[发明专利]用于分级分离基于木质纤维素的生物质的方法和装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年10月29日提交的韩国专利申请No. 10-2008-0106618和2009年7月2日提交的韩国专利申请No. 10-2009-0060397的权益，且所有权益根据35U.S.C.§119从上述申请产生， 所述申请通过引用在此引入如同在本文中完全阐述。

技术领域

公开内容涉及用于分级分离基于木质纤维素的生物质的方法和装置。

背景技术

随着对过度使用化石燃料所带来的资源枯竭和环境污染的全球越来越 多的关注，正在考虑用于稳定且连续地产生能量的新的且可再生的替代能 源。在这种替代能源正在进行的开发中，从生物质生产醇的技术受到强烈的 关注。

地球上最富足且完全可再生的生物质是木质纤维素。木质纤维素是非生 物可降解的芳族聚合物如木质素与碳水化合物如纤维素和半纤维素的复合 结构。木质纤维素已经常用于指生物质。从生物质生产的各种水溶性燃料如 醇、柴油和氢通常称为生物能源。

作为木质纤维素的重要组分的纤维素是由通过β-1，4糖苷键连接的葡萄 糖单元的直链组成的稳定的多糖，使其比自然状态中的由通过α-1，4糖苷键 连接的葡萄糖单元组成的螺旋直链淀粉物理上和化学上坚固得多。

作为木质纤维素另一重要组分的半纤维素是聚合度比纤维素低的多糖。 半纤维素由作为主要组分的戊糖如木糖的聚合物和较少量的戊糖如阿拉伯 糖的聚合物与己糖如甘露糖、半乳糖或葡萄糖的聚合物组成。由于半纤维素 的聚合度比纤维素低，且具有比纤维素不规则的结构，它更易于通过物理和 化学处理而降解。

木质素是具有复合结构的疏水性大分子聚合物。木质素部分地有助于保 护植物不受由昆虫以及微生物如霉菌造成的各种生化威胁。由于木质素在物 理上和化学上都是高度耐久的，它被视作本质上最不可降解的化合物之一。

为了从木质纤维素生产乙醇或各种化合物，形成木质纤维素的多糖必须 转化成能乙醇发酵的可发酵糖(糖平台)。液态燃料如乙醇和丁醇、作为生物 聚合物如聚乳酸的单体的有机酸、和各种氨基酸可从可发酵的糖产生。糖平 台的概念最初由美国能源部(DOE)构思。在此，木质纤维素到糖平台的转化 包括对木质纤维素预处理或分级分离以从纤维素和半纤维素生产糖。

木质纤维素的预处理可基本上分为物理方法、化学方法和生物方法。

物理方法可包括研磨工艺和蒸汽爆发工艺。研磨工艺包括用研磨机将木 质纤维素颗粒粉碎成小尺寸的颗粒，从而引起木质纤维素的结构变化。不经 常使用研磨工艺，因为其消耗相当大量的能量且提供低产率或低糖化。蒸汽 爆发工艺包括在热蒸汽的高压容器中蒸木质纤维素预定的时间以及瞬间打 开该容器的阀门以使木质纤维素的结构更易于酶攻击。

为了提高上述物理方法的效果，对化学方法和物理方法的组合进行了很 多研究。化学方法和物理方法的组合的典型例子为稀释酸水解工艺。该工艺 包括将木质纤维素浸渍在2％(w/w)或更低的硫酸溶液中以及与蒸汽爆发工 艺类似地将木质纤维素在热蒸气的容器中在约160到约200℃的温度下蒸约 60秒到约10分钟。在该工艺中，半纤维素通过酸催化水解成单糖和寡糖， 并且所产生的一些戊糖可通过过度的反应降解成可作为发酵抑制剂的糠醛。

稀释酸水解工艺中，半纤维素水解使纤维素和半纤维素之间的键以及木 质素和半纤维素之间的键断裂，从而促进酶糖化。因此，可在分级分离工艺 中获得并分离半纤维素水解产物，如木糖，其在水解产物中水解并溶解。随 后，在分级分离工艺中不降解的不溶性纤维素和木质素都进行酶糖化，然后 转化成葡萄糖和木质素残基，使得木质素可一起转移到随后的发酵工艺。但 是，在这种情况下，来自木质素降解的酚化合物会抑制酶工艺和发酵工艺。