ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к способу и установке для обработки растительного сырья посредством ферментативного гидролиза. Кроме того, изобретение относится к фракции, содержащей растворимые углеводы, и ее применению. Изобретение также относится к фракции лигнина и ее применению.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известны различные способы образования углеводов и лигнина из различного сырья, например, биомассы. Многие способы биоочистки, например, гидролиз, генерируют лигнин и сахара после переработки биомассы.
ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения состоит в раскрытии нового способа получения фракции лигнина и фракции, содержащей растворимые углеводы. Еще одна задача изобретения состоит в получении фракции чистого лигнина. Еще одна задача изобретения состоит в эффективном получении фракции лигнина и фракции, содержащей растворимые углеводы. Еще одна задача изобретения состоит в усовершенствовании способа ферментативного гидролиза.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Признаки способа обработки растительного сырья посредством ферментативного гидролиза в соответствии с настоящим изобретением представлены в пункте 1 формулы изобретения.
Признаки установки для обработки растительного сырья посредством ферментативного гидролиза в соответствии с настоящим изобретением представлены в пункте 17 формулы изобретения.
Признаки фракции, содержащей растворимые углеводы, в соответствии с настоящим изобретением представлены в пункте 23 формулы изобретения.
Признаки фракции лигнина в соответствии с настоящим изобретением представлены в пункте 24 формулы изобретения.
Признаки материала на основе лигнина в соответствии с настоящим изобретением представлены в пункте 25 формулы изобретения.
Признаки жидкой фракции в соответствии с настоящим изобретением представлены в пункте 26 формулы изобретения.
Признаки твердой фракции в соответствии с настоящим изобретением представлены в пункте 27 формулы изобретения.
Признаки применения фракции, содержащей растворимые углеводы, в соответствии с настоящим изобретением представлены в пункте 28 формулы изобретения.
Признаки применения фракции лигнина в соответствии с настоящим изобретением представлены в пункте 29 формулы изобретения.
Признаки применения материала на основе лигнина в соответствии с настоящим изобретением представлены в пункте 30 формулы изобретения.
Признаки применения жидкой фракции в соответствии с настоящим изобретением представлены в пункте 31 формулы изобретения.
Признаки применения твердой фракции в соответствии с настоящим изобретением представлены в пункте 32 формулы изобретения.
Признаки применения жидкой смеси в соответствии с настоящим изобретением представлены в пункте 33 формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, которые включены для обеспечения более полного понимания изобретения и составляют часть описания, иллюстрируют некоторые воплощения изобретения и совместно с описанием помогают объяснить принципы изобретения. На чертежах:
на Фиг. 1 приведена диаграмма способа по одному воплощению настоящего изобретения,
на Фиг. 2 приведена диаграмма способа по другому воплощению настоящего изобретения,
на Фиг. 3 приведена диаграмма способа по другому воплощению настоящего изобретения,
на Фиг. 4 приведена диаграмма способа по другому воплощению настоящего изобретения, и
на Фиг. 5 показаны результаты измерения вязкости лигноцеллюлозного материала согласно одному воплощению способа настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В способе обработки растительного сырья (1) посредством ферментативного гидролиза (4) растительное сырье (1) обрабатывают с образованием лигноцеллюлозного материала (3а, 3b), причем лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его фракцию (10) передают на ферментативный гидролиз (4). Способ включает по меньшей мере одну стадию обработки (2а, 2b, 2с), на которой растительное сырье (1) обрабатывают так, что лигноцеллюлозный материал (3а, 3b) содержит более 80% тонкодисперсных твердых частиц, которые являются волокнистыми или не поддающимися определению частицами меньше 0,2 мм, по результатам измерений с помощью оптического измерительного устройства, например, Metso FS5, при этом лигноцеллюлозный материал (3а, 3b) или по меньшей мере одну фракцию (10) лигноцеллюлозного материала подают на ферментативный гидролиз (4) для образования материала (5) на основе лигнина. Дополнительно способ включает по меньшей мере одну стадию жидкость-твердофазного разделения (6) после ферментативного гидролиза (4), на которую подают материал (5) на основе лигнина и на которой разделяют фракцию (7) лигнина и фракцию (8), содержащую растворимые углеводы.
Одно воплощение способа по настоящему изобретению показано на Фиг. 1. Другое воплощение способа по настоящему изобретению показано на Фиг. 2. Еще одно воплощение способа по настоящему изобретению показано на Фиг. 3. Еще одно воплощение способа по настоящему изобретению показано на Фиг. 4.
Установка включает по меньшей мере одно устройство для обработки (2а, 2b, 2с), в котором обрабатывают растительное сырье (1) для образования лигноцеллюлозного материала (3a, 3b), так что лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) содержит более 80% тонкодисперсных твердых частиц, которые являются волокнистыми или не поддающимися определению частицами меньше 0,2 мм, по результатам измерений с помощью оптического измерительного устройства, например, с помощью Metso FS5, по меньшей мере одно устройство ферментативного гидролиза (4), в котором материал (5) на основе лигнина образуется из лигноцеллюлозного материала (3a, 3b) или по меньшей мере одной фракции (10) лигноцеллюлозного материала, по меньшей мере одно устройство для жидкость-твердофазного разделения (6) после устройства для ферментативного гидролиза, в котором фракцию (7) лигнина и фракцию (8), содержащую растворимые углеводы, отделяют от материала (5) на основе лигнина, и по меньшей мере одно подающее устройство для подачи растительного сырья (1) в устройство для обработки. Питающее устройство может быть любым, например, насосом, шнеком, средством ввода или другим подающим устройством. Кроме того, устройство может содержать средство, например, средство разгрузки или средство выгрузки, например, трубу, фитинг или патрубок в сборе, для выпуска фракции, содержащей растворимые углеводы, и фракции лигнина из устройства.
В этой связи, ферментативный гидролиз означает любой ферментативный гидролиз. В одном воплощении ферментативный гидролиз представляет собой ферментативный гидролиз целлюлозы.
В данной заявке фракция (8), содержащая растворимые углеводы, означает любой фильтрат, содержащий растворимые углеводы, который отделяют от материала (5) на основе лигнина на стадии жидкость-твердофазного разделения (6) после ферментативного гидролиза. В предпочтительном воплощении, фракция, содержащая растворимые углеводы, включает углеводы, предпочтительно С6 сахара (C6H12O6 или (С6(H2O)n). Фракция, содержащая растворимые углеводы, может содержать углеводы, такие как моносахариды (C6H12O6 или C5H10O5), дисахариды (С12Н22О11), олигосахариды и/или полисахариды ((C6H10O5)n или (C5H8O4)n). Предпочтительно, фракция, содержащая растворимые углеводы, содержит растворимые C6 углеводы (C6H12O6 или C6(H2O)n) и другие растворимые углеводы. Фракция, содержащая растворимые углеводы, может содержать также другие компоненты.
В данной заявке фракция (7) лигнина означает твердый остаток, например, твердый кек, который получают при отделении фильтрата, содержащего растворимые углеводы, от материала (5) на основе лигнина на стадии жидкость-твердофазного разделения (6) после ферментативного гидролиза. В предпочтительном воплощении фракция лигнина содержит лигнин и углеводы, предпочтительно твердые С6 углеводы (C6H12O6 или С6(H2O)n). Фракция лигнина может также содержать другие углеводы и другие компоненты. Предпочтительно, фракция лигнина находится в твердой форме.
В данной заявке материал (5) на основе лигнина означает любую содержащую лигнин композицию, которая может находиться в форме суспензии. Материал на основе лигнина содержит растворимые соединения, твердый материал и жидкость, например, воду. В одном воплощении материал на основе лигнина содержит по меньшей мере растворимые углеводы и лигнин. В одном воплощении материал на основе лигнина может также содержать другие твердые углеводы и/или другие компоненты. В одном воплощении материал на основе лигнина можно перекачивать насосом. В одном воплощении материал на основе лигнина содержит свободную жидкость, такую как свободная вода. Предпочтительно, материал на основе лигнина образовался из лигноцеллюлозного материала (3a, 3b), в одном воплощении из твердой фракции (10) лигноцеллюлозного материала (3a, 3b). В одном воплощении материал на основе лигнина представляет собой неочищенную суспензию лигнина.
В данной заявке растительное сырье (1) означает любое растительное сырье, например, сырье на основе древесины и/или материал на основе других растений. Растительное сырье содержит лигнин, целлюлозу и гем и целлюлозу. В одном воплощении растительное сырье выбирают из группы, состоящей из материала на основе древесины, древесины, лигноцеллюлозной биомассы, отходов сельхозпроизводства, материала на основе багассы, жмыха сахарного тростника, материала на основе кукурузы, кукурузной соломы, пшеничной соломы, стеблей риса, древесной биомассы, древесных многолетников, сосудистых растений и т.п., а также их смесей и сочетаний. В одном воплощении растительное сырье содержит материал на основе древесины или смесь, содержащую материал на основе древесины. В одном воплощении растительное сырье представляет собой материал на основе древесины или смесь, содержащую материал на основе древесины. В одном воплощении материал на основе древесины выбирают из древесины твердых пород, древесины мягких пород или их сочетания. В одном воплощении растительное сырье содержит куски растительного сырья, например, куски древесины.
В данной заявке лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) относится к любому лигноцеллюлозному материалу, который образовался путем обработки, например, предобработки, из растительного сырья с помощью по меньшей мере одного подходящего способа обработки за одну или более стадий. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал содержит углеводы и лигнин. Предпочтительно, углеводы содержат Cn(H2O)n или Cn(H2O)n-1. Углеводы могут содержать моносахариды (C6H12O6 или C5H10O5), дисахариды (C12H22O11), олигос-ахариды и/или полисахариды ((C6H10O5)n или (C5H8O4)n). Предпочтительно, лигноцеллюлозный материал включает углеводы, такие как растворимые С5 углеводы (С5Н10О5 или С5(H2O)n) и твердые С6 углеводы (C6H12O6 или С6(H2O)n). Лигноцеллюлозный материал может содержать один или более компонентов лигноцеллюлозного материала. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал находится в форме суспензии, которая содержит жидкость, такую как вода.
Лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) получают из растительного сырья (1) и обрабатывают на стадии обработки, предпочтительно на одной или более стадий обработки (2а, 2b, 2с). В одном воплощении стадия обработки включает по меньшей мере одну стадию предобработки (2а, 2b), которую выбирают из группы, состоящей из физической обработки, например, размола, экструзии, микроволновой обработки, обработки ультразвуком и обработки вымораживанием, химической обработки, например, кислотной обработки, щелочной обработки, обработки ионной жидкостью, органосольвентной обработки и озоноли-за, физикохимической обработки, например, обработки паровым взрывом, обработки аммиачный взрывом волокон, обработки CO2 взрывом, обработки горячей жидкой водой и окисления во влажной среде, биологической обработки и их комбинаций. Предпочтительно, растительное сырье обрабатывают для растворения гемицеллюлозы. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал получают или обрабатывают посредством гидролиза, например, кислотного гидролиза, автогидролиза, термического гидролиза, ферментативного гидролиза, гидролиза в сверхкритических условиях и/или гидролиза в субкритических условиях, в которых по меньшей мере часть лигнина выделяют из сырья с помощью гидролиза. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал получают или обрабатывают с помощью обработки паровым взрывом, в котором обрабатывают гемицеллюлозы и в котором по меньшей мере часть полисахаридов гемицеллюлоз разлагается на моносахариды и олигосахариды посредством гидролиза и в которых давление сбрасывают быстро. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал получают или обрабатывают посредством гидролиза и обработки паровым взрывом в одну или более стадий. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал получают или обрабатывают путем каталитической предобработки, например, при использовании кислоты или основания в качестве катализатора. В процессе предобработки растительное сырье поступает в реакторный блок, где происходит предобработка. Лигноцеллюлозный материал можно обрабатывать с помощью одной или более предобработок. В одном воплощении обработанный лигноцеллюлозный материал может быть продут в сцежу. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал может быть обезвожен, например, с помощью прессов для обезвоживания в две стадии. Обезвоживание позволяет отделить потоки на основе сахаров.
В одном воплощении растительное сырье (1) обрабатывают с помощью обработки паровым взрывом на стадии предобработки (2а, 2b). В одном воплощении растительное сырье (1) обрабатывают с помощью обработки паровым взрывом в присутствии химиката на стадии предобработки. В одном воплощении химикат является нещелочным агентом. В одном воплощении химикат является кислотой. В одном воплощении химикат является разбавленной кислотой, например, H2SO4. В одном воплощении химикат представляет собой H2SO4. В одном воплощении химикат может быть любой разбавленной кислотой. В одном воплощении рН разбавленной кислоты находится в области 1,5-2,5. В одном воплощении температура обработки паровым взрывом составляет ниже 180°С, если воду используют в качестве единственного растворителя. В одном воплощении температура обработки паровым взрывом находится в диапазоне 170-210°С, если воду используют в качестве единственного растворителя. В одном воплощении температура обработки паровым взрывом составляет 130°С или выше 130°С, если этанол используют в качестве единственного растворителя. В одном воплощении давление при обработке паровым взрывом зависит от температуры. В одном воплощении давление обработки паровым взрывом находится в диапазоне 0,8-2,0 МПа (8-20 бар), особенно если воду используют в качестве единственного растворителя. В одном воплощении рН при обработке паровым взрывом находится в области 1-4, в одном воплощении 1-3, в одном воплощении 1-2. В одном воплощении рН гидролиза при обработке паровым взрывом находится в области 1-4, в одном воплощении 1-3, в одном воплощении 1-2. В одном воплощении установка содержит средство для обработки паровым взрывом. С помощью обработки разбавленной кислотой и обработки паровым взрывом большинство полисахаридов гемицеллюлоз разлагается до моносахаридов и частично до олигосахаридов, при этом почти вся гемицеллюлоза может быть гидролизована при малой продолжительности выдержки в обычных условиях.
В одном воплощении растительное сырье (1) обрабатывают с помощью гидролиза и механической обработки на стадиях предобработки (2а, 2b).
В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3а) обрабатывают с помощью вымачивания (2с) после стадии предобработки (2а, 2b). В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3а) разбавляют для вымачивания (2с), например, до и/или во время вымачивания. В одном воплощении содержание сухого вещества лигноцеллюлозного материала (3а) регулируют для вымачивания, например, до и/или во время вымачивания, так что лигноцеллюлозный материал содержит свыше 40% (масс.) жидкости, в одном воплощении свыше 50% (масс.) жидкости, в одном воплощении свыше 60% (масс.) жидкости, и в одном воплощении свыше 70% (масс.) жидкости. В одном воплощении температура вымачивания находится в диапазоне 20-100°С, в одном воплощении 20-90°С, в одном воплощении 50-90°С, в одном воплощении 50-80°С. В одном воплощении время выдержки составляет менее 72 часов, в одном воплощении менее 24 часов. В одном воплощении время выдержки составляет менее 12 часов, в одном воплощении менее 6 часов, в одном воплощении менее 3 часов и в одном воплощении менее 2 часов. В одном воплощении время выдержки превышает 15 мин, в одном воплощении превышает 30 мин, и в одном воплощении превышает 45 мин. В одном воплощении установка содержит устройство для вымачивания. С помощью вымачивания можно достичь хорошего извлечения гемицеллюлозы.
В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его твердая фракция (10), предпочтительно материал, который подают в ферментативный гидролиз (4), состоит из тонкоизмельченных твердых частиц. Размер частиц лигноцеллюлозного материала или его твердой фракции можно определить с помощью оптического измерительного устройства, например, Metso FS5 или Coulter LS230. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его твердая фракция (10) содержит свыше 85%, в одном воплощении свыше 90%, в одном воплощении свыше 92% и в одном воплощении свыше 94%, тонкоизмельченных твердых частиц, по результатам измерений с помощью оптического измерительного устройства, например, Metso FS5. Тонкоизмельченные твердые частицы могут быть волокнистыми или не поддающимися определению частицами размером менее 0,2 мм. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его твердая фракция (10) содержит тонкоизмельченные твердые частицы, размер более чем 85% которых, в одном воплощении более чем 90%, в одном воплощении более чем 92% и в одном воплощении более чем 94%, составляет меньше 0,2 мм, по результатам определения с помощью Metso FS5. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его твердая фракция (10) содержит тонкоизмельченные твердые частицы, размер которых является достаточно малым для того, чтобы они проходили через грохот Bauer McNett с размером отверстий 200 меш. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его твердая фракция (10) содержит тонкоизмельченные твердые частицы, наиболее часто встречающийся размер, мода, которых находится в диапазоне 18-300 мкм, по результатам определения с помощью Coulter LS230. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его твердая фракция (10) содержит тонкоизмельченные твердые частицы, мода размера частиц которых по результатам определения с помощью Coulter LS находится в диапазоне 19-200 мкм, в одном воплощении 20-150 мкм, в одном воплощении 20-120 мкм и в одном воплощении 21-75 мкм, по результатам определения с помощью Coulter LS230. Величины размера частиц зависят от способа и, следовательно, величины, полученные с помощью Metso FS5, и Coulter LS230, и Bauer McNett нельзя сравнивать напрямую. Размер твердых частиц можно определять в соответствии с ISO 16065-N или TAPPI Т271. Процесс предобработки уменьшает размер частиц и длину волокон исходного древесного волокна, которое можно определить при отделении волокон путем гидротермической обработки древесины, например, в процессе сульфатной варки или размягчения. Сульфатная варка дает длину волокон, которая составляет около 80% таковой после размягчения.
В одном воплощении вязкость лигноцеллюлозного материала (3a, 3b) или его фракции (10), предпочтительно материала, который подают в ферментативный гидролиз (4), составляет менее 18000 мПа⋅с, в одном воплощении менее 13000 мПа⋅с, в одном воплощении менее 10000 мПа⋅с и в одном воплощении менее 8000 мПа⋅с, при содержании сухого вещества 15%, по результатам измерений с помощью вискозиметра Брукфильда при 45°С и 10 об/мин с типом насадки "Vane". В данной заявке в процессе измерений вязкости лигноцеллюлозный материал или его фракция содержит менее 20% (масс.) растворимого вещества. При подходящей вязкости можно усовершенствовать разделение и ферментативный гидролиз.
В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его твердая фракция (10) содержит свыше 80% тонкоизмельченных твердых частиц, которые являются волокнистыми или не поддающимися определению частицами, размер которых меньше 0,2 мм, по результатам измерений с помощью оптического измерительного устройства, например, с помощью Metso FS5, и вязкость лигноцеллюлозного материала (3a, 3b) или его фракции (10) составляет меньше 18000 мПа⋅с при содержании сухого вещества 15%, по результатам измерений с помощью вискозиметра Брукфильда при 45°С и 10 об/мин с типом насадки "Vane". В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его твердая фракция (10) содержит тонкоизмельченные твердые частицы, мода размера частиц которых находится в диапазоне 18-300 мкм, по результатам измерений с помощью Coulter LS230, и вязкость лигноцеллюлозного материала (3a, 3b) или его фракции (10) составляет менее 18000 мПа⋅с при содержании сухого вещества 15%, по результатам измерений с помощью вискозиметра Брукфильда при 45°С и 10 об/мин с типом насадки "Vane". В одном воплощении вязкость лигноцеллюлозного материала (3a, 3b) или его фракции (10) составляет менее 18000 мПа⋅с, в одном воплощении менее 13000 мПа⋅с, в одном воплощении менее 10000 мПа⋅с и в одном воплощении менее 8000 мПа⋅с, при содержании сухого вещества 15%, по результатам измерений с помощью вискозиметра Брукфильда при 45°С и 10 об/мин с типом насадки "Vane". В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его твердая фракция (10) содержит свыше 85%, в одном воплощении свыше 90%, в одном воплощении свыше 92%, и в одном воплощении свыше 94%, тонкоизмельченных твердых частиц, которые являются волокнистыми или не поддающимися определению частицами, размер которых меньше 0,2 мм, по результатам измерений с помощью Metso FS5. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его твердая фракция (10) содержит тонкоизмельченные твердые частицы, моде размера частиц которых находится в диапазоне 19-200 мкм, в одном воплощении 20-150 мкм, в одном воплощении 20-120 мкм и в одном воплощении 21-75 мкм, по результатам измерений с помощью Coulter LS230.
В одном воплощении после предобработки (2, 2b) и/или вымачивания (2с) содержание сухого вещества лигноцеллюлозного материала (3a, 3b) составляет 20-80% (масс.), в одном воплощении 30-70% (масс.), в одном воплощении 50-60% (масс.). Содержание сухого вещества определяют при 45°С путем упаривания. Когда определение содержания сухого вещества проводят при температуре 45°С, то низкомолекулярные органические соединения также остаются в массе во время сушки перед измерением. В одном воплощении определение содержания сухого вещества можно осуществить по меньшей мере частично или в той части, где применимо, на основании методики NREL (Национальной лаборатории по возобновляемой энергии) по стандартному определению биомассы, описанной в Техническом отчете NREL/TR-510-48087 (с изменениями от июля 2011).
В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) разбавляют жидкостью, предпочтительно водой или фильтратом со стадии разделения, или паром для образования загрузки на стадию разделения (9) или ферментативного гидролиза (4). В одном воплощении подаваемая концентрация лигноцеллюлозного материала (3a, 3b) составляет 2-60% (масс.), в одном воплощении 5-30% (масс.), в одном воплощении 10-20% (масс.). Если подаваемая концентрация лигноцеллюлозного материала меньше, то тогда увеличивают размер устройства, например, на стадии разделения (9).
В одном воплощении рН регулируют перед ферментативным гидролизом (4). В одном воплощении рН находится в диапазоне 4,0-6,0. Предпочтительно, величина рН зависит от фермента.
В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) передают на стадию жидкость-твердофазного разделения (9), на которой жидкая фракция (11) и твердая фракция (10) отделяются перед ферментативным гидролизом, причем твердую фракцию (10), в одном воплощении по меньшей мере часть твердой фракции (10), перемещают на стадию ферментативного гидролиза (4). Установка содержит по меньшей мере одно устройство для жидкость-твердофазного разделения для разделения жидкой фракции (11) и твердой фракции (10). В одном воплощении промывочный фильтрат или жидкую фракцию или часть жидкой фракции со стадии разделения (9) возвращают рециклом в лигноцеллюлозный материал (3а) для вымачивания (2с), например, до и/или во время вымачивания, и/или в лигноцеллюлозный материал (3b) перед стадией жидкость-твердофазного разделения (9) для разбавления лигноцеллюлозного материала.
Стадию разделения (9) перед ферментативным гидролизом можно проводить с помощью похожего способа или устройства разделения, которое используют на стадии разделения (6) после ферментативного гидролиза, или с помощью другого способа или устройства разделения.
В данной заявке жидкая фракция (11) означает любую жидкую фракцию, которую отделяют от лигноцеллюлозного материала (3a, 3b) на любой стадии жидкость-твердофазного разделения (9) перед ферментативным гидролизом. В предпочтительном воплощении жидкая фракция включает углеводы, предпочтительно С5 сахара (C5H10O5 или (С5(H2O)n). Жидкая фракция может содержать углеводы, например, моносахариды (C6H12O6 или C5H10O5), дисахариды (С12Н22О11), олигосахариды и/или полисахариды ((C6H10O5)n или (C5H8O4)n). Предпочтительно, жидкая фракция содержит растворимые С5 углеводы (С5Н10О5 или С5(H2O)n) и другие углеводы. Жидкая фракция может содержать также другие компоненты.
В данной заявке твердая фракция (10) означает любую твердую фракцию, которую отделяют от лигноцеллюлозного материала (3a, 3b) на любой стадии жидкость-твердофазного разделения (9) перед ферментативным гидролизом. В предпочтительном воплощении твердая фракция содержит углеводы, и предпочтительно твердые С6 углеводы (C6H12O6 или С6(H2O)n), и лигнин. Твердая фракция может также содержать другие углеводы и другие компоненты.
Стадия жидкость-твердофазного разделения (6,9) может включать одну или более стадий разделения. В одном воплощении жидкость-твердофазное разделение проводят в одну или более стадий разделения на стадии разделения. В одном воплощении стадия жидкость-твердофазного разделения содержит более одной последовательных стадий разделения. В одном воплощении стадия жидкость-твердофазного разделения включает различные методики, которые могут быть выполнены на отдельных стадиях разделения. Альтернативно, более одной методики выполняют на одной стадии способа.
В одном воплощении способ включает более одной стадии разделения (6, 9). В одном воплощении способ включает более одной последовательной стадии разделения. В одном воплощении установка содержит более одного устройства для разделения. В одном воплощении стадия жидкость-твердофазного разделения содержит по меньшей мере одно устройство для разделения. В одном воплощении стадия жидкость-твердофазного разделения содержит более одного устройства для разделения. В одном воплощении одну или более стадий разделения можно проводить в одном и том же устройстве для разделения. В одном воплощении устройство для разделения включает одну или более стадий разделения, например, участков разделения.
В одном воплощении в основу устройства для разделения положена противоточная промывка. В одном воплощении устройство для разделения выбирают из группы, состоящей из устройства для фильтрования, центрифужного устройства и их комбинаций. В одном воплощении устройство для разделения выбирают из группы, состоящей из устройства для фильтрования под давлением, вакуумного устройства для фильтрования, устройства для фильтрования при пониженном давлении, устройства для фильтрования при повышенном давлении, фильтр-пресса, другого подходящего пресса, центрифужного устройства и их комбинаций. В одном воплощении устройство для разделения является устройством для фильтрования под давлением, вакуумным устройством для фильтрования, устройством для фильтрования при пониженном давлении или устройством для фильтрования при повышенном давлении. Альтернативно, устройство для разделения может быть другим устройством для промывки, в котором используют небольшое количество промывной воды и промывку осуществляют при высоком содержании сухого вещества. Тогда может быть достигнуто хорошее извлечение.
В одном воплощении разделение основано на фильтровании, центрифужной обработке или их комбинации. В одном воплощении фильтрование проводят под давлением, при пониженном давлении или при повышенном давлении.
В одном воплощении стадия (6, 9) жидкость-твердофазного разделения включает фильтрование, в котором фракцию, содержащую растворимые углеводы, или жидкую фракцию отделяют в жидком состоянии, при этом образуется твердый кек. Предпочтительно, в фильтровании используют давление. В одном воплощении жидкость отделяют при разности давления, например, с помощью вакуума или повышенного давления. В одном воплощении стадия жидкость-твердофазного разделения включает промывку, в которой вытеснительную промывку лигноцеллюлозного материала проводят с небольшим количеством чистой воды для удаления большей части сахаров, ингибиторов и других растворимых соединений из твердого лигноцеллюлозного материала и для достижения высокого извлечения растворимых соединений. Предпочтительно, соотношение промывной воды к твердым веществам составляет меньше 6, предпочтительно меньше 3 и более предпочтительно меньше 1,5. В одном воплощении стадия жидкость-твердофазного разделения включает фильтрование и промывку. В одном воплощении фильтрование и промывку проводят в статичной камере, предпочтительно в неподвижной камере. В одном воплощении фильтрование и промывку проводят в одном устройстве под давлением без перемешивания между фильтрованием и промывкой. Предпочтительно, указанное устройство для разделения, включающее фильтрование и промывку, находится в вертикальной или горизонтальной плоскости, не в наклонной плоскости. Высокая концентрация и извлечение растворимого материала в жидкой фазе могут быть достигнуты с небольшим количеством чистой воды, и можно получить твердую фракцию без растворимых соединений.
В одном воплощении разделение проводят путем фильтрования под давлением. В одном воплощении установка содержит по меньшей мере одно устройство для фильтрования под давлением в качестве устройства для жидкость-твердофазного разделения. В одном воплощении стадия жидкость-твердофазного разделения включает одно устройство для фильтрования под давлением. В одном воплощении стадия жидкость-твердофазного разделения включает более одного устройства для фильтрования под давлением. В предпочтительном воплощении промывка в устройстве для фильтрования под давлением основана на вытеснении жидкости. В одном воплощении фильтрование под давлением включает стадию перекачивания насосом, отжим, стадию промывки, отжим и удаление кека. На стадии перекачивания насосом образуется и отжимается твердый кек. Предпочтительно, на стадии перекачивания насосом заполняют камеру устройства для фильтрования под давлением и проводят предварительный отжим. В одном воплощении наддув воздухом проводят после стадии перекачивания насосом или после стадии первого отжима для дальнейшего удаления жидкости из кека. Предпочтительно, фракцию, содержащую растворимые углеводы, или жидкую фракцию отделяют на стадии перекачивания насосом. На стадии промывки промывную воду пропускают через кек, а кек отжимают и предпочтительно обезвоживают. На стадии промывки жидкость из кека может быть вытеснена водой. В одном воплощении на стадии промывки проводят наддув воздуха для дальнейшего удаления жидкости из кека. Промывной фильтрат отделяют путем отжима на стадии промывки. Обезвоженный твердый кек извлекают из устройства для фильтрования под давлением. Предпочтительно, обезвоженный твердый кек образует твердую фракцию или фракцию лигнина. Преимущество фильтрования под давлением состоит в том, что все стадии разделения можно проводить в одном устройстве.
На различных стадиях разделения разделение можно проводить с помощью аналогичных или отличающихся способов разделения или устройств для разделения.
В одном воплощении материал на основе лигнина разбавляют жидкостью, предпочтительно водой или паром с образованием загрузки для стадии разделения (6). В одном воплощении подаваемая концентрация материала на основе лигнина (5) на стадию жидкость-твердофазного разделения (6) составляет 2-60% (масс.), предпочтительно 5-40% (масс.), более предпочтительно 10-30% (масс.). Если подаваемая концентрация материала на основе лигнина низкая, то тогда увеличивают размер устройства. В одном воплощении извлекаемый промывной фильтрат может быть использован для разбавления материала на основе лигнина.
В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его фракция (10) или материал (5) на основе лигнина подают с помощью насоса, например, одновинтового насоса или поршневого насоса или другого подходящего насоса, или другого подходящего питающего устройства на стадии жидкость-твердофазного разделения (9,6). Выбор насоса или питающего устройства зависит, например, от подаваемой концентрации и/или вязкости лигноцеллюлозного материала или материала на основе лигнина.
Предпочтительно, по меньшей мере часть фракции (8), содержащей растворимые углеводы, выводят со стадии разделения (6) после ферментативного гидролиза. Фракцию, содержащую растворимые углеводы, можно выводить после любой желательной стадии этапа разделения. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, выводят после одной или более стадий этапа разделения. Фракции, содержащие растворимые углеводы, можно объединять или использовать отдельно в качестве компонента.
Предпочтительно, фракцию (7) лигнина, содержащую твердые вещества, выводят со стадии жидкость-твердофазного разделения (6) после ферментативного гидролиза. В одном воплощении фракцию лигнина выводят после одной или более стадии этапа разделения, предпочтительно в одну стадию. В одном воплощении фракцию лигнина выводят после последней стадии.
В одном воплощении по меньшей мере часть жидкой фракции (11) выводят со стадии разделения (9) перед ферментативным гидролизом. Жидкую фракцию можно выводить после желательной стадии этапа разделения. В одном воплощении жидкую фракцию выводят после одной или более стадий этапа разделения. Жидкие фракции могут быть объединены или использоваться отдельно в качестве компонента. В одном воплощении часть жидкой фракции отделяют от лигноцеллюлозного материала (3a, 3b) на стадии обработки (2а, 2b, 2с), на которой получают и/или обрабатывают лигноцеллюлозный материал. В одном воплощении по меньшей мере часть жидкой фракции (11) возвращают рециклом в лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) перед стадией разделения (9) или вымачивания (2с), например, до и/или во время вымачивание. С помощью возврата рециклом можно уменьшить количество свежей воды.
В одном воплощении твердую фракцию (10), содержащую твердые вещества, выводят со стадии жидкость-твердофазного разделения (9) и подают на ферментативный гидролиз (4). В одном воплощении твердая фракция содержит С6 углеводы, например, (C6H12O6 или (С6(H2O)n), другие твердые углеводы и лигнин, а также некоторые другие соединения, например, часть оставшегося растворимого материала. В одном воплощении твердая фракция находится в форме кека. В одном воплощении содержание сухого вещества в кеке составляет 30-70% (масс.), предпочтительно 35-60% (масс.), более предпочтительно 50-60% (масс.), после этапа жидкость-твердофазного разделения (9). В одном воплощении содержание сухого вещества в кеке составляет 7-70% (масс.), предпочтительно 15-45% (масс.), более предпочтительно 25-35% (масс.), после этапа жидкость-твердофазного разделения (9). В одном воплощении твердая фракция содержит меньше 20% растворимых соединений, предпочтительно меньше 15%, более предпочтительно меньше 6% (масс.), наиболее предпочтительно меньше 3% (масс.), после этапа жидкость-твердофазного разделения (9), по результатам способа гравиметрической промывки.
В одном воплощении фракцию (8), содержащую растворимые углеводы, получают из материала (5) на основе лигнина. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, можно использовать в качестве компонента при производстве конечного продукта или можно обработать или концентрировать. В одном воплощении фракция (8), содержащая растворимые углеводы, содержит растворимые С6 углеводы, такие как C6H12O6 или (С6(H2O)n, и другие растворимые углеводы, лигнин и некоторые другие соединения. Фракция, содержащая растворимые углеводы, может также содержать С5 углеводы. Предпочтительно, фракция, содержащая растворимые углеводы, может содержать моносахариды и олигосахариды. Кроме того, фракция, содержащая растворимые углеводы, может содержать также полисахариды. В одном воплощении фракция, содержащая растворимые углеводы, содержит галактозу, глюкозу, маннозу, арабинозу, ксилозу, глюкуроновую кислоту и галактуроновую кислоту. В одном воплощении фракция, содержащая растворимые углеводы, содержит глюкозы больше, чем ксилозы. Общее содержание углеводов можно определять с помощью ВЭЖХ (высокоэффективная жидкостная хроматография) после кислотного гидролиза в соответствии со стандартом SCAN-CM 71:09. Содержание мономерных углеводов можно определять с помощью ВЭЖХ из жидкой композиции напрямую без кислотного гидролиза. В одном воплощении общая концентрация растворимых веществ фракции, содержащей растворимые углеводы, составляет от 20 до 280 г/л, предпочтительно от 40 до 240 г/л, более предпочтительно от 55 до 210 г/л после жидкость-твердофазного разделения. В одном воплощении общая концентрация растворимых веществ фракции, содержащей растворимые углеводы, составляет от 10 до 210 г/л, предпочтительно от 20 до 180 г/л, более предпочтительно от 30 до 140 г/л после жидкость-твердофазного разделения (6). В одном воплощении общая концентрация растворимых веществ фракции, содержащей растворимые углеводы, составляет от 30 до 230 г/л, предпочтительно от 50 до 220 г/л, более предпочтительно от 100 до 210 г/л после жидкость-твердофазного разделения. Предпочтительно, фракция, содержащая растворимые углеводы, находится в форме раствора. В одном воплощении концентрация углеводов фракции (8), содержащей растворимые углеводы, составляет от 20 до 200 г/л, предпочтительно от 40 до 170 г/л, более предпочтительно от 50 до 150 г/л после жидкость-твердофазного разделения (6). В одном воплощении концентрация углеводов фракции, содержащей растворимые углеводы, составляет от 10 до 150 г/л, предпочтительно от 20 до 125 г/л, более предпочтительно от 30 до 100 г/л после жидкость-твердофазного разделения. В одном воплощении концентрация углеводов фракции, содержащей растворимые углеводы, составляет от 25 до 230 г/л, предпочтительно от 50 до 215 г/л, более предпочтительно от 100 до 200 г/л после жидкость-твердофазного разделения.
В одном воплощении фракцию (7) лигнина, содержащую твердые вещества, получают из материала (5) на основе лигнина. В одном воплощении фракцию лигнина можно использовать в качестве компонента при производстве конечного продукта или можно обрабатывать. В одном воплощении фракция (7) лигнина содержит лигнин и твердые С6 углеводы, такие как (C6H12O6 или (С6(H2O)n), другие твердые углеводы и другие твердые компоненты, и некоторые другие соединения, например, часть оставшегося растворимого материала. В одном воплощении фракция лигнина находится в форме кека. В одном воплощении содержание сухого вещества фракции лигнина составляет 20-80% (масс.). В одном воплощении содержание сухого вещества фракции лигнина составляет 30-60% (масс.), предпочтительно 40-60% (масс.), более предпочтительно 45-55% (масс.), после жидкость-твердофазного разделения (6). В одном воплощении содержание сухого вещества фракции лигнина составляет 7-70% (масс.), предпочтительно 15-45% (масс.), более предпочтительно 30-40% (масс.), после жидкость-твердофазного разделения (6). Содержание сухого вещества определяют при 60°С посредством упаривания. В одном воплощении определение содержания сухого вещества можно проводить по меньшей мере частично или в той части, к которой это относится, на основе методики NREL (Национальной лаборатории по возобновляемой энергии) для определения стандартной биомассы, указанной в Техническом отчете NREL/TR-510-48087 (с изменениями от июля 2011). В одном воплощении содержание целлюлозы, т.е. содержание глюкана, фракции (7) лигнина составляет 3-70% (масс.), предпочтительно 5-60% (масс.) и более предпочтительно 10-60% (масс.), в пересчете на глюкозу. В данной заявке, глюкан означает β-глюкан, такой как, β-1,4-глюкан, т.е. целлюлозу. В одном воплощении содержание углеводов фракции (7) лигнина составляет от 2 до 50% (масс.). В одном воплощении содержание углеводов составляет 10-30% (масс.) и более предпочтительно 15-25% (масс.). В одном воплощении содержание углеводов составляет 40-70% (масс.) и более предпочтительно 40-60% (масс.). В одном воплощении содержание углеводов составляет 5-80% (масс.) и более предпочтительно 40-70% (масс.). В одном воплощении фракция лигнина (7) содержит менее 20% (масс.), предпочтительно менее 15% (масс.), более предпочтительно менее 6% (масс.), наиболее предпочтительно менее 3% (масс.), растворимых веществ после жидкость-твердофазного разделения (6). В одном воплощении содержание водорастворимых веществ определяют методом гравиметрической промывки.
В одном воплощении жидкую фракцию (11) получают из лигноцеллюлозного материала (3a, 3b). В одном воплощении жидкую фракцию можно использовать в качестве компонента при производстве конечного продукта или можно обрабатывать или концентрировать. В одном воплощении жидкая фракция (11) содержит растворимые С5 углеводы. Жидкая фракция может также содержать С6 углеводы, предпочтительно в количестве менее 20% (масс.). Предпочтительно, жидкая фракция может содержать другие моносахариды, дисахариды, олигосахариды и/или полисахариды. В одном воплощении жидкая фракция содержит галактозу, глюкозу, маннозу, арабинозу, ксилозу, глюкуроновую кислоту и галактуроновую кислоту. В одном воплощении жидкая фракция содержит больше ксилозы, чем глюкозы. В одном воплощении жидкая фракция содержит глюкозы менее 20% (масс.), в одном воплощении менее 15% (масс.), менее 10% (масс.), от количества ксилозы. В одном воплощении жидкая фракция содержит менее 50% (масс.) глюкозы и более 50% (масс.) ксилозы, от количества глюкозы и ксилозы. В одном воплощении массовое соотношение глюкозы к ксилозе, глюкоза: ксилоза, составляет 1. В одном воплощении жидкая фракция содержит растворимые С5 углеводы, такие как С5Н10О5 или С5(H2O)n, и другие углеводы и некоторые другие соединения. Общее содержание углеводов можно определить с помощью ВЭЖХ после кислотного гидролиза в соответствии со стандартом SCAN-CM 71:09. Содержание мономерных углеводов можно определить с помощью ВЭЖХ напрямую из жидкой композиции без кислотного гидролиза. В одном воплощении концентрация растворимых углеводов жидкой фракции составляет более 50 г/л, предпочтительно более 70 г/л, более предпочтительно более 100 г/л после жидкость-твердофазного разделения (9). В одном воплощении концентрация растворимых углеводов жидкой фракции составляет менее 250 г/л, в одном воплощении менее 200 г/л, в одном воплощении менее 150 г/л после жидкость-твердофазного разделения. В одном воплощении концентрация растворимых углеводов жидкой фракции составляет от 15 до 280 г/л, предпочтительно от 30 до 200 г/л, более предпочтительно от 50 до 165 г/л после жидкость-твердофазного разделения. Предпочтительно, жидкая фракция находится в форме раствора. В одном воплощении содержание водорастворимых веществ составляет от 20 до 425 г/л, предпочтительно от 45 до 303 г/л, более предпочтительно от 75 до 250 г/л после жидкость-твердофазного разделения (9). Содержание водорастворимых веществ можно определить с помощью способа, описанного позже как "способ гравиметрической промывки".
В одном воплощении извлекают фракцию (8), содержащую растворимые углеводы. Фракцию, содержащую растворимые углеводы, можно использовать в качестве компонента при производстве конечного продукта. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, можно концентрировать для дальнейшего использования. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, подают в дальнейшую переработку. В одном воплощении мономеризацию фракции, содержащей растворимые углеводы, проводят перед дальнейшей обработкой. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, подают в процесс ферментации. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, используют в качестве исходного материала в ферментации. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, подают в процесс гидролиза. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, используют в качестве исходного материала в гидролизе, например, кислотном гидролизе или т.п.. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, подают в химическую обработку. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, используют в качестве исходного материала в химической обработке. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, подают в каталитическую обработку. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, используют в качестве исходного материала в каталитической обработке. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, подают в процесс полимеризации. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, используют в качестве исходного материала в процессе полимеризации. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, подают в процесс деполимеризации. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, используют в качестве исходного материала в процессе деполимеризации. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, подают в процесс деструкции. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, используют в качестве исходного материала в процессе деструкции. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, подают в ферментативную обработку. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, используют в качестве исходного материала в ферментативной обработке. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, подают в производство связующего. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, используют в качестве исходного материала в производстве связующего, например, связующего на основе древесины. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, подают в производство пищевых продуктов. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, используют в качестве исходного материала в производстве пищевых продуктов. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, подают в производство кормов. В одном воплощении фракцию, содержащую растворимые углеводы, используют в качестве исходного материала в производстве кормов. Фракцию, содержащую растворимые углеводы, можно непосредственно подавать в ферментацию, гидролиз, химическую обработку, каталитическую обработку, процесс полимеризации, процесс деполимеризации, процесс деструкции, ферментативную обработку, производство связующего, производство кормов, производство пищевых продуктов или другой процесс или их комбинации, или альтернативно через стадию подходящей обработки или дополнительную стадию, например, дополнительную стадию концентрирования и/или стадию очистки, в ферментацию, гидролиз, химическую обработку, каталитическую обработку, процесс полимеризации, процесс деполимеризации, процесс деструкции, ферментативную обработку, производство связующего, производство кормов, производство пищевых продуктов или другой процесс или их комбинации.
В одном воплощении извлекают фракцию лигнина (7), содержащую твердые вещества. Фракцию лигнина можно использовать в качестве компонента при производстве конечного продукта. В одном воплощении фракцию лигнина можно обрабатывать, например, очищать, для дальнейшего использования. В одном воплощении фракцию лигнина подают в дальнейшую обработку. В одном воплощении фракцию лигнина подают в гидролиз, который может быть выбран из группы, состоящей из кислотного гидролиза, гидролиза в сверхкритических условиях и/или гидролиза в субкритических условиях и их сочетаний, или в процесс полимеризации, или в процесс деполимеризации, или в процесс деструкции, или в химическую обработку, или в производство композитного материала, или в производство связующего, например, связующего на древесной основе, или в производство кормов, или в производство пищевых продуктов, или в процесс горения, или в другой подходящий процесс или их сочетания. Фракцию лигнина можно подавать непосредственно в гидролиз, процесс полимеризации, процесс деполимеризации, процесс деструкции, химическую обработку, производство композитного материала, производство связующего, производство кормов, производство пищевых продуктов, процесс горения или другой подходящий процесс или их сочетания, или, альтернативно, через стадию подходящей обработки или дополнительную стадию, например, стадию дополнительного концентрирования и/или стадию очистки, в гидролиз, процесс полимеризации, процесс деполимеризации, процесс деструкции, химическую обработку, производство композитного материала, производство связующего, производство кормов, производство пищевых продуктов, процесс горения или другой подходящий процесс или их сочетания.
В одном воплощении извлекают по меньшей мере часть материала (5) на основе лигнина, содержащего твердые вещества. Материал на основе лигнина можно использовать в качестве компонента при производстве конечного продукта. В одном воплощении материал на основе лигнина можно обрабатывать, например, очищать, для дальнейшего использования. В одном воплощении материал на основе лигнина подают на дальнейшую переработку. В одном воплощении материал на основе лигнина подают в гидролиз, который может быть выбран из группы, состоящей из кислотного гидролиза, гидролиза в сверхкритических условиях и/или гидролиза в субкритических условиях и их сочетаний, или в процесс полимеризации, или в процесс деполимеризации, или в процесс деструкции, или в химическую обработку, или в производство композитного материала, или в производство связующего, например, связующего на древесной основе, или в производство кормов, или в производство пищевых продуктов, или в процесс горения, или в другой подходящий процесс или их сочетания. Материал на основе лигнина можно подавать непосредственно в гидролиз, процесс полимеризации, процесс деполимеризации, процесс деструкции, химическую обработку, производство композитного материала, производство связующего, производство кормов, производство пищевых продуктов, процесс горения или другой подходящий процесс или их сочетания, или, альтернативно, через стадию подходящей обработки или дополнительную стадию, например, стадию дополнительного концентрирования и/или стадию очистки, в гидролиз, процесс полимеризации, процесс деполимеризации, процесс деструкции, химическую обработку, производство композитного материала, производство связующего, производство кормов, производство пищевых продуктов, процесс горения или в другой подходящий процесс или их сочетания.
В одном воплощении извлекают жидкую фракцию (11). Жидкую фракцию можно использовать в качестве компонента при производстве конечного продукта. В одном воплощении жидкую фракцию можно концентрировать для дальнейшего применения. В одном воплощении жидкую фракцию подают в дальнейшую переработку. Жидкую фракцию можно подавать непосредственно в ферментацию, гидролиз, химическую обработку, каталитическую обработку, процесс полимеризации, процесс деполимеризации, процесс деструкции, ферментативный процесс, производство связующего, производство кормов, производство пищевых продуктов или в другой подходящий процесс или их сочетания, или, альтернативно, через стадию подходящей обработки или дополнительную стадию, например, стадию дополнительного концентрирования и/или стадию очистки, в ферментацию, гидролиз, химическую обработку, каталитическую обработку, процесс полимеризации, процесс деполимеризации, процесс деструкции, ферментативный процесс, производство связующего, производство кормов, производство пищевых продуктов или в другой подходящий процесс или их сочетания.
В одном воплощении твердую фракцию (10) получают из лигноцеллюлозного материал (3a, 3b). В одном воплощении по меньшей мере часть твердой фракции может быть извлечена и использована в качестве компонента при производстве конечного продукта. В одном воплощении твердую фракцию подают в дальнейшую переработку. Твердую фракцию можно подавать непосредственно в гидролиз, процесс полимеризации, процесс деполимеризации, процесс деструкции, химическую обработку, производство композитного материала, производство связующего, процесс горения или в другой подходящий процесс или их комбинации, или, альтернативно, через стадию подходящей обработки или дополнительную стадию, например, стадию дополнительного концентрирования и/или стадию очистки, в гидролиз, процесс полимеризации, процесс деполимеризации, процесс деструкции, химическую обработку, производство композитного материала, производство связующего, процесс горения или в другой подходящий процесс или их сочетания.
В одном воплощении фракцию (8), содержащую растворимые углеводы, и жидкую фракцию (11) объединяют частично или полностью с образованием жидкой смеси. В одном воплощении жидкая смесь содержит 1-99% (масс.) фракции, содержащей растворимые углеводы, и 1-99% (масс.) жидкой фракции, от общей массы фракции, содержащей растворимые углеводы, и жидкой фракции. Жидкую смесь можно использовать в качестве компонента при производстве конечного продукта. В одном воплощении жидкую смесь можно концентрировать для дальнейшего использования. В одном воплощении жидкую смесь подают на дальнейшую обработку. Жидкую смесь можно подавать непосредственно в ферментацию, гидролиз, химическую обработку, каталитическую обработку, процесс полимеризации, процесс деполимеризации, процесс деструкции, ферментативную обработку, производство связующего, производство кормов, производство пищевых продуктов или в другой подходящий процесс или их сочетания, или, альтернативно, через стадию подходящей обработки или дополнительную стадию, например, стадию дополнительного концентрирования и/или стадию очистки, в ферментацию, гидролиз, химическую обработку, каталитическую обработку, процесс полимеризации, процесс деполимеризации, процесс деструкции, ферментативную обработку, производство связующего, производство кормов, производство пищевых продуктов или в другой подходящий процесс или их сочетания.
В одном воплощении содержание водорастворимых веществ определяют способом гравиметрической промывки. Определение способом гравиметрической промывки можно осуществить следующим образом: содержание сухого вещества (СВ%) сырьевого материала, например, твердой и растворимой фракции, определяют при 60°С, причем определяют количество твердых веществ, оставшихся после нагревания образца при 60°С до постоянной массы, а содержание сухого вещества вычисляют на основе масс влажного и сухого веществ. Для промывки берут около 10 г абсолютно сухого исследуемого влажного материала, взвешенное (точно взвешенное количество) и смешенное с горячей водой (50°С) в сосуде так, что общее количество составляет 200 г, смесь перемешивают 20 с (автоматический пищевой блендер Bamix Mono, нож 'С', скорость 1 (7000 оборотов/мин)), смесь вымачивают в течение времени вымачивания 5 мин, смесь перемешивают 10 с (автоматический пищевой блендер Bamix Mono, нож 'С', скорость 1 (7000 оборотов/мин)), определяют массу сухой фильтровальной бумаги, смесь отфильтровывают с помощью Buchner (диаметр 125 мм) и фильтровальной бумаги, обратный предохранительный клапан закрыт, когда кек является полностью матовым (сухим), отбирают фильтрат, а блендер и сосуд промывают фильтратом, фильтрат снова отфильтровывают через данный кек, причем кек трижды промывают горячей водой, около 100 г, так, что эффект всасывания поддерживают все время, а воду для промывки (100 г) добавляют, когда кек является полностью матовым (сухим), лодочку из фольги взвешивают, кек с фильтровальной бумагой высушивают в лодочке из фольги, высушенный кек (60°С) с фильтровальной бумагой взвешивают в лодочке из фольги и массу фильтровальной бумаги и лодочки из фольги вычитают из массы высушенного кека, фильтровальной бумаги и лодочки из фольги, и затем можно определить содержание свободного от растворимых веществ твердого вещества, т.е. нерастворимого в воде твердого вещества (НВВ) исследуемого влажного материала. Нерастворимые в воде твердые вещества, НВВ%, можно рассчитать: НВВ% = (масса промытого и высушенного материала, например, кека) / (масса водной суспензии для промывки, например, сырьевой материал). Водорастворимые вещества, РВ%, сухого вещества можно рассчитать: РВ% = (сухое вещество (СВ%) исходной суспензии, например, сырьевой материал) - (нерастворимые в воде твердые вещества, НВВ%).
В одном воплощении с высоким содержанием растворимого материала (25-50% полностью сухого растворимого вещества) сырьевого материала, фракция лигнина (7) или твердая фракция (10) содержит растворимых соединений меньше 20%, предпочтительно меньше 15%, более предпочтительно меньше 9%, наиболее предпочтительно меньше 5% по массе после жидкость-твердофазного разделения (6, 9), по данным способа гравиметрической промывки. В одном воплощении с более низким содержанием растворимого материала (меньше 25% полностью сухого растворимого вещества) сырьевого материала, фракция лигнина (7) или твердая фракция (10) содержит растворимых соединений меньше 9%, предпочтительно меньше 6%, более предпочтительно меньше 3% по массе после жидкость-твердофазного разделения (6,9), по данным способа гравиметрической промывки.
Размер частиц твердых частиц можно определить, например, с помощью оптического измерительного устройства, такого как Metso FS5 или Coulter LS230. В одном воплощении размер частиц твердых частиц можно определить в соответствии с ISO 16065-N или TAPPI Т271. Длину волокна твердых частиц можно определить в соответствии с ISO 16065-N, когда волокна определяют как материал длиннее 0,2 мм. Длину волокна твердых частиц можно определить в соответствии с TAPPI Т271, когда длина волокна составляет от 0,01 до 7,60 мм. Для Metso FS5 Lc означает профильную длину, т.е. продольную длину волокна, которая представляет собой длину волокна, измеренную по центральной линии волокон от одного конца до другого. Взвешенная длина Lc(l) означает взвешенную по длине длину волокна, которая представляет собой среднюю длину волокна, измеренную по распределению волокна, оцененного в соответствии со стандартами TAPPI Т271. Взвешенная по массе Lc(w) означает взвешенную по массе длину волокна, которая, аналогично, представляет собой среднюю длину волокна, измеренную по распределению волокна, оцененного в соответствии со стандартами TAPPI Т271. Арифметическая Lc(n) означает арифметическое среднее, которое вычисляют из генеральной совокупности распределения волокон. В результате средняя длина вычисляется из распределения по длине. F1(l)% означает взвешенное по длине распределение % (ширина > 10 мкм, длина < 0,2 мм). Ширину волокон измеряют как интегральное значение от середины волокна с учетом сужающихся концов.
В одном воплощении взвешенная по длине длина частиц Lc(l) составляет менее [(0,4) × (соответствующая длина волокна неочищенного волокна сульфатной пульпы)], в одном воплощении менее [(0,3) × (соответствующая длина волокна неочищенного волокна сульфатной пульпы)], в одном воплощении менее [(0,2) × (соответствующая длина волокна неочищенного волокна сульфатной пульпы)], в одном воплощении менее [(0,1) × (соответствующая длина волокна неочищенного волокна сульфатной пульпы)].
В одном воплощении ширина тонкоизмельченных частиц (фракция 0-0,2 мм) составляет менее [(0,7) × (соответствующая длина волокна неочищенного волокна сульфатной пульпы)], в одном воплощении менее [(0,6) × (соответствующая длина волокна неочищенного волокна сульфатной пульпы)], в одном воплощении менее [(0,5) × (соответствующая длина волокна неочищенного волокна сульфатной пульпы)], в одном воплощении менее [(0,4) × (соответствующая длина волокна неочищенного волокна сульфатной пульпы)].
В одном воплощении для определения размера твердых частиц в кеке требуется правильная подготовка образца для диспергирования отдельных частиц в воде. Для диспергирования берут около 10 г абсолютно сухого исследуемого влажного материала и смешивают с водой (порядка 20°С) в сосуде так, что общее количество составляет 200 г, смесь вымачивают в течение времени вымачивания 15 мин, и перемешивают смесь в течение 60 с (автоматический пищевой блендер Bamix Mono, нож 'С', скорость 1 (7000 оборотов/мин)). После этого материал готов для определения специфического состава. В одном воплощении для получения более надежной картины тонкоизмельченных частиц, короче 0,2 мм, измерение осуществляют с помощью оптического измерительного устройства, такого как Metso FS5, таким образом, что материал проходит детектор только один раз, поэтому он не циркулирует обратно в детектор. В одном воплощении количество измеренного сухого вещества за один проход составляет 1,6 г.
В одном воплощении тонкоизмельченные твердые частицы являются волокнистыми или не поддающимися определению частицами, самое длинное измерение которых короче 0,2 мм, по результатам измерений с помощью оптического устройства Metso FS5 (измерения и вычисления взвешенной длины Lc(l) фракции F1(l)). В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или твердая фракция (10) твердой древесины содержит более 70% (F1(l)>70%), предпочтительно более 80%, более предпочтительно более 90% и наиболее предпочтительно более 95% (масс.) частиц, самое длинное измерение которых короче 0,2 мм по результатам измерений с помощью Metso FS5 (единичный проход). В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или твердая фракция (10) древесины мягких пород содержит более 50% (F1(l)>50%), предпочтительно более 60%, более предпочтительно более 70% и наиболее предпочтительно более 80% (масс.) частиц, самое длинное измерение которых короче 0,2 мм по результатам измерений с помощью Metso FS5 (единичный проход). В одном воплощении фракция лигнина (7) содержит более 70% (FI(l)>70%), предпочтительно более 80%, более предпочтительно более 90% и наиболее предпочтительно более 95% (масс.) частиц, самое длинное измерение которых короче 0,2 мм по результатам измерений с помощью Metso FS5 (единичный проход).
В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или твердая фракция (10) содержит тонкоизмельченные твердые частицы, которые являются волокнистыми или не поддающимися определению частицами. Взвешенную по длине длину Lc(l), измеренную в соответствии со стандартом TAPPI Т271, включает все зарегистрированные частицы и выполнение требований измерения. TAPPI Т271 определяет, что длина волокон материала имеет самое длинное измерение от 0,01 до 7,60 мм.
В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или твердая фракция (10) содержит тонкоизмельченные твердые частицы, которые являются волокнистыми или не поддающимися определению частицами. Взвешенную по длинам длину Lc(l) определяют с помощью Metso FS5 (единичный проход), где Lc(l) также включает частицы менее 0,2 мм. Взвешенное по длине значение Lc(l) составляет 40% или менее длины соответствующей длины волокна неочищенного волокна сульфатной пульпы, предпочтительно 30% или менее, более предпочтительно 20% или менее, наиболее предпочтительно 10% или менее. И ширина фракции тонкоизмельченных частиц взвешенной по длине фракции частиц (Lc(l) фракция 0-0,2 мм) составляет 70% или менее ширины соответствующих волокон сульфатной пульпы, предпочтительно 60% или менее, более предпочтительно 50% или менее, наиболее предпочтительно 40% или менее.
В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или твердая фракция (10) древесины твердых пород содержит тонкоизмельченные твердые частицы, которые являются волокнистыми или не поддающимися определению частицами. Взвешенную по длине длину Lc(l) определяют с помощью Metso FS5 (единственный проход), где Lc(l) включают также частицы менее 0,2 мм. Взвешенные по длине Lc(l) фракции с длиной волокна более 0,2 мм составляет 50% или менее, предпочтительно 35% или менее, более предпочтительно 20% или менее, более предпочтительно 5% или менее.
В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или твердая фракция (10) древесины мягких пород содержит тонкоизмельченные твердые частицы, которые являются волокнистыми или не поддающимися определению частицами. Взвешенную по длине длину Lc(l) твердой фракции определяют с помощью Metso FS5 (единичный проход), где Lc(l) также включает частицы менее 0,2 мм. Взвешенные по длине Lc(l) фракции с длиной волокна более 0,2 мм составляет 60% или менее, предпочтительно 45% или менее, более предпочтительно 30% или менее, наиболее предпочтительно 15% или менее.
В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его твердая фракция (10) содержит тонкоизмельченные твердые частицы, которые содержат менее 90%, в одном воплощении менее 88%, частиц с размером менее 50 мкм, по результатам измерений с помощью Coulter LS230. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или его твердая фракция (10) содержит тонкоизмельченные твердые частицы, которые содержат 50-90%, в одном воплощении 60-90%, и в одном воплощении 70-90%, частиц с размером частиц 50 мкм, по результатам измерений с помощью Coulter LS230. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или твердая фракция (10) содержит более 50% частиц с диаметром эквивалентной окружности меньше 50 мкм, в одном воплощении более 70%, и предпочтительно менее 90% (масс.), по результатам измерений с помощью Coulter LS230. В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или твердая фракция (10) содержит твердые частицы, которые являются волокнистыми или не поддающимися определению частицами, определенными в водном растворе с помощью с помощью лазерной дифракции Coulter LS230, включая дифференциальное рассеяние поляризованного света (PIDS - англ. Polarization Intensity Differential Scattering). В одном воплощении лигноцеллюлозный материал (3a, 3b) или твердая фракция (10) содержит частицы с модой диаметра эквивалентной окружности менее 300 мкм, в одном воплощении менее 200 мкм, в одном воплощении менее 100 мкм, в одном воплощении 50 мкм, в одном воплощении менее 40 мкм, и в одном воплощении менее 30 мкм, и предпочтительно более 18 мкм, по результатам измерений с помощью Coulter LS230. Coulter LS230 основан на лазерной дифракции, и определяет распределение по размеру частиц путем определения картины света, рассеиваемого частицами, составляющими образец. Coulter LS230 содержит оптический модуль, состоящий из дифракционного компонента и системы дифференциального рассеяния поляризованного света (PIDS системой). Диапазон измерения составляет 0,04-2000 мкм так, что диапазон измерения составляет 0,4-2000 мкм с дифракционным компонентом и диапазон измерения составляет 0,04-0,4 мкм с PIDS системой.
Способ и устройство обеспечивают жидкую фракцию, твердую фракцию, фракцию, содержащую растворимые углеводы, и фракцию лигнина хорошего качества. Кроме того, можно увеличить концентрацию и состав фракции сахаров, содержащей растворимые углеводы. Кроме того, можно увеличить количество извлекаемых фракций, содержащих растворимые углеводы, и сформировать более чистую фракцию твердого лигнина. Фракция лигнина также имеет очень высокую концентрацию лигнина и глюкана и его гидратированных продуктов. В данном способе предпочтительно использовали вытеснительную промывку, которая приводит к дополнительному увеличению концентрации растворимых соединений и увеличению чистоты фракции лигнина. Кроме того, можно снизить стоимость последующей обработки фракции, содержащей растворимые углеводы. Высокая концентрация достигается при низком потреблении энергии.
Настоящее изобретение обеспечивает промышленную применимость, простой и доступный способ получения чистой фракции лигнина и дополнительной фракции, содержащей растворимые углеводы. Способ и устройство легко и просто воплотить в виде производственного процесса. Способ и устройство являются подходящими для применения при изготовлении различных фракций на основе лигнина и фракций на основе сахаров, а также конечных продуктов из разных исходных материалов.
ПРИМЕРЫ
Изобретение более подробно описано в следующих примерах со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Пример 1
В этом примере фракцию лигнина и фракцию, содержащую растворимые углеводы, получают из растительного сырья согласно способу, показанному на Фиг. 1.
Лигноцеллюлозный материал (3а) получают из растительного сырья (1) с помощью одной стадии предобработки (2а), или альтернативно с помощью двух стадий предобработки (2а, 2b). Растительное сырье (1) можно обрабатывать с помощью гидролиза и обработки паровым взрывом в присутствии химиката, например, H2SO4, на стадии предобработки. Лигноцеллюлозный материал (3а) передают в ферментативный гидролиз (4) для образования материала (5) на основе лигнина. Материал (5) на основе лигнина передают на стадию жидкость-твердофазного разделения (6), которая включает устройство разделения, в основе работы которого лежит фильтрование или центрифужная обработка. Фракцию (8), содержащую растворимые углеводы, и фракцию лигнина (7) разделяют на стадии жидкость-твердофазного разделения (6). Фракцию (8), содержащую растворимые углеводы, извлекают. Твердый кек (7), содержащий лигнин, удаляют из устройства жидкость-твердофазного разделения и извлекают.
Пример 2
В этом примере фракцию лигнина и фракцию, содержащую растворимые углеводы, получают из растительного сырья согласно способу, показанному на Фиг. 2.
Лигноцеллюлозный материал А (3а) получают из растительного сырья (1) с помощью стадии предобработки (2а). Растительное сырье (1) можно обрабатывать с помощью гидролиза и обработки паровым взрывом в присутствии химиката, например, H2SO4, на стадии предобработки. Лигноцеллюлозный материал А (3а) обрабатывают с помощью вымачивания (2с) после стадии предобработки (2а). Лигноцеллюлозный материал В (3b) со стадии вымачивания (2с) передают в ферментативный гидролиз (4) для образования материала (5) на основе лигнина. Материал (5) на основе лигнина передают на стадию жидкость-твердофазного разделения (6), которая включает устройство разделения, в основе работы которого лежит фильтрование или центрифужная обработка. Фракцию (8), содержащую растворимые углеводы, и фракцию лигнина (7) разделяют на стадии жидкость-твердофазного разделения (6). Фракцию, содержащую растворимые углеводы (8), извлекают. Твердый кек (7), содержащий лигнин, удаляют из устройства жидкость-твердофазного разделения и извлекают.
Пример 3
В этом примере фракцию лигнина и фракцию, содержащую растворимые углеводы, получают из растительного сырья согласно способу, показанному на Фиг. 3.
Лигноцеллюлозный материал А (3а) получают из растительного сырья (1) с помощью стадии предобработки (2а). Растительное сырье (1) можно обрабатывать с помощью гидролиза и обработки паровым взрывом в присутствии химиката, например, H2SO4, на стадии предобработки. Лигноцеллюлозный материал А (3а) обрабатывают с помощью вымачивания (2с) после стадии предобработки (2а). Лигноцеллюлозный материал В (3b) со стадии вымачивания (2с) передают на стадию жидкость-твердофазного разделения (9), которая включает устройство разделения, в основе работы которого лежит фильтрование или центрифужная обработка, и на которой жидкую фракцию (11) и твердую фракцию (10) отделяют перед ферментативным гидролизом (4), а твердую фракцию (10) передают в ферментативный гидролиз (4) для образования материала (5) на основе лигнина. Материал (5) на основе лигнина передают на вторую стадию жидкость-твердофазного разделения (6), которая включает устройство разделения, в основе работы которого лежит фильтрование или центрифужная обработка. Фракцию (8), содержащую растворимые углеводы, и фракцию лигнина (7) разделяют на стадии жидкость-твердофазного разделения (6). Фракцию (8), содержащую растворимые углеводы, извлекают. Твердый кек (7), содержащий лигнин, удаляют из устройства жидкость-твердофазного разделения и извлекают.
Пример 4
В этом примере фракцию лигнина и фракцию, содержащую растворимые углеводы, получают из растительного сырья согласно способу, показанному на Фиг. 4.
Лигноцеллюлозный материал А (3а) получают из растительного сырья (1) с помощью двух стадий предобработки (2а, 2b). Растительное сырье (1) можно обрабатывать с помощью гидролиза и обработки паровым взрывом в присутствии химиката, например, H2SO4, на стадии предобработки. Лигноцеллюлозный материал А (3а) обрабатывают с помощью вымачивания (2с) после стадий предобработки (2а, 2b). Лигноцеллюлозный материал В (3b) со стадии вымачивания (2с) передают на стадию жидкость-твердофазного разделения (9), которая включает устройство разделения, в основе работы которого лежит фильтрование или центрифужная обработка, и на которой жидкую фракцию (11) и твердую фракцию (10) отделяют перед ферментативным гидролизом (4). В одном воплощении часть жидкой фракции, которая содержит растворимые углеводы, можно подавать и/или извлекать между стадиями предобработки (2а, 2b) или на них. Твердую фракцию (10) передают в ферментативный гидролиз (4) для образования материала (5) на основе лигнина. Материал (5) на основе лигнина передают на вторую стадию жидкость-твердофазного разделения (6), которая включает устройство разделения, в основе работы которого лежит фильтрование или центрифужная обработка. Фракцию (8), содержащую растворимые углеводы, и фракцию лигнина (7) разделяют на стадии жидкость-твердофазного разделения (6). Фракцию (8), содержащую растворимые углеводы, извлекают. Твердый кек (7), содержащий лигнин, удаляют из устройства жидкость-твердофазного разделения и извлекают.
Пример 5
В этом примере были получены концентрированная жидкость (11) и очищенная твердая фракция (10).
Березовую древесную щепу предварительно обрабатывали в двухста-дийном процессе обработки паровым взрывом в присутствии разбавленной кислоты (2а, 2b) для растворения гемицеллюлозы. Образованный лигноцеллюлозный материал (3а) смешивали с горячей водой и перемешивали в течение некоторого времени на стадии вымачивания (2с). Затем проводили жидкость-твердофазное разделение с помощью фильтр-пресса Outotec Larox PF 0,1 (9). Площадь фильтрования составляла 0,1 м2. Количество промывающей воды составляло 1:1 (вода: нерастворимые в воде твердые вещества в кеке) и 3:1. Содержание сухого вещества в исходной обработанной биомассе составляло 65%, сухого вещества в сырье (3b) при первом фильтровании (9) составляло 16%, а содержание в нем не растворимых в воде твердых веществ составляло 13%. Содержание нерастворимых в воде твердых веществ в сырье сохранялось постоянным на фильтр-прессе, в то время как сухое вещество суспензии увеличивалось из-за увеличения растворимого материала в суспензии. Сухое вещество промываемого кека составляло около 50%. Состав твердой фракции, который дополнительно промывали в лаборатории, например, способом гравиметрической промывки для удаления всего растворимого в воде материала, представлен в Таблице 1. Твердую фракцию промывали водой для удаления остатков растворимых соединений, после чего определяли свойства.
При моделировании увеличения концентрации считали, что весь промывной фильтрат из способа и часть фильтрата, содержащего растворимые углеводы из первого прессования, используют в качестве разбавляющей воды на следующем этапе, и снова после второго фильтрования промывной фильтрат из способа и части фильтрата, содержащего растворимые углеводы из прессования использовали для разбавления третьего фильтрования. При промывке 1:1 около 83% жидкости для разбавления представляло собой фильтрат, содержащий растворимые углеводы, а при промывке 3:1 48% жидкости для разбавления представляло собой фильтрат, содержащий растворимые углеводы. Вычисляли, что эффективность промывки составляла 83% (1:1) и 88% (3:1). В конечном итоге, провели более 70 этапов цикла. Моделирование примера проводили с измеренным содержанием растворимых веществ 18,4% предварительно обработанного лигноцеллюлозного материала. Концентрация фильтрата, содержащего растворимые вещества, получающиеся в процессе, достигает уровня 135 г/л при непрерывной промывке 1:1 и 99 г/л при промывке 3:1.
Пример 6
В этом примере получают жидкую фракцию (11) и твердую фракцию (10).
Эвкалиптовая древесная щепа была предварительно обработана в одностадийном способе автогидролиза и обработки паровым взрывом с двумя разными условиями процесса для растворения гемицеллюлозы. Образующиеся предварительно обработанные лигноцеллюлозные материалы были промыты горячей водой в лаборатории для удаления большей части растворимых в воде соединений. Оставшиеся твердые вещества, свободные от растворимых в воде соединений, определяли с помощью двух разных анализаторов размера частиц. Результаты, полученные с помощью Metso FS5 и Coulter LS230, представлены в таблице 2 «Два нерастворимых в воде твердых вещества из предварительно обработанных лигноцеллюлозных материалов на основе эвкалипта». Результаты можно получить в соответствии со стандартами ISO 16065-N или TAPPI Т271.
Пример 7
В этом примере получали жидкую и твердую фракции и исследовали их применение в ферментативном гидролизе.
Березовую древесную щепу обрабатывали в процессе (2а) парового взрыва в присутствии разбавленной кислоты для растворения гемицеллюлозы для образования лигноцеллюлозного материала (3а).
Лигноцеллюлозный материал (3а) вымачивали на стадии (2с) вымачивания для образования лигноцеллюлозного материала (3b). В процессе вымачивания время выдерживания составляло 24 часа, температура была примерно 50°С и консистенция составляла 28%.
Обработанный лигноцеллюлозный материал (3b) подавали в устройство (9) жидкость-твердофазного разделения. Устройство разделения представляло собой декантирующую центрифугу в экспериментах РТВ1, РТВ2 и РТВ3 и устройство разделения представляло собой фильтр-пресс в эксперименте РТВ4.
Твердые образцы (РТВ1, РТВ2, РТВ3, РТВ4) обработанной биомассы отбирали после стадии (9) разделения. Результаты представлены в Таблице 3.
Затем твердый образец РТВ2, взятый после стадии (9) разделения, разбавляли до суммарного уровня 15% твердых веществ для ферментативного гидролиза (4) в лабораторном масштабе. Смешивание было хорошим, и в эксперименте использовали 5% соотношение фермент/общее количество твердых веществ. Выход глюкозы через 72 часа составляло 80%.
Затем твердый образец РТВ1, взятый после стадии (9) разделения, разбавляли. Наблюдали, что РТВ1 нельзя было смешивать в лабораторном эксперименте при суммарном количестве 13% или выше, а ферментативный гидролиз было невозможно провести.
Пример 8
В этом примере измеряли вязкость лигноцеллюлозного материала. Лигноцеллюлозный материал представлял собой полученный согласно примеру 7 после разделения (9).
Вязкость измеряли при 10, 15 и 20% содержания сухого вещества с помощью устройства измерения вязкости по Брукфильду при 45°С и 10 оборотах/мин с насадкой типа "Vane". Размер образца при измерении составлял 300 мл. Образец А обладал хорошими свойствами смешивания. Образец В имел плохие свойства смешивания в механически перемешиваемом сосуде, где перемешивание осуществлялось с помощью лопастных турбин (45°).
Результаты измерений вязкости представлены на Фиг. 5. Обнаружили, что лигноцеллюлозный материал с вязкостью ниже 18000 мПа-с, при 15% содержании сухого вещества, является подходящим материалом для ферментативного гидролиза и производства лигнина.
Способ и устройство подходят в различных воплощениях, применяемых для получения самых различных видов лигнина и фракций на основе растворимых углеводов из различных типов растительного сырья.
Изобретение не ограничивается только приведенным выше примером; вместо этого в рамках идеи изобретения возможны многие вариации в объеме идеи изобретения с помощью прилагаемой формулы изобретения.
Группа изобретений относится к биотехнологии. Способ включает, по меньшей мере, одну стадию (2a,2b) обработки, на которой материал (1) на основе древесины обрабатывают по меньшей мере посредством физической обработки, химической обработки и/или физико-химической обработки и на которой материал (1) на основе древесины обрабатывают по меньшей мере посредством гидролиза и парового взрыва, и, по меньшей мере, одну стадию (6) жидкость-твердофазного разделения после ферментативного гидролиза (4), на которую подают материал (5) на основе лигнина и на которой разделяют фракцию (7) лигнина и фракцию (8), содержащую растворимые углеводы. Полученный лигноцеллюлозный материал (3a) содержит более 80 % тонкоизмельченных твердых частиц, которые являются волокнистыми частицами меньше 0,2 мм, по результатам измерений с помощью оптического измерительного устройства. Предложена установка для обработки материала на основе древесины. Группа изобретений обеспечивает улучшение ферментативного гидролиза и разделение лигнина и содержащих растворимые углеводы фракций с получение фракций продукта хорошего качества. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл., 8 пр.
1. Способ обработки материала на основе древесины посредством ферментативного гидролиза, в котором материал (1) на основе древесины обрабатывают с образованием лигноцеллюлозного материала (3a) и передают лигноцеллюлозный материал (3a) или его твердую фракцию (10) в ферментативный гидролиз (4), при этом способ включает
- по меньшей мере одну стадию (2a,2b) обработки, на которой материал (1) на основе древесины обрабатывают по меньшей мере посредством физической обработки, химической обработки и/или физико-химической обработки и на которой материал (1) на основе древесины обрабатывают по меньшей мере посредством гидролиза и парового взрыва, так что лигноцеллюлозный материал (3a) содержит более 80 % тонкоизмельченных твердых частиц, которые являются волокнистыми частицами меньше 0,2 мм, по результатам измерений с помощью оптического измерительного устройства,
- при этом лигноцеллюлозный материал (3a) или по меньшей мере одну твердую фракцию (10) лигноцеллюлозного материала подают в ферментативный гидролиз (4) для образования материала (5) на основе лигнина, и
- по меньшей мере одну стадию (6) жидкость-твердофазного разделения после ферментативного гидролиза (4), на которую подают материал (5) на основе лигнина и на которой разделяют фракцию (7) лигнина и фракцию (8), содержащую растворимые углеводы.
2. Способ по п. 1, в котором стадия обработки включает по меньшей мере одну стадию (2a,2b) предобработки, которую выбирают из группы, состоящей из физической обработки, например размола, экструзии, микроволновой обработки, ультразвуковой обработки и обработки вымораживанием, химической обработки, например кислотной обработки, щелочной обработки, обработки ионной жидкостью, органосольвентной обработки и озонолиза, физико-химической обработки, например разрушения волокон аммиачным взрывом, обработки взрывом CO2, обработки горячей жидкой водой и окисления во влажной среде, биологической обработки и их сочетаний.
3. Способ по п.1 или 2, в котором на стадии (2a,2b) предобработки материал (1) на основе древесины обрабатывают с помощью обработки паровым взрывом в присутствии химиката.
4. Способ по п. 3, в котором химикат является нещелочным агентом.
5. Способ по п. 3, в котором химикат является кислотой.
6. Способ по любому из пп.1-5, в котором лигноцеллюлозный материал (3a) обрабатывают с помощью вымачивания (2c) с получением подвергнутого вымачиванию лигноцеллюлозного материала (3b).
7. Способ по любому из пп.1-6, в котором лигноцеллюлозный материал (3a) разбавляют для вымачивания (2c).
8. Способ по любому из пп.1-7, в котором лигноцеллюлозный материал (3a,3b) содержит тонкоизмельченные твердые частицы, из которых более 80 % меньше 0,2 мм, по результатам измерений с помощью Metso FS5.
9. Способ по любому из пп.1-8, в котором лигноцеллюлозный материал (3a,3b) содержит тонкоизмельченные твердые частицы, мода размера частиц которых составляет от 18 до 300 мкм, по результатам измерений с помощью Coulter LS230.
10. Способ по любому из пп.1-9, в котором вязкость лигноцеллюлозного материала (3a,3b), измеренная с помощью устройства для измерения вязкости по Брукфильду при 45°C и 10 оборотах/мин и с насадкой типа “Vane”, составляет меньше 18000 мПа·с при 15 %-ном содержании сухого вещества.
11. Способ по любому из пп.1-10, в котором способ включает более одной стадии (6,9) жидкость-твердофазного разделения.
12. Способ по любому из пп.1-11, в котором лигноцеллюлозный материал (3a,3b) передают на стадию (9) жидкость-твердофазного разделения, на которой жидкую фракцию (11) и твердую фракцию (10) разделяют перед ферментативным гидролизом, причем твердую фракцию (10) передают в ферментативный гидролиз (4).
13. Способ по любому из пп.1-12, в котором жидкость-твердофазное разделение (6,9) осуществляют с помощью фильтрования, центрифужной обработки или их сочетаний.
14. Способ по любому из пп.1-13, в котором стадия (6,9) жидкость-твердофазного разделения включает промывку, где проводят вытеснительную промывку с небольшим количеством чистой воды, причем соотношение промывающей воды к твердому веществу составляет меньше 6, предпочтительно меньше 3 и более предпочтительно меньше 1,5.
15. Способ по любому из пп.1-14, в котором образуют фракцию (8), содержащую растворимые углеводы.
16. Способ по любому из пп.1-14, в котором образуют фракцию (7) лигнина.
17. Способ по любому из пп.1-14, в котором образуют фракцию (5) материала на основе лигнина.
18. Способ по любому из пп.1-14, в котором жидкую фракцию (11) образуют посредством отделения жидкой фракции от лигноцеллюлозного материала перед ферментативным гидролизом.
19. Способ по любому из пп.1-14, в котором твердую фракцию (10) образуют посредством отделения твердой фракции от лигноцеллюлозного материала перед ферментативным гидролизом.
20. Способ по любому из пп.1-14, в котором содержащую растворимые углеводы фракцию (8), получаемую этим способом, используют в качестве исходного материала для ферментации, гидролиза, химической обработки, каталитической обработки, процесса полимеризации, процесса деполимеризации, процесса деструкции, ферментативной обработки, производства связующего, производства кормов, производства пищевых продуктов или их сочетаний.
21. Способ по любому из пп.1-14, в котором фракцию (7) лигнина, получаемую этим способом, используют в качестве исходного материала в гидролизе, процессе полимеризации, процессе деполимеризации, процессе деструкции, химической обработке, производстве композитного материала, производстве связующего, производстве кормов, производстве пищевых продуктов, процессе горения или их сочетаниях.
22. Способ по любому из пп.1-14, в котором материал (5) на основе лигнина, получаемый этим способом, используют в качестве исходного материала в гидролизе, процессе полимеризации, процессе деполимеризации, процессе деструкции, химической обработке, производстве композитного материала, производстве связующего, производстве кормов, производстве пищевых продуктов, процессе горения или их сочетаниях.
23. Способ по любому из пп.1-14, в котором жидкую фракцию (11), получаемую этим способом посредством отделения жидкой фракции от лигноцеллюлозного материала перед ферментативным гидролизом, используют в качестве исходного материала для ферментации, гидролиза, химической обработки, каталитической обработки, процесса полимеризации, процесса деполимеризации, процесса деструкции, способа ферментации, производства связующего, производства кормов, производства пищевых продуктов или их сочетаний.
24. Способ по любому из пп.1-14, в котором твердую фракцию (10), получаемую этим способом посредством отделения твердой фракции от лигноцеллюлозного материала перед ферментативным гидролизом, используют в качестве исходного материала в гидролизе, процессе полимеризации, процессе деполимеризации, процессе деструкции, химической обработке, производстве композитного материала, производстве связующего, процессе горения или их сочетаниях.
25. Способ по любому из пп.1-14, в котором жидкую смесь, содержащую фракцию (8), содержащую растворимые углеводы, и жидкую фракцию (11), отделенную от лигноцеллюлозного материала перед ферментативным гидролизом, используют в качестве исходного материала для ферментации, гидролиза, химической обработки, каталитической обработки, процесса полимеризации, процесса деполимеризации, процесса деструкции, ферментативной обработки, производства связующего, производства кормов, производства пищевых продуктов или их сочетаний.
26. Установка для обработки материала на основе древесины посредством ферментативного гидролиза, которая включает устройство для обработки и устройство для ферментативного гидролиза, при этом установка содержит
- по меньшей мере одно устройство (2a,2b) для обработки, в котором материал (1) на основе древесины обрабатывают по меньшей мере посредством физической обработки, химической обработки и/или физико-химической обработки и в котором материал (1) на основе древесины обрабатывают по меньшей мере посредством гидролиза и парового взрыва с образованием лигноцеллюлозного материала (3a), так что лигноцеллюлозный материал (3a) содержит более 80 % тонкоизмельченных твердых частиц, которые являются волокнистыми частицами меньше 0,2 мм, по результатам измерений с помощью оптического измерительного устройства,
- по меньшей мере одно устройство (4) для ферментативного гидролиза, в котором из лигноцеллюлозного материала (3a,) или по меньшей мере одной твердой фракции (10) лигноцеллюлозного материала образуется материал (5) на основе лигнина, по меньшей мере одно устройство (6) для жидкость-твердофазного разделения после устройства для ферментативного гидролиза, в котором от материала (5) на основе лигнина отделяют фракцию лигнина (7) и фракцию (8), содержащую растворимые углеводы, и
- по меньшей мере одно питающее устройство для подачи материала (1) на основе древесины в устройство для обработки.
27. Установка по п.26, которая содержит более одного устройства (6,9) для жидкость-твердофазного разделения.
28. Установка по п.26 или 27, которая содержит по меньшей мере одно устройство (9) для жидкость-твердофазного разделения для разделения жидкой фракции (11) и твердой фракции (10).
29. Установка по любому из пп.26-28, которая содержит по меньшей мере одно устройство для фильтрования и/или центрифужное устройство в качестве устройства для жидкость-твердофазного разделения.
30. Установка по любому из пп.26-29, которая содержит средство для обработки паровым взрывом.
31. Установка по любому из пп.26-30, которая содержит устройство (2c) для вымачивания.
| WO 2009080737 A2, 02.07.2009 | |||
| ЗОРИНА Н.В | |||
| и др., Научное сообщество студентов XXI столетия | |||
| Технические науки: материалы XII студенческой международной научно-практической конференции, Новосибирск, издательство СибАК 2013, с.27-30 | |||
| ОДНОСТАДИЙНАЯ КОНВЕРСИЯ ТВЕРДОГО ЛИГНИНА В ЖИДКИЕ ПРОДУКТЫ | 2008 |
|
RU2476581C2 |
