One distinguishing feature between continuous and batch processes is that in a continuous process, a slurry containing lignin is introduced into the lignin conversion reactor (500) and / or the lignin conversion product is lignin conversion reaction. The reaction is taking place or proceeding simultaneously with removal from the vessel. Another approach to describe this is to perform conversion (eg, deoxygenation, or hydrogenation) in a lignin conversion reactor while simultaneously or together from the lignin conversion reactor (500) of the lignin conversion reactor contents. It is to take out at least a part. Such removal is performed in a continuous manner including aliquots or pulse removal.

従来技術は、高圧反応器装入のためのピストンポンプまたはシリンジポンプの使用を提唱する。しかしながら、当該技術分野の総意は、逆止弁を使用することである。この簡易で洗練されたアプローチが長年使用されてきた。しかしながら、本発明者らにより発見されたとおり、逆止弁および他の弁構成は、リグニンを含むスラリーについて機能しない。本発明者らは、複数のポンプおよび弁の専門家らに相談し、専門家らにより提唱された多数の解決法を評価し、それらはいずれも、リグニンを含むスラリーをリグニン変換反応器に連続的に装入することを可能としなかった。圧力を維持することができず、または長時間維持することができなかった。観察は、頑丈で繊維性のリグニンが、リグニンを含むスラリーからのリグニンを弁座中で詰まらせ、低流量または強い衝撃の区域中で蓄積し、弁の塞栓を引き起こすことを示した。   The prior art proposes the use of piston pumps or syringe pumps for high pressure reactor charging. However, the consensus of the art is the use of a check valve. This simple and sophisticated approach has been used for many years. However, as discovered by the inventors, check valves and other valve configurations do not work for slurries containing lignin. The present inventors consulted with multiple pump and valve experts to evaluate a number of solutions proposed by the experts, all of which continued the slurry containing lignin into the lignin conversion reactor. Could not be charged. The pressure could not be maintained or could not be maintained for a long time. Observations have shown that rugged, fibrous lignin clogs lignin from slurries containing lignin in the valve seat and accumulates in areas of low flow or high impact, causing valve embolization.

より複雑な弁系が機能することが発見された。工業基準および簡易な逆止弁の使用を、制御することができる位置を有する弁と置き換えるべきであること、ならびにその弁は、弁またはその流路を通るリグニンを含むスラリーの非制限および非閉塞流を提供すべきであることが発見された。非制限流は、弁(流路)を通るリグニンを含むスラリーの流れが、例えば、屈曲して向きを変えず、例えば、流路の縮小において線形速度で増加させないことを意味する。非閉塞流は、流路がいかなる追加の要素、例えば、弁が完全開口位置である場合、スラリーが追加の要素の周囲を流動し、またはそれに衝突せざるをえないような、スラリー流の経路中にバタフライ弁の挿入体も含有しないことを意味する。さらに、流路は、追加の不感帯、例えば、仕切弁の弁座溝を含有しない。不感帯、例えば、仕切弁の弁座溝は、弁が開口された場合、スラリーにより満たされ、弁が閉口された場合、仕切はスラリーを溝中に圧縮し、溝中でのリグニンを含むスラリーの蓄積および圧縮を可能とする。この場合、経時的に弁は着座も密封もせず、圧力を保持し得ない。   It has been discovered that more complex valve systems work. The use of industry standards and simple check valves should be replaced with valves with controllable positions, and the valves are non-restricted and non-occluded of slurry containing lignin through the valve or its flow path It was discovered that a flow should be provided. Non-restricted flow means that the flow of slurry containing lignin through the valve (channel) does not, for example, bend and change direction, and does not increase at a linear rate, for example, in channel reduction. Non-occlusive flow is the path of the slurry flow where the flow path is such that any additional element, for example, the valve is in a fully open position, the slurry must flow around or impinge upon the additional element. This means that it does not contain any butterfly valve inserts. Furthermore, the flow path does not contain additional dead zones, for example, valve seat grooves for gate valves. The dead zone, for example, the valve seat groove of a gate valve, is filled with slurry when the valve is opened, and when the valve is closed, the partition compresses the slurry into the groove and of the slurry containing lignin in the groove. Allows accumulation and compression. In this case, the valve does not sit or seal over time and cannot maintain pressure.

例として、限定されるものではないが、リグニンを含むスラリーの非制限および非閉塞流を提供する弁には、ボール弁、フルポートボール弁またはフルポート固定ボール弁が含まれる。対照的に、慣例の弁、例えば、ほとんどの玉形弁、ほとんどのアングル弁、ほとんどのダイアフラム弁、ほとんどのバタフライ弁およびほとんどの逆止弁は、リグニンを含むスラリーの流れを制限および/または閉塞し、リグニンを含むスラリーからのリグニンの、低流量または高い衝撃の区域中での蓄積を引き起こし、最終的に弁の塞栓を引き起こし、または着座も密封も引き起こさず、圧力を保持し得ない(そのような弁の例は、Chemical Engineers’Handbook,Fifth Edition,Perry & Chilton,p6−54から6−57,1973に記載されている)。実際、リグニンを含むスラリーからのリグニンのこの蓄積は、かなり急激に生じ得、一部の例においては急激すぎるためにリグニンを含むスラリーは入口弁を通りポンプキャビティ中に全く装入されない(スラリーポンプ輸送実験1参照)。   By way of example and not limitation, valves that provide unrestricted and non-occlusive flow of slurry containing lignin include ball valves, full port ball valves or full port fixed ball valves. In contrast, conventional valves, such as most ball valves, most angle valves, most diaphragm valves, most butterfly valves, and most check valves limit and / or block the flow of slurry containing lignin. However, lignin from slurries containing lignin can accumulate in areas of low flow or high impact, eventually causing valve embolization, or neither seating nor sealing, and cannot hold pressure (that Examples of such valves are described in Chemical Engineers' Handbook, Fifth Edition, Perry & Chicago, p 6-54 to 6-57, 1973). In fact, this accumulation of lignin from a slurry containing lignin can occur quite rapidly, and in some cases it is too rapid so that the slurry containing lignin passes through the inlet valve and is not charged into the pump cavity at all (slurry pump Transport experiment 1).

逆止弁を除去することにより、系は、もはや弁内で自動的でなくなったが、それぞれの弁を同調様式で開閉するための特別な追加の制御を必要とした。したがって、従来技術、ならびにポンプおよび弁の専門家らが本発明者らに何度も提唱したこととは正反対に、プロセスは、入口弁(350)および出口弁(450)が逆止弁でなく、非制限および非閉塞流を提供する弁である場合にのみ機能した(逆止弁は、逆流を防止する弁である)。加圧プロセス、排出部および反応器中への最終的な装入部は、スラリー流の経路中でいかなる逆止弁も欠くことが好ましい。あるいは、スラリーは、逆止弁を通りスラリーポンプ(400)中に流動して反応器に流入しない。   By removing the check valves, the system was no longer automatic within the valves, but required special additional control to open and close each valve in a synchronized fashion. Thus, contrary to the prior art and many times the pump and valve experts have proposed to the inventors, the process is such that the inlet valve (350) and outlet valve (450) are not check valves. It worked only when it was a valve that provided unrestricted and non-occlusive flow (a check valve is a valve that prevents backflow). The pressurization process, discharge and final charge into the reactor preferably lack any check valve in the slurry flow path. Alternatively, the slurry flows through the check valve and into the slurry pump (400) and does not enter the reactor.

異なる実施形態が利用可能である。例えば、少なくとも2つのピストンポンプを含む複数のスラリーポンプが存在し得る。2つのピストンポンプが存在する場合、それぞれのピストンポンプは、それ自体の入口弁およびそれ自体の出口弁を有し得る(例えば、第1のピストンポンプは、第1の入口弁(350A)および第1の出口弁(450A)を有する一方、第2のピストンポンプは、第2の入口弁(350B)および第2の出口弁(450B)を有する)。複数のスラリーポンプは、並列構成であり得る。並列構成の2つのピストンポンプは、同一の入口弁(350)および/または出口弁(450)を共有することが可能である。別の構成は、入口弁(350)および出口弁(450)が同一の弁である場合である。   Different embodiments are available. For example, there can be a plurality of slurry pumps including at least two piston pumps. If there are two piston pumps, each piston pump may have its own inlet valve and its own outlet valve (eg, the first piston pump may have a first inlet valve (350A) and a second outlet valve). One outlet valve (450A), while the second piston pump has a second inlet valve (350B) and a second outlet valve (450B)). The plurality of slurry pumps can be in a parallel configuration. Two piston pumps in a parallel configuration can share the same inlet valve (350) and / or outlet valve (450). Another configuration is where the inlet valve (350) and outlet valve (450) are the same valve.

最終的に、一部が固体形態であるリグニンを含むスラリーの少なくとも一部を、リグニン変換反応器(500)中に導入する。リグニン変換反応器は、リグニン変換圧力およびリグニン変換温度を有する。リグニン変換圧力は、少なくともスラリーポンプ(400)からリグニン変換反応器入口への圧力降下の量であるスラリーポンプ排出圧力よりも少なくともわずかに低い。一般に、スラリーポンプ排出圧力は、リグニン変換圧力よりも高く、スラリーポンプ排出圧力は、リグニン変換反応器圧力およびスラリーポンプ排出部からリグニン変換反応器(500)へのプロセス中の圧力降下の絶対量よりも高い。   Finally, at least a portion of the slurry containing lignin, some in solid form, is introduced into the lignin conversion reactor (500). The lignin conversion reactor has a lignin conversion pressure and a lignin conversion temperature. The lignin conversion pressure is at least slightly lower than the slurry pump discharge pressure, which is at least the amount of pressure drop from the slurry pump (400) to the lignin conversion reactor inlet. Generally, the slurry pump discharge pressure is higher than the lignin conversion pressure, which is greater than the lignin conversion reactor pressure and the absolute amount of pressure drop during the process from the slurry pump discharge to the lignin conversion reactor (500). Is also expensive.

スラリーポンプ輸送実験
リグニンを含むスラリーを加圧されたリグニン変換反応器に装入する実験を実施した。異なる記載がない限り、以下の手順を全ての実験に適用した。
Slurry Pump Transport Experiment An experiment was conducted in which slurry containing lignin was charged into a pressurized lignin conversion reactor. Unless stated differently, the following procedure was applied to all experiments.

リグノセルロース系バイオマスの前処理から得られたリグニン高含有組成物に脱イオン水を添加し、スラリーの質量の20重量パーセントの乾物含有率を有するリグニンを含むスラリーを得た。混合物をブレンダ(Waringブレンダ、モデルHGBSSSS6)中に挿入し、1から2分間断続的に十分に混合して均一なスラリーを得た。スラリーの均一性は肉眼により評価した。スラリーを混合槽(340)中に挿入し、撹拌を継続した。混合槽(340)は、標準的な実験室パドルミキサと、2つのポンプキャビティを有するChandler Quizix QXデュアルシリンジポンプに連結された底部排出ポートとを収容する約1Lの容積を有するステンレス鋼の皿底槽であった。入口弁(350)を、混合槽(340)と、Chandler Quizix QXデュアルシリンジポンプの2つのポンプキャビティとの間に挿入した。Chandler Quizix QXデュアルシリンジポンプは、二枚45°傾斜タービン翼と、冷却コイルと、別個のガスおよびスラリー供給ポートと、排出浸漬管(610)とを備えるParr4575反応器に管接続することにより連結した。出口弁(450)は、Chandler Quizix QXデュアルシリンジポンプの2つのポンプキャビティと、Parr反応器との間に挿入した。20℃の温度において200から400scfhの水素をParr反応器中に挿入して48.3barの圧力に到達させた。Parr反応器を反応温度の90%に対応する温度に加熱し、水素の連続流をParr反応器中に出発させた。Parr反応器中の最終温度および圧力は、275〜325℃および100から175barで変動した。圧力は、Parr反応器に連結された圧力変換器(Ashcroft Type62)により計測した。   Deionized water was added to the lignin-rich composition obtained from the pretreatment of lignocellulosic biomass to obtain a slurry containing lignin having a dry matter content of 20 weight percent of the mass of the slurry. The mixture was inserted into a blender (Waring blender, model HGBSSSS6) and mixed thoroughly intermittently for 1 to 2 minutes to obtain a uniform slurry. The uniformity of the slurry was evaluated with the naked eye. The slurry was inserted into the mixing vessel (340) and stirring was continued. The mixing vessel (340) is a stainless steel dish-bottom vessel having a volume of about 1 L that houses a standard laboratory paddle mixer and a bottom discharge port connected to a Chandler Quizix QX dual syringe pump with two pump cavities. Met. An inlet valve (350) was inserted between the mixing tank (340) and the two pump cavities of the Chandler Quizix QX dual syringe pump. The Chandler Quizix QX dual syringe pump was connected by pipe connection to a Parr 4575 reactor equipped with two 45 ° inclined turbine blades, cooling coils, separate gas and slurry supply ports, and a discharge dip tube (610). . An outlet valve (450) was inserted between the two pump cavities of the Chandler Quizix QX dual syringe pump and the Parr reactor. 200-400 scfh of hydrogen was inserted into the Parr reactor at a temperature of 20 ° C. to reach a pressure of 48.3 bar. The Parr reactor was heated to a temperature corresponding to 90% of the reaction temperature and a continuous flow of hydrogen was started into the Parr reactor. The final temperature and pressure in the Parr reactor varied from 275 to 325 ° C. and from 100 to 175 bar. The pressure was measured by a pressure transducer (Ashcroft Type 62) connected to a Parr reactor.

第1のポンプキャビティに対応する第1の入口弁(350A)の入口弁位置を開口位置(430A)にアクチュエータにより切り替えることにより、リグニンを含むスラリーを、混合槽(340)からChandler Quizix QXデュアルシリンジポンプの2つのポンプキャビティの第1のポンプキャビティ中に流した。リグニンを含むスラリーが第1のポンプキャビティに到達した後、第1のポンプキャビティに対応する第1の入口弁(350A)を閉口入口弁位置(430B)にアクチュエータにより切り替えた。第1のポンプキャビティに対応する第1の入口弁(350A)を閉口した後、第2のポンプキャビティに対応する第2の入口弁(350B)の入口弁位置を開口位置(430A)にアクチュエータにより切り替えることにより、リグニンを含むスラリーを、混合槽(340)からChandler Quizix QXデュアルシリンジポンプの2つのポンプキャビティの第2のポンプキャビティ中に流した。   By switching the inlet valve position of the first inlet valve (350A) corresponding to the first pump cavity to the open position (430A) by the actuator, the slurry containing lignin is transferred from the mixing tank (340) to the Handler Quizix QX dual syringe. Flowed into the first pump cavity of the two pump cavities of the pump. After the slurry containing lignin reached the first pump cavity, the first inlet valve (350A) corresponding to the first pump cavity was switched to the closed inlet valve position (430B) by the actuator. After closing the first inlet valve (350A) corresponding to the first pump cavity, the inlet valve position of the second inlet valve (350B) corresponding to the second pump cavity is moved to the open position (430A) by the actuator. By switching, the slurry containing lignin was flowed from the mixing vessel (340) into the second pump cavity of the two pump cavities of the Chandler Quizix QX dual syringe pump.

第1のポンプキャビティに対応する第1の入口弁(350A)を閉口した後(430B)、Chandler Quizix QXデュアルシリンジポンプは、リグニンを含むスラリーを第1のポンプキャビティ中でParr反応器の圧力よりも高い圧力に加圧した。第1のポンプキャビティ中のリグニンを含むスラリーが加圧されている一方、第1の入口弁(350A)および第1の出口弁(450A)の両方を閉口した。第1のポンプキャビティ中のリグニンを含むスラリーをParr反応器の圧力よりも高い圧力に加圧した後、第1のポンプキャビティに対応する第1の出口弁(450A)を開口位置(440A)にアクチュエータにより切り替え、第1のポンプキャビティ中の加圧されたリグニンを含むスラリーのParr反応器への装入を可能とした。   After closing the first inlet valve (350A) corresponding to the first pump cavity (430B), the Handler Quizix QX dual syringe pump causes the slurry containing lignin to flow from the pressure of the Parr reactor in the first pump cavity. Was also pressurized to a high pressure. While the slurry containing lignin in the first pump cavity was pressurized, both the first inlet valve (350A) and the first outlet valve (450A) were closed. After pressurizing the slurry containing lignin in the first pump cavity to a pressure higher than that of the Parr reactor, the first outlet valve (450A) corresponding to the first pump cavity is set to the open position (440A). The actuator was switched to allow the slurry containing pressurized lignin in the first pump cavity to be charged into the Parr reactor.

第1のポンプキャビティに対応する第1の出口弁(450A)を開口した後、第2のポンプキャビティに対応する第2の入口弁(350B)を閉口位置(430B)にアクチュエータにより切り替えた。第2のポンプキャビティに対応する第2の入口弁(350B)を閉口した後(430B)、Chandler Quizix QXデュアルシリンジポンプは、第2のポンプキャビティ中のリグニンを含むスラリーをParr反応器の圧力よりも高い圧力に加圧した。第2のポンプキャビティ中のリグニンを含むスラリーが加圧されている一方、第2の入口弁(350B)および第2の出口弁(450B)の両方を閉口した。Parr反応器の圧力は、脱酸素圧力であり、90から175barの範囲であり得る。第2のポンプキャビティ中のリグニンを含むスラリーをParr反応器の圧力よりも高い圧力に加圧した後、第1のポンプキャビティに対応する第1の出口弁(450A)を閉口位置(440B)にアクチュエータにより切り替えた。第1のポンプキャビティに対応する第1の出口弁(450A)を閉口した後、第2のポンプキャビティに対応する第2の出口弁(450B)を開口(440A)位置にアクチュエータにより切り替え、第2のポンプキャビティ中の加圧されたリグニンを含むスラリーのParr反応器への装入を可能とした。   After opening the first outlet valve (450A) corresponding to the first pump cavity, the second inlet valve (350B) corresponding to the second pump cavity was switched to the closed position (430B) by the actuator. After closing the second inlet valve (350B) corresponding to the second pump cavity (430B), the Handler Quizix QX dual syringe pump removes the slurry containing lignin in the second pump cavity from the pressure of the Parr reactor. Was also pressurized to a high pressure. While the slurry containing lignin in the second pump cavity was pressurized, both the second inlet valve (350B) and the second outlet valve (450B) were closed. The pressure of the Parr reactor is the deoxygenation pressure and can range from 90 to 175 bar. After pressurizing the slurry containing lignin in the second pump cavity to a pressure higher than that of the Parr reactor, the first outlet valve (450A) corresponding to the first pump cavity is set to the closed position (440B). It switched with the actuator. After closing the first outlet valve (450A) corresponding to the first pump cavity, the second outlet valve (450B) corresponding to the second pump cavity is switched to the opening (440A) position by the actuator, and the second The slurry containing pressurized lignin in the pump cavities was allowed to be charged to the Parr reactor.

第2のポンプキャビティに対応する第2の出口弁(450B)を開口した後、第1のポンプキャビティに対応する第1の入口弁(350A)を開口位置(430A)にアクチュエータにより切り替え、混合槽(340)から第1のポンプキャビティ中に入る追加のリグニンを含むスラリーの加圧およびParr反応器への後続の装入を可能とした。   After opening the second outlet valve (450B) corresponding to the second pump cavity, the first inlet valve (350A) corresponding to the first pump cavity is switched to the opening position (430A) by the actuator, and the mixing tank From (340), it was possible to pressurize the slurry containing additional lignin entering the first pump cavity and subsequent charge to the Parr reactor.

スラリーポンプ輸送実験1および2
スラリーポンプ輸送実験1および2について、入口弁および出口弁は、Vindum Engineering、モデル番号CV−505−SSからの小さいオリフィスの弁棒上昇式弁であった。これらの弁は、スラリーポンプ輸送の分野における専門家により推奨され、リグニンを含むスラリーを加圧された反応器に装入するために十分であると示された。
Slurry pump transport experiments 1 and 2
For slurry pumping experiments 1 and 2, the inlet and outlet valves were small orifice valve stem lift valves from Vindum Engineering, model number CV-505-SS. These valves were recommended by experts in the field of slurry pumping and were shown to be sufficient to charge a slurry containing lignin into a pressurized reactor.

実験1について、第1のポンプキャビティに対応する入口弁を開口位置に切り替えた場合、それはリグニンを含むスラリーからの固体リグニンにより直ちに塞栓された。リグニンを含むスラリーは、第1のポンプキャビティにも、第1のポンプキャビティに対応する出口弁にも、Parr反応器にも全く到達しなかった。   For Experiment 1, when the inlet valve corresponding to the first pump cavity was switched to the open position, it was immediately plugged with solid lignin from the slurry containing lignin. The slurry containing lignin did not reach the first pump cavity, the outlet valve corresponding to the first pump cavity, nor the Parr reactor at all.

実験2について、スラリーポンプ輸送の分野における専門家は、混合槽(340)を2.5から3barに加圧し、リグニンを含むスラリーを入口弁に通してポンプキャビティ中に装入することを支援することを推奨した。専門家は、混合槽(340)の加圧は、リグニンを含むスラリーが入口弁を塞栓せずに入口弁を通りポンプキャビティ中に流れることを可能とすることを表した。第1のポンプキャビティに対応する入口弁を開口位置に切り替えた場合、それは、リグニンを含むスラリーからの固体リグニンにより直ちに塞栓され、いかなる量のリグニンを含むスラリーも、第1のポンプキャビティにも、出口弁にも、Parr反応器にも到達しなかった。   For Experiment 2, experts in the field of slurry pumping help pressurize the mixing vessel (340) from 2.5 to 3 bar and charge the slurry containing lignin through the inlet valve into the pump cavity. Recommended. Experts have shown that pressurization of the mixing vessel (340) allows slurry containing lignin to flow through the inlet valve and into the pump cavity without plugging the inlet valve. When the inlet valve corresponding to the first pump cavity is switched to the open position, it is immediately plugged by solid lignin from the slurry containing lignin, so that any amount of slurry containing lignin can enter the first pump cavity, Neither the outlet valve nor the Parr reactor was reached.

スラリーポンプ輸送実験3および4
実験3および4について、スラリーポンプ輸送の分野における専門家は、入口弁および出口弁を、Swagelockベローズシール弁、モデル番号SS−HBS6−Cと置き換えることを推奨した。実験3および4の入口弁および出口弁は、実験1および2のものよりも大きいオリフィスを有し、専門家は、それらのより大きいオリフィスがリグニンを含むスラリーが入口弁を塞栓せずに入口弁を通りポンプキャビティ中に流れることを可能とすることを表した。
Slurry pump transport experiments 3 and 4
For Runs 3 and 4, experts in the field of slurry pumping recommended replacing the inlet and outlet valves with Swagelock bellows seal valves, model number SS-HBS6-C. The inlet and outlet valves of Experiments 3 and 4 have larger orifices than those of Experiments 1 and 2, and experts have shown that these larger orifices do not plug the inlet valve with slurry containing lignin. It is possible to flow through the pump cavity.

実験3について、第1のポンプキャビティに対応する入口弁を開口位置に切り替えた場合、それは、第1のポンプキャビティ中に入るリグニンを含むスラリーの一部のParr反応器への装入を可能とした。しかしながら、15から20分間の時間後、入口弁はリグニンを含むスラリーからの固体リグニンにより再度塞栓された。   For Experiment 3, when the inlet valve corresponding to the first pump cavity was switched to the open position, it enabled the charging of a portion of the slurry containing lignin entering the first pump cavity into the Parr reactor. did. However, after a period of 15 to 20 minutes, the inlet valve was plugged again with solid lignin from the slurry containing lignin.

実験4について、スラリーポンプ輸送の分野における専門家は、混合槽(340)を2.5から3barの間に加圧し、リグニンを含むスラリー入口弁に通してポンプキャビティ中に装入することを支援することを推奨した。専門家は、混合槽(340)の加圧が、リグニンを含むスラリーが入口弁を塞栓せずに入口弁を通り、ポンプキャビティ中に流れることを可能とすることを再度表した。第1のポンプキャビティに対応する入口弁を開口位置に切り替えた場合、それは、第1のポンプキャビティ中に入るリグニンを含むスラリーの一部をParr4575反応器に装入することを可能とした。しかしながら、25から30分間の時間後、入口弁はリグニンを含むスラリーからの固体リグニンにより再度塞栓された。   For Experiment 4, experts in the field of slurry pumping help pressurize the mixing vessel (340) between 2.5 and 3 bar and load it into the pump cavity through a slurry inlet valve containing lignin. Recommended to do. Experts have again shown that pressurization of the mixing vessel (340) allows slurry containing lignin to flow through the inlet valve and into the pump cavity without plugging the inlet valve. When the inlet valve corresponding to the first pump cavity was switched to the open position, it enabled a portion of the slurry containing lignin entering the first pump cavity to be charged to the Parr 4575 reactor. However, after a time of 25 to 30 minutes, the inlet valve was re-embedded with solid lignin from the slurry containing lignin.

スラリーポンプ輸送実験5および6
実験5について、本発明者らは、入口弁をSwagelok60シリーズ3ピースボール弁、モデル番号SS−62TS6と置き換えることを決定した。出口弁は、実験3および4において使用された同一のSwagelockベローズシール弁であった。第1のポンプキャビティに対応する入口弁を開口位置に切り替えた場合、それは、第1のポンプキャビティ中に入るリグニンを含むスラリーの一部を続いて第1のポンプキャビティに対応する出口弁に通して流し、Parr反応器に装入することを可能とした。このプロセスを約2日間の期間実行し、その時間において、出口弁はリグニンを含むスラリーからの固体リグニンにより塞栓された。
Slurry pump transport experiments 5 and 6
For Experiment 5, the inventors decided to replace the inlet valve with a Swagelok 60 series 3-piece ball valve, model number SS-62TS6. The outlet valve was the same Swagelock bellows seal valve used in experiments 3 and 4. When the inlet valve corresponding to the first pump cavity is switched to the open position, it passes a portion of the slurry containing lignin entering the first pump cavity to the outlet valve corresponding to the first pump cavity. And allowed to enter the Parr reactor. This process was carried out for a period of about 2 days, at which time the outlet valve was plugged with solid lignin from a slurry containing lignin.

実験6について、入口弁は、実験5において使用されたものと同一のSwagelok60シリーズ3ピースボール弁であったが、本発明者らは、出口弁をSwagelok60シリーズ3ピースボール弁、モデル番号SS−62TS6と置き換えることを決定した。第1のポンプキャビティに対応する入口弁を開口位置に切り替えた場合、それは、第1のポンプキャビティ中に入るリグニンを含むスラリーの一部を続いて第1のポンプキャビティに対応する出口弁に通して流し、Parr反応器に装入することを可能とした。次いで、ポンプは、リグニンを含むスラリーを入口弁も出口弁も塞栓せずにParr反応器中に連続的に装入し得た。混合槽(340)を加圧して反応器に装入することは必要でなかった。   For Experiment 6, the inlet valve was the same Swagelok 60 series 3 piece ball valve used in Experiment 5, but we used an outlet valve for the Swagelok 60 series 3 piece ball valve, model number SS-62TS6. And decided to replace it. When the inlet valve corresponding to the first pump cavity is switched to the open position, it passes a portion of the slurry containing lignin entering the first pump cavity to the outlet valve corresponding to the first pump cavity. And allowed to enter the Parr reactor. The pump could then continuously charge the slurry containing lignin into the Parr reactor without plugging the inlet and outlet valves. It was not necessary to pressurize the mixing vessel (340) and charge it into the reactor.

炭化物防止
任意の連続リグニン変換プロセスにおける困難性の1つは、炭化物の形成を回避することである。炭化物形成は、リグニン変換生成物の収率の減少をもたらし、リグニン変換プロセスの連続性を破壊する。それというのも、リグニン変換プロセスを操作停止し、プロセスを継続する前にリグニン変換反応器から炭化物を除去しなければならないためである。
Carbide prevention One of the difficulties in any continuous lignin conversion process is to avoid the formation of carbides. Carbide formation results in reduced yields of lignin conversion products and disrupts the continuity of the lignin conversion process. This is because the lignin conversion process must be shut down and the carbides removed from the lignin conversion reactor before the process can continue.

本発明者らは、炭化物を回避するため、Hガスとしての、または水素供与体を介する水素へのリグニンの曝露である脱酸素をリグニン変換温度およびリグニン変換圧力において行い、リグニン変換温度は、大気圧における反応器中の液体組成物の沸点よりも高く、液体組成物の臨界温度未満の範囲内であり、リグニン変換圧力は、リグニン変換温度における反応器中の液体組成物の気泡圧力よりも高く、但し、リグニン変換圧力が炭化物の形成を回避するように選択されることを条件とすることを発見した。 In order to avoid carbides, we perform deoxygenation, which is the exposure of lignin to hydrogen as H 2 gas or via a hydrogen donor at the lignin conversion temperature and the lignin conversion pressure, The boiling point of the liquid composition in the reactor at atmospheric pressure is in the range below the critical temperature of the liquid composition, and the lignin conversion pressure is higher than the bubble pressure of the liquid composition in the reactor at the lignin conversion temperature. It has been found that it is high, provided that the lignin conversion pressure is selected to avoid the formation of carbides.

反応器の液体組成物は、容器に添加される液体成分の組成物である。例えば、一実施形態において、液体組成物は、溶解種を有するほぼ純粋な水である。純水の場合、水素は添加水素ガスから生じる。純水または実質的に純粋な水の場合、気泡圧力は、リグニン変換温度における水の蒸気圧である。別の実施形態において、液体組成物は、水および水素供与体を含み得る。この液体組成物は、温度範囲の下方境界および上方境界を形成するそれ自体の気泡圧力および臨界温度を有し、但し、2つの滞留サイクル後の炭化物形成を回避するようにリグニン変換圧力が選択されることをさらに条件とし、それは2つの滞留サイクル後に反応器を開口し、炭化物(反応器を被覆する暗色残留物)の有無を観察することにより可視的に確認することができる。反応器はまた、いかなる液体も欠く。   The liquid composition of the reactor is a liquid component composition added to the vessel. For example, in one embodiment, the liquid composition is substantially pure water with dissolved species. In the case of pure water, hydrogen comes from the added hydrogen gas. For pure water or substantially pure water, the bubble pressure is the vapor pressure of water at the lignin conversion temperature. In another embodiment, the liquid composition can include water and a hydrogen donor. This liquid composition has its own bubble pressure and critical temperature forming the lower and upper boundaries of the temperature range, provided that the lignin conversion pressure is selected to avoid carbide formation after two residence cycles. This can be further confirmed visually by opening the reactor after two residence cycles and observing the presence or absence of carbides (dark residue covering the reactor). The reactor also lacks any liquid.

リグニン変換圧力は、反応器を流出する気体の量の関数でもあることが発見された。使用される気体、例えば、水素ガスまたは窒素の量が多ければ、要求される圧力は高くなる。水素供与体の場合、少量の気体が使用され、したがって、より低いリグニン変換圧力が炭化物を防止するために必要とされる。   It has been discovered that lignin conversion pressure is also a function of the amount of gas exiting the reactor. The greater the amount of gas used, for example hydrogen gas or nitrogen, the higher the required pressure. In the case of hydrogen donors, a small amount of gas is used and therefore lower lignin conversion pressure is required to prevent carbides.

適切なより低いリグニン変換圧力は、以下のとおり容易に実験的に確立することができる。反応器に装入される液体組成物を決定することができる。ほとんどの場合、それはスラリーからの水であり、存在する場合、どんな水素供与体化合物でも使用する。設計には、反応器を流出する気体についての流量が含まれる。計算は、手作業で行うことができる一方、市販のシミュレーションパッケージを使用して液体混合物の気液平衡条件(気泡圧力)を決定することができる。これは、表2に実証され、それは、液体としての水を使用する「液体水についての計算反応器圧力」である。表により確認することができるとおり、理論的計算はかなり近い近似値であるが、水の場合、実際の圧力は、純粋な成分に基づき計算された量よりも依然として高い。近似値を決定したら、反応を2つの滞留サイクルで実施し、容器を開口し、炭化物について試験することができる。炭化物が存在する場合、炭化物が存在しなくなるまで反応圧力を増加させ、したがって、2つの滞留サイクル後に炭化物が形成されないことを条件とする。   A suitable lower lignin conversion pressure can be easily established experimentally as follows. The liquid composition charged to the reactor can be determined. In most cases it is water from the slurry, and if present, any hydrogen donor compound is used. The design includes a flow rate for the gas exiting the reactor. While the calculation can be performed manually, a commercially available simulation package can be used to determine the vapor-liquid equilibrium conditions (bubble pressure) of the liquid mixture. This is demonstrated in Table 2, which is “calculated reactor pressure for liquid water” using water as the liquid. As can be seen from the table, the theoretical calculation is a fairly close approximation, but in the case of water, the actual pressure is still higher than the amount calculated based on the pure components. Once the approximation is determined, the reaction can be carried out in two residence cycles, the vessel opened and tested for carbides. If carbide is present, the reaction pressure is increased until no carbide is present, so that no carbide is formed after two residence cycles.

滞留サイクルは、反応器含有物をターンオーバーさせるための時間の量である。滞留容積が容器中で4Lであり、容器が1L/時間の操作条件における容積流量において装入されている場合、滞留サイクルは4時間であり、2つの滞留サイクルは8時間である。2L/時間において、滞留サイクルは2時間であり、2つの滞留サイクルは4時間である。   The residence cycle is the amount of time to turn over the reactor contents. If the residence volume is 4 L in the vessel and the vessel is charged at a volumetric flow rate at operating conditions of 1 L / hour, the residence cycle is 4 hours and the two residence cycles are 8 hours. At 2 L / hour, the residence cycle is 2 hours and the two residence cycles are 4 hours.

上記のとおり、リグニン変換プロセスは、リグニン変換温度において行うべきであり、リグニン変換温度は、大気圧におけるスラリー液体の沸点よりも高く、スラリー液体の臨界温度未満の範囲内であり、但し、リグニン変換圧力がリグニン変換温度におけるスラリー液体の気泡圧力よりも高く、炭化物の形成を回避するようにリグニン変換圧力が選択されることを条件とする。   As described above, the lignin conversion process should be performed at the lignin conversion temperature, which is higher than the boiling point of the slurry liquid at atmospheric pressure and within a range below the critical temperature of the slurry liquid, provided that the lignin conversion process The condition is that the pressure is higher than the bubble pressure of the slurry liquid at the lignin conversion temperature and the lignin conversion pressure is selected to avoid the formation of carbides.

炭化物形成を回避するため、リグニン変換圧力は、リグニン変換圧力がリグニン変換温度におけるスラリー液体の気泡圧力よりも高くなるように選択すべきである。気泡圧力は、リグニン変換反応器中の全成分の部分蒸気圧の合計である。   To avoid carbide formation, the lignin conversion pressure should be selected such that the lignin conversion pressure is higher than the bubble pressure of the slurry liquid at the lignin conversion temperature. The bubble pressure is the sum of the partial vapor pressures of all components in the lignin conversion reactor.

スラリー液体が水を含む場合、リグニン変換プロセスは、水の臨界温度未満のリグニン変換温度において行うべきである。   If the slurry liquid contains water, the lignin conversion process should be performed at a lignin conversion temperature below the critical temperature of water.

一般に、リグニン変換プロセスは、190℃から370℃の範囲内のリグニン変換温度において行う。リグニン変換温度範囲は、好ましくは、190℃から370℃、210℃から370℃、220℃から360℃、240℃から360℃、250℃から360℃、280℃から360℃、290℃から350℃、および300℃から330℃からなる群から選択される。   Generally, the lignin conversion process is performed at a lignin conversion temperature within the range of 190 ° C to 370 ° C. The lignin conversion temperature ranges are preferably 190 ° C to 370 ° C, 210 ° C to 370 ° C, 220 ° C to 360 ° C, 240 ° C to 360 ° C, 250 ° C to 360 ° C, 280 ° C to 360 ° C, 290 ° C to 350 ° C. And from the group consisting of 300 ° C to 330 ° C.

スラリー液体が水素供与体を含む場合、リグニン変換プロセスは、190℃から350℃の範囲内のリグニン変換温度において行うことができ、200℃から310℃がより好ましく、210℃から300℃がいっそうより好ましく、210℃から280℃が最も好ましい。   When the slurry liquid contains a hydrogen donor, the lignin conversion process can be performed at a lignin conversion temperature in the range of 190 ° C. to 350 ° C., more preferably 200 ° C. to 310 ° C., more preferably 210 ° C. to 300 ° C. Preferably, 210 ° C to 280 ° C is most preferable.

水素供与体は、液体スラリーとは別個にリグニン変換反応器中に導入することもできる。水素供与体は、炭水化物変換ステップからも生じ得、したがって、リグノセルロース系バイオマスは、プロセスにおいて使用されるそれ自体の水素を生成している。そのようなプロセスにおいて、水素供与体、例えば、エチレングリコールは、図3の炭水化物変換ステップにおいて製造し、液体スラリーに流し、流325を介してリグニン変換反応器中に導入することができる。   The hydrogen donor can also be introduced into the lignin conversion reactor separately from the liquid slurry. Hydrogen donors can also arise from the carbohydrate conversion step, and thus lignocellulosic biomass is producing its own hydrogen that is used in the process. In such a process, a hydrogen donor, such as ethylene glycol, can be produced in the carbohydrate conversion step of FIG. 3, run into a liquid slurry, and introduced into the lignin conversion reactor via stream 325.

炭化物を回避するため、上記のリグニン変換圧力を制御することも重要である。リグニン変換圧力は、好ましくは、70barから300bar、80barから245bar、82barから242bar、82barから210bar、90barから207barおよび90barから172barからなる群から選択される範囲内である。   It is also important to control the above lignin conversion pressure in order to avoid carbides. The lignin conversion pressure is preferably in a range selected from the group consisting of 70 bar to 300 bar, 80 bar to 245 bar, 82 bar to 242 bar, 82 bar to 210 bar, 90 bar to 207 bar and 90 bar to 172 bar.

炭水化物の存在下での連続リグニン変換は、リグニン変換温度における水の理論平衡蒸気圧よりも高いリグニン変換圧力において行うべきである。リグニン変換圧力が、リグニン変換温度における計算水蒸気圧よりもさらに高い場合に炭化物が形成され、液体の頂部をスイープする流出気体の一因となることが直接観察された。リグニン変換圧力がリグニン変換温度における計算水蒸気圧よりも実質的に高い場合、炭化物は観察されなかった。連続プロセスにおいて炭化物形成を回避するため、反応器含有物の少なくとも一部を液体として維持することが必要であったが、それを行うため、予測されるものまたは予期されていたものよりもかなり高い圧力が要求されることが発見された。   Continuous lignin conversion in the presence of carbohydrate should be performed at a lignin conversion pressure higher than the theoretical equilibrium vapor pressure of water at the lignin conversion temperature. It was directly observed that carbides formed when the lignin conversion pressure was even higher than the calculated water vapor pressure at the lignin conversion temperature and contributed to the effluent gas sweeping the top of the liquid. When the lignin conversion pressure was substantially higher than the calculated water vapor pressure at the lignin conversion temperature, no carbide was observed. In order to avoid carbide formation in a continuous process, it was necessary to maintain at least a portion of the reactor contents as liquid, but to do so it was much higher than expected or expected It was discovered that pressure was required.

炭化物形成は、回分反応器条件中で見られない。それというのも、回分反応器条件は、常に理論的平衡におけるものであるためである。出口をスイープする気体を連続プロセス中で導入する場合、平衡条件はもはや存在せず、リグニン変換反応器中の液体としての反応器含有物の少なくともいくらかを保持するために要求される圧力は、慣用の通念または革新の教示よりも実質的に高い。プロセスシミュレーションを最初に所与の条件におけるリグニン変換圧力に近似するように行うことができる一方、実際の最小リグニン変換圧力は、炭化物が観察されなくなるまで圧力を増加させることにより容易に実験的に確立することができる。本発明の実施者は、圧力の増加が反応器からの流量に大きく依存し得ることに留意する。   Carbide formation is not seen in batch reactor conditions. This is because batch reactor conditions are always in theoretical equilibrium. When the gas sweeping the outlet is introduced in a continuous process, the equilibrium conditions no longer exist and the pressure required to maintain at least some of the reactor contents as liquid in the lignin conversion reactor is conventional. Substantially higher than the teachings of wisdom or innovation. While process simulation can be performed initially to approximate the lignin conversion pressure at a given condition, the actual minimum lignin conversion pressure is easily established experimentally by increasing the pressure until no carbides are observed. can do. The practitioner of the present invention notes that the increase in pressure can be highly dependent on the flow rate from the reactor.

炭化物防止実験
異なる記載がない限り、以下の手順を全ての実験に適用した。
Carbide prevention experiments Unless otherwise stated, the following procedure was applied to all experiments.

リグノセルロース系バイオマスの前処理から得られたリグニン高含有組成物に脱イオン水を添加し、スラリーの質量の20重量パーセントの乾物含有率を有するリグニンを含むスラリーを得た。混合物をブレンダ(Waringブレンダ、モデルHGBSSSS6)中に挿入し、10分間断続的に十分に混合して均一なスラリーを得た。スラリーの均一性は肉眼により評価した。スラリーを混合槽中に挿入し、撹拌を継続した。混合槽は、2つのポンプキャビティを有するChandler Quizix QXデュアルシリンジポンプに連結された底部排出ポートを有するステンレス鋼の皿底槽であった。入口弁を、混合槽と、Chandler Quizix QXデュアルシリンジポンプの2つのポンプキャビティとの間に挿入した。Chandler Quizix QXデュアルシリンジポンプは、二枚45°傾斜タービン翼と、冷却コイルと、別個のガスおよびスラリー供給ポートと、排出浸漬管とを備えるParr4575反応器に管接続することにより連結した。出口弁は、Chandler Quizix QXデュアルシリンジポンプの2つのポンプキャビティと、Parr反応器との間に挿入した。   Deionized water was added to the lignin-rich composition obtained from the pretreatment of lignocellulosic biomass to obtain a slurry containing lignin having a dry matter content of 20 weight percent of the mass of the slurry. The mixture was inserted into a blender (Waring blender, model HGBSSSS6) and mixed thoroughly intermittently for 10 minutes to obtain a uniform slurry. The uniformity of the slurry was evaluated with the naked eye. The slurry was inserted into the mixing tank and stirring was continued. The mixing vessel was a stainless steel pan bottom vessel with a bottom outlet port connected to a Chandler Quizix QX dual syringe pump with two pump cavities. An inlet valve was inserted between the mixing tank and the two pump cavities of the Chandler Quizix QX dual syringe pump. The Chandler Quizix QX dual syringe pump was connected by pipe connection to a Parr 4575 reactor equipped with two 45 ° inclined turbine blades, cooling coils, separate gas and slurry supply ports, and a discharge dip tube. The outlet valve was inserted between the two pump cavities of the Chandler Quizix QX dual syringe pump and the Parr reactor.

20℃の温度において水素をParr反応器中に挿入して48.3barの圧力に到達させた。Parr反応器を反応温度の90%に対応する温度に加熱し、水素の連続流をParr反応器中に出発させた。圧力は、Parr反応器に連結された圧力変換器(Ashcroft Type62)により計測した。   Hydrogen was inserted into the Parr reactor at a temperature of 20 ° C. to reach a pressure of 48.3 bar. The Parr reactor was heated to a temperature corresponding to 90% of the reaction temperature and a continuous flow of hydrogen was started into the Parr reactor. The pressure was measured by a pressure transducer (Ashcroft Type 62) connected to a Parr reactor.

リグニンを含むスラリーがParr反応器中に連続的に流れることを可能とするように入口弁および出口弁を開閉させることにより、リグニンを含むスラリーを混合槽からChandler Quizix QXデュアルシリンジポンプに通し、Parr反応器中に流した。   By passing the lignin-containing slurry from the mixing vessel through a Chandler Quizix QX dual syringe pump by opening and closing the inlet and outlet valves to allow the lignin-containing slurry to flow continuously into the Parr reactor. Flowed into the reactor.

実験は、記載の手順に従って実施した。実験パラメータを表1に報告する。   The experiment was performed according to the described procedure. Experimental parameters are reported in Table 1.

Figure 2016508177
Figure 2016508177

実験1〜3の反応生成物中では、液体水を有さない多量の炭化物が観察された。実験4〜8においては、炭化物および液体水は観察されなかった。   In the reaction products of Experiments 1 to 3, a large amount of carbide without liquid water was observed. In Experiments 4-8, carbides and liquid water were not observed.

分解とは対照的に反応を進行させるために、存在する液体、例えば、液相の水を有することが必要であることが考えられる。   In order to proceed the reaction as opposed to decomposition, it may be necessary to have the liquid present, eg liquid water.

反応器を、気体圧力に対して340℃における水の蒸気圧(146.1bar)よりも十分に高い全系(反応器)圧力において操作したとしても、依然として水も溶媒も存在しなかったことであることが発見された。   Even if the reactor was operated at a total system (reactor) pressure sufficiently higher than the vapor pressure of water at 340 ° C. (146.1 bar) relative to the gas pressure, there was still no water or solvent present. It was discovered.

Figure 2016508177
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触媒滞留および分離
リグニン変換触媒は遊離粒子(625)として存在し、固定床ではないため、リグニン変換触媒は、リグニン変換生成物から分離されることを必要とする。触媒粒子(625)は、液体リグニン変換生成物をリグニン変換反応器(500)から濾過、沈降、遠心分離、ソリッドボウル遠心分離、サイクロン処理または当該技術分野において公知の他のプロセスにより取り出した後に液体リグニン変換生成物から分離することができる。次いで、分離された触媒をさらなる反応のためにリグニン変換反応器中に再導入するか、補充のために処理し、次いで再使用するか、または廃棄する。これらの慣例の方法は公知である。
Catalyst residence and separation Since the lignin conversion catalyst exists as free particles (625) and is not a fixed bed, the lignin conversion catalyst needs to be separated from the lignin conversion product. The catalyst particles (625) are liquid after the liquid lignin conversion product is removed from the lignin conversion reactor (500) by filtration, sedimentation, centrifugation, solid bowl centrifugation, cyclonic treatment or other processes known in the art. It can be separated from the lignin conversion product. The separated catalyst is then reintroduced into the lignin conversion reactor for further reaction, processed for replenishment and then reused or discarded. These conventional methods are known.

遊離触媒粒子(625)は、リグニン原料のリグニン変換生成物への連続触媒変換を行いながら、リグニン変換反応器(500)内に存在するリグニン変換生成物から現場で分離することができることが発見された。したがって、リグニン変換生成物は、リグニン原料のリグニン変換生成物への連続触媒変換の間、触媒粒子(625)から分離することができる。   It has been discovered that the free catalyst particles (625) can be separated in situ from the lignin conversion products present in the lignin conversion reactor (500) while performing continuous catalytic conversion of the lignin feedstock to lignin conversion products. It was. Thus, the lignin conversion product can be separated from the catalyst particles (625) during the continuous catalytic conversion of the lignin feedstock to the lignin conversion product.

この分離は、重力沈降により行い、リグニン変換反応器を出るリグニン変換生成物(液体および気体)の流体直線速度(メートル/分)は、反応器を流出する液体/気体リグニン変換生成物流中の触媒粒子(625)の重力直線沈降速度未満である。したがって、リグニン変換反応器から取り出されているリグニン変換生成物が、触媒粒子(625)の沈降速度未満の直線速度においてリグニン変換反応器から、および反応器中の液面よりも高い(重力に対して)箇所から取り出される限り、触媒粒子は、リグニン変換反応器中で留まる。   This separation is done by gravity settling, and the fluid linear velocity (meters / minute) of the lignin conversion products (liquid and gas) exiting the lignin conversion reactor is the catalyst in the liquid / gas lignin conversion product stream exiting the reactor. Less than the gravitational linear settling velocity of the particles (625). Thus, the lignin conversion product removed from the lignin conversion reactor is higher than the liquid level in the lignin conversion reactor and at a linear velocity below the settling velocity of the catalyst particles (625) (relative to gravity). As long as it is removed from the site, the catalyst particles remain in the lignin conversion reactor.

リグニン変換反応器の液面は、リグニン変換反応器(500)中のバルク液相とバルク気相との物理的界面におけるものである。バルク気相は、バルク液相の比重未満の比重を有する連続気相である。バルク気相は、バルク気相中に液滴を有し得る。同様に、バルク液相は、連続液相であり、溶解気体および気泡を有する。   The liquid level of the lignin conversion reactor is at the physical interface between the bulk liquid phase and the bulk gas phase in the lignin conversion reactor (500). The bulk gas phase is a continuous gas phase having a specific gravity less than that of the bulk liquid phase. The bulk gas phase can have droplets in the bulk gas phase. Similarly, the bulk liquid phase is a continuous liquid phase and has dissolved gases and bubbles.

リグニン変換生成物をリグニン変換反応器から取り出す液面に対する高さは、離脱高さと称される。離脱高さは、リグニン変換生成物とともに運搬された場合に触媒粒子(625)が到達する高さである触媒粒子移動高さよりも高い。触媒粒子の沈降速度は、リグニン変換生成物取出速度よりも大きいため、少なくとも大多数の触媒粒子(625)がリグニン変換生成物をリグニン変換反応器から取り出す箇所に到達しないように、下記の沈降帯域中の離脱高さが移動高さに対して十分に大きい限り、触媒粒子(625)は最終的にリグニン変換反応器(500)中に再度降下する。   The height relative to the liquid level at which the lignin conversion product is removed from the lignin conversion reactor is referred to as the separation height. The separation height is higher than the catalyst particle moving height, which is the height that the catalyst particles (625) reach when transported with the lignin conversion product. Since the sedimentation rate of the catalyst particles is larger than the removal rate of the lignin conversion product, at least the majority of the catalyst particles (625) do not reach the point where the lignin conversion product is taken out from the lignin conversion reactor. The catalyst particles (625) will eventually fall back into the lignin conversion reactor (500) as long as the inside desorption height is sufficiently large relative to the travel height.

実際、触媒粒子の沈降速度が液体リグニン変換生成物取出速度よりも実質的に大きい限り、離脱高さは、少なくとも大多数の触媒粒子(625)が、液体リグニン変換生成物をリグニン変換反応器から取り出す箇所に到達しないように十分に大きくなるべきである。例えば、液体リグニン変換生成物を、図4に示される浸漬管長辺長さ(612)および浸漬管短辺長さ(614)を有する「L」形状浸漬管に通して取り出す場合、離脱高さは、浸漬管短辺長さ(614)未満でなければならない。浸漬管短辺長さ(614)が1メートルである場合、触媒粒子の沈降速度は毎秒1.2メートルであり、液体リグニン変換生成物取出速度は毎秒1メートルであり、液体リグニン変換生成物は離脱高さ(浸漬管短辺長さ(614)でもある)に1秒後に到達する。触媒粒子(625)が液体リグニン変換生成物速度よりも大きい毎秒0.2メートルの沈降速度を有するため、触媒粒子(625)は、液体リグニン変換生成物が浸漬管の上方に移動する速度(本実施例において毎秒0.8メートル)未満の毎秒0.2メートルの速度において浸漬管(610)の上方に移動する。結果として、液体リグニン変換生成物が、1秒後に1メートルの離脱高さ(浸漬管短辺長さ(614)でもある)に到達する場合、触媒粒子(625)は、0.8メートル移動したにすぎない。このようにして、触媒粒子は、離脱高さに到達せず、リグニン変換反応器(500)中に再度「沈降」する。   In fact, as long as the settling rate of the catalyst particles is substantially greater than the liquid lignin conversion product removal rate, at least the majority of the catalyst particles (625) will remove the liquid lignin conversion product from the lignin conversion reactor. It should be large enough not to reach the extraction point. For example, if the liquid lignin conversion product is removed through an “L” shaped dip tube having the dip tube long side length (612) and dip tube short side length (614) shown in FIG. The dip tube short side length (614) must be less. When the dip tube short side length (614) is 1 meter, the sedimentation rate of the catalyst particles is 1.2 meters per second, the liquid lignin conversion product removal rate is 1 meter per second, and the liquid lignin conversion product is The separation height (which is also the dip tube short side length (614)) is reached after 1 second. Since the catalyst particles (625) have a settling velocity of 0.2 meters per second, which is greater than the liquid lignin conversion product velocity, the catalyst particles (625) will move at a speed (this rate of movement of the liquid lignin conversion product above the dip tube. Move above the dip tube (610) at a speed of 0.2 meters per second (less than 0.8 meters per second in the examples). As a result, if the liquid lignin conversion product reaches a separation height of 1 meter (also dip tube short side length (614)) after 1 second, the catalyst particles (625) have moved 0.8 meters. Only. In this way, the catalyst particles do not reach the separation height and “settling” again in the lignin conversion reactor (500).

逆に、触媒粒子の沈降速度が液体リグニン変換生成物取出速度未満である場合、触媒粒子(625)は、離脱高さに到達し、またはそれを超過し、反応器から取り出される。例えば、触媒粒子の沈降速度が毎秒0.8メートルであり、液体リグニン変換生成物取出速度が毎秒1メートルである場合、触媒粒子(625)は、液体リグニン変換生成物と少なくとも等しい速度において移動する。このようにして、触媒粒子は、液体リグニン変換生成物と少なくとも同時に離脱高さに到達し、それにより、リグニン変換反応器(500)から浸漬管(610)を通り取り出される。   Conversely, if the sedimentation rate of the catalyst particles is less than the liquid lignin conversion product removal rate, the catalyst particles (625) reach or exceed the withdrawal height and are removed from the reactor. For example, if the sedimentation rate of the catalyst particles is 0.8 meters per second and the liquid lignin conversion product removal rate is 1 meter per second, the catalyst particles (625) move at a speed that is at least equal to the liquid lignin conversion product. . In this way, the catalyst particles reach a disengagement height at least simultaneously with the liquid lignin conversion product, thereby being removed from the lignin conversion reactor (500) through the dip tube (610).

好ましい実施形態において、リグニン変換反応器は、撹拌帯域と、デカンテーション帯域としても公知の沈降帯域とを有する。沈降帯域において、反応器の液相は、撹拌帯域におけるよりも弱い撹拌に曝露される。沈降帯域は、下記の浸漬管の使用により作出することができる。浸漬管の内部は、極めて弱い撹拌を受け、したがって、その実施形態における沈降帯域である。沈降帯域は、邪魔板を撹拌器上方であるが液面の下方に配置して静止スポットを作出することにより作出することもできる。別の手法は、撹拌を有さない別個の反応器または容器を有することである。この構成を気泡塔の項に記載する。リグニン変換生成物は、リグニン変換生成物取出速度において沈降帯域から取り出す。触媒のより効率的な除去のため、リグニン変換生成物取出は、リグニン変換反応器の液面よりも重力に対して高いリグニン変換反応器中の箇所に到達させるため、リグニン変換生成物が撹拌帯域を出て、沈降帯域の一部を通り流れなければならないことを条件とする。   In a preferred embodiment, the lignin conversion reactor has a stirring zone and a sedimentation zone, also known as a decantation zone. In the settling zone, the reactor liquid phase is exposed to weaker agitation than in the agitation zone. The settling zone can be created by using the following dip tube. The interior of the dip tube is subjected to very weak agitation and is therefore a settling zone in that embodiment. The settling zone can also be created by placing a baffle plate above the stirrer but below the liquid level to create a stationary spot. Another approach is to have a separate reactor or vessel that does not have agitation. This configuration is described in the bubble column section. The lignin conversion product is removed from the sedimentation zone at the lignin conversion product removal rate. For more efficient removal of the catalyst, the lignin conversion product removal reaches a point in the lignin conversion reactor that is higher in gravity than the liquid level of the lignin conversion reactor, so that the lignin conversion product is in the stirring zone. Conditioned on having to flow through a part of the sedimentation zone.

図4は、この原理の一実施形態を実証する。この実施形態において、生成物は、浸漬管(610)を介して取り出し、リグニン変換生成物は浸漬管の上方で外に流出しなければならない。リグニン変換生成物が管の上方に移動するにつれ、第1の触媒粒子(625)がそれとともに移動する。しかしながら、第1の触媒粒子は、粒子が反応器の液体リグニン変換生成物を通り降下する速度である最終または沈降速度を有する。浸漬管(610)から出てくる触媒粒子(625)が観察される場合、第1の触媒粒子が管の下方に降下していき、したがって触媒を反応器中で保持する速度未満の速度において重力に対して管の上方に変換生成物が移動するように、浸漬管の直径を拡大して重力に対するリグニン変換生成物速度を低減させる(減速させる)ことは簡易である。触媒をパージすることが望ましい場合、または古い触媒を除去することができるように新たな触媒を添加することが望ましい場合、管の直径を低減させ(流量を増加させ)、リグニン変換反応器(500)から出る触媒粒子(625)流を有する。触媒除去および補充は、所定の割合の触媒が連続基準で除去され、補充されるように連続的に行うことができる。   FIG. 4 demonstrates one embodiment of this principle. In this embodiment, the product must be removed via the dip tube (610) and the lignin conversion product must flow out above the dip tube. As the lignin conversion product moves up the tube, the first catalyst particles (625) move with it. However, the first catalyst particles have a final or settling rate that is the rate at which the particles descend through the liquid lignin conversion product of the reactor. When catalyst particles (625) exiting the dip tube (610) are observed, the first catalyst particles descend below the tube and thus gravity at a rate less than the rate at which the catalyst is retained in the reactor. In contrast, it is easy to increase the diameter of the dip tube to reduce (decelerate) the lignin conversion product velocity relative to gravity so that the conversion product moves above the tube. If it is desirable to purge the catalyst, or if it is desirable to add fresh catalyst so that the old catalyst can be removed, the tube diameter is reduced (flow rate increased) and the lignin conversion reactor (500 ) From the catalyst particles (625) stream. Catalyst removal and replenishment can be performed continuously so that a predetermined percentage of the catalyst is removed and replenished on a continuous basis.

実際、触媒粒子(625)はサイズおよび形状が変動し、それぞれ、異なる沈降速度を有する。したがって、好ましいリグニン変換生成物取出速度は、触媒粒子の少なくとも75重量%の沈降速度未満であり、触媒粒子の少なくとも85重量%の沈降速度未満のリグニン変換生成物取出速度がより好ましく、触媒粒子の少なくとも90重量%の沈降速度未満のリグニン変換生成物取出速度がいっそうより好ましく、触媒粒子の少なくとも95重量%の沈降速度未満のリグニン変換生成物取出速度がさらにいっそうより好ましく、触媒粒子の100重量%の沈降速度未満のリグニン変換生成物取出速度が最も好ましい。   Indeed, the catalyst particles (625) vary in size and shape, each having a different settling rate. Thus, a preferred lignin conversion product removal rate is less than a settling rate of at least 75% by weight of the catalyst particles, a lignin conversion product removal rate of at least less than 85% by weight of the catalyst particles is more preferred, Even more preferred is a lignin conversion product removal rate of at least 90% by weight below the settling rate, even more preferred is a lignin conversion product removal rate of at least 95% by weight of the catalyst particles, and 100% by weight of the catalyst particles. Most preferred is a lignin conversion product removal rate less than the settling rate.

「触媒粒子の75重量%」は、反応器中の触媒の総量の75重量%が、反応器中で残留し、反応器中の触媒の総量の25重量%が、除去されることを意味する。あるいは、パーセントは、
100*R/[R+X]
であり、
式中、Rは、残留する触媒の重量であり、Xは、反応器から流出し、または除去される触媒の重量である。100により数字をパーセントにする。
“75% by weight of catalyst particles” means that 75% by weight of the total amount of catalyst in the reactor remains in the reactor and 25% by weight of the total amount of catalyst in the reactor is removed. . Or the percentage is
100 * R / [R + X]
And
Where R is the weight of catalyst remaining and X is the weight of catalyst leaving or removed from the reactor. 100 makes the number a percentage.

当業者は、目下、適切に設計された系がいかに触媒を連続的に補充し得るか、例えば、5重量%の新たな触媒を添加する一方、5重量%を除去することができることを容易に理解することができる。したがって、触媒は、継続的にターンオーバーされている。   One skilled in the art will now readily see how a properly designed system can be continuously replenished with catalyst, for example, 5% by weight can be removed while 5% by weight fresh catalyst is added. I can understand. Thus, the catalyst is continuously turned over.

触媒滞留実験
触媒を反応器中で滞留させる実験を実施した。異なる記載がない限り、以下の手順を全ての実験に適用した。
Catalyst residence experiment An experiment was conducted in which the catalyst was retained in the reactor. Unless stated differently, the following procedure was applied to all experiments.

リグノセルロース系バイオマスの前処理から得られたリグニン高含有組成物に脱イオン水を添加し、スラリーの質量の20重量パーセントの乾物含有率を有するリグニンを含むスラリーを得た。混合物をブレンダ(Waringブレンダ、モデルHGBSSSS6)中に挿入し、10分間断続的に十分に混合して均一なスラリーを得た。スラリーの均一性は肉眼により評価した。スラリーを混合槽(340)中に挿入し、撹拌を継続した。混合槽(340)は、2つのポンプキャビティを有するChandler Quizix QXデュアルシリンジポンプに連結された底部排出ポートを有するステンレス鋼の皿底槽であった。入口弁(350)を、混合槽(340)と、Chandler Quizix QXデュアルシリンジポンプの2つのポンプキャビティとの間に挿入した。Chandler Quizix QXデュアルシリンジポンプは、二枚45°傾斜タービン翼と、冷却コイルと、別個のガスおよびスラリー供給ポートと、0.25インチの外径および0.152インチの内径を有するステンレス鋼排出浸漬管(610)とを備えるParr4575反応器に管接続することにより連結した。出口弁は、Chandler Quizix QXデュアルシリンジポンプの2つのポンプキャビティと、Parr反応器との間に挿入した。   Deionized water was added to the lignin-rich composition obtained from the pretreatment of lignocellulosic biomass to obtain a slurry containing lignin having a dry matter content of 20 weight percent of the mass of the slurry. The mixture was inserted into a blender (Waring blender, model HGBSSSS6) and mixed thoroughly intermittently for 10 minutes to obtain a uniform slurry. The uniformity of the slurry was evaluated with the naked eye. The slurry was inserted into the mixing vessel (340) and stirring was continued. The mixing vessel (340) was a stainless steel pan bottom vessel with a bottom discharge port connected to a Chandler Quizix QX dual syringe pump with two pump cavities. An inlet valve (350) was inserted between the mixing tank (340) and the two pump cavities of the Chandler Quizix QX dual syringe pump. The Chandler Quizix QX Dual Syringe Pump is a stainless steel discharge dipping with two 45 ° inclined turbine blades, cooling coils, separate gas and slurry supply ports, 0.25 inch outer diameter and 0.152 inch inner diameter Linked by pipe connection to a Parr 4575 reactor equipped with a pipe (610). The outlet valve was inserted between the two pump cavities of the Chandler Quizix QX dual syringe pump and the Parr reactor.

リグニン変換反応器圧力は、Parr反応器と生成物受け器との間のリグニン変換反応器排出管路中に位置されたMity Miteモデル91背圧調節器(BPR)により制御した。リグニン変換圧力は、Parr反応器に連結された圧力変換器(Ashcroft Type 62)により計測した。   The lignin conversion reactor pressure was controlled by a Might Mite model 91 back pressure regulator (BPR) located in the lignin conversion reactor discharge line between the Parr reactor and the product receiver. The lignin conversion pressure was measured by a pressure converter (Ashcroft Type 62) connected to a Parr reactor.

Parr反応器に、150mLの脱イオン水を装入してから実験を開始した。リグニン変換反応器圧力を、20℃の水素により48.3barに増加させた。リグニン変換反応器をリグニン変換温度の90%に加熱してからリグニンを含むスラリーをリグニン変換反応器に装入した。温度をリグニン変換温度の90%に増加させた後、追加の脱イオン水を混合槽(340)からChandler Quizix QXデュアルシリンジポンプに通してリグニン変換反応器(500)中に2.8mL/分の速度において流した。水素流をリグニン変換反応器に150sccmの速度において添加した。この時点において、リグニン変換反応器中の温度をリグニン変換温度の100%に増加させ、リグニン変換反応器圧力をBPRを介して本実験に反映される所望の操作圧力に調整した。   The experiment was started after the Parr reactor was charged with 150 mL of deionized water. The lignin conversion reactor pressure was increased to 48.3 bar with 20 ° C. hydrogen. After the lignin conversion reactor was heated to 90% of the lignin conversion temperature, the slurry containing lignin was charged into the lignin conversion reactor. After increasing the temperature to 90% of the lignin conversion temperature, additional deionized water is passed from the mixing tank (340) through a Chandler Quizix QX dual syringe pump into the lignin conversion reactor (500) at 2.8 mL / min. Flowed at speed. A hydrogen stream was added to the lignin conversion reactor at a rate of 150 seem. At this point, the temperature in the lignin conversion reactor was increased to 100% of the lignin conversion temperature and the lignin conversion reactor pressure was adjusted to the desired operating pressure reflected in this experiment via BPR.

次いで、リグニンを含むスラリーを反応器にChandler Quizix QXデュアルシリンジポンプに通して2.8mL/分の速度において装入した。リグニンスラリーがParr反応器中に連続的に流れることを可能とするように入口弁(350)および出口弁(450)を開閉することにより、リグニンを含むスラリーを混合槽(340)からChandler Quizix QXデュアルシリンジポンプに通し、Parr反応器中に流した。リグニン変換生成物をリグニン変換反応器(500)から浸漬管(610)を介して連続的に取り出し、約35℃に冷却してからBPRに通して流した。BPRに通して流した後、リグニン変換反応器からの非凝縮性気体が液体リグニン変換生成物から分離することを可能とするための通気管路が装着されたステンレス鋼生成物受け器中でリグニン変換生成物を回収した。   The slurry containing lignin was then charged to the reactor through a Handler Quizix QX dual syringe pump at a rate of 2.8 mL / min. The slurry containing lignin is removed from the Mixer Quizix QX from the mixing vessel (340) by opening and closing the inlet valve (350) and outlet valve (450) to allow the lignin slurry to flow continuously into the Parr reactor. It was passed through a dual syringe pump and flowed into a Parr reactor. The lignin conversion product was continuously removed from the lignin conversion reactor (500) via the dip tube (610), cooled to about 35 ° C. and then passed through BPR. After flowing through the BPR, the lignin in a stainless steel product receiver fitted with a vent line to allow non-condensable gas from the lignin conversion reactor to be separated from the liquid lignin conversion product. The conversion product was recovered.

リグニン変換反応器は、定常状態条件に到達することを可能とし、4つの反応器滞留サイクル後、リグニン変換生成物を生成物受け器中で約1つの追加の反応器滞留サイクルで回収した。この時刻において、リグニン変換反応器への全ての供給物流を停止し、リグニン変換反応器を生成物受け器から遮断弁により遮断した。リグニン変換反応器を約30℃に冷却し、通気弁を開口することにより圧力を大気圧に低減させた。   The lignin conversion reactor allowed to reach steady state conditions, and after four reactor residence cycles, the lignin conversion product was recovered in the product receiver in about one additional reactor residence cycle. At this time, all feed streams to the lignin conversion reactor were stopped and the lignin conversion reactor was shut off from the product receiver by a shut-off valve. The lignin conversion reactor was cooled to about 30 ° C. and the pressure was reduced to atmospheric pressure by opening a vent valve.

液体リグニン変換生成物を等量のメチルターシャリーブチルエーテル(MTBE)と混合した。この混合物を、Whatman #1濾紙が装着されたブフナー漏斗に通して濾過した。   The liquid lignin conversion product was mixed with an equal amount of methyl tertiary butyl ether (MTBE). The mixture was filtered through a Buchner funnel fitted with Whatman # 1 filter paper.

触媒滞留実験1
実験1について、リグニンを含むスラリーにスポンジニッケル触媒を直接添加し、乾燥基準で13.5重量パーセントのリグニンおよび乾燥基準で7.0重量パーセントのスポンジニッケル触媒を含むスラリーをもたらした。スポンジニッケル触媒は、10から40μmの粒子サイズ範囲を有した。リグニン変換反応器は、340℃および340℃における水蒸気圧よりも約10bar高い156.4barにおいて操作した。操作条件において、リグニンを含むスラリーの平均滞留時間は53分間であった。
Catalyst retention experiment 1
For Experiment 1, the sponge nickel catalyst was added directly to the slurry containing lignin, resulting in a slurry containing 13.5 weight percent lignin on a dry basis and 7.0 weight percent sponge nickel catalyst on a dry basis. The sponge nickel catalyst had a particle size range of 10 to 40 μm. The lignin conversion reactor was operated at 340 ° C. and 156.4 bar, which is about 10 bar higher than the water vapor pressure at 340 ° C. Under the operating conditions, the average residence time of the slurry containing lignin was 53 minutes.

驚くべきことに、実験を停止し、液体リグニン変換生成物を濾過した後、極めて少量の触媒が濾紙上で観察され、一例において、触媒は全く観察されなかった。触媒が濾紙上で観察された場合、それは、触媒の微粒子として観察された。Parr反応器を操作停止し、開口したとき、驚くべきことに、ほとんど全ての触媒がリグニン変換反応器中で残留することが観察された。   Surprisingly, after stopping the experiment and filtering the liquid lignin conversion product, very little catalyst was observed on the filter paper and in one example no catalyst was observed. When the catalyst was observed on the filter paper, it was observed as catalyst fines. When the Parr reactor was shut down and opened, it was surprisingly observed that almost all of the catalyst remained in the lignin conversion reactor.

触媒滞留実験2
実験2について、乾燥基準で28gのスポンジニッケル触媒を、最初の150mLの脱イオン水とともにParr反応器に直接装入してから実験を開始した。リグニンを含むスラリーをリグニン変換反応器に装入する前、リグニンを含むスラリーに触媒を全く添加しなかった。結果として、リグニンを含むスラリーは、乾燥基準で15重量パーセントのリグニンを含有した。リグニン変換反応器は、340℃および340℃における水蒸気圧よりも約17bar高い173.4barにおいて操作した。水素流量を500sccmに増加させた。スラリー供給速度および平均滞留時間は実験1と同一のままであった。
Catalyst retention experiment 2
For Experiment 2, 28 g of sponge nickel catalyst on a dry basis was charged directly to the Parr reactor with the first 150 mL of deionized water before the experiment was started. Prior to charging the slurry containing lignin into the lignin conversion reactor, no catalyst was added to the slurry containing lignin. As a result, the slurry containing lignin contained 15 weight percent lignin on a dry basis. The lignin conversion reactor was operated at 173.4 bar, which was about 17 bar higher than the water vapor pressure at 340 ° C. and 340 ° C. The hydrogen flow rate was increased to 500 sccm. The slurry feed rate and average residence time remained the same as in Experiment 1.

驚くべきことに、実験を停止し、液体リグニン変換生成物を濾過した後、大多数の触媒がリグニン変換反応器(500)中で残留することが観察された。より微細な粒子の触媒が濾紙上で観察された。驚くべきことに、濾紙上に存在するより少量の触媒により証明されるとおり、リグニン変換のより高い速度が達成される場合、リグニン変換反応器からより少量の触媒が除去されることも観察された。   Surprisingly, after stopping the experiment and filtering the liquid lignin conversion product, it was observed that the majority of the catalyst remained in the lignin conversion reactor (500). Finer particle catalyst was observed on the filter paper. Surprisingly, it was also observed that less catalyst was removed from the lignin conversion reactor when higher rates of lignin conversion were achieved, as evidenced by the lower amount of catalyst present on the filter paper. .

触媒粒子の沈降速度は、浸漬管(610)に通すリグニン変換反応器(500)からのリグニン変換生成物の取出の速度よりも大きいことが考えられる。このことは、リグニン変換反応器中の驚くべき有利な触媒の滞留をもたらす。リグニンを含むスラリー中の繊維質のVelcro(登録商標)様性質のリグニン高含有組成物は、触媒粒子(625)にそれ自体付着し、リグニン変換反応器からそれらを除去し、より低レベルのリグニン変換が達成されることがさらに考えられる。リグニン変換反応器からの触媒の全部または一部の除去が望ましい場合、浸漬管の直径および長さを減少させ、それによりParr反応器からのリグニン変換生成物の取出の速度を触媒の沈降速度のレベルよりも高いレベルに増加させることにより、Parr反応器から触媒の全部または一部を除去することができることがさらに考えられる。   It is conceivable that the sedimentation rate of the catalyst particles is larger than the removal rate of the lignin conversion product from the lignin conversion reactor (500) that is passed through the dip tube (610). This results in a surprisingly advantageous catalyst residence in the lignin conversion reactor. A fibrous Velcro®-like lignin-rich composition in a slurry containing lignin adheres itself to the catalyst particles (625) and removes them from the lignin conversion reactor, resulting in lower levels of lignin It is further conceivable that conversion is achieved. If it is desirable to remove all or part of the catalyst from the lignin conversion reactor, the diameter and length of the dip tube is reduced, thereby reducing the rate of removal of the lignin conversion product from the Parr reactor as a function of the catalyst settling rate. It is further contemplated that all or part of the catalyst can be removed from the Parr reactor by increasing to a level higher than the level.

気泡塔反応器
リグニン変換反応器が連続撹拌槽型反応器(CSTR)であるプロセスを操作することができるが、CSTRは、大量のエネルギー投入量を要求し、リグニンを連続基準で変換するために要求される高圧は、CSTRを利用する場合、不当に大型の反応器をもたらす。気泡塔反応器は、より少量のエネルギー投入量を要求し、連続リグニン変換プロセスのためのより小型の反応器を可能とすることが発見された。
Bubble column reactor Although the lignin conversion reactor can operate a process that is a continuous stirred tank reactor (CSTR), CSTR requires a large amount of energy input and to convert lignin on a continuous basis The required high pressure results in an unreasonably large reactor when utilizing CSTR. It has been discovered that bubble column reactors require smaller energy inputs and allow smaller reactors for continuous lignin conversion processes.

CSTRの1つの代替法は、米国特許第4,240,644号明細書に記載の沸騰床反応器である。沸騰床の1つの変法が気泡塔反応器である。気泡塔反応器は、少なくとも部分的に液体が充填された少なくとも1つの垂直円筒体からなる。気体を気体供給管に通して円筒体の塔底に供給し、気泡流上方に乱流を引き起こす。好ましい実施形態において、気体は水素または窒素であり得る。好ましい実施形態において、液体は水を含み得る。さらなる実施形態において、液体は、水素供与体を含み得る。気体流は、反応器の液体成分内での触媒粒子の流動を保持するために十分な速度における窒素または水素ガスであり得る。   One alternative to CSTR is the ebullated bed reactor described in US Pat. No. 4,240,644. One variation of the ebullated bed is a bubble column reactor. The bubble column reactor consists of at least one vertical cylinder that is at least partially filled with liquid. Gas is supplied through the gas supply pipe to the bottom of the cylindrical body, causing turbulence above the bubble flow. In a preferred embodiment, the gas can be hydrogen or nitrogen. In a preferred embodiment, the liquid can include water. In further embodiments, the liquid may include a hydrogen donor. The gas stream can be nitrogen or hydrogen gas at a rate sufficient to maintain the flow of catalyst particles within the liquid components of the reactor.

好ましい実施形態において、気泡塔反応器は、気泡の均等な分布を可能とするための垂直円筒体の塔底における気体分配器も含む。好ましい気体分配器は、反応物質により腐食されない材料、例えば、ステンレス鋼メッシュを含む。   In a preferred embodiment, the bubble column reactor also includes a gas distributor at the bottom of the vertical cylinder to allow for even distribution of bubbles. Preferred gas distributors include materials that are not corroded by the reactants, such as stainless steel mesh.

リグニンを含むスラリーは、スラリー供給管に通して垂直円筒体の塔底に供給することができる。気泡塔反応器に供給されるリグニンを含むスラリーの量は、以下の実験の項に記載のとおり、温度、圧力、水素流、触媒の量および滞留時間に基づきリグニン変換の速度の増加を達成するように変えることができる。   The slurry containing lignin can be supplied to the bottom of a vertical cylinder through a slurry supply pipe. The amount of slurry containing lignin fed to the bubble column reactor achieves an increased rate of lignin conversion based on temperature, pressure, hydrogen flow, amount of catalyst and residence time, as described in the experimental section below. Can be changed as follows.

一実施形態において、スラリー供給管に通して複数の触媒を気泡塔反応器に装入することができる。別の実施形態において、複数の触媒を、気泡塔反応器に直接装入してから水素および/またはリグニンを含むスラリーを気泡塔反応器に装入することができる。   In one embodiment, a plurality of catalysts can be charged to the bubble column reactor through a slurry feed tube. In another embodiment, multiple catalysts can be charged directly to the bubble column reactor and then a slurry containing hydrogen and / or lignin can be charged to the bubble column reactor.

気泡塔のための反応器スキームは、固体未反応リグニンおよび触媒を離脱させて気泡塔または沸騰反応器の塔底中に重力により流動させ、新たな気体と再接触させるための第2の塔も含み得る。   The reactor scheme for the bubble column also includes a second column for stripping solid unreacted lignin and catalyst and allowing it to flow by gravity into the bottom of the bubble column or boiling reactor and recontact with new gas. May be included.

気泡塔反応器は、気泡塔反応器温度の調節を可能とする加熱要素も含み得る。好ましくは、この加熱要素は、垂直円筒体に巻き付いた複数の加熱コイルを含む。好ましい実施形態において、気泡塔反応器温度は、220℃から350℃である。圧力および温度の反応器条件は、上記のとおり炭化物形成を防止するように選択すべきである。   The bubble column reactor may also include a heating element that allows adjustment of the bubble column reactor temperature. Preferably, the heating element includes a plurality of heating coils wound around a vertical cylinder. In a preferred embodiment, the bubble column reactor temperature is 220 ° C to 350 ° C. Pressure and temperature reactor conditions should be selected to prevent carbide formation as described above.

気泡塔反応器圧力は、以下の実験の項に記載のとおり気泡塔反応器温度および気体流速に基づき変えることができる。好ましい実施形態において、気泡塔反応器圧力は、150barから230barである。   Bubble column reactor pressure can be varied based on bubble column reactor temperature and gas flow rate as described in the experimental section below. In a preferred embodiment, the bubble column reactor pressure is from 150 bar to 230 bar.

複数のリグニン変換生成物を生成物受け器に取り出すために浸漬管を垂直円筒体の塔頂に挿入することができる。   A dip tube can be inserted at the top of the vertical cylinder to remove multiple lignin conversion products into the product receiver.

一実施形態において、気泡塔反応器は、それぞれが別個の気体供給管、別個のスラリー供給管および別個の浸漬管を有する複数の垂直円筒体からなり得る。   In one embodiment, the bubble column reactor may consist of a plurality of vertical cylinders each having a separate gas supply tube, a separate slurry supply tube and a separate dip tube.

気泡塔反応器をCSTRに代えて利用することにより、別個の撹拌要素の欠如に起因して顕著な量のエネルギー節約を達成することができることが見出された。さらに、気泡塔は、CSTRよりも高い変換率をもたらす一方、リグニンを含むスラリーを類似の生成物に変換する。   It has been found that by utilizing a bubble column reactor instead of CSTR, a significant amount of energy savings can be achieved due to the lack of a separate stirring element. In addition, bubble columns convert slurries containing lignin into similar products while providing higher conversion than CSTR.

気泡塔反応器実験
異なる記載がない限り、以下の手順を全ての実験に適用した。リグノセルロース系バイオマスの前処理から得られたリグニン高含有組成物に脱イオン水を添加し、リグニンを含むスラリーの質量の5重量パーセントの乾物固体含有率を有するリグニンを含むスラリーを得た。混合物をブレンダ(Waringブレンダ、モデルHGBSS6)中に挿入し、30秒間隔(30秒間の混合、次いで30秒間混合せず)において10分間断続的に十分に混合して視覚的に均一なスラリーを得た(定量基準で均一に分散させるWaring HGBSS6ブレンダの能力を確立する実験参照)。リグニンを含むスラリーの均一性は肉眼により評価した。
Bubble column reactor experiments Unless otherwise stated, the following procedure was applied to all experiments. Deionized water was added to the lignin-rich composition obtained from the pretreatment of lignocellulosic biomass to obtain a slurry containing lignin having a dry matter solids content of 5 weight percent of the mass of the slurry containing lignin. Insert the mixture into a blender (Waring blender, model HGBSS6) and mix thoroughly intermittently for 10 minutes at 30 second intervals (30 seconds of mixing then 30 seconds of mixing) to obtain a visually uniform slurry. (See experiment to establish the Waring HGBSS 6 blender's ability to disperse uniformly on a quantitative basis). The uniformity of the slurry containing lignin was evaluated with the naked eye.

リグニンを含むスラリーを混合槽中に挿入し、撹拌を継続した。混合槽は、2つのポンプキャビティを有するChandler Quizix QXデュアルシリンジポンプに連結された底部排出ポートを有するステンレス鋼の皿底槽であった。入口ボール弁を、混合槽と、Chandler Quizix QXデュアルシリンジポンプの2つのポンプキャビティとの間に挿入した。Chandler Quizix QXデュアルシリンジポンプは、1インチの内径(1540)と、30インチの高さ(1545)と、加熱要素(1550)と、2インチの長さを有するステンレス鋼メッシュを含む気体分配器(1570)と、リグニンスラリーを気泡塔反応器に供給ドするための6インチの長さを有する塔底におけるスラリー供給管(1560)と、反応生成物を生成物受け器に取り出すための気泡塔反応器の塔頂における移送管路(1580)に連結された8インチの長さを有する浸漬管(1565)とを有する気泡塔反応器に流(1510)により連結した。生成物受け器は、気泡塔反応器と同一の圧力において維持した。気泡塔反応器は、破裂板(1521)および圧力変換器(1522)に連結された通気孔(1520)をさらに含有した。気泡塔反応器は、実験の間の気泡塔反応器内側の温度を計測するためのサーマルウェル(thermal well)(1590)をさらに含有した。   The slurry containing lignin was inserted into the mixing tank and stirring was continued. The mixing vessel was a stainless steel pan bottom vessel with a bottom outlet port connected to a Chandler Quizix QX dual syringe pump with two pump cavities. An inlet ball valve was inserted between the mixing tank and the two pump cavities of the Chandler Quizix QX dual syringe pump. The Chandler Quizix QX dual syringe pump is a gas distributor (1 inch inner diameter (1540), 30 inch height (1545), a heating element (1550), and a stainless steel mesh having a length of 2 inches ( 1570), a slurry feed tube (1560) at the bottom of the column having a length of 6 inches for feeding the lignin slurry to the bubble column reactor, and a bubble column reaction for taking the reaction product into the product receiver. Connected by flow (1510) to a bubble column reactor having a dip tube (1565) having a length of 8 inches connected to a transfer line (1580) at the top of the vessel. The product receiver was maintained at the same pressure as the bubble column reactor. The bubble column reactor further contained vents (1520) connected to the rupture disc (1521) and pressure transducer (1522). The bubble column reactor further contained a thermal well (1590) for measuring the temperature inside the bubble column reactor during the experiment.

リグニンスラリーが気泡塔反応器中に連続的に流れることを可能とするように入口弁および出口弁を開閉することにより、リグニンを含むスラリーを混合槽からChandler Quizix QXデュアルシリンジポンプに通して気泡塔反応器中に流した。   By opening and closing the inlet and outlet valves to allow the lignin slurry to flow continuously into the bubble column reactor, the slurry containing lignin is passed from the mixing vessel through a Chandler Quizix QX dual syringe pump. Flowed into the reactor.

本発明者らは、一組の7つの実験を実施した。これらの実験の結果を以下の表3および表4にまとめる。   We performed a set of seven experiments. The results of these experiments are summarized in Table 3 and Table 4 below.

気泡塔実験1
実験1について、43gのRaneyニッケル触媒(1500)を、150gの液体水とともに気泡塔反応器に直接装入してから実験を開始した。水素を300scc/mの気体流量において気体供給管(1530)に通して気体分配器(1570)中に、系を連続的にスイープした。気泡塔反応器を310℃の気泡塔反応器温度に加熱して165.5barの標的気泡塔反応器圧力を達成した。リグニンを含むスラリーを気泡塔反応器に3mL/分の速度において供給した。リグニンを含むスラリーを、5時間の期間または反応器に通すリグニンを含むスラリーの合計4.1の滞留サイクルで気泡塔反応器に連続的に供給し、それから取り出した。系に通して流すリグニンを含むスラリーの総量は、45gであった。本発明者らが実験を終結させたとき、11.1293gの未反応のリグニンを含むスラリーが気泡塔反応器中で残留したが、気泡塔からの未反応のリグニンを含むスラリーの取出において不明量が流出した。
Bubble tower experiment 1
For experiment 1, 43 g of Raney nickel catalyst (1500) was charged directly into the bubble column reactor with 150 g of liquid water before the experiment was started. The system was continuously swept through the gas supply pipe (1530) and into the gas distributor (1570) at a gas flow rate of 300 scc / m. The bubble column reactor was heated to a bubble column reactor temperature of 310 ° C. to achieve a target bubble column reactor pressure of 165.5 bar. The slurry containing lignin was fed to the bubble column reactor at a rate of 3 mL / min. The slurry containing lignin was continuously fed to and removed from the bubble column reactor for a period of 5 hours or a total of 4.1 residence cycles of slurry containing lignin passing through the reactor. The total amount of slurry containing lignin flowing through the system was 45 g. When the inventors terminated the experiment, 11.1293 g of unreacted lignin-containing slurry remained in the bubble column reactor, but an unknown amount was taken out of the bubble column-containing slurry containing unreacted lignin. Leaked.

リグニン変換生成物は、G.C.質量分析計により計測された組成において、連続撹拌槽型反応器(CSTR)中でリグニン変換プロセスの間に生成されたフェノール油とほぼ同一のフェノール油であることが観察された(図9参照)。
リグニンを含むスラリーの変換率は、流出した不明量の未反応のリグニンを含むスラリーを考慮せず、75.27%であった。
The lignin conversion product is G.I. C. In the composition measured by the mass spectrometer, it was observed that it was almost identical to the phenol oil produced during the lignin conversion process in a continuous stirred tank reactor (CSTR) (see FIG. 9). .
The conversion rate of the slurry containing lignin was 75.27% without taking into account the slurry containing an unknown amount of unreacted lignin that had flowed out.

気泡塔実験2
実験2について、本発明者らは、気泡塔反応器温度を310℃から318℃に増加させた。実験の間の仮定定常状態に到達した後に気泡塔反応器中で存在するリグニンを含むスラリーの一定量は、15.2587gであった。全ての他の条件は、実験1と同一のままであった。本発明者らが実験を終結させたとき、15.2587gの未反応のリグニンを含むスラリーが気泡塔反応器中で残留した。
Bubble tower experiment 2
For Experiment 2, we increased the bubble column reactor temperature from 310 ° C to 318 ° C. A certain amount of slurry containing lignin present in the bubble column reactor after reaching the assumed steady state during the experiment was 15.2587 g. All other conditions remained the same as in Experiment 1. When the inventors terminated the experiment, a slurry containing 15.2587 g of unreacted lignin remained in the bubble column reactor.

気泡塔反応器温度の増加が、66.09%のリグニンを含むスラリーの変換率をもたらすことが観察された。   It was observed that an increase in bubble column reactor temperature resulted in conversion of a slurry containing 66.09% lignin.

気泡塔実験3
実験3について、本発明者らは、気泡塔反応器に装入される触媒の量を43gから21.5gに低減させた。実験の間の仮定定常状態に到達した後に気泡塔反応器中で存在するリグニンを含むスラリーの一定量は、16.5924gであった。全ての他の条件は、実験2と同一のままであった。本発明者らが実験を終結させたとき、16.5924gの未反応のリグニンを含むスラリーが気泡塔反応器中で残留した。
Bubble tower experiment 3
For Experiment 3, we reduced the amount of catalyst charged to the bubble column reactor from 43 g to 21.5 g. A certain amount of slurry containing lignin present in the bubble column reactor after reaching the assumed steady state during the experiment was 16.5924 g. All other conditions remained the same as in Experiment 2. When we terminated the experiment, a slurry containing 16.5924 g of unreacted lignin remained in the bubble column reactor.

気泡塔反応器中の触媒の低減が、63.13%のリグニンを含むスラリーの低減した変換率をもたらすことが観察された。   It was observed that the reduction of catalyst in the bubble column reactor resulted in a reduced conversion of the slurry containing 63.13% lignin.

気泡塔実験4
実験4について、本発明者らは、気泡塔反応器圧力を166.49barから172.4barに増加させ、スラリー流の速度を3mL/分から2mL/分に低減させた。総実行時間を6時間40分に増加させ、リグニンを含むスラリーの総投入量を40gに減少させた。気泡塔反応器を通るリグニンを含むスラリーのターン数は、3.62に減少した。実験の間の仮定定常状態に到達した後に気泡塔反応器中で存在するリグニンを含むスラリーの総量は、18.4116gであった。全ての他の条件は、実験2と同一のままであった。本発明者らが実験を終結させたとき、18.4116gの未反応のリグニンを含むスラリーが気泡塔反応器中で残留した。
Bubble tower experiment 4
For Experiment 4, we increased the bubble column reactor pressure from 166.49 bar to 172.4 bar and reduced the slurry flow rate from 3 mL / min to 2 mL / min. The total run time was increased to 6 hours and 40 minutes and the total charge of slurry containing lignin was reduced to 40 g. The number of turns of the slurry containing lignin through the bubble column reactor was reduced to 3.62. The total amount of slurry containing lignin present in the bubble column reactor after reaching the assumed steady state during the experiment was 18.4116 g. All other conditions remained the same as in Experiment 2. When we terminated the experiment, a slurry containing 18.4116 g of unreacted lignin remained in the bubble column reactor.

スラリー流の低減が、53.97%のリグニンを含むスラリーのより低い変換率をもたらすことが観察された。   It was observed that the reduction of the slurry flow resulted in a lower conversion of the slurry containing 53.97% lignin.

気泡塔実験5
実験5について、本発明者らは、スラリー流の速度を2mL/分から1.2mL/分にさらに低減させた。総実行時間を10時間に増加させ、リグニンを含むスラリーの総投入量を36gに減少させた。反応器を通るリグニンを含むスラリーの滞留サイクル数は、3.26に減少した。実験の間の仮定定常状態に到達した後に気泡塔反応器中で存在するリグニンを含むスラリーの総量は、14.2125gであった。全ての他の条件は、実験4と同一のままであった。本発明者らが実験を終結させたとき、14.2125gの未反応のリグニンを含むスラリーが気泡塔反応器中で残留した。
Bubble tower experiment 5
For Experiment 5, we further reduced the slurry flow rate from 2 mL / min to 1.2 mL / min. The total run time was increased to 10 hours and the total slurry charge containing lignin was reduced to 36 g. The residence cycle number of the slurry containing lignin through the reactor was reduced to 3.26. The total amount of slurry containing lignin present in the bubble column reactor after reaching the assumed steady state during the experiment was 14.2125 g. All other conditions remained the same as in Experiment 4. When we terminated the experiment, a slurry containing 14.2125 g of unreacted lignin remained in the bubble column reactor.

4時間、8時間、および10時間の時点において、生成物受け器を圧抜きし、排出させた。4時間後、生成物受け器は、0.89gのフェノール油を含有した。8時間後、生成物受け器は、3.25gのフェノール油を含有した。10時間後、生成物受け器は、0.97gのフェノール油を含有した。実験の完了時、2.4gのフェノール油が移送管路中で存在したままであることがさらに観察された。残留固体を気泡塔反応器からドレンし、濾過し、アセトンにより洗浄し、回転蒸発させた場合、1gのフェノール油が残留固体中で存在することがさらに観察された。合計8.51gのフェノール油が回収され、39.06%の変換されたリグニンを含むスラリーの量に基づくフェノール油収率%をもたらした。気泡塔反応器に装入されたリグニンを含むスラリーの量に基づくフェノール油収率%は、23.64%であった。   At 4 hours, 8 hours, and 10 hours, the product receiver was depressurized and drained. After 4 hours, the product receiver contained 0.89 g of phenol oil. After 8 hours, the product receiver contained 3.25 g of phenol oil. After 10 hours, the product receiver contained 0.97 g of phenol oil. It was further observed that at the completion of the experiment, 2.4 g of phenol oil remained present in the transfer line. It was further observed that 1 g of phenol oil was present in the residual solid when the residual solid was drained from the bubble column reactor, filtered, washed with acetone, and rotoevaporated. A total of 8.51 g of phenol oil was recovered, resulting in a% phenol oil yield based on the amount of slurry containing 39.06% converted lignin. The phenol oil yield% based on the amount of slurry containing lignin charged to the bubble column reactor was 23.64%.

スラリー流の低減にもかかわらず、総実行時間の増加は、60.52%のリグニンを含むスラリーのより高い変換率をもたらすことが観察された。   Despite the reduction in slurry flow, it was observed that the increase in total run time resulted in higher conversion of the slurry containing 60.52% lignin.

気泡塔実験6
実験6について、本発明者らは、反応器を通る気体流を300scc/mから600scc/mに増加させ、172.4barから187.2barへの気泡塔反応器圧力増加をもたらした。総実行時間も12時間に増加させた。このことは、72gのリグニンを含むスラリーの増加した総投入量をもたらした。反応器を通るリグニンを含むスラリーの滞留サイクル数は、7に増加した。実験の間の任意の一時点において気泡塔反応器中で存在するリグニンからなるスラリーの総量は、23.5214gであった。全ての他の条件は、実験4と同一のままであった。本発明者らが実験を終結させたとき、23.5214gのリグニンを含むスラリーが気泡塔反応器中で残留した。
Bubble tower experiment 6
For experiment 6, we increased the gas flow through the reactor from 300 scc / m to 600 scc / m resulting in a bubble column reactor pressure increase from 172.4 bar to 187.2 bar. Total run time was also increased to 12 hours. This resulted in an increased total input of slurry containing 72 g lignin. The number of residence cycles of the slurry containing lignin through the reactor was increased to 7. The total amount of slurry consisting of lignin present in the bubble column reactor at any one time during the experiment was 23.5214 g. All other conditions remained the same as in Experiment 4. When we terminated the experiment, a slurry containing 23.5214 g lignin remained in the bubble column reactor.

2時間40分、5時間20分、8時間、10時間40分および12時間の時点において、生成物受け器を圧抜きし、排出させた。2時間40分後、生成物受け器は、1.43gのフェノール油を含有した。5時間20分後、生成物受け器は、3.27gのフェノール油を含有した。8時間後、生成物受け器は、2.64gのフェノール油を含有した。10時間40分後、生成物受け器は、4.7gのフェノール油を含有した。12時間後、生成物受け器は、3.57gのフェノール油を含有した。実験の完了時、9.29gのフェノール油が移送管路中で存在したままであることがさらに観察された。残留固体を気泡塔反応器からドレンし、濾過し、アセトンにより洗浄し、回転蒸発させた場合、1.05gのフェノール油が残留固体中で存在することがさらに観察された。合計25.95gのフェノール油が回収され、53.53%の変換されたリグニンを含むスラリーの量に基づくフェノール油収率割合をもたらした。気泡塔反応器に装入されたリグニンを含むスラリーの量に基づくフェノール油収率%は、36.04%であった。   At 2 hours 40 minutes, 5 hours 20 minutes, 8 hours, 10 hours 40 minutes and 12 hours, the product receiver was depressurized and drained. After 2 hours and 40 minutes, the product receiver contained 1.43 g of phenol oil. After 5 hours and 20 minutes, the product receiver contained 3.27 g of phenol oil. After 8 hours, the product receiver contained 2.64 g of phenol oil. After 10 hours and 40 minutes, the product receiver contained 4.7 g of phenol oil. After 12 hours, the product receiver contained 3.57 g of phenol oil. At the completion of the experiment, it was further observed that 9.29 g of phenol oil remained present in the transfer line. When the residual solid was drained from the bubble column reactor, filtered, washed with acetone, and rotoevaporated, it was further observed that 1.05 g of phenol oil was present in the residual solid. A total of 25.95 g of phenol oil was recovered, resulting in a phenol oil yield percentage based on the amount of slurry containing 53.53% converted lignin. The phenol oil yield% based on the amount of slurry containing lignin charged to the bubble column reactor was 36.04%.

気体流量の増加は、67.33%のリグニンを含むスラリーのより高い変換率をもたらすことが観察された。気体流量の増加は、変換されたリグニンを含むスラリーの量および気泡塔反応器に装入されたリグニンを含むスラリーの量の両方に基づくフェノール油収率割合を増加させることがさらに観察された。   It was observed that the increase in gas flow rate resulted in a higher conversion of the slurry containing 67.33% lignin. It was further observed that the increase in gas flow rate increased the phenol oil yield ratio based on both the amount of slurry containing converted lignin and the amount of slurry containing lignin charged to the bubble column reactor.

気泡塔実験7
実験7について、本発明者らは、気泡塔反応器温度を335℃に増加させ、207.9barの増加した気泡塔反応器圧力をもたらした。本発明者らは、気泡塔反応器に装入される触媒の量も85gに増加させ、スラリー流の速度も2mL/分から3mL/分に増加させた。総実行時間を5時間に減少させた。このことは、45gのリグニンを含むスラリーの減少した総投入量をもたらした。反応器を通るリグニンを含むスラリーの滞留サイクル数は、4.3に減少した。実験の間の任意の一時点において気泡塔反応器中で存在するリグニンを含むスラリーの総量は、12.082gであった。全ての他の条件は、実験6と同一のままであった。本発明者らが実験を終結させたとき、12.082gのリグニンを含むスラリーが気泡塔反応器中で残留した。
Bubble tower experiment 7
For experiment 7, we increased the bubble column reactor temperature to 335 ° C. resulting in an increased bubble column reactor pressure of 207.9 bar. We also increased the amount of catalyst charged to the bubble column reactor to 85 g and the slurry flow rate from 2 mL / min to 3 mL / min. Total run time was reduced to 5 hours. This resulted in a reduced total input of slurry containing 45 g lignin. The residence cycle number of the slurry containing lignin through the reactor was reduced to 4.3. The total amount of slurry containing lignin present in the bubble column reactor at any one time during the experiment was 12.082 g. All other conditions remained the same as in Experiment 6. When we terminated the experiment, a slurry containing 12.082 g of lignin remained in the bubble column reactor.

2時間、4時間、および5時間の時点において、生成物受け器を圧抜きし、排出させた。2時間後、生成物受け器は、2.69gのフェノール油を含有した。4時間後、生成物受け器は、1.34gのフェノール油を含有した。5時間後、生成物受け器は、0.36gのフェノール油を含有した。実験の完了時、11.92gのフェノール油が移送管路中で存在したままであることがさらに観察された。残留固体を気泡塔反応器からドレンし、濾過し、アセトンにより洗浄し、回転蒸発させた場合、1.25gのフェノール油が残留固体中で存在することがさらに観察された。合計17.56gのフェノール油が回収され、53.34%の変換されたリグニンの量に基づくフェノール油収率%をもたらした。気泡塔反応器に装入されたリグニンを含むスラリーの量に基づくフェノール油収率%は、39.02%であった。   At 2 hours, 4 hours and 5 hours, the product receiver was depressurized and drained. After 2 hours, the product receiver contained 2.69 g of phenol oil. After 4 hours, the product receiver contained 1.34 g of phenol oil. After 5 hours, the product receiver contained 0.36 g of phenol oil. At the completion of the experiment, it was further observed that 11.92 g of phenol oil remained present in the transfer line. It was further observed that 1.25 g of phenol oil was present in the residual solid when the residual solid was drained from the bubble column reactor, filtered, washed with acetone, and rotoevaporated. A total of 17.56 g of phenol oil was recovered resulting in a% phenol oil yield based on the amount of converted lignin of 53.34%. The% phenol oil yield based on the amount of slurry containing lignin charged to the bubble column reactor was 39.02%.

気泡塔反応器温度、触媒の量および気体流の増加は、前記6つの実験のいずれよりも高い変換率をもたらすことが観察された。さらに、より高い変換率は、変換されたリグニンの量に基づくフェノール油収率%の増加をもたらさないにもかかわらず、気泡塔反応器に装入されたリグニンを含むスラリーの量に基づくフェノール油収率%の増加をもたらすことが観察された。   It was observed that the bubble column reactor temperature, the amount of catalyst and the increase in gas flow resulted in a higher conversion than any of the six experiments. Furthermore, the higher conversion rate does not result in a% increase in phenol oil yield based on the amount of lignin converted, but phenol oil based on the amount of slurry containing lignin charged to the bubble column reactor. It was observed to give an increase in yield.

Figure 2016508177
気泡塔反応器中のリグニンを含む総スラリーは、操作停止時に気泡塔反応器中で残留する未変換リグニンスラリーの量と等しい。BC1において、11.1293gの未変換リグニンが気泡塔反応器中で残留したが、実験終了時の気泡塔反応器からの取出時に不明量の未反応リグニンが流出し、不正確な計測値をもたらした。
Figure 2016508177
* The total slurry containing lignin in the bubble column reactor is equal to the amount of unconverted lignin slurry remaining in the bubble column reactor when operation is stopped. In BC1, 11.1293g of unconverted lignin remained in the bubble column reactor, but an unreacted amount of unreacted lignin flowed out upon removal from the bubble column reactor at the end of the experiment, resulting in inaccurate measurements. .

Figure 2016508177
11.1293gの未変換リグニンが反応器中で残留し、75.27%の実験BC1の変換率をもたらしたが、実験終了時の気泡塔反応器からの取出時に不明量の未反応リグニンが流出し、不正確な計測値をもたらした。
Figure 2016508177
* 11.1293 g of unconverted lignin remained in the reactor, resulting in a conversion rate of 75.27% of experimental BC1, but an unreacted amount of unreacted lignin was shed when removed from the bubble column reactor at the end of the experiment, Resulting in inaccurate readings.

このリグニン変換プロセスは、連続プロセスとみなされる。それというのも、リグニン変換生成物がリグニン変換反応器(500)から連続様式で取り出されるためである。反応物質、例えば、リグニンを含むスラリーの成分を、一般に、リグニン変換反応器中に同様に連続様式で導入する。「連続様式」は、その原料または生成物を同一速度において連続的に導入することも取り出すことも意味しない。例えば、1つのピストンポンプのみを使用する場合、リグニンを含むスラリーをリグニン変換反応器(500)中に定常のアリコートまたはパルスで導入する。したがって、リグニン変換反応器に流入する生成物が存在しない時期が存在する。しかし、経時的には、リグニン変換反応器中に導入される質量は、リグニン変換反応器から取り出される質量と等しい。連続プロセスと回分プロセスとの間の1つの区別される特徴は、連続プロセスにおいては、反応物質供給物をリグニン変換反応器中に導入し、および/またはリグニン変換生成物をリグニン変換反応器から取り出すのと同時に反応を行い、または進行させていることである。これを記述する別の手法は、リグニン変換反応器中の変換(例えば、脱酸素、または水素化)を行う一方、同時に、または一緒にリグニン変換反応器からリグニン変換生成物の少なくとも一部を取り出すことである。そのような取出は、パルス取出が含まれる連続様式で行う。   This lignin conversion process is considered a continuous process. This is because the lignin conversion product is removed from the lignin conversion reactor (500) in a continuous manner. The components of the slurry containing the reactants, for example lignin, are generally introduced into the lignin conversion reactor in a continuous manner as well. “Continuous mode” does not mean that the raw material or product is continuously introduced or removed at the same rate. For example, if only one piston pump is used, a slurry containing lignin is introduced into the lignin conversion reactor (500) in steady aliquots or pulses. Therefore, there is a period when there is no product flowing into the lignin conversion reactor. However, over time, the mass introduced into the lignin conversion reactor is equal to the mass removed from the lignin conversion reactor. One distinguishing feature between continuous and batch processes is that in the continuous process, the reactant feed is introduced into the lignin conversion reactor and / or the lignin conversion product is removed from the lignin conversion reactor. The reaction is carried out or progressed at the same time. Another approach to describe this is to perform conversion (eg, deoxygenation or hydrogenation) in a lignin conversion reactor while simultaneously or together withdrawing at least a portion of the lignin conversion product from the lignin conversion reactor. That is. Such extraction is performed in a continuous manner that includes pulse extraction.

本発明の方法は、原料中のリグニンをいくつかの異なる生成物タイプに変換する。下記のとおり、プロセス条件は、あるクラスの化合物を、別のクラスの化合物を減らして生成するように設定することができる。   The process of the present invention converts lignin in the feed into several different product types. As described below, process conditions can be set to produce one class of compounds with a reduced amount of another class of compounds.

リグニン変換は、リグニンの脱水素とみなすことができる。リグニンは、単一生成物に変換するのではなく、複数のリグニン変換生成物に変換する。リグニンを含む原料を、リグニン変換反応器の温度および圧力に応じて慣用の様式で添加することができる追加の水素(H)ガスに曝露する。複数のリグニン変換生成物は、エチレングリコールもプロピレングリコールも欠き得る。 Lignin conversion can be regarded as dehydrogenation of lignin. Lignin does not convert to a single product, but to multiple lignin conversion products. The lignin-containing feed is exposed to additional hydrogen (H 2 ) gas that can be added in a conventional manner depending on the temperature and pressure of the lignin conversion reactor. Multiple lignin conversion products may lack either ethylene glycol or propylene glycol.

リグニン変換反応器(500)中に第1の触媒も存在する。それが第1の触媒と称される理由は、リグニン変換反応器に添加される第2の触媒が存在し得、または第2の触媒を使用してリグニン変換生成物を異なるステップにおいてさらに反応させることができることである。第2の触媒が存在し得る一方、一実施形態において、1つの触媒、第1の触媒のみが存在することが可能である。リグニン変換反応器は、第2の触媒を欠き得る。   A first catalyst is also present in the lignin conversion reactor (500). The reason it is referred to as the first catalyst is that there may be a second catalyst added to the lignin conversion reactor, or the second catalyst is used to further react the lignin conversion product in different steps. Be able to. While there may be a second catalyst, in one embodiment, only one catalyst, the first catalyst, may be present. The lignin conversion reactor may lack a second catalyst.

リグニン変換生成物は、ジェット燃料中で見出される化合物を含み得、またはリグニン変換生成物は、ジェット燃料を含む化合物にさらに変換することができる。   The lignin conversion product can include compounds found in jet fuel, or the lignin conversion product can be further converted to compounds including jet fuel.

第1の触媒は、水素とリグニンとの反応を触媒することが公知の触媒のいずれか1つであり得る。変換プロセスにおいて使用される第1の触媒は、好ましくは、教示が全体として組み込まれる米国特許第1,628,190号明細書に記載の、および特許請求されるRaney法により作出される少なくとも1つのスポンジ元素金属を含むスポンジ元素金属触媒である。特許請求される方法は、少なくとも第1の金属および第2の金属の合金を作出し、第1の金属から第2の金属を溶解させ、高い表面積を有する微細化した第1の元素金属を後に残す。この高い表面積は、スポンジ構造と記載されることが多い。リグニン変換プロセスの好ましい第1の触媒は、Raneyニッケル、すなわち、微細化した元素金属がニッケルであるものとして公知である。別の好ましい金属は、パラジウム、白金、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、モリブデン、コバルト、および鉄からなる群から選択される金属である。水が反応の特徴であるため、触媒構造、特に、その担体は、熱水的に安定でなければならない。不均一性質に起因して、第1の触媒の少なくとも一部は、複数の粒子として、または粒子形態で存在する。第1の触媒の少なくとも一部は、第1の触媒の全部ではないが、固定床として存在しない。   The first catalyst can be any one of the catalysts known to catalyze the reaction of hydrogen and lignin. The first catalyst used in the conversion process is preferably at least one produced by the Raney process described and claimed in US Pat. No. 1,628,190, the teachings of which are incorporated in its entirety. A sponge element metal catalyst containing a sponge element metal. The claimed method creates an alloy of at least a first metal and a second metal, dissolves the second metal from the first metal, and later produces a refined first elemental metal having a high surface area. leave. This high surface area is often described as a sponge structure. A preferred first catalyst for the lignin conversion process is known as Raney nickel, ie, the refined elemental metal is nickel. Another preferred metal is a metal selected from the group consisting of palladium, platinum, nickel, ruthenium, rhodium, molybdenum, cobalt, and iron. Since water is a feature of the reaction, the catalyst structure, in particular its support, must be hydrothermally stable. Due to the heterogeneous nature, at least a portion of the first catalyst exists as a plurality of particles or in particle form. At least a portion of the first catalyst is not all of the first catalyst, but does not exist as a fixed bed.

第1の触媒は、担持されていてもいなくてもよく、非担持であってもなくてもよいが、一般に、固定床として存在しない。固定床触媒を使用する場合、原料は、固体が固定床の細孔を塞栓しないようにスラリーとは対照的に液体として存在すべきである。固定床の企図は、着想の一部である。それというのも、このプロセスの実施可能な程度の原理の多くが固体を有さないスラリー原料および液体原料の両方、または固体が固定床の細孔未満のサイズで存在する少なくとも1重量%未満の固体のスラリーに適用可能であることが考えられるためである。   The first catalyst may or may not be supported and may or may not be supported, but generally does not exist as a fixed bed. When using a fixed bed catalyst, the feed should be present as a liquid as opposed to a slurry so that the solid does not plug the pores of the fixed bed. The idea of a fixed floor is part of the idea. This is because many of the feasible principles of this process are both slurry and liquid feeds that do not have solids, or at least less than 1% by weight where the solids are present in a size less than the pores of the fixed bed This is because it can be applied to a solid slurry.

第1の触媒の量は、リグニン原料の乾燥重量に対する元素ニッケルの重量により表現することができ、原料中のリグニンの乾燥重量に対する元素ニッケルの重量は、約0.25から約2.0の範囲内であるべきであり、約0.3から約1.5の範囲がより好ましく、少なくとも約0.5から1.0が最も好ましい。一実施形態において、プロセスは、触媒量の第2の触媒を欠く。   The amount of the first catalyst can be expressed by the weight of elemental nickel relative to the dry weight of the lignin feedstock, and the weight of elemental nickel relative to the dry weight of lignin in the feedstock ranges from about 0.25 to about 2.0. Within the range of about 0.3 to about 1.5, more preferably at least about 0.5 to 1.0. In one embodiment, the process lacks a catalytic amount of a second catalyst.

第2の触媒は、使用される場合、公知の標準的な水素化触媒のいずれかであり得、好ましい第2の触媒は、第1の触媒と同一である。第2の触媒が第1の触媒と同一である場合、第2の触媒の量は、第1の触媒の量と同一である。脱酸素および脱水素化を同一容器中で同時に実施する場合、第1の触媒として添加される追加の第2の触媒は存在せず、その量は、脱水素化反応の目的のための第2の触媒になる。   The second catalyst, if used, can be any of the known standard hydrogenation catalysts, and the preferred second catalyst is the same as the first catalyst. When the second catalyst is the same as the first catalyst, the amount of the second catalyst is the same as the amount of the first catalyst. When deoxygenation and dehydrogenation are performed simultaneously in the same vessel, there is no additional second catalyst added as the first catalyst, the amount of which is the second for the purpose of the dehydrogenation reaction. Become a catalyst.

第1および第2の触媒と異なる第3の触媒の好ましい導入も存在する。好ましい第3の触媒は、酸性環境中で反応が進行するための不均一部位を作出するゼオライトである。   There is also a preferred introduction of a third catalyst that is different from the first and second catalysts. A preferred third catalyst is a zeolite that creates a heterogeneous site for the reaction to proceed in an acidic environment.

結晶性金属酸化物触媒
Raney法により作出されるスポンジ元素金属触媒を本方法において使用することができるが、それらは多くの欠点を有する。Raney法により作出されるスポンジ元素金属触媒、例えば、Raneyニッケルは、反応前、その間およびその後に極度の注意を要求する。Raneyニッケルは、特に発火性触媒であり、自然燃焼を回避するために水性環境中で維持しなければならない。
Crystalline Metal Oxide Catalysts Sponge elemental metal catalysts made by the Raney process can be used in the present process, but they have many disadvantages. Sponge element metal catalysts made by the Raney method, such as Raney nickel, require extreme care before, during and after the reaction. Raney nickel is a particularly ignitable catalyst and must be maintained in an aqueous environment to avoid spontaneous combustion.

代替的な実施形態において、触媒は、結晶性金属酸化物触媒を含む。結晶性金属酸化物触媒は、発火性触媒でなく、特別な取扱条件および水性環境中での貯蔵を要求するRaneyニッケルとは異なり、周囲条件において取り扱うことができる。   In an alternative embodiment, the catalyst comprises a crystalline metal oxide catalyst. Crystalline metal oxide catalysts are not pyrophoric catalysts and can be handled at ambient conditions, unlike Raney nickel, which requires special handling conditions and storage in an aqueous environment.

結晶性金属酸化物触媒は、結晶性単一金属酸化物触媒または結晶性二元金属酸化物触媒であり得る。好ましい実施形態において、結晶性金属酸化物触媒は、250nm未満の平均結晶性粒子サイズを有するナノ粒子形態であり、150nm未満の平均結晶性粒子サイズがより好ましく、100nm未満の平均結晶性粒子サイズがよりいっそう好ましく、50nm未満の平均結晶性粒子サイズが最も好ましい。   The crystalline metal oxide catalyst can be a crystalline single metal oxide catalyst or a crystalline binary metal oxide catalyst. In preferred embodiments, the crystalline metal oxide catalyst is in the form of nanoparticles having an average crystalline particle size of less than 250 nm, more preferably an average crystalline particle size of less than 150 nm, and an average crystalline particle size of less than 100 nm. Even more preferred, an average crystalline particle size of less than 50 nm is most preferred.

触媒が結晶性単一金属酸化物触媒である場合、金属は、セシウム、銅、ニッケル、鉄、亜鉛およびコバルトからなる群から選択することができる。1つの好ましい結晶性単一金属酸化物触媒は、酸化ニッケルである。   When the catalyst is a crystalline single metal oxide catalyst, the metal can be selected from the group consisting of cesium, copper, nickel, iron, zinc and cobalt. One preferred crystalline single metal oxide catalyst is nickel oxide.

一実施形態において、結晶性金属酸化物触媒は、結晶性二元金属酸化物触媒である。結晶性二元金属酸化物触媒は、公知の方法、および今後発見され得る方法のいずれかから得ることができる。一般に、結晶性単一金属酸化物触媒、例えば、酸化ニッケを、第2の金属の原子、例えば、亜鉛、鉄またはコバルトによりドープする。この方法において、結晶性単一金属酸化物触媒の金属種の一部を異なる金属種により置き換え、結晶性二元金属酸化物触媒をもたらす。結晶性単一金属酸化物触媒は、1つまたは2つ以上の金属によりドープすることができる。例えば、結晶性単一金属酸化物触媒は、亜鉛および鉄金属酸化物によりドープすることができる。   In one embodiment, the crystalline metal oxide catalyst is a crystalline binary metal oxide catalyst. The crystalline binary metal oxide catalyst can be obtained from any of the known methods and methods that can be discovered in the future. In general, a crystalline single metal oxide catalyst, such as nickel oxide, is doped with atoms of a second metal, such as zinc, iron or cobalt. In this method, a portion of the metal species of the crystalline single metal oxide catalyst is replaced with a different metal species, resulting in a crystalline binary metal oxide catalyst. The crystalline single metal oxide catalyst can be doped with one or more metals. For example, a crystalline single metal oxide catalyst can be doped with zinc and iron metal oxides.

触媒が結晶性二元金属酸化物触媒である場合、触媒は、少なくとも2つの金属を含み、金属の少なくとも1つは、白金、パラジウム、セシウム、銅、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、金、鉄、コバルトおよびイリジウムからなる群から選択される。好ましい二元金属酸化物触媒は、亜鉛、鉄およびコバルトからなる群から選択される少なくとも1つの元素によりドープされている酸化ニッケルを含む二元金属触媒を含む。   When the catalyst is a crystalline binary metal oxide catalyst, the catalyst comprises at least two metals, at least one of which is platinum, palladium, cesium, copper, nickel, ruthenium, rhodium, gold, iron, cobalt And iridium. Preferred bimetallic oxide catalysts include bimetallic catalysts comprising nickel oxide doped with at least one element selected from the group consisting of zinc, iron and cobalt.

好ましい実施形態において、結晶性金属酸化物触媒は、遊離粒子として存在する。別の実施形態において、結晶性金属酸化物触媒の少なくとも一部は、固定床触媒プロセスにおいて存在し得る。   In a preferred embodiment, the crystalline metal oxide catalyst is present as free particles. In another embodiment, at least a portion of the crystalline metal oxide catalyst may be present in a fixed bed catalyst process.

好ましくは、結晶性金属酸化物触媒は、リグニンを有用化合物に液体溶媒中で変換する。好ましい実施形態において、液体溶媒は水である。代替的な実施形態において、液体溶媒は、有機溶媒、例えば、メタノールである。   Preferably, the crystalline metal oxide catalyst converts lignin to a useful compound in a liquid solvent. In a preferred embodiment, the liquid solvent is water. In an alternative embodiment, the liquid solvent is an organic solvent, such as methanol.

結晶性金属酸化物触媒は、リグニンのフェノール性化合物への高収率変換も実証し、官能基化フェノール類(phenols)に対して高度に選択的である。実験を実行し、リグニンをフェノール性化合物に変換する結晶性金属酸化物触媒の能力を実証した。   Crystalline metal oxide catalysts also demonstrate high yield conversion of lignin to phenolic compounds and are highly selective for functionalized phenols. Experiments were performed to demonstrate the ability of crystalline metal oxide catalysts to convert lignin to phenolic compounds.

結晶性金属酸化物触媒実験
前処理リグニン供給流と、5重量パーセントの乾物濃度に到達させるための前処理リグニン供給流以外の資源からの十分な水とを、触媒とともに50mLのparr小型反応器中に挿入した。材料を反応器中に挿入した後、反応器を約15barに窒素により加圧し、5分間撹拌し、通気させた。
パージングサイクルをさらに2回繰り返し、次いで水素により2回繰り返した。最後に、反応器を25℃において200psiの水素圧に加圧し、次いで反応温度に電気加熱した。反応器の内部温度を安定させたら、反応器を60分間の反応時間撹拌した。反応時間が完了したら、加熱要素を除去し、氷浴を使用して反応器を冷却しておいた。反応器が24℃の温度に冷却したら、さらなる分析のために気体試料を回収し、反応器中の圧力が0psiに低減されるまで反応器を通気させた。
Crystalline Metal Oxide Catalyst Experiment Pretreatment lignin feed stream and sufficient water from resources other than the pretreatment lignin feed stream to reach a 5 weight percent dry matter concentration in a 50 mL parr small reactor along with the catalyst. Inserted into. After the material was inserted into the reactor, the reactor was pressurized to about 15 bar with nitrogen, stirred for 5 minutes and vented.
The purging cycle was repeated two more times and then twice with hydrogen. Finally, the reactor was pressurized to 200 psi hydrogen pressure at 25 ° C. and then electrically heated to the reaction temperature. Once the internal temperature of the reactor was stabilized, the reactor was stirred for a reaction time of 60 minutes. When the reaction time was complete, the heating element was removed and the reactor was allowed to cool using an ice bath. Once the reactor had cooled to a temperature of 24 ° C., a gaseous sample was collected for further analysis and the reactor was vented until the pressure in the reactor was reduced to 0 psi.

酸化ニッケルのナノ粒子を触媒として使用した。酸化ニッケル触媒粒子の平均粒子サイズは、製造業者Sigma−Aldrich Co.,LLC from St.Louis,Missouri,USAから報告された。ある実験において、酸化ニッケルのナノ粒子を、反応器装入前に金属ニッケルに400℃において水素中で2時間還元した。他の実験において、酸化ニッケルのナノ粒子を、反応器装入前に水素中で還元しなかった。   Nickel oxide nanoparticles were used as the catalyst. The average particle size of the nickel oxide catalyst particles can be obtained from the manufacturer Sigma-Aldrich Co. , LLC from St. Reported by Louis, Missouri, USA. In one experiment, nickel oxide nanoparticles were reduced to metallic nickel in hydrogen at 400 ° C. for 2 hours before charging the reactor. In other experiments, nickel oxide nanoparticles were not reduced in hydrogen prior to reactor charging.

反応時間ならびに反応器の冷却および通気の完了時、反応生成物を取り出し、分析して変換されたリグニンの量および変換生成物中のフェノール類の収率を決定した。変換率は、反応混合物を濾過することにより決定し、ジクロロメタンを使用して濾過溶液を抽出した。残留有機層を回転蒸発させ、残留固体を灰化させてプロセスの変換割合を決定した。残留変換生成物をGC/MS分析に送ってフェノール類の収率および生成されたフェノール類のタイプを決定した。   Upon completion of the reaction time and reactor cooling and venting, the reaction product was removed and analyzed to determine the amount of lignin converted and the yield of phenols in the conversion product. Conversion was determined by filtering the reaction mixture and extracting the filtered solution using dichloromethane. The residual organic layer was rotoevaporated and the residual solids ashed to determine the conversion rate of the process. The residual conversion product was sent to GC / MS analysis to determine the yield of phenols and the type of phenols produced.

結晶性金属酸化物実験1
実験1について、本発明者らは、酸化ニッケルの還元ナノ粒子を触媒として使用した。0.8gの触媒を、リグニンスラリーの形態の1.5gのリグニンとともに反応器に装入した。スラリーを作出するために使用される溶媒は、脱イオン水であった。反応器を305℃の反応温度に加熱し、0時間を開始した。反応器を、水素ガスにより200psiの反応圧力にさらに加圧した。
Crystalline metal oxide experiment 1
For Experiment 1, we used nickel oxide reduced nanoparticles as the catalyst. 0.8 g of catalyst was charged to the reactor along with 1.5 g of lignin in the form of a lignin slurry. The solvent used to make the slurry was deionized water. The reactor was heated to a reaction temperature of 305 ° C. and 0 hour was started. The reactor was further pressurized with hydrogen gas to a reaction pressure of 200 psi.

実験終了時、反応生成物のプロファイルは、反応器に装入されたリグニンの83.0%が変換されることを示した。このことは、酸化ニッケルのナノ粒子をリグニンの変換のための触媒として利用することができることを実証した。   At the end of the experiment, the reaction product profile showed that 83.0% of the lignin charged to the reactor was converted. This demonstrated that nickel oxide nanoparticles can be used as catalysts for lignin conversion.

結晶性金属酸化物実験2
実験2について、本発明者らは、実験1の条件の全てを維持したが、但し、0.918gの触媒を、リグニンスラリーの形態の2.5gのリグニンとともに反応器に装入した。
Crystalline metal oxide experiment 2
For Experiment 2, we maintained all of the conditions of Experiment 1, except that 0.918 g of catalyst was charged to the reactor along with 2.5 g of lignin in the form of a lignin slurry.

実験終了時、反応生成物のプロファイルは、反応器に装入されたリグニンの79.4%が変換されることを示した。しかしながら、変換された79.4%のリグニンに基づくフェノール類の収率は、16.6%にすぎなかった。このことは、酸化ニッケルの還元ナノ粒子が、フェノール油を生成し得るが、変換生成物の量に対して高収率で生成しないことを実証した。ここで、反応器に装入された前処理リグニン供給流の55%のみがリグニンを含むことに留意すべきである。   At the end of the experiment, the reaction product profile showed that 79.4% of the lignin charged to the reactor was converted. However, the yield of phenols based on converted 79.4% lignin was only 16.6%. This demonstrated that nickel oxide reduced nanoparticles can produce phenol oil, but not in high yield relative to the amount of conversion product. It should be noted here that only 55% of the pretreated lignin feed stream charged to the reactor contains lignin.

反応生成物のGC/MSは、酸化ニッケルのナノ粒子が「重質物」と対照的な「軽質」フェノールに対する高い選択性を実証することを示し、重質物は、長鎖および短鎖炭化水素を副生物として有する分子として定義される。   GC / MS of the reaction product shows that the nickel oxide nanoparticles demonstrate a high selectivity for “light” phenols as opposed to “heavy”, which heavy and short chain hydrocarbons Defined as a molecule that has as a by-product.

結晶性金属酸化物実験3
実験3について、本発明者らは、酸化ニッケルの未還元ナノ粒子を使用した。全ての他の実験は実験1と同一のままであった。
Crystalline metal oxide experiment 3
For Experiment 3, we used nickel oxide unreduced nanoparticles. All other experiments remained the same as experiment 1.

実験の終了時、反応生成物は、反応器に装入されたリグニンの77.0%が変換されることを示した。このことは、酸化ニッケルの未還元ナノ粒子がリグニンを変換するが、それらは酸化ニッケルの還元ナノ粒子ほど有効に変換しないことを実証した。   At the end of the experiment, the reaction product showed that 77.0% of the lignin charged to the reactor was converted. This demonstrated that nickel oxide unreduced nanoparticles convert lignin, but they do not convert as effectively as nickel oxide reduced nanoparticles.

結晶性金属酸化物実験4
実験4について、本発明者らは、酸化ニッケルの未還元ナノ粒子を使用した。全ての他の実験は、実験2と同一のままであった。
Crystalline metal oxide experiment 4
For Experiment 4, we used nickel oxide unreduced nanoparticles. All other experiments remained the same as experiment 2.

実験の終了時、反応生成物は、反応器に装入されたリグニンの68.8%が変換されることを示した。また、反応生成物は、変換された68.8%のリグニンの25.0%がフェノール類に変換されることを示した。ここでも、前処理リグニン供給流の55%のみがリグニンを含むことに留意することが重要である。これは、酸化ニッケルの還元ナノ粒子と比べて8.4%の収率の増加である。このことは、酸化ニッケルの未還元ナノ粒子が酸化ニッケルの還元ナノ粒子と類似の変換率を提供し得ない一方、酸化ニッケルの未還元ナノ粒子は、変換されるリグニンの量に対して高い割合のフェノール類を生じさせていることを実証する。   At the end of the experiment, the reaction product showed that 68.8% of the lignin charged to the reactor was converted. The reaction product also showed that 25.0% of the converted 68.8% lignin was converted to phenols. Again, it is important to note that only 55% of the pretreated lignin feed stream contains lignin. This is an 8.4% increase in yield compared to nickel oxide reduced nanoparticles. This means that nickel oxide unreduced nanoparticles cannot provide a similar conversion rate to nickel oxide reduced nanoparticles, whereas nickel oxide unreduced nanoparticles are a high percentage of the amount of lignin converted. It is demonstrated that it produces the phenols.

反応生成物のGC/MSは、酸化ニッケルの未還元ナノ粒子が重質物を避けた、「軽質」フェノールに対する、酸化ニッケルの還元ナノ粒子と類似の選択性を実証することをさらに示す。   GC / MS of the reaction product further shows that nickel oxide unreduced nanoparticles demonstrate similar selectivity to nickel oxide reduced nanoparticles over “light” phenol, avoiding heavys.

結晶性金属酸化物実験5
実験5について、本発明者らは、酸化ニッケルの未還元ナノ粒子の量を0.45gに減少させた。全ての他の条件は、実験4と同一のままであった。
Crystalline metal oxide experiment 5
For Experiment 5, we reduced the amount of nickel oxide unreduced nanoparticles to 0.45 g. All other conditions remained the same as in Experiment 4.

実験の終了時、反応生成物は、反応器に装入されたリグニンの61.8%が変換されるが、その61.8%のうち、23.3%がフェノール類に変換されたことを示した。このことは、酸化ニッケルの未還元ナノ粒子の量の減少が変換されるリグニンの量を減少させ得る一方、それは、変換リグニン中に見出されるフェノール類の収率を顕著に低減させないことを実証する。   At the end of the experiment, the reaction product was converted to 61.8% of the lignin charged to the reactor, of which 23.3% were converted to phenols. Indicated. This demonstrates that reducing the amount of unreduced nanoparticles of nickel oxide can reduce the amount of lignin converted, but it does not significantly reduce the yield of phenols found in the converted lignin. .

結晶性金属酸化物実験6
実験6について、本発明者らは、反応温度を305℃から315℃に増加させ、酸化ニッケルの未還元ナノ粒子の量を0.918gに増加させた。全ての他の条件は、実験4と同一のままであった。
Crystalline metal oxide experiment 6
For Experiment 6, we increased the reaction temperature from 305 ° C. to 315 ° C. and increased the amount of nickel oxide unreduced nanoparticles to 0.918 g. All other conditions remained the same as in Experiment 4.

実験の終了時、反応生成物は、反応器に装入されたリグニンの72.0%が変換されるが、その72.0%のうち、19.4%のみがフェノール類に変換されたことを示した。このことは、反応温度の増加が変換されるリグニンの量を増加させ得る一方、それは、変換リグニン中に見出されるフェノール類の収率に対して悪影響を有することを実証する。   At the end of the experiment, 72.0% of the lignin charged to the reactor was converted at the end of the experiment, but only 79.4% of the lignin was converted to phenols. showed that. This demonstrates that while increasing the reaction temperature can increase the amount of lignin converted, it has an adverse effect on the yield of phenols found in the converted lignin.

結晶性金属酸化物実験7
実験7について、本発明者らは、リグニンスラリーを作出するための溶媒として蒸留水ではなくメタノール(MeOH)を使用した。また、本発明者らは、反応温度を305℃から290℃に低下させた。全ての他の実験は、実験4と同一のままであった。
Crystalline metal oxide experiment 7
For Experiment 7, we used methanol (MeOH) rather than distilled water as the solvent to make the lignin slurry. In addition, the inventors lowered the reaction temperature from 305 ° C. to 290 ° C. All other experiments remained the same as experiment 4.

実験の終了時、反応生成物は、反応器に装入されたリグニンの85.0%が変換されることを示した。しかしながら、冷却前の反応器中の最終圧力は、実験4よりも顕著に高かった(1508psiと251psi)。また、変換生成物のGC/MSは、変換生成物の13.0%がメタンであり、実験4の1.3%のみと異なることを示した。   At the end of the experiment, the reaction product showed that 85.0% of the lignin charged to the reactor was converted. However, the final pressure in the reactor before cooling was significantly higher than in Experiment 4 (1508 psi and 251 psi). The GC / MS of the conversion product also showed that 13.0% of the conversion product was methane, differing from only 1.3% in Experiment 4.

このことは、メタノールをこの反応における溶媒として使用することができ、それは変換されるリグニンの量を増加させ得る一方、それは、蒸留水を溶媒として使用する場合よりも多くのメタンが生成されるという有害効果も有することを実証する。   This means that methanol can be used as a solvent in this reaction, which can increase the amount of lignin that is converted, while it produces more methane than if distilled water was used as the solvent. Demonstrate that it also has harmful effects.

結晶性金属酸化物実験8
実験8について、本発明者らは、酸化ニッケルの未還元マクロサイズ結晶性粒子を触媒として使用した。全ての他の実験は、実験4と同一のままであった。
Crystalline metal oxide experiment 8
For Experiment 8, we used nickel oxide unreduced macrosize crystalline particles as a catalyst. All other experiments remained the same as experiment 4.

実験の終了時、反応生成物は、反応器に装入されたリグニンの75.7%が変換されるが、変換リグニンの10.6%のみがフェノール類であることを示した。このことは、リグニンをフェノール類に変換することを望む場合、酸化ニッケルのマクロ粒子ではなく酸化ニッケルのナノ粒子の必要性を実証する。   At the end of the experiment, the reaction product showed that 75.7% of the lignin charged to the reactor was converted, but only 10.6% of the converted lignin was phenols. This demonstrates the need for nickel oxide nanoparticles rather than nickel oxide macroparticles when it is desired to convert lignin to phenols.

操作条件および変換率データを以下の表5に報告する。   The operating conditions and conversion rate data are reported in Table 5 below.

Figure 2016508177
Figure 2016508177

さらなる実験として、本発明者らは、他の金属酸化物によりドープされた酸化ニッケルのナノ粒子を入手した(結晶性二元金属酸化物触媒)。平均粒子サイズは、製造業者Sigma−Aldrich Co.,LLC from St.Louis,Missouri,USにより報告された。他の金属によりドープされている酸化ニッケルのナノ粒子についての操作条件および変換率データを、以下の表6に報告する。実験4についての操作条件および変換率データを、他の金属によりドープされている酸化ニッケルのナノ粒子と、他の金属によりドープされていないものとの比較のために含める。   As a further experiment, we obtained nickel oxide nanoparticles doped with other metal oxides (crystalline binary metal oxide catalysts). The average particle size is measured by the manufacturer Sigma-Aldrich Co. , LLC from St. Reported by Louis, Missouri, US. The operating conditions and conversion data for nickel oxide nanoparticles doped with other metals are reported in Table 6 below. Operating conditions and conversion data for Experiment 4 are included for comparison between nickel oxide nanoparticles doped with other metals and those not doped with other metals.

結晶性金属酸化物実験9
実験9について、本発明者らは、Sigma−Aldrich製の番号634360−25Gであるニッケルコバルト酸化物ナノ粉末(Ni−CoO)を入手した。この触媒は、150nm未満の平均粒子サイズを有した。全ての他の操作条件は、実験4と同一のままであった。
Crystalline metal oxide experiment 9
For Experiment 9, the inventors obtained nickel cobalt oxide nanopowder (Ni-CoO) number 634360-25G from Sigma-Aldrich. This catalyst had an average particle size of less than 150 nm. All other operating conditions remained the same as in Experiment 4.

実験の終了時、反応生成物は、リグニンの68.7%が変換されたこと、および変換リグニンの23.2%がフェノール類であることを示した。反応生成物のGC/MSは、実験4に見られるとおり、「軽質」フェノールに対する選択性をさらに示す。このことは、酸化ニッケルのナノ粒子と、酸化コバルトによりドープされている酸化ニッケルのナノ粒子との間で、変換割合においても、フェノール類の収率においても、生成されるフェノール類のタイプにおいても有意差が存在しないことを実証する。   At the end of the experiment, the reaction product showed that 68.7% of the lignin was converted and that 23.2% of the converted lignin was phenols. The GC / MS of the reaction product further shows selectivity for “light” phenol as seen in Experiment 4. This means that between the nickel oxide nanoparticles and the nickel oxide nanoparticles doped with cobalt oxide, both in the conversion rate, in the yield of phenols, and in the type of phenols produced. Demonstrate that there is no significant difference.

結晶性金属酸化物実験10
実験10について、本発明者らは、Sigma−Aldrich製の番号637149−25Gである鉄ニッケル酸化物ナノ粉末(Fe−NiO)を入手した。この触媒は、50nm未満の平均粒子サイズを有した。全ての他の操作条件は、実験4と同一のままであった。
Crystalline metal oxide experiment 10
For Experiment 10, the inventors obtained iron nickel oxide nanopowder (Fe—NiO), number 633149-25G, manufactured by Sigma-Aldrich. This catalyst had an average particle size of less than 50 nm. All other operating conditions remained the same as in Experiment 4.

実験の終了時、反応生成物は、リグニンの67.8%が変換されたが、変換リグニンの17.3%のみがフェノール類であることを示した。反応生成物のGC/MSは、実験4に見られるとおり、「軽質」フェノールに対する選択性をさらに示す。このことは、酸化鉄によりドープされている酸化ニッケルのナノ粒子が、リグニンのフェノール類への変換について、酸化ニッケルのナノ粒子ほど十分には機能しないことを実証する。   At the end of the experiment, the reaction product showed that 67.8% of the lignin was converted, but only 17.3% of the converted lignin was phenols. The GC / MS of the reaction product further shows selectivity for “light” phenol as seen in Experiment 4. This demonstrates that nickel oxide nanoparticles doped with iron oxide do not function as well as nickel oxide nanoparticles for the conversion of lignin to phenols.

結晶性金属酸化物実験11
実験11について、本発明者らは、Sigma Aldrich製の番号641669−10Gであるニッケル亜鉛鉄酸化物ナノ粉末(Ni−Zn−FeO)を入手した。この触媒は、100nm未満の平均粒子サイズを有した。全ての他の操作条件は、実験4と同一のままであった。
Crystalline metal oxide experiment 11
For Experiment 11, the inventors obtained nickel zinc iron oxide nanopowder (Ni—Zn—FeO), number 641669-10G, manufactured by Sigma Aldrich. This catalyst had an average particle size of less than 100 nm. All other operating conditions remained the same as in Experiment 4.

実験の終了時、反応生成物は、リグニンの67.8%が変換されたこと、および驚くべきことに変換リグニンの37.2%がフェノール類であることを示した。反応生成物のGC/MSは、実験4に見られるとおり、「軽質」フェノールに対する選択性をさらに示す。このことは、リグニンをフェノール類に変換することを望む場合、亜鉛および鉄によりドープされている酸化ニッケルのナノ粒子が非常に望ましいことを実証する。   At the end of the experiment, the reaction product showed that 67.8% of the lignin was converted and surprisingly 37.2% of the converted lignin was phenols. The GC / MS of the reaction product further shows selectivity for “light” phenol as seen in Experiment 4. This demonstrates that nickel oxide nanoparticles doped with zinc and iron are highly desirable when it is desired to convert lignin to phenols.

Figure 2016508177
Figure 2016508177

水素供与体溶媒
リグニン供給流を変換リグニン供給流に変換したら、変換リグニン供給流を芳香族変換リグニン生成物にさらに変換することができる。このプロセスに好適な変換リグニン供給流は、リグノセルロース系バイオマスのリグニンに由来する生成物を含む。典型的には、リグノセルロース系バイオマスのリグニンに由来する生成物は、フェノール油であり、それは、変換リグニン供給流中のフェノール類の全てからなる組成物を説明するために使用される用語である。
Once the hydrogen donor solvent lignin feed stream has been converted to a converted lignin feed stream, the converted lignin feed stream can be further converted to an aromatic converted lignin product. A suitable converted lignin feed stream for this process comprises products derived from lignocellulosic biomass lignin. Typically, the product derived from lignocellulosic biomass lignin is phenol oil, a term used to describe a composition consisting of all of the phenols in the converted lignin feed stream. .

変換リグニン供給流は、1種または複数種の分子と合わせる。これらの水素供与体分子は、反応物質(reactants)とみなし、既に変換されたリグニン供給流から生成される水素供与体分子、既に変換されたリグニン供給流からの生成物流以外の資源に由来する水素供与体分子およびそれらの混合物からなる群から選択することができる。   The converted lignin feed stream is combined with one or more molecules. These hydrogen donor molecules are considered to be reactants, hydrogen donor molecules generated from the already converted lignin feed stream, hydrogens derived from resources other than the product stream from the already converted lignin feed stream. It can be selected from the group consisting of donor molecules and mixtures thereof.

水素供与体分子は、少なくとも1つの水素原子を供与し、その全てがプロセスの間に消費される。水素供与体分子の例は、H−[H−C−OH]−Hの式(式中、nは、2から10の整数である)を有する脂肪族ポリオールからなる群から選択される化合物であり、この群には、ソルビトール(n=6)、グリセロール(n=3)、キシリトール(n=5)およびエチレングリコール(n=2)が含まれる。したがって、水素供与体分子は、ソルビトール、グリセロール、キシリトールおよびエチレングリコールからなる群から選択することができる。 The hydrogen donor molecule donates at least one hydrogen atom, all of which is consumed during the process. Examples of hydrogen donor molecules are compounds selected from the group consisting of aliphatic polyols having the formula H- [HC-OH] n -H, where n is an integer from 2 to 10. This group includes sorbitol (n = 6), glycerol (n = 3), xylitol (n = 5) and ethylene glycol (n = 2). Thus, the hydrogen donor molecule can be selected from the group consisting of sorbitol, glycerol, xylitol and ethylene glycol.

水素供与体分子の別の群は、   Another group of hydrogen donor molecules is

Figure 2016508177
Figure 2016508177

の式
[式中、Rは、−OCH、−H、および−OHからなる群から選択され、Rは、−CH、−CH−CH、−CH−CH−CH、および−CH−CH−CH−CHからなる群から選択される]
を有する分子である。
Wherein R 1 is selected from the group consisting of —OCH 2 , —H, and —OH, and R 2 is —CH 3 , —CH 2 —CH 3 , —CH 2 —CH 2 —CH 3 and selected from the group consisting of —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 3 ]
It is a molecule having

水素供与体分子の別の群は、   Another group of hydrogen donor molecules is

Figure 2016508177
Figure 2016508177

の式
[式中、Rは、−CH、−CH−CH、−CH−CH−CH、および−CH−CH−CH−CHからなる群から選択される]
を有する分子である。
Wherein R is selected from the group consisting of —CH 3 , —CH 2 —CH 3 , —CH 2 —CH 2 —CH 3 , and —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 3. ]
It is a molecule having

水素供与体分子は、好ましくは、供与プロセスの最終変換生成物の1つとしてアルデヒドを生成する分子でない。末端アルコール、例えば、メタノールおよびプロパノール分子は、供与プロセスの最終変換生成物の1つとしてアルデヒドを生成する。水素供与体分子は、アルデヒドが後の処理において副生物を作出するため、供与プロセスの最終変換生成物の1つとしてアルデヒドを生成しないことが好ましい。   The hydrogen donor molecule is preferably not a molecule that produces an aldehyde as one of the final conversion products of the donation process. Terminal alcohols such as methanol and propanol molecules produce aldehydes as one of the final conversion products of the donation process. The hydrogen donor molecule preferably does not produce an aldehyde as one of the final conversion products of the donation process because the aldehyde creates a byproduct in subsequent processing.

水素供与体分子は、既に変換されたリグニン供給流からの生成物流から供給することもでき、生成物流は、シクロヘキサノールおよび置換シクロヘキサノールを含む。既に変換されたリグニン供給流からの生成物以外の資源から選択される水素供与体分子には、イソプロパノール、エチレングリコール、グリセロール、シクロヘキサノールおよび置換シクロヘキサノールが含まれる。より好ましい実施形態において、水素供与体分子は、イソプロパノールである。いっそうより好ましい実施形態において、複数の水素供与体分子は、既に変換されたリグニン供給流の生成物からのシクロヘキサノールおよび置換シクロヘキサノールと、既に変換されたリグニン供給流の生成物以外の資源からのシクロヘキサノールおよび置換シクロヘキサノールとの混合物を含む。最も好ましい実施形態において、水素供与体分子は、変換リグニン供給流に由来し、早期プロセスの間にそれから分離されるシクロヘキサノールおよび置換シクロヘキサノールである。一実施形態において、水素供与体分子は、さらに水とともに存在する。   The hydrogen donor molecule can also be fed from a product stream from an already converted lignin feed stream, the product stream comprising cyclohexanol and substituted cyclohexanol. Hydrogen donor molecules selected from resources other than the product from the already converted lignin feed include isopropanol, ethylene glycol, glycerol, cyclohexanol and substituted cyclohexanol. In a more preferred embodiment, the hydrogen donor molecule is isopropanol. In an even more preferred embodiment, the plurality of hydrogen donor molecules is from cyclohexanol and substituted cyclohexanol from the products of the already converted lignin feed stream and from resources other than the products of the already converted lignin feed stream. Includes mixtures with cyclohexanol and substituted cyclohexanols. In the most preferred embodiment, the hydrogen donor molecules are cyclohexanol and substituted cyclohexanol derived from the converted lignin feed stream and separated therefrom during the early process. In one embodiment, the hydrogen donor molecule is further present with water.

水素供与体分子またはその混合物の要求量は、水素供与体分子のモル数と、フェノール油のモル数とのモル比により決定することができ、フェノール油に、150g/molの平均分子量を割り当てる。水素供与体分子のモル数と、フェノール油のモル数とのモル比は、好ましくは、2.0:1.0から10.0:1.0の範囲内であるべきであり、3.0:1.0から9.0:1.0の範囲がより好ましく、4.0:1.0から8.0:1.0の範囲がいっそうより好ましく、5.0:1.0から7.0:1.0の範囲が最も好ましい。   The required amount of hydrogen donor molecule or mixture thereof can be determined by the molar ratio between the number of moles of hydrogen donor molecule and the number of moles of phenol oil, and an average molecular weight of 150 g / mol is assigned to the phenol oil. The molar ratio of moles of hydrogen donor molecule to moles of phenol oil should preferably be in the range of 2.0: 1.0 to 10.0: 1.0, 3.0 : 1.0 to 9.0: 1.0 is more preferable, and 4.0: 1.0 to 8.0: 1.0 is even more preferable, and 5.0: 1.0 to 7. A range of 0: 1.0 is most preferred.

ガスの役割は、芳香族化合物への変換に対する有害物として作用することが見出されている。したがって、Hガスの量は、反応に添加する場合、プロセスにおいて使用される水素原子[H]およびH分子の総量の25%未満に保持すべきであり、以下の式を表す。 The role of H 2 gas has been found to act as a detrimental substance for conversion to aromatic compounds. Therefore, the amount of H 2 gas, when added to the reaction, should be kept below 25% of the total amount of hydrogen atoms [H] and H 2 molecules used in the process and represents the following formula:

Figure 2016508177
Figure 2016508177

変換リグニン供給流および水素供与体分子は、金属触媒、好ましくは、ニッケル含有触媒に曝露する。ニッケル含有触媒の例は、本明細書に記載され、それには、不均一Raneyニッケル触媒ならびに不均一および均一酸化ニッケル触媒が含まれる。   The converted lignin feed stream and the hydrogen donor molecule are exposed to a metal catalyst, preferably a nickel-containing catalyst. Examples of nickel-containing catalysts are described herein and include heterogeneous Raney nickel catalysts as well as heterogeneous and homogeneous nickel oxide catalysts.

水素供与体分子のmmolと、触媒金属のmmolとの比は、1.0:1.0から5.0:1.0の範囲内であることが好ましく、1.2:1.0から4.0:1.0の範囲がより好ましく、1.5:1.0から3.0:1.0の範囲が最も好ましい。触媒中の金属のmmolのみを使用して触媒のmmolを算出する。   The ratio of mmol of hydrogen donor molecule to mmol of catalyst metal is preferably in the range of 1.0: 1.0 to 5.0: 1.0, and 1.2: 1.0 to 4 A range of 0.0: 1.0 is more preferred, and a range of 1.5: 1.0 to 3.0: 1.0 is most preferred. Only the mmol of metal in the catalyst is used to calculate the mmol of the catalyst.

材料を、190℃から350℃の範囲内の反応温度において互いに曝露し、200℃から310℃がより好ましく、210℃から300℃がいっそうより好ましく、210℃から280℃が最も好ましい。反応時間は、重量基準の触媒の量、反応温度および水素供与体分子(Hガスでない)のモル数に依存する。一般に、これは、15分から6時間の範囲内であるが、10分から15時間の時間が想定される。 The materials are exposed to each other at reaction temperatures within the range of 190 ° C to 350 ° C, more preferably 200 ° C to 310 ° C, even more preferably 210 ° C to 300 ° C, most preferably 210 ° C to 280 ° C. The reaction time depends on the amount of catalyst by weight, the reaction temperature and the number of moles of hydrogen donor molecules (not H 2 gas). Generally, this is in the range of 15 minutes to 6 hours, but a time of 10 minutes to 15 hours is envisaged.

実験部において発見され、実証されたことは、反応温度が苛酷である場合(>190℃または>200℃)、芳香族反応生成物の量は、予想外に、5%未満の反応性生物から、20%を超える反応生成物にシフトすることであり、30%を超える反応生成物がより好ましく、40%を超える反応生成物がいっそうより好ましく、過半数の反応生成物(50%を超える反応生成物)が最も好ましい。   What has been discovered and demonstrated in the experimental part is that, when the reaction temperature is severe (> 190 ° C. or> 200 ° C.), the amount of aromatic reaction product is unexpectedly less than 5% from reactive organisms. , More than 30% reaction product, more preferably more than 40% reaction product, even more than 50% reaction product (more than 50% reaction product) Are most preferred.

本プロセスは、回分および連続方式の両方で実行することができる。連続方式において、反応を生じさせながら生成物を反応容器から取り出す。示される場合、例を連続撹拌加熱反応器CSTR上で生成したが、反応を生じさせながら生成物を反応容器から取り出し得る任意の反応器を、連続プロセスに使用することができる。   The process can be performed in both batch and continuous mode. In a continuous mode, the product is removed from the reaction vessel while causing the reaction. Where indicated, the examples were generated on a continuously stirred and heated reactor CSTR, but any reactor capable of removing the product from the reaction vessel while producing the reaction can be used for the continuous process.

リグニンは処理困難な炭水化物を伴うことが多いため、最初に原料を炭水化物変換ステップにより処理することが好ましいことがある。発酵は、1つのそのような炭水化物変換ステップである。図1に具体化される別の炭水化物変換ステップは、炭水化物およびリグニンを含むスラリーリグニン原料を作出し、それを、米国特許出願公開第2011/312487号明細書、米国特許出願公開第2011/312488号明細書および米国特許出願公開第2011/0313212号明細書に記載の炭水化物変換反応器に、本明細書に記載のとおりスラリー原料を加圧し、それを第1の反応帯域中に供給することにより供給し、
a)リグニンスラリー原料を連続様式で第1の反応帯域中で水素、水、触媒と接触させ、少なくとも1つのポリオール、水素、水および少なくとも1つの副生物を含む流出液流を生成し(水素、水、およびセルロースを含む原料は、連続様式で流動しており、触媒は、
(i)Mo、W、V、Ni、Co、Fe、Ta、Nb、Ti、o、Zrおよびそれらの組合せ(金属は、元素状態であり、または金属は、カーバイド化合物、ニトライド化合物、もしくはホスファイド化合物である);
(ii)Pt、Pd、Ru、およびそれらの組合せ(金属は、元素状態である)ならびに
(iii)(i)および(ii)の任意の組合せ
からなる群から選択される本質的に少なくとも2つの活性金属成分からなる);
b)流出液流から水素を分離し、分離された水素の少なくとも一部を反応帯域に再循環させ;
c)流出液流から水を分離し、分離された水の少なくとも一部を反応帯域に再循環させ;
d)流出液流からポリオールを回収し、またはポリオールを複数の水素供与体分子とともに流す
ことである。
Since lignin is often accompanied by difficult-to-process carbohydrates, it may be preferable to first treat the raw material with a carbohydrate conversion step. Fermentation is one such carbohydrate conversion step. Another carbohydrate conversion step, embodied in FIG. 1, creates a slurry lignin feedstock containing carbohydrates and lignin, which can be used in U.S. Patent Application Publication No. 2011-31487, US Patent Application Publication No. 2011-31488. The carbohydrate conversion reactor described in the specification and US Patent Application Publication No. 2011/0313212 is fed by pressurizing the slurry feed as described herein and feeding it into the first reaction zone. And
a) contacting the lignin slurry feedstock with hydrogen, water, catalyst in the first reaction zone in a continuous manner to produce an effluent stream comprising at least one polyol, hydrogen, water and at least one byproduct (hydrogen, Water and the raw material containing cellulose are flowing in a continuous manner, and the catalyst is
(I) Mo, W, V, Ni, Co, Fe, Ta, Nb, Ti, o, Zr and combinations thereof (the metal is in an elemental state, or the metal is a carbide compound, a nitride compound, or a phosphide compound) );
(Ii) Pt, Pd, Ru, and combinations thereof (the metal is in the elemental state) and (iii) essentially at least two selected from the group consisting of any combination of (i) and (ii) Consisting of active metal components);
b) separating hydrogen from the effluent stream and recycling at least a portion of the separated hydrogen to the reaction zone;
c) separating water from the effluent stream and recycling at least a portion of the separated water to the reaction zone;
d) recovering the polyol from the effluent stream or flowing the polyol with a plurality of hydrogen donor molecules.

触媒選択および操作に応じて、これはポリオール、例えば、エチレングリコールおよびプロピレングリコールの混合物を生成し、それを複数の水素供与体分子として一緒に使用することができる。   Depending on the catalyst selection and operation, this produces a mixture of polyols, such as ethylene glycol and propylene glycol, which can be used together as multiple hydrogen donor molecules.

水素供与体実験
以下の実験は、変換リグニン供給流を、リフォーメートと称される芳香族化合物として過半数の変換化合物を含む生成物に変換する水素供与体分子の能力を確立する。
Hydrogen Donor Experiment The following experiment establishes the ability of a hydrogen donor molecule to convert a converted lignin feed stream to a product containing a majority of the conversion compound as an aromatic compound called reformate.

Figure 2016508177
Figure 2016508177

フェノール油のmmolは、以下のとおり算出する:フェノール油の量は、全てのフェノール類からなる(典型的には、5つの異なるタイプのフェノール単位が存在するが、類似の骨格アルキルフェノール単位を有する)。フェノール油は、粗製混合物中のフェノール油のmmolの量を算出する場合に繰り返し単位として使用される150.0g/molの割り当てられた平均分子量を有するため、5.0gのフェノール油は、33.3mmolのフェノール類を有する。 The mmol of phenol oil is calculated as follows : The amount of phenol oil consists of all phenols (typically there are 5 different types of phenol units but with similar skeletal alkylphenol units). . Since phenol oil has an assigned average molecular weight of 150.0 g / mol used as a repeat unit when calculating the amount of mmol of phenol oil in the crude mixture, 5.0 g of phenol oil is 33. Has 3 mmol of phenols.

以下のデータセットは、先行技術に対して高選択性の芳香族高含有流を生成する水素移動およびまたは水素供与体プロセスの能力を実験的に確立する。   The following data sets experimentally establish the ability of hydrogen transfer and / or hydrogen donor processes to produce highly aromatic streams with high selectivity over the prior art.

実験を3つの表に並べた。表7aは、上記のとおり導かれる供給流に対して操作される回分プロセスの総合的な特性決定である。回分プロセスにおける反応条件は、ニッケルとHOとの1:1の重量比を有する1.0gの湿潤Raney Ni2800につき2.0mmolのフェノール油を使用することであった。 The experiments are arranged in three tables. Table 7a is a comprehensive characterization of the batch process operated on the feed stream derived as described above. The reaction conditions in the batch process were to use 2.0 mmol phenol oil per 1.0 g wet Raney Ni 2800 with a 1: 1 weight ratio of nickel to H 2 O.

Figure 2016508177
Figure 2016508177

表7bは、供給物の総合的な特性決定および表7bに示される先行技術のより低い温である。先行技術による反応条件は、0.2gのモデルフェノール化合物供給物およびニッケルのグラム数とHOのグラム数との1:1の比を有する1.0gの湿潤Raney Ni2800であった。 Table 7b is the overall characterization of the feed and the lower temperatures of the prior art shown in Table 7b. The reaction conditions according to the prior art were 0.2 g model phenolic compound feed and 1.0 g wet Raney Ni 2800 with a 1: 1 ratio of grams of nickel to grams of H 2 O.

Figure 2016508177
Figure 2016508177

表8において、芳香族化合物の分布および高収率が実証される。例えば、エチレングリコールが水素供与体であった場合、反応の生成物の総量のうち、芳香族化合物は生成物の48.97%であった。特に、シクロヘキサノールが供与体である場合、ベンゼンが芳香族化合物の15%であった。   In Table 8, the distribution and high yield of aromatic compounds are demonstrated. For example, when ethylene glycol was the hydrogen donor, aromatics accounted for 48.97% of the product out of the total amount of product in the reaction. In particular, when cyclohexanol was the donor, benzene was 15% of the aromatic compound.

Figure 2016508177
Figure 2016508177

本プロセスを以下の条件下で連続反応に拡大させた。   The process was extended to a continuous reaction under the following conditions.

CSTR中でのH供与体溶媒によるフェノール油の変換
実験CSTR1
H供与体=イソプロパノール
総反応器容積=500ml
使用反応器容積=250ml
供給物組成=イソプロパノール中15重量%のフェノール油(14.0:1.0のmol比 H供与体とフェノール油、MW=148)
反応器温度=230℃
反応器圧力=68.95bar
窒素流量=50sccm
撹拌器速度=600rpm
供給物流量=20℃において1.10ml/分=230℃において2.10ml/分(20℃における密度=0.787g/ml、230℃における密度0.412g/ml)
平均滞留時間=119分
触媒量=85gの湿潤Grace 2800 Raney Ni
Phenol oil conversion experiment with H donor solvent in CSTR CSTR1
H donor = isopropanol total reactor volume = 500 ml
Reactor volume used = 250 ml
Feed composition = 15 wt% phenol oil in isopropanol (14.0: 1.0 molar ratio H donor to phenol oil, MW = 148)
Reactor temperature = 230 ° C.
Reactor pressure = 68.95 bar
Nitrogen flow rate = 50 sccm
Stirrer speed = 600 rpm
Feed flow rate = 1.10 ml / min at 20 ° C = 2.10 ml / min at 230 ° C (density at 20 ° C = 0.787 g / ml, density at 230 ° C 0.412 g / ml)
Average residence time = 119 minutes Catalyst amount = 85 g wet Grace 2800 Raney Ni

実験CSTR2
H供与体=イソプロパノール
総反応器容積=500ml
使用反応器容積=250ml
供給物組成=イソプロパノール中15重量%のフェノール油(14.0:1.0のmol比 H供与体とフェノール油、MW=148)
反応器温度=250℃
反応器圧力=89.63bar
窒素流量=50sccm
撹拌器速度=600rpm
供給物流量=20℃において0.76ml/分=250℃において2.10ml/分(20℃における密度=0.787g/ml、250℃における密度=0.284g/ml)
平均滞留時間=119分
触媒量=85gの湿潤Grace 2800 Raney Ni
Experiment CSTR2
H donor = isopropanol total reactor volume = 500 ml
Reactor volume used = 250 ml
Feed composition = 15 wt% phenol oil in isopropanol (14.0: 1.0 molar ratio H donor to phenol oil, MW = 148)
Reactor temperature = 250 ° C.
Reactor pressure = 89.63 bar
Nitrogen flow rate = 50 sccm
Stirrer speed = 600 rpm
Feed flow rate = 0.76 ml / min at 20 ° C = 2.10 ml / min at 250 ° C (density at 20 ° C = 0.787 g / ml, density at 250 ° C = 0.284 g / ml)
Average residence time = 119 minutes Catalyst amount = 85 g wet Grace 2800 Raney Ni

実験CSTR3
H供与体=シクロヘキサノール
総反応器容積=500ml
使用反応器容積=250ml
供給物組成=シクロヘキサノール中10重量%のフェノール油(13.3:1.0のmol比 H供与体とフェノール油、MW=148)
反応器温度=250℃
反応器圧力=68.95bar
窒素流量=100sccm
撹拌器速度=600rpm
供給物流量=20℃における2.00ml/分=250℃における2.66ml/分(20℃における密度=0.951g/ml、250℃における密度=0.715g/ml)
平均滞留時間=94分
触媒量=50gの湿潤Grace 2800 Raney Ni
Experiment CSTR3
H donor = cyclohexanol total reactor volume = 500 ml
Reactor volume used = 250 ml
Feed composition = 10 wt% phenol oil in cyclohexanol (13.3: 1.0 molar ratio H donor to phenol oil, MW = 148)
Reactor temperature = 250 ° C.
Reactor pressure = 68.95 bar
Nitrogen flow rate = 100 sccm
Stirrer speed = 600 rpm
Feed flow rate = 2.00 ml / min at 20 ° C. = 2.66 ml / min at 250 ° C. (density at 20 ° C. = 0.951 g / ml, density at 250 ° C. = 0.715 g / ml)
Average residence time = 94 minutes Catalyst amount = 50 g wet Grace 2800 Raney Ni

実験CSTR4
H供与体=シクロヘキサノール
総反応器容積=500ml
使用反応器容積=250ml
供給物組成=シクロヘキサノール中10重量%のフェノール油(13.3:1.0のmol比 H供与体とフェノール油、MW=148)
反応器温度=280℃
反応器圧力=68.95bar
窒素流量=100sccm
撹拌器速度=600rpm
供給物流量=20℃において1.80ml/分=280℃において2.54ml/分(20℃における密度=0.951g/ml、280℃における密度=0.673g/ml)
平均滞留時間=98分
触媒量=50gの湿潤Grace 2800 Raney Ni
Experiment CSTR4
H donor = cyclohexanol total reactor volume = 500 ml
Reactor volume used = 250 ml
Feed composition = 10 wt% phenol oil in cyclohexanol (13.3: 1.0 molar ratio H donor to phenol oil, MW = 148)
Reactor temperature = 280 ° C.
Reactor pressure = 68.95 bar
Nitrogen flow rate = 100 sccm
Stirrer speed = 600 rpm
Feed flow rate = 1.80 ml / min at 20 ° C. = 2.54 ml / min at 280 ° C. (density at 20 ° C. = 0.951 g / ml, density at 280 ° C. = 0.673 g / ml)
Average residence time = 98 minutes Catalyst amount = 50 g wet Grace 2800 Raney Ni

実験CSTR5
H供与体=4−メチルシクロヘキサノール
総反応器容積=500ml
使用反応器容積=250ml
供給物組成=4−メチルシクロヘキサノール中9重量%のフェノール油(13.1:1.0のmol比 H供与体とフェノール油、MW=148)
反応器温度=250℃
反応器圧力=68.95bar
窒素流量=400sccm
撹拌器速度=600rpm
供給物流量=20℃において1.90ml/分=250℃において2.50ml/分(20℃における密度=0.913g/ml、250℃における密度=0.693g/ml)
平均滞留時間=100分
触媒量=50gの湿潤Grace 2800 Raney Ni
Experiment CSTR5
H donor = 4-methylcyclohexanol total reactor volume = 500 ml
Reactor volume used = 250 ml
Feed composition = 9 wt% phenol oil in 4-methylcyclohexanol (13.1: 1.0 molar ratio H donor to phenol oil, MW = 148)
Reactor temperature = 250 ° C.
Reactor pressure = 68.95 bar
Nitrogen flow rate = 400 sccm
Stirrer speed = 600 rpm
Feed flow rate = 1.90 ml / min at 20 ° C = 2.50 ml / min at 250 ° C (density at 20 ° C = 0.913 g / ml, density at 250 ° C = 0.693 g / ml)
Average residence time = 100 minutes Catalyst amount = 50 g wet Grace 2800 Raney Ni

実験CSTR6
H供与体=4−メチルシクロヘキサノール
総反応器容積=500ml
使用反応器容積=250ml
供給物組成=4−メチルシクロヘキサノール中9重量%のフェノール油(13.1:1.0のmol比 H供与体とフェノール油、MW=148)
反応器温度=280℃
反応器圧力=68.95bar
窒素流量=100sccm
撹拌器速度=600rpm
供給物流量=20℃において1.70ml/分=280℃において2.37ml/分(20℃における密度=0.913g/ml、280℃における密度=0.654g/ml)
平均滞留時間=105分
触媒量=50gの湿潤Grace 2800 Raney Ni
Experiment CSTR6
H donor = 4-methylcyclohexanol total reactor volume = 500 ml
Reactor volume used = 250 ml
Feed composition = 9 wt% phenol oil in 4-methylcyclohexanol (13.1: 1.0 molar ratio H donor to phenol oil, MW = 148)
Reactor temperature = 280 ° C.
Reactor pressure = 68.95 bar
Nitrogen flow rate = 100 sccm
Stirrer speed = 600 rpm
Feed flow rate = 1.70 ml / min at 20 ° C = 2.37 ml / min at 280 ° C (density at 20 ° C = 0.913 g / ml, density at 280 ° C = 0.654 g / ml)
Average residence time = 105 minutes Catalyst amount = 50 g wet Grace 2800 Raney Ni

表9は、回分プロセスとCSTR反応プロセスとの間の差異を示す。   Table 9 shows the differences between the batch process and the CSTR reaction process.

Figure 2016508177
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高触媒比
以前の実験は低い触媒対原料比を用いて行われたが、発明者らは、過剰の触媒を反応器に添加した追加の実験を行った。発見されたことは、高い触媒対原料比を用いたとき、当該反応は低い触媒対原料比よりもより多くの芳香族化合物を生成することである。
High catalyst ratio While previous experiments were performed using a low catalyst to feed ratio, the inventors performed additional experiments where excess catalyst was added to the reactor. It has been discovered that when a high catalyst to feed ratio is used, the reaction produces more aromatic compounds than a low catalyst to feed ratio.

リグニンを芳香族化合物に変換するとき、触媒のモル対リグニンのモルの比は4:1よりも大きいことが好ましく、触媒のモル対リグニンのモルの比が5:1よりも大きいことがより好ましく、触媒のモル対リグニンのモルの比が6:1よりも大きいことがさらにより好ましい。好ましくは、触媒のモル数対リグニンのモル数の比は4:1から15:1の間の範囲であり、触媒のモル数対リグニンのモル数の比が4:1から12:1の間の範囲がより好ましく、触媒のモル数対リグニンのモル数の比が4:1から10:1の間の範囲がさらにより好ましく、触媒のモル数対リグニンのモル数の比が4:1から9:1の間の範囲がなおより好ましく、触媒のモル数対リグニンのモル数の比が5:1から9:1の間の範囲がなおより好ましい。   When converting lignin to an aromatic compound, the ratio of moles of catalyst to moles of lignin is preferably greater than 4: 1 and more preferably the ratio of moles of catalyst to moles of lignin is greater than 5: 1. Even more preferably, the ratio of moles of catalyst to moles of lignin is greater than 6: 1. Preferably, the ratio of moles of catalyst to moles of lignin ranges between 4: 1 and 15: 1 and the ratio of moles of catalyst to moles of lignin is between 4: 1 and 12: 1. And more preferably, the ratio of moles of catalyst to moles of lignin is between 4: 1 and 10: 1, and the ratio of moles of catalyst to moles of lignin is from 4: 1. A range between 9: 1 is even more preferred, and a ratio of moles of catalyst to moles of lignin between 5: 1 and 9: 1 is even more preferred.

触媒対リグニンの比はまた、総活性触媒表面積(m)を乗じた触媒のmmol対リグニンのmmolの比としても以下の式で表すことができる。
mmol(触媒)×総活性表面積(触媒)/mmol(リグニン)
The ratio of catalyst to lignin can also be expressed as the ratio of mmol of catalyst to mmol of lignin multiplied by the total active catalyst surface area (m 2 ):
mmol (catalyst) x total active surface area (catalyst) / mmol (lignin)

一旦、使用される触媒のmmolごとの総活性表面積がわかれば、容易に総活性触媒面積(m)を計算することは可能である。例えばRaneyニッケル触媒は、10.5m/mmol Niと13.1m/mmol Niの間の活性表面積を有することが知られている。ラニーニッケル触媒に活性表面積11.8m/mmolを指定すると、有効な活性触媒の総表面積が容易に計算できる。例えば、38.4mmolのラニーニッケル触媒が使用されたとき、有効な活性触媒の総表面積は、453mである。総活性触媒表面積を乗じた触媒のmmol対リグニンのmmolの比が4900:1から15000:1の間の範囲であることが好ましく、6500:1から14000:1の間の範囲であることがより好ましく、8000:1から13000:1の間の範囲であることが更により好ましい。 Once the total active surface area per mmol of catalyst used is known, it is possible to easily calculate the total active catalyst area (m 2 ). For example, Raney nickel catalysts are known to have an active surface area between 10.5 m 2 / mmol Ni and 13.1 m 2 / mmol Ni. By specifying an active surface area of 11.8 m 2 / mmol for the Raney nickel catalyst, the effective active catalyst total surface area can be easily calculated. For example, when 38.4 mmol of Raney nickel catalyst is used, the effective active catalyst has a total surface area of 453 m 2 . The ratio of mmol of catalyst to mmol of lignin multiplied by the total active catalyst surface area is preferably in the range between 4900: 1 and 15000: 1, more preferably in the range between 6500: 1 and 14000: 1. Even more preferred is a range between 8000: 1 and 13000: 1.

混合触媒の場合には、前記数式は全ての触媒のmmolの合計であり、表面積は触媒(複数も可)を含む固形粒子の表面積である。   In the case of a mixed catalyst, the formula is the sum of mmoles of all catalysts, and the surface area is the surface area of the solid particles containing the catalyst (s).

担体上の触媒の場合には、前記表面積は担体上の触媒を有する固形物の表面積である。   In the case of a catalyst on a support, the surface area is that of a solid with the catalyst on the support.

面積は単に触媒金属の面積ではないが、触媒(複数も可)を含む固形粒子の表面積である。   The area is not just the area of the catalytic metal, but the surface area of the solid particles containing the catalyst (s).

リグニンを直接芳香族類に変換することにより、プロセスは脱酸素プロセスが考慮される。好ましくは、脱酸素プロセスは、脱酸素時間の間、脱酸素温度及び脱酸素圧力で起こる。   By converting lignin directly to aromatics, the process is considered a deoxygenation process. Preferably, the deoxygenation process occurs at deoxygenation temperature and deoxygenation pressure during the deoxygenation time.

好ましくは、脱酸素温度は205℃から325℃の間の範囲内であり、215℃から300℃の範囲内の脱酸素温度がより好ましく、225℃から280℃の間の範囲内の脱酸素温度がなおより好ましい。   Preferably, the deoxygenation temperature is in the range between 205 ° C and 325 ° C, more preferred is a deoxygenation temperature in the range of 215 ° C to 300 ° C, and a deoxygenation temperature in the range of between 225 ° C and 280 ° C. Is even more preferred.

好ましくは、脱酸素圧力は60barから100barの間の範囲内であり、70barから100barの間の範囲内である脱酸素圧力がより好ましく、75barから95barの間の範囲内である脱酸素圧力が最も好ましい。   Preferably, the deoxygenation pressure is in the range between 60 bar and 100 bar, more preferably the deoxygenation pressure is in the range between 70 bar and 100 bar, and the deoxygenation pressure in the range between 75 bar and 95 bar is most preferred. preferable.

本発明者らは、原料を芳香族化合物に変換する高い触媒対原料比の能力を評価するため、実験を行った。これらの実験の結果は以下の表10に要約される。それぞれの実験はParr4575反応器を用いて行われた。各実験で、5グラムの湿潤リグニンが脱イオン水と共に組み合わされ、各種量のJohnson Matthey A−5000スポンジニッケル触媒と一緒に装入された。反応器は水素ガスで、25℃で2.5から6barの間の圧力に加圧された。反応器を反応温度に加熱して、反応時間の間撹拌した。最終操作圧力は75barから95barの間で変化した。反応が完了したとき、反応器を冷却して、反応生成物を濾過して、GC/MSを用いて分析した。   The inventors conducted experiments to evaluate the ability of the high catalyst to raw material ratio to convert the raw material to an aromatic compound. The results of these experiments are summarized in Table 10 below. Each experiment was performed using a Parr 4575 reactor. In each experiment, 5 grams of wet lignin was combined with deionized water and charged with various amounts of Johnson Matthey A-5000 sponge nickel catalyst. The reactor was pressurized with hydrogen gas at 25 ° C. to a pressure between 2.5 and 6 bar. The reactor was heated to the reaction temperature and stirred for the reaction time. The final operating pressure varied between 75 bar and 95 bar. When the reaction was complete, the reactor was cooled and the reaction product was filtered and analyzed using GC / MS.

Figure 2016508177
Figure 2016508177

本明細書及び請求項では、触媒のモル数は触媒における活性ニッケルのモル数として計算される。Johnson Matthey A−5000スポンジニッケル触媒はおよそ50%の水と50%の金属を含み、金属のおよそ90%は反応性ニッケルで、一方、残りの10%は非反応性アルミニウムである。例として、触媒の0.6gには0.3gの金属を含み、ニッケルは0.27gであり、若しくは触媒の活性ニッケルは4.6mmolである。   In the present description and claims, the number of moles of catalyst is calculated as the number of moles of active nickel in the catalyst. The Johnson Matthey A-5000 sponge nickel catalyst contains approximately 50% water and 50% metal, approximately 90% of the metal is reactive nickel, while the remaining 10% is non-reactive aluminum. As an example, 0.6 g of catalyst contains 0.3 g of metal, nickel is 0.27 g, or the active nickel of the catalyst is 4.6 mmol.

本明細書及び請求項では、リグニンのモルは割り当てられた180g/mol(これは、繰り返し単位の仮定の分子量に基づく。)の分子量に基づいて計算される。例として、5gの湿潤リグニンは50%の水と50%のリグニンを含み、2.5gのリグニン若しくは13.9mmolのリグニンを生じる。   In the present description and claims, the moles of lignin are calculated based on the assigned molecular weight of 180 g / mol (which is based on the assumed molecular weight of the repeat unit). As an example, 5 g wet lignin contains 50% water and 50% lignin, yielding 2.5 g lignin or 13.9 mmol lignin.

これらの実験の結果は、リグニンの量に対するより高い触媒比が反応に装填されたとき、該反応は、より低い触媒対リグニン比で認められる芳香族生成物よりもより高い濃度の芳香族生成物を生じることを示す。触媒対リグニンの比と生成される芳香族類の量との間の関係は、生成される芳香族の量と直線性のようであり、およそ触媒対リグニンの比が7.2:1で、最大でおよそ80%である。これらの実験で使用された触媒が、割り当てられた表面積11.8m/mmolを有するRaneyニッケルであることを考慮すると、これは、総活性触媒表面積(m)を乗じた触媒のモル数とリグニンのモル数の比、12732:1に相当する。例えば、比較例1(実験番号CE1)0.6グラムの触媒が5グラムの湿潤リグニンに対して使用された。該反応生成物は、3.5%のみの芳香族生成物を示した。対照として、高量触媒3(実験番号HC3)において、16gの触媒が5gの湿潤リグニンに対して使用された。その反応生成物は79.42%の芳香族生成物を示した。 The results of these experiments show that when a higher catalyst ratio relative to the amount of lignin is loaded into the reaction, the reaction will have a higher concentration of aromatic product than the aromatic product found at the lower catalyst to lignin ratio. To produce. The relationship between the ratio of catalyst to lignin and the amount of aromatics produced appears to be linear with the amount of aromatics produced, with a catalyst to lignin ratio of about 7.2: 1. The maximum is approximately 80%. Considering that the catalyst used in these experiments is Raney nickel with an assigned surface area of 11.8 m 2 / mmol, this is the number of moles of catalyst multiplied by the total active catalyst surface area (m 2 ). It corresponds to the ratio of moles of lignin, 12732: 1 For example, Comparative Example 1 (Experiment No. CE1) 0.6 grams of catalyst was used for 5 grams of wet lignin. The reaction product showed only 3.5% aromatic product. As a control, in high amount catalyst 3 (experiment number HC3), 16 g catalyst was used for 5 g wet lignin. The reaction product showed 79.42% aromatic product.

本明細書において考察されるとおり、上記プロセスに先行してリグノセルロース系バイオマスを供給する炭水化物変換プロセスを行うことができる。   As discussed herein, a carbohydrate conversion process can be performed that provides lignocellulosic biomass prior to the above process.

上記プロセスは、市販のリグノセルロース系エタノール植物からの原料を使用し得るが、同時に他のプロセスからのリグニン含有原料を使用することができるほど適応性を有する。大多数の炭水化物分画がエタノールに生物学的に変換された後、目下の原料は、天然存在のリグノセルロース系バイオマスに由来する。原料の硫黄含有率はほぼ0であり、結果的に、(化石原料と対照的に)ジェット燃料を得るために脱硫は要求されない。   The above process can use raw materials from commercially available lignocellulosic ethanol plants, but is flexible enough to use lignin-containing raw materials from other processes at the same time. After the majority of the carbohydrate fraction has been biologically converted to ethanol, the current feed comes from naturally occurring lignocellulosic biomass. The sulfur content of the feed is nearly zero, and consequently desulfurization is not required to obtain jet fuel (in contrast to fossil feed).

ほとんどの第二世代バイオ燃料プロセスにおいて、リグニン副生物は、蒸留後に回収し、水蒸気および電力を生成するためのボイラ用燃料として使用する。これは、必ずしもそれらのリグニン高含有残留物(LRR)の最良の使用ではない。   In most second generation biofuel processes, lignin by-products are recovered after distillation and used as boiler fuel to produce steam and electricity. This is not necessarily the best use of those lignin-rich residues (LRR).

想定されるプロセスは、生物精製所がリグノセルロース系バイオマスの炭水化物分画からエタノール(またはいくらかの他の生成物)を生成する一方、他のものをリグニン変換に利用しない場合、少なくとも上記プロセスを使用して生成される燃料および化学物質のための原料としてLRRを利用するものである。   The envisaged process uses at least the above process if the biorefinery produces ethanol (or some other product) from the carbohydrate fraction of lignocellulosic biomass while others do not utilize it for lignin conversion LRR is used as a raw material for fuels and chemicals produced in this way.

例えば、水素供与体溶媒プロセス中で使用されるエチレングリコールは、当該技術分野において記載のとおり炭水化物のエチレングリコールへの変換に由来する。他のアルコールも周知である。炭水化物変換は、触媒的または酵素的であり得る。リグニン変換プロセスは純水素供与体を使用しないため、炭水化物変換生成物、例えば、エチレングリコールを精製することは必要でない。   For example, the ethylene glycol used in the hydrogen donor solvent process is derived from the conversion of carbohydrates to ethylene glycol as described in the art. Other alcohols are also well known. Carbohydrate conversion can be catalytic or enzymatic. Since the lignin conversion process does not use a pure hydrogen donor, it is not necessary to purify carbohydrate conversion products, such as ethylene glycol.

複数の変換生成物は、好ましくは、二酸化炭素、メタン、エタン、フェノール類、ベンゼン、トルエン、およびキシレンからなる群から選択される少なくとも1つの生成物を含む。   The plurality of conversion products preferably comprises at least one product selected from the group consisting of carbon dioxide, methane, ethane, phenols, benzene, toluene, and xylene.

反応プロセスをCSTR(連続撹拌槽型反応器)としていかに操作することができるかは、図4から明らかであるはずである。   It should be clear from FIG. 4 how the reaction process can be operated as a CSTR (continuous stirred tank reactor).

浸漬管を使用する現場分離により教示される本発明は、固体が微細分散粒子として存在するほとんど全ての固液に適用可能である。本発明のこの態様は、リグニン変換プロセスに限定されない。   The present invention taught by in-situ separation using a dip tube is applicable to almost any solid-liquid where the solid is present as finely dispersed particles. This aspect of the invention is not limited to the lignin conversion process.

本プロセスの別の実施形態は、複数のリグニン変換生成物を、液体および固体から蒸気を分離する反応器を出た後に冷却し、背圧調節器(700)が固液分離器(600)後に位置されており、リグニン変換プロセスの圧力を目下制御することができることである。   Another embodiment of the process cools a plurality of lignin conversion products after exiting the reactor that separates the vapor from the liquid and solid, and the back pressure regulator (700) after the solid-liquid separator (600). It is possible to control the pressure of the lignin conversion process.

リグニン変換プロセスにより生成されるリグニン変換生成物の温度は、前処理の水蒸気、浸漬および発酵プロセスならびにリグニン変換プロセスに先行する炭水化物変換プロセスの温度よりも実質的に高い。本発明者らは、統合または同時配置操作において、リグニン変換生成物からの熱を前処理プロセスの浸漬、水蒸気前処理、加水分解、および/または発酵プロセスに移送することを明確に企図する。   The temperature of the lignin conversion product produced by the lignin conversion process is substantially higher than the temperature of the pretreatment steam, soaking and fermentation processes and the carbohydrate conversion process preceding the lignin conversion process. We specifically contemplate transferring heat from the lignin conversion product to the pretreatment process soaking, steam pretreatment, hydrolysis, and / or fermentation process in an integrated or co-located operation.

これらの液体リグニン変換生成物を得たら、次いでそれらを多数の異なる化学原料および中間体に、続いて変換することができる。1つの好ましい中間体は、エチレングリコール、テレフタル酸、およびイソフタル酸からなる群から選択される少なくとも1つのポリエステル中間体である。中間体を作製したら、中間体のポリエステルおよび後続の物品、例えば、清涼飲料ボトル、ビールボトル、および他の包装物品への変換は、今日公知の慣用の技術および今後発明され得る技術を使用して達成することができる。   Once these liquid lignin conversion products are obtained, they can then be subsequently converted to a number of different chemical raw materials and intermediates. One preferred intermediate is at least one polyester intermediate selected from the group consisting of ethylene glycol, terephthalic acid, and isophthalic acid. Once the intermediate is made, the conversion of the intermediate into polyester and subsequent articles, such as soft drink bottles, beer bottles, and other packaging articles, can be done using conventional techniques known today and techniques that can be invented in the future. Can be achieved.

リグニンは、処理困難な炭水化物を伴うことが多いため、原料を最初に炭水化物変換ステップにより処理して炭水化物変換生成物を得ることが好ましいことがある。好ましい実施形態において、炭水化物変換生成物は、アルコール、ポリオール、グルカン、グルコリグニン(gluco−lignin)およびセルロースからなる群から選択される。   Since lignin is often accompanied by carbohydrates that are difficult to process, it may be preferable to first treat the raw material through a carbohydrate conversion step to obtain a carbohydrate conversion product. In a preferred embodiment, the carbohydrate conversion product is selected from the group consisting of alcohol, polyol, glucan, gluco-lignin and cellulose.

発酵は、1つのそのような炭水化物変換ステップである。図1に具体化される別の炭水化物変換ステップは、炭水化物およびリグニンを含むスラリー原料を作出し、それを、米国特許出願公開第2011/312487号明細書および米国特許出願公開第2011/312488号明細書および米国特許出願公開第2011/0313212号明細書に記載の炭水化物変換反応器に、本明細書に記載のとおりスラリー原料を加圧し、それを第1の反応帯域中に供給することにより供給し、
a)リグニンスラリー原料を連続様式で第1の反応帯域中で水素、水、および触媒と接触させ、少なくとも1つのポリオール、水素、水および少なくとも1つの副生物を含む流出液流を生成し(水素、水、およびセルロースを含む原料は、連続様式で流動しており、第1の反応帯域中の触媒は、
(i)Mo、W、V、Ni、Co、Fe、Ta、Nb、Ti、o、Zrおよびそれらの組合せ(金属は、元素状態であり、または金属は、カーバイド化合物、ニトライド化合物、もしくはホスファイド化合物である);
(ii)Pt、Pd、Ru、およびそれらの組合せ(金属は、元素状態である)ならびに
(iii)(i)および(ii)の任意の組合せ
からなる群から選択される本質的に少なくとも2つの活性金属成分からなる);
b)流出液流から水素を分離し、分離された水素の少なくとも一部を反応帯域に再循環させ;
c)流出液流から水を分離し、分離された水の少なくとも一部を反応帯域に再循環させ;
d)流出液流からポリオールを回収する
ことである。
Fermentation is one such carbohydrate conversion step. Another carbohydrate conversion step, embodied in FIG. 1, creates a slurry feedstock containing carbohydrates and lignin, which is incorporated by reference in US 2011/31487 and US 2011/31488. And the carbohydrate conversion reactor described in US 2011/0313212 by pressurizing the slurry feed as described herein and feeding it into the first reaction zone. ,
a) contacting the lignin slurry feedstock in a continuous manner with hydrogen, water, and catalyst in a first reaction zone to produce an effluent stream comprising at least one polyol, hydrogen, water and at least one byproduct (hydrogen The feedstock, including water and cellulose, is flowing in a continuous manner, and the catalyst in the first reaction zone is
(I) Mo, W, V, Ni, Co, Fe, Ta, Nb, Ti, o, Zr and combinations thereof (the metal is in an elemental state, or the metal is a carbide compound, a nitride compound, or a phosphide compound) );
(Ii) Pt, Pd, Ru, and combinations thereof (the metal is in the elemental state) and (iii) essentially at least two selected from the group consisting of any combination of (i) and (ii) Consisting of active metal components);
b) separating hydrogen from the effluent stream and recycling at least a portion of the separated hydrogen to the reaction zone;
c) separating water from the effluent stream and recycling at least a portion of the separated water to the reaction zone;
d) recovering the polyol from the effluent stream.

流出液流から変換された炭水化物、例えば、ポリオールを回収してリグニンを含む二次原料流を作出した後、リグニンを含む二次原料流を、任意選択的に再び加圧し、リグニン変換反応器(500)中に供給してリグニンをフェノール類および複数のリグニン変換生成物の他の成分に変換する。   After recovering a carbohydrate converted from the effluent stream, such as a polyol, to create a secondary feed stream containing lignin, the secondary feed stream containing lignin is optionally re-pressurized and a lignin conversion reactor ( 500) to convert lignin into phenols and other components of the plurality of lignin conversion products.

好ましい実施形態において、ポリオール、例えば、エチレングリコールおよびプロピレングリコールを水素供与体として使用してリグニンをリグニン変換生成物に変換することができる。別の実施形態において、流出液流からの水素を水素源として使用してリグニンをリグニン変換生成物に変換することができる。また、流出液流からの水を、リグノセルロース系バイオマス原料を前処理するための処理水として再循環させ、または再使用することができる。   In a preferred embodiment, polyols such as ethylene glycol and propylene glycol can be used as hydrogen donors to convert lignin to lignin conversion products. In another embodiment, hydrogen from the effluent stream can be used as a hydrogen source to convert lignin to a lignin conversion product. Also, the water from the effluent stream can be recycled or reused as treated water for pretreating the lignocellulosic biomass feedstock.

根本的な操作を説明したため、一実施形態およびその変法を記載する図1を参照することができる。図1に示されるとおり、リグノセルロース系バイオマスの変換は、前処理されたリグノセルロース系バイオマス(20Aまたは20B)または未処理リグノセルロース系バイオマス(10Aまたは10B)のいずれかから開始し得る。A流を任意選択の炭水化物変換プロセス中に供給して炭水化物を有用な生成物に変換してからリグニンを変換する。選択された原料は、炭水化物変換反応器(100)に流(110)を介して流入する。追加の反応物質、例えば、水素を(120)中に添加する。リグノセルロース系バイオマスをスラリーとして添加し、触媒を使用する場合、連続プロセスを作出する記載の取扱原理が当てはまり、同様にこのプロセスの実施を縮小させる。変換後、炭水化物変換生成物を炭水化物変換反応器(100)から炭水化物変換生成物回収部(200)に流(210)を介して流す。2つのタイプの炭水化物変換生成物が存在し得、1つは、(220)を介して流出する気体である。この気体は、メタンであり得、それを公知の技術、例えば、水蒸気改質により水素に変換することができる。水素をリグニン変換反応器(500)中に流(520)を介して導入することにより、水素をより多くの炭水化物またはリグニンのいずれかを変換するために使用する。実施形態がエチレングリコールを生成する場合、そのエチレングリコールを流(230)を介してポリエステル製造施設に移送し、それはエチレングリコールをポリエステル樹脂に変換し、それを後に最終ポリエステル物品、例えば、プレフォームおよびポリエステルボトルに変換する。   Having described the fundamental operation, reference can be made to FIG. 1, which describes one embodiment and variations thereof. As shown in FIG. 1, the conversion of lignocellulosic biomass can begin with either pretreated lignocellulosic biomass (20A or 20B) or untreated lignocellulosic biomass (10A or 10B). Stream A is fed during an optional carbohydrate conversion process to convert carbohydrates to useful products before converting lignin. The selected feed enters the carbohydrate conversion reactor (100) via stream (110). Additional reactants, such as hydrogen, are added into (120). When lignocellulosic biomass is added as a slurry and a catalyst is used, the described handling principle of creating a continuous process applies, as well as reducing the implementation of this process. After the conversion, the carbohydrate conversion product is flowed from the carbohydrate conversion reactor (100) to the carbohydrate conversion product recovery unit (200) via the flow (210). There can be two types of carbohydrate conversion products, one is a gas that flows out via (220). This gas can be methane, which can be converted to hydrogen by known techniques such as steam reforming. Hydrogen is used to convert either more carbohydrates or lignin by introducing hydrogen through stream (520) into lignin conversion reactor (500). When an embodiment produces ethylene glycol, the ethylene glycol is transferred to a polyester manufacturing facility via stream (230), which converts the ethylene glycol into a polyester resin that is later converted into a final polyester article, such as a preform and Convert to a polyester bottle.

炭水化物変換プロセスからのリグニンは、リグニンスラリー作出ステップ(300)に流(310)を介して流入する。第1の炭水化物変換ステップを有さない実施形態を、それぞれ流(20B)および(10B)により示す。本発明者らにより企図されるとおり、これらは、直接供給することができ、スラリー作出ステップ(300)中に直接供給した場合、連続的に変換されることが証明された。補給水または他の溶媒を、流(320)を介して添加し、任意選択の真空を流(330)に通して適用する。   Lignin from the carbohydrate conversion process flows via stream (310) into the lignin slurry creation step (300). Embodiments without the first carbohydrate conversion step are indicated by streams (20B) and (10B), respectively. As contemplated by the inventors, they could be fed directly and proved to be continuously converted when fed directly during the slurry making step (300). Make-up water or other solvent is added via stream (320) and an optional vacuum is applied through stream (330).

(20B)または(10B)のいずれかのリグノセルロース系原料が既にスラリー形態である場合、ステップ(300)を省くことができ、流(10B)または(20B)を1つまたは複数のスラリーポンプ(400)中に流(410)を介して直接供給する。上記のポンプ輸送系は、スラリーの圧力を、リグニン変換反応器(500)の反応器変換圧力を超えるまで増加させる。スラリーをリグニン変換反応器の反応器変換圧力を超えるまで加圧した後、スラリーポンプは、リグニンを含むスラリーを出口弁(450)に通してリグニン変換反応器(500)に流(510)を介して排出する。リグニン変換反応器(500)は、リグニンスラリーおよび少なくとも第1の触媒を含有する。水素は、リグニン変換反応器(500)に流(520)を通る圧力において流入する。CSTRとして、リグニン変換生成物を浸漬管(610)に通し上方に流し、触媒は、リグニン変換反応器(500)中に再度沈降する。容器(600)は、固液分離器であり、気体副生物は流(710)を介して分離容器(600)を流出し、系全体の圧力を制御する背圧調節器(700)中を流れる。減圧後、気体を流(720)を通して流す。炭水化物をリグニン変換反応器中に導入した後、流(720)は、炭水化物の変換生成物のメタンを含有し、したがって、炭水化物変換プロセスをリグニン変換とともに現場で行った。メタンを例えば水蒸気改質を介して水素にさらに変換し、プロセスにおいて再使用し、したがって、プロセスを少なくとも部分的に水素について自給式とすることができる。   If the lignocellulosic feedstock of either (20B) or (10B) is already in slurry form, step (300) can be omitted and stream (10B) or (20B) can be sent to one or more slurry pumps ( 400) directly through stream (410). The pumping system described above increases the pressure of the slurry until it exceeds the reactor conversion pressure of the lignin conversion reactor (500). After pressurizing the slurry until the reactor conversion pressure of the lignin conversion reactor is exceeded, the slurry pump passes the slurry containing lignin through the outlet valve (450) through the stream (510) to the lignin conversion reactor (500). To discharge. The lignin conversion reactor (500) contains a lignin slurry and at least a first catalyst. Hydrogen enters the lignin conversion reactor (500) at a pressure through stream (520). As CSTR, the lignin conversion product is passed through the dip tube (610) and the catalyst settles again in the lignin conversion reactor (500). The vessel (600) is a solid-liquid separator, and gas by-products flow out of the separation vessel (600) via a flow (710) and flow in a back pressure regulator (700) that controls the pressure of the entire system. . After depressurization, gas is passed through stream (720). After the carbohydrate was introduced into the lignin conversion reactor, stream (720) contained the methane conversion product of the carbohydrate, and thus the carbohydrate conversion process was performed in situ with the lignin conversion. Methane can be further converted to hydrogen, for example via steam reforming, and reused in the process, thus making the process at least partially self-contained for hydrogen.

リグニン変換プロセスからの固体をステップ(600)において液体から分離し、その固体は流(620)中で流れ、液体はBTX変換ステップ(800)に流(810)を介して流れる。図3の流(650)は、リグニン変換プロセスからの水の分離を示す。水が液相で存在する一方、(720)中でいくらかの水蒸気も存在し得る。図1に示されるとおり、この実施形態において、水の少なくとも一部を再使用してリグニンを含むスラリーを作出または補完する。リグニン変換プロセスは最終的な水の生成装置であるため、いくらかの水を流(620)中でパージする。   The solid from the lignin conversion process is separated from the liquid in step (600), the solid flows in stream (620), and the liquid flows through stream (810) to BTX conversion step (800). The stream (650) in FIG. 3 shows the separation of water from the lignin conversion process. While water is present in the liquid phase, some water vapor may also be present in (720). As shown in FIG. 1, in this embodiment, at least a portion of the water is reused to create or supplement a slurry containing lignin. Since the lignin conversion process is the final water generator, some water is purged in the stream (620).

フェノール類のBTXへの変換は、周知の化学反応であり、いくつかの経路が利用可能である。リグニン変換プロセスは、主にフェノール類を生成するため、公知経路によるフェノール類の変換は、十分に当業者の技能の範囲内とみなされる。BTX(ベンゼン、トルエン、キシレン)が形成されたら、それを変換ステップに流してBTXをテレフタル酸に変換し、テレフタル酸をエチレングリコールと反応させ、ポリエステル樹脂および続いてポリエステル樹脂からの物品(900)を流(910)を介して作製することができる。これらの生成物をテレフタル酸に変換し、テレフタル酸をエチレングリコールと反応させてポリエステル樹脂および続いてポリエステル樹脂からの物品、例えば、フィルム、トレイ、プレフォーム、ボトルおよびジャーを作製することも、十分に当業者の技能の範囲内である。   The conversion of phenols to BTX is a well-known chemical reaction and several routes are available. Since the lignin conversion process mainly produces phenols, the conversion of phenols by known routes is considered well within the skill of those skilled in the art. Once BTX (benzene, toluene, xylene) is formed, it is passed through a conversion step to convert BTX to terephthalic acid, reacting terephthalic acid with ethylene glycol, a polyester resin and subsequently an article from the polyester resin (900) Can be made via the flow (910). It is also sufficient to convert these products to terephthalic acid and react terephthalic acid with ethylene glycol to make polyester resins and subsequently articles from polyester resins, such as films, trays, preforms, bottles and jars. Are within the skill of those skilled in the art.

統合プロセス実験
材料調製
実験は、出発原料としての麦藁から得られた組成物を使用した。
Integrated process experiment
The material preparation experiment used a composition obtained from wheat straw as a starting material.

原料を、155℃の温度における水中の浸漬処理に65分間供し、次いで190℃の温度において4分間水蒸気爆砕させた。   The raw material was subjected to an immersion treatment in water at a temperature of 155 ° C. for 65 minutes, and then steam exploded for 4 minutes at a temperature of 190 ° C.

水蒸気爆砕された材料および浸漬材料からの液体を一緒に混合し、酵素的加水分解、エタノールへの発酵および蒸留に供した。   The steam-exploded material and the liquid from the soaking material were mixed together and subjected to enzymatic hydrolysis, fermentation to ethanol and distillation.

使用される詳細なパラメータは、組成の含有率が保存される場合、実験に関連しないとみなされる。   The detailed parameters used are considered unrelated to the experiment if the content of the composition is preserved.

蒸留後の液体および固体の混合物を15barおよび80℃の温度においてプレスし、55%の乾物含有率を有し、乾物基準で以下の組成により特性決定される稠密で小型の固体を得た。   The liquid and solid mixture after distillation was pressed at 15 bar and a temperature of 80 ° C. to obtain a dense and compact solid having a dry matter content of 55% and characterized by the following composition on a dry matter basis.

Figure 2016508177
Figure 2016508177

リグニン高含有組成物を0℃よりも低い温度に供し、実験遂行まで冷凍保持した。   The lignin-rich composition was subjected to a temperature lower than 0 ° C. and kept frozen until the experiment was performed.

リグニン変換手順
特に異なる記載のない限り、以下の手順を、気泡塔を使用しない全ての実験に適用した。
Lignin Conversion Procedure Unless otherwise stated, the following procedure was applied to all experiments that did not use a bubble column.

冷凍リグニン高含有組成物を、20℃の温度に到達するまで自然解凍させた。   The composition containing high content of frozen lignin was naturally thawed until a temperature of 20 ° C. was reached.

脱イオン水をリグニン高含有組成物に添加してそれぞれの実験において設計されたスラリー中の最終リグニン高含有組成物濃度に到達させた。混合物をブレンダ(Waringブレンダ、モデルHGBSS6)中に挿入し、十分に断続的に(例えば、30秒間パルス化オン、30秒間オフ)10分間混合して均一なスラリーを得た。スラリーの均一性を肉眼により評価した。   Deionized water was added to the lignin-rich composition to reach the final lignin-rich composition concentration in the slurry designed in each experiment. The mixture was inserted into a blender (Waring blender, model HGBSS6) and mixed intermittently (eg, 30 seconds pulsed on, 30 seconds off) for 10 minutes to obtain a uniform slurry. The uniformity of the slurry was evaluated with the naked eye.

スラリーを混合槽中に挿入し、撹拌を継続した。混合槽は、リグニン変換反応器に連結されたフルポートボール弁を備えるChandler Quizix QXデュアルシリンジポンプに連結された底部排出ポートを有するステンレス鋼の皿底槽であった。ポンプ排出部を反応器に管により連結した。   The slurry was inserted into the mixing tank and stirring was continued. The mixing tank was a stainless steel dish bottom tank with a bottom discharge port connected to a Chandler Quizix QX dual syringe pump with a full port ball valve connected to a lignin conversion reactor. The pump discharge was connected to the reactor by a tube.

リグニン変換反応器は、二枚45°傾斜タービン翼と、冷却コイルと、別個のガスおよびスラリー供給ポートと、排出浸漬管とを備えるParr4575反応器であった。反応器に水(約220mL)および触媒(Johnson Matthey A−5000スポンジ触媒)をそれぞれの実験の実験条件に従って装入し、密封した。導入される触媒の重量を、触媒の重量と、1つの滞留時間でリグニン変換反応器に添加されるリグニン高含有組成物の乾物の重量との比として示す。20℃の温度において水素をリグニン変換反応器中に挿入して48.3barの圧力に到達させた。リグニン変換反応器を反応温度の90%に対応する温度に加熱し、水素の連続流をリグニン変換反応器中に出発させた。リグニン変換反応器を25℃において維持された生成物受け器に連結した。圧力は、リグニン変換反応器に連結された圧力変換器(Ashcroft Type62)により計測し、生成物受け器の下流に配置された背圧調節器(Dresser Mity Mite5000、モデル91)により制御した。温度を反応温度に増加させ、リグニンを含むスラリーの流れをリグニン変換反応器中に導入した。スラリー流量は、操作条件におけるそれぞれの実験における反応器中のリグニン供給物の滞留時間を得るために計算した。3つの滞留時間に対応する時間後、定常条件に到達したとみなし、固体および液体反応生成物を受け器中に1つの滞留時間に対応する時間、回収した。受け器を大気圧に圧抜きし、非気体反応生成物をメチルtert−ブチルエーテル有機溶媒により抽出し、濾過し、液相を分離漏斗により分離した。   The lignin conversion reactor was a Parr 4575 reactor with two 45 ° inclined turbine blades, cooling coils, separate gas and slurry feed ports, and a discharge dip tube. The reactor was charged with water (about 220 mL) and catalyst (Johnson Matthey A-5000 sponge catalyst) according to the experimental conditions of each experiment and sealed. The weight of catalyst introduced is shown as the ratio of the weight of catalyst to the weight of dry matter of the lignin-rich composition added to the lignin conversion reactor in one residence time. Hydrogen was inserted into the lignin conversion reactor at a temperature of 20 ° C. to reach a pressure of 48.3 bar. The lignin conversion reactor was heated to a temperature corresponding to 90% of the reaction temperature and a continuous flow of hydrogen was started into the lignin conversion reactor. The lignin conversion reactor was connected to a product receiver maintained at 25 ° C. The pressure was measured by a pressure transducer (Ashcroft Type 62) connected to the lignin conversion reactor and controlled by a back pressure regulator (Dressor Mite 5000, model 91) located downstream of the product receiver. The temperature was increased to the reaction temperature and a slurry stream containing lignin was introduced into the lignin conversion reactor. The slurry flow rate was calculated to obtain the residence time of the lignin feed in the reactor in each experiment at operating conditions. After a time corresponding to three residence times, steady-state conditions were considered reached and solid and liquid reaction products were collected in the receiver for a time corresponding to one residence time. The receiver was depressurized to atmospheric pressure, the non-gaseous reaction product was extracted with methyl tert-butyl ether organic solvent, filtered, and the liquid phase was separated by a separatory funnel.

この系を、操作停止せずに何回も連続的に最大2シフト(約16時間)操作した。   This system was operated continuously for a maximum of 2 shifts (about 16 hours) without stopping the operation.

実験を記載の手順に従って実施した。実験パラメータを表12に報告する。   Experiments were performed according to the described procedure. Experimental parameters are reported in Table 12.

Figure 2016508177
Figure 2016508177

実験は、以下の主生成物を生成した。   The experiment produced the following main products:

Figure 2016508177
Figure 2016508177

廃水処理の再循環
触媒的水素化のリグニン変換プロセスは、プロセスに流入するスティレージの水から汚染物質のほとんどを除去することも発見された。
Wastewater Treatment Recycling The lignin conversion process of catalytic hydrogenation has also been found to remove most of the contaminants from the stillage water entering the process.

このことは、リグニン変換プロセス前の発酵(炭水化物変換プロセス)からのスティレージのCODとしても公知の化学的酸素要求量を分析し、次いでリグニン変換プロセス後の水相からのCODを分析することにより容易に実証された。   This is facilitated by analyzing the chemical oxygen demand, also known as stillage COD from the fermentation prior to the lignin conversion process (carbohydrate conversion process), and then analyzing the COD from the aqueous phase after the lignin conversion process. Proven in

観察によれば、ガラス試料容器中の未処理スティレージは、暗褐色均一溶液として現れた。リグニン変換プロセスにおいて処理する前、液体分画は暗褐色から黒色であり、多量の可溶性汚染物質を示した。水をリグニン変換プロセスに通して流した後(リグノセルロース系バイオマス原料の一部として)、水を有機生成物から分離した。水はもはや暗色ではなく、琥珀色で淡金色であった。   According to observation, the untreated stillage in the glass sample container appeared as a dark brown homogeneous solution. Prior to processing in the lignin conversion process, the liquid fraction was dark brown to black and showed large amounts of soluble contaminants. After flowing water through the lignin conversion process (as part of the lignocellulosic biomass feedstock), the water was separated from the organic product. The water was no longer dark, but amber and pale gold.

CODについて計測した場合、未処理スティレージは、54,000mg/LのCODであった。リグニン変換プロセス中の処理後の水のCODは、17,000mg/Lであり、CODは69%低減した。   When measured for COD, the untreated stillage was a COD of 54,000 mg / L. The COD of the treated water during the lignin conversion process was 17,000 mg / L and the COD was reduced by 69%.

したがって、本プロセスの一実施形態は、好ましくは、リグニン変換プロセスのリグニン原料の水相のCOD濃度の50%未満のCOD濃度を有する水相を生成する。40%未満がより好ましく、32%未満が最も好ましい。   Thus, one embodiment of the process preferably produces an aqueous phase having a COD concentration of less than 50% of the COD concentration of the aqueous phase of the lignin feedstock of the lignin conversion process. Less than 40% is more preferred and less than 32% is most preferred.

水相は、浸漬水、水蒸気爆砕の水もしくは他の洗浄水もしくは発酵流として炭水化物変換ステップにおいて、さらなるCOD除去もしくはCOD濃度の低減を用いてまたは用いずに、再循環させ、もしくは再使用することができ;またはそれは、スラリー作出または補給水の一部としてリグニン変換ステップにおいて再使用し、もしくは再循環させることができる。   The aqueous phase may be recycled or reused in the carbohydrate conversion step as immersion water, steam explosion water or other wash water or fermentation stream with or without further COD removal or COD concentration reduction. Or it can be reused or recycled in the lignin conversion step as part of slurry production or makeup water.

水相のちょうど10%の再使用または再循環が、炭水化物変換プロセス、リグニン変換プロセス、または統合プロセスの操作の費用のかなりの部分である廃水処理について重要な意味を有する。   Reuse or recycling of just 10% of the aqueous phase has important implications for wastewater treatment, which is a significant part of the cost of operating a carbohydrate conversion process, lignin conversion process, or integration process.

リグニン変換プロセスにおいて処理する前にリグノセルロース系原料からの水を取り出し、視覚および分析評価した。   Prior to processing in the lignin conversion process, water from the lignocellulosic feed was removed for visual and analytical evaluation.

水のこの再使用を図3に示し、反応からの水の少なくとも一部をリグニン変換生成物から分離し、プロセスにおいて再使用する。流(650)として示される水を、流(320)におけるスラリーに、もしくは炭水化物変換の(120)における加水分解ステップの一部として使用し、または前処理の浸漬もしくは水蒸気爆砕ステップにおいて使用することができる。水を再使用しない場合、水を一般に、さらなる精製および環境中への再導入のために廃水処理に送る。   This reuse of water is illustrated in FIG. 3, where at least a portion of the water from the reaction is separated from the lignin conversion product and reused in the process. Water shown as stream (650) may be used in the slurry in stream (320), or as part of a hydrolysis step in (120) of carbohydrate conversion, or used in a pretreatment soaking or steam explosion step. it can. If water is not reused, it is generally sent to wastewater treatment for further purification and reintroduction into the environment.

分析計測
1.リグニン高含有組成物の組成
リグニン高含有組成物の組成を、以下の標準的手順に従って測定した。
Analytical measurement
1. Composition of lignin-rich composition The composition of the lignin-rich composition was measured according to the following standard procedure.

Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:4/25/2008
Technical Report NREL/TP−510−42618 2008年4月改訂
Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass
Laboratory Analytical Procedure (LAP) issue date: 4/25/2008
Technical Report NREL / TP-510-42618 Revised April 2008

Determination of Extractives in Biomass
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:7/17/2005
Technical Report NREL/TP−510−42619 2008年1月
Determination of Extractives in Biomass
Laboratory Analytical Procedure (LAP) Date: 7/17/2005
Technical Report NREL / TP-510-42619 January 2008

Preparation of Samples for Compositional Analysis
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:9/28/2005
Technical Report NREL/TP−510−42620 2008年1月
Preparation of Samples for Compositional Analysis
Laboratory Analytical Procedure (LAP) Date: 9/28/2005
Technical Report NREL / TP-510-42620 January 2008

Determination of Total Solids in Biomass and Total Dissolved Solids in Liquid Process Samples
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:3/31/2008
Technical Report NREL/TP−510−42621 March 2008年3月改訂
Determination of Total Solids in Biomass and Total Dissolved Solids in Liquid Process Samples
Laboratory Analytical Procedure (LAP) issue date: 3/31/2008
Technical Report NREL / TP-510-42621 March Revised March 2008

Determination of Ash in Biomass
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:7/17/2005
Technical Report NREL/TP−510−42622 2008年1月
Determination of Ash in Biomass
Laboratory Analytical Procedure (LAP) Date: 7/17/2005
Technical Report NREL / TP-510-42622 January 2008

Determination of Sugars,By Products,and Degradation Products in Liquid Fraction Process Samples
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:12/08/2006
Technical Report NREL/TP−510−42623 2008年1月
Determination of Sugars, By Products, and Degradation Products in Liquid Fraction Process Samples
Laboratory Analytical Procedure (LAP) issue date: 12/08/2006
Technical Report NREL / TP-510-42623 January 2008

Determination of Insoluble Solids in Pretreated Biomass Material
Laboratory Analytical Procedure(LAP)発行日:03/21/2008
NREL/TP−510−42627 2008年3月
Determination of Insoluble Solids in Pre-prepared Biomass Material
Laboratory Analytical Procedure (LAP) Date: 03/21/2008
NREL / TP-510-42627 March 2008

2.液体生成物の組成
液体生成物の組成を、Agilent7890ガスクロマトグラムおよびAgilent5975C質量検出器により、以下の手順およびパラメータに従って測定した。
2. Liquid Product Composition The composition of the liquid product was measured with an Agilent 7890 gas chromatogram and Agilent 5975C mass detector according to the following procedure and parameters.

ガスクロマトグラム中のインジェクタパラメータ:
注入容量:2ul
パルス化分割注入
注入パルス化圧力:50psi、0.5分間
温度:220℃
圧力:20.386psi
セプタムパージ:3ml/分
スプリット比:10:1
スプリット流 13ml/分
Injector parameters in the gas chromatogram:
Injection volume: 2ul
Pulsed split injection Injection pulsed pressure: 50 psi, 0.5 min temperature: 220 ° C
Pressure: 20.386 psi
Septum purge: 3 ml / min Split ratio: 10: 1
Split flow 13ml / min

分析カラム:
カラム:Restek RXI−5Sil MS、30メートル、内径0.25mm、膜厚0.5um
流(He):1.3ml/分
Analytical column:
Column: Restek RXI-5Sil MS, 30 meters, inner diameter 0.25 mm, film thickness 0.5 um
Flow (He): 1.3 ml / min

MSD移送管路:(質量検出器)
温度プロファイル:実行全体について280℃
カラム移送管路:HP−101メチルシロキサン−101メチルシロキサン:12m×200um×0.25um
MSD transfer pipeline: (mass detector)
Temperature profile: 280 ° C for the entire run
Column transfer line: HP-101 methylsiloxane-101 methylsiloxane: 12 m × 200 μm × 0.25 μm

オーブンパラメータ:(カラムに連結)
40℃、1分間
220℃まで12℃/分、0分間
300℃まで30℃/分、17分間
Oven parameters: (connected to column)
40 ° C, 1 minute to 220 ° C, 12 ° C / minute, 0 minute to 300 ° C, 30 ° C / minute, 17 minutes

検出器パラメータ:
温度:310℃
流:45ml/分
空気流:450ml/分
補給流:26.730ml/分
Detector parameters:
Temperature: 310 ° C
H 2 flow: 45 ml / min Air flow: 450 ml / min Supply flow: 26.730 ml / min

MS取得パラメータ:
EM電圧:1871
低質量:10
高質量:350.00
閾値:25
試料数:3
MSソース:230℃
MS四重極:150℃
生成物および液体生成物の重量に対する関連含有率は、NIST2008ピーク同定ソフトウェアにより同定した。全スペクトル面積の1%よりも大きい面積に対応する生成物のみを報告する。
MS acquisition parameters:
EM voltage: 1871
Low mass: 10
High mass: 350.00
Threshold value: 25
Number of samples: 3
MS source: 230 ° C
MS quadrupole: 150 ° C
The relevant content relative to the weight of the product and liquid product was identified by NIST2008 peak identification software. Only products corresponding to areas greater than 1% of the total spectral area are reported.

3.固体生成物の組成
濾過固体を乾燥させ、次いで灰化させた。燃焼部分を未反応リグニンとみなした。灰分部分をニッケル触媒とみなした。
3. Solid product composition The filtered solid was dried and then incinerated. The burning part was regarded as unreacted lignin. The ash portion was considered a nickel catalyst.

4.気体生成物の組成
非凝縮気体をガスクロマトグラフィーにより同定した。
4). The composition of the gaseous product was identified by gas chromatography.

Claims (16)

変換リグニンバイオマス供給流の変換リグニン流への変換のための方法であって、前記方法は、
A)反応容器中でリグニン及び少なくとも第1の溶媒を第1の触媒と組み合わせることであって、第1の触媒のモル数対リグニンのモル数の比が4:1から15:1の間の範囲である、工程
B)脱酸素の時間の間、脱酸素温度及び脱酸素圧力で、前記リグニンバイオマス供給流から脱酸素して変換リグニン流にする工程を含む、
前記方法。
A method for conversion of a converted lignin biomass feed stream into a converted lignin stream, the method comprising:
A) combining lignin and at least a first solvent with a first catalyst in a reaction vessel, wherein the ratio of moles of first catalyst to moles of lignin is between 4: 1 and 15: 1. Step B) comprising deoxygenating the lignin biomass feed stream to a converted lignin stream at a deoxygenation temperature and a deoxygenation pressure during the time of deoxygenation.
Said method.
第1の触媒のモル数対リグニンのモル数の比が4:1から12:1の間の範囲である、請求項1に記載の方法。   The process of claim 1 wherein the ratio of moles of first catalyst to moles of lignin ranges between 4: 1 and 12: 1. 第1の触媒のモル数対リグニンのモル数の比が4:1から10:1の間の範囲である、請求項1に記載の方法。   The process of claim 1 wherein the ratio of moles of first catalyst to moles of lignin ranges between 4: 1 and 10: 1. 第1の触媒のモル数対リグニンのモル数の比が4:1から9:1の間の範囲である、請求項1に記載の方法。   The process of claim 1, wherein the ratio of moles of first catalyst to moles of lignin ranges between 4: 1 and 9: 1. 第1の触媒のモル数対リグニンのモル数の比が5:1から9:1の間の範囲である、請求項1に記載の方法。   The process of claim 1 wherein the ratio of moles of first catalyst to moles of lignin ranges between 5: 1 and 9: 1. 前記脱酸素温度が、205℃から325℃の間の範囲である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the deoxygenation temperature is in a range between 205C and 325C. 前記脱酸素温度が、215℃から300℃の間の範囲である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the deoxygenation temperature is in a range between 215 ° C and 300 ° C. 前記脱酸素温度が、225℃から280℃の間の範囲である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the deoxygenation temperature is in a range between 225 ° C and 280 ° C. 前記第1の触媒が金属触媒を含み、該金属はニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、モリブデン、コバルト及び鉄から成る群から選択される、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。   9. The first catalyst according to any one of claims 1 to 8, wherein the first catalyst comprises a metal catalyst, the metal being selected from the group consisting of nickel, palladium, platinum, ruthenium, rhodium, molybdenum, cobalt and iron. Method. 前記脱酸素圧力が60barから100barの間の範囲内である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。   10. A method according to any one of the preceding claims, wherein the deoxygenation pressure is in the range between 60 bar and 100 bar. 前記脱酸素圧力が70barから100barの間の範囲内である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。   10. A method according to any one of the preceding claims, wherein the deoxygenation pressure is in the range between 70 and 100 bar. 前記脱酸素圧力が75barから95barの間の範囲内である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。   10. A method according to any one of the preceding claims, wherein the deoxygenation pressure is in the range between 75 bar and 95 bar. 前記脱酸素時間が5分間から2時間の間の範囲内である、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。   13. A method according to any one of the preceding claims, wherein the deoxygenation time is in the range between 5 minutes and 2 hours. 前記脱酸素時間が10分間から1.5時間の間の範囲内である、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。   13. A method according to any one of the preceding claims, wherein the deoxygenation time is in the range between 10 minutes and 1.5 hours. 脱酸素時間が15分間から1時間の間の範囲内である、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。   13. A method according to any one of the preceding claims, wherein the deoxygenation time is in the range between 15 minutes and 1 hour. 前記反応容器が沸騰床反応器である、請求項1〜15のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 15, wherein the reaction vessel is an ebullated bed reactor.
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