[发明专利]处理木质纤维素生物质的方法

说明书

相关申请的引用

本申请要求于2012年8月8日提交的序号为61/680,997的美国临时申请的优先权，通过引入将其内容整体并入本文。本文中引用的所有专利、专利申请和出版物通过引入整体并入本文。 

发明领域

本技术涉及处理木质纤维素生物质以改进生物质的纤维素和半纤维素的酶水解的方法。可以进一步对处理后的生物质进行加工以形成用于生物乙醇生产的单糖。可以从处理后的生物质中回收木质素以供进一步使用。 

发明背景

随着对可持续性能源的需求的日益增加以及对温室气体减少的压力的不断增大，从非石油来源开发可替代燃料和化学产品是重要的。诸如木材、农业废弃物和多年生禾草的木质纤维素材料是生物燃料生产的最重要的来源。根据赠日计划(Sun Grant Initiative)的报告，美国能源部(USDOE)和美国农业部(USDA)估计在美利坚合众国每年超过13亿干吨的生物质(3.68亿干吨生物质来自林地，9.98亿干吨生物质来自农业用地)是可利用的。来自农业用地的生物质将生产4.28亿干吨一年生作物残留物、3.77亿干吨多年生作物和1.06亿干吨动物性肥料、加工废料和其它多方面来源。 

木质纤维素材料包含纤维素、半纤维素和木质素。根据来源，生物质的化学组成具有很大差异，如表1中所示。一般地，约70%的木质纤维素材料(纤维素和半纤维素)可以潜在地转化成糖并发酵成生物燃料。木质纤维素的生物转化包括三个主要步骤：A)生物质的预处理；B)纤维素和半纤维素到糖的转化；C)糖经由发酵到乙醇的转化。生物质的预处理是整个方法成功的关键。剩余的30%残留物主要是木质素。 

表1：木质纤维素材料的一般化学组成 

组分 %(干质量) 纤维素 30-50 半纤维素 20-40 木质素 15-25 其它 5-50

在木材的情况中，构建植物细胞壁以提供机械支撑。在细胞壁形成期间，被半纤维素覆盖的纤维素束(微纤丝)的层沉积到预先存在的壁上。在细胞壁形成的后期阶段，木质素前体渗入到复合胞间薄层中以及渗入到次生细胞壁中的微纤丝之间的微空洞中，在该微空洞中木质素前体发生聚合。因此，植物细胞壁是具有嵌在半纤维素和木质素的基质中的微纤丝的框架的紧密结构。纤维素微纤丝的横截面尺寸为300nm(T)x1,050nm(W)；沿着长度尺寸具有交替的晶体区域和非晶区域。晶体区域的长度为约6,000nm，其中纤维素链是紧密排列的，从而对水分子和化学产品具有不渗透性。在非晶区域中，纤维素链是松散取向的，导致较大的化学可及性(chemical accessibility)。木材细胞壁中的结晶度(即微纤丝晶体区域的体积比)可以高达70%。因而，无预处理，酶对植物材料的纤维素消化率通常小于30%。 

对木质纤维素材料的生物转化已研究了众多预处理方法。在一篇大型综述中，引用了180多篇对比文献，将这些技术总结在表2中。然而，这些预处理方法无一被证明是在工业规模的乙醇生产上有成本效益的。 

表2：用于乙醇生产的生物质预处理的方法