[发明专利]处理生物质以产生可用于生物燃料的材料

说明书

技术领域

本发明涉及用于处理生物质的方法，更具体地，本发明涉及预处理生物质以从含有多糖的材料产生糖，以用于生物燃料或其它高价值产品。

背景技术

木质纤维素生物质被认为是用于燃料和化学品的丰富的可再生资源，因为在植物的细胞壁中存在糖。地球表面上超过50%的有机碳包含于植物中。这种木质纤维素生物质由半纤维素、纤维素和少部分的木质素和蛋白质组成。纤维素是一种聚合物，主要由缩合聚合的葡萄糖组成，半纤维素是戊糖、主要是木糖的前体。这些糖能够容易地被转化为燃料和有价值的成分，条件是它们能够从包含它们的细胞壁和聚合物中被释放出来。然而，植物细胞壁已经进化得对于微生物、机械或化学分解以产生糖组分具有相当的抗性。已经进行了多种克服该障碍的方法，将这些聚合物分解为糖，即糖化，具有长的历史。在图1中图解表示了一般性的方法。

19世纪早期的最初方法包括使用浓矿物酸例如盐酸、硝酸或硫酸进行完全化学水解。对这些方法已经进行了多种改进，获得了从生物质原料的更高的糖产率。这些较高的酸浓度方法提供了糖的更高的产率，但是由于经济和环境的原因，酸必须被回收。实施这种形式的糖化的主要障碍是与酸的回收相关的挑战(M.Galbe and G.Zacchi,A review of the production of ethanol from softwood,Appl.Microbiol.Biotechnol.59(2002),pp.618-628)。在美国专利号5,820,687和WO2010026572中已经描述了关于使用离子树脂分离硫酸和糖，以及通过胺提取分离盐酸和糖并随后热再生酸的最近的努力。两种方法都是麻烦且昂贵的。

还已经尝试了稀酸方法以进行化学糖化，一个这样的例子是Scholler-Tornesch方法。然而，稀酸的使用需要较高的温度，这通常导致所需的糖的低产率，因为单糖的热降解。过去已经进行了这种类型的多种方法，全部以失败告终—未能克服经济上的障碍。见Lim Koon Ong,Conversion of lignocellulosic biomass to fuel ethanol-A brief review,The Planter,Vol.80,No.941,August2004and Cell Wall Saccharification,RalfOutputs from the EPOBIO project,2006;Published by CPL Press,Tall Gables,The Sydings,Speen,Newbury,Berks RG141RZ,UK。

酶促糖化纤维素具有在更温和的条件下提供糖的更高产率的前景，因此被很多人认为更有经济上的吸引力。粗生物质对于酶促水解的抵抗使得需要预处理以增强纤维素对于水解酶类的易感性。已经开发了多种预处理方法以改变生物质的结构和化学组成以改善酶促转化，例如描述于Nathan Mosier,Charles Wyman,Bruce Dale,Richard Elander,Y.Y.Lee,Mark Holtzapple,Michael Ladisch“Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass”Bioresource Technology96(2005)pp.673-686。此类方法包括使用稀酸蒸汽爆破处理，描述于美国专利号4,461,648；水热预处理而不加化学品，描述于WO2007/009463A2；描述于AFEX中的氨冷冻爆破，Holtzapple,M.T.,Jun,J.,Ashok,G.,Patibandla,S.L.,Dale,B.E.,1991,The ammonia freeze explosion(AFEX)process-a practical lignocellulose pretreatment,Applied Biochemistry and Biotechnology 28/29,pp.59-74;有机溶剂提取，描述于美国专利号4,409,032。虽然如此，在生物质向燃料转化中预处理被认为是最昂贵的过程(“Methods for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuel Production”Ind.Eng.Chem.Res.,2009,48(8),3713-3729.)