处理生物质以产生可用于生物燃料的材料的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2011年11月3日、发明名称为"处理生物质以产生可用于生物 燃料的材料"的中国发明专利申请No. 201180053011. 0的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及用于处理生物质的方法，更具体地，本发明涉及预处理生物质以从含 有多糖的材料产生糖，以用于生物燃料或其它高价值产品。
【背景技术】
[0003] 木质纤维素生物质被认为是用于燃料和化学品的丰富的可再生资源，因为在植物 的细胞壁中存在糖。地球表面上超过50%的有机碳包含于植物中。这种木质纤维素生物质 由半纤维素、纤维素和少部分的木质素和蛋白质组成。纤维素是一种聚合物，主要由缩合聚 合的葡萄糖组成，半纤维素是戊糖、主要是木糖的前体。这些糖能够容易地被转化为燃料和 有价值的成分，条件是它们能够从包含它们的细胞壁和聚合物中被释放出来。然而，植物细 胞壁已经进化得对于微生物、机械或化学分解以产生糖组分具有相当的抗性。已经进行了 多种克服该障碍的方法，将这些聚合物分解为糖，即糖化，具有长的历史。在图1中图解表 示了一般性的方法。
[0004] 19世纪早期的最初方法包括使用浓矿物酸例如盐酸、硝酸或硫酸进行完全化 学水解。对这些方法已经进行了多种改进，获得了从生物质原料的更高的糖产率。这 些较高的酸浓度方法提供了糖的更高的产率，但是由于经济和环境的原因，酸必须 被回收。实施这种形式的糖化的主要障碍是与酸的回收相关的挑战（M.Galbe and G.Zacchi, A review of the production of ethanol from softwood, Appl. Microbiol. Biotechnol. 59 (2002)，pp. 618-628)。在美国专利号5, 820, 687和TO2010026572中已经描 述了关于使用离子树脂分离硫酸和糖，以及通过胺提取分离盐酸和糖并随后热再生酸的最 近的努力。两种方法都是麻烦且昂贵的。
[0005] 还已经尝试了稀酸方法以进行化学糖化，一个这样的例子是Scholler-Tornesch 方法。然而，稀酸的使用需要较高的温度，这通常导致所需的糖的低产率，因为单糖 的热降解。过去已经进行了这种类型的多种方法，全部以失败告终一未能克服经济 上的障石尋°见Lim Koon Ong, Conversion of lignocellulosic biomass to fuel ethanol-A brief review, The Planter, Vol. 80, No. 941, August 2004and Cell Wall Saccharification, RalfMdller,Outputs from the EPOBIO project, 2006 published by CPL Press, Tall Gables, The Sydings, Speen, Newbury, Berks RG141RZ，UK〇
[0006] 酶促糖化纤维素具有在更温和的条件下提供糖的更高产率的前景，因此被很多人 认为更有经济上的吸引力。粗生物质对于酶促水解的抵抗使得需要预处理以增强纤维素对 于水解酶类的易感性。已经开发了多种预处理方法以改变生物质的结构和化学组成以改善 酶促转化，例如描述于Nathan Mosier，Charles Wyman，Bruce Dale，Richard Elander，Y. Y.Lee,Mark Holtzapple, Michael Ladisch "Features of promising technologies forpretreatmentoflignocellulosicbiomass"BioresourceTechnology96(2005)pp. 673-686。此类方法包括使用稀酸蒸汽爆破处理，描述于美国专利号4, 461，648 ; 水热预处理而不加化学品，描述于WO2007/009463A2 ;描述于AFEX中的氨冷冻爆破， Holtzapple,M.T. ,Jun,J. ,Ashok,G. ,Patibandla,S.L. ,Dale,B.E. , 1991,Theammonia freezeexplosion(AFEX)process-apracticallignocellulosepretreatment,Applied BiochemistryandBiotechnology28/29,pp. 59-74;有机溶剂提取，描述于美国专利号 4, 409, 032。虽然如此，在生物质向燃料转化中预处理被认为是最昂贵的过程（"Methods forPretreatmentofLignocellulosicBiomassforEfficientHydrolysisand BiofuelProduction"Ind.Eng.Chem.Res.，2009, 48 (8)，3713-3729.)
[0007] 已经深入开发的一种预处理是高温、稀硫酸（H2S04)方法，其有效地将生物质的 半纤维素部分水解为可溶性糖并暴露纤维素，从而酶促糖化是成功的。可用于控制预处理 的条件的参数有时间、温度和酸载量。这些参数通常组合于被称作组合强度因子的数学 公式中。一般地，使用的酸载量越高，可应用的温度越低；这会以酸及其回收为代价。相 反，温度越低，预处理时间越长；这会以容量生产力为代价。理想的是降低温度，因为戊 糖易于分解以形成糠醛和其它物质，这代表了产率损失，并且这些化合物对于下游发酵是 有毒的。然而，使预处理温度降低至低于容易形成糠醛的温度所需使用的较高的酸浓度 (B.P.,Lavarack,G.J.Griffin,D.RodmanaTheacidhydrolysisofsugarcanebagasse hemicellulosestoproductxylose,arabinose,glucoseandotherproducts,biomass andBioenergy23(2002)pp. 367-380)再次使得需要回收强酸。如果使用稀酸流和较高的 温度，则预处理反应产生数量增多的糠醛，并且酸通过的下游必须被中和，这产生无机盐， 其使得下游加工复杂化并且需要更昂贵的废水处理系统。
[0008] 发明概述
[0009] 鉴于以上信息，理想的是利用易于转化为可回收的和/或可循环利用的、优选中 性成分的强酸。这样的系统对于浓酸水解方法和稀酸生物质预处理都是有益的。
[0010] 本发明的一个实施方式包括一种方法，其包括：(a)提供包含多糖的生物质；和 (b)将所述生物质与包含至少一种a-羟基磺酸的溶液接触，从而水解所述生物质以产生 包含至少一种可发酵糖的产物；和（c)任选地，通过加热和/或减压从所述产物中以组分形 式除去a-羟基磺酸，以产生除去了酸的、包含至少一种可发酵糖的、基本上不含a-羟基 磺酸的产物。
[0011] 在另一个实施方式中，方法包括以组分或以其重组形式回收以组分被除去的 a-羟基磺酸至步骤（b)。
[0012] 在另一个实施方式中，方法还包括水解所述除去了酸的产物。
[0013] 在另一个实施方式中，方法包括发酵包含通过上述方法产生的含有糖的流。
[0014] 在另一个实施方式中，组合物包含（a)含有多糖的生物质，（b)至少一种a-羟基 磺酸，和（c)水。
[0015] 在另一个实施方式中，组合物包含（a)含有多糖的生物质，（b)至少一种a-羟基 磺酸，（c)水，和（d)至少一种可发酵糖。
[0016] 本发明的特征和优点将对于本领域技术人员明显。虽然本领域技术人员可以对其 进行多种改变，但是这些改变在本发明的精神中。
【附图说明】
[0017] 附图诠释了本发明的一些实施方式的某些方面，不应用于限制或定义本发明。
[0018] 图1图示了木质纤维素处理的框图。
[0019] 图2图示了本发明的生物质处理方法的一个实施方式的框图。
[0020] 图3图示了本发明的生物质处理方法的另一个实施方式的框图。
[0021] 图4显示了与仅有生物质、水和S02的相当的例子相比较，在存在10wt. %a-羟 基乙磺酸和10. 7%生物素的情况下随时间回收的木糖。
[0022] 图5显示了在存在a-羟基磺酸和l〇wt. %甘蔗渣的情况下随时间产生的糠醛克 数/克木糖。
[0023] 图6显示了三维IR图，将来自处理甘蔗渣（于100°C使用20wt.%a-羟基乙磺 酸处理，然后转化酸）的单个IR谱相对于时间作图。
[0024] 具体描述
[0025] 本发明提供了在用于产生糖和生物燃料的方法中用于酸处理生物质的改进的方 法。a-羟基磺酸对于在较低温度处理生物质、使生物质水解为可发酵糖例如戊糖例如木糖 是有效的，例如，对于a-羟基甲磺酸或a-羟基乙磺酸为KKTC，在该过程中产生极少的或 不产生糠醛。还已经表明一部分纤维素在这些相对温和的条件下水解。发现其它多糖例如 淀粉也被a-羟基磺酸容易地水解为糖组分。此外，a-羟基磺酸可逆转化为容易除去的 和可循环利用的材料，不像矿物酸例如硫酸、磷酸或盐酸那样。生物质处理中使用的较低温 度和压力使得设备成本较低。已经表明通过该方式预处理的生物质对于另外的糖化、特别 是酶介导的糖化是高度易感的。
【主权项】
1. 包含下列的组合物：(a)包含多糖的生物质，（b)至少一种α -羟基磺酸；和（c)水。
2. 权利要求1的组合物，还包含（d):至少一种可发酵糖。
【专利摘要】可以通过将生物质与含有至少一种α-羟基磺酸的溶液接触而从生物质产生用于产生生物燃料的可发酵糖。α-羟基磺酸可以从产物中容易地被除去和回收。
【IPC分类】C13K1-02, C13K1-04
【公开号】CN104651539
【申请号】CN201410829305
【发明人】R·L·布莱克博恩, P·R·韦德
【申请人】国际壳牌研究有限公司
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2011年11月3日
【公告号】CA2815904A1, CA2815904C, CN103189526A, CN103189526B, EP2635712A1, EP2635712B1, US20120122152, US20130196400, WO2012061596A1