生物物质预处理的方法技术

本发明专利技术涉及含木素纤维素的生物物质的预处理方法，即加氢氧化钙和水到生物物质中，使混合物在较高温度下保温一段足以使生物物质经受消化作用的时间。将预处理的生物物质消化以产生有用产物如原料，燃料和脂肪酸、糖、酮和醇类等化学物质。预处理过程还包括在加压下加入选自氧和含氧气体的氧化剂到混合物中。本发明专利技术还涉及从经预处理的生物物质中回收钙的方法。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术的领域本专利技术涉及含木素的生物物质的处理方法以使生物物质易于经受消化作用。预处理包括加氢氧化钙和水到生物物质中，使形成混合物，将混合物保持在相当高的温度下。或者可在加压下将选自氧和含氧气体组成的一组的氧化剂加到混合物中。本专利技术还涉及预处理生物物质的消化产物，包括有用的原料、燃料和化学物质如糖类、酮类、脂肪酸类和醇类，以及涉及从预处理过的生物物质中回收钙。背景描述生物物质可分为三大类含糖、淀粉和纤维素的植物。含糖植物(如甜高粱、甘蔗)和含淀粉植物(如玉米、稻、麦、甘薯)主要用作食物来源。含纤维素植物和废弃物质(如草、木、蔗渣、稻草)是生物物质最丰富的形式。虽然它们不易转变为有用产物，但将它们转为原料的精密设计的方法可能是潜在的经济方法，因为原料的费用比含糖和含淀粉生物物质要少得多。含纤维素的物质一般指木素纤维素，因为它们含纤维素(40%-60%)、半纤维素(20%-40%)和木素(10%-25%)。非木质的生物物质一般含少于约15-20%木素。纤维素，一种葡萄糖多聚物，可用酸、酶或微生物水解为葡萄糖。葡萄糖可作为燃料酒精和单细胞蛋白质产品的原料。微生物水解产生细胞生物物质(单细胞蛋白质)和代谢废品如有机酸。酸水解虽然简单，但产生很多不合需要的降解产物。酶水解是最干净、最可取的方法。但是，酶(主要是纤维素酶和纤维二糖酶)的制备可以是昂贵的步骤。除了酒精生产之外，木素纤维素可用作廉价的牛饲料。因为粗木素纤维素不易被牛消化，故必须将其加工以改善其消化率，然后才能喂饲反刍动物。用瘤胃微生物进行厌氧发酵可产生低分子量挥发性脂肪酸。纤维素是世界上最丰富的生物物质。木种类中的约40%-45%干重是纤维素。聚合度从500-20，000。纤维素分子完全是直链的，无支链，有形成分子内部和分子间氢键的强烈倾向。因而纤维素分子束聚集在一起，形成微纤维，其中高度有序(结晶)区与低度有序(无定形)区交替。微纤维组成纤维，最后组成纤维素纤维。由于其纤维结构和强的氢键，纤维素有很高的抗张强度，在大多数溶剂中不溶解。半纤维素是世界上第二大丰富的碳水化合物，包括约20%-30%木干重。半纤维素虽然通常被认为是纤维素生物合成中的中间体，但它们通过不同于纤维素的生物合成途径而生成。半纤维素是杂多糖，由多种多样的单体形成。最常见的单体是葡萄糖、半乳糖和甘露糖(己糖类)及木糖和阿拉伯糖(戊糖类)。多数半纤维素聚合度仅为200。半纤维素可分为三类木聚糖类、甘露聚糖类和半乳聚糖类，被指定作主聚合物。木素是世界上最丰富的非碳水化合物生物物质。它是极高分子量的三维大分子。由于它的单元广泛地交联，因此难于限定单一分子。木素因和纤维素纤维结合在一起而提供强度。由于它本质上是疏水性，它阻止水分从导管系统丢失，由于高度抗酶降解，它防护植物不受昆虫和微生物的侵袭。芳香族化合物苯丙烷是木素的基本结构单元。单体不单能互相交联，而且共价结合于半纤维素。由于木素的存在，对纤维素和半纤维素的易受影响性造成强大约束因素。已证明木素含量降低可使消化率增高。通过物理、化学或酶学处理可除去木素。有几种很好开发的捣浆方法使分解成小的单元而除去木素，留下很完整的纤维素。常规的捣成纸浆方法，如kraft和亚硫酸盐捣浆法，作为生物转化预处理代价太高。经济地除去木素也困难，因为它的化学结构和大小分布太不均匀。对纤维素酶水解的另一主要制约因素是其结晶区的高度有序分子的堆积。纤维素水解酶容易降解纤维的较易受影响的无定形部分，但不能侵袭较少受影响的结晶物质。因此，随着用X-射线衍射法测得的结晶度指数的降低，可使酶水解率增高。纤维素纤维的水分含量影响酶促降解。假如水分含量维持在所涉及的物质和有机体的临界水平特征之下，纤维素物质能被有效地保护不因酶或微生物作用而变质。通常，临界水平是略高于纤维饱和点，约为干重的40%。水分起三个主要作用(1)通过纤维素分子的水合作用使纤维肿胀，从而打开精细结构，而增加酶的接近机会;(2)为酶和部分降解产物提供扩散介质;(3)当每个分子的配糖键被水解而分裂时加到纤维素上。木素纤维素的表面积是确定对酶促降解敏感性的另一重要因素。这是因为在酶分子和纤维素表面之间的接触是进行水解的先决条件。还影响敏感性的一些其他因素包括与毛细管的大小和表面性质有关的酶分子的大小和它的扩散性，纤维素分子的单位细胞的尺寸以及水-葡萄糖单元的立体刚性。为增强对酶水解的敏感性，木素纤维素的预处理是基本的要求。木素纤维素的非均质酶降解主要由其结构特征所控制，因为(1)纤维素具有高抗力的结晶结构，(2)纤维素周围的木素形成物理屏障，(3)酶攻击的有效部位是有限的。因此，理想的预处理应减少木素含量，同时结晶度相应的降低，以及表面积的增加。根据作用方式，预处理方法可分为物理、化学、物化和生物学方法。关于这个主题可利用的文献很多。现将已用于增加纤维素消化率的各种预处理方法总结于表1。表1用于木素纤维素预处理的方法物理方法 化学方法 物化方法 生物学方法球磨 碱 蒸汽爆炸 真菌二辊磨 氢氧化钠 氨纤维爆炸锤磨 氢氧化钙胶态磨 氨高压蒸煮 酸高能幅射 硫酸热分解 盐酸氢氟酸气体二氧化氯二氧化氮氧化剂过氧化氢臭氧纤维素溶剂溶剂提取乙醇-水提取苯-乙醇提取生物学预处理生物学预处理系采用真菌的微生物脱木素作用，使纤维素更易受影响。主要的生物学木素降解剂是子囊菌纲和担子菌纲的高级真菌。真菌降解是一个缓慢的过程，大多数真菌不只能攻击木素，还攻击纤维素，从而产生木素片段和糖的混合物。进行改进可能需要开发更具特导性和有效的微生物。物理学预处理。物理学预处理可分为两大类机械的(包括各类研磨)和非机械的(包括高压蒸煮、高能照射和热分解)。在机械预处理时，物理力(如剪力、压力)将木素纤维素细分为细颗粒。这些物理力减少结晶度，降低颗粒大小和聚合度，增加容积密度。这些结构改变导致材料对酸和酶水解更敏感。但是，由于极高的操作费用，伴有高能量需求、低产量和需时长，这些机械预处理是不现实的。非机械物理预处理方法也增加消化率，但有类似的不利之处，因而对于实际操作过程是不经济的。物化学预处理蒸汽爆炸和氨气纤维爆炸法(AFEX)是最主要的物理化学预处理。蒸汽爆炸法是将湿的木素纤维素加热到高温(约25℃)，立即减少压力。由于迅速减压使纤维中所捕集的水份放出，实际尺寸出现减小。高温从半纤维素中除去乙酸，此过程导致生物物质的某种程度的自动水解。这些变化产生较好的消化率，但剧烈的条件也产生降解产物，这抑制了水解和发酵。用水洗涤除去这些产物，这导致水溶性半纤维素的丢失。因此，虽然消化率改善了，但生物物质降解和蛋白质变性限制了蒸汽爆炸的使用。AFEX处理是在高压下将木素纤维素浸在液态氨中，然后爆炸性地减去压力。预处理条件(30℃-100℃)没有蒸汽爆炸剧烈。可接近的表面积的增加连同纤维素结晶度的减低(由氨接触引起)导致酶促消化率的提高。但是，氨的使用(一种有害化学品)和高压释放使该方法相当复杂和能量的集中耗损。化学预处理很多化学处理已被用于去除木素和破坏木素结晶结构。在这些化学品中，酸、气体、氧化剂、纤维素溶剂和溶剂提取剂都有可能增加消化率，但不如碱类普遍。经济、处理较简单和降解较少使碱类宜于作化学预处理试剂。但是，本文档来自技高网...

【技术保护点】
预处理含木素纤维素的生物物质使其能易于经受消化作用的方法，特征在于包括：ａ）提供含木素纤维素的生物物质；ｂ）加氢氧化钙和水到生物物质中以形成混合物；ｃ）在加压下，向混合物中加入选自氧和含氧气体组成的一组中的氧化剂；ｄ）在升高的温度下将混合物保温一段足以使生物物质易于经受消化作用的时间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：MT霍尔茨阿普，RR戴维森，M纳格华尼，
申请(专利权)人：得克萨斯AM大学系统，
类型：发明
国别省市：US[美国]