用于生物质的水热转化的系统和方法
【专利说明】用于生物质的水热转化的系统和方法
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请涉及于3月14日提交的名称为“Dewatering Systems and Methods forB1mass Concentrat1n”的美国非临时专利申请第13828, 143号，其要求于2012年6月26 日提交的名称为 “Dewatering Systems and Methods for Algae Concentrat1n” 的美国临时专利申请第61/664532号的利益，这两者都通过引用并入本文。
技术领域
[0003]本发明总体涉及可再生能源的领域，更具体涉及用于由藻类(algae)产生燃料的系统和方法。
【背景技术】
[0004]藻类是作为生物质(b1mass)产生生物燃料的极好选择，因为除其它特性外，藻类能够非常快速地生长并且能够在不适合于如水体和非耕地上的其它用途的区域中生长。藻类生物质生长在水中，因此需要大量的能量以使其充分干燥。水热液化(Hydrothermalliquefact1n, HTL)是产生藻类衍生的生物油的方便的热化学途径，因为水热液化不需要生物质充分干燥。然而，由于藻类的高蛋白含量，通过水热液化产生的所得生物油富含氮，通常掺入(incorporate)到芳族化合物中。这样的生物油不适合通过催化脱氧方法精制，那些通常用于从石油衍生的油产生运输燃料，因为这种类型的氮难以除去，并且可能对催化剂有毒。通过水热液化产生藻类生物燃料还缺乏碳效率，表现在一些有价值的含碳分子不能从水相中有效地除去，并且除非通过不同的路线进行处理否则会丢失。
[0005]Savage等人(USPGP 2012/0055077)公开了一种用于将藻类转化为生物油的两步水热液化方法。在Savage等人的方法中，在亚临界(subcritical)条件下进行第一水热处理，而在超临界条件下进行第二水热处理。
[0006]Gupta等人(USPGP 2011/0179703)公开了亚临界水热处理生物质以形成生物炭的方法。生物油是该方法的副产物，并且由于该生物油被认为是不希望的，而仅仅是废弃碳，将生物油回收返回至亚临界水热处理，用于提高生物炭产率。虽然可以使用Gupta等人的方法，其中藻类用作生物质，但Gupta等人没有描述使用藻类，而是列出了产生更显著量的生物炭的生物质的示例，诸如“林业或农业废产品，木材原木，木材板，木肩，树皮，玉米类产品，麦秸，坚果壳，和甘蔗”。不同于藻类，这些来源一般都是高木质素。
【发明内容】
[0007]本发明的示例性方法包括:第一水热液化处理，接着进行分离步骤。在第一水热处理中，在包括约150°C至约350°C之间的第一处理温度和约500psi至约3000psi之间的压力的第一亚临界水热条件下，一起处理诸如藻类的生物质的含水悬浮液(suspens1n)和第一有机溶剂，以产生第一多相混合物，该第一多相混合物包括气相、有机液相、含水液相和固相。该有机溶剂的特征在于在室温下与水不混溶，并且可包含例如烃。在各种实施方案中，生物质的含水悬浮液包括约5重量％至约30重量％之间的生物质。在各种实施方案中，在亚临界处理步骤中所用的水与第一有机溶剂的体积比为约1:1至约10:1之间。任选地，诸如催化剂的添加剂可以添加到第一水热处理。
[0008]分离步骤用于分离多相混合物的有机相和水相，并任选地还产生气相和/或固相。在各种实施方案中，示例性方法包括从由分离步骤产生的水相回收碳。在一些实施方案中，气相与水相一起处理。回收碳作为二氧化碳例如可循环回到藻类培养，可转化为液态烃产物，可转化为甲烷，可被捕获和浓缩，或可再循环回到水热处理。在各种实施方案中，将水相提供至蒸炼器以生成生物气(b1gas)，并在这些实施方案中，然后使生物气进行蒸汽甲烧转化(stream methane reforming)以将其甲烧部分转化为氢和二氧化碳，或使生物气进行蒸汽气化(stream gasficat1n)以将其甲烧部分转化为合成气(syngas)。在这些后面的实施方案中，任选地进一步处理合成气以产生液态烃。
[0009]示例性方法还可以包括第一水热处理前和第一分离步骤后的步骤。因此，在一些实施方案中，该方法还包括在第一水热处理前产生生物质的含水悬浮液，其中产生生物质的含水悬浮液包括培养藻类和对藻类脱水(dewater)。在其它实施方案中，该方法还包括将有机相转化为燃料，并且在一些这些实施方案中，该方法还包括将一些燃料作为至少一部分第一有机溶剂供给回到第一水热处理中。
[0010]在该示例性方法的其它实施方案中，第一温度不超过约200°C。在这些实施方案的一些实施方案中，第一多相混合物还包括固相，并且分离步骤还包括将固相与有机相和水相分离。在这些实施方案中，该方法还还包括第二水热处理，该第二水热处理包括在第二水热条件下处理该固相，任选地与第二溶剂一起，其中第二水热条件包括高于第一处理温度的第二处理温度和约200psi至约3000psi的压力，以产生有机相和水相的第二多相混合物，并将第二多相混合物的有机相和水相分离。第二水热条件可选地是亚临界或超临界的。在这些实施方案的其它实施方案中，该方法附加地包括将从分离第一和第二多相混合物回收的有机相转化为燃料。任选地，该方法可以附加地包括通过已描述的方法从分离自第二多相混合物中的水相回收碳和营养物(nutrient)。
[0011]本发明还提供了通过本文公开的方法的产品。特别是，当生物质包含藻类或微藻(microalgae)时通过这些方法产生的产品包括适合于精炼的低氮浓度有机相。
【附图说明】
[0012]图1是根据本发明示例性实施方案的一种方法的流程图表示。
[0013]图2是根据本发明另一示例性实施方案的一种方法的流程图表示。
【具体实施方式】
[0014]本发明提供了用于由生物质合成低氮浓度有机产物的系统和方法，有机产物适于精炼成烃，诸如运输燃料。该方法使生物质与溶剂一起进行亚临界水热处理，其将生物质分为几个相，包括有机相和水相。该方法的产物有机相包括生物油，也称为生物原油，衍生自生物质中的脂质(lipid)，而水相包括来自生物质的生物分子(如蛋白质)和烃的水解(hydrolysis)产物的水溶液，通过这些产物的反应形成水溶性分子。固体由不溶性蛋白质和烃组成。溶剂用于提取非极性分子，而水相溶解含氮分子，留下低氮有机相，其包含溶解在溶剂中的生物油。其它实施方案采用两个阶段，在第一阶段第一亚临界水热处理接着是第一分离步骤，之后进行第二水热处理和第二分离步骤，其中第二水热处理的温度高于第一水热处理的温度。在这些两阶段方法中，在第二水热处理中处理回收自第一分离的固相，其任选可以是亚临界的或超临界的(supercritical)。如果第一步骤是在温和条件下进行，则水相中的含氮分子不反应，以形成可以掺入到有机相中的较大聚合物。相反，含氮分子留在水相中。
[0015]图1用于说明本发明的各种示例性实施方案。示出的方法100开始于获得生物质的可选步骤110。接着，在步骤120中使生物质与溶剂一起经受亚临界水热液化处理，得到多相混合物。在步骤130执行相分离，以分离有机相和水相，并任选地分离出固相和气相。在步骤140中任选地精炼有机相。在步骤160中任选地进一步处理水相。下面进一步详述这些步骤的每个步骤。可分批(batch)或连续操作来任选地执行方法100的各个步骤。
[0016]步骤110包括获得生物质。这一步骤可以例如通过培养生物质(诸如藻类或柳枝稷(switchgrass))，或通过回收废产品(诸如农业废物，如玉米稻杆，或来自木材和造纸工业的废物)来执行。生物质的产生消耗碳，其然后通过方法100转化为有用的产品。步骤110是可选的，本发明的一些方法可以在不执行培养、废物回收或类似步骤的情况下实施，并且在这些实施方案中该方法开始于接收的生物质。在各种实施方案中，生物质的C:N比小于约10，或在10至20之间的范围内，或大于20，而由生物质产生的有机相的C:N比(r