木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的二氧化碳-水兩相超臨界預(yù)處理制造技術(shù)

一種生物質(zhì)原料的預(yù)處理方法，該方法包括使生物質(zhì)原料經(jīng)受150℃到250℃溫度范圍和高壓條件下的水和超臨界CO2的兩相混合物，維持從10秒到100分鐘的時間。在特定的實施方式中，該工藝為兩階段的溫度過程，其中最初的短暫高溫階段在至少200℃溫度下進(jìn)行不超過20分鐘，并且隨后更長時間的低溫階段在至少140℃到不超過190℃溫度下進(jìn)行10-120分鐘。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的二氧化碳-水兩相超臨界預(yù)處理本專利技術(shù)在美國運輸部簽定的編號為DT0S59-07-G-00052的合約下，由美國政府支持完成。美國政府對本專利技術(shù)享有一定權(quán)益。專利
本專利技術(shù)主要涉及將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為實用產(chǎn)品（例如，由其制成的單糖和燃料材料），更具體地說，本專利技術(shù)涉及生物質(zhì)處理的預(yù)處理步驟。專利技術(shù)背景隨著全球能源消耗的不斷增加，與化石燃料提取和使用相關(guān)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題變得越來越緊迫了。尤其是，對于全球原油供應(yīng)安全性和全球變暖的擔(dān)心，使從生物質(zhì)中生產(chǎn)碳燃料受到了關(guān)注。從長遠(yuǎn)來看，隨著石油資源的開發(fā)變得越來越昂貴，化工行業(yè)將需要新的資源作為碳原料，生物質(zhì)可以提供這種原料。一個生產(chǎn)燃料或其他生物制品的最具體和最通用的路線是從生物質(zhì)中得到的單糖。通過例如，發(fā)酵(DoddsDR.等,Science318:1250-1251,(2007))或催化工藝(HuberG.等,Science308:1446-1450(2005);Román-LeshkovY.等,Nature447:982-985(2007))，這些單糖可以被轉(zhuǎn)化成燃料或生物制品。然而，選擇性地從木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)糖類是具有挑戰(zhàn)性的，其通常包括幾個階段。初始或“預(yù)處理”階段包括從生物質(zhì)中部分提取半纖維素和/或木質(zhì)素部分。預(yù)處理能增加纖維素酶和木聚糖酶的催化位點，這些酶在第二階段（即，水解）被加入以解聚纖維素和任何剩余的半纖維素。在預(yù)處理過程中，需要注意要盡量減少半纖維素的降解，半纖維素是一種主要由戊糖和少數(shù)己糖組成的聚合物。各種預(yù)處理方法包括使用酸或堿溶液或單純用純水（通常是在較高的溫度下）來解構(gòu)半纖維素和木質(zhì)素(MosierN.等,BioresourceTechnology96:673-686(2005));WymanC.等,BioresourceTechnology96:2026-2032(2005);WymanC.等,BioresourceTechnology96:1959-1966(2005);WymanC.等,BiotechnologyProgress25:333-339(2009))。這些技術(shù)中的一些涉及使反應(yīng)介質(zhì)流過生物質(zhì)（GuptaR.等，BiotechnologyProgress25(2009);LiuC.等AppliedBiochemistryandBiotechnology113:977-987(2004)或在蒸汽閃爆情況下總混合物的爆發(fā)式減壓(BuraR.等,BiotechnologyProgress25:315-322(2009))或氨纖維爆裂(BalanV.等,BiotechnologyProgress25:365-375(2009);TeymouriF.等,BioresourceTechnology96:2014-2018(2005))。化學(xué)催化系統(tǒng)通常都對環(huán)境有害而且成本很高，同時熱水系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)移量大和耗散問題而需要大量的能源。這些問題已經(jīng)通過，例如，回收化學(xué)催化劑或開發(fā)填充床生物質(zhì)反應(yīng)器以增加混合的方式得到解決。然而，這些處理仍普遍存在高復(fù)雜性，高成本，低糖產(chǎn)率（即低效率）和不需要的副產(chǎn)品（例如糠醛類）產(chǎn)生量大的問題。此外，目前使用的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程通常明顯缺乏通用性，在設(shè)備和條件大體相同的條件下處理的不同生物質(zhì)原料的范圍較窄。傳統(tǒng)的做法通常需要使用明顯不同的設(shè)備和/或工藝條件處理不同類型的生物質(zhì)（例如，硬木和多年生草類）。由于現(xiàn)有生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)的這一明顯局限性的障礙，使得與傳統(tǒng)能源生產(chǎn)和使用相比，生物質(zhì)-能量生成技術(shù)不具備競爭力。可以將單一方法應(yīng)用于多種、或混合生物質(zhì)原料中的任意一種的能力，使其具有了從任何可利用的生物質(zhì)中生產(chǎn)有用的材料和能源的明顯優(yōu)勢，并且無論生物質(zhì)轉(zhuǎn)化設(shè)備所在地的原料是本地區(qū)的還是非本地區(qū)的。專利技術(shù)概述本專利技術(shù)提供了一種環(huán)境友好型的方法，用于預(yù)處理各種生物質(zhì)原料中的任何一種或其混合物。這個方法使生物質(zhì)原料更易于隨后的水解處理，從而有利地提高糖產(chǎn)量。對溫度、壓力、處理時間、以及二氧化碳和水的相對量都進(jìn)行了仔細(xì)的篩選，以使得隨后的水解過程中產(chǎn)糖率最大化，同時副產(chǎn)物最小化。環(huán)境友好型方法的本質(zhì)主要在于升高溫度和壓力條件下的超臨界二氧化碳和水混合物的使用。溶劑、酸、和堿、以及其他昂貴且環(huán)境有害型的原料，本方法是不需要的。二氧化碳是無毒的，而且?guī)缀蹩梢员煌耆厥铡４送猓S后發(fā)酵過程中產(chǎn)生的二氧化碳可以在很大程度上補償任何損失的二氧化碳。即時預(yù)處理方法的一個特別的優(yōu)點在于它在設(shè)備和條件大體相同時，處理各種不同的生物質(zhì)原料時的通用性。這一能力與傳統(tǒng)技術(shù)形成了鮮明的對比，傳統(tǒng)技術(shù)通常在處理不同類型生物質(zhì)時需要使用明顯不同的設(shè)備和加工條件。即時預(yù)處理方法有效處理多種生物質(zhì)原料或其混合物的能力具有明顯優(yōu)勢，它能從任何可利用的生物質(zhì)生產(chǎn)有用的材料和能源，無論生物質(zhì)轉(zhuǎn)化設(shè)備所在地的原料是本地區(qū)的還是非本地區(qū)的。即時預(yù)處理方法的另一個顯著優(yōu)點是它能夠與隨后的水解工藝以一種連續(xù)的構(gòu)造或模式進(jìn)行整合（即，通過使用相同的設(shè)備，而不需要在多個預(yù)處理單元之間或向單獨的水解單元進(jìn)行轉(zhuǎn)移）。在工業(yè)環(huán)境中，即時預(yù)處理方法可以采取連續(xù)管式反應(yīng)器的形式，而不是非連續(xù)工藝，后者具有多個階段和停機時間，通常需要較高的資金和較高的運行成本。然而，即時預(yù)處理方法的另一個顯著優(yōu)點是其對高含量固體的運作能力。例如，即時方法的產(chǎn)率為固體含量的至少40wt%，這非常具有競爭力。預(yù)處理方法中的高固體含量將決定整個方法過程中需要多少水，而這些水最終要從終產(chǎn)物中分離出去。通常，固體含量越高，方法的能效就越高。在特定的實施方式中，方法包括將生物質(zhì)原料與150℃到250℃溫度范圍和高壓下的水和超臨界CO2的兩相混合物接觸，維持10秒到100分鐘。在一些實施方式中，優(yōu)選壓力在150-225bar或190-210bar的范圍內(nèi)。在其他的實施方式中，優(yōu)選溫度在155-200℃或160-170℃的范圍內(nèi)。在特定的實施方式中，處理時間大約為60分鐘。在其他特定實施方式中，兩相混合物的形成首先通過將生物質(zhì)原料和水混合得到一種漿體，漿體的水分含量至少10%并且不超過85%，然后在密閉的反應(yīng)器中向漿體提供液態(tài)二氧化碳（可能有多余的水）。在其他的實施方式中，本申請描述的預(yù)處理方法是通過兩階段的溫度方法而進(jìn)行的，其中首先是最初的短暫的高溫階段，接著是更長時間的低溫階段。即時兩階段方法是對該技術(shù)的明顯改善，原因至少為，其縮短了預(yù)處理方法的同時還使副產(chǎn)物最小化，并且對環(huán)境無害且成本效率高。在特定的實施方式中，兩階段方法包括最初的短暫高溫階段，其在至少200℃溫度下進(jìn)行1-20分鐘，以及隨后更長時間的低溫階段，其在不高于180℃的條件下進(jìn)行40-100分鐘。附圖簡要說明圖1：不攪拌的25mL預(yù)處理反應(yīng)器系統(tǒng)示意圖。圖2：攪拌的1L預(yù)處理反應(yīng)器系統(tǒng)示意圖。圖3A-3D：含20wt%固體（生物質(zhì)和水混合物）的混合硬木漿體預(yù)處理的綜合產(chǎn)率圖，該產(chǎn)率為200bar條件下預(yù)處理時間和溫度的函數(shù)。該產(chǎn)率為酶水解（15FPU/g纖維素或19.6FPU/g葡聚糖）72小時后的產(chǎn)率。（A）葡聚糖至葡萄糖的產(chǎn)率。（B）木聚糖、阿拉伯聚糖和甘露聚糖（半纖維素糖）至木糖、樹膠醛糖和甘露糖的產(chǎn)率。（C）葡聚本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2010.03.30 US 61/319,0861.一種生物質(zhì)原料的預(yù)處理方法，所述方法包括使生物質(zhì)原料在兩階段溫度處理和高壓條件下經(jīng)受由水和超臨界CO2組成的兩相混合物，所述兩相混合物不包括醇，其中最初的短暫高溫階段在至少200℃溫度下進(jìn)行不超過20分鐘，隨后更長時間的低溫階段在至少140℃到不超過190℃溫度下進(jìn)行10-120分鐘，其中由生物質(zhì)原料和水混合所得到的漿體的固體含量為至少20％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述高壓為至少74bar。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述高壓為150-225bar。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述高壓為190-210bar。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生物質(zhì)原料選自下組：硬木、軟木、草、殼類材料、紙制品及其組合。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述草包含多年生牧草。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述多年生牧草選自柳枝稷、大須芒草、芒草、苜蓿、果園草和虉草。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述殼類材料由玉米秸稈組成。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生物質(zhì)原料為生物質(zhì)原料的混合物。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述兩相混合物的形成是通過首先將所述生物質(zhì)原料和水混合得到漿體，所述漿體的水分含量為至少10％并且不超過85％，以及在密閉的反應(yīng)器中向所述漿體提供液態(tài)或超臨界二氧化碳。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述水分含量為不超過80％。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述水分含量為不超過60％。13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述漿體的固體含量為至少40wt％。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述兩相混合物的形成是通過將水和二氧化碳的混合物注...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：J·盧特巴徹，L·P·沃克，J·W·特斯特，
申請(專利權(quán))人：康奈爾大學(xué)，
類型：
國別省市：