转化生物质的方法和设备

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，其见述于例如：US-A-5562 777、US-A-5580389、US-A-5597714、US-A-5620877、US-A-5726 046、US-A-5782982、US-A-5820687、US-A-6054611和US-A-6239 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-4427584描述了逐步的方法：用液体或气体三氧化硫将 晶型α-纤维素转化为无定形α-纤维素以引起α-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维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。这导致了额外投 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，在该方法中使生物质填充 床或生物质堆接触到酸，并接触作为连续相地气体。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、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，以此形式使用硫酸。

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SO₃。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，优选从反应器 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 H₂SO₄/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，在这里可被 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 程进行。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，这种气体包含CO₂(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CO₂，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：CO₂、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℃的温度下气体足够干燥。 在约2℃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H₂SO₄(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，所述三氧化硫气体在溶解于水中时生成硫酸：SO₃+ H₂O→H₂SO₄。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，这种硫化合物是硫化氢，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50mm H₂O)。

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100℃，更优选75至85℃，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 H₂SO₄/kg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kg H₂SO₄/kg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。

实施本发明方法的设备通常包括非搅拌的分批反应器容器，其 可以方便地由混凝土(廉价且结实)构成，其内部具有耐酸衬里，例 如Teflon^TM衬里或者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加热器。 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从反应器中 泵出的泵。其还可以包括一个或多个筛网以除去产物流中粗的部分。

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CO₂，该CO₂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。