[發(fā)明專利]由生物量生產(chǎn)高價值產(chǎn)品的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080045574.0
• 申請日: 2010-08-13
• 公開（公告）號: CN102753674A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: J·T·哈維;T·P·斯皮爾陳;A·W·弗萊明;L·貝克勒安德森;J·H·埃文斯四世;C·A·辛格
• 申請（專利權(quán)）人: 地理合成燃料有限責(zé)任公司
• 主分類號: C12M1/00
• 分類號: C12M1/00;C12P7/04
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進(jìn)委員會專利商標(biāo)事務(wù)所 11038
• 代理人: 李瑛

本申請要求2009年8月13日提交的美國臨時申請?zhí)朥S61/233,824的利益，將該文獻(xiàn)引入本文參考。

領(lǐng)域

本專利文件涉及由生物量生產(chǎn)高價值產(chǎn)品的設(shè)備和方法。

背景

打紙漿是一項自十九世紀(jì)以來古老的技術(shù)。在十九世紀(jì)四十年代，在德國研發(fā)了由木材機(jī)械造紙的方法，且化學(xué)加工快速出現(xiàn)。1867年授權(quán)給Tilghman的美國專利US?70,485是使用亞硫酸由植物物質(zhì)造紙漿的方法。

Carl?F.Dahl在1879研發(fā)的硫酸鹽或Kraft法仍然是當(dāng)今最普遍的打漿方法。除Kraft法外，當(dāng)今存在大量其他的化學(xué)打漿方法，包括亞硫酸鹽法。Kraft法是最普遍的，因?yàn)檎J(rèn)為產(chǎn)生了比打漿法更強(qiáng)力的漿料。此外，Kraft法還處理寬泛的木材和非木材來源。

紙漿和最終的紙主要由木材和其他生物量中發(fā)現(xiàn)的纖維素制成。根據(jù)期望的紙的質(zhì)量的不同，化學(xué)打漿法將木材和/或其他生物量的結(jié)構(gòu)分解成包含基本上純的纖維素纖維和不同濃度木質(zhì)素的漿料。

木材如其他生物量主要由彼此結(jié)合為聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成。打漿法破壞了這些結(jié)合以使纖維素從木質(zhì)素和半纖維素中分離出來，并且形成漿料。打漿法嘗試以盡可能少的降解成纖維素纖維的方式從纖維素中分離半纖維素和木質(zhì)素。

將木材或其他生物量化學(xué)加工成漿料從材料制備步驟開始。木材通過去樹皮開始。典型地，芯材和邊材僅用于制造漿料。樹皮的結(jié)構(gòu)使得其自身不用于打漿且由此被除去并且用作提供用于紙漿廠的蒸汽的燃料。在大部分打漿方法中，切碎木材并且篩選以提供均勻大小的木片。

使木片進(jìn)入稱作以分批或連續(xù)方式運(yùn)轉(zhuǎn)的消化器的容器。在Kraft法中，漿包括氫氧化鈉和亞硫酸鈉的混合物加入到木片中，消化器將該混合物和木材從130℃加熱至180℃。在這一溫度范圍內(nèi)，去木質(zhì)化進(jìn)行幾小時。在這些條件下，木質(zhì)素和一些半纖維素降解得到碎片，其可溶于強(qiáng)堿性液體。后處理液體混合物、稱作黑色液體(因其顏色而稱謂)包含木質(zhì)素碎片、來自半纖維素分解的碳水化合物、碳酸鈉、硫酸鈉和其他無機(jī)鹽。

截止到木材去樹皮和除去木質(zhì)素和半纖維素時，僅約30％的原料變成可用的紙漿。燃燒包含半纖維素和木質(zhì)素的黑色液體，得到再循環(huán)試劑蒸汽(稱作白色液體)和用于該方法的能量。半纖維素成分在Kraft打漿法中大量降解成少量有用的能量產(chǎn)品。因此，盡管黑色液體中包含半纖維素，但是大部分黑色液體的產(chǎn)熱能量來源于木質(zhì)素。黑色和其他樹部分用作燃料或遺留在森林中。作為結(jié)果，紙打漿副產(chǎn)物中包含的能量并不典型有效地用于目前的紙打漿法中。

紙打漿并非唯一的目前遺留半纖維素作為副產(chǎn)物的商業(yè)化方法。例如，在由甘蔗生產(chǎn)糖的過程中，蔗渣是將甘蔗破碎以提取其汁液后遺留的纖維性殘余物。蔗渣進(jìn)一步用于大量不同的目的，包括燃燒作為糖研磨機(jī)的燃料、作為生產(chǎn)漿料和紙張產(chǎn)品中的可再生資源和作為建筑材料。與其他商業(yè)化方法如紙打漿中的副產(chǎn)物類似，甘蔗蔗渣中富含多糖類。

長期以來已知在生物量例如甘蔗蔗渣和木材中發(fā)現(xiàn)的糖類可以被轉(zhuǎn)化成乙醇和其他燃料產(chǎn)品。此外，紙打漿法和生物量乙醇轉(zhuǎn)化法以分解木質(zhì)素、纖維素和半纖維素之間的鍵的相同基本步驟開始。然而，這些方法之間的顯著差別在于易于轉(zhuǎn)化成乙醇或其他燃料的木材或生物量的成分是纖維素，即用于在打漿法中制造紙張的產(chǎn)品。如上所述，纖維素構(gòu)成紙張中提取和使用的木材或生物量的部分。因?yàn)槔w維素是乙醇生產(chǎn)和紙打漿的主要成分，并且纖維素需要最嚴(yán)格的釋放處理，所以兩種方法互相排斥。

不同于是葡萄糖分子的均勻多糖的纖維素，半纖維素是包含己糖和戊糖混合物的不均勻聚合物。半纖維素一般包含己糖類即甘露糖、葡萄糖和半乳糖和戊糖類即木糖和阿拉伯糖。值得注意的是，甘露糖是來源于軟木材的半纖維素聚合物中最豐富的分子；軟木材中第二最豐富的糖分子是木糖。更一般而言，硬木材和草本作物和非木本的農(nóng)業(yè)廢物例如甘蔗蔗渣的半纖維素主要富含在戊糖的木糖和己糖的葡萄糖中，還有少量阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖。

戊糖類的木糖和阿拉伯糖在傳統(tǒng)上比葡萄糖、甘露糖或半乳糖(6碳糖)更難以轉(zhuǎn)化成燃料產(chǎn)品。長期以來，認(rèn)為酵母菌株不能以厭氧方式將戊糖類發(fā)酵成醇。然而，Kurtzman等人的美國專利US?4,359,534公開了嗜鞣管囊酵母在發(fā)酵戊糖中的應(yīng)用。類似地，Levine的美國專利US?7,344,876公開了能夠在戊糖作為唯一碳源上增殖的馬克思克魯維酵母的純培養(yǎng)物。