[發明專利]以生產生物乙醇為目的預處理木質纖維素材料的方法以及生物乙醇生產方法

有效

• 申請號: 200980102993.0
• 申請日: 2009-01-22
• 公開（公告）號: CN101965424A
• 公開（公告）日: 2011-02-02
• 發明（設計）人: M·德爾馬斯;B·本耶隆穆拉亞
• 申請（專利權）人: 植物材料工業公司
• 主分類號: D21C3/04
• 分類號: D21C3/04;C08B37/14;C08H5/02;C12P7/08
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 柳冀

技術領域

本發明涉及以生產生物乙醇或乙醇和木質素為目的預處理木質纖維素植物材料的方法。

本發明涉及預處理構成一年生和多年生植物重要部分的木質纖維素植物材料的方法。

在下文中，術語“一年生植物”應理解為表示具有約1年的植物性壽命的任意植物(谷物，各種草，棉，麻，亞麻，高粱，甘蔗，蘆葦等)，術語“多年生植物”應理解為表示生長延續較長時間段的植物(竹，硬木，軟木等)。

本發明應用的木質纖維素植物原料是整個植物或這些植物的一部分(莖，皮等)或來自目的在于生產食物的工業過程的副產物(麥桿，水稻，大麥，甘蔗渣，甜高粱渣等)。

背景技術

由于以下原因，從構成植物壁(wall)的木質纖維素生產生物乙醇目前是重要的問題：

-木質纖維素植物原料(谷物秸稈，甘蔗渣，木材等)的可獲得性；

-化石能源和特別是油的成本增加，以及在它們之后需要獲得對一些煉制石油產品(特別是對于這些煉制石油產品作為燃料的用途)的替代品；和

-主要因為常規食物部分和從谷類生產生物乙醇之間的競爭所造成的近期谷物成本非常大的增加。

木質纖維素是表示為植物提供形狀和結構的天然復合材料的術語。它是三種生物聚合物的組合，所述三種生物聚合物是：

*纖維素，所述纖維素是源于D-葡萄糖聚合成β-1，4-葡萄糖的有規立構多醣；

*木質素，所述木質素是源于酚丙稀醇聚合的多酚；和

*半纖維素，所述半纖維素是源于具有5(五)個碳原子的糖(例如木糖和阿拉伯糖)和/或具有6(六)個碳原子的糖(例如葡萄糖和甘露糖)的聚合的多醣。

各種糖的比例和分布取決于目標植物。

因此，一年生植物和硬木的半纖維素具有很大比例的木糖作為主要的單體，而軟木的半纖維素的主要單體是甘露糖。

這三種大分子排列為超分子并且組織結構比淀粉顆粒結構或游離蔗糖結構復雜很多，這解釋了為什么以生物乙醇形式利用木質纖維素產生了特別是在工業規模上的具體問題。

來自這些植物的纖維素和半纖維素是陸地生物質的重要部分。這兩種生物聚合物因此構成了世界范圍內可發酵糖的巨大儲備，這是衍生自淀粉、谷類或馬鈴薯發酵的葡萄糖所無法比較的。

根據初始植物原料，用于生產生物乙醇的方法通常包括3步大的主要操作，也就是說連續地是：A)制備醪液，隨后B)使醪液發酵，目的是獲得發酵后醪液，隨后D)蒸餾發酵后醪液，以生產生物乙醇。

對于這3步大的操作，可能加入第4步一般性的操作E)，所述操作E)由多次處理源于這3步主要操作的每一步的副產物組成。

所有用于制備醪液的操作A)的目的是制備包含能夠進行發酵的植物原料的糊料或液體，也就是說可以被酵母發酵的糖的含水溶液，目的是獲得最大可能的濃度，以減小用于制備醪液和用于其它后續操作所需的設備的容量。

在從木質纖維素來源進行生產的情況下，將纖維素和半纖維素轉化成乙醇需要預先的不容置疑的解聚成糖單體的“步驟”，之后是它們的發酵。

自從1980年，已經因此出現了通過施加以下步驟的最佳功能，從而具體解決從木質纖維素來源進行生產的問題。

木質纖維→預處理→纖維素+木質素→(酶)水解→葡萄糖+木質素→發酵→蒸餾→乙醇/生物乙醇

雖然自從第一次將含糖液體轉化成醇飲料就已經知道了發酵操作，并因此每年以數千萬公噸的量進行，但是相同的操作對于預處理纖維素不是正確的，預處理纖維素目前為止在世界上還沒有有利可圖的工業應用。

多半個世紀，已經進行了涉及預處理植物材料從而制備能夠在工業可接受的條件下水解成葡萄糖的纖維素的許多研究。

目前為止，研究的方法中沒有一個實際上在工業規模上取得成功，盡管已經為之產生了大量的方法。

這些已知的預處理通常通過首先以酸性或堿性介質中的單體、低聚物和聚合物的形式在水中溶解一些半纖維素而進行。

隨后處理木質纖維素，以獲得可以通過以下預處理容易地發酵的單糖、寡糖或甚至多糖：

-在高溫(120-250℃)下和在高壓下在“苛刻”條件下酸水解多醣，其中酸的濃度可以多至12wt％；

-在高壓(1-3×10⁶Pa)和高溫(190-220℃)下蒸汽爆炸；

-添加促進目標植物變性(destructuring)的有機溶劑；和

-酶水解，之后使水解產物發酵，組合超聲處理。