[发明专利]用于从木质纤维素性生物质生产乙醇的连续方法

说明书

发明领域

本发明总体上涉及从生物质来生产乙醇，且具体地涉及一种用于从来自木质纤维素性生物质的半纤维素和纤维素回收乙醇的连续方法。

发明背景

预计世界能量消耗在2001至2025年间将增加54%。针对可持续和碳中和能源的发展，正在进行相当大量的研究工作以满足未来的需要。

生物燃料是当前基于石油的燃料的一种有吸引力的替代品，因为它们可以在对当前技术改变甚微的情况下用于运输并且具有改善可持续性和减少温室气体排放的巨大潜力。

生物燃料包括燃料乙醇。燃料乙醇是由生物质通过将淀粉或其他碳水化合物转化成糖类、将这些糖类发酵成乙醇并且然后蒸馏及使乙醇脱水以生成一种高辛烷值燃料而产生的，这种高辛烷值燃料可以整体或部分地替代汽油。

在北美，用于生产燃料乙醇的原料主要是玉米，而在巴西则使用甘蔗。使用潜在的食物或饲料植物来生产燃料存在缺点。此外，此类原料的可供使用性受到合适的农业土地的总体可用面积的限制。因此，正在努力从非食物来源如纤维素以及从不要求主要农业土地的作物来产生乙醇。

一种此类非食物来源是木质纤维素性生物质。木质纤维素性生物质可以分为四种主要类别：(1)木材残余物（锯屑、树皮或其他），(2)市政纸张废弃物，(3)农业残余物（包括玉米秸秆、玉米穗轴和甘蔗渣），以及(4)专用能源作物（这些作物主要由快速长高的木质草如柳枝稷和芒草构成）。

木质纤维素性生物质包含构成植物细胞壁的三种主要聚合物：纤维素、半纤维素和木质素。纤维素纤维被锁入半纤维素和木质素的刚性结构中。木质素与半纤维素形成以化学方式连接的复合物，这些复合物将水溶性半纤维素结合成一个由木质素接合在一起的三维阵列。木质素覆盖纤维素微纤维并且保护它们免于酶促和化学降解。这些聚合物提供具有强度和抗降解性的植物细胞壁，这使得木质纤维素性生物质成为一种用作生物燃料的基材的挑战。

从生物质生产燃料乙醇存在两种主要手段：热化学和生物化学。热化学方法将生物质转化成反应性气体，称为合成气。合成气在高温和高压下通过一系列的催化过程被转化成乙醇。生物化学方法使用称为酶的生物催化剂，这些酶将纤维素和半纤维素成分转化成糖类，然后将这些糖类发酵成乙醇以及其他燃料如丁醇。

木质纤维素性生物质向乙醇的生物化学转化大体上涉及五个基本步骤：(1)进料制备-清洗目标生物质并且针对大小和水分含量进行调整；(2)预处理-使用或不使用催化添加剂，将该生物质原料暴露于高压和高温下一段特定的时间；(3)水解-使用特定的酶制剂将该经过预处理的生物质转化成单糖类，这些酶制剂将经过预处理的植物细胞壁多糖水解成单糖类的混合物；(4)发酵，由细菌或酵母介导的该发酵将这些糖类转化成燃料如乙醇；以及(5)乙醇/燃料的蒸馏和脱水。

在发酵葡萄糖（来源于纤维素）和木糖（来源于半纤维素）上的努力已经基本上同时失败。葡萄糖组分的发酵甚至能在预处理和水解之后的恶劣条件下轻易地进行，然而，木糖的发酵尚未在商业规模下被证明。存在将在纯糖流中发酵木糖的酵母，但是这些酵母在发酵由木质纤维素性生物质产生的水解产物中的木糖上是无效的，因为酵母对水解产物中的抑制性化合物很敏感。

在已知的预水解硫酸盐溶解纸浆生产工艺中，这些生物质木片在批量预水解中进行预处理以便于除去半纤维素。大量使用水和化学品的批量洗涤系统、可溶性半纤维素糖类的低回收产率以及主要处于低聚因而不能发酵的形式的半纤维素糖类的回收是这些工艺的主要缺陷。

因此，与现有领域的工艺相比，需要一种更经济并且更有效的方法，以用于应对在预处理过程中产生的木糖-低聚物和抑制性化合物的问题。

发明概述

本发明现在的一个目标在于提供一种使葡萄糖和木糖从原料中的提取率最大化的方法。

本发明的另一个目标在于提供一种木质纤维素性生物质的方法，其中对该生物质的葡萄糖和木糖两种组分进行发酵以产生乙醇。

本连续方法的诸位发明人已经意外地发现，以一种非常规方式组合若干不同连续的单元操作允许从木质纤维素性生物质中经济地生产乙醇。