[发明专利]加工生物量

说明书

相关申请

本申请要求于2008年12月19日提交的美国临时申请序列号61/139,473的优先权。这个临时申请的完全公开内容通过引用在此合并入本文。

背景

例如以纤维形式的各种碳水化合物，例如纤维素和木质纤维素材料在许多应用中大量产生、加工且使用。通常此类材料使用一次，并且随后作为废物抛弃，或仅视为废物材料，例如污水、甘蔗渣、锯屑和秸秆。

各种纤维素和木质纤维素材料、其用途和应用已例如在美国专利号7,307,108、7,074,918、6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105中描述。

概述

一般地，本发明涉及含碳水化合物材料(例如生物量材料或生物素衍生的材料，例如淀粉质材料和/或纤维素或木质纤维素材料)、制备和加工此类材料以改变其结构和/或其不顺应水平的方法、以及由改变材料制备的产物。例如，本文描述的方法中的许多可以提供相对于天然材料，具有富氧功能性、较低分子量和/或结晶度的纤维素和/或木质纤维素材料。本文公开的方法中的许多例如芬顿(Fenton)氧化方法提供了可以由各种微生物(连同或不连同酶促水解)更容易地利用以产生有用产物的材料，所述有用产物例如氢、醇(例如，乙醇或丁醇)、有机酸(例如，乙酸)、烃、共同产物(例如，蛋白质)或这些中的任何的混合物。获得的许多产物例如乙醇或正丁醇可以用作燃料，例如作为内部燃烧燃料或燃料电池原料。此外，本文描述的产物可以用于电力生成，例如在常规蒸汽发电厂或燃料电池工厂中。

在一个方面，本发明的特征在于改变材料中的分子结构和/或减少不顺应的方法，所述材料例如含烃材料和/或生物量材料，例如纤维素或木质纤维素材料，例如本文描述的任何一种或多种未经加工(例如切割的草)、半加工(例如研细的草)或经加工的材料(例如研细且照射的草)。

该方法的特征在于采用芬顿型化学减少纤维素或木质纤维素材料中的不顺应的氧化方法。芬顿型化学在Pestovsky等人，Angew.Chem.，Int.Ed.2005，44，6871-6874中讨论，其完整公开内容通过引用在此合并入本文。该方法的特征还可以在于芬顿氧化和本文描述的任何其他预处理方法以任何次序的组合。

不希望受任何具体理论束缚，认为氧化增加纤维素和/或木质素上的氢-键合基团的数目，例如羟基、醛基、酮基、羧酸基团或酐基，这可以增加其分散性和/或其可溶性。

在一个方面，本发明的特征在于这样的方法，其包括在混合物中使具有第一个不顺应水平的第一种纤维素或木质纤维素材料与一种或多种化合物和任选地一种或多种氧化剂接触，所述化合物包括一种或多种天然存在的、非放射性金属元素，例如非放射性族5、6、7、8、9、10或11的元素，所述氧化剂能够增加所述元素中的至少一些的氧化状态，以产生具有比第一个不顺应水平低的第二个不顺应水平的第二种纤维素或木质纤维素材料。

其他方法包括使含烃材料与一种或多种化合物相组合，所述化合物包括一种或多种天然存在的、非放射性金属元素，例如非放射性族5、6、7、8、9、10或11的元素，以提供其中一种或多种化合物接触含烃材料的混合物；和使接触维持一段时间并在足以改变含烃材料结构的条件下。

在某些实施方案中，该方法进一步包括使第一种纤维素、木质纤维素或含烃材料与一种或多种氧化剂相组合，所述氧化剂能够增加元素中的至少一些的氧化状态。在此类情况下，一种或多种氧化剂使材料与混合物中的一种或多种化合物接触。在某些实施方案中，一种或多种氧化剂包括臭氧和/或过氧化氢。

在某些实施方案中，一种或多种元素处于1+、2+、3+、4+或5+氧化状态。在特定情况下，一种或多种元素处于2+、3+或4+氧化状态。例如，铁可以以铁(II)、铁(III)或铁(IV)的形式。

在特定情况下，一种或多种元素包括Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn，优选Fe或Co。例如Fe或Co可以以硫酸盐的形式，例如硫酸铁(II)或铁(III)。

在某些实施方案中，将一种或多种氧化剂应用于第一种纤维素或木质纤维素材料和作为气体的一种或多种化合物，例如通过经由用粒子束例如电子或质子通过空气照射第一种纤维素或木质纤维素材料和一种或多种化合物原位生成臭氧。

在某些实施方案中，混合物进一步包括一种或多种氢醌例如2，5-二甲氧基氢醌，和/或一种或多种苯醌例如2，5-二甲氧基-1，4-苯醌。具有与木质素相似分子实体的此类化合物可以帮助电子传递。