生物质预处理的制作方法
【专利摘要】本发明涉及生物质预处理。具体而言，本发明涉及已经通过使用离子液体预处理开发了糖的产量和生产速率改善的木质纤维素转化成糖的方法。这种新的预处理策略实质性地提高了木质纤维素生物质的糖化效率(就产量和反应速率而言)。纤维素和半纤维素，当水解成它们的糖时，可以通过公知的发酵技术转化成乙醇燃料。这些糖还形成用于生产各种化学物质和聚合物的原料。生物质的复杂结构需要合适的预处理以使得能够有效地将纤维素和半纤维素成分糖化成它们的组分糖。现有的预处理方法的纤维素水解反应速率慢(通过使用纤维素酶)和产量低。
【专利说明】生物质预处理
[0001] 本申请是发明名称为"生物质预处理"、申请号为" 200880013151. 3 "、申请日为 2008年3月13日的发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002] 本发明涉及木质纤维生物质转化成糖。更具体地，首先用离子液体预处理木质纤 维生物质。
[0003] 发明背景
[0004] 在木质纤维生物质中，晶体纤维素纤丝包埋在组织化不太充分的半纤维素基质 中，其依次由外层木质素皮围绕。将天然产生的纤维素材料接触水解酶通常导致纤维素水 解产量低于20%的理论预期结果。因此，总是在尝试酶水解生物质中的多糖（纤维素和半 纤维素）之前进行生物质的一些"预处理"。预处理指的是将木质纤维生物质从其天然形式 转化成纤维素水解有效形式的过程，其天然形式能抵抗纤维素酶体系。与未处理的生物质 相比，有效预处理的木质纤维材料的特征在于增加的接触纤维素酶的表面积（孔隙度），和 木质素的溶解或再分配。增加的孔隙度主要由纤维素结晶性的破坏、半纤维素断裂/溶解 和木质素再分布和/或溶解的组合而引起。在实现这些因素中的一些（或全部）中的相对 有效性在现有的不同预处理方法中非常不同。这些包括稀酸，蒸汽爆发，热液作用，涉及水 介质中有机溶剂的"有机溶胶"，氨纤维爆发（AFEX)，使用如氨、NaOH或石灰这些碱的强碱 作用和高浓度磷酸处理。许多这些方法没有破坏纤维素结晶性，这是对实现快速纤维素消 化性所不可缺少的一个特征。再者，这些方法中的一些不适用预处理中所用的化学物质的 "易回收"。
[0005] 在现有的预处理技术中，最近报道了一些主要技术的协同研发（C.E. Wyman等， Bioresource Technology, (2005)96,1959)。研究者协会（Biomass Refining Consortium for Applied Fundamental and Innovation(CAFI))已经研究了充分表征的一种原料（即 玉米茎叶饲料）的预处理，通过几种那时很有前景的预处理技术，使用常规的分析方法， 和数据解释的一贯方法（C. E. Wyman 等，Bioresource Technology，（2005) 96, 2026)。特 别地，研究了 以下的：（1)稀酸水解（T. A. Lloyd 和 C. E. Wyman, Bioresource Technology, (2005)96,1967)，（2)氨纤维爆发（AFEX)技术（F.Teymouri 等，Bioresource Technology, (2〇〇5)96,2〇14)，（ 3)pH 受控液体热水处理（N.Mosier 等，Bioresource Technology, (2005)96,1986)，（4)氛水循环方法（ARP) (Τ· H. Kim 和 Υ· Y. Lee，Bioresource Technology, (2005)96,2007)和（5)石灰预处理（S. Kim 和 M.T.Holzapple，Bioresource Technology, 96,（2005) 1994)。所有上述方法有两个步骤：形成冲洗流的预处理步骤和产生水解产物流 的预处理生物质的酶水解步骤（图2)。这两个流出流中的五和六碳糖及其寡聚物的合并总 量用来估计这些方法各自的总糖产量。
[0006] 在以上的方法中，进行预处理步骤的pH从稀酸水解至热水预处理至基于碱试剂 的方法（AFEX、ARP和石灰预处理）逐渐升高。在预处理步骤的过程中，稀酸和热水处理方 法主要溶解半纤维素，而使用碱试剂的方法除去大部分木质素。因此，来自之前方法中的预 处理步骤的冲洗流主要含有半纤维素基的糖，而对于高pH的方法，该流主要含有木质素。 在基于碱的预处理方法中，随后残余生物质的酶水解形成混合糖（C5和C6)，而来自低和中 性pH方法的水解产物中，葡萄糖是主要的产物。由于木质素的除去可以影响纤维酶与纤维 素的接近性，残余生物质的酶消化性对高pH方法更好些。所有这些方法在高于水正常沸点 很多的温度下在水溶液中进行，以促进半纤维素和木质素的解聚/熔化中涉及的物理-化 学现象，并需要高压环境（6至20大气压）。再者，这些方法中没有一种可以有效地破坏生 物质中纤维素的结晶性。此外，这些方法中的一些释放大部分低聚木糖形式的木糖，许多微 生物不容易发酵这种糖，并需要其他的步骤将它们破碎成单体物质。最后，这些主要预处理 技术的比较经济分析（T.Eggeman 和 R.T.Elander，Bioresource Technology，（2005)96， 2019)表明它们与玉米干碾相比全部是资本集约的，并且对于商业化需要重要的方法改进。
[0007] 文献中还提出了其中使用溶剂如乙醇和甲醇的方法（在含水介质中）和使用碱如 NaOH的方法。这些方法也能够溶解木质素，但是它们不能够破坏纤维素的结晶性。此外，成 本太高，使得不认为这些方法对于大体积、低价值商品的制造是有竞争性的。基于浓磷酸方 法可获得的信息（Zhang等，Υ-Η P等，Biotechnol.Bioeng.97:214_223)，显示出是涉及几 个步骤的复杂方法，使得整个方法是昂贵的。然而，由于所用的苛刻条件，通过该预处理方 法获得了无定形纤维素。
[0008] 早先报道了使用离子液体溶解和处理纯纤维素（Swatloski，R. P. , Rogers, R. D. Holbrey，J. D. , US 专利 6, 824, 5"，2〇〇2 ;Holbery，J. D.，Spear, S. Κ·，Turner, Μ· Β·, 5￥&七1〇81^，1?.?.，1?(^6^，1?.0.，美国专利6,808,557,2003)。在最近的工作中，我们报道 了通过离子液体预处理来降低纤维素对酶水解抗性的有效方法（Dadi，A.，Schall，C.A.， Varanasi， S. ，"Applied Biochemistry and Biotechnology， vol.136-140， p407,2007 ; VaranaslS.，Schall，C.，和Dadi，A.，美国专利申请：2007年2月）。尽管该方法使用离子 液体来打开纯晶体纤维素材料如Avicel的结构，使其易于接近纤维素酶，但是其没有特异 性地解决木质纤维生物质的预处理，这是本发明的主题。在该文章中，记录了已经研究了最 近的通过使用离子液体从生物质分离纤维素（Fort，D.A.，Remsing，R.C.，Swatloski，R.P., Moyna，Ρ· , Moyna，G. , Rogers, R. D. , Green Chemistry 9 :63-69,2007)和生物质在离子液 体中的完全分解（Vesa，M.Aksela，R.，欧洲专利W0 2005017001,2005)。之前的申请集中于 生物质的纤维素部分"完整回收"，用于材料发展，而之后的目的在于鉴定将导致生物质"完 全分解"的ILs和条件。然而，目前没有可以用于快速并有效糖化木质纤维生物质的多糖部 分的高产量预处理方法。本发明研发了区分生物质的三种主要成分（即，木质素、半纤维素 和纤维素）对IL的"亲和性"，结合一些IL在破坏纤维素部分的结晶性中的独特能力，以设 计出有效糖化生物质多糖部分的方案。本发明既不需要从生物质中提取纤维素，也不需要 在IL中溶解生物质。
[0009] 发明概述
[0010] 木质纤维生物质是具有吸引力的原料，因为其是可以转化成液体运输燃料、化学 物质和聚合物的大量的、本国的、可再生资源。木质纤维素的主要成分如下：（1)半纤维素 (20-30% )，五和六碳糖的无定形聚合物；(2)木质素（5-30% )，酚化合物高度交联的聚合 物；和（3)纤维素（30-40% )，纤维二糖（葡萄糖二聚物）的高度结晶聚合物。纤维素和半 纤维素通过公知的发酵技术，水解成它们的糖时，可以转化成乙醇燃料。这些糖还形成用于 生产各种化学物质和聚合物的原料。生物质的复杂结构需要适当的预处理，使得能够有效 地将纤维素和半纤维素成分糖化成它们的成分糖。目前的预处理方法经受着纤维水解的反 应速率慢（使用纤维素酶）和糖产量低（C.E.Wyman等，2005，Bioresource Technology:96， 1959)。
[0011] 已经通过使用离子液体（IL)预处理研发了糖的产量和生产速率改善的木质纤维 素的碳水化合物转化成糖的方法。这种新的预处理方案实质性地提高了木质纤维生物质的 糖化效率（就产量和反应速率而言）。这种IL-预处理方法对从生物质生产糖的整体经济 具有主要影响（并且与一些最主要的方法完全相反）的其他独特特征是（i)用能够破坏天 然纤维素结构的IL处理各种木质纤维生物质来源的能力，（ii)在培养过程中处理大的生 物质与IL比例的能力，（iii)在非常低的酶装载下完成糖化的能力，（iv)用大的生物质颗 粒能充分进行的能力，（v)用于预处理生物质的IL的全部回收（通过容易的方法）和多重 再利用的潜能，（vi)生产不含抑制成分糖下游处理的化合物的水解产物的能力，（如以乙 醇和乳酸生产作为例子），和（vii)糖化后可以回收生物质中的大部分木质素。
[0012] 附图简述
[0013] 图1是本发明的预处理方法之前和之后的生物质的图示。在图中，将木质素、半纤 维素和纤维素各自表示为黑色、绿色和蓝色区域。在未处理的生物质中，高度结晶纤维素 纤丝包埋在组织化不太充分的半纤维素基质中，其依次由外层木质素覆层围绕一在图中为 最左边的画面。理想的生物质预处理应当能够完成以下任务：（i)替换/除去木质素覆层， (ii)打开/除去半纤维素，和（iii)降低/消除纤维素部分的结晶性。该图在两个步骤中 描述了这三个任务：步骤1包括任务（i)和（ii)，而步骤2表示认为（iii)。大部分现有的 预处理方法只完成任务（i)和（ii)，（即，步骤1)，而没有步骤2。然而，步骤2在减少有效 完成水解需要的时间和酶装载中非常重要。
[0014] 图2.用于从木质纤维生物质生产燃料和化学物质的"糖-平台"的流程图。
[0015] 图3.用于生物质的离子液体预处理的主要处理步骤。通过用离子液体培养，接 着用洗涤溶剂如醇或水提取IL来预处理生物质。然后可以通过离心或过滤从离子液体/ 水-溶剂溶液中分离出处理过的生物质，并送至水解（糖化）反应器。可以在闪蒸步骤中 从非挥发性离子液体中分离出洗涤溶剂（即，甲醇、乙醇或水），而将离子液体返回至预处 理罐中，溶剂返回至生物质洗涤步骤中。可以从糖化反应器中回收酶并循环利用。糖化后 的残余固体部分主要是木质素，可以将其回收用于进一步的处理。
[0016] 图4 :左边的小瓶在120°C培养一小时后，在白杨/IL混合物中含有33重量％白 杨。右边的小瓶在室温下含有未处理的白杨和IL(以其固体状态）。以该重量份数培养后 使用IL-处理的白杨观察到明显的膨胀（?100% )。
[0017] 图5.基于通式咪唑错的离子液体结构。
[0018] 图6.基于通式吡啶.银的离子液体结构。
[0019] 发明详述
[0020] 本发明是通过使用离子液体（IL)促进碳水化合物的有效而快速的酶水解来预处 理木质纤维生物质的新方案。
[0021] 包括农业（例如，玉米茎叶饲料）和林业残余物（例如，锯屑）和草本（例如，柳 枝稷）和木质（例如，白杨树）作物的木质纤维生物质足够大量来提供制备燃料和化学物 质的主要来源。在木质纤维的生物质中，结晶纤维素纤丝包埋在组织化不太充分的半纤维 素基质中，其依次由外层木质素层围绕。多糖、纤维素和半纤维素的化学/生化水解成它们 的单体糖提供了用于从生物质生产燃料和化学物质的基础前体物质（称为"糖平台"）。此 夕卜，纤维素生物质必须预处理，以在水解过程中实现糖的高产量。图1是预处理之前和之后 的生物质图示。
[0022] 图2是用于从生物质生产糖的典型方法的图示。预处理，是其中成本最高的步骤， 对糖生产中的前序（例如，减小大小）和随后（例如，酶水解）操作的成本具有主要的影响。
[0023] 离子液体具有非常低的挥发性，并且用作溶剂时，没有引起挥发性成分的散发。就 这点而言，它们是环保溶剂。设计了 IL来溶解纤维素和半纤维素。溶解后，可以通过使用 抗溶剂将纤维素再生。然而，木质纤维材料（特别是木材）在IL中的完全分解更难，即使 是部分分解，需要生物质在升高温度下的IL中培养非常长时间。尽管那样，通常在再生后 不能获得高产量的纤维素（Fort，D. A.等，2007, Green. Chem. :9,63)。
[0024] 我们的发明不同于上述传统方法对离子液体的使用，因为我们的目的不在于溶解 木质纤维素，而是将其与IL接触非常短的时间，该时间足以主要破坏木质素覆盖物并使剩 余的生物质结构明显膨胀（至少30% )。这种预处理能够使随后的酶水解过程在相对短的 时间段内进行以及产生定量的葡萄糖产量和高产量的戊糖。在预处理方案中可以使用任何 能够破坏氢键结构来降低生物质中纤维素结晶性的离子液体，在此由包括咪唑银、吡咯烷 ,银、吡啶镇·或铵及其所有功能性类似物的阳离子结构来表示。例如，如图5中所示的 结构，其中虹、1?2、1?3、1?4和1?5各自是氢，具有1至15个碳原子的烷基或具有2至10个碳 原子的烯烃基团，其中烷基可以由砜、亚砜、硫醚、醚、酰胺、羟基或胺来取代，并且其中A是 卤化物、氢氧化物、甲酸盐、醋酸盐、丙酸盐、丁酸盐、任何具有最高可达总共10个碳原子的 功能化单-或二-羧酸、琥珀酸盐、乳酸盐、天冬氨酸盐、草酸盐、三氯醋酸盐、三氟醋酸盐、 二氰胺或羧酸盐。IL结构的另一个实例显示于图6中，其中R1、R2、R3、R4、R5和R6各自是 氢，具有1至15个碳原子的烷基或具有2至10个碳原子的烯烃基团，其中烷基可以由砜、 亚砜、硫醚、醚、酰胺、羟基或胺来取代，并且其中A是齒化物、氢氧化物、甲酸盐、醋酸盐、丙 酸盐、丁酸盐、任何具有最高可达总共10个碳原子的功能化单-或二-羧酸、琥珀酸盐、乳 酸盐、天冬氨酸盐、草酸盐、三氯醋酸盐、三氟醋酸盐、二氰胺或羧酸盐。齒化物可以是氯化 物、氟化物、溴化物或碘化物。
[0025] 此外，可以使用含有等式1所述组合物的离子液体混合物。
[0026]
【权利要求】
1. 膨胀的木质纤维生物质，其通过以下方法制备，所述方法包括：在离子液体中培养 含有木质素、纤维素和半纤维素的木质纤维生物质足够的时间和温度，以使所述纤维素和 半纤维素膨胀而不使所述生物质溶解于离子液体中。
2. 根据权利要求1所述的膨胀的生物质，其中所述膨胀的木质纤维生物质进一步用与 离子液体和水可混溶的对于纤维素为非溶剂的液体进行洗涤。
3. 根据权利要求2所述的膨胀的生物质，其中用于洗涤的对于纤维素为非溶剂的液体 是水、醇或乙腈，或者溶解离子液体从而从所述生物质提取离子液体的任何溶剂。
4. 根据权利要求3所述的膨胀的生物质，其中所述醇是乙醇、甲醇、丁醇或丙醇。
5. 根据权利要求1-4任一项所述的膨胀的生物质，其中所述方法包括在50°C至200°C 的温度范围下在5分钟至8小时范围内培养所述生物质。
6. 根据权利要求5所述的膨胀的生物质，其中所述温度是120°C、130°C或150°C。
7. 根据权利要求1-6任一项所述的膨胀的生物质，其中所述生物质中的纤维素和半纤 维素与培养步骤之前相比膨胀至少30体积％。
8. 根据权利要求1-7任一项所述的膨胀的生物质，其中所述离子液体在培养过程中是 熔化的。
9. 根据权利要求1-8任一项所述的膨胀的生物质，其中所述离子液体是能够破坏纤维 素或半纤维素的氢键结构的任何离子液体，其由这样的阳离子结构表示，所述阳离子结构 包括味卩坐鐵、批略烧鐵、批陡鐵、憐鐵或按。
10. 根据权利要求1-9任一项所述的膨胀的生物质，其中所述离子液体由以下的结构 来表示：
其中Rp R2、R3、R4和R5各自是氢，具有1至15个碳原子的烷基或具有2至10个碳原 子的烯烃基团，并且 其中f是卤化物、氢氧化物、甲酸盐、醋酸盐、丙酸盐、丁酸盐、任何具有最高可达总共 10个碳原子的单-或二-羧酸、琥珀酸盐、乳酸盐、天冬氨酸盐、草酸盐、三氯醋酸盐、三氟醋 酸盐、二氰胺或羧酸盐。
11. 根据权利要求1-9任一项所述的膨胀的生物质，其中所述离子液体由以下的结构 来表示：
其中Rp R2、R3、R4、R5和R6各自是氢，具有1至15个碳原子的烷基或具有2至10个碳 原子的烯烃基团，并且 其中f是卤化物、氢氧化物、甲酸盐、醋酸盐、丙酸盐、丁酸盐、任何具有最高可达总共 10个碳原子的单-或二-羧酸、琥珀酸盐、乳酸盐、天冬氨酸盐、草酸盐、三氯醋酸盐、三氟醋 酸盐、二氰胺或羧酸盐。
12. 根据权利要求10或11所述的膨胀的生物质，其中所述卤化物是氯化物、氟化物、溴 化物或碘化物。
13. 根据权利要求10或11所述的膨胀的生物质，其中所述烷基由砜、亚砜、硫醚、醚、酰 胺、羟基或胺来取代。
14. 根据权利要求1所述的膨胀的生物质，其中所述离子液体是1-正-丁基-3-甲 基味卩坐鐵氣化物、1-稀丙基_3-甲基味卩坐鐵氣化物、3 -甲基-N- 丁基批陡鐵氣化物、I-乙 基-3-甲基咪唑鎗醋酸盐或1-乙基-3-甲基咪唑鎗丙酸盐。
15. 根据前述权利要求任一项所述的膨胀的生物质，其中所述生物质是玉米茎叶饲料 或白杨。
16. 根据前述权利要求任一项所述的膨胀的生物质，其中用离子液体培养生物质可以 耐受10 %溶解水。
17. 根据前述权利要求任一项所述的膨胀的生物质，其中混合物的培养温度通过伴随 搅拌的常规加热或者使用间歇搅拌的微波辐射达到。
18. 根据权利要求1所述的膨胀的生物质，其中可以使用具有等式1所述组成的离子液 体混合物：
其中C+表示离子液体的阳离子，而A-表示离子液体的阴离子成分，进一步地，其中加 入混合物中的每种离子液体可以具有与之前的成分相同的阳离子或与之前的成分相同的 阴离子，或与之前的成分的不同仅仅在于阳离子和阴离子的独特组合。
19. 根据权利要求18所述的膨胀的生物质，其中离子液体的混合物包含： [BMIM+] [CF] +[BMIM+] [PF6-] + [EMIM+] [CF]+ [EMIM+] [PF6-] + [EMIM+] [BF4I 〇
【文档编号】C12P19/14GK104232704SQ201410451955
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2008年3月13日 优先权日:2007年3月14日
【发明者】S·瓦拉纳西, C·A·沙尔, A·P·达迪, J·安迪生, K·拉奥, P·帕里帕蒂, G·库马 申请人:托莱多大学, 舒加尼特系统公司