分步水熱法從富油生物質(zhì)中提取生物油和其他生物產(chǎn)品的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明主要是一個化工過程的開發(fā)(分步水熱法)，能夠從富油的生物質(zhì)(例如海藻物質(zhì))中提取生物燃油和其他高附加值生物產(chǎn)品。本化工過程是通過兩步的水熱法，在第一步低溫的水熱法中提取多糖和其他高附加值的生物產(chǎn)品，然后再將第一步提取完成后剩余的生物質(zhì)用于第二步高溫水熱法中生產(chǎn)生物油。
【專利說明】分步水熱法從富油生物質(zhì)中提取生物油和其他生物產(chǎn)品

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利主要是開發(fā)一個高效的能夠從富油生物質(zhì)中（例如海藻生物質(zhì)）提取生物 燃油和其他高附加值生物產(chǎn)品的一個化工過程。本化工過程是通過兩步的水熱法，在第一 步低溫的水熱法中提取多糖和其他高附加值的生物產(chǎn)品，然后再將第一步提取完成后剩余 的生物質(zhì)用于第二步高溫水熱法中生產(chǎn)生物油。

【背景技術(shù)】
[0002] 海藻作為一種非常有前景的"直替燃油"的生物質(zhì)已經(jīng)吸引了越來越多關(guān)注（例 如：美國能源部組織和撰寫的海藻路線圖，和美國國家生物燃料發(fā)展計劃），海藻做為生產(chǎn) 生物燃料的主要生物質(zhì)有以下主要的特點：（1)高的單位面積的化合效率和生物質(zhì)的產(chǎn) 率；（2)高的油脂的含量和產(chǎn)量；（3)可以通過優(yōu)化發(fā)酵技術(shù)進一步提高海藻細胞中油脂的 產(chǎn)量；(4)海藻生物質(zhì)的發(fā)酵過程并不需要占用可耕種土地，不需要使用可飲用水，不需要 額外提供高價值的營養(yǎng)成分，其發(fā)酵需要的營養(yǎng)成分可以通過廢水和光合作用固定二氧化 碳來實現(xiàn)。
[0003] 然而海藻作為生物質(zhì)生產(chǎn)生物燃料的最主要的缺陷是其發(fā)酵過程的高成本，通過 Van Harmelen and 0onk(2006)的計算，目前最經(jīng)濟最高效的海藻發(fā)酵系統(tǒng)，其花費依然較 大。這使得在現(xiàn)階段，海藻大規(guī)模的發(fā)酵用于生產(chǎn)海藻生物質(zhì)和生物燃料的過程并不經(jīng)濟。 相反，如果能夠利用海藻生物質(zhì)在生產(chǎn)生物燃油的同時，生產(chǎn)一定量的高附加值的產(chǎn)品，將 會使得生物燃油的生產(chǎn)過程變得更加經(jīng)濟。
[0004] 在現(xiàn)階段，同時生產(chǎn)海藻生物燃料和附加值產(chǎn)品的過程并沒有能夠?qū)崿F(xiàn)，其主要 的障礙是缺乏一個有效的分離技術(shù)，尤其是目前一些主要的海藻生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程（例如 有機溶劑萃取，水熱液化法（hydrothermal liquefaction),和氣化法（gasification))提 取生物油脂的方法并不能夠分離出有活性的附加值產(chǎn)品。
[0005] 海藻生物質(zhì)主要是由蛋白質(zhì)，碳水化合物和油脂組成。不同于主要成分是木質(zhì)纖 維素的生物質(zhì)，海藻生物質(zhì)中生產(chǎn)出的生物油，其主要是來源于海藻細胞中的脂肪酸。因 此，如果海藻生物質(zhì)中含有適量的脂肪酸（26-30% )，那么海藻細胞中蛋白質(zhì)和碳水化合 物將并不會對生產(chǎn)出的生物油的產(chǎn)量和熱值產(chǎn)生太大的影響，但是相反會使得海藻生物油 脂的分離過程變得更加復(fù)雜。
[0006] 水熱法和有機溶劑提取法是兩個主要的從生物質(zhì)中提取分離生物化工品的方法， 有機溶劑提取法的最主要的問題是高的溶劑花費和對環(huán)境造成的污染。相反，水熱法卻解 決了這兩個問題。水熱法通常是利用亞臨界或者超臨界水獨特的電離性質(zhì)能夠?qū)⑸镔|(zhì)中 的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣相和液相的鏈?zhǔn)胶头枷泐惖幕衔铮–atallo et al，2008)。與有機溶劑提 取法和高溫裂解法相比，水熱法處理海藻的另外一個優(yōu)勢是，能夠直接處理含水的海藻，從 而省去了干燥海藻的過程。依據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的不同，水熱法可以分為水熱氣化法（HTG)，水熱 液化法（HTL)，和氣化液化法的結(jié)合法。水熱汽化法主要發(fā)生在較高的溫度下（400-700°C ) (Peterson et al.，2008)，能夠?qū)⒋蟛糠值募毎械挠袡C物氣化為混合氣（比如甲烷和氫 氣），因此氣化法與海藻細胞中含油脂多少并沒有太大關(guān)系。但是正因為氣化法較高的溫 度能夠分解大部分的分子，所以氣化法并不能夠用于生產(chǎn)高附加值的生物產(chǎn)品。水熱液化 法是一種通常溫度在200-400°C，以生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品也被稱作生物油或者生物原油為主的過 程。水熱法已經(jīng)被證明了是一種可以有效的從各類海藻細胞中生產(chǎn)生物油的方法（Dote et al.，1993 ;inowa et al.，1995 ;Yang et al.，2004)。其優(yōu)點還包括能夠?qū)⒉糠值姆怯?脂的分子轉(zhuǎn)化為親油性的分子，因而提高了生物油的產(chǎn)量。例如：Dote et al (1993)使用 碳酸鈉作為催化劑在300°C的條件下液化一種含油脂量為50%的微藻并生產(chǎn)出占微藻細 胞干重達64%生物油，這表明水熱法不僅將油脂轉(zhuǎn)化為生物油，而且將部分的蛋白質(zhì)，碳水 化合物等也轉(zhuǎn)化為油性物質(zhì)。然而Selhan aragoz(2004)使用了低溫水熱法（180,250， 和280°C，15min和60min)來處理生物質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)在250度和280度的條件下，隨著反應(yīng)時 間的增加，出現(xiàn)了二級反應(yīng)并且減少了生物油的產(chǎn)量，而生物油中也有一些的C9-C11的物 質(zhì)。因此水熱法的主要缺點是如果細胞中含有一定量的蛋白質(zhì)和碳水化合物，這些物質(zhì)導(dǎo) 致水熱法反應(yīng)后產(chǎn)生了一些蛋白質(zhì)和碳水化合物的衍生物，從而降低了生物油中脂肪酸的 含量，進而對生物油的品質(zhì)產(chǎn)生了影響。
[0007] 目前也有一些研究專注于使用有機酸做為催化劑，將生物質(zhì)中的碳水化合物轉(zhuǎn)化 為生物油。在一些文獻中提到，有機酸能夠促進碳水化合物的脫氧反應(yīng)，并且通過聚合反 應(yīng)產(chǎn)生一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物油，然而這一方法僅能夠提高3-4%的生物油的產(chǎn)量（Ross et al· 2010)。
[0008] 與碳水化合物相比，利用蛋白質(zhì)通過熱轉(zhuǎn)化生產(chǎn)生物油具有較高的熱效率。蛋白 質(zhì)通過脫氨反應(yīng)（deamination)產(chǎn)生氨氣，而產(chǎn)生的氨可以作為堿性催化劑或者反應(yīng)物， 能夠?qū)⑻穷惖慕到夥磻?yīng)從水相裂解（主要產(chǎn)物是呋喃）轉(zhuǎn)變?yōu)閍ldol聚合反應(yīng)和其他的 聚合反應(yīng)（Nelson et al，1984)，從而產(chǎn)生較多的油性物質(zhì)。然而這一過程也將對環(huán)境和 金屬催化劑有影響的含有氮元素的化合物帶入到生物油中，而移除含氮類物質(zhì)則需要引入 復(fù)雜且需要一定花費的脫氮過程（denitrogenation)。此外，在高溫的水熱法中，蛋白質(zhì)和 碳水化合物能夠產(chǎn)生一些對發(fā)酵過程的細胞有害的物質(zhì)比如糠醛（furfural)，羥甲基糠醛 (hydroxymethyl furfural)，含氮類芳香化合物等。由于這些物質(zhì)的存在，使得回收并重復(fù) 利用水相中海藻發(fā)酵所需的碳源，氮源等其他營養(yǎng)物質(zhì)變得困難。水熱處理法在較低溫度 下（主要是溶解反應(yīng)/水解反應(yīng)是主要的反應(yīng)）能夠在碳水化合物和蛋白質(zhì)在變?yōu)檫@些有 害物質(zhì)之前，分離碳水化合物和蛋白質(zhì)成分。碳水化合物的分離能夠加強水和油脂分子的 物理接觸，從而提高提取效率（libra et al.，2011)
[0009] 因此，有必要開發(fā)出一種流程，能夠有效的分離出具有一定附加值的產(chǎn)品并生產(chǎn) 出生物原油。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本專利提供了一個兩步水熱法的流程，能夠提取高附加值的副產(chǎn)品，并且從海藻 細胞中生產(chǎn)出生物燃油。本過程主要是分步的利用（1)低溫亞臨界水提取出水溶性物質(zhì)； (2)高溫亞臨界水將提取后剩余的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物油。通過整合這兩步反應(yīng)（Sequential Hydrothermal Liquefaction (SEQHTL))，能夠在不影響生物油的品質(zhì)和產(chǎn)量的基礎(chǔ)上生產(chǎn) 出高附加值生物產(chǎn)品和高質(zhì)量的生物油。 toon] 這一過程包括一個任務(wù)是從富油生物質(zhì)中提取多糖通過（1)將富油生物質(zhì)和水 加熱到150到165°C ; (2)在此溫度下保持反應(yīng)持續(xù)15-20分鐘；（3)反應(yīng)后回收從生物質(zhì) 中溶解出的多糖。在此方案中，回收多糖主要是包括以下步驟（a)通過過濾的方法分離液 體和固體；(b)從分離的液相中提取多糖。在實施方案中，提取多糖主要是通過乙醇沉淀的 方法實現(xiàn)。在操作中，第一步反應(yīng)是通過加熱反應(yīng)物溫度到165°C，并保持20分鐘的反應(yīng)時 間。此過程也包括了分離生物質(zhì)中的其他副產(chǎn)物包括蛋白質(zhì)，多肽，以及糖類化合物。在實 施方案中，主要的生物質(zhì)是海藻生物質(zhì)。
[0012] 本專利也提供了從富油生物質(zhì)中提取生物油的方法，包括（1)加熱所述的生物 質(zhì)和水的混合反應(yīng)物到237到243°C ; (2)保持所述的反應(yīng)物質(zhì)在所述的反應(yīng)溫度中加熱 15-25分鐘，然后回收生物油。在實施方案中，溫度保持在240°C，時間保持在20分鐘。提 取生物油的過程主要是通過以二氯甲烷作為溶劑對所述反應(yīng)后的物質(zhì)進行生物油的提取。 在實施方案中，主要的生物質(zhì)是海藻生物質(zhì)。
[0013] 本專利也提供了一種方法能夠從富油生物質(zhì)中獲得多糖和生物油，包括（1)加熱 所述的生物質(zhì)和水的混合反應(yīng)物到溫度為155-165°c ; (2)保持所述的反應(yīng)物在第一步的 溫度下25分鐘；（3)通過分離所述的反應(yīng)后的產(chǎn)物分離出液相物質(zhì)和固相物質(zhì)；(4)回收 反應(yīng)后的從生物質(zhì)中分離的多糖；(5)加熱分離出的固相物質(zhì)和水的混合物到第二步的反 應(yīng)溫度237-243 °C ; (6)保持所述的反應(yīng)物在第二步的溫度下維持15-25分鐘；（7)反應(yīng)后 分離通過（5) (6)步反應(yīng)得到的生物油。在實施方案中，第（4)步使用乙醇沉淀法來分離多 糖。在實施方案中，第一步反應(yīng)的溫度為160°C，第二步反應(yīng)的溫度為240°C。在實施方案 中，第一步和第二步的反應(yīng)時間是20分鐘。此過程也包括了從液相中分離生物質(zhì)的其他副 產(chǎn)物包括蛋白質(zhì)，多肽，以及糖類化合物。在實施方案中，主要的生物質(zhì)是海藻生物質(zhì)。
[0014] 本專利進一步提供了一個可用于生產(chǎn)生物油的生產(chǎn)系統(tǒng)，包括：一個封閉反應(yīng) 器，可以加入生物質(zhì)，并加熱到第一步反應(yīng)所述的溫度155-165°c和時間15-25分鐘，和第 二個密閉反應(yīng)器，可以加入第一步反應(yīng)后的剩余生物質(zhì)，并加熱到第二步反應(yīng)所述的溫度 257-263°C和時間15-25分鐘。在實施方案中，第一步的反應(yīng)溫度是160度，第二步的反應(yīng) 溫度是260度，第一步和第二步的反應(yīng)時間均為20分鐘。這一生產(chǎn)系統(tǒng)可以進一步發(fā)展為 由電腦連接控制生產(chǎn)系統(tǒng)，通過程序控制第一步和第二步反應(yīng)生產(chǎn)本專利所述的生物產(chǎn)品 和生物油。在實施方案中，主要的生物質(zhì)是海藻生物質(zhì)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1.分步水熱法的系統(tǒng)過程圖.
[0016] 圖2a_c.反應(yīng)條件對第一步分步水熱法的產(chǎn)品產(chǎn)量的影響：（a)溫度的影響；(b) 反應(yīng)時間的影響；（c)生物質(zhì)/水的質(zhì)量比的影響.
[0017] 圖3a_c.反應(yīng)溫度對第二步分步水熱法的產(chǎn)品產(chǎn)量的影響：（a)對生物油的影響； (b)對生物炭的影響；（c)對水相提取物的影響.
[0018] 圖4a-C.反應(yīng)時間對第二步分步水熱法的產(chǎn)品產(chǎn)量的影響：(a)對生物油的影響； (b)對生物炭的影響；（c)對水相提取物的影響.
[0019] 圖5a-c.生物質(zhì)/水的質(zhì)量比對第二步分步水熱法的產(chǎn)品產(chǎn)量的影響：(a)對生 物油的影響；(b)對生物炭的影響；（c)對水相提取物的影響.
[0020] 圖6. -個分步水熱法的系統(tǒng)示意圖.

【具體實施方式】
[0021] 本專利提供了生產(chǎn)系統(tǒng)和方法通過使用水熱處理法將海藻生物質(zhì)在低溫和高溫 兩步反應(yīng)下，分離出碳水化合物和蛋白質(zhì)。如果僅是一步的高溫反應(yīng)，碳水化合物和蛋白質(zhì) 作為一些生產(chǎn)出的生物油中雜質(zhì)的來源將會降低整個過程的經(jīng)濟性。而本專利則可以分離 出碳水化合物和蛋白質(zhì)等物質(zhì)，并用于生產(chǎn)其他附加值的產(chǎn)品。
[0022] 第一步反應(yīng)分離的多糖，如果用于生產(chǎn)生物油則會導(dǎo)致生產(chǎn)過程的負(fù)的能量平 衡，因為多糖轉(zhuǎn)化為生物油的低轉(zhuǎn)化率，以及大量的能量消耗（Biller& Ross，2011)。在文 獻中，已經(jīng)報道多糖在水熱法反應(yīng)中大量的轉(zhuǎn)化為生物炭，而生物炭是一種經(jīng)濟價值很低 的物質(zhì)。此外由于碳水化合物的存在，使得生物油的分離過程變得非常麻煩，因為碳水化合 物也是乳化劑的原料，可以在水相中起到乳化生物油的作用，因此使得生物油的分離變得 困難。所以，分離多糖能夠極大的減輕反應(yīng)后乳化現(xiàn)象的發(fā)生，并不會對生物油的產(chǎn)量產(chǎn)生 影響。因此，本專利所述的方法，為工業(yè)生產(chǎn)分離海藻多糖提供了希望，有助于工業(yè)中大規(guī) 模生產(chǎn)以多糖為基礎(chǔ)的相關(guān)的生物化工品。
[0023] 本專利揭示了兩步法生產(chǎn)高品質(zhì)的生物油的生產(chǎn)系統(tǒng)和方法。本生產(chǎn)系統(tǒng)和方法 同時也優(yōu)化了分步生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的反應(yīng)條件，通過（1)低溫水熱提取海藻生物質(zhì)中的 物質(zhì)；和（2)高溫水熱液化第（1)步提取后的生物質(zhì)。本過程被稱作分步水熱法（SEQHTL)， 參見Figurel.在一些實施方案中，這兩步是分開進行的，先進行第一步，然后進行第二步。 在另外一些實施方案中，這兩部可能是分開操作的，比如：單獨操作第一步反應(yīng)，以生產(chǎn)出 有價值的產(chǎn)品，如：多糖等?；蛘邌为毑僮鞯诙椒磻?yīng)為了生產(chǎn)出生物油和其他的產(chǎn)品?；?者第一步和第二步同時進行，但是僅僅是為了生產(chǎn)生物油，比如，其他的副產(chǎn)物可能或沒 有被回收。在一些實施方案中，在方法中使用的溶劑和反應(yīng)介質(zhì)可能會被收集，然后重復(fù)在 操作系統(tǒng)中使用。
[0024] 本專利所描述的海藻生物質(zhì)，我們通常定義為由大約70%的干重海藻細胞和 30%的水組成的海藻生物質(zhì)。然而在本專利中，海藻中水的比例也有可能不同，比如說大約 5%，10%，15%，或者 20% 的水。
[0025] 在本專利中所描述生產(chǎn)的第一階段的高品質(zhì)生物油的方法是通過亞臨界水熱提 取法（SWE)來實現(xiàn)的，水熱提取是通過利用其臨界點的溫度和高壓下保持液態(tài)的水進行的 過程（Ayala and de Castro2001)。物質(zhì)的臨界溫度是指在某一溫度下，該物質(zhì)介于液態(tài)和 氣態(tài)之間的一種特殊的狀態(tài)，高于此溫度無論多大壓力氣體將不能被液化。水熱提取的原 理是利用在低于臨界溫度的高壓下，水的極性降低，能夠較多溶解常溫下不易溶的有機物 來進行提取。在l〇〇_374°C的水作為溶劑展現(xiàn)了獨特的優(yōu)點。在這個條件下，水的介電常數(shù)， 如：極性都會隨著溫度的增加而發(fā)生巨大的降低。純水在常溫常壓下，介電常數(shù)是79,而在 5MPa和250度的條件下（需要保持在液態(tài)），介電常數(shù)減少為27。這一數(shù)值近似于乙醇在 25度0. IMPa下的數(shù)值，這會使水能夠溶解較多的中間產(chǎn)物和低極性的物質(zhì)。在適度的壓力 下增加水的溫度，也會減少水的表面張力和粘度系數(shù)，這也會增加水對低極性物質(zhì)的溶解 度。通過使用本專利描述的方法，控制水的介電常數(shù)可以用于在生產(chǎn)生物燃油的流程系統(tǒng) 中，有效的提取其他附加生物產(chǎn)品，作為有效的分離介質(zhì)，可以通過調(diào)節(jié)水的溫度，選擇性 的提取分離不同類型，不同基團的化合物。在低溫下可以提取極性較高的物質(zhì)，而在高溫下 提取極性較低物質(zhì)。這一亞臨界水的選擇性，可以使得不同溫度下可以分離出不同的產(chǎn)品。 例如：不錯的分離效果（>90% )的極性物質(zhì)如酚類物質(zhì)，可以溶解于低于100度的水中，而 在大約200度的水中可以適量的溶解較低極性的物質(zhì)。通過利用水的溶劑特點，水熱提取 的方法能夠作為一種工具應(yīng)用于分步從海藻生物質(zhì)中提取附加值產(chǎn)品和生物油過程中。
[0026] 因此，要想從海藻細胞中提取出目標(biāo)產(chǎn)物（如多糖蛋白質(zhì)等），第一步是要在足夠 高的溫度下，打破海藻的細胞，從而能使水溶解出目標(biāo)產(chǎn)物。但是此溫度必須保證目標(biāo)產(chǎn)物 不發(fā)生質(zhì)的變化（比如不發(fā)生水解，脫氧，脫氨等降解反應(yīng)），從而保證產(chǎn)物的活性。
[0027] 海藻生物質(zhì)可以通過已知的發(fā)酵方法來產(chǎn)生物質(zhì)，已有許多的專利描述 了海藻培養(yǎng)的方法，如美國專利 8, 033, 047 (Rasmussen, etal.) ;8, 017, 377 (Much); 7,905,049(Erd);and8,211，307(Chew，et al.)等。這些技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出許多種可以用于 生產(chǎn)生物油的藻種，這其中的全部內(nèi)容通過引用的方式并入本文中全文，包括其中引用 的參考文獻。這些藻種包括，Chlorella vulgaris, Chlorella pyrenoidosa，Chlorella kessleri, Chlorella minutissima, Chlorella variabilis,等等。此外一些其他的富油生 物質(zhì)如酵母（yeast),真菌（fungi)等也被廣泛的使用。
[0028] 有優(yōu)勢的是，因為海藻細胞是培養(yǎng)在水相中的生物質(zhì)，因此并不需要在反應(yīng)前干 燥海藻細胞。在實施方案中，收集的海藻可能被或多或少干燥以移除過量的水，剩余的適 量的水或者水溶液（可能水溶液中包含培養(yǎng)海藻剩余的鹽，緩沖液等物質(zhì)）通過加入到收 集的海藻中調(diào)節(jié)海藻生物質(zhì)和水的質(zhì)量比保證海藻干重和水的質(zhì)量比在1:2到1:20之 間，一般在1:3到1 :15之間，大部分情況下維持在1:6到1:12之間，如：1:6,1:7,1:8， 1:9, 1:10, 1:11，1:12。在另外一些實施方案中，海藻干重和水的比例可能維持在1:7到 1:11 之間，如：1:7,1:7. 5,1:8,1:8. 5,1:9,1:9. 5,1:10,1:10. 5,1:11。在一些實施方案中， 比例固定在1:9。
[0029] 另外有優(yōu)勢的地方是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以通過保持水熱提取法在較低的溫度下，來保 護海藻的副產(chǎn)品（如多糖，蛋白質(zhì)等）不被大量的降解，因而得到了高產(chǎn)量的產(chǎn)品。第一步 的水熱法的反應(yīng)溫度通常在120度到220度之間，如：120, 125, 130, 135, 140, 145, 150, 155， 160, 165, 170, 175, 180, 185, 190, 195, 200, 205, 210, 215, 220 度。在體系自己產(chǎn)生的高溫壓 力下，如水的蒸汽壓，和產(chǎn)于此溫度條件下，生物氣的分壓力等，能夠保證反應(yīng)過程出去等 溫的過程。這些領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的測量和/或計算的蒸氣壓，如方法對于水，克勞修 斯-克拉貝龍關(guān)系或Antoine方程式也可使用。在一些反應(yīng)中，反應(yīng)溫度控制在150到170 度，如150, 155, 160, 165, 170度。在一些反應(yīng)中溫度控制在155到165度之間，如：155, 15 6, 157, 158, 159, 160, 161，162, 163, 164, 165 度。在一些反應(yīng)中溫度固定在 160 度。
[0030] 在第一步的反應(yīng)中，反應(yīng)時間通?？刂圃?到60分鐘。通常境況下在10到40分 鐘，而大部分情況下載15到30分鐘，如15, 20, 25, 30分鐘（細如：15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 ，22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30分鐘）。在一些反應(yīng)中，溫度固定在20分鐘。
[0031] 在第一步的反應(yīng)后，目標(biāo)產(chǎn)物主要是一些從海藻細胞中溶解出的水溶性的生物分 子，例如多糖，蛋白質(zhì)，多酚，多肽，肽，糖類等。在一些實驗中，主要產(chǎn)品是多糖。此外水溶 物中除了多糖外，還富含由于碳水化合物和蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的氨基酸，短鏈的肽，糖類等產(chǎn) 物，這些物質(zhì)可以通過回收處理進一步加以利用（如循環(huán)發(fā)酵的碳源和氮源等）。
[0032] 這些領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的回收或分離（回收）反應(yīng)混合物中的各種產(chǎn)品的方 法。例如，對于多糖類的反應(yīng)混合物可以通過，例如過濾的方法，分離成液體（通常水相） 和固體組分。通過向溶液中（在圖1中為水溶性物質(zhì)1)加入乙醇（1:3乙醇、水體積比） 來沉淀分離多糖，從而剩下水溶性溶液（圖1中的水溶液1)。從優(yōu)化的角度看，乙醇可以 通過重復(fù)利用來節(jié)約成本，在其他的方案實施中，任何傳統(tǒng)的淀粉分離的技術(shù)，都可能被使 用。包括并不局限于附有機械蒸汽壓縮的反向滲透（reverse phase osmosis coupled with mechanical vapor recompression)或者超濾（ultra-filtration)等。
[0033] 剩下的水溶性溶液可以進一步處理并分離其他的副產(chǎn)品（如圖1中的水相提取物 1)，比如通過其他沉淀分離反應(yīng)如親和技術(shù)（affinity technologies)(如親和色譜等）。在 這些分離操作之前，水溶液可能被冷凍干燥，來分離提純或者保存目標(biāo)生物產(chǎn)品。
[0034] 在一些實驗的方法中，第一步可能通過一系列的增加溫度的操作來分離生物質(zhì)中 一些特別的物質(zhì)如，釋放一些特殊結(jié)構(gòu)的分子到水溶液中，然后通過分離得到相關(guān)產(chǎn)品后， 然后再升高溫度來提取其他的產(chǎn)品。換言之，第一步反應(yīng)可以在第二步生產(chǎn)生物油的反應(yīng) 前加入其他步不同溫度的分離操作來生產(chǎn)目標(biāo)生物產(chǎn)品。
[0035] 在實施方案中，多糖能夠有效的從第一步反應(yīng)中分離出來，例如通過物理化學(xué) 性質(zhì)的分析（如多糖的成分分析，鍵連接分析和FTIR分析等），通過分步水熱法從海藻 (Cholrella sorokiniana)中分離的多糖主要是由1-4糖苷鍵組成的α-葡聚糖。此外 通過FTIR分析可溶馬鈴薯淀粉，發(fā)現(xiàn)此海藻多糖與馬鈴薯淀粉的組成結(jié)構(gòu)相似。提取 的葡聚糖的潛在應(yīng)用主要包括并不局限于：通過水解產(chǎn)生傳統(tǒng)的發(fā)酵底物，從而應(yīng)用于 生產(chǎn)生物乙醇，或作為糖的來源用于培養(yǎng)生產(chǎn)生物塑料的細菌。或者，也可以用于生產(chǎn) 氫氣（Branyikova et a! .,2011)。此外，也可以用于生產(chǎn)熱塑料淀粉（thermoplastic 8七&1"(*〇1^))。而了?3已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)大約50%的生物塑料（111111&112010)。而利用 淀粉生產(chǎn)的TPS必須包含70%以上含量的直鏈淀粉（Chaudhary，Torley，Halley, McCaffer y&Chaudhary，2009)。因此早于本專利，利用植物淀粉生產(chǎn)TPS的過程需要一個能耗較大的 淀粉預(yù)處理過程（去支鏈過程），而相反利用分步水熱法從海藻細胞中分離出的α -葡聚糖 并不需要此過程。
[0036] 最終，在第一步反應(yīng)從水溶液中分離出目標(biāo)生物產(chǎn)品之后，固體物質(zhì)（在圖1中為 處理后的海藻）殘存在反應(yīng)后需要進一步通過第二步反應(yīng)進行處理。在第二步反應(yīng)前，剩 余的固體生物質(zhì)可以通過過濾，離心，等分離操作實現(xiàn)與第一步水溶液的分離。而分離后的 物質(zhì)會再次與水或者水溶液混合。在第二步的反應(yīng)中，剩余的固體生物質(zhì)大約是第一步加 入的其實生物質(zhì)質(zhì)量的一半，因此第二步反應(yīng)中，水的量也相應(yīng)的減半。這一操作以及開發(fā) 的碳水化合物和蛋白質(zhì)作為副產(chǎn)物的提取，也會降低反應(yīng)中水的使用量，從而降低加第一 步和第二步熱水所需要的能耗。此外，在第一步分離出水溶性物質(zhì)后，依靠固液比例，分離 的固體和水可以被直接使用，固體物質(zhì)中會包含一定量的水。通常情況下，第二步使用的固 體和液體的比例范圍在1:1到1:14。在第二步的反應(yīng)中固液比一般維持在1:2到1:13,如 1:2, 1:3, 1:4,1:5, 1:6, 1:7, 1:8, 1:9, 1:10, 1:11，1:12 或 1:13。在一些實驗中，固液比也 可能維持在 1:6 到 1:12,如 1:6, 1:6. 5, 1:7, 1:7. 5, 1:8, 1:8. 5, 1:9, 1:9. 5, 1:10, 1:10. 5, 1 :11，1:11. 5,或1:12。在一些實驗中也可能維持在1:8到1:10。在一些實驗中，比例也肯 能固定在1:9。
[0037] 第二步反應(yīng)提取生物油的反應(yīng)溫度高于第一步反應(yīng)溫度，通常范圍在220度到 300 度之間，如：220, 225, 230, 235, 240, 245, 250, 255, 260, 265, 270, 275, 280, 285, 290, 295 ，或300度，在一些實施方案中，溫度也會控制在230到250度之間（如：230, 231，232, 233 ，234, 235, 236, 237, 238, 239, 240, 241，242, 243, 244, 245, 246, 247, 248, 249,或 250 度）。
[0038] 在第二步的反應(yīng)中，反應(yīng)時間均在5到60分鐘內(nèi)完成，有一些反應(yīng)在10到40分 鐘，大部分反應(yīng)時間均在15到30分鐘，如：15, 20, 25,或30分鐘（如：15, 16, 17, 18, 19, 20 ，21，22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30分鐘），在一些反應(yīng)中，反應(yīng)也會固定在20分鐘。
[0039] 因為第二步反應(yīng)時轉(zhuǎn)化第一步提取反應(yīng)后剩余的生物質(zhì)變?yōu)樯镉?，因此生成?生物油中含有低量的氮元素，但是富含飽和脂肪酸。油通常采用已知的技術(shù)或者專利進行 分離（如萃取，離析，純化等），相關(guān)技術(shù)的專利如US patent8,217,211(Agrawal，et al·)。 在本專利中，二氯甲烷用于萃取生物油，萃取分離后的生物油可以進行進一步的處理來生 產(chǎn)其他所需的生物燃料，或者經(jīng)過除氮之后與其他燃料如乙醇或其他石油產(chǎn)品混合，就技 術(shù)人員已知的技術(shù)而言。
[0040] 在提取分離生物油的過程中，還有一些剩下的產(chǎn)品，還存在一些生物炭 (bio-char)和水溶性物質(zhì)（water extractive),如圖1所示。生物炭是通過生物質(zhì)裂解產(chǎn) 生的木炭，通?？山?jīng)過處理用于生產(chǎn)化肥，和低價值的燃料等。而反應(yīng)后殘存的水可以重復(fù) 循環(huán)供反應(yīng)使用。
[0041] 而在第二步的水熱高溫反應(yīng)中，一些殘存的碳水化合物和蛋白質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為對海 藻細胞培養(yǎng)有害的物質(zhì)如糠醛，二甲基糠醛，含氮類芳香烴化合物等。由于這些物質(zhì)的存 在，對水溶液中有利于發(fā)酵培養(yǎng)的養(yǎng)料的回收和重復(fù)利用帶來困難。然而因為大部分碳水 化合物和蛋白質(zhì)已在第一步反應(yīng)（主要是水解反應(yīng)）中分離出來，所以這大量的減少了對 發(fā)酵培養(yǎng)有害的物質(zhì)的產(chǎn)生。這使得兩步水熱法能夠更加有效的回收發(fā)酵培養(yǎng)過程所需的 養(yǎng)料。
[0042] 本專利也提供了實施此技術(shù)的操作系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備。操作系統(tǒng)流程在圖6中顯 示。系統(tǒng)主要包括第一個反應(yīng)器10,主要是進行第一步的水熱提取反應(yīng)，就技術(shù)人員已知 的技術(shù)而言，可用于此反應(yīng)的反應(yīng)器如反應(yīng)釜反應(yīng)器。第一個反應(yīng)器10可以接收（或者通 過調(diào)整接收）海藻生物質(zhì)。反應(yīng)器10包括一個可調(diào)整的加熱裝置11，和一個密閉的反應(yīng) 器能夠保持第一步反應(yīng)所產(chǎn)生的通過自生壓力建立起來的汽壓，例如，一個封閉的反應(yīng)器 壓力等于水在反應(yīng)混合物中的飽和蒸汽壓力。第一個反應(yīng)器10在第一步的水熱反應(yīng)后可 以通過其他手段將提取后的海藻生物質(zhì)移除反應(yīng)器分離為固體和液體兩相。這一操作可以 通過一些已經(jīng)成熟的技術(shù)進行操作如一些內(nèi)部機械原理通過泵將液體分離出反應(yīng)器，或者 通過排水機械裝置使液體流出反應(yīng)器，留下固體物質(zhì)。此外，反應(yīng)器10排水管，水泵，竄機 制，管，導(dǎo)管等。另外反應(yīng)后的生物質(zhì)也可以在反應(yīng)器外進行分離操作。在一些情況下，這些 水溶液提取物會被進一步加工為所需產(chǎn)品。反應(yīng)后的固體可以進入第二步反應(yīng)中，進行下 一步處理，第二步的反應(yīng)器可以是第一步的反應(yīng)器10中進行，也可以在第二步反應(yīng)器20中 進行。在一些實施方案中，第一步反應(yīng)器10 (比如液體被排走，而固體留在反應(yīng)器中）或者 第二步反應(yīng)器20可以互相關(guān)聯(lián)來方便第一步反應(yīng)器10固體生物質(zhì)的傳送，這些關(guān)聯(lián)可以 通過一些如管道，導(dǎo)管，傳送帶等合適的傳送裝置來完成。合適的介質(zhì)：海藻固體混合物可 能形成通過：（1)如果第二步反應(yīng)器20不存在的話，可以在第一步反應(yīng)完成后，分離出液體 組分，然后繼續(xù)加熱剩下的生物質(zhì)和水組成的新的反應(yīng)混合物，然后繼續(xù)完成第二步反應(yīng)； (2)如果系統(tǒng)有第二步反應(yīng)器20,那么可以將第一步反應(yīng)剩余的物質(zhì)加入到第二步反應(yīng)中 然后按照操作條件進行第二步反應(yīng)。
[0043] 第二步反應(yīng)器20也是一個密閉的反應(yīng)器能夠維持第二步反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的氣 壓在一個穩(wěn)定的值，在這樣的過程中充分積聚自己產(chǎn)生的壓力，例如壓力等于水在反應(yīng)混 合物中的飽和蒸氣壓（如240度大約34bar)。第二個反應(yīng)器20也包括一些連接到系統(tǒng)的 可調(diào)節(jié)的加熱裝置，能夠加熱反應(yīng)物到第一步反應(yīng)所需的反應(yīng)溫度。第二反應(yīng)器20配備有 和/或可操作地連接到一裝置或設(shè)備的，用于排出生物油和水提取物，例如排水管，水泵， 竄機制，管，導(dǎo)管等。
[0044] 本系統(tǒng)也可包括一個或多個冷卻裝置30,可以附加于第一步，和/或，第二步反應(yīng) 的反應(yīng)器上。冷卻裝置30如圖6所示，僅僅展示一個裝置，也可能有多個裝置。
[0045] 如圖6所示，該方法的系統(tǒng)可以可操作地連接到和可操作由一個控制元件，例如 計算機40,計算機可以編程，以使該系統(tǒng)執(zhí)行本文中所描述，例如通過把電腦和反應(yīng)器連接 起來，可以實現(xiàn)自動控制反應(yīng)器的開關(guān)，控反應(yīng)溫度和時間，控制冷卻，監(jiān)測溫度壓力，監(jiān)視 和矯正反應(yīng)條件的正常波動，自動接收或彈出反應(yīng)堆的信息，如操作閥門等。計算機可以在 本地和/或通過互聯(lián)網(wǎng)操作。
[0046] 以下范例部分是一些具體實施方案的描述，但是并不僅僅局限在所述的解釋的例 子中。
[0047] 實施方案范例
[0048] 范例一 ·
[0049] 兩步水熱法被開發(fā)用于第一步提取多糖和第二步提取生物油。如下所述，反應(yīng)溫 度，反應(yīng)時間和生物質(zhì)水的質(zhì)量比對每一步水熱法的影響已經(jīng)被評估。在第一步反應(yīng)中，最 大量的多糖（32wt% )是在反應(yīng)溫度160度，時間20分鐘，1:9的生物質(zhì)和水的質(zhì)量比的條 件下獲得的。第一步反應(yīng)結(jié)束后，利用剩余的生物質(zhì)進行第二步第二步生物油的提取過程， 在綜合分析操作成本和生物油的產(chǎn)量后，最優(yōu)結(jié)果（30wt%的生物油）是在反應(yīng)溫度240 度，時間20分鐘，1:9的生物質(zhì)和水的質(zhì)量比的條件下獲得的。
[0050] 實驗過程
[0051] 原料
[0052] 海藻生物質(zhì)（Chlorella sorokiniana(UTEX1602))是通過異養(yǎng)的發(fā)酵方式在30 度Kuhl培養(yǎng)基和10g/l的葡萄糖為原料獲得的，配置的培養(yǎng)基經(jīng)過121度20分鐘的滅菌 過程以保證培養(yǎng)基海藻的正常生長。藻種取自于University of Texas (Austin, TX, USA) 的藻種收集機構(gòu)。
[0053] 海藻生物質(zhì)的培養(yǎng)
[0054] 海藻發(fā)酵首先使用500ml的錐形瓶，含200ml的Kuhl培養(yǎng)基，含有20g/l的葡糖糖 作為培養(yǎng)基來培養(yǎng)種子，然后再將培養(yǎng)好的種子，加入到5L的kuhl培養(yǎng)基，含有40g/L葡 萄糖和2g/L的硝酸鉀為培養(yǎng)液的5L發(fā)酵罐中。在連續(xù)生長10天之后，通過20度5000rpm5 分鐘的離心收集培養(yǎng)好的海藻生物質(zhì)。取l〇g收集好的海藻漿放入120度的烘箱中，烘12 小時，然后取出稱重，獲得海藻漿中干海藻和水的比例，然后將此比例用于實驗中計算海藻 干重。
[0055] 反應(yīng)條件與過程
[0056] 水熱反應(yīng)實在密閉的反應(yīng)釜中進行（lLParr4522, USA)，反應(yīng)釜的加熱速率是 5°C /min〇
[0057] 兩步水熱法和一步水熱法也在相同的反應(yīng)條件下進行生物油生產(chǎn)的比較，反 應(yīng)溫度在220,240, 260, 300度，反應(yīng)時間5, 10, 20, 30, 60分鐘，生物質(zhì)和水的比例在 1:3, 1:6, 1:9, 1:12的條件下進行。
[0058] 對于兩步水熱法，包含10g干重的海藻漿與一定量的水按照生物質(zhì)和水的比例混 合后加入反應(yīng)器中，在反應(yīng)進行前通入5分鐘的氮氣，以排凈反應(yīng)器中殘存的氧氣。第一步 反應(yīng)是在140, 160, 180, 200度，10, 20, 30, 40分鐘，生物質(zhì)和水的比例在1:6, 1:9和1:12的 條件下進行的。第一步反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)產(chǎn)物從反應(yīng)器中取出，然后經(jīng)過90微米的孔徑的 濾紙過濾，濾液按照濾液與乙醇體積比為1:4的比例，加入相應(yīng)量的乙醇以用來沉淀多糖， 然后通過離心，取出沉淀的多糖，然后在空氣中干燥36小時，稱取多糖的質(zhì)量。
[0059] 經(jīng)過第一步反應(yīng)后，在移除多糖后剩余的海藻被稱為處理過的海藻，處理過的海 藻與水按照專利中所述的比例繼續(xù)混合，然后加入反應(yīng)器中進行下一步液化。為了保證第 二步反應(yīng)提取生物油中生物質(zhì)與水的比例，第一步反應(yīng)過濾后的處理過的海藻通過測量含 水量，并加入所需的水，然后此混合物送回反應(yīng)器中進行提取生物油的反應(yīng)。在第二步的反 應(yīng)中，溫度在220到300度之間，反應(yīng)時間在5到60分鐘，生物質(zhì)與水的比例在1: 3到1:12 之間。反應(yīng)結(jié)束后，固體顆粒會附著在反應(yīng)器的管壁上。向反應(yīng)后的混合物中加入50ml的 二氯甲烷，然后將混合物加入分液漏斗中，進行萃取操作。為了能夠萃取出所有的生物油， 此萃取操作重復(fù)進行三次。二氯甲烷溶液相經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后，剩余的物質(zhì)被稱作生物油， 而水相和固體相經(jīng)過90微米的濾紙過濾后分開：固體相經(jīng)過120度烘箱，12小時的烘干之 后，剩余的物質(zhì)被稱作生物炭。水相經(jīng)過冷凍干燥后，剩余的物質(zhì)被稱為水溶液提取物。
[0060] 產(chǎn)品的產(chǎn)量

【權(quán)利要求】
1. 一種從富油生物質(zhì)中得到多糖的過程，包括：加熱富油生物質(zhì)和水達到溫度 155-165攝氏度；保持反應(yīng)的混合物在所述反應(yīng)溫度下15到25分鐘，然后；從所述的富油 生物質(zhì)和反應(yīng)后的混合物中回收分離多糖；
2. 如權(quán)利要求1所述的一種從富油生物質(zhì)中得到多糖的過程，所述的回收步驟包括： 從所述的反應(yīng)后的混合物中分離液體和固體成分；并從所述的液體成分中，提取多糖；
3. 如權(quán)利要求2所述的一種從富油生物質(zhì)中得到多糖的過程，所述的提取步驟是通過 乙醇沉淀的方法進行的；
4. 如權(quán)利要求1所述的一種從富油生物質(zhì)中得到多糖的過程，反應(yīng)溫度是160攝氏 度；
5. 如權(quán)利要求1所述的一種從富油生物質(zhì)中得到多糖的過程，反應(yīng)時間是20分鐘；
6. 如權(quán)利要求1所述的一種從富油生物質(zhì)中得到多糖的過程，進一步包括從所述的反 應(yīng)后的混合物中分離回收其他的副產(chǎn)物包括蛋白質(zhì)類，多肽類，肽類，和糖類物質(zhì)；
7. 如權(quán)利要求1所述的一種從富油生物質(zhì)中得到多糖的過程，所述的富油生物質(zhì)是海 藻生物質(zhì)；
8. -種從富油生物質(zhì)中得到生物油的過程包括：加熱富油生物質(zhì)和水達到溫度 237-243攝氏度；保持反應(yīng)的混合物在所述反應(yīng)溫度下15到25分鐘，然后，從所述的富油 生物質(zhì)和反應(yīng)后的混合物中回收分離生物油；
9. 如權(quán)利要求8所述的一種從富油生物質(zhì)中得到多糖的過程，反應(yīng)溫度是240攝氏 度；
10. 如權(quán)利要求8所述的一種從富油生物質(zhì)中得到多糖的過程，反應(yīng)時間是20分鐘；
11. 如權(quán)利要求8所述的一種從富油生物質(zhì)中得到多糖的過程，分離生物油采用的辦 法是利用二氯甲烷從反應(yīng)后的混合物中萃取并回收生物油；
12. 如權(quán)利要求7所述的一種從富油生物質(zhì)中得到多糖的過程，所述的富油生物質(zhì)是 海藻生物質(zhì)；
13. -種從富油生物質(zhì)中獲得多糖、生物油的方法，包括： (1) 加熱由所述富油生物質(zhì)和水組成的混合液到第一步反應(yīng)溫度155到165攝氏度； (2) 由所述富油生物質(zhì)和水組成的混合液，在第一步的溫度下，保持反應(yīng)時間在1到25 分鐘； (3) 從所述的反應(yīng)后的混合物中分離液體和固體組分； (4) 從所述的富油生物質(zhì)反應(yīng)后的所述的液體組分中，分離多糖； (5) 加熱由上述的固體組分和水組成的混合液達到第二步反應(yīng)溫度237到243攝氏 度； (6) 保持所述的固體組分和水組成的混合液，在第二步的溫度下，保持反應(yīng)時間在15 到25分鐘；并 (7) 從所述的反應(yīng)后的固體組分和水組成的混合液中，通過（5)加熱和（6)恒溫過程， 分離生物油；
14. 如權(quán)利要求13所述的一種從富油生物質(zhì)中獲得多糖、生物油的方法，（4)中，通過 乙醇沉淀的方法回收多糖；
15. 如權(quán)利要求13所述的一種從富油生物質(zhì)中獲得多糖、生物油的方法，所述的第一 步反應(yīng)溫度是160攝氏度，所述的第二步反應(yīng)溫度是240攝氏度；
16. 如權(quán)利要求13所述的一種從富油生物質(zhì)中獲得多糖、生物油的方法，第一步和第 二步的反應(yīng)時間是20分鐘；
17. 如權(quán)利要求13所述的一種從富油生物質(zhì)中獲得多糖、生物油的方法，也包括從所 述的反應(yīng)后的混合物中分離回收其他的副產(chǎn)物包括蛋白質(zhì)類，多肽類，肽類，和糖類物質(zhì)；
18. 如權(quán)利要求13所述的一種從富油生物質(zhì)中獲得多糖、生物油的方法，所述的富油 生物質(zhì)是海藻生物質(zhì)；
19. 一種系統(tǒng)的生產(chǎn)生物油的過程，包括： 通過第一步的密閉反應(yīng)器接收富油生物質(zhì)，并加熱所述的富油生物質(zhì)達到第一步反應(yīng) 溫度155到165攝氏度，并維持此溫度在15-25分鐘，并 在第二步密閉反應(yīng)器中接收，通過第一步所述的反應(yīng)器在所述的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時 間，反應(yīng)后的富油生物質(zhì)固體組分，并加熱到257到263攝氏度，并維持此溫度在15到25 分鐘；
20. 如權(quán)利要求19所述的一種系統(tǒng)的生產(chǎn)生物油的過程，所述的第一步反應(yīng)溫度是 160攝氏度，第二步的反應(yīng)溫度是260攝氏度；
21. 如權(quán)利要求19所述的一種系統(tǒng)的生產(chǎn)生物油的過程，所述的第一步和第二步的反 應(yīng)時間是20分鐘；
22. 如權(quán)利要求19所述的一種系統(tǒng)的生產(chǎn)生物油的過程，系統(tǒng)包括一個可操作電腦， 連接到系統(tǒng)中，通過程序控制所述的第一步和第二步反應(yīng)器執(zhí)行如權(quán)利要求13所述的一 種從富油生物質(zhì)中獲得多糖、生物油的方法；
23. 如權(quán)利要求19所述的一種系統(tǒng)的生產(chǎn)生物油的過程，所述的富油生物質(zhì)是海藻生 物質(zhì)。
【文檔編號】C10G3/00GK104093746SQ201280051939
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月24日
【發(fā)明者】陳樹林, 慕克吉·查克拉波而迪, 苗超 申請人:華盛頓州立大學(xué)研究基金會