[发明专利]一种纤维素质转化成制备生物乙醇用葡萄糖的转化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种由纤维素质制备糖的方法。特别涉及一种用化学法将纤维素质糖转化为在合成生物乙醇时使用的糖的方法。

背景技术

鉴于全球化石燃料供应量的日益减少，从纤维素生物质中产生的生物乙醇无疑是作为替代燃料的最佳选择。世界上许多地方会产生大量的纤维素生物质，其中大部分从未回收再利用。这些物质最后往往被作为废物焚化、填埋或丢弃。是否能将任何纤维素生物质废料都转化成生物乙醇的想法是相当惊人的，因为如果能大量转化为生物乙醇，就明显地有助于满足全球运输燃料的需求。

目前从纤维素生物质制备生物乙醇面临的问题是如何快速且符合成本效益的将结构紧密的纤维素生物质水解成糖。目前将细胞壁上的生物大分子分解成糖分子一般采用化学和生物方法。一般的化学方法是需要大量能源，而且往往条件苛刻，而生物方法又要依靠以有效的基因组为基础的纤维素酶产生菌的发现和发明。

传统方法中制备生物乙醇首先是如阿卡诺(Arkanol)过程所描述的将纤维素生物质水解为葡萄糖。在这个过程中，先在生物质中加入浓度为70％～77％的浓硫酸。由初始温度加热至50℃，然后稀释，最终混合物进一步加热到100℃一小时。经过这个过程，产生了一种凝胶，这种凝胶通过挤压能释放出酸和糖的混合物，最后再通过色谱柱能将酸与糖分离。该过程需要大量能源投入。

在本领域中众所周知，浓硫酸的使用往往导致糖溶液炭化，因为浓硫酸是一种非常强的脱水剂。因此，诸如使用稀硫酸的其他方法也已被研发出来。如生物质的半纤维素部分在190℃下用0.5％的硫酸水解，或纤维素部分在215℃下用0.4％的硫酸水解。之后溶液再被中和还原。高达15个大气压的压力被用于帮助水解纤维素生物质。这个过程也需要大量的能源投入。

使用氢氧化钙，氧化钙或其他含钙物质中和硫酸会得到硫酸钙、Ca₂SO₄.5H₂O或石膏这些副产物。这些产物很难从糖溶液中分离出来。此外，大量产生的硫酸钙由于利用率有限又会引发如何处置的问题。

这里有一些涉及前述方法的关于制备生物乙醇方法的专利技术。其中一项美国专利No.US5597714，公开了一种强酸水解纤维素质和半纤维素质的方法。使用的酸包括磷酸和硫酸。另一项美国专利No.US4529699也公开了一种采用磷酸、硫酸、亚硫酸或稀盐酸酸水解纤维素质的方法。但是，所有这些方法都需要持续很长时间的高温和/或高压。这些方法的过程特别是提取产生的糖的过程很复杂，费时又不方便。

一种使用强酸——稀高氯酸的方法也已在英国专利No.GB521884中公开。这种酸用于制造纤维素酯，尤其是由纤维素质制造纤维素醋酸酯。然而，专利中没有纤维素醋酸酯是否可以转化为用于制备的生物乙醇的发酵性糖或简单的糖的技术指导。

另一个有关木质纤维素生物质处理方法的美国专利No.US2008/0008783公开了使用碱代替酸制备单糖的方法。使用的碱是含或不含无水氨添加物的浓氢氧化铵。采用该方法处理纤维素质可破坏木质素和半纤维素，有助于糖化。除了复杂的设备设置包括泵，反应釜，冷凝器等，这个过程还需要很高的温度和能源的投入。

还有一个美国专利No.US2004016525公开的另一种用于处理木质纤维素质的方法涉及必须在pH值应不小于8的条件下进行的要求。将纤维素质暴露在此pH值条件下，在初始压力下气化蒸发，在可用于生物乙醇的合成前，它不断被爆发式地释放直至达到第二压力，。同样地，这个过程很复杂，不方便，时间和能源消耗大。

生物方法侧重于生产生物乙醇的植物和微生物的使用，如里氏木霉(棉腐菌)或毛果杨(一种杨树)的使用。将细胞壁生物大分子分解为糖分子的尝试目前正被众多问题所困扰，包括酶的成本高、有缓慢转化作用的酶的变性快、人们对基因工程菌可能被无意中释放到环境中的恐惧等。即使是使用化学和生物手段相结合的方法水解纤维素质也面临如成本和效率等压倒一切的问题。

因此，本发明提供了一种更简单而创新的由纤维素质制备糖的理想方法，以克服先前一些方法的缺点。

发明内容

本发明的主要目的是提供了一种利用适当浓度的酸将纤维素生物质转化成糖的方法，并在对进一步萃取糖溶液的操作提出了一种创新概念。

本发明的另一个目的是提供一种更简单，更方便，更有效，更少的能源和时间耗费的是从纤维素质中制备糖的方法。

本发明的第三个目的是优化从各种来源获取的纤维素生物质，使其能作为一种生物乙醇制备有用原料。