[发明专利]木质纤维原料中的多糖的低水水解或预处理的方法

说明书

技术领域

本发明涉及木质纤维原料中的多糖的水解生成单糖和/或提高所述多糖对后续的酶促转化成单糖的易感性或可及性的改进方法。该方法包括预处理木质纤维原料以使其更易于酶促水解。

背景技术

对于从木质纤维原料，如麦秆、玉米秸和柳枝稷，生产燃料乙醇的关注正在增加。

从木质纤维原料生产乙醇的一个主要过程是进行预处理，而后将纤维素酶促水解为葡萄糖。该预处理通常通过将该原料短时间暴露在稀硫酸和高压蒸汽中来实施。进行该处理的一个方法是汽爆(steam exploration)(一般性披露于美国专利No.4,461,648和No.5,916,790中)。汽爆预处理极大地改善了后续的纤维素酶促水解。

汽爆预处理可以采取间歇或连续方式实施。优选连续运行，其原因在于间歇式反应器的充填和清空需要时间，因此连续式预处理反应器的生产率高于间歇式反应器。此外，可均匀预处理原料的间歇式汽爆反应器也存在尺寸限制。该尺寸限制导致工业规模的乙醇厂需要大量的间歇式汽爆反应器。

另一方面，连续运行的汽爆预处理实现了高生产率以及良好的纤维素酶促水解。然而，木质纤维原料必须连续地输送进入并通过预处理反应器。这可以通过制备由水中的细碎木质纤维原料构成的浆料来实现。加入水有利于在预处理反应器内和其上游的单元操作中的木质纤维原料的转运和机械处理。通常，为了使浆料均匀地流动，所含的水量经常是所含的原料固体量的5至25倍。

在现有技术的常规方法中，在引入预处理反应器前，通过一系列特殊设计的泵将木质纤维原料浆加压至高于预处理反应器的压力，并将这些木质纤维原料浆加热到反应温度。通过注入高温的高压蒸汽进行该加热。在此加热中所需的蒸汽量和酸量是浆料总量(包括为转运该浆料所加入的水)的直接函数。因此，大量水的存在需要大量蒸汽来加热以及大量的酸。在预处理反应器中，浆料在高温下保持预定的时间。在预处理反应完成后，经预处理的木质纤维原料浆经由排放通过一系列闪蒸器来冷却，在闪蒸器中所加入的大量起始蒸汽可以潜在地作为具有显著更低压力的闪蒸蒸汽被回收，并被重新利用来预热进料的木质纤维原料浆。不能被回收的蒸汽作为冷凝水残留在浆料中并且造成浆料的进一步稀释。

在木质纤维原料预处理后的下游处理过程中，基本上所有加入的水主要通过蒸发或蒸馏方法以高昂的成本去除。因此，为转运原料加入的水需要大量的蒸汽消耗、大量的酸消耗以及大型蒸发或蒸馏系统，这给乙醇生产工艺增加了大量的投资和运行成本。

美国专利No.4,842,877公开了一种方法，其中首先将生物质基质用含有强碱的反应介质预水解，而后将其用螯合剂进一步处理以去除金属离子，因而避免在处理设备上形成不期望的沉淀物。螯合步骤的生物质产物随后被输送到其中加入有过氧化氢以及氧的加压挤出机反应器中。氧的作用是激活过氧化氢，同时挤出机的摩擦和压力作用加速生物质与过氧化氢的反应。该挤出机装置优选为Wenger TX-138、X-175、X-185或X-200连续挤压炉。

美国专利No.4,427,453公开了一种蜗轮给料机形式的装置，其包括圆锥形的抗压外壳，所述外壳在大直径端具有径向进料口，在小直径端具有圆筒形轴向出口套管。物料被注入进料口，在强压缩和由此产生的高压下，通过旋转圆锥形蜗旋移动到小直径端，在小直径端处以压缩栓塞形式被推出出口套管。圆锥形外壳上有穿孔，使得在压缩过程中液体被从物料中挤出。

美国专利No.6,251,643公开了一种具有用于实施压榨步骤并处理物料水悬液的腔室的螺旋压榨机。该腔室设置为与至少一个常规整体轴轴向排列，所述整体轴具有传送物料的螺旋。在操作螺旋压榨机时，在每个螺旋的出口端形成压缩物料的栓塞。该栓塞在一个腔室和下一个腔室之间形成密封。

美国专利No.7,347,140公开了一种从将固体/液体混合物中分离液体的螺旋压榨机，该螺旋压榨机包括具有液体回收穿孔的外壳。该外壳包括具有经其挤压液体的环状间隙的螺旋轴。一个反压装置为固体/液体混合物提供支持以增加环状间隙处的压力，以便从该固体/液体混合物中提取更多的液体。

WO 96/25553公开了一种木质纤维脱水系统，其在大气压力下运行以将木质纤维原料挤压成压缩栓塞形式的插入物，其目的是将压缩机的大气介质与水解器中的高压介质分离。