TWI400248B - Hydrolytic Cellulose Systems and Methods - Google Patents

Description

水解纖維素系統及方法

本發明係關於一種水解纖維素系統及方法。

石油和煤炭等不可再生資源日益枯竭，以及利用它們所帶來的環境污染問題使得人們對於生物質的利用愈來愈重視。木質纖維素是地球上分布最廣、產量最豐富的天然資源之一，木質纖維素經過水解可以得到低聚糖，如纖維四糖、纖維二糖與葡萄糖等產物，這些水解產物可進一步得到生質酒精、有機酸等重要工業產品、化學藥品與食品等。

常用的纖維素水解方法是以酸水解以及酵素水解。酸水解速率高且操作容易，但酸水解對反應設備腐蝕嚴重，且由於反應後須經中和處理及分離純化等步驟，因此會製造大量廢液，增加後處理成本以及造成對環境的嚴重衝擊。酵素進行纖維素水解不但可於常溫、常壓下進行，且具有高度專一性、不限於分子大小。但酵素作用活性與產物性質易受纖維素之組成、反應液ph值、溫度及液量或其他共存物質之影響，而且酵素價格昂貴，幾乎佔總成本30%以上，難以有大規模工業應用。

在常溫、常壓下，水因具氫鍵故有極高的介電常數。但當溫度升高時，氫鍵逐漸變弱，至臨界溫度以上時，氫鍵不再存在。所以，水也成為一不具極性的物質，因而可與碳氫化合物充分混合。除介電常數外，其他一些性質如密度、離子積等也與液相時的水大不相同。因超臨界水之獨特物化性質，超臨界水解法具有水解速率快、不產生發酵抑制物與不使用酸液等優點，相較於其他水解法動則需要數十小時以上之水解時間，超臨界水解法只需數秒至數分鐘之水解時間，不僅大大縮短製程時間，並具有解省能源與擴大產能之優勢。相較於其他水解方法，超臨界水水解纖維的速率相較其他方法快。

習知先前技術參考中華民國專利340124「廢料之分解方法」，該習知方法為具醚鍵、酯鍵、醯胺鍵、異氰酸酯鍵中任一種以上水解性鍵之對象化合物之化學工廠內廢棄物之分解方法，藉由令廢棄物於熔融狀態或液體狀態下連續供給至反應器，同時超臨界水或高壓高溫水連續供給至該反應器並令與該廢棄物接觸而使對象化合物分解，並以該對象化合物之原料化合物或其衍生物型式回收為其要旨。

習知先前技術參考美國專利6921820「Method for forming cellulose」，該先前技術利用超臨界或亞臨界水做為溶劑，目的是將I型纖維素分子間氫鍵打斷，使纖維素溶解於熱水中，再將溶液快速冷卻至室溫並將壓力降至常壓狀態，則可在溶液中找到低聚合度的II型纖維素。

習知先前技術參考日本專利2001-095594「Production of Glucose and Cellooligosaccharide」，該先前技術利用超臨界或亞臨界水將纖維素進行預處理，再於經過預處理後之溶液加入纖維素酶，經過反應即可得到葡萄糖與纖維寡糖。

綜合歸納以上習知先前技術，皆是以亞臨界水、超臨界水或高溫高壓水將纖維素或高分子聚合物分解，再運用其他製程方法將水解產物轉變為生質能源、特用化學品等具經濟價值之產品。而以上習知技術另一共同特徵是以高壓漿料輸送泵達到連續式製程之目的。適合輸送漿料之泵有蠕動泵、齒輪泵等，但其機械結構無法進行高壓輸送；而適合高壓輸送之柱塞泵、隔膜泵等只能進行低固形物含量(小於10%)之高壓輸送，而且容易有堵塞故障之問題，此重大缺陷對於製程穩定與量產成本效益是一大挑戰。

因此，有必要提供一種創新且具進步性的水解纖維素系統及方法，以解決上述問題。

本發明提供一種水解纖維素系統，包括：至少一漿料儲存槽、一高壓液體輸送泵、一水解反應槽及一固液分離槽。漿料儲存槽用以儲存纖維素漿料。該高壓液體輸送泵用以輸送高壓液體至該漿料儲存槽。該水解反應槽用以接收高壓液體及纖維素漿料，以進行水解，得到水解產物。該固液分離槽用以分離水解產物，以得到糖類溶液。

本發明另提供一種水解纖維素方法，包括以下步驟：(a)輸送高壓液體到至少一漿料儲存槽；(b)利用高壓液體輸送漿料儲存槽內之纖維素漿料；(c)水解纖維素漿料，以取得水解產物；及(d)分離水解產物，以得到糖類溶液。

本發明水解纖維素系統及方法利用高壓液體輸送纖維素漿料至水解反應槽，以進行水解。因此，可解決習知水解製程使用高壓槳料輸送泵而產生容易堵塞且穩定性不佳之問題。本發明之水解纖維素系統及方法可降低系統故障機率、簡化製程、提升製程穩定度及提高設備使用率，以創造最佳之經濟效益。

參考圖1，其顯示本發明第一實施例水解纖維素系統之示意圖。以下利用圖1說明本發明第一實施例水解纖維素系統及方法。本發明第一實施例水解纖維素系統10包括：至少一漿料儲存槽111、112、一高壓液體輸送泵12、一水解反應槽13及一固液分離槽14。漿料儲存槽111、112用以儲存纖維素漿料。

該高壓液體輸送泵12用以輸送高壓液體至該漿料儲存槽。在本實施例中，本發明之水解纖維素系統10包括複數個漿料儲存槽111、112，用以儲存纖維素漿料，該高壓液體輸送泵12輸送高壓液體至其中之一漿料儲存槽(以漿料儲存槽111說明)。利用控制閥之切換，可連續地輸送高壓液體至其中之一漿料儲存槽。其他未輸送高壓液體之漿料儲存槽(例如漿料儲存槽112)，可進行纖維素漿料之裝填作業。本發明之水解纖維素系統10之漿料儲存槽111、112均分別具有一槽蓋挾持裝置115、116，用以夾持槽蓋，使槽蓋能快速地開啟或關閉，以裝填纖維素漿料。

本發明之水解纖維素系統10另包括一預熱器15，用以加熱高壓液體。其中，加熱之溫度小於100℃。高壓液體輸送至漿料儲存槽111及系統中之其他裝置，可排除管路中之空氣，使系統穩定。高壓液體可夾帶輸送漿料儲存槽111內之纖維素漿料至該水解反應槽13。

該水解反應槽13用以接收高壓液體及纖維素漿料，以進行水解，得到水解產物。在本實施例中，在該水解反應槽13之反應溫度設定為200~400℃，系統壓力設定為100~400bar。

本發明之水解纖維素系統10另包括一冷卻器16，設置於該水解反應槽13及該固液分離槽14之間，用以冷卻水解產物，並可終止水解反應，防止過度水解。

該固液分離槽14用以分離水解產物，以得到糖類溶液(例如葡萄糖等)。水解產物包括糖類溶液及固體殘渣，利用該固液分離槽14分離固體殘渣及糖類溶液。

本發明之水解纖維素系統10另包括一過濾器17，連接至該固液分離槽14，用以過濾糖類溶液。本發明之水解纖維素系統10另包括一背壓閥18，連接至該過濾器17，用以調整水解過程之壓力。由於該背壓閥18較為精密，故利用該過濾器17再過濾糖類溶液，以避免小殘渣堵塞該背壓閥18。本發明之水解纖維素系統10另包括一收集槽19，連接至該背壓閥18，用以收集糖類溶液。

本發明第一實施例水解纖維素系統及方法以該高壓液體輸送泵12利用高壓液體輸送纖維素漿料至水解反應槽13，以進行水解，完全不需利用習知技術之高壓槳料輸送泵。因此，可解決習知水解製程使用高壓槳料輸送泵而產生容易堵塞且穩定性不佳之問題。本發明之水解纖維素系統及方法可降低系統故障機率、簡化製程、提升製程穩定度及提高設備使用率，以創造最佳之經濟效益。

參考圖2，其顯示本發明第二實施例水解纖維素系統之示意圖。以下利用圖2說明本發明第二實施例水解纖維素系統及方法。本發明第二實施例水解纖維素系統30包括：至少一漿料儲存槽311、312、一高壓液體輸送泵32、一水解反應槽33及一固液分離槽34。漿料儲存槽311、312用以儲存纖維素漿料。

本發明第二實施例水解纖維素系統30與本發明第一實施例水解纖維素系統10不同之處在於，本發明第二實施例水解纖維素系統30另包括一常壓漿料供應槽41及一低壓漿料輸送泵42，該常壓漿料供應槽41用以儲存纖維素漿料，該低壓漿料輸送泵42用以將纖維素漿料輸送至漿料儲存槽311、312其中之一。

值得注意的是，本發明第二實施例水解纖維素系統30係在低壓或常壓狀態下，利用該低壓漿料輸送泵42用以將纖維素漿料輸送至漿料儲存槽311、312其中之一，並非利用習知技術之高壓槳料輸送泵，因此不會有容易堵塞且穩定性不佳之問題。

並且，在本實施例中，本發明第二實施例之水解纖維素系統30包括複數個漿料儲存槽311、312，用以儲存纖維素漿料，該高壓液體輸送泵32輸送高壓液體至其中之一漿料儲存槽(以漿料儲存槽311說明)。利用控制閥之切換，可連續地輸送高壓液體至其中之一漿料儲存槽。其他未輸送高壓液體之漿料儲存槽(例如漿料儲存槽312)，可如上述利用該低壓漿料輸送泵42進行纖維素漿料之裝填作業。

本發明第二實施例水解纖維素系統30之水解反應槽33、固液分離槽34、預熱器35、冷卻器36、過濾器37、背壓閥38及收集槽39與本發明第一實施例水解纖維素系統10之水解反應槽13、固液分離槽14、預熱器15、冷卻器16、過濾器17、背壓閥18及收集槽19相同，在此不再敘述。

本發明第二實施例水解纖維素系統及方法亦完全不需利用習知技術之高壓槳料輸送泵。因此，可解決習知水解製程使用高壓槳料輸送泵而產生容易堵塞且穩定性不佳之問題。本發明之水解纖維素系統及方法可降低系統故障機率、簡化製程、提升製程穩定度及提高設備使用率，以創造最佳之經濟效益。

惟上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非限制本發明。因此，習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

10．．．本發明第一實施例水解纖維素系統

12．．．高壓液體輸送泵

13．．．水解反應槽

14．．．固液分離槽

15．．．預熱器

16．．．冷卻器

17．．．過濾器

18．．．背壓閥

19．．．收集槽

30．．．本發明第二實施例水解纖維素系統

32．．．高壓液體輸送泵

33．．．水解反應槽

34．．．固液分離槽

35．．．預熱器

36．．．冷卻器

37．．．過濾器

38．．．背壓閥

39．．．收集槽

41．．．常壓漿料供應槽

42．．．低壓漿料輸送泵

111、112．．．漿料儲存槽

115、116．．．槽蓋挾持裝置

311、312．．．漿料儲存槽

圖1顯示本發明第一實施例水解纖維素系統之示意圖；及

圖2顯示本發明第二實施例水解纖維素系統之示意圖。

10．．．本發明第一實施例水解纖維素系統

12．．．高壓液體輸送泵

13．．．水解反應槽

14．．．固液分離槽

15．．．預熱器

16．．．冷卻器

17．．．過濾器

18．．．背壓閥

19．．．收集槽

111、112．．．漿料儲存槽

115、116．．．槽蓋挾持裝置

Claims (16)

1. 一種水解纖維素系統，包括：至少一漿料儲存槽，用以儲存纖維素漿料；一高壓液體輸送泵，用以輸送高壓液體至該漿料儲存槽；一水解反應槽，用以接收高壓液體及纖維素漿料，以進行水解，得到水解產物；及一固液分離槽，用以分離水解產物，以得到糖類溶液。
2. 如請求項1之系統，另包括一預熱器，用以加熱高壓液體。
3. 如請求項1之系統，其中該漿料儲存槽具有一槽蓋挾持裝置，用以夾持槽蓋。
4. 如請求項1之系統，其中至少一漿料儲存槽包括複數個漿料儲存槽，高壓液體輸送至其中之一漿料儲存槽。
5. 如請求項4之系統，另包括一常壓漿料供應槽及一低壓漿料輸送泵，該常壓漿料供應槽用以儲存纖維素漿料，該低壓漿料輸送泵用以將該常壓漿料供應槽內之纖維素漿料輸送至其他漿料儲存槽。
6. 如請求項1之系統，另包括一冷卻器，設置於該水解反應槽及該固液分離槽之間，用以冷卻水解產物。
7. 如請求項1之系統，另包括一過濾器，連接至該固液分離槽，用以過濾糖類溶液。
8. 如請求項7之系統，另包括一背壓閥，連接至該過濾器，用以調整水解過程之壓力。
9. 如請求項8之系統，另包括一收集槽，連接至該背壓閥，用以收集糖類溶液。
10. 一種水解纖維素方法，包括以下步驟：(a)輸送高壓液體到至少一漿料儲存槽；(b)利用高壓液體輸送漿料儲存槽內之纖維素漿料；(c)水解纖維素漿料，以取得水解產物；及(d)分離水解產物，以得到糖類溶液。
11. 如請求項10之方法，其中在步驟(a)中，另包括一加熱步驟，用以加熱高壓液體。
12. 如請求項10之方法，其中在步驟(a)中，高壓液體輸送到複數個漿料儲存槽其中之一。
13. 如請求項12之方法，其中在步驟(a)中，另包括一纖維素漿料裝填步驟，利用一低壓漿料輸送泵將纖維素漿料輸送至其他漿料儲存槽。
14. 如請求項10之方法，其中在步驟(c)後，另包括一冷卻步驟，用以冷卻水解產物。
15. 如請求項10之方法，其中在步驟(c)中，另包括一壓力調整步驟，用以調整水解過程之壓力。
16. 如請求項10之方法，其中在步驟(d)後，另包括一過濾步驟，用以過濾糖類溶液。