生物基纤维胶(bfg)和生产bfg的方法
【专利说明】生物基纤维胶（BFG)和生产BFG的方法
[0001] 相关申请的参考
[0002] 本申请主张于2012年7月11日提出的美国临时申请61/670, 188号的权益，并将 其整体引用于此作为参考。
[0003] 发明背景
[0004] 本文描述的是用于制备生物基纤维胶的方法，其包括：
[0005] (a)将农业材料与在约75°C至约150°C的范围（优选在约85°C至约90°C的范围） 的温度下加热的碱性溶液混合，以形成浆料；
[0006] (b)从所述浆料分离出不溶性成分以产出具有约9至约14的pH (优选在约10至 约12的范围）的溶液，其中，所述溶液包含约0. 1至约10wt%的固体物，其中，所述固体物 是碱溶性组分；
[0007] 和下述步骤（C)-(i)中之一：
[0008] (c)将所述溶液蒸发至约16至约23wt%的固体物，并且干燥成粉末；
[0009] (d)将所述溶液的pH调整为约2至约12的pH (优选调整为约4至10的pH，更优 选调整为约4至约7的pH)，将所述溶液蒸发至约16至约23wt %的固体物，并且干燥成粉 末；
[0010] (e)将所述溶液蒸发至约16至约23wt%的固体物，将所述溶液的pH调整为约2 至约12的pH (优选调整为约4至10的pH，更优选调整为约4至约7的pH)，并且干燥成粉 末；
[0011] (f)将所述溶液蒸发至约16至约23wt%的固体物，用约二至约五体积的有机溶剂 (例如，乙醇、异丙醇）沉淀出所述可溶性成分以形成沉淀物和上清液，并且分别干燥所述 沉淀物和所述上清液；
[0012] (g)将所述溶液蒸发至约16至约23wt %的固体物，将所述溶液的pH调整为约2 至约12的pH (优选调整为约4至10的pH，更优选调整为约4至约7的pH)，用一至五体积 (优选为2体积）的有机溶剂（例如，乙醇、异丙醇）沉淀出所述可溶性成分以形成沉淀物 和上清液，并且分别干燥所述沉淀物和所述上清液；
[0013] (h)将所述溶液的pH调整为约2至约12的pH (优选调整为约4至10的pH，更优 选调整为约4至约7的pH)，将所述溶液蒸发至约16至约23wt %的固体物，用约一至五体 积（优选为约2体积）的有机溶剂（例如，乙醇、异丙醇）沉淀出所述可溶性成分以形成沉 淀物和上清液，并且分别干燥所述沉淀物和所述上清液；或
[0014] ⑴将所述溶液的pH调整为约2至约5的pH (优选为约3. 5至约4. 5)以沉淀半 纤维素 A，用约2体积的有机溶剂（例如，乙醇、异丙醇）处理剩余的溶液以形成沉淀物和上 清液，并且分别干燥所述沉淀和所述上清液；和
[0015] 任选地用下述中的至少一种预处理溶液：
[0016] (1)使所述溶液脱盐，脱盐后的溶液成为溶液；
[0017] (2)使溶液通过至少一种纳滤膜或超滤膜或渗滤膜，渗透液成为溶液；或
[0018] (3)使溶液通过至少一种纳滤膜或超滤膜或渗滤膜，渗余液成为溶液。
[0019] 也描述了通过这些方法生产的产品以及它们的一些用途。
[0020] 当用碱性溶液提取木质纤维素农业残渔（例如，玉米結杆（corn stover)、小麦結 杆、稻秸杆等）、农业加工副产品（例如，玉米麸、玉米纤维、燕麦麸、稻壳、甘蔗渣等）和能源 作物（例如，芒草、柳枝稷等）以生产用于食品和生物燃料应用的富含纤维素的组分时，来 自加工的废液必须在其可被丢弃之前进行昂贵的废物处理。同时，目前对能够替代石油获 得的和/或进口的水包油和油包水乳化剂、粘接剂、粘合剂、油井钻探泥浆和水力压裂泥浆 的有用成分、增粘剂、抗氧化剂、可溶性膳食纤维和血清胆固醇还原剂的低成本、生物基产 品存在需求。令人吃惊地，我们已经发现，来自上述木质纤维素产品加工的废液通过蒸发、 干燥、膜过滤、溶剂沉淀和/或本文所述的其他方法进行加工能够产出可用作上述石油获 得的和/或进口的产品的替代品的新组合物。因此，该发现允许将具有负价值的废料转化 成具有本文所述的许多应用的增值产品。
【发明内容】
[0021] 一种用于制备生物基纤维胶的方法，其包括：
[0022] (a)将农业材料与在约75°C至约150°C的范围（优选在约85°C至约90°C的范围） 的温度下加热的碱性溶液混合，以形成浆料；
[0023] (b)从所述浆料分离出不溶性成分以产出具有约9至约14的pH (优选在约10至 约12的范围）的溶液，其中，所述溶液包含约0. 1至约10wt%的固体物，其中，所述固体物 是碱溶性组分；
[0024] 和下述步骤（C)-(i)中之一：
[0025] (c)将所述溶液蒸发至约16至约23wt%的固体物，并且干燥成粉末；
[0026] (d)将所述溶液的pH调整为约2至约12的pH (优选调整为约4至10的pH，更优 选调整为约4至约7的pH)，将所述溶液蒸发至约16至约23wt %的固体物，并且干燥成粉 末；
[0027] (e)将所述溶液蒸发至约16至约23wt%的固体物，将所述溶液的pH调整为约2 至约12的pH (优选调整为约4至10的pH，更优选调整为约4至约7的pH)，并且干燥成粉 末；
[0028] (f)将所述溶液蒸发至约16至约23wt%的固体物，用约二至约五体积的有机溶剂 (例如，乙醇、异丙醇）沉淀出所述可溶性成分以形成沉淀物和上清液，并且分别干燥所述 沉淀物和所述上清液；
[0029] (g)将所述溶液蒸发至约16至约23wt %的固体物，将所述溶液的pH调整为约2 至约12的pH (优选调整为约4至10的pH，更优选调整为约4至约7的pH)，用一至五体积 (优选为2体积）的有机溶剂（例如，乙醇）沉淀出所述可溶性成分以形成沉淀物和上清 液，并且分别干燥所述沉淀物和所述上清液；
[0030] (h)将所述溶液的pH调整为约2至约12的pH (优选调整为约4至10的pH，更优 选调整为约4至约7的pH)，将所述溶液蒸发至约16至约23wt %的固体，用约一至五体积 (优选为约2体积）的有机溶剂（例如，乙醇）沉淀出所述可溶性成分以形成沉淀物和上清 液，并且分别干燥所述沉淀物和所述上清液；或
[0031] ⑴将所述溶液的pH调整为约2至约5的pH (优选为约3. 5至约4. 5)以沉淀半 纤维素 A，用约2体积的溶剂（例如，乙醇）处理剩余的溶液以形成沉淀物和上清液，并且分 别干燥所述沉淀物和所述上清液；和
[0032] 任选地用下述中的至少一种预处理溶液：
[0033] (1)使所述溶液脱盐，脱盐后的溶液成为溶液；
[0034] (2)使溶液通过至少一种纳滤膜或超滤膜或渗滤膜，渗透液成为溶液；或
[0035] (3)使溶液通过至少一种纳滤膜或超滤膜或渗滤膜，渗余液成为溶液。
[0036] 以及通过这些方法产生的产品和它们的一些用途。
[0037] 所提供的该概述以简化的形式介绍了一组概念，在下文中将会对其进一步详细描 述。该概述不用于标明所主张的主题的关键特征或必要特征，也不用于帮助确定所主张的 主题的范围。
【附图说明】
[0038] 图1显示了由农业残渣（例如，玉米秸杆、小麦秸杆、稻秸杆等），农业加工副产品 (例如，玉米麸，玉米纤维，燕麦麸、稻壳、甘蔗渣等）或能源作物（例如，芒草、柳枝稷等） 的碱性提取液产生粗制的、半纯化的，或纯化的生物基纤维胶（BFG)的我们的几种新方法 的图，所述方法包括：（图的左侧）通过直接蒸发（部分干燥）提取液（进行或不进行PH 调整），随后乙醇沉淀、喷雾干燥或滚筒干燥，制造粗制的和半纯化的BFG的简单方法；或 (图的右侧）更精细方法，包括用增加标称截留分子量（MWCO)的膜按序处理，以制造具有以 分子量分离的成分的纯的独特的BFG组分，并且发现其主要在顺序膜加工的渗余液中，如 下所述，渗透液包含其他有用的产品（比如道路除冰剂、肥料、抗氧化剂和适于益生元的寡 糖）。
[0039] 图2显不了由农业广品或农业副广品（例如，玉米鼓）喊性提取液广生半纯的和 纯化的生物基纤维胶的我们的几种新方法的图，其包括用低、中或高分子量截留膜处理，随 后通过蒸发（部分干燥）加工渗余液和渗透液，随后乙醇沉淀或喷雾干燥或滚筒干燥，如下 所述。纯化的BFG主要出现在干燥的渗余液中，渗透液包含其他有用的产品（比如道路除 冰剂、肥料、抗氧化剂和适于益生元的寡糖）。干燥之前进行乙醇沉淀的渗余液也是纯化的 BFG。
[0040] 图3显示了由农业产品或农业副产品（例如，玉米麸）的碱性提取液产生半纯化 和纯化的生物基纤维胶的我们的几种新方法的图，其包括通过超滤或本领域已知的其他类 似有效的过滤或脱灰系统简单的使提取液脱灰，随后蒸发（部分干燥），随后乙醇沉淀、滚 筒干燥或喷雾干燥，如下所述；可选地，通过渗余液的酸化，可产生半纤维素 A和半纤维素 B 生物基纤维胶的分离液。没有乙醇沉淀而产生的那些是半纯化的BFG而乙醇沉淀产生的那 些是纯化的BFG。
[0041] 图4是图1的一部分，其显示了由农业产品或农业副产品（例如，玉米麸）的碱性 提取液产生粗制的和半纯化的生物基纤维胶的我们最简单的新方法的图，其包括直接蒸发 (部分干燥）提取液（进行或不进行PH调整），随后乙醇沉淀、喷雾干燥或滚筒干燥的简单 方法。没有乙醇沉淀制造的那些是粗制的BFG，而乙醇沉淀制造的那些是半纯化的BFG。
[0042] 图5显示了图1部分的最简单版本，其是由农业产品或农业副产品（例如，玉米 麸）的碱性提取液产生半纯的和纯化的生物基纤维胶的我们的新方法中的一种的图，其包 括的方法包括用至少一种纳滤或超滤膜或渗滤膜进行处理以产生半纯的或纯化的具有以 分子量分离的成分的独特组分，其随后乙醇沉淀、喷雾干燥或滚筒干燥，如下所述。没有乙 醇沉淀制造的那些是BFG至少半纯的混合物，而乙醇沉淀制造的那些是纯化的BFG。
[0043] 图6显示了使用如下所述不同的粘合剂产生的石油焦粒料的压缩试验测量。除了 以指示水平使用的木质素磺酸盐、淀粉、淀粉粘合剂和明胶，以〇. 8%添加粘合剂。5psi处 的虚线表明粒料的最小可接受的水平。
【具体实施方式】
[0044] 公开了通过碱性提取农业产品和/或木质纤维素农业副产品（例如，玉米麸/纤 维或其他麸/纤维样品比如燕麦麸、小麦麸、大麦秸杆和外壳、甘蔗渣、玉米秸杆、小麦秸 杆、高粱麸）和/或木质纤维素能源作物（例如，柳枝稷和芒草）来生产新型生物基纤维胶 (BFG)和混合物的方法。本文将术语"农业材料"定义为包括农业产品、木质纤维素农业副 产品、和木质纤维素能源作物，其可单独或作为混合物。这些方法利用通过下述步骤生产的 溶液：（a)将农业材料与在约75°C至约150°C的范围（例如，75-150°C ;优选地约85°C至约 90°C (例如，85-90°C))的温度下加热的碱性溶液混合，以形成浆料；和（b)从浆料分离出 不溶性成分，以产出pH为约9至约14 (例如，9-14 ;优选地约10至约12 (例如，10-12))的 溶液，其中溶液包含约〇. 1至约l〇wt% (例如，0. l-10wt% )的固体物，其中固体物是碱溶 性组分。可由废液（上述"溶液"）制造多个等级的新产品（例如，粗制的、半纯的和纯的， 包括含有下述非BFG成分的渗透液样品），所述废液来自通过实施美国专利5, 766, 662来 制造纤维素凝胶比如Z Trim，尽管相同产品可也通过用碱性水溶液提取玉米麸或包含其他 麸/纤维样品的农业材料麸、农业副产品和木质纤维能源作物的其他类似方法制造，其中， 该产品在碱性提取液（上述"溶液"）中。在美国专利5, 766, 662的Z-Trim方法中，用热氢 氧化钠溶液（没有过氧化氢）提取玉米麸和其他木质纤维素材料，以提取碱溶性成分，留下 发现富含纤维素的残渣；我们的组合物不包含这些材料。我们的方法可利用包含可溶性阿 拉伯木聚糖和其他独特且有用成分的碱性提取液"废液"，并且使用它来制造我们的生物基 纤维胶（BFG)和混合物。
[0045] 几种独特的方法可用于生产我们的粗制的胶混合物和纯化的胶。图1-5提供了 这些方法中的一些，其是使用超滤或渗滤膜或其他过滤、沉淀和去离子系统来制造这些BFG 和混合物的方法的例子。
[0046] 粗制的和半纯化的BFG和混合物使用图1中的方法：图1(和图4)中，使用几种 新方法能够将具有约〇. 1至约IOwt %的固体物（例如，0.1 -IOwt % ;优选地约0. 6至约 0. 9wt%的固体物（例如，0. 6-0. 9wt% ))的美国专利5, 766, 662的废液或任何其他合适的 农业材料（例如，玉米麸或其他麸/纤维/植物生物质样品）的碱性提取液转化成新的组合 物。其中一种方法包括通过在蒸发器中蒸发（部分干燥），将初始PH为约11. 8(例如，11. 8) 的废液从其初始低固体物含量浓缩至约16至约23wt% (例如，16-23wt% )的固体物，以 生产浓缩的溶液，其可被进一步干燥以制造贮存稳定的产品。蒸发可利用本领域已知的任 何类型的使水蒸发的系统，例如使