[發明專利]在漿料催化劑和可煮解過濾助劑存在下水熱煮解纖維質生物質固體的方法

有效

• 申請號: 201380034082.5
• 申請日: 2013-06-27
• 公開（公告）號: CN104520500A
• 公開（公告）日: 2015-04-15
• 發明（設計）人: G·C·康普林;J·B·鮑威爾
• 申請（專利權）人: 國際殼牌研究有限公司
• 主分類號: D21C3/22
• 分類號: D21C3/22;C12P19/02;C10L1/04;C10L5/44;C13K1/02;C10G3/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 汪宇偉

與相關申請的交叉引用

本申請要求2012年6月28日提交的美國專利申請No.61/665,727的益處。

發明領域

本申請一般涉及煮解，和更特別地涉及在煮解纖維質生物質固體的同時將漿料催化劑保留于希望位置的方法。

發明背景

許多具有商業意義的物質可以制備自包括生物質的天然來源。在這方面，纖維質生物質可以是特別有利的，原因在于其中以各種形式存在的豐富碳水化合物的多功能性。如本文所用，術語纖維質生物質是指含有纖維素的活的或最近活的生物學物質。高等植物細胞壁中發現的木質纖維材料是全世界最大的碳水化合物來源。一般制備自纖維質生物質的物質可以包括例如經由部分煮解的紙和紙漿用木材，和通過發酵的生物乙醇。

植物細胞壁分為兩個部分：初生細胞壁和次生細胞壁。初生細胞壁為擴展中的細胞提供結構支持并且含有三種主要多糖(纖維素，果膠，和半纖維素)和一組糖蛋白。在細胞結束生長之后產生的次生細胞壁也含有多糖并且通過共價交聯至半纖維素的聚合物木質素得到強化。半纖維素和果膠一般大量存在，但纖維素是占優勢的多糖和最豐富的碳水化合物來源。與纖維素同時存在的組分的復雜混合物能夠使其處理困難，如下文所討論。

大量注意力已放在開發衍生自可再生資源的化石燃料備擇物。在這方面纖維質生物質已獲得特別注意，原因在于其大量存在和其中各種組分特別是纖維素和其它碳水化合物的多功能性。盡管存在前景且受到密切關注生物基燃料技術的開發和應用已變得緩慢。現有技術迄今已生產了具有低能量密度的燃料(例如生物乙醇)和/或不完全與現有發動機設計和運輸基礎設施相容的燃料(例如，甲醇、生物柴油、Fischer-Tropsch柴油、氫和甲烷)。為了應對前述問題和其它問題，用于將纖維質生物質處理為具有與化石燃料相似組成的燃料共混物的能量-和成本-有效的過程將是高度希望的。

在將纖維質生物質轉化燃料共混物和其它物質的情況下，其中的纖維素和其它復合碳水化合物能夠被提取和轉化為此后能夠進一步重整的更簡單有機分子。發酵一種方法，來自生物質的復合碳水化合物可以通過該方法轉化為更可用的形式。然而，發酵過程一般是緩慢的，需要大體積反應器，和產生具有低能量密度的初始反應產物(乙醇)。煮解是又一種方式，其中纖維素和其它復合碳水化合物可以轉化為更可用的形式。煮解過程能夠將纖維質生物質中的纖維素和其它復合碳水化合物分解為更簡單的可溶碳水化合物，其適于通過下游重整反應進一步轉化。如本文所用，術語可溶碳水化合物是指在煮解過程中變得溶劑化的單糖或多糖。盡管煮解纖維素和其它復合碳水化合物和進一步將簡單碳水化合物轉化為與化石燃料中存在的那些類似的有機化合物所基于的化學知識是已知的，仍然還是需要開發適于將纖維質生物質轉化為燃料共混物的高收率和能量有效的煮解過程。在這方面，用煮解和其它過程將纖維質生物質轉化為燃料共混物的最基礎的要求是，進行轉化所需的能量輸入不應大于產物燃料共混物可獲得的能量輸出。該基礎要求導致許多次級問題，它們共同提出迄今仍未解決的巨大工程挑戰。

與用煮解將纖維質生物質以能量和成本有效的方式轉化燃料共混物有關的問題不僅復雜，并且它們是完全不同于在一般用于紙和紙漿用木材工業的煮解過程中所遭遇的那些。由于紙和紙漿用木材工業中纖維質生物質煮解的目的是保留固體物質(例如木漿)，不完全煮解通常在低溫(例如小于100℃)進行相當短的時間段。與之相對，適于將纖維質生物質轉化燃料共混物和其它物質的煮解過程理想地配置成通過以高通過量方式盡可能溶劑化最初的纖維質生物質加料而使產率最大化。

經由紙和紙漿用木材煮解過程的慣用修飾來產生更大量的用于燃料共混物和其它物質的可溶碳水化合物是不可行的，原因有許多。從通過量角度，簡單將紙和紙漿用木材工業的煮解過程運行更長時間段以產生更可溶的碳水化合物是不希望的。用煮解助催化劑比如強堿、強酸或亞硫酸鹽來加速煮解速率可以增加過程成本和復雜性，原因在于后處理分離步驟和可能需要保護下游組分免受這些試劑影響。通過增加煮解溫度加速煮解速率可以實際上降低產率，原因在于在升高的煮解溫度，尤其是在延長的時間段能夠發生可溶碳水化合物的熱降解。一旦通過煮解產生，可溶碳水化合物是反應性很高的并且能夠快速降解以產生聚焦糖(caramelans)和其它重質尾部餾分降解產物，特別是在較高溫度條件比如高于150℃下。從能量效率角度，使用較高煮解溫度也可以是不希望的。這些困難中任一都能夠挫敗衍生自纖維質生物質的燃料共混物的經濟活力。