[发明专利]生物质改进以供有效转化成燃料

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及使生物质材料、特别是木质纤维素生物质材料更易被后续化学法或酶法处理的工艺。

2.相关领域描述

预计全球的能源需求将由于下列因素而显著增加：人口增长的提高；欠发达国家生活水平的改善；和由于化石燃料储备的耗尽。

目前主要国家的共识是，由于温室气体、特别是CO₂排放导致的全球气候变化要求新开发的能源必须是环境相容和可持续的。因此，需要更环保的能源来取代或减少化石燃料的消耗。生物质是一种可持续和可再生的燃料，有潜力实现零温室气体的净影响。

生物质需要被转化成为可用的燃料。生物质转化技术包括生物工艺、例如厌氧或耗氧消化发酵，热转化工艺、例如直接燃烧生热和发电，气化生产合成气，和热解生产生物油用作燃料和化学品生产的原料。

热转化工艺还包括水热法，其中生物质以浆液形式在超过200℃、自生压力下的高压釜内经受处理。

热解工艺有很大潜力大规模商业化，因为它们提供了改变工艺条件，例如加热速率、温度、压力、接触时间、气氛等以优化液体(油)、气体和炭产率的灵活性。特别感兴趣的是快速热解(或闪热解)，设计为转化生物质以获得最大量的油，其采用极短的停留时间、极高的加热速率且温度接近500℃。

生物质热解制得的油能量密度高，可直接用于燃烧或精炼成燃料和特种化学品。

然而，热解获得的生物油直接用作燃料的应用由于其氧含量高、粘度高、酸度、腐蚀性和低稳定性而受到限制。已经进行了深入研究以提升所述生物油的品质使其成为在组成、化学和物理性质上与传统燃料相当的产品。

生物质在热解前的预处理工艺提供了可能的生物质改进方案使热解工艺能在不那么严峻的条件(即，较低的温度，较短的接触时间)下进行且更为高效地生产更多且品质更高的油。

目前，经营性大工厂进行生物质转化来生产乙醇，主要利用可再生原料，例如玉米、甘蔗、和谷物作为进料。由于这些原料的成本大致占到了该工艺生产乙醇总成本的一半，利用更廉价的生物质原料转化为乙醇具有极大的意义。此外，利用其它非谷物的生物质原料以尽可能减少对食品价格的影响也是很重要的。

因此，将低成本的由农业和林业残余物衍生的木质纤维素生物质材料用作原料转化成乙醇或其它燃料是很有吸引力的。

已经从昂贵的原料，即甘蔗、玉米、淀粉、各种谷物生产出乙醇。然而，需要使用不那么昂贵的材料，例如非食用的木质纤维素材料，包括草、市政固体废料(MSW)、废弃木材、林业和农业废料。然而，已知的将这些原料有效转化成乙醇的技术很有限，且与那些用来商业化转化甘蔗、玉米、各种谷物的技术不同。

因此，本发明的目的是开发商业化可行且环保的、能将非食用纤维素原料工艺有效转化成乙醇的工艺。

通常，尽管可能有很多工艺能在技术上满足转化的要求，一种工艺必须还要满足经济和环境的要求才能成功。

乙醇在汽车燃料中的使用不但减少了石油(原油)的需求，还显著降低了二氧化碳汽车尾气排放。

涉及从纤维素生物质生产乙醇的商业化大规模运作采用生物或非生物工艺解聚(分解)纤维素。最常用的生物工艺采用酶，而非生物工艺采用酸水解将纤维素转化为糖，最常用稀或浓硫酸。这些工艺被认为是整个生物转化工艺中对生物质的预处理，其后进行发酵和蒸馏。

我们发现现有技术中描述了乙醇生产中其它种类的预处理，例如蒸汽爆破，随后进行酶水解、发酵和蒸馏(参见C.E.Wyman等，Bioresource Technology 96(2005)，1959-1966)。

由于已知的木质纤维素生物质(来自农业和林业残余物)转化工艺比目前商业化使用的从谷物生产乙醇的工艺更贵，所以对开发新的或改善的工艺从而能以更低成本且更为环境可接受的方式将木质纤维素生物质(来自由农业和林业材料衍生的残余物)转化成乙醇存在浓厚兴趣。

通常，来自这些残余物的木质纤维素主要由三种成分组成：纤维素、半纤维素、木质素。纤维素成分是以葡萄糖为长链单元形成的聚合物，与半纤维素成分层相联，两者(晶态纤维素和半纤维素)都被木质素包封。

在生物转化工艺生产乙醇中，纤维素和半纤维素被转化成糖，例如葡萄糖和木糖，随后发酵。木质素是分支多芳环三维网，起到生物质中纤维素和半纤维素成分外壳(如保护涂层)的作用。