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芦竹半 纤维素回收方法

阅读：585发布：2020-05-12

专利汇可以提供芦竹半纤维素回收方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明一般涉及从芦竹生物质回收半纤维素的方法，其包括从芦竹生物质提取含半纤维素的级分，对含半纤维素的级分进行纯化以除去木质素和其它提取物，浓缩经纯化的含半纤维素的级分和使经浓缩和纯化的含半纤维素的级分水解得到5和6 碳糖。，下面是芦竹半纤维素回收方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.在对包括芦竹碎片的芦竹生物质进行制浆前从包括芦竹碎片的芦竹生物质提取含半纤维素的级分的方法，其包括在40-90℃范围的温度和5-12的pH下的液体中处理芦竹碎片1/2-4小时以提取至多三分之一的总可用半纤维素，其中所述液体与芦竹碎片的比例范围在3：1至10：1，并且所提取的含半纤维素的级分包含10-40重量%的半纤维素。
2.权利要求1的方法，其中所述方法产生经提取的芦竹碎片。
3.权利要求1的方法，其中所述液体包含过氧化氢。
4.权利要求2的方法，其中所述液体包含过氧化氢。
5.权利要求1的方法，其中所述液体包含0-10重量%过氧化氢。
6.权利要求5的方法，其中所述液体包含0-5重量%过氧化氢。
7.权利要求1-3和4-6中任一项的方法，其中所述液体包含氢氧化钠。
8.权利要求1-3和4-6中任一项的方法，其中所述液体包含0-12重量%氢氧化钠。
9.从芦竹回收半纤维素的方法，其包括：
a)按照权利要求1-3和4-8中任一项所述的从芦竹生物质提取含半纤维素的级分；
b)对含半纤维素的级分进行纯化以除去木质素和其它提取物；
c)浓缩经纯化的含半纤维素的级分；和
d)使经浓缩和纯化的含半纤维素的级分水解，得到含5和6 碳糖的级分。
10.权利要求9的方法，其中所述步骤b)和c)包括单个纯化和浓缩步骤。
11.权利要求9或10的方法，其进一步包括：
e)对含5和6碳糖的级分进行纯化以除去任何残留的木质素和其它提取物；和f)浓缩经纯化的含5和6碳糖的级分。

说明书全文

芦竹半纤维素回收方法

[0001] 对相关申请的交叉参考

[0002] 本申请要求2008年9月9日提交的美国临时专利申请号61/095,337的35U.S.C.§119(e)的利益，通过引用的方式将其以整体并入本文。

[0003] 发明背景发明领域

[0004] 本发明一般涉及从芦竹回收半纤维素的方法。

[0005] 相关技术描述

[0006] 当今世界正在面对由人口过剩、化石燃料耗竭、对燃料需求增加、空气、水和土地的污染、全球变暖和气候变化、森林覆盖破坏以及耕地损失引起的增加的负荷。尽管在一定程度上这些关注中的一些可以通过太阳能和风力的改进使用以及增加的核动力得到满足，但是资源的更节约和资源的更有效使用一直在被寻找。

[0007] 纤维状纤维素材料，例如稻草、玉米茎(秸秆)、甘蔗渣、硬木、棉花秸秆、洋麻和大麻，主要由纤维素(典型地、40-60％干重)、半纤维素(典型地20-40％干重)和木质素(典型地5-25％干重)组成。这些成分如果能被彼此经济地完全分离，则可以提供用于生产醇、醚、酯和其它化学物质的可发酵糖的重要衍生来源。对用酶或酵母通过发酵从纤维质生物质生产生物燃料存在日益增加的兴趣。迄今为止，大部分兴趣集中在淀粉、甘蔗和甜菜糖的应用。如本文所用，生物燃料指用于产生电和用于运输工具的燃料(乙醇)。生物燃料的益处在于它们比石油燃料向大气增加更少的排放物。它们的益处还在于它们使用草本和很少被使用的木本植物，并且特别地使用目前有很小的或没有用途的植物废料。生物燃料从可再生资源获得，并且可从国内容易得到的植物和废料生产，因此除了推进本地和全世界经济之外还减少了对煤、汽油和外国化石燃料的依赖。

[0008] 但是，迄今为止，还没有一种将纤维状、木质纤维质材料和它们代表的可发酵糖的基本成分彼此完全分离的经济方法。特别地，已经证明将混合的己糖和戊糖结构的半纤维素与木质素以及生物质中存在的其它较少的成分例如脂质和二氧化硅经济地分离是困难的。当今已有的方法集中在例如球磨、双辊碾磨、低温磨碎、急速减压、超声和渗透细胞破碎接着乙醇提取的技术以及常规制浆技术。所有技术都使用高水平的技术、化石能量和投资，因此是昂贵的并且常常是高度污染的。例如，常规制浆方法，其使用高的温度(例如175℃)和压力(例如175psi)以及亚硫酸盐、硫酸盐或碱得到称为α-纸浆的纯化纤维素，被普遍公认为涉及高的投资、能量和操作成本，包括化学物质的回收，其伴随有空气和水污染以及产生有毒物质的严重问题。

[0009] 因此，尽管在本领域中已经有了进步，但是本领域仍需要可替代的纤维质生物质材料和用于分级纤维质生物质材料的可替代的方法。本发明致力于这些需求并进一步提供相关优点。

[0010] 发明概述

[0011] 简言之，本发明涉及以下方法：从芦竹回收半纤维素、分离木质素与其它提取物(例如植物提取物)、和将含纯化半纤维素的提取物(或级分)以对发酵和/或氢化处理足够高的浓度水解为5和6 碳糖的混合物。如本文所公开的，半纤维素的回收以及其与木质素和其它提取物的分离取决于在提取过程中使半纤维素副反应最小化以及随后在转化为5和6碳糖之前的纯化和浓缩步骤中保留以高分子量形式(即大尺寸)的半纤维素材料。

[0012] 由于其高生物质生产力，芦竹是纸浆以及生物乙醇和生物/石油化学替代物(例如3至6个碳二元醇)潜在的经济上切实可行的来源。作为国家转向“绿色”产品和原油成本增加的结果所有这些都处于高度需求中。如下文更详细描述的，在常规制浆过程之前或者作为本文描述的非常规制浆条件的一部分，可以采用公开的包括各种半纤维素提取、纯化、浓缩和水解步骤的整体法回收一部分芦竹植物半纤维素级分并将其转化为5和6碳糖。可将根据这些方法得到的5和6碳糖出售给现有的制造工厂用于进一步的燃料和化学生产。尽管相似的个别工艺步骤在其它工业中已被单独使用，但是原料和产物的这种组合需要适当工艺条件的整合和开发。

[0013] 在一个实施方案中，提供了从芦竹生物质提取含半纤维素的馏分的方法，包括在1
40-130℃范围内的温度和5-12范围内的pH下在水溶液中处理芦竹生物质 /2-5小时。

[0014] 在一些实施方案中，芦竹生物质包含芦竹碎片。

[0015] 在一些实施方案中，所述方法产生经提取的芦竹生物质。在其它实施方案中，所述方法产生芦竹浆。

[0016] 在一些实施方案中，水溶液包含过氧化氢。例如，在更具体的实施方案中，水溶液包含0-10重量％过氧化氢(例如0-5重量％过氧化氢)。

[0017] 在一些实施方案中，水溶液包含氢氧化钠。例如，在更具体的实施方案中，水溶液包含0-12重量％氢氧化钠。

[0018] 在一些实施方案中，温度是在40-105℃范围内。在其它实施方案中，温度是在45-130℃的范围内。

[0019] 在一些实施方案中，温度是在40至小于90℃的范围内，对芦竹生物质进行处理1
/2-4小时，该过程产生经提取的芦竹生物质。在其它实施方案中，温度是在90-100℃范围内，对芦竹生物质进行处理1-3小时，该过程产生芦竹浆。在其它实施方案中，温度是在
1 1
100-130℃范围内，对芦竹生物质进行处理 /2-1/2小时，该过程产生芦竹浆。

[0020] 在一些实施方案中，含半纤维素的馏分包含10-40重量％半纤维素。

[0021] 在第二种实施方案中，提供了从芦竹回收半纤维素的整体法，包括：(a)如上面实施方案阐述的从芦竹生物质提取含半纤维素的馏分；(b)对含半纤维素的馏分进行纯化以除去木质素和其它提取物；(c)浓缩含纯化半纤维素的馏分；和(d)将含经浓缩和纯化半纤维素的馏分水解产生含5和6碳糖的馏分。

[0022] 在一些实施方案中，步骤(b)和(c)包括一个纯化和浓缩步骤。

[0023] 在一些实施方案中，所述方法进一步包括：(e)对含5和6碳糖的馏分进行纯化以除去任何残留的木质素和其它提取物；和(f)浓缩含纯化的5和6碳糖的馏分。

[0024] 参考以下详细描述和附图阐明本发明的这些和其它方面。

[0025] 附图简述

[0026] 图1是本发明的第一个代表性芦竹半纤维素回收方法的示意图。

[0027] 图2是本发明的第二个代表性芦竹半纤维素回收方法的示意图。

[0028] 图3是本发明的第三个代表性芦竹半纤维素回收方法的示意图。

[0029] 图4是本发明的第四个代表性芦竹半纤维素回收方法的示意图。

[0030] 图5显示作为温度、时间、碱和过氧化物装料的函数提取的半纤维素。

[0031] 发明详述

[0032] 在下面的描述中，为了提供对本发明各个实施方案的彻底理解而阐述了某些具体细节。但是，本领域的技术人员应理解在没有这些细节的情况下也可以实施本发明。在其它情况中，没有详细说明或描述与制浆过程有关的公知结构和方法，以避免对本发明实施方案的不必要的模糊描述。

[0033] 除非上下文另有需要，否则说明书和接着的权利要求书中术语“包含”及其变化，例如“含有”应以开放、含括性含义解释，也就是说应解释为“包括但不限于”。

[0034] 整篇说明书中对“一个实施方案”的参考意思是与该实施方案结合描述的具体特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。所以，在该说明书各处出现的短语“在一个实施方案中”不一定都指同一个的实施方案。此外，具体特征、结构或特性可以以任何适合的方式在一个或多个实施方案中组合。

[0035] 芦竹是最广为人知的产生生物质的植物之一。如美国专利6,761,798所公开的，芦竹可用来生产纸浆、纸产品和刨花板。此外，如本文所公开的，该物种的生物生产力可提供用于生产各种生物类石油替代物的基础。

[0036] 图1-4是本发明的代表性芦竹半纤维素回收方法的示意图。为了说明的目的，假定每英亩-年20干吨的叶/鞘自由碎片的生物质产量。采用常规制浆条件，这将产生约9吨的浆，而约11吨溶解的植物材料出现在工艺黑液中。该溶解的植物材料包含由最初存在于生物质中的半纤维素和木质素中的一部分降解得到的复杂混合物。但是，常规制浆化学改变半纤维素并产生不可用来生产发酵乙醇或有用的石油替代化学物质的非糖降解产物。所以，采用现有的常规技术从该黑液直接分离和回收有用的半纤维素和有关单糖是不可行的。

[0037] 如本文所公开的，可以在常规制浆前从芦竹生物质提取一部分半纤维素(图1和2)。或者，作为半纤维素提取过程的一部分，可以产生作为本文所述新的非常规的温和制浆方法一部分的芦竹浆(图3和4)。在两种情况中，含提取的半纤维素的馏分富含可溶性半纤维素低聚物以及可溶性木质素和其它植物提取物。该提取物流可用于生产乙醇或后边描述范围的各种石油化学替代物。此外，如本文进一步公开的，提取条件的认真选择使得可以经济回收被污染的有较少量木质素和植物提取物的富含半纤维素的液体。除去可溶性(例如低分子量)木质素和提取物后，半纤维素被水解为5和6碳单糖，5和6碳糖随后可发酵成乙醇或氢化成共混二元醇。前者作为燃料添加剂市场极大，而对后者的需求是巨大的，因为它们是潜在的燃料添加剂且等于产品例如聚酯和聚氨酯总物质量的约1/4。

[0038] 通过将该提取限制至总可用半纤维素的1/4至1/3，经提取的碎片通过常规制浆方法较容易制浆并将产生具有与未经提取的碎片所得到的相同性质和产率的浆。或者，本文所述的新的非常规温和制浆方法可用来生产适合于所选纸产品的浆，同时还产生适合于回收本文所公开的单糖的含半纤维素的馏分，其包含约2/3半纤维素和1/3木质素。

[0039] 基于上面的假定(即每英亩-年20干吨的叶/鞘自由碎片)，每英亩每年液体提取物流将含有总共约2.0吨半纤维素、木质素和提取物。除去木质素/提取物后，可将约1.6吨可用半纤维素衍生的糖出售用于发酵或氢化。如本领域技术人员应理解的，生产乙醇或化学物质之前必须除去木质素和提取物。因此，纯化和水解为单糖后，前述量的半纤维素将产生约0.5吨乙醇(通过发酵)或可被出售到糖氢化工厂的1.5吨的混合5和6碳糖。

[0040] 此外，为了说明的目的并且采用前面的估计，种植100,000英亩芦竹可提供足够的原料用于同时生产约900,000吨浆、一千六百万加仑燃料乙醇和3亿磅混合的二元醇。

[0041] 尽管与半纤维素回收的工艺顺序中所需的步骤相似的过程已经在别处用其它类型木质和非木质材质得到证明，但是本文所公开的步骤从未以如图1-4显示的整体工艺顺序使用。此外，各种芦竹原料得自于不同的土壤、气象学和农艺学条件且组成和化学结构在会影响提取条件方面是不同的。此外，含木质素、半纤维素和相关5和6碳糖的液流目前可用的纯化和浓缩方法对于实施是复杂且昂贵的。尽管膜方法能提供完成这两个步骤的不太贵的方式，但是需要开发两个膜步骤的条件。纯化(除去木质素和植物提取物)和浓缩(除去水和溶解的无机盐)步骤需要选择具有适当孔径分布的膜和操作条件。实施例

[0042] 如上所指出的，本发明的整体方法包括一系列步骤，所述步骤包括碎片提取、提取物纯化和提取物浓缩、半纤维素水解、和5和6碳糖提取物的进一步纯化、接着可能出售给第三方用于得到的5和6碳糖混合物的发酵或氢化。

[0043] 使半纤维素回收最大化同时保留可接受的浆性质的提取条件碎片提取条件的范围

[0044] 在40-130℃的温度范围、5-12的pH范围以及有和没有添加过氧化氢下处理湿的或空气干燥的芦竹碎片。在每个提取条件下测定经提取的半纤维素、5和6碳单糖、糖酸、木质素和植物提取物的量。这些温度和pH范围涵盖了所公开的方法可行而没有不可接受的材料产物性质损失的范围。存在和不存在过氧化物表明氧化剂使半纤维素针对剥离和由于转化为不希望的糖酸而产生的产率损失稳定化的程度。还说明了，甚至在这些温和处理条件下，温和氧化剂对该体系产生可溶性、低分子量木质素的能力的影响。任何下游半纤维素纯化体系(在下面所述的纯化和浓缩步骤中讨论)的效率取决于可能维持最高MW的半纤维素和产生低MW的可溶性木质素的能力。最后，干燥过和从未干燥过的碎片结果的比较提供了与化学物质回收和制浆操作有关的收割和储存需求的指导。

[0045] 实验-提取步骤

[0046] a.原料

[0047] 出于为了产生富含半纤维素提取物而进行处理的目的，将自开始生长后超过约3个月的任何时间收割的全植物材料分成茎部分和叶部分。对茎部分进行切削以产生具有约1/8至2英寸宽度和1/2至6英寸长度尺寸的碎片。碎片的厚度是植物茎壁的正常厚度，计为约1/8至1/2英寸，取决于收割时的年龄和碎片来自于茎中的垂直位置。分离出叶并机械碎成约1/2英寸×1/2英寸的小片。

[0048] b.程序/条件

[0049] 碎片部分

[0050] 采用以下范围的条件提取如上所述制备的芦竹茎碎片部分：

[0051] 液体/碎片比＝3/1至10/1

[0052] 基于烘干碎片重量2至20重量％的碱(NaOH)

[0053] 基于烘干碎片重量0至10重量％的过氧化氢

[0054] 40-130℃

[0055] 1/2至5小时

[0056] 使用10升容量的间歇式反应器在大气或稍微加压的最高约130℃条件下进行这些提取。如本领域技术人员应理解的，可以在任何类型的间歇或连续式反应器中以较大规模进行提取，例如，在为了连续提供并移除碎片和提取液而安装的单个混合罐或一系列连接罐中。在串联构造中，液体和碎片可以以协流或对流型设置移动。或者，可将连续式反应器构造为具有内部阶梯(flight)的管，以使碎片从管的一端移动到另一端同时浸没在提取液中。液体和碎片可以以协流或对流设置移动。

[0057] 叶部分

[0058] 在以下范围的条件下处理如上所述制备的芦竹茎叶部分：

[0059] 液体/碎片比例＝3/1至10/1

[0060] 基于烘干碎片重量2至20％的碱(NaOH)

[0061] 基于烘干碎片重量0至10％的过氧化氢

[0062] 40-105℃

[0063] 1/2至5小时

[0064] c.提取结果

[0065] 下面表1说明了使用芦竹茎碎片进行提取操作的结果。

[0066] 表1

[0067]

[0068]

[0069] 这些结果说明，在40至130℃、1-4小时、2至10％碱和0至10％过氧化物的范围下，可提取干植物材料约5至19％。如进一步说明的，由更高的碱和过氧化物浓度、更高的温度和更长的时间代表的更剧烈的条件导致更大的提取率。提取得到的可溶性固体由约2/3碳水化合物和1/3木质素组成。图5显示时间、碱和过氧化氢装料作为参数，计算出的作为操作温度的函数的半纤维素回收率。

[0070] 表2

[0071]操作号 NaOH(％烘干) P(％烘干) 煮温(℃) 时间(小时) 提取率(％)
1 水/pH6.5 20.56
2 3 5 55 1 10.43
3 水/pH6.5 23.97
4 3 5 55 1 8.5

[0072] 提取和制浆的整合

[0073] 由于本发明的一个优点是提取回收的最大化同时保持浆性质，所以需要提取和制浆步骤的整合。为了完成该任务，在图5显示的范围中确定最佳条件下提取的碎片的制浆率、产率和浆性质，并对提取和制浆条件进行任何必要的调整。例如，已发现在多个实施方1 1
案中，可通过在温度范围90-100℃达1-3小时或100-130℃达 /2-1/2处理芦竹碎片来生产芦竹浆。

[0074] 下面表3列出了使用芦竹茎碎片进行整合的提取和制浆的结果。

[0075] 表3

[0076]

[0077] 富含半纤维素的提取液的纯化

[0078] 有两种用于低成本纯化半纤维素的方法。第一个，由于半纤维素具有较高的分子量(≈25,000至200,000)而可溶性木质素和植物提取物具有较低的分子量(≈250至6,000)，具有这些范围之间的孔径或截留尺寸的膜允许高和低MW级分的相当有效的分离。
例如，商购可得的陶瓷膜(例如从Pall Corporation可得到的超滤膜)允许以低操作成本分离窄的MW级分。这些膜能耐受更具侵袭性的反流清洁循环并可通过在马弗炉中加热被彻底清洁。因此，膜寿命与基于聚合物的膜相比非常长。

[0079] 第二个，商购系统可用于得到的沉淀木质素的酸化和过滤。该类系统简单且不贵，但取决于木质素性质可能难于操作。此外，对下游糖发酵或氢化非常有害的提取物仍保持与半纤维素一起，必需通过分离操作被除去。

[0080] 富含半纤维素的提取液的纯化(即，木质素、提取物去除)

[0081] 使用小规模膜测试设备来选择用于从如上所述产生的半纤维素级分分离杂质的准确膜孔径，并且来确认分离是可行的。通过被膜截留的、可得到的总半纤维素级分，和通过膜的、可得到的木质素和植物提取物级分，测定性能效率。

[0082] 用于发酵和氢化试验的充分纯化纤维素的生产

[0083] 下游发酵和氢化步骤可容许一定量的木质素和植物提取物杂质。因此，因为经济原因，完全的纯化不是必需的。为了确定可容许的杂质量，产生含三个不同量这些杂质的纯化半纤维素产物。然后使这些产物水解为5和6碳单糖混合物并经历发酵试验。测量了转化为乙醇的速率、被存在的杂质抑制的程度和乙醇或副产物的总产率。

[0084] 实验-纯化步骤

[0085] 以膜超滤处理按照上面说明的提取步骤中所述制备的提取液，以产生富含较高分子量、多分散半纤维素级分(MW≈10,000至300,000)的膜滞留物流级分和富含较低分子量、碱溶性、多分散木质素(MW≈500至5000)的膜渗透物流。进料流的化学组成、平均分子量和分子量范围取决于芦竹农艺学条件、收割时的年龄和上面说明的提取步骤中所使用的条件。因此，膜孔径和超滤操作条件随着进料的来源和处理而变化。操作条件落入以下范围：

[0086] 进料流：3至35％总固体

[0087] 温度：25至50℃

[0088] 膜截留分子量(MWCO)：1000至300,000

[0089] 对于上面MWCO所对应的孔径：0.0015至0.035微米

[0090] 操作压力：0.5至5巴

[0091] 半纤维素浓缩至约20％固体

[0092] 发酵和氢化速率和乙醇或二元醇共混物的最终产率受混合糖进料浓度的直接影响。典型地，在进料流中固体为20至25％时，结果被最大化且操作成本被最小化，对于每种情况必需确定最好的操作条件。

[0093] 实验-浓缩步骤

[0094] 使用膜超滤将上面说明的纯化步骤中回收的富含半纤维素的滞留物流浓缩至10至35％总固体含量，所述超滤膜具有经选择以产生富含多分散半纤维素级分的滞留物流和主要由水和低分子量无机及有机溶质物质组成的渗透物流的膜孔径。对于该浓缩步骤的最佳孔径取决于提取条件和上面说明的纯化步骤中采用的条件(二者均影响所回收的多分散半纤维素的分子量，和使那种物质保留而使较低分子量物质通过膜所需的孔径)。用于该步骤的操作条件落于以下范围：

[0095] 进料流：3至35％总固体

[0096] 温度：25至50℃

[0097] MWCO：1000至30,000

[0098] 相应的孔径：0.0015至0.0044

[0099] 操作压力：0.5至5巴

[0100] 富含半纤维素流的整合纯化和浓缩

[0101] 商购系统可用于常规制浆液的蒸发浓缩。此外，已开发了用于木质素去除的其它系统。但是，由于几个原因不能使用目前方法中的这些系统。在常规碱法制浆系统中，植物材料中的半纤维素部分被很大程度地解聚，产生化学改性结构(称为糖酸)的复杂混合物，它们与可溶性木质素级分完全脱离。这些化学物质太大程度地被改性以至于不能用于发酵或氢化过程。然后可通过酸化使那些木质素沉淀出来。已通过重力沉降或不溶性木质素的过滤分离出得到的沉淀。这类系统简单且不贵，但凝胶状、亲水性木质素堵塞正常的过滤介质并在过滤或沉降系统中抗脱水。结果，这些系统难于操作，将难于适应此处所述的系统中实际的木质素与半纤维素分离，并且对大规模处理具有有限的实际用途。

[0102] 此外，有意选择此处所述的生物质处理条件以保持作为高分子量低聚物的半纤维素结构。作为这些温和条件的结果，木质素与半纤维素之间的化学相互作用阻止可溶性木质素沉淀沉淀出来。

[0103] 因此，已开发出工艺步骤的新组合，该组合通过水去除和可溶性木质素与半纤维素衍生的5和6碳糖的分离允许工艺流的便宜浓缩。得到的经浓缩和纯化的糖混合物可用于发酵或用于进一步化学处理，例如氢化，以产生简单二元醇的混合物。

[0104] 上面所述的温和提取条件导致产生具有与常规制浆方法大相径庭的化学和物理行为的可溶性木质素和半纤维素低聚物。与常规方法不同，这些可溶性木质素和半纤维素低聚物以较小的化学改性溶解并以大分子进入可溶性状态。这些大结构被具有允许水、可溶性植物提取物和无机盐通过膜进入渗透液的适当孔径的膜容易地保留。这些大分子具有在膜-溶液界面上和附近形成凝胶状沉积物的独有的和有限的趋势。少量的凝胶状沉积物允许快速的水去除(浓缩)以及植物提取物和无机盐去除(纯化)，与正常高温提取/制浆方法得到的类似材料相比，具有少得多的膜堵塞和任何有关的所需清洁循环或膜更换。

[0105] 富含半纤维素提取液的浓缩条件范围(即，水、提取物和无机盐去除)[0106] 使用膜测试设备来选择适合于如上所述提取步骤中产生的木质素/半纤维素级分浓缩的膜孔径范围。通过滞留物的最终浓度、每单位面积和时间的最初和最后渗透通量、木质素和半纤维素的保留、渗透树脂/脂肪酸含量的下降和由无机盐到渗透液中的转移产生的导电率来测定性能效率。

[0107] 实验-浓缩步骤

[0108] a.原料

[0109] 对含有按上面所述提取步骤制备的从芦竹提取的材料和含有溶解的木质素、半纤维素和植物提取物的液体进行处理以除去水(浓缩)、树脂/脂肪酸和可溶性无机盐。总固体含量的变化证明了水去除程度，滞留物和渗透液的滴定测定了树脂/脂肪酸分离，和渗透液导电率的动态表明了无机盐到渗透液中的转移。进料流的化学组成、平均分子量和分子量范围将取决于芦竹农艺学条件、收割时的年龄和上面所述提取步骤中所采用的条件。因此，如本领域技术人员应理解的，膜孔径和超滤操作条件将随着进料的来源和处理而变化。对于该应用，约300至30,000道尔顿孔隙率范围内的膜在回收率和通量率方面变化。

[0110] b.条件和结果

[0111] 在如上所述的提取步骤中制备的提取液进料含2.83％总固体，其中63％为半纤维素、30％木质素、2％树脂和脂肪酸、5％无机钠盐和每厘米12,700微西门子的导电率。使用孔径从“紧密的”250道尔顿纳滤器到“开放的”30,000道尔顿超滤器范围内的5种不同过滤介质将该液体进料浓缩至约23％固体。

[0112] 表4中显示的纳滤器和超滤器在约250道尔顿到约30,000道尔顿的孔径范围内并由不同聚合物材料构成。导致物质的截留或接受进渗透液的可溶性大分子与过滤介质之间的复杂相互作用很大程度上取决于对溶胀的、可溶性分子尺寸和对分子与特定过滤介质化学的相互作用开放的孔径比例。纳滤器1-3和超滤器1-2的孔径增加。小孔径需要较高的操作压力以产生合理的渗透液流量。作为更多的物质通过更开放的膜的结果，渗透液含有更多的固体和更高的导电率。最“开放的”超滤器几乎使所有的小无机盐通过而进入渗透液，因为导电率与进料大概相同。所有纳滤器产生不含木质素的无色渗透液，因此所有的该物质被这些过滤器截留并保留在滞留物中。超滤器的较大孔使少量的有色木质素通过而进入渗透液。所有过滤器使树脂酸/脂肪酸进料内含物通过而进入渗透液，因为没有该物质被保留在任何滞留物中。

[0113] 最后，尽管紧密的(纳滤器1)和开放的(超滤器2)过滤器之间的过滤器孔径的巨大差别，但对于所有的过滤器平均渗透通量率是相似的。与宽范围孔径无关的该通量率的相似性归因于大分子进入并堵塞大于该分子的那些孔。结果，尽管较大的超滤孔径，但通量率也没有显著增加。最佳的膜将取决于可被下游加工需求例如发酵和氢化接受的木质素和无机盐杂质的量。对于该应用，纳滤器3可提供最佳的通量率/无机物接受/有色木质素截留。

[0114] 表4.提取液的实例膜脱水和纯化

[0115]

[0116] *gfd指加仑每天每平方英寸。

[0117] 半纤维素水解为5和6碳糖

[0118] 实验-水解步骤-方法1

[0119] 从前述步骤得到的纯化和浓缩的半纤维素流是在聚合物链中分别以约90、6、3、1的相对量(取决于生物质来源和前述步骤的条件)主要含5和6碳木糖、葡萄糖、甘露糖和阿拉伯糖结构的多分散聚合物混合物。用由木聚糖酶、纤维素酶、β糖苷酶和甘露聚糖酶构成的酶混合物处理浓缩流，所述酶起到使聚合物链中的这些糖之间的糖苷断裂的作用，并分别释放木糖、葡萄糖、甘露糖和阿拉伯糖。该作用导致产生适合于出售给第三方的这些糖的混合物的浓缩水溶液(以与进料到该水解步骤大概相同的固体浓度)。

[0120] 因为半纤维素组成随着原料及步骤1和2中采用的条件而变化，所以用于该水解步骤的酶的比例会改变且就各种情况必需被调整。所述条件落入以下范围：

[0121] 反应时间：1至10小时

[0122] 酶与糖的质量比：1/5至1/50

[0123] 温度：45至55℃

[0124] pH：4.6至5.4

[0125] 实验-水解步骤-方法2

[0126] 在pH 4.5 120℃的标准条件下1小时将这些液体流中的所有半纤维素以约99％产率转化为5和6碳糖的混合物。戊糖与己糖的比例取决于生物质进料的类型。对于芦竹，比例计为约9/5/3/2的木糖/葡萄糖/半乳糖/甘露糖。木糖是5碳糖而其它的是6碳糖。

[0127] 5和6碳糖混合物的纯化和浓缩

[0128] 发酵和氢化速率和乙醇或二元醇混合物的最终产率受混合糖进料浓度的直接影响。典型地，在进料到这些过程中的进料流中20至25％糖固体的情况下，结果被最大化且操作成本被最小化。来自前述步骤的5和6碳单糖的回收和浓缩包括两个顺序操作。首先，使糖与前述步骤的产物中含有的木质素分离，以5至15％总固体产生高度纯化、富含糖的渗透液。其次，当制备用于出售给发酵或化学处理客户时，将该流浓缩至约20-30％固体。

[0129] 使用表3所示的膜容易将小尺寸糖(低分子量)与较大分子量木质素分离。在约10gpd的通量率下，木质素从渗透液的截留是100％，渗透液中的糖回收约95％。从得到的富含糖的渗透液去除水需要反渗透孔径范围(30-150道尔顿)内的膜。

[0130] 富含糖渗透液的浓缩的操作条件和结果

[0131] 分别使用30和40道尔顿但由不同化学组成制成的两个反渗透膜将从水解步骤得到的并且含2.2％混合糖的原料溶液浓缩至20％总固体。平均通量率分别是90和150gfd。后者的较高通量率是进料和膜化学不同相互作用的结果。尽管反渗透膜的“紧密”孔径，对于延长的时间段而言通量仍几乎不变，表明事实上在该应用中没有孔堵塞并且可能表明非常长的操作时间，与此同时用于膜清洁或替换的很少的故障时间。

[0132] 尽管为了说明的目的已显示和描述了本发明的具体步骤、要素、实施方案和应用，但当然应理解本发明不限于此，因为在不偏离本发明的精神和范围的情况下，特别根据前述，教导本领域的技术人员可进行修改。因此，本发明仅受所附权利要求的限制。

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