专利名称：：用于纤维素分离的化学氧化的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种通过使用次氯酸盐和过氧化物的组合的强氧化剂溶液将生物质(例如，蔗糖渣)转化以获得可溶解的木质素、半纤维素和纤维素的新方法。
背景技术：
：纤维素占所有植物生物质的主要部分，而且所有纤维素的来源是植物的结构组织。纤维素常常与半纤维素和木质素(它们是植物的主要组分)紧密地结合存在。纤维素由通过1，4位键接的长链P糖苷残基构成。这种键合使纤维素链能够结晶，而且结晶的纤维素难于酶水解。半纤维素是一种无定形杂聚物，其与木质纤维素分离时能被水解。木质素-一种多酚聚合物-与植物纤维细胞一起散布在纤维素和半纤维素中，并且阻碍纤维素的酶水解。水解生物质中纤维素的尝试在寻找制备高产量糖的经济方法方面没有取得成功，这主要是由于纤维素的晶体结构以及木质素的存在。参见U.S.5，782，982。甘蔗渣是甘蔗在制糖厂榨取以后其木质纤维素废物部分。甘蔗渣不是均质材料，而是含有甘蔗植物的茎和叶以及田地的泥渣的残留物。主要的糖类组分被称为多葡聚糖。多葡聚糖每个纤丝包含约40条氢键合的葡萄糖链，而且包括纤维素、半纤维素、聚木糖和阿拉伯糖链，每个木聚糖链约3-4个葡聚糖链，全部与木质素胶合在一起。一些木质素与纤维素共价键连接，一些与半纤维素共价键连接。半纤维素一般不与纤维素链接。埋藏在纤维内部的纤维素本质上通常是晶体，难以用酶水解。甘蔗渣是典型的木质纤维素废物而且含有约40%纤维素、27%半纤维素、20%木质素和13%水溶性物质。参见M.Neurciter等人的"Dilute-acidhydrolysisofsugarcanebagasseatvaryingconditions",AppliedBiochemistryandBiotechnology,vol.98-100,pp.49-56(2002)。为了破裂和分离所述这些组分，即木质素、半纤维素和纤维素，已经开发了数种用于木质纤维素材料的处理方法。这些处理方法中的大部分是费用高的或者效率低的，或者由于所用化学品的用量和类型而产生有环境问题的废物。许多处理方法涉及某种形式的酸或碱处理。参见U.S.专利Nos.5，782，982;5，597，714;5,562,777以及国际公开No.W096/40970。已知在高温下使用弱酸处理木质纤维素材料能除去半纤维素和木质素以及一些纤维素。然而，强酸处理将降解所有三种组分。已知用碱处理能除去一些木质素和半纤维素，但是一些木质素保持化学键合于纤维素。参见N.Mosier等人"Featuresofpromisingtechnologiesforpretreatmentoflignocellulosicbiomass，，，BioresourceTechnology,vol.96,pp.673-686(2005)。碱或弱酸处理之后得到的固体的纟且成如下所示<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>参见D.J.Fox等人"Factorsaffectingtheenzymicsusceptibilityofalkaliandacidpretreatedsugar-canebagasse,，，，J.Chem.Tech.Biotechnol.，vol.40，pp.117-132(1987)。如表中所示，碱(NaOH)除去更多的木质素，而酸(H2S04)除去更多的半纤维素。造纸工业主要关注的是，为了打纸浆而除去木质素，以及将纸浆漂白。这通常要求在使用次氯酸盐和/或过氧化物的漂白工序之后某些形式的酸处理和碱处理。参见J.Szabo等人"UtilizationofNaCIOandH202asasourceofthesingletoxygenfortheenvironmentalbleachingofpulp，"CelluloseChemistryandTechnology，vol.28，pp.183-194(1994)以及G.Bentivenga等人的"SingletoxygenmedicateddegradationofKlasonlignin，，，Chemosphere，vol.39，pp.2409-2417(1999)。也已经提出在纤维素生物质的去木质作用中使用初生氧(或者原子氧)。参见国际公开No.WO96/33308。需要一种简单的方法，这种方法能将生物质转化成能被轻易分离的组分并且使纤维素经受纤维素酶-已知能将纤维素分解为单糖或二糖的酶类-的水解。我们已经发现了一种用于将生物质(如甘蔗渣)转化成可回收部分的简单方法，所述那些可回收部分即固体纤维素部分(浆)和可溶解的木质素和半纤维素部分。纤维素部分容易通过已知方法(如过滤、沉积、离心)分离，而且容易通过已知的纤维素酶转化成组分糖。这种简单的方法涉及用溶液处理生物质，所述溶液产生高氧化性的单线态氧，例如次氯酸盐和过氧化物的组合，其中次氯酸盐与过氧化物之比不小于5:1，优选比例为10:1。这种方法要求的添加的化学品的干重与起始生物质的干重之比显著低于现有方法中的。优选的化学品干重与生物质干重之比不大于1:1，更优选的比例不大于0.4:1，而且最优选的比例不大于0.2:1。为了增加纤维素产量，在酶水解之前用碱处理残留的纤维素。附图的简要说明图1显示与各种浓度的10:1次氯酸盐过氧化物溶液("Ox-B")—起保温30分钟后生物质中纤维素、半纤维素和木质素百分比组成(干重)的变化。
发明内容图2A显示与各种浓度的次氯酸盐溶液或者10:1次氯酸盐过氧化物溶液("Ox-B")—起保温30分钟后生物质的百分比重量损失(干重)。图2B显示与各种浓度的次氯酸盐溶液或者10:1次氯酸盐过氧化物溶液("Ox-B")—起保温30分钟后从生物质除去的木质素的百分比(干重)。图3显示单糖和二糖的回收百分比，它作为生物质的纤维素水解的指示剂，所述生物质最初用各种浓度的次氯酸盐溶液或者10:1次氯酸盐过氧化物溶液("Ox-B")处理30分钟、然后与粗纤维素酶一起保温72小时。图4显示与各种浓度的次氯酸盐溶液或者10:l次氯酸盐过氧化物溶液("Ox-B")—起保温30分钟、之后各自与碱洗剂(0.6%w/vNaOH)—起保温l小时后，生物质的百分比重量损失(干重)。图5A显示单糖和二糖的回收百分比，它作为生物质的纤维素水解的指示剂，所述生物质最初用各种浓度的次氯酸盐溶液或者次氯酸盐过氧化物溶液("Ox-B，，)处理30分钟、接着与碱洗剂(0.6%w/vNaOH)—起保温1小时、然后与粗纤维素酶一起保温72小时。图5B显示单糖和二糖的回收百分比，它作为生物质的纤维素水解的指示剂，所述生物质最初用各种浓度(O.1%、0.2%、0.5%和1.0%)次氯酸盐过氧化物溶液("Ox-B")处理30分钟和在pH8.0下处理3小时，然后与粗纤维素酶一起保温72小时。图6显示单糖和二糖的回收百分比，它作为生物质的纤维素水解的指示剂，所述生物质最初用各种浓度的次氯酸盐溶液(NaClO)或者次氯酸盐:过氧化物溶液("Ox-B")处理30分钟，对于一些实施例来说接着与粗纤维素酶一起保温72小时之前与碱洗剂(0.6%w/vNaOH)—起保温1小时，所述浓度表示为每干重的起始生物质添加的化学品的百分比。我们提出利用一种溶液将木质纤维素材料解聚的简单、有效的方法，所述溶液不仅原位产生单线态氧而且由于次氯酸盐而原位漂白。这种方法产生容易降解的和分离的生物质组分，特别是纤维素，其比现有方法使用更少的用于降解生物质的化学品。这种方法直接作用于木质纤维素材料，而且通过将大部分木质素与其它组分分离而能够在单一步骤中产生纸浆。这种方法可以使用在任何木质纤维素材料上，例如甘蔗渣或玉米秸秆、锯屑、木材或松针。根据期望的最终产品，木质纤维素材料可以直接用氧化剂溶液处理，或者在其它机械或化学处理之后(例如首先进行磨碎或在用蒸汽或NaOH初步处理之后)进行处理。如果对生物质(原料)进行机械或化学预处理，那么可以减少用来产生期望的产品的氧化剂溶液的用量。所述氧化剂溶液是过氧化物和次氯酸盐的混合物。所述组合物是通过向次氯酸盐添加过氧化物形成稳定的组合物而形成的，称为Ox-B溶液。向次氯酸盐添加的过氧化物的数量优选足以提供次氯酸盐与过氧化物的重量比不小于5:1，该比例可以高至50:1、100:1，或者更高是可能的但不那么优选。最优选地，重量比是约10:1。这种溶液是同时待审的申请，U.S.申请公开No.2004/0047915的主题。为了用于生物质降解，优选的溶液是浓度小于5%次氯酸盐0.5%过氧化物，更优选的溶液是浓度小于2%次氯酸盐0.2%过氧化物，而最优选的溶液是浓度小于1%次氯酸盐0.1%过氧化物。所述溶液的使用使生物质在添加很少化学品的情况下降解。化学品与生物质的优选的干重比是相对于每lg生物质不大于lg化学品，更优选的比例是相对于每lg生物质不大于0.4g化学品，而最优选的比例是相对于每lg生物质不大于0.2g化学品。如果与这种方法一起使用其它的预处理或后处理(如稀碱洗剂)，那么氧化剂溶液的用量可以减少。可以在氧化剂溶液中使用的过氧化物可以包括过氧化氢、碱金属或碱土金属过氧化物以及其它金属过氧化物。具体的非限定性实例包括过氧化钡、过氧化锂、过氧化镁、过氧化镍、过氧化锌、过氧化钾、过氧化钠等，优选过氧化氢和过氧化钠，特别优选过氧化氢。可以在氧化剂溶液中使用的次氯酸盐可以包括碱金属次氯酸盐例如次氯酸钠、次氯酸钩、次氯酸锂等，其中优选次氯酸钠。才艮据期望的效果，可以在各种各样的条件下用氧化剂溶液处理生物质原料。可以在约4至约12的pH范围以及约4'C至100。C的温度下应用氧化剂溶液约10分钟至约72小时。用氧化剂溶液处理之后，木质素和半纤维素部分可以通过任何传统的分离方法例如沉积、过滤或离心与富含纤维素的固体分离。然后可以使用可商购的纤维素酶轻易地将富含纤维素的浆降解为其组分糖。实现发明的方式实施例1辨伸才法术j/f维;^^;伊.甘蔗渣(渣)收集自路易斯安那当地的一个制糖厂。为了防止贮存期间微生物生长，将渣冷冻直至使用。在烘箱中8(TC下，将解冻的渣干燥至恒重，然后使用商用咖啡磨将其磨碎。通过80目过滤器的磨碎的渣用于进一步处理。所有的重量都基于干重，并且是在将材料在8(TC烘箱中干燥至恒重后测量的。用氧化剂熔液处理。所有的处理都是在室温(25°C)下搅拌的同时进行的，除非另有说明。通常，将干燥的磨碎的渣(2.5g)与100ml处理溶液混合，将混合物在室温下搅拌。为了测试温度的影响，将混合物放置在带有恒温水循环器的磁力搅拌盘上。为了改变pH，用浓酸(HC1)或碱(氩氧化钠(NaOH)或碳酸钠(NaCOj)调节pH至选择的值。对于大多数实验来说，用0.1M碳酸钠或10NNaOH将pH值保持在pH8.0。保温30分钟之后，将混合物过滤。固体部分(纤维素残余物)用20ml50。/。乙醇(w/v)洗涤，然后用100ml蒸馏水再次洗涤。对于采用碱洗剂的后处理而言，然后将残余物与0.6%NaOH—起在室温下保温1小时。使用的氧化剂溶液("Ox-B")的浓度为1%至5%次氯酸钠，比例为10:1次氯酸盐过氧化物。例如，5。/。Ox-B溶液相当于100ml溶液中5g次氯酸钠与0.5g过氧化氬；而2o/。Ox-B溶液相当于100ml水中2g次氯酸钠与0.2g过氧化氢。所有化学品从SigmaCo.(St.Louis，Missouri)商购，除非另有说明。^理^^付遂^。处理之前和之后的渣的结构糖和木质素通过NationalRenewableEnergyLaboratory(NREL，Nov.2004accessed;atthewebsitehttp://www,eere.energy,gov/biomass/analytical—procedures.html)描述的方法进行测量。錄潜化#^。纤维素残余物的酶水解使用来自绿色木霉(7Wc/oc/er鹏r/r^e)的粗纤维素酶(Cat.No.9422,SigmaCo.，St.Louis,Missouri)来进行。酶活性根据NREL方法作为滤纸单位(FPU/g固体)测量。处理的渣的样品在37。C下与酶(10FPU/g预处理的渣)一起保温72小时并且以200rpm摇动。纤维素水解的程度以与水解之前的重量相比单糖和二糖的百分比产量表示。单糖和二糖按下列方法测量。潜为、浙。糖化过程中在数个时间间隔获得样品。使用带有Aminex-HPX-87KBio—Rad柱的WaterssystemHPLC(Bio-RadLab"Hercules,California)测量木糖、葡萄糖、阿拉伯糖和纤维二糖，所述HPLC在85。C下运行，以K2HP0,为洗脱剂，采用0.6ml/min的恒定流速。折射率用于糖的检测。得自HPLC的糖浓度用于计算残余物中单糖和二糖%，其是纤维素水解的量度。实施例2pH和温度对Ox-B降解的影响进行初始实验以发现pH和温度对Ox-B溶液降解生物质和促进纤维素水解的效率。使用2%0x-B溶液(即，2g次氯酸钠、0.2g过氧化氢和100ml溶液)在25。C下进行这些初始实验，然后是在纤维素水解之前的0.6%NaOH碱洗。pH的范围为4至12。在不同的pH条件下纤维素水解的量没有显著差异。所有的溶液显示纤维素水解大于约80%,最高是约pH6(约95%)而最低是约pHIO(约80%)。(未显示数据)以相似的方式，采用2%Ox-B溶液(pH8)继之以碱洗来测试温度的影响，温度的范围从25。C至90。C。同样，作为单糖和二糖百分比测量的纤维素水解与温度无关，所有的情况显示约90%或更大的纤维素水解。(未显示数据)。实施例3Ox-B溶液与次氯酸盐溶液的比较将几种浓度的Ox-B溶液用于监测与1o/。至5%浓度的Ox-B溶液一起保温30分钟后生物质中存在的主要化合物(纤维素、半纤维素和木质素)的变化(基于千重的百分比)。结果如图1中所示，其说明随着Ox-B的浓度从1%增加至5%，纤维素的量增加而半纤维素和木质素的量减少。按照上述实施例1中所述的方法，使用相似浓度的Ox-B和次氯酸盐溶液降解甘蔗渣。当保温30分钟后测量百分比重量损失时，如图2A中所示，两种溶液的表现非常相似。当测量除去的木质素的百分比时(如图2B中所示)，以及当测量纤维素水解程度(与纤维素酶一起保温72小时后)时(如图3中所示)，也观察到相似的结果。因此，基于这个分析，Ox-B在从甘蔗渣中快速除去木质素和半纤维素方面以及所得纤维素残佘物的酶水解程度方面是非常相似的。实施例4后处理碱洗的影响为了进一步比较Ox-B与次氯酸盐提供用于纤维素降解的底物的效率，如上所述进行了实验，不同之处在于，在酶水解之前，将纤维素残余物与0.6。/。NaOH—起保温1小时。如图4中所示，就Ox-B(从0.5至5%)和次氯酸盐(从0.5至5%)两溶液的样品中百分比重量损失而言，后续处理产生了相似的结果。然而，当测量纤维素水解的量(以百分比单糖和二糖的形式)时，观察到Ox-B和次氯酸盐处理之间意外的差异。如图5A中所示，用浓度低至1%的Ox-B处理导致几乎100%的纤维素水解。相反，次氯酸盐处理的纤维素水解在约2%浓度达到最大值(约80%),然后随着浓度增加而下降。此外，当在pH8.O下使用不同浓度的0x-B处理时，在约10分钟时纤维素水解量达到约总水解的50%。同样，1%Ox-B导致100%水解，而0.5%导致50%水解(图5B)。所有浓度导致大于20%的水解。同样，以与粗纤维素酶一起保温72小时后百分比单糖和二糖测量纤维素水解。当将这些浓度表示为向原始生物质添加的化学品的百分比(即，向lg生物质添加lg化学品即是100%)时，在下列各种处理之间清楚地显示出纤维素水解的差异Ox-B、次氯酸盐、Ox-B继之以NaOH洗涤、以及次氯酸盐继之以NaOH洗涤。这些结果如图6中所示。Ox-B处理继之以碱洗在20%、40%和80%化学品下显示出高水平的纤维素水解(大于80%)。对于Ox-B而言，20%化学品是0.5%次氯酸钠和0.05%过氧化氢的溶液；40%化学品是1%次氯酸钠和0.1%过氧化氬的溶液；80%化学品是2%次氯酸钠和0.2%过氧化氬的溶液。所述碱洗不能改善次氯酸盐处理的纤维素水解。因此，在化学品水平低于40%(g化学品/gm干燥生物质；相当于用0.1%Ox-B溶液处理)下后处理与碱洗的结合突出了Ox-B和次氯酸盐之间在甘蔗渣降解方面的差异。Ox-B溶液使纤维素更适合于被纤维素酶水解。2%以上浓度的次氯酸盐溶液降低酶攻击纤维素的利用率。(图5和图6)。发现了单线态氧复合物(Ox-B,—种约10:1次氯酸钠过氧化氢的溶液)既能从蔗糖渣中除去木质素又能除去半纤维素。处理之后，纤维素残余物通过沉积作用轻易地与木质素和半纤维素分离。残余物(浆料)含有高达80重量％纤维素，而且可以通过纤维素酶轻易地降解。氧化继之以碱洗的处理在很低浓度的Ox-B下产生了一种纤维素残余物，该残余物在85和100%之间被纤维素酶降解为简单糖。由于所用化学品的用量低以及降解的效率，此方法具有商业潜力。本说明书中引用的所有文献的全部内容在此引作参考。同样引作参考的是下歹化献的全部内容Chang-Ho等人的"ChemicalOxidationforCelluloseSeparation，，，2005年3月13日在AmericanChemicalSocietyMeeting,SanDiego,California上出现的海报。万一有别的不可调和的沖突，应当以本说明书为准。权利要求1.一种将木质纤维素材料中的纤维素与木质素分离的方法，所述方法包括下列步骤(a)将木质纤维素材料与氧化溶液混合，其中所述氧化溶液包含过氧化物和次氯酸盐，其中所述氧化溶液的形成是通过向次氯酸盐成分添加过氧化物成分以便使次氯酸盐与过氧化物的重量比不小于约5∶1；和将所述混合物保温不短于约10分钟的一段时间，其中在保温期的末尾所述混合物包含含有纤维素的固体部分和含有木质素的液体部分；和(b)将所述液体部分与所述固体部分分离。2.权利要求l所述的方法，其中在木质纤维素材料和氧化溶液的混合物中，过氧化物和次氯酸盐的重量与木质纤维素材料的重量之比不大于约1:1。3.权利要求l所述的方法，其中在木质纤维素材料和氧化溶液的混合物中，过氧化物和次氯酸盐的重量与木质纤维素材料的重量之比不大于约0.4:1。4.权利要求1所述的方法，其中在木质纤维素材料和氧化溶液的混合物中，过氧化物和次氯酸盐的重量与木质纤维素材料的重量之比不大于约0.2:1。5.权利要求l所述的方法，其中所述木质纤维素材料选自甘蔗渣、玉米秸秆、锯屑、木材和松针。6.权利要求5所述的方法，其中所述木质纤维素材料是甘蔗渣。7.权利要求l所述的方法，其中所述过氧化物是碱金属过氧化物。8.权利要求l所述的方法，其中所述过氧化物是过氧化钠。9.权利要求l所述的方法，其中所述过氧化物是过氧化氢。10.权利要求1所述的方法，其中所述次氯酸盐是碱金属次氯酸盐。11.权利要求1所述的方法，12.权利要求1所述的方法，氯酸盐是次氯酸钠。13.权利要求1所述的方法，约10:1。其中所述次氯酸盐是次氯酸钠。其中过氧化物是过氧化氢而且所述次其中次氯酸钠与过氧化氢的重量比是14.一种由木质纤维素材料制备糖的方法，所述方法包括下列步骤(a)将木质纤维素材料与氧化溶液混合，其中所述氧化溶液包含过氧化物和次氯酸盐，其中所述氧化溶液的形成是通过向次氯酸盐成分添加过氧化物成分以^/f吏次氯酸盐与过氧化物的重量比不小于约5:1;和将所述混合物保温不短于约IO分钟的一段时间，其中在保温期的末尾所述混合物包含含有纤维素的固体部分和含有木质素的液体部分；(b)将所述液体部分与所述固体部分分离；(c)将所述固体部分与酶一起保温，其中所述酶将固体部分中的纤维素水解为糖。15.权利要求14所述的方法，还包括在与酶一起保温之前将固体部分与弱碱性溶液一起保温的步骤。16.权利要求15所述的方法，其中所述弱碱性溶液是氢氧化钠溶液。17.权利要求14所述的方法，其中所述酶是纤维素酶。18.权利要求14所述的方法，其中在木质纤维素材料和氧化溶液的混合物中，过氧化物和次氯酸盐的重量与木质纤维素材料的重量比不大于约1:1。19.权利要求14所述的方法，其中在木质纤维素材料和氧化溶液的混合物中，过氧化物和次氯酸盐的重量与木质纤维素材料的重量比不大于约0.4:1。20.权利要求14所述的方法，其中在木质纤维素材料和氧化溶液的混合物中，过氧化物和次氯酸盐的重量与木质纤维素材料的重量比不大于约0.2:1。21.权利要求14所述的方法，其中木质纤维素材料选自甘蔗渣、玉米秸秆、锯屑、木材和松针。22.权利要求21所述的方法，其中所述木质纤维素材料是甘蔗渣。23.权利要求14所述的方法，其中所述过氧化物是碱金属过氧化物。24.权利要求14所述的方法，其中所述过氧化物是过氧化钠。25.权利要求14所述的方法，其中所述过氧化物是过氧化氢。26.权利要求14所述的方法，其中所述次氯酸盐是碱金属次氯酸盐。27.权利要求14所述的方法，其中所述次氯酸盐是次氯酸钠。28.权利要求14所述的方法，其中所述过氧化物是过氧化氬而且其中所述次氯酸盐是次氯酸钠。29.权利要求14所述的方法，其中次氯酸钠与过氧化氢的重量比是约10:1。全文摘要发现一种氧化溶液(Ox-B，一种次氯酸钠过氧化氢不小于5∶1的溶液)既能从甘蔗渣中除去木质素又能除去半纤维素。处理之后通过沉积很容易地将纤维素残余物与木质素和半纤维素分离。残余物(浆)含有高达80重量％纤维素，很容易被纤维素酶降解。用低浓度的Ox-B氧化处理，接着碱洗，生成能够通过纤维素酶几乎完全水解为单糖的纤维素残余物。出于化学品低用量以及降解效率这两方面的原因，此方法具有商业潜力。文档编号B27N1/00GK101163578SQ200680013710公开日2008年4月16日申请日期2006年3月8日优先权日2005年3月11日发明者D·F·戴,郑长镐申请人:路易斯安那州州立大学及农业机械学院管理委员会