CN111788255B - 通过浸渍处理木质纤维素生物质的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过酸性液体处理木质纤维素生物质以生产第二代(2G)糖汁的方法。这些糖汁可以用于通过生物化学途径生产其他产品(例如，醇，如乙醇、丁醇或其他分子，例如溶剂，如丙酮等)。该方法包括分析在该方法中取出的液体料流和调节浸渍液的组成以保持所述料流的酸性力恒定。

Description

通过浸渍处理木质纤维素生物质的方法
技术领域
本发明涉及一种通过酸性液体处理木质纤维素生物质以生产"第二代" (2G)糖液的方法。这些糖液可以用于通过生物化学途径生产其他产品(例如，醇，如乙醇、丁醇或其他分子，例如溶剂，如丙酮等)。该方法包括分析在该方法中取出的液体料流和调节浸渍液的组成以保持所述料流的酸性力(acidic power)恒定。
现有技术
木质纤维素生物质代表地球上最丰富的可再生资源之一。所考虑的基料(substrate)是非常多样的，它们涉及木质基料如各种木材(硬木和软木)、衍生自农业(麦秆、玉米棒等)或其它农产品、纸张等产业的副产品二者。
用于将木质纤维素材料生物化学转化为2G糖液的方法特别地包括预处理步骤和用酶混合物水解的步骤。这些方法通常还包括在预处理之前的浸渍步骤。然后处理由酶水解产生的糖液，例如通过发酵，并且该方法还包括分离步骤和/或纯化最终产物的步骤。
木质纤维素生物质由三种主要聚合物组成：纤维素(35%至50%)，其是基本上由己糖构成的多糖；半纤维素(20%至30%)，其是基本上由戊糖和己糖构成的多糖；和木质素(15%-25%)，其是一种结构复杂且分子量高的聚合物，由通过醚键相连的芳香醇组成。这些不同的分子导致植物壁的多种固有性质，并将它们自身组织成复杂的缠结(entanglement)。除了这三种主要化合物之外，木质纤维素生物质还显著地含有乙酰基和灰分。这种"灰分"由以下矿物组成：二氧化硅，含有钙、镁、钠、钾、磷和/或铝的化合物。它们的含量和它们的组成从一种类型的生物质到另一种生物质(秸秆vs.木材等)变化很大，而且随土壤气候(pedoclimatic)培养条件和收获条件而变化。不同批次的秸秆将具有不同含量的灰分的不同性质。例如，在标准ASTM E1755 "Standard Test Method for Ash in Biomass"中描述了一种用于定量木质纤维素产品灰分的方法。
在构成木质纤维素生物质的三种基础聚合物中，纤维素和半纤维素是能够产生2G糖液的那些。
通常，半纤维素在预处理过程中主要分解为糖，而纤维素通过酶水解转化为葡萄糖。然而，酶仍然难以接近粗纤维素，因此需要预处理。该预处理使得可以改变木质纤维素材料的物理化学性质，以便改善纤维素对酶的可接近性及其对酶水解的反应性。
最有效的预处理之一是酸性蒸汽***，其能够使半纤维素几乎完全水解，并且显著改善纤维素对酶的可接近性和反应性。这种预处理之前可以进行其它处理。
专利US-8057639和US-8512512提出了一种方法，其包括在温和条件下将半纤维素水解为C5糖以保护它们免于降解的第一步骤。该步骤在第一反应器中在1.5巴或更高的压力下通过注入蒸汽、在110℃或更高的温度下和任选地在弱酸存在下进行。在该步骤之后，进行洗涤以提取和回收C5糖汁，然后将富含纤维素和木质素的剩余生物质送至第二步骤(第二反应器)，在第二步骤中发生蒸汽***。该第二反应器在比第一反应器更高的压力下操作，其中注入高压蒸汽，这导致生物质的突然膨胀(蒸汽***)。
专利申请US-2012/0104313还提出了在蒸汽***之前通过使生物质与水或蒸汽在100-210℃接触1分钟-24小时的处理步骤。在分离富含半纤维素的液相之后，然后将固体转移至蒸汽***步骤。
专利EP2610346描述了一种以四个步骤处理木质纤维素生物质的方法：在100-150℃的温度下在液体中处理，随后分离液体/固体，随后在水或蒸汽存在下在100-210℃下预处理获得的固体部分1分钟-24小时，最后进行液体/固体分离。
在其研究的背景下，申请人已经证明，有可能更显著地改进已知生物质预处理方法的性能。具体地，灰分和乙酰基在生物质中以可变量的存在易于改变其性质。然而，测量灰分含量和测定乙酰基在时间方面是昂贵的，并且难以实施以能够连续监测过程。
因此，申请人已经发现，通过调节浸渍液的组成，其作为从生物质预处理方法获得的液体料流(浸渍后分离出的液体和/或在生物质预处理过程中取出的任何一个液体料流)的酸性力的函数，可以显著改进生物质处理方法的性能和稳定性。因此，事实上，通过实时调节所用浸渍液的组成，可以抵消生物质的固有可变性，并确保下游性能的稳定性，特别是在用纤维素酶处理的生物质的反应性方面。
发明内容
因此，本发明提出了一种用于连续处理木质纤维素生物质以生产糖液的方法，其包括以下步骤：
a)通过使所述生物质与所述浸渍液接触，使用pH为0.1至7的浸渍液浸渍所述生物质，
b)分离步骤a)中获得的经浸渍的生物质以产生固体含量为至少15重量%的湿生物质和分离的液体，
c)预处理步骤b)中获得的湿生物质以产生经预处理的生物质，在该过程中取出一个或多个液体料流，
其特征在于，所述方法包括
d)分析从步骤b)中分离出的液体和/或在生物质预处理期间取出的一个或多个液体料流的组成，和
e)调节步骤a)中使用的浸渍液的组成，以在整个方法中保持从步骤b)中分离出的所述液体和/或在生物质预处理期间取出的所述液体料流的酸性力恒定。
对于本专利申请的目的，术语"糖液"意指从木质纤维素获得的糖，例如葡萄糖、木糖、甘露糖、半乳糖和***糖的任何水性混合物。
事实上，申请人的信用证明，可以补偿生物质组成的固有变化，以确保经处理的生物质总是具有基本上相同的对纤维素酶的反应性水平。事实上，申请人发现，通过控制在该方法中产生的某些液体料流的酸性力，和通过调节酸性浸渍液的组成以保持该酸性力恒定，可以调节生物质处理方法，而不管其固有的组成变化。
在本发明的上下文中，缩写" SC "表示生物质的固体含量，其可以特别地根据标准ASTM E1756-08(2015) "Standard Test Method for Determination of Total Solidsin Biomass"测量。
附图说明
图1是根据本发明方法的一个示例性实施；
图2是根据本发明方法的一个示例性实施；
图3是根据本发明方法的一个示例性实施；和
图4是根据本发明方法的一个示例性实施。
具体实施方式
根据本发明的方法是在酶水解之前处理木质纤维素生物质的连续方法。
它被整合到涉及生产第二代糖的方法中，许多生物化学途径使得能够由所述糖获得含氧分子(例如醇，如乙醇、丁醇等)。
该方法与生产2G糖(即从木质纤维素生物质获得的那些)或更广泛地生物基分子(即来自天然基料或衍生自天然基料的分子)的方法相容。
生物质
根据本发明的方法提出连续处理木质纤维素生物质。
该生物质可源自各种来源，例如木质基料，例如各种木材(硬木和软木)、源自农业(麦秆、玉米棒等)或源自其它农产品、纸张等产业的副产品。
根据所用的生物质(秸秆、木材等)，在其用于本发明的方法之前，可以设想碾磨步骤以获得与该方法的步骤的技术手段和操作条件相容的粒度。为此，简单的切削可能就足够了，但是可能需要在精制或不精制的情况下进行碾磨。
通常，本发明方法的步骤a)中使用的生物质具有不大于300 mm的粒度(最大尺寸)。通常，用5-100 mm的筛网进行秸秆的碾磨，并将木材切成长度为20-160 mm、宽度为10-100 mm和厚度为2-20 mm的平行六面体切片。
优选将生物质经由第一转移区输送到浸渍步骤。根据一个具体实施方案，转移区和浸渍区可以被生物质塞(biomass plug)分开，该生物质塞防止液体从所述第一区回流到转移区或甚至进一步向上游回流。
浸渍液制备步骤
用于本发明方法的浸渍液优选为包含至少一种酸和任选的水的酸性液体。
具体地，某些生物质具有非常低的固体含量(例如小于50% SC)，因此水含量足够高，以至于不必为了进行浸渍而添加更多的水。在这种情况下，通过仅引入酸来制备浸渍液，所述酸将在浸渍步骤期间与已经存在于生物质中的水混合。
特别地，所述酸性液体的pH为0.1至7.0，优选0.1至6，优选0.1至2。
根据优选的实施方案，液体包含至少一种酸和水。
优选地，酸性液体是强酸的水溶液，例如选自硫酸、盐酸和硝酸，酸含量相对于液体总重量为0.5-8重量%酸。根据优选的实施方案，浸渍液是硫酸溶液。
这种类型的液体是本领域技术人员公知的，并且通常用于浸渍的任何酸都适合使用。酸的量和液体的温度通常是固定的。获得和保持温度的方法是本领域技术人员已知的。
根据本发明的方法可以包括在浸渍步骤a)之前制备浸渍液的步骤。
在该步骤中，优选将浸渍液加热至10至95℃的温度。该步骤可以在位于浸渍区上游的液体制备区中进行。
可以使用各种装置，例如配备有搅拌***的混合罐或混合器(优选静态混合器)。优选地，该装置配备有用于测量水、酸和再循环液体的pH和流速的传感器。所有这些传感器都可以进行平衡流速和酸度的控制，以便在所需条件下稳定地连续操作。
液体制备装置可以被装备成允许其内容物的加热，例如通过位于靠近或直接位于所述装置(罐、混合器等)上的再循环回路(下面描述)上的夹套、盘管和/或交换器进行。用于制备液体的装置可以特别地通过一个或多个输送液体的管道连接到浸渍机。
因此，可以以合适的浓度和合适的流速制备液体，这使得可以获得用于在浸渍下游取出的液体料流的所需酸性力。
液体制备也是一个可以调节其操作参数，例如温度、pH或任何其它特征的步骤。适当的酸浓度通过输入酸和/或水来调节。
浸渍步骤
本发明的方法包括步骤a)—通过使所述生物质与所述浸渍液接触，使用pH为0.1-7的浸渍液浸渍生物质。
优选地，在根据本发明的方法中，浸渍步骤在10至95℃的温度范围内进行，并且生物质在所述浸渍步骤中的停留时间为20秒至12小时。优选地，生物质的停留时间为30秒至60分钟。浸渍步骤优选在大气压下进行。
通过将生物质与浸渍液接触进行浸渍步骤。这种接触可以通过例如浸入或喷涂来进行。在浸渍过程中，通常优选通过提供浸渍液来保持液面基本恒定。
浸渍步骤可以以间歇或连续模式进行。优选地，该步骤以连续模式进行。浸渍可以在一个或多个浸渍反应器中进行，优选在单个浸渍反应器中进行。
浸渍步骤在本领域技术人员已知的设备中，例如在搅拌反应器中，通过生物质在液体床中水平或垂直通过(throughput)，通过在输送生物质的带上或在输送螺旋中喷雾进行。
浸渍反应器(或浸渍器)通常配备有一个或多个工具，其将木质纤维素生物质从其入口转移到出口孔。这些工具可以是例如螺旋或带。浸渍机还配备有一个或多个用于输送酸、水或酸性液体的管道，以及任选地，一个或多个用于取出酸性液体的管道。
根据优选的实施方案，在被送至分离步骤b)之前，浸渍有液体的生物质可以在浸渍期间排出，以提取至少一些酸性液体。在该实施方式中，排出的生物质的固体含量为10重量%至40重量%，优选15重量%至30重量%。
浸渍反应器(浸渍器)可以配备有一个或多个用于在前一步骤中制备浸渍液时输送浸渍液的管道，以及一个或多个用于引入水和/或酸和用于除去液体的管道。
根据一个非常特别的实施方案，浸渍步骤可以在管状浸渍反应器(或浸渍器)中进行，所述管状浸渍反应器(或浸渍器)是垂直的或相对于垂直方向倾斜小于60°的角度。该反应器特别包括优选位于同一轴上的两个重叠浸渍区。底部区域被称为第一浸渍区域，并且通过孔口接收从第一转移区获得的经压榨的生物质。位于上方的区域(顶部区域)被称为第二浸渍区域，并且其接收源自第一浸渍区域的湿的排出的生物质。在该实施方案中，浸渍反应器(浸渍器)可以配备有一个或多个输送螺旋，其经由第一浸渍区的底部将生物质经由第二浸渍区的顶部转移到出口孔。第一浸渍区(因此是发生用浸渍液浸渍生物质的区域)对应于用浸渍液填充的空间。第二浸渍区特别不包含任何连续液相。特别有利的是在第一浸渍区和第二浸渍区之间保持恒定的分布。为此，反应器装有检测***(液位传感器)，优选装有调节液位的***，这使得可以确保填充至所需的液位。在形成塞的过程中(在将生物质输送到浸渍步骤的输送螺旋处)压缩生物质的效果和在填充有液体的第一浸渍区的入口处解压的效果使得可以更好地浸透生物质(海绵效果)。生物质被转移穿过第一区，在第一区中生物质被朝向位于液面上方的第二浸渍区浸渍。在第二浸渍区中，通过在上升到第二浸渍区中的过程中排出，将一部分浸渍液与经浸渍的生物质分离，将排出的液体从第二浸渍区中提取以再循环。优选地，第二浸渍区配备有将湿生物质保持在第二浸渍区中的筛网，因此该筛网允许排出的液体从第二浸渍区流入第一浸渍区中。
经浸渍的生物质的分离步骤
在浸渍步骤a)结束时，根据本发明的方法包括步骤b)—分离步骤a)中获得的经浸渍的生物质，以产生固体含量为至少15重量%的湿生物质和分离的液体。
分离步骤可以通过本领域技术人员已知的任何技术进行，例如通过排出、倾析、离心或压榨经浸渍的生物质，或这些技术的组合。根据优选实施方案，通过压榨执行分离。
特别地，分离步骤b)可包括排出湿生物质以达到10重量%至40重量%的固体含量，随后进行第二分离例如通过压榨以达到40重量%至70重量%的更高固体含量。当在浸渍步骤a)期间没有进行排出时，该实施方案是特别优选的。
优选地，在分离步骤b)结束时，湿生物质具有25重量%至70重量%并且优选地40重量%至65重量%的固体含量。
在本发明的一个具体实施方案中，湿生物质的压榨可以与其转移到预处理步骤c)中同时进行，特别是当所述步骤包括下面描述的蒸煮过程时。分离步骤b)的这种实施例如通过本领域技术人员已知的称为料塞螺旋给料器(plug screw feeder)的螺旋进行。该螺旋具有锥形部分，所述锥形部分连接到预处理反应器的入口。在该锥形部分的末端，刚好在进入预处理反应器的入口之前，形成生物质塞。经压榨的木质纤维素生物质塞的形成确保了可以在预处理步骤c)中使用的蒸煮反应器的压力密闭性。输送螺旋也可以装备有一个或多个用于取出在压榨过程中分离出的废液(称为压榨液)的管道。
在本发明方法过程中，基本上提取了废浸渍液，使得可以显著增加生物质的固体含量，以便其随后的处理和其转化为糖。具有高固体含量的生物质的生产可以允许用于将介质加热至期望的预处理温度的能量节省，并且使得可以获得也具有高固体含量SC的经预处理的生物质。因此，促进了将经预处理的生物质输送到随后的酶水解步骤中，并且具有高SC的生物质的酶水解使得可以获得浓缩的(水解的)糖溶液，使得可以以高发酵效价(醇含量)为目标，并且因此降低了与分离步骤（特别是通过蒸馏）相关的成本，用于这些醇的有益利用。此外，在保持高生物质固体含量的同时进行该方法使得可以减小发酵(和水解)罐的体积并减少由该方法产生的废水的量。
步骤b)中使用的分离区可以特别地配备有用于取出从湿生物质分离的所得废液(称为压榨液)的管道。
预处理步骤
本发明的方法还包括步骤c)—预处理步骤b)中获得的湿生物质以产生经预处理的生物质，在此过程中取出一个或多个液体料流。
预处理特别地涉及改变纤维素级分的物理和物化性质，例如其聚合度和其结晶状态。特别地，预处理包括水解存在于生物质中的半纤维素，并允许纤维素更好地接近酶。
根据优选的实施方案，预处理湿生物质的步骤c)通过蒸煮，优选通过蒸汽***进行。
例如，在100℃至250℃，更优选130℃至230℃的温度下，在0.1至4 MPa的压力下操作的蒸煮区中进行该蒸煮。生物质在蒸煮区中的停留时间为10秒至4小时，更优选3分钟至1小时。
蒸煮可以以间歇或连续的方式进行。它可以在本领域技术人员已知的任何设备，例如搅拌反应器、装有输送螺旋的水平管式反应器、非搅拌间歇反应器等中进行。蒸煮所需的热能可以通过与传热流体的热交换(间接)、通过电加热或通过直接注入热流体例如加压水或蒸汽来供应。
在蒸煮结束时，经预处理的生物质的排出可以通过快速解压、通过缓慢解压、在通过直接或间接热交换等引起的温度降低之后进行。
在优选的实施方案中，通过直接注入用蒸汽加热蒸煮区，随后突然解压介质，该方法被称为蒸汽***(steam explosion)(或"蒸汽***(steamex)")。这是一种通过注入加压蒸汽使木质纤维素生物质快速达到高温的方法。处理的停止通过突然解压发生。
蒸汽***方法的操作条件可以显著地如下：
蒸汽直接注入反应器；
反应器的温度通常为150-250℃，优选160-220℃，
压力为0.5-2.5 MPa，更优选0.8-2.0 MPa，
膨胀阶段前的停留时间为10秒至25分钟，优选3分钟至15分钟。
蒸汽***可以以间歇或连续模式进行，并且允许生物质解构的减压步骤可以在一个或多个步骤中进行。
在预处理步骤期间，可以取出各种液体料流。这些特别是被注入以进行预处理的热流体(液体或蒸气)，例如加压水或蒸汽。
回收的蒸汽有利地在压缩后再循环到蒸汽***步骤中，或任选地再循环到现场的设施中。
根据一个具体实施方案，预处理步骤可以在水平管式反应器(即，可以非常轻微地倾斜以用于液体流动的反应器)中进行，所述反应器例如配备有用于将生物质转移通过连续区的螺旋。螺旋确保生物质的连续输送，调节螺旋的速度以满足停留时间条件。在螺旋的末端(在反应器的末端)，生物质被蒸汽非常迅速地夹带到在被称为喷吹管(blowline)的管线中的膨胀区，所述喷吹管相对于蒸煮区具有减小的直径。膨胀区包括管线，生物质在该管线中循环并通过横截面限制构件(cross section restriction member)，然后在清除限制之后经历突然膨胀。喷吹管具有横截面限制构件，其可以是允许小流通面积的孔口或具有可调节孔径的阀(例如隔膜阀)。在该限制下，生物质以非常高的运输速度到达，并且经历快速且大的压力变化，然后在清除限制后突然膨胀，这使煮熟的生物质解构。这就是为什么它被称为蒸汽***的原因。一旦通过膨胀区，蒸汽夹带生物质通过喷吹管的剩余部分，喷吹管的剩余部分具有比限制部更大的直径(或喷吹管的剩余部分恢复其在限制部上游的直径)，喷吹管的剩余部分将生物质传送到用于分离蒸汽的区域，例如通过旋风分离器。
从步骤c)获得的经预处理的生物质现在具有足够的纤维素对酶的可接近性，以便通过酶水解进行处理用于产生2G糖。
分析料流的流动性和调节浸渍液的组成
本发明方法的特征在于其包括步骤d)—分析从步骤b)中分离出的液体和/或在生物质预处理期间取出的一个或多个液体料流的组成。
特别地，在生物质预处理期间取出的液体料流是在浸渍步骤a)的下游和随后的生物质处理步骤的上游，特别是蒸煮步骤的上游取出的液体料流。
根据优选的实施方案，步骤d)包括分析从步骤b)中分离出的液体(称为压榨液)的组成。
特别地，申请人的信用证明，控制从步骤b)分离出的液体和/或在生物质预处理期间取出的一个或多个液体料流的组成，特别是酸性力，可以平衡生物质的固有可变性，并确保下游性能的稳定性，特别是在用纤维素酶处理的生物质的反应性方面。
特别地，对从步骤b)中分离出的液体和/或在预处理过程中取出的一个或多个液体料流的组成的分析包括在整个方法中测量从步骤b)中分离出的所述液体和/或在生物质预处理过程中取出的所述液体料流的酸性力，其优选通过测量所述液体和/或所述液体料流的pH进行，所述测量特别地连续进行或以给定频率进行。
酸性力定义为所考虑的液体中存在的H+离子的量。它可以通过本领域技术人员公知的方法，通过各种参数来测量。例如，可以通过滴定分析法(监测在分阶段加入碱溶液期间pH的变化)、通过测量溶液的pH和/或通过测量所述溶液的电导率来测定溶液中所含的酸，从而测量酸性力。理想地，当用于测量pH的设备足够精确时，优选测量液体的pH以表征酸性力。
当pH水平非常低并且存在pH测量不能给出足够精确的结果的风险时，该测量可以优选伴随有电导率测量。
从步骤b)中分离出的液体和/或在预处理过程中取出的一个或多个液体料流的pH优选为0.1-7，优选0.5-4，更优选0.7-2.5。
当在70℃下测量时，从步骤b)中分离出的液体和/或在预处理过程中取出的一个或多个液体料流的电导率本身可以是5-250 mS/cm，更优选15-150 mS/cm。
本发明的方法包括控制步骤a)中使用的浸渍液的组成，以使在本发明的方法过程中取出的至少一个液体料流的酸性力保持恒定。
特别地，根据本发明的方法包括步骤e)—调节步骤a)中使用的浸渍液的组成，以在整个方法中保持从步骤b)中分离出的所述液体和/或在生物质预处理期间取出的所述液体料流的酸性力恒定。
对于本专利申请的目的，应当理解，当表征其的大小(pH、电导率、酸的测定等)在整个过程的运行中通常不改变±10%至20%时，酸性力"保持恒定"。因此，特别地，应调节浸渍液的组成以确保从步骤b)中分离出的液体和/或在生物质预处理期间取出的所述液体料流的pH不会相对于其初始值，特别是相对于其标称值变化超过20%，优选相对于其初始值变化±10% (因此，特别是在目标酸性力值的±20%内，优选在±10%内)。对于非常低的pH值，通常低于1.5，pH的稳定性被认为是相对于标称值±0.1 pH单位的变化。根据一个具体实施方案，当酸性力由电导率表征时，应调节浸渍液的组成以确保从步骤b)分离出的液体和/或在生物质预处理期间取出的液体料流的电导率不会相对于其初始值变化超过20%，优选相对于其初始值变化不超过10%。
因此，当在本发明方法的运行过程中所考虑的料流的酸性力降低时，引入步骤a)的浸渍液的酸性增加(通过降低pH)，相反，当在本发明方法的运行过程中所考虑的料流的酸性力增加时，引入步骤a)的浸渍液的酸性降低(通过稀释)。
特别地，通过向步骤a)中使用的所述浸渍液中添加(或供应)水和/或酸来进行调节。
水或酸的添加可以直接加入生物质浸渍步骤a)中，或者在浸渍液的制备过程中加入。它可以直接在管线上或在设备(混合器、罐等)中进行。
再循环步骤
根据一个具体实施方案，本发明的方法包括将从步骤b)分离出的液体、在生物质预处理过程中取出的液体料流和/或在随后的生物质处理步骤(例如通过酶水解和/或醇发酵)过程中取出的液体料流再循环到浸渍步骤a)中的步骤。
在进行再循环的情况下，再循环料流的酸性力的变化越大，浸渍液组成的调节成比例地越大。
特别地，申请人已经证明，浸渍产生酸贫化的废液(压榨液和排出液)和在生物质预处理期间取出的具有残余酸度的液体料流。不希望受理论的束缚，这些酸度变化可能是由于生物质的碱性，其中和了引入本发明方法的浸渍液的部分酸。令人惊讶地，这些料流，特别是废液，也具有缓冲作用，这可能是由于生物质的可提取物质。因此，将它们再循环显著地改变了浸渍液的性质。通过加入水和本专利申请中所述的酸，申请人因此观察到可以补偿与再循环相关的浸渍液性质的变化，以便经处理的生物质的纤维素酶反应性方面保持恒定的令人满意的性质。
因此，当进行该方法的一个或多个液体料流的再循环时，以与从步骤b)中分离出的液体或在生物质预处理期间取出的液体料流的组成相同的方式分析它们的组成，并且调节步骤a)中使用的浸渍液的组成以在整个方法中保持所述再循环液体料流的酸性力恒定。
在本发明方法的上下文中，因此制备具有所需pH的液体以在整个方法中保持良好的浸渍。一部分加入的酸使得可以抵消生物质的碱度，其可以预先测量。该加入的第二部分使得可以抵消废液的缓冲性质。水的加入使得可以调节引入步骤a)的浸渍液的流速。
在某些情况下，也可在步骤b) (压榨或排出)中进行的液体分离之后立即安排一次或两次清洗(purge)，以防止从生物质获得的分子的过度浓缩。
还可以设想处理待再循环的液体的步骤，以便净化它并减少清洗的使用。
类似地，在某些情况下，对于添加，可以使用源自并入浸渍/预处理管线的方法的各种水源。例如，水的加入可以来自水的处理、来自由第一蒸馏塔或由来源于主蒸馏的某些馏分的粘液质获得的酒糟的处理或这种类型的料流的组合的处理。这些酒糟和这些粘液质可以任选地进行处理以被纯化。
通过酶水解和醇发酵处理经预处理的生物质
根据本发明的方法可以特别地包括，在预处理步骤c)之后，通过酶水解处理至少一部分经预处理的生物质以产生所述糖液的步骤。根据优选的实施方案，对至少一部分的糖液进行酒精发酵。
酶水解和连续或同时发酵的条件适合于所需产物，并且是本领域技术人员已知的。
本发明的方法在由木质纤维素生物质制备糖的方法中和在由所述糖液生产乙醇的方法中找到特别有利的应用。这种方法是已知的。一种用于从木质纤维素生物质制备糖的方法，包括预处理，其有利地是蒸汽***，随后是酶水解。由糖生产乙醇的方法还包括所述糖的醇发酵。
在本发明方法的上下文中，浸渍液、水和分离出的液体(压榨液或排出液)的流速用本领域技术人员已知的任何设备(例如流量计、体积水平等)测量。
本专利申请的图1至4以非限制性方式示出了根据本发明的方法的实施。
将经碾磨的生物质经由管道1引入浸渍区2。该区域含有由通过管道3引入的酸和任选地通过管道4引入的水组成的浸渍液。
在图2所示的实施方案中，浸渍液是在浸渍之前的步骤中，在液体制备区域9中，通过引入酸(3)和任选的水(4)来制备的。将这样制备的液体经由管道10引入浸渍区2。
然后将所获得的浸渍生物质转移到分离区5，以便产生湿生物质和分离的液体6。
根据一个实施方案，分离的液体6的特征通过传感器(pH、电导率、流速等)测量，并且调节经由管道3和4引入的酸和/或水的量，以在整个方法操作过程中保持所述分离的液体6的酸性力恒定。
然后在预处理区7中预处理在分离期间获得的湿生物质，从该预处理区中取出取出一个或多个液体料流8。
根据一个具体实施方案，液体料流8的特征通过传感器(pH、电导率、流速等)测量，并且调节经由管道3和4引入的酸和/或水的量，以在整个方法操作过程中保持所述液体料流8的酸性力恒定。
图3和4示例了分离的液体6和/或液体料流8可能再循环到浸渍区2中。
实施例
实施例1：
实施例1给出了根据现有技术的程序。使生物质(麦秆)与控制酸度的酸性液体(水+硫酸)(1.1重量%)接触。通过在蒸汽***反应器(190℃，5分钟的停留时间)中蒸煮来预处理如此浸渍的生物质。
通过仅控制引入浸渍步骤的液体的酸度，生物质性质的变化引起经预处理的产物性质的变化。下表示例了这种现象。在相同条件下对麦秆进行两个测试：结果证明了原料的固有可变性。
秸秆试验1 秸秆试验2
酸性液体的酸度 1.1重量% 1.1重量%
压榨液的pH 1.6 1.8
压榨液电导率(mS/cm) 12 20
经预处理的生物质中单糖和低聚糖的含量 50.3% 64.8%
对于1.1重量%的酸度，由于经处理的生物质的可变性，在预处理步骤之后，单糖和低聚糖的产量可以为50重量%至65重量%。还观察到0.2 pH单位和在电导率方面8 mS/cm的废浸渍液(压榨液)的性质有显著变化。废液性质的这种变化直接导致成品的糖含量的可变性。
实施例2
实施例2给出了本发明的程序。将实施例1中使用的生物质(麦秆)与酸性液体(水+硫酸)接触。通过螺旋将经浸渍的生物质引入预处理反应器，产生称为压榨液的液体料流。在根据本发明的实施中，调节浸渍液的酸含量以保持压榨液的性质(pH或电导率)恒定。
下表示例了这个程序在几天内的生产结果。
试验3 变化范围
压榨液的pH 0.61 ±0.1
压榨液电导率(mS/cm) 33.5 ±3.2
经预处理的生物质中单糖和低聚糖的含量 68.7% ±5%
调节压榨液(pH至±0.1或电导率至±10%)使得可以将预处理生物质的性质的可变性限制到糖(单体和低聚物)产率的±5点。因此，使用根据本发明的调节酸性液体的方法使得可以确保最终产品的性质恒定。

Claims (22)

1.一种用于连续处理木质纤维素生物质以生产糖液的方法，其包括以下步骤：
a)通过使所述生物质与浸渍液接触，使用pH为0.1至7的浸渍液浸渍所述生物质，
b)分离步骤a)中获得的经浸渍的生物质以产生固体含量为至少15重量%的湿生物质和分离的液体，
c)预处理步骤b)中获得的湿生物质以产生经预处理的生物质，在该过程中取出一个或多个液体料流，
其特征在于，所述方法包括
d)分析从步骤b)中分离出的液体和/或在生物质预处理期间取出的一个或多个液体料流的组成，和
e)调节步骤a)中使用的浸渍液的组成，以在整个方法中保持从步骤b)中分离出的所述液体和/或在生物质预处理期间取出的所述液体料流的酸性力恒定，所述酸性力对应于存在的H+离子的量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浸渍液包含至少一种酸和任选的水。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括在浸渍步骤a)之前制备浸渍液的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浸渍步骤在10至95℃的温度下进行，并且所述生物质在所述浸渍步骤中的停留时间为20秒至12小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，浸渍液的pH为0.1-6。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，浸渍液的pH为0.1-2。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浸渍液是强酸的水溶液，所述强酸选自硫酸、盐酸和硝酸，所述强酸的酸含量相对于所述浸渍液的总重量为0.5重量%至8重量%酸。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分离步骤通过排出、倾析、离心或压榨经浸渍的生物质来进行。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b)中获得的湿生物质的固体含量为25-70重量%。
10.根据前述权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤b)中获得的湿生物质的固体含量为40-65重量%。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于预处理湿生物质的步骤c)是通过蒸煮进行的。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于预处理湿生物质的步骤c)是通过蒸汽***进行的。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分析从步骤b)中分离出的液体和/或在生物质预处理期间取出的一个或多个液体料流的组成的步骤d)包括在整个方法中测量从步骤b)中分离出的所述液体和/或在生物质预处理期间取出的所述液体料流的酸性力。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过测量pH或通过测量电导率来进行所述液体和/或所述液体料流的酸性力的测量。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述测量连续地或以给定频率进行。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在生物质预处理期间取出的所述液体料流是在浸渍步骤a)下游和随后的生物质处理步骤上游取出的液体料流。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过向步骤a)中使用的所述浸渍液中加入水和/或酸来进行调节所述浸渍液的组成的步骤e)，以便在整个方法中保持从步骤b)中分离出的液体和/或在所述生物质预处理期间取出的液体料流的酸性力恒定。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，通过向步骤a)中使用的所述浸渍液中加入水和/或酸来进行调节所述浸渍液的组成的步骤e)，以便在整个方法中保持从步骤b)中分离出的液体和/或在所述生物质预处理期间取出的液体料流的酸性力恒定在±20%内。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，通过向步骤a)中使用的所述浸渍液中加入水和/或酸来进行调节所述浸渍液的组成的步骤e)，以便在整个方法中保持从步骤b)中分离出的液体和/或在所述生物质预处理期间取出的液体料流的酸性力恒定在±10%内。
20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括将从步骤b)中分离出的液体、在生物质预处理期间取出的液体料流和/或在随后的生物质处理步骤期间取出的液体料流通过酶水解和/或醇发酵再循环到浸渍步骤a)中的步骤。
21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述预处理步骤c)之后通过酶水解处理至少一部分经预处理的生物质以生产所述糖液的步骤。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于对至少一部分糖液进行醇发酵。
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