从生物质闭环生产糠醛制造技术

描述了使用闭环方法从生物质材料生产有价值的有机产物和醇类的方法和工艺，其相对于现有技术具有许多优点。在所述工艺中，生物质经受酸催化的消化，然后将消化产物流分离成固体产物流和液体产物流，所述液体产物流之后在有机溶剂存在下进行酸催化的脱水，且之后将有机层中的有机产物与水层分离。在所述工艺过程中，水性液体流和有机液体流被进料返回到生产工艺的各个部分以提高活性部分的浓度并最大化产物回收率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年8月14日提交的U.S.临时申请序列号62/037,171的优先权，通过引用将其全部公开内容并入本文。专利
本文中所公开和教导的专利技术总体上涉及用于处理生物质的方法，且更具体涉及处理生物质原料以使用闭环生产方法生产糠醛和类似有机化合物和/或中间体。专利技术背景相关技术的描述由于在植物的细胞壁中存在糖类，木素纤维素生物质被视作燃料和化学品的丰富的可再生资源。地球表面上超过50％的有机碳包含在植物中。这种木素纤维素生物质由半纤维素、纤维素和较少部分的木质素和蛋白质组成。纤维素是主要由缩合聚合的葡萄糖组成的聚合物，而半纤维素是戊糖糖类(主要是木糖)的前体。这些糖可以很容易地被转化为燃料和有价值的组分，条件是可以从细胞壁和包含这些糖的聚合物中释放这些糖。但是，植物细胞壁已经对产生组分糖的微生物、机械或化学分解进化出相当强的抗性。已经使用过克服这种难降解性的许多方法，并且将所述聚合物分解成糖(糖化)具有很长的历史。一般的方法示意性地概括在图1中。回溯到19世纪早期，最初的方法涉及使用浓的无机酸例如盐酸、硝酸或硫酸进行完全的化学水解。已经对这些方法进行了许多改进，从生物质原料获得更高的糖产率。这些较高酸浓度的方法提供了较高的糖产率，但是由于经济和环境原因，酸必须被回收。实施这种形式糖化的主要障碍在于与酸回收相关的挑战[M.Galbe和G.Zacchi,Appl.Microbiol.Biotechnol.Vol.59,pp.618-628(2002)]。在U.S.专利No.5820687中描述了近期的工作，其中使用离子树脂分离来分离硫酸和糖类，或通过胺提取过程和随后的酸热再生来分离盐酸和糖类。但是，这两种方法在实施中都是繁琐的且昂贵的。也已经尝试使用稀酸方法进行化学糖化，且一个这样的实例是Scholler-Tornesch方法。但是，使用稀酸要求较高的温度，并且由于单糖的热降解，这通常导致所期望糖的低产率。过去已经尝试了许多这种类型的方法且都不能满足经济要求。参见例如LimKoonOng,“Conversionoflignocellulosicbiomasstofuelethanol--Abriefreview,ThePlanter,Vol.80,No.941,2004年8月和CellWallSaccharification,RalfMoller,OutputsfromtheEPOBIOproject,2006；CPLPress出版,TallGables,TheSydings,Speen,Newbury,BerksRG141RZ,UK。纤维素的酶促糖化保持了在较温和条件下得到较高糖产率的期望，因此被许多人认为是更有经济吸引力的。原料生物质对酶水解的抗性需要进行预处理以提高纤维素对水解酶的敏感性。已经开发了许多预处理方法(例如，Mosier等[BioresourceTechnology,Vol.96,pp.673-686(2005)]描述的)来改变生物质的结构和化学组成以提高酶促转化。这样的方法包括如描述在U.S.专利No.4461648中的稀酸蒸汽爆破处理、描述在WO2007/009463A2中的不添加化学品的水热预处理、描述在Holtzapple,M.T.等[AppliedBiochemistryandBiotechnology,28/29,pp.59-74]中的氨水冷冻爆破法以及描述在U.S.专利No.4409032中的有机溶剂提取法。虽然存在这些方法，但这些预处理被认为是生物质向燃料转化中最昂贵的处理[Ind.Eng.Chem.Res.,Vol.48(8),3713-3729,(2009)]。已经被广泛研究的一种预处理是高温、稀硫酸处理，其有效地将生物质的半纤维素部分水解为可溶性糖并暴露纤维素，从而成功地酶促糖化。可用于控制预处理条件的参数有时间、温度和酸加载量。这些通常组合在称为综合强度因子的数学式中。总的来说，使用的酸加载量越高，可以使用的温度越低；这以酸的成本及再循环酸的需要为代价。相反，温度越低，预处理工艺花费的时间越长；这以容积生产率为代价。期望的是降低温度，因为戊糖易于分解形成糠醛和其它物质，这代表了产率的损失，且这些化合物对下游发酵是有毒的。但是，降低预处理温度至低于糠醛易于形成的温度所要求的较高浓度酸的使用[B.P.Lavarack等,BiomassandBioenergy,Vol.23,pp.367-380(2002)]又要求回收强酸。如果使用稀酸流和较高温度，则预处理反应产生增加量的糠醛，且向下游传递到酶促水解和随后的发酵步骤的酸必须被中和，产生使下游处理复杂化的无机盐并需要更昂贵的废水处理系统。这还产生用于酸和碱消耗的增加的化学品成本。本文中公开和教导的专利技术涉及用于使用闭环系统从生物质原料合成糠醛和类似有机物质的方法，其允许来自水解步骤的含酸的水性流大量再循环到生产系统中。
技术实现思路
上面叙述的目的及本专利技术的其它优点和特征，以及相关的附件和附图(其涉及使用闭环水性流体系从生物质原料合成糠醛和其它有机中间体化合物的系统和方法)结合到本文所述的应用中。根据本公开的第一实施方式，用于将生物质转化为糠醛的闭环方法，所述方法包括步骤：(a)提供包含戊聚糖的生物质材料；(b)使含戊聚糖生物质材料在消化容器中在大于约100℃的温度下经受酸催化剂消化处理一段时间，所述时间足以产生包含C5碳水化合物和含纤维素的固体的消化产物流；(c)将所述消化产物流分离成液体产物流和固体产物流，所述液体产物流包含碳水化合物，所述碳水化合物中基于液体产物流中碳水化合物的重量至少50重量％为C5碳水化合物，且所述固体产物流包含含纤维素的固体；(d)使所述液体产物流中的C5碳水化合物在反应容器中在约100℃至约250℃范围内的温度下、在酸催化剂及包含水相和不与水混溶的有机相(其包含有机溶剂)的双相混合物存在下经受脱水反应一段时间，所述时间足以产生糠醛或呋喃衍生物；(e)从反应容器回收脱水产物流，其包含水、有机溶剂和包含糠醛，并将所述脱水产物流分离成水性再循环流和包含糠醛的有机产物流；(f)将所述水性再循环流再循环回到步骤(b)的消化容器中；和(g)通过至少一种分离方法从有机产物流提取糠醛。上述段落展示了对本公开主题的简单概括以提供对其一些方面的基本理解。所述概括不是穷尽性的综述，也不旨在确定描述本文中所述和所要求保护的主题范围的关键或必要要素。其唯一的目的在于以简化方式展示一些概念以作为下面更详细描述的序言。附图简要说明下面的图构成本说明书的部分，且被包括以进一步说明本专利技术的某些方面。本专利技术可参考这些图中的一个或多个并结合本文中所述具体实施方式的详细描述而被更好地理解。图1示意了木素纤维素处理方法的流程框图。图2示意了本专利技术的闭环方法的通用步骤的流程框图。图3示意了根据本专利技术的选择方面的示例性生产方法的工艺流程图。图4示意了在双相酸脱水反应体系中，对于各种溶剂的木糖转化的糠醛选择性。图5示意了三个水性酸流再循环运行的木糖和葡萄糖浓度。图6示意了通过内部和外部水性流再循环，乙酸和甲酸水平的累积。图7示意了三个水性酸流再循环运行中朝向糠醛的转化率和选择性(左轴)和有机溶剂中的糠本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于将生物质转化为糠醛的闭环方法，所述方法包括步骤：(a)提供包含戊聚糖的生物质材料；(b)使所述含戊聚糖的生物质材料在消化容器中在高于约100℃的温度下经受酸催化的消化过程一段时间，所述时间足以产生包含C5碳水化合物和含纤维素的固体的消化产物流；(c)将所述消化产物流分离成液体产物流和固体产物流，所述液体产物流包含碳水化合物，所述碳水化合物中基于液体产物流中碳水化合物的重量，至少50重量％为C5碳水化合物，且所述固体产物流包含含纤维素的固体；(d)使所述液体产物流中的C5碳水化合物在反应容器中在约100℃至约250℃范围内的温度下、在酸催化剂和包含水相和与水不混溶的有机相的双相混合物存在下经受脱水反应一段时间，所述时间足以产生糠醛或呋喃衍生物，所述与水不混溶的有机相包含有机溶剂；(e)从所述反应容器回收脱水产物流，其包含水、有机溶剂和并含糠醛，并将所述脱水产物流分离成水性再循环流和包含糠醛的有机产物流；(f)将所述水性再循环流再循环返回到步骤(b)中的消化容器中；和(g)通过至少一种分离方法从所述有机产物流提取糠醛。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.14 US 62/037,1711.用于将生物质转化为糠醛的闭环方法，所述方法包括步骤：(a)提供包含戊聚糖的生物质材料；(b)使所述含戊聚糖的生物质材料在消化容器中在高于约100℃的温度下经受酸催化的消化过程一段时间，所述时间足以产生包含C5碳水化合物和含纤维素的固体的消化产物流；(c)将所述消化产物流分离成液体产物流和固体产物流，所述液体产物流包含碳水化合物，所述碳水化合物中基于液体产物流中碳水化合物的重量，至少50重量％为C5碳水化合物，且所述固体产物流包含含纤维素的固体；(d)使所述液体产物流中的C5碳水化合物在反应容器中在约100℃至约250℃范围内的温度下、在酸催化剂和包含水相和与水不混溶的有机相的双相混合物存在下经受脱水反应一段时间，所述时间足以产生糠醛或呋喃衍生物，所述与水不混溶的有机相包含有机溶剂；(e)从所述反应容器回收脱水产物流，其包含水、有机溶剂和并含糠醛，并将所述脱水产物流分离成水性再循环流和包含糠醛的有机产物流；(f)将所述水性再循环流再循环返回到步骤(b)中的消化容器中；和(g)通过至少一种分离方法从所述有机产物流提取糠醛。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述水性再循环流包含所述酸催化剂。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述包含含戊聚糖的生物质材料与水的混合物具有约1:3至约1:30的固体-液体重量比率。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述包含含戊聚糖的生物质材料与水的混...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·N·彻达，J·P·A·M·J·G·兰格，
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