[发明专利]处理生物质以生产可用于生物燃料的材料的连续或半连续方法

说明书

技术领域

本发明涉及处理生物质的方法，和更具体地涉及预处理生物质以由含多糖及其组合物的材料生产糖从而用于生物燃料或其它高价值产品的方法。

背景技术

由于在植物细胞壁中糖的存在，木质纤维素生物质被视为燃料和化学品的丰富可再生来源。地球表面上超过50％的有机碳包含在植物中。这种木质纤维素包括半纤维素、纤维素和较小比例的木质素和蛋白质。这些结构组分主要包括戊糖和己糖单体。纤维素为主要包括缩聚葡萄糖的聚合物，和半纤维素为戊糖、主要为木糖的前体。只要这些糖可以从包含它们的细胞壁和聚合物中释放出来，它们就可以很容易地转化为燃料和有价值的组分。但植物细胞壁已经进化得对于产生组分糖的微生物、机械或化学分解具有相当的耐受力。为了克服这种耐受力，通过称作预处理的化学方法对粉碎的生物质进行改变。预处理的目的是水解半纤维素，分解保护性的木质素结构和破坏纤维素的晶体结构。所有这些步骤将强化在随后水解(糖化)步骤中酶与纤维素的可接触性。

预处理在木质纤维素乙醇中被视为主要的成本驱动因素，和因此对于多种不同类型的原料已经研究了多种预处理方法。纤维素的糖化在温和条件下通过酶保证较大的糖产率，和因此被许多人认为在经济上更有吸引力。粗生物质对酶水解的耐受使得必须进行预处理以增强纤维素对水解酶的感应性。如Nathan Mosier,Charles Wyman,Bruce Dale,Richard Elander,Y.Y.Lee,Mark Holtzapple,Michael Ladisch在'Features of promising technologies for pretreament of lignocellulose biomass"，Bioresource Technology 96(2005)，673-686页中所述，已经开发了多种预处理方法来改变生物质的结构和化学组成，从而改进酶的转化率。Biomass Refining Consortium for Applied Fundementals and Innovation(CAFI)完成了"主导预处理"技术的最新比较，并在2011年12月的期刊Bioresource Technology中进行了报道。这种方法包括：在US 4,461,648中描述的用稀酸蒸汽喷发进行处理；在WO 2007/009463A2中描述的不加入化学品的水热预处理；AFEX；Holtzapple,M.T.,Jun,J.,Ashok,G.,Patibandla,S.L.,Dale,B.E.,1991中描述的氨冷冻喷发；Applied Biochemistry and Biotechnology 28/29，59-74页描述的氨冷冻喷发(AFEX)方法-实际的木质纤维素预处理；和US 4,409,032中描述的有机溶解抽提等。尽管如此，预处理已经成为在生物质转化为燃料的过程中最昂贵的过程(参见Eng.Chem.Res.,2009,48(8)，3713-3729页的"Methods for Pretreament of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuels Production")。

一种已广泛采用的预处理方法是高温、稀硫酸(H₂SO₄)法，它有效地将生物质的半纤维素部分水解为可溶性糖并释放出纤维素，从而可以成功地进行酶糖化。可用以控制预处理条件和效率的参数有时间、温度和酸负荷。它们经常经数学算式组合，称为组合的强度因素。概括而言，所采用的酸负荷越高，可采用的温度越低，这导致酸成本和随后中和成本增加。相反地，温度越低，预处理过程的时间越长，这导致体积产率成本增加。希望降低温度，因为戊糖很容易分解形成代表产率损失的糠醛及其它产品，并且这些化合物对下游发酵来说为毒物。但为了降低预处理温度至低于糠醛易于形成的温度，需要应用的较高酸浓度(B.P.Lavarack,G.J.Griffin,D.Rodman"The acid hydrolysis of sugarcane bagasse hemicelluloses to product xylose,arabinose,glucose and other products."Biomass and Bioenergy 23(2002)，367-380页)要求足够量的酸，以至于强酸的回收成为经济问题。如果采用稀酸物流和较高的温度，则预处理反应产生增加量的糠醛，和流向下游的酸必须中和从而形成无机盐，这将使下游处理变得复杂且需要更加昂贵的废水处理系统。