[发明专利]非木材木质纤维素材料的预处理

说明书

技术领域

本公开涉及在乙醇生产工艺中对含有低含量的淀粉和糖的木质纤维素材料的预处理方法。

背景技术

全球变暖、石油枯竭和能源安全已经是开发可代替得自石油的燃料如汽油和柴油的可再生燃料的主要驱动力。乙醇目前是最普遍使用的可再生汽车燃料。其通过含糖或含淀粉原料如蔗糖、玉米和小麦的发酵而大量产生。然而，这些作物的供给是相对有限的，并且它们中的许多可以被认为是人类食物资源。另一个缺点是，由大部分这些原料制造乙醇得到相对低的净能量增益和低的可再生CO₂效率，即当由这些材料制造乙醇时，整个生产链条制造的化石CO₂的量高。木质纤维素是更丰富和更廉价的原料，其具有得到较高的净能量增益的潜力。

木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。纤维素是由几百到上万个连接的葡萄糖单元的多糖链组成的，而半纤维素是由木糖、其它戊糖和各种己糖组成的支化多糖。纤维素和半纤维素与木质素紧密结合，而木质素是将纤维素和半纤维素聚合物连接在一起的多酚化合物，由此使木质纤维素材料具有刚性和机械强度。

在由木质纤维素材料制造乙醇中，各种预处理和水解步骤用于将木质纤维素中的纤维素和半纤维素多糖降解为单糖。然后可使用微生物将所述单糖发酵为乙醇。木质纤维素原料的预处理可物理地(机械粉碎，高温分解)、化学地(稀酸、碱预处理)、物理化学地(蒸汽爆破)和生物学地(真菌去木质化)实施。这些方法打开木质纤维素多组分基体而且使得碳水化合物组分更易接近水解酶。除有效的纤维素释放之外，理想的预处理需要最小化降解产物的形成，因为它们对于随后的水解和发酵工艺有抑制作用。然而，一些用于降低抑制剂的负面影响的途径已经被提出。

对高能量、耐化学品和耐腐蚀性、高压反应器的需要使得预处理成为纤维素乙醇生产中最昂贵的步骤之一。

常见的预处理步骤使用无机酸。来自该预处理的废液体需要被纯化。例如，当使用在本公开的情况下被认为是无机酸的SO₂气体时，在预处理期间，产生的废液包含需要被去除和处理的硫。此外，在预处理步骤中使用无机酸会增加成本且对环境有害。

总之，在本领域中对生产乙醇的工艺中的预处理有改进的需要。

发明内容

本公开的目的是提供用于在由木质纤维素生产乙醇的工艺中对含有少于5％(w/w)淀粉或糖的非木材木质纤维素材料的预处理。

进一步，本公开一些方面的目的是提供该木质纤维素材料的成本有效的和/或环境友好的预处理。

简言之，提供用于在由木质纤维素生产乙醇的工艺中预处理含有少于5％(w/w)淀粉或糖的非木材木质纤维素材料的方法，包括如下步骤：

a)将有机酸或产生有机酸的细菌加入到木质纤维素材料；

b)在少于5％氧气的气氛下，在有机酸的存在下，将木质纤维素材料储存至少两周的时间，以得到经有机酸浸渍的材料；和

c)在至少160℃的温度下加热经有机酸浸渍的材料，以得到经预处理的木质纤维素材料，

其中在该方法中没有或基本没有无机酸或碱，包括SO₂，被加入。

下面描述该方法的各种特征和实施方案。

发明详述

本公开的方法涉及含有少于5％(w/w)的淀粉或糖的非木材木质纤维素材料的预处理。优选地，非木材木质纤维素材料含有少于3％(w/w)例如少于2％(w/w)或1％(w/w)的淀粉或糖。从而，富含淀粉或富含糖的材料不是合适的原材料。其原因是淀粉和糖在本公开的预处理方法中会降解，当把原材料中所有的碳水化合物计算在内时，这导致乙醇收率的显著降低。

富含淀粉的材料特别地指一些基于植物的材料，包括例如小麦、大麦、马铃薯、甘薯和玉米。然而，本公开的方法的合适起始原料可以源自该富含淀粉的材料。例如，包括种子(淀粉)和麦杆(木质纤维素)的全株小麦不适合本公开的方法，而单独的麦秆是合适的原材料。进一步，在一些实施方案中，含有余量(例如＜1％(w/w))的糖或淀粉的木质纤维素材料可以是合适的起始材料。下面将进一步论述。

在本公开的情形下，“木质纤维素材料”指的是植物生物质，其包含纤维素、半纤维素和木质素。木质素填充在纤维素、半纤维素和胶质组分之间的细胞壁内的空间。碳水化合物聚合物(纤维素和半纤维素)通过氢和共价键紧紧地结合到木质素。