专利名称：转化生物质的方法和设备的制作方法
转化生物质的方法和设备本发明涉及将生物质，特别是将含木质纤维素的生物质转化为 可发酵糖的方法。本发明还涉及适合实施该方法的设备。将来，可再生材料将起到越来越重要的作用。生物转化方法将 是由可再生起始材料(例如生物质)生产有价值产品(例如乙醇)的重要 方法。碳水化合物从木质纤维素(生物质的主要成分)中的释放步骤 构成了生物质转化过程中的瓶颈。为了使生物催化剂(例如微生物) 进入起始材料，有必要将木质纤维素解聚和/或解晶化。为此目的的公知技术是强酸处理，其见迷于例如US-A-5 562 777、 US-A-5 580 389、 US-A-5 597 714、 US國A陽5 620 877、 US-A-5 726 046、 US-A隱5 782 982、 US-A隱5 820 687、 US-A-6 054611和US-A-6 239 198。国际申请WO-A-94/23071描述了由含纤维素和半纤维素的材料 生产糖的方法。该方法包括用酸将纤维素和半纤维素解晶化并水解， 再将水解产物分为糖和酸。US-A-4 427 584描述了逐步的方法用液体或气体三氧化石危将 晶型a-纤维素转化为无定形a-纤維素以引起a-纤维素的解晶作用， 然后水解经处理的纤维以产生糖。将纤维素材料转化为可发酵产物的公知技术通常需要机械搅拌 装置，以获得纤维素材料与强酸的充分混合。实际上这常常导致复 杂化，因为运动机件与强酸的结合会引起腐蚀问题。纤维素材料通 常也需要机械预处理以获得所需的颗粒大小(通常直径为10毫米或 者更小)和含水量(通常小于10%)。另外，为了克服使强酸与纤維素材料良好接触方面的困难，公 知技术需要将纤维素材料剁碎或者碾碎成不大于10目的颗粒尺寸。 使纤维素材料悬浮在热空气流中也需要这种小的颗粒尺寸。
另外，独立的蒸发器是必需的，以产生浓酸。这导致了额外招 资费用。另外，所述公知技术需要相当大量的酸，这些酸随后要使用适 量的碱中和。这导致了相当大量的废物流，例如石膏，这需要被处 理掉，因而引起花费。本发明希望克服与现有技术相关的这些问题，以及下文中将显 现出来的其它问题。发现用以下方法可以达到这个目的，在该方法中4吏生物质填充 床或生物质堆接触到酸，并接触作为连续相的气体。在该方法中， 生物质被分裂成10毫米或更大的颗粒尺寸。优选地，^使生物质顺流 与酸接触而逆流与气体接触。可以将生物质与大比表面积的惰性材 料(例如塑料鲍尔环)混合，以保证所需的填充生物质的结构长度， 并确保气体和液体的良好分布。因而， 一方面，本发明涉及将生物 质转化为可发酵糖的方法，该方法包括使所述生物质在反应器中与 酸接触，同时使气流通过所述反应器，其中所述气体是能吸收(take up) 水，从而有效改变反应器中pH值的惰性气体。使气流通过反应器，可以改变酸溶液中水的蒸发，并且可以有 效控制酸的浓度以及pH和含湿量。另外，气流有助于将酸均匀分 布在整个反应器中，而不需要机械搅拌装置。所用的酸可以是任何 本领域公知的适于此目的的强酸，例如盐酸、磷酸、氢氟酸和硫酸。 最优选的是硫酸，因为可以用生物方法将其除去。此外，可以将(气 体)三氧化硫加入反应器中存在的水相中，以此形式使用好u酸。在将生物质装入反应器之后加入酸，例如通过从反应器顶部将 其喷雾加入。任选或者作为可选方式，加入S03。如果需要，可以 加入水以获得有理想酸浓度的水相。随后加入气体，优选,人反应器 底部加入。反应器中所用的酸可以再循环回来进入反应器，这依赖 于生物质的解聚程度。气流也被循环。可以调整气体流速以使溶液 的pH(可以例如用pH电极装置经常监控)保持在期望水平上。酸的 浓度优选被控制在70至75%重量，基于所述反应器中存在的酸(用 kg H2S04/kg无水纤维素材料表示)和水的重量计算。以此方式，可以在差不多不变的且高的酸浓度下进行解聚。其 结果是，木质纤维素转化为粘浆向下流到反应器底部，在这里可^皮 收集。在足够长的时间后，可将包含解聚的纤维素和半纤维素的产 物从反应器中移出，并进行后续处理步骤，任选在为除去粗的未转 化部分的过筛步骤之后进行后续处理步骤。解聚步骤通常以分批过 程进^\也可以半连续方式进行将生物质加入反应器，同时，气 体和酸被循环，直到未转化物质的量是将其从反应器中移走所需的 量。本发明方法的又一个好处是，未转化的物质(其常常由生物质进 料中的污染物，例如沙子或者塑料碎片所形成)残留在反应器中，并 且在反应完成后可以相对容易地从反应器中移走。本发明方法将耗酸量减到了最少。此外，甚至可以有效地转化 大块生物质(例如大块木头)。因为可以通过本发明方法相对容易地 控制酸的浓度和含湿量，所以可以使用的不同类型的进料的含水量 可以变化很大，这增加了本方法的通用性。用来通过反应器的气体原则上可以是任何能吸收足量水的气 体。该气体对于酸处理过程是惰性的，也就是说，该气体不妨碍酸 处理过程。优选地，逸种气体包含C02(通常大于90%体积，例如大 于99%体积)，因为可以由随后的发酵步骤获得C02，在发酵步骤中， 经酸处理转化的生物质被转化为例如乙醇。co2的另一个好处是， 它有助于抑制不需要的产物的形成，特别是抑制氧化产物的形成。 其它适合的气体包括氮气(N2)和空气。因此，气流优选包括选自以 下的组分C02、氮气、空气及其混合物。由于反应器中pH低，空 气相对于反应器内容物差不多也是惰性的。出于方法经济的考虑，优选使气流循环。这包括在气流重新加 回反应器之前把气流中的水除去。可以使用公知的技术除去水，例 如冷却至足够低的温度。发现在ca. 0至4。C的温度下气体足够干燥。 在约2。C的温度下获得良好的结果。反应器中所用的酸优选硫酸。可以将浓112304(例如90%重量或 者更浓)加入反应器，但是也可通过将三氧化硫气体加入反应器中， 在原处形成硫酸，所述三氧化石克气体在溶解于水中时生成;f危酉吏S03 + H20 — H2S04。可以使用氧气或空气燃烧硫化合物，由不同方法步 骤获得三氧化硫。优选地，这种硫化合物是碌u化氢，它可以由硫酸 盐还原步骤获得，该硫酸盐还原步骤可以用来除去产物中的硫化合 物。在典型实施方式中，保持通过床的气体速度相对低(例如低于0.5 米/秒)，以使经过床的压力下降有限(例如限于约50mmH2O)。 反应器中的压力可以为常压或者稍高。反应器中的温度优选60至IO(TC，更优选75至85r,因为这 已经提供了适合的反应速度，并同时避免了水的过分蒸发。酸的量是低的。优选存在的酸量少于2kg酸/kg干物质，更优选 1.2至1.4kg H^CVkg干物质。用强酸处理生物质的现有技术通常使 用的酸量远远多于2kg酸/kg干物质。本发明方法中酸的浓度优选控制在70至75%重量，基于所述 反应器中酸(用kgH2SOAg干物质表示)和水的重量计算。当反应器内容物的停留时间设为10至14小时，优选约12小时， 可获得良好的化学转化。可以方便地由混凝土(廉价且结实)构成，其内部具有耐酸^)"里，例 如TeflonTM村里或者PVC衬里。该反应器还具有气体入口和气体出 口装置，以及加酸装置，特别是一个或多个分布酸溶液的喷嘴。该 设备还可以包括在气体进入流进入反应器之前将其加热的力。热器。 在操作过程中，木质纤维素解聚并形成浆体。该浆体向下移并在反 应器底部被收集。实施本发明的设备还可以包括将浆体,人反应器中 泵出的泵。其还可以包括一个或多个筛网以除去产物流中4且的部分。
从本发明方法获得的产物可以进一步在后续步骤中处理。通常 这包括加入水，其作用是将解聚的纤维素和半纤维素水解成低聚糖 或者单糖。在该步骤中，可以使木质素沉淀并在过滤步骤中滤除掉。存在于溶液中的碳酸盐和重碳酸盐转化为C02，该032可在进行该步骤的反应器顶部收集。该co2流可以用来通过将生物质水解成低聚糖或者单糖的反应器。
权利要求
1.一种将纤维素生物质转化为可发酵糖的方法，该方法包括使所述生物质填充床或生物质堆在反应器中与酸接触，同时使气流通过所述反应器，其中所述气体是能够吸收水，从而有效改变反应器中pH值的惰性气体。
2. 权利要求1的方法，其中所述气体包括C02、空气、氮气或 者其混合物，优选〉90 %体积的C02。
3. 前述权利要求中任一项的方法，其中所述气流^皮循环。
4. 前述4又利要求中任一项的方法，其中所述气流4皮冷却，,人而 使水由其中冷凝，并获得干燥气流，所迷干燥气流随后被加至所述 反应器。
5. 前述权利要求中任一项的方法，其中所述生物质包含大块或 粗颗粒，其平均颗粒尺寸等于或大于10毫米。
6. 前述权利要求中任一项的方法，其中所述反应器中的温度为 60至10(TC,优选75至85。C。
7. 前述权利要求中任一项的方法，其中，基于反应器中存在的 酸和水的重量计算，酸的浓度被控制在70至75%重量。
8. 前述权利要求中任一项的方法，其中在所述反应器中的停留 时间为10至14小时，优选约12小时。
9. 前述权利要求中任一项的方法，其中所述酸为辟u酸。
10. 权利要求9的方法，其中至少部分所述硫酸是通过将S03 加至所述反应器而获得的。
11. 权利要求9或10的方法，其中存在1至2kg H2S04/kg干物 质，优选存在1.2至1.4kg H2S04/kg干物质。
12. —种将纤维素生物质转化为可发酵糖的设备，该设备包括 非搅拌的分批反应器容器，在其中使所述生物质填充床或生物质堆 与酸接触，该反应器容器内部具有耐酸衬里，还具有气体入口和气 体出口装置以及加酸装置。
13. 权利要求ll的设备，该设备由混凝土构成。
14. 权利要求11或12的设备，其中所述加酸装置包括一个或 多个喷嘴。
全文摘要
本发明涉及将纤维素生物质，特别是含木质纤维素的生物质，转化为可发酵糖的方法。本发明还涉及适合实施该方法的设备。依照本发明，生物质转化为可发酵糖是通过将所述生物质与酸在反应器中接触，同时使能吸收水的惰性气流通过所述反应器，由此可以控制所述反应器中的pH值。
文档编号D21C11/00GK101155958SQ200680011001
公开日2008年4月2日 申请日期2006年2月13日 优先权日2005年2月11日
发明者J·H·O·哈泽文克尔, J·W·范格罗尼斯蒂恩, R·R·C·巴克 申请人:农业科技和食物创新公司;荷兰应用自然科学研究组织;科技发明工程师局环境技术公司