从气流中分离出成分的方法

摘要

本发明提供用于从气流分离出气体成分的方法。该方法的独特优势在于使用环境友好的生物质吸收剂来协助分离过程。本发明特别适合于从气流分离出水溶性气体成分。所述水溶性气体成分可用于调理生物质以用于其他用途，例如用于生物燃料的调理进料。通常，调理的生物质将具有增大的酶解性，使得调理的生物质非常适合用作生物燃料生产的进料。

说明书

技术领域

本申请涉及使用生物质材料从气流中分离出至少一种气体成分的方 法。具体地，本发明涉及使用生物质材料从气流分离出至少一种气体成分 并增大生物质酶解性(enzyme digestibility)的方法。

背景技术

已经使用多种技术来实现对气体混合物的分离。这种技术的实例包括 蒸馏、膜分离、气-液吸收和气-固吸附。这些技术均基于被分离出的成分之 间的一个或多个化学和物理差异来进行。

在蒸馏时，通过利用成分的泡点和露点温度的差异来对气体混合物的 成分进行分离。蒸馏塔设计成在一系列板或填料段的上方提供蒸汽和冷凝 液流的紧密接触，这样蒸馏塔的底部和顶部之间的温度差异形成具有不同 组成的流。蒸馏设备成本高，且蒸馏塔的操作相当复杂又难以实现自动化， 因此通常需要熟练操作人员。

已经使用膜来从气体分离出气体以及从液体分离出气体。气体分离可 使用任意多孔或无孔的聚合物膜。在多孔膜分离中，孔径通常小于气体分 子的平均自由路径。在无孔膜中，分离通常是基于聚合物中的溶解度和扩 散性的差异来进行。气-液分离膜通常基于透气性或扩散性或基于透气孔来 通过毛细管力进行分离。

美国专利4,995,888显示了使用膜来从液体分离气体的一个实例，其中 分离是基于吸收进行的。酸性和碱性气体可以被分离开。

可利用惰性气体通过吸收到适当的液体溶剂中来将可溶性蒸汽与混合 物分离。气-液吸收过程可采用惰性固体颗粒的填料床，其中液体溶剂在惰 性固体颗粒表面上方通过重力向下流动。惰性气体与可溶性蒸汽的混合物 向上流动通过床，与逆流流动的液体相接触。将可溶性蒸汽吸收到液体内 可提供离开床顶部的纯惰性气体流，而可溶性组分作为溶液而被回收到液 体内。如果可溶性蒸汽和液体溶剂被重新用作纯组分，该液体溶液必须随 后进行分离。在气-液吸收床的操作过程中，对液流和气流的速度均加以控 制，以防止在床中出现干燥或被淹没状态。

美国专利3,920,419提供了使用填料塔来从含氨溶液将氨去除的方法的 实施例。将含氨溶液送入到填料塔的顶部，同时监测进料溶液的pH值。在 加入到填料塔之前将控制量的苛性碱添加到进料液中，以保持pH值最低为 10.5。在约140°F的最低温度下，汽提介质以逆流方式流动通过该填料塔， 同时调节进料液到填料塔的流量(flow)。控制汽提介质的流量以从液体中除 去至少99%的氨。

也可以使用固体吸附剂材料来分离气体混合物的气体成分。由于吸附 是一种表面现象，吸附容量随着固体吸附剂比表面积的增加而增大，因此 通常使用具有非常高比表面积的材料。一些实例包括使用活性炭从空气中 吸附氧气，使用金属盐从氮气吸附氨(Christensen等人于2005年提交的WO 2005/091418；Johannesen等人于2009年提交的公开号为2009/0123361和 2009/0313976的美国专利；Fulks等人于2009年提交的SAE国际报告， 2009-01-0907)，在干燥的咖啡渣和活性炭上吸附氨用于空气除臭(Kawasaki 等人于2006年发表的J.Oleo Sci.卷55，编号1，第31-35页)，以及使用沸 石分子筛通过从重整气体吸附杂质来进行氢的净化。

商业上的气-固吸附过程往往采用固体吸附剂颗粒的填料床，其首先在 高压下操作以选择性地除去气体混合物的一种成分，然后在低压下对填料 床进行解吸附以回收所吸附的物质并使吸附剂再生。这些循环操作已知为 变压吸附(PSA)法。固体吸附剂也可以通过加热(已知为变温吸附(TSA))来解 吸附和再生。气-固分离中使用的吸附剂通常是昂贵的，且会由于不可逆地 吸附水分、油或其他污染物而降低它们的性能。使用金属盐从惰性气体吸 附氨受到氨扩散到批量盐颗粒中的扩散率的限制，并因此不能将氨从惰性 气体快速吸附并与惰性气体分离。

已经使用氨来处理生物质材料。在处理过程中，在与生物质接触之后， 通常使用称为氨纤维爆破(AFEX)的过程将氨分离、回收和再利用。

Holtzapple等人提交的美国专利5,171,592的公开了一种AFEX过程， 在该过程中，液态氨在反应器中与生物质材料相接触。氨在反应器中的蒸 发导致生物质冷却。氨还导致生物质溶胀和去结晶。当去结晶完成后，打 开反应器，使氨闪蒸出生物质。闪蒸后的氨被回收和再利用以接触新鲜的 生物质。

Rajagopalan等人提交的WO2006/055362也公开了一种AFEX过程， 在该过程中，液态氨与反应器中的生物质材料相接触。反应器不允许氨蒸 发。然而，当生物质已与液态氨接触足够长的时间来对生物质进行处理时， 将反应器打开，使氨闪蒸出生物质。闪蒸后的氨被回收和循环以接触新鲜 的生物质。

Dale等人提交的公开号为2009/0221042的美国专利申请公开了用于处 理生物质的一种过程，以利用浓氢氧化铵来使得结构性碳水化合物更便于 使用和/或分解性。该过程采用蒸汽从生物质去除氨以再循环。从结构性碳 水化合物产生单糖的过程被认为是良好的，如由在标准条件下的酶水解所 显示的那样(“Enzymatic saccharification of Iignocellulosic biomass,”National  Renewable Energy Laboratory Technical Report)TP-510-42629，2008年3月)。

需要更有效的分离气体成分的方法。尤其是需要相对于已知过程来说， 能量以及资本密集性低的方法。

此外致力于将允许在分离过程中使用生物或生物质材料的方法。这种 材料被认为是可再生能源，因此对环境有益。使用这些材料用于其他下游 用途的能力也将是有益的。

发明内容

本发明提供以高效方式来分离气体成分的一种方法。该方法的独特优 势在于与目前可用的许多过程相比它们的能量和资本密集性低。

本发明也是对环境有益的，因为它提供可再生材料例如生物质的用途。 生物质在本发明中用作分离手段，且生物质可最终用于提供化学产品值。

根据本发明的一方面，提供从气流中分离出至少一种气体成分的方法。 该方法包括使进料气流流动以与容器内的生物质材料相接触的步骤，其中 进料气流至少包括第一气体成分和第二气体成分。当进料气流的第二气体 成分流动通过容器时，将第一气体成分的至少一部分从与生物质材料相接 触的进料气流中分离出来。从所述容器收集流出气流，与进料气流中的第 一气体成分浓度相比，该流出气流含有浓度减小的第一气体成分。

所述进料气流的第一气体成分优选是水溶性气体。该水溶性气体在25 °C下优选的亨利定律常数(k_H)至少为0.002mole/L-atm。

所述进料气流的第二气体成分优选是水不溶性气体。该水不溶性气体 在25°C下的亨利定律常数(k_H)优选为小于0.002mole/L-atm。

所述容器中的压力为至少大气压。优选地，该容器被保持在大于存在 于容器中的水的饱和压力的压力下。

所述生物质材料是潮湿材料。优选地，基于生物质的总重量，生物质 材料包括至少10重量%的水。

所述第一气体成分和所述第二气体成分优选混合在一起以形成与所述 生物质材料相接触之前的进料气流。

在本发明的一个实施方案中，第一气体成分保留在容器内，直到生物 质材料酶解性增大。

根据本发明的另一方面，提供一种分离气体成分的方法。将至少包括 第一气体成分和第二气体成分的进料气流输送到容器内以与容器内的生物 质材料相接触。优选地，基于生物质的总重量，所述生物质材料包括至少 10重量%的水。

当进料气流流动通过容器时，将第一气体成分的至少一部分与所述第 二气体成分分离。从所述容器收集流出气流，与进料气流中的第一气体成 分浓度相比，该流出气流含有浓度减小的第一气体成分。

根据本发明的另一方面，提供除去气流的至少一种气体成分的方法。 将至少包括第一气体成分和第二气体成分的进料气流输送到容器内以与容 器内的生物质材料相接触，以及当进料气流的第二气体成分流动通过容器 时，第一气体成分的至少一部分保留在容器内。

在本发明中，从所述容器收集流出气流。相对于进料气流，该流出气 流的至少第一气体成分的浓度减小(depleted)。与进料气流的组成不同的净 化气流(purge gas)可被输送到容器内，以除去保留在容器内的第一气体成分 的至少一部分。

附图说明

图1A-IE是采用单个容器的本发明一个实施方案的一系列流程图；

图2A-2F是采用多个串联容器的本发明的另一实施方案的一系列流程 图；

图3是显示穿透曲线一个实例的曲线图，其中通过吸收到生物质材料 上而将水溶性气体与不溶性气体分离；

图4是本发明一个实施例的曲线图，其显示该实例的水溶性气体的排 出浓度、水不溶性气体的流率，在吸收过程中、平衡期间以及解吸附阶段 中的容器压力。

具体实施方式

简介

本发明提供用于从气流分离出气体成分的方法。该方法独特的优势在 于使用环境友好的生物质吸收剂来协助分离过程。

本发明特别适于从气流中分离水溶性成分。在优选的实施方案中，水 溶性成分是酸性或碱性气体。这些气体可用于调理生物质以用于其他用途， 例如用于生物燃料的调理进料。通常，调理的生物质将具有增大的酶解性， 使得调理的生物质非常适合用作生物燃料生产的进料。

进料气流

进料气流中含有待分离和/或回收的气体成分。将该进料气流输送到含 有生物质的容器，所述生物质用于分离期望的气体成分。

进料气流至少包括第一气体成分和第二气体成分。在进料气流中可存 在一种以上的气体成分(即，化合物)。优选地，至少一种气体成分是水溶性 的。还优选的是，至少一种气体成分是水不溶性的。

在一个实施方案中，所述至少第一气体成分和第二气体成分混合在一 起以形成进料气流，并且进料气流被输送到含有生物质的容器内。在另一 实施方案中，所述至少第一气体成分和第二气体成分分别通过管道被输送 到含有生物质的容器内并混合在一起，以形成与生物质相接触之前的容器 内的进料气流。

在本发明的一个实施方案中，至少一种气体成分(即第一气体成分或期 望从气流中分离出来的成分)是水溶性的。根据本发明，气体在水中的溶解 度优选由亨利定律来确定。根据亨利定律，在恒定温度下，在给定类型和 体积的液体中溶解的给定气体量与气液平衡时所述气体的分压成正比。

亨利定律可以数学术语(在恒定温度下)表示成c=k_Hp，其中p是在溶剂 上方气体中的溶质分压，c是溶质在该溶剂中的摩尔浓度，k_H是摩尔浓度的 大小除以压力得到的平衡常数。所述常数(称为亨利定律常数)取决于溶质、 溶剂和温度。在本发明中，溶质是期望从气体混合物分离和/或回收的气体 成分，而优选考虑水作为溶剂。例如，优选考虑将水作为溶剂，因为水以 水分存在于生物质中。根据本发明的亨利定律常数的值在25°C下给定。

根据本发明期望从气流中分离和/或回收的任何气体成分优选是水可溶 性的气体，其在25°C下的亨利定律常数(k_H)至少为0.002mole/L-atm。优 选地，可溶性气体成分在25°C下的亨利定律常数(k_H)至少为0.02 mole/L-atm，更优选至少0.1mole/L-atm，最优选至少1mole/L-atm。

水溶性气体成分的实例包括但不限于硝酸、氯化氢、过氧化氢、甲醛、 乙酸、氨、亚硝酸、二氧化硫、硫化氢、二氧化碳、二硫化碳、氰化氢、 羰基硫、甲基硫醇和乙基硫醇。如果气流包括一种以上的水溶性气体成分， 那么水溶性成分可以一起被分离和/或回收。

根据本发明不期望从气流分离和/或回收的任何气体成分优选是水不溶 性的气体，其在25°C下的亨利定律常数(k_H)小于0.002mole/L-atm。优选 地，水不溶性气体成分在25°C下的亨利定律常数(k_H)不大于为0.01mole/L- 大气压，更优选不大于0.005mole/L-atm，最优选不大于0.002mole/L-atm。

水不溶性气体成分的实施例包括但不限于甲烷、氧气、一氧化碳、氮、 氢、氦、氖和氩气。在进料气流中可包括一种以上的水不溶性气体。通常， 这种气体将通过或流动通过含有生物质的容器，而那些气体在容器中不会 以任何明显的量保留。

在一个实施方案中，所述水溶性气体是碱性气体。碱性气体是溶解于 水中时增大水的pH值的一种气体。可以直接或间接地测定pH值的增大。 在一个实施方案中，通过使用酸捕集器(acid trap)(例如柠檬酸捕集器)来测定 pH值的增大。溶于水的碱性气体可通过柠檬酸水溶液并监测pH值。随着 碱性气体被吸收到该水溶液中，pH值将增大。水溶性碱性气体的实例包括 但不限于氨、烷基胺和吡啶。

在另一实施方案中，所述水溶性气体是酸性气体。酸性气体是溶解于 水中时降低水的pH值的一种气体。可以直接或间接地测定pH值的减小。 在一个实施方案中，通过使用碱捕集器(例如如氢氧化钠捕集器)测定pH的 降低。溶于水的酸性气体可通过氢氧化钠水溶液并监测pH值。随着酸性气 体被吸收到该水溶液中，pH值将降低。水溶性酸性气体的实例包括但不限 于硝酸、氯化氢、过氧化氢、甲醛、乙酸、亚硝酸、二氧化硫、硫化氢、 二氧化碳、二硫化碳、氰化氢、羰基硫化物、甲基硫醇和乙基硫醇。

在一个实施方案中，基于进料气流的总重量，进料气流的水溶性气体 浓度至少为1质量%。在另一实施方案中，基于进料气流的总重量，进料气 流的水溶性气体浓度至少为5质量%、或至少为10质量%或至少20质量%。 水溶性气体浓度包括进料气流中存在的所有水溶性气体。可存在一种或多 种水溶性气体。

在另一实施方案中，基于进料气流的总重量，进料气流的水不溶性气 体浓度至少为10质量%。在另一实施方案中，基于进料气流的总重量，进 料气流的水不溶性气体浓度至少为20质量%、或至少30质量%、或至少 40质量%、或至少50质量%。水不溶性气体浓度包括进料气流中存在的所 有水不溶性气体。可存在一种或多种水不溶性气体。

还期望从进料气流分离出的至少一种成分具有比水高的蒸汽压。优选 地，所述至少一种气体成分的蒸汽压是水的蒸汽压的至少两倍，更优选是 水的蒸汽压的至少5倍，以及最优选是水的蒸汽压的至少10倍。

生物质

对于本发明的目的而言，术语生物质被认为是不是来自于化石资源的 任何材料，且包括碳、氢和氧。生物质的实例包括但不限于植物和来源于 植物的材料、植被、农业废料、林业废料、木材废料、废纸、来源于动物 的垃圾、来源于家禽的垃圾、城市固体垃圾、纤维素、和碳水化合物或其 衍生物。

生物质的其他实例包括但不限于木材采伐残留物、软木屑、硬木屑、 树枝、树桩、树叶、树皮、锯末、不合规格的纸浆(off-spec paper pulp)、食 品废弃物、玉米、玉米棒、玉米秸秆、小麦秸秆、稻草、燕麦草、燕麦壳、 甘蔗渣、柑橘皮、柳枝稷、芒草、烟草、动物粪便、城市垃圾、城市生活 污水、商业废物、葡萄浮石、杏壳、核桃壳、椰子壳、咖啡渣、草颗粒、 花粉颗粒、木质颗粒、纸板、纸张和布料。

所述生物质优选含有水，其量允许吸收至少一种水溶性气体成分。优 选地，基于生物质的总重量，生物质含有至少10重量%的水。在其他实施 方案中，基于生物质的总重量，生物质含有至少20重量%或30重量%的水。 在特定的实施方案中，基于生物质的总重量，生物质材料含有15重量%至 70重量%的水，或者20重量%至60重量%的水。

生物质可在被放入到容器内之前进行处理，在所述容器内进行期望气 体成分的分离。例如，生物质可在研磨机中研磨，直到达到所期望的粒径。 优选的颗粒大小取决于容器尺寸、生物质和工艺条件。在一个实施方案中， 在分离容器中使用的生物质粒径充分研磨到能够通过1毫米的网筛，在另 一个实施方案中，生物质粒径充分研磨到能够通过10毫米的网筛，在另一 个实施方案中，生物质粒径充分研磨到能够通过20毫米的网筛，以及在另 一个实施方案中，生物质粒径充分研磨到能够通过30毫米的网筛。

工艺条件

本发明的方法优选在如下的温度和压力下进行，在所述的温度和压力 下，当进料气流进入到含有生物质的容器中时，进料气流的至少一种水溶 性成分主要保持在气体状态下。在其内期望从进料气流分离所述气体成分 的容器优选是封闭容器，因为当进行所述方法时，所述容器不向大气开放。

其内进行所述方法的容器内的温度和压力优选保持在低于水的沸点。 因此该容器优选保持在大于容器内水的饱和蒸汽压的压力下。更优选地， 实际压力将大于容器内水的饱和蒸汽压的至少25%，或至少50%，或至少 100%。

根据本发明，特别优选的是在如下温度下执行所述的工艺，该温度足 够低以最大限度地从进料气流分离期望的气体成分。在较低温度下，气体 成分更有效地被容器内的水(例如作为生物质一部分而包含的水成分)吸收。 然而，温度不应该低到在特定的操作压力下使得待分离气体成分大部分冷 凝的程度。

在本发明的一个实施方案中，所述方法在含有生物质的容器处于25°C ～200°C的条件下进行。优选地，所述方法在含有生物质的容器温度处于 30°C～180°C范围内、更优选从50°C～150°C范围内的条件下进行。

还优选的是在压力足够高以最大限度地从进料气流分离期望气体成分 的压力下来进行本发明的方法。优选地，压力足够高以有利于期望的气体 成分被水(例如作为生物质一部分而包含的水成分)吸收。

在本发明的另一实施方案中，所述方法在含有生物质的容器压力处于 从20psia(137.9kPaa)至1000psia(6895kPaa)范围内的条件下进行。优选地， 所述方法在含有生物质的容器压力处于从40psia(275.8kPaa)至800 psia(5516kPaa)的范围内、更优选从60psia(413.7kPaa)至500psia(3447kPaa) 范围内的条件下进行。

在一个实施方案中，通过将包括气体成分混合物(至少包括第一气体成 分和第二气体成分)的进料气流流入到含有生物质的容器来进行所述方法。 当进料气流流动通过所述容器时，从进料气流分离第一气体成分的至少一 部分。为了尽量减少扩散效应，进料气流流到容器的流率优选控制在小于 500小时^-1，以及最优选小于200小时^-1的气体时空速(GHSV)。

由于至少第一气体成分流动通过容器时从进料气流被分离出，从容器 回收流出气流，相对于进料气流中含有的第一气体成分浓度，该流出气流 含有浓度减小的第一气体成分。相对于进料气流中含有的第一气体成分的 浓度，该流出气流含有少于50%，更优选小于30%，最优选小于10%的第 一气体成分。

在本发明的一个实施方案中，含有所述至少第一气体成分的进料气流 流动通过含有生物质材料的容器，直到容器中第一气体成分的分离变得基 本上减少或直到发现显著量的至少第一气体成分存在于流出气流内。可以 使用任何合适的装置来测定至少第一气体成分的浓度，所述装置包括但不 限于气相色谱法、电化学检测、光离子化检测器、光声检测和捕集溶液(trap  solution)的酸/碱反滴定。

在本发明的一个实施方案中，所述方法在生物质材料作为颗粒固定床 而存在于所述容器内的条件下进行。对本发明的目的而言，颗粒固定床被 认为是大量的颗粒，其中每个颗粒具有相对于彼此固定的位置。这种床可 以是移动的或静态的。在固定床系统的移动过程中，移动优选以基本上活 塞式的流动来进行。这种流动可通过使用最大限度地减少反混的任何适当 的移动装置来完成。这种移动装置的实例包括但不限于螺旋输送器、皮带 输送机、管状拖链输送机和气动输送机。在移动床的过程中，颗粒可在相 对于进料气流方向的逆流或并流方向上被输送通过容器。

从进料气流分离至少第一气体成分可作为间歇过程进行，其中被吸收 于生物质颗粒中的气流中的至少第一气体成分的浓度随时间且随着床中颗 粒位置而变化。当含有至少第一气体成分的进料气流流动通过含有生物质 颗粒固定床的容器时，通过该床的生物质所吸收的至少第一成分导致气流 中的至少第一成分的浓度沿着床的下游部分即朝向容器的出口降低。在床 整体上形成浓度分布，其中在床的流入端处至少第一成分的浓度较高，而 在床的流出端处以及在从床流出的流出气体中至少第一成分的浓度较低。 随着进料气流持续流入到固定床内，这种浓度分布移向该床的流出端，直 到流出气流中所述至少第一气体成分的浓度变得大于预定或期望的量。

流出气流中所述至少第一气体成分的浓度变得大于预定或期望数量的 那一点被称为固定床的穿透。在穿透之前，可收集和存储所流出的气体以 随后再使用，因为它含有可接受的低浓度的至少第一气体成分。由于在固 定床穿透之后进料气流继续流入或流过所述床，因此流出气流中的所述至 少第一气体成分的浓度增加，直到进料气流和流出气流中的浓度基本上相 同，在该点认为床由所述至少第一气体成分所饱和。

在穿透点，当期望从进料气流被分离出的至少一种气体成分的浓度在 流出气流中达到所不期望的高浓度时，优选停止收集至少第一气体成分浓 度减小的流出气流。在一个实施方案中，基于流出气流的总质量，在流出 气流含有至少5质量%的第一气体成分时停止收集流出气流。优选地，基于 流出气流的总质量，在流出气流含有至少1质量%，更优选至少0.1质量% 的第一气体成分时停止收集流出气流。

在本发明的一个实施方案中，期望从进料气流被分离出的至少一种气 体成分是碱性或酸性气体。在这种情况下，流出气流的至少一部分(例如滑 流)可被输送到容器或捕集器，并监测容器或捕集器中的液体pH值。碱性 气体浓度的增加可由容器或捕集器的pH值增大来指示，酸性气体浓度的增 加可由容器或捕集器的pH值下降来指示。在上述点，优选停止收集至少第 一气体成分浓度减小的流出气流。

在另一实施方案中，当期望从进料气流被分离出的至少一种气体成分 与包含在生物质材料中的水相接触时，上述至少一种气体成分的吸收导致 生物质的温度升高。温度的上述升高也可用于确定何时停止收集至少一种 气体成分浓度减小的流出气流。例如，随着进料气流流入到包含生物质材 料的容器，由于与包含于生物质材料中的水相接触，生物质材料将按比例 加热。通常，在容器的流入端将首先吸收至少第一气体成分，从而在容器 流入端导致生物质材料的温度升高。随着进料气流持续流动通过容器，将 沿着流动路径吸收至少第一气体成分，通常导致生物质材料的温度相应地 升高。一旦该至少第一气体成分在生物质材料内基本饱和，那么如果有进 一步分离或吸收的话，所述进一步分离或吸收也将是很少的。上述可由生 物质材料的温度在容器的流出端升高的方式来指示。在生物质材料的温度 在容器的流出端升高时，停止收集至少第一气体成分浓度减小的流出气流。

在一个实施方案中，在下述点停止收集至少第一气体成分浓度减小的 流出气流，在所述点流出气体(即，离开容器的气体)处于不低于5°C的温度 (低于流入气体(即，输送到容器的气体)的温度)下。优选地，在下述点停止 收集至少第一气体成分浓度减小的流出气流，在所述点流出气体的温度不 低于流入气体(即，输送到容器的气体)的温度。优选地，在流出气体的温度 高于流入气体的温度下停止收集。

通过将与所述进料气流的组成不同的净化气流输送到所述容器以除去 容器内含有的第一气流的至少一部分，已从进料气流分离出的至少一种气 体成分可由包含生物质材料的容器回收。净化气流优选包括水不溶性气体。 优选地，基于净化气流的总质量，净化气流包括至少90质量%，更优选至 少95质量%，并且最优选至少98质量%的水不溶性气体。可以理解净化气 体可包括一种或多种水不溶性气体，即，水不溶性气体的混合物。在包括 水不溶性气体混合物的情况下，应该理解优选范围是指水不溶性气体混合 物的总含量。在一个实施方案中，净化气体可以是在到达穿透点之前已收 集到的流出气体的一部分。

相对于进料气流的流动方向，净化气体可以并流或逆流流动。在一个 实施方案中，在相对于进料气流方向的逆流方向上将净化气体输送到包含 生物质材料的容器。在另一实施方案中，在相对于进料气流方向的并流方 向上将净化气体输送到含有生物质材料的容器。然后当净化气体流动到含 有生物质材料的容器时，可回收所述至少一种气体成分。

容器

根据本发明，在优选封闭(即不向大气开放)的容器中从气流来分离出至 少一种气体成分，期望所述至少一种气体成分从进料气流分离和/或回收。 可以使用适于含有生物质材料且进料气流可通过或流过的任何容器。

优选地，所述容器是管状或中空的圆柱体。在特定的实施例方案中， 该容器是管状或中空圆柱体，其端口位于其任一端的轴线附近，以使流入 气流和流出气流流动。

在本发明的一个实施方案中，该容器的内部轴向长度大于其内径，以 增强分离。在一个更优选的实施方案中，容器的内部轴向长度大于其内径 至少8倍，还更优选大于其内径至少10倍，以及最优选大于其内径至少12 倍。

生物质材料可作为静态或移动床而保持于容器内。在静态床的形式下， 生物质可通过嵌合于容器流入端和流出端处的支撑网或网筛来保持。使用 具有下述开口的网或网筛，所述开口小于生物质颗粒，优选小于生物质颗 粒的至少5倍以及最优选小于生物质颗粒的至少10倍。在容器的每一端处， 优选设置增压室(plenum)以使得对于生物质颗粒的整个床获得均匀的气流 分布。

所述容器可布置成间歇工艺系统或连续工艺系统的一部分。可以只有 一个容器，但也可以使用一个以上的容器。在使用其内含有生物质材料的 一个以上容器的实施方案中，所述容器可并联或串联布置。

在一个实施方案中，设置包括至少两个串联容器的分离系统。优选地， 该系统具有串联的3至10个容器，并且在一个实施方案中，所述系统具有 串连的3至5个容器。

容器串联的布置是特别有利的，因为它允许不溶性气体内部循环或再 利用，从而在可溶性气体已被吸收到生物质材料内之后可减少置换或回收 可溶性气体所需的不溶性气体的量。这种系统在本质上以类似于变压吸收 器来起作用，其中一个容器可用于分离和吸收水溶性气体，而另一容器由 水溶性气体净化以回收气体。这还允许经过水溶性气体净化之后对容器进 行隔离，这样可在无需关闭整个系统的情况下从该容器除去和替换生物质 材料。

生物质的进一步处理

在本发明的某些实施方案中，可进一步处理生物质材料。例如，生物 质材料可在从容器净化水溶性气体之后去除，然后可被用来制备化学衍生 物，例如用于制备可用作运输燃料或燃料组分的乙醇或其他组分。在这样 的实例中，生物质材料可发酵以制备所需的燃料成分。

在本发明的优选实施方案中，将至少一种已经分离出的气体成分保留 在含有生物质材料的容器内，以增大生物质的酶解性。更优选地，所述至 少一种气体成分保留在容器中以增大酶解性，然后收集或回收保留的气体 成分。酶解性是指由水解酶将生物质材料转化成其糖成分组成的能力。根 据本发明，利用标准实验室协议(例如参见，“Enzymatic saccharification of  Iignocellulosic biomass”National Renewable Energy Laboratory Technical  Report)TP-510-42629，2008年3月)来测定酶解性。

为了本发明的目的，酶解性是该生物质材料使用纤维素酶或木聚糖酶 可分解成一个或多个葡萄糖和木糖的速率。可通过下述来测定由所述至少 第一气体成分接触或处理生物质材料关于生物质材料酶解性的定量影响： 将已经由至少第一气体成分接触或处理的0.15克干重的生物质样品加入到 玻璃闪烁小瓶内，并将未经接触或处理的相同干重的生物质量加入到单独 的小瓶内。优选地，重复制备小瓶的两种生物质样品。

然后将5.0毫升的0.1摩尔的pH4.8的柠檬酸钠缓冲液以及一定量的等 于1.5滤纸单位(FPU)活性的纤维素酶溶液加入到每个小瓶内。也可将同等 量的木聚糖酶加入到每个小瓶中。

然后通过加入蒸馏水将每个小瓶中的总体积稀释至10.0毫升。然后将 小瓶密封并在50土1°C下培养48小时，进行足够的搅拌以使固体悬浮。 可根据需要调整培养期间的条件，包括温度和pH值，以适应酶解中所用的 特定酶。

培养后，从每个小瓶抽取等分液体试样并通过0.45微米的过滤器过滤， 然后对滤液进行分析，以使用HPLC或任何其他合适的定量技术来确定葡 萄糖、木糖或两者的浓度。

然后生物质的增大的酶解性可计算为X_cell＝100*[(C_G1u)_abs/(C_Glu)-1]， 其中X_cell是酶或纤维素酶的酶解性的增大百分比，(C_G1u)_abs是从由至少第一 气体成分接触或处理的生物质过滤的滤液中的葡萄糖浓度，(C_GIu)是从未由 至少第一气体成分接触或处理的生物质过滤的滤液中的葡萄糖浓度。

对于增大的酶解性，基于木糖在等分滤液试样中的浓度可以进行类似 的计算。在这种情况下，X_cell=100*[(C_Xyl)_abs/(C_Xyl)-1]，其中X_cell是酶或木 聚糖的酶解性的增大百分比，(C_Xyl)_abs是从由至少第一气体成分接触或处理 的生物质过滤的滤液中的木糖浓度，(C_Xyl)是从未由至少第一气体成分接触 或处理的生物质过滤的滤液中的木糖浓度。优选地，由所述至少一种水溶 性气体成分接触或处理生物质材料可增大酶解性至少5%，更优选至少 50%，最优选至少100%。该增大可由纤维素酶和木聚糖酶的酶解性的一个 或多个增大(由X_cell定义)来测量。

在本发明的一个实施方案中，停止所述至少第一气体成分(即，被输送 到含有生物质材料的容器中的任何和所有的可溶性气体)的流动，并且所述 至少第一气体成分保持与生物质材料相接触，以相对于最初供给到容器的 生物质材料增大至少10%的酶解性。优选地，停止所述至少第一气体成分 的流动，并且所述至少第一气体成分保持与生物质材料相接触，以相对于 最初供给到容器的生物质材料增大至少20%，更优选至少30%，最优选至 少40%的酶解性。

实施例

实施例1

在图1A-1E中显示出本发明的一个实施方案，它使用单个容器用于气 体成分分离。如图1A所示，含有生物质材料101的容器用水不溶性气体(例 如，氮气)，从罐102净化，以消除空气泄气，然后将容器加压。由压力调 节器阀103来控制压力，由压缩机104提供再循环。

在图1B中，将包括第一气体成分(例如，氨气)和第二气体成分(例如， 氮气)的混合物的进料气流从罐105输送到容器101。在容器101中，通过 吸收将第一气体成分与第二气体成分分离。随着吸收的进行，第二气体成 分持续流动通过容器101。第二气体成分离开容器101，并且被输送到压缩 机104和罐102。

在图1C中，通过在容器流出端处的温度上升来检测至少第一气体成分 的穿透。第一和第二气体成分混合物从流出端的反流被引导到罐105。然后 所述气流再循环到床101以确保第一气体成分在生物质材料中最大限度地 吸收。然后停止到容器101的流动。使第一气体成分保持与生物质材料相 接触来处理生物质材料，例如以获得酶解性的增大。

在图1D中，来自罐102的气流通过任选的热交换器106而被输送到容 器101的流出端。该第二气体成分的气流用于在较低的压力下从容器101 解吸或净化第一气体成分，通过压缩机107和任选的热交换器106将第一 气体成分与第二气体成分的混合物发输送到罐105，所述压力低于在图1B 和1C中用于吸收第一气体成分的压力。虽然在本实施方案中净化气流的流 动显示为进料气流的逆流方向，但是上述流动也可在相对于进料气流方向 的并流方向上。

在图1E中，完成第一气体成分的解吸或净化。解吸或净化的完成可由 类似于上述的pH值或温度变化来指示。然而，期望变化是反向的，因为第 一气体成分的去除会导致容器101的温度下降。当解吸或净化完成后，可 以打开容器和移除已经经过处理的生物质。如果需要的话，可将补充气体 加入到罐102和105。容器101可重新填充生物质材料，并重复所述过程。

实施例2

在图2中示出本发明的一个实施方案。在本实施方案中，三个含有生 物质材料的容器201a-c串联布置。

在图2A中，将来自于罐210的水不溶性气体(例如，氮气)通过压缩机 211供应到容器。由背压调节器212调节压力。

在图2B中，随着水不溶性气体通过压缩机211持续循环，容器201a 充有来自容器213的水溶性气体(例如，氨气)。气体在容器201a的流入端 混合以及以这种方式给容器201a持续进料，直到确定按所需用水溶性气体 饱和生物质材料。此时，在容器201a的流出端观察到水溶性气体穿透，然 后停止水溶性气体流向容器。在容器201b的流入端吸收来自于容器201a 的流出物中存在的任意量的水溶性气体。使第一气体成分保持与生物质材 料相接触以处理生物质材料，例如用于以获得增大酶解性的方式来进行处 理。

在图2C中，通过用来自容器201c的水不溶性气体进行净化，对容器 201a减压并部分解吸或净化水溶性气体。随着水不溶性气体通过容器201a， 所述水溶性气体被解吸或净化。随着水溶性气体和水不溶性气体的混合物 从容器201a流出，混合物被输送到容器201b，在该容器201b中，由生物 质材料吸收水溶性气体。一旦容器201b中的生物质材料被水溶性气体饱和， 一些水溶性气体从容器201b的流出端离开，且在容器201c的流入端被吸 收到生物质材料上。停止水溶性气体流向容器。使第一气体成分保持与生 物质材料相接触以处理生物质材料，例如用于以获得增大酶解性的方式来 进行处理。

在图2D中，恢复水不溶性气体的循环，直到认为容器201a中的生物 质材料被解吸或净化，其中容器201b被部分地解吸或净化，容器201c尚 未到达穿透点。此时，停止气流流动，同时将容器201a脱机，将已经经过 处理的生物质材料取出，重新填充未经处理的生物质材料，并用来自容器 201c的水不溶性气体加压。

在图2E中，通过用来自容器201a的水不溶性气体进行净化，容器201b 减压且水溶性气体被部分地解吸或净化，直到容器201c中的生物质材料变 为被水溶性气体饱和。如以前串联的那样，一些水溶性气体穿透容器201c 到达容器201a。如以前串联的那样，停止流动以处理容器201c中的生物质 材料。

在图2F中，再循环水不溶性气体，直到容器201b中的生物质材料被 水溶性气体净化或解吸。然后可取出容器201b中的经过处理的生物质材料， 并可将未经处理的生物质材料填充入容器201b内，如以前串联的那样。

如图2A-F所示，多个串联的床可周期性地被水溶性气体饱和并解吸或 净化水溶性气体。根据需要该循环可以重复多次，其中根据所需可加入补 充的水溶性气体和水不溶性气体。

实施例3

使用湿麦秸的填充床作为生物质材料来进行气体分离。

将小麦秸秆研磨至最大颗粒直径为2毫米。将研磨秸秆的水分含量调 节至47重量%。用91.0克的研磨湿麦秸填充不锈钢容器，该容器长为53 厘米，内径为3.5厘米，内部容积为510立方厘米。容器含有48.0克干重 的小麦秸秆以及43.0克的所吸收水分。通过将湿润秸秆倾倒到容器内来填 充该容器，然后轻敲容器外部，直到观察到生物质床没有进一步沉降为止。 在容器的两端处用150目不锈钢网筛对床进行支撑。然后将容器密封，循 环氮气，并将容器加压至79±1psig。通过含有所填充小麦秸秆的加压容器 形成534标准立方厘米每分钟(sccm)的氮气吹扫流，其中流出的吹扫气体通 过减压阀并且在大气压力下鼓泡到柠檬酸捕集器内以确定流出气体的氨含 量。

在16分钟的时间段，来自高压储罐的总共8.5克的氨蒸气混入到流入 的氮气吹扫气体内。当氨气/氮气混合物与生物质床相接触时，容器入口端 的外侧变得相当温暖，且温暖的部分沿轴向逐渐扩散到容器的中部。当氨 已被加入床中之后，氮气吹扫气流继续以534sccm和79psig流动，同时监 测柠檬酸捕集器的pH值。随着氮气吹扫流继续流动，容器流入端的外侧变 得比周围温度更低。

图3显示流出气体中的氨浓度。图3中的数据表明，在观察到氨穿透 (ammonia breakthrough)之前，从床洗脱出至少15个床体积的没有氨的氮气。 此结果表明使用含有湿麦秸的填充床的容器可有效地从氮气吸收和分离氨 气。

实施例4

使用含有麦秸填充床的容器来进行吸收(吸附)/解吸循环。

使用相同的填充技术将麦秸填充到具有与实施例3中相同尺寸的不锈 钢容器内。床的总质量为83.1克，麦秸的水分含量为39.5重量%。通过床 在75psig下形成1SLPM的氮气吹扫气流量。在5分钟的时间内总共19.0 克的氨蒸气从高压储罐填充到容器内。随着氨气充入，容器的整个外表面 变热，表明氨分布到容器内的全体生物质内。

然后停止氮气吹扫气流，封闭容器，并使其平衡22分钟。在此期间， 容器内压力上升到高达160psig，然后逐渐下降低至140psig。平衡22分钟 后，通过打开出口压力减压阀来给容器减压。氮气吹扫气流在15psig下上 升至28SLPM。在气体加热器中将进入氮气加热到约100°C。通过监测柠 檬酸捕集器(气体通过其鼓泡)的pH值来定量流出气体的氨浓度。随着氨从 生物质解吸，整个管外部变冷。由于流入加热的氮气，容器的入口端逐渐 变热。经过18分钟的时间段之后，容器的整个外表面变得温暖。

图4显示在试验的吸收、平衡(渗透)、和解吸阶段中的流出物的氨浓度、 氮气流速和床压力。紧接着降低床压力并升高氮气吹扫气量之后，流出物 中的氨浓度上升到大于20摩尔%的峰值，然后逐渐减小到零。然后停止氮 气流，取出容器中的生物质。在拆开床后没有检测到保留于生物质中的游 离氨气味。在拆开床之后，麦秸的水分含量为35.9重量%，表明在解吸阶 段有一些最少的水分损失。该实施例表明氨可在升高的压力下在5分钟内 吸收到麦秸填充床上，允许在床上渗透或平衡超过20分钟，然后利用加热 的氮气吹扫气体在压力降低的情况下在不到20分钟的时间内从所述床解吸 出来。

实施例5

在气体吸收/解吸循环之后生物质的酶解性。

将玉米秸秆在Wiley磨研机中研磨到小于2毫米的粒径。将玉米秸秆 的水分含量调节到45.2重量%。然后使用相同的床填充技术将玉米秸秆填 充到具有与实例3和4中相同尺寸的不锈钢容器内。容器含有总共85.7克 的潮湿秸秆。然后用以3SLPM流动的氮气吹扫气流将床加压到175psig。 然后在10分钟的时间段内将容器填充21.6克的氨蒸气。在吸收过程中，容 器压力上升到高达203psig。然后使容器中的生物质渗透或平衡20分钟， 在这段时间内容器压力下降到140psig。然后将压力降低至13psig，而加热 的氮气流上升至30SLPM。在解吸22分钟后，容器的整个外部变温暖，表 明氨完全解吸，因此停止氮气流。然后从容器取出生物质。取出的秸秆上 没有检测到保留的氨气味。所取出秸秆的水分含量为40.8重量%。

使用每克葡聚糖的15滤纸单位(FPU)的纤维素酶活性和42纤维二糖酶 单位(CBU)的纤维二糖酶酶活性在50°C下处理72小时的经过处理的复合秸 秆样品的酶解性得到61%的理论葡萄糖产率和38%的理论木糖产率。相比 之下，通常从未经处理的玉米秸秆产生的糖量为26%的葡萄糖和12%的木 糖。与未经处理的玉米秸秆相比，从经过处理的秸秆产生的糖量显著提高。 该实施例表明在升高的压力下氨可被吸收到湿润玉米秸秆的填充床上，然 后在降低的压力下从秸秆床完全解吸出来，以这种方式提高了秸秆的酶解 性。

以上已经参照各种示例性实施方案和优选实施方案描述了本发明操作 的原理和模式。本领域技术人员能够理解，由权利要求所限定的发明涵盖 未在本文具体列举的其他优选实施方案。