[发明专利]加工和转化生物质

说明书

相关申请的交叉引用

本申请以引用的方式并入以下共同未决的临时申请的全部公开内容：2013年3月8日提交的共同未决的临时申请：USSN61/774,684；USSN61/774,773；USSN61/774,731；USSN61/774,735；USSN61/774,740；USSN61/774,744；USSN61/774,746；USSN61/774,750；USSN61/774,752；USSN61/774,754；USSN61/774,775；USSN61/774,780；USSN61/774,761；USSN61/774,723；以及2013年3月15日提交的USSN61/793,336。

发明背景

随着对石油的需求增加，对用于制造生物燃料和生物化学物质的可再生原料的兴趣也在增加。自20世纪70年代以来已对木质纤维素生物质作为用于所述制造方法的原料的用途进行了研究。木质纤维素生物质因其丰富、可再生、在国内生产，并且不与食品工业用途竞争而具有吸引力。

现今可利用许多潜在的木质纤维素原料，包括例如农业残渣、木质生物质、城市废物、油籽/油饼以及海草。目前这些材料用作动物饲料、生物堆肥材料、在热电联产设施中燃烧抑或被填埋。

木质纤维素生物质包括嵌入半纤维素基质中由木质素围绕着的结晶纤维素原纤维。这样产生了密实基质，所述密实基质难以由酶以及其它化学、生物化学和/或生物方法接近。纤维素生物质材料(即，已除去木质素的生物质材料)更易于由酶和其它转化方法接近，但是即便如此，天然产生的纤维素材料当与水解酶接触时通常具有低产率(相对于理论产率)。木质纤维素生物质甚至更难以受酶攻击。此外，每种类型的木质纤维素生物质具有其自身特定的纤维素、半纤维素和木质素组成。

概述

总体上，本发明涉及用于将生物质原料(例如，纤维素、淀粉质或木质纤维素材料)转化成有用的初级产物(例如，醇、酸、酯和糖)的系统、方法和过程。本发明还涉及用于将这些初级产物转化成有用的副产物的设备、方法和系统，例如，通过氢解将酯转化成醇(例如，正丁醇、仲丁醇、异丁醇、叔丁醇、乙醇以及任何这些的混合物)。

一方面，本发明涉及制备产物的方法。所述方法包括从生物质(例如，糖化生物质)、糖(例如，糖化生物质中的糖)、糖化生物质的糖级分产生一种或多种酸(例如，乙酸、正丁酸、异丁酸)，并且将所述一种或多种酸转化成一种或多种酯。所述方法还包括利用催化剂和氢来使所述一种或多种酯氢化以产生一种或多种产物，如醇。任选地，所述一种或多种酸是通过糖化生物质糖的发酵来产生。任选地，糖化生物质糖是通过用一种或多种酶和/或一种或多种酸，如通过首先使用酸并且然后使用所述一种或多种酶来糖化纤维素或木质纤维素生物质材料而产生。所述方法还可进一步包括例如，通过电子束照射，例如将10与200Mrad之间的辐射剂量传送至纤维素或木质纤维素材料来使所述材料的不顺应性降低。任选地，催化剂可包括金属如Pt、Pd、Re、Os、Ru、Rb、Ni、Co、Mo、W、Zn、Cr、Cu、这些的氧化物以及这些的组合。在氢化期间，氢气压力是约5与120个大气压之间，同时利用催化剂以产生一种或多种醇。任选地，所述方法包括在将所述一种或多种酸转化成一种或多种酯(例如，丁酸乙酯)之前分离至少一种羧酸(例如，丁酸)。任选地，所述方法可用于产生酯，包括丁酸乙酯、丁酸丁酯、丁酸己酯以及丁酸辛酯。所述酯的醇部分可衍生自生物质加工或通过石油化学加工。可通过已知化学方法使羧酸和醇反应以获得酯。

本发明的另一方面的特征是一种用于制备产物的方法，所述方法包括将糖化处理的木质纤维素材料的发酵产物转化成酯，并且通过使所述酯通过第一催化剂，例如在氢存在下的催化剂来产生醇。所述方法还可包括使所述酯通过第二催化剂，例如催化剂。第一催化剂和第二催化剂可以是不同种类的催化剂，例如它们可具有不同组成(例如，包括支持体如二氧化硅和Al₂O₃)。或者，第一和第二催化剂可以是相同种类的催化剂。