[发明专利]生物质的催化转化

说明书

技术领域

本发明涉及纳米催化剂、制备纳米催化剂的方法，和使用过渡金属基催化反应转化生物质的催化生物精炼（biorefining）方法。

背景技术

生物精炼能将生物质或生物材料转化为燃料、能源、化工和/或生物制品（King,20120）。许多生物精炼技术已存在或正在开发中。目前最普遍的是用于生产燃料的生物精炼，如从植物油精炼生物柴油和从谷物,甘蔗或者木质纤维素源精炼醇。通过生物精炼生成的化学品可以提供用于化学工业的建筑模块，被称为绿色平台化学品（green platform chemical），其替代化石燃料产生的平台化学品（Cherubini and 2011）。无论是生物精炼生成所希望的绿色平台化学品或作为副产物流的绿色平台化学品，它们均可以是有价值的产品。

天然生物聚合物和燃料与化学品的再生能源在环境和经济上越来越重要（King,2010）。再生资源是减少我们对化学品和用作燃料的传统化石燃料的依赖的手段。再生资源可以提供许多行业所需的基本化学组分，如用于塑料的单体。生物质可以提供燃料和化学品以及许多无法以任何其他方式得到的专门的产品，如用于食品和纸张的纤维素。

生物质通常是指活的或死的生物来源的任何材料，包括，但不限于，植物部分、水果、蔬菜、工厂加工废料、谷壳、粮食、粕（meals）、稻草、麻、草、燕麦壳、稻壳、玉米、玉米壳、轧棉废料、杂草、水生植物、干草、林业产品、木屑、废木材、木浆、制浆的副产品、纸、纸制品、纸张废料或泥炭。烃如煤、褐煤、油、重油或焦油在某些情况下也可以被认为是生物质材料。

木质纤维素生物质的主要成分是木质素、半纤维素和纤维素。其中木质素含量约6％至40％（重量）。木质素成比例地携带有生物质中的大部分可回收能量。然而，木质素的顽拗性(recalcitrance)严重阻碍了对木质纤维素生物质的生物精炼。木质素是异构的（heterogeneous），缺乏主要的限定结构，包括芳香成分和含氧成分的链，该链形成更大的分子，其用当前大多数可用方法均难以进行处理。

根据来源，木质纤维素生物质通常包含约38％到70％（重量）的纤维素，其中硬木和大麻杆含有更高水平的纤维素。生物质中的半纤维素含量可从约10%至30％变化，在农业来源的生物质（例如麦秸和燕麦壳）中含量更大。

通过公知的方法（例如Kraft（牛皮纸）制浆和漂白工艺，例如无氯元素（ECF）漂白和全无氯（total chlorine free，TCF）漂白）来处理生物质（例如木材和其他木质纤维素材料）来得到纤维素是本领域公知的（Sixta,2006）。将木屑在牛皮纸消化池（digester）中进行消化，得到具有约25的卡伯值（K）的棕色浆，所述卡伯值用来指示残余木质素含量或浆的漂白度。所述棕色浆进行筛选，然后进行氧脱木素过程（oxygen delignification process），然后在碱性PH下进行几个过氧化氢漂白的步骤，然后过滤并干燥，以将K减少至小于约5，生成牛皮纸漂白浆。

本领域公知（Sixta等人，2006），避免在过氧化氢漂白过程中存在过渡金属是非常重要的。通过芬顿（Fenton）反应生成的活性氧，尤其是羟基自由基，会导致纤维素的氧化破坏，影响浆的质量。出于这个原因，制浆工业在漂白过程中通常使用螯合剂，以捕获过渡金属并防止或减少与过氧化氢的芬顿反应。

微晶纤维素（MCC）是在食品和医药领域和工业应用中使用的有价值的生物聚合物，所述工业应用如石油、天然气和采矿。已建立了很好的用于产生MCC的主要工业过程（美国专利号2,078,446；2,978,446和3,146,168）。该过程将高纯度纤维素，如溶解级α纤维素或牛皮纸浆，暴露于强无机酸消化剂，随后将物理尺寸减小。用盐酸或硫酸消化除去纤维素原纤维内的无定形域，使纤维素原纤维的片段具有高晶度。然而，工业生产的产率较低（低达30％）。MCC的尺寸范围是可变的，可以从30至约100微米或更高。然后对MCC进行加工和分类，以根据所需应用实现特定范围的尺寸和形式。MC可进一步加工，例如通过与耐磨助剂（attriting aid）混合（美国专利6,037,380）、研磨、均质化、微流化（microfluidization）或用超声波处理来实现更小的尺寸（包括小于约1微米），以生成具有胶体性质的溶液。使用酸解的MCC主要生产工艺由于高的投资和运行成本而代价高昂，使用腐蚀性的矿物酸对安全和环境产生问题。