CN102711940A - 预处理生物质流股的再生纯化 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种用于去除第一流股中至少一部分糠醛和乙酸的方法，该第一流股包含水、选自由糠醛和乙酸组成的组中的至少一种化合物、C5和C6。这种方法包括使该流股与吸附介质相接触的步骤，该吸附介质之前已经与包括相同组分的第二流股相接触，并且通过将吸附介质暴露于多种条件而不与该第二流股相接触而使该吸附介质再生，使得至少70%吸附的糠醛和乙酸被各自解吸附并且至少60%的C5和C6仍然吸附在该介质上。

Description

预处理生物质流股的再生纯化

技术领域

本说明书涉及用于发酵方法的生物质领域。

背景技术

制备预处理生物质流股以有利于水解和随后的发酵是本领域熟知的。Taherzadeh和Karimi(2007)“Enzyme-based Ethanol”,BioResources 2(4),707-738讨论了多种预处理方法。在该预处理方法中，用高压、高温流股或水处理生物质，并且将一些水去除。然而，根据这些作者所述，这些目标之一是避免形成抑制性副产物。然而，不是避免形成，而是人们可以将它们去除。因此，对于经济地去除生物质预处理的副产物存在一种需要。

发明内容

本说明书披露了一种用于在第一流股中去除至少一部分糠醛和乙酸的方法，该第一流股包括水、选自由糠醛和乙酸组成的组中的至少一种化合物、C5以及C6，所述方法包括使该流股与一种吸附介质相接触的步骤，该吸附介质之前已经与包括相同组分的第二流股相接触，并且通过将该吸附介质暴露于多种条件而不与该第二流股相接触来再生吸附介质使得至少70%吸附的糠醛和乙酸各自解吸附并且至少60%的C5和C6仍然吸附在该介质上。该第一和第二流股可以是相同的流股。

进一步披露了再生是通过将介质温度升高到乙酸和糠醛会快速解吸附并且C5和C6会缓慢解吸附的温度持续一段足够的时间来进行的，该介质可以是一种以球形形状的活性碳。所披露的是人们可以将该介质再生使得至少80%吸附的糠醛和乙酸各自解吸附并且至少80%的C5和C6仍然吸附在该介质上。降低压力或真空被披露为一种用于再生该介质的方式。还将惰性气体披露为一种可能的解吸附条件。

还披露的是可以将浓缩步骤置于去除之前，该浓缩步骤去除第一流股中按重量计至少20%的水并且可以将固体去除步骤置于去除步骤或浓缩步骤之前用以从第一流股中去除至少一部分固体。还披露的是在进一步处理之前该流股可以用水稀释。

还披露的是一种包括吸附介质的生产制品，该吸附介质是通过使该吸附介质与包括水、C5、C6、糠醛以及乙酸的流股相接触持续足够的时间来制成的，使得吸附到该介质上的C5和C6的量是可以对应地吸附到该介质上的C5和C6的最大值水平的至少90%，并且将该介质再生使得在该介质上的C5和C6的量是可以对应地吸附到该介质上的C5和C6的最大值水平的至少80%。

具体实施方式

本方法在预处理的生物质流股中对于预处理的生物质起作用。

该预处理的生物质包括一个液流（液体流股），该液流具有一种以可溶的和溶解的固体加上水的形式表示的干含量，并且存在多种有机化合物如糖类和有机酸类。

可以基于它的水、C5、C6、乙酸、甲酸以及糠醛来表征该预处理的生物质。该组合物的总C5是包括在该组合物的液体和固体中的***糖和木糖的单体、二聚体、寡聚体、以及聚合物的组合物中的***聚糖和木聚糖的总和。该组合物中总C6是包括可以存在于这些流股的液体和固体中的葡萄糖的单体、二聚体、寡聚物和聚合物的葡聚糖含量。

预处理的生物质通常来自已经通过一种方法预处理的木质纤维素生物质或木质纤维素化合物，其中将选择作为优选原料的生物质（它通常是具有纤维素、半纤维素和木质素的植物生物质）与水或流股或化学品或这些的组合一起添加并且在一定温度下保持一定时间从而获得具有干含量和水部分的预处理生物质。

水通常以吸收到该生物质本身中的水的形式以及以游离水的形式存在。术语生物质和水是指生物质的干含量加上包括在预处理之前存在的水和吸收的水以及在预处理过程期间添加的游离水的所有水。

通常将预处理的生物质流股送到分离步骤，其中通常使用过滤器、压力或薄膜或能够分离和收集具有包括可溶的加上溶解的固体的干固体加上水的液流的任何其他步骤通过分离步骤以液体形成分离该预处理的液体生物质流股。这是预处理生物质液流的一个实例。

该预处理生物质流股和该预处理生物质液流包含一些化合物，这些化合物可以通过水解生物质的干部分而水解成可溶于水的种类。

葡萄糖和木糖是水解化合物的实例。

在预处理步骤期间，通常由该生物质形成或从其中提取其他有机化合物。这些化合物通常衍生自纤维素部分或衍生自半纤维素部分或衍生自木质素部分。在一些情况下，由于在送往预处理过程的输入生物质原料中的有机化合物像淀粉或多种提取物，在该预处理的生物质流股中存在其他有机化合物。可以分离和收集在该预处理生物质液流中的这些有机化合物，如糠醛、甲酸、以及乙酸、或它们的至少一部分。

上述方法能够通过使用吸附剂介质从预处理的液体生物质流股中去除一种或多种感兴趣的有机化合物例如乙酸。该方法将达到感兴趣的有机化合物的希望水平所需要的吸附剂介质的总量降至最低并且将糖类或寡聚物类或聚合物类例如葡萄糖和木糖的总损失降至最低。

除了吸附糠醛和乙酸的有机物杂质之外，这些选择的吸附剂介质可以被再生从而去除这些杂质但将吸附的C5和C6保持在这些介质上使得在第二，和随后使用中，仅杂质被吸附，或至少很少部分的C5和C6被吸附。

这些吸附剂介质可以是一种活性碳或高表面（积）聚合物，例如具有活性碳的聚苯乙烯。这些聚合物介质可以从Blücher G.m.b.H（德国）在商品名下购得。在US 20060148645和US 2008171648中描述了这些高表面积聚合物球形活性碳颗粒的制造。

虽然下面披露的方法包括浓缩步骤、吸附步骤、以及再生步骤（具有任选的过滤过程），但该方法可不存在该浓缩步骤。

用于去除大多数水的浓缩步骤在经济上是可行的、有意的，其可以去除许多非C5和非C6。可以使用已经存在的技术以及有可能的一些已经发明的技术来执行浓缩步骤。典型的浓缩技术包括但不限于选自由以下组成的组中的那些：蒸发器类、真空类、闪蒸类、蒸馏类、离心类、旋风分离器类以及旋液分离器类。

感兴趣的有机化合物（如乙酸或糠醛）浓度的最小值是相同有机组分的不连续增加的浓度不以显著方式改变该吸附剂介质从液体预处理的生物质流股中吸附感兴趣的有机化合物的吸附能力的浓度。浓度的最小值通常以溶液中有机物质的量的形式表示，并且表示的另一种方式是在该吸附步骤之后感兴趣的化合物可以具有的浓度。

该方法是非常特异性的，因为它取决于感兴趣的有机化合物，取决于温度并取决于有待从该液体预处理生物质流股中去除的感兴趣的有机化合物的浓度。

可以通过添加少量不连续量的相同有机化合物并且测量关于感兴趣的有机化合物吸附剂介质的吸附能力的Δ增加对感兴趣的有机化合物的最小浓度值进行测量。

优选的处理条件是添加少量感兴趣的有机化合物而不显著改变每单位时间和每单位吸附剂介质并且在相同的恒定温度下吸附剂介质吸附感兴趣有机化合物的能力的条件。

在浓缩步骤之后，在浓缩步骤之后在液体预处理的生物质流股中感兴趣的有机化合物的浓度应当是等于或高于该液体预处理生物质流股中感兴趣有机组分的最小浓度从而使得在吸附过程期间吸附剂介质的吸附能力达到最大值。

当感兴趣的有机化合物的浓度是这样的使得在该液体预处理的生物质流股中感兴趣的有机化合物的少量增加以高于吸附能力的较小Δ的方式改变介质吸附该感兴趣的有机化合物的吸附能力时，该浓缩过程会在感兴趣的有机化合物的浓度水平高于感兴趣的有机化合物的浓度增加以高于同样小的Δ的方式而不改变介质吸附该感兴趣的有机化合物的吸附能力的感兴趣的有机化合物的最小浓度下将预处理的生物质流股浓缩。

如在使用9L样品的实验中所示，通过旋转蒸发除去了3L。

在浓缩步骤之后，使浓缩的预处理的液体生物质流股经受吸附过程，其中使该组合物与至少一种吸附介质相接触用来去除至少一些感兴趣的有机杂质。

根据吸附剂介质的待再生能力选择吸附剂介质。所教导的是该吸附剂介质会吸附这些有机杂质以及一部分C5和C6。因此，如果人们一旦使用该介质，人们会去除这些杂质以及一部分感兴趣的产物。虽然人们可以再生该吸附剂介质，但是再生的介质将仍然吸附C5和C6。然而，已经发现的是至少一些介质（当再生时）会保持将C5和C6吸附到该介质上。当再使用仍然吸附C5和C6的再生介质时，再生介质可以从溶液中去除杂质，但是会从溶液中去除非常少量的C5/C6（如果确实有的话）。

吸附剂介质的再生通常是用工业技术完成的。在下面的实施例中，将介质加热并且使挥发物解吸附。该介质可以在真空下加热、用蒸汽或热水，或汽提大于C5和C6的感兴趣的有机化合物的其他热流加热。

再生步骤通常是通过提高介质温度来执行的。还可以使用介质压力条件的压力改变或使用热流如热水或蒸汽或能够使流过介质的感兴趣的有机化合物解吸附的其他化合物来再生介质自身。

再生过程可以包括以下多种条件或由以下多种条件构成或基本上由其构成：保持温度、压力以及时间，或用于在高于感兴趣的有机化合物开始解吸附的数值并且低于糖或寡聚物或聚合物趋于解吸附的数值的水平下再生介质的其他变量。

在这些条件下可以进行该再生步骤，使得按重量计至少50%的C5/C6与该介质保留在一起，并且大于按重量计至少80%或90%的非C5和非C6有机物从介质中去除。甚至更优选的是按重量计至少75%的C5/C6与介质保留在一起，其中按重量计大于至少90%的C5/C6与介质保留在一起是最优选的。该C5/C6值与从该介质中去除非C5和非C6的去除不相关联。

例如，虽然优选的是按重量计C5和C6总量的至少50%与该介质保留在一起，更优选的是按重量计C5和C6总量的至少60%与介质保留在一起，其中更优选的是按重量计C5和C6总量的至少70%与介质保留在一起，其中甚至更优选的是按重量计C5和C6总量的至少80%与介质保留在一起，其中最优选的是按重量计C5和C6总量的至少90%与介质保留在一起。

对于非C5和非C6而言，从介质中去除按重量计非C5和非C6总量的至少50%，更优选的是从介质中去除按重量计非C5和非C6总量的至少60%，其中更优选的是从介质中去除按重量计非C5和非C6总量的至少70%，其中甚至更优选的是从介质中去除按重量计非C5和非C6总量的至少80%，其中最优选的是从介质中去除按重量计非C5和非C6总量的至少90%。

就特异性而言，在糠醛的情况下，从介质中去除按重量计糠醛总量的至少50%，更优选的是从介质中去除按重量计糠醛总量的至少60%，其中更优选的是从介质中去除按重量计糠醛总量的至少70%，其中甚至更优选的是从介质中去除按重量计糠醛总量的至少80%，其中最优选的是从介质中去除按重量计糠醛总量的至少90%。

在乙酸的情况下，从介质中去除按重量计乙酸总量的至少50%，更优选的是从介质中去除按重量计乙酸总量的至少60%，其中更优选的是从介质中去除按重量计乙酸总量的至少70%，其中甚至更优选的是从介质中去除按重量计乙酸总量的至少80%，其中最优选的是从介质中去除按重量计乙酸总量的至少90%。

这个步骤允许恢复该吸附剂介质吸附感兴趣的有机化合物的能力并且允许将在再生步骤之后在再次使用该介质时会吸附的糖的量降至最低。在再生之后，再次使用再生介质用来纯化更多的预处理的液体生物质流股。

在吸附步骤之后，该纯化的液体生物质流股可以被进一步处理。

因为经预处理的液体生物质流股会具有一些固体，在浓缩之前，但是最具体地在接触该吸附介质之前，可以优选地从该流股中分离固体。

实验

以下表1和2建立了再生数值。在表1中，使以1.385g/dm³和3.01g/dm³包含葡萄糖和木糖的流股分别流过从Blücher获得的一定量的球形介质。指出以克/升流体使用的介质量以及暴露时间。指出溶液中保留的C5和C6的量以及吸附的百分比。表1中的数据是用于指示木糖高损失的新鲜介质。

表1–新鲜介质，无再生

在表2中，使以1.385g/dm³和3.01g/dm³包含相同葡萄糖和木糖浓度的流股分别流过与表1中相同的介质。指出以克/升流体使用的介质量以及暴露时间。指出保留在溶液中的C5和C6的量以及吸附的百分比。然而，在这种情况下，将该介质使用一次然后通过将它暴露于150°C持续20分钟而进行再生。该再生的介质能够吸附更多的有机杂质，但是如可以看到的，对于木糖最大损失是7%/100g介质，或新鲜介质损失20%。

表2–介质，再生之后

负值指示这些糖中的一些解吸附进入溶液中。

表3证明该过程去除污染物的能力。在55°C下在多个步骤中通过蒸发1.5hr将溶液浓缩。在每个步骤中，使1.5l减少到1.0l，相应于33%的体积减少。在包含100g/l吸附剂介质

微孔型（与表1和2中相同的介质）的溶液的搅拌烧杯中，将浓缩溶液处理10分钟。用去矿质水将溶液再稀释用于进行分析，使得可以在可比较的基础上做出浓缩和损失。

表3.在每个步骤中的去除

Claims (13)

1.一种用于去除第一流股中至少一部分糠醛和乙酸的方法，该第一流股包括水、C5、C6、以及选自由乙酸和糠醛组成的组中的至少一种化合物，所述方法包括使所述流股与一种吸附介质相接触的步骤，所述吸附介质之前与包括相同组分的第二流股相接触，并且通过将所述吸附介质暴露于多种条件而不与所述第二流股相接触而使其再生，使得至少70%吸附的糠醛和乙酸各自解吸附并且至少60%的C5和C6仍然吸附在所述介质上。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二流股是相同的流股。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中用于再生的所述暴露是通过将所述介质的温度升高到所述乙酸和糠醛会快速解吸附并且所述C5和C6会缓慢解吸附的温度持续一段足够的时间来进行的，使得至少80%吸附的糠醛和乙酸各自解吸附并且至少80%的C5和C6仍然吸附在所述介质上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中用于再生的所述暴露是通过降低压力来进行的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述去除步骤之前为浓缩步骤，所述浓缩步骤去除所述第一流股中按重量计至少20%的水。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中每个步骤之前为固体去除步骤，用以从所述第一流股中去除至少一部分固体。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述再生使用惰性气体与所述吸附介质相接触。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中在进一步处理之前用水将纯化的液体生物质流股稀释。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述吸附介质是具有活性碳的球形聚合物介质。

10.一种包括再生的吸附介质的生产制品，所述再生的吸附介质是通过使所述吸附介质与包含水、C5、C6、糠醛以及乙酸的流股相接触持续足够的时间制成的，使得吸附到所述介质上的C5和C6的量是可以对应地吸附到所述介质上的C5和C6的最大值水平的至少90%，并且随后将所述介质再生使得在所述介质上的C5和C6的量是可以对应地吸附到所述介质上的C5和C6的最大值水平的至少76%。

11.如权利要求10所述的制品，其中在所述介质上的C5和C6的量是可以对应地吸附到所述介质上的C5和C6的最大值水平的至少84%。

12.如权利要求10所述的制品，其中在所述介质上的C5和C6的量是可以对应地吸附到所述介质上的C5和C6的最大值水平的至少90%。

13.如权利要求10所述的制品，其中在所述介质上的C5和C6的量是可以对应地吸附到所述介质上的C5和C6的最大值水平的至少95%。