[发明专利]由生物量生产高价值产品的方法

说明书

本申请是2010年8月13日提交的同名发明专利申请201080045574.0的分案申请。

本申请要求2009年8月13日提交的美国临时申请号US61/233,824的利益，将该文献引入本文参考。

领域

本专利文件涉及由生物量生产高价值产品的设备和方法。

背景

打纸浆是一项自十九世纪以来古老的技术。在十九世纪四十年代，在德国研发了由木材机械造纸的方法，且化学加工快速出现。1867年授权给Tilghman的美国专利US70,485是使用亚硫酸由植物物质造纸浆的方法。

CarlF.Dahl在1879研发的硫酸盐或Kraft法仍然是当今最普遍的打浆方法。除Kraft法外，当今存在大量其他的化学打浆方法，包括亚硫酸盐法。Kraft法是最普遍的，因为认为产生了比打浆法更强力的浆料。此外，Kraft法还处理宽泛的木材和非木材来源。

纸浆和最终的纸主要由木材和其他生物量中发现的纤维素制成。根据期望的纸的质量的不同，化学打浆法将木材和/或其他生物量的结构分解成包含基本上纯的纤维素纤维和不同浓度木质素的浆料。

木材如其他生物量主要由彼此结合为聚合物网状结构的纤维素、半纤维素和木质素构成。打浆法破坏了这些结合以使纤维素从木质素和半纤维素中分离出来，并且形成浆料。打浆法尝试以尽可能少的降解成纤维素纤维的方式从纤维素中分离半纤维素和木质素。

将木材或其他生物量化学加工成浆料从材料制备步骤开始。木材通过去树皮开始。典型地，芯材和边材仅用于制造浆料。树皮的结构使得其自身不用于打浆且由此被除去并且用作提供用于纸浆厂的蒸汽的燃料。在大部分打浆方法中，切碎木材并且筛选以提供均匀大小的木片。

使木片进入称作以分批或连续方式运转的消化器的容器。在Kraft法中，浆包括氢氧化钠和亚硫酸钠的混合物加入到木片中，消化器将该混合物和木材从130℃加热至180℃。在这一温度范围内，去木质化进行几小时。在这些条件下，木质素和一些半纤维素降解得到碎片，其可溶于强碱性液体。后处理液体混合物、称作黑色液体(因其颜色而称谓)包含木质素碎片、来自半纤维素分解的碳水化合物、碳酸钠、硫酸钠和其他无机盐。

截止到木材去树皮和除去木质素和半纤维素时，仅约30％的原料变成可用的纸浆。燃烧包含半纤维素和木质素的黑色液体，得到再循环试剂蒸汽(称作白色液体)和用于该方法的能量。半纤维素成分在Kraft打浆法中大量降解成少量有用的能量产品。因此，尽管黑色液体中包含半纤维素，但是大部分黑色液体的产热能量来源于木质素。黑色和其他树部分用作燃料或遗留在森林中。作为结果，纸打浆副产物中包含的能量并不典型有效地用于目前的纸打浆法中。

纸打浆并非唯一的目前遗留半纤维素作为副产物的商业化方法。例如，在由甘蔗生产糖的过程中，蔗渣是将甘蔗破碎以提取其汁液后遗留的纤维性残余物。蔗渣进一步用于大量不同的目的，包括燃烧作为糖研磨机的燃料、作为生产浆料和纸张产品中的可再生资源和作为建筑材料。与其他商业化方法如纸打浆中的副产物类似，甘蔗蔗渣中富含多糖类。

长期以来已知在生物量例如甘蔗蔗渣和木材中发现的糖类可以被转化成乙醇和其他燃料产品。此外，纸打浆法和生物量乙醇转化法以分解木质素、纤维素和半纤维素之间的键的相同基本步骤开始。然而，这些方法之间的显著差别在于易于转化成乙醇或其他燃料的木材或生物量的成分是纤维素，即用于在打浆法中制造纸张的产品。如上所述，纤维素构成纸张中提取和使用的木材或生物量的部分。因为纤维素是乙醇生产和纸打浆的主要成分，并且纤维素需要最严格的释放处理，所以两种方法互相排斥。

不同于是葡萄糖分子的均匀多糖的纤维素，半纤维素是包含己糖和戊糖混合物的不均匀聚合物。半纤维素一般包含己糖类即甘露糖、葡萄糖和半乳糖和戊糖类即木糖和阿拉伯糖。值得注意的是，甘露糖是来源于软木材的半纤维素聚合物中最丰富的分子；软木材中第二最丰富的糖分子是木糖。更一般而言，硬木材和草本作物和非木本的农业废物例如甘蔗蔗渣的半纤维素主要富含在戊糖的木糖和己糖的葡萄糖中，还有少量阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖。

戊糖类的木糖和阿拉伯糖在传统上比葡萄糖、甘露糖或半乳糖(6碳糖)更难以转化成燃料产品。长期以来，认为酵母菌株不能以厌氧方式将戊糖类发酵成醇。然而，Kurtzman等人的美国专利US4,359,534公开了嗜鞣管囊酵母在发酵戊糖中的应用。类似地，Levine的美国专利US7,344,876公开了能够在戊糖作为唯一碳源上增殖的马克思克鲁维酵母的纯培养物。