[发明专利]回收发酵后木质素的方法和系统

说明书

相关申请的交叉援引

本申请要求2015年3月3日提交的美国临时申请号62/127,324的优先权和权益，其全部内容通过引用纳入本文。

技术领域

本文公开的内容主要涉及处理木质纤维素原料发酵生产乙醇和其他生物源性的化学产品后剩余的固体物质，并且具体地涉及从这样的发酵后固体中回收木质素。

技术背景

木质素是一种存在于木本植物和一年生作物中的天然的、丰富的化学物质，通常被称为“木质纤维素生物质”。该物质具有与芳香族石油化工产品，如苯酚、苯乙烯、邻苯二酚和相似的羟基化芳香族化合物相似的化学性质。因为木质素的生产是可再生的，将木质素用于补充或者替代石油原料对全世界的工业都具有很大的吸引力，并且相较于传统石油原料的挥发性，其作为原材料具有稳定性。该物质的使用同样还可以减少化学品生产装置的温室气体足迹。因此，希望从木质纤维素生物质中分离木质素，作为一种化学原料使用。

纸浆和造纸行业已经在使用一些方法分解木质纤维素原料(最通常的是木材)以生产纯化的纤维素纤维。这些方法通常被称之为“制浆工艺”，其不仅生成纤维素纤维，还生成被称之为各种“液(liquors)”的其它工艺料流，其中包括初始木质纤维素生物质中的木质素。从木质纤维素生物质中获得纤维素纤维最为常见的两种方法是卡夫(Kraft)法和亚硫酸盐(Sulfite)法。

目前几乎所有的木质素都是纸浆厂使用卡夫制浆法或亚硫酸制浆法生产的。两种方法在制浆过程中都使用含硫试剂以降解木质素。因此，纸浆厂生产的木质素都是经硫磺化学改性的，不适合许多商业用途，包括在苯酚-甲醛树脂中使用，以及作为合成香料的原料。

因此，需要能够生产高质量的木质素的方法和系统。

人们一直希望能够将非粮食作物源的木质纤维素生物质来作为乙醇生产中的可发酵糖，目前运营使用木质纤维素原料的工业化乙醇生产设施的有美国的杜邦公司、POET/DSM公司和Abengoa公司，以及巴西的Iogen公司和意大利的BetaRenewables。可以预料到的是，现如今通过淀粉源葡萄糖或来自甘蔗或甜菜来源的蔗糖发酵所生产的其它产品，例如n-丁醇、异丁醇、乳酸、聚羟基烷酸酯、琥珀酸、1,3-丙二醇和1,4-丁二醇，在将来都可以通过来自非粮食作物源的木质纤维素生物质的糖类生产。

木质纤维素生物质由纤维素、半纤维素和木质素天然的复杂组合与结构组成，藉以此方式为植物提供机械强度以及对于降解的普遍抗性。为了获得可发酵糖，必须将这些天然组合分解，直至纤维素和半纤维素能够被水解成发酵生产目标产物所用各种微生物消耗的单糖和小寡糖的程度。

由木质纤维素生物质生产乙醇的现有方法是使该生物质经过一系列物理、化学和/或酶步骤释放可发酵糖。原本存在于木质纤维素生物质内的木质素在这之后仍然剩余其中，但是仅与约20％曾存在于初始木质纤维素生物质中的起始碳水化合物(纤维素和半纤维素)结合。这部分木质素和与之结合的质量减少的碳水化合物在乙醇发酵结束后仍然以固体形式留存。

随着近期美国纤维素乙醇工厂的兴起，需要方法和系统来处理这些发酵后固体以生产高质量的木质素。

发明内容

一方面，本文公开了一种新的方法，其包括：

提供发酵过程结束时剩余的固体物质，其中发酵过程使用木质纤维素生物质原料；

从固体物质中提取木质素到液相中；并且

从液相中回收木质素。

在一些实施方式中，发酵过程生成乙醇、n-丁醇、异丁醇、乳酸、聚羟基烷酸酯、琥珀酸、1,3-丙二醇和1,4-丁二醇中的一种或多种。在一实施方式中，发酵过程生产乙醇。

在一些实施方式中，提取步骤在大约180℃到220℃和大约20到35大气压下进行，任选地在有机溶剂存在下。溶剂可以是乙醇。在某些实施方式中，提取步骤在蒸汽爆破装置中(例如，间歇蒸汽爆破反应器、爆破缸)进行。

该方法还包括在提取步骤之前去除来自发酵过程用后的废细胞。

在某些实施方式中，回收步骤包括沉淀木质素。沉淀可以通过向液相加水和/或蒸发溶剂(例如乙醇)实现。

本文的方法还可以包括在提取步骤之后回收碳水化合物物质。碳水化合物物质可以再循环返回发酵过程。

本文还提供了生产木质素的系统，其包括：

任选地，第一滗析器，用于从发酵结束时剩余的工艺料流富集固体物质；

爆破缸，用于处理富集的固体，从其中提取木质素至液相；

捕获室，用于接收液相；以及