专利名称：使用超纤维素溶剂和高挥发性溶剂预处理木质纤维素的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及可替代能源的领域及从这些能源提取能量的方法。更特别地，本发 明涉及生物降解和生化降解植物材料，包括木质纤维素，用于生产人类活动中使用的能 源。
背景技术：
从可再生木质纤维素生产生物类产品和生物能源对于面临自然资源，特别是化 石燃料的枯竭，及由此产生的大气二氧化碳(CO2)积聚的人类工业社会的可持续发展是 重要的。而且，有效地将农业和林业残余物转化可发酵糖的技术的发展为造福美国国家 利益提供了显著的潜力。此外，从可再生木质纤维生物质生产这些第二代生物燃料，如 纤维素乙醇，及第三代生物燃料，如氢和电，将导致从基于化石燃料的经济向可持续的 碳水化合物经济转变所必需的生物产业革命。生物燃料的使用还提供若干益处，包括减 少温室气体排放，减少与紧张的食品供应的竞争，加强农村经济发展和提高国家能源安 全。然而，该领域内的主要技术挑战包括发现用于能源生产的新技术和降低将生物质 (主要是木质纤维素)转化为所需的生物类工业产品和生物能源的技术成本。木质纤维生物质，如农业和林业残余物、城市和工业固体废物、及草本和木本 生物能源植物，是天然的复杂的复合物，主要由三种生物聚合物纤维素、半纤维素和 木质素组成。根据其来源，木质纤维素典型地含有纤维素(约35-50wt%)、半纤维素 (约15-35% )和木质素(约5-30% )。天然纤维素分子存在于基本纤维素纤丝(fibril) 中，与其他结构性多糖，如半纤维素、木质素和果胶密切关联。有效地、成本竞争性地由顽拗的(recalcitrant)生物质生产可发酵糖仍然是进行 纤维素乙醇生物炼制的最大障碍。通过生物转化的生物质糖化作用涉及两个关键步骤 木质纤维素预处理或分级(fractionation)，其后纤维素(和可能半纤维素)的酶水解以生 产可发酵糖。该转化方法的高处理成本及原料成本和糖价格之间的薄利是商业化的关键障碍。最重要的技术挑战之一是克服天然木质纤维材料的顽拗性以使酶水解从而生产 可发酵糖。木质纤维素预处理或许是最昂贵的步骤。有人估算占总处理成本的约40%。 另外，顽拗性影响包括木质纤维素分解的多数其他操作的成本，包括在预处理之前减 小木质纤维素尺寸的成本。木质纤维材料的预处理因而与包括酶水解速率(enzymatic hydrolysis rate) >酶荷载、混合动力消耗、产物浓度、如果生成抑制剂的解毒、产物纯 化、发电、废物处理的需求以及其他变化过程的下游成本紧密相关。
认为纤维素生物质对酶的顽拗性是由于1)包括纤维素、半纤维素和木质素的几 种主要多糖间的复杂联接(linkages)，限制了纤维素酶、半纤维素酶和漆酶的水解活性； 及2)纤维素材料的固有特性，包括对纤维素酶的低基质可接近性，高聚合度(DP)和纤 维素片段在水中的低溶解性。因而认为木质纤维材料的预处理是从这些材料提高产物总 产量(yield)的重要步骤。所有的木质纤维素处理可分成四大类1)物理法，包括干磨(切片、球磨和 粉碎)、湿磨、照射、微波和膨胀剂(例如，ZnCl2) ； 2)化学法，包括稀酸(例如， #H2S04、#Η3Ρ04、稀HC1、稀乙酸、稀甲酸/HC1)、碱(例如，NaOH、石灰、氨、 胺)、有机溶剂(organosolv)、氧化剂(例如，03、NO、H2O2 > NaClO2)、纤维素溶剂 (例如，cadoxen)、DMAc/LiCl和浓H2SO4 ； 3 )物理-化学法，包括有或无催化剂的蒸汽 爆破、CO2爆破、氨纤维爆破或膨胀(AFEX)、通流热水(hot water with flow-through)、 超临界流体提取(例如，CO2> C02/H20、C02/S02、NH3> H2O)；及4)生物法(例如， 白腐真菌(white rod fungi))。最近，生物质精炼应用基础和创新联盟(Biomass RefiningConsortium for Applied Fundamentals anc Innovation(CAFI))着手了第一个协作项目以发展关于执行主流预处理选
择的比较信息。该联盟作出以下结论最好的预处理包括稀酸、通流预处理、氨纤维 爆破、氨再循环渗滤(ARP)和石灰预处理。另外，在欧洲和加拿大已对两种其它可能的 预处理进行了深入的研究用或不用SO2浸渍的蒸汽爆破和有机溶剂。用于生物质预处 理的典型条件列于表1。表1 :用于木质纤维预处理的技术和代表性反应条件
权利要求
1.一种用于分级木质纤维素生物质的方法，所述方法包括 用多磷酸消化木质纤维素；用第一溶剂沉淀纤维素和半纤维素并溶解木质素； 从沉淀的纤维素和半纤维素中分离溶解的木质素；和通过将纤维素、半纤维素和溶剂暴露于蒸汽、真空或它们的组合从所述沉淀的纤维 素和半纤维素中汽提所述第一溶剂，其中所述方法提供水合无定形纤维素和水合无定形半纤维素的混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法不包括从半纤维素中分离纤维素。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一溶剂以约80%的浓度含有乙醇。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一溶剂进一步包含C02、SO2,O3,或它 们中的两种或全部三种的混合物。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法不包括除所述第一溶剂之外的溶剂的使用。
6.根据权利要求1所述的方法，所述方法是从木质纤维素生产糖的方法，其中所述方 法进一步包括水解所述水合无定形纤维素和所述水合无定形半纤维素，以生产包含一种以上糖的 组合物。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述组合物以至少每升30克的浓度包含糖。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述组合物以至少每升50克的浓度包含糖。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述组合物以至少每升100克的浓度包含糖。
10.根据权利要求6所述的方法，其产生戊糖和己糖的混合物。
11.一种用于分级木质纤维素生物质的系统，所述系统包括 沉淀槽，其用于沉淀纤维素和半纤维素以及用于溶解木质素； 洗涤器，其用于洗涤所述沉淀的纤维素和半纤维素；和汽提器，其用于从所述沉淀的纤维素和半纤维素中汽提溶剂， 其中所述系统不包括用于从半纤维素中分离纤维素的分离器。
12.根据权利要求11所述的系统，其进一步包括消化器，所述消化器用于将含有木质 纤维素的原料消化为具有约0.5cm以下粒径的颗粒。
13.根据权利要求11所述的系统，其进一步包括水解槽，所述水解槽用于水解所述沉 淀的纤维素和半纤维素。
14.根据权利要求11所述的系统，其进一步包括蒸馏柱，所述蒸馏柱用于分离来自洗 涤器的洗液的组分，其中所述蒸馏柱不是分级-蒸馏柱。
15.根据权利要求14所述的系统，其进一步包括炉。
全文摘要
本发明的实施方案以经济上可行的方式克服了木质纤维素生物质众所周知的顽拗性。提供用于有效地将木质纤维素生物质分级为纤维素、半纤维素和木质素的方法和系统。由此获得的纤维素和半纤维素高度无定形，并且利用已知方法可以容易地转化为高浓度五碳糖和六碳糖的混合物。糖的典型产量超过每升糖液100克糖。根据本发明的方法可以容易地制备其它产物，如醇。本发明有些实施方案中的适中的方法条件和低溶剂/固体比率需要相对低的资金和处理成本。
文档编号C08B37/14GK102027021SQ200980117175
公开日2011年4月20日 申请日期2009年3月16日 优先权日2008年3月14日
发明者珀西瓦尔·张·Y·H 申请人:弗吉尼亚暨州立大学知识产权公司