[发明专利]用于木质纤维素生物质分化的改进的方法

说明书

本发明涉及用于实现木质纤维素生物质的分化（fractionation）的一种改进的方法，这些生物质尤其进一步用在合成化学品或制备生物基燃料或燃料添加剂中。

使用生物质（其碳含量为生物来源而非化石来源的物质）提供目前获取自化石来源物质如石油的化学品和燃料产品或提供此类化学品和燃料产品的可接受的生物基功能性替代物，已经在近年日益变成研究及开发投资和工作的焦点，因为化石源物质的供应已经受到威胁或其获得和使用已经更困难或更昂贵。

某些化学品和燃料产品替换物或替代品已经以巨大的商品化的规模从生物质进行产生。对于液体燃料产品领域，乙醇和生物柴油（脂肪酸烷基酯）迄今已经以商品化规模从玉米和甘蔗（对于乙醇）并且从多种植物油和脂肪中产生。然而，即便对于这些实例，仍存在改进生物质利用方式的余地。

长久以来就认识到，例如，优选的是能够从基本上不用作食品或可以在没有显著不利影响土地使用方式和行为（例如，毁林以生产额外的大豆、玉米等作物）情况下收获或寻求和使用的木质纤维素生物质来制造合适的液体燃料和燃料添加剂（或同等地是生物衍生的、有意义的非燃料化学品）。可以考虑具有这种特征的众多的非食物木质纤维素生物质，包括例如，有目的培育的非食物生物质作物（如牧草、甜高粱、速生树）或更具体地，木材废弃物（如修剪物、木屑、锯末）和绿色废弃物（例如，叶、碎草、蔬菜和果实废弃物）。另外，已经做出估计，就已经耕作的土地而言，约四分之三所产生的生物质被废弃，从而无论所讨论生物质是否为废弃物，可以始于木质纤维素生物质而制得的多种有意义的化学品和燃料产品实际上应当能够经济地产生。

不幸地，事实的真相在于，存在众多实际的、现实的难题，必须克服这些难题才能使这种主张变成现实。首个难题源自包含木质纤维素生物质的多种组分的十分不同的特征。

在这个方面，如同基于化石的物质如石油那样，按所需规模并以所需品质、经济和效率产生需要或将需要的完整范围的商业化学品和燃料产品替换物或替代物的实际能力，对于木质纤维素生物质而言取决于这些生物质是否可以彻底和高效地分化成它们的多种组分部分，从而这些部分可以直接使用或转变成其他的有用形式。当然，对于石油，这种分化在提炼厂中经过多种过程进行，但是迄今仍未开发出用于木质纤维素生物质的相似过程。

就本发明而言，木质纤维素生物质主要由纤维素部分、半纤维素部分和木质素部分组成，而纤维素是这三种组分中最多的。纤维素源自植物的结构性组织，并且由经1,4位置连接的β-糖苷残基的长链组成。这些键造成纤维素具有高的结晶度。相反，半纤维素是一种非晶态杂聚物，而木质素是植物纤维细胞内部间插于纤维素和半纤维素当中的一种芳族立体聚合物。

附带地就木质素部分而言，这些物质应理解为包含于术语“木质素”内部，并且借以相应地定量测定生物质中木质素含量的方法在历史上取决于考虑木质素含量的情境，“木质素”缺少确定的分子结构并且因而依不同生物质经验地确定。在动物科学和农学中，例如在考虑木质纤维素生物质的消化能含量时，木质素在给定生物质中的量更常见地使用酸性洗涤木质素方法测定（Goering和Van Soest,Forage Fiber Analyses(Apparaus,Reagents,Procedures,and Some Applications)（饲料纤维分析（装置、试剂、方法和一些应用）,Agriculture Handbook No.379,Agricultural Research Service（农业研究局）,United States Dept of Agriculture（美国农业部）(1970)；Van Soest等人，“Methods for Dietary Fiber,Neutral Detergent Fiber,and Nonstarch Polysaccharides in Relation to Animal Nutrition（用于与动物营养相关的膳食纤维、中性洗涤剂纤维和非淀粉多糖的方法）”,J.Dairy Sci.,vol.74,第3583-3597页(1991))。相反，在造纸和纸浆工业中，木质素在给定生物质中的量已经常规地由Klason木质素方法测定（Kirk和Obst,″Lignin Determination（木质素测定）″,Methods in Enzymology（酶学方法）,vol 16,第89-101页(1988))。