[发明专利]用于快速热解为液体的生物质预处理

说明书

相关申请

本申请要求2011年3月10日提交的美国专利申请序列号第13/045,444号的权益和优先权，该专利全文参考结合入本文中。

技术领域

本发明一般地涉及在生物质材料转化为液体产物之前预处理生物质材料的方法。更具体地，本发明涉及一种预处理方法，该方法包括生物质材料与无机材料接触，与未处理的生物质相比，其能够增加来自预处理的生物质材料的液体产物的产量。

技术背景

预计全球的能源需求将由于世界人口的增加、欠发达国家生活水平的改善、和由于化石燃料储备的耗尽而显著增加。

目前大部分国家的共识是，由于温室气体、如CO₂排放导致的全球气候变化要求新开发的能源必须是环境相容和可持续的。因此，需要更环保的能源来取代或减少化石燃料的消耗。生物质是一种可持续和可再生的燃料，有潜力实现零温室气体的净影响。生物质，尤其是植物来源的生物质，被认为是一种燃料和专用化学品的充足潜在来源。参见例如P.McKendry编著的“来自生物质的能源生产(Energy production from biomass)”，《生物来源技术(Bioresource Technology)》83(2002)，第37-46页和Wyman等人编著的“领先的生物质预处理技术的协调发展(Coordinated development of leading biomass pretreatment technologies)”，《生物来源技术》96(2005)第1959-1966页。精制生物质原料(如植物油、淀粉和糖)能被基本转化为液体燃料，所述液体燃料包括生物柴油(如脂肪酸的甲基酯或乙基酯)和乙醇。然而，将精制的生物质原料用于燃料和专用化学品会从动物和人消费中分流食物资源，从而产生经济和道德问颗。

不可食用的生物质也能够用于生产液体燃料和专用化学品。不可食用的生物质例子包括农业废料(如甘蔗渣、秸秆、玉米秸、玉米壳等)和专门种植的能源作物(像柳枝稷(switch grasses)和锯齿草)。其它例子包括树木、林业废料(如采伐作业产生的木屑和锯屑)、或来自纸和/或造纸厂的废料。另外，生物质的水产养殖来源(如藻类)也是生产燃料和化学品的潜在原料。不可食用的生物质通常包括三种主要成分：木质素、无定形半纤维素和结晶纤维素。某些成分(如木质素)能降低生物质的化学和物理可及性，从而降低化学和/或酶转化的易感性(susceptibility)。

由生物质生产燃料和专用化学品的尝试会受到需要产品的低产率和低价值的产品(如不饱和的、含氧的、和/或环状烃)的困扰。虽然这些低价值产品能被升级为较高价值产品(如，常规汽油、航空燃料)，但是升级会需要专门的和/或昂贵的转化方法和/或精炼装置，这与常规基于石油的转化方法和精炼装置不同而且不兼容。因而，生物质的广泛使用和实施，以高产率生产燃料和专门化学品面临很多挑战。

例如，生物质来源于林业、农业和纤维素废料，由于其结实强韧的物理结构和其化学本质上主要含有纤维素、半纤维素、木质素、矿物质和其他物质，而抵制转化方法如热、水热和酶方法，这些方法被用于转化所述的生物质为燃料和化学品。具体地，用于转化的最丰富和有用的成分，纤维素和半纤维素，被由木质素成分提供的保护性涂层捆扎和密封。因此，木质素和其他存在的外来的非纤维素物质阻碍纤维素和半纤维素直接暴露于化学试剂或甚至热条件。另外，生物质和化学试剂接触或在热分解中得到的，以及衍生自生物质物质中一种或多种成分的任意主要产物，由于生物质颗粒中缺少主体的可及性而从反应区域的扩散受到限制。

反应产物和中间体受限于生物质中的主体中，并且在其中与其接触更长的时间，能够在它们之间进一步相互作用，或能够与生物质的不反应段或其他存在的成分相互作用，以产生次要产物。这些次要产物不仅是不需要的，而且它们在生物质物质中的存在能够改变反应路径，从而造成产率上和从工业化方法中得到的最终产物的变化。