[發明專利]處理生物質以生產可用于生物燃料的材料的連續或半連續方法

有效

• 申請號: 201380024051.1
• 申請日: 2013-05-07
• 公開（公告）號: CN104395478B
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: P·R·韋德;R·L·布萊克伯恩;D·M·布朗
• 申請（專利權）人: 國際殼牌研究有限公司
• 主分類號: C12P19/02
• 分類號: C12P19/02;C12P19/14;C13K1/02
• 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: 王長青

技術領域

本發明涉及處理生物質的方法，和更具體地涉及預處理生物質以由含多糖及其組合物的材料生產糖從而用于生物燃料或其它高價值產品的方法。

背景技術

由于在植物細胞壁中糖的存在，木質纖維素生物質被視為燃料和化學品的豐富可再生來源。地球表面上超過50％的有機碳包含在植物中。這種木質纖維素包括半纖維素、纖維素和較小比例的木質素和蛋白質。這些結構組分主要包括戊糖和己糖單體。纖維素為主要包括縮聚葡萄糖的聚合物，和半纖維素為戊糖、主要為木糖的前體。只要這些糖可以從包含它們的細胞壁和聚合物中釋放出來，它們就可以很容易地轉化為燃料和有價值的組分。但植物細胞壁已經進化得對于產生組分糖的微生物、機械或化學分解具有相當的耐受力。為了克服這種耐受力，通過稱作預處理的化學方法對粉碎的生物質進行改變。預處理的目的是水解半纖維素，分解保護性的木質素結構和破壞纖維素的晶體結構。所有這些步驟將強化在隨后水解(糖化)步驟中酶與纖維素的可接觸性。

預處理在木質纖維素乙醇中被視為主要的成本驅動因素，和因此對于多種不同類型的原料已經研究了多種預處理方法。纖維素的糖化在溫和條件下通過酶保證較大的糖產率，和因此被許多人認為在經濟上更有吸引力。粗生物質對酶水解的耐受使得必須進行預處理以增強纖維素對水解酶的感應性。如Nathan Mosier,Charles Wyman,Bruce Dale,Richard Elander,Y.Y.Lee,Mark Holtzapple,Michael Ladisch在'Features of promising technologies for pretreament of lignocellulose biomass"，Bioresource Technology 96(2005)，673-686頁中所述，已經開發了多種預處理方法來改變生物質的結構和化學組成，從而改進酶的轉化率。Biomass Refining Consortium for Applied Fundementals and Innovation(CAFI)完成了"主導預處理"技術的最新比較，并在2011年12月的期刊Bioresource Technology中進行了報道。這種方法包括：在US 4,461,648中描述的用稀酸蒸汽噴發進行處理；在WO 2007/009463A2中描述的不加入化學品的水熱預處理；AFEX；Holtzapple,M.T.,Jun,J.,Ashok,G.,Patibandla,S.L.,Dale,B.E.,1991中描述的氨冷凍噴發；Applied Biochemistry and Biotechnology 28/29，59-74頁描述的氨冷凍噴發(AFEX)方法-實際的木質纖維素預處理；和US 4,409,032中描述的有機溶解抽提等。盡管如此，預處理已經成為在生物質轉化為燃料的過程中最昂貴的過程(參見Eng.Chem.Res.,2009,48(8)，3713-3729頁的"Methods for Pretreament of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuels Production")。

一種已廣泛采用的預處理方法是高溫、稀硫酸(H₂SO₄)法，它有效地將生物質的半纖維素部分水解為可溶性糖并釋放出纖維素，從而可以成功地進行酶糖化。可用以控制預處理條件和效率的參數有時間、溫度和酸負荷。它們經常經數學算式組合，稱為組合的強度因素。概括而言，所采用的酸負荷越高，可采用的溫度越低，這導致酸成本和隨后中和成本增加。相反地，溫度越低，預處理過程的時間越長，這導致體積產率成本增加。希望降低溫度，因為戊糖很容易分解形成代表產率損失的糠醛及其它產品，并且這些化合物對下游發酵來說為毒物。但為了降低預處理溫度至低于糠醛易于形成的溫度，需要應用的較高酸濃度(B.P.Lavarack,G.J.Griffin,D.Rodman"The acid hydrolysis of sugarcane bagasse hemicelluloses to product xylose,arabinose,glucose and other products."Biomass and Bioenergy 23(2002)，367-380頁)要求足夠量的酸，以至于強酸的回收成為經濟問題。如果采用稀酸物流和較高的溫度，則預處理反應產生增加量的糠醛，和流向下游的酸必須中和從而形成無機鹽，這將使下游處理變得復雜且需要更加昂貴的廢水處理系統。