专利名称：木质纤维素生物质转化的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种从木质纤维素生物质，特别是含有能源作物、一年生植物、农业废料或木材或其它物质的木质纤维素生物质中制备第二代生物燃料和/或糖基化学制品例如乙醇、丁醇等和/或材料例如塑料、单细胞蛋白等以及磺化木质素(木素磺酸盐)的方法。尤其是，本发明涉及一种从木质纤维素生物质中制备单糖、糖基化学制品、生物燃料或材料以及磺化木质素的方法，其至少包括下列步骤(i)用亚硫酸盐蒸煮步骤预处理木质纤维素生物质；(ii)将由步骤⑴预处理得到的木质纤维素生物质分离为(a) “亚硫酸盐废液(SSL) ”液相，其包括50%或更多磺化木质素形式的木质纤维素生物质的木质素，以及(b)浆粕，其包括70%或更多的木质纤维素生物质的纤维素；(iii)将步骤(ii)得到的浆粕(b)水解为包括单糖的糖化学平台(platform)；(iv)任选地进一步处理步骤(iii)得到的单糖以产生有用的化学制品、生物燃料和/或蛋白质；以及(ν)直接转化或进一步将步骤(ii)得到的液相(a)的磺化木质素处理为有用的化学制品和/或材料。
背景技术：
众所周知，石油化学制品和石油资源用作(化石)燃料是有限的。目前所用的替代资源为从生物质中获得的“生物燃料”。各种生物质资源都可以使用。“第一代生物燃料”是使用常规技术由糖、淀粉、植物油或动物油制备的生物燃料。 制备第一代生物燃料的典型基本原料为种子或谷物如小麦，其生产可水解和发酵为生物乙醇的淀粉，或向日葵种子，其通过压榨可生产能转化为生物柴油的植物油。然而，这些原料可能不再进入动物或人类食物链。因此，第一代生物燃料因其从人类食物链中分流食物导致食物短缺和价格上涨而遭到批评。反之，“第二代生物燃料”可使用生物质持续生产，所述生物质包括当前作物剩余的非食物(即不易消化的)部分如秸秆、叶子、甘蔗渣(甘蔗纤维剩余物)、果壳等，它们在食物作物提取后后即被遗弃，以及其它不用作食物的原料(非食物性作物)如木材、一年生植物和包括小谷粒的谷类作物，还有工业废料如锯末、兽皮和水果压榨和制作葡萄酒等产生的浆粕。由生物质制备第二代生物燃料的一个普遍问题是，从“木质化”或纤维性生物质中提取可发酵的原料。特别是，可被水解和发酵碳水化合物(特别是纤维素以及，如果有的话，半纤维素)与木质素缠结在一起(因此，下文将这种生物质称为“木质纤维素生物质”)。木质素是一种复杂的异相聚合物，其不适用于针对纤维素/半纤维素的水解/发酵循环。作为常见的产物木质素并非很有用的物质，分离后其通常会被丢弃或焚烧(通过产生热量而带来一些利润)。在未来的高效生物提炼中，木质纤维素的所有主要成分不仅需要分离也都会得到利用。该碳水化合物可用作糖基化学制品，例如乙醇的平台。木质纤维素材料的预处理(水解前)的常用方法有加热蒸煮、蒸汽爆破法或酶预处理，以及其它方法。在专利文献WO 2006/U8304中提供了一种处理木质纤维素原料的连续工艺。该方法包括以PH约0. 4至约2. 0、在压力下于预处理反应器中预处理木质纤维素原料。在这种酸性条件下少部分木质素会溶解，但该工艺中大多数生物质的木质素部分将不会溶于水中，而将和其它不溶物质一起被分离。在美国专利US 6423 145中描述了另一种转化木质纤维素材料的方法。一种改进的稀酸法水解木质纤维素材料中的纤维素和半纤维素，在一定条件下其比单纯的稀酸法可获得更高的可发酵糖总产量，该方法包括向木质纤维素原料中加入足量稀酸催化剂和金属盐催化剂水溶液混合物，以得到比仅用稀酸水解更高的可发酵糖总产量；将该混合的木质纤维素原料置于反应器中，加热足够时间以将所有的半纤维素和大于45%的纤维素充分水解为水溶性糖；并回收所述水溶性糖。该方法产生的不溶性木质素可与无法水解的生物质和其它不溶性物质一起分离。美国专利US 2008/0190013中描述了一种更新的预处理方法。US' 013公开了一种将木质纤维素材料转化为生物燃料的方法。在特定的实施方案中，该方法包括通过将该材料溶解于离子液中进行木质纤维素材料预处理。所述预处理的木质纤维素材料可被分离，如用可再生溶剂(例如，水)沉淀，并可直接用于生物燃料的发酵，包括进行水解产生糖并发酵产生燃料如生物乙醇。该离子液可循环再利用，如通过将沉淀过程中加入的水蒸发掉，该循环提供了富含半纤维素流分和质量稳定离子液以及木材溶解特性的工艺途径。该回收的半纤维素有较大的商业利用潜在价值和专门用途。该方法还产生不溶于水的木质
ο瑞典专利No. 527646描述了一种由木质纤维素材料生产发动机燃料和燃料电池的方法。通过蒸煮将木质纤维素材料中的木质素溶解，优选用纯碱蒸煮法。该蒸煮液被气化而产生合成气并随后为甲醇、DME等，而浆粕中的纤维素和半纤维素被用酸(弱或强)或者酶水解，然后发酵为乙醇。J. Y. Zhu ^AWi；^ ( "Sulfite Pretreatment (SPORL) for robust enzymatic saccharification of spruce and red pine”(亚硫酸盐预处理用于增强的酶解法糖化云杉和红松)；Bioresource Technology 100(2009)2411-2418)于 2008 年 12 月 31 日发表于网上，报道了亚硫酸盐预处理以解决高效生物转化软木中的木质纤维素难题。为了找到以经济而可持续的方式将第二代生物质转化为生物燃料的方法，需要克服许多挑战。木质素组分通常会被焚烧掉，然而理想的做法是能将木质素转化为有商业价值的有价值的化学品。但是，许多工艺中产生的木质素因不纯且难溶于水而使得它们难以进一步加工为有价值的化学品。已知生物质中的木质素会吸附纤维素分解酶，从而对用于将纤维素水解为纤维二糖和葡萄糖的酶有抑制作用。这大大增加了所需的酶用量。而且，由于纤维素纤维还被包埋于木质素和半纤维素中，所需酶混合物的复杂性也不小。因此，在生物质转化为生物燃料的工艺中，除了产物总产率低以外，酶的成本是一个主要挑战。很遗憾，所有已知预处理工艺残留的木质素都会抑制这些酶，甚至降低至低水平(低于5%)。由于在水解步骤中酶是非特异性地与木质素结合，酶的回收也很难。从商业的角度看，制备第二代生物乙醇的另一个挑战是有价值化学制品的总产率低，尤其是从木聚糖和木质素提供价值高于能源价值的有价值化学制品。发明_既述基于现有技术，寻找一种转化木质纤维素生物质的方法，该方法可更好地制备用于水解的纤维素，并能够更充分利用生物质以提供功能化学制品和/或生物燃料的更高产率。通过一种从木质纤维素生物质中制备单糖、糖基化学制品、生物燃料或材料以及磺化木质素的方法实现了这些及其它目的，其至少包括下列步骤(i)用亚硫酸盐蒸煮步骤预处理木质纤维素生物质；(ii)将由步骤⑴预处理得到的木质纤维素生物质分离为(a) “亚硫酸盐废液”液相，其包括50%或更多磺化木质素形式的木质纤维素生物质的木质素，以及(b)浆粕，其包括70%或更多的木质纤维素生物质的纤维素；(iii)将步骤(ii)得到的浆粕(b)水解为包括单糖的糖化学平台；(iv)任选地进一步处理步骤(iii)得到的单糖以产生有用的化学制品、生物燃料和/或蛋白质；以及(ν)直接转化或进一步将步骤(ii)得到的液相(a)的磺化木质素处理为有用的化学制品和/或材料。在一个优选实施方案中，根据原料木质纤维素生物质的种类，可在步骤(i)之前进行机械处理步骤(0)。在所述机械处理步骤中，通过机械处理将所述生物质分裂为小碎片或颗粒。在使用例如，甘蔗渣为原料时可省去该步骤。在所述预处理步骤(i)中，用亚硫酸盐蒸煮所述木质纤维素生物质，优选在酸性、 中性或碱性条件下使用亚硫酸钠、亚硫酸钙、亚硫酸铵或亚硫酸镁。该预处理步骤将大多数木质素溶解为木素磺酸盐以及部分半纤维素。该溶解相或液相(浆粕液体；也称“亚硫酸盐废液”，“SSL")即步骤(ii)中的SSL液相(a)。纤维素以及部分半纤维素被几乎完整地留在浆粕(b)中。通过根据上述方法处理木质纤维素生物质，产生了一个尤其高效的生物提炼平台。通过特定地采用亚硫酸盐蒸煮作为整个方法中的预处理步骤，实现了从木质素中很好地分离碳水化合物纤维素和半纤维素。由于蒸煮过程中发生的改变，所得的浆粕尤其容易水解，从而降低糖化作用的成本。经本发明处理后剩余的浆粕中残留的不溶性木质素的含量，被发现对于纤维素被酶水解的容易程度没有很大影响。该结果非常令人惊讶且不同于早期的报道，参见Mooney CA.等人，1998,"The effect of the initial pore volume and lignin content on the enzymatic hydrolysis of softwood”(最初的孔容积和木质素含量对酶水解软木的影响)，Biores. Technol. 64，2，113-119 和 Lu Y.等人，2002，"Cellulase adsorption andan evaluation of enzyme recycle during hydrolysis of steam-exploded softwood residues"(水解蒸汽爆破的软木剩余物过程中的纤维素酶吸附和酶循环利用评估)， Appl. Biochem. Biotechnol. 98—100，641—654。撇开理论的束缚，可以想象亚硫酸盐预处理改变了木质素而降低或消除了其抑制作用，从而使得以低的酶消耗产生高的水解产率成为可能。剩余木质素的非抑制性特性也使得再循环使用酶更容易，例如通过底物吸附或膜过滤，使得使用长效酶更具吸引力而整个方法也更为经济。而且，相比其它方法，制成了更加高产的易销产品，主要是由于其分离和利用了易销的木质素产品，即木素磺酸盐。通过实施本发明的方法，大于80%重量的木质纤维素生物质原料可被转化为易销产品，且可实现高达90%的可发酵糖的理论产率。完整的整体方法的一个实施方案示例于图1，且在下文中有更详细的描述。因此，本发明方法的主要优点包括木质素由不溶性形式被转化为可溶性形式，使得水溶性木质素的分离更为容易且作为功能化学制品和在制备纯木质素化学制品时具备极好的特性。而且，如上所述浆粕中的纤维素很容易被酶分解，使得酶的消耗和成本达到可接受的程度。这被认为是由于在亚硫酸盐蒸煮步骤中，纤维素的纤维被分离而不再包埋于木质素和半纤维素中。同样，经过亚硫酸盐预处理后留在含纤维素的浆粕中的木质素，在下一步酶水解的处理步骤中对酶的抑制作用也小于天然的木质素。该效果是完全出人意料的。由于酶明显没有被不可逆地吸附于水解步骤的纤维素浆粕中遗留的木质素上，该酶还可以循环利用。这也降低了酶的消耗和该方法的成本。
图1为根据本发明的优选生物提炼构思的工艺流程图。图2为同时使用氧和/或碱法脱木质素的一个优选实施方案的工艺流程图。图3所示为比较例I中纯碱蒸煮I和II的酶水解结果[Kappa值(残留的木质素)和葡萄糖产率(消化率)的相关性]。图4所示为用纤维素酶Celluclast进行酶水解过程中亚硫酸盐处理和纯碱蒸煮浆粕的比较。发明详述原料除了该生物质必须包括纤维素和木质素以外，对于木质纤维素生物质的原料没有较多限制。适于本发明生物提炼构思的优选的原料为能源作物、一年生植物、农业废弃物和木材。商业性能源作物通常为密植的高产作物品种，其优选没有或具备有限的用作食品的价值。例如，木质作物如柳属(Salix)、芒属(Miscanthus)、柳属(Willow)或杨属 (Poplar)为优选的能源作物。优选的一年生植物实例为草、甘蔗和树薯。它们通常生长快且木质素(相比木材) 含量相对低。
农业废弃物包括可耕种作物的那些不用于以生产食物、饲料或纤维为主要目的的部分，例如，用过的作为动物睡卧用垫草和羽毛。这些剩余物的示例为源自甘蔗的甘蔗渣和玉米秸秆。特别优选的甘蔗原材料可分为甘蔗渣、糖和草。甘蔗渣是包括纤维素、半纤维素、 木质素、提取物、无机盐和其它有机物质如蛋白质和有机酸的纤维材料。甘蔗渣和硬木有许多相似之处，即木聚糖含量高、纤维长度短和木质素和纤维素含量比软木的更低。然而，甘蔗渣的灰分含量稍微高些。灰分含量可通过在植物形态学和收获方法方面的差异来解释。甘蔗渣中的纤维长度短主要是因为其高的髓含量( 30% )。总之，基于无需机械粉碎和可获得更高水解产率这一事实，实施本发明方法的特别优选原料为非木材的农业废弃物，特别是甘蔗渣。木材也是本发明生物提炼构思的原料。其中，所有种类的木材都是合适的。水解之前将所述木质纤维素生物质(预)处理，并进一步处理单糖和其它组分。 (预)处理可为机械或化学处理。在机械(预)处理中，动量或能量被传导到所述原料中，例如，通过分裂或切割或捶打手段将生物质变成小颗粒。其中，无需加入化学试剂且原料组分的化学结构保持基本不变。在化学(预)处理中，加入至少一种化学试剂且原料中至少一种组分的化学结构被改变。“亚硫酸盐制浆”是化学预处理，这将在下文中更为详细地讨论。机械处理根据原料木质纤维素生物质的种类，可在步骤(i)之前进行机械处理步骤(0)。在所述机械处理步骤中，通过机械处理将所述生物质分裂为小碎片或颗粒。在使用例如，甘蔗渣或锯末为原料时可省去该步骤。因此，在一个优选实施方案中，一种用于木质纤维素生物质转化的原料无需机械 (预)处理，且其中亚硫酸盐蒸煮是仅有的(预)处理。预处理亚硫酸盐制浆早在19世纪60年代，用亚硫酸盐将木材制浆(或蒸煮)就是木材制浆所用的首
选化学方法之一。1874年，瑞典建立了第一家使用亚硫酸盐法的浆粕厂，并使用镁为平衡离子。直到 20世纪50年代，钙成为标准的平衡离子。亚硫酸盐制浆是制备木材浆粕的主要方法，直到 20世纪40年代其被所谓的“Kraft”法(硫酸盐法)超越。硫酸盐法制浆的优点在于，亚硫酸盐法通常是在水解一些纤维素的条件下实施，也即该亚硫酸盐浆粕纤维不如硫酸盐法浆粕纤维那么结实，这一点也是作为主要造纸制浆方法的亚硫酸盐制浆一个突出的缺点。目前亚硫酸盐浆粕在总化学浆粕产品中占的比例不到10 %。这些保留的亚硫酸盐浆粕被用于特定的纸张应用以及(例如，以所谓的“溶解浆粕”形式)用于制备纤维素衍生物。与基于钠的硫酸盐法的新鲜蒸煮液pH值为约13不同，亚硫酸盐法的特征在于其覆盖了所有的PH值范围。PH值可从< 1(使用二氧化硫水溶液)至> 13 (使用二氧化硫或亚硫酸钠或亚硫酸氢钠以及氢氧化钠)。亚硫酸盐蒸煮可分为四大类酸、酸性亚硫酸氢盐、弱碱和碱性亚硫酸盐制浆。亚硫酸盐预处理的另一个特别的优点涉及木质素，木质素在本发明的框架中具有特别的意义。木质素在其天然状态下不溶于水且是疏水的。当其与亚硫酸盐反应后，木质素被转化为磺化木质素(木素磺酸盐)，其具有与木质素极为不同的特性。在木质素中引入磺酸基团将该聚合物由中性变为含阴离子的活性化合物直至已知的最强有机酸之一，离解常数为0. 3。与天然产生的木质素相反，这类磺化木质素是有用的功能化学制品或能被转化为商业性的活性化学制品/物质。本发明方法的木质素转化未见于任何其它已知的预处理方法，特别是未见于已知有关生物质转化内容的预处理方法。因此，本发明方法使得可能从木质纤维素生物质中制备出有价值的功能化学制品(磺化木质素)，且尤其是从非木材类的生物质，例如，秸秆、甘蔗渣或一年生植物。在本发明预处理步骤(i)中，用亚硫酸盐蒸煮所述木质纤维素生物质，优选在酸性、中性或碱性条件下使用亚硫酸钠、亚硫酸钙、亚硫酸铵或亚硫酸镁。该预处理步骤将大多数木质素溶解为木素磺酸盐以及部分半纤维素。该溶解相或液相(制浆液体)即步骤 (ii)中的SSL液相(a)。纤维素以及部分半纤维素被几乎完整地留在浆粕(b)中。使用亚硫酸盐蒸煮为预处理步骤由可发酵的糖制备燃料或化学制品非常高效，因为其可带来更高的化学制品总产率。事实上，获得了比其它任何已知糖-平台生物提炼技术更高产率(> 80% )的有用化学制品。特别是，基于在一个步骤中有效地将纤维素与其它组分(特别是木质素)分离，实现了更低的水解成本。基于该事实即由一步预处理所得的纤维素浆粕的杂质(特别是木质素)特别少， 使得很容易开发或选择用于水解的酶。同样，本发明亚硫酸盐预处理步骤考虑到控制该方法(pH为1-1 的灵活性，以及关于所述半纤维素以哪种相结束(即半纤维素是主要存在于SSL液相中还是主要存在于纤维素浆粕中)。该亚硫酸盐预处理步骤还使得关于半纤维素结束形式(单体的/聚合的) 的灵活性增加了。 本发明亚硫酸盐预处理可根据下列优选实施方案之一实施。在其中以及本发明说明书通篇中，“亚硫酸盐预处理”也被称为“蒸煮”酸蒸煮(优选与氢氧化物，进一步优选与Ca (OH) 2、NaOH, NH4OH或Mg (OH) 2)，亚硫酸氢盐蒸煮(优选与氢氧化物，进一步优选与NaOH、NH4OH或Mg (OH) 2)，弱碱蒸煮(优选Na2SO3,进一步优选与Na2CO3)以及碱蒸煮(优选Na2SO3与氢氧化物，进一步优选与NaOH)。该蒸煮过程中所采用的pH值与所制备的浆粕Kappa值存在相关性，具体为高pH 值导致低Kappa值。Kappa值是木质素含量或浆粕漂白率的指标。Kappa值与浆粕中的木质素含量相关，且可用于监测制浆工艺中木质素-提取相的有效程度。对于浆粕通常该数值的范围为1-100，并且是通过测量考虑到浆粕要消耗的标准高锰酸钾溶液的量而建立的数值。在ISO 302 :2004中有关于如何确定Kappa值的详细描述。对于每种类型的蒸煮，一些蒸煮变量如温度、时间、液-固比和蒸煮的化学制品量的作用可用于影响该浆粕的组成和特性，尤其是分别在浆粕相和SSL液相中的木质素含量和半纤维素含量(参见图1 “浆粕”相和“SSL”液相)。酸蒸煮使得浆粕相(Kappa值50-100)中的浆粕含有相对高的剩余木质素含量(15-40%)。而且，酸性亚硫酸盐蒸煮使得磺化木质素有较高程度的磺化作用。与碱性亚硫酸盐蒸煮相比，其磺化木质素的分子量也更高。在酸性亚硫酸盐蒸煮中，主要通过配糖键的水解，多糖被部分分解。半纤维素比纤维素更易于水解。然而，与造纸相反，在生物提炼中该(半)纤维素无论如何都存在被水解和分解的需要，因此该(半)纤维素的部分水解反而成了优点°大部分(70%或更多)半纤维素(主要为木聚糖)在蒸煮过程中被水解为单糖，主要为木糖，且溶解于该蒸煮液即SSL液相中。因此，根据本发明的一个优选实施方案，酸蒸煮作为预处理步骤(i)而实施，其中在步骤(i)中木质纤维素生物质中70%或更多的总半纤维素被水解为木糖，且其存在于步骤(ii)的SSL液相(b)，即在步骤(ii)中从纤维素浆粕中分离出的该SSL。根据本发明的一个优选实施方案，所述亚硫酸盐预处理步骤为酸蒸煮，进一步优选为其中所述温度范围为125°C至160°C的酸蒸煮。以更高的温度蒸煮会导致更低的浆粕产率，且分解SSL中单糖的成本增加。因此，优选保持酸蒸煮的温度为160°C或更低。根据本发明的一个优选实施方案，所述亚硫酸盐预处理步骤为酸蒸煮且所述蒸煮实施的时间区间为60-300分钟。根据本发明的一个优选实施方案，所述亚硫酸盐预处理步骤为酸蒸煮且所述的液-固比为3 1至10 1。根据本发明的一个优选实施方案，所述亚硫酸盐预处理步骤为酸蒸煮且所述SO2 的量为10-60% w/w，而所述碱(氢氧根离子)的量为l-10%w/w，优选2-7%。除非另有说明，“《/V’是指工作液体(working liquor)中的组分相对于干原材料重量的“重量％ ”。根据本发明的一个优选实施方案，所述亚硫酸盐预处理步骤为酸蒸煮，且所用的氢氧化物选自下组NaOH、Ca (OH)2, Mg (OH)2, ΝΗ40Η。钠蒸煮产生的Kappa值通常小于钙蒸煮。亚硫酸氢盐蒸煮的结果类似于酸蒸煮，但通常产生较少的碳水化合物分解、较高的SSL产率，以及温度大于150°C、较低的Kappa值。在亚硫酸氢盐蒸煮中，溶解于SSL中的木聚糖仅有少量(小于40% )被水解为木糖。关于亚硫酸氢盐蒸煮，其优选的温度范围、时间区间和液-固比与上述酸蒸煮所述的相同。下文将讨论的碱性和中性浆粕通常更加鲜明而比酸性浆粕和亚硫酸氢盐浆粕更易于脱水。碱蒸煮产生的浆粕含有较少量的剩余木质素(> 80%的木质素溶解于SSL相， Kappa值 10)和较高的木聚糖含量(< 50%溶解于蒸煮液中)。溶解于SSL相中的木聚糖基本上没有被水解为木糖。因此，根据本发明的一个优选实施方案，碱蒸煮作为预处理步骤(i)实施，其中木质纤维素生物质中80%或更多的总木质素存在于SSL液相(b)，即在步骤(ii)中从纤维素浆粕中分离的SSL。增加的碱用量通常使得浆粕具有较低的Kappa值。在碱性亚硫酸盐制浆中，优选用氢氧化钠和亚硫酸钠为试剂。碱性亚硫酸盐制浆组合了两种强的脱木质素试剂，亚硫酸盐离子和氢氧化物离子，而产生了高效的脱木质素工艺。碱性亚硫酸盐制浆产生的磺化木质素分子量较低，且可能更少被磺化，这是因为增加 PH降低了亚硫酸盐离子效率并增加了氢氧化物离子效率。半纤维素可通过溶解而去除，即达50%的木聚糖可在碱蒸煮过程中被溶解。然而，如果浆粕和蒸煮液在分离前被冷却，大多数木聚糖会重新沉淀在浆粕上。根据本发明的一个优选实施方案，所述亚硫酸盐预处理步骤为碱蒸煮，其中，优选温度范围为130°C至180°C，或优选为140°C至180°C。根据本发明的一个优选实施方案，所述亚硫酸盐预处理步骤为碱蒸煮，且所述蒸煮实施的时间区间为45-300分钟。根据本发明的一个优选实施方案，所述亚硫酸盐预处理步骤为碱蒸煮，进一步优选其中所述液-固比为3 1至10 1的碱蒸煮。根据本发明的一个优选实施方案，所述亚硫酸盐预处理步骤为碱蒸煮，且Na2SO3 的量为5-60% w/w，而所述碱的量为5-25% w/w。根据本发明的一个优选实施方案，所述亚硫酸盐预处理步骤为碱蒸煮，且所用碱选自 NaOH 或 NH4OH (NH3)。碱蒸煮中加入蒽醌促进了脱木质素，并在浆粕中产生较高水平的碳水化合物。因此，如果碱蒸煮作为亚硫酸盐预处理步骤而实施，优选向蒸煮液中加入蒽醌。弱碱蒸煮所产生的浆粕与碱蒸煮类似，尽管其含有更多一些的剩余木质素和木聚糖。在本发明正文中，“弱碱性亚硫酸盐蒸煮”定义为用亚硫酸钠和碳酸钠蒸煮。该蒸煮的主要优点是其以碳水化合物结构为主，即纤维素和半纤维素基本上保留在浆粕中。弱碱蒸煮中加入蒽醌促进了脱木质素，并在浆粕中产生较高水平的碳水化合物。 因此，如果弱碱蒸煮作为亚硫酸盐预处理步骤而实施，优选向蒸煮液中加入蒽醌。根据本发明的一个优选实施方案所述亚硫酸盐预处理步骤为弱碱蒸煮，且温度范围为 140°C 至 180°C。根据本发明的一个优选实施方案所述亚硫酸盐预处理步骤为弱碱蒸煮，且所述蒸煮实施的时间区间为45-300分钟。根据本发明的一个优选实施方案所述亚硫酸盐预处理步骤为弱碱蒸煮，且液-固比为3 1至10 1。根据本发明的一个优选实施方案所述亚硫酸盐预处理步骤为弱碱蒸煮，且Na2SO3 的量为 10-60% w/w，而 Na2CO3 的量为 3-25% w/w，优选 5-25% w/w。纤维素和半纤维素含量以及脱木质素的程度，高pH蒸煮(弱碱性和碱性)明显高于低PH蒸煮(酸性和亚硫酸氢盐)。高pH蒸煮所产生浆粕的粘性明显高于低pH蒸煮。因此，根据本发明的一个优选实施方案，所述预处理步骤(i)的亚硫酸盐蒸煮实施的PH值大于5，优选大于7，进一步优选大于9。浆粕和SSL的分离在本发明方法的步骤(ii)中，通过任何本领域技术人员已知的分离方法将浆粕 (固相；纤维素和半纤维素)从亚硫酸盐废液(SSL液相；SSL，磺化木质素和半纤维素)中分离；特别是通过压榨、过滤、沉淀或离心。在步骤(ii)中，分离产生SSL液相。SSL的有机部分主要包括木质素(磺化木质素)，即包括最初出现于木质纤维素生物质中的至少50%的木质素，优选大于60%或大于 70%或大于80%。进一步优选，在步骤(i)实施碱蒸煮，且在步骤(ii)后的SSL液相中存在最初出现于木质纤维素生物质中的80%或更多或者90%或更多或者95%或更多的木质
ο在一个优选实施方案中，由于在步骤(i)实施(高产率)亚硫酸盐预处理步骤，步骤(ii)的分离产生存在最初出现于木质纤维素生物质中的60%或更多，优选75%或更多， 进一步优选90 %或95 %或更多的纤维素存在于所述的浆粕相中。水解根据本发明方法的步骤(iii)，在步骤(ii)中分离的所述浆粕被水解。尽管也可实施弱酸或强酸水解的步骤，该浆粕优选通过酶水解或通过微生物降解。纤维素是重复由β-1-4-糖苷键连接的葡萄糖(或准确地说是纤维二糖)单元的不溶性线性聚合物。在水中，纤维素因水分子上亲水的氢作用于其糖苷键而被水解。可以通过提高温度和压力来增加反应率或使用稀酸或浓酸或酶进行催化反应。·酶水解在纤维素链中每个葡萄糖单元具有与邻近链的单体形成3个氢键的潜力，形成稳定的晶体结构抵抗水解。根据本发明的一个优选实施方案，能够特异性地将纤维素聚合物水解为可溶性葡萄糖的细胞外或细胞膜相关的酶复合物(纤维素酶)被用于水解步骤(iii)。纤维素酶为包含具有不同特异活性的协同酶的多蛋白复合体，其可分为外切-和内切-纤维素酶(葡聚糖酶)和β-葡糖苷酶(纤维二糖酶)。还有酶(半纤维素酶、漆酶、木素降解过氧化物酶等)能够分解木质纤维素生物质中其它主要组分。所有这些酶及其组合优选可用于步骤 (iii)的酶水解。纤维二糖是已知的葡聚糖酶终产物抑制剂，而已知β-葡糖苷酶是通过将纤维二糖转化为葡萄糖(比率-限制步骤)而减轻该抑制作用。在工业化的工艺中，例如酵母的乙醇发酵，纤维素酶糖化作用的效率可以通过同时进行糖化作用和发酵(SSF)来提高。最大挑战是常用水解酶和发酵微生物的最佳温度不同。除了终产物抑制作用，已知木质素还通过非特异性地结合纤维素酶而降低酶的性能。酸和酶水解纤维素都受限于纤维素的强结晶性质。相比酸水解，酶水解的优点是采用温和条件且形成的降解产物少，而缺点为速度慢且工艺成本贵。纤维素的预处理对增加纤维素的特定表面积并降低其结晶度很重要。借助更易于使用的底物并清除上文提到的潜在抑制物质，正确预处理的优点是增加酶水解产率。根据本发明的一个优选实施方案，所述水解步骤(iii)为酶水解步骤。根据本发明的一个优选实施方案，所述酶被再循环利用，优选通过底物吸附和/ 或膜过滤进行。·弱酸水解酸水解是由纤维素和半纤维素获得单糖的便宜而快速的方法，但会产生一些降解产物。强烈的酸水解条件(高温或高的酸浓度)将单糖降解为糠醛和5-羟甲基糠醛(HMF) 并降解为脂肪酸(如Ac0H、HC00H和乙酰丙酸)。然而，弱酸水解可在某些情况下用于水解步骤。
浓酸水解优选的实施温度范围为20°C至100°C，，酸强度范围为10%至30%。优选使用硫酸。该工艺需要抗腐蚀性设备和进行酸的回收。稀酸水解是较为简单的工艺，但需要较高的温度(100°C至230°C )和压力。优选使用浓度范围为0%至5%的各种酸(例如，乙酸、盐酸或硫酸)。稀酸工艺需要耐压的设备。根据本发明，特别优选两个步骤的稀酸水解工艺。发酵本发明方法的步骤(iv)涉及单糖的发酵，特别是由己糖和戊糖转化为乙醇或其它糖基化学制品或产生生物质蛋白。发酵涉及降解糖并释放能量的微生物，该工艺产生产物如如乙醇或酸。酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)(面包酵母)最常用于发酵将己糖转化为乙醇。根据化学计算，1摩尔葡萄糖将产生2摩尔乙醇和2摩尔二氧化碳。甘蔗渣浆粕含有相对大量的戊糖。 这些糖也可以进行发酵或代谢而产生生物质蛋白。根据本发明的一个实施方案，使用甘蔗渣为原料且发酵步骤(iv)包括将步骤 (iii)的水解产物代谢为生物质蛋白。木素磺酸盐处理根据本发明完整方法的步骤(V)，步骤(ii)中产生的SSL液相仏)，即551^，其包含50 %或更多或者60 %或更多或者70 %或更多或者80 %或更多的原料中的木质素，被处理以纯化磺化木质素(木素磺酸盐)和其它产物。该处理工艺中的主要步骤可为，例如，发酵、超滤、糖分解、沉淀等。其它步骤可包括干燥、蒸发、剥离及中和等。磺化木质素(木素磺酸盐)的应用很广泛，除其它以外，包括但不限于化学制品、 电池膨胀剂、过瘤胃蛋白(bypass protein)、炭黑分散体、水泥、陶瓷、混泥土外加剂、乳液、 肥料、石膏板、腐植酸、工业粘合剂、工业清洁剂及水处理添加剂、土壤调节剂、微量营养素、 矿业和矿物处理、油田化学制品、颗粒性增强剂和道路和土壤尘土控制。任选的进一步脱木质素在一个优选实施方案中，为进一步降低固相(浆粕)中木质素含量的目的，氧/碱法脱木质素步骤(提取步骤)(i')可以作为总的整体方法的一部分。该任选的提取步骤 (i)优选在预处理步骤(i)之后和分离步骤(ii)之前实施。提取更多的木质素的优点是增加木素磺酸盐产率。所述另外的脱木质素优选考虑用于酸性亚硫酸盐法产生的浆粕，因为这些浆粕含有相对高的木质素含量。对于酸性亚硫酸盐蒸煮的浆粕，氧脱木质素(10% NaOH用量，6巴的氧压)能带来58单位(70-12)Kappa值的降低。该脱木质素(该蒸煮过程中提取约25% 的磺化木质素)过程提取的磺化木质素具有扩散力。去除木质素的氧/碱法脱木质素是优选的另外的脱木质素步骤。在氧脱木质素过程中，该浆粕被置于氧压、高PH值和提高的温度下。
具体实施例方式实施例下列应用通常适用于整个说明书和权利要求书
“TS”表示“总的固体”，且为样品于105°C干燥1 后的重量与其最初重量的比率；温度单位为。C ；“W”表示重量；如无特别说明，“％”表示“重量％”，“V/w”表示每g重量对应的“mL体积”。实施例1-碱性亚硫酸盐蒸煮、酶水解使用甘蔗渣[82%TS(总固体)]为原料。将原料与蒸煮液混合，该蒸煮液包括6% NaOH (w/w给料)禾口 24% Na2SO3 (w/w给料)，液-固比为6比1。该混合物被加热至170°C，升温速度为1. 60C /min。该蒸煮于170°C保持60min。蒸煮之后，即本发明的预处理步骤之后，通过过滤将该固体(浆粕，51%的TS)和液体(SSL，49%的TS)分离。该浆粕包含相当于57%葡萄糖的纤维素、相当于对％木糖的木聚糖、2 %其它碳水化合物、5 %木质素、4 %灰分和8 %未确定组分。该SSL的碳水化合物含量相对于TS为11% (相当于6. 4%木糖的木聚糖)。该 SSL中有机硫的含量相对于TS为5. 7%。该SSL的剩余物为磺化木质素(木素磺酸盐)和无机物质。蒸发后，该SSL被试验用于各种用途，经证明与现有的商业产品相当。在对纤维素浆粕进一步处理的步骤中，将所述浆粕用酶水解，使用0.7% (W蛋白质/w给料)的酶(0. 5%纤维素酶、0. 05% β-葡糖苷酶和0. 15%木聚糖酶)于50°C历时 48h。该处理步骤产物的产率以葡萄糖计为92%，以木糖计量为90%。通过离心将该液体 (水解产物)从固相中分离。实施例2-酸性亚硫酸盐蒸煮、酶水解以甘蔗渣(82%TS)为原料。将原料与蒸煮液混合，该蒸煮液包含35% SO2 (w/w给料)和3. 1 %氢氧根离子(w/w给料)，用NaOH为碱。其液-固比为6比1。在所述预处理步骤中，该混合物被加热至140°C，升温速度为1. 9°C /min，并在105°C保持30min。该蒸煮于 140°C 保持 180min。蒸煮之后，通过过滤将该固体(浆粕，45%的1^)和液体(SSL，55%&I^)分离。所述浆粕包含相当于79%葡萄糖的纤维素、相当于6%木糖的木聚糖、其它碳水化合物、 11%木质素、3%灰分。该SSL的碳水化合物含量相对于TS为25% (19%木糖)。该SSL中有机硫的含量相对于TS为4. 6%。蒸发后，该SSL被试验用于各种用途，经证明与现有的商业产品相当。在该预处理后的水解步骤中，将所述浆粕用酶水解，使用0.55% (W蛋白质/V给料)的酶(0.5%纤维素酶、0.05% β-葡糖苷酶)于50°C历时48h。该处理步骤产物的产率以葡萄糖计为96%，以木糖计为75%。通过离心将该液体(水解产物)从固相中分离。实施例3-弱碱性亚硫酸盐蒸煮、酶水解以甘蔗渣(91. 4% TS)为原料。将原料与蒸煮液混合，该蒸煮液包含6% Na2CO3(w/ w给料)和16 % Na2SO3 (w/w给料)，其液-固比为6比1。该混合物被加热至160°C，升温速度为1. 30C /min。该蒸煮于160°C保持180min。蒸煮之后，通过过滤将该固体(浆粕，53%的TS)和液体(SSL，47%的TS)分离。 该浆粕包含相当于63%葡萄糖的纤维素、相当于27%木糖的木聚糖、2%其它碳水化合物、 5%木质素和3%灰分。该SSL的碳水化合物含量相对于TS为7. 5% (相当于4. 7%木糖的木聚糖)。该SSL的剩余物为磺化木质素(木素磺酸盐)和无机物质。在处理该纤维素浆粕的进一步步骤中，将所述浆粕用酶水解，使用浓度分别为5% w/w和10% w/w的两种不同底物。两种不同的酶制剂被用于糖化作用，Novozymes (诺维信)Celluclast 酶系统，(5% “Celluclast 纤维素酶 1. 5L”、0. 5% β-葡糖苷酶“Novozym 188” 和木聚糖酶“Shearzyme”，均以 V/w 于浆粕中)和 Genencors Accellerase 1500 酶系统( % V/w浆粕)，将这两种酶制剂以pH 5 (5mM柠檬酸盐缓冲液)于50°C温育7 进行测试。将样品分别处理6、24、48和72h。结果见表1。表1 酶水解、弱碱蒸煮的结果，实施例3。
权利要求
1.从木质纤维素生物质中制备单糖、糖基化学制品、生物燃料或材料以及磺化木质素的方法，其至少包括下列步骤(i)用亚硫酸盐蒸煮步骤预处理木质纤维素生物质；( )将由步骤(i)预处理得到的木质纤维素生物质分离为(a)“亚硫酸盐废液”液相，其包括50%或更多磺化木质素形式的木质纤维素生物质的木质素，以及(b)浆粕，其包括70%或更多的木质纤维素生物质的纤维素；(iii)将步骤(ii)得到的浆粕(b)水解为包括单糖的糖化学平台；(iv)任选地进一步处理步骤(iii)得到的单糖以产生有用的化学制品、生物燃料和/ 或蛋白质；以及(ν)直接转化或进一步将步骤(ii)得到的液相(a)的磺化木质素处理为有用的化学制品和/或材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述单糖包括己糖和戊糖。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述己糖和戊糖包括木糖和葡萄糖。
4.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其中所述木质纤维素生物质包括木材、 一年生植物、农业废弃物或废料，尤其是甘蔗渣或能源作物。
5.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其中所述方法中使用的木质纤维素生物质无需进行机械(预)处理和/或其中所述亚硫酸盐蒸煮步骤(i)是进行水解前仅有的化学(预)处理。
6.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其中所述SSL液相的有机部分主要包括磺化木质素形式的木质素，即包括至少50%最初存在于所述木质纤维素生物质中的木质素，优选大于60%或大于70%或大于80%。
7.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其中所述亚硫酸盐蒸煮的预处理步骤 (i)实施的PH值大于5，优选大于7，进一步优选大于9。
8.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其中，经步骤(i)后，最初存在于木质纤维素生物质中的80 %或更多、进一步优选90 %或更多或者95 %或更多的纤维素存在于所述浆粕(b)中。
9.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其中酸蒸煮作为仅有的化学预处理步骤 (i)实施，优选其中所述木质纤维素生物质中70%或更多的总半纤维素被水解为单糖。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述亚硫酸盐预处理步骤为酸蒸煮，且其中所述温度的范围为125°C至160°C。
11.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其中所述亚硫酸盐预处理步骤为酸蒸煮，且所述SO2的量为10-60% w/w，以及碱(氢氧根离子)的量为l-10%w/w，优选2-7%。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述碱选自下组=NaOH,Ca(OH)2, Mg(OH)2和 NH4OH0
13.根据权利要求9-12任何一项所述的方法，其中所述蒸煮实施的时间区间为60-300分钟。
14.根据权利要求1-8中任何一项所述的方法，其中所述亚硫酸盐预处理步骤为碱蒸煮，优选其中所述温度的范围为130°C至180°C。
15.根据权利要求1-8和14中任何一项所述的方法，其中实施碱蒸煮作为预处理步骤 (i)，且其中所述木质纤维素生物质中80%或更多的总木质素存在于所述SSL液相(b)中。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述Na2SO3的量为5-60%w/w，而所述碱的量为5-25% w/w。
17.根据权利要求14-16任何一项所述的方法，其中使用的所述碱选自NaOH或 NH4OH(NH3)。
18.根据权利要求1-8中任何一项所述的方法，其中所述亚硫酸盐预处理步骤为弱碱蒸煮，优选其中所述Na2SO3的量为10-60% w/w，而所述Na2CO3的量为3-25% w/w，优选 5-25% w/w。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述蒸煮实施的时间区间为45-300分钟。
20.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其中所述水解步骤(iii)为酶水解步骤，优选使用细胞外或细胞膜关联的酶复合物，特别是纤维素酶和β -葡糖苷酶的混合物， 其能够特异性地将纤维素聚合物水解为单糖，例如可溶的葡萄糖单体。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述水解步骤(iii)为酶水解步骤且酶为循环使用，优选通过底物吸附和/或膜分离循环使用。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述酶包括纤维素酶、半纤维素酶和β-葡糖苷酶。
23.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其中所述甘蔗渣被用作原料且发酵步骤(iv)包括将步骤(iii)的水解产物代谢为生物燃料如乙醇和丁醇。
24.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其中所述甘蔗渣被用作原料且发酵步骤(iv)包括将步骤(iii)的水解产物代谢为生物质蛋白。
25.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其中氧/碱法脱木质素步骤(i’)为总的完整方法的一部分，优选在(预)处理步骤(i)之后和分离步骤(ii)之前实施。
全文摘要
本发明涉及一种从木质纤维素生物质，特别是含有一年生植物、农业废料或木材或其它物质的木质纤维素生物质中制备第二代生物燃料和/或糖基化学制品例如乙醇、丁醇等和/或材料例如塑料、单细胞蛋白等以及磺化木质素的方法。尤其是，本发明涉及一种从木质纤维素生物质中制备糖基化学制品、生物燃料或材料以及磺化木质素的方法，其包括用亚硫酸盐蒸煮步骤预处理木质纤维素生物质。
文档编号C12P5/00GK102272313SQ200980151250
公开日2011年12月7日 申请日期2009年12月16日 优先权日2008年12月17日
发明者伊德布兰特·兰杰德, 安德斯·弗里兰德, 安德斯·杰德, 马丁·莱尔施 申请人:挪威鲍利葛制造有限公司