[发明专利]纤维素或者木质纤维素生物质的预处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维素或木质纤维素生物质的预处理，例如在糖化、发酵和乙醇回收之前的预处理。

背景技术

木质纤维素生物质是一术语，指的是一包括纤维素、木质素和半纤维素的植物材料。这三种细胞壁组分具有不同的量，这取决于植物种类、养分有效性和气候条件。纤维素是植物细胞壁的主要结构组分，聚合度范围为500至20000。纤维素分子是线性的、无支链β，1-4连接葡萄糖聚合物，具有在内部或相互之间形成氢键的强烈倾向。纤维素分子束聚集以形成微纤维，微纤维中高度有序(结晶的)区和较少有序(无定形的)区相间。微纤维再组成纤维，并最终组成纤维素纤维。由于其纤维结构和强氢键，纤维素具有非常高的强度，不溶于大多数溶剂。

半纤维素是杂多糖，其由各种形成植物细胞壁的非纤维质多糖组分的单体所形成。大多数的一般单体是葡萄糖、半乳糖、鼠李糖和甘露糖(己糖)、木糖、海藻糖和阿拉伯糖(戊糖)，还包括葡萄糖和半乳糖的糖醛酸(Eaton和Hale，1993b)。大多数的半纤维素的聚合度大约在50-300，大大低于纤维素。半纤维素可以分为三个主要族，木聚糖、甘露聚糖和半乳糖体，以其骨干聚合物命名。

木质素是一种具有非常高分子量的三维大分子。木质素是无定形的、长的交联生物聚合物。木质素通过三个单体丙苯单元的聚合而合成：芥子醇、p-香豆醇和松柏醇(Boerjan等，2003)。木质素通过与纤维素微纤维结合在一起而提供强度和硬度。其性质上疏水，影响植物细胞壁的膨胀性能，使血管系统的水消耗最小化，并且能提供抗酶催促解性。

纤维素类生物质是一术语，指的是主要包括纤维素的生物质。例如包括纸、废弃棉纺织品或者棉花加工废弃物。

木质纤维素在生物技术和遗传工程的UN FAO Glossary中被定义为“木质素、半纤维素和纤维素的组合，形成植物细胞壁的结构架构”。参见FAOResearch and Technology Paper No.7，accessed 7April 2008网址：http://www.fao.org/DOCREP/004/Y2775E/Y2775E00.HTIvn。已有与包含生物质的木质素的量相关的从纤维素生物质到木质纤维素生物质的组成的图谱(以及纤维素、半纤维素和其他组分的比例)。这包括从“纤维素”生物质中的非常低的含量(例如小于1％重量百分比木质素)至木质纤维素生物质中的相对高的含量(例如木头中30％重量百分比的木质素)的范围。通常木质纤维素生物质含有高于4％的木质素，即低于4％的木质素生物质在性质上主要被认为是“纤维素”，超过7％其性质更多的是在“木质纤维素”范围。

对木质纤维素进行糖化(糖类的水解)和发酵获得的乙醇产物具有相当高的商业价值。糖化时木质素、其它酚类化合物、果胶、半纤维素组分的提取也是有价值的，以提高作为动物饲料的木质纤维素生物质的价值(Pu等，2008；Ragauskas等，2006；Rogers等，2007；Sun等，2007；Wyman，2002)。

已经存在这各种对生物质进行预处理的方法。通常的处理如下：

生物预处理：生物预处理使用真菌进行微生物脱木质化(Dorado等，2001；Gutierrez等，2001；Helmy和El-Meligi，2002)，典型的为使用白腐菌，例如变色栓菌和黄孢平革菌。然而，真菌降解是一个缓慢过程，大多数真菌进攻的不仅是木质素，还有纤维素，因此导致随后可使用的总糖的消耗。

物理预处理：物理预处理可以分为两大类：机械的(磨碎)和非机械的(例如高压蒸煮、高能辐射和热解)。机械预处理过程中，物理力(例如剪切或压碎)将木质纤维素变细为更细粒料。这些物理力能降低纤维素结晶度、微粒大小和聚合度并提高体积密度。这些结构改变获得一种能更易于随后处理的材料，但是机械处理耗能且耗时，因此其本身不实用。非机械物理预处理方法也可以提高可消化性，但是具有类似的缺陷。

物理化学预处理：蒸汽爆发，氨纤维爆炸(AFEX)和二氧化硫催化蒸汽爆炸是物理化学预处理的例子。蒸汽爆炸中湿木质纤维素被加热至高温(大约250℃)，快速释放压力，导致粒径降低。高温结合一些化学处理能从半纤维素中产生乙酸，因此存在一些生物质的自水解(Nigam，2002)。这些改变能使得随后处理更易于操作，但是剧烈条件也产生了降解产物，这些降解产物能抑制水解和发酵。这些产物可以通过用水清洗而移除，但是这也移除了水溶性的半纤维素，这在一些情况下是不期望的。因此，这些方法具有缺陷。