[发明专利]生产预处理原料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产预处理原料的方法，更具体地说，涉及一种生产含纤维素的预处理原料的方法。 

背景技术

目前，燃料乙醇是由玉米淀粉、甘蔗和甜菜等原料制造。然而，因为适合生产这种农作物的耕地有限和人与动物食物链的竞争，来自这些资源的乙醇生产不可能再进一步扩展。使用矿物燃料会在转化过程中伴随释放二氧化碳和其他产物，因此使用这些原料产生负面的环境影响。 

从诸如农业废料、草地森林废料和糖类加工余料等含纤维素的原料中生产燃料乙醇已经受到了更多的关注，这是因为大量这些便宜原料可利用，以及与汽油相比乙醇作为燃料是清洁的。此外，纤维素转化过程的副产品(木质素)可以用作提高这种纤维素转化过程的燃料，从而避免了使用矿物燃料。研究表明，考虑整个循环过程，使用由纤维素制造的乙醇产生接近于零的温室效应气体。 

可以用于乙醇生产的纤维素原料包括诸如玉米秸、小麦秆、大麦秆、菜籽秆和大豆秸等农业废料。也可以使用诸如柳枝稷、芒草、大米草和草芦等草料。 

纤维素由非常不易破损的晶体结构组成，如半纤维素，它是这些原料中第二普遍的成分。纤维素纤维到乙醇的转化需要从木质素中释出纤维素和半纤维素，或者在纤维素原料中增加纤维素酶对纤维素和半纤维素的利用度，使半纤维素和纤维素的碳水化合物聚合 物解聚成游离糖，然后使混合的己醣和戊糖发酵成乙醇。 

将原料运送到设备中，并且通常按照随后的加工步骤将原料颗粒减小到适合处理的所需大小。 

一种用于将纤维素转化为糖的众所周知的方法涉及在一定温度下使用蒸汽和酸的酸解方法，所用酸浓度和时间长度足以将纤维素水解成葡萄糖(Grethlein，1978，J.Appl.Chem.Biotechnol.28：296-308)。 

纤维素水解的一种选择方法是酸性预水解(或者预处理)，随后酶水解。在这种顺序中，首先仅在适度的温度、酸浓度和处理时间下使用上述酸水解方法预处理纤维素材料。这种预处理方法被认为是增加了纤维素纤维中的纤维素的利用度以用于随后的酶转化步骤，而不造成其自身从纤维素转化为葡萄糖。在下一步中，将预处理后的原料调节到适当的温度和pH值，然后由纤维素酶进行酶转化。 

通过酸或纤维素酶进行纤维素水解，接着将糖发酵成乙醇，然后通过蒸馏法回收。 

纤维素从纤维素材料到糖的有效转化和随后从糖到乙醇的发酵面临着有关商业可行性的主要挑战。具体地说，原料颗粒常常因太大而不能有效处理或加工。一种需要较小颗粒的可预期类型的处理系统是用泵泵送。在干式方法中，为了减小颗粒尺寸而不向原料中添加水。包括研磨、碾磨或粉碎的干式方法需要大量能量，从而增加了整个过程的成本。此外，对于具有较高或可变含水量的原料，对于适合泵送的较小尺寸的颗粒，干式方法处理不可能成功。一些含有20％或更多水分的原料常常堵塞碾磨设备，这样不能提供可接受的或适当的尺寸的减小。可选择的方法是利用提纯器或浆料稀释器等器材的湿式研磨方法或设备；然而，湿式研磨也需要昂贵的设备和使用高功率。此外，湿式研磨生产的材料非常稀，并且处理加工昂贵。 

转化过程的第二个问题是在预处理过程中对酸要求非常高。比如麦秆和玉米秸等许多原料含有较强的天然碱性，这样就需要(向原料)添加0.5％～6％w/w的硫酸以达到半纤维素的有效水解和纤维素表面区域的暴露。相当量的这种酸用来中和原料中内在的碱性。这种强酸的使用不仅增加了过程的成本，还可能在预处理过程中引起木糖和其他产物的降解。 

WO 02/070753(Griffin等人)描述了一种沥滤方法，这种方法包括使原料浸在水中至少持续2分钟以沥滤盐、蛋白质和其他杂质，接着去除水分和可溶化合物。Griffin等人的方法从木质纤维素原料中去除碱性，从而降低了预处理的酸需求。Griffin要求减小颗粒大小，但是这种方法消耗较水平的功率并且与所需设备结合来实施这种沥滤方法，从而导致了增加整个过程的成本。 

利用压力机来使生物物质脱水在现有技术中是已知的。例如，US 4,436,028(Wilder)描述了使用锤磨机以大大减小颗粒的尺寸，接着双筒碾磨机施加强压力以减少废料的含水量。同样，US 4,525,172(Eriksson)教导了使用具有筛网圆筒的压力机使生物物质脱水。然而，这些方法不能在挤压或脱水过程中进行生物物质的研磨、剪切或颗粒尺寸的减小。这样导致较高的资金成本和操作成本却没有实现必须的颗粒尺寸减小。