[发明专利]酸催化剂最小用量的木质纤维素生物质酸水解

说明书

技术背景

生物质和纤维素的酸水解在本领域内是已知的。其以均质或非均质的方式实施。

通常从来自预处理的木质纤维素材料(例如自动水解、热水洗或蒸汽爆炸)的低聚糖流中获得单体糖流的工艺寻求在该低聚糖成为单体的后水解期间限制该单糖转变成降解产物。(Duart等人，2004；Girio等人，2010)。

用于低聚木糖(XOs)水解的后水解，也称为水解，的选项为酸催化的(Boussaid等人，2011；)，或酶促催化的工艺(Duarte等人，2004)(Carvalheiro等人，2008)。

在稀酸化学后水解中影响单糖回收的主要因素为催化剂浓度、反应时间和温度。该酸工艺应用于从软木材(Shevchenko等人，2000)、硬木材(Garrote等人，2001a)和草本材料(Garrote等人，2001b)获得的水解液。尽管可以使用其他催化剂(例如磷酸、盐酸、甲酸)，但主要被报道的催化剂为硫酸(Duarte等人，2009；Shevchenko等人，2000)。相比通常用于低聚糖的定量酸水解的标准稀酸水解(121℃,4％H2S04和60min)，在充分优化的后水解条件下，糖回收可接近100％(Duarte等人，2004,2009；Garrote等人，2001a,b；Shevchenko等人呢，2000)。在该低聚糖的酸水解期间，降解反应导致许多化合物的形成，特别是5-羟基-甲基糠醛(HMF)、糠醛、甲酸和乙酰丙酸，其可抑制进一步的生物转换步骤，减小所述工艺的糖收率(Duarte等人，2009)。

另外，酸催化剂通常涉及增加非糖化合物的浓度高至与经济和环境和持续性不相容的值。

Kim等人(Youngmi Kim、Rick Hendrickson、Nathan Mosier和Michael R.Ladisch,Plug-Flow Reactor for Continuous Hydrolysis of Glucans and Xylans from Pretreated Corn Fiber,Energy&Fuels2005，19，2189-2200)，描述了一种非均质系统，当含水流首先与阳离子交换器在室温下接触时，蛋白质、酚类、矿物质和其他的催化剂污染成分被移除。所述矿物质随后在130℃通过同样催化剂的填充床，在105min的时间内发生88％的水解。

Kim等人的工艺是温度限制的，因为该催化剂在高于130℃的温度下降解且催化剂污染还随着温度增长高于130℃而增加。

或者，所述低聚糖的后水解可被酶催化。由于复杂的半纤维素结构依旧可以存在于从预处理获得的低聚糖中，所以一些酶活性的作用通常为完整水解所需(例如，内切木聚糖酶、外切木聚糖酶、β-木糖苷酶和辅助活性如乙酰木聚糖酯酶、α-葡萄糖醛酸酶、α-阿拉伯呋喃糖酶和阿魏酸酯酶)；因此可能将该工艺变得不经济(Vazquez等人，2002；Duarte等人，2009)。另外，可能存在于该水解液中的毒性/抑制剂化合物可显著降低酶活性(Carvalheiro等人，2008)。不考虑所有这些方面，所述酶促后水解存在最小化单糖降解反应的优点。

因此存在对产生极少降解产物的均质酸催化水解的需要。

发明内容

本说明书公开了一种用于水解存在于来自预处理的木质纤维素生物质的液体木质纤维素生物质原料流中的低聚糖的工艺，其中所述工艺包含以下步骤：

A.通过以下产生来自所述液体生物质原料流的酸性流：向所述液体生物质原料流中以足够的数量增加H⁺离子数目，使得所述酸性流的pH较添加所述H⁺离子之前的所述液体生物质原料流的pH低至少0.5pH单位，其中添加至所述原料流的H⁺总量的小于80％来自酸或酸类，且

B.通过增加所述酸性流的温度至高于80℃的水解温度，将所述酸性流水解。

还公开了至少部分所述H⁺离子来自使用离子交换剂的去阳离子化，且至少部分所述酸性流与所述离子交换剂分离，然后水解所述酸性流的分离部分。还进一步公开了添加至所述原料流的H⁺离子总量的小于90％来自酸或酸类。

还公开了所述酸性流的pH低于至少2.5。还进一步公开了至少部分所述H⁺离子来自在水解之前和/或在水解步骤期间添加至所述原料流或所述酸性流或两者的酸或酸类。