[发明专利]木质纤维素生物质的碱性处理

说明书

相关申请的交叉引用

本国际专利申请要求2013年3月15日提交的第13/841,707号美 国专利的优先权，它的公开内容特此以全文引用的方式并入。

技术领域

本发明涉及先后用离子液体预处理和温和碱性处理连续处理木 质纤维素生物质，以高效产生纤维素材料和木质素馏分。所得纤维素 材料可高效且迅速地通过酸水解或酶水解转化为糖、燃料和化学品， 且木质素残余物可转化为化学品和燃料。

发明背景

木质纤维素是植物的主要结构组分，且包含纤维素、半纤维素和 木质素。在木质纤维素生物质中，结晶纤维素原纤维包埋在组织较为 混乱的半纤维素基质中，而半纤维素基质又被木质素外膜包围。木质 纤维素生物质是一种具有吸引力的原料，因为它是一种丰富的本地可 再生资源，可以转化为液体运输燃料、化学品和聚合物。木质纤维素 的主要成分是：(1)半纤维素(20–30％)，一种由五碳糖和六碳糖组成 的非晶形聚合物；(2)木质素(5–30％)，一种由酚类化合物组成的高度 交联聚合物；和(3)纤维素(30–40％)，一种由纤维二糖(葡萄糖二聚体) 组成的高度结晶的聚合物。在水解成单体糖时，纤维素和半纤维素可 通过成熟发酵技术转化为乙醇燃料。这些糖也形成用于生产各种化学 品和聚合物的原料。木质素也可以回收用于生产原料或者用作燃料。 生物质的复杂结构要求进行适当处理，才能高效地将纤维素和半纤维 素组分水解(例如，糖化作用)成它们的组成成分糖。

由于木质纤维素生物质中的纤维素具有难降解性质，所以从木质 纤维素生物质产生化学品和燃料的实用方法有限。结晶纤维素和半纤 维素紧紧地密封在高度交联的木质素聚合物中，木质素聚合物充当对 生物质中碳水化合物的任何化学或生物攻击的物理屏障。木质素通过 共价键和氢键连接至碳水化合物，从而使得生物质难以降解。现在的 处理方法受到纤维素水解反应速率缓慢(例如，使用纤维素酶)和糖产 率低的困扰。Wyman，等人(2005)BioresourceTechnology96: 1959–1966)。

使木质纤维素生物质与水解酶接触通常导致纤维素水解，可能的 结果是产率低于20％。因此，可以在试图以酶水解生物质中的纤维素 和半纤维素前对生物质进行一定“预处理”。预处理是指使木质纤维素 生物质从它的原始形式(其中它对纤维素酶系统具有难降解性)转化 为高效水解纤维素的形式的过程。与未处理的生物质相比，高效预处 理的木质纤维素材料的特征为纤维素可触及的表面积(孔隙度)增加 和木质素溶解或重新分布。孔隙度增加主要是由于纤维素结晶度破 坏、半纤维素破坏/溶解和木质素重新分布和/或溶解综合造成的。在 现有的不同预处理过程间，实现这些因素中的至少一些因素的相对有 效性大不相同。

预处理的目的是明显破坏生物质结构，以便：(a)降低纤维素结晶 度，(b)通过增加表面积/孔隙度而增加纤维素和半纤维素链对酶/催化 剂的可接近性/感受性和(c)移除木质素。第8,030,030号美国专利。在 过去数十年中，为提高这种高度难降解的生物质的可消化性，已经研 究了几种热化学生物质预处理技术。这些预处理技术包括稀酸法、蒸 汽爆破法、水热法、涉及含在水性介质中的有机溶剂的“有机溶剂” 法、氨纤维爆破(AFEX)、使用碱(例如，氨气、NaOH或石灰)的强碱 法和高浓度磷酸处理。这些方法中有许多不会破坏纤维素结晶度，纤 维素结晶度是一种对实现快速纤维素消化率至关重要的特性。另外， 这些方法中有一些不能高效回收预处理中所采用的化学品。