[发明专利]芦竹半纤维素回收方法

说明书

对相关申请的交叉参考

本申请要求2008年9月9日提交的美国临时专利申请号61/095,337的35U.S.C.§119(e)的利益，通过引用的方式将其以整体并入本文。

发明背景

发明领域

本发明一般涉及从芦竹回收半纤维素的方法。

相关技术描述

当今世界正在面对由人口过剩、化石燃料耗竭、对燃料需求增加、空气、水和土地的污染、全球变暖和气候变化、森林覆盖破坏以及耕地损失引起的增加的负荷。尽管在一定程度上这些关注中的一些可以通过太阳能和风力的改进使用以及增加的核动力得到满足，但是资源的更节约和资源的更有效使用一直在被寻找。

纤维状纤维素材料，例如稻草、玉米茎(秸秆)、甘蔗渣、硬木、棉花秸秆、洋麻和大麻，主要由纤维素(典型地、40-60％干重)、半纤维素(典型地20-40％干重)和木质素(典型地5-25％干重)组成。这些成分如果能被彼此经济地完全分离，则可以提供用于生产醇、醚、酯和其它化学物质的可发酵糖的重要衍生来源。对用酶或酵母通过发酵从纤维质生物质生产生物燃料存在日益增加的兴趣。迄今为止，大部分兴趣集中在淀粉、甘蔗和甜菜糖的应用。如本文所用，生物燃料指用于产生电和用于运输工具的燃料(乙醇)。生物燃料的益处在于它们比石油燃料向大气增加更少的排放物。它们的益处还在于它们使用草本和很少被使用的木本植物，并且特别地使用目前有很小的或没有用途的植物废料。生物燃料从可再生资源获得，并且可从国内容易得到的植物和废料生产，因此除了推进本地和全世界经济之外还减少了对煤、汽油和外国化石燃料的依赖。

但是，迄今为止，还没有一种将纤维状、木质纤维质材料和它们代表的可发酵糖的基本成分彼此完全分离的经济方法。特别地，已经证明将混合的己糖和戊糖结构的半纤维素与木质素以及生物质中存在的其它较少的成分例如脂质和二氧化硅经济地分离是困难的。当今已有的方法集中在例如球磨、双辊碾磨、低温磨碎、急速减压、超声和渗透细胞破碎接着乙醇提取的技术以及常规制浆技术。所有技术都使用高水平的技术、化石能量和投资，因此是昂贵的并且常常是高度污染的。例如，常规制浆方法，其使用高的温度(例如175℃)和压力(例如175psi)以及亚硫酸盐、硫酸盐或碱得到称为α-纸浆的纯化纤维素，被普遍公认为涉及高的投资、能量和操作成本，包括化学物质的回收，其伴随有空气和水污染以及产生有毒物质的严重问题。

因此，尽管在本领域中已经有了进步，但是本领域仍需要可替代的纤维质生物质材料和用于分级纤维质生物质材料的可替代的方法。本发明致力于这些需求并进一步提供相关优点。

发明概述

简言之，本发明涉及以下方法：从芦竹回收半纤维素、分离木质素与其它提取物(例如植物提取物)、和将含纯化半纤维素的提取物(或级分)以对发酵和/或氢化处理足够高的浓度水解为5和6碳糖的混合物。如本文所公开的，半纤维素的回收以及其与木质素和其它提取物的分离取决于在提取过程中使半纤维素副反应最小化以及随后在转化为5和6碳糖之前的纯化和浓缩步骤中保留以高分子量形式(即大尺寸)的半纤维素材料。

由于其高生物质生产力，芦竹是纸浆以及生物乙醇和生物/石油化学替代物(例如3至6个碳二元醇)潜在的经济上切实可行的来源。作为国家转向“绿色”产品和原油成本增加的结果所有这些都处于高度需求中。如下文更详细描述的，在常规制浆过程之前或者作为本文描述的非常规制浆条件的一部分，可以采用公开的包括各种半纤维素提取、纯化、浓缩和水解步骤的整体法回收一部分芦竹植物半纤维素级分并将其转化为5和6碳糖。可将根据这些方法得到的5和6碳糖出售给现有的制造工厂用于进一步的燃料和化学生产。尽管相似的个别工艺步骤在其它工业中已被单独使用，但是原料和产物的这种组合需要适当工艺条件的整合和开发。

在一个实施方案中，提供了从芦竹生物质提取含半纤维素的馏分的方法，包括在40-130℃范围内的温度和5-12范围内的pH下在水溶液中处理芦竹生物质¹/₂-5小时。

在一些实施方案中，芦竹生物质包含芦竹碎片。

在一些实施方案中，所述方法产生经提取的芦竹生物质。在其它实施方案中，所述方法产生芦竹浆。

在一些实施方案中，水溶液包含过氧化氢。例如，在更具体的实施方案中，水溶液包含0-10重量％过氧化氢(例如0-5重量％过氧化氢)。

在一些实施方案中，水溶液包含氢氧化钠。例如，在更具体的实施方案中，水溶液包含0-12重量％氢氧化钠。