用于从富含碳水化合物的底物生产糖的方法和系统技术方案

提供了一种用于从木质纤维素生物质生产糖的方法。木质纤维素生物质由木质纤维素纤维组成，这些木质纤维素纤维是中空的并且主要含有纤维素、半纤维素以及木质素。木质素富集在外部纤维壁中并且将这些纤维胶合成束，但内部纤维壁具有低得多的木质素浓度并且具有更容易地可接近的纤维素及半纤维素。这种方法使用真空注入以将均匀试剂注入木质纤维素纤维的中腔(中空中心)中以水解该半纤维素和纤维素来产生糖和低聚物，并且然后使用真空压力循环来将这些均匀试剂和糖以及低聚物泵送至该中腔中以及离开该中腔。一些类型的试剂是稀酸、纤维素酶、半纤维素酶、芬顿或类芬顿试剂、以及过氧化氢。通过使用湍流混合使这些试剂与工艺用水混合来将这些试剂均匀化以产生一种均匀试剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于从富含碳水化合物的底物生产糖的方法和系统优先权数据本国际专利申请要求于2014年2月2日提交的美国临时专利申请号61/934,799以及2015年1月28日提交的美国专利申请号14/608,183的优先权，这些申请各自特此以其全文通过引用结合在此。专利
本专利技术总体上涉及用于糖化木质纤维素生物质和相关底物的方法。专利技术背景富含碳水化合物的材料如天然存在的木质纤维素生物质(木材、农业残余物等)或人造产品(如尺寸减少的软木、纸张、卡纸板等等)是用于各种各样的工业应用的非食品单糖、低聚物和聚合物的重要来源。这些材料主要由木质纤维素纤维组成，这些木质纤维素纤维典型地由纤维素、半纤维素、以及木质素组成。纤维素是一种葡萄糖的聚合物，半纤维素是各种各样的己糖和戊糖的聚合物(主要是在软木中的甘露糖和在其他生物质中的木糖)，并且木质素是一种芳香族聚合物。生物质中的主要己糖是葡萄糖、甘露糖和半乳糖，并且生物质中的主要戊糖是木糖和阿拉伯糖。不同材料的纤维素、半纤维素以及木质素的相对量高度依赖于生物质的具体类型。无论其类型如何，生物质由“胶合”成束的纤维组成。该胶主要是木质素，并且富集在复合胞间层(纤维的外层)中。使用现有方法从生物质中提取糖的大部分成本在于分离纤维并且去除(或者重新安置)在这些纤维外部的木质素，使得这些纤维中的纤维素和半纤维素可更容易从这些纤维的外部接近。例如，从木片制造纸浆(分离的纤维)是非常耗能的，要求相当极端的操作条件下并且在硫酸盐纸浆或亚硫酸盐纸浆的情况，还有苛刻的化学品。类似地，使用蒸汽爆破、氨纤维膨胀、或其他预处理技术分离纤维所需的能量使得将生物质加工成适合于糖提取的单独的纤维的成本过高。纤维是中空的，通常填充有空气，典型地具有大致圆形的轮廓。纤维的中空部分被称为中腔，并且典型地是约36％的纤维体积。细胞壁的密度大致是1.5g/cm3，并且大部分纤维的总体密度(当考虑空气填充的中心时)大致是0.96g/cm3。出于这个原因，大部分干燥或部分潮湿的生物质颗粒通常漂浮在水中。生物质中的气穴不容易被水取代，这是为什么木材或秸秆捆在下沉之前将漂浮持续数周或数月。纤维总体上是长在1与4mm之间以及直径约20至40微米，取决于产生它们的植物的类型。这些纤维的壁包含大量的孔，被称为凹点或气孔，尺寸范围从30nm至1000nm。该细胞壁是约20％的纤维直径，导致该中腔具有约36％的典型纤维的体积。生物质的特征更详细地描述于Gibson，“植物材料的分级层结构和力学(Thehierarchicalstructureandmechanicsofplantmaterials)”，英国皇家学会界面杂志(JournalofTheRoyalSocietyInterface)976(2012)：2749-2766中，其特此通过引用结合在此。起始于中腔的纤维细胞壁的内表面具有纤维中的最低浓度的木质素。纤维素、半纤维素、以及木质素在植物细胞壁中的分布详细地描述于Gierlinger等人，由vandeVen和Kadla编辑的纤维素-生物质转化(Cellulose–BiomassConversion)中的“木质纤维素原料的拉曼成像(RamanImagingofLignocellulosicFeedstock)”(2013)：159，并且描述于Gierlinger，“通过拉曼映射和顶点成分分析(VCA)在微米水平上揭示植物细胞壁的分子组成上的改变(Revealingchangesinmolecularcompositionofplantcellwallsonthemicron-levelbyRamanmappingandvertexcomponentanalysis(VCA))”植物科学前沿(Frontiersinplantscience)5(2014)中，这两者均特此通过引用结合在此。聚合度(DP)被定义为大分子中单体单元的数目。在纤维素和半纤维素的情况下，这些单体单元是单糖。在生物质中，降低纤维素及半纤维素的聚合度可以用试剂完成，这些试剂引起水解和/或氧化反应。包含于纤维中的纤维素及半纤维素可以被水解为己糖单体糖(如葡萄糖和甘露糖)以及戊糖单体糖(如木糖和阿拉伯糖)。纤维素酶、半纤维素酶、稀酸溶液、强酸、以及强碱催化这些水解反应。水解还可以在高温下在不存在催化剂下进行。纤维素及半纤维素的聚合度还可以通过用由溶液中的过渡金属催化剂与过氧化氢组成的一种芬顿或类芬顿试剂来氧化而减少。糖具有显著的经济价值并且可以被发酵为液体燃料(如乙醇、丁醇、或其他专用化学品)并且还可以用于动物营养。聚合糖(如纳米纤维素晶体)具有越来越相当大的工业利益和经济价值，因为在新颖的高性能可再生材料的发展中的可能应用。木质素和糖单体在90℃下在1.0及其以上的pH下没有显著地降解，但纤维素和半纤维素的低聚物和聚合物任意地水解。纤维素的无定形区域在小于2的pH和约90℃的温度下迅速地水解，同样地是半纤维素(它也是无定形的)。纤维素原纤维的晶态区域在大于1.0的pH和90℃下不显著降解，因为在结晶纤维素中的纤维素链之间的氢键。当水解生物质以生产糖时，所涉及的基本限制之一是离开本体纤维的糖的质量传递，由于简单扩散的限制。一种解决方案是所希望的。在生物炼制工业中尤其需要的是一种方法，该方法通过消除分离这些纤维以及重新安置这些纤维外部的木质素的昂贵步骤来减少从生物质中提取糖的成本。还高度希望的是降低在水解过程中与生物质尺寸减少和机械混合相关的高资本和操作成本。
技术实现思路
在一些变体中，本专利技术提供了一种用于从富含碳水化合物的底物生产糖单体和/或聚合物的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供一种反应混合物，该反应混合物包含一种富含碳水化合物的底物和一种含有水解催化剂的液体溶液；(b)使该反应混合物暴露于气相反应压力；(c)保持该反应混合物在反应温度下持续一个反应时间以在该富含碳水化合物的底物的中腔空间内产生这些糖单体和/或聚合物；(d)使该反应混合物暴露于一个低于该反应压力的气相排出压力，以将这些糖单体和/或聚合物从该中腔空间中排出并且进入该液体溶液中；(e)保持该反应混合物在排出温度下持续一个排出时间；(f)重复步骤(b)至(e)持续多个压力循环；并且(g)回收这些糖单体和/或聚合物。在一些实施例中，该富含碳水化合物的底物选自下组，该组由以下各项组成：天然存在的木质纤维素生物质、经处理的木质纤维素生物质、纸浆、纸张、纸基产品、富含碳水化合物的工业废物、以及其组合。在某些实施例中，该富含碳水化合物的底物包括选自下组的天然存在的木质纤维素生物质，该组由以下各项组成：尺寸减少的软木、甘蔗渣、小麦秸秆、玉米秸秆、柳枝稷、芒草、以及其组合。在一些实施例中，该富含碳水化合物的底物包括选自下组的富含碳水化合物的工业废物，该组由以下各项组成：食品废物、城市固体废物的组分、以及其组合。这些糖单体和/或聚合物可包括呈单体、低聚物、或聚合物形式的己糖，包括葡萄糖、甘露糖、半乳糖、O-乙酰基半乳葡甘露聚糖、和纳米纤维素晶体中的一种或多种。这些糖单体和/或聚合物还可包括呈单体、低聚物、或聚合物形式的戊糖，这些戊糖包括木糖和/或阿拉伯糖。在一些实施例中，该水解催化剂包含一种有机酸、无机酸、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从富含碳水化合物的底物生产糖单体和/或聚合物的方法，所述方法包括以下步骤：(a)提供一种反应混合物，该反应混合物包含一种富含碳水化合物的底物和一种含有水解催化剂的液体溶液；(b)使所述反应混合物暴露于气相反应压力；(c)保持所述反应混合物在反应温度下持续一个反应时间以在所述富含碳水化合物的底物的中腔空间内产生所述糖单体和/或聚合物；(d)使所述反应混合物暴露于一个低于所述反应压力的气相排出压力，以将所述糖单体和/或聚合物从所述中腔空间中排出并且进入所述液体溶液中；(e)保持所述反应混合物在排出温度下持续一个排出时间；(f)重复步骤(b)至(e)持续多个压力循环；并且(g)回收所述糖单体和/或聚合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.02 US 61/934,799;2015.01.28 US 14/608,1831.一种用于从富含碳水化合物的底物生产糖单体和/或聚合物的方法，所述方法包括以下步骤：(a)提供一种富含碳水化合物的底物和一种含有水解催化剂的水溶液，并且将所述富含碳水化合物的底物上方的气体压力保持在抽空压力下并且持续一个抽空时间以在注入温度下将所述水解催化剂注入所述富含碳水化合物的底物中，从而产生一种反应混合物；(b)使所述反应混合物暴露于一个高于所述抽空压力的气相反应压力；(c)保持所述反应混合物在反应温度下持续一个反应时间以在所述富含碳水化合物的底物的中腔空间内产生所述糖单体和/或聚合物；(d)使所述反应混合物暴露于一个低于所述气相反应压力的气相排出压力，以将所述糖单体和/或聚合物从所述中腔空间中泵出并且进入所述水溶液中；(e)保持所述反应混合物在排出温度下持续一个排出时间；(f)重复步骤(b)至(e)持续至少两个压力循环，以通过一个泵送机制从所述中腔空间去除所述糖单体和/或聚合物；并且(g)从所述水溶液回收所述糖单体和/或聚合物；其中所述方法不包括所述富含碳水化合物的底物的蒸汽爆破或氨纤维膨胀。2.如权利要求1所述的方法，其中所述富含碳水化合物的底物选自下组，该组由以下各项组成：天然存在的木质纤维素生物质、经处理的木质纤维素生物质、纸基产品、富含碳水化合物的工业废物、以及其组合。3.如权利要求2所述的方法，其中所述纸基产品是纸浆或纸张。4.如权利要求2或3所述的方法，其中所述富含碳水化合物的底物包括选自下组的所述天然存在的木质纤维素生物质，该组由以下各项组成：尺寸减少的软木、甘蔗渣、小麦秸秆、玉米秸秆、柳枝稷、芒草、以及其组合。5.如权利要求2或3所述的方法，其中所述富含碳水化合物的底物包括选自下组的富含碳水化合物的工业废物，该组由以下各项组成：食品废物、城市固体废物的组分、以及其组合。6.如权利要求1所述的方法，其中所述糖单体和/或聚合物包括呈单体、低聚物、或聚合物形式的戊糖和/或己糖。7.如权利要求1所述的方法，其中所述糖单体和/或聚合物包括木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖、O-乙酰基半乳葡甘露聚糖、和纳米纤维素晶体中的一种或多种。8.如权利要求1所述的方法，其中所述水解催化剂包含一种有机酸、无机酸、过氧化氢、或其组合。9.如权利要求8所述的方法，其中所述水解催化剂包含硫酸，该硫酸的量产生具有10mM至200mM的硫酸浓度的所述水溶液。10.如权利要求1所述的方法，其中所述水解催化剂包含一种或多种芬顿或类芬顿试剂，这些试剂包括过氧化氢和一种或多种过渡...

【专利技术属性】
技术研发人员：爱德华·布莱恩·哈姆里克，
申请(专利权)人：爱德华·布莱恩·哈姆里克，
类型：发明
国别省市：美国;US