用于在纤维素生物质固体的水热消解过程中加工木质素的方法和系统技术方案

由纤维素生物质固体释放的木质素可使得纤维素生物质固体的消解复杂化，这可产生包含木质素聚合物的高度粘性的酚类物质液相。用于消解纤维素生物质固体的方法可包括：在消解溶剂、分子氢和能够活化分子氢的浆料催化剂的存在下提供纤维素生物质固体；将所述纤维素生物质固体至少部分转化为包含木质素的酚类物质液相、包含衍生自所述纤维素生物质固体的醇组分的水相，和任选的轻质有机物相；其中当所述酚类物质液相形成时，浆料催化剂的至少一部分在所述酚类物质液相中积聚；以及降低所述酚类物质液相的粘度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在纤维素生物质固体的水热消解过程中加工木质素的方法和系统本申请要求2012年10月31日提交的待审的美国临时专利申请系列No.61/720,765的权益。
本公开通常涉及纤维素生物质固体的消解(digestion)，更具体地涉及用于降低可结合纤维素生物质固体的水热消解而获得的包含木质素的酚类物质液相的粘度的方法。
技术介绍
具有商业意义的多种物质可由天然来源(包括生物质)制得。就此而言，纤维素生物质由于其中存在的多种形式的丰富碳水化合物的多功能性而是特别有利的。如本文所用，术语“纤维素生物质”指含有纤维素的存活的或近期存活的生物材料。存在于高等植物的细胞壁中的木质纤维素材料为世界上最大的碳水化合物来源。通常由纤维素生物质制得的材料可包括例如经由部分消解的纸和制浆木材，以及通过发酵的生物乙醇。植物细胞壁分为两个部分：初生细胞壁和次生细胞壁。初生细胞壁提供用于扩大细胞的结构支撑，并含有三种主要的多糖(纤维素、果胶和半纤维素)和一组糖蛋白。在细胞结束生长之后产生的次生细胞壁也含有多糖，并通过共价交联至半纤维素的聚合木质素加强。半纤维素和果胶通常丰富存在，但是纤维素是主要的多糖和最丰富的碳水化合物来源。与纤维素共存的成分的复杂混合物可使得其加工困难，如下文所述。特别地，木质素可为尤其难以处理的成分。显著关注开发衍生自可再生资源的化石燃料替代品。就此而言，纤维素生物质由于其丰度和其中存在的各种成分(特别是纤维素和其他碳水化合物)的多功能性而获得特别的关注。尽管具有前景和强烈关注，但生物基燃料技术的发展和实施较缓慢。现有技术迄今为止生产具有低能量密度(例如生物乙醇)和/或与现有发动机设计和运输基本设施不完全相容(例如甲醇，生物柴油、Fischer-Tropsch柴油、氢气和甲烷)的燃料。此外，常规生物基方法已生产难以进一步加工的在稀释水溶液(>50重量％的水)中的中间体。用于将纤维素生物质加工成化石燃料的具有类似组成的燃料共混物的能量有效且成本有效的方法对于解决前述问题等是高度希望的。当将纤维素生物质转化成燃料共混物和其他材料时，其中的纤维素和其他复杂碳水化合物可被萃取并转变成更简单的有机分子，所述更简单的分子可在之后进一步重整。发酵为可将来自纤维素生物质的复杂碳水化合物转化为更可用的形式的一种过程。然而，发酵过程通常缓慢，需要大体积的反应器和高稀释条件，并产生具有低的能量密度的初始反应产物(乙醇)。消解为可将纤维素和其他复杂碳水化合物转化为更可用的形式的另一方式。消解过程可将纤维素生物质内的纤维素和其他复杂碳水化合物分解成适于通过下游重整反应而进一步转换的更简单的可溶性碳水化合物。如本文所用，术语“可溶性碳水化合物”指在消解过程中变得溶解的单糖或多糖。尽管理解消解纤维素和其他复杂碳水化合物，并将简单的碳水化合物进一步转换成表示存在于化石燃料中的那些的有机化合物背后的基础化学，但仍然没有开发适于将纤维素生物质转化为燃料共混物的高产率且能量有效的消解过程。就此而言，与使用消解和其他过程将纤维素生物质转化为燃料共混物相关的最基本的要求是引起转化所需的能量输入不应大于产物燃料共混物的可得能量输出。该基本要求导致多个次生问题，所述多个次生问题共同呈现迄今为止未解决的巨大工程挑战。与使用消解以能量有效且成本有效的方式将纤维素生物质转化为燃料共混物相关的问题不仅复杂，而且完全不同于在纸和制浆木材工业中所通常使用的消解过程中遇到的那些问题。由于在纸和木质纸浆工业中的纤维素生物质消解的目的在于保留固体材料(例如木浆)，通常在低温(例如小于约100℃)下进行不完全消解达相当短的时间段。相比之下，适用于将纤维素生物质转化为燃料共混物和其他材料的消解过程理想地构造为通过以高通量的方式尽可能多地溶解原始纤维素生物质装料而使产率达到最大。纸和制浆木材消解过程也通常在纸浆形成之前从原纤维素生物质中去除木质素。尽管与形成燃料共混物和其他材料相关而使用的消解过程可同样在消解之前去除木质素，但这些额外的过程步骤可影响生物质转化过程的能量效率和成本。在高转化率纤维素生物质消解过程中木质素的存在可能特别地成问题。据信经由常规改进纸和制浆木材消解过程而制备用于燃料共混物和其他材料中的可溶性碳水化合物由于多种原因而不是经济可行的。就通量的角度而言，简单地进行纸和制浆木材工业的消解过程达更长的时间段以制备更多的可溶性碳水化合物是不希望的。使用消解促进剂(如强碱、强酸或亚硫酸盐)来加速消解速率可能由于后加工分离步骤和可能的保护下游部件免于这些试剂的需要而增加过程成本和复杂性。通过增加消解温度而加速消解速率可能由于在提高的消解温度下(特别是在增长的时间段内)可能发生的可溶性碳水化合物的热降解而实际上降低产率。一旦通过消解制得，可溶性碳水化合物为非常反应性的，并可快速降解而产生聚焦糖(caramelans)和其他重质馏分降解产物，尤其是在更高的温度条件下(如150℃以上)。就能量效率的角度而言，使用更高的消解温度也可能是不希望的。这些难点中的任意者可破坏衍生自纤维素生物质的燃料共混物的经济可行性。可防止可溶性碳水化合物热降解的一种方式是使可溶性碳水化合物经受一个或多个催化还原反应，所述一个或多个催化还原反应可包括氢化和/或氢解反应。通过进行一个或多个催化还原反应而稳定可溶性碳水化合物可允许纤维素生物质的消解在更高温度下发生(这在不过度牺牲产率的情况下是不可能的)。取决于所用的反应条件和催化剂，由于对可溶性碳水化合物进行一个或多个催化还原反应而形成的反应产物可包含一种或多种醇官能团，特别地包括三醇、二醇、一元醇和它们的任意组合，其中的一些也可包括残余羰基官能团(例如醛或酮)。这种反应产物比可溶性碳水化合物更加热稳定，并可易于通过进行一个或多个下游重整反应而转换为燃料共混物和其他材料。另外，前述类型的反应产物为其中可进行水热消解的良好溶剂，由此促进作为其反应产物的可溶性碳水化合物的溶解。尽管消解溶剂也可促进木质素的溶解，但该材料由于其差的溶解度和沉淀倾向而仍然难以有效加工。可溶性碳水化合物可形成并转化为更稳定的化合物的特别有效的方式是通过在存在分子氢和能够活化分子氢的浆料催化剂(在本文也称为“氢活化催化剂”)的情况下进行纤维素生物质的水热消解。即，在这种方法(本文称为“原位催化还原反应过程”)中，纤维素生物质的水热消解和由其产生的可溶性碳水化合物的催化还原可在相同容器中发生。如本文所用，术语“浆料催化剂”指包含流动移动的催化剂粒子的催化剂，所述催化剂粒子可经由气体流动、液体流动、机械搅拌或它们的任意组合而至少部分悬浮于流体相中。如果浆料催化剂足够好地分布于纤维素生物质中，则即使在促进降解的热条件下，在水热消解过程中形成的可溶性碳水化合物也可在具有显著降解的机会之前被拦截并转化为更稳定的化合物。在未实现足够的催化剂分布的情况下，通过原位催化还原反应过程而产生的可溶性碳水化合物在具有遇到催化位点并发生溶解反应的机会之前可能仍然降解。就能量效率的角度而言，原位催化还原反应过程也可为特别有利的，因为纤维素生物质的水热消解为吸热过程，而催化还原反应为放热的。因此，可利用通过一个或多个原位催化还原反应而产生的过量的热来驱动水热消解，且发生热传递损失的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，其包括：在消解溶剂、氢和加氢催化浆料催化剂的存在下提供纤维素生物质固体，将所述纤维素生物质固体至少部分转化为包含木质素的酚类物质液相、包含衍生自纤维素生物质固体的醇组分的水相，和任选的轻质有机物相；其中在所述酚类物质液相形成时，所述浆料催化剂的至少一部分在所述酚类物质液相中积聚；和降低所述酚类物质液相的粘度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.10.31 US 61/720,7651.一种方法，其包括：在消解溶剂、氢和加氢催化浆料催化剂的存在下提供纤维素生物质固体，由向上定向的流体流动传送加氢催化浆料催化剂的至少一部分；将所述纤维素生物质固体加热至第一温度，并将所述纤维素生物质固体至少部分转化为包含木质素的酚类物质液相、包含衍生自纤维素生物质固体的醇组分的水相，和任选的轻质有机物相；其中在所述酚类物质液相形成时，所述浆料催化剂的至少一部分在所述酚类物质液相中积聚；测量所述酚类物质液相的粘度；在分子氢的存在下将所述酚类物质液相加热至高于所述第一温度的第二温度，由此降低所述酚类物质液相的粘度；和在降低所述酚类物质液相的粘度之后，从所述酚类物质液相中分离浆料催化剂。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二温度为270℃或更高，且所述第一温度为250℃或更低。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中降低粘度和测量粘度同时进行。4.根据前述权利要求1或2所述的方法，其中所述醇组分包含一元醇、二醇、三醇，或它们的任意组合。5.根据前述权利要求1或2所述的方法，其中降低酚类物质...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·B·鲍威尔，K·A·约翰逊，G·C·康普林，J·N·切达，
申请(专利权)人：国际壳牌研究有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL