在由木质素原位产生的酚溶剂存在下消化纤维素类生物质固体的方法技术

在酚溶剂存在下纤维素类生物质固体的消化可以得到加强。一种消化纤维素类生物质固体的方法可以包括：在包含水和有机溶剂的消化介质中提供纤维素类生物质固体；在分子氢和能够活化分子氢的浆液催化剂存在下在消化装置中加热纤维素类生物质固体和消化介质，由此形成醇组分和释放木质素，木质素形成与所述消化介质分开的酚液相和至少一部分浆液催化剂在所述酚液相中累积；从消化装置除去至少一部分酚液相和累积的浆液催化剂；将至少一部分酚液相转化为酚溶剂；和将至少一部分酚溶剂和浆液催化剂返回至消化装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在由木质素原位产生的酚溶剂存在下消化纤维素类生物质固体的方法本申请要求2013年3月14日提交的美国专利申请No.61/783,985的权益，其内容在此通过参考全文引入。
本公开内容总体涉及纤维素类生物质固体的消化，和更具体地涉及在酚溶剂存在下消化纤维素类生物质固体的方法。
技术介绍
具有商业重要性的多种物质可以产自于天然资源，包括生物质。由于在其中发现了各种形式的多种丰富的碳水化合物，纤维素类生物质在这方面可能特别有利。如这里所应用的，术语“纤维素类生物质”指包含纤维素的存活或者最近存活的生物材料。在高级植物的细胞壁中发现的木质纤维素材料是世界上最大的碳水化合物来源。通常由纤维素类生物质生产的材料可以包括例如经部分消化产生的纸和纸浆和经发酵产生的生物乙醇。植物细胞壁被分为两部分，即初生细胞壁和次生细胞壁。初生细胞壁提供用于细胞膨胀的结构支撑和由三种主要的多糖(纤维素、胶质和半纤维素)和一组糖蛋白组成。次生细胞壁在细胞完成生长后产生，还包含多糖和通过与半纤维素共价交联的聚合性木质素强化。半纤维素和胶质通常含量丰富，但纤维素是主要的多糖和最丰富的碳水化合物来源。正如下文所讨论，与纤维素共存在的各组分的复杂混合物可能会使其处理起来比较困难。特别地，由于其非纤维素结构和在纤维素类生物质中的显著存量，木质素可能是尤其难处理的成分。已经有大量的注意力放在了开发由可再生来源获得的化石燃料替代物上。在这方面，纤维素类生物质由于其存量丰富且在其中发现了大量不同组分(特别是纤维素和其它碳水化合物)而引起了特别的注意。尽管很有希望且引起了人们极大的兴趣，但生物基燃料技术的开发和实施仍非常缓慢。直到今天，现有技术产生的燃料仍具有低的能量密度(例如生物乙醇)和/或不能与现有的发动机设计和运输基础设施完全相容(例如甲醇、生物柴油、费-托柴油、氢气和甲烷)。此外，常规生物基方法在稀的含水溶液(>50％重量的水)中产生了难以进一步处理为燃料混合物的中间体。应对前述和其它问题，用于将纤维素类生物质转化为具有类似化石燃料组成的燃料混合物的能量和成本有效的方法将是特别希望的。当转化纤维素类生物质为燃料混合物和其它物质时，可以提取其中存在的纤维素和其它复杂的碳水化合物，和将其转化为更简单的有机分子，后者随后可以进一步重整。发酵是可以将来自纤维素类生物质的复杂碳水化合物转化为更有用形式的一种方法。但发酵方法通常很慢、需要大体积的反应器、高的稀释条件和产生具有较低能量密度的初始反应产物(乙醇)。消化是可将纤维素和其它复杂碳水化合物转化为更有用形式的另一种方法。消化方法可以将纤维素类生物质内的纤维素和其它复杂的碳水化合物分解为更简单的可溶性碳水化合物，后者适合于通过下游的重整反应进一步转化。如这里所应用的，术语“可溶性碳水化合物”指在消化过程中变得可溶解的单糖或多糖。虽然据理解基础化学支持消化纤维素和其它复杂碳水化合物和进一步转化简单碳水化合物为与化石燃料中存在的那些类似的有机化合物，但尚未开发出适合于转化纤维素类生物质为燃料混合物的高收率和能量有效的消化方法。在这方面，与应用消化和其它方法转化纤维素类生物质为燃料混合物相关的最基本需求是实现转化需要的能量输入不应大于产物燃料混合物可获得的能量输出。这种基本需求导致多个次级问题，而这些问题总体提出了到目前为至还没有解决的极大的工程挑战。与以能量和费用有效的方式应用消化将纤维素类生物质转化为燃料混合物相关的问题不仅复杂，而且它们完全不同于在造纸和纸浆工业中通常应用的消化过程中遇到的那些问题。因为在造纸和纸浆工业中纤维素类生物质消化的目的是保留固体物质(例如纸浆)，通常在低温下(例如小于约100℃)实施不完全消化相当短的时间。与之相对，适合转化纤维素类生物质为燃料混合物和其它物质的消化过程理想地构造为以高通量方式通过溶解尽可能多的初始纤维素类生物质进料来使收率最大化。造纸和纸浆消化过程通常还在纸浆形成期间从原始纤维素类生物质中作为废物除去木质素。尽管与形成燃料混合物和其它物质相关所使用的消化过程可能同样在消化前除去木质素，但这些更多的处理步骤可能影响生物质转化过程的能量效率和成本。但在大量木质素存在下消化纤维素类生物质固体以产生水溶性碳水化合物本身可能存在显著的处理问题。因为多个原因通过常规调整造纸和纸浆消化过程而生产用于燃料混合物和其它物质的可溶性碳水化合物是不可行的。简单地通过运行造纸和纸浆工业的消化过程更长时间来产生更多可溶性碳水化合物从通量角度来看是不希望的。应用消化促进剂如强碱、碱酸或亚硫酸盐来使消化速度加快可能会由于后处理的分离步骤和可能需要保护下游组件不受这些试剂损害而增加工艺成本和复杂性。通过提高消化温度而使消化速度加快由于在高的消化温度下可能会发生可溶性碳水化合物的热降解而实际上降低了收率，特别是经延长的时间时。一旦通过消化产生，可溶性碳水化合物非常有活性且可能快速降解以产生焦糖烷和其它重质降解产物，特别是在高温条件如大于约150℃下。从能量效率角度来看，应用较高的消化温度也是不希望的。这些困难的任何一个均可以挫败从纤维素类生物质获得燃料混合物的经济可行性。可以保护可溶性碳水化合物不热降解的一种方法是使它们经受一种或多种催化还原反应，所述反应可以包括加氢和/或氢解反应。通过实施一种或多种催化还原反应来稳定可溶性碳水化合物可以允许纤维素类生物质的消化在比可能的更高的温度下实施，而不会过度牺牲收率。取决于使用的反应条件和催化剂，由于对可溶性碳水化合物进行一种或多种催化还原反应而形成的反应产物可能包括一个或多个醇官能团，特别包括三醇、二醇、一元醇或它们的任意组合，其中的一些也可能包括残余的羰基官能度(例如醛或酮)。这些反应产物比可溶性碳水化合物更加热稳定和可能容易通过进行一种或多种下游重整反应转化为燃料混合物和其它物质。此外，上述类型的反应产物是其中可进行消化的良好溶剂，由此促进可溶性碳水化合物以及它们的反应产物的溶解。其中可形成可溶性碳水化合物和转化为更稳定化合物的特别有效的方式是通过在分子氢和能够活化分子氢的浆液催化剂(在本文也称为"氢活化催化剂")的存在下进行纤维素类生物质的消化。也就是说，在这种方法(本文称为"原位催化还原反应过程")中，消化纤维素类生物质和催化还原由此产生的可溶性碳水化合物可以在相同容器中进行。如本文所用的，术语"浆液催化剂"指的是包含可以通过气体流、液体流、机械搅动或它们的任意组合至少部分悬浮在流体相中的流体流动催化剂颗粒的催化剂。如果浆液催化剂充分好地分布在纤维素类生物质中，在消化期间形成的可溶性碳水化合物可以在它们有机会显著降解之前、甚至在可能促进它们降解的热条件下降解之前被截获和转化为更稳定化合物。没有实现充分催化剂分布时，原位催化还原反应过程产生的可溶性碳水化合物仍可在它们有机会遇到催化位点和经历稳定性反应之前降解。从能量效率角度而言，原位催化还原反应过程也可能特别有利的，因为消化纤维素类生物质是吸热过程，而催化还原反应是放热的。因此，原位催化还原反应产生的过量热可以用于驱动消化，而不太可能发生热传递损失，由此降低了进行消化过程所需要的更多热能输入量。与处理纤维素类生物质为燃料混合物和其它物质相关的另一个问题来自于需要纤维素类生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：在包含水和有机溶剂的消化介质中提供纤维素类生物质固体；在分子氢和能够活化分子氢的浆液催化剂存在下在消化装置中加热纤维素类生物质固体和消化介质，由此形成源自纤维素类生物质固体的醇组分和从纤维素类生物质固体释放木质素，木质素形成与所述消化介质分开的酚液相和当所述酚液相形成时至少一部分浆液催化剂在其中累积；从消化装置除去至少一部分酚液相和其中累积的浆液催化剂；将至少一部分酚液相转化为酚溶剂；和将至少一部分酚溶剂和浆液催化剂返回至消化装置，所述酚溶剂一旦返回至消化装置则成为消化介质的一部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.03.14 US 61/783,9851.一种方法，包括：在包含水和有机溶剂的消化介质中提供纤维素类生物质固体；在分子氢和能够活化分子氢的浆液催化剂存在下在消化装置中加热纤维素类生物质固体和消化介质，由此形成源自纤维素类生物质固体的醇组分和从纤维素类生物质固体释放木质素，木质素形成与所述消化介质分开的酚液相和当所述酚液相形成时至少一部分浆液催化剂在其中累积；从消化装置除去至少一部分酚液相和其中累积的浆液催化剂；将至少一部分酚液相转化为酚溶剂；和将至少一部分酚溶剂和浆液催化剂返回至消化装置，所述酚溶剂一旦返回至消化装置则成为消化介质的一部分，其中将所述酚溶剂和浆液催化剂返回至消化装置，使得其中建立方向向上的流体流；其中所述消化介质包含与所述酚液相分开的两相混合物和/或与所述酚液相分开的单相混合物。2.权利要求1的方法，其中在加热纤维素类生物质固体和消化介质的同时将所述酚溶剂和浆液催化剂返回至消化装置。3.权利要求2的方法，进一...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·B·鲍威尔，
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