專利名稱：處理生物質(zhì)以產(chǎn)生可用于生物燃料的材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于處理生物質(zhì)的方法，更具體地，本發(fā)明涉及預(yù)處理生物質(zhì)以從含有多糖的材料產(chǎn)生糖，以用于生物燃料或其它高價值產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
木質(zhì)纖維素生物質(zhì)被認為是用于燃料和化學(xué)品的豐富的可再生資源，因為在植物的細胞壁中存在糖。地球表面上超過50%的有機碳包含于植物中。這種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)由半纖維素、纖維素和少部分的木質(zhì)素和蛋白質(zhì)組成。纖維素是一種聚合物，主要由縮合聚合的葡萄糖組成，半纖維素是戊糖、主要是木糖的前體。這些糖能夠容易地被轉(zhuǎn)化為燃料和有價值的成分，條件是它們能夠從包含它們的細胞壁和聚合物中被釋放出來。然而，植物細胞壁已經(jīng)進化得對于微生物、機械或化學(xué)分解以產(chǎn)生糖組分具有相當?shù)目剐?。已?jīng)進行了多種克服該障礙的方法，將這些聚合物分解為糖，即糖化，具有長的歷史。在圖1中圖解表示了一般性的方法。19世紀早期的最初方法包括使用濃礦物酸例如鹽酸、硝酸或硫酸進行完全化學(xué)水解。對這些方法已經(jīng)進行了多種改進，獲得了從生物質(zhì)原料的更高的糖產(chǎn)率。這些較高的酸濃度方法提供了糖的更高的產(chǎn)率，但是由于經(jīng)濟和環(huán)境的原因，酸必須被回收。實施這種形式的糖化的主要障礙是與酸的回收相關(guān)的挑戰(zhàn)(M.Galbe andG.Zacchi, A review of the production of ethanol from softwood, Appl.Microbiol.Biotechnol.59 (2002)，pp.618-628)。在美國專利號 5，820，687 和 W02010026572 中已經(jīng)描述了關(guān)于使用離子樹脂分離硫酸和糖，以及通過胺提取分離鹽酸和糖并隨后熱再生酸的最近的努力。兩種方法都是麻煩且昂貴的。還已經(jīng)嘗試了稀酸方法以進行化學(xué)糖化,一個這樣的例子是Scholler-Tornesch方法。然而，稀酸的使用需要較高的溫度，這通常導(dǎo)致所需的糖的低產(chǎn)率，因為單糖的熱降解。過去已經(jīng)進行了這種類型的多種方法，全部以失敗告終一未能克服經(jīng)濟上的障礙。 見 Lim Koon Ong, Conversion of lignocellulosic biomass to fuelethanol-A brief review,The Planter,Vol.80, N0.941, August2004and Cell WallSaccharification, Ralf MoIIer, Outputs from the EP0B10 project, 2006;Publishedby CPL Press, Tall Gables, The Sydingsj Speenj Newbury, Berks RG141RZ，UK。酶促糖化纖維素具有在更溫和的條件下提供糖的更高產(chǎn)率的前景，因此被很多人認為更有經(jīng)濟上的吸引力。粗生物質(zhì)對于酶促水解的抵抗使得需要預(yù)處理以增強纖維素對于水解酶類的易感性。已經(jīng)開發(fā)了多種預(yù)處理方法以改變生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成以改善酶促轉(zhuǎn)化，例如描述于 Nathan Mosierj Charles Wyman, Bruce Dale, Richard Elanderj Y.Y.Lee,Mark Holtzapplej Michael Ladisch “Features of promising technologiesfor pretreatment of lignocellulosic biomass，，Bioresource Technology96(2005)pp.673-686。此類方法包括使用稀酸蒸汽爆破 處理，描述于美國專利號4，461，648 ；水熱預(yù)處理而不加化學(xué)品，描述于W02007/009463A2 ;描述于AFEX中的氨冷凍爆破，Holtzapplej Μ.Τ.，Junj J.，Ashokj G.，Patibandlaj S.L.，Dale, B.Ε.，1991，The ammoniafreeze explosion (AFEX)process-a practical lignocellulose pretreatment, AppliedBiochemistry and Biotechnology 28/29，pp.59-74;有機溶劑提取，描述于美國專利號4，409，032。雖然如此，在生物質(zhì)向燃料轉(zhuǎn)化中預(yù)處理被認為是最昂貴的過程(“Methodsfor Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis andBiofuel Production” Ind.Eng.Chem.Res.，2009，48 (8)，3713-3729.)已經(jīng)深入開發(fā)的一種預(yù)處理是高溫、稀硫酸(H2SO4)方法，其有效地將生物質(zhì)的半纖維素部分水解為可溶性糖并暴露纖維素，從而酶促糖化是成功的?？捎糜诳刂祁A(yù)處理的條件的參數(shù)有時間、溫度和酸載量。這些參數(shù)通常組合于被稱作組合強度因子的數(shù)學(xué)公式中。一般地，使用的酸載量越高，可應(yīng)用的溫度越低；這會以酸及其回收為代價。相反，溫度越低，預(yù)處理時間越長；這會以容量生產(chǎn)力為代價。理想的是降低溫度，因為戊糖易于分解以形成糠醛和其它物質(zhì)，這代表了產(chǎn)率損失，并且這些化合物對于下游發(fā)酵是有毒的。然而，使預(yù)處理溫度降低至低于容易形成糠醛的溫度所需使用的較高的酸濃度(B.P., Lavarack, G.J.Gr iffin, D.Rodman iiThe acid hydrolysis of sugarcane bagassehemicelluloses to product xylose, arabinose, glucose and other products.’^Biomassand Bioenergy23(2002)pp.367-380)再次使得需要回收強酸。如果使用稀酸流和較高的溫度，則預(yù)處理反應(yīng)產(chǎn)生數(shù)量增多的糠醛，并且酸通過的下游必須被中和，這產(chǎn)生無機鹽，其使得下游加工復(fù)雜化并且需要更昂貴的廢水處理系統(tǒng)。發(fā)明概述鑒于以上信息，理想的是利用易于轉(zhuǎn)化為可回收的和/或可循環(huán)利用的、優(yōu)選中性成分的強酸。這樣的系統(tǒng)對于濃酸水解方法和稀酸生物質(zhì)預(yù)處理都是有益的。本發(fā)明的一個實施方式包括一種方法，其包括:(a)提供包含多糖的生物質(zhì)；和
(b)將所述生物質(zhì)與包含至少一種α -羥基磺酸的溶液接觸，從而水解所述生物質(zhì)以產(chǎn)生包含至少一種可發(fā)酵糖的產(chǎn)物；和((3)任選地，通過加熱和/或減壓從所述產(chǎn)物中以組分形式除去α-羥基磺酸，以產(chǎn)生除去了酸的、包含至少一種可發(fā)酵糖的、基本上不含α-羥基磺酸的產(chǎn)物。在另一個實施方式中，方法包括以組分或以其重組形式回收以組分被除去的^!-羥基磺酸至步驟⑶)。在另一個實施方式中，方法還包括水解所述除去了酸的產(chǎn)物。在另一個實施方式中，方法包括發(fā)酵包含通過上述方法產(chǎn)生的含有糖的流。在另一個實施方式中，組合物包含(a)含有多糖的生物質(zhì)，(b)至少一種α-羥基磺酸，和(C)水。在另一個實施方式中，組合物包含(a)含有多糖的生物質(zhì)，(b)至少一種α-羥基磺酸，(C)水，和(d)至少一種可發(fā)酵糖。本發(fā)明的特征和優(yōu)點將對于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯。雖然本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對其進行多種改變，但是這些改變在本發(fā)明的精神中。


附圖詮釋了本發(fā)明的一些實施方式的某些方面，不應(yīng)用于限制或定義本發(fā)明。
圖1圖示了木質(zhì)纖維素處理的框圖。圖2圖示了本發(fā)明的生物質(zhì)處理方法的一個實施方式的框圖。圖3圖示了本發(fā)明的生物質(zhì)處理方法的另一個實施方式的框圖。圖4顯示了與僅有生物質(zhì)、水和SO2的相當?shù)睦酉啾容^，在存在IOwt.%α -羥基乙磺酸和10.7%生物素的情況下隨時間回收的木糖。圖5顯示了在存在α -羥基磺酸和IOwt.%甘蔗渣的情況下隨時間產(chǎn)生的糠醛克數(shù)/克木糖。圖6顯示了三維IR圖，將來自處理甘蔗渣(于100°C使用20wt.%α -羥基乙磺酸處理，然后轉(zhuǎn)化酸)的單個IR譜相對于時間作圖。具體描述本發(fā)明 提供了在用于產(chǎn)生糖和生物燃料的方法中用于酸處理生物質(zhì)的改進的方法。α -羥基磺酸對于在較低溫度處理生物質(zhì)、使生物質(zhì)水解為可發(fā)酵糖例如戊糖例如木糖是有效的，例如，對于α -羥基甲磺酸或α -羥基乙磺酸為100°C，在該過程中產(chǎn)生極少的或不產(chǎn)生糠醛。還已經(jīng)表明一部分纖維素在這些相對溫和的條件下水解。發(fā)現(xiàn)其它多糖例如淀粉也被α-羥基磺酸容易地水解為糖組分。此外，α-羥基磺酸可逆轉(zhuǎn)化為容易除去的和可循環(huán)利用的材料，不像礦物酸例如硫酸、磷酸或鹽酸那樣。生物質(zhì)處理中使用的較低溫度和壓力使得設(shè)備成本較低。已經(jīng)表明通過該方式預(yù)處理的生物質(zhì)對于另外的糖化、特別是酶介導(dǎo)的糖化是高度易感的。本發(fā)明的處理中可以使用下列通式的α-羥基磺酸
權(quán)利要求
1.一種方法，其包括: (a)提供包含多糖的生物質(zhì)； (b)將所述生物質(zhì)與包含至少一種α-羥基磺酸的溶液接觸，從而水解所述生物質(zhì)以產(chǎn)生包含至少一種可發(fā)酵糖的產(chǎn)物；和 (c)任選地，通過加熱和/或減壓從所述產(chǎn)物中以組分形式除去α-羥基磺酸，以產(chǎn)生除去了酸的、包含至 少一種可發(fā)酵糖的、基本上不含α -羥基磺酸的產(chǎn)物。
2.權(quán)利要求1的方法,其中α-羥基磺酸基于溶液以大約l%wt.至大約55%wt.的量存在。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其中從(a)羰基化合物或羰基化合物的前體與(b)二氧化硫或二氧化硫的前體和(C)水產(chǎn)生α-羥基磺酸。
4.權(quán)利要求1-3任一項的方法，其中α-羥基磺酸是原位產(chǎn)生的。
5.權(quán)利要求1-4任一項的方法，其中在大約50°C至大約150°C的溫度范圍和Ibarg至大約IObarg的壓力范圍進行步驟(b)。
6.權(quán)利要求1-5任一項的方法，其中所述至少一種可發(fā)酵糖包含至少一種戊糖和/或至少一種己糖。
7.權(quán)利要求1-5任一項的方法，其中在步驟(b)中產(chǎn)生至少一種戊糖和至少一種己糖。
8.權(quán)利要求1-5任一項的方法，還包括(d):從除去了酸的產(chǎn)物分離含有所述可發(fā)酵糖的液體流和含有其余生物質(zhì)的濕固體流。
9.權(quán)利要求8的方法，還包括(e):水解所述濕固體流，從而產(chǎn)生糖流。
10.權(quán)利要求9的方法，還包括(f):發(fā)酵所述糖流，從而產(chǎn)生發(fā)酵的產(chǎn)物。
11.權(quán)利要求1-5任一項的方法，還包括水解和發(fā)酵包含可發(fā)酵糖的流，從而產(chǎn)生發(fā)酵的產(chǎn)物。
12.權(quán)利要求1-11任一項的方法，其中以組分被除去的α-羥基磺酸以組分或以其重組形式被回收至步驟(b)。
13.權(quán)利要求1-12任一項的方法，其中生物質(zhì)在120°C或低于120°C的溫度與α-羥基磺酸接觸。
14.一種方法，包括: (a)提供包含多糖的生物質(zhì)； (b)將所述生物質(zhì)與包含至少一種α-羥基磺酸的溶液接觸，從而水解所述生物質(zhì)以產(chǎn)生包含至少一種可發(fā)酵糖的產(chǎn)物； (C)加熱所述含有至少一種可發(fā)酵糖的產(chǎn)物至至少110°C的溫度，從而產(chǎn)生含有糠醛的流；和 (d)通過加熱和/或減壓從所述含有糠醛的流中以組分形式除去α-羥基磺酸，以產(chǎn)生除去了酸的、含有糠醛的、基本上不含α-羥基磺酸的產(chǎn)物；和 Ce)任選地，以組分或以其重組形式回收被除去的α -羥基磺酸至步驟(b)。
15.包含下列的組合物:(a)包含多糖的生物質(zhì)，(b)至少一種α-羥基磺酸；和(c)水。
16.權(quán)利要求15的組合物，還包含(d):至少一種可發(fā)酵糖。
全文摘要
可以通過將生物質(zhì)與含有至少一種α-羥基磺酸的溶液接觸而從生物質(zhì)產(chǎn)生用于產(chǎn)生生物燃料的可發(fā)酵糖。α-羥基磺酸可以從產(chǎn)物中容易地被除去和回收。
文檔編號C13K1/04GK103189526SQ201180053011
公開日2013年7月3日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月5日
發(fā)明者R·L·布萊克博恩, P·R·韋德 申請人:國際殼牌研究有限公司