[发明专利]用于在水解作用的上游对纤维素原料进行热处理的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制备纤维素原料的方法和装置，该纤维素原料用于来自纤维素原料中的纤维素以及半纤维素的可发酵糖流的后续生产，其中，可发酵的糖流可以用于后续的乙醇生产。更具体地，本发明涉及一种用于通过加热纤维素原料来制备用于水解的纤维素原料的方法和装置。

背景技术

用于乙醇的生产的若干工艺是已知的。大体上，燃料乙醇的生产涉及通过酵母使糖发酵。通常，糖源自谷物，例如玉米以及小麦。谷物中的淀粉经受酶水解，以生成糖，然后糖又被发酵以生成乙醇。

植物材料是可发酵糖的重要来源，例如可以被转换成生物燃料的葡萄糖。然而，植物材料中的糖包含在纤维素以及半纤维素的长聚合链中。当利用当前的发酵工艺时，必需在发酵步骤之前将这些聚合链分解为单糖。

近来，已经研发出利用植物材料例如玉米的穗轴、稻草以及锯屑来生产用于乙醇发酵的糖的工艺。这些工艺通常包括对原料进行预加热以提高纤维素到水解酶的可及性，以及使纤维素受到纤维酶系统的影响，以将纤维素转换成葡萄糖。

在本领域中，将植物生物质转化成可发酵糖的方法是已知的，并且这些方法大体上包括两个主要步骤：用以激活植物结构的预处理步骤以及用以将纤维素以及半纤维素的聚合链转换成单糖的酶水解或化学水解步骤。若干方法已经被用于预处理步骤，例如自动水解、酸解、氨气活化、硫酸盐制浆、有机溶剂制浆、热水预处理、氨渗滤(ammonia percolation)、石灰预处理、苛性钠制浆、或碱性过氧化物预处理。早期的预处理步骤包括将原料研磨或碾磨成粉末，然后该粉末与水混合以形成浆料。

最近，溶剂基预处理、碱预处理以及酸预处理也已经被描述过。Holm Christensen的PCT公开WO/2007/009463描述了一种不涉及酸、盐或其它化学制品的添加的交替预处理。该预处理工艺涉及：将纤维素材料浸透在水中；将纤维素材料输送通过已加热和已加压的反应器；以及挤压纤维素材料以产生纤维组分以及液体组分。在该浸透步骤期间，每1kg的纤维添加了约2.5kg-3.5kg的液体，并且这些液体在挤压期间被再次移除。整个预处理过程会耗时约27分钟。

每个预处理技术具有作用于植物结构的不同机理，这些机理包括物理的和/或化学的改性。然而，预处理的主要目的是提供植物材料到酶的可及性。

发明内容

水解工艺在商业上的可行性取决于提供给水解单元的原料的特性。优选地，原料被激活使得原料的纤维素以及半纤维素的很大一部分(例如，大于75％)可触及水解酶。如果将这种已激活的原料提供给酶水解单元，则纤维素以及半纤维素中的至少60％、优选地大于75％以及更优选地大于90％会被转换成单糖。该富含糖的工艺流随后会经受发酵以产生醇流。来自发酵阶段的醇流(即，粗醇流)可以具有的乙醇含量约为3％-22％v/v，优选地约为5％-15％并且更优选地约为8％-12％。

用于酶水解的已激活的原料优选地通过自动水解来制备，该自动水解优选地在蒸汽爆破反应器中进行，蒸汽爆破反应器也被称为水解器或水解腔(也被称为蒸煮器)。自动水解是通过暴露在高温、蒸汽以及压力下来分解半纤维素以及纤维素的工艺。当该反应是在存在添加酸的情况下进行时，该反应被称为酸水解。

在自动水解期间，纤维素的聚合程度可以从约10,000降到约1,500-1,000。这个过程优选地是在高于木质素的玻璃转变温度(120℃-160℃)的情况下执行的。取决于反应的激烈程度，可以生产出降解产物，例如糠醛、羟基甲糠醛、蚁酸、乙酰丙酸以及其它有机化合物。

在蒸汽爆破处理(如果没有从外部添加的催化剂，则更通常地被称为自动水解)期间，可选地在加压容器中存在有适当的化学制品(例如，有机酸和/或无机酸、氨水、苛性钠、二氧化硫、溶剂等)的情况下，纤维素原料经受升高的热(例如，180℃到220℃)和压力(例如，131psig到322psig)。优选地，不利用外部化学制品添加，在这种情况下，仅可能会存在的催化剂可以是在原处产生的乙酸。已处理的纤维素原料然后从加压容器中释放，使得压力迅速地(例如，在一秒或更短的时间内，并且优选地是瞬间地)降低。该生物质可以离开水解器以处于降低的压力、优选地处于大气压并且更优选地处于真空。压力的迅速降低导致生物质分离成各单根纤维或纤维束。该步骤打开了纤维结构并增大了表面积。木质素连同纤维素以及剩余的半纤维素一起保留在纤维中。因此，与高温和高压处理相结合的压力的爆发性释放导致了纤维素原料的物理化学改性，然而改性后的纤维素原料适于进料至酶水解单元。