[發明專利]使用超纖維素溶劑和高揮發性溶劑預處理木質纖維素的方法和裝置

有效

• 申請號: 200980117175.8
• 申請日: 2009-03-16
• 公開（公告）號: CN102027021A
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發明（設計）人: 珀西瓦爾·張·Y·H
• 申請（專利權）人: 弗吉尼亞暨州立大學知識產權公司
• 主分類號: C08B15/08
• 分類號: C08B15/08;C13K1/00;C08B37/14;D21C3/04
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;李茂家

相關申請的交叉引用

本申請依賴并要求2008年3月14日提交的美國臨時專利申請第61/036,813號的權益，在此通過參考將其全部公開內容并入本文。

技術領域

本發明涉及可替代能源的領域及從這些能源提取能量的方法。更特別地，本發明涉及生物降解和生化降解植物材料，包括木質纖維素，用于生產人類活動中使用的能源。

背景技術

從可再生木質纖維素生產生物類產品和生物能源對于面臨自然資源，特別是化石燃料的枯竭，及由此產生的大氣二氧化碳(CO₂)積聚的人類工業社會的可持續發展是重要的。而且，有效地將農業和林業殘余物轉化可發酵糖的技術的發展為造福美國國家利益提供了顯著的潛力。此外，從可再生木質纖維生物質生產這些第二代生物燃料，如纖維素乙醇，及第三代生物燃料，如氫和電，將導致從基于化石燃料的經濟向可持續的碳水化合物經濟轉變所必需的生物產業革命。生物燃料的使用還提供若干益處，包括減少溫室氣體排放，減少與緊張的食品供應的競爭，加強農村經濟發展和提高國家能源安全。然而，該領域內的主要技術挑戰包括發現用于能源生產的新技術和降低將生物質(主要是木質纖維素)轉化為所需的生物類工業產品和生物能源的技術成本。

木質纖維生物質，如農業和林業殘余物、城市和工業固體廢物、及草本和木本生物能源植物，是天然的復雜的復合物，主要由三種生物聚合物：纖維素、半纖維素和木質素組成。根據其來源，木質纖維素典型地含有纖維素(約35-50wt％)、半纖維素(約15-35％)和木質素(約5-30％)。天然纖維素分子存在于基本纖維素纖絲(fibril)中，與其他結構性多糖，如半纖維素、木質素和果膠密切關聯。

有效地、成本競爭性地由頑拗的(recalcitrant)生物質生產可發酵糖仍然是進行纖維素乙醇生物煉制的最大障礙。通過生物轉化的生物質糖化作用涉及兩個關鍵步驟：木質纖維素預處理或分級(fractionation)，其后纖維素(和可能半纖維素)的酶水解以生產可發酵糖。該轉化方法的高處理成本及原料成本和糖價格之間的薄利是商業化的關鍵障礙。

最重要的技術挑戰之一是克服天然木質纖維材料的頑拗性以使酶水解從而生產可發酵糖。木質纖維素預處理或許是最昂貴的步驟。有人估算占總處理成本的約40％。另外，頑拗性影響包括木質纖維素分解的多數其他操作的成本，包括在預處理之前減小木質纖維素尺寸的成本。木質纖維材料的預處理因而與包括酶水解速率(enzymatic?hydrolysis?rate)、酶荷載、混合動力消耗、產物濃度、如果生成抑制劑的解毒、產物純化、發電、廢物處理的需求以及其他變化過程的下游成本緊密相關。

認為纖維素生物質對酶的頑拗性是由于1)包括纖維素、半纖維素和木質素的幾種主要多糖間的復雜聯接(linkages)，限制了纖維素酶、半纖維素酶和漆酶的水解活性；及2)纖維素材料的固有特性，包括對纖維素酶的低基質可接近性，高聚合度(DP)和纖維素片段在水中的低溶解性。因而認為木質纖維材料的預處理是從這些材料提高產物總產量(yield)的重要步驟。

所有的木質纖維素處理可分成四大類：1)物理法，包括干磨(切片、球磨和粉碎)、濕磨、照射、微波和膨脹劑(例如，ZnCl₂)；2)化學法，包括稀酸(例如，稀H₂SO₄、稀H₃PO₄、稀HCl、稀乙酸、稀甲酸/HCl)、堿(例如，NaOH、石灰、氨、胺)、有機溶劑(organosolv)、氧化劑(例如，O₃、NO、H₂O₂、NaClO₂)、纖維素溶劑(例如，cadoxen)、DMAc/LiCl和濃H₂SO₄；3)物理-化學法，包括有或無催化劑的蒸汽爆破、CO₂爆破、氨纖維爆破或膨脹(AFEX)、通流熱水(hot?water?with?flow-through)、超臨界流體提取(例如，CO₂、CO₂/H₂O、CO₂/SO₂、NH₃、H₂O)；及4)生物法(例如，白腐真菌(white?rod?fungi))。