Метод и аппарат предварительной обработки лигноцеллюлозы с применением сверхрастворителя целлюлозы и легколетучих растворителей

Метод и аппарат предварительной обработки лигноцеллюлозы с применением сверхрастворителя целлюлозы и легколетучих растворителей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[001] Данная заявка основывается и истребует дату подачи предварительной заявки на патент в США №61/036,813, поданной 14 марта 2008 г., полное описание которой включено в данный документ путем ссылки.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ Область техники, к которой относится изобретение

[002] Настоящее изобретение относится к области альтернативных источников энергии и способов извлечения энергии из этих источников. В частности, настоящее изобретение относится к биологической и биохимической деградации растительного сырья, включая лигноцеллюлозу, для производства энергии для применения в человеческой деятельности.

Описание уровня техники

[003] Получение продуктов на биологической основе и биоэнергии из возобновляемой лигноцеллюлозы является важным для устойчивого развития человеческого индустриального общества перед лицом истощения природных ресурсов, особенно ископаемых топлив, и вследствие этого - накопления атмосферного углекислого газа (CO₂). Также, развитие технологий для эффективного превращения отходов сельского и лесного хозяйства в сбраживаемые сахара предоставляет выдающуюся потенциальную возможность с пользой для государственного интереса США. Кроме того, получение этих биотоплив второго поколения, таких как целлюлозный этанол, из возобновляемой лигноцеллюлозной биомассы, а также биотоплив третьего поколения, таких как водород и электроэнергия, приведет к биоиндустриальной революции, необходимой для перехода от экономики на основе ископаемых топлив к устойчивой экономике на основе углевода. Применение биотоплив предоставит несколько преимуществ, включая уменьшение выбросов парниковых газов, снижение конкуренции в условиях напряженной ситуации с пищевыми ресурсами, усиленное развитие экономики сельского хозяйства, а также повышенная государственная энергобезопасность. Тем не менее, ключевые технологические проблемы в данной области включают открытие новых технологий для производства энергии и уменьшение стоимости технологий для превращения биомассы (первоначально лигноцеллюлозы) в желаемые промышленные изделия на биологической основе и биоэнергию.

[004] Лигноцеллюлозная биомасса, как, например, отходы сельского и лесного хозяйства, городские и промышленные твердые отходы, и травянистые и древесные биоэнергетические растения, является композицией природных комплексов, первоначально состоящей из трех биополимеров: целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина. Лигноцеллюлоза обычно содержит целлюлозу (около 35-50 масс.%), гемицеллюлозу (около 15-35%), и лигнин (около 5-30%), в зависимости от ее происхождения. Природные молекулы целлюлозы встречаются в элементарных фибриллах целлюлозы, которые тесно связаны с другими структурными полисахаридами, такими как гемицеллюлоза, лигнин и пектин.

[005] Эффективное, экономически конкурентоспособное получение сбраживаемых Сахаров из неподатливой биомассы остается наибольшей проблемой для развития биоперерабатывающих заводов для получения целлюлозного этанола. Осахаривание биомассы через биологическое превращение включает в себя две ключевые стадии: предварительную обработку лигноцеллюлозы или фракционирование, за которые следует гидролиз ферментной целлюлозы (и возможно гемицеллюлозы) для получения сбраживаемых Сахаров. Высокие затраты на обработку такого процесса превращения и узкая грань между затратами на сырье для промышленности и стоимостью Сахаров являются ключевыми проблемами для коммерциализации.

[006] Одной из наиболее важных технологических задач является задача преодолеть неподатливость природных лигноцеллюлозных материалов к ферментному гидролизу для получения сбраживаемых Сахаров. Предварительная обработка лигноцеллюлозы является, возможно, наиболее дорогостоящей стадией. Некоторые оценивания устанавливают стоимость около 40% общих затрат на обработку. Кроме того, неподатливость влияет на стоимость большинства других процессов, включая в себя декомпозицию лигноцеллюлозы, включая уменьшение количества лигноцеллюлозы до предварительной обработки. Предварительная обработка лигноцеллюлозных материалов сильно связана с расходами, которые вызывают следующие стадии, включая скорость ферментного гидролиза, введение ферментов, расход энергии перемешивания, концентрация продукта, детоксификация, если образовываются ингибиторы, очистка продукта, выработка энергии, необходимость обработки отходов и другие параметры процесса.

[007] Считается, что неподатливость целлюлозной биомассы к ферментам объясняется 1) сложными связями между несколькими основными полисахаридами, включая целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин, которые уменьшают действие гидролиза целлюлаз, гемицеллюлаз, и лакказ; и 2) характерными свойствами целлюлозного материала, которые включают низкую субстратную доступность для целлюлаз, высокую степень полимеризации (СП) и низкую степень растворимости фрагментов целлюлозы в воде. Таким образом, предварительная обработка лигноцеллюлозных материалов была признана важным шагом в повышении общего выхода продуктов из данных материалов.

[008] Все обработки лигноцеллюлозы можно поделить на четыре основные категории:

1) физические методы, включая сухое измельчение (дробление, размол в шаровой мельнице и измельчение в порошок), мокрое измельчение, облучение, микроволновое облучение, а также вещества, способствующие набуханию (например, ZnCl₂); 2) химические методы, включая разбавленные кислоты (например, разбавленные H₂SO₄, H₃PO₄, HCl, уксусная кислота, муравьиная кислота/HCl), щелочные металлы (например, NaOH, известь, аммиак, амин), органосольвентные, окисляющие вещества (например, О₃, NO, H₂O₂, NaClO₂), целлюлозные растворители (например, кадоксен), DMAc/LiCl, и концентрированный H₂SO₄; 3) физиохимические методы, включая разрушение паром с катализаторами или без них, разрушение посредством CO₂, разрушение целлюлозы аммиаком (AFEX), горячую воду с непрерывным потоком, сверхкритические жидкостные экстракции (например, СО₂, CO₂/H₂O, CO₂/SO₂, NH₃, H₂O); и 4) биологические методы (например, грибки калины).

[009] В последнее время, Консорциум по Применению Основных принципов и Инноваций (CAFI) в отношении переработки биомассы разработали первый скоординированный проект для развития сравнительной информации по выполнению основных параметров предварительной обработки. Консорциум заключил, что наилучшие предварительные обработки включают: разбавленную кислоту, прямоточную предварительную обработку, разрушение целлюлозы аммиаком, повторную фильтрацию с аммиаком (ARP), и предварительную обработку известью. Кроме того, две другие возможные предварительные обработки усиленно изучались в Европе и Канаде: разрушение паром с или без пропитки SO₂ и органосольвентная предварительная обработка. Характерные условия для предварительной обработки биомассы представлены в Таблице 1.

[010]

Таблица 1:
Технологии и типичные условия реакции для предварительной обработки лигноцеллюлозы
Технология предварительной обработки	Используемые химические вещества	Температура, (°С)	Давление, атмосферное абсолютное	Длительность реакций, мин
Разбавленная серная кислота: прямопоток	0.5-3.0% серная кислота	130-200	3-15	2-30
Прямоточная предварительная обработка	0.0-0.1% серная кислота	190-200	20-24	12-24
Предварительная обработка водой с регулируемым уровнем рН	вода или барда	160-190	6-14	10-30
AFEX	100% (1:1) безводный аммиак	70-90	15-20	<5
ARP	10-15 масс.% аммиак	150-170	9-17	10-20
Известь	0.05-0.15 г Са(ОН)2/г биомасса	70-130	1-6	1-6 часов

[011] Несмотря на то, что на протяжении последних нескольких десятилетий были проведены интенсивные исследования предварительной обработки лигноцеллюлозы, современные передовые технологии, включая разбавленную кислоту, SO₂, регулируемый рН, AFEX, ARP, прямоточную, органосольвентную предварительную обработку и предварительную обработку известью, еще не введены в коммерческий оборот в большом масштабе из-за высоких затрат на обработку и больших инвестиционных рисков. Но практически все интенсивно изученные виды предварительной обработки имеют один или несколько общих недостатков: 1) суровые условия предварительной обработки (кроме AFEX), которые вызывают деградацию Сахаров и образование ингибиторов; 2) низкая или недостаточная усваиваемость целлюлозы из-за наличия остаточного лигнина и гемицеллюлозы; 3) высокая норма ввода целлюлазы; 4) низкая скорость гидролиза, потому что значительная фракция предварительно обработанной лигноцеллюлозы остается кристаллической; 5) большое потребление энергоснабжения/энергии; 6) огромное капиталовложения из-за повышения эффективности от роста масштабов производства; и 7) малая совместная утилизация основных компонентов лигноцеллюлозы, кроме органосольвентных.

[012] Предварительная обработка разбавленной кислотой (РК), обычно с применением (разбавленной) серной кислоты, является наиболее исследованным методом предварительной обработки, проводимая при относительно высоких температурах (например, 150-200°С) и давлением (например, 120-200 фунт/дюйм²), предварительная обработка РК повышает растворимость кислотонеустойчивой гемицеллюлозы и таким образом разрушает лигноцеллюлозную композицию связанную ковалентными связями, водородными связями и силами Ван-дер-Ваалъса. В результате, конденсированный лигнин остается на поверхности кристаллической целлюлозы после обработки РК, потенциально затрудняя последующий ферментный гидролиз.

[013] Органосольвентная варка целлюлозы предлагает экологически благоприятные преимущества, меньшее капиталовложение, утилизацию побочных продуктов, и более низкие расходы на перевозку сырья, по сравнению с сульфатной варкой целлюлозы. Органосольвентная предварительная обработка была разработана из органосольвентной варки, и изучалась с целью получения сбраживаемых Сахаров после ферментного гидролиза еще в 1980-х годах. В общем, при органосольвентных предварительных обработках применяют смесь растворителей, экстрагирующих лигнин, которая содержит такие катализаторы как кислоты или щелочные металлы, и водные/органические растворители (например, этанол и метанол), для экстрагирования лигнина в герметически закрывающихся сосудах для варки при высокой температуре и высоком давление.

[014] В настоящее время, способ Лигнола развивается как часть способа получения энергии на заводах по переработке лигноцеллюлозы в Канаде. Согласно этому способу, стадия экстрагирования лигнина проводиться при температуре приблизительно 180-200°С и приблизительно 400 фунт/дюйм² смесью этанол/вода в пределах приблизительно 50:50 (масс./масс.) плюс приблизительно 1% H₂SO₄ в течение 30-90 минут. После органосольвентной предварительной обработки, черный щелочной раствор, который содержит не содержащий серы лигнин, фурфураль, гемицеллюлозные сахара, и другие природные химические вещества, такие как уксусная кислота, далее подвергают обработке для того, чтобы: 1) осадить и выделить лигнин путем разбавления черного щелочного раствора водяным паром, после чего следует фильтрация, промывка и сушка; 2) выделить и переработать этанол путем упаривания горячего черного щелочного раствора и конденсации паров, а также дистиллировать фильтрат и осадок при промывке от осадка лигнина; 3) выделить уксусную кислоту, фурфураль и экстрактивные вещества из дистилляционной колонны, и отделить ксилозу от барды; и 4) превратить олигосахариды гемицеллюлозы в сахара, которые можно сбродить для получения большего количества этанола или других ценных продуктов. В отчете по исследованиям экономической эффективности компании Lignol Innovations Co. речь идет о том, что доходы от множества побочных продуктов, в частности лигнина, этанола, и фракций ксилоза, обеспечат замечательную экономику для небольшого завода (приблизительно 100 метрических тонн в день), что является двадцатой частью затрат на производство у обычных заводах по переработке лигноцеллюлозы.

[015] Осахаривание лигноцеллюлозы концентрированными кислотами является другим общим методом предварительной обработки. Растворение и гидролизация природной целлюлозы в концентрированной серной кислоте, после чего следует разбавление водой, были описаны в литературе еще в 1883 году. Осахаривание пиломатериалов вызывает много технических и экономических проблем, например, кислотоустойчивое оборудование, выделение кислоты и выход конечных Сахаров. Эти проблемы еще не разрешены, несмотря на развитие многочисленных промышленных способов в Германии, Швейцарии, Японии, США и бывшем СССР с начала бывшего века. Протестированными в промышленном масштабе технологиями являются способ Шоллер-Торнеша в 1926, с использованием разбавленной серной кислоты (0.4% H₂SO₄); способ Бергиус-Райнау в 1937, с использованием сверхконцентрированной хлористоводородной кислоты (41% HCl); и способ концентрированной серной кислоты, развитый в 1948, с применением мембраны для разделения сахара и кислоты. В США, способ Мэдисона развивался во времена Второй Мировой Войны как непрерывная, а не прерывающаяся, система, основанная на принципе способа Шоллер-Торнеша. Способы с применением концентрированных кислот имеют такое преимущество как низкая температура реакции, но затраты на устойчивое к воздействию коррозии оборудование - очень высокие. Основными техническими проблемами в использовании концентрированной серной кислоты являются разделение между растворимьм сахаром и твердой кислотой, выделение кислоты и реконцентрация кислоты.

[016] В последнее время, был развит процесс, названный фракционирование лигноцеллюлозы на основе растворителя целлюлозы и органического растворителя (COSLIF). Растворитель целлюлозы (например, концентрированная фосфорная кислота или ионная жидкость) разрушает кристаллическую структуру целлюлозы. Этот вид предварительной обработки также можно осуществлять при низких температурах (например, при приблизительно 50°С) и при атмосферном давлении, которое сводит к минимуму деградацию сахара. Последующие стадии промывания применяются для фракционирования биомассы; первое промывание органическим растворителем осуществляется для удаления лигнина; а второе промывание водой осуществляется для удаления фрагментов частично гидролизированной гемицеллюлозы (и потенциально целлюлозы). Метод COSLIF дает высокоактивную аморфную целлюлозу, которая может быть быстро ферментно гидролизирована и при высоком выходе усвояемости глюкана.

[017] COSLIF может считаться гибридной технологией из-за предварительной обработки биомассы на основе растворителя целлюлозы, осахаривания концентрированными кислотами, и органосольвентную обработку. По сравнению с другими технологиями предварительной обработки биомассы на основе растворителя целлюлозы, эта новая технология включает технологию удаления лигнина и эффективную переработку растворителей. По сравнению с органосольвентной, данную технологию можно осуществлять при более низких температурах, деградация гемицеллюлозы сводят к минимуму (сводя к минимуму фурфураль как основной продукт), в результате чего аморфные целлюлозные материалы - более реактивные, чем в органосольвентной, и применяют разные комбинации растворителей. В отличие от осахаривания концентрированной кислотой, применяют концентрированную фосфорную кислоту для ограничения гидролиза, в результате чего образовывается в длинную цепь полисахаридов, нерастворимых в растворителях. Следовательно, отделение сахара от концентрированной фосфорной кислоты является отделением твердого вещества от жидкого. Но при осахаривании концентрированной кислотой, отделение Сахаров от кислоты является отделением жидкого вещества от жидкого. COSLIF также отличается от большинства технологий предварительной обработки биомассы (например, разбавленная кислота, AFEX, горячая вода, разрушение паром, и т.д.) в том, что по способу COSLIF можно получать аморфную целлюлозу, которую можно легко и быстро гидролизировать, и применять для отделения компонентов лигноцеллюлозы, таких как лигнин. [018] Ведущая технология для предварительной обработки лигноцеллюлозы описана в международной заявке на патент номер PCT/US 2006/011411 (номер публикации WO 2007/111605), которая включена в данный документ путем ссылки. В осуществлении, которое описано в заявке на патент, описан метод, который включает: добавление первого растворителя к лигноцеллюлозному материалу для растворения целлюлозы и гемицеллюлозы; добавление второго растворителя к осажденной аморфной целлюлозе и гемицеллюлозе и к частично растворенному лигнину; отделение целлюлозы и гемицеллюлозы от лигнина; отделение гемицеллюлозы от целлюлозы; выделение продуктов; и переработка первого растворителя и второго растворителя. Таким образом, метод того изобретения включает отделение целлюлозы, содержащей глюкозу, от смешанной гемицеллюлозы, содержащей сахар. Он также включает в себя многочисленные органические растворители для фракционирования целлюлозы, лигноцеллюлозы, лигнина и уксусной кислоты, а также многочисленные механические или электромеханические устройства для отделения твердых веществ (например, целлюлозы) от жидких (например, органических растворителей).

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ И КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

[019] Целью настоящего изобретения является преодоление недостатков доступных современных технологий. Изобретение обеспечивает новый метод превращения растительного материала, включая материал, который содержит целлюлозу, гемицеллюлозу и лигноцеллюлозу, в применимые источники энергии, такие как углеводороды, этанол и водород. В общем, целью изобретения является новая предварительная обработка лигноцеллюлозы для эффективного преодоления недостатков современных имеющихся в наличии технологии. Настоящее изобретение способствует улучшению превращения растительного материала в применимые источники энергии путем, среди всего прочего, 1) расширения применения концентрированной кислоты ко всем растворителям целлюлозы (применение, которое неожиданно обеспечивает полезными свойствами), и 2) применение сверхрастворителя целлюлозы (например, полифосфорная кислота, или смесь концентрированной фосфорной кислоты и полифосфорной кислоты, или пары полифосфорной кислоты, или смесь H₃PO₄/полифосфорная кислота) для уменьшения объема применяемого растворителя. Настоящее изобретение также улучшает превращение растительного Материала в применимые углеводороды, которые можно превратить, среди всего прочего, в источники энергии путем, среди всего прочего, 1) применения одиночного растворителя как для осаждения целлюлозы, так и для гемицеллюлозы, в их аморфных формах и для растворения лигнина, и 2) отделения по крайней мере аморфной целлюлозы и гемицеллюлозы, применяя пар с низкой температурой под атмосферным давлением или ниже его.

[020] Настоящее изобретение представляет усовершенствование известных современных технологий и включает в себя усовершенствование определенных аспектов прежней ведущей технологии, которая описана в WO 2007/111605. Среди усовершенствований, в примерах осуществления изобретения, настоящее изобретение исключает отделение Сахаров C5 и C6, а именно исключая стадию отделения целлюлозы от гемицеллюлозы и промежуточные продукты ее гидролиза. Другие усовершенствования, обеспеченные примерами осуществления изобретения включают уменьшение количества органических растворителей, применяемых для получения конечных продуктов для применения в производстве энергии, сокращение потребления воды путем распыления с помощью пара для удаления органических растворителей. Кроме того, в примерах осуществления изобретения, настоящий способ обеспечивает улучшенную эффективность при удалении лигнина. Таким образом, настоящий способ, который можно применить к древесине мягкой породы, исключает стадию концентрации Сахаров, которую осуществляют, как положено, после гидролиза аморфной целлюлозы. Усовершенствования, обеспеченные настоящим изобретением, обеспечивают неожиданное усовершенствование в отношении выхода Сахаров из лигноцеллюлозных материалов. То есть, способ согласно настоящему изобретению может давать исключительно высокие уровни выхода раствора Сахаров C5 и C6 (более чем 100 грамм сахара на литр). Этот титр неожиданно выше, чем обычный титр предыдущего описания WO 2007/111605, который дает выход растворов Сахаров приблизительно 25 г/л.

[021] Дополнительные преимущества, которые осуществляются настоящим изобретением, включают, в примерах осуществления изобретения, уменьшение первоначального капиталовложения, необходимого для (i) упрощение от разделительной перегонной колонны двух органических растворитель к простой испарительной или перегонной установке с несколькими желобами, которая превращает только один органический растворитель, (ii) уменьшение количества стадий промывания, и (iii) упрощение способа переработки растворителя целлюлозы. Также преимущества, реализованные примерами осуществления настоящего изобретения, включают снижение экономической зависимости от потенциальных доходов за побочные продукты (уксусная кислота и/или лигнин) для того, чтобы способ был экономически целесообразным, и уменьшение потребления энергии, необходимого для сокращения частиц лигноцеллюлозы.

[022] Соответственно, в одном отношении, изобретение обеспечивает метод предварительной обработки лигноцеллюлозы для расщепления на соединения, применимые в производстве энергии. В общем, метод включает: вываривание лигноцеллюлозы полифосфатом; осаждение целлюлозы и гемицеллюлоза растворителем или смесью растворителей; промывание осажденной целлюлозы и гемицеллюлозы растворителями; и удаление промытого осадка для удаления растворителя. Метод может также включать большое уменьшение размера частиц лигноцеллюлоза до деградации лигноцеллюлозы полифосфатом. В примерах осуществления изобретения, методом является метод распада лигноцеллюлозы на один или несколько субкомпонентов (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, и лигнин) или на один или несколько малых соединений (например, сахара) которые могут служить в качестве источников энергии. В других примерах осуществления изобретения, методом является метод получения целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина, или комбинаций двух или всех трех из них.

[023] Метод предварительной обработки может включать дополнительные стадии метод для того, чтобы обеспечить метод получение одного или нескольких соединений, которые служат в качестве источников энергии. В частности, методом может быть метод получения одного или несколько сахаров, включая в качестве неограничивающих примеров сахара С5 и С6, такие как глюкоза, ксилоза, манноза и галактоза. В общем, метод получения источника энергии из лигноцеллюлозы включает: вываривание лигноцедлюлозы полифосфатом; осаждение целлюлозы и гемицеллюлозы растворителем или смесью растворителей; промывание осажденной целлюлозы и гемицеллюлозы растворителем; удаление промытого осадка для удаления растворителя; и подвержение осадка воздействию одного или нескольких распавшихся ферментов целлюлозы или гемицеллюлозы в условиях, позволяющих ферментную деградацию целлюлозы, гемицеллюлозы, или и того, и другого. Метод может, в примерах осуществления, включать отделение или очистку продуктов деградации, таких как один или несколько сахаров, от реагентов.

[024] В других отношениях, настоящее изобретение обеспечивает устройство для предварительной обработки лигноцеллюлозы. В общем, устройство включает, по меньшей мере, один контейнер, сосуд, и т.д. для варки лигноцеллюлозы, для смешивания и осаждения целлюлозы и гемицеллюлозы и для экстрагирования лигнина, для промывания осажденной целлюлозы и/или гемицеллюлозы, и для отделения растворителя от осажденной целлюлозы и/или гемицеллюлозы. Предпочтительно, устройство включает отдельный контейнер, сосуд, и т.д. для каждого отдельного описанного действия. В примерах осуществления, устройство может также включать аппарат для уменьшения размера лигноцеллюлозного материала до размера, выгодного для распада лигноцеллюлозного материала на целлюлозу и/или гемицеллюлозу. В примерах осуществления, устройством является устройство для деградации лигноцеллюлозы. В других примерах осуществления, устройством является устройство для получения целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина, или комбинаций двух или всех трех из них из лигноцеллюлозы.

[025] В примерах осуществления, устройство также включает, по меньшей мере, один контейнер, сосуд, и т.д. для отделения лигнина. Например, устройство может включать перегонную колонну, которая допускает отделение лигнина от органических растворителей и полифосфата. В некоторых примерах осуществления, устройство включает печь для отделения полифосфата от других веществ. В этих примерах осуществления, полифосфат может быть повторно использован в последующих деградациях лигноцеллюлозы с применением устройства.

[026] Также еще в примерах осуществления устройства, контейнер, сосуд, и т.д. включены для гидролиза целлюлозы и/или гемицеллюлозы в малые соединения (например, сахара), которые могут служить в качестве источников энергии. Например, устройство может включать резервуар для гидролиза, в котором целлюлоза и/или гемицеллюлоза может ферментно деградировать до сахара.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

[027] Сопроводительные фигуры, которые включены и являются частью данного описания изобретения, демонстрируют показательные примеры осуществления устройства изобретения и вместе с письменным описанием служат для объяснения определенных принципов изобретения.

[028] Фигура 1 является схематическим изображением осуществления устройства для распада лигноцеллюлозы на лигнин и смесь целлюлозы и гемицеллюлозы, или и того, и другого.

[029] Фигура 2 является схематическим изображением осуществления устройства для распада лигноцеллюлозы на смесь Сахаров С6 и С5, этанол, и лигнин.

[030] Фигура 3 является схематическим изображением осуществления устройства для распада лигноцеллюлозы на лигнин и смесь целлюлозы и гемицеллюлозы, или и того, и другого.

[031] Фигура 4 является схематическим изображением осуществления устройства для распада лигноцеллюлозы на высококонцентрированную смесь Сахаров С6 и С5, этанол, и лигнин.

[032] Фигура 5 является схематическим изображением осуществления устройства для распада лигноцеллюлозы на лигнин и смесь целлюлозы и гемицеллюлозы, или и того, и другого.

[033] Фигура 6 является схематическим изображением осуществления устройства для распада лигноцеллюлозы на смесь Сахаров С6 и С5 и лигнина.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[034] Сейчас речь будет идти подробно о различных характерных примерах осуществления изобретения, примеры которого продемонстрированы в сопроводительных фигурах. Следует понимать, что следующее подробное описание не ограничивает изобретение, а наоборот предоставляется для того, чтобы читателю стало понятнее представление об определенных деталях особенностей и свойств изобретения.

[035] Современные известные технологии для превращения растительного материала в применимые источники энергии имеют некоторые недостатки. Среди этих недостатков:

1) аморфная целлюлоза, обнаруженная в водной фазе известных композиций для получения источников энергии, имеет низкую концентрацию Сахаров (~ 20-25 г сахар/л). Таким образом, желательно повторно концентрировать разбавленный раствор Сахаров до раствора с высоким содержанием сахара (>100 г сахар/л) перед сбраживанием; 2) рыночные условия для некоторых побочных продуктов все еще недоступны или, если доступны, то как в случае с лигнином, большое количество побочных продуктов высокого качества (например, лигнин) не производится; поэтому, было бы тяжело потреблять лигнин и продавать лигнин при подходящей стоимости до того как будет развит надежный рынок относительно лигнина; 3) современная доступная технология нуждается в большом капиталовложении для перегонной колонны для отделения уксусной кислоты и ацетона, которые применяют в современных известных устройствах; и 4) возможные высокие затраты на производство для отделения и переработки органического растворителя. Настоящий метод и устройство обращены на эти недостатки и обеспечивают более надежные средства для коммерческого превращения растительного материала в применимые источники энергии.

[036] Относительно первого вышеуказанного недостатка, данный описанный способ включает удаление органического растворителя из смеси аморфной целлюлозы и гемицеллюлозы, которое происходит после промывания органическим растворителем путем промывания, предпочтительно с применением пара для испарения органического растворителя. Например, в данном методе и устройстве, второе устройство для промывки прежних устройств может быть замещено одной или несколькими вакуумными сушилками или отпарными аппаратами. Применение таких сушилок или отпарных аппаратов производит продукт, а именно гидратированную аморфную целлюлозу и гемицеллюлозу, которые можно разложить, например, путем гидролиза ферментами (например, целлюлаза для распада гемицеллюлозы), кислотами, микроорганизмами, или их комбинациями. Обычно, композиция целлюлозы/гемицеллюлозы, полученная в результате отделения с помощью пара, содержит приблизительно 20-30% содержание твердого вещества, которое очень подходит для прямого гидролиза ферментами, кислотами, и/или микроорганизмами для получения высококонцентрированных растворов Сахаров. Таким образом, согласно настоящему изобретению, после гидролиза, можно получить высококонцентрированные растворы Сахаров. В предпочтительных примерах осуществления изобретения, некоторое количество остаточного органического растворителя из аморфных углеводородов (например, этанол, бутанол, ацетон) перерабатываются на стадии гидролиза или даже после стадии сбраживания. Отличные от ранее известных схем, данные устройство и метод могут производить смешанный поток, который содержит как пентозы, так и гексозы, нежели два отдельных потока пентозы и гексозы,

[037] Относительно второго вышеуказанного недостатка касательно современных доступных способов, настоящий способ и устройство включают, в примерах осуществления, сгорание смеси H₃PO₄/лигнин/экстракт для восстановления P₂O₅ или фосфорной сверхкислоты. В таких примерах осуществления, лигнин применяют в качестве топлива, подобно способу в бумажной промышленности.

[038] Относительно третьего недостатка, описанного выше, в примерах осуществления, настоящее устройство и способ заменяют дорогостоящую разделительную и перегонную колонну простой перегонной колонной или испарительное устройство. Эта замена может урезать первоначальное общее капиталовложение, возможно до 30% или более.

[039] Относительно четвертого вышеуказанного недостатка, новые описанные тут схемы могут уменьшить в большой степени затраты на производство, с меньшим объемом переработки органического растворителя и более простым способом выделения.

[040] В одном отношении, настоящее изобретение обеспечивает метод предварительной обработки лигноцеллюлозы для распада на соединения, применимые в производстве энергии. В общем, метод включает: вываривание лигноцеллюлозы полифосфатом; осаждение целлюлозы и гемицеллюлозы первым растворителем или смесью растворителей; промывание осажденной целлюлозы и гемицеллюлозы вторым растворителем; и выпаривание промытого осадка для удаления растворителя.

[041] Согласно методу, вываривание лигноцеллюлозы включает соединение полифосфата (например, сверхрастворитель целлюлозы; фосфорная сверхкислота) с лигноцеллюлозой. лигноцеллюлоза может быть обеспечена в очищенной, полуочищенной, или неочищенной форме. Например, она может быть представлена в виде простой или сложной композиции, включая лигноцеллюлозу в качестве основной твердой части композиции. Композиция может включать другой биологический материал и один или несколько растворителей, таких как вода. Стадия вываривание также включает лигноцеллюлозу и полифосфат, позволяя им оставаться в контакте в условиях, где полифосфат разлагает или растворяет лигноцеллюлозу на ее субкомпоненты целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Желательно вываривание осуществляется таки образом, что по меньшей мере 50%, еще лучше по меньшей мере 90%, и лучше всего в основном вся присутствующая целлюлоза и гемицеллюлоза растворены.

[042] Согласно данному методу, растворенную целлюлозу и гемицеллюлозу потом осаждают первым растворителем или смесью первых растворителей. Осаждение происходит в результате соединения вываренной композиции лигноцеллюлозы с одним или несколькими растворителями в таких подходящих условиях для осаждения, по меньшей мере некоторого количества целлюлозы и/или гемицеллюлозы. Желательно, по меньшей мере 50%, лучше по меньшей мере 90%, и лучше всего в основном всю аморфную целлюлозу и растворенную гемицеллюлозу осаждают в течение этой стадии.

[043] Стадия осаждение целлюлозы и/или гемицеллюлозы также включает растворение и/или экстрагирование присутствующего в композиции лигнина. Желательно, по меньшей мере 20%, и лучше по меньшей мере 50%, и лучше всего в основном весь лигнин отделяют от целлюлозы и гемицеллюлозы на этой стадии.

[044] Согласно методу, первый растворитель может быть любым растворителем или комбинацией растворителей, подходящей для осаждения целлюлозы, гемицеллюлозы, или обеих, и для растворения лигнина. Желательно, первый растворитель включает один или несколько следующих веществ: метанол, этанол, 1-пропанол, 2-пропанол, ацетон, пропаналь, 1-бутанол, 2-бутанол, бутаналь, бутанон (метилэтилкетон), г-бутанол, и воду. В лучших примерах осуществления, растворитель включает этанол, бутанол, ацетон, воду, или комбинацию двух или нескольких веществ. Дополнительные растворители включают в качестве неограничивающих примеров CO₂ или смеси CO₂ и одного или нескольких вышеперечисленных растворителей, или растворители с подобными свойствами для отделения от олигомерных до полимерных углеводородов от лигнина, уксусной кислоты и (поли-)фосфорной кислоты.

[045] Метод изобретения также включает промывание осажденной целлюлозы и гемицеллюлозы вторым растворителем или комбинацией растворителей. Второй растворитель может быть любым растворителем или комбинацией растворителей, подходящей для промывания целлюлозы и/или гемицеллюлозы. Желательно, растворитель является подходящим для удаления фосфорной кислоты из целлюлозы и/или гемицеллюлозы. В лучших примерах осуществления, второй растворитель является одним, или смесью двух или нескольких вышеперечисленных растворителей, как и предпочтительные первые растворители. В некоторых лучших примерах осуществления, растворитель включает этанол, бутанол, ацетон, воду, или комбинацию двух или нескольких из них.

[046] Стадия промывания приводит к отделению аморфной целлюлозы и гемицеллюлозы от в основном всего лигнина и фосфорной кислоты, присутствующих в композициях при вываривании и осаждении. Лигнин, фосфорная кислота, и другие нецеллюлозные или гемицеллюлозные компоненты можно также поддавать воздействию в определенных примерах осуществления, как более подробно описано ниже.

[047] Промытая аморфная целлюлоза и гемицеллюлоза потом очищается от оставшегося растворителя любыми подходящими средствами. Например, промытый осадок может подвергаться вакуумному, тепловому, газовому упариванию, пару, или их комбинации, чтобы испарить растворитель из осадка. Желательно, пар, лучше пар низкой температуры самостоятельно или в комбинации с вакуумом, применяют для испарения растворителя из осадка. По сравнению с применяемыми в настоящее время способами, которые основаны на одной или нескольких стадиях промывания с применением воды,