利用亚临界水从烟草生物质中水解碳水化合物的绿色工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本文的实施例通常涉及亚临界水水解的方法来增强烟草品种以用于生物乙醇，生 物基产品中的糖和油以及液体燃料的经济生产。
【背景技术】
[0002] 谷物生产乙醇的工艺是一项成熟的技术以及水解淀粉所需的酶（a_淀粉酶和糖 化酶）在市场上是可得到的。当使用木质纤维原料(柳枝，松木）时，乙醇的生产变得非常困 难，糖是锁在一个非常复杂的结构中，因此需要昂贵的酶来解锁糖。在研究群体中，这被称 为"顽固"，于是限制了目前酿酒商在从可用的纤维素原料能量含量中只有40%的转换率到 乙醇。如果单糖容易得到，相比之下，发酵工艺中单糖中可转换约90%的能量到乙醇。
【发明内容】
[0003] 大部分技术的一些障碍在于从木质纤维素生物质到生物乙醇的大规模商业化，需 要在以下几个领域的重要技术突破： 原料开发：当前的原料费用假设为70-80$/公吨。然而，成本很可能受地域影响。重要 的是要精确估算原料成本，这可能会限制工厂位置在某些特定的区域。
[0004] 木质素利用：木质素是一种复杂的芳香族聚合物和在处理木质纤维素材料得到生 物乙醇时提供了相当大的挑战。用于工艺用热和能量制造的木质素的燃烧过程是在整个转 换工艺中降低热力效率(约35%)的主要原因之一，木质素(生物产品）的更好或高的利用值 可提尚整个工艺的效率。
[0005] 酶的成本：发酵5和6碳糖的廉价酶的开发首先必需要降低木质纤维素原料生产 乙醇的成本。根据最近的一项研究，如果在生物质的糖可以在最大理论产量转换，由玉米秸 杆转化制成的酶到乙醇的成本是〇. 68美元/gal，如果基于糖化和发酵产量则是1. 47美元 /gal〇
[0006] 考虑到上述挑战，本文公开了一种利用烟草作为生物燃料的生物质平台的工艺。 公开了新型原料的选择性结合水性绿色工艺技术以从自然生长或转基因烟草和烟杆中生 产可发酵糖和烟草油。所推荐的系统性方法可解决原料开发，木质素利用率，以及酶成本的 挑战。
[0007] 在这里的实施例披露了使用一种独特的环保型亚临界水水解工艺并利用天然或 新型增强烟草植物品种来生产可发酵糖以及油/脂肪的方法。烟草是有针对性的生物质平 台，因为它是一种行之有效的非食品工业作物，在美国和其他120多个国家有悠久的400年 的种植传统。因为农民们通常对没有农业市场历史的农作物的生产产生警惕，这是很关键 的。烟草也有一个基因修饰的已被大家接受的历史，每公顷可以产生非常高的生物质。
[0008] 本文提供了从烟草生物质中回收糖的工艺。一种工艺包括将一烟草原料和低温亚 临界水送至反应器中；利用低温亚临界水水解烟草原料；从反应器中回收第一液体产品以 及第一固体产品；利用高温亚临界水再循环第一固体产品到反应器；利用高温亚临界水进 一步水解固体产品；以及从反应器中回收第二液体产品和第二固体态产品，其特征在于所 述第一液体产品和第二液体产品包含糖。
[0009] 从烟草生物质中回收糖和尼古丁的方法，包括将烟草植物的生物质和亚临界水供 给到一反应器中，在150-350° C之间利用亚临界水水解烟草植物的生物质以及从反应器 中回收第一液体产品以及第一固体产品，其特征在于所述液体产品中包含水溶性糖类和尼 古丁。
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【附图说明】
[0011] 参照下面的详细描述和附图，本发明的各种特点、优点和其他用途，将变得更加明 显： 图1示意出了一个有代表性的烟草茎中存在的碳水化合物组成的图； 图2示意出了由离子色谱分析(戴安ICS-5000模型）的一个典型的烟草生物质的酸水 解样品中糖的比例分布(结构糖）的图表； 图3为本发明公开的一种用于烟草生物质的亚临界水水解工艺的示意图； 图4是一种在亚临界水中的纤维素的简化反应示意图； 图5为本发明工艺的流程图； 图6是一种用于烟草浆的烟草生物质的成分分析图表（以干重为基础）； 图7是一个经过两级亚临界水萃取后的最终残留物的组成图（以干重为基础）；以及 图8为烟草杆样本的组成图表（以干重为基础)。
[0012]
【具体实施方式】
[0013] 本文公开了以亚临界水为基础的绿色工艺，用于将烟草生物质中存在的碳水化 合物转化成水溶性糖(低聚物和单体)，这将消除应用在木质纤维素生物质水解中的传统纤 维素酶的使用。而且，所述工艺能够分馏脂/油和在亚临界水解工艺提出的烟草生物质中 存在的尼古丁。尼古丁是一种主要存在于烟草和少量存在于番茄，马铃薯，茄子，和绿辣 椒中的生物碱(一个具有碱性电荷的物质）。尼古丁的化学名称和方程式分别是3- (1-甲 基-2-吡咯烷基）吡啶和C1(]H14N2。尼古丁的干重占烟草植物的0. 3-3%，以及生物合成发生 在根部，并在叶子上积累。尼古丁是一种有效的神经毒素，应用在许多杀虫剂中。本文在以 下披露的是新颖的： 进料部分：利用转基因或非转基因以及专业挑选的烟草以增加绿色生物质中脂类的积 累。所述工艺可被应用来从烟草杆中提取糖类。成分分析表明，改性或未改性的烟草叶中 的非结构性糖可媲美能量作物(柳枝稷，芒草）而烟叶中的木质素含量明显低很多。以干重 为基础计，烟叶的元素分析表明具有37_39wt%的碳含量和约5wt%的油含量。烟草生物质 中多于75%的结构或非结构糖是可在水解时作为葡萄糖应用的，其使用市售的酿酒酵母发 酵。这里要注意的是，六碳糖的发酵(如葡萄糖）比五碳糖相对容易（例如木糖)。具有开发 重大生物质能力的原料的范围广泛，可使用本发明的方法处理。
[0014] 进料准备：高压下的供料浆经常具有施工工程上的困难，但在大规模时可应用螺 杆或类似市售的栗而不再是问题。与木质纤维素生物质（如柳枝，玉米秸杆)相比，由于非结 构糖和抽提物的存在使得烟草生物质具有相对较少的纤维和油。新鲜收割的烟草生物质的 水分含量范围为84到96wt%，可用于湿磨。因此，与高压抽运烟草生物质浆泥相关的困难将 不再重要。为了将烟草生物质栗送入反应器，所述烟草团被湿磨以得到5-15wt%的更容易 栗送的浆。
[0015] 烟草浆和脂/油分馏的亚临界水解：改性后的烟草叶中主要含有生物大分子如碳 水化合物，油，和少量的尼古丁。这些聚合物组分在亚临界水介质中具有不同的水解率，也 对停留时间非常敏感。水解率的差异可以利用来水解碳水化合物得到水溶性低聚糖和单体 糖。由于尼古丁很容易随着糖一起被水解，在亚临界水水解后的液相部分，预计含有一些可 溶性的尼古丁。一般来说，在一个连续的工艺中，在非常短的停留时间（5秒到15分钟，作 为非限制性的例子）可以实现高转换率，可有助于设计一个具有高生产量的、非常紧凑的反 应器。本发明的新工艺基于可扩展的技术采用亚临界水在很短的停留时间里分馏目前烟草 生物质中的糖类和脂类/油。
[0016] 图1示意出了烟草茎的一个代表性的实施例中存在的碳水化合物的组成。这个样 本的糖总量以干重（DW)计为55. 8% (以新鲜的重量计为7. 67wt%)。从组成中可以得出，所 述茎包含可采用索氏提取法用水提取的28. 31wt%的水溶性化合物。这表明在更温和的条 件下（< 200° C)，亚临界水能水解这些非结构（自由和非晶)的碳水化合物和提取物。如图 1所示剩余的约为48. 9wt% (DW)的结构糖类也可采用亚临界水在200至350° C的高温下 在亚临界水条件下进行水解。
[0017] 烟草生物质中超过75wt% (DW)的的糖类，根据植物的不同部位，可在水解时作为 葡萄糖。图2示意出了在离子色谱法分析(戴安ics-5000模型）中一个典型的烟草生物质 的酸水解样品中糖的比例分布(结构糖)。
[0018] 烟草生物质总体的亚临界水水解处理工艺在图3中示意。水从一个供水系统10通 过栗12栗送到一个混合器14以及烟草原料供应系统16中的烟草原料通过栗18栗送到混 合器14。从混合器14中提供原料给反应器20。阶段I和阶段II示意了本发明简化的工 艺。这些阶段可被整合在反应器20中，例如一个在不同的管段长度具有多个开口的管状反 应器，通过保持沿着反应器20的温度梯度