包含磷酸和硫酸的酸混合物对纤维质生物质的消晶作用的制作方法

专利名称：包含磷酸和硫酸的酸混合物对纤维质生物质的消晶作用的制作方法
技术领域：
提供了处理生物质以获得糖的方法。具体地讲，用包含磷酸和硫酸的酸混合物使 生物质中的纤维素消晶，然后水解，以高收率获得糖化产物。
背景技术：
纤维质的和木质纤维质的原料以及垃圾例如农业残余物、木材、林业垃圾、来自造 纸业的淤渣、和市政及工业固体垃圾提供了潜力巨大的可再生原料来用于生产有价值的产 品如燃料和其他化学制品。由碳水化合物聚合物(包括纤维素、半纤维素、葡聚糖和木质 素)组成的纤维质和木质纤维质原料和废料一般用多种化学、机械和酶方法进行处理以释 放主要的己糖和戊糖，它们接着可发酵生成有用的产物。使用预处理方法使纤维质和木质纤维质材料的碳水化合物聚合物更易于糖化。过 去，标准预处理方法主要是在高温下使用强酸；然而，由于能耗高、设备成本高、预处理催化 剂回收成本高并且与可用于糖化的酶不相容，因此一直在研发可供选择的替代方法，如酶 预处理，或在降低预处理期间生物质碳水化合物聚合物发生水解的较温和的温度下使用酸 或碱，这需要经改善的酶体系以使纤维素和半纤维素糖化。已公开了许多使用磷酸或硫酸的预处理方法。例如，美国专利4，058，411公开了 通过使用浓H3PO4(将其提取并且回收)使天然纤维素材料中的纤维素消晶的方法。H3PO4的 浓度范围为80重量％至85重量％。美国专利5，486，068公开了使用浓硫酸(93 %至98. 5 %的H2SO4)或使用浓磷酸 (75%至85%的H3PO4)或使用其浓缩形式的这些酸的各种混合物处理木材、木材废料、纸材 和/或其它类型多糖(基本上由纤维素和木质素组成的物质)的方法。所述方法的产物 (干燥固体物质组合物)可用于处理耕种土壤或用作填埋物。美国专利5，417，984和5，674，507公开了在受控的序列温度条件下，通过使纤维 素材料与85%或更高重量百分比的磷酸反应制备低结晶度纤维素的方法。公布的PCT专利申请WO 02/02826描述了由含有纤维素的原材料制备发酵性糖的 方法，所述原材料用包含酸的溶液(尤其是包含硫酸的溶液)水解，然后用萃取剂将所述酸 从所述混合物中移除。所述方法的特征在于，使用低级醇与低级酮的混合物作为萃取剂。公布的PCT专利申请WO 2007/111605描述了将木质纤维质生物质有效分馏成纤 维素、半纤维素、糖、木质素和乙酸的方法和体系。所述方法的一个步骤将第一溶剂与木质 纤维质生物质混合；另一个步骤将第二溶剂与得自前一步骤的物质混合。所述第一溶剂包 含一种或多种化学物质，除了其它化学物质或化学物质组合以外，所述化学物质选自盐酸、 硫酸、硝酸、磷酸、多磷酸、乙酸、二氧化硫、氯化锌、氢氧化钠、氢氧化钾、氨。将生物质中的纤维素有效消晶以及提供较高荷载的可供水解(糖化)的碳水化合 物的能力将有利于由资源可再生的生物质制备发酵性糖的商业方法。该优点将使在高浓度下提供高收率糖的方法具有经济竞争力。

发明内容
本发明提供了通过处理生物质制糖以达到所述优点的方法。本发明的一个方面是 使生物质中的纤维素消晶的方法，所述方法包括使生物质与包含硫酸和磷酸的酸混合物接 触。已发现，与仅使用硫酸或仅使用磷酸来预处理生物质相比，使用由摩尔比在3. 39 1 至0.21 1范围内的磷酸和硫酸组成的酸混合物能够以可控的方式提供纤维素的有效消 晶作用并且能够更高地荷载可供糖化的碳水化合物。消晶后，可用酸混合物水解所述生物 质以制得包含糖的糖化产物。在本发明的一个实施方案中，将生物质中纤维素消晶的方法包括(a)提供包含纤维素的生物质；(b)使所述生物质与包含磷酸和硫酸的酸混合物接触以形成生物质/酸混合物； 以及(c)使生物质/酸混合物维持足以制得消晶化的生物质产物的反应时间和温度； 其中(i)在所述酸混合物中磷酸与硫酸的摩尔比为约3. 39 1至约0.21 1 ；并且(ii)所述生物质重量与所述酸混合物重量的比率为约1 0.5至约1 5。生物质指任何纤维质或木质纤维质材料，例如生物能作物、农业残余物、市政固 体垃圾、工业固体垃圾、庭院垃圾、木材和林业垃圾、以及它们的组合。根据本发明的方法， 消晶化的生物质产物可包含水，并且水的重量百分比按所述生物质、酸混合物和水的总重 量计为约3重量％至约30重量％。在一个实施方案中，水的重量百分比可为约5重量％至 约20重量％。在一个实施方案中，所述酸混合物中磷酸与硫酸的摩尔比可为约1.98 1 至约0.36 1。在一个实施方案中，生物质重量与酸混合物重量的比率可为约1 0.5至 约1 2。在一个实施方案中，所述温度可为约0°C至约50°C。在一个实施方案中，所述温 度可为约15°C至约25°C。在一个实施方案中，所述反应时间可为最多约72小时。在一个实施方案中，所述反应时间可为最多约M小时。在一个实施方案中，可将 步骤(a)、(b)、(c)或它们的组合重复至少一次。在一个实施方案中，所提供生物质中至少 约50%的纤维素可在消晶化的生物质产物中被消晶化。在一个实施方案中，至少约70%的 纤维素可在消晶化的生物质产物中被消晶化。在一个实施方案中，至少约90%的纤维素可 在消晶化的生物质产物中被消晶化。此外，可在步骤(a)之前或期间，步骤(b)之前或期间， 步骤(c)之前或期间，或它们的组合，将能量施加到生物质上以降低尺寸，增加暴露的表面 积，和/或提高生物质中存在的纤维素、半纤维素和/或低聚糖的可接近性。在本发明的一个实施方案中，将生物质糖化的方法包括(a)提供包含纤维素的生物质；(b)使所述生物质与包含磷酸和硫酸的酸混合物接触以形成生物质/酸混合物；(C)使生物质/酸混合物维持足以制得消晶化的生物质产物的第一反应时间和第
一温度；(d)将水加入到消晶化的生物质产物中，其中水量按生物质和酸混合物的合并重 量计为约20重量％至约200重量％ ；以及
(e)使水和消晶化的生物质产物维持足以制得糖化产物的第二反应时间和第二温 度；其中(i)在所述酸混合物中磷酸与硫酸的摩尔比为约3. 39 1至约0.21 1 ；并且(ii)所述生物质重量与所述酸混合物重量的比率为约1 0.5至约1 5。根据本发明的方法，第二反应时间可为约1至约16小时。根据本发明的方法，第 二温度可为约50°C至约100°C。在一个实施方案中，酸混合物中磷酸与硫酸的摩尔比可为 约1.98 1至约0.36 1。消晶化的生物质产物包含水，水的重量百分比按所述生物质、 酸混合物和水的总重量计可为约3重量％至约30重量％。糖化产物包含至少一种糖，所述 糖选自葡萄糖、纤维二糖和木糖或它们的组合。此外，可将糖化产物中的液体与固体分离， 并且可任选用水洗涤所述液体。附图简述

图1示出了消晶化之前(线10)和之后(线20)玉米芯样品的X射线衍射图，分 别示出了结晶纤维素的典型反射和它们的消失。图2示出了光学显微照片图像，其显示玉米芯在50 存在下，5分钟后的消晶效果。图3示出了光学显微照片图像，其显示玉米芯在50 存在下，60分钟后的消晶效果。图4示出了光学显微照片图像，其显示玉米芯在70 存在下，1. 5小时后的消晶效果。图5示出了光学显微照片图像，其显示玉米芯在70 存在下，16小时后的消晶效果。发明详述应当了解，如果在陈述或描述本发明方法中的实施步骤时使用了不定冠词“一个” 或“一种”，此类不定冠词的使用并非将方法中该步骤的次数限定为一，除非陈述或描述明 确地指出相反情况。凡在本文中给出某一数值范围之处，该范围均旨在包含其端点，以及位于该范围 内的所有整数和分数，除非另行指出。当定义一个范围时，不旨在将本发明的范围限定于所 列举的具体数值。术语“可发酵糖”指在发酵过程中能被微生物用作碳源的低聚糖和单糖。术语“木质纤维质”指包含木质素和纤维素的组合物。木质纤维质材料也可包含 半纤维素。术语“纤维质”指包含纤维素的组合物。术语“目标化学物质”是指通过发酵制得的化学物质。化学物质按广义使用，并且 包括分子如蛋白质，包括例如肽、酶和抗体。目标化学物质的实例包括乙醇和丁醇。术语“糖化”指从多糖中生产可发酵糖。术语“预处理的生物质”意指在糖化之前已经经过预处理的生物质。术语“生物质”指任何纤维质或木质纤维质材料，并且包括包含纤维素的材料，以 及任选还包含半纤维素、木质素、淀粉、低聚糖和/或单糖的材料。生物质也可包含附加组 分如蛋白质和/或脂质。如本发明所述，生物质可来源于单一来源，或者生物质可包括来源50的磷酸与硫酸混合物的 50的磷酸与硫酸混合物的 30的磷酸与硫酸混合物的 30的磷酸与硫酸混合物的于一种以上来源的混合物。例如，生物质可包括玉米芯和玉米秸秆的混合物，或草和叶片的 混合物。生物质包括但不限于，生物能作物、农业残余物、市政固体垃圾、工业固体垃圾、来 自造纸业的淤渣、庭园垃圾、木材和林业垃圾、或它们的组合。生物质的实例包括但不限于 玉米粒、玉米芯、作物残余(如玉米壳、玉米秸秆)、草、小麦、小麦秸秆、大麦、大麦秸秆、干 草、稻秆、柳枝稷、废纸、蔗渣、高粱、大豆、获取自谷物、树、枝、根、叶、木屑、锯末、灌木及矮 树丛、蔬菜、水果、花和动物粪肥的研磨物的组分、或它们的组合。在一个实施方案中，用于 本发明的生物质包括具有相对较高的碳水化合物值的生物质，它们相对密集，和/或相对 易于收集、运输、贮存和/或处理。在本发明的一个实施方案中，可用的生物质包括玉米芯、 玉米秸秆、锯末和蔗渣。在本发明方法中，当生物质与包含磷酸和硫酸的酸混合物接触时，纤维素和任选 的半纤维素的消晶化快速并且以可控的方式发生，避免了不可取的放热。酸混合物中磷酸 与硫酸的比率以摩尔计为约3. 39 1至约0.21 1，例如约1.98 1至约0. 36 1，或 例如约1.27 1至约0.56 1。酸混合物中磷酸与硫酸的比率以摩尔计还可为1 1。酸混合物中磷酸与硫酸的比率还可方便地表示为用于制备酸混合物的浓磷酸溶 液重量与浓硫酸溶液重量的比率。酸混合物中浓磷酸溶液重量与浓硫酸溶液重量的比率为 约20 80至约80 20，例如约30 70至约70 30，例如约40 60至约60 40，例 如约50 50。浓磷酸溶液是指包含约85重量％磷酸(H3PO4)的溶液。浓硫酸溶液是指包 含约98重量％硫酸(H2SO4)的溶液。所述酸混合物可包含来自浓酸溶液的水。在一个实施 方案中，所述酸混合物基本上由磷酸、硫酸和水组成。作为另外一种选择，可能使用发烟硫酸(发烟硫酸)替代浓硫酸溶液，或使用发 烟硫酸与浓硫酸溶液的组合，以提供酸混合物中所需量的硫酸。类似地，可能使用大于85 重量％磷酸的磷酸源替代浓磷酸溶液或与浓磷酸溶液组合，以提供酸混合物中所需量的磷 酸。在这些情况下，生物质与酸混合物的接触速率、加入顺序、以及有效混合，可能是控制消 晶化速率的关键变量。在本发明方法中，包含在生物质之内或之上的水量与包含在酸混合物之中的水量 之和按所述生物质与酸混合物的合并重量计为约3重量％至约30重量％，例如约5重量％ 至约20重量％。纤维素的消晶化在较低的水含量下得到增强。在本发明方法中，生物质重量与酸混合物重量的比率为1 0.5至约1 5，或例 如约1 0.5至约1 2。使生物质和酸混合物组合中生物质的百分比或生物质浓度保持 较高以最大程度地降低对糖浓度的需求，所述糖是由用于发酵的消晶化生物质的糖化作用 获得的。高生物质浓度也减少了预处理材料的总体积，使所述方法更加经济。从实际上看， 生物质重量与酸混合物重量的高比率可能受到在实际速率下发生消晶化所提供的充分混 合或紧密接触的能力的限制。例如，在高比率下，可能需要使用挤出机或类似的设备来提供 充分的混合。可直接使用获取自来源的生物质，或将能量施加到生物质上以减小尺寸、增加暴 露的表面积、和/或提高酸对存在于生物质中的纤维素、半纤维素和/或低聚糖的可达性。 用于减小尺寸、增加暴露的表面积、和/或提高生物质中存在的纤维素、半纤维素、和/或低 聚糖可达性的施能方式包括但不限于，研磨、压碎、碾磨、切碎、剁碎、盘磨、超声、和微波。这 种能量的施加可发生于预处理之前或期间，糖化之前或期间，或它们的任何组合。
通常有利的是，在用酸混合物消晶化之前，将能量施加到生物质例如玉米芯上以 降低颗粒的尺寸。生物质颗粒的适宜尺寸范围可通过观测消晶化反应来确定。如果生物质 颗粒过小，则消晶化反应可能非常快并且因放热而难以控制。当只使用硫酸而无任何磷酸 时，尤其如此。如果生物质颗粒过大，则消晶化反应将缓慢，并且反应混合物中的纤维素和 半纤维素将发生分解或降解，这降低了水解后糖的总收率。适当尺寸的颗粒将使消晶化以 可控的方式进行而无放热，并且使分解或降解的量达到最小。例如，对于70 30(重量 重量)的磷酸和硫酸混合物，2mm玉米芯颗粒在室温下的消晶化超过16小时；如果玉米芯 颗粒尺寸减至0. 5mm，则消晶化可在约3小时内完成。某些类型的生物质例如蔗渣可按所获 得的原样使用，或仅施加最低程度的能量以降低尺寸。包含磷酸和硫酸的酸混合物对生物质的消晶化在约0°C至约50°C，例如约15°C至 约25°C的温度下实施。在最多约72小时的反应时间内，实施包含磷酸和硫酸的酸混合物对生物质的消 晶化。更长的接触时间是可能的，然而出于实用、经济的原因，可优选更短的时间。酸接触时 间通常为约M小时或更短。更长的时间可提供降低生物质破碎所需施能的有益效果。还 可通过改变磷酸与硫酸的比率，控制消晶化时间。硫酸的相对量越高，消晶化速率就越快。可使用X射线衍射，观察生物质中纤维素结晶度的降低。图1显示了玉米芯样品 在用包含磷酸和硫酸的酸混合物消晶化之前(线10)和之后(线20)的X射线衍射图。未 处理过的原玉米芯显示出分别对应于结晶纤维素101、002和040平面的独特结晶峰(16、22 和34. 5 - θ ))。这些峰在消晶化后减弱成宽峰。还可使用偏振光显微镜，观测包含磷酸和硫酸的酸混合物对生物质中纤维素的消 晶化作用。例如，可使粉碎的玉米芯颗粒与酸混合物混合，然后放置在两片载玻片之间，并 且随时间的推移，用光学显微镜监测。图2显示了光学显微照片图像，显示玉米芯(尺寸为 约0. Imm至0. 3mm)在50 50的磷酸与硫酸混合物的存在下，5分钟后的消晶效果。结晶 颗粒呈白色，并且在消晶化时变暗，使得可根据变暗的面积，对消晶化程度作出视觉评估。 在室温下约1小时后，玉米芯几乎完全被消晶化，如图3所示。图4示出使用70 30的磷酸与硫酸混合物，1. 5小时后玉米芯(尺寸为约0. Imm 至0.3mm)的部分消晶效果。图5示出使用透射光，16小时后完全消晶化的玉米芯样品。在本发明的一个实施方案中，所提供的生物质中至少约50%的纤维素在消晶化的 生物质产物中被消晶化。在另一个实施方案中，所提供的生物质中至少约70%的纤维素被 消晶化。在另一个实施方案中，所提供的生物质中至少约90%的纤维素被消晶化。更大程 度的消晶化致使糖化产物中糖的收率得到改善。在一个实施方案中，可在较高的温度下使包含磷酸和硫酸的酸混合物对生物质的 消晶化实施较短的时间，例如在约25°C至约50°C下实施约2小时至约M小时。在另一个 实施方案中，可使生物质与酸的接触过程在更低的温度下进行更长的时间，例如在约15°C 至约25°C下进行约M小时至约48小时。在另一个实施方案中，可使生物质与酸的接触过 程在室温(约22-25°C )下进行至多约M小时的时间。还可采用介于这些之间的其它温度 和时间的组合。就用包含磷酸和硫酸的酸混合物对生物质消晶化而言，温度、反应时间、生物质与 酸混合物接触时的水总重量百分比、生物质浓度、生物质类型以及生物质粒度是相关的；因此可根据需要调节这些变量以可控的方式获得充分的消晶化速率，并且获得供水解成糖的
最佳产物。生物质中纤维素的消晶化可在任何适宜的容器如间歇反应器或连续反应器中进 行。适宜的容器可配备如叶轮的装置以用于搅拌生物质/酸混合物。反应器设计由Lin， K. -H.和 Van Ness, H. C 论述(于 Perry，R. H.和 Chilton，C. H.(编辑)的 “Chemical Engineer，s Handbook” 第 5 版(1973 年)第 4 章中，McGraw-Hill，NY)。消晶化反应可以 批量方法或连续方法来实施。为了从生物质中获得足够量的糖，可以用酸混合物将生物质消晶化一次或一次以 上。同样，糖化反应可进行一次或多次。如果需要，可重复消晶化和糖化方法以获得更高收 率的糖。为了分别或一起评定消晶化和糖化方法的结果，可确定来源于起始生物质的糖的 理论收率并与测量收率进行比较。在消晶化后，消晶化的生物质产物包含磷酸、硫酸、水、部分降解的生物质和发酵 性糖的混合物。将水加入到消晶化的生物质产物中，然后使用来自消晶化步骤的酸将其水 解。水的加入量按生物质和酸混合物的合并重量计为约20重量％至约200重量％。根据本 发明的方法，使用包含磷酸和硫酸的酸混合物所需的糖化稀释度低于仅含硫酸的体系(因 为，在相等的水加入量下，混合酸体系中所得硫酸的浓度低于仅含硫酸的消晶化体系)，额 外的优点是所得的较低硫酸浓度致使糖化期间木糖的分解降低。由于木糖的分解提高了经 由糖化的糖的收得率损失，因此这是不可取的。使用包含磷酸和硫酸的酸混合物还以可控 的方式提供了有效的糖化作用。在约50°C至约100°C，例如约70°C至约90°C的温度下，用磷酸和硫酸的混合物实 施糖化反应。使糖化反应实施约30分钟至约16小时，例如约1小时至约8小时的反应时间。反 应时间取决于消晶化的生物质产物中磷酸与硫酸的比率、稀释过的消晶化的生物质产物混 合物的PH、反应温度、所用的基质和酸的浓度，酸浓度越高，将获得越快的反应时间。可根据 需要调节这些变量以获得可用于发酵的最佳糖化产物。糖化反应可在任何适宜的容器如间歇反应器或连续反应器中实施。适宜的容器可 配备如叶轮的装置以用于搅拌生物质/酸混合物。反应器设计由Lin，K._H.和Van Ness, H. C 论述(于 Perry，R. H.和 Chilton，C. H.(编辑)的“Chemical Engineer，s Handbook，， 第 5 版(1973 年)第 4 章中，McGraw-Hill，NY)。糖化能分批进行或以连续方法进行。糖化也能一步进行或多步进行。例如，在糖 化反应过程期间，可使用不同的反应温度或不同的PH条件。糖化后来自生物质的糖的溶解度能通过测量释放的单糖和低聚糖进行监控。测量 单糖和低聚糖的方法是本领域熟知的。例如，可采用1，3_ 二硝基水杨酸(DNQ检测分析法 (Miller, G. L.，“Anal. Chem.，，(1959)31 :似6_似8)，测定还原糖的浓度。作为另外一种选 择，可使用适当的柱，经由HPLC测定糖，如本文在实验部分中所述。在间歇或连续方法中，糖化后可使糖化产物中的液体与固体例如木质素分离。可 任选用水洗涤所述液体。可通过例如蒸发浓缩糖化混合物，以提高发酵性糖的浓度。糖化产物中的发酵性糖例如葡萄糖、木糖和纤维二糖可由适宜的微生物用于制备 目标化学物质。目标化学物质包括例如酸、醇、烷烃、烯烃、芳族化合物、醛、酮、生物高聚物、蛋白质、肽、氨基酸、维生素、抗生素、和药物。 实施例本发明将在下面的实施例中进一步限定。应当理解，尽管这些实施例说明了本发 明的优选实施方案，但仅是以例证的方式给出的。通过上述论述和这些实施例，本领域的技 术人员可确定本发明的必要特征，并且在不脱离本发明的实质和范围的前提下，可对本发 明进行各种变化和修改以适应多种用途和条件。以下物质用于实施例中。所有商购试剂均按原样使用。浓硫酸(98% )，GR ACS 95-98 % 纯度级别，得自 EMD BioScience(USA)。浓 磷酸(85 % )，ACS 试剂级，得自 Sigma-Aldrichd Louis, M0)。葡萄糖，ACS 试剂 级，得自 Sigma-Aldrich。木糖，最低 99 % 纯度，得自 Sigma-Aldrich。Cellobiose, ACS纯，得自Sigma-Aldrich。用锤磨机粉碎的玉米芯得自hcbpendence Corn By-Products (Independence, ΙΑ)。蔗渣得自糖厂。缩写的含义如下“g”是指克，“h”是指小时，“wt%”是指重量百分比，HPLC是指 高性能液相色谱，“C”为摄氏度，“mL”为毫升，“N”是指正。采用修i丁版的 NREL LAP 方法"Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass”来测定生物质中葡聚糖和木聚糖的重量百分比。通过在80°C下 真空干燥或通过在105°C和环境压力下干燥过夜，简化样品的制备。将样品切碎以通过20 目筛网，但是不筛分。然后以50mg固体规模使干燥的粉碎固体经历酸水解过程。首先不用 水或乙醇提取固体。在Aminex HPX-87H柱上进行糖的HPLC分析，但是没有尝试进行木质 素的分析。采用配备适当保护柱的Bio-Rad HPX-87H 柱(Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA)，使用 0. OlN 的硫酸水溶液作为洗脱剂，由 HPLC (Waters Alliance Model，Milford，MA) 测定糖化液体中的可溶性糖葡萄糖、纤维二糖和木糖。如需要的话，测量样本PH并用硫酸 将其调节至5-6。然后使样品通过0.2μπι的注射器式滤器直接进入到HPLC小瓶中。HPLC 运行条件如下Biorad Aminex ΗΡΧ-87Η (用于碳水化合物)注射体积10-50 μ L，取决于浓度和检测器限。流动相0. OlN的硫酸水溶液，0. 2 μ m，过滤并且脱气流量0.6mL/min柱温50°C，保护柱柱温< 60°C检测器温度尽可能的接近主要柱柱温检测器折射指数运行时间15分钟数据收集运行结束后，根据标准曲线测定每个化合物在样本中的浓度。如下制备粉碎的玉米芯，用作实施例1-4、6_9、11、12和比较实施例中的生物质。 在设定值为7的Warring共混机(型号HGB7WTG4)上，将尺寸约2_5mm的玉米芯颗粒(IOOg) 和水GOOg)混合一小时。用多孔玻璃过滤器过滤所得混合物，并且在流动的氮气下，使固 体在85°C下干燥过夜。然后用0.5mm金属筛将干燥的固体筛分。约95%的固体通过所述筛网，表明颗粒尺寸至多0. 5mm。将通过筛网的粉碎的干燥玉米芯颗粒用于指定的实施例 中。根据测得的玉米芯中葡聚糖和木聚糖的含量，计算出IOOg粉碎的干燥玉米芯颗粒中葡 萄糖和木糖的理论产量分别为39g和31g。用锤磨机或Wiley研磨将在实施例14_21中用作生物质的玉米芯粉碎并且筛分以 获得具有指定尺寸的颗粒。葡萄糖和木糖的理论产量范围与用于其它实施例中的玉米芯相 同。为确定粉碎的尺寸至多0. 5mm的干燥玉米芯颗粒中残余的水分含量，称量少量的 粉碎玉米芯颗粒样品，然后在140°C下加热一小时，接着重新称量以确定水分重量损失。由 此方法发现残余的水分含量为约5-7重量％。根据测得的蔗渣中葡聚糖和木聚糖的含量，计算出IOOg蔗渣中葡萄糖和木糖的 理论产量分别为46g和25g。使用Nikon偏振光显微镜Eclipse LV100P0L,评定生物质随时间的消晶化程度。实施例1在玻璃容器中，使2. Og粉碎的干燥玉米芯颗粒与4. Og 70 30 (重量重量)的 浓磷酸溶液(85% H3PO4)和浓硫酸溶液(98% H2SO4)的混合物混合。用刮刀将生物质/酸 混合物搅拌十五分钟，然后在室温下不搅拌而放置过夜。然后加入水(6. Og)；根据原玉米 芯的荷载，生物质当前的浓度为约16.6重量％。使用设至90°C的油浴，加热容器及其内容 物。使容器与回流冷凝器连接。在特定的时间间隔处，取出0.5mL生物质/酸混合物样品。 将每个样品离心以分离出固体，并且由HPLC分析0.2mL溶液的糖含量。计算葡萄糖、木糖 和纤维二糖的收率，并且示于下表中。加热六小时后，将反应混合物过滤，并且用约5g水洗 涤滤液。在过滤器上收集到约0. 5g固体；糖包含于滤液中。采用此方法，获得高收率的糖。实施例1:通过使用70 30(重量/重量)的磷酸/硫酸混合物将纤维素消晶，
权利要求
1.用于将生物质中的纤维素消晶的方法，所述方法包括(a)提供包含纤维素的生物质；(b)使所述生物质与包含磷酸和硫酸的酸混合物接触以形成生物质/酸混合物；以及(c)使所述生物质/酸混合物维持足以制得消晶化的生物质产物的反应时间和温度； 其中(i)在所述酸混合物中磷酸与硫酸的摩尔比为约3.39 1至约0.21 1;并且(ii)所述生物质重量与所述酸混合物重量的比率为约1 0.5至约1 5。
2.权利要求1的方法，其中在所述酸混合物中磷酸与硫酸的摩尔比为约1.98 1至约 0. 36 1。
3.权利要求1的方法，其中所述消晶化的生物质产物包含水，并且水的重量百分比按 所述生物质、所述酸混合物和所述水的总重量计为约3重量％至约30重量％。
4.权利要求3的方法，其中所述水的重量百分比为约5重量％至约20重量％。
5.权利要求1的方法，其中所述生物质重量与所述酸混合物重量的比率为约1 0.5 至约1 2。
6.权利要求1的方法，其中所述温度为约0°C至约50°C。
7.权利要求1的方法，其中所述反应时间最多为约72小时。
8.权利要求1的方法，其中将(a)、(b)、(c)或它们的组合重复至少一次。
9.权利要求1的方法，其中在所述提供的生物质中至少约50%的纤维素在所述消晶化 的生物质产物中被消晶化。
10.权利要求1的方法，其中在所述提供的生物质中至少约70%的纤维素在所述消晶 化的生物质产物中被消晶化。
11.权利要求1的方法，其中生物质选自生物能作物、农业残余物、市政固体垃圾、工业 固体垃圾、庭院垃圾、木材和林业垃圾、或它们的组合。
12.权利要求1的方法，所述方法还包括在(a)之前或期间、在(b)之前或期间、在(c) 之前或期间或它们的组合施加能量。
13.权利要求12的方法，其中所述能量选自研磨、压碎、碾磨、切碎、剁碎、盘磨、超声和 微波。
14.一种生物质糖化的方法，所述方法包括(a)提供包含纤维素的生物质；(b)使所述生物质与包含磷酸和硫酸的酸混合物接触以形成生物质/酸混合物；(c)使所述生物质/酸混合物维持足以制得消晶化的生物质产物的第一反应时间和第一温度；(d)将水加入到所述消晶化的生物质产物中，其中水量按生物质和所述酸混合物的合 并重量计为约20重量％至约200重量％ ；以及(e)使所述水和消晶化的生物质产物维持足以制得糖化产物的第二反应时间和第二温 度；其中(i)在所述酸混合物中磷酸与硫酸的摩尔比为约3.39 1至约0.21 1;并且(ii)所述生物质重量与所述酸混合物重量的比率为约1 0.5至约1 5。
15.权利要求14的方法，其中所述糖化产物包含至少一种糖，所述糖选自葡萄糖、纤维二糖和木糖或它们的组合。
16.权利要求14的方法，所述方法还包括使所述糖化产物中的液体与固体分离，并且 任选用水洗涤所述液体。
全文摘要
本发明提供了处理生物质来制糖的方法，所述方法涉及通过使生物质与包含特定摩尔比的硫酸和磷酸的酸混合物接触来使纤维素消晶。在消晶后，可用酸混合物水解所述生物质以制得包含糖的糖化产物。
文档编号C13K1/02GK102112633SQ200980129976
公开日2011年6月29日 申请日期2009年7月24日 优先权日2008年7月31日
发明者A·Y·廖夫, M·A·哈默 申请人:纳幕尔杜邦公司