[发明专利]通过选择性解聚作用从植物生物质产生化学构建块

说明书

发明背景

由于石化石油化工资源的全球限制，从可再生资源产生生物源 (biobased)化学构建块(Chemical Building Blocks)近年来吸引 了日益增加的关注。用于产生此类生物源化学制品的优选原料来源于 可再生植物生物质(Kamm等人，2006)。

目前生物源产品的制造方法主要利用来自食物和饲料市场例如 油、糖和淀粉的底物。大部分第一代原料是明确确定的化学组合物并 具有低结构复杂性。此外，可以以相对高的纯度(只具有少量的伴随 污染物)获得此类底物。虽然它们的用途在技术上和经济上都很吸引 人，但它们的持续大规模供给并不可靠，因为第一代原料在生物源化 学工艺方法中的使用与它们在食品工业中空前增加的全球需求发生激 烈的竞争。

上述第一代原料的可替代的底物来源于低成本的森林副产品和 构成植物材料的不用作食物来源的农业废物。这些指定的第二代原料 的实例是来自农业活动的残留植物材料例如玉米秸杆和小麦秆以及各 种木材相关废料。该木质纤维素生物质(Lignocellulosic Biomass) (LCB)与第一代生物原料的区别在于其复杂的化学和结构组成。LCB的 主要成分是高度聚合的材料例如纤维素(大约35-50％w/w)、半纤维 素(大约20-35％w/w)和木质素(大约10-25％w/w)。蛋白质、脂质 和其他化合物在大多数LCB原材料中构成极小的部分(Saha，2005)， 但可以以更大的量存在于特殊农业废物例如来自油料生产的残渣中。 因为LCB由多种化学上不同的成分组成，因而其下游加工在技术方面 是很困难的，这反过来限制了目前基于LCB的生物工艺的经济可行性。

技术问题

为了通过经济上可行的基于LCB原料的生物工艺生产有价值的化 学物质和构建块，重要的是(i)回收和精炼其不同化学成分的大部分和 (ii)以足够的纯度生产它们。与不同的和高度聚合的组成LCB的实体 相比，其有利的加工产物是低分子量的。原则上，可从LCB的所有成 分产生经济上吸引人的产品：从纤维素产生的葡萄糖是用于产生高价 值化学中间产物例如山梨醇的通用起始材料。源于LCB的半纤维素级 分的戊糖例如木糖和阿拉伯糖是高价值低营养且非产热型甜味剂例如 木糖醇和阿拉伯糖醇的起始材料。可水解来自LCB的蛋白以产生对映 体纯(enantiopure)L-氨基酸。木质素可用作酚类化合物的来源，从 而替代由石油化学工艺产生的芳族物质。对于第二代原料的应用，目 前的技术限制主要与它们复杂的化学组成相关。

使用LCB的大多数现有方法集中在底物的纤维素部分。当使用其 他成分时，通常通过非选择性的处理步骤例如在单个处理步骤中使用 硫酸水解所有半纤维素的预处理来水解它们。此类非选择性加工步骤 的产物通常具有较低的商业价值并且在一些情况下具有负商业价值。

用于生物乙醇的发酵生产的近来实施的logen工艺在200-250℃ 下使用稀释的酸蒸气预处理来调动LCB的半纤维素级分，该级分包含 不同的己糖和戊糖的混合物。在分开的酶步骤中，将不溶的纤维素级 分水解成己糖(葡萄糖)。在半纤维素和纤维素级分液化后，将不溶 的木质素固体与渣(marsh)物理分离，然后燃烧，从而产生用于剩余 LCB级分的下游处理的能量。将合并的纤维素和半纤维素级分在单个 步骤中发酵以产生生物乙醇。然后通过蒸馏从发酵液中回收所得的乙 醇。因为大部分商购可得的用于发酵方法的有机体(即面包酵母 (baker′s yeast)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisise))不能 利用戊糖，所以LCB的这些成分，当以纯的形式存时虽然具有重要的 商业价值，但在该方法中仍然与剩余的废渣一起被抛弃(Lawford和 Rousseau，2003)。