[发明专利]生物质预处理

说明书

本申请是发明名称为“生物质预处理”、申请号为“200880013151.3”、申请日为2008年3月13日的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及木质纤维生物质转化成糖。更具体地，首先用离子液体预处理木质纤维生物质。

发明背景

在木质纤维生物质中，晶体纤维素纤丝包埋在组织化不太充分的半纤维素基质中，其依次由外层木质素皮围绕。将天然产生的纤维素材料接触水解酶通常导致纤维素水解产量低于20％的理论预期结果。因此，总是在尝试酶水解生物质中的多糖(纤维素和半纤维素)之前进行生物质的一些“预处理”。预处理指的是将木质纤维生物质从其天然形式转化成纤维素水解有效形式的过程，其天然形式能抵抗纤维素酶体系。与未处理的生物质相比，有效预处理的木质纤维材料的特征在于增加的接触纤维素酶的表面积(孔隙度)，和木质素的溶解或再分配。增加的孔隙度主要由纤维素结晶性的破坏、半纤维素断裂/溶解和木质素再分布和/或溶解的组合而引起。在实现这些因素中的一些(或全部)中的相对有效性在现有的不同预处理方法中非常不同。这些包括稀酸，蒸汽爆发，热液作用，涉及水介质中有机溶剂的“有机溶胶”，氨纤维爆发(AFEX)，使用如氨、NaOH或石灰这些碱的强碱作用和高浓度磷酸处理。许多这些方法没有破坏纤维素结晶性，这是对实现快速纤维素消化性所不可缺少的一个特征。再者，这些方法中的一些不适用预处理中所用的化学物质的“易回收”。

在现有的预处理技术中，最近报道了一些主要技术的协同研发(C.E.Wyman等，Bioresource Technology，(2005)96，1959)。研究者协会(Biomass Refining Consortium for Applied Fundamental and Innovation(CAFI))已经研究了充分表征的一种原料(即玉米茎叶饲料)的预处理，通过几种那时很有前景的预处理技术，使用常规的分析方法，和数据解释的一贯方法(C.E.Wyman等，Bioresource Technology，(2005)96，2026)。特别地，研究了以下的：(1)稀酸水解(T.A.Lloyd和C.E.Wyman，Bioresource Technology，(2005)96，1967)，(2)氨纤维爆发(AFEX)技术(F.Teymouri等，Bioresource Technology，(2005)96，2014)，(3)pH受控液体热水处理(N.Mosier等，Bioresource Technology，(2005)96，1986)，(4)氨水循环方法(ARP)(T.H.Kim和Y.Y.Lee，Bioresource Technology，(2005)96，2007)和(5)石灰预处理(S.Kim和M.T.Holzapple，Bioresource Technology，96，(2005)1994)。所有上述方法有两个步骤：形成冲洗流的预处理步骤和产生水解产物流的预处理生物质的酶水解步骤(图2)。这两个流出流中的五和六碳糖及其寡聚物的合并总量用来估计这些方法各自的总糖产量。

在以上的方法中，进行预处理步骤的pH从稀酸水解至热水预处理至基于碱试剂的方法(AFEX、ARP和石灰预处理)逐渐升高。在预处理步骤的过程中，稀酸和热水处理方法主要溶解半纤维素，而使用碱试剂的方法除去大部分木质素。因此，来自之前方法中的预处理步骤的冲洗流主要含有半纤维素基的糖，而对于高pH的方法，该流主要含有木质素。在基于碱的预处理方法中，随后残余生物质的酶水解形成混合糖(C5和C6)，而来自低和中性pH方法的水解产物中，葡萄糖是主要的产物。由于木质素的除去可以影响纤维酶与纤维素的接近性，残余生物质的酶消化性对高pH方法更好些。所有这些方法在高于水正常沸点很多的温度下在水溶液中进行，以促进半纤维素和木质素的解聚/熔化中涉及的物理-化学现象，并需要高压环境(6至20大气压)。再者，这些方法中没有一种可以有效地破坏生物质中纤维素的结晶性。此外，这些方法中的一些释放大部分低聚木糖形式的木糖，许多微生物不容易发酵这种糖，并需要其他的步骤将它们破碎成单体物质。最后，这些主要预处理技术的比较经济分析(T.Eggeman和R.T.Elander，Bioresource Technology，(2005)96，2019)表明它们与玉米干碾相比全部是资本集约的，并且对于商业化需要重要的方法改进。