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
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2011年11月3日、發(fā)明名稱為"處理生物質(zhì)以產(chǎn)生可用于生物 燃料的材料"的中國發(fā)明專利申請No. 201180053011. 0的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 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)】
[0003] 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。
[0004] 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 and G.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TO2010026572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。
[0005] 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 上的障石尋°見Lim Koon Ong, Conversion of lignocellulosic biomass to fuel ethanol-A brief review, The Planter, Vol. 80, No. 941, August 2004and Cell Wall Saccharification, RalfMdller,Outputs from the EPOBIO project, 2006 published by CPL Press, Tall Gables, The Sydings, Speen, Newbury, Berks RG141RZ，UK〇
[0006] 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 Mosier，Charles Wyman，Bruce Dale，Richard Elander，Y. Y.Lee,Mark Holtzapple, Michael Ladisch "Features of promising technologies forpretreatmentoflignocellulosicbiomass"BioresourceTechnology96(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WO2007/009463A2 ;描述于AFEX中的氨冷凍爆破， Holtzapple,M.T. ,Jun,J. ,Ashok,G. ,Patibandla,S.L. ,Dale,B.E. , 1991,Theammonia freezeexplosion(AFEX)process-apracticallignocellulosepretreatment,Applied BiochemistryandBiotechnology28/29,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（"Methods forPretreatmentofLignocellulosicBiomassforEfficientHydrolysisand BiofuelProduction"Ind.Eng.Chem.Res.，2009, 48 (8)，3713-3729.)
[0007] 已經(jīng)深入開發(fā)的一種預(yù)處理是高溫、稀硫酸（H2S04)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。可用于控制預(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.Griffin,D.RodmanaTheacidhydrolysisofsugarcanebagasse hemicellulosestoproductxylose,arabinose,glucoseandotherproducts,biomass andBioenergy23(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)。
[0008] 發(fā)明概述
[0009] 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。
[0010] 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a-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a-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a-羥基 磺酸的產(chǎn)物。
[0011] 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 a-羥基磺酸至步驟（b)。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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a-羥基 磺酸，和（c)水。
[0015] 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a-羥基 磺酸，（c)水，和（d)至少一種可發(fā)酵糖。
[0016] 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。
【附圖說明】
[0017] 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。
[0018] 圖1圖示了木質(zhì)纖維素處理的框圖。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 圖4顯示了與僅有生物質(zhì)、水和S02的相當?shù)睦酉啾容^，在存在10wt. %a-羥 基乙磺酸和10. 7%生物素的情況下隨時間回收的木糖。
[0022] 圖5顯示了在存在a-羥基磺酸和l〇wt. %甘蔗渣的情況下隨時間產(chǎn)生的糠醛克 數(shù)/克木糖。
[0023] 圖6顯示了三維IR圖，將來自處理甘蔗渣（于100°C使用20wt.%a-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。
[0024] 具體描述
[0025] 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。a-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a-羥基甲磺酸或a-羥基乙磺酸為KKTC，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a-羥基磺酸容易地水解為糖組分。此外，a-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。
【主權(quán)項】
1. 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。
2. 權(quán)利要求1的組合物，還包含（d):至少一種可發(fā)酵糖。
【專利摘要】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。
【IPC分類】C13K1-02, C13K1-04
【公開號】CN104651539
【申請?zhí)枴緾N201410829305
【發(fā)明人】R·L·布萊克博恩, P·R·韋德
【申請人】國際殼牌研究有限公司
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2011年11月3日
【公告號】CA2815904A1, CA2815904C, CN103189526A, CN103189526B, EP2635712A1, EP2635712B1, US20120122152, US20130196400, WO2012061596A1