СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЕВУЛИНОВОЙ КИСЛОТЫ ИЗ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ БИОМАССЫ Российский патент 2017 года по МПК C07C51/00 C07C59/185 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] По данной заявке испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США № 61/609,601, поданной 12 марта 2012 г., которая включена в настоящее описание путем ссылки во всей своей полноте.

Область техники, к которой относится изобретение

[0002] Настоящее изобретение относится к получению левулиновой кислоты из лигноцеллюлозной биомассы, содержащей гемицеллюлозу, включающую один или несколько прекурсоров соединений, представляющих собой шестичленные углеводородные соединения.

Предпосылки изобретения

[0003] В целлюлозно-бумажной промышленности лигноцеллюлозную биомассу, такую как деревья с мягкой древесиной, разделяют на целлюлозу, которую используют для изготовления целлюлозно-бумажных изделий, и смесь лигнина и гемицеллюлозы, которые обычно сжигают в качестве топлива. Лигниновую и гемицеллюлозную часть лигноцеллюлозной биомассы в целлюлозно-бумажном процессе удаляют из целлюлозно-бумажного процесса в виде побочного продукта, называемого «щелок натронной варки». Ценность щелока натронной варки в качестве сжигаемого топлива ограничена, поэтому необходима разработка рентабельного способа превращения щелока натронной варки в один или несколько более ценных продуктов. Соответственно, существует потребность в рентабельном способе превращения по меньшей мере части щелока натронной варки в один или несколько продуктов, имеющих большую ценность, чем продукты натронной варки, используемые в качестве сжигаемого топлива.

Раскрытие изобретения

[0004] Настоящее изобретение относится к способу получения левулиновой кислоты из лигноцеллюлозной биомассы, содержащей гемицеллюлозу, включающую один или несколько прекурсоров соединений, представляющих собой шестичленные углеводородные соединения, при этом способ включает стадии гидролиза лигноцеллюлозной биомассы для получения одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в результате деградации гемицеллюлозы и превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту. Согласно варианту воплощения данного раскрытия стадия гидролиза лигноцеллюлозной биомассы формирует первую фазу, содержащую частично гидролизованную лигноцеллюлозную биомассу, включающую целлюлозу и лигнин, и вторую фазу, содержащую один или несколько сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, и один или несколько сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в результате деградации гемицеллюлозы, и способ получения левулиновой кислоты дополнительно включает отделение первой фазы от второй фазы. Согласно варианту воплощения данного раскрытия способ получения левулиновой кислоты дополнительно включает превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в фурфураль, промежуточное соединение реакции фурфураля, деготь или их комбинацию в присутствии одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, отделение по меньшей мере части фурфураля, промежуточного соединения реакции фурфураля, дегтя или их комбинации от одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, до превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту. Согласно другому варианту воплощения данного раскрытия совмещенный способ получения изделия из древесной массы и левулиновой кислоты из лигноцеллюлозной биомассы включает вышеописанные стадии получения левулиновой кислоты и превращение по меньшей мере части первой фазы, включающей частично гидролизованную лигноцеллюлозную биомассу, включающую целлюлозу и лигнин, в изделие из древесной массы. Согласно следующему варианту воплощения данного раскрытия совмещенный способ получения продукта из древесной массы и левулиновой кислоты из лигноцеллюлозной биомассы дополнительно включает стадии отделения сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, от сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, и объединение сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, с продуктом из древесной массы.

[0005] Упомянутые и другие отличительные признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения и вариантов его воплощения станут более понятными после прочтения следующего подробного описания со ссылкой на сопровождающий чертеж, на котором детали необязательно имеют соответствующий масштаб и на котором ссылочные численные позиции означают соответствующие детали на всех чертежах.

Краткое описание чертежа

[0006] ФИГ. 1 представляет собой схематическое представление совмещенной системы для получения продукта из древесной массы и левулиновой кислоты из лигноцеллюлозной биомассы согласно варианту воплощения настоящего изобретения.

Подробное описание вариантов воплощения

[0007] В следующем описании приведены многочисленные конкретные детали для полного понимания вариантов воплощения. Варианты воплощения могут быть осуществлены без одной или нескольких конкретных деталей либо с использованием других способов, компонентов, материалов и т.п. В других случаях хорошо известные структуры, материалы или операции подробно не показаны или не описаны, чтобы избежать трудностей в понимании аспектов вариантов воплощения.

[0008] Ссылка на всем протяжении описания на «один вариант воплощения», «вариант воплощения» или «варианты воплощения» означает, что конкретный отличительный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом воплощения, включены по меньшей мере в один вариант воплощения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте воплощения» или «в варианте воплощения» на всем протяжении описания не обязательно относятся к одному и тому же варианту воплощения. Кроме того, конкретные отличительные признаки, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или более вариантах воплощения.

[0009] ФИГ. 1 представляет собой схематическое представление совмещенной системы 10 для получения продукта из древесной массы и левулиновой кислоты из лигноцеллюлозной биомассы, обычно включающую систему 12 гидролиза лигноцеллюлозной биомассы, систему 16 конверсии сахара, содержащего пяти- и шестичленные углеводородные цепи, и систему 18 получения продукта из древесной массы. Объединение системы превращения лигноцеллюлозной биомассы в левулиновую кислоту с существующей системой получения продукта из древесной массы в соответствии с вариантами воплощения данного раскрытия обеспечивает получение левулиновой кислоты с меньшими капитальными затратами и упрощенной эксплуатацией, что обеспечивает экономию эксплуатационных расходов помимо получения левулиновой кислоты в качестве целевого продукта. Данный вывод будет разъяснен ниже более подробно.

[0010] Система 12 гидролиза биомассы включает систему 20 подачи биомассы для доставки лигноцеллюлозной биомассы 22 в систему 24 реакции гидролиза биомассы.

[0011] Подходящие материалы лигноцеллюлозной биомассы для получения левулиновой кислоты включают гемицеллюлозу, содержащую один или несколько прекурсоров соединений, представляющих собой шестичленные углеводородные соединения. Прекурсор или прекурсоры соединений, представляющих собой шестичленные углеводородные соединения, в гемицеллюлозе могут быть превращены в сахара, содержащие шестичленные углеводородные цепи. Примеры подходящих материалов лигноцеллюлозной биомассы включают любые биологические материалы, которые включают содержащие гемицеллюлозу, прекурсоры соединений, представляющих собой шестичленные углеводородные соединения, такие как мягкая древесина деревьев, стружки из мягкой древесины, лесосечные остатки и щепа от обработки деревьев с мягкой древесиной, порубочные остатки, солома, мякина, хлебные злаки, травы, зерно, шелуха от зерна, сорные травы, водные растения и сено, а также содержащий лигноцеллюлозу материал биологического происхождения, такой как некоторые виды городских отходов или домашних отходов.

[0012] Некоторые материалы лигноцеллюлозной биомассы имеют высокое содержание сахара, содержащего шестичленные углеводородные цепи, для обеспечения более высокого выхода левулиновой кислоты, поэтому выбор лигноцеллюлозной биомассы с более высоким содержанием сахара, содержащего шестичленные углеводородные цепи, может обеспечить более высокий выход левулиновой кислоты и эффективность. Например, южная мягкая древесина имеет более высокую концентрацию соединений, представляющих собой шестичленные углеводородные соединения, в гемицеллюлозной части, чем твердая древесина. Поэтому южная мягкая древесина обеспечивает более высокий выход левулиновой кислоты, чем биомасса из твердой древесины.

[0013] При необходимости размер частиц материала лигноцеллюлозной биомассы может быть уменьшен до его введения в систему 24 реакции гидролиза биомассы. Для уменьшения размера частиц материала лигноцеллюлозной биомассы может быть использован любой способ, известный как подходящий специалисту в данной области техники. Примеры таких способов включают раздавливание, перемалывание, дробление, резание, строгание, шинкование, грануляцию и любую их комбинацию.

[0014] Хотя и не показано отдельно, система 20 подачи биомассы может включать скипидарный экстрактор для выделения скипидара из биомассы мягкого дерева. Устройство и использование скипидарных экстракторов хорошо известны специалистам в данной области техники.

[0015] Согласно варианту воплощения данного раскрытия система 24 реакции гидролиза биомассы гидролизует лигноцеллюлозную биомассу для получения первой фазы 26, содержащей частично гидролизованную лигноцеллюлозную биомассу, включающую целлюлозу и лигнин, и второй фазы 28, содержащей один или несколько сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, и один или несколько сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в результате деградации гемицеллюлозы в лигноцеллюлозной биомассе. Согласно варианту воплощения данного раскрытия стадия гидролиза лигноцеллюлозной биомассы в системе 24 реакции гидролиза может включать приведение лигноцеллюлозной биомассы в контакт с паром, комбинацией пара и по меньшей мере одного из таких соединений, как кислота, спирт, или комбинацией спирта и по меньшей мере одной кислоты. Подходящие кислоты включают минеральные кислоты, такие как соляная кислота, азотная кислота, фосфорная кислота, серная кислота и т.п., и органические кислоты, такие как уксусная кислота, муравьиная кислота и т.п. Согласно варианту воплощения данного раскрытия кислота может быть добавлена к лигноцеллюлозной биомассе в количестве от примерно 0 до примерно 10 масс.% от материала лигноцеллюлозной биомассы. Согласно варианту воплощения данного раскрытия кислота может быть получена из прекурсора, такого как диоксид серы, добавленного к материалу лигноцеллюлозной биомассы. Подходящие спирты включают метанол, этанол, пропанол, бутанол и т.п.

[0016] Параметры реакции гидролиза в системе 24 реакции гидролиза биомассы могут быть выбраны для обеспечения получения одного или нескольких сахаров, содержащих пяти- и шестичленные углеводородные цепи, из лигноцеллюлозной биомассы в противоположность реакции превращения более высокого порядка, например, в деготь или растительный уголь. Согласно варианту воплощения данного раскрытия гидролиз лигноцеллюлозной биомассы в системе 24 реакции гидролиза биомассы может быть осуществлен при температуре от примерно 170°C до примерно 185°C в течение от примерно 35 минут до примерно 60 минут или от примерно 35 до 45 минут.

[0017] Первая фаза 26, получаемая гидролизом в системе 24 реакции гидролиза биомассы, по существу является твердой, и вторая фаза 28 по существу является жидкой и включает растворитель, такой как вода или спирт либо и то, и другое, и любую кислоту или спирт, используемые в гидролизе. Смесь первой фазы 26 и второй фазы 28 подают в первый сепаратор 30, который отделяет первую фазу 26 от второй фазы 28. Первый сепаратор 30 может принадлежать к типу, который, как известно специалисту в данной области техники, подходит для данной цели. Например, сепаратор 30 может представлять собой винтовой пресс, ленточный пресс, барабанный фильтр, дисковый фильтр или центрифугу, или т.п.

[0018] Система 24 реактора гидролиза биомассы может принадлежать к любому типу реактора, который, как известно специалисту в данной области техники, подходит для данной цели, но согласно варианту воплощения данного раскрытия включает устройство для предварительной пропарки, куда поступает лигноцеллюлозная биомасса из системы 20 для подачи биомассы и пар для нагревания лигноцеллюлозной биомассы и начала гидролиза. Нагретую паром лигноцеллюлозную биомассу подают в или поблизости от верхней части реактора, представляющего собой вертикальную трубу. Большее количество пара и, необязательно, кислоты или спирта, как описано выше, вводят в лигноцеллюлозную биомассу в реакторе, представляющем собой вертикальную трубу, и биомассу гидролизуют по мере того, как она проходит сверху вниз в реакторе.

[0019] Согласно варианту воплощения данного раскрытия первую фазу 26, содержащую частично гидролизованную лигноцеллюлозную биомассу, включающую целлюлозу и лигнин, подают в систему 18 получения продукта из древесной массы, более подробно описанную ниже.

[0020] Согласно варианту воплощения данного раскрытия вторую фазу 28 из первого сепаратора 30 подают во второй сепаратор 32, в котором растворитель и кислоту отделяют от второй фазы 28 жидкостной экстракцией и повторно возвращают растворитель и кислоту 34 в систему 24 гидролиза биомассы для использования в реакции гидролиза. Сахара, содержащие пяти- и шестичленные углеводородные цепи, 36, подают из второго сепаратора 32 в реактор 38 для конверсии сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, для превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, из второй фазы 28 в фурфураль, промежуточное соединение реакции фурфураля, деготь или их комбинацию в присутствии одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, из второй фазы.

[0021] Реактор 38 для конверсии сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, может представлять собой любой реактор, который, по мнению специалиста в данной области техники, подходит для данной цели. Согласно вариантам воплощения данного раскрытия реактор 38 для конверсии сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, может представлять собой автоклав, реактор с потоком вытеснения, реактор периодического действия или CSTR (непрерывно помешиваемый корпусной реактор). Согласно варианту воплощения данного раскрытия реактор 38 для конверсии сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, представляет собой реактор с относительно низкой температурой и временем удержания для превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в фурфураль или деготь либо и то, и другое, без превращения сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи. Параметры реакции в реакторе 38 для конверсии сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, могут быть выбраны для обеспечения конверсии одного или нескольких сахаров, содержащих пяти- и шестичленные углеводородные цепи, из второй фазы 28 в основном в фурфураль в противоположность реакции превращения более высокого порядка в деготь, или наоборот, помогут избежать превращения одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, из второй фазы. Согласно варианту воплощения данного раскрытия такую стадию превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в фурфураль или деготь либо и то, и другое, осуществляют в реакторе 38 для конверсии сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, при температуре от примерно 130°C до примерно 300°C или от примерно 130°C до примерно 250°C и при давлении, достаточно высоком для того, чтобы содержимое реактора не достигло точки своего кипения, например, на примерно 10 psi (68,9 КПа) выше давления пара жидкости в реакторе, в течение от примерно 35 минут до примерно 60 минут.

[0022] Согласно варианту воплощения данного раскрытия кислоту, такую как минеральная кислота или органическая кислота, добавляют в реактор 38 для конверсии, сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, для превращения в фурфураль или деготь либо и то, и другое. Подходящие минеральные кислоты включают соляную кислоту, азотную кислоту, серную кислоту, фосфорную кислоту и т.п., и подходящие органические кислоты включают уксусную кислоту, муравьиную кислоту и т.п., и могут быть добавлены к сахарам, содержащим пяти- и шестичленные углеводородные цепи, в реактор 38 для конверсии в количестве от примерно 0 до примерно 10 масс.% или более от содержимого реактора, в зависимости от таких параметров, как тип биомассы, конкретная кислота, температура в реакторе 38 и т.п.

[0023] Согласно варианту воплощения данного раскрытия следующая стадия в системе 16 конверсии сахаров, содержащих пяти- и шестичленные углеводородные цепи, включает доставку смеси фурфураля, дегтя и сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, из реактора 38 для конверсии сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, во флэш-испаритель 42 фурфураля для удаления фурфураля. Для отделения фурфураля от сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, и дегтя может быть использована любая подходящая система отделения фурфураля, известная специалистам в данной области техники. Согласно вариантам воплощения данного раскрытия другие способы отделения фурфураля включают такие способы, как жидкостная экстракция, поглощение газом, десорбция паром, дистилляция и т.п. Фурфураль затем может быть помещен в конденсатор 44 для фурфураля, очищен в очистителе 46 для фурфураля и помещен для хранения в контейнер 48 для хранения фурфураля. Фурфураль может быть использован по направлениям, известным специалистам в данной области техники, например, в качестве растворителя в химических процессах, увлажняющего агента, средства очистки, в качестве полупродукта в получении лизина, и пестицида, а также в качестве топлива для получения тепла при сжигании последнего.

[0024] Согласно варианту воплощения данного раскрытия один или несколько сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, и деготь подают из флэш-испарителя 42 фурфураля в очиститель 50 для отделения дегтя от сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи. Деготь подают в фильтр 52 для обезвоживания, а затем в контейнер 54 для хранения дегтя. Жидкость из фильтра 52 возвращают в очиститель 50. Деготь может быть использован как горючее топливо для получения энергии или для любого известного вида использования дегтя.

[0025] Согласно варианту воплощения данного раскрытия после удаления дегтя сахара, содержащие шестичленные углеводородные цепи, подают в реактор 56 для конверсии сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, для превращения одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту, муравьиную кислоту и растительный уголь. Согласно варианту воплощения данная стадия превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту включает приведение одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в контакт с по меньшей мере одной минеральной кислотой. Подходящие минеральные кислоты включают соляную кислоту, азотную кислоту, серную кислоту, фосфорную кислоту и т.п. Параметры реакции для реакции конверсии в реакторе 56 для конверсии сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, могут содействовать получению левулиновой кислоты в противоположность реакции превращения более высокого порядка, например, в растительный уголь. Согласно следующему варианту воплощения данного раскрытия стадию превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в системе 48 реакции конверсии осуществляют при температуре от примерно 190°C до примерно 220°C или от примерно 200°C до примерно 210°C и при давлении, достаточно высоком для того, чтобы содержимое реактора не достигло точки своего кипения, например, на примерно 10 psi (68,9 КПа) выше давления пара жидкости в реакторе, в течение от примерно 20 минут до примерно 60 минут.

[0026] Согласно варианту воплощения данного раскрытия при осуществлении способа превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту также получают муравьиную кислоту и растительный уголь. Левулиновая кислота, муравьиная кислота и растительный уголь могут быть отделены любым способом, известным специалистам в данной области техники. Согласно варианту воплощения данного раскрытия такую смесь левулиновой кислоты, муравьиной кислоты и растительного угля подают из реактора 56 для конверсии сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в флэш-испаритель 58 для отделения муравьиной кислоты от левулиновой кислоты и растительного угля. Согласно вариантам воплощения данного раскрытия другие способы отделения муравьиной кислоты включают такие способы, как жидкостная экстракция, поглощение газом, десорбция паром, дистилляция и т.п. Муравьиная кислота затем может быть помещена в конденсатор 60 для муравьиной кислоты, очищена в очистителе 62 для муравьиной кислоты и заключена для хранения в контейнер 64 для хранения муравьиной кислоты. Муравьиная кислота может быть использована по направлениям, известным специалистам в данной области техники, например, в качестве консерванта, антибактериального средства, средства для дубления кожи и при химическом синтезе.

[0027] Согласно варианту воплощения данного раскрытия смесь левулиновой кислоты и растительного угля подают из флэш-испарителя для муравьиной кислоты в очиститель 66 для отделения растительного угля от левулиновой кислоты. Растительный уголь подают в фильтр 68 для обезвоживания, а затем в контейнер 70 для хранения растительного угля. Жидкость из фильтра 68 возвращают в очиститель 66. Растительный уголь может быть использован как горючее топливо для получения энергии или для любого известного вида использования растительного угля.

[0028] Согласно варианту воплощения данного раскрытия смесь левулиновой кислоты и растворителя и любой кислоты, используемой в реакторе 56 для конверсии сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, подают из реактора 56 для конверсии сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в систему 72 для жидкостной экстракции для отделения левулиновой кислоты от растворителя и кислоты. Согласно вариантам воплощения данного раскрытия другие способы отделения левулиновой кислоты включают такие способы, как поглощение газом, десорбция паром, дистилляция и т.п. Левулиновая кислота затем может храниться в контейнере 74 для хранения левулиновой кислоты. Растворитель и кислота могут быть регенерированы и рециркулированы по трубопроводу 76 для использования в других операционных процессах, например, в реакторе 38 для конверсии сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, как показано на фиг.1, либо, в качестве альтернативы, реакторе 56 для конверсии сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи. В некоторых вариантах воплощения смесь, подаваемая в систему 72 десорбции перегонкой, может включать другие остаточные вещества, которые могут быть также отделены и храниться в контейнере 78 для остаточных веществ. Такие остаточные вещества также могут быть использованы в качестве топлива для получения тепла при сгорании последнего.

Левулиновая кислота применима в синтезе полимеров, фармацевтических и химических продуктов, таких как метилтетрагидрофуран, валеролактон и этиллевулинат. Левулиновая кислота также является фотосенсибилизатором для фотодинамической терапии.

[0029] Согласно варианту воплощения данного раскрытия частично гидролизованная лигноцеллюлозная биомасса с первой фазы 26, выгруженная из первого сепаратора 30, может быть отведена из системы 18 получения продукта из древесной массы и подана в реактор 56 для конверсии сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, по трубопроводу 80 для конверсии сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, или прекурсоров сахаров в частично гидролизованной лигноцеллюлозной биомассе в левулиновую кислоту и муравьиную кислоту, и оставшейся частично гидролизованной лигноцеллюлозной биомассы в растительный уголь и другие побочные продукты.

[0030] Объединение описанного выше способа получения левулиновой кислоты из лигноцеллюлозной биомассы с системой 18 получения продукта из древесной массы имеет несколько преимуществ. В конкретном варианте воплощения стадия превращения по меньшей мере части первой фазы 26 со стадии гидролизации в целлюлозу включает превращение по меньшей мере части первой фазы в целлюлозу в процессе сульфатной варки целлюлозы. В таком процессе получения целлюлозы котел-утилизатор, который обрабатывает щелок натронной варки и восстанавливает каустик для рециркулирования и повторного использования в процессе, может представлять собой ограничивающую скорость стадию в процессе получения целлюлозы. Согласно варианту воплощения данного раскрытия получение левулиновой кислоты из лигноцеллюлозной биомассы в соответствии с вариантами воплощения данного раскрытия до подачи целлюлозы и лигнина в систему получения продукта из древесной массы, такой как целлюлозный завод, может снизить количество щелока натронной варки, загружаемого в котел-утилизатор, на величину от примерно 10 до 15%. Это может непосредственно повысить производительность процесса получения целлюлозы. Кроме того, левулиновая кислота представляет собой продукт более высокой ценности и может повысить рентабельность всего процесса. Например, целлюлозный завод, который ежегодно использует примерно 3 миллиона тонн необработанной мягкой древесины, может производить примерно 140 тонн/день левулиновой кислоты. Стоимость левулиновой кислоты в настоящее время более чем в тридцать раз превышает стоимость щелока натронной варки.

[0031] Поэтому согласно вариантам воплощения данного раскрытия подходящие продукты из древесной массы, получаемые совмещенным способом получения продукта из древесной массы и левулиновой кислоты из лигноцеллюлозной биомассы, включают, но не ограничиваются ими, целлюлозу, древесные гранулы, распушенную целлюлозу, растворимую целлюлозу, другие сахара, такие как глюкоза, и топливо для сжигания, используемое для получения тепла.

[0032] Согласно другому варианту воплощения данного раскрытия сахара, содержащие пятичленные углеводородные цепи, могут быть отделены от сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, жидкостной экстракцией или другими подходящими способами, известными специалистам в данной области техники, а вместо превращения сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в фурфураль или другие соединения, сахара, содержащие пятичленные углеводородные цепи, могут быть соединены с продуктом из древесной массы. В таком процессе сахара, содержащие пятичленные углеводородные цепи, могут действовать как связующий агент для продукта из древесной массы. Это может быть особенно целесообразно, если продукт из древесной массы представляет собой растворимую целлюлозу или распушенную целлюлозу.

[0033] Очевидно, что вышеизложенное относится только к вариантам воплощения настоящего изобретения и что они могут быть подвергнуты многочисленным изменениям и модификациям без нарушения объема изобретения, определенного в следующей формуле изобретения и ее эквивалентах.

Изобретение относится к получению левулиновой кислоты. Способ получения левулиновой кислоты из лигноцеллюлозной биомассы, содержащей гемицеллюлозу, включающую один или несколько прекурсоров соединений, представляющих собой шестичленные углеводородные соединения, включает стадии: гидролиз лигноцеллюлозной биомассы в реакторе для гидролиза при температуре от примерно 170°С до примерно 185°С в течение от примерно 35 минут до примерно 60 минут для получения первой фазы, содержащей частично гидролизованную лигноцеллюлозную биомассу, включающую целлюлозу и лигнин, и второй фазы, содержащей один или несколько сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, и один или несколько сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в результате деградации гемицеллюлозы, отделение первой фазы от второй фазы, превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в фурфураль, промежуточное соединение реакции фурфураля, деготь или их комбинацию в присутствии одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, отделение по меньшей мере части фурфураля, промежуточного соединения реакции фурфураля, дегтя или их комбинации от одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, а затем превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту. Заявлен также вариант способа. Технический результат – расширение вариантов способа получения левулиновой кислоты и сопутствующих продуктов. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения левулиновой кислоты из лигноцеллюлозной биомассы, содержащей гемицеллюлозу, включающую один или несколько прекурсоров соединений, представляющих собой шестичленные углеводородные соединения, включающий стадии:

гидролиз лигноцеллюлозной биомассы в реакторе для гидролиза при температуре от примерно 170°С до примерно 185°С в течение от примерно 35 минут до примерно 60 минут для получения первой фазы, содержащей частично гидролизованную лигноцеллюлозную биомассу, включающую целлюлозу и лигнин, и второй фазы, содержащей один или несколько сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, и один или несколько сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в результате деградации гемицеллюлозы;

отделение первой фазы от второй фазы;

превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в фурфураль, промежуточное соединение реакции фурфураля, деготь или их комбинацию в присутствии одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи;

отделение по меньшей мере части фурфураля, промежуточного соединения реакции фурфураля, дегтя или их комбинации от одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, а затем

превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту.

2. Способ по п. 1, в котором стадия гидролиза лигноцеллюлозной биомассы включает приведение лигноцеллюлозной биомассы в контакт с паром, комбинацией пара и по меньшей мере одним из таких соединений, как кислота, спирт или комбинация спирта и по меньшей мере одной кислоты.

3. Способ по п. 1, в котором стадию гидролиза лигноцеллюлозной биомассы осуществляют в реакторе для гидролиза в течение от примерно 35 минут до примерно 45 минут.

4. Способ по п. 1, в котором первая фаза дополнительно содержит один или несколько сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, или прекурсоров одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, и который дополнительно включает превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, или прекурсоров одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту.

5. Способ по п. 1, в котором вторая фаза является жидкой.

6. Способ по п. 1, в котором вторая фаза дополнительно включает растворитель и который дополнительно включает стадии отделения по меньшей мере части растворителя от второй фазы до стадии превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в фурфураль, промежуточное соединение реакции фурфураля, деготь или их комбинацию и рециркуляцию по меньшей мере части растворителя из второй фазы для использования на стадии гидролиза лигноцеллюлозной биомассы.

7. Способ по п. 1, в котором превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в фурфураль, промежуточное соединение реакции фурфураля, деготь или их комбинацию включает приведение одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в контакт с по меньшей мере одной кислотой.

8. Способ по п. 7, в котором стадию превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в фурфураль, промежуточное соединение реакции фурфураля, деготь или их комбинацию осуществляют в реакторе для конверсии сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, при температуре от примерно 130°С до примерно 300°С в течение от примерно 35 минут до примерно 60 минут и где по меньшей мере одна кислота присутствует в количестве вплоть до 10 масс. % от содержимого реактора для конверсии сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи.

9. Способ по п. 1, в котором отделение по меньшей мере части фурфураля от одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, включает введение смеси фурфураля и одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, во флэш-испаритель.

10. Способ по п. 1, в котором стадия превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту включает приведение одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в контакт с по меньшей мере одной кислотой.

11. Способ по п. 1, в котором стадию превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту осуществляют в реакторе для конверсии сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, при температуре от 190°С до 220°С в течение от примерно 20 минут до примерно 60 минут.

12. Способ по п. 1, в котором на стадии превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту также осуществляют конверсию по меньшей мере другой части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в муравьиную кислоту и растительный уголь.

13. Способ получения продукта из древесной массы и левулиновой кислоты из лигноцеллюлозной биомассы, содержащей гемицеллюлозу, включающую один или несколько прекурсоров соединений, представляющих собой шестичленные углеводородные соединения, включающий стадии:

гидролиз лигноцеллюлозной биомассы в реакторе для гидролиза при температуре от примерно 170°С до примерно 185°С в течение от примерно 35 минут до примерно 60 минут для получения первой фазы, содержащей частично гидролизованную лигноцеллюлозную биомассу, включающую целлюлозу и лигнин, и второй фазы, содержащей один или несколько сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, и один или несколько сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в результате деградации гемицеллюлозы;

отделение первой фазы от второй фазы;

превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту; и

превращение по меньшей мере части первой фазы в продукт из древесной массы.

14. Способ по п. 13, дополнительно включающий:

превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в фурфураль, промежуточное соединение реакции фурфураля, деготь или их комбинацию в присутствии одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи; и

отделение по меньшей мере части фурфураля, промежуточного соединения реакции фурфураля, дегтя или их комбинации от одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, до стадии превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту.

15. Способ по п. 13, в котором продукт из древесной массы представляет собой целлюлозу.

16. Способ по п. 15, в котором стадия превращения по меньшей мере части первой фазы в продукт из древесной массы включает превращение по меньшей мере части первой фазы в целлюлозу в процессе сульфатной варки целлюлозы.

17. Способ по п. 13, в котором превращение по меньшей мере части первой фазы в продукт из древесной массы включает сушку по меньшей мере части первой фазы.

18. Способ по п. 13, в котором продукт из древесной массы содержит целлюлозу, где целлюлоза представляет собой распушенную целлюлозу или растворимую целлюлозу.

19. Способ по п. 13, в котором продукт из древесной массы представляет собой древесные гранулы.

20. Способ по п. 13, дополнительно включающий стадии отделения сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, от сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, и соединения сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, с продуктом из древесной массы.

21. Способ по п. 1, в котором гидролиз лигноцеллюлозной биомассы включает приведение в контакт лигноцеллюлозной биомассы с комбинацией пара и по меньшей мере одной кислоты и где по меньшей мере одна кислота присутствует в количестве вплоть до 10 масс. % от количества лигноцеллюлозной биомассы.

22. Способ по п. 1, в котором превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в фурфураль, промежуточное соединение реакции фурфураля, деготь или их комбинации, протекает в реакторе для конверсии сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, при температуре от примерно 130°С до примерно 300°С в течение примерно от 35 минут до примерно 60 минут, превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту протекает в реакторе для конверсии сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, при температуре от 190°С до примерно 220°С в течение от примерно 20 минут до примерно 60 минут.

23. Способ по п. 1, в котором:

гидролиз лигноцеллюлозной биомассы включает приведение в контакт лигноцеллюлозной биомассы с комбинацией пара и по меньшей мере одной кислоты, по меньшей мере одна кислота присутствует в количестве вплоть до 10 масс. % от лигноцеллюлозной биомассы,

превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в фурфураль, промежуточное соединение реакции фурфураля, деготь или их комбинации, протекает в реакторе для конверсии сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, при температуре от примерно 130°С до примерно 300°С в течение примерно от 35 минут до примерно 60 минут,

превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту протекает в реакторе для конверсии сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, при температуре от 190°С до примерно 220°С в течение от примерно 20 минут до примерно 60 минут.

24. Способ по п. 1, который включает превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в фурфураль, промежуточное соединение реакции фурфураля, деготь или их комбинацию в присутствии одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи; включает превращение одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в смесь фурфураля, промежуточного соединения реакции фурфураля и дегтя в присутствии одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи.

25. Способ по п. 13, в котором гидролиз лигноцеллюлозной биомассы включает приведение в контакт лигноцеллюлозной биомассы с комбинацией пара и по меньшей мере одной кислоты и где по меньшей мере одна кислота присутствует в количестве вплоть до 10 масс. % от количества лигноцеллюлозной биомассы.

26. Способ по п. 25, в котором превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту протекает в реакторе для конверсии сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, при температуре от 190°С до примерно 220°С в течение от примерно 20 минут до примерно 60 минут.

27. Способ по п. 13, дополнительно включающий:

превращение по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих пятичленные углеводородные цепи, в смесь фурфураля, промежуточного соединения реакции фурфураля и дегтя в присутствии одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи; и

отделение по меньшей мере части фурфураля, промежуточного соединения реакции фурфураля, дегтя или их комбинации от одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, до стадии превращения по меньшей мере части одного или нескольких сахаров, содержащих шестичленные углеводородные цепи, в левулиновую кислоту.