CN110177615A - 为原料提供定制的生物加工条件的方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开的主题涉及一种为各种原材料提供定制的生物加工条件的方法和***。特别地，令人惊讶地发现，木质素、纤维素和/或半纤维素的重量百分比与各种反应条件之间存在相关性。木质素、纤维素和半纤维素的重量百分比用于计算指数，该指数用于创建将原料分类别的加工指数。还可以计算加工调整系数并用于调整每种原材料的反应条件。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求了2016年12月9日提交的美国临时专利申请号62/432,225的优先权和权益，其通过引用全部并入本文中。
技术领域
本发明公开的主题涉及一种为各种原材料提供定制的生物加工条件的方法和***。
背景技术
存在许多不同类型和种类的可以加工以生产糖、纸浆等的原材料。特别地，这些原材料可以由不同含量的多种组分组成，如木质素、纤维素和半纤维素。有结果表明，组成原材料的各种组分的组成差异与加工条件直接相关。例如，木质素重量百分比相对较高的原材料可能需要更长的停留时间和/或更高的温度，才能在加工过程中回收最大量的糖和/或纸浆。因此，提供适合多种原材料使用的定制的生物加工条件，有利于简化加工与优化产品回收率。
发明内容
本发明公开的主题涉及基于特定原材料，定制使用于亚临界水辅助水解反应器的反应条件的方法，所述方法包括：计算原材料中木质素(a)、纤维素(b)和半纤维素(c)的重量百分比；根据公式LI＝(a)/(1-a)，CI＝(b)/(1-b)，HI＝(c)/(1-c)，计算原材料的木质素指数(lignin index，LI)、纤维素指数(cellulose index，CI)和半纤维素指数(hemicellulose index，HI)；根据公式PI＝LI×100，计算原材料的加工指数(ProcessIndex，PI)；根据PI将原料分类别；和根据公式PAF＝(LI/(CI+HI))×10计算加工调整系数(process adjustment factor，PAF)以调整每种类别内的反应参数。利用PI和PAF计算生物加工原材料的反应条件。在一些实施例中，反应条件选自温度、压力、反应时间、NaOH重量百分比或其组合。
在一些实施例中，类别阐述如下：类别A＝PI为0-30；类别B＝PI为31-39；类别C＝PI≥40。
在一些实施例中，类别A原料的调整公式为：170+((类别A最高温度-类别A最低温度)/20)×原料的PAF，对于温度；150+((类别A最高psi-类别A最低psi)/20)×原料的PAF，对于压力；1+((类别A最高NaOH％-类别A最低NaOH％)/20)×原料的PAF，对于NaOH重量百分比；和8+((类别A最大反应时间-类别A最小反应时间))/20)×原料的PAF，对于反应时间。
在一些实施例中，类别B原料的调整公式为：185+((类别B最高温度-类别B最低温度)/20)×原料的PAF，对于温度；250+((类别B最高psi-类别B最低psi)/20)×原料的PAF，对于压力；2+((类别B最高NaOH％-类别B最低NaOH％)/20)×原料的PAF，对于NaOH重量百分比；和18+((类别B最大反应时间-类别B最小反应时间))/20)×原料的PAF，对于反应时间。
在一些实施例中，类别C原料的调整公式为：190+((类别C最高温度-类别C最低温度)/20)×原料的PAF，对于温度；350+((类别C最高psi-类别C最低psi)/20)×原料的PAF，对于压力；4+((类别C最高NaOH％-类别C最低NaOH％)/20)×原料的PAF，对于NaOH重量百分比；和28+((类别C最大反应时间-类别C最小反应时间))/20)×原料的PAF，对于反应时间。
在一些实施例中，本发明公开的主题涉及所公开的定制的反应条件。
在一些实施例中，所述方法还包括根据定制的反应条件加工原材料。
在一些实施例中，将原材料加工成纸浆、糖、纤维素、木质素或其组合。
在一些实施例中，原材料包含生物质。在一些实施例中，生物质选自玉米秸秆、小麦秸秆、稻杆、甘蔗渣、***、杏仁壳、花生壳、烟草秸秆、柳枝稷、苜蓿、冬黑麦、木本作物、木材废料、树枝、松针、锯末、造纸和纸浆工业残留物或废物流、木材纤维或其组合。
在一些实施例中，本发明公开的计算是利用计算机自动执行的。
在一些实施例中，本发明公开的主题物涉及用于加工原材料的***，所述***包括：用于加工原材料的反应器；和基于上述原材料定制的生物加工反应条件。
在一些实施例中，反应器选自水平反应器或垂直反应器。
具体实施方式
足够详细地介绍本发明公开的主题，以提供对更广泛的发明主题的一个或多个具体实施例的理解。在不将本发明的主题限制为明确描述的实施例和特征的情况下，说明阐述本说明书并举例说明这些实施例的特征。鉴于这些描述的考虑可能在不偏离本发明主题的范围的情况下产生另外的和类似的实施例和特征。
除非另有定义，否则本文所用的所有技术和科学术语的含义与本发明主题所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。尽管可以将与本文所述方法、设备和材料类似或等同的任何方法、装置和材料用于本发明主题的实践或测试，但现在描述的是代表性方法、设备和材料。
根据长期的专利法条约，术语“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”在本发明说明书(包括权利要求书)中使用时指“一个或多个”。因此，例如，提及“一反应器”可以包括多个这样的反应器，等等。
除非另有说明，否则说明书和权利要求书中使用的所有表示组分数量、条件等的所有数字在任何情况下都应理解为用术语“约”进行了修饰。因此，除非另有说明，否则在本申请说明书和随附的权利要求书中所述的数值参数是近似值，可以通过本发明公开的主题内容根据希望获得的性质而变化。
如本文所用，当提及质量、重量、时间、体积、浓度和/或百分比的值或量时，术语“约”可包含以下变型：在特定的量上，在一些实施例中为+/-20％，在一些实施例中为+/-10％，在一些实施例中为+/-5％，在一些实施例中为+/-1％，在一些实施例中为+/-0.5％，在一些实施例中为+/-0.1％，因为这些变型化在公开的包装(packages)和方法中都是适当的。
本发明公开的主题涉及一种通过亚临界水辅助水解***为各种原材料提供定制的生物加工条件的方法和***。特别地，令人惊讶发现，木质素、纤维素和/或半纤维素的重量百分比与各种反应条件之间存在相关性。可以根据已知方法计算在原料中的木质素、纤维素和半纤维素的重量百分比(干重)。
术语“木质素”是指单木质醇(monolignol)单体的苯基丙烷聚合物，其作为植物和某些类型藻类的的次生细胞壁的必要组成部分而被发现。术语“纤维素”是指形成线性链的β(1-4)键连D-葡萄糖单元的均聚物。术语“半纤维素”是指包含不同糖单元的异质共聚物，例如(但不限于)木糖、甘露糖、半乳糖、鼠李糖和/或***糖，其形成具有几百到几千个糖单元的支链聚合物。
原料的木质素指数、纤维素指数和半纤维素指数可以按如下计算：
原料木质素％(干重)＝a
原料木质素指数(“LI”)＝a/(1-a)
原料纤维素％(干重)＝b
原料纤维素指数(“CI”)＝b/(1-b)
原料半纤维素％(干重)＝c
原料半纤维素指数(“HI”)＝c/(1-c)
基于LI，可以创建一个分类策略，这里称为加工指数(PI)。PI＝(LI)×100。已确定每种原料具有不同的木质素/纤维素/半纤维素比率。因此，创建了一个加工调整系数(PAF)来调整每个加工类别中的反应参数。例如，可以使用以下公式定义PAF范围：
PAF＝(LI/(CI+HI))×100。
得到的亚临界水水解加工类别可以根据PI分为3种类别。特别地，PI为0-30的原料分为类别A，PI为31-39的原料分为类别B；和PI大于或等于40的原料分为类别C。每个类别(A、B或C)都与特定系列的加工条件有关。例如，A类原料可以在约170-190℃的温度、150-300psi的条件下，使用包含约1-5％NaOH的溶剂加工，反应时间约为5-15分钟。各类别的代表性加工条件在下表1中列出。然而，应当理解的是，在一些实施例中，加工条件可以与表1中所列出的条件不同。
表1
代表性加工条件
因此，每种类型的原料可以根据PI分类别，以确定生产所需最终产品(如纸浆、含糖和纤维素的副产品)的最佳加工条件。
因此，公开的方法可以基于PI和PAF用于预测和/或计算的原材料最佳加工条件。在一些实施例中，可以基于用户的输入在计算设备上进行计算。例如，在一些实施例中，将原材料的类型输入计算设备以确定LI、CI和HI(例如，从数据库中)。合适的计算设备可以包括(但不限于)计算机、智能手机、平板电脑、笔记本电脑或任何其他具有互联网功能的设备。或者，可以使用本领域普通技术人员已知的方法来测量木质素、纤维素和半纤维素的重量百分比，并将其用于计算LI、CI和HI。然后，可自动(即通过计算设备)或手动计算PI，以将原材料分类为适当的类别(如类别A、B或C)。也可以手动或自动(即通过计算设备)计算PAF，以调整每个加工类别内的反应参数。因此，使用所公开的方法，生物加工各种原材料的反应条件(温度、压力、％NaOH和/或反应时间)可以针对各种不同的原材料进行优化。随后可以实施生物加工条件以从原材料(例如，在一些实施例中，纸浆、含有糖、纤维素和木质素的副产物)获得所需的最终产物。
在一些实施例中，本发明公开的主题涉及一种***，所述***包含可以用于加工生物质的反应器。所述***还包括一组指令，其对应于上述原材料的最佳加工条件。因此，所述***可以包括一组基于反应器中使用的特定原料的可定制反应条件。反应器***不受限制，且可以包括可以用于将生物质加工成纸浆、糖和/或纤维素的任何类型的生物加工反应器。例如，在一些实施例中，反应器***可以是水平或垂直的反应器***。在一些实施例中，***可以包括(除反应器外)一个或多个处理模块(在进入反应器之前，将生物质在处理模块中进行处理)、加热或冷却模块(以调节生物质的温度)等。
可以根据本发明公开的主题使用本领域中已知和使用的任何原材料。例如，合适的原材料可以包括(但不限于)种子、农业作物废料和残渣(例如玉米秸秆、小麦秸秆、稻草、甘蔗渣、***、杏仁壳、花生壳、烟草秸秆等)、饲料作物(grass crops)(例如柳枝稷、苜蓿、冬黑麦等)、木本作物、木材废料和残留物(如树木、软木或阔叶林间伐材、树皮废料、树枝、松针、锯末、造纸和纸浆工业残留物或废物流、木材纤维等)、食品废料和/或任何有机材料。在一些实施例中，原材料可以是新鲜的、部分干燥的、完全干燥的或其混合物(例如，高湿度、低湿度和介于两者之间的所有水平)。
在一些实施例中，原材料可包含生物质。本文所用术语“生物质”是指可以用作燃料或工业生产的生物材料。最常见的是，生物质包括用作生物燃料的植物物质，但也包括用于生产纤维、化学品或热量的植物或动物物质。在一些实施例中，生物质可以包括可生物降解的用作燃料的废料。根据本发明公开的主题，生物质可以来自单一来源，也可以包含来自多个来源的混合物(例如玉米芯和玉米秸秆的混合物或草和叶的混合物)。生物质包括但不限于生物能源作物、烟草植物、藻类生物资产、农业残留物、城市固体废物、工业固体废物、造纸污泥、庭院废料、木材和林业废料。生物质的实例可以进一步包括(但不限于)微藻、大藻类、烟草、烟草种子、植物种子、玉米粒、玉米芯、作物残余物，例如玉米壳、玉米秸秆、玉米浆、草、小麦、小麦秸秆、大麦、大麦秸秆、啤酒酿造期间大麦降解的谷粒残余物、干草、稻草、柳枝稷、废纸、甘蔗渣、高粱、大豆、谷物加工中得到的成分、树木、树枝、根、叶、木屑、锯末、灌木(shrubs)、矮灌木(bushes)、大豆皮、蔬菜、水果、花卉和动物粪便。
实施例
以下实例包括指导本领域普通技术人员实施本发明主题的代表性实施例。根据本发明和本领域的一般技术水平，技术人员可以理解以下示例仅用于示例，并且可以在不偏离本发明主题范围的情况下进行许多变化、修改和更改。
实施例1
各种原材料的化学比较
用标准方法计算木质素(a)、纤维素(b)和半纤维素(c)的各种重量百分比。结果如下表2所示。
表2
各种原材料的重量百分比测定
实施例2
原料加工组及指标
对于几种不同类型的原料，采用木质素(a)重量百分比、纤维素(b)重量百分比和半纤维素(c)重量百分比计算木质素指数(LI)、纤维素指数(CI)和半纤维素指数(HI)。特别地，对于每种原料，LI、CI和HI的计算如下：LI＝a/(1-a)；CI＝b/(1-b)；HI＝c/(1-c)。然后利用公式PI＝LI×100计算每种原料的加工系数(PI)。由于每种原料都可以有一个唯一的木质素/纤维素/半纤维素比率，因此创建了一个加工调整系数(PAF)来调整每一类别中的反应参数。使用以下公式：PAF＝(LI/(CI+HI))×10计算每种原料的PAF。这些计算结果如下表3和表4所示。
表3
原料加工组
表4
原料加工组及指标
为了获得调整后的反应参数，将各加工类别的温度、压力、NaOH和反应时间范围除以20，并相应乘以PAF。以下公式适用于推荐的反应参数设置：
加工类别A的调整公式
温度调整公式：170+((190-170)/20)×原料PAF
压力调整公式：150+((300-150)/20)×原料PAF
NaOH调整公式：1+((5-1)/20)×原料PAF
反应时间公式：8+((15-5)/20)×原料PAF
加工类别B的调整公式
温度调整公式：185+((200-180)/20)×原料PAF
压力调整公式：250+((400-250)/20)×原料PAF
NaOH调整公式：2+((7-2)/20)×原料PAF
反应时间公式：18+((25-15)/20)×原料PAF
加工类别C的调整公式
温度调整公式：190+((210-190)/20)×原料PAF
压力调整公式：350+((500-350)/20)×原料PAF
NaOH调整公式：4+((10-4)/20)×原料PAF
反应时间公式：28+((35-25)/20)×原料PAF
实施例3
与水平反应器***相关的原料加工条件
利用模拟加工指数(PI)和加工调整系数(PAF)计算了几种原料项目的预估加工条件，以估算水平反应器***的反应参数。结果如下表5所示。
表5
不同模拟原材料的预估加工条件
*温度、压力、％NaOH和反应时间的值包含+/-5％的变化。
Claims (20)
1.一种基于原材料定制反应器中使用的反应条件的方法，所述方法包括：
a.计算原材料中木质素(a)、纤维素(b)和半纤维素(c)的重量百分比；
b.根据公式LI＝(a)/(1-a)；CI＝(b)/(1-b)；HI＝(c)/(1-c)计算原材料的木质素指数(LI)、纤维素指数(CI)和半纤维素指数(HI)；
c.根据公式PI＝LI×100计算原材料的加工指数(PI)；
d.根据PI将原材料分类别；
e.根据公式PAF＝(LI/(CI+HI))×10计算加工调整系数(PAF)，以调整每种类别内的反应参数；
其中，利用PI和PAF计算生物加工原材料的反应条件；以及
其中反应条件为温度、压力、反应时间、NaOH重量百分比。
2.根据权利要求1所述的方法，其中各类别阐述如下：
a.类别A＝PI为0-30；
b.类别B＝PI为31-39；以及
c.类别C＝PI≥40。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括从以下选择用于类别A原料的调整公式：
a.170+((类别A最高温度-类别A最低温度)/20)×原料的PAF，对于温度；
b.150+((类别A最高psi-类别A最低psi)/20)×原料的PAF，对于压力；
c.1+((类别A最高NaOH％-类别A最低NaOH％)/20)×原料的PAF，对于NaOH重量百分比；
d.8+((类别A最大反应时间-类别A最小反应时间))/20)×原料的PAF，对于反应时间；以及
e.其组合。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括从以下选择用于类别B原料的调整公式：
a.185+((类别B最高温度-类别B最低温度)/20)×原料的PAF，对于温度；
b.250+((类别B最高psi-类别B最低psi)/20)×原料的PAF，对压力；
c.2+((类别B最高NaOH％-类别B最低NaOH％)/20)×原料的PAF，对于NaOH重量百分比；
d.8+((类别B最大反应时间-类别B最小反应时间))/20)×原料的PAF，对于反应时间；以及
e.其组合。
5.根据权利要求2所述的方法，还包括从以下选择用于类别C原料的调整公式：
a.190+((类别C最高温度-类别C最低温度)/20)×原料的PAF，对于温度；
b.350+((类别C最高psi-类别C最低psi)/20)×原料的PAF，对于压力；
c.4+((类别C最高NaOH％-类别C最低NaOH％)/20)×原料的PAF，对于NaOH重量百分比；
d.18+((类别C最大反应时间-类别C最小反应时间))/20)×原料的PAF，对于反应时间；以及
e.其组合。
6.根据权利要求1所述的定制反应条件。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括加工所述原材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其中将所述原材料加工成纸浆、糖、纤维素、木质素或其组合。
9.根据权利要求1所述的方法，其中原材料包含生物质。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述生物质包括玉米秸秆、小麦秸秆、稻草、甘蔗渣、***、杏仁壳、花生壳、烟草秸秆、柳枝稷、苜蓿、冬黑麦、木本作物、木材废料、树枝、松针、锯末、造纸和纸浆工业残留物或废液、木材纤维或其组合。
11.根据权利要求1所述的方法，其中使用计算设备自动执行计算。
12.一种用于加工原材料的***，所述***包括：
a.用于加工原材料的反应器；
b.根据原材料定制的生物加工反应条件；
其中所述反应条件由以下生成：
计算原材料中木质素(a)、纤维素(b)和半纤维素(c)的重量百分比；
根据公式LI＝(a)/(1-a)；CI＝(b)/(1-b)；HI＝(c)/(1-c)计算原材料的木质素指数(LI)、纤维素指数(CI)和半纤维素指数(HI)；
根据公式PI＝LI×100计算原材料的加工指数(PI)；
根据PI将原材料分类别；和
根据公式PAF＝(LI/(CI+HI))×10计算加工调整系数(PAF)，以调整各类别内的反应参数；
其中，PI和PAF用于计算生物加工原材料的反应条件；以及
其中反应条件为温度、压力、反应时间、NaOH重量百分比。
13.根据权利要求12所述的***，其中反应器选自水平反应器或垂直反应器。
14.根据权利要求12所述的***，其中类别阐述如下：
a.类别A＝PI为0-30；
b.类别B＝PI为31-39；和
c.类别C＝PI≥40。
15.根据权利要求14所述的***，还包括从以下选择用于类别A原料的调整公式：
a.170+((类别A最高温度-类别A最低温度)/20)×原料的PAF，对于温度；
b.150+((类别A最高psi-类别A最低psi)/20)×原料的PAF，对于压力；
c.1+((类别A最高NaOH％-类别A最低NaOH％)/20)×原料的PAF，对于NaOH重量百分比；
d.8+((类别A最大反应时间-类别A最小反应时间))/20)×原料的PAF，对于反应时间；和
e.其组合。
16.根据权利要求14所述的***，还包括从以下选择用于类别B原料的调整公式：
a.185+((类别B最高温度-类别B最低温度)/20)×原料的PAF，对于温度；
b.250+((类别B最高psi-类别B最低psi)/20)×原料的PAF，对于压力；
c.2+((类别B最高NaOH％-类别B最低NaOH％)/20)×原料的PAF，对于NaOH重量百分比；
d.8+((类别B最大反应时间-类别B最小反应时间))/20)×原料的PAF，对于反应时间；和
e.其组合。
17.根据权利要求14所述的***，还包括从以下选择用于类别C原料的调整公式：
a.190+((类别C最高温度-类别C最低温度)/20)×原料的PAF，对于温度；
b.350+((类别C最高psi-类别C最低psi)/20)×原料的PAF，对于压力；
c.4+((类别C最高NaOH％-类别C最低NaOH％)/20)×原料的PAF，对于NaOH重量百分比；
d.18+((类别C最大反应时间-类别C最小反应时间))/20)×原料的PAF，对于反应时间；和
e.其组合。
18.根据权利要求12所述的***，其中将所述原材料加工成纸浆、糖、纤维素、木质素或其组合。
19.根据权利要求12所述的***，其中原材料包含生物质。
20.根据权利要求19所述的***，其中生物质包括玉米秸秆、小麦秸秆、稻草、甘蔗渣、***、杏仁壳、花生壳、烟草秸秆、柳枝稷、苜蓿、冬黑麦、木本作物、木材废料、树枝、松针、锯末、造纸和纸浆工业残留物或废液、木材纤维或其组合。
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