專利名稱：通用的生物質(zhì)精制的制作方法
通用的生物質(zhì)精制技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總體上涉及精制生物質(zhì)的快速且高能效的方法。
背景技術(shù)：
對生物質(zhì)精制的改進(jìn)在商業(yè)大規(guī)|旲上將提供巨大利益。生物質(zhì)精制廣品的市場每年以數(shù)十億美元計(jì)。蛋白質(zhì)是飲食必需，但是許多人群食用不足，包括在生物質(zhì)生長最佳的熱帶地區(qū)中。而且，用可消化纖維代替糧食喂食家畜將使得更多谷物可供全世界的人消費(fèi)。 可以轉(zhuǎn)化為生物燃料、化學(xué)品和塑料制品的糖的市場每年以數(shù)百、可能數(shù)千億美元計(jì)。將生物質(zhì)精制成糖因而代表有益的應(yīng)用。鑒于生物質(zhì)非常易于獲得，創(chuàng)造出大規(guī)模商業(yè)化的生物質(zhì)精制方法可以在世界范圍內(nèi)提供重大能量來源。
至今，不存在將生物質(zhì)的木質(zhì)纖維素組分轉(zhuǎn)化為糖的大規(guī)模商業(yè)化方法。商業(yè)上已經(jīng)嘗試?yán)脻馑帷⒏邷叵∷岬慕M合、蒸汽、中等溫度/中性PH干磨、強(qiáng)堿、液體無水氨、高含水率的石灰、圓錐形轉(zhuǎn)子-定子工具、實(shí)驗(yàn)室超聲設(shè)備、液體流(liquid steam)、高剪切和空化設(shè)備對生物質(zhì)進(jìn)行精制。然而，這些方法均不能規(guī)?；越?jīng)濟(jì)地精制生物質(zhì)。
可以使用的利用酸的方法要求或者水解在高溫下發(fā)生或者利用難以從產(chǎn)物中去除的高濃度強(qiáng)酸。這些問題均導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。
需要一種能夠完全或選擇性進(jìn)行生物質(zhì)精制并且催化物回收率高的低能熱化學(xué)方法，其無需纖維素水解酶或促進(jìn)纖維素酶促水解的物質(zhì)，并且其能夠在不使糖大量降解的情況下有效地將生物質(zhì)水解為干糖固體。 發(fā)明概要
本發(fā)明提供了一種將生物質(zhì)精制成有用產(chǎn)物的熱化學(xué)方法。
本發(fā)明涉及對已制備的生物質(zhì)進(jìn)行精制以產(chǎn)生溶液中具有半纖維素水解物的漿液的方法，所述方法包括以下步驟
通過應(yīng)用機(jī)械剪切或空化作用以對已制備的生物質(zhì)的至少一部分細(xì)胞進(jìn)行穿孔， 在催化劑溶液中從已制備的生物質(zhì)中提取痕量糖和可提取物，以產(chǎn)生第一漿液，所述第一漿液具有包含半纖維素和纖維素的第一固體部分以及溶液中包含可提取物的第一液體部分；
機(jī)械地分尚第一固體部分和第一液體部分；和
通過在含有催化劑的溶液中對生物質(zhì)應(yīng)用機(jī)械剪切或空化作用，水解生物質(zhì)中的半纖維素，以產(chǎn)生第二漿液，所述第二漿液具有包含纖維素的第二固體部分以及溶液中包含半纖維素水解物的第二液體部分。
該方法可以進(jìn)一步包括步驟
機(jī)械地分離第二固體部分和第二液體部分；
在至少一種強(qiáng)酸存在下水解第二固體部分中的纖維素，以產(chǎn)生包含糖的溶液。
該方法還可以包括在水解纖維素步驟前，通過應(yīng)用機(jī)械剪切或空化作用在催化劑溶液中使第一固體部分或第二固體部分中的木質(zhì)素水解的步驟以及機(jī)械地分離經(jīng)水解木質(zhì)素的液體部分和第一固體部分或第二固體部分的步驟。
該方法還可以包括對包含糖的溶液進(jìn)行干燥的步驟，其中通過
將包含糖的溶液弓I入膨脹室中，所述膨脹室中具有用于將膨脹室加熱至所述包含糖的溶液的沸點(diǎn)以上溫度的工具，和
將糖和蒸汽輸送出膨脹室，進(jìn)入固體-蒸汽分離區(qū)，其中蒸汽上升至熱交換器，而糖進(jìn)一步輸送入最終的糖干燥器中。
其中通過熱交換器的蒸汽與用于對膨脹室進(jìn)行加熱以使膨脹室的溫度保持在所進(jìn)入糖溶液的沸點(diǎn)以上溫度的工具交換熱能。
附圖簡述


圖1描繪了從生物質(zhì)中精制蛋白可提取物、鞣酸、半纖維素糖、木質(zhì)素、纖維素和葡萄糖的過程，其闡述了為半纖維素水解供應(yīng)干給料的多個可選過程以及纖維素水解的多個可選過程。
圖2描繪了強(qiáng)酸水解纖維素的兩條途徑。
圖3描繪了一步強(qiáng)酸水解的可選過程。
圖4描繪了一種熱交換干燥器方法。
發(fā)明詳述
本發(fā)明是對生物質(zhì)進(jìn)行精制以從生物質(zhì)的半纖維素和纖維素級分中產(chǎn)生可精制糖的方法，其還可以產(chǎn)生蛋白(或蛋白衍生的多肽或氨基酸)、木質(zhì)素、礦物質(zhì)、鞣酸、纖維素微纖維和家畜飼料(cattle feed)。該方法可以用于將生物質(zhì)廢料加工成化學(xué)品和燃料的原料(feedstock)。所描述的方法利用回收的催化劑(包括來源于生物質(zhì)的乙酸)，并且對由生物質(zhì)產(chǎn)生可經(jīng)濟(jì)地獲得的產(chǎn)品有幫助，包括干糖、蛋白衍生物、纖維素微纖維、木質(zhì)素、家畜飼料、鞣·酸和其他產(chǎn)物，從而提供了廢料轉(zhuǎn)化的新途徑。
該方法可以在三個階段的其中一個中分離木質(zhì)素。本發(fā)明還可以包括生產(chǎn)干纖維素微纖維。可選地，可以生產(chǎn)纖維素-木質(zhì)素產(chǎn)物。
該方法可以包括以下步驟中的許多步驟或全部步驟，這取決于所期望的輸出產(chǎn)物以及所采取的回收方法。
( I)機(jī)械地使生物質(zhì)減小至較小的顆粒尺寸和表面面積；
(2)施加催化劑、熱、高剪切和/或空化作用，以使每個生物質(zhì)細(xì)胞壁小部分水解， 以促進(jìn)液體和可提取物的機(jī)械提??；
(3)將第一漿液機(jī)械地分離為生物質(zhì)固體和第一液體提取物，所述第一液體提取物含有衍生自半纖維素的水解物、蛋白和蛋白衍生物、鞣酸以及其他可提取產(chǎn)物。
(4)將第一液體提取物與更多新的生物質(zhì)混合；
(5)重復(fù)步驟2和3，以提高第一液提取物中可提取產(chǎn)物的濃度。
(6)使經(jīng)機(jī)械分離的殘留的生物質(zhì)固體干燥；
(7)將第一可提取物液體濃縮物的側(cè)線餾出物(side stream)轉(zhuǎn)移；
(8)將第一液體可提取物的側(cè)線餾出物沸騰，任選地利用下面描述的熱交換干燥器方法。
(9)從第一液體提取物中回收干產(chǎn)物形式的可提取產(chǎn)物；
(10)在第二漿液中將酸性催化劑(可以回收自步驟(15))與殘留的生物質(zhì)微纖維干固體(來自步驟(6))混合，以進(jìn)行半纖維素水解；
(11)將另外的中度和/或強(qiáng)酸性催化劑加入到第二漿液中，優(yōu)選同時根據(jù)需要應(yīng)用空化作用，并使溫度保持在在催化劑的沸點(diǎn)以上。
( 12)在系統(tǒng)最初在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的糖濃度之前提高溶液中糖濃度的情況下，將第二漿液機(jī)械地分離為未溶解的纖維素-木質(zhì)素固體和第二液體漿液，所述第二液體漿液含有半纖維素水解物和其他可提取物；
(13)將第二液體提取物(來自步驟(12))與更多殘留的生物質(zhì)固體(來自步驟(6))混合，并重復(fù)步驟(9)- (12)，以使第二液體提取物中的半纖維素糖水解物和可提取物進(jìn)一步增加；
( 14)通過將酸性催化劑溶液沸騰或蒸發(fā)成蒸汽，從任何殘留的酸性催化劑中分離纖維素-木質(zhì)素固體(可以收集于步驟(12 ));
(15)使酸性催化劑蒸汽(來自步驟(14))冷凝，對其進(jìn)行回收，以用于對步驟(9) 中殘留的生物質(zhì)干固體進(jìn)一步進(jìn)行半纖維素水解，其中可以實(shí)施下面描述的熱交換干燥器方法；
(16)將第二液體提取物液流沸騰或蒸發(fā)，以產(chǎn)生干半纖維素糖和其他可提取物 (其可以用于步驟(11)中)，以控制第二液體部分的粘度并將酸性催化劑以蒸汽形式從干半纖維素糖和可提取物中分離出來，其中可以實(shí)施下面描述的熱交換干燥器方法；
(17)利用通過熱交換冷凝成液體的方法，使酸性催化劑蒸汽(來自步驟(16))冷凝并任選地對其進(jìn)行回收，以用于對步驟(9)中殘留的生物質(zhì)干固體進(jìn)一步進(jìn)行半纖維素水解，其中可以實(shí)施下面描述的熱交換干燥器方法；
( 18)通過將熱水-堿性化學(xué)溶液與經(jīng)機(jī)械分離并干燥的纖維素-木質(zhì)素固體(來自步驟(14))混合，產(chǎn) 生第三漿液，這導(dǎo)致木質(zhì)素液化并產(chǎn)生主要包含纖維素的第三生物質(zhì)固體；
( 19)將第三漿液機(jī)械地分離為纖維素固體和經(jīng)液化的木質(zhì)素以及水-堿性化學(xué)溶液；
(20)任選地，可以實(shí)施以下步驟對經(jīng)分離的纖維素固體進(jìn)行處理以進(jìn)一步使用
a.使纖維素固體的所有或基本上所有的水干燥，以產(chǎn)生纖維素產(chǎn)物,或使除進(jìn)行下游水解(如果適用)必需的任何水之外的水干燥；
b.用水清洗纖維素微纖維，以去除任何殘留的經(jīng)液化的木質(zhì)素，機(jī)械地分離纖維素并對其進(jìn)行干燥，或使經(jīng)清洗的纖維素保留于溶液中或?yàn)闈駶櫺问健?br> (21)將經(jīng)液化的木質(zhì)素和水-堿性化學(xué)溶液(來自步驟(19))與更多經(jīng)干燥的纖維素-木質(zhì)素固體(來自步驟(14))混合并重復(fù)步驟(18)- (19)，以使經(jīng)液化的木質(zhì)素產(chǎn)物進(jìn)一步增加并回收堿性催化劑；
(22)通過加入酸以使木質(zhì)素沉淀，從經(jīng)液化的木質(zhì)素和水-堿性化學(xué)溶液中提取經(jīng)液化的木質(zhì)素；
(23)從水中機(jī)械地過濾出木質(zhì)素固體,任選地過濾前利用噴射氣泡(sparging bubbles)使木質(zhì)素浮動并集中，接著通過從木質(zhì)素中沸騰殘留的水-液體，對木質(zhì)素進(jìn)行干燥，接著將經(jīng)過濾的水應(yīng)用到步驟(18)中；
(24)任選地制備纖維素和水的第四漿液，以用于將纖維素水解成葡萄糖，其中通過將纖維素(來自(20))與以下一種混合
a.濃強(qiáng)酸和足夠的水，以實(shí)現(xiàn)纖維素水解，并使?jié){液保持在I個大氣壓以及冰點(diǎn)以上至少I度；或者
b.水和稀強(qiáng)酸，并使?jié){液保持在足以將纖維素水解為葡萄糖的溫度(170-250攝氏度)下；
C、水和稀強(qiáng)酸以及濃縮的溫和酸(mild acid)，并使?jié){液保持在足以將纖維素水解為葡萄糖的溫度(170-250攝氏度)下；
停留時間為O. 0001秒至30天。
(25)—次或多次將額外的纖維素(來自(20))加入到纖維素漿液中，以使?jié){液中的葡萄糖濃度增加，并且如果需要，加入更多濃的或稀的強(qiáng)酸(如(24a)或(24b)中適宜的)；
( 26 )任選地水解期間應(yīng)用高剪切和/或空化作用。
(27)將漿液(來自(23))快速沸騰以產(chǎn)生葡萄糖，并且任選地通過以下方式使葡萄糖干燥
a.將壓力增加最高至20，000磅/平方英寸(psi)，接著立即釋放壓力，同時施加足以在壓力釋放期間將所有剩余的液體催化劑快速沸騰的溫度；和/或
b.任選地，在壓力釋放和較少熱能(120攝氏度以下)的同時施加真空，以在較低溫度下將酸性催化劑沸騰，更好地保護(hù)葡萄糖不被水解；和/或
c.利用下面描述的熱交換干燥器方法。
下面的章節(jié)中描述該方法及其多種可選的更多細(xì)節(jié)。
“可提取物”在說明書中出現(xiàn)處意在是指鞣酸、蛋白質(zhì)、葉綠素以及溶于水的其他化學(xué)化合物，其在上面步驟5中可以容易地提取得到?？商崛∥镞€可以含有溶解的糖。
乙酸可以作為水解產(chǎn)物產(chǎn)生，其被回收并在需要它的任何階段用作催化劑。
如本說明書中所使用，“糖”包括單糖(例如葡萄糖、果糖、半乳糖、阿拉伯糖)、二糖 (例如蔗糖、乳糖、麥芽糖)和寡聚糖以及罕見地適宜時每種單體糖的三糖。
牛物質(zhì)的制備
如圖1所顯示，使?jié)窕蚋缮镔|(zhì)的顆粒尺寸減小，以增加生物質(zhì)給料的密度、可管理性，并產(chǎn)生表面面積以使能夠穿過下游加工的機(jī)器內(nèi)甚至更小的入口，所述機(jī)器為了熱和化學(xué)品的總體過程效率而設(shè)計(jì)，其使顆粒尺寸進(jìn)一步減小以使固體濃度和表面面積最大化。
水解前，通過以下至少一種方法對干生物質(zhì)(Ia)進(jìn)行加工剁、磨、碾和/或利用機(jī)械方法將其粉碎，以產(chǎn)生小顆粒和大表面面積?？梢岳盟槟緳C(jī)(hog mill)、錘磨機(jī)、雙盤研磨機(jī)、彎刀或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何粉碎方法以使顆粒尺寸減小，以用于進(jìn)一步加工?？梢允┯闷渌椒ㄖ苽?，以進(jìn)行進(jìn)一步加工，所述方法包括原始地用彎刀砍、切碎、剁或由動物、水、風(fēng)供能的粉碎系統(tǒng)或通過將生物質(zhì)切片、壓碎或剁成較小顆粒而使干生物質(zhì)顆粒的尺寸減小的任何切割方法設(shè)備。
利用飼料收割機(jī)(例如由John Deere、Case、Gleaner和其他人制造的那些)和 /或任何方法將濕生物質(zhì)(Ib)剁成小顆粒，所述方法包括但不限于原始地用彎刀砍、切碎 (shredding)、剁、刀片切割或研磨系統(tǒng)(grinding system)或通過將生物質(zhì)切片、壓碎或剁成小于原始尺寸的較小顆粒而使?jié)裆镔|(zhì)顆粒的尺寸減小的任何切割方法設(shè)備，其中應(yīng)用由人、動物、水、風(fēng)、電、氣或任何能量來源供能的方法制備生物質(zhì)以進(jìn)行進(jìn)一步加工并增強(qiáng)下游效率。
術(shù)語“已制備的生物質(zhì)”是指依照上述段落制備的生物質(zhì)以及由本領(lǐng)域已知的類似方法或系統(tǒng)制備的任何生物質(zhì)。
產(chǎn)生第一衆(zhòng)液
通過加入足夠的水以產(chǎn)生第一漿液，對已經(jīng)從天然收割物減小或切割尺寸的濕或干生物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步加工，所述第一漿液具有足夠低的粘度并且其生物質(zhì)顆粒足夠小以能夠被離心泵抽吸?！?br> 在所產(chǎn)生的漿液內(nèi)，以低至高剪切漿液設(shè)備的順序使顆粒減小為較小顆粒，隨后進(jìn)行空化(la、lb)。漿液設(shè)備內(nèi)部漿液通道的范圍是50毫米至O. 25毫米之間，其在正常剪切紊流和通道等級的空化作用(cavitation being rate of passage)、鉆入轉(zhuǎn)子和/或定子的孔尺寸和相關(guān)壓力；空化情況下的高壓和真空之間具有差異。對水或酸-水漿液應(yīng)用剪切和/或空化作用的溫度范圍是在I個大氣壓下漿液冰點(diǎn)以上至少I攝氏度最高至但不包含漿液沸點(diǎn)，或壓力下的較高溫度。與進(jìn)入無氣泡的空化設(shè)備的漿液不同，空化作用使得漿液水定點(diǎn)沸騰，產(chǎn)生空化作用的第一階段氣泡，接著其崩潰，發(fā)射高速沖擊波，兩個階段導(dǎo)致生物質(zhì)顆粒從生物質(zhì)表面內(nèi)部和外部被極度破壞,使得產(chǎn)生比任何時候更小和更瓦解的顆粒。
在一個實(shí)施方式中，通過利用高壓容器和所施加的熱，使?jié){液的溫度和沸點(diǎn)增加， 其中溫度增加最高至170攝氏度。
在漿液的一個實(shí)施方式中，可以將沸點(diǎn)在120攝氏度以下的溫和的酸和強(qiáng)酸每種以多種比率的溶液加入到生物質(zhì)中，其中聯(lián)合的總量最高至99. 999%，或可以將高沸點(diǎn)酸 (例如硫酸)加入到漿液中，優(yōu)選范圍是O. 0001%至1%，以加快可提取物的提取速度并增加可提取物的提取度。
任選地，在經(jīng)剪切和空化處理的生物質(zhì)漿液內(nèi)，將堿性化學(xué)品(例如石灰、氫氧化鈉或任何其他適宜的堿性化學(xué)品)以凈重量計(jì)在O. 0001%至10%之間的比率加入到漿液中的生物質(zhì)中，以加快并增強(qiáng)生物質(zhì)中鞣酸、脂肪、油和其他痕量生物質(zhì)組分、蛋白和蛋白衍生物(例如多肽和/或氨基酸(可提取物))以及糖(包括葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、 所述相同糖的二糖和三糖)的提取，所述生物質(zhì)中存在這些組分，并且在本發(fā)明前未經(jīng)另一種過程或過程步驟去除。·
在如上面剛剛描述的堿或酸任一種的應(yīng)用中，催化劑濃度、溫度、時間在本文中描述的范圍內(nèi)的控制條件以及高剪切和/或空化作用的應(yīng)用能夠產(chǎn)生可控的、限定的水解， 使得細(xì)胞損傷，以促進(jìn)液體的機(jī)械提取。
通過加入酸或堿化學(xué)品以及高剪切和/或空化作用，隨著一般困于生物質(zhì)細(xì)胞內(nèi)部的液體釋放，細(xì)胞穿孔增強(qiáng)，這降低了加工的粘度，并使加工負(fù)載較多固體的能力增強(qiáng)。 利用機(jī)械壓力將水從穿孔細(xì)胞中去除相應(yīng)地降低了產(chǎn)物的干燥成本。任選地用于第一漿液中的化學(xué)品產(chǎn)生不同程度的半纖維水解，其由停留時間、溫度和化學(xué)品負(fù)載聯(lián)合決定。當(dāng)分離的蛋白和鞣酸產(chǎn)物提取物制備用于投放市場時，在最高至水的沸點(diǎn)的多個溫度和I個大氣壓下或者壓力下的較高溫度下應(yīng)用不含額外的化學(xué)品或化學(xué)品最少低至漿液的0.0001%的漿液，以加速并增強(qiáng)其提取，其中半纖維素組分提取最少。用于蛋白提取的優(yōu)選溫度是最高至120攝氏度。
該步驟進(jìn)行的時間足夠長，以對生物質(zhì)的至少一部分細(xì)胞進(jìn)行穿孔，例如至少 30%、優(yōu)選70%或更優(yōu)選90%的細(xì)胞。該階段細(xì)胞穿孔的比例越高，該階段能夠從生物質(zhì)中提取出的水就越多。
第一漿液和固體的機(jī)械分離
接著對經(jīng)剪切和/或空化以及化學(xué)品加工的第一漿液進(jìn)行機(jī)械擠壓(2、4)，以從生物質(zhì)中分離液體，通常液體相對于生物質(zhì)是50% 65%，但是其可以是0%至99. 99%之間， 這取決于機(jī)械擠壓設(shè)備的類型、壓力設(shè)定、溫度、所加入化學(xué)品(如果有)的類型和程度、生物質(zhì)細(xì)胞破壞程度和當(dāng)進(jìn)行機(jī)械擠壓時液體從細(xì)胞中的釋放以及其他因素。
對由機(jī)械設(shè)備擠壓出的液體進(jìn)行回收(4)，以提供利用低、中、高剪切和空化作用進(jìn)行漿液加工(la、lb)所需的液體，并濃縮可提取物?？梢允褂玫臋C(jī)械分離設(shè)備(2、4、 11、18)包括但不限于離心機(jī)、螺旋壓榨機(jī)、壓帶機(jī)(belt press)、板框壓榨機(jī)(plate and frame press)、帶有壓力帶的滾筒鼓式過濾器(roller drum filter with pressure belt) 或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何固體-液體機(jī)械分離設(shè)備。_5] 第一液體的提取
在重復(fù)循環(huán)(3、4)中將由對任選地不添加化學(xué)品的第一漿液進(jìn)行機(jī)械分離而產(chǎn)生的第一液體提取物與更多新的生物質(zhì)混合，隨著對可提取物進(jìn)行提取，這使得第一漿液再生，其中鞣酸、蛋白、多肽和氨基酸的濃度不斷增加。為了更有效地提取可提取物，將化學(xué)催化劑加入到漿液中，所述漿液除了產(chǎn)生上面描述的可提取物之外，還產(chǎn)生不同水平的、衍生自經(jīng)水解的半纖維素的糖，其也可以被提取出來。
第一漿液優(yōu)選的濃度和粘度是其中高百分比的可提取物被釋放并從固體中分離同時漿液仍然能夠被離心泵抽吸，或如果在甚至更高的粘度下能夠發(fā)生高水平的水解，被螺旋型螺桿泵抽吸，其中產(chǎn)物的濃度在沸騰以進(jìn)行分離和濃縮前達(dá)到7%-60%。
當(dāng)達(dá)到可提取物的優(yōu)選濃度時，即超過7%，機(jī)械擠壓后將第一液體提取物的側(cè)線餾出物從回收流中轉(zhuǎn)移出來(4、6)。
對經(jīng)轉(zhuǎn)移的第一液體提取物(7)應(yīng)用任何來源的熱能。熱能可以由內(nèi)部循環(huán)的來源或系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽(來自所提取木質(zhì)素的燃燒或任何燃料來源的燃燒)提供。熱能可以是蒸汽形式和/或通過雙壁管或池的間接熱能。已溶解的可提取物以干產(chǎn)物形式回收(8)，或任選地為了進(jìn)行進(jìn)一步加工，含有不同水平的殘留水。任選地，可以施加真空，以降低干燥溫度，以保護(hù)經(jīng)水解或此外提取出的生物質(zhì)組分，例如蛋白和/或蛋白衍生物。所需的沸騰溫度與水和酸或堿的特定組合以及其各自的沸點(diǎn)有關(guān)?；蛘?，此處可以實(shí)施下面描述的熱交換干燥器方法。
對經(jīng)機(jī)械分離的牛物質(zhì)固體講行干燥
在本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任 何適宜類型的干燥系統(tǒng)中對擠壓餅中經(jīng)機(jī)械分離的生物質(zhì)固體進(jìn)行干燥，所述系統(tǒng)包括但不限于利用內(nèi)部提取的木質(zhì)素、外部固體或液體能源或者太陽能的直接或間接加熱系統(tǒng)(5)。
對干燥過程進(jìn)行控制，以產(chǎn)生干生物質(zhì)或任選地含有水以達(dá)到特定的催化劑/水含量(相對于本發(fā)明下游階段中的酸性或堿性化學(xué)催化劑)的生物質(zhì)(9)。
水解水可以通過部分干燥的生物質(zhì)而提供，或可以將額外的水從獨(dú)立來源注入第一水解階段中，在所述第一水解階段中，生物質(zhì)以基本上干燥的形式或部分濕潤的形式進(jìn)入。
持續(xù)的半纖維素水解方法
優(yōu)選，所述方法中利用持續(xù)的半纖維素水解加工。
所述方法中的該步驟需要將酸性催化劑(可以回收自步驟(14))與第二漿液中殘留的生物質(zhì)干固體(來自步驟(5 ))混合，以進(jìn)行半纖維素水解。
在該步驟的一個實(shí)施方式中，在持續(xù)的半纖維素水解方法中，將濃度大于以質(zhì)量計(jì)O. 0001%的強(qiáng)酸與殘留的生物質(zhì)干固體混合。
在所述方法的另一個實(shí)施方式中，施用含有濃度大于O. 001%的乙酸的催化液體， 其與濃度大于0.0001%的強(qiáng)酸聯(lián)用，前提是水的最低水平仍然保持在半纖維素水解所需水平上，以產(chǎn)生高于7%的糖濃度。
然而，所述方法還包括持續(xù)地加入經(jīng)干燥或固體含量高的生物質(zhì)[8]，同時保持以質(zhì)量計(jì)為至少7%到最高至80%的高的漿液糖產(chǎn)物濃度。
該持續(xù)的方法進(jìn)一步包括持續(xù)從產(chǎn)物漿液中機(jī)械地分離并回收提取物，并用那些回收的提取物和催化劑進(jìn)行半纖維素水解或使新加入的生物質(zhì)進(jìn)入半纖維素水解階段。該方法還包括持續(xù)地產(chǎn)生第二漿液，其中的固體被機(jī)械分離，所述漿液包含可以經(jīng)干燥從而分離出半纖維素水解物的產(chǎn)物漿液。當(dāng)使用乙酸時，隨著其通過新鮮生物質(zhì)的水解被提取， 將其加入到回收的漿液中。根據(jù)需要，可以從次要來源中補(bǔ)充催化劑，以保持乙酸和其他酸的特定比率。隨著水解的進(jìn)行，將額外的生物質(zhì)(12)以及來自新生物質(zhì)或任何水源的、水解所必需的任何額外的水注入分批或持續(xù)水解池、管道或其他水解容器中，直至達(dá)到以下的組合
在離心泵、高剪切和空化設(shè)備能夠?qū)泄腆w的待處理漿液進(jìn)行抽吸的最高粘度下，所有或基本上所有的半纖維素被水解；或
水解物已經(jīng)達(dá)到最大可能的濃度以及抽吸粘度。
維持粘度，以使抽吸達(dá)到最佳和/或進(jìn)行高剪切處理(利用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的適宜的混合溶液在較高粘度下進(jìn)行混合，包括螺旋型設(shè)備[11-2])。
半纖維素水解的分批方法
所述方法中的該步驟需要將酸性催化劑(可以回收自步驟(14))與第二漿液中殘留的生物質(zhì)干固體(來自步驟(5))混合，以進(jìn)行半纖維素水解。在該步驟的一個實(shí)施方式中，在使用一個或多個漿液行列(train)的分批半纖維素水解過程中，將稀強(qiáng)酸或稀強(qiáng)酸和濃乙酸與殘留的生物質(zhì)干固體混合。
在該方法的一個實(shí)施方式中，使用含有濃度大于O. 001%的乙酸的催化液體，將其與濃度大于0.001%的強(qiáng)酸混合，前提是水的最低水平仍然保持在半纖維素水解所需水平上，以使得產(chǎn)生高于7%的糖濃度。
水解的停留時間在O. 001秒至30天之 間，其提供定量或幾乎定量的水解。
確定具有每一催化劑配方的酸性催化液體的溫度增加最高至但不包含催化液體的沸點(diǎn)?？梢酝ㄟ^提供具有壓力的高壓容器，利用最高至220攝氏度的較高溫度，所述壓力與抑制特定催化劑溶液沸騰所需相對應(yīng)。
同一分批過程的多個行列可以按順序操作，從而穩(wěn)定產(chǎn)生糖、蛋白、礦物質(zhì)的半纖維水解物、一些木質(zhì)素和其他水解物，并減少糖循環(huán)的停留時間，以確保糖的質(zhì)量。
殘留纖維素-木質(zhì)素的機(jī)械分離
半纖維素水解完成后，分離含有半纖維素糖和其他可提取物的第二液體提取物和含有半纖維素-木質(zhì)素固體的固體部分(11)?？梢允褂玫臋C(jī)械分離設(shè)備包括離心、螺旋壓榨機(jī)、壓帶機(jī)、板框壓榨機(jī)、帶有壓力帶的滾筒鼓式過濾器或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何固體-液體機(jī)械分離設(shè)備。
應(yīng)用熱能可以使經(jīng)機(jī)械分離的纖維素-木質(zhì)素生物質(zhì)完全干燥(13)，其中將經(jīng)回收、濃縮的催化劑液體應(yīng)用至進(jìn)入的生物質(zhì)或應(yīng)用入半纖維素水解容器中(14)。任選地，可以利用下面描述的熱交換干燥器方法使催化劑液體濃縮。
一經(jīng)分離，對含有經(jīng)水解的纖維素糖和其他可提取物的第二液體提取物進(jìn)行以下步驟
1、將液體第二提取物和酸催化劑回收入半纖維素水解(12)
2、通過重復(fù)進(jìn)行加入新生物質(zhì)、半纖維素水解、機(jī)械分離以及回收催化劑和液體產(chǎn)物的過程，使可提取物增加，直至產(chǎn)物濃度在7%以上
3、適宜時，將含有半纖維素可提取物的第二液體提取物液體流轉(zhuǎn)移，并應(yīng)用熱能以沸騰去掉酸性催化劑，產(chǎn)生干的半纖維素可提取物(15)。此處可以實(shí)施下面描述的熱交換干燥器方法。
4、由將第二液體提取物沸騰而濃縮的酸性催化劑
a.直接應(yīng)用于半纖維素水解(9)，或
b.應(yīng)用至進(jìn)入的生物質(zhì)(la、lb)。
木質(zhì)素提取
如果沒有在半纖維素之前或同時提取木質(zhì)素，則纖維素含有不同比率的木質(zhì)素， 這取決于生物質(zhì)的類型以及木質(zhì)素的原始含量。
可以將來自半纖維素干燥系統(tǒng)(13)的經(jīng)干燥的纖維素-木質(zhì)素微纖維從干燥器中移去，并引入木質(zhì)素水解管或池中。接著可以將木質(zhì)素與已回收、經(jīng)水解的木質(zhì)素堿性化學(xué)漿液混合(17、20)，任選地用高剪切和/或空化作用進(jìn)行處理。接著在I個大氣壓以及堿性-水的水解溶液冰點(diǎn)以上I度最高至但不包含所述堿性-水的水解溶液沸點(diǎn)的溫度下對所得漿液進(jìn)行處理，或在更高壓以及最高至但不包含木質(zhì)素-纖維素微纖維中纖維素級分的水解溫度的溫度(優(yōu)選大約170攝氏度以下)下進(jìn)行處理。
當(dāng)所有或基本上所有的木質(zhì)素液化時，開始對漿液進(jìn)行機(jī)械分離，從而從殘留的纖維素(18)中分離已液化的木質(zhì)素和堿性催化劑溶液?？梢约尤胄碌睦w維素-木質(zhì)素和已制備的堿性催化劑，從而使產(chǎn)物濃度開始增加，以達(dá)到最大產(chǎn)物濃度(20)，同時重復(fù)進(jìn)行機(jī)械分離，直至已液化木質(zhì)素達(dá)到保持能夠抽吸的最大粘度，從而將高百分比的木質(zhì)素液化。 可以通過離心泵或螺桿泵、高剪切和/或空化設(shè)備對木質(zhì)素漿液進(jìn)行抽吸。如果該過程以如上面概述的分批形式運(yùn)行，則當(dāng)木質(zhì)素產(chǎn)物達(dá)到最佳濃度時，對全部已液化的木質(zhì)素漿液進(jìn)行加工，以通過沸騰水而回收木質(zhì)素(22 )。任選地,在進(jìn)行任何機(jī)械分離前中和衆(zhòng)液的 PH，以使木質(zhì)素沉淀。
如果該過程以持續(xù)的木質(zhì)素液化過程運(yùn)行，用酸調(diào)節(jié)已液化木質(zhì)素次級流(secondary stream)的pH,從而使木質(zhì)素沉淀。任選地利用產(chǎn)生氣泡的鼓泡設(shè)備使木質(zhì)素提升并集中，將木質(zhì)素機(jī)械分離出來，接著沸騰，從而分離木質(zhì)素并使木質(zhì)素中的水干燥， 產(chǎn)生干木質(zhì)素(22)。在這種情況下，隨著新鮮纖維素-木質(zhì)素和所制備堿性化學(xué)品的加入， 最初已液化的木質(zhì)素液體流和催化劑持續(xù)被回收，直至已液化的木質(zhì)素產(chǎn)品達(dá)到最佳粘度和產(chǎn)物濃度，超過所述粘度即過高而不能抽吸。任選地，可以使用利用水一次或多次的清洗循環(huán)，從而將更多木質(zhì)素從殘留的纖維素固體中清除出來。
可以將經(jīng)機(jī)械分離的纖維素干燥(19)至百分比足以在濃強(qiáng)酸水解過程(23a)中發(fā)生水解的濕度，或可以使其與水混合從而形成漿液以進(jìn)行低濃度強(qiáng)酸水解(23b)。
纖維素水 侖軍
在該過程中，可以如下將纖維素水解為葡萄糖。用于將纖維素水解為葡萄糖的纖維素漿液可以通過將干燥的或基本上干燥的纖維素(來自(19))與以下之一混合而形成
·濃強(qiáng)酸，在這種情況下，使 漿液保持在I個大氣壓和冰點(diǎn)以上至少I度下；或
·水和稀強(qiáng)酸，在這種情況下，使?jié){液保持在足以將纖維素水解為葡萄糖的溫度 (即170-250攝氏度)下。
水和稀強(qiáng)酸以及濃縮的溫和酸(mild acid)，其中使?jié){液保持在足以將纖維素水解為葡萄糖的溫度(170-250攝氏度)下；
水解將進(jìn)行一段時間，優(yōu)選O. 0001秒至30天的時間。
在該過程的一個實(shí)施方式中，對從上面所描述的木質(zhì)素提取步驟(23a)中提取的纖維素應(yīng)用強(qiáng)酸和水，優(yōu)選低沸點(diǎn)的強(qiáng)酸，其濃度為O. 001%至10%，優(yōu)選小于1%。
在另一個實(shí)施方式中，在壓力以及170攝氏度和220攝氏度之間的溫度下將濃度為O. 001%至10%的強(qiáng)酸(優(yōu)選低沸點(diǎn)的強(qiáng)酸)對纖維素應(yīng)用O. 0001秒至30天，以使所有或基本上所有的纖維素完全水解或所有纖維素水解50%以上。
在上面描述的每一種酸組合中，通過任選地應(yīng)用剪切、高剪切或空化作用使水解增強(qiáng)，同時將額外的纖維素加入到漿液中，從而使糖濃度增加。
纖維素水解一經(jīng)完成，漿液
進(jìn)行pH中和，以用于下游加工中；或
沸騰，實(shí)施下面的干燥方法，其中糖從催化劑中分離出來，利用下面描述的干燥方法對催化劑進(jìn)行回收和再濃縮。
利用濃強(qiáng)酸進(jìn)行纖維素水解
除非另有注釋，本章節(jié)內(nèi)的所有數(shù)字參考圖3。在一個實(shí)施方式中，應(yīng)用圖 1[2]-[7]中使顆粒減小和對生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理的方法。在該變體中，在低溫下(I攝氏度至 118攝氏度之間)將小尺寸的干或高固體的生物質(zhì)纖維引入低沸點(diǎn)的強(qiáng)酸和水中。使溶液中水相對于強(qiáng)酸催化劑濃度以及相對于凈生物質(zhì)的比率保持在使促進(jìn)水解所需的水最小化所需的比例中[9]。在該加工期間，隨著生物質(zhì)纖維水解，任選地在不同時間點(diǎn)進(jìn)行混合或應(yīng)用高剪切力和/或空化作用(圖3[9-2])。在水解過程中，持續(xù)引入額外的干燥或基本上干燥的生物質(zhì)精細(xì)纖維(取決于水解所需的水)。使所得溶液保持足以達(dá)到最佳水解速率和最佳產(chǎn)率的粘度，理想地是以質(zhì)量計(jì)80%以上的濃度。粘度應(yīng)當(dāng)使得能夠混合(圖3[8-2]) 和流動同時能夠抽吸。
通過應(yīng)用熱能對由酸、水、糖、木質(zhì)素、氨基酸和礦物質(zhì)組成的高粘度生物質(zhì)水解物漿液進(jìn)行干燥，或者可選地對其進(jìn)行提取并泵至高壓區(qū)。還可以通過加壓接著釋放入低壓區(qū)同時應(yīng)用熱能，從而使其干燥。其可以是對固體表面的噴霧干燥，或通過施加壓力以及任選地足夠高以在壓力釋放后提供快速干燥和干燥程度的熱能進(jìn)行干燥。任選地，還施加真空，從而降低酸性催化劑的沸點(diǎn)溫度?？梢詫?shí)施本文中描述的干燥方法，以產(chǎn)生干產(chǎn)物。
將水解物固體機(jī)械刮下，并移入濃縮固體的螺旋機(jī)或其它設(shè)備，所述其它設(shè)備從吹下區(qū)(blow down zone)中去除干燥或部分干燥的水解物及其熱能。如果包含糖、木質(zhì)素、 氨基酸和礦物質(zhì)的水解物未完全干燥掉揮發(fā)性酸溶液，在I個大氣壓的干燥器中對其進(jìn)行干燥，或?qū)⑵湟胝婵罩幸越档退嵝源呋瘎┑姆悬c(diǎn)，其中酸性催化劑被快速沸騰，以產(chǎn)生干產(chǎn)物。利用包括本文中所描述的干燥設(shè)計(jì)的熱交換器使酸蒸汽冷凝?；蛘撸箵]發(fā)性酸蒸汽冷凝到新的、未水解的生物質(zhì)上。
半纖維素、木質(zhì)素和葡萄糖產(chǎn)物回收中的噴霧干燥方法
在一個干燥和分離的實(shí)施方式中，將用于沸騰的漿液提取物抽吸入高壓區(qū)，所述高壓區(qū)中任選地可以利用具有或不具有設(shè)備受再加壓側(cè)(recompression side)的空化設(shè)備或者高壓噴霧噴嘴作為漿液沸騰的釋放方法。接著將漿液吹下，進(jìn)入低壓區(qū)，同時任選地直接或間接加熱。任選地利用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的噴霧干燥系統(tǒng)對漿液進(jìn)行噴霧干燥， 以有利干燥。將所得干燥或基本上干燥的固體快速刮下，并移至分離區(qū)，以進(jìn)一步進(jìn)行低壓干燥[14]，或進(jìn)行干產(chǎn)物回收[14-2]。在一個實(shí)施方式中，對經(jīng)提取的漿液施加真空，以降低液體級分的沸點(diǎn)，保護(hù)水解產(chǎn)物。
熱交換干燥和回收方法
關(guān)于圖3，在一個實(shí)施方式中，從由糖、催化劑和未溶解的生物質(zhì)固體組成的水解系統(tǒng)(304)中提取接近于或剛剛低于溶液沸點(diǎn)的糖溶液。通過壓帶機(jī)、板框壓榨機(jī)、螺旋壓榨機(jī)、離心機(jī)或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何類型的固體液體分離方法施加機(jī)械壓力(303)。 在生物 質(zhì)干燥器中對含有殘留液體的固體進(jìn)行干燥(305)。任選地對由上面描述的分離方法提取的液體級分進(jìn)行額外的過濾，從而進(jìn)一步凈化固體的液體流。
糖溶液穿過熱交換器，通過所述熱交換器施加額外的熱能(302)。通常熱能轉(zhuǎn)移自來自干燥階段內(nèi)的回收蒸汽，其中任選地在熱交換器之前包含壓縮機(jī)，以增加蒸汽的壓力和溫度(301 )。糖溶液立即進(jìn)入膨脹室，通常是具有循環(huán)油或在糖溶液沸點(diǎn)以上的溫度下適于傳送熱量的其他液體的雙壁容器(309)。任選地,具有葉片的旋轉(zhuǎn)軸(spinning shaft) 在膨脹室內(nèi)轉(zhuǎn)動，其中葉片緊貼室壁運(yùn)行，隨著其落至室底，其使糖中的液體分散并輔助將液體去除。將糖和蒸汽輸送出膨脹室，進(jìn)入固體-蒸汽分離區(qū)(308)，其中蒸汽上升至熱交換器(306)，而糖進(jìn)一步輸送入最終的糖干燥器中(307)。經(jīng)過熱交換器(306)的蒸汽將熱能交換入膨脹室的雙壁，以使溫度保持在所進(jìn)入糖溶液的沸點(diǎn)以上，具有蒸汽平衡繼續(xù)進(jìn)入任選的壓縮機(jī)(301)和/或所進(jìn)入糖溶液抽吸通過的熱交換器。
或者，當(dāng)使用低沸點(diǎn)的濃強(qiáng)酸時，實(shí)施上面描述的沸騰和干燥方法，利用熱交換器通過將沸騰所需能量與冷凝所需能量交換而使能量守恒，從而分離產(chǎn)物和催化劑，以使催化劑在方法中再利用。
葡萄糖儲存
可以將由本發(fā)明的方法產(chǎn)生的葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖和其他痕量糖、蛋白、氨基酸、木質(zhì)素、鞣酸、礦物質(zhì)以及來源于生物質(zhì)的其他痕量提取物儲存于定制的儲存系統(tǒng)中，以防止發(fā)霉、昆蟲和動物的問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為能夠接受含有葡萄糖的大塑料袋，其中袋子緊密放置于儲存結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而使袋子周圍的空間最小化。濕度、害蟲和有機(jī)污染控制的選擇包括小空調(diào)系統(tǒng)、或使昆蟲不可能生存的真空、氣體或用于延長的時間巾貞(extended timeframe)的其他質(zhì)量控制工具。
牛物質(zhì)給料
術(shù)語“生物質(zhì)”包括在可更新的基礎(chǔ)上可用的任何濕或干的有機(jī)物質(zhì)(整個的，其級分和/或其任何組分)，例如專用的能源作物和樹木、農(nóng)產(chǎn)品和飼料作物、農(nóng)業(yè)作物廢料和殘留物、木材廢料和殘留物、水生植物、動物廢棄物(animal wastes)、城市固體廢棄物 (municipal solid wastes)、未經(jīng)處理的污水或加工后的污水固體以及其他廢棄材料。這種生物質(zhì)材料可以用作本發(fā)明方法的原材料。相關(guān)生物質(zhì)來源的額外示例包括但不限于含有纖維素的材料(例如谷物纖維、干草、糖甘蔗渣)、含有淀粉的纖維質(zhì)材料(例如糧食、作物殘留物、新聞用紙、紙、污水泥漿、水生植物、木屑、院落廢棄物)、其組分、其級分以及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何其他原材料或生物質(zhì)材料?？梢詽撛诘貙⒑心举|(zhì)纖維素的纖維精制為糖、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素和化學(xué)品。
一般來講，本文中使用的術(shù)語“生物質(zhì)”可以包括任何基于碳的材料。因此生物質(zhì)可以包括但不限于樹、草、麥桿、谷皮、桿、莖、葉、水生植物(例如鳳眼蘭(water hyacinths)、浮萍)、紙、木材等。優(yōu)選最常用的材料的草。草的示例包括但不限于類地經(jīng)草(Axonpus affinis)和地經(jīng)草(Axonpus compressus)、娛蟻草(centipede grass) (假儉草(Eremochloa ophiuroides))、水牛草(buffalo grass)(野牛草(Buchloe dactyloides))、腿風(fēng)草(hurricane grass)(也被稱為西蒙草(Seymour grass)(孔穎草(Bothriochloa pertusa))和海濱雀稗(seashore paspalum)(海雀稗(Paspalum vaginatum))?？梢允褂玫钠渌莅ㄔ缡旌?Poa)、P. schistacea、P. xenica、野青茅 (Deyeuxia lacustris)、Dichelachne lautumia、巴拉草(Brachiaria Mutica)、菖蒲 (acorus)、須芒草(andropogon)、苔草(carex)、高羊茅(festuca)、甜茅(glyceria)、莫利納(molina)酢、黍(panicum)、草蘆(phalaris)、大米草(spartina)、鼠尾粟(sporobolus) 和芒草(miscanthus)。
可以用于方法中的其他類型的生物質(zhì)包括來源于加工例如燕麥或稻殼、罐裝食品廢棄物或者其他精制或加工廢料的任何類型的生物質(zhì)、麥桿、秸桿或以松散的、成捆的、 青貯的(ensiled)、堆疊的或農(nóng)業(yè)或收割中常用的任何其他格局收集的任何類型的天然生物質(zhì)、未經(jīng)處理的污水固體或以任何濃度從污水廠收集的干或濕的加工后污水泥漿(在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中可以對未經(jīng)處理、未解決的污水進(jìn)行過濾，以使固體聚集)、水生植物(例如水藻和水仙或任何類型的水生植物)。
本發(fā)明中使用的漿液器材類型
可以使用幾種機(jī)器機(jī)械地減小生物質(zhì)的顆粒尺寸。
將漿液中大的生物質(zhì)加工成較小顆粒的一種可選工具是“圓錐形工具(conical tools)”0^|^nSupraton Conical Tool)。在 Supraton 設(shè)備中，轉(zhuǎn)子用螺栓固定到軸上， 定子用螺栓固定入端板(end plate)，但是不同的模型或品牌可以使用不同類型的內(nèi)部系統(tǒng)構(gòu)造)。一般來講，圓錐形工具是兩個圓錐形內(nèi)部浸潤組件的一組轉(zhuǎn)子-定子，所述組件具有匹配的鋸齒狀面。兩個面之間存在小間距的可調(diào)節(jié)通道，其具有一個移動的轉(zhuǎn)子和一個靜止的定子組件。總地來講，隨著生物質(zhì)漿液進(jìn)入系統(tǒng)以及接著由于任何上游外部力量和蘇博雷頓(Supraton)的離心泵力通過離心強(qiáng)制進(jìn)入兩個面之間，組件發(fā)生剪切。較大的生物質(zhì)顆粒被切碎和撕碎，使得產(chǎn)生較小的顆粒。
很多其他類型和品牌的漿液剪切和空化方法機(jī)器是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的， 包括 IKA、IKA HED> Silverson、Greerco> Arisdyne、空化作用技術(shù)公司(Cavitation Technologies, Inc.)以及其他?；蛘呋蚺c圓錐形工具設(shè)計(jì)聯(lián)合,可以應(yīng)用HED型“衆(zhòng)液粉碎”泵，從而在無空化力的情況下使生物質(zhì)顆粒的尺寸進(jìn)一步減小，其具有單個轉(zhuǎn)子和單個定子篩網(wǎng)，所述定子篩網(wǎng)具有定制的篩網(wǎng)孔尺寸，其直徑大至50毫米，小至O. 25毫米。這種粉碎泵幾乎不產(chǎn)生空化作用，但是產(chǎn)生剪切，其中漿液的水流被劇烈分裂以使顆粒尺寸減小，并且能夠由于定子中較小的孔尺寸而變得更強(qiáng)烈。
任何剪切或空化設(shè)備可以應(yīng)用多次，從而達(dá)到機(jī)械地減少顆粒尺寸的特定結(jié)果， 或其可以與化學(xué)催化劑和熱能聯(lián)合使用，從而達(dá)到不同的水解速率和程度(包括定量水解)，并破壞細(xì)胞以促進(jìn)液體的機(jī)械提取。本發(fā)明中可以使用的空化設(shè)備的示例是由BWS、空化作用技術(shù)公司(Cavitation Technologies, Inc. )、Arisdyne制造的那些或可以用于產(chǎn)生空化作用的任何其他生產(chǎn)商的機(jī)器。一些空化設(shè)備可以利用小至O. 25毫米的孔，從而產(chǎn)生不同水平的空化剪切。在具有交叉式轉(zhuǎn)子-定子設(shè)計(jì)的空化設(shè)備中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的英尺每秒速率可以在每秒50英尺至每秒400 英尺的范圍內(nèi)。通過轉(zhuǎn)子-定子設(shè)計(jì)中孔的進(jìn)入側(cè)處轉(zhuǎn)子的抽吸作用誘導(dǎo)產(chǎn)生壓力，從而產(chǎn)生空化作用，其中孔的出口側(cè)具有較低壓力，或者泵和噴嘴設(shè)計(jì)中具有單個孔。單個噴嘴的工具是轉(zhuǎn)子-定子機(jī)器的變形，因?yàn)閲娮烊肟谏戏降膲毫τ蓡蝹€噴嘴機(jī)器內(nèi)獨(dú)立的位置中產(chǎn)生。任選地任何類型的空化設(shè)備均可用于本發(fā)明中，這取決于特定方法的需要以及具體機(jī)器的優(yōu)勢?？栈瘷C(jī)器類型的組合任選地可以用于包括例如干燥方法中。
權(quán)利要求
1.對已制備的生物質(zhì)進(jìn)行精制以產(chǎn)生溶液中具有半纖維素水解物的漿液的方法，所述方法包括以下步驟a.通過應(yīng)用熱能以及機(jī)械剪切或空化作用以對所述已制備的生物質(zhì)的至少一部分細(xì)胞進(jìn)行穿孔，在催化劑溶液中從所述已制備的生物質(zhì)中提取痕量糖和可提取物，以產(chǎn)生第一漿液，所述第一漿液具有包含半纖維素和纖維素的第一固體部分以及溶液中包含可提取物的第一液體部分；b.機(jī)械地分離所述第一固體部分和所述第一液體部分；和c.通過在含有催化劑的溶液中對生物質(zhì)應(yīng)用機(jī)械剪切或空化作用，水解所述生物質(zhì)中的半纖維素，以產(chǎn)生第二漿液，所述第二漿液具有包含纖維素的第二固體部分以及溶液中包含半纖維素水解物的第二液體部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟d.機(jī)械地分離所述第二固體部分和所述第二液體部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟e.在至少一種強(qiáng)酸存在下水解所述第二固體部分中的纖維素，以產(chǎn)生包含糖的溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，對所述第二液體部分進(jìn)行加熱，以去除步驟d中的水分和所述催化劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，將所述第二液體部分的剩余物收回，并將其加入到本方法中，以在步驟c中水解額外的半纖維素。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其中，所述第一固體部分或第二固體部分包含木質(zhì)素，所述方法進(jìn)一步包括在步驟e前通過應(yīng)用機(jī)械剪切或空化作用在催化劑溶液中水解第一固體部分或第二固體部分中的木質(zhì)素的步驟；以及機(jī)械地分離經(jīng)水解木質(zhì)素的液體部分和第一固體部分或第二固體部分的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，在臨近所述水解木質(zhì)素的步驟前對所述第一或第二固體部分進(jìn)行加熱，以去除水分和所述催化劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，重復(fù)進(jìn)行水解木質(zhì)素的步驟，以在機(jī)械分離步驟前濃縮溶液中的木質(zhì)素。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，將所述催化劑和水分收回，并用于在步驟c中水解半纖維素。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，將所述經(jīng)水解木質(zhì)素的液體部分與第一液體部分混合，并重復(fù)進(jìn)行步驟C，以濃縮溶液中的半纖維素。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，重復(fù)進(jìn)行步驟c.至步驟e.，以使包含糖的溶液中的糖濃度增高至以質(zhì)量計(jì)大于15%。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，步驟c.中的所述催化劑是弱酸和至少一種強(qiáng)酸的組合。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，步驟c.中的所述催化劑是強(qiáng)酸。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在步驟a.中，被穿孔細(xì)胞的部分是至少30%。
15.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在步驟a.中應(yīng)用強(qiáng)酸。
16.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，將所述第二液體部分沸騰，以從第二液體部分的剩余物中分離半纖維素和第二液體部分的剩余物，并將所述第二液體部分的剩余物加入到本方法中，以在步驟c中水解額外的半木質(zhì)纖維素。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟a.、步驟c.或步驟e.的任意之一，或者它們的任意組合，在大氣壓下進(jìn)行。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，溶液中弱酸的濃度在以體積計(jì)O.001%至90%之間的范圍內(nèi)，并且溶液中所述至少一種其他強(qiáng)酸的濃度在以體積計(jì)O. 001%至3%之間的范圍內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟c.在(TC以上且118°C以下的溫度下進(jìn)行。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至19中任一項(xiàng)所述的方法，其中，將弱酸加入到溶液中，至以體積計(jì)60%至80%之間的濃度。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述至少一種其他強(qiáng)酸以體積計(jì)O.001%至1%之間的濃度存在。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至21中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述催化劑溶液是堿性的。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述催化劑溶液是酸性的。
24.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，至少一部分可提取物還在步驟a.中水解，并在步驟b.中去除。
25.根據(jù)權(quán)利要求3或9所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括對所述包含糖的溶液進(jìn)行干燥，其中通過a.將所述包含糖的溶液弓I入膨脹室中，所述膨脹室中具有用于將膨脹室加熱至所述包含糖的溶液的沸點(diǎn)以上溫度的工具，b.將糖和蒸汽輸送出膨脹室，進(jìn)入固體-蒸汽分離區(qū)，其中蒸汽上升至熱交換器，而糖進(jìn)一步輸送入最終的糖干燥器中其中通過所述熱交換器的蒸汽與用于對所述膨脹室進(jìn)行加熱以使所述膨脹室的溫度保持在所進(jìn)入糖溶液的沸點(diǎn)以上溫度的工具交換熱能。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，用于對所述膨脹室進(jìn)行加熱的工具是包圍所述膨脹室的第二室，來自熱交換器的流體循環(huán)進(jìn)入所述第二室中。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述膨脹室進(jìn)一步包含具有葉片的旋轉(zhuǎn)軸，其在所述膨脹室內(nèi)轉(zhuǎn)動，以使所述包含糖的溶液分散至所述膨脹室的四周。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述蒸汽繼續(xù)進(jìn)入壓縮機(jī)和/或包含糖的溶液在進(jìn)入膨脹室前抽吸通過的第二熱交換器，以對所進(jìn)入的包含糖的溶液進(jìn)行加熱。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述糖包含葡萄糖。
30.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括對第二固體部分進(jìn)行干燥，以去除水分和弱酸，產(chǎn)生干纖維素。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，乙酸作為水解產(chǎn)物產(chǎn)生，且所述乙酸被回收并用作催化劑。
32.對纖維素進(jìn)行精制以產(chǎn)生包含糖的溶液的方法，所述方法包括以下步驟a.在催化劑存在下水解纖維素，以產(chǎn)生包含糖的溶液；和b.機(jī)械地分尚糖固體部分和所述液體部分。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，重復(fù)進(jìn)行步驟a.，其中加入額外的纖維素，以在機(jī)械分離步驟前對溶液中的糖進(jìn)行濃縮。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，將所述催化劑和水分收回，并用于在步驟c中水解半纖維素。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，重復(fù)進(jìn)行步驟a.，以使包含糖的溶液中的糖濃度增高至以質(zhì)量計(jì)大于15%。
36.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，步驟a.中的所述催化劑是弱酸和至少一種強(qiáng)酸的組合。
37.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，步驟a.中的所述催化劑是強(qiáng)酸。
38.根據(jù)權(quán)利要求37中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法在大氣壓下進(jìn)行。
39.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，溶液中弱酸的濃度在以體積計(jì)O.001%至90% 之間的范圍內(nèi)，并且溶液中至少一種其他強(qiáng)酸的濃度在以體積計(jì)O. 001%至3%之間的范圍內(nèi)。
40.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，所述方法在0°C以上且118°C以下的溫度下進(jìn)行。
41.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，將弱酸加入到溶液中，至以體積計(jì)60%至80% 之間的濃度。
42.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，所述至少一種其他強(qiáng)酸以體積計(jì)O.001%至1% 之間的濃度存在。
43.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，所述催化劑溶液是堿性的。
44.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，所述催化劑溶液是酸性的。
45.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括對包含糖的溶液進(jìn)行干燥，其中通過c.將所述包含糖的溶液弓I入膨脹室中，所述膨脹室中具有用于將膨脹室加熱至所述包含糖的溶液的沸點(diǎn)以上溫度的工具，d.將糖和蒸汽輸送出膨脹室，進(jìn)入固體-蒸汽分離區(qū)，其中蒸汽上升至熱交換器，而糖進(jìn)一步輸送入最終的糖干燥器中其中通過所述熱交換器的蒸汽與用于對所述膨脹室進(jìn)行加熱以使所述膨脹室的溫度保持在所進(jìn)入糖溶液的沸點(diǎn)以上溫度的工具交換熱能。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，用于對所述膨脹室進(jìn)行加熱的工具是包圍所述膨脹室的第二室，來自熱交換器的流體循環(huán)進(jìn)入所述第二室中。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，所述膨脹室進(jìn)一步包含具有葉片的旋轉(zhuǎn)軸，其在所述膨脹室內(nèi)轉(zhuǎn)動，以使所述包含糖的溶液分散至所述膨脹室的四周。
48.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，所述蒸汽繼續(xù)進(jìn)入壓縮機(jī)和/或包含糖的溶液在進(jìn)入膨脹室前抽吸通過的第二熱交換器，以對所進(jìn)入的包含糖的溶液進(jìn)行加熱。
49.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，所述糖包含葡萄糖。
全文摘要
本發(fā)明涉及對已制備的生物質(zhì)進(jìn)行精制以產(chǎn)生半纖維素水解物、纖維素或糖的方法，所述方法包括在水解所述生物質(zhì)前對已制備的生物質(zhì)的至少一部分細(xì)胞進(jìn)行穿孔、將水解中使用的催化劑收回以進(jìn)行進(jìn)一步水解以及利用從該方法的先前步驟中收回的熱能對水解物進(jìn)行干燥。
文檔編號C12P7/10GK103003435SQ201180034448
公開日2013年3月27日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者歐內(nèi)斯特·斯圖爾特 申請人:歐內(nèi)斯特·斯圖爾特