本发明专利技术提供用于分级分离基于木质纤维素的生物质的方法和装置。所述方法包括：提供基于木质纤维素的生物质，通过加入能够溶解木质素的第一溶剂从所述生物质萃取木质素；通过将能够溶解半纤维素的第二溶剂加入到用第一溶剂处理过的生物质萃取木糖；和萃取残留在生物质中的纤维素。在该方法中，可进行连续工艺代替低效率的分批工艺，并且可以高产率获得生物质的组分。
【技术实现步骤摘要】
公开内容涉及用于分级分离基于木质纤维素的生物质的方法和装置。
技术介绍
随着对过度使用化石燃料所带来的资源枯竭和环境污染的全球越来越多的关注， 正在考虑用于稳定且连续地产生能量的新的且可再生的替代能源。在这种替代能源正在进 行的开发中，从生物质生产醇的技术受到强烈的关注。 地球上最富足且完全可再生的生物质是木质纤维素。木质纤维素是非生物可降解 的芳族聚合物如木质素与碳水化合物如纤维素和半纤维素的复合结构。木质纤维素已经常 用于指生物质。从生物质生产的各种水溶性燃料如醇、柴油和氢通常称为生物能源。 作为木质纤维素的重要组分的纤维素是由通过P-l，4糖苷键连接的葡萄糖单元 的直链组成的稳定的多糖，使其比自然状态中的由通过a-l，4糖苷键连接的葡萄糖单元 组成的螺旋直链淀粉物理上和化学上坚固得多。 作为木质纤维素另一重要组分的半纤维素是聚合度比纤维素低的多糖。半纤维素 由作为主要组分的戊糖如木糖的聚合物和较少量的戊糖如阿拉伯糖的聚合物与己糖如甘 露糖、半乳糖或葡萄糖的聚合物组成。由于半纤维素的聚合度比纤维素低，且具有比纤维素 不规则的结构，它更易于通过物理和化学处理而降解。 木质素是具有复合结构的疏水性大分子聚合物。木质素部分地有助于保护植物不 受由昆虫以及微生物如霉菌造成的各种生化威胁。由于木质素在物理上和化学上都是高度 耐久的，它被视作本质上最不可降解的化合物之一。 为了从木质纤维素生产乙醇或各种化合物，形成木质纤维素的多糖必须转化成能 乙醇发酵的可发酵糖(糖平台)。液态燃料如乙醇和丁醇、作为生物聚合物如聚乳酸的单体 的有机酸、和各种氨基酸可从可发酵的糖产生。糖平台的概念最初由美国能源部(D0E)构 思。在此，木质纤维素到糖平台的转化包括对木质纤维素预处理或分级分离以从纤维素和 半纤维素生产糖。 木质纤维素的预处理可基本上分为物理方法、化学方法和生物方法。 物理方法可包括研磨工艺和蒸汽爆发工艺。研磨工艺包括用研磨机将木质纤维素颗粒粉碎成小尺寸的颗粒，从而引起木质纤维素的结构变化。不经常使用研磨工艺，因为其消耗相当大量的能量且提供低产率或低糖化。蒸汽爆发工艺包括在热蒸汽的高压容器中蒸木质纤维素预定的时间以及瞬间打开该容器的阀门以使木质纤维素的结构更易于酶攻击。 为了提高上述物理方法的效果，对化学方法和物理方法的组合进行了很多研究。化学方法和物理方法的组合的典型例子为稀释酸水解工艺。该工艺包括将木质纤维素浸渍 在2% (w/w)或更低的硫酸溶液中以及与蒸汽爆发工艺类似地将木质纤维素在热蒸气的容 器中在约160到约20(TC的温度下蒸约60秒到约IO分钟。在该工艺中，半纤维素通过酸催 化水解成单糖和寡糖，并且所产生的一些戊糖可通过过度的反应降解成可作为发酵抑制剂 的糠醛。 稀释酸水解工艺中，半纤维素水解使纤维素和半纤维素之间的键以及木质素和半 纤维素之间的键断裂，从而促进酶糖化。因此，可在分级分离工艺中获得并分离半纤维素水 解产物，如木糖，其在水解产物中水解并溶解。随后，在分级分离工艺中不降解的不溶性纤 维素和木质素都进行酶糖化，然后转化成葡萄糖和木质素残基，使得木质素可一起转移到 随后的发酵工艺。但是，在这种情况下，来自木质素降解的酚化合物会抑制酶工艺和发酵工 艺。 采用碱代替酸来分级分离生物质的替代方法是由Bruce Dale等开发的氨纤维爆 发(AFEX)工艺(Enzyme hydrolysis and ethanol fermentation of liquidhot water and AFEX pretreated distillers' grains at high-solids loadingsBioresource Technology, Volume 99， Issue 12， August 2008， Pages 5206-5215. Youngmi Kim， Rick Hendrickson，Nathan S. Mosier，Michael R丄adisch，BryanBals，Venkatesh Balan，Bruce E.Dale)。根据该AFEX工艺，氨和生物质以1 : l到l : 3的比例混合，得到的混合物在高 温下处理约5到约30分钟，并且含有该混合物的反应容器的压力爆发地释放到大气压以回 收气态氨并引起生物质结构的物理和化学变化，从而改进酶糖化的速率。在该工艺中，很少 的半纤维素水解，但大部分木质素溶解并从纤维素和半纤维素分离，使得纤维素和半纤维 素可以在随后的酶糖化工艺过程中糖化以获得葡萄糖和戊糖如木糖。 基于生物的分级分离工艺可包括主要使用霉菌的预处理，所述霉菌例如白腐菌， 其在温和的条件下利用通过木质纤维素降解得到的糖生长。但是，虽然生物分级分离工艺 是十分有效的，但其产率相对低且酶昂贵，使得其没有投入大规模商业化而仅用于小规模 生产中。
技术实现思路
示例性的实施方式提供了使用两种溶剂连续分级分离基于木质纤维素的生物质的方法和装置，其中首先利用第一溶剂萃取木质素，和其次利用第二溶剂萃取木糖。 木质纤维素的结构示于图1中。木质素通过共价键连接到半纤维素，并且半纤维素通过氢键连接到纤维素。大体上，半纤维素通过氢键包裹线性的纤维素微原纤维并且通过共价键被木质素包裹。也就是说，木质纤维素被构造成保护纤维素，即，植物的主要碳水化合物。 在预处理工艺中，如图2所示，从木质纤维素部分地除去木质素和半纤维素或半 纤维素和纤维素之间的键松弛，且纤维素也部分降解，使得纤维素酶可更容易地与纤维素 相互作用。 示例性的实施方式提供通过预处理分级分离木质纤维素的组分的方法。根据示例 性的实施方式，分级分离基于木质纤维素的生物质的方法包括提供基于木质纤维素的生 物质(下文有时称作生物质 供过程)；通过加入能够溶解木质素的第一溶剂从所述生物质萃取木质素(下文有时称为木质素萃取过程)；通过将能够溶解半纤维素的第二溶 剂加入到在木质素萃取过程中用第一溶剂处理过的生物质而萃取木糖(下文有时称为木 糖萃取过程)；和从用第二溶剂处理的其中萃取了木质素和木糖的生物质萃取剩余的纤维 素(下文有时称为纤维素萃取过程)。 所述方法可在单一的反应容器中连续地进行以依次萃取木质素、木糖和纤维素， 从而改进工艺效率。 根据另一示例性的实施方式，分级分离基于木质纤维素的生物质的方法包括提 供基于木质纤维素的生物质；通过将氨水或碱性溶剂加入到反应容器中从生物质萃取木质 素并将木质素收集在第一存储罐中；通过将酸性溶剂加入到反应容器中从用氨水或碱性溶 剂处理的生物质萃取木糖并将木糖收集在第二存储罐中；以及从反应容器中含有的固体组 分即生物质萃取剩余的纤维素。在该方法中，木质素、木糖和纤维素可在单一的反应容器中 萃取。 该反应容器可保持在约50到约330psig或约250到约330psig的压力约80到约 15(TC的温度下。 根据又一示例性的实施方式，提供从利用上述方法萃取的纤维素或木糖生产生物 燃料如生物醇的方法。例如，纤维素可从其中萃取了木质素和木糖的生物质中萃取、水解和 发酵以产生乙醇，和木糖也可发酵以产生乙醇。纤维素的水解可利用酶糖化工艺进行。 根据再一示例性的实施方式，提供用于分级分离基于木质纤维本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于分级分离基于木质纤维素的生物质的方法，包括： 提供基于木质纤维素的生物质； 通过加入能够溶解木质素的第一溶剂从所述生物质萃取木质素； 通过将能够溶解半纤维素的第二溶剂加入用第一溶剂处理过的生物质萃取木糖；和 从其中萃取了木质素和木糖的所述生物质萃取剩余的纤维素。
【技术特征摘要】
KR 2008-10-29 106618/08;KR 2009-7-2 60397/09用于分级分离基于木质纤维素的生物质的方法，包括提供基于木质纤维素的生物质；通过加入能够溶解木质素的第一溶剂从所述生物质萃取木质素；通过将能够溶解半纤维素的第二溶剂加入用第一溶剂处理过的生物质萃取木糖；和从其中萃取了木质素和木糖的所述生物质萃取剩余的纤维素。2. 根据权利要求1的方法，进一步包括在木质素萃取过程后洗涤所述生物质以除去残 留的木质素和第一溶剂。3. 根据权利要求1的方法，其中木糖萃取过程通过如下进行添加具有基于溶剂总重 量约3_8重量％的高浓度的酸约l-10分钟，和添加具有基于溶剂总重量约0. 1-约3重量％ 的低浓度的酸约10-30分钟。4. 根据权利要求l的方法，其中在从所述生物质萃取木质素之后是蒸发和再循环所述 第一溶剂。5. 根据权利要求1的方法，其中所述生物质是连续地提供的。6. 根据权利要求1的方法，其中反应温度在约50到约330psig的压力下保持在约50 到约200°C。7. 根据权利要求l的方法，其中所述第一溶剂是氨水或碱性溶剂。8. 根据权利要求7的方法，其中使用所述碱性溶剂，且所述碱性溶剂包括选自以下的 至少一种氢氧化钠(NaOH)、氢氧化f丐(Ca(0H)》、硫化钠(Na2S)、氢氧化钾(K0H)和它们的组合。9. 根据权利要求7的方法，其中所述氨水的浓度在约2. 5重量％到约15重量％的范围 内，基于溶剂的总重量，和所述碱性溶剂的浓度在约5重量％到约10重量％的范围内，基于 溶剂的总重量。10. 根据权利要求l的方法，其中所述第二溶剂是酸性溶剂。11. 根据权利要求10的方法，其中所述酸性溶剂包括选自以下的至少一种硫酸 0^04)、盐酸(HC1)、磷酸0^04)、硝酸(H冊3)、过酸和它们的组合。12. 根据权利要求1的方法，其中在萃取木糖之后，所述生物质的pH调节至约4到约6。13. 根据权利要求l的方法，其中所萃取的木质素进行冷却过程或热交换过程，然后存 储在第一存储罐中，和所萃取的木糖进行冷却过程或热交换过程，然后存储在第二存储罐 中。1...
【专利技术属性】
技术研发人员：金镇佑，朴在鑽，赵化英，金埈奭，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]
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