[发明专利]从木质纤维素生物质生产糠醛和乙酰丙酸的工艺

说明书

发明领域

本发明涉及从木质纤维素生物质生产乙酰丙酸和糠醛的工艺。

目前，发达国家的需求依赖于利用化石燃料来生产化工原料和液体燃料。因此多数现代的合成产品产自石油。对高昂的燃料价格、能源安全、全球气候变化的担忧以及农村经济发展的机会推动了政府和行业去发展被认为是从例如玉米生产生物燃料的第一代技术。然而，由于对气候变化的影响的有限的改善以及食品竞争，基于更充足的木质纤维素给料发展了第二代技术。高潜力的能源作物中的许多需要很少的能量用于它们的生产以及很少的化肥，它们会导致最小的土壤侵蚀，通常会提高土壤的碳含量以及需要较少的水。

通常，木质纤维素给料由35到55％纤维素、15到35％半纤维素和15到35％木质素组成。木质纤维素给料可以用来生产生物燃料，例如乙醇，但是也可能生产其他的化学品。在第一代和第二代技术中生产的大多数化学品是发酵的结果。

本发明提供了从包含木质纤维素的生物质生产糠醛和乙酰丙酸的工艺，所述工艺包括：

(a)将水和任选的酸加入所述生物质以形成浆状生物质；

(b)使所述浆状生物质进行水解从而形成包括C5和C6糖并进一步包括(不溶的)纤维素和木质素的水解产物；

(c)使包括所述C5和C6糖和所述(不溶的)纤维素和木质素的所述水解产物进行固体/液体分离从而形成包括至少部分所述C5和C6糖的第一水性级分和包括至少部分所述纤维素和木质素的第一固体级分；

(d)任选地浓缩所述第一水性级分；

(e)将有机溶剂添加到所述(任选地浓缩)第一水性级分从而形成两相体系；

(f)将所述两相体系加热到温度范围在120-220℃并且将所述两相体系保持在该温度范围内足够的时间从而形成糠醛；

(g)将包括步骤(f)中得到的糠醛的两相体系冷却；

(h)任选地使步骤(g)中得到的冷却的两相体系进行固体/液体分离并且回收两相体系；

(i)使步骤(g)中得到的冷却的两相体系或步骤(h)中得到的回收的两相体系进行分离步骤从而形成包含至少部分所述糠醛的有机相和包含至少部分所述C6糖且任选地进一步包含糠醛的有机相；

(j)任选地从所述有机相回收糠醛；

(k)任选地通过将步骤(j)中得到的回收的有机相加入到所述水相来使用所述回收的有机相以从步骤(i)中得到的水相提取糠醛，并且重复步骤(i)和任选地步骤(j)；

(l)将水和任选地酸加到步骤(c)得到的第一固体级分从而形成悬浮液；

(m)使步骤(l)得到的悬浮液经受在140到220℃之间的温度从而形成乙

酰丙酸；

(n)使包含步骤(m)得到的乙酰丙酸的悬浮液进行固体/液体分离来形成包括乙酰丙酸的第二水性级分和固体级分；并且

(o)任选地从第二水性级分回收所述乙酰丙酸。

发明人惊讶地发现，利用本发明的工艺，乙酰丙酸和糠醛可以在一个工艺中由木质纤维素生物质生产出来，而没有废物或很少废物。换言之，在木质纤维素生物质中存在的C6和C5糖分别可以高效地转化成有价值的化合物乙酰丙酸和糠醛。以有效的方式使用溶剂和能量。因此，该工艺允许生物质的非常有效的使用。该工艺可以包括热联合步骤(heat integration step)。可以出现较少的反应器积垢，产生较少的不溶的焦碳，并且乙酰丙酸和/或糠醛的产量可以被提高。

在步骤(a)中，为了便于水解，将水加到生物质。任选地可以加入酸。合适的酸包括无机酸例如盐酸、硫酸、硝酸和磷酸。优选的是盐酸或硫酸或其混合物。生物质的一些类型包括酸，例如甲酸或乙酸；当使用这样类型的生物质时，加入酸不是必需的，因为天然酸会引起酸性的pH。合适的生物质可以包括半纤维素生物质并且可以包括木材；木材加工副产品例如锯末、木屑和刨花、树皮。木质纤维素生物质通常具有纤维性的特性并且包括含有大量木质纤维(糠)纤维的糠级分。半纤维素生物质通常富含戊糖；其通常还包括己糖和木质素。

在步骤(b)中，使步骤(a)中得到的的浆状生物质水解，以形成包含C5和C6糖以及进一步包含(不溶的)纤维素和木质素的水解产物。C5糖或戊糖可以是果胶糖、核糖、核酮糖、木糖、木酮糖和来苏糖，优选其是木糖。也可能是C5糖的组合。步骤(b)中的水解可以在120到200℃之间、更优选140到180℃之间的温度下进行。步骤(b)中的PH值优选小于5，更优选小于3.5，甚至更优选小于1。