[发明专利]从糖的水溶液中除去钙并获得硫酸盐的方法

说明书

相关申请

本申请要求于2007年8月30日提交的、序列号为60/969,004、题为“Method of Obtaining Sulfate Salts From an Aqueous Sugar Solution”的临时申请案的优先权，所述申请案的全部内容通过引用纳入本文。

技术领域

本发明涉及一种改进的处理糖溶液以除去钙并获得硫酸盐的方法。更具体而言，本发明涉及处理一种包含硫酸钙和至少一种钾、钠和铵的硫酸盐的糖溶液。

背景技术

燃料乙醇目前是由诸如玉米淀粉、甘蔗以及甜菜等原料生产的。然而，由于大部分适合生产这些作物的农田已用作人类食物的来源，由这些原料生产乙醇的潜力是有限的。再者，由于在转化过程中使用化石燃料，由这些原料制备乙醇会产生温室气体。

近年来，由含纤维素的原料如农业废料、草及林业废料生产乙醇已受到诸多关注。其原因是这些原料可大量获得并且廉价，而且使用它们生产乙醇能替代燃烧或填埋木素纤维废料。此外，纤维素转化的副产品，即木素，也可用作燃料，从而替代化石燃料为过程提供动力。多项研究已得出这样结论，即当考虑整个生产和消费环节时，使用由纤维素生产的乙醇所产生的温室气体近乎为零。

木素纤维原料的三种主要成分为纤维素、半纤维素和木素，所述纤维素占大多数关键原料的30％至50％，所述半纤维素占大多数原料的15％至35％，且所述木素占大多数原料的15％至30％。纤维素和半纤维素主要由碳水化合物组成，并且是有可能发酵成乙醇的糖的来源。木素为一种不能转化为乙醇的苯基丙烷结构(lattice)。

纤维素是一种具有β-1，4键的葡萄糖聚合物，该结构在所关注的原料中是共同的。半纤维素具有一种更复杂的结构，所述结构在各原料中有所不同。对于通常所关注的原料而言，半纤维素通常由一种具有β-1，4键的木糖的主链聚合物——其侧链为具有α-1，3键的1至5个阿拉伯糖单元、或乙酰基部分、或其他有机酸部分(如葡糖醛酸基团)——构成。

将木素纤维原料转化成乙醇的第一个操作步骤包括使纤维素材料分解。两个主要方法为酸水解，其包括使用单独一步酸处理对所述原料进行水解，以及酶水解，所述酶水解包括先进行酸预处理然后再使用纤维素酶进行水解。

在所述酸水解过程中，将所述原料与蒸汽和一种矿物酸——如硫酸、盐酸或磷酸——接触。酸水解的温度、酸浓度及持续时间足以使纤维素和半纤维素水解为其单体成分，所述单体成分为来自纤维素的葡萄糖和来自半纤维素的木糖、半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、乙酸、半乳糖醛酸和葡糖醛酸。硫酸是用于该方法的最普通的矿物酸。硫酸可以是浓硫酸(25-80％重量/重量)或稀硫酸(3-8％重量/重量)。所得水性浆体含有未水解的纤维——主要是木素——和一种葡萄糖、木糖、有机酸和矿物酸的水溶液，所述有机酸除主要包括乙酸外，还包括葡糖醛酸、甲酸、乳酸和半乳糖醛酸。

在所述酶水解过程中，选择比酸水解过程更温和的酸预处理步骤的蒸汽温度、矿物酸(通常是硫酸)浓度和处理时间。与酸水解过程相似，半纤维素被水解为木糖、半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、乙酸、葡糖醛酸、甲酸和半乳糖醛酸。但是，更温和的预处理并不水解大部分纤维素，而是会使纤维素的表面积随纤维原料粒度的降低而增加。然后在使用纤维素酶的后续步骤中将所述预处理的纤维素水解成葡萄糖。在添加酶之前，将所述酸性原料的pH调节至适合于所述酶水解反应的值。通常，这包括添加碱使pH达到约4至约6之间，这是纤维素酶的最佳pH范围，但如果使用嗜碱性纤维素酶，所述pH可更高。

除纤维素、半纤维素和木素之外，木素纤维原料还含有多种其他有机和无机化合物。最常见的无机化合物是钙盐。将钙从生产物流中除去是有利的，因为盐如硫酸钙在水中溶解度低，并因而可沉淀在加工设备上。这种沉淀可降低生产效率，并可使得单元操作或设备需要停止以将其除去。

在将木素纤维原料加工成乙醇的过程中，能够产生有可能被回收并作为商品出售的其他无机盐。回收这些盐是有利的，因为这提供了一个设备收益的来源并补偿了化学加工步骤中使用的化学品的成本。特别有用的是硫酸盐，包括硫酸钾、硫酸钠和硫酸铵，因为它们可用作农业肥料。或者，在肥料使用受限的领域，可对从该过程中回收的硫酸铵盐进行分解以制备硫酸和硫酸盐，然后可将所述硫酸和硫酸盐回收用于所述方法的前面的步骤或作为商品出售，如描述于共同未决的美国申请60/824,142(Curren等)中。