木质纤维素生物质的二氧化碳-水两相超临界预处理制造技术

一种生物质原料的预处理方法，该方法包括使生物质原料经受150℃到250℃温度范围和高压条件下的水和超临界CO2的两相混合物，维持从10秒到100分钟的时间。在特定的实施方式中，该工艺为两阶段的温度过程，其中最初的短暂高温阶段在至少200℃温度下进行不超过20分钟，并且随后更长时间的低温阶段在至少140℃到不超过190℃温度下进行10-120分钟。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】木质纤维素生物质的二氧化碳-水两相超临界预处理本专利技术在美国运输部签定的编号为DT0S59-07-G-00052的合约下，由美国政府支持完成。美国政府对本专利技术享有一定权益。专利
本专利技术主要涉及将生物质转化为实用产品（例如，由其制成的单糖和燃料材料），更具体地说，本专利技术涉及生物质处理的预处理步骤。专利技术背景随着全球能源消耗的不断增加，与化石燃料提取和使用相关的经济和环境问题变得越来越紧迫了。尤其是，对于全球原油供应安全性和全球变暖的担心，使从生物质中生产碳燃料受到了关注。从长远来看，随着石油资源的开发变得越来越昂贵，化工行业将需要新的资源作为碳原料，生物质可以提供这种原料。一个生产燃料或其他生物制品的最具体和最通用的路线是从生物质中得到的单糖。通过例如，发酵(DoddsDR.等,Science318:1250-1251,(2007))或催化工艺(HuberG.等,Science308:1446-1450(2005);Román-LeshkovY.等,Nature447:982-985(2007))，这些单糖可以被转化成燃料或生物制品。然而，选择性地从木质纤维素生物质生产糖类是具有挑战性的，其通常包括几个阶段。初始或“预处理”阶段包括从生物质中部分提取半纤维素和/或木质素部分。预处理能增加纤维素酶和木聚糖酶的催化位点，这些酶在第二阶段（即，水解）被加入以解聚纤维素和任何剩余的半纤维素。在预处理过程中，需要注意要尽量减少半纤维素的降解，半纤维素是一种主要由戊糖和少数己糖组成的聚合物。各种预处理方法包括使用酸或碱溶液或单纯用纯水（通常是在较高的温度下）来解构半纤维素和木质素(MosierN.等,BioresourceTechnology96:673-686(2005));WymanC.等,BioresourceTechnology96:2026-2032(2005);WymanC.等,BioresourceTechnology96:1959-1966(2005);WymanC.等,BiotechnologyProgress25:333-339(2009))。这些技术中的一些涉及使反应介质流过生物质（GuptaR.等，BiotechnologyProgress25(2009);LiuC.等AppliedBiochemistryandBiotechnology113:977-987(2004)或在蒸汽闪爆情况下总混合物的爆发式减压(BuraR.等,BiotechnologyProgress25:315-322(2009))或氨纤维爆裂(BalanV.等,BiotechnologyProgress25:365-375(2009);TeymouriF.等,BioresourceTechnology96:2014-2018(2005))。化学催化系统通常都对环境有害而且成本很高，同时热水系统由于转移量大和耗散问题而需要大量的能源。这些问题已经通过，例如，回收化学催化剂或开发填充床生物质反应器以增加混合的方式得到解决。然而，这些处理仍普遍存在高复杂性，高成本，低糖产率（即低效率）和不需要的副产品（例如糠醛类）产生量大的问题。此外，目前使用的生物质转化过程通常明显缺乏通用性，在设备和条件大体相同的条件下处理的不同生物质原料的范围较窄。传统的做法通常需要使用明显不同的设备和/或工艺条件处理不同类型的生物质（例如，硬木和多年生草类）。由于现有生物质转化技术的这一明显局限性的障碍，使得与传统能源生产和使用相比，生物质-能量生成技术不具备竞争力。可以将单一方法应用于多种、或混合生物质原料中的任意一种的能力，使其具有了从任何可利用的生物质中生产有用的材料和能源的明显优势，并且无论生物质转化设备所在地的原料是本地区的还是非本地区的。专利技术概述本专利技术提供了一种环境友好型的方法，用于预处理各种生物质原料中的任何一种或其混合物。这个方法使生物质原料更易于随后的水解处理，从而有利地提高糖产量。对温度、压力、处理时间、以及二氧化碳和水的相对量都进行了仔细的筛选，以使得随后的水解过程中产糖率最大化，同时副产物最小化。环境友好型方法的本质主要在于升高温度和压力条件下的超临界二氧化碳和水混合物的使用。溶剂、酸、和碱、以及其他昂贵且环境有害型的原料，本方法是不需要的。二氧化碳是无毒的，而且几乎可以被完全回收。此外，随后发酵过程中产生的二氧化碳可以在很大程度上补偿任何损失的二氧化碳。即时预处理方法的一个特别的优点在于它在设备和条件大体相同时，处理各种不同的生物质原料时的通用性。这一能力与传统技术形成了鲜明的对比，传统技术通常在处理不同类型生物质时需要使用明显不同的设备和加工条件。即时预处理方法有效处理多种生物质原料或其混合物的能力具有明显优势，它能从任何可利用的生物质生产有用的材料和能源，无论生物质转化设备所在地的原料是本地区的还是非本地区的。即时预处理方法的另一个显著优点是它能够与随后的水解工艺以一种连续的构造或模式进行整合（即，通过使用相同的设备，而不需要在多个预处理单元之间或向单独的水解单元进行转移）。在工业环境中，即时预处理方法可以采取连续管式反应器的形式，而不是非连续工艺，后者具有多个阶段和停机时间，通常需要较高的资金和较高的运行成本。然而，即时预处理方法的另一个显着优点是其对高含量固体的运作能力。例如，即时方法的产率为固体含量的至少40wt%，这非常具有竞争力。预处理方法中的高固体含量将决定整个方法过程中需要多少水，而这些水最终要从终产物中分离出去。通常，固体含量越高，方法的能效就越高。在特定的实施方式中，方法包括将生物质原料与150℃到250℃温度范围和高压下的水和超临界CO2的两相混合物接触，维持10秒到100分钟。在一些实施方式中，优选压力在150-225bar或190-210bar的范围内。在其他的实施方式中，优选温度在155-200℃或160-170℃的范围内。在特定的实施方式中，处理时间大约为60分钟。在其他特定实施方式中，两相混合物的形成首先通过将生物质原料和水混合得到一种浆体，浆体的水分含量至少10%并且不超过85%，然后在密闭的反应器中向浆体提供液态二氧化碳（可能有多余的水）。在其他的实施方式中，本申请描述的预处理方法是通过两阶段的温度方法而进行的，其中首先是最初的短暂的高温阶段，接着是更长时间的低温阶段。即时两阶段方法是对该技术的明显改善，原因至少为，其缩短了预处理方法的同时还使副产物最小化，并且对环境无害且成本效率高。在特定的实施方式中，两阶段方法包括最初的短暂高温阶段，其在至少200℃温度下进行1-20分钟，以及随后更长时间的低温阶段，其在不高于180℃的条件下进行40-100分钟。附图简要说明图1：不搅拌的25mL预处理反应器系统示意图。图2：搅拌的1L预处理反应器系统示意图。图3A-3D：含20wt%固体（生物质和水混合物）的混合硬木浆体预处理的综合产率图，该产率为200bar条件下预处理时间和温度的函数。该产率为酶水解（15FPU/g纤维素或19.6FPU/g葡聚糖）72小时后的产率。（A）葡聚糖至葡萄糖的产率。（B）木聚糖、阿拉伯聚糖和甘露聚糖（半纤维素糖）至木糖、树胶醛糖和甘露糖的产率。（C）葡聚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.03.30 US 61/319,0861.一种生物质原料的预处理方法，所述方法包括使生物质原料在两阶段温度处理和高压条件下经受由水和超临界CO2组成的两相混合物，所述两相混合物不包括醇，其中最初的短暂高温阶段在至少200℃温度下进行不超过20分钟，随后更长时间的低温阶段在至少140℃到不超过190℃温度下进行10-120分钟，其中由生物质原料和水混合所得到的浆体的固体含量为至少20％。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述高压为至少74bar。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述高压为150-225bar。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述高压为190-210bar。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物质原料选自下组：硬木、软木、草、壳类材料、纸制品及其组合。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述草包含多年生牧草。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述多年生牧草选自柳枝稷、大须芒草、芒草、苜蓿、果园草和虉草。8.根据权利要求5所述的方法，其中所述壳类材料由玉米秸秆组成。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物质原料为生物质原料的混合物。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述两相混合物的形成是通过首先将所述生物质原料和水混合得到浆体，所述浆体的水分含量为至少10％并且不超过85％，以及在密闭的反应器中向所述浆体提供液态或超临界二氧化碳。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述水分含量为不超过80％。12.根据权利要求10所述的方法，其中所述水分含量为不超过60％。13.根据权利要求10所述的方法，其中所述浆体的固体含量为至少40wt％。14.根据权利要求1所述的方法，其中所述两相混合物的形成是通过将水和二氧化碳的混合物注...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·卢特巴彻，L·P·沃克，J·W·特斯特，
申请(专利权)人：康奈尔大学，
类型：
国别省市：