[发明专利]生物质水解

说明书

交叉引用相关申请

本申请要求2009年7月1日提交的美国临时申请61/222,397的优先权，此申请以引用的方式全文纳入本说明书。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明在由以下机构授予的美国政府资助下作出：DOE DE-FC02-07ER64494。美国政府对本发明享有一定的权利。

背景技术

丰富的植物生物质可变成燃料和化学品的可持续来源。开发这种潜质需要将难处理的木素纤维素经济地转化成有用的中间体，例如糖类。我们报导一种将木素纤维素化学水解成单糖的高产率方法。缓慢地将水加到含有催化酸的氯化物离子液体中可由纤维素得到接近90％产率的葡萄糖，并由未处理的玉米秸秆得到产率为70-80％的糖。离子排斥色谱可以回收离子液体并递送能支持生产乙醇的微生物旺盛生长的糖原料。因此，简单的化学方法可以确保天然生物质成为可规模化的生物精炼中使用的碳的唯一来源。

作为木素纤维素生物质的主要组分，糖聚合纤维素和半纤维素属于地球上最丰富的有机化合物，并且具有成为能量和化学品的可再生资源的潜质。估计的生物质全球年产量为1×10¹¹吨，扣除2×10²¹J[1，2]。相比之下，石油的年产量为2×10²⁰J，而传统原油的工业可回收能力为2×10²²J[1]。因此，只需一个十年，地球上的植物就能使以传统原油方式贮存的所有能源以纤维素、半纤维素和木素的方式再生。对于化学家的挑战是获取这些聚合物，并将它们转化成燃料和化学结构单元。

糖是木素纤维素生物质在生物和化学转化中的天然中间体[3-8]，但是难处理的植物细胞壁阻碍糖的获得[3-9]。木素纤维素中大部分的葡萄糖被封锁在高度结晶的纤维素聚合物中。半纤维素——一种葡萄糖、木糖和其他糖的支链聚合物——以及木素——一种复杂的芳香族聚合物——包裹纤维素，使植物强健并保护植物。由这些多相原料获得糖类需要进行物理和化学破坏。使用酶法进行糖化是最普遍的，其先进行物理和化学预处理过程[10]，然后再用纤维素酶进行水解而制备糖类。对于给定的原料，适当地结合预处理和酶可确保从半纤维素和纤维素组分中高产率地制得糖类[11]。但是，酶水解的潜在缺陷是预处理和酶二者的成本(预计高达由纤维素生产乙醇成本的三分之一[12])以及低水解率。

还发展了仅使用化学方法来水解生物质的技术。早在1819年，Braconnot就已示例说明了亚麻溶解在浓H₂SO₄中，用水稀释然后加热，转化成一种可发酵的糖[13，14]。在这个实例中，浓酸在生物素水解中起到双重作用。强酸通过断裂纤维素网络中的链内和链间的氢键，使纤维素解晶，从而使它可以接触反应物[15]，此外，强酸通过催化糖苷键的水解，将纤维素和半纤维素分裂成糖(图1)[3]。Bergius将HCl的这些属性用于发展一种商用方法，该方法在1935至1948期间在德国实施[16，17]。在美国，也已经发展了一些使用H₂SO₄的相关方法，这些方法将纤维素和半纤维素转化成糖类的转化率通常为80-90％[18-22]。在最近的实例中，Cuzens和Farone使用浓H₂SO₄的水溶液通过Arkenol方法水解农业剩余物[23]，所述方法正由BlueFire Ethanol(Irvine，California，USA)商业生产。在该方法中，生物质用77％的H₂SO₄解晶，稀释至水含量大约为40重量％，然后在100℃水解。该第一步水解了几乎全部的半纤维素和一些纤维素。固体剩余物经进行第二步水解以释放剩余的葡萄糖。浓酸水解方法可获得高的糖产率，使用简单的催化剂，且仅需短暂的反应时间。然而尽管有这些优点，操作浓酸的危险性和将其回收再利用的复杂性限制了此技术的应用。