[发明专利]用于加工含木质纤维素的生物质的方法

说明书

本发明公开了一种用于加工含木质纤维素的生物质(例如秸秆)的方法，所述方法使得纤维素和半纤维素易于通常通过分解而被进一步加工，而无需在水中耗能溶解生物质。所述方法包括在往复式活塞压机中重复压缩所述生物质，其中疏松的生物质被连续供给活塞前的活塞室，所述活塞将所述疏松的生物质移至管状反应室中，在所述管状反应室中所述生物质被压缩用于在压缩生物质通过所述反应室的同时位移下产生蒸汽爆炸和自动水解。在压缩后，所述生物质可被添加生物气设施中的流体牲畜粪肥、流体废水污泥等用于后续生物气加工。

本申请是申请日为2013年04月10日、申请号为“CN201380023061.3”、发明名称为“用于加工含木质纤维素的生物质的方法”的发明专利申请的分案申请。

发明领域

本发明涉及一种用于加工含木质纤维素的生物质(例如秸秆)的方法，所述方法使得纤维素和半纤维素易于通过(通常为)分解(优选酶分解)而被进一步加工。更确切地说，本发明涉及一种其中经加工的木质纤维素用于生产生物燃料，例如像乙醇、丁醇、氢气、甲醇和生物气的方法。

本发明的问世与秸秆处理有关。因此，在若干点上，将就秸秆对本发明进行说明，但是通过这些说明应理解相应的优点可通过含木质纤维素的其它种类的生物质来获得。

发明背景

第一代生物乙醇主要是基于谷类作物(如小麦和玉蜀黍以及甘蔗)生产的。这是因为玉米和甘蔗含有容易获得的碳水化合物，如淀粉，其可以简单方式转化为糖，糖随后被发酵为乙醇。

然而，这种生产因除了不可持续发展之外，还将良好的粮食转化为能量而受到批评。因此多年来，已对利用食品生产中的作物残茬来生产生物燃料(特别是生物乙醇)做了研究。研究特别集中在将秸秆和木屑转化为生物乙醇。这种类型的乙醇被标记为第二代生物乙醇或纤维素乙醇。

生物质，如小麦秸秆和其它玉米和玉蜀黍作物的秸秆以及木材，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，这也是其为什么被统称为木质纤维素的原因。

纤维素是具有通过β-1,4-葡糖苷键互相连接的多达15,000个葡萄糖单元的直链均质聚合物。然而，半纤维素是长度多达200个单元的非均质支链聚合物，其可由例如阿拉伯糖、木糖、半乳糖、甘露糖和葡萄糖组成。

木质素构成通过单体p-香豆酰醇、松柏醇和芥子醇的聚合作用而形成的网格。木质素的复杂网格包封纤维素和半纤维素并且有助于将它们结合在一起。由此植物细胞壁的结构得以加强并且得到保护免受自然界中例如由真菌或昆虫侵袭所致的分解的损害。通常，木质纤维素含有约35％-50％纤维素、20％-30％半纤维素和15％-30％木质素。

然而，不同植物的内容物有很大的不同并且半纤维素和木质素的组成非常大地取决于物种。通常，木材比秸秆含有更多的木质素和更少的半纤维素，并且其中秸秆中的半纤维素主要由阿拉伯糖和木糖组成，松柏科植物中的半纤维素主要含有甘露糖以及仅少量的木糖。

利用木质纤维素作为各种发酵过程的底物以将纤维素和半纤维素预先分解成它们各自的单体为先决条件。此过程的第一步是对木质纤维素进行热化学处理，借此释放木质素，并且使半纤维素和纤维素部分地溶解或使半纤维素和纤维素更易与酶接近。

用于分解木质纤维素的酶可被分为两个主要的组：纤维素酶和半纤维素酶。分解纤维素的最后一步是通过β-葡糖苷酶将纤维二糖裂解为两个葡萄糖分子。半纤维素的更具非均质性的结构意味着需要更大数量的不同的酶来将其完全分解为糖分子。这种复杂酶混合物的实例是Novozyme’s Cellic.CTec3，其含有不同的纤维素酶和半纤维素酶以及其它水解酶。

如所提及的，利用木质纤维素的第一步是预处理并且通常为热化学预处理。蒸汽爆炸是广泛范围的这类不同热化学预处理方法中的一种。这种方法与水和催化剂如酸和碱或气体(如氧气和二氧化硫)的添加相结合。