使用超纖維素溶劑和高揮發(fā)性溶劑預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種使用超纖維素溶劑和高揮發(fā)性溶劑預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法和裝置。本發(fā)明的實(shí)施方案以經(jīng)濟(jì)上可行的方式克服了木質(zhì)纖維素生物質(zhì)眾所周知的頑拗性。提供用于有效地將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)分級(jí)為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的方法和系統(tǒng)。由此獲得的纖維素和半纖維素高度無(wú)定形，并且利用已知方法可以容易地轉(zhuǎn)化為高濃度五碳糖和六碳糖的混合物。糖的典型產(chǎn)量超過(guò)每升糖液100克糖。根據(jù)本發(fā)明的方法可以容易地制備其它產(chǎn)物，如醇。本發(fā)明有些實(shí)施方案中的適中的方法條件和低溶劑/固體比率需要相對(duì)低的資金和處理成本。
【專利說(shuō)明】使用超纖維素溶劑和高揮發(fā)性溶劑預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法和裝置
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年3月16日，申請(qǐng)?zhí)枮?00980117175.8，發(fā)明名稱為“使用超纖維素溶劑和高揮發(fā)性溶劑預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法和裝置”的中國(guó)發(fā)明申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0003]本申請(qǐng)依賴并要求2008年3月14日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/036，813號(hào)的權(quán)益，在此通過(guò)參考將其全部公開(kāi)內(nèi)容并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明涉及可替代能源的領(lǐng)域及從這些能源提取能量的方法。更特別地，本發(fā)明涉及生物降解和生化降解植物材料，包括木質(zhì)纖維素，用于生產(chǎn)人類活動(dòng)中使用的能源。
【背景技術(shù)】
[0005]從可再生木質(zhì)纖維素生產(chǎn)生物類產(chǎn)品和生物能源對(duì)于面臨自然資源，特別是化石燃料的枯竭，及由此產(chǎn)生的大氣二氧化碳(CO2)積聚的人類工業(yè)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展是重要的。而且，有效地將農(nóng)業(yè)和林業(yè)殘余物轉(zhuǎn)化可發(fā)酵糖的技術(shù)的發(fā)展為造福美國(guó)國(guó)家利益提供了顯著的潛力。此外，從可再生木質(zhì)纖維生物質(zhì)生產(chǎn)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(dǎo)致從基于化石燃料的經(jīng)濟(jì)向可持續(xù)的碳水化合物經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變所必需的生物產(chǎn)業(yè)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(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)，加強(qiáng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高國(guó)家能源安全。然而，該領(lǐng)域內(nèi)的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括發(fā)現(xiàn)用于能源生產(chǎn)的新技術(shù)和降低將生物質(zhì)(主要是木質(zhì)纖維素)轉(zhuǎn)化為所需的生物類工業(yè)產(chǎn)品和生物能源的技術(shù)成本。 [0006]木質(zhì)纖維生物質(zhì),如農(nóng)業(yè)和林業(yè)殘余物、城市和工業(yè)固體廢物、及草本和木本生物能源植物，是天然的復(fù)雜的復(fù)合物，主要由三種生物聚合物:纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。根據(jù)其來(lái)源，木質(zhì)纖維素典型地含有纖維素(約35-50wt%)、半纖維素(約15-35%)和木質(zhì)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(jié)構(gòu)性多糖，如半纖維素、木質(zhì)素和果膠密切關(guān)聯(lián)。
[0007]有效地、成本競(jìng)爭(zhēng)性地由頑勘的(recalcitrant)生物質(zhì)生產(chǎn)可發(fā)酵糖仍然是進(jìn)行纖維素乙醇生物煉制的最大障礙。通過(guò)生物轉(zhuǎn)化的生物質(zhì)糖化作用涉及兩個(gè)關(guān)鍵步驟:木質(zhì)纖維素預(yù)處理或分級(jí)(fractionation)，其后纖維素(和可能半纖維素)的酶水解以生產(chǎn)可發(fā)酵糖。該轉(zhuǎn)化方法的高處理成本及原料成本和糖價(jià)格之間的薄利是商業(yè)化的關(guān)鍵障礙。
[0008]最重要的技術(shù)挑戰(zhàn)之一是克服天然木質(zhì)纖維材料的頑拗性以使酶水解從而生產(chǎn)可發(fā)酵糖。木質(zhì)纖維素預(yù)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(zhì)纖維素分解的多數(shù)其他操作的成本，包括在預(yù)處理之前減小木質(zhì)纖維素尺寸的成本。木質(zhì)纖維材料的預(yù)處理因而與包括酶水解速率(enzymatic hydrolysisrate)、酶荷載、混合動(dòng)力消耗、產(chǎn)物濃度、如果生成抑制劑的解毒、產(chǎn)物純化、發(fā)電、廢物處理的需求以及其他變化過(guò)程的下游成本緊密相關(guān)。
[0009]認(rèn)為纖維素生物質(zhì)對(duì)酶的頑拗性是由于I)包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的幾種主要多糖間的復(fù)雜聯(lián)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(duì)纖維素酶的低基質(zhì)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(rèn)為木質(zhì)纖維材料的預(yù)處理是從這些材料提高產(chǎn)物總產(chǎn)量(yield)的重要步驟。
[0010]所有的木質(zhì)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(xué)法，包括稀酸(例如，稀H2S04、#H3P04、稀HC1、稀乙酸、稀甲酸/HC1)、堿(例如，NaOH、石灰、氨、胺)、有機(jī)溶劑(organosolv)、氧化劑(例如，03、NO、H202、NaClO2)、纖維素溶劑(例如，cadoxen)、DMAc/LiCl 和濃 H2SO4 ；3)物理-化學(xué)法，包括有或無(wú)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，C02、C02/H20、C02/S02、NH3、H20)；及4)生物法(例如，白腐真菌(white rod fungi))。
[0011]最近，生物質(zhì)精煉應(yīng)用基礎(chǔ)和創(chuàng)新聯(lián)盟(Biomass Refining Consortium forApplied Fundamentals anc Innovation(CAFI))著手了第一個(gè)協(xié)作項(xiàng)目以發(fā)展關(guān)于執(zhí)行主流預(yù)處理選擇的比較信息。該聯(lián)盟作出以下結(jié)論:最好的預(yù)處理包括:稀酸、通流預(yù)處理、氨纖維爆破、氨再循環(huán)滲濾(ARP)和石灰預(yù)處理。另外，在歐洲和加拿大已對(duì)兩種其它可能的預(yù)處理進(jìn)行了深入的研究:用或不用SO2浸潰的蒸汽爆破和有機(jī)溶劑。用于生物質(zhì)預(yù)處理的典型條件列于表1。
[0012]表1:用于木質(zhì)纖維預(yù)處理的技術(shù)和代表性反應(yīng)條件
[0013]`
【權(quán)利要求】
1.一種用于分級(jí)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 沉淀槽，其用于沉淀纖維素和半纖維素以及用于溶解木質(zhì)素； 洗滌器，其用于洗滌所述沉淀的纖維素和半纖維素；和 汽提器，其用于從所述沉淀的纖維素和半纖維素中汽提溶劑， 其中所述系統(tǒng)不包括用于從半纖維素中分離纖維素的分離器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括消化器，所述消化器用于將含有木質(zhì)纖維素的原料消化為具有約0.5cm以下粒徑的顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括水解槽，所述水解槽用于水解所述沉淀的纖維素和半纖維素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括蒸餾柱，所述蒸餾柱用于分離來(lái)自洗滌器的洗液的組分，其中所述蒸餾柱不是分級(jí)-蒸餾柱。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所 述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括爐。
【文檔編號(hào)】D21C3/04GK103819688SQ201410067339
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日:2008年3月14日
【發(fā)明者】珀西瓦爾·張·Y·H 申請(qǐng)人:弗吉尼亞暨州立大學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)公司