[發明專利]在纖維素生物質固體的水熱消解過程中通過粘度降低而加工木質素的方法和系統

有效

• 申請號: 201380055360.5
• 申請日: 2013-10-24
• 公開（公告）號: CN104755590A
• 公開（公告）日: 2015-07-01
• 發明（設計）人: J·N·切達;K·A·約翰遜;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: C10G1/06
• 分類號: C10G1/06;D21C9/00;G01N11/00
• 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

本申請要求待審的2012年10月31日提交的美國臨時專利申請系列No.61/720,765和2013年3月12日提交的美國臨時專利申請系列No?61/777,673的權益。

技術領域

本公開通常涉及纖維素生物質固體的消解(digestion)，且更具體地涉及構造用于降低可在纖維素生物質固體的水熱消解過程中獲得的包含木質素的酚類物質液相(phenolics?liquid?phase)的粘度的系統。

背景技術

具有商業意義的多種物質可由天然來源(包括生物質)制得。就此而言，纖維素生物質由于其中存在的多種形式的豐富碳水化合物的多功能性可以是特別有利的。如本文所用，術語“纖維素生物質”指含有纖維素的存活的或近期存活的生物材料。存在于高等植物的細胞壁中的木質纖維素材料為世界上最大的碳水化合物來源。通常由纖維素生物質制得的材料可包括例如經由部分消解的紙和制漿木材，以及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。初生細胞壁提供用于擴大細胞的結構支撐，并含有三種主要的多糖(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，并通過共價交聯至半纖維素的聚合木質素加強。半纖維素和果膠通常豐富存在，但是纖維素是主要的多糖和最豐富的碳水化合物來源。與纖維素共存的成分的復雜混合物可使得其加工困難，如下文所述。特別地，木質素可為尤其難以處理的成分。

顯著關注開發衍生自可再生資源的化石燃料替代品。就此而言，纖維素生物質由于其豐度和其中存在的各種成分(特別是纖維素和其他碳水化合物)的多功能性而獲得特別的關注。盡管具有前景和強烈關注，但生物基燃料技術的發展和實施緩慢。現有技術迄今為止生產具有低能量密度(例如生物乙醇)和/或與現有發動機設計和運輸基本設施不完全相容(例如甲醇，生物柴油、Fischer-Tropsch柴油、氫氣和甲烷)的燃料。此外，常規生物基方法已生產難以進一步加工的在稀釋水溶液(>50重量％的水)中的中間體。用于將纖維素生物質加工成與化石燃料具有類似組成的燃料共混物的能量有效且成本有效的方法對于解決前述問題等是高度希望的。

當將纖維素生物質轉化成燃料共混物和其他材料時，其中的纖維素和其他復雜碳水化合物可被萃取并轉變成更簡單的有機分子，所述更簡單的分子可在之后進一步重整。發酵為可將來自纖維素生物質的復雜碳水化合物轉化為更可用的形式的一種過程。然而，發酵過程通常緩慢，需要大體積的反應器和高稀釋條件，并產生具有低能量密度的初始反應產物(乙醇)。消解為可將纖維素和其他復雜碳水化合物轉化為更可用的形式的另一方式。消解過程可將纖維素生物質內的纖維素和其他復雜碳水化合物分解成適于通過下游重整反應而進一步轉換的更簡單的可溶性碳水化合物。如本文所用，術語“可溶性碳水化合物”指在消解過程中變得溶解的單糖或多糖。盡管理解消解纖維素和其他復雜碳水化合物，并將簡單的碳水化合物進一步轉換成表示存在于化石燃料中的那些的有機化合物背后的基礎化學，但仍然沒有開發適于將纖維素生物質轉化為燃料共混物的高產率且能量有效的消解過程。就此而言，與使用消解和其他過程將纖維素生物質轉化為燃料共混物相關的最基本的要求是引起轉化所需的能量輸入不應大于產物燃料共混物的可得能量輸出。該基本要求導致多個次生問題，所述多個次生問題共同呈現迄今為止未解決的巨大工程挑戰。

與使用消解以能量有效且成本有效的方式將纖維素生物質轉化為燃料共混物相關的問題不僅復雜，而且完全不同于在紙和制漿木材工業中所通常使用的消解過程中遇到的那些問題。由于在紙和制漿木材工業中的纖維素生物質消解的目的在于保留固體材料(例如木漿)，通常在低溫(例如小于約100℃)下進行不完全消解達相當短的時間段。相比之下，適用于將纖維素生物質轉化為燃料共混物和其他材料的消解過程理想地構造為通過以高通量的方式盡可能多地溶解原始纖維素生物質裝料而使產率達到最大。紙和制漿木材消解過程也通常在紙漿形成之前從原纖維素生物質中去除木質素。盡管與形成燃料共混物和其他材料相關而使用的消解過程可同樣在消解之前去除木質素，但這些額外的過程步驟可影響生物質轉化過程的能量效率和成本。在高轉化率纖維素生物質消解過程中木質素的存在可能特別地成問題。