专利名称：用于木质纤维素生物质分化的改进的方法用于木质纤维素生物质分化的改进的方法本发明涉及用于实现木质纤维素生物质的分化(fractionation)的一种改进的方法，这些生物质尤其进一步用在合成化学品或制备生物基燃料或燃料添加剂中。使用生物质(其碳含量为生物来源而非化石来源的物质)提供目前获取自化石来源物质如石油的化学品和燃料产品或提供此类化学品和燃料产品的可接受的生物基功能性替代物，已经在近年日益变成研究及开发投资和工作的焦点，因为化石源物质的供应已经受到威胁或其获得和使用已经更困难或更昂贵。某些化学品和燃料产品替换物或替代品已经以巨大的商品化的规模从生物质进行产生。对于液体燃料产品领域，乙醇和生物柴油(脂肪酸烷基酯)迄今已经以商品化规模从玉米和甘蔗(对于乙醇)并且从多种植物油和脂肪中产生。然而，即便对于这些实例，仍存在改进生物质利用方式的余地。长久以来就认识到，例如，优选的是能够从基本上不用作食品或可以在没有显著 不利影响土地使用方式和行为(例如，毁林以生产额外的大豆、玉米等作物)情况下收获或寻求和使用的木质纤维素生物质来制造合适的液体燃料和燃料添加剂(或同等地是生物衍生的、有意义的非燃料化学品)。可以考虑具有这种特征的众多的非食物木质纤维素生物质，包括例如，有目的培育的非食物生物质作物(如牧草、甜高粱、速生树)或更具体地，木材废弃物(如修剪物、木屑、锯末)和绿色废弃物(例如，叶、碎草、蔬菜和果实废弃物)。另外，已经做出估计，就已经耕作的土地而言，约四分之三所产生的生物质被废弃，从而无论所讨论生物质是否为废弃物，可以始于木质纤维素生物质而制得的多种有意义的化学品和燃料产品实际上应当能够经济地产生。不幸地，事实的真相在于，存在众多实际的、现实的难题，必须克服这些难题才能使这种主张变成现实。首个难题源自包含木质纤维素生物质的多种组分的十分不同的特征。在这个方面，如同基于化石的物质如石油那样，按所需规模并以所需品质、经济和效率产生需要或将需要的完整范围的商业化学品和燃料产品替换物或替代物的实际能力，对于木质纤维素生物质而言取决于这些生物质是否可以彻底和高效地分化成它们的多种组分部分，从而这些部分可以直接使用或转变成其他的有用形式。当然，对于石油，这种分化在提炼厂中经过多种过程进行，但是迄今仍未开发出用于木质纤维素生物质的相似过程。就本发明而言，木质纤维素生物质主要由纤维素部分、半纤维素部分和木质素部分组成，而纤维素是这三种组分中最多的。纤维素源自植物的结构性组织，并且由经1，4位置连接的3-糖苷残基的长链组成。这些键造成纤维素具有高的结晶度。相反，半纤维素是一种非晶态杂聚物，而木质素是植物纤维细胞内部间插于纤维素和半纤维素当中的一种芳族立体聚合物。附带地就木质素部分而言，这些物质应理解为包含于术语“木质素”内部，并且借以相应地定量测定生物质中木质素含量的方法在历史上取决于考虑木质素含量的情境，“木质素”缺少确定的分子结构并且因而依不同生物质经验地确定。在动物科学和农学中，例如在考虑木质纤维素生物质的消化能含量时，木质素在给定生物质中的量更常见地使用酸性洗漆木质素方法测定(Goering 和 Van Soest, Forage Fiber Analyses (Apparaus,Reagents, Procedures, and Some Applications)(饲料纤维分析(装置、试剂、方法和一些应用)，Agriculture Handbook No. 379, Agricultural Research Service (农业研究局)，United States Dept of Agriculture(美国农业部)(1970) ；Van Soest 等人,“Methodsfor Dietary Fiber, Neutral Detergent Fiber, and Nonstarch Polysaccharides inRelation to Animal Nutrition (用于与动物营养相关的膳食纤维、中性洗漆剂纤维和非淀粉多糖的方法)”，J. Dairy Sci. , vol. 74,第3583-3597页(1991))。相反，在造纸和纸浆工业中，木质素在给定生物质中的量已经常规地由Klason木质素方法测定(Kirk和Obst, " Lignin Determination(木质素测定)",Methods in Enzymology(酶学方法)，vol16，第 89-101 页(1988))。作为本发明的参考框架，6%或更多(基于干重)的酸性洗涤不溶的木质素含量总体上与成熟的温带牧草一致，这些成熟的温带牧草对于反刍动物具有相对低的营养价值并且因此主要转作其他用途。本发明在大多数情况下与具有这种总体特征的木质纤维素生物质 直接相关，尽管由本发明提供的改进总体上将用于全部范围的木质纤维素生物质。因为生物质的纤维素部分、半纤维素部分和木质素部分的差异以及考虑到多种生物质中以不同程度存在的其他较少部分，如在Farone等人的美国专利号5，562，777“Method ofProducing Sugars Using Strong AcidHydrolysis of Cellulosicand Hemicellulosic Materials (使用纤维素物质和半纤维素性物质的强酸水解产生糖的方法)”中相关的，历年来已经开发或提出了分化木质纤维素生物质的众多方法，大部分涉及将纤维素部分和半纤维素部分水解成C6和C5糖。基本上，已经披露了生物方法和非生物方法，而从纤维素产生糖的最老和最知名的非生物方法包括酸水解法，最常见是使用稀酸手段、浓酸手段或这两者组合的基于硫酸的水解法。Farone等人的‘777专利描述了本领域随后已知的多种基于硫酸的方法的优点和缺点，并且提出了一个进一步变体，该变体使用强酸/硫酸水解作用和使用反复一次或多次的去结晶步骤组合，其中生物质(和/或包括从一次先前反复内的去结晶步骤中留下的固形物)与25-90%硫酸溶液混合以增溶一部分的生物质，随后将这种酸稀释到20%和30%之间，并且将混合物优选地加热至80和100摄氏度之间持续一段时间以增溶未曾水解的纤维素部分和任何半纤维素性物质。即便给出了一种有效的分化方法，由提出的木质纤维素生物质向化学品、燃料和燃料添加剂的转化过程所带来的进一步挑战单纯地来自后勤方面a)例如不得不从广大地理区域收获或收集极大量的农业残余物，并且随后运送这些残余物至通常相隔一些距离的大规模化学或石油化学加工及分配中心，或b)建设用于初步加工生物质成中间体的本地设施，这些中间体比生物质本来(受影响)更少地受储存和运送条件影响并且反而更好适合于运送至化学品和燃料的加工及分配中心，例如，糖浆中的C5和C6糖或C5和C6糖醇类/多元醇，或c)在未开放地区建设众多更小的工厂以靠近木质纤维素生物质源产生成品化学品、燃料或燃料添加剂。将选项b)理解为相对于a)或c)是优选的，但是迄今提出的木质纤维素生物质精炼概念仍不幸地考虑了将被证明难以经济地运送的中间体。其他困难源自以下事实这些生物质源自活的生物。在任何转化过程中，原料的一致性总是一个顾虑，并且因为这些生物质源自活的生物，所以原料品质将内在或多或少地是可变的并且就原料一致性而言将提出其收获、储存和运输方面的特殊难题。本发明提供了按照多种方式加工木质纤维素生物质的方法，这些方法可以解决和克服一些或全部的上述难题。例如，本发明在第一方法中提供了用于将木质纤维素生物质高效分化成纤维素部分、半纤维素部分和木质素部分的方法，其中在升高的温度下、在其中已经收获并且收集生物质的位置处或在所述位置附近施加将浓有机酸蒸气至生物质，以至少部分地解聚生物质中的半纤维素和木质素。有机酸处理的生物质随后干燥至这样的程度，从而使得干燥的固体可以粒化用于长期的散装储存或运送第二设施，这种第二设施更靠近需求源或更靠近用于所需化学品、燃料或燃料添加剂的分配装置或利用现存的化学品或燃料加工设施。可选地，这种物质可以储存并随后在本地加工地点加工成所希望的化学品、燃料和/或燃料添加剂，或所讨论的第二设施(无论是否毗邻、靠近或远离)可以是反刍动物饲育场并且该粒化的物质可以用作反刍动物饲料。 为了在第二设施生产燃料、燃料添加剂和化学产品，通过在合适的溶剂中溶解至少部分解聚的半纤维素及盐类伴以过滤，将这些至少部分解聚的半纤维素及盐作为一个部分回收，所述溶剂一般是热水，原因在于木质素部分基本上是水不溶性的，并且至少部分解聚的木质素部分进而通过溶解于更高度浓缩的有机酸或其他合适溶剂中并过滤来进行回收。剩余的固形物包含基本上澄清的纤维素浆。如下文进一步描述，获取自半纤维素部分、纤维素部分和木质素的部分可以随后进一步加工用于制造燃料、燃料添加剂或其他所希望化学产品。在替代性实施方案中，木质纤维素生物质中的半纤维素和木质素因在升高的温度暴露于通常更浓的有机酸蒸气而大幅度增溶，并且随后在本地加工设施处通过用合适溶剂洗涤并伴以过滤而与剩余的主要的纤维素固形物部分分离。剩余的固形物随后经干燥并优选地粒化以提供一种干燥的、压实的纤维素部分，这种纤维素部分可以储存用于本地加工或如前述那样更常规地运送到第二设施，这种第二设施更靠近需求源或更靠近用于所希望化学品、燃料或燃料添加剂的分配装置，或利用现存的化学品或燃料加工设施。剩余的固形物也可以粒化并且提供给反刍动物饲育场(作为替代的第二设施)用作饲料，而非作为从中产生燃料、化学品或燃料添加剂的物质。在第二实施方案的变体中，增溶的半纤维素和木质素本身可以通过蒸发成一种混合固形物而减少，这种混合固形物可以粒化并且经济地运送至第二设施或作为替代，储存并且随后在本地加工，其中进一步加工在任何一种情况下包括通过将半纤维素组分萃取入一种溶剂(或溶剂混合物)中而分离半纤维素和木质素组分，所述溶剂有效溶解半纤维素但是其中木质素部分基本上是不溶性的，合适的溶剂简单地就是水，并且随后加工一些或全部的半纤维素部分、纤维素部分和木质素部分以产生所希望的化学品、燃料或燃料替代物。 图I是说明一个实施方案中本发明过程的示意图。 图2是说明第二实施方案中本发明过程的示意性表示。 图2是说明第二实施方案的变体中本发明过程的示意性表示。有机酸，尤其包括甲酸，已经长久地用于纸浆和造纸工业中以加工木质纤维素生物质。现在的制浆过程通常在90至150摄氏度的温度，按4:1或更大的溶剂生物质固形物比率使用在水中的浓甲酸溶液(例如，80%至90%甲酸)以(通过解聚作用)增溶生物质中的木质素和较低分子量的半纤维素，从而可以随后去除这些物质。所希望的纤维素性浆料固形物与含有木质素和半纤维素的蒸煮液分离，随后洗涤并根据希望进行漂白，同时木质素和半纤维素本身随后可以通过添加水进行分离，因为木质素基本上不溶于水中而半纤维素是可溶的。尽管浓甲酸有效地溶解并且将木质纤维素生物质的木质素和半纤维素组分与纤维素组分分离，但是这个过程使用大量的能量用于加热足够大量的甲酸和水以产生液体浆料，而去除和以足够高的浓度回收甲酸用于溶剂循环是困难和昂贵的，这归因于与水、乙酸和甲酸形成共沸物。然而，就木质纤维素生物质用于合成化学品或制备生物基燃料或燃料添加剂的用途而言，与从石油开始产生此类物质的成本相比，与这些基于有机酸的已知分化过程相关的能量消耗和溶剂(外加溶剂回收)需求将使得生产化学品、生物基燃料或燃料添加剂的成本高得不切实际。 相反，通过使用渗透穿过生物质的热有机酸蒸气实现半纤维素和木质素增溶为轻易可提取的部分，本发明不需要处理如先前制浆过程中所用的同样大量的甲酸和水。另外，我们已经发现，与常规的基于液体的甲酸分化方法相比，可以使用较小浓度的甲酸，这进一步减少了分化过程对甲酸回收的要求。使用的甲酸可以通过共沸蒸馏回收，如制浆型应用中所考虑的。替代地，正是因为涉及较小量的水和酸，通过使用我们已经鉴定的有机共溶剂和通过简单的蒸馏，可以简单地回收力图回收以用于再循环的甲酸并且不需要打破水-甲酸共沸物。并且，当然，因为与先前已知的制浆加工相比，在我们的过程中使用相比较而言少得多的量的有机酸以实现用于进一步加工木质纤维素生物质的分化，在分化已经完成后存留的有机酸也可以(考虑到回收这种酸的开支)简单地被完全或部分中和。本发明可以通过参考图I更轻易地理解，图I示意性地描述了一个优选实施方案(10)中本发明的过程。一般含有6%或更多酸性洗涤不溶的木质素(基于干重)的木质纤维素生物质12最初在利于产生或生成这种生物质的位置(地点A)优选地收集并且根据需要洗涤以除去尘土和其他污染物，随后任选地在步骤14中预加工以便(作为一个实例，通过机械地破坏这种生物质并通过气流分级)分离蛋白质较高的的组分，这种组分可以是动物饲料或肥料所希望的，和/或以便分离一种组分或多种组分16，所述组分具有比较高含量的、在下游更难除去并且可以干扰预期的下游转化或使其更困难和/或可以不利影响来自其他加工中所设想的产物的种类或物质(例如，氮化合物、硫化合物、较高的灰组分)。在有前景的生物质中、在预加工步骤14中希望除去的组分的实例将是来自玉米秸杆的叶部分，所述叶部分具有较高的氮，但是当考虑作为反刍动物饲料时具有大致等于干草的营养性价值。在步骤14中任选地预加工生物质12后，生物质12(或在任选取出组分16后生物质12的剩余部分)优选地在步骤18中进一步制备/预加工以便随后在步骤20中与热的浓有机酸蒸气22接触。在步骤18中的预加工包括机械地破坏生物质12以允许浓酸蒸气22更轻易地渗透生物质12并且至少部分地解聚或大幅度增溶生物质12中的木质素和半纤维素至步骤14中未完成的程度。另外，步骤18可以包括干燥该生物质12至优选10%或更小的水分含量，虽然本领域技术人员将理解，也可以通过其他手段(包括例如通过浓的热有机酸蒸气22的浓度和供应量)来管理酸浸溃步骤20中的水分水平。本领域技术人员已知任何数目的、用于在步骤18中机械破坏生物质的手段，例如并且不限于研磨、切削和锤磨，并且选择破坏生物质12的手段将完全处于本领域技术人员的能力范围内，由此生物质12中的木质素和半纤维素可以通过在步骤20中与热的浓有机酸蒸气22高效和有效接触而至少部分地解聚或大幅度增溶。如上文所示，生物质12可以是任何木质纤维素生物质，但是如先前所指出，将优选地基本上不用作人类的食物来源，并且将更优选地是在以下地点轻易可获得(或可以使之轻易可获得)的生物质，这些地点对由生物质制成的化学品、生物基燃料和燃料替代物存在最大需求。成熟牧草、单独或谷类青贮中所含的谷类作物残渣、玉米秸杆、小麦杆、大麦杆、芒草物种、柳枝稷、百喜草、高粱物种、甘鹿洛、鸭茅(Orchardgrass)、草芦(reedcanarygrass)和轧棉下脚料是可以考虑的示例性生物质。还明显地构思了来自多种来源的生物质(包括来自收获和加工粮食作物的生物质)的混合物，并且这些混合物应当视为在使用单数“一种生物质”和“一种木质纤维素生物质”时包括在其中。完整植株青贮饲料，例如，大量收获和无氧储存/青贮以形成青贮饲料的整株玉米，将认为是一种类型的混合生 物质进料，并且是有意义的，原因在于制造基于可再生资源的化学品、燃料和燃料添加剂的大部分设施将需要全年能利用抵达这些设施的生物质或基于生物质的进料。在使用来自多种来源的几种不同生物质的情况下，有意培育的非食物生物质或农业废弃生物质优选地包括这种混合物中那几种生物质的最多部分。混合生物质进料的实例将由玉米秸杆和玉米纤维组成，玉米秸杆优选地包含比玉米纤维更大比例的进料。补充地说，本领域技术人员会理解，某些生物质可以比其他生物质更适合制造某些化学品、燃料和添加剂(或处于所希望比例的某些系列的产物(a certain slate ofproducts))，但是本发明的优点总体上是其适应于分化木质纤维素生物质，并且如将见到，尤其是那些在其他情况下可能被不认为不可用的生物质，因为它们远离产生所希望化学品、燃料和/或燃料添加剂的设施。现在返回图1，部分取决于酸蒸气浸溃步骤20中所用酸的浓度，热的浓有机酸22用于至少部分地解聚来自预加工步骤18的生物质中的半纤维素和木质素或大幅度增溶木质素和低分子量半纤维素，并且提供一种液体和包括生物质的纤维素部分的残余纤维固形物。优选地，浓酸蒸气22是有机酸如乙酸、丙酸、苹果酸、琥珀酸或甲酸的蒸汽或由这类酸的混合物组成。最优选地，使用浓甲酸蒸气或乙酸蒸气22，所述酸以50直至90和更大的体积百分数存在，以水蒸气作为余量。我们已经发现，就这个方面而言，在加热充分并且与分散并混合良好的玉米秸杆生物质接触的时间充分情况下，50%或更高的乙酸在水中的蒸气可以足够使秸杆中的半纤维素物质和木质素物质解聚至以下的程度其中部分解聚的物质可以充当分别因干燥步骤和胶溶或致密化步骤26和28产生的粒化物质24的粘合剂。优选地，不需要额外的粘合剂以取得粒料，这些粒料具有为本地长期的散装储存或运输至第二位置用作反刍动物饲料或用于在第二或中心设施(如本图中所标记的那种)中进一步分化并加工所希望的耐久性，如下文进一步讨论。含有70%酸直至超过90%酸的较高浓度的酸蒸气可以用来大幅度增溶生物质中的半纤维素及木质素，后者是在50%浓度的溶液中基本上不溶解的。在图2和3中示意性显示，基于大幅度增溶生物质12中半纤维素和木质素的实施方案，其中所示的几个实施方案之间共同的特征给予相同的参考数字。这些实施方案将在下文参考图2和3以更多细节描述。然而，在所示的每个实施方案中，生物质12优选地在酸蒸气浸溃步骤20中以浓酸蒸气22渗透并且按照足以至少部分地解聚或大幅度增溶生物质12中木质素和半纤维素的时间和相应的压力和温度条件下保持与蒸汽22接触，根据具体情况而定。生物质12可以在它与浓酸蒸气22接触之前加热，浓酸蒸气22可以过度加热并且随后施加至生物质12，或蒸汽22和生物质12可以在导入酸蒸气浸溃步骤20时或在此期间一起加热。另外，浓酸蒸气22可以原位产生，如通过将热施加到生物质12和与生物质12接触的浓有机酸溶液或通过浓有机酸溶液与热生物质12接触生成。为至少部分解聚或大幅度增溶给定生物质12中木质素和半纤维素必需的压力、温度和停留时间条件将或多或少取决于正在加工的具体生物质及其组成、精细分散的生 物质如何进入酸蒸气浸溃步骤、选择的这种或这些具体的有机酸以及使用的酸的浓度而变动，但是总体上期望，酸蒸气浸溃步骤将在范围从大气压直至约500psig的压力、在约50摄氏度和更高的温度并经过30分钟或更长级别的时间段来实施。与图2和3的实施方案相t匕，图I的实施方案将需要较低浓度的酸、较不苛刻的温度和压力条件和较短的停留时间。在酸蒸气浸溃步骤20后，物质在步骤26中干燥以除去足够的水分以便允许干燥的、部分加工的生物质随后在胶溶或致密化步骤28中粒化。干燥/脱水步骤26可以由众多常规装置或此类装置的组合完成，这些装置用于浓缩含水浆液并且从中移走水至适于胶溶剩余固形物的水平，例如，离心机、水力旋流器、带式压滤干燥器、流化床干燥器、间接或直接转鼓干燥器、旋转闪蒸干燥器等.优选地，离开干燥步骤26的生物质将具有以重量计10%或更小、更优选地8%或更小和最优选地以重量计6%或更小的水分含量以促进其胶溶并降低运输成本。步骤28中的胶溶可以同样使用本领域技术人员常规已知的方法和设备完成，因为动物饲料和燃料用木质生物质的胶溶过程已经充分建立，并且将优选地产生具有足够黏结性和完整性以令人满意地经受由所选运输手段向第二位置或中心设施运输的物质，无论这种物质以气动方式或由输送带/系统、由卡车或铁路、由一些其他手段或手段组合输送。为便利，粒化物质从地点A至第二位置的运输将在以下的权利要求中和在本文中其他地方被描述为这种物质从本地地点A “运送”至第二位置，并且“运送”使用不意图限于船舶、飞机、火车或卡车等交通工具运输手段，而是应当理解为包括其中可以将此类粒化物质从地点A移动至第二位置的任何方式。在这个方面，粒化物质的所需要的耐久性(这原则上意指粒料在处置、运输和储存中不产生过多量的细屑)将更具体地取决于这种物质如何在给定的地点A、在地点A与给定的中心设施/第二位置之间、以及在中心设施/第二位置处置、运输和储存。另外，存在已经被开发用于评估粒料耐久性的几种装置和相关方法，从而在合理情况下不能先验地赋予精确的耐久性数值。然而，优选地，粒化的、部分加工的生物质在所有情况下(包含于如要求保护的本发明范围内的图1-3及其任何变体)将是充分地耐久的，以至于从胶溶步骤28完成至粒化物质最终处置不经历多于5%的由粉化或细屑形成所致的质量损失，并且不多于3%粒化的、部分加工的生物质优选地将在这种过渡中作为细屑损失。
粒化物质24可以运输至处于饲育场形式的第二位置30并且直接用作反刍动物饲料。在基于可再生资源的燃料、燃料添加剂和/或化学品是所希望的终端产品时，粒化的、部分加工的生物质24则便利地运送至中心设施/第二位置30用于进一步加工，这种进一步加工包括在溶剂洗涤步骤32中至少用一种溶剂或多种溶剂的组合进行洗涤，选择这种或这些溶剂以有效地分离产物或流34中至少部分解聚的半纤维素性物质和主要的纤维素固形物部分36，所述产物或流34含有来自生物质中半纤维素性物质水解的戊糖。在图I中，热水优选地在步骤32中用来将基本上不溶于水的木质素部分和纤维素部分与半纤维素性部分分离，并且反复一次或多次，使用一种更浓的有机酸洗涤(其中部分解聚的木质素是可溶的)及过滤过程以最终产生纤维素固形物部分36和木质素部分38。在希望将粒化的物质运输至第二位置30以便进一步加工以产生基于可再生资源 的燃料和燃料添加剂和/或化学品特定的情景下，可以考虑环绕中央工厂的分布式本地加工地点阵列(“中心和辐射”概念)，其中一般平均而言，本地加工地点(地点A)将离中央工厂50公里和更远，并且很多情况下可以平均远离中央工厂80公里或更远。本领域技术人员当然将理解，其他溶剂或溶剂组合也可以有益地用来实现这些分离，例如，如下文参考图2和图3的实施方案所描述的有机共溶剂可以用来增溶和从纤维素固形物部分36中除去残余的半纤维素物质和木质素物质。以这种方式回收或分化的纤维素固形物部分36可以通过强无机酸水解在适合实施这种转化的条件下转变成己糖产物或基本上为己糖的流。己糖产物或流将优选地基本上完全由C6单糖组成，并且具有适合在进一步预加工和净化最少的情况下升级至所希望生物基化学品和燃料产品的特征。从C6单糖可获得的示例性生物基化学品和燃料产品包括经氢化和加氢处理所得的燃料添加剂产品或经发酵所得的乙醇、赖氨酸、苏氨酸、乳酸、葡糖酸或其他有机酸。同样，通过水解生物质12中半纤维素所产生的戊糖产物或流34将优选地基本上完全由C5单糖类组成，并且具有适合升级至从此类C5单糖可获得的那些生物基化学品和燃料产品(例如，通过发酵所得的乙醇、苏氨酸、赖氨酸、乳酸、葡糖酸或其他有机酸、通过氢化和加氢处理所得的糠醛、糠醇、甲基四氢糠醛、糠酸和燃料添加剂)的特征。一种优选的用于水解纤维素固形物部分36的强无机酸是硫酸，作为1%至80%并且优选地40%至80%浓硫酸水溶液在25摄氏度至100摄氏度的温度、常压直至0. 7MPa (IOOpsig)表压的压力和主要取决于所用温度条件的15分钟至2小时停留时间下应用。木质素部分38可以按类似的方式投入进一步实际使用，例如基于美国公开专利申请号2009/0718498A1的传授内容，例如经臭氧分解成芳族燃料添加剂、用作产生合成气的气化进料、用作燃烧燃料、或经臭氧分解以产生芳族磺化进料用于产生生物基线性烷基苯磺酸盐。现在转至图2，一个替代性实施方案示意性地显示。在实施方案40中，粒化的物质24内仅包含来自生物质12的纤维素性部分，粒化的物质24运送至中心设施30以便进一步加工成反刍动物饲料物质或加工成用于生物基燃料、燃料添加剂或化学品的己糖产物或流，而半纤维素部分和木质素部分在优选地对于已经产生或培育生物质处而言便利的第一地点(地点A)水解。
在图2的实施方案40以及图3的实施方案70中，如先前已经讨论过，半纤维素和木质素优选地尽可能多地溶解于包含一种或多种弱有机酸(甲酸或乙酸再一次是优选的)的溶剂中，以便产生清澈的纤维素固形物浆料，这种纤维素固形物浆料可以被干燥、粒化并运送以在中心设施处进一步加工或用于动物饲料中。因而，除了对酸蒸气浸溃步骤20使用由70%至超过90%酸组成的更高浓度的热酸蒸气流22之外，通过在溶剂洗涤步骤32中反复一次或多次洗涤/溶解和过滤，优选地将一种有机共溶剂与额外的浓酸溶液一起使用。对于图2中所示的实施方案40，滤液中以这种方式增溶的木质素和半纤维素可以随后在地点A处分离成如实施方案10中所述的多个流或产物38和34，并且剩余的纤维素固形物部分在相应的步骤26和28中干燥并且粒化以便作为流或产物24运输至第二位置/中心设施，如上文对图I描述那样，用于动物饲料中或用于进一步加工。对于图3中所示的的实施方案70，含有如此多的、已经在步骤32中完成的洗涤及过滤中增溶的纤维素和木质素的滤液可以与步骤26中的纤维素固形物平行地蒸发，并且通过沉淀产生的固形物本身可以在步骤28中粒化并且运输至第二位置/中心设施或为了在稍后时间进一步使用和/或在地点A加工而储存。因而，在图3中提供两种粒化产物，生 物质12的纤维素组分主要存在于粒化产物24b中并且生物质12的半纤维素组分和木质素组分主要存在于粒化产物24a中，尽管在这个方面，本领域(并且熟悉分化方法的)技术人员将必定理解，在实施方案10、40和70的每一个中，粒化产物24a将可能含有一些最初存在于生物质12中的纤维素物质并且粒化产物24b将可能含有一些特别高分子量的半纤维素物质和木质素物质。存在于粒化产物24a中的戊糖(来自步骤20和32中生物质12中的半纤维素的酸水解)和木质素组分可以随后在第二位置/中心设施处用于动物饲料中或分别在产物或流34和38中分离，例如通过在第二位置/中心设施处反复一次或多次用热水或一些其他合适的溶剂洗涤和过滤固形物24a。图2中物质24内或图3中物质24b内的纤维素固形物可以按照对图I中纤维素固形物部分36描述的方式使用或进一步加工，并且存在于流或产物34中的戊糖以及包含于流或产物38内的木质素含可以同样如先前结合图I所描述那样使用或进一步加工。同时，如上指出，已知浓甲酸在纸浆和造纸工业中有效溶解木质素组分和半纤维素组分并且将它们与木质纤维素生物质的纤维素组分分离，在制浆背景下为这个目的使用浓甲酸的特殊之处在于，不能在分化木质纤维素生物质的背景下合理地采用相同或相似过程以便开发用于制造基于可再生资源的燃料、燃料添加剂和/或化学品的进料。在使用浓甲酸从生物质中制造纸浆时，需要大量的能量用于加热足够大量的甲酸和水以产生浆料，而去除和以足够高的浓度回收甲酸用于溶剂循环是困难和昂贵的，这归因于与水、乙酸和甲酸形成共沸物。然而，在使用甲酸作为有机酸的本发明背景下，通过仅使用蒸气形式的足够甲酸来彻底地润湿生物质并且部分解聚或大幅度增溶其中的木质素和半纤维素(根据具体情况而定)，干燥步骤26中物质内蒸发掉的甲酸浓度相对于水可以保持基本上与酸蒸气浸溃步骤20中相同并且整体上可以因而冷凝、再循环和再用于流22，因而避免与已知的甲酸制浆过程相关的、耗能高且昂贵的共沸蒸馏回收方法。另外，相对于产生造纸用的固形物浆液，意在用至少部分解聚或大幅度增溶的半纤维素和木质素产生含有刚好足够的残余水分以便能够进行良好胶溶的物质时，总体上要求少得多的量的水和甲酸，从而能量需求相应大幅度缩减。无论甲酸在本发明的过程中是单独使用或与其他弱有机酸组合使用，或无论是否使用不与水形成共沸物的另一种弱有机酸，可以使用的酸的量可以是在事实上不足以证明回收和再循环的开支是合算的，从而可以优选进行中和。然而，在希望酸回收和再循环的情况下，本领域技术人员将完全能够选择并且使用合适的手段做到这一点，通过回收并再循环干燥步骤26中蒸发的物质和通过从来自进一步加工的最后戊糖流和己糖流回收并且再循环弱有机酸。在其中使用乙酸替代甲酸的后一种情况下，乙酸可以通过简单的蒸馏回收。在使用甲酸时，可以使用共沸蒸馏，或当伴随少量蒸汽以极高浓度使用甲酸时，这种酸可以通过简单的蒸馏回收、再循环并且以浓缩的形式再使用，无需分离出所包含的水。我们已经发现在这种情况下，被鉴定为用于完成来自纤维素固形物的半纤维素和木质素增溶和分离的某些有机共溶剂还充当用于简单蒸馏和回收甲酸的有效共沸剂。我们已经鉴定的合适有机共溶剂包括甲酸乙酯、乳酸乙酯和羟甲基四氢呋喃，优选甲酸乙酯。本领域技术人员会理解，尽管本发明的优选实施方案已经在此描述，然而众多变 体和替代物可以按相似的方式构思。例如，酶可以与酸一起用来水解生物质的半纤维素部分和纤维素性部分。在青贮饲料用作生物质的情况下，青贮饲料本身经过一段时间的无氧发酵产生乳酸，并且这种乳酸可以用作酸蒸气浸溃步骤20中的弱有机酸。其他变体相对于本领域技术人员将仍是显而易见的，这些变体不脱离如以下权利要求中表述的本发明的真实范围。


本发明提供了用于将木质纤维素生物质高效分离成纤维素部分、半纤维素部分和木质素部分的方法，其中在升高的温度下、在其中已经收获并且收集生物质的位置处或在该位置附近将浓的有机酸蒸气施加至生物质，以至少部分地解聚或大幅度地增溶生物质中的半纤维素和木质素。有机酸处理的生物质随后在任何一种情况下中经干燥和粒化用于长期的散装储存和/或用于运送至相隔一段距离的第二设施。有机酸处理的生物质可以在本地加工地点或在远离本地加工地点的第二设施处加工成所需的化学品、燃料和/或燃料添加剂，或者粒化物质可以在本地或在与本地加工地点相距一定距离的饲育场处用作反刍动物饲料。