[发明专利]将纤维素材料转化成乙醇的方法和设备

说明书

本分案申请是基于申请号为200680034205.5，申请日为2006年 7月19日，发明名称为“将纤维素材料转化成乙醇的方法和设备”的 中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及基于连续水热预处理然后酶促水解、乙醇发酵和回收 的成本和能源有效的将木质纤维素生物质转化成乙醇和其它产品的可 持续方法。

背景技术

木质纤维素生物质含有可变量的纤维素、半纤维素、木质素和少 量蛋白质、胶质、蜡、氯化钾和其它无机化合物。木质纤维素生物质 应该以其最广义理解，因此其除了木材、农业残渣、能量作物外还包 含来自工业和家庭的不同类型的废物。纤维素生物质是巨大的开发不 力的资源，并在一些情况下具有浪费问题。但是，来自纤维素的己糖 可以被酵母转化成需求增长的燃料乙醇。在商业上尚未将来自半纤维 素的戊糖转化成乙醇，但几种能够转化戊糖和己糖的有发展前途的产 乙醇(ethanologenic)微生物正在研发中。

由木质纤维素原料生产燃料乙醇的成本目前比由淀粉/糖原料生 产高得多。

直到最近，将预处理过的纤维素原料转化成可发酵糖用的纤维素 分解(cellulytic)酶的成本仍过高。

由美国能源部赞助，Novozymes与Genencor实施的成功研究工作 使这种成本急剧降低。

但是，要实现巨大量的木质纤维素原料的商业上可行的开发，还 需要更大的成本降低。

大多数现有技术方法将原料粉碎或研磨成粉末，其随后与水混合 形成淤浆。这具有一些缺点：

·粉碎或研磨的大能量消耗，

·粉碎或研磨的大的资本成本和运营成本，

·需要大量液体使颗粒悬浮在可以处理的可泵送淤浆中，

·难以通过机械脱水再去除液体。

另外，大多数现有技术仅在实验室规模下试验，但没有提出将规 模扩大到工业规模的解决方案。

将纤维素材料转化成乙醇通常包括在纤维素实际水解成可发酵糖 之前的预处理，以使纤维素可受酶或化学品的作用。升高的温度、停 留时间和化学品的总影响被称作该工艺的苛刻度(severity)。这意 味着，如果温度较高，可以用例如较短停留时间实现相同结果。为了 使纤维素可受纤维素酶的作用，现有技术的多数预处理法尝试溶解和 去除尽可能多的半纤维素和木质素，以产生更大“孔隙”和实现纤维 素和纤维素酶之间的更大接触。以不同方式，例如通过引入去毒步骤 或通过尽可能快地去除溶解的组分来解决与这种类型的预处理产生的 抑制剂有关的问题。

在″The Alcohol Textbook(醇教程)″第三版1999，第9章中， J.S.Tolan提供了在Iogen的中试装置中实施的由纤维素生物质生 产燃料乙醇的方法的综述。

Tolan强调，为了使纤维素可受酶的作用，预处理过程是必须的， 并比较了3种可选方案：

-基于溶剂的预处理，其中有机溶剂溶解木质素。但是，木质素 不被视为是对纤维素的显著障碍。

-碱预处理，其不形成糠醛，但已经报道了半纤维素的破坏。

-Iogen优选稀酸预处理，因为其对半纤维素是温和的并产生具 有高表面积的材料。通过这种方法，木质素被解聚合，但不溶解，低 的酸含量排除了对回收的需要。由于Iogen的预处理，原料的纤维结 构被破坏，其获得泥状结构和深棕色。

在发酵容器中，纤维素酶主要由在浸没的液体培养物中的木霉属 (Trichoderma)真菌制成。在乙醇厂中酶的生产具有可以省略提纯、 浓缩和储存的优点，且一些水解糖可用于酶生产。

在Iogen的预处理后，将原料作为具有15-20％固含量(或可处理 的尽可能多的固含量)的淤浆输送到水解槽中。在该槽中的搅拌比在 发酵槽中常用的搅拌更温和，但必须足以使固体保持分散并足以移动 该材料。水解持续5-7天。粘度降低，且木质纤维素颗粒变小。大约 80-95％的纤维素被转化，而其余部分因为被木质素覆盖而不能接触到 酶。