[发明专利]用于生物产品的生物质分级方法有效

专利信息
申请号: 201080051423.6 申请日: 2010-11-12
公开(公告)号: CN102803352A 公开(公告)日: 2012-11-28
发明(设计)人: 袁志润;T·C·布朗尼;张潇 申请(专利权)人: FP创新研究中心
主分类号: C08H8/00 分类号: C08H8/00;C08B1/00;C08B37/14;C08H7/00;C12P7/10;C12P19/14;C13K1/02;C07G1/00
代理公司: 中国国际贸易促进委员会专利商标事务所 11038 代理人: 柳冀
地址: 加拿大*** 国省代码: 加拿大;CA
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摘要:
搜索关键词: 用于 生物 产品 分级 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种从木质纤维素生物质制备增值的生物产品的方法。

本发明中的木质纤维素生物质涉及任意类型的植物生物质,其由纤维素、半纤维素和木质素组成,典型地为30-55%重量的纤维素、15-35%重量的半纤维和5-31%重量的木质素。

背景技术

纤维素是植物细胞壁中的主要结构组成部分。纤维素是包含六碳葡萄糖长链的碳水化合物,其中六碳葡萄糖通过β-O-4葡萄糖苷键端到端线性连接成聚合物。长链纤维素通过氢键和范德华键链接在一起,其导致纤维素被包成微纤维。半纤维素和木质素覆盖了微纤维。

半纤维素是一种复杂碳水化合物结构,其由不同聚合物组成,如戊糖(如木糖和阿拉伯糖)、己糖(如甘露糖、葡萄糖和半乳糖)和糖酸。来自硬木和软木的半纤维素的主要组分分别为木聚糖和葡甘聚糖。

木质素是一种复杂的大的杂聚物,其由通过不同种类的键结合在一起的三种不同的苯丙烷单元(松柏醇、香豆醇和芥子醇)组成。

木质纤维素材料生物转化为生物燃料和生物产品是多步骤过程,其包括原料分解,随后是水解和各种组分的提取。例如,木质纤维素材料生物转化为生物燃料(如乙醇)典型地由四个主要工艺步骤组成:预处理、酶水解、发酵和产物回收。还有设计成从生物质原料中提取特定组分的工艺。为了降低生物质的粒径以及为下游工艺创造大的表面积的目的,这些工艺还采用了预处理步骤。预处理在生物转化工艺效率和经济性具有重要影响。通过使用机械力、蒸汽、酸、碱或生物试剂或者其中两种或多种联合,许多预处理技术/方法被开发用于木质素材料。

作为对木质纤维素生物质的预处理,机械精加工最近引起越来越多的注意。机械精加工是一种用于制备机械浆的工业生产方法,其通过热和机械力的结合将生物质原材料分离成纤维。几种机械制浆法的变体以工业化规模被采用,包括精加工机械制浆(RMP)、热机械制浆(TMP)、化学热机械制浆(CTMP)和化学机械制浆(CMP)。机械制浆用于造纸工艺的主要缺点之一是与机械制浆相关的高能量消耗,生产一吨机械纸浆典型地需要多达4000kWh的电。精加工过程中消耗的大部分能量是为了改进纸浆纤维,而只有小部分能量直接用于实际的纤维分离。

用精加工机预处理木质纤维素生物质已经成为几个新近研究的主题。Colin等在WO2008/131229A1中公开了一种用热化学机械预处理和机械精加工联合加工木质纤维素生物质的方法。精加工预处理在165℃和220℃之间的温度下以及100psig到700psig(7-48巴或700-4800kPa)的压力下持续5秒到15分钟来进行。Colin等的焦点在于在随后的纤维素水解中提高葡萄糖产率用于乙醇生产,以及少量关于半纤维素的利用和木质纤维素生物质中木质素含量的讨论。另外一个由Zhu等近期进行的研究(Bioresources Technology,100(2009),2411-2418)引入了在亚硫酸盐制浆(预处理)之后圆盘精加工(disk refining)作为后处理以降低底物的粒径并提高水解效率。大量包含8-10%亚硫酸氢盐和1.8-3.7%硫酸的化学品在亚硫酸盐预处理过程中被应用,其预期显著改变木质素的性质。Pschorn等在US 2008/0277082 A1中公开了一种高压压缩机,其由机械精加工机转变而成,并且能够用于通过蒸汽爆炸的方法处理生物质。

发明内容

本发明提供了一种新的生物质分级方法,用于从木质纤维素生物质制备增值的产品。

根据本发明,这里提供一种分级方法,用于从木质纤维素生物质制备增值的生物产品,包括:a)在温和的精加工条件下机械精加工木质纤维素生物质,以形成精加工的生物质浆,该生物质浆对于半纤维素、纤维素和木质素的分离具有提高的敏感性,以及在水解中提高的碳水化合物消化性;和b)将半纤维素和无硫高品质木质素从精加工生物质中的纤维素中分离。

优选该方法进一步包括c)进一步从提取物、半纤维素、纤维素和无硫高品质木质素中回收和制备各种增值的生物产品。

本发明特别有利的方面在于,提供了一种用于从木质纤维素生物质生产增值的生物产品的方法,包括:i)在温和的精加工条件下机械精加工木质纤维素生物质,以形成精加工生物质浆;ii)从精加工生物质浆中提取半纤维素级分,留下包含木质素的残余浆;iii)将残余浆中的碳水化合物水解为糖;iv)将高品质木质素级分与糖分离;iv)发酵所述糖以形成生物燃料,例如乙醇和丁醇;和v)回收半纤维素级分和糖醇作为增值的产品。

发酵中制备的木质素级分和糖酸也可以作为增值的产品回收。

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