[发明专利]从气流中分离出成分的方法

说明书

技术领域

本申请涉及使用生物质材料从气流中分离出至少一种气体成分的方法。具体地，本发明涉及使用生物质材料从气流分离出至少一种气体成分并增大生物质酶解性(enzyme digestibility)的方法。

背景技术

已经使用多种技术来实现对气体混合物的分离。这种技术的实例包括蒸馏、膜分离、气-液吸收和气-固吸附。这些技术均基于被分离出的成分之间的一个或多个化学和物理差异来进行。

在蒸馏时，通过利用成分的泡点和露点温度的差异来对气体混合物的成分进行分离。蒸馏塔设计成在一系列板或填料段的上方提供蒸汽和冷凝液流的紧密接触，这样蒸馏塔的底部和顶部之间的温度差异形成具有不同组成的流。蒸馏设备成本高，且蒸馏塔的操作相当复杂又难以实现自动化，因此通常需要熟练操作人员。

已经使用膜来从气体分离出气体以及从液体分离出气体。气体分离可使用任意多孔或无孔的聚合物膜。在多孔膜分离中，孔径通常小于气体分子的平均自由路径。在无孔膜中，分离通常是基于聚合物中的溶解度和扩散性的差异来进行。气-液分离膜通常基于透气性或扩散性或基于透气孔来通过毛细管力进行分离。

美国专利4,995,888显示了使用膜来从液体分离气体的一个实例，其中分离是基于吸收进行的。酸性和碱性气体可以被分离开。

可利用惰性气体通过吸收到适当的液体溶剂中来将可溶性蒸汽与混合物分离。气-液吸收过程可采用惰性固体颗粒的填料床，其中液体溶剂在惰性固体颗粒表面上方通过重力向下流动。惰性气体与可溶性蒸汽的混合物向上流动通过床，与逆流流动的液体相接触。将可溶性蒸汽吸收到液体内可提供离开床顶部的纯惰性气体流，而可溶性组分作为溶液而被回收到液体内。如果可溶性蒸汽和液体溶剂被重新用作纯组分，该液体溶液必须随后进行分离。在气-液吸收床的操作过程中，对液流和气流的速度均加以控制，以防止在床中出现干燥或被淹没状态。

美国专利3,920,419提供了使用填料塔来从含氨溶液将氨去除的方法的实施例。将含氨溶液送入到填料塔的顶部，同时监测进料溶液的pH值。在加入到填料塔之前将控制量的苛性碱添加到进料液中，以保持pH值最低为10.5。在约140°F的最低温度下，汽提介质以逆流方式流动通过该填料塔，同时调节进料液到填料塔的流量(flow)。控制汽提介质的流量以从液体中除去至少99%的氨。

也可以使用固体吸附剂材料来分离气体混合物的气体成分。由于吸附是一种表面现象，吸附容量随着固体吸附剂比表面积的增加而增大，因此通常使用具有非常高比表面积的材料。一些实例包括使用活性炭从空气中吸附氧气，使用金属盐从氮气吸附氨(Christensen等人于2005年提交的WO2005/091418；Johannesen等人于2009年提交的公开号为2009/0123361和2009/0313976的美国专利；Fulks等人于2009年提交的SAE国际报告，2009-01-0907)，在干燥的咖啡渣和活性炭上吸附氨用于空气除臭(Kawasaki等人于2006年发表的J.Oleo Sci.卷55，编号1，第31-35页)，以及使用沸石分子筛通过从重整气体吸附杂质来进行氢的净化。

商业上的气-固吸附过程往往采用固体吸附剂颗粒的填料床，其首先在高压下操作以选择性地除去气体混合物的一种成分，然后在低压下对填料床进行解吸附以回收所吸附的物质并使吸附剂再生。这些循环操作已知为变压吸附(PSA)法。固体吸附剂也可以通过加热(已知为变温吸附(TSA))来解吸附和再生。气-固分离中使用的吸附剂通常是昂贵的，且会由于不可逆地吸附水分、油或其他污染物而降低它们的性能。使用金属盐从惰性气体吸附氨受到氨扩散到批量盐颗粒中的扩散率的限制，并因此不能将氨从惰性气体快速吸附并与惰性气体分离。

已经使用氨来处理生物质材料。在处理过程中，在与生物质接触之后，通常使用称为氨纤维爆破(AFEX)的过程将氨分离、回收和再利用。

Holtzapple等人提交的美国专利5,171,592的公开了一种AFEX过程，在该过程中，液态氨在反应器中与生物质材料相接触。氨在反应器中的蒸发导致生物质冷却。氨还导致生物质溶胀和去结晶。当去结晶完成后，打开反应器，使氨闪蒸出生物质。闪蒸后的氨被回收和再利用以接触新鲜的生物质。