[发明专利]木质素的高温分离方法

说明书

背景

在纤维素和糖从生物质转化为其他有机化合物例如乙醇的过程中，木质素的有效去除是重要的。

美国专利公布200900381212 A1教导了通过将溶液温度升高至超过临界温度(在此温度下，木质素释放水)而除去来自造纸厂液体的木质素。该专利还教导，在处理过程期间当受热的木质素物质(mass)达到分离临界温度时，木质素固体因物质随后冷却而沉淀，而释放的水聚积为上清液。

虽然该方法对造纸厂液体可能奏效，但不能通过这种方式分离在生物质转化的水解和发酵过程期间释放的木质素。

概述

本说明书公开了用于从水性混合物分离木质素的方法，其包括以下步骤：a)将混合物加热至超过临界温度的温度和b)在临界温度或超过临界温度的分离温度下从混合物分离木质素。

分离可通过离心、过滤、淘析或其它可接受技术包括重力来进行。

还公开的是，混合物可包含能将纤维素转化为糖的酶，并且混合物可来源于生物质原料和/或在加热混合物的步骤之前有对生物质原料进行蒸汽爆破(steam explosion)的步骤。

进行分离的时间可在生物质至少部分已被水解为糖之后、在至少部分水解的生物质已被转化为醇之后或在醇与水分离的蒸馏步骤之后。

还公开的是，混合物的pH超过3.5或甚至7.0。

还公开的是，临界温度在60℃-98℃的范围，或该范围的较低温度是70℃并且较高温度是97℃。

详述

木质素是来自生物质原料的产物产生后留下的产物。例如在乙醇的生产过程中，首先可对生物质原料进行预处理——通常用蒸汽爆破，水解为糖——通常在酶存在下，并且随后使糖发酵以产生乙醇。通常通过蒸馏除去乙醇，留下水、木质素、酵母和其它酶。

从溶液中分离木质素极其困难。认为这是由木质素对水的高吸收性造成的。US 20090038212宣称含水量低的流态固体(liquid solid)可通过以下方式回收：首先从混合物中分离木质素凝胶，将木质素加热至超过临界温度的温度，并且随后使木质素冷却从而致使固体在无水的情况下沉淀。

利用该方法以从包含水、酵母和用于酶水解纤维素的酶的水性混合物中分离木质素的尝试未能成功。在冷却时木质素不沉淀，并且事实上，在高速离心后各相仍几乎不能分离。

已发现的是，当混合物的温度保持在或超过临界温度时，在生物质转化为醇的过程中形成的水性混合物中的木质素可得到更有效分离。

临界温度与溶液的木质素的玻璃化转变温度相关。认为一旦将木质素加热至超过其玻璃化转变温度，其释放吸收的水分。玻璃化转变部分取决于木质素类型、先前的热处理(例如水洗涤、蒸汽爆破和水解)以及吸收的水。

因此，就本说明书的目的而言，临界温度是木质素塑性固体释放吸收的水的最低温度，其被认为接近特定木质素(已在先前条件下被处理)的玻璃化转变温度。尽管玻璃化转变不同，但临界温度将出现在一个温度范围内，界限下端比处理过的木质素的起始玻璃化转变温度低10℃并且上端为225℃。225℃的上端由被认为是实际操作最高温度的温度确定，原因在于大量的水。

更优选的范围是起始玻璃化转变温度至97℃。观察已显示超过某一温度的更高温度不会得到更好的分离。在实验中，在80℃和90℃下的分离得到的结果非常相似。基于目前已知的，临界温度可接受的范围是45℃至97℃、60℃至97℃、64℃至97℃、70℃至97℃、74℃至97℃、79℃至97℃和84℃至97℃。

然而，若已用其它方式处理木质素，已知玻璃化转变可显著下降。

尽管理论上没有可加热混合物的上限，但优选将混合物加热至超过临界温度但小于230℃，更优选小于99℃。

加热可用任何方法进行，其可在专业人员所需的时间内将混合物的温度升高至所需温度。

从混合物分离木质素固体可用任何技术进行，其包括但不限于离心、重力沉降、过滤、淘析。

因为该过程通常在水解后进行，混合物可包含至少一种能将纤维素转化为糖的酶。本领域公知很多酶并且已经充分建立用于评估这样的酶是否能将纤维素转化为糖的技术。

因为通常从生物质原料获得混合物，所以在混合物的加热之前通常有对生物质原料进行蒸汽爆破的步骤。生物质特别为纤维素生物质的蒸汽爆破为本领域熟知。