Способ и устройство для образования фракции лигнина, лигниновая композиция и ее применение Российский патент 2020 года по МПК C08H7/00 C08H8/00 C08B16/00 C07G1/00 C12P7/00 

Область техники

Изобретение относится к способу и устройству для образования фракции лигнина. Также изобретение относится к лигниновой композиции и к ее применению.

Уровень техники

Из уровня техники известны различные способы образования лигнина из различных сырьевых материалов, например, биомассы. Во множестве способов биопереработки, например, при гидролизе, образуется сырой лигнин, такой как лигниновый остаток, после гидролиза биомассы. Этот нерастворимый в воде лигниновый остаток обычно содержит значительный процент частиц негидролизованной лигноцеллюлозы.

Также из предшествующего уровня техники известны химическая обработка лигнина путем растворения лигнина в растворителе, таком как NaOH, смесь спирта и воды или органическая кислота, и осаждение лигнина, например, с помощью серной кислоты или воды. Затем можно получить чистый лигнин, однако известные способы характеризуются высокими эксплуатационными и капитальными затратами. Удаление и/или извлечение растворителя или образованной соли приводит к дополнительным затратам. Конечное обезвоживание лигнина обычно выполняют путем фильтрации. Размер частиц осажденного лигнина в общем является довольно небольшим, что оказывает отрицательное влияние на скорость фильтрации и содержание сухих твердых веществ в осадке на фильтре.

Цель изобретения

Целью изобретения является раскрытие нового способа образования лигниновой фракции. Другой целью изобретения является раскрытие нового способа очистки лигнина. Еще одной целью изобретения является получение очищенной лигниновой композиции с улучшенными свойствами.

Краткое описание изобретения

Способ образования лигниновой фракции по настоящему изобретению, отличающийся тем, что представлено в пункте 1 формулы изобретения.

Устройство для образования лигниновой фракции по настоящему изобретению, отличающееся тем, что представлено в пункте 12 формулы изобретения.

Лигниновая композиция по настоящему изобретению, отличающаяся тем, что представлено в пункте 17 формулы изобретения.

Применение лигниновой композиции по настоящему изобретению, отличающееся тем, что представлено в пунктах 18 и 19 формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

На приложенных чертежах, которые включены для обеспечения дополнительного понимания изобретения и составляют часть этого технического описания, показаны некоторые воплощения изобретения, и они вместе с описанием помогают объяснить принципы изобретения. На чертежах:

Фиг. 1 представляет собой блок-схему, на которой показан способ согласно одному воплощению настоящего изобретения,

Фиг. 2 представляет собой блок-схему, на которой показан способ согласно другому воплощению настоящего изобретения,

на Фиг. 3а показан сырой лигнин перед выделением, и

на Фиг. 3d показан сырой лигнин после выделения.

Подробное описание изобретения

Изобретение относится к способу образования лигниновой фракции (6) из сырого лигнина (1) и предпочтительно к очистке сырого лигнина, чтобы образовать фракцию чистого лигнина. Сырой лигнин (1) обработан посредством стадии (24) обработки, выбранной из ферментативной обработки, обработки ионной жидкостью и их сочетаний. Способ включает обработку сырого лигнина (1) путем выделения лигнина на по меньшей мере одной стадии (3) выделения лигнина для выделения лигнина из сырого лигнина (1), так что лигнин выделяют для образования двух твердых фаз, лигноцеллюлозы и частиц несвязанного лигнина, и отделение лигниновой фракции (6) посредством по меньшей мере одной стадии (5) отделения. В предпочтительном воплощении лигниновая фракция (6) является очищенным сырым лигнином.

Одно воплощение способа настоящего изобретения показано на Фиг. 1. Другое воплощение настоящего изобретения показано на Фиг. 2.

Устройство по настоящему изобретению содержит по меньшей мере один реактор (3) выделения для выделения сырого лигнина (1) на по меньшей мере одной стадии выделения, по меньшей мере одно устройство (5) отделения для отделения лигниновой фракции (6) на по меньшей мере одной стадии отделения, по меньшей мере одно первое подающее устройство для подачи сырого лигнина (1) в реактор (3) выделения и по меньшей мере одно второе подающее устройство для подачи обработанного сырого лигнина (4) из реактора (3) выделения в устройство (5) отделения.

Предпочтительно сырой лигнин (1) был образован из исходного материала (20). В этом контексте исходный материал (20) означает любое сырье на основе древесины или растений. Исходный материал может содержать лигнин, лигноцеллюлозу, целлюлозу, гемицеллюлозу, глюкозу, ксилозу, экстрактивные вещества и другие неотъемлемые структурные компоненты биомассы, а также посторонние компоненты, такие как ферменты или химикаты. В одном воплощении исходный материал выбирают из группы, состоящей из сырья на основе древесины, древесной биомассы, содержащей лигнин биомассы, такой как сельскохозяйственные остатки, выжатый сахарный тростник и кукурузная солома, многолетних древесных растений, сосудистых растений, переработанного бурого картона, обесцвеченной бумажной массы и их сочетаний.

В этом контексте сырой лигнин (1) имеет отношение к любому материалу или композиции, содержащей лигнин, в основном без несвязанного лигнина. В одном воплощении сырой лигнин содержит менее 20 масс. % несвязанного лигнина. Далее, сырой лигнин также содержит лигноцеллюлозу, которая содержит звенья глюкана. Лигноцеллюлоза, такая как звенья глюкана, и лигнин связываются друг с другом в гетерогенную структуру, что означает, что обычно лигнин распределен в материале неоднородно. В основном сырой лигнин содержит лигнин и лигноцеллюлозу, однако он также может содержать гемицеллюлозу. Сырой лигнин может содержать один или более лигниновых компонентов. Сырой лигнин может содержать различное количество лигнина и глюкана. Также сырой лигнин может содержать ферменты, в особенности после ферментативной обработки. Обычно сырой лигнин находится в форме суспензии, которая содержит воду, кислоту, например, муравьиную кислоту, уксусную кислоту или серную кислоту, спирт или другую жидкость, или в форме фильтрационного осадка, комка и т.п. В одном воплощении сырой лигнин находится в форме суспензии. Предпочтительно сырой лигнин является лигниновым остатком от гидролиза, например, целлолигнином.

В одном воплощении, в особенности после ферментативной обработки и/или обработки ионной жидкостью, сырой лигнин (1) содержит высокую долю углеводов в форме твердой лигноцеллюлозы. После ферментативной обработки и/или обработки ионной жидкостью лигнин тесно связан с лигноцеллюлозой сырого лигнина. Затем требуется дополнительная стадия обработки для выделения лигнина. Отделение лигниновых частиц можно облегчить с помощью данного изобретения. Предпочтительно отделение основано на отделении твердой фазы от твердой фазы. Одновременно сырой лигнин очищают с получением лигнинового материала, более подходящего для использования в различных применениях. В изобретении фракцию лигноцеллюлозы можно направить обратно на ферментативную обработку, такую как ферментативный гидролиз, и/или обработку ионной жидкостью. Альтернативным вариантом является использование извлеченной фракции лигноцеллюлозы во внешних применениях.

В одном воплощении сырой лигнин был разбавлен жидкостью, например, водой. В одном воплощении % НВТВ (нерастворимых в воде твердых веществ) сырого лигнина составляет от 1 до 50% или от 20 до 40% на стадии выделения. В одном воплощении % НВТВ сырого лигнина составляет от 1 до 35% или от 10 до 30% или от 15 до 30% на стадии отделения. Нерастворимые в воде твердые вещества, НВТВ, можно вычислить: % НВТВ = (масса промытого и высушенного материала)/(масса влажной суспензии для промывки). Низкая плотность суспензии способствует механическому отделению частиц несвязанного лигнина и частиц лигноцеллюлозы. В одном воплощении среднемассовый размер частиц сырого лигнина составляет менее 1000 мкм, предпочтительно менее 500 мкм.

В одном воплощении содержание целлюлозы, то есть содержание глюкана, в сыром лигнине (1) составляет от 3 до 70 масс. %, предпочтительно от 5 до 60 масс. % и более предпочтительно от 10 до 60 масс. %, проанализированное в виде глюкозы.

В одном воплощении частицы лигноцеллюлозы находятся в форме волокнистых ветвей в сыром лигнине. В одном воплощении среднемассовый размер частиц лигноцеллюлозы составляет менее 1000 мкм, в одном воплощении менее 500 мкм и в одном воплощении менее 300 мкм.

Сырой лигнин был обработан посредством стадии (24) ферментативной обработки и/или обработки ионной жидкостью. В одном воплощении сырой лигнин был обработан посредством ферментативной обработки и/или обработки ионной жидкостью после гидролиза (21), с помощью которого сырой лигнин был образован из исходного материала (20).

В одном воплощении сырой лигнин был обработан посредством стадии (24) ферментативной обработки. В одном воплощении ферментативная обработка является ферментативным гидролизом. В одном воплощении сырой лигнин был образован из исходного материала и обработан посредством ферментативного гидролиза.

В одном воплощении сырой лигнин (1) обрабатывают путем обезвоживания, промывки, фильтрации и/или центрифугирования на по меньшей мере одной стадии (2) промывки и отделения перед выделением (3) лигнина. Предпочтительно сырой лигнин (1) промывают и растворимые углеводы отделяют перед выделением (3) лигнина. Предпочтительно растворимые углеводы (14), такие как растворимые С₆ углеводы, можно отделить от сырого лигнина в течение стадии (2) промывки и отделения. В одном воплощении устройство содержит по меньшей мере одно устройство, например, фильтр или центрифугу, для обработки сырого лигнина (1) путем обезвоживания, промывки, фильтрования и/или центрифугирования на по меньшей мере одной стадии (2) промывки и отделения перед выделением (3) лигнина.

В одном воплощении сырой лигнин (1) обрабатывают путем выделения в присутствии кислоты. В одном воплощении сырой лигнин (1) обрабатывают путем выделения без кислоты. В одном воплощении сырой лигнин (1) выделяют посредством тепловой обработки, такой как гидротермальная обработка на стадии (3) выделения лигнина. В одном воплощении сырой лигнин выделяют посредством автогидролиза. В одном воплощении сырой лигнин выделяют посредством гидролиза разбавленной кислотой. В одном воплощении сырой лигнин выделяют за две стадии. В одном воплощении одну стадию выполняют без кислоты и другую стадию с кислотой. В одном воплощении реактор (3) выделения является реактором ферментативного гидролиза. В одном воплощении реактор (3) выделения является облицованным стеклом реактором ферментативного гидролиза, например, облицованным стеклом реактором ферментативного гидролиза периодического действия или стандартным реактором ферментативного гидролиза непрерывного действия. В одном воплощении реактор (3) выделения является трубчатым реактором непрерывного действия с коротким временем удержания и включающим внезапный выброс под давлением после реакторной фазы. В одном воплощении реактор (3) выделения является реактором фильтрации или проточным реактором.

В одном воплощении в течение выделения (3) лигнина температура составляет от 130 до 400°С. В одном воплощении в течение выделения (3) лигнина температура составляет по меньшей мере 170°С. В одном воплощении в течение выделения (3) лигнина температура составляет от 170 до 240°С. При выделении несвязанный лигнин выделяют из сырого лигнина и образуются две твердые фазы, лигноцеллюлоза и частицы несвязанного лигнина. В одном воплощении, когда сырой лигнин обрабатывают путем выделения, в течение выделения лигнина достигают эффекта парового взрыва для способствования образованию частиц несвязанного лигнина и для уменьшения размеров частиц лигноцеллюлозы. Наиболее эффективное выделение лигнина выполняют с помощью короткого времени удержания при высокой температуре, то есть для получения так называемого эффекта мгновенного испарения для выделения лигнина. Свойства сырого лигнина, целевые свойства очищенного лигнина и фракции лигноцеллюлозы, а также экономические и экологические показатели устанавливают оптимальные технологические условия.

В одном воплощении перед выделением (3) лигнина добавляют воду. Температура воды может составлять примерно от 20 до 100°С.

В одном воплощении устройство содержит по меньшей мере два параллельных реактора (3) выделения для выделения лигнина из сырого лигнина (1). Предпочтительно параллельные реакторы облегчают непрерывный способ. В одном воплощении устройство содержит по меньшей мере два последовательных реактора (3) выделения для выделения лигнина из сырого лигнина (1).

В одном воплощении жесткость обработки выделения составляет от гидролиза стандартной гемицеллюлозы (С₅) до гидролиза целлюлозы (С₆), поэтому при наименьшей возможной жесткости выделяется лигнин. Обычно настраиваемая рН объединенная жесткость (CS) или показатель жесткости (SI) составляет от 1,5 до 2,5 (определенная представленным ниже уравнением), где t является временем и Т температурой в градусах Цельсия.

Низкая жесткость является преимущественной для того, чтобы растворить настолько низкую процентную долю целлюлозы, насколько это возможно, так как это улучшает выход С₆ углеводов в ферментативном способе. Дополнительными выгодами являются сохранение естественной реакционной способности лигнина и более высокая селективность обработки выделения, что приводит к более чистому раствору сахара.

В одном воплощении менее 70%, предпочтительно менее 60%, более предпочтительно менее 50% и наиболее предпочтительно менее 40% глюкана растворяют в течение выделения (3) лигнина.

На Фиг. 3а представлено одно воплощение сырого лигнина перед выделением лигнина и на Фиг. 3b представлено одно воплощение сырого лигнина после выделения лигнина. Более темные округлые формы на Фиг. ЗЬ являются частицами выделенного лигнина, и более светло окрашенный материал является лигноцеллюлозой.

В одном воплощении варочный щелок из выделения лигнина можно удалить в течение или после выделения лигнина. Из варочного щелока можно извлечь растворимые углеводы. Альтернативно, варочный щелок можно подать на установку обработки сточной воды как таковой или после последующей обработки.

В одном воплощении перед выделением лигнина добавляют карбонат. В одном воплощении карбонат добавляют в течение выделения лигнина. В одном воплощении карбонат находится в форме карбоната натрия, бикарбоната натрия, диоксида углерода, другого подходящего карбоната или их производных или их сочетаний. Размер частиц лигнина можно увеличить посредством добавления карбоната. Когда в течение стадии выделения образуется СО₂, размягченные частицы лигнина разбухают из-за распространения газа внутри пор. Затем частицы лигнина с увеличенным размером частиц можно более легко отделить от сырого лигнина.

В одном воплощении обработанный сырой лигнин (4) охлаждают после выделения (3) лигнина.

В одном воплощении обработанный сырой лигнин (4) промывают после выделения (3) лигнина.

В одном воплощении лигниновую фракцию (6) отделяют на одной или более стадий (5) отделения после стадии (3) выделения лигнина. В одном воплощении фракцию (7) лигноцеллюлозы отделяют на одной или более стадий (5) отделения. В одном воплощении отделение выполняют посредством механического отделения. В одном воплощении способ отделения выбирают из группы, состоящей из центробежных сил, осаждения, отмучивания, фильтрации, флотации, отсеивания и их сочетаний. В одном воплощении отделение выполняют посредством центробежных сил. В одном воплощении отделение выполняют посредством осаждения. В одном воплощении отделение выполняют посредством отмучивания. В одном воплощении отделение выполняют посредством фильтрации. В одном воплощении отделение выполняют посредством флотации. В одном воплощении отделение выполняют посредством отсеивания. В одном воплощении каждую стадию отделения выполняют одинаковыми способами. Альтернативно, каждую стадию отделения выполняют различными способами. В одном воплощении лигниновую фракцию (6) отделяют от обработанного сырого лигнина (4) так, что остающийся сырой лигнин представляет собой фракцию (7) лигноцеллюлозы. В одном воплощении фракцию (7) лигноцеллюлозы отделяют от обработанного сырого лигнина (4) так, что остающийся сырой лигнин представляет собой лигниновую фракцию (6). Предпочтительно лигниновая фракция (6) является очищенным лигнином.

В одном воплощении устройство содержит по меньшей мере одно устройство (5) отделения для отделения лигниновой фракции (6) от обработанного сырого лигнина (4) и предпочтительно для очистки лигниновой фракции (6). В одном воплощении устройство содержит по меньшей мере два устройства (5) отделения. В одном воплощении устройство отделения основано на центробежных силах, осаждении, отмучивании, фильтрации, флотации, отсеивании или их сочетаниях. Устройство отделения может быть реактором, сосудом, баком, чашей, циклоном, фильтром, колонной, кюветой, резервуаром, концентратором и т.п. В одном воплощении по меньшей мере одну стадию отделения лигниновой фракции выполняют посредством центробежных сил, например, с помощью корзиночной центрифуги или декантерной центрифуги, такой как центрифуга со сплошным ротором, или посредством флотации, например, с помощью пенной флотации или колонной флотации.

В одном воплощении отделение лигниновой фракции (6) выполняют на одной или более стадий отделения. В одном воплощении отделение выполняют на одной стадии отделения. В одном воплощении отделение выполняют на более чем одной стадиях отделения. В одном воплощении отделение выполняют на трех стадиях отделения. В одном воплощении устройство (5) отделения содержит одну или более стадий отделения. В одном воплощении стадия отделения включает одно или более устройств отделения. В одном воплощении лигниновую фракцию (6) отделяют на последней стадии отделения. В одном воплощении лигниновую фракцию (6) отделяют между двумя стадиями отделения. В одном воплощении лигниновую фракцию (6) отделяют на первой стадии отделения. В одном воплощении лигниновую фракцию (6) отделяют на первой стадии отделения и после этого лигниновую фракцию очищают на последующих стадиях отделения. В одном воплощении лигниновую фракцию (6) отделяют на каждой стадии отделения. В одном воплощении фракцию (7) лигноцеллюлозы отделяют на первой стадии отделения. В одном воплощении фракцию (7) лигноцеллюлозы отделяют на более чем одной стадиях отделения. В одном воплощении фракцию (7) лигноцеллюлозы отделяют на каждой стадии отделения. В одном воплощении по меньшей мере один поток отделенной лигноцеллюлозы направляют на требуемую стадию отделения.

В одном воплощении лигниновую фракцию (6) дополнительно очищают путем отсеивания, предпочтительно с помощью вибрационного сита, для удаления обуглившегося вещества и продуктов разложения сахара.

Отделение можно выполнять в широком интервале температур, например, при температурах от 0 до 100°С. Более высокие температуры обычно способствуют отделению из-за более низкой вязкости. В общем, используют температуру, близкую к природному процессу, чтобы избежать нагрева или охлаждения.

В одном воплощении в связи со стадией (5) отделения в обрабатываемый сырой лигнин (4) добавляют стабилизирующий химикат (8). В одном воплощении стабилизирующий химикат (8) добавляют в обрабатываемый сырой лигнин (4) перед стадией (5) отделения. В одном воплощении стабилизирующий химикат (8) добавляют в обрабатываемый сырой лигнин (4) в течение стадии (5) отделения. В одном воплощении устройство содержит по меньшей мере одно подающее устройство для добавления стабилизирующего химиката (8) в обработанный сырой лигнин (4).

Стабилизирующий химикат (8) добавляют в обработанный сырой лигнин (4) на по меньшей мере одной стадии. В одном воплощении стабилизирующий химикат (8) добавляют в обработанный сырой лигнин (4) на одной стадии. В одном воплощении стабилизирующий химикат (8) добавляют в обработанный сырой лигнин на более чем одной стадиях. В одном воплощении стабилизирующий химикат (8) добавляют в обработанный сырой лигнин в связи с каждой стадией отделения. В одном воплощении стабилизирующий химикат (8) добавляют в обработанный сырой лигнин на первой стадии отделения и/или на по меньшей мере одной более поздней стадии отделения. Предпочтительно выполняют химическую стабилизацию и механическое отделение.

В одном воплощении стабилизирующий химикат добавляют в обработанный сырой лигнин, и сырой лигнин перемешивают, предпочтительно с помощью смешивания с большими усилиями сдвига. Смешивание с большими усилиями сдвига является выгодным для облегчения адсорбции химиката на поверхностях. Стабилизирующий химикат преимущественно адсорбируется на частицах лигноцеллюлозы.

В одном воплощении стабилизирующий химикат (8) является полисахаридом как таковым или модифицированным полисахаридом. В этом контексте стабилизирующий химикат обычно является гидрофильным химикатом. В одном воплощении стабилизирующий химикат выбирают из группы, состоящей из карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), полианионной целлюлозы (ПАЦ), других производных целлюлозы, например, этилгидроксиэтилцеллюлозы и метил целлюлозы, гуаровой смолы, такой как природная гуаровая смола или модифицированная гуаровая смола, природного крахмала, модифицированного крахмала, пектина, гликогена, каллозы, хризоламинарина, природной гемицеллюлозы, модифицированной гемицеллюлозы, ксилана, маннана, галактоманнана, галактоглюкоманнана (ГГМ), арабиноксилана, глюкуроноксилана и ксилоглюкана, фукоидана, декстрана, альгината, других полисахаридов и их сочетаний. Указанный стабилизирующий химикат может быть в природной форме или в модифицированной форме. В одном воплощении стабилизирующий химикат является карбоксиметилцеллюлозой (КМЦ). В одном воплощении стабилизирующий химикат является гуаровой смолой. Предпочтительно действие стабилизирующего химиката состоит в поддерживании взвешенных частиц лигноцеллюлозы стабильными посредством химического взаимодействия. Поэтому обработанные частицы лигноцеллюлозы остаются в суспензии, при этом частицы несвязанного лигнина отделяют от суспензии.

В одном воплощении в устройство (5) отделения можно добавлять промывочную воду (9), например, при температуре от 20 до 70°С, предпочтительно на последней стадии отделения, для промывки лигниновой фракции (6). Альтернативно, лигниновую фракцию (6) промывают после отделения (5). В одном воплощении лигниновую фракцию промывают путем промывки вытеснением. Очищенный лигнин можно легко нейтрализовать на стадии промывки без отрицательного влияния на характеристику обезвоживания. В этом контексте промывочная вода означает любую промывочную жидкость или промывочную воду. Промывочная вода может быть чистой промывочной водой или переработанной промывочной водой. Промывочная вода может быть физически и/или химически очищенной сырой водой, а также чистым побочным потоком из способа биопереработки, например, конденсатом из испарения сахара. Способ отделения не требует сверхчистой воды, например, получаемой путем ионного обмена, дистилляции или обратного осмоса.

В одном воплощении лигниновая фракция (6) находится в форме суспензии, твердого вещества, осадка, шлама, фильтрационного остатка и т.п. после стадии отделения. Лигниновая фракция (6) может также содержать другие компоненты или вещества помимо частиц лигнина. Предпочтительно лигниновая фракция содержит несвязанный лигнин. В одном воплощении лигниновая фракция содержит более 80%, предпочтительно более 85%, более предпочтительно более 90%, наиболее предпочтительно более 95% лигнина и менее 20%, предпочтительно менее 15%, более предпочтительно менее 10%, наиболее предпочтительно менее 5% глюкана. Содержание лигнина определяется сочетанием нерастворимого в кислоте и растворимого в кислоте лигнина.

В одном воплощении лигниновую фракцию (6) обрабатывают после отделения путем обезвоживания лигниновой фракции на по меньшей мере одной стадии (10) обезвоживания, которую можно выбрать из описанных выше способов отделения или других подходящих способов. В одном воплощении обезвоживание выполняют на стадии отделения. В одном воплощении лигниновую фракцию (6) обрабатывают путем обезвоживания на по меньшей мере одной стадии фильтрации, например, с помощью фильтр-пресса или вакуумного фильтра. В одном воплощении лигниновую фракцию (6) обрабатывают путем обезвоживания на по меньшей мере одной стадии очистки и отделения. В одном воплощении лигниновую фракцию обрабатывают на стадии очистки и отделения посредством центробежной очистки, например, с помощью гидроциклона, осаждения, например, с помощью концентратора, отмучивания, агрегирования, флотации, флоккуляции и/или отсеивания. В одном воплощении лигниновую фракцию (6) обрабатывают путем измельчения.

В одном воплощении устройство содержит по меньшей мере одно фильтрующее устройство, например, фильтр-пресс или вакуумный фильтр, для фильтрации и очистки лигниновой фракции (6). В одном воплощении устройство содержит по меньшей мере одно устройство обезвоживания для обезвоживания лигниновой фракции (6).

Обезвоживание лигнина можно улучшить с помощью настоящего изобретения. Удаление частиц лигноцеллюлозы явно улучшает обезвоживание лигнина, что свидетельствует о повышенной скорости фильтрации и/или более высоком содержании твердых веществ. Более высокое содержание твердых веществ означает, что лигнин является более подходящим для применений ниже по потоку как таковой и меньше энергии требуется при сушке.

В одном воплощении по меньшей мере часть фракции (7) лигноцеллюлозы, содержащей частицы лигноцеллюлозы, направляют обратно на ферментативную обработку, такую как ферментативный гидролиз, и/или обработку ионной жидкостью. В одном воплощении по меньшей мере часть фракции (7) лигноцеллюлозы направляют из стадии (5) отделения на ферментативную обработку, такую как ферментативный гидролиз, и/или обработку ионной жидкостью. В одном воплощении по меньшей мере часть фракции (7) лигноцеллюлозы направляют на стадию перед стадией (24) обработки, предпочтительно перед ферментативной обработкой или обработкой ионной жидкостью. В одном воплощении фракцию (7) лигноцеллюлозы направляют на стадию между способом (21) гидролиза и стадией (24) обработки. В одном воплощении фракцию (7) лигноцеллюлозы направляют в бак-репульпатор (23), который расположен до стадии (24) обработки. Альтернативно, по меньшей мере часть фракции (7) лигноцеллюлозы можно направить в отдельный способ гидролиза. В одном воплощении устройство содержит средства циркуляции для направления фракции (7) лигноцеллюлозы. В одном воплощении используют подающую систему для направления фракции (7) лигноцеллюлозы из устройства (5) отделения на ферментативную обработку, такую как ферментативный гидролиз, и/или обработку ионной жидкостью.

Предпочтительно, в случае ферментативного способа, сырье, например, древесный материал, можно более эффективно использовать в способе, когда фракцию (7) лигноцеллюлозы направляют на ферментативную обработку, такую как ферментативный гидролиз.

Когда фракцию (7) лигноцеллюлозы направляют рециклом, можно понизить превращение при ферментативной обработке или обработке ионной жидкостью. В одном воплощении превращение понижают по меньшей мере на 10% или по меньшей мере на 20% от предшествующего оптимального уровня превращения. Дозировку фермента выбирают так, что достигают требуемого превращения глюкана в глюкозу при ферментативной обработке. Более низкое превращение обеспечивает уменьшение дозировки фермента. Свойства направленной циркулируемой фракции лигноцеллюлозы, в особенности небольшой размер частиц, низкое содержание гемицеллюлозы и низкое содержание лигнина, потенциально дополнительно уменьшают дозировку фермента. В одном воплощении при ферментативной обработке можно увеличить равномерность подачи. Это компенсирует с другой стороны более низкую концентрацию сахара и более высокой объем баков для ферментативной обработки, таких как баки для ферментативного гидролиза, когда применяют более низкое превращение. Более высокую равномерность подачи облегчают с помощью более низкой вязкости смеси предварительно обработанного исходного материала и лигноцеллюлозы по сравнению с одним предварительно обработанным исходным материалом. В стандартном способе более низкое превращение приводит к эквивалентному падению выхода С₆ сахаров, однако, когда извлеченную фракцию лигноцеллюлозы направляют на ферментативный гидролиз, объединенный выход С₆ обычно является более высоким по сравнению со сравнительным случаем с нормальным уровнем превращения.

Фракция (7) лигноцеллюлозы может также содержать другие компоненты или вещества помимо углеводов, такие как глюкан. В одном воплощении фракция (7) лигноцеллюлозы находится в форме суспензии. Эта суспензия содержит жидкость, такую как вода. В одном воплощении фракция (7) лигноцеллюлозы содержит 40-90%, предпочтительно 50-90%, более предпочтительно примерно 60-90% глюкана и 10-60%, предпочтительно 10-50%, более предпочтительно примерно 10-40% лигнина после стадии (5) отделения.

В одном воплощении фракцию (7) лигноцеллюлозы обезвоживают, например, путем фильтрации, после отделения (5).

В одном воплощении фракцию (7) лигноцеллюлозы разбавляют для образования разбавленной фракции (13) лигноцеллюлозы после стадии (5) отделения. В одном воплощении жидкость во фракции лигноцеллюлозы заменяют частично или полностью свежей водой, требуемой для разбавления предварительно обработанного исходного материала до ферментативного гидролиза.

Согласно настоящему изобретению можно образовать лигниновую композицию. Лигниновая композиция содержит лигниновую фракцию, которая была образована способом, описанным в контексте рассматриваемого материала. Лигниновую композицию можно использовать в качестве компонента при изготовлении продукта, такого как конечный продукт, выбранного из группы, состоящей из активированного угля, углеродного волокна, лигнинового композиционного материала, связующего материала, полимеров, смол, фенольного компонента, диспергирующего вещества, сырья, пищи или их сочетания. В одном воплощении лигниновую композицию используют в качестве адсорбента для нефти, углеводородной композиции или тяжелых металлов. В одном воплощении лигниновую композицию используют в качестве горючего вещества при производстве энергии.

В одном воплощении можно образовать композицию лигноцеллюлозы. Композиция лигноцеллюлозы содержит фракцию лигноцеллюлозы, которая была образована способом, описанным в контексте рассматриваемого материала. Композицию лигноцеллюлозы можно использовать в качестве компонента при производстве продукта, выбранного из группы, состоящей из композиционных материалов, древесных композиционных материалов, композиционных материалов из лигнина и древесины, древесно-пластиковых композиционных материалов, включающих композиционные материалы, образованные из пластика, синтетических полимеров, биополимеров, каучука или их совместных сочетаний с древесиной, смол, предпочтительно в качестве наполнителя в смолах, материалов на основе древесины, наполнителей на основе древесины, строительных материалов, строительных досок, клееных досок и/или других досок на основе древесины, таких как фанера, ориентированная стружечная плита, ДСП, lntrallam^tm, клеено-ламинированное покрытие, ДВП, гофрированный картон, оргалит, ДСП из крупноповерхностной стружки, фибровый картон, многослойная фанера, изолирующего материала, упаковочного материала, защитного материала или вспененного материала. В одном воплощении композицию лигноцеллюлозы используют в качестве горючего вещества при производстве энергии. В одном воплощении композицию лигноцеллюлозы используют в качестве сырья при производстве микрокристаллической целлюлозы, нанокристаллической целлюлозы или нановолокнистой целлюлозы. Высокий показатель кристалличности и небольшой размер частиц способствуют применению лигноцеллюлозы при получении микрокристаллической целлюлозы или нанокристаллической целлюлозы.

В настоящем изобретении можно оптимизировать отделение лигниновой фракции. Способ по настоящему изобретению обеспечивает лигниновую фракцию и лигниновую композицию с хорошим качеством. В особенности можно улучшить чистоту лигниновой фракции. Когда улучшают чистоту лигнина и повышают содержание сухих твердых веществ в лигниновой фракции, тогда можно обеспечить лучшие свойства конечного продукта. Дополнительно можно извлечь фракцию лигноцеллюлозы. Благодаря изобретению можно уменьшить применение сырьевых материалов и ферментов. В изобретении обеспечивают реальный способ для понижения превращения при ферментативной обработке, такой как ферментативный гидролиз (ФГ), не оказывая отрицательного воздействия на выход сахара, концентрацию сахара или размер бака для ферментативного гидролиза. Дополнительно можно улучшить выход С₆ сахаров в способе.

Благодаря изобретению предпочтительно достигают улучшенной способности к фильтрации. Дополнительно, благодаря изобретению можно повысить теплоту сгорания лигниновой композиции, так что теплоту сгорания без сушки можно улучшить по меньшей мере на 50%.

В настоящем изобретении обеспечивают промышленно применимый, простой и недорогой способ изготовления композиции на основе очищенного лигнина, а также композиции на основе лигноцеллюлозы. Способ по настоящему изобретению является легким и простым для реализации в виде способа производства. Способ по настоящему изобретению подходит для применения при производстве различных продуктов на основе лигнина и лигноцеллюлозы и конечных продуктов из различных исходных материалов. Предпочтительно сырой лигнин очищают путем отделения частиц лигноцеллюлозы. Далее лигниновую композицию можно использовать в качестве источников энергии.

Примеры

Изобретение описано более подробно с помощью следующих примеров со ссылкой на приложенные чертежи.

Пример 1

В этом примере лигниновую фракцию (6) образуют согласно способу Фиг. 1.

Предварительно обработанный исходный материал образуют из исходного материала (20), такого как биомасса, посредством, например, гемигидролиза (21). Образованный предварительно обработанный исходный материал (22) обрабатывают на стадии (24) обработки, которая представляет собой ферментативную обработку, такую как ферментативный гидролиз, или обработку ионной жидкостью, чтобы образовать сырой лигнин (1).

Сырой лигнин (1) подают с помощью первого подающего устройства в реактор (3) выделения, например, в реактор ферментативного гидролиза, предпочтительно на основе автогидролиза или гидролиза разбавленной кислотой для обработки сырого лигнина путем выделения. В реактор (3) выделения можно добавлять воду.

Обработанный сырой лигнин (4) подают с помощью второго подающего устройства из реактора (3) выделения в устройство (5) отделения для отделения лигниновой фракции (6). В течение отделения в сырой лигнин в качестве стабилизирующего химиката можно добавлять карбоксиметилцеллюлозу (8). Предпочтительно отделение выполняют на более чем одной стадиях отделения. Лигниновую фракцию (6) извлекают из устройства (5) отделения. Также отделяют фракцию (7) лигноцеллюлозы. Фракцию (7) лигноцеллюлозы можно направить обратно на ферментативную обработку, такую как ферментативный гидролиз, или на обработку ионной жидкостью.

Пример 2

В этом примере лигниновую фракцию (6) образуют согласно способу Фиг. 2.

Предварительно обработанный исходный материал образуют из исходного материала (20), такого как биомасса, посредством, например, гемигидролиза (21). Образованный предварительно обработанный исходный материал (22) подают посредством бака-репульпатора (23) на стадию (24) обработки, которая представляет собой ферментативную обработку, такую как ферментативный гидролиз, или обработку ионной жидкостью. Предварительно обработанный исходный материал (22) обрабатывают на стадии (24) обработки, чтобы образовать сырой лигнин (1).

Сырой лигнин (1) фильтруют в фильтрационном устройстве (2), в котором можно удалить растворимые углеводы (14). При необходимости сырой лигнин можно промыть водой в течение или после фильтрации, предпочтительно используя промывку вытеснением. После этого сырой лигнин (1) подают с помощью первого подающего устройства в реактор (3) выделения, например, в реактор ферментативного гидролиза, предпочтительно на основе автогидролиза или гидролиза разбавленной кислотой для обработки сырого лигнина путем выделения. Предпочтительно на конечной стадии устройство включает стадию парового взрыва. В реактор выделения можно добавлять воду. Жидкую фазу, содержащую растворенные углеводы (15), можно отделить в течение или после выделения. Предпочтительно обработанный сырой лигнин (4) промывают после выделения лигнина.

Обработанный сырой лигнин (4) подают с помощью второго подающего устройства из реактора (3) выделения на возможную стадию промывки и далее в устройство (5) отделения для отделения лигниновой фракции (6). Также отделяют фракцию (7) лигноцеллюлозы. В сырой лигнин в течение отделения можно добавлять карбоксиметилцеллюлозу (8) в качестве стабилизирующего химиката. Предпочтительно отделение выполняют на более чем одной стадиях отделения. Промывочную воду (9), например, при температуре от 20 до 60°С можно добавлять в устройство (5) отделения, предпочтительно на последней стадии отделения, для промывки лигниновой фракции (6). Лигниновую фракцию (6) из устройства (5) отделения подают во второе фильтрационное устройство (10) для дополнительной обработки лигниновой фракции (6), например, с помощью фильтр-пресса. Лигниновую фракцию (6) можно отфильтровать и очистить для образования конечной лигниновой композиции (11).

Фракцию (7) лигноцеллюлозы направляют обратно на ферментативную обработку, такую как ферментативный гидролиз, или на обработку ионной жидкостью. Фракцию (7) лигноцеллюлозы можно разбавить на стадии (12) разбавления для образования фракции (13) разбавленной лигноцеллюлозы. Фракцию (13) разбавленной лигноцеллюлозы подают в бак-репульпатор (23) и направляют на стадию (24) обработки.

Пример 3

В этом примере образовывали фракции лигнина и лигноцеллюлозы.

Предварительно обработанную биомассу (ПОБ) подвергали ферментативному гидролизу промышленным ферментом, используя сырье с 16% ПСТВ (полного содержания твердых веществ). Дозирование фермента выбирали так, что достигали 80% превращения глюкозы после 48 часов гидролиза. Остаточный твердый материал, то есть сырой лигнин, отделяли от С₆ углеводов путем фильтрации под давлением. Сырой лигнин подвергали обработке разбавленной кислотой на стадии выделения. Сырой лигнин выделяли в реактор ферментативного гидролиза, используя следующие условия: 20,9% ПСТВ, время 210 минут, температура 181°С и дозирование серной кислоты 6 кг/т ПСТВ ПОБ. После обработки выделением суспензию охлаждали в реакторе. После охлаждения рН суспензии составлял 3,0.

Для отделения растворимого в воде материала от твердых частиц использовали фильтрацию под давлением и промывку вытеснением. Частицы выделенного лигнина и частицы остаточной лигноцеллюлозы отделяли последовательно на четырех стадиях. На первой стадии (подготовительная стадия) обеспечивали фракцию лигноцеллюлозы и полуочищенную лигниновую фракцию. Следующие стадии (стадии очистки) использовали для дальнейшей очистки лигниновой фракции. Стандартная процедура состояла в направлении фракций лигноцеллюлозы из стадий 2-4 выше по потоку на оптимальные стадии в способе отделения. При необходимости могут присутствовать одна или несколько стадий для дополнительной очистки фракции лигноцеллюлозы (стадии очищения). Обработанный сырой лигнин повторно превращали в суспензию для обеспечения подачи с 7% ПСТВ на подготовительную стадию. Добавляли 10 кг карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) на тонну ПСТВ, и температура составляла 55°С. Суспензию закачивали посредством декантирующей центрифуги GEA Westfalia UCD205 со скоростью подачи 23 кг/мин, используя скорость барабана 2800 об/мин. Отделенную (тяжелую) лигниновую фракцию дополнительно повторно превращали в суспензию, добавляли 3 кг КМЦ на тонну ПСТВ, и образованную суспензию обрабатывали на первой стадии очистки, используя декантирующую центрифугу. Две последующие стадии очистки были основаны на осаждении. На второй стадии очистки добавляли 1,5 кг КМЦ на тонну ПСТВ и третью стадию очистки выполняли без КМЦ. Нижний продукт собирали после 2 часов осаждения на обеих стадиях.

Лигнин и углеводы анализировали, используя способы технической ассоциации в целлюлозно-бумажной промышленности (TAPPI) Т-222 и T-UM 250. Результаты представлены в таблице 1.

CL1 = сырой лигнин перед реактором ферментативного гидролиза

CL2 = сырой лигнин после реактора ферментативного гидролиза

LC/SS1 = фракция лигноцеллюлозы перед стадией 1 отделен

L/SS4 = фракция лигнина после стадии 4 отделения

15% глюкана гидролизировали (растворяли) в течение стадии выделения, что означает, что 85% глюкана доступно для ферментативного гидролиза после 100% извлечения на стадии отделения. Лигниновая фракция L/SS4 была значительно чище, чем сырой лигнин после реактора ферментативного гидролиза (CL2), что показывает, что лигнин по меньшей мере частично выделяют из сырого лигнина в течение гидролиза разбавленной кислотой. Механическое отделение не способно очистить сырой лигнин перед реактором ферментативного гидролиза. Присутствующие в ПОБ большие частицы биомассы усложняли очистку лигнина, так как более крупные частицы лигноцеллюлозы обычно смещаются в тяжелую фракцию (лигниновая фракция). По этой причине горячее выдувание, например, паровой взрыв, после стадии выделения является предпочтительным вариантом, обеспечивающим практичный способ уменьшения размера частиц. Более жесткие условия, приводящие к более высокой степени гидролизованного глюкана, должны вносить значительный вклад в выделение лигнина и последующее отделение.

В лабораторном масштабе выполняли ферментативный гидролиз для смеси ПОБ и циркулируемой лигноцеллюлозы LC/SS1 с соотношением 87:13 по отношению к полному содержанию твердых веществ. Сравнительный способ представлял собой такой же ферментативный гидролиз с материалом 100% ПОБ. Результаты представлены в таблице 2.

Результаты показывают, что подаваемая рециклом лигноцеллюлоза (глюкан) превращалась в глюкозу так же эффективно, как и первоначальная ПОБ.

Пример 4

В этом примере показывали влияние циркулируемой фракции лигноцеллюлозы на реологию образованной суспензии. В эксперименте использовали отделенную фракцию лигноцеллюлозы из примера 3. Предварительно обработанную биомассу (материал ПОБ) повторно превращали в суспензию с материалом лигноцеллюлозы для предоставления суспензии, имеющей полное содержание твердых веществ (ПСТВ) 16,8% и содержание нерастворимых в воде твердых веществ (НВТВ) 16,5%. Отношение ПОБ и циркулируемой лигноцеллюлозы устанавливали на уровне 70:30 по отношению полному содержанию твердых веществ. Вязкость суспензии составляла 306 мПас (Brookfield с 50 об/мин). В качестве сравнительного образца такую же предварительно обработанную биомассу (ПОБ) повторно превращали в суспензию с чистой водой для предоставления суспензии, имеющей полное содержание твердых веществ (ПСТВ) 16,8% и содержание нерастворимых в воде твердых веществ (НВТВ) 16,5%. Вязкость суспензии составляла 1876 мПас (Brookfield с 50 об/мин). Этот пример показывает, что смешивание лигноцеллюлозы с предварительно обработанной биомассой приводит к неожиданным реологическим свойствам. Это касается в основном влияния биполярного распределения размеров частиц, а также могут играть роль измененные поверхностные свойства. Более низкая вязкость делает возможным использование более высокого содержания твердых веществ, например, когда выполняют ферментативный гидролиз с низким превращением, то есть низким выходом углеводов, таким образом обеспечивая компенсацию пониженной концентрации сахара и повышенного объема бака. Даже если отсутствует выгода в достижении более высокого содержания твердых веществ, более низкая вязкость облегчает использование менее интенсивной стадии смешивания.

Способ по настоящему изобретению подходит для различных воплощений, используемых для образования лигниновых фракций и фракций лигноцеллюлозы из самых разных сортов сырого лигнина.

Изобретение не ограничено только лишь указанными выше примерами, наоборот, множество изменений возможны в пределах области защиты сущности изобретения, определенной формулой изобретения.

Изобретение относится к способу и устройству для образования лигниновой фракции (6) и фракции (7) лигноцеллюлозы из сырого лигнина (1), который был образован путем обработки с помощью стадии (24) обработки, выбранной из ферментативной обработки, обработки ионной жидкостью и их сочетаний, где способ включает: обработку сырого лигнина (1) путем выделения лигнина на по меньшей мере одной стадии (3) выделения лигнина, на которой сырой лигнин обрабатывают, чтобы выделить лигнин с помощью тепловой обработки, гидротермической обработки, гидролиза разбавленной кислотой или автогидролиза и чтобы сформировать две твердые фазы, и отделение лигниновой фракции (6) и фракции (7) лигноцеллюлозы на по меньшей мере одной стадии (5) отделения твердой фазы от твердой фазы после выделения лигнина. Дополнительно изобретение относится к лигниновой фракции и фракции лигноцеллюлозы. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл., 4 пр.

1. Способ образования лигниновой фракции (6) и фракции (7) лигноцеллюлозы из сырого лигнина (1), который был образован путем обработки с помощью стадии (24) обработки, выбранной из ферментативной обработки, обработки ионной жидкостью и их сочетаний, где способ включает:

обработку сырого лигнина (1) путем выделения лигнина на по меньшей мере одной стадии (3) выделения лигнина, на которой сырой лигнин обрабатывают, чтобы выделить лигнин с помощью тепловой обработки, гидротермической обработки, гидролиза разбавленной кислотой или автогидролиза и чтобы сформировать две твердые фазы, и

отделение лигниновой фракции (6) и фракции (7) лигноцеллюлозы на по меньшей мере одной стадии (5) отделения твердой фазы от твердой фазы после выделения лигнина.

2. Способ по п. 1, в котором сырой лигнин выделяют с помощью гидротермической обработки.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором сырой лигнин выделяют с помощью гидролиза разбавленной кислотой.

4. Способ по любому из пп. 1–3, в котором температура составляет 130–400 °С в течение выделения лигнина.

5. Способ по любому из пп. 1–4, в котором менее 70%, предпочтительно менее 60%, более предпочтительно менее 50% и наиболее предпочтительно менее 40% глюкана растворяют в течение выделения лигнина.

6. Способ по любому из пп. 1–5, в котором сырой лигнин обрабатывают путем обезвоживания, промывки, фильтрации и/или центрифугирования на по меньшей мере одной стадии промывки и отделения перед выделением лигнина.

7. Способ по любому из пп. 1–6, в котором фракцию лигноцеллюлозы отделяют на по меньшей мере одной стадии отделения твердой фазы от твердой фазы.

8. Способ по любому из пп. 1–7, в котором отделение выполняют на более чем одной стадиях отделения твердой фазы от твердой фазы.

9. Способ по любому из пп. 1–8, в котором стабилизирующий химикат добавляют в обработанный сырой лигнин в связи со стадией отделения твердой фазы от твердой фазы.

10. Способ по п. 9, в котором стабилизирующий химикат представляет собой карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ) или гуаровую смолу.

11. Способ по любому из пп. 1–10, в котором по меньшей мере часть фракции лигноцеллюлозы направляют со стадии отделения твердой фазы от твердой фазы на ферментативную обработку или обработку ионной жидкостью.

12. Устройство для образования лигниновой фракции (6) и фракции (7) лигноцеллюлозы из сырого лигнина (1), который был образован путем обработки с помощью стадии (24) обработки, выбранной из ферментативной обработки, обработки ионной жидкостью и их сочетаний, где устройство содержит:

по меньшей мере один реактор (3) выделения для обработки сырого лигнина (1) путем выделения лигнина на по меньшей мере одной стадии выделения лигнина, на которой сырой лигнин обрабатывают, чтобы выделить лигнин с помощью тепловой обработки, гидротермической обработки, гидролиза разбавленной кислотой или автогидролиза и чтобы сформировать две твердые фазы,

по меньшей мере одно устройство (5) отделения твердой фазы от твердой фазы для отделения лигниновой фракции (6) и фракции (7) лигноцеллюлозы на по меньшей мере одной стадии отделения твердой фазы от твердой фазы после выделения лигнина,

по меньшей мере одно первое подающее устройство для подачи сырого лигнина (1) в реактор (3) выделения и

по меньшей мере одно второе подающее устройство для подачи обработанного сырого лигнина (4) из реактора (3) выделения в устройство (5) отделения твердой фазы от твердой фазы.

13. Устройство по п. 12, в котором устройство содержит по меньшей мере одно устройство для обработки сырого лигнина (1) путем обезвоживания, промывки, фильтрации и/или центрифугирования на по меньшей мере одной стадии (2) промывки и отделения перед выделением (3) лигнина.

14. Устройство по п. 12 или 13, в котором обеспечено по меньшей мере одно устройство (5) отделения твердой фазы от твердой фазы для отделения фракции (7) лигноцеллюлозы.

15. Устройство по любому из пп. 12–14, в котором устройство содержит средства для направления фракции (7) лигноцеллюлозы из устройства (5) отделения твердой фазы от твердой фазы на стадию (24) ферментативной обработки или обработки ионной жидкостью.

16. Устройство по любому из пп. 12–15, в котором устройство содержит по меньшей мере одно третье подающее устройство для добавления стабилизирующего химиката (8) в обработанный сырой лигнин (4).

17. Лигниновая фракция для применения в качестве компонента в продукте, выбранном из группы, состоящей из активированного угля, углеродного волокна, лигнинового композиционного материала, связующего материала, полимеров, смол, фенольного компонента, диспергирующего вещества, сырья, пищи или их сочетания, или в качестве адсорбента для нефти, углеводородной композиции или тяжелых металлов, где лигниновая фракция была образована способом по любому из пп. 1–11 и где лигниновая фракция содержит более 80% лигнина и менее 20% глюкана.

18. Фракция лигноцеллюлозы для применения в качестве компонента в продукте, выбранном из группы, состоящей из композиционных материалов, древесных композиционных материалов, композиционных материалов из лигнина и древесины, древесно-пластиковых композиционных материалов, смол, материалов на основе древесины, наполнителей на основе древесины, строительных материалов, строительных досок, клееных досок и/или других досок на основе древесины, или в качестве горючего вещества, или в качестве сырья при производстве микрокристаллической целлюлозы, нанокристаллической целлюлозы или нановолокнистой целлюлозы, где фракция лигноцеллюлозы была образована способом по любому из пп. 1–11 и где фракция лигноцеллюлозы содержит 40–90% глюкана и 10–60% лигнина.