本发明专利技术涉及一种处理生物质的方法，其包括：在水性溶剂体系中经超声波作用消化生物质材料，以及将该生物质分离为其木质素组分、半纤维素组分和纤维素组分。本发明专利技术还涉及一种用于处理生物质的系统，其包括：在水性溶剂体系中经超声波作用消化生物质材料，以及将该生物质分离为其木质素组分、半纤维素组分和纤维素组分。本发明专利技术还涉及一种或多种由木质素制得的精细化工产品、水解半纤维素的方法、用于处理生物质的移动式反应器以及用于处理生物质的装置。本发明专利技术提供了用于将生物质材料分离为其纤维素组分、半纤维素组分和木质素组分的清洁且能量有效的低温方法。
Methods, systems and devices for the treatment of biomass and methods of hydrolyzing hemicellulose
The invention relates to a method for treating biomass, which comprises: in an aqueous solvent system, the biomass material is digested by ultrasound, and the biomass is separated into its lignin component, hemicelluloses component and cellulose component. The invention also relates to a system for treating biomass, which includes: digesting biomass material through ultrasonic wave in an aqueous solvent system, and separating the biomass from its lignin component, hemicelluloses component and cellulose component. The invention also relates to one or more fine chemical products made from lignin, hydrolyzed hemicellulose, mobile reactor for biomass treatment and device for biomass treatment. The invention provides a clean and energy efficient cryogenic method for separating biomass materials into cellulose components, hemicelluloses and lignin components.
【技术实现步骤摘要】
处理生物质的方法、系统和装置以及水解半纤维素的方法
本专利技术涉及一种处理生物质材料的新方法。具体而言，本专利技术提供了将生物质材料分离为其主要组分的方法。
技术介绍
大多数植物生物质材料(例如木材)被称为木质纤维素材料，其包含三种主要组分，即纤维素、半纤维素和木质素。纤维素：是由β(1→4)连接的D-葡萄糖单元的直链构成的多糖，通常包含7,000至15,000个葡萄糖分子。半纤维素：是与纤维素有关、但是衍生自多种糖并且由较短的链(约200个糖单元)构成的多糖，所述的多种糖包括葡萄糖、木糖、甘露糖、半乳糖、鼠李糖和阿拉伯糖。木质素：是分子量高于10,000的交联大分子，其具有相对的疏水性和芳香性。木质素富含苯丙素(phenylpropanoid)，如p-香豆醇(p-coumarylalcohol)、松柏醇、以及芥子醇。认为木质素可取代石油化学品，成为基础化工品的理想来源。当然，希望从生物质材料中分离出木质素的任何方法都具有最小的环境污染因而所用的方法是“绿色”技术，并且希望所述的方法具有低能耗及产生很少的废弃物。已对各种方法进行了研究，例如，已有人采用各种在水中的无机化学品对木质素进行改性，以使其成为水溶性的。但是，该方法存在无机化学品的回收或销毁方面的问题。其他已知方法采用有机溶剂将木质素从木质纤维素材料中溶解出来。这些方法可能成本很高，并且由于要对有机溶剂进行回收或处理，因此这些方法并不理想。还有其他方法在水性环境下联合使用酸和醇。但是，存在过量的水可能对该方法是不利的，而使用高浓度的酸需要具有昂贵的回收系统。目前已进行了各种尝试，以提供适用于从木质纤维素材料中分离木质素的方法。过去(例如在20世纪30年代)，人们已描述了很多方法，这些方法包括采用各种含水有机溶剂处理木质纤维素材料。但是，这些方法由于难以将溶剂(如乙醇)从水中分离出来，因此总体上已证明这些方法效率不高和/或尚有不足之处。近来，美国专利No.3,932,207公开了一种方法，该方法在蒸煮前，用木质素增溶性反应物(lignin-solubilisingreactant)溶于有机溶剂后得到的溶液浸渍木质纤维素原材料碎片，所述有机溶剂的沸点大于蒸煮温度。之后将已浸渍的材料浸入一种液体中，该液体与所述溶液中的溶剂不能混溶。美国专利No.4,520,105公开了一种方法，该方法包括下述步骤：用水与低级醇或丙酮的混合物进行化学预处理，然后，将所得剩余物分离，之后在升高的温度下，用相似的溶剂混合物进行处理。但是该方法不能将水-醇混合物或水-丙酮混合物容易地分成两相。而且，从已溶解的糖中分离出木质素还需要进一步处理，如充分洗涤。美国专利No.4,594,130公开了一种在无氧、高温条件下用醇和水的中性或酸性混合液进行的蒸煮法，该混合液中含有镁盐、钙盐或钡盐作为催化剂。催化剂是为了有助于半纤维素存留在纤维素滤渣(cellulosiccake)中。欧洲专利申请86305606.5公开了一种用酯、有机木质素溶剂和水消化木质纤维素材料的方法。所述木质素溶剂可以是有机酸或醇，或它们的混合物，且其在所述的酯和水中均可混溶。虽然将料液冷却显然会产生一些相分离，但是仍需要进行离心。最近，美国专利No.5,730,837公开了在140℃下，采用在24％的水、44％的甲基异丁基甲酮和32％的乙醇中的硫酸分离生物质，木质素的产率以木材投料量计为18％。专利技术概述我们发现，使用声波处理(sonication)提供了用于将生物质材料分离为其纤维素组分、半纤维素组分和木质素组分的清洁且能量有效的低温方法。总体上，在我们开发的方法中，存在于生物质(如木材)中的木质素被提取至水相，半纤维素材料和已溶解的糖留在有机相，而纤维素以浆状留在生物质(如木材)的固体残余物中。因此，第一方面，本专利技术提供了一种处理生物质的方法，其包括：在水性溶剂体系中经超声波(如超声)作用消化生物质材料，以及将该生物质分离为其木质素组分、半纤维素组分和纤维素组分。根据本专利技术的一个方面，对不同酸度的由生物质(例如木材)、水、水混溶性溶剂以及非水混溶性溶剂形成的混合物进行消化，并分别、同时或依次地进行声波处理(例如超声)，从而使生物质分解为纤维素、半纤维素和木质素。任选地，在消化步骤之后，可进一步加入水，以有助于水相和有机相的分离。使用超声波处理特别有利于(特别是)生物质中半纤维素的水解。因此，通常情况下，生物质中的木质素被提取至有机相，半纤维素材料和已溶解的糖被提取至水相，纤维素则留在生物质残余物中。本专利技术的方法包括在酸性水性介质中将木质纤维素材料消化。虽然各种酸均可使用，但是就本专利技术的一个方面而言，酸的pH越高越好。本领域技术人员应当理解，可使用常规已知的酸，例如，无机酸如硫酸、磷酸或硝酸。在本专利技术的这一方面中，可优选硫酸。或者，在本专利技术的另一方面中，该酸可以优选是有机酸，如脂肪族羧酸、脂肪族二羧酸、氨基羧酸或氨基二羧酸。当本专利技术方法使用有机酸时，通常该酸的pKa可低于5，例如为2至5。使用二羧酸、特别是二羧基氨基酸(其分子内的羧酸部分可具有不同的pKa值)时，理想的是至少一个羧酸部分的pKa值应低于5。那么，例如，脂肪族羧酸或脂肪族二羧酸的分子中可含有1至6个碳原子，优选1至4个碳原子。有机羧酸的例子包括但不限于：醋酸和甲酸。认为这样的酸是弱酸。或者，所述酸可以是二羧酸。在另一可供替代的方案中，羧酸可为两性离子酸，例如氨基羧酸，如谷氨酸。本领域技术人员应当理解，酸的浓度可变，以及可使用上述酸的混合物。如上所述，使用超声波处理有利于生物质中半纤维素的水解。因此，在对生物质材料进行本文所述的其它处理之前，可使用超声波处理作为预处理。但是，我们惊奇地发现，超声波处理有利于半纤维素水解为单糖即戊醛糖，例如核糖、阿拉伯糖、木糖和来苏糖。本领域技术人员应当充分理解，这样的单糖就其本身而言或者就其用于产生发酵产物等而言都是有利的。因此，本专利技术另一方面提供了一种水解半纤维素的方法，其包括：在水性溶剂体系中经超声波(如超声)作用消化半纤维素材料，以及将所需的水解产物(如上述单糖)分离出来。应当理解，所述的半纤维素材料可以是半纤维素材料的混合物，并且可包含从生物质材料本体中分离出来的半纤维素，或者可包含生物质材料本身。如上文所述，本专利技术的必需要素是使用声波作用作为能量来源，例如使用超声。虽然作为能量来源的超声的范围可为2至10MHz，但是为了实现本专利技术的目的，所用的超声的频率一般在10至250kHz的范围内，或者是在20至100kHz的范围内。将处理的液体或浆液置于超声波探头(如果使用的话)或超声换能器(如环绕式超声换能器组件(wrap-aroundultrasonicenergytransducerassembly))(如果使用这种配置的话)的操作区(operatingvicinity)。WO00/35579中记载了这种装置的一个合适的例子，即工业中已知的ProsonitronTM。可以以连续或不连续的方式施加超声波能量，例如以脉冲方式施加超声波能量。可使用任何合适的超声波辐射源。超声波探头可以例如插入混合容器(例如连续超声流动池(continuousultrasonicflowcell))中，混合容器中可容纳有超声本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种处理生物质的方法，其包括：在水性溶剂体系中经超声波作用消化生物质材料，以及将该生物质分离为其木质素组分、半纤维素组分和纤维素组分。
【技术特征摘要】
2008.11.24 GB 0821419.91.一种处理生物质的方法，其包括：在水性溶剂体系中经超声波作用消化生物质材料，以及将该生物质分离为其木质素组分、半纤维素组分和纤维素组分。2.根据权利要求1所述的方法，其中，对由生物质、水、水混溶性溶剂和非水混溶性溶剂形成的混合物进行消化，并分别、同时或依次地进行声波处理。3.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述生物质中存在的木质素提取至有机相，将半纤维素材料和已溶解的糖提取至水相，以及将纤维素保留在该生物质的残余物中。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法在酸性介质中进行。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述酸为有机酸。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所用超声波的频率在10至250kHz的范围内。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括脱蜡步骤。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法在30至60℃的温度下进行。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括使用微波能。10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非水混溶性有机溶剂为酮。11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水混溶性溶剂为醇。12.根据权利要求1所述的方法制备得到的木质素、半纤维素和/或纤维素。13.一种...
【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂芬·布鲁克斯，
申请(专利权)人：保赛有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB
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