用于从植物材料的有机酸预处理回收产物的有效方法和组合物

本申请是申请号为“201880093860.0”，发明名称为“用于从植物材料的有机酸预处理回收产物的有效方法和组合物”的发明申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及组合物和工艺，其涉及：(i)从来源于植物材料的有机酸预处理的纤维素浆中回收有机酸，(ii)在转化为葡萄糖之前处理从纤维素浆中回收的纤维素，该纤维素浆来源于植物材料的有机酸预处理，(iii)从来源于植物材料的有机酸预处理的木质素悬浮液中分离和清洁木质素，(iv)从植物材料的有机酸预处理的水相中回收有机酸，(v)从来源于植物材料的有机酸预处理的含半纤维素的级分中回收残余的有机酸，以及(vi)由来源于植物材料的有机酸预处理的纤维素和半纤维素汁生产的有机肥料。

背景技术

在第一方面，本发明涉及一种通过干燥器和脱溶剂器的组合施加，从纤维素浆中回收有机酸的方法。本发明的该方面通过允许回收和再利用有机酸来提高现有的有机酸预处理工艺的效率，所述有机酸用于溶解木质纤维素植物材料中所含的半纤维素和木质素。在植物材料的有机酸预处理的溶解步骤之后，获得可溶性部分和不溶性部分的混合物。在将混合物分离成可溶性级分和不溶性级分之后，获得纤维素浆和萃取液。纤维素浆为约62％的主要由有机酸和水组成的可溶性级分和38％的主要由未溶解的纤维素组成的不溶性级分。

适合于本发明应用的有机酸预处理工艺描述于国际专利公开WO2011/154293和WO2010/006840中，其内容通过引用以其整体并入本文。本发明还涉及从有机酸预处理工艺步骤中回收有机酸，所述工艺步骤涉及部分消除木质素以获得0.3％至4％的木质素残余的总水平。这样的步骤描述于国际专利公开WO2012/049054中，其内容通过引用以其整体并入本文。

在这样的工艺中，损失的有机酸不仅代表单元操作成本的显著部分，而且未回收的有机酸也对环境考虑因素具有影响。因此，从通过植物材料的有机酸预处理生产的纤维素浆中有效回收有机酸，提供优于现有方法的经济和环境优点。

在另一方面，本发明进一步涉及通过中和与碱化的组合来处理纤维素的工艺，其中所述纤维素来源于用于生产生物乙醇或其它产物的现有工艺，包括植物材料的有机酸预处理。这样的现有工艺描述于美国专利公开2013-0183733，其内容通过引用以其整体并入本文。

通过包括有机酸预处理步骤的工艺生产生物乙醇，涉及通过使木质纤维素植物材料经受甲酸、乙酸和水的混合物来使其结构破坏的初始步骤，下一步骤涉及将纤维素与其它材料分离。为了实现所分离的纤维素的酶水解的最佳可能产率，公开了在酶水解步骤之前部分消除木质素，通过用氢氧化钠处理纤维素，随后进行旨在在酶水解之前消除残余的氢氧化钠的洗涤步骤，进行这样的纤维素的处理，以消除木质素，以实现优选的木质素水平，其中木质素的残余的总体水平等于约1.65％。

通常，通过直接向纤维素中加入氢氧化钠以将pH调节至pH 10至pH 12，随后进行分离步骤以将混合物分离成经处理的纤维素和滤液(主要含有氢氧化钠和其它可溶性级分)，对来源于植物材料的有机酸预处理的纤维素进行处理。通过现有的有机酸预处理工艺生产的纤维素含有来自预处理工艺的残余的有机酸，其范围在干燥的纤维素的0.5重量％-5重量％之间。这些残余的酸的中和消耗大量的氢氧化钠，这直接导致生物乙醇生产的成本增加，并且间接导致滤液处理的成本增加。因此，在纤维素的后续处理之前，使达到操作pH范围所需的氢氧化钠的量最小化的方法，代表了优于现有方法的特别重要的优点。

在另一方面，本发明涉及一种通过使用离心从来源于植物材料的有机酸预处理的木质素悬浮液中分离和清洁木质素的工艺。

有机酸预处理工艺使用有机酸溶液作为试剂来溶解植物材料中所含的半纤维素和木质素，分离后，将萃取液从混合物中分离。将主要由纤维素、溶解的半纤维素、木质素、矿物质、有机酸、水等组成的萃取液通过蒸发系统浓缩，以去除部分有机酸和水，根据经浓缩的萃取液的总重量计算，至干物质含量为55％-65％。该现有工艺描述于国际专利公开WO2000/068494、WO2009/092749、WO 2011/154293和WO 2015/185639中，其各自的内容通过引用以其整体并入本文。

在这样的工艺中，通常通过将木质素分散在经浓缩的萃取液和水的混合物中来获得木质素悬浮液，并且存在于木质素悬浮液中的木质素和糖的分离经由压滤机分离。在分离木质素之后，获得包含木质素和糖的液体的压滤饼。用水或通过空气和水的组合洗涤压制的木质素饼，以获得最终洗涤的木质素和洗涤液。

然而，在整个工艺中压滤机不能连续运行，并因此由于装置的结构限制，使用压滤机洗涤所述饼不能生产均匀的产物。木质素的滤饼是矩形的，使得穿过木质素饼的洗涤路径是可变的并且通常是不一致的。本公开提供用于离心回收木质素的方法，从而降低水使用，并因此降低能量消耗，同时改进从木质素悬浮液中回收木质素。

在另一方面，本发明涉及一种通过蒸发与汽提的组合从通过植物材料的有机酸预处理生产的半纤维素混合物中生产半纤维素汁的工艺，所述半纤维素混合物主要包含溶解的半纤维素、有机酸和水。有机酸预处理工艺使用有机酸溶液作为试剂，以在相对低的温度和大气压下溶解木质纤维素原料中所含的半纤维素和木质素，甚至在下一个萃取液处理工艺中在相对低的温度和大气压或真空压力下进行，以防止产生糠醛。

通常，由溶解的半纤维素、木质素、有机酸和水组成的萃取液通过多效蒸发系统浓缩以去除部分有机酸和水，根据浓缩液的总重量计算，至干物质含量为55％-65％。通过用于从萃取液中分离木质素和糖的现有工艺分离浓缩液中所含的木质素，在该工艺中，在分离木质素和糖之前，将浓缩液和水以等重量份混合，经分离的木质素必须用水洗涤以去除残余的糖、有机酸，将全部可溶性材料和水收集在一起，以形成在该工艺中生产的溶解的半纤维素、有机酸和水的半纤维素混合物。这样的工艺描述于国际专利公开WO 2011/154293和WO 2010/006840中，其各自的内容通过引用以其整体并入本文。

半纤维素混合物中的溶解的半纤维素主要包含木糖和阿拉伯糖，其可以用于生产乙醇和其它工业产物。然而，存在于半纤维素混合物中的有机酸将抑制木糖和阿拉伯糖向乙醇和其它工业产物的转化。因此，对于来自半纤维素汁内的可用糖的乙醇的产率最大化，从半纤维素混合物中有效去除有机酸以生产半纤维素汁是特别重要的。

在另一方面，本发明涉及从通过植物材料的有机酸预处理工艺生产的高水含量有机酸溶液中回收有机酸。通常，在这样的工艺中有机酸的含量高于溶液总重量的83％。有机酸用作试剂以在相对低的温度和大气压下溶解木质纤维素原料中所含的半纤维素和木质素，以避免在预处理工艺期间产生糠醛。分离后，液体含有溶解的半纤维素、木质素、有机酸、水和其它成分。通过蒸发系统浓缩由有机酸溶液中的水和原料中的水构成的水，以去除部分具有水的有机酸，其形成高水含量有机酸溶液物的第一流。

在该工艺中，通过用于从萃取液中分离木质素和糖的现有工艺来分离浓缩液中所含的木质素，在从浓缩液中分离木质素之前，将浓缩液与水混合，以浓缩液的等重量份沉淀浓缩液中的木质素。随后，用水洗涤经分离的木质素以去除残余的糖、有机酸和其它水溶性组分。

将所有可溶性材料与水，浓缩液中剩余的水、用于沉淀木质素的浓缩液中混合的水、以及用作洗涤水的水，收集在一起，以形成主要由溶解的半纤维素、有机酸、(在该工艺中剩余的和加入的)水和其它次要组分组成的混合物。这样的工艺描述于国际专利申请WO2011/154293和WO 2010/006840中，其各自的内容通过引用以其整体并入本文。

为了从高水含量有机酸溶液中有效地去除有机酸而不管其来源，公开了一种蒸发与汽提的组合的工艺。所公开的工艺包括第一程多效蒸发器以用水从混合物中部分地蒸发有机酸，主要包含有机酸和水的蒸发器的冷凝物形成高水含量有机酸溶液的第二流。

将来自蒸发器的经浓缩的有机酸混合物进料到汽提塔，其中进一步去除有机酸至含量小于2％，来自汽提塔的冷凝物形成高水含量有机酸溶液的第三流。

高水含量有机酸的第四流来源于通过使用适合于利用蒸汽以从干燥的纤维素浆中去除残余的有机酸的脱溶剂器从纤维素浆中回收有机酸，所述纤维素浆含有约62％的可溶性部分(其主要由有机酸和水组成)和约38％的不溶性部分(其主要由纤维素组成)。在本发明的该方面，来自脱溶剂器的冷凝物形成高水含量有机酸溶液的第四流。

为了将有机酸和水再循环至有机酸预处理工艺，需要从高水含量有机酸溶液的这四个流中去除高水含量有机酸溶液的这四个流的另外的水，以满足萃取和脱木质素步骤对水含量的要求。

在另一方面，本发明涉及一种通过利用来自纤维素和半纤维素汁的釜馏物生产有机肥料的方法。

本发明基于有机酸预处理植物材料，其中植物材料特别是谷物秸秆用作原料。通过有机酸预处理工艺将木质纤维素原料分离成纤维素、半纤维素汁和木质素，水解和发酵纤维素和半纤维素汁，以及将大部分纤维素和半纤维素汁转化为乙醇描述于国际专利申请WO 2015/185639中，其内容通过引用以其整体并入本文。

通常，在发酵后生产燃料乙醇的工艺中，将经发酵的纤维素和半纤维素汁的混合物进料到蒸馏系统的醪塔(mash column)，在这里萃取乙醇以生产燃料乙醇。在这样的工艺中，从醪塔的底部释放残渣。有机酸预处理工艺的一个结果是木质纤维素原料的大部分营养成分(蛋白质、钾、磷酸盐等)被分离成半纤维素汁，并作为釜馏物与发酵材料(酵母、甘油等)混合。使用该釜馏物成为关键问题，如果没有生产性用途，则釜馏物将作为废物被处理，并且这样的废物的处理是昂贵的。在现有工艺中，没有提出好的方法。本发明的该方面提供了一种倾析和蒸发釜馏物固体的工艺，以形成有价值的有机肥料基础，同时来源于釜馏物液体的蒸气作为热电偶有助于釜馏物固体蒸发系统，从而产生一种回收和加工以其他方式无生产性的釜馏物的热力学有效的方法。

发明内容

本发明的第一方面公开了通过干燥器和脱溶剂器的组合从纤维素浆中有效、彻底且经济地回收有机酸的方法和组合物。所述方法包括第一步，其使用干燥器以将有机酸降低至5％至12％的含量，根据所述经干燥的纤维素浆的总重量计算。在该水平下，难以通过连续干燥进一步去除有机酸。为了克服该缺陷，本发明包括第二步，其中使用脱溶剂器，使用直接蒸汽作为脱溶剂化介质以进一步去除有机酸，相对于脱溶剂化的纤维素浆的总重量，以将有机酸含量降低至小于2％。

本发明的另一方面提供一种通过中和与碱化的组合来处理纤维素的工艺和组合物，其尽可能使用最少量的氢氧化钠来制备用于酶消化的纤维素，以及将氢氧化钠溶液从碱化步骤再循环到中和步骤的手段，使用最少量的氢氧化钠来降低生物乙醇生产和处理伴随废物的成本。

本发明的另一方面提供了使用离心的木质素分离和清洁工艺和组合物，其进一步包括再循环离心液的特定部分并且在线洗涤以获得纯木质素，以降低总的水消耗并且获得高品质木质素。

本发明的另一方面是通过将蒸发与汽提组合，从溶解的半纤维素、有机酸和水的半纤维素混合物中有效且经济地去除有机酸的工艺，以生产半纤维素汁组合物。所述工艺在第一步中包括多效蒸发系统，以用水部分地蒸发有机酸至40％-70％的干物质含量，根据经浓缩的半纤维素汁的总重量计算。所述工艺进一步包括第二步，其中将经浓缩的半纤维素汁进料到汽提塔，其中进一步去除有机酸至含量小于2％，根据半纤维素汁的总重量计算。

本发明的另一方面是通过包括多塔蒸馏的工艺从高水含量有机酸溶液中有效且经济地去除水的工艺，以生产适合于在有机酸预处理工艺内的后续再循环的组合物。所述工艺的特征在于a)采用2-5塔蒸馏系统来回收有机酸，以及b)仅将新鲜蒸汽进料到多塔蒸馏系统的第一塔，以及c)依次将从前一个塔中释放的蒸气提供给后续塔作为热能，以及d)将高水含量有机酸溶液的一个或多个流进料到多塔系统内的不同塔中，以平衡构成蒸馏系统的塔的能量需求，以及e)调节第一塔的冷凝物中的有机酸的含量，以使新鲜蒸汽消耗最小化，以及f)将从多塔蒸馏系统排出的总有机酸和总水再循环到构成植物材料的有机酸预处理的整个工艺中，这可以最大程度地降低能量，即回收有机酸的蒸汽消耗，同时可以将总有机酸和水再循环到预处理工艺中。

本发明的另一方面是利用纤维素和半纤维素汁的发酵的釜馏物以有效且经济地生产有机肥料组合物的方法。釜馏物富含有机物质和养分，其满足作为有机肥料的需求。有机肥料可以改进土壤品质，以及向植物(如谷物)提供养分。相反，化学肥料甚至在向植物提供养分的同时也会损害土壤。有机肥料是农业的重要新兴方向。本发明的该方面的特征在于，通过有效且经济的方法使用釜馏物(发酵副产物)来生产有价值的有机肥料。所述方法包括通过倾析来分离釜馏物，以获得釜馏物的固体级分和包含釜馏物的更稀级分的稀釜馏物。所述方法进一步包括通过多效蒸发系统浓缩所述稀釜馏物，以获得经浓缩的釜馏物，将所述固体级分与浓缩的釜馏物混合以获得混合物，通过干燥器干燥所述混合物以获得有机肥料，从干燥器释放的蒸气作为多效蒸发系统的热能，将新鲜蒸汽进料到多效蒸发系统作为补充热能。本发明公开了以下技术方案：

方案1.一种通过多塔蒸馏从高水含量有机酸溶液中回收有机酸的方法，包括以下步骤：

a)采用2至5塔蒸馏系统来回收所述有机酸，以及

b)将直接蒸汽仅进料到所述多塔蒸馏系统的第一塔中，以及

c)依次由从前一个塔中释放的蒸气向后续塔提供蒸汽，以及

c)将高水含量有机酸溶液的一个或多个流进料到所述多塔系统内的不同塔中，以平衡构成所述蒸馏系统的塔的能量需求，以及

d)调节所述第一塔的所述冷凝物中的有机酸的含量，以使新鲜蒸汽消耗最小化，以及

e)再循环从所述多塔蒸馏系统排出的所述总有机酸和总水。

方案2.根据方案1所述的方法，其中所述高水含量有机酸溶液包含甲酸、乙酸和水。

方案3.根据方案1所述的方法，其中所述高水含量有机酸溶液包含甲酸和水。

方案4.根据方案1所述的方法，其中所述高水含量有机酸溶液包含甲酸和乙酸。

方案5.根据方案1所述的方法，其中所述高水含量有机酸溶液包含甲酸。

方案6.根据方案1所述的方法，其中所述高水含量有机酸溶液包含乙酸。

方案7.根据方案1所述的方法，其中所述多塔蒸馏使用包含2-5个塔的蒸馏系统进行。

方案8.根据方案1所述的方法，其中所述多塔蒸馏使用包含4个塔的蒸馏系统进行。

方案9.根据方案1所述的方法，其中将所述最高水含量有机溶液流引导至所述蒸馏系统的最后的塔。

方案10.根据方案1所述的方法，其中将最低水含量有机酸溶液流引导至所述蒸馏系统的第一塔。

方案11.根据方案1所述的方法，其中在从所述第一塔的顶部排出的所述冷凝物中，所述有机酸和水的有机酸含量为0.5重量％至10重量％。

方案12.根据方案1所述的方法，其中在所述第一塔的底部输出中，所述有机酸和水的水含量为5重量％至15重量％。

方案13.根据方案1所述的方法，其中在从后续塔的顶部输出的冷凝物中，所述有机酸和水的有机酸含量为0.2重量％至1重量％。

方案14.根据方案1所述的方法，其中将全部冷凝物再循环到所述有机酸预处理工艺。

方案15.根据方案1所述的方法，其中所述多塔蒸馏在所述第一塔中的温度为120℃至175℃。

方案16.根据方案1所述的方法，其中所述多塔蒸馏在所述最后的塔中的温度为50℃至95℃。

方案17.根据方案1所述的方法，其中将新鲜蒸汽仅进料到所述多塔蒸馏系统的所述第一塔。

方案18.根据方案1所述的方法，其中所述后续塔依次利用从前一个塔释放的蒸气作为热能。

附图说明

图1是说明如何通过干燥器和脱溶剂器单元的组合从纤维素浆中回收有机酸的工艺图。将纤维素浆(21)引入到干燥器单元(101)中，以获得经干燥的纤维素浆(22)和蒸气(23)。蒸气(23)用于向萃取液浓缩系统以及整个系统内的其它操作单元提供热能。将经干燥的纤维素浆(22)进料到脱溶剂器(103)，通过利用直接蒸汽(23)作为脱溶剂化介质以进一步去除有机酸，以获得脱溶剂化的纤维素浆(24)。将来自脱溶剂器单元的蒸气(25)进料到冷凝器I(104)。将来自冷凝器I(104)的未冷凝蒸气(26)进料到冷凝器II(105)。可以将来自冷凝器I的经冷凝的蒸气溶液(27)和来自冷凝器II(105)的经冷凝的蒸气溶液(28)合并，以形成有机酸溶液(13)。

图2是说明脱溶剂器(103)的结构的示意图。将经干燥的纤维素浆(22)通过进料入口(106)进料到脱溶剂器(103)的顶部。直接蒸汽(23)从板(109)的孔喷出，然后通过经干燥的纤维素浆的层排出，同时直接蒸汽将经干燥的纤维素浆中所含的残余的有机酸带出，以形成有机酸蒸气，有机酸蒸气从脱溶剂器(103)的蒸气出口(107)释放。将释放的有机酸蒸气进料到冷凝器I(104)，并将冷凝器I(104)内的未冷凝的蒸气进料到冷凝器II(105)。冷凝器I(104)和冷凝器II(105)的冷凝物形成有机酸溶液(13)。脱溶剂化后，脱溶剂化的纤维素浆(24)由旋转式排出器(108)排出。

图3是说明通过中和与碱化的组合来处理纤维素的示意图，其中将纤维素(21)进料到中和罐(101)，在这里加入氢氧化钠(23)和再循环的氢氧化钠溶液(22)，以形成经中和的纤维素混合物(24)。将经中和的纤维素混合物(24)进料到压机I(102)中，以获得滤液(25)和经中和的纤维素(26)。将滤液(25)排出到废水处理系统(103)，而将经中和的纤维素(26)进料到碱化反应器(104)。在碱化反应器(104)内，加入氢氧化钠(27)，以获得经碱化的纤维素混合物(28)。将经碱化的纤维素混合物(28)进料到压机II(105)中，以获得再循环到中和罐的氢氧化钠溶液(22)和最终经碱化的纤维素(29)产物。

图4是说明用于生产纯木质素的工艺的工艺图。在该工艺中，将第三离心液(21)与经浓缩的萃取液(22)混合，以形成混合物，通过使用连续或间歇乳化器(101)在悬浮罐(102)中乳化该混合物，以形成稳定的木质素悬浮液(23)。然后，将木质素悬浮液(23)进料到离心机(103)中，在这里将木质素悬浮液分离成木质素层和第一离心液(25)。将第一离心液(25)递送到多效蒸发系统(104)用于半纤维素汁生产。引入第一洗涤水(27)以洗涤木质素层，以生产第二离心液(26)。第一洗涤水可以是来自图10-13的酸蒸馏单元(5)的冷凝器I的高酸含量水。也将第二离心液(26)递送到多效蒸发系统(104)用于半纤维素汁生产。将第二洗涤水(28)引入到木质素层，以生产至少第三离心液(21)。第二洗涤水可以包含来自除图10-13的酸蒸馏单元(7)的冷凝器I之外的其它冷凝器的低酸含量洗涤水，或淡水(29)，或两者的混合物。可以将第三离心液和任何后续离心液合并，并再引入到悬浮罐(102)中以悬浮木质素。经洗涤的木质素从离心机中排出作为纯木质素(24)。

图5说明生产半纤维素汁所涉及的步骤的顺序。通过木质素沉淀、过滤和洗涤从萃取液中分离的原始半纤维素汁(21)，被进料到多效蒸发系统(101)。通过多效蒸发器系统生产经浓缩的半纤维素汁(22)和经冷凝的有机酸(23)。将新鲜蒸汽(26)和经浓缩的半纤维素汁(22)引入到汽提塔(102)中，以进一步去除有机酸，并获得有机酸含量小于经汽提的半纤维素汁总重量的2％的经汽提的半纤维素汁(24)和新冷凝的酸(25)。

图6形象地详述了2效蒸发和汽提系统。在实施例4中描述内部标记。

图7形象地详述了3效蒸发和汽提系统。在实施例4中描述内部标记。

图8形象地详述了4效蒸发和汽提系统。在实施例4中描述内部标记。

图9是通过多塔蒸馏从高水含量有机酸溶液中回收有机酸的工艺的流程图。将木质纤维素植物原料(11)进料到萃取步骤(101)。在萃取步骤(101)中，将有机酸(12)加入到植物材料中，以溶解来自植物原料(11)的半纤维素和木质素，以获得萃取混合物(13)。通过从萃取混合物中分离(102)可溶的和悬浮的颗粒来生产萃取液(14)，其中不溶的和未悬浮的残渣包含纤维素浆(15)。将纤维素浆(15)在干燥器(109)中干燥以生产经干燥的纤维素浆(27)，并且可以在萃取步骤(101)中再循环来自干燥器的冷凝物，包括有机酸。在该工艺中，将萃取液(14)进料到蒸发系统(103)中以部分去除残余的有机酸和水，以形成高水含量有机酸溶液的第一流(1)并获得浓缩液(16)。将浓缩液(16)进料到木质素分离(104)步骤中，在该步骤中，加入水(17)使木质素沉淀，允许从浓缩液(16)中分离木质素，获得分离的木质素(18)和具有水的可溶性材料(19)。木质素需要在一系列木质素洗涤步骤(22)中用各种洗涤水(20)洗涤，以去除残余的糖、有机酸和其它水溶性成分。将来自木质素洗涤步骤(105)的水和具有洗涤水的可溶性材料(19)汇集，以形成半纤维素、有机酸、水和其它水溶性成分的混合物(23)。为了从该混合物(23)中去除有机酸并降低水含量，使混合物(23)经受多效蒸发(106)。多效蒸发器的冷凝物形成高水含量有机酸溶液的第二流(2)。在多效蒸发(106)之后，将经浓缩的混合物(24)进料到汽提塔(107)中，其中将有机酸进一步去除至含量小于2％，来自汽提塔的冷凝物形成高水含量有机酸溶液的第三流(3)和半纤维素汁(25)。为了从经干燥的纤维素浆(15)中去除有机酸，脱溶剂器(108)适合于使用直接蒸汽(26)以去除残余的有机酸。来自脱溶剂器的冷凝物形成高水含量有机酸溶液的第四流(4)和脱溶剂化的纤维素浆(28)。将高水含量有机酸溶液的四个流进料到多塔蒸馏系统(110)中，以降低水含量。在从第一塔的顶部排出的冷凝物中，获得酸含量为0.5-10％的水性酸溶液(5)。后续塔生产酸含量为0.2％-1％的冷凝物(7)排出物。酸含量为5％-15％的水性酸溶液(6)构成第一塔的底部输出。其中所有酸的百分比都是按重量计算。

图10说明2塔蒸馏系统的细节。在实施例5中描述内部标记。

图11说明3塔蒸馏系统的细节。在实施例5中描述内部标记。

图12说明4塔蒸馏系统的细节。在实施例5中描述内部标记。

图13说明5塔蒸馏系统的细节。在实施例5中描述内部标记。

图14是说明从乙醇蒸馏系统的醪塔(100)的底部的发酵釜馏物(21)生产有机肥料的工艺图。将釜馏物(21)进料到倾析器(101)中，以获得固体级分(22)和稀釜馏物(23)。将稀釜馏物(23)进料到多效蒸发系统(102)，以产生经浓缩的釜馏物(24)。将固体级分(22)和经浓缩的釜馏物(24)进料到混合器(103)中，其中将两种级分混合以获得混合物(25)。将混合物(25)进料到干燥器(104)中以获得经干燥的混合物(26)，并且该经干燥的混合物(26)代表高品质有机肥料。可以将从干燥器(104)释放的蒸气(27)进料到多效蒸发器(102)中，以提供用于蒸发工艺的热能，将新鲜蒸汽(28)进料到多效蒸发系统(102)作为补充热能。

具体实施方式

从纤维素浆中回收有机酸

本发明的第一方面公开了通过干燥器和脱溶剂器的组合从纤维素浆中有效、彻底且经济地回收有机酸的方法和组合物。有机酸和脱溶剂化的纤维素浆通过包括以下步骤的工艺生产：

a)在干燥器中干燥由植物材料的有机酸预处理生产的纤维素浆，以去除有机酸至含量为3％-18％，根据所述经干燥的纤维素浆的总重量计算，以及

b)捕获从所述干燥器释放的蒸气，用于萃取液浓缩系统和其它有机酸预处理操作系统中作为热能来源，以及

c)在萃取液浓缩系统和其它有机酸预处理操作系统中冷凝蒸气，以形成所述有机酸预处理工艺的有机酸溶液的第一相，以及

d)在脱溶剂器中使用直接蒸汽以从所述纤维素浆中进一步去除有机酸至含量小于2％，以及

e)冷凝从所述脱溶剂器释放的有机酸蒸气，以获得所述有机酸预处理工艺的有机酸溶液的第二相。

本发明的该方面涉及一种通过干燥器和脱溶剂器的组合从来源于植物材料的有机酸预处理工艺的纤维素浆中回收有机酸的方法。有机酸预处理工艺使用有机酸作为试剂，来溶解木质纤维素植物材料中所含的半纤维素和木质素。在从可溶性部分和不溶性部分的混合物中分离纤维素浆之后，包括不溶性部分的残渣是纤维素浆。

现有的有机酸预处理工艺可以包括部分消除木质素的步骤，以获得木质素的残余的总体水平为总纤维素浆干重的0.3％-4％。根据纤维素浆的总重量计算，纤维素浆中有机酸的含量可以是35％-65％。根据纤维素浆的总重量计算，纤维素浆中纤维素的含量可以是30％-50％。

如图1所示，将来自有机酸预处理工艺的纤维素浆进料到干燥器。根据经干燥的纤维素浆的总重量计算，干燥器将有机酸降低至3％-18％的含量，一旦有机酸的含量低于3％，则干燥器就不能有效地进一步去除有机酸，如果有机酸的含量高于18％，则脱溶剂器的直接蒸汽消耗是无效率的。

纤维素浆的干燥通过许多形式的干燥器进行，所述干燥器可以包括管式干燥器、气动干燥器、喷雾干燥器、转盘干燥器和本领域技术人员已知的其它干燥器技术；特别优选利用管式干燥器。干燥器步骤可以在90℃至150℃的温度下进行。干燥后，将从干燥器排出的经干燥的纤维素浆进料到脱溶剂器。

从干燥器释放的蒸气可以用于萃取液浓缩系统以及为其它系统提供热能。在萃取液浓缩系统和其它系统中冷凝的来自干燥器的蒸气的冷凝物形成有机酸溶液的第一相，并可以在有机酸预处理工艺中再利用。

在图2所示的脱溶剂器中，根据脱溶剂化的纤维素浆的总重量计算，从经干燥的纤维素浆中进一步去除有机酸至含量小于2％。脱溶剂器可以利用直接蒸汽作为脱溶剂化介质，以进一步从经干燥的纤维素浆中去除有机酸。通过使用直接蒸汽作为在90℃至150℃的温度下进行的步骤d)中的脱溶剂化介质，脱溶剂器可以进一步去除有机酸。

在脱溶剂化步骤之后，脱溶剂化的纤维素浆可以用于生产乙醇和其它产物。

有机酸蒸气还含有从脱溶剂器释放的水，通过有机酸蒸馏系统的冷凝系统回收，其中回收有机酸用于有机酸预处理工艺。冷凝系统通过1-3个冷凝器进行，优选通过2个冷凝器进行。

经碱化的纤维素的生产

本发明的该方面涉及一种通过中和与碱化的组合来处理纤维素以生产经碱化的纤维素的工艺，包括以下步骤：

a)用从所述工艺的步骤d)再循环的氢氧化钠溶液中和由植物材料的有机酸预处理生产的纤维素中所含的有机酸，以形成经中和的纤维素混合物，以及

b)用压机从所述经中和的纤维素混合物中分离经中和的纤维素，并且将所述滤液直接释放到废水处理系统，以及

c)通过在反应器中加入氢氧化钠溶液碱化所述经中和的纤维素，以形成经碱化的纤维素混合物，以及

d)用压机从所述经碱化的纤维素混合物中分离经碱化的纤维素，其中所述氢氧化钠溶液(所述经碱化的纤维素混合物的滤液)包含氢氧化钠，以供在所述工艺的步骤a)中再利用。

在本发明的该方面，由来源于有机酸预处理工艺并通过上述干燥和脱溶剂化步骤汽提残余的有机酸的纤维素浆生产的纤维素，可能仍含有占纤维素总重量的0.5％-5％的残余的有机酸水平。在本发明的该方面，进一步处理这样的纤维素浆，以通过包括中和与后续碱化的工艺形成经碱化的纤维素。

如图3中说明的，在所述工艺的步骤a)中，通过加入从步骤d)中的经碱化的纤维素混合物中分离经碱化的纤维素中再循环的氢氧化钠溶液，中和纤维素中所含的残余的有机酸。氢氧化钠溶液的pH为pH 10至pH 12。在将氢氧化钠溶液加入到纤维素中之后，根据需要，通过加入更多的氢氧化钠将纤维素混合物的pH调节至5-8的范围。相对于当前的处理工艺，使用从用于生产经碱化的纤维素的工艺的最后的步骤再循环的氢氧化钠溶液，可以将氢氧化钠的总消耗从30重量％降低到65重量％。

在步骤b)中，通过使用压机将经中和的纤维素从经中和的纤维素混合物中分离。压机可以是螺旋压机或本领域技术人员已知的其它类型的压机。在该分离步骤中，将在步骤a)中形成的经中和的纤维素混合物分离成两个流，一个流包含经中和的纤维素，另一个流包含滤液。经中和的纤维素的干固体含量为30％-45％。将滤液直接释放至废水处理系统，滤液的pH为pH 5至pH 8，因此无需像现有的处理工艺那样通过滴定来调节pH。

在步骤c)中，在50℃至100℃的温度下，通过向反应器中的经中和的纤维素中加入氢氧化钠溶液至pH为pH 10至pH 12，来碱化经中和的纤维素。在这些条件下，根据纤维素的总重量计算，纤维素中所含的木质素的含量可以降低至1％-2.5％的水平。

在步骤d)中，通过使用压机分离经碱化的纤维素混合物。在该分离步骤中，将经碱化的纤维素混合物被分离成两个流，一个流包含经碱化的纤维素，另一个流包含氢氧化钠溶液。

根据经碱化的纤维素的总重量计算，经碱化的纤维素含有30％-45％的干固体含量。在洗涤步骤之后，该经碱化的纤维素能够以纤维素至葡萄糖的高转化率而被纤维素酶水解。

氢氧化钠溶液可以被再循环用于在步骤a)中中和有机酸。

纯木质素的生产

本发明的该方面涉及一种通过沉淀和离心从木质素悬浮液中分离和清洁木质素的工艺，包括以下步骤：

a)通过分批或连续离心，从由植物材料的有机酸预处理生产的木质素悬浮液中分离木质素，以及

b)通过在离心期间在木质素层上多次施加洗涤溶液来清洁离心机中的沉淀的木质素，以形成多个离心液，以及

c)回收第一离心液和第二离心液，用于半纤维素汁浓缩，以及

d)将用于沉淀所述经浓缩的萃取液中的木质素的第三离心液再循环到有机酸预处理工艺的木质素悬浮液中，以及

e)从所述离心机中排出所述木质素。

本发明的该方面的萃取液从现有的有机酸预处理工艺获得，其中将植物材料中所含的半纤维素和木质素溶解在有机酸溶液中，其中萃取液来源于该有机酸溶液。从混合物中分离萃取液，通过蒸发系统浓缩包含纤维素、溶解的半纤维素、木质素、矿物质、有机酸、水和其它次要成分的萃取液，以去除部分有机酸和水，根据经浓缩的萃取液的总重量计算，至干物质含量为55％-65％。

根据本发明，分离设备是离心机，优选刮板离心机，其可以以连续或间歇模式运行。离心机配备有喷雾装置，其可以将洗涤水均匀地喷到木质素层上，以获得纯木质素。

如在图4中说明的，将来自步骤d)的第三离心液与经浓缩的萃取液混合，以形成混合物，将混合物进料到悬浮罐，在悬浮罐中通过使用连续或间歇式乳化器乳化混合物，以形成稳定的木质素悬浮液。然后，将木质素悬浮液连续地进料到离心机，然后离心机分离木质素悬浮液，以获得第一离心液和木质素层。回收占离心液总体积的10％-60％的第一离心液，用于半纤维素汁生产单元的后续加工。

喷雾装置递送洗涤水，所述洗涤水可以包括甲酸、乙酸和水的混合物，以提供木质素层的在线洗涤。在优选的实施方式中，离心机连续旋转。在连续旋转下，可以将洗涤水均匀地喷在木质素层上，以提供木质素的均匀清洁。在喷雾期间，用洗涤水洗去杂质，回收的洗涤水和杂质形成第二离心液，第二离心液占离心液总体积的10％-30％。离心机继续操作，同时施加后续洗涤，以生产第三离心液和可能更多的离心液。第三离心液和后续离心液可以占离心液总体积的10％-50％。一旦最终的离心液被去除，将木质素层从离心机中排出，以获得包含90重量％-99重量％木质素的纯木质素。

洗涤水可以包含水，或甲酸、乙酸和水的混合物，其中根据混合物的总重量计算，混合物的甲酸含量为0％-30％，并且根据混合物的总重量计算，混合物的乙酸含量为0％-20％。甲酸、乙酸和水的混合物可以来源于通过酸蒸馏单元从高水含量有机酸溶液中回收的有机酸。在优选的实施方式中，引入到离心机中的初始洗涤水来源于高有机酸含量洗涤水。在一些实施方式中，引入到离心机中的第二洗涤水来源于低有机酸含量洗涤水。在一些实施方式中，淡水包含用于清洁木质素层以获得纯木质素的第三洗涤程序和任何后续洗涤程序的洗涤水。

可以回收第一离心液和第二离心液并递送至后续半纤维素汁生产单元，而可以将第三离心液和任何后续离心液再循环至木质素悬浮步骤以降低用于初始木质素沉淀步骤的水消耗，这因此降低半纤维素汁生产和有机酸回收单元的能量消耗。

半纤维素汁的生产

本发明的该方面涉及通过蒸发与汽提的组合生产半纤维素汁的工艺，包括以下步骤：

a)将包含溶解的半纤维素、有机酸、水和通过植物材料的有机酸预处理生产的其它物质的半纤维素混合物引入到多效蒸发系统中，以及

b)在多效蒸发器内蒸发所述半纤维素混合物，以形成其中干物质含量为40％-70％(w/w)的经浓缩的半纤维素汁，以及

c)在汽提塔中从所述经浓缩的半纤维素汁中去除有机酸，以形成半纤维素汁，其中所述半纤维素汁包含小于2％(w/w)的有机酸。

本发明基于现有的植物材料的有机酸预处理工艺，其中使用甲酸和乙酸的混合物或仅使用甲酸来溶解来自木质纤维素植物原料的半纤维素和木质素，在初始分离步骤之后，将包含溶解的半纤维素、木质素、有机酸、水和其它次要成分的萃取液与剩余的不溶性材料(主要包含纤维素)分离。

在木质素沉淀、过滤和洗涤步骤之后，从萃取液中去除木质素，称为半纤维素汁的剩余物包含溶解的半纤维素、有机酸、水和其它次要水溶性成分。

半纤维素汁中的溶解的半纤维素主要包含木糖和阿拉伯糖，其可以用于生产乙醇和其它工业产物。半纤维素汁中剩余的有机酸可以抑制木糖和阿拉伯糖向乙醇和其它工业产物的转化。此外，这样的有机酸代表了在整个有机酸预处理工艺中昂贵试剂的损失。本发明的该方面具体涉及通过一种工艺生产适合于以最少的残余有机酸最优转化为乙醇的半纤维素，该工艺可以同时回收存在于半纤维素汁中的这样的有机酸，以供用于有机酸预处理工艺。

根据半纤维素混合物的总重量计算，半纤维素汁中的溶解的半纤维素的含量为2％-20％。根据半纤维素混合物的总重量计算，半纤维素汁中的有机酸的含量为10-30％。本发明的步骤a)的特征在于，根据经浓缩的半纤维素汁的总重量计算，多效蒸发系统用水部分地蒸发有机酸至40％-70％的干物质含量。

多效蒸发可以降低用于去除有机酸和浓缩半纤维素汁的蒸汽/能量消耗。在一些实施方式中，多效蒸发的特征在于使用2-4效蒸发系统，如图6-8所示。在优选的实施方式中，该工艺使用3效蒸发系统。

在一些实施方式中，用水多效蒸发有机酸在第一效蒸发器中在60℃至160℃的温度下进行。在一些实施方式中，用水多效蒸发有机酸在末效蒸发器中在25℃至60℃的温度下进行。

多效蒸发系统的第一蒸发器可以利用从汽提塔的顶部输出的蒸气，作为热能的全部来源或作为部分来源。在多效蒸发系统的每个步骤中，可以利用从前一个蒸发器的顶部输出的蒸气作为热能，以驱动下一个塔，以降低多效蒸发系统所需的总能量。

如图6-8所示，将半纤维素混合物依次进料到第一蒸发器中并从第一蒸发器中排出。

在通过多效蒸发系统浓缩半纤维素汁之后，从第一蒸发器排出的经浓缩的半纤维素汁的干物质含量为经浓缩的半纤维素汁总重量的40％-70％，经浓缩的半纤维素汁的粘度为200mPas至1000mPas，如果粘度高于该范围，则经浓缩的半纤维素汁就太难以通过蒸发进一步去除有机酸。

本发明的特征还在于将多效蒸发系统与汽提塔组合。将从多效蒸发系统排出的经浓缩的半纤维素汁进料到汽提塔的顶板。汽提塔利用直接蒸汽作为汽提介质，以进一步去除有机酸至含量小于经汽提的半纤维素汁总重量的2％。

从汽提塔的顶部输出的蒸气可以用作多效蒸发系统的第一蒸发器的热能。

从汽提塔的底部排出的经汽提的半纤维素汁用作终产物，即半纤维素汁，其可以用于生产乙醇和其它工业产物。

从高水含量有机酸溶液中去除水

本发明的该方面涉及一种通过多塔蒸馏从高水含量有机酸溶液中回收有机酸的工艺，包括：

a)采用2-5塔蒸馏系统来回收所述有机酸，以及

b)将新鲜蒸汽仅进料到多塔蒸馏系统的第一塔中，其它塔依次利用从前一个塔释放的蒸气作为热能，以及

c)将从前一个塔中释放的蒸气引导到后续塔作为热能，使得从第一塔释放的蒸气将进料到第二塔中，并且从第二塔释放的蒸气将进料到第三塔中，并以此类推通过蒸馏系统的每个塔，以及

d)将高水含量有机酸溶液的一个或多个流进料到多塔系统内的不同塔中，以平衡构成所述蒸馏系统的塔的能量需求，以及

e)调节第一塔的冷凝物中的有机酸的含量，以使新鲜蒸汽消耗最小化，以及

f)再循环从所述多塔蒸馏系统排出的总有机酸和总水。

在本发明的该方面，高水含量有机酸溶液来源于植物材料的有机酸预处理工艺。通常，有机酸的含量构成溶液总重量的大于83％。通常，在有机酸预处理工艺期间，并且由于在相对低的温度和大气压下纤维素浆加工以及木质素和半纤维素糖生产的下游步骤，这导致在整个预处理工艺期间不产生糠醛，以及产生高水含量有机酸溶液的四个流。为了将高水含量有机酸流中的有机酸再循环到有机酸预处理工艺中，必须降低水含量。

通过蒸馏从高水有机酸溶液中回收有机酸需要非常高的能量输入。因此，降低回收和再循环有机酸所需的能量，对于有机酸预处理工艺的商业化是必要的。

在一个实施方式中，本发明的特征在于，通过使用2-5塔蒸馏系统从高水含量有机酸溶液中回收有机酸，以使能量效率最大化。优选的实施方式使用4塔蒸馏系统。

塔的数量越多，则蒸馏系统消耗越少的蒸汽/能量。然而，构成蒸馏系统的塔的数量受到蒸馏系统的塔之间的温差的限制。令人惊讶地，我们已经根据经验发现，如果系统包括多于五个塔，则塔之间的温差太小而不能将前一个塔释放的蒸气用作串联的下一个塔的蒸汽/能量。

在科学分析之后，2-5塔蒸馏系统可以适合于在该工艺中从高水含量有机酸溶液中回收有机酸，从效率和经济的角度来看，4塔蒸馏最合适。

通常，有机酸预处理工艺产生如上所述的高水含量有机酸溶液的四个流。术语“高水含量有机酸溶液”是指水含量高于在有机酸预处理工艺中用于溶解植物材料的有机酸溶液中所需的水含量。因此，为了从四个高水含量有机酸流中再循环有机酸，需要去除遍及各个工艺步骤中加入的另外的水。为了使通过多塔蒸馏从高水含量有机酸溶液中回收有机酸所需的蒸汽/能量的量最小化，必须控制用于每个塔的蒸汽/能量，使其适合于该系列内的单个塔内的有机酸水平。

本发明采用两种方法来完成该一点。首先，通过将最高水含量有机溶液进料到蒸馏系统的最后的塔，并将最低水含量有机酸溶液进料到蒸馏系统的第一塔，适当地引导输入整个系统的能量。第二，通过调节引入到第一塔的蒸汽/能量的量，将从第一塔的顶部排出的冷凝物中的有机酸含量控制在冷凝物总重量的0.5％至10％，允许整个蒸馏系统的蒸汽/能量的消耗平衡。可以转移有机酸含量为0.5％-10％的第一塔的冷凝物，用于木质素生产工艺的木质素沉淀步骤。

在本文描述的系统中，串联的其它塔通常生产有机酸含量为输入的冷凝物总重量的0.2％-1％的冷凝物。可以将这些冷凝物再循环到预处理工艺中，用于洗涤木质素和木质素生产工艺中的其它步骤。

为了保持塔之间的最佳温差，第一塔在120℃至175℃的温度下操作，最后的塔在50℃至95℃的温度下操作。

根据有机酸溶液的总重量计算，从第一塔的底部排出的有机酸溶液的水含量为5％-15％，这些有机酸溶液可以在溶解植物原料的初始步骤中直接再用于有机酸预处理工艺。

有机肥料

在图14中描述的本发明的该方面涉及一种从纤维素和半纤维素汁产生的釜馏物生产有机肥料的方法，包括以下步骤：

a)使用倾析器从通过植物材料的有机酸预处理生产的纤维素和半纤维素汁中分离釜馏物，以获得釜馏物的固体级分和稀釜馏物，以及

b)用多效蒸发系统浓缩所述稀釜馏物，以获得经浓缩的釜馏物，其中用于所述多效蒸发系统的蒸汽由任选地补充新鲜蒸汽的所述工艺步骤d)中的所述干燥器释放的蒸气供应，以及

c)将所述固体级分和经浓缩的釜馏物混合，以获得混合物，以及

d)将所述混合物干燥以获得所述有机肥料，其中将从所述干燥器释放的蒸气进料到所述多效蒸发系统作为用于所述工艺的所述多效蒸发系统的热能。

本发明基于现有的有机酸预处理工艺。在预处理工艺中，有机酸溶液用作萃取试剂以溶解木质纤维素植物材料的大部分木质素、半纤维素、盐(主要是钾盐和磷酸盐)、蛋白质和其它组分。将预处理混合物分离成不溶性纤维素浆以及半纤维素汁和木质素的混合物。将纤维素浆干燥以获得纤维素。将半纤维素汁和木质素混合物分离成半纤维素汁(含有半纤维素、盐、蛋白质和其它可溶性成分)和木质素。在纤维素和半纤维素汁水解和发酵后，包括在半纤维素汁中的大部分纤维素和半纤维素转化成乙醇。在通过蒸馏从经发酵的纤维素和半纤维素汁中萃取乙醇之后，经发酵的纤维素和半纤维素汁的残渣从蒸馏系统的醪塔的底部排出。残渣是釜馏物(所述工艺的副产物)。

釜馏物含有来自木质纤维素原料的许多营养组分(蛋白质、钾、磷、钙、镁、钠、铝等)以及其它的营养组分，其它的营养组分包含酵母、在发酵期间通过酵母的生长生产的次级代谢产物和残余的酵母生长培养基，所述残余的酵母生长培养基包括大量的氮、钾、磷和有机物质。这样的材料代表有机肥料的所有需求。有机肥料是来源于动物物质、动物排泄物(粪肥)、人类排泄物和植物物质(例如，堆肥和作物残渣)的肥料，相反，商业农业中使用的大多数肥料是从矿物质(例如，磷矿石)萃取的化学肥料或工业生产的(例如，氨)。作为农业系统，有机农业允许使用某些肥料和调理剂，而不允许使用其它肥料和调理剂。有机肥料和化学肥料都可以显著提高植物产量，然而，有机肥料具有更完全的矿物质分布，并且不能引起可由化学肥料给予的那种土壤损害。有机肥料是农业的重要发展方向。

在一个实施方式中，本文公开的该工艺使用农业残渣作为原料，并且釜馏物部分地通过水解从农业残渣回收的纤维素和半纤维素以及通过酵母发酵由纤维素和半纤维素的水解而释放的糖而生产，以生产有机肥料。

所述方法的特征在于，釜馏物从乙醇蒸馏系统的醪塔的底部获得。根据釜馏物的总重量计算，干物质含量为2％-20％。在一个实施方式中，使用离心机将釜馏物分离成固体级分和稀釜馏物级分。在优选的实施方式中，离心机是倾析式离心机。

分离后，根据釜馏物的固体部分的总重量计算，固体级分的干物质含量为20％-45％。根据稀釜馏物的总重量计算，稀釜馏物级分的干物质含量为1％-15％。

稀釜馏物可以通过多效蒸发系统浓缩。多效蒸发系统可以包括4-6效蒸发系统。在优选的实施方式中，多效蒸发是5效蒸发系统。在多效蒸发系统中，从前一个蒸发器的顶部释放的蒸气用作下一个蒸发器的热能，以使多效蒸发系统的总能量最小化。将稀釜馏物进料到多效蒸发系统的最后的蒸发器，并从多效蒸发系统的第一蒸发器排出。多效蒸发系统在30℃至150℃的温度下进行。

浓缩后，根据经浓缩的釜馏物的总重量计算，经浓缩的釜馏物的干物质含量为28％-45％。

在步骤b)中获得的在多效蒸发系统中分离的蒸气的冷凝物可以作为工艺用水再利用。

将固体部分和经浓缩的釜馏物进料到混合器，其中将两部分混合，以获得固体级分和经浓缩的釜馏物的混合物。固体部分和经浓缩的釜馏物的混合物通过干燥器(优选管式干燥器)干燥，以获得有机肥料。干燥器在80℃至160℃的温度下操作。根据有机肥料的总重量计算，有机肥料的干固体含量为50％-80％。可以将从干燥器中释放的蒸气进料到釜馏物多效蒸发系统，以向多效蒸发系统提供热能。干燥后，将固体部分和经浓缩的釜馏物的混合物干燥，并且该经干燥的混合物可以用作有机肥料。

有机肥料含有有机物质、蛋白质、钾盐、磷酸盐、矿物质等。根据有机肥料的总干物质计算，有机肥料的有机物质含量为30％-65％。根据有机肥料的总干物质计算，有机肥的总养分(基于公式计算，养分＝氮+五氧化二磷+氧化钾)含量为5％-30％。有机肥料的pH值为5.5-8.5。根据有机肥料的总重量计算，有机肥料的水含量为20％-50％。

实施例

实施例1

从纤维素浆中回收有机酸

玉米秸秆用作木质纤维素原料。根据有机酸预处理工艺获得纤维素浆。有机酸组成为甲酸26％、乙酸含量59％和15％水，温度为103℃，溶剂化时间为240分钟。分离后，将纤维素浆与液体级分分离。

回收约5kg纤维素浆，根据纤维素浆的总重量计算，干物质含量为38.0％，有机酸含量为49.5％，并且水含量为12.5％。将纤维素浆进料到干燥器中，以获得经干燥的纤维素浆，干燥温度为120℃。干燥后，经干燥的纤维素浆的有机酸含量为5.5％。

将经干燥的纤维素浆以200g/min的进料流速引入到脱溶剂器中，将直接蒸汽引入到脱溶剂器的底部，蒸汽的温度为120℃，并且进入脱溶剂器的直接蒸汽进料的流速为14.1g/min。将脱溶剂化的纤维素浆从脱溶剂器中排出。

根据脱溶剂化的纤维素浆的总重量计算，脱溶剂化的纤维素浆的有机酸含量为1.8％。

在与上述类似的条件下，制备来源于玉米秸秆的第二纤维素浆。然而，在该试验中，干燥器温度稍低(110℃)，而脱溶剂器中的蒸汽的流速提高到26.3g/min。在这些条件下生产的脱溶剂化的纤维素浆的有机酸含量为1.95％。

在第三项研究中，小麦秸秆用作木质纤维素原料，并根据上述有机酸预处理工艺获得纤维素浆。

回收约5kg纤维素浆，根据纤维素浆的总重量计算，干物质含量为37.5％，有机酸含量为50.2％，并且水含量为12.3％。将纤维素浆进料到干燥器中，以获得经干燥的纤维素浆，干燥温度为115℃。干燥后，获得的经干燥的纤维素浆的有机酸含量为6.7％。

将经干燥的纤维素浆以200g/min的进料流速引入到脱溶剂器中，将直接蒸汽引入到脱溶剂器的底部，蒸汽的温度为120℃，并且进入脱溶剂器的直接蒸汽进料的流速为16.8g/min。将脱溶剂化的纤维素浆从脱溶剂器中排出。

在这些条件下生产的脱溶剂化的纤维素浆的有机酸含量为1.91％。

表1总结了这些数据。

表1.纤维素浆的有机酸含量

实施例2

纤维素的中和及碱化处理。

样品1

方法A：

开始时，将0.4kg纤维素(木质素含量为4.1％，并且有机酸含量为1.56％)进料到反应器中，启动搅拌器，并且用氢氧化钠溶液将pH调节至12，其加入3.34L另外的水。反应器的温度保持在80℃，并且反应持续60分钟。

当反应结束时，消耗9.16g氢氧化钠，并且经处理的纤维素的木质素含量为1.89％。

方法B：

在第一加工运行的初始中和步骤中，将0.4kg纤维素(木质素含量为4.1％，并且有机酸含量为1.56％)进料到反应器中，启动搅拌器，并且用氢氧化钠溶液将pH调节至pH6.5，加入3.34L另外的水。反应器的温度保持在80℃，并且反应持续30分钟。在该反应之后，过滤并压制纤维素混合物。

在碱化步骤中，将经中和的纤维素加入到碱化反应器中，启动搅拌器，并且用氢氧化钠溶液将pH调节至pH 12，加入3.34L另外的水。反应器的温度保持在80℃，并且反应持续30分钟。根据需要加入氢氧化钠以保持pH为pH 12。30分钟后，过滤并压制经碱化的纤维素混合物，以获得氢氧化钠溶液和经碱化的纤维素。氢氧化钠溶液可以在第二(后续)加工操作中的中和步骤中再利用。

在第二加工运行中，将0.4kg纤维素(其中木质素含量为4.1％，并且有机酸含量为1.56％)进料到中和反应器中，启动搅拌器，并使用从第一加工运行的碱化步骤回收的氢氧化钠溶液将pH调节至pH 6.8，反应器的温度保持在80℃并且反应持续30分钟。在该反应之后，过滤并压制纤维素混合物。

第二(和后续)加工运行的碱化步骤包括与第一轮中描述的步骤相同的步骤。重要的是，在过滤和压制经碱化的纤维素之后回收的氢氧化钠溶液，可以在下一加工操作的中和步骤中再利用。在利用从第一轮回收的氢氧化钠的第二轮加工中，消耗的总氢氧化钠为4.58g，经处理的纤维素的木质素含量为1.85％。

样品2

方法A：

开始时，将0.4kg纤维素(木质素含量为3.6％，并且有机酸含量为2.68％)进料到反应器中，启动搅拌器，并且用氢氧化钠溶液将pH调节至12，加入3.34L另外的水。反应器的温度保持在80℃，并且反应持续60分钟。

当反应结束时，消耗12.4g氢氧化钠，并且经处理的纤维素的木质素含量为1.56％。

方法B：

在第一加工运行的初始中和步骤中，将0.4kg纤维素(木质素含量为3.6％，并且有机酸含量为2.68％)进料到反应器中，启动搅拌器，并且用氢氧化钠溶液将pH调节至pH6.5，加入3.34L另外的水。反应器的温度保持在80℃，并且反应持续30分钟。在该反应之后，过滤并压制纤维素混合物。

在碱化步骤中，将经中和的纤维素加入到碱化反应器中，启动搅拌器，并且用氢氧化钠溶液将pH调节至pH 12，加入3.34L另外的水。反应器的温度保持在80℃，并且反应持续30分钟。根据需要加入氢氧化钠以保持pH为pH 12。30分钟后，过滤并压制经碱化的纤维素混合物，以获得氢氧化钠溶液和经碱化的纤维素。氢氧化钠溶液可以在后续加工操作中的中和步骤中再利用。

在第二加工运行中，将0.4kg纤维素(其中木质素含量为3.6％，并且有机酸含量为2.68％)进料到中和反应器中，启动搅拌器，并使用从第一加工运行的碱化步骤回收的氢氧化钠溶液将pH调节至pH 6.8，反应器的温度保持在80℃并且反应持续30分钟。在该反应之后，过滤并压制纤维素混合物。

第二(和后续)加工运行的碱化步骤包括与第一轮中描述的相同的步骤。重要的是，在过滤和压制经碱化的纤维素之后回收的氢氧化钠溶液，可以在下一加工操作的中和步骤中再利用。在利用从第一轮回收的氢氧化钠的第二轮加工中，消耗的总氢氧化钠为7.87g，经处理的纤维素的木质素含量为1.58％。

样品3

方法A：

开始时，将0.4kg纤维素(木质素含量为3.8％，并且有机酸含量为4.52％)进料到反应器中，启动搅拌器，并且用氢氧化钠溶液将pH调节至pH 12，加入3.34L另外的水。反应器的温度保持在80℃，并且反应持续60分钟。

当反应结束时，消耗17.9g氢氧化钠，并且经处理的纤维素的木质素含量为1.66％。

方法B：

在第一加工运行的初始中和步骤中，将0.4kg纤维素(木质素含量为3.8％，并且有机酸含量为4.52％)进料到反应器中，启动搅拌器，并且用氢氧化钠溶液将pH调节至6.5，加入3.34L另外的水。反应器的温度保持在80℃，并且反应持续30分钟。在该反应之后，过滤并压制纤维素混合物。

在碱化步骤中，将经中和的纤维素加入到碱化反应器中，启动搅拌器，并且用氢氧化钠溶液将pH调节至pH 12，加入3.34L另外的水。反应器的温度保持在80℃，并且反应持续30分钟。根据需要加入氢氧化钠以保持pH为pH 12。30分钟后，过滤并压制经碱化的纤维素混合物，以获得氢氧化钠溶液和经碱化的纤维素。氢氧化钠溶液可以在后续加工操作中的中和步骤中再利用。

在第二(后续)加工运行中，将0.4kg纤维素(其中木质素含量为3.8％，并且有机酸含量为4.52％)进料到中和反应器中，启动搅拌器，并使用从第一加工运行的碱化步骤回收的氢氧化钠溶液将pH调节至pH 7.1，反应器的温度保持在80℃并且反应持续30分钟。在该反应之后，过滤并压制纤维素混合物。

第二(和后续)加工运行的碱化步骤包括与第一轮中描述的相同的步骤。重要的是，在过滤和压制经碱化的纤维素之后回收的氢氧化钠溶液，可以在下一加工操作的中和步骤中再利用。在利用从第一轮回收的氢氧化钠的第二轮加工中，消耗的总氢氧化钠为13.3g，经处理的纤维素的木质素含量为1.63％。

表2总结了这些样品数据。

表2.用于处理纤维素的氢氧化钠消耗

实施例3

木质素生产

从有机酸预处理工艺获得萃取液，其中预处理中的有机酸的组成包括甲酸26％、乙酸含量59％和水15％。预处理温度为103℃，预处理萃取持续时间为240分钟。分离后，将萃取液与固体级分分离，通过蒸发浓缩萃取液，并获得经浓缩的萃取液。经浓缩的萃取液的干物质含量为60.1％，并且木质素含量为29.5％(经浓缩的萃取液的其它组分列于表3中)。

将1.40kg经浓缩的萃取液与等重量的淡水(1.40kg)合并，并使用以7500rpm操作的乳化器(SHW300R实验室乳化器，上海盛海威电气仪表有限公司(Shanghai ShenghaiweiElectric Instruments Co.,Ltd))约30分钟，以生产木质素悬浮液。将木质素悬浮液引入到离心机中，离心5分钟，并获得第一离心液(2.05kg液体)和固体木质素层。从离心机中去除第一离心液。

将1.94kg洗涤水进料到喷雾装置中，以洗涤离心机内的木质素层。该程序中的洗涤水包括水以及甲酸、乙酸和水的混合物。当将洗涤水进料到离心机时，使用0.54kg的有机酸含量为5.92％的高有机酸含量洗涤水的初始进料，第二洗涤包括1.00kg的有机酸含量为0.8％的低有机酸含量洗涤水，并且发现包括0.40kg淡水的最终洗涤，可充分洗涤木质素层，以获得纯木质素。

在初始离心和排出初始离心液之后，离心机继续操作5分钟，在此期间，用高有机酸的水进行第一洗涤，并获得第二离心液(0.54kg)。离心机再操作5分钟，在此期间，用低有机酸的水进行第二洗涤，并获得1.40kg第三离心液。在用淡水进行后续第三洗涤之后，获得0.75kg木质素层。回收第一离心液和第二离心液，并可以将其并入后续半纤维素汁生产单元操作中。从离心机中排出干燥的木质素，并测定木质素的纯度为98.1％(在操作的每个阶段木质素的组分示于表3中)。

表3.经浓缩的萃取液、洗涤水和木质素(I)的组分

注意：杂质包括纤维素、木聚糖、微量矿物质、乙酸和甲酸。

使用如上所述的SHW300R实验室乳化器，将上述第三离心液(1.40kg)再循环用作经浓缩的萃取液的稀释剂，以生产木质素悬浮液。将获得的木质素悬浮液引入到离心机中，并且如上所述操作离心机以产生约0.75kg的木质素层。

在该操作中，第一洗涤包括0.54kg的其中有机酸含量为约10％的高有机酸含量洗涤水。第二洗涤包括1.00kg的其中有机酸含量为约2％的低有机酸含量洗涤水，而最终洗涤包括0.40kg的淡水。所有离心操作和条件如上所述进行。如前所述，第一离心液和第二离心液可以再循环用于后续半纤维素汁生产单元操作。在操作结束时，从离心机中排出木质素。在这种情况下，木质素的纯度为97.2％(在操作的每个阶段木质素的组分示于表4中)。

表4.经浓缩的萃取液、洗涤水和木质素(II)的组分

注意：杂质包括纤维素、木聚糖、微量矿物质、乙酸和甲酸。H-水表示高有机酸含量洗涤水，而L-水表示低有机酸含量洗涤水。

再一次，将来自上述操作的第三离心液(1.40kg)再循环以稀释经浓缩的萃取液，通过用SHW300R实验室乳化器处理以生产木质素悬浮液。将获得的木质素悬浮液引入到离心机中，并且如上所述操作离心机以产生木质素层。

在该操作中，第一洗涤包括0.54kg的其中有机酸含量为5.92的高有机酸含量洗涤水。第二洗涤包括1.00kg的其中有机酸含量为0.8％的低有机酸含量洗涤水，而最终洗涤包括0.79kg的淡水。所有离心操作和条件如上所述进行。如前所述，第一离心液和第二离心液可以再循环用于后续半纤维素汁生产单元操作。在操作结束时，从离心机中排出木质素。在这种情况下，木质素的纯度为98.8％(在操作的每个阶段木质素的组分示于表5中)。

表5.经浓缩的萃取液、洗涤水和木质素(III)的组分

注意：杂质包括纤维素、木聚糖、微量矿物质、乙酸和甲酸。H-水表示高有机酸含量洗涤水，而L-水表示低有机酸含量洗涤水。

实施例4

半纤维素汁加工

通过使用蒸发器(直径100mm，高度2m)，使用间接蒸汽加热蒸发器以从半纤维素混合物中蒸发有机酸和水，从包含溶解的半纤维素、有机酸、水和其它可溶性成分(16.4％干物质含量、6.0％甲酸、14.4％乙酸和63.2％水)的初始半纤维素混合物中获得经浓缩的半纤维素混合物。

半纤维素混合物进入蒸发器的流速为10.0kg/h，其中间接蒸汽流速为6.2kg/h，并且蒸发温度为90℃，这产生2.96kg/h的经浓缩的半纤维素混合物的流速。在这些条件下生产的经浓缩的半纤维素混合物的干物质含量为55.6％。经浓缩的半纤维素混合物的酸含量为16.5％。

将所得经浓缩的半纤维素混合物进料到汽提塔(直径100mm，高度2.5m)的顶部，并将直接蒸汽进料到汽提塔的底部，用于将经浓缩的半纤维素中存在的有机酸部分地汽提至直接蒸汽中。这生产经汽提的半纤维素混合物。将汽提规格调节至直接蒸汽流速为1.51kg/h并且直接蒸汽温度为105℃，产生2.46kg/h的经汽提的半纤维素混合物的流速。经汽提的半纤维素混合物的干物质含量为60.4％。经汽提的半纤维素混合物的酸含量为1.64％。

用Aspen Plus软件(美国马萨诸塞州阿斯彭技术公司(Aspen Technology,Inc.,Massachusetts,USA))对蒸发和汽提工艺进行建模，允许基于用上述实验数据的汽液平衡的回归来探索许多不同的操作参数。

使用上述模型参数，针对包含溶解的半纤维素、有机酸和水以及其它成分的半纤维素混合物的浓缩，模拟2、3和4效蒸发和汽提系统的条件和性能。

通过Aspen Plus软件构建的2、3和4效蒸发和汽提系统的流程图以供使用，其分别示于图6-8中。在这些模型中，包含溶解的半纤维素、有机酸、水和其它成分的半纤维素混合物(21)通过蒸发器II和蒸发器I蒸发，并且获得经浓缩的半纤维素汁(22)。将经浓缩的半纤维素汁(22)进料到汽提塔(102)的顶部，将新鲜蒸汽(26)进料到汽提塔(102)的底部，并获得经汽提的半纤维素汁(24)。从汽提塔的顶部排出的蒸气和另外的新鲜蒸汽(27)用作蒸发器I的热源，并且回收从汽提塔的顶部排出的蒸气和在蒸发器I内冷凝的另外的新鲜蒸汽(27)作为经冷凝的酸II(25)。来自蒸发器I的蒸气用作蒸发器II的热源，而在蒸发器II中冷凝的来自蒸发器I的蒸气用作经冷凝的酸I(23)。涉及使用最初从汽提塔回收到蒸发器I中的蒸气和用作蒸发器II的热源的从蒸发器I回收的蒸气的相同情况，扩展到包括另外的多效蒸发器单元的系统，如在3效蒸发器系统的图7中和4效蒸发器系统的图8中所说明的，在3效蒸发器系统的图7中不需要新鲜蒸汽，比起从汽提塔的顶部排出的4效蒸发器系统所需的蒸气，来自汽提塔的更多的蒸气(28)用于其它系统。

下表呈现本文所述的多效蒸发器系统中每一个的许多观察到的和预测的参数。

表6.至蒸发系统模型的观察到的输入

表7.经汽提的半纤维素汁的观察到的规格

表8.蒸发和汽提系统的预测的蒸汽消耗

表9.蒸发系统的预测的热交换表面积

实施例5

从高水含量有机酸溶液中回收有机酸

将高水含量有机酸溶液(27.6％甲酸、51.5％乙酸和20.9％水)以4.0kg/h的流速进料到蒸馏塔(直径90mm、高度3m，填料塔)中，该蒸馏塔以12.6MJ/h的热负荷、13.0的回流比、1个大气压操作。在这些条件下，以0.41kg/h的流速生产从塔的顶部释放的蒸气的冷凝物，其包含0.27％甲酸、4.07％乙酸和95.66％水。以3.59kg/h的流速获得从塔底排出的经蒸馏的有机酸溶液，并包含30.7％甲酸、56.9％乙酸和12.4％水。

用Aspen Plus软件使用上述参数对该工艺进行建模，允许模拟包含2、3、4和5塔的蒸馏系统，用于从高水含量有机酸溶液中分离水。针对2塔、3塔、4塔和5塔蒸馏系统，由建模软件产生的流程图分别示于图10-13中。

源自有机酸预处理工艺的高水含量有机酸溶液的各种输入流的有机酸组成列于表10中。

表10.至多塔蒸馏系统的输入的有机酸组成

注意：流符号名称与在图10中所描述的以及下面所描述的那些相匹配。

2塔蒸馏系统的基本蒸馏工艺在图10中说明。将四个输入流中的三个进料到第一蒸馏塔(201)。这些流来源于半纤维素汁蒸发步骤(2)、半纤维素汁汽提步骤(3)、以及来自纤维素浆加工的脱溶剂器步骤(4)的高水有机酸溶液。可以回收从第一塔(201)的顶部排出的蒸气(7)的冷凝物，用于其它单元操作。将经浓缩的混合物(301)从第一塔(201)的底部排出并进料到塔2(202)。还将来源于木质素生产的萃取液蒸发步骤的剩余的输入流(1)进料到塔2(202)。可以回收从第二塔(202)的顶部排出的蒸气(5)的冷凝物，用于其它单元操作。从第二塔(202)的底部排出经蒸馏的有机酸溶液(6)。2塔蒸馏系统的各种输出流的有机酸含量呈现在表11中。

表11. 2塔蒸馏系统的输出的有机酸组成

注意：流符号名称与在图10中所描述的以及上面所描述的那些相匹配。

在图11中描述了代表3塔蒸馏系统内的工艺流程的类似工艺。在这种情况下，就上述2塔系统的输入和输出流而言，操作是类似的。然而，在这种情况下，将前两个塔的蒸气冷凝物汇集，以形成单一输出流(图11的7)，并将从塔2排出的经蒸馏的有机酸溶液(302)进料到第三塔(203)中，在这里回收蒸气冷凝物(5)，并将进一步蒸馏的有机酸溶液(6)从第三塔(203)的底部排出。2塔蒸馏系统的各种输出流的有机酸含量呈现在表12中。

表12. 3塔蒸馏系统的输出的有机酸组成

注意：流符号名称与在图11中所描述的以及上面所描述的那些相匹配。

类似地，在图12中描述了代表4塔蒸馏系统内的工艺流程的工艺。2塔蒸馏系统的各种输出流的有机酸含量呈现在表13中。

表13. 4塔蒸馏系统的输出的有机酸组成

注意：流符号名称与在图12中所描述的那些相匹配。

在图13中描述了代表5塔蒸馏系统内的工艺流程的工艺。5塔蒸馏系统的各种输出流的有机酸含量呈现在表14中。

表14. 5塔蒸馏系统的输出的有机酸组成

注意：流符号名称与在图12中所描述的那些相匹配。

根据模拟流程图，蒸汽消耗可以通过系统中存在的蒸馏塔的数量而显著降低。支持该观察的数据呈现在表15中。

表15. 2塔、3塔和4塔蒸馏系统的蒸汽消耗分布

相对于3塔系统，2塔系统的热需求的所示降低为27.6％，而4塔系统的热需求的降低比3塔系统的热需求再降低20％，其中4塔系统所需的热需求总体降低为两塔系统的热需求的42％。

有趣的是，另外的塔提供最小的能量改进。参见表16。

表16. 4塔和5塔蒸馏系统的蒸汽消耗分布

实施例6

有机肥料

在初始实验中，玉米秸秆用作木质纤维素植物材料来源，用于使用甲酸和乙酸的有机酸处理，以萃取半纤维素和木质素。分离半纤维素和木质素的混合物，以获得纤维素浆级分和萃取液。处理纤维素浆以部分地消除木质素，并用水洗涤，以获得纤维素。将萃取液浓缩以分离木质素，在分离木质素后，将残渣浓缩并汽提，以获得半纤维素汁。通过分别加入纤维素酶和酵母，水解和发酵纤维素和半纤维素汁混合物，以生产乙醇。通过蒸馏将乙醇从发酵物中分离，蒸馏的残余物质构成釜馏物。

将釜馏物(2113g，包含9.23％干物质含量)进料到倾析器中，倾析后，生产61.4g固体级分(包含38.0％干物质含量)和2051.6g稀釜馏物(包含8.37％干物质含量)。将稀釜馏物蒸发(在110℃下操作的蒸发器中)，以获得451.6g经浓缩的釜馏物(包含38.0％干物质含量)。将固体级分和经浓缩的釜馏物合并，以获得混合物(513.0g)。将混合物在120℃的温度下操作的干燥器中干燥，以获得335.1g最终有机肥料；其中有机肥料的干物质含量为58.2％，并且pH为6.1。该有机肥料的干物质含量为58.2％，有机物质含量为47.8％，并且总养分含量为5.86％(基于公式计算，其中养分＝氮+五氧化二磷+氧化钾)，根据总干物质计算。

在使用玉米秸秆作为有机酸处理工艺的初始输入，由釜馏物生产有机肥料的第二试验中，将釜馏物(2113g，包含9.23％干物质)进料到倾析器中。倾析后，获得67.1g固体级分(35.5％干物质含量)和2046g稀釜馏物(8.37％干物质含量)。将稀釜馏物蒸发(在105℃下操作的蒸发器中)，以生产456.7g具有37.5％干物质含量的经浓缩的釜馏物。将固体级分和经浓缩的釜馏物合并，以生产523.8g混合物。将混合物在130℃下操作的干燥器中干燥，以生产297.7g最终有机肥料，其中干物质含量为65.5％，pH为6.0。该有机肥料含有47.3％有机物质，其中总养分含量为5.81％，根据总干物质计算。

在由釜馏物生产有机肥料的第三实验中，小麦秸秆用作有机酸处理工艺的初始输入，将釜馏物(1940g，包含9.38％干物质)进料到倾析器中。倾析后，获得59.5g固体级分(37.0％干物质含量)和1880.5g稀釜馏物(8.51％干物质含量)。将稀釜馏物蒸发(在115℃下操作的蒸发器中)，以生产438.3g具有36.5％干物质含量的经浓缩的釜馏物。将固体级分和经浓缩的釜馏物合并，以生产497.8g混合物。将混合物在140℃下操作的干燥器中干燥，以生产244.3g最终有机肥料，其中干物质含量为74.5％，pH为6.2。该有机肥料含有48.5％有机物质，其中总养分含量为6.12％，根据总干物质计算。