[发明专利]用于糖氢化的催化剂的再生

说明书

优先权益

本申请要求2012年5月24日提交的临时申请序列号61/651,021的优先权益。

技术领域

本发明涉及一种用于将在生物质或生物质衍生物氢化期间已经去活化或中毒的催化剂再生的方法。具体来说，本发明描述了一种可以使糖或多糖的氢化反应器和一种相关的反应器系统中的催化剂活性恢复的再生方法。

背景

近年来，对发展用于化学和燃料产品的可再生和“绿色”资源的兴趣已获得相当大的势头。在这方面，采用生物质或基于生物的材料(即，碳含量来源于再生的生物而不是非再生的来源的材料)以便产生化学和燃料产品(这些产品迄今为止主要来源于化石起源的材料，如石油或煤炭)已成为研究和发展的投资焦点。已在商业规模上从生物质产生了某些化学和燃料产品的替换品或替代品。举例来说，在液体燃料领域中，已在商品规模上从玉米和甘蔗(用于乙醇)和从不同植物油和动物脂肪产生了乙醇和生物柴油(即，脂肪酸烷基酯)。不过，即使对于这些实例，生物质利用方法也是可以改进的。

来源于生物质加工的常见原材料是碳水化合物或糖，这些碳水化合物或糖可以被化学地处理以将碳水化合物修饰成其他有用的化学物质。热处理提供了一种将复杂生物质(如森林和农业残余物)转化成液体油的方法。在一种水热液化(HTL)方法中，碳水化合物的转化是用润湿生物质在高温(例如300℃-350℃，570°F-660°F)下进行的。通过加热润湿生物质产生的蒸汽产生了高压力(例如15-20MPa，2,200-3,000psi)。典型地，该转化在大约数分钟(例如5-20分钟)内进行。

另一种这类化学处理方法是将碳水化合物氢化成多元醇，这些多元醇本身又可以进一步被加工成其他有用的材料或生物燃料。糖醇(如木糖醇、山梨糖醇以及乳糖醇)最常通过经海绵-金属催化剂(如碳催化剂上镍和钌)催化氢化相应糖醛来工业地制备。

焦化和催化剂去活化是由糖醇氢化产生的问题，因为糖醇溶液中存在残余糖和聚合度(DP)数大于3的高分子量聚合物。

在许多情况下，方法设计、成本以及操作安排大大地受存在催化剂毒物影响。氧化剂或少量去活化剂的存在可以引起氢化催化剂的或者去活化或者中毒。有时，反应产物、反应中间物或副产物充当催化去活化剂并且不允许完成原初反应。

在大规模糖氢化中，催化剂去活化通常在氢化方法的经济效率(如生命周期评估(LCA))中起着核心的作用。催化剂的去活化可以是一种复杂现象，因为催化剂上的活性位点可能经由物理吸收被庞大分子阻断，或者通过进料流中的杂质或反应物、中间物以及产物的吸收而中毒。在后者之中，由杂质(如含硫化合物)引起的催化剂中毒是催化剂去活化的关键因素。尽管，总的来说，包含在生物质中的硫的量相对较小，然而，在较大体积下并且随时间推移，即使最小量也可以累积并且不利地影响催化剂活性。一些生物质可以包含多达0.5重量％硫。这种毒化杂质与催化剂表面具有强相互作用并且可以是不可逆的。

在一种具体情形中，在醛糖的催化氢化中所遇到的问题之一是氢化催化剂的去活化和不稳定，例如归因于有害副产物(如差向异构体、水解产物以及其还原产物)的形成。醛糖酸(如乳糖酸和木糖酸)代表了在醛醣氢化成糖醇中形成的有害副产物的一个实例。在葡萄糖的氢化中，已发现葡萄糖酸典型地形成为一种副产物。还已发现，葡萄糖酸具有粘附到催化剂表面由此占据氢化催化剂的活性位点并且使催化剂去活化的倾向。催化剂的去活化和不稳定性还导致在催化剂的恢复和再生方面的问题。这些问题尤其在回收的催化剂的情况下甚至是更严重的。通过过滤来恢复催化剂可能是困难的。

鉴于前述，应注意使反应混合物中催化去活化剂和毒物的存在减到最少以便延长催化剂的寿命。在这类情形下，一些人可能或者选择使用不同类型的催化剂或者寻求净化或再生该催化剂。