[發(fā)明專利]具有適中反應(yīng)條件和試劑循環(huán)的纖維素-溶劑型木質(zhì)纖維素的分級(jí)分離

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200680054729.0
• 申請(qǐng)日: 2006-03-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101449001A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 珀西瓦爾·Y·H·張
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 弗吉尼亞暨州立大學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)公司
• 主分類號(hào): D21F11/00
• 分類號(hào): D21F11/00;C13K1/02
• 代理公司: 北京林達(dá)劉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所
• 代理人: 劉新宇;李茂家

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為纖維素、半纖 維素糖、木質(zhì)素和乙酸的預(yù)處理和分級(jí)分離方法的領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在二十一世紀(jì)生物煉制能夠成為工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。生物煉 制在概念上類似于石油煉制，除了它是基于生物質(zhì)原料而不是 原油外。理論上生物煉制能夠利用多種形式的生物質(zhì)以生產(chǎn)靈 活的產(chǎn)品的混合，包括化學(xué)藥品、燃料、動(dòng)力、熱和材料。

已經(jīng)證明生物煉制概念在全球農(nóng)業(yè)和林產(chǎn)品工業(yè)上是成功 的，其中此類設(shè)備現(xiàn)在生產(chǎn)食品、飼料、纖維或化學(xué)藥品，以 及熱和電以進(jìn)行工廠運(yùn)行。在紙漿和紙工業(yè)中生物煉制已經(jīng)長(zhǎng) 期處于適當(dāng)位置，其中將硬木或軟木轉(zhuǎn)化成用于造紙或其它用 途的紙漿。目前，高加工成本和原料成本與產(chǎn)品價(jià)值間的薄利 對(duì)超越這些傳統(tǒng)工業(yè)的商業(yè)化是重要的障礙。

生物煉制工業(yè)的發(fā)展不僅依賴于木材的有效轉(zhuǎn)化，而且依 賴于每年可大量獲得的許多其它類型的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的有 效轉(zhuǎn)化。此類木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的實(shí)例包括硬木、軟木、再生 紙、廢紙、林業(yè)廢料(forest?trimmings)、紙漿和造紙廢液、玉米 秸稈、玉米纖維、麥稈、稻稈、甘蔗渣和柳枝稷。有效轉(zhuǎn)化包 括克服對(duì)于新興生物煉制工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一：包含于天 然存在的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中的纖維素的頑拗性 (recalcitrance)?？朔w維素的頑拗性以便其能夠解聚成葡萄糖 是重要的，這是因?yàn)槠咸烟菫槟軌虬l(fā)酵或反應(yīng)成各種各樣工業(yè) 相關(guān)的化學(xué)藥品例如乙醇、檸檬酸等的生物煉制平臺(tái)中間體。

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)依賴于其來(lái)源，典型地包括35-50wt％纖 維素、15-35wt％半纖維素和5-30wt％木質(zhì)素(Zhang?and Lynd，2004；Klein?and?Snodgrass，1993；Wyman，1994)。雖然纖維 素、半纖維素和木質(zhì)素通常為木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的主要組分， 還存在可變量的以結(jié)合和未結(jié)合的形式存在的其它材料。這些 次要組分包括蛋白質(zhì)、糖醛酸、乙酸、灰分、游離糖例如蔗糖、 土壤和外源物質(zhì)例如源自收割操作的金屬。

纖維素是天然最豐富的聚合物，并且為葡萄糖的聚合物。 葡萄糖分子通過(guò)β-1，4-糖苷鍵連接，其使葡萄糖鏈呈現(xiàn)延伸的帶 狀構(gòu)造。鏈間的氫鍵導(dǎo)致平板的形成，所述平板以交錯(cuò)的方式 位于另一平板的頂部。結(jié)果，纖維素化學(xué)上非常穩(wěn)定并在植物 細(xì)胞壁中充當(dāng)結(jié)構(gòu)組分(Paster?et?al.，2003)。

半纖維素為包含初級(jí)5-碳糖例如木糖和阿拉伯糖以及到處 分散的一些葡萄糖和甘露糖的聚合物。半纖維素形成在植物細(xì) 胞壁中與纖維素和木質(zhì)素相互作用的聚合物，將其加固。

木質(zhì)素幫助結(jié)合纖維素-半纖維素基質(zhì)同時(shí)增加柔韌性。木 質(zhì)素聚合物的分子結(jié)構(gòu)是無(wú)規(guī)的和無(wú)組織的，并主要由通過(guò)多 糖相互連接的碳環(huán)結(jié)構(gòu)(具有甲氧基、羥基和丙基的苯環(huán))組成。

相信木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的頑拗性由以下引起：(i)幾種主 要多糖—纖維素、半纖維素和木質(zhì)素中的復(fù)雜的鍵，其限制了 纖維素酶、半纖維素酶和漆酶的水解作用；和(ii)纖維素材料 的固有性質(zhì)—低的對(duì)纖維素酶的底物可及性、高聚合度和在水 中纖維素片段的不良溶解性(Zhang?and?Lynd，2004)。木質(zhì)素- 半纖維素基質(zhì)包住纖維素并防止纖維素酶接近纖維素相。在天 然木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中的纖維素和半纖維素通過(guò)纖維素酶和半 纖維素酶僅僅輕微可消化。

幾十年來(lái)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的預(yù)處理一直為活躍的研究領(lǐng) 域，在科技文獻(xiàn)中已經(jīng)研究和報(bào)道了各種各樣的熱、機(jī)械和化 學(xué)預(yù)處理方法(和其組合)(McMillan，1994)。在歷史上，預(yù)處理 的目標(biāo)在于通過(guò)除去木質(zhì)素和/或半纖維素來(lái)打斷纖維素、半纖 維素和木質(zhì)素間的鍵，以產(chǎn)生酶可消化的纖維素固體。目的在 于最大化烴聚合物至所期望單體的轉(zhuǎn)化，同時(shí)最小化所期望單 體至降解產(chǎn)物的損失。

現(xiàn)代預(yù)處理方法發(fā)展于二戰(zhàn)前開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)熱化學(xué)生物質(zhì)- 水解方法(McMillan，1994)。這些方法典型地采用在加壓反應(yīng)器 中蒸煮生物質(zhì)和酸催化劑(通常為鹽酸或硫酸)以水解生物質(zhì)的 纖維素片段至葡萄糖。在此類方法中，葡萄糖的產(chǎn)率典型地不 高于約60％，這是因?yàn)閷?duì)于纖維素水解所需的苛刻條件導(dǎo)致相 當(dāng)大部分釋放的葡萄糖轉(zhuǎn)化為不可發(fā)酵的糖降解產(chǎn)物例如5-羥 甲基糖醛。此外，為纖維素水解設(shè)計(jì)的單級(jí)工藝(single-stage processes)導(dǎo)致?lián)p失源自半纖維素片段的戊糖烴(C₅糖)。