本发明专利技术涉及一种木质纤维素原料的酸预处理方法。该方法的步骤包括：采用pH值约为8.0-12.0的碱对该木质纤维素原料进行处理，以溶解该木质纤维素原料中存在的乙酰基，同时将该木质纤维素原料中存在的木聚糖的小于约10％转化为木糖以及将该原料中存在的纤维素的小于约10％转化为葡萄糖，从而制得一种经过碱调质的原料；然后，将该经过碱调质的原料在温度约为160℃-250℃和pH值约为0.5-2.5的条件下进行大约0.5-10分钟的预处理，以水解该木聚糖的约80-100％以及该纤维素的约3-15％，从而制得一种经过酸预处理并且含有纤维素的原料。该经过预处理的原料中的纤维素可被水解为含有纤维素酶的葡萄糖，该葡萄糖可以通过发酵生产一发酵产品。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种通过加工木质纤维素原料来制糖的方法。更具体地，本专利技术涉及一种通过一酸预处理步骤来加工木质纤维素原料的方法。
技术介绍
近年来，通过木质纤维素原料来生产乙醇和精细化学品的方法获得越来越多的关注。这类原料获得特别的关注，是因为它们价格低廉而且经常被焚烧或填埋处理。因而，这类原料作为可发酵糖的来源，存在巨大的尚未开发的潜力，可用来生产乙醇或其它副产品。上述可发酵糖由这类原料的多糖成分制得，即纤维素，在这类原料中占30% -50%，以及半纤维素(主要是木聚糖)，在这类原料中占15%-30%。木质纤维素原料的其它成分包括木质素(通常占15% -30% )、灰分、蛋白质和淀粉。采用木质纤维素原料生产可发酵糖，首先需要将多糖分解为复合糖分子。为实现这一目的，化学预处理是一个适用的方法，以将木聚糖水解，然后使用纤维素酶(例如)将纤维素水解为葡萄糖。化学预处理的一个例子是采用蒸汽进行酸预处理，尽管也有人提议米用碱。在一种酸预处理过程中，蒸汽产·生的压力由于爆发性减压(亦称为“蒸汽爆破”)的缘故而迅速降低。美国第4，461，648号专利(专利技术人Foody)描述了用于蒸汽爆破预处理的设备和条件。添加硫酸进行蒸汽爆破使PH值调整为O. 4-2，在过去二十年中一直是标准的预处理方法。这种预处理方法获得的材料较为均匀，而且和其它预处理方法相比，水解纤维素所需的纤维素酶较少。酶水解后，葡萄糖可发酵成为燃料，其中包括乙醇和丁醇或其它化学品，例如糖醇和有机酸。利用重组酵母[见美国第5，789，210号专利(专利技术人Ho等人)、美国第5，126，266号专利(专利技术人:Jeffries等人)、国际公布号为W02008/130603号专利(专利技术人Abbas等人)以及国际公布号为W003/095627号专利(专利技术人Boles和Becker)]或利用细菌，亦可以将戊糖、木糖和阿拉伯糖发酵成为乙醇。此外，采用木糖来生产木糖醇已获得越来越广泛的关注，因为它可以作为一种替代性糖类甜味剂。第二种发酵方法可采用酵母(例如热带假丝酵母)或化学氢化来实现。使用木质纤维素原料制糖的其中一个缺点是，糖流经常含有乙酸，已被确定为后续发酵过程中纤维素酶和酵母的抑制剂。所述乙酸源于原料的木聚糖成分中存在的乙酰基，并且在酸预处理或碱预处理过程中被释放出来。有人建议通过石灰预处理的方法去除乙酸，从而有利于纤维素的酶水解。Chang等人(《应用生物化学与生物技术》，1998,74:135-159)利用纤维素酶制剂比较了不同的石灰预处理条件(时间、温度、石灰加载、水加载和生物质粒度)对甘蔗渣和麦杆的酶消化率的影响。研究人员发现，如果预处理的时间较短(1-3小时)，需要较高的温度(85-135°C)才能获得较高的糖产率；如果预处理的时间较长(例如24小时)，则需要较低的温度(50-650C )。当石灰的加载量大于O.1Ca (OH) 2/g干生物质时,经过石灰预处理的原料的可消化性只出现轻微的增加；研究表明，观察结果和以下假设一致通过去除木聚糖的乙酰基，可显著地提高生物质的可消化性，而且当添加的石灰足以去除乙酸盐时，进一步增加石灰反而没有好处。根据Kong等人的报告(《应用生物化学与生物技术》，1992,34/35 :23_35)，利用纤维素酶和半纤维素酶的酶混合物和氢氧化钾进行山杨木的选择性脱乙酰基，有利于后续的酶水解。根据Pan等人(期刊Holzforschung, 2006,60 :398-401)的研究结果，去除木衆中的乙酸有利于采用纤维素酶水解纤维素。当使用1%氢氧化钠在温度为50°C的条件下处理2小时，乙酰基的去除受到了影响。Grohmann等人(《应用生物化学与生物技术》，1989,20/21 :45-61)采用羟胺去除山杨木和麦杆的乙酰基，然后使用含有木聚糖酶活性的纤维素酶混合物(诺维信复合纤维素酶1.5L/诺维信SP188纤维素酶/β-葡萄糖苷酶)进行酶水解。结果表明，乙酰基的脱除有利于纤维素和木聚糖的酶消化程度。Chang和Holtzapple (《应用生物化学与生物技术》，2000，84-86 :5_37)观察了乙酸和木质素的去除以及结晶度对白杨木的纤维素酶消化率的影响。过乙酸、氢氧化钾和球磨分别用于去除质素和乙酸以及减低原料的结晶度。对于采用纤维素酶进行纤维素的水解，研究发现，木质素含量和原料的结晶度对酶消化率影响最大，而脱乙酰基的影响较小。尽管如此，研究表明脱乙酰基对木聚糖的酶消化率具有更明显的影响。影响酸预处理的经济可行性·的另一个因数是，预处理反应器和下游加工设备(例如闪蒸罐)暴露于酸性原料，其pH值通常为O. 4-2. O (见国际公布号为W02006/128304号专利；专利技术人Foody和Tolan)。这就需要在暴露于酸性原料的加工设备上使用昂贵的耐酸材料。此外，经过预处理的原料中存在的糖类(主要是木糖，葡萄糖和阿拉伯糖)在酸性条件下会降解，特别是在原料的PH值较低的部位。Cao等人(《生物技术快报》，1996，18(9) : 1013-1018)公开了一种使用2. 9M氢氧化铵在温度为26°C的条件下浸泡玉米棒24小时的方法，去除了大约80-90%的木质素以及原料中几乎所有的乙酸盐。然后用O. 3M盐酸(pH值0. 5)在温度为100-108°C的条件下对该玉米棒进行I小时的预处理，获得一种含有纤维素的残渣。据报告，浸泡处理有利于采用纤维素酶进行纤维素残渣的酶水解以及后续的发酵工序。Chen等人(《生物质与生物能源》，2009, 33 =1381-1385)和 Spigno 等人(《生物资源技术》，2008，99 =4329-4337)进行了类似的操作。他们在初始步骤进行氨浸泡，接着进行HCl预处理和酶水解，但使用不同的原料分别为玉米秸和葡萄插穗。在另一个研究中，Cao等人(《应用生物化学与生物技术》，1997,63-65 =129-139)在与前述相同的条件(Cao et al.，1996，上述)下处理玉米棒，然后将已糖和戊糖发酵成2，3-丁二醇，而不是乙醇。Cao等人(1996&1997)、Chen等人和Spigno等人采用的上述方法的不足之处在于，预处理所用的盐酸对加工设备具有腐蚀作用。当预处理的pH值为O. 5时，腐蚀作用尤为明显。目前，酸预处理的另一个限制在于木聚糖水解的过程是双相的，即木聚糖含有一种可快速水解的成分以及一种被证明难以水解的成分[见美国第5，125，977号专利以及Maloney等人的报告(《生物技术与生物工程》，1985，XXVI1:355-361)]。木聚糖水解的这些速率差别的原因尚未阐明。然而，所述难以水解的成分(占木聚糖的30%)的水解可明显增加预处理所需的时间，因而是影响预处理之经济可行性的一个因素。美国第5，125,977号专利(上述)公开了一种两步稀酸预水解的方法，首先在低温条件下对可快速水解的木聚糖进行水解，然后在较高温度的条件下对不易水解的木聚糖进行水解。在这两个步骤中，分别采用不同的酸浓度和停留时间，其中第二个步骤的处理条件比第一个步骤苛刻。即，该方法在第二个步骤中仍然需要苛刻的预处理条件，因而存在前述的不足。美国第4，137，395 号、4，072，538本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.11 US 61/372,4961.一种将木质纤维素原料转化为发酵产品的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 (i)采用PH值约为8.0-12. O的碱对该木质纤维素原料进行处理，以溶解该木质纤维素原料中存在的乙酰基，同时将该木质纤维素原料中存在的木聚糖的小于约10%转化为木糖以及将该原料中存在的纤维素的小于约10%转化为葡萄糖，从而制得一种经过碱调质的原料； (ii)将该经过碱调质的原料在温度约为160°C-250°C和pH值约为O. 5-2. 5的条件下进行大约O. 5-10分钟的预处理，以水解该木聚糖的约80-100%以及该纤维素的约3-15%，从而制得一种经过酸预处理并且含有纤维素的原料； (iii)向该经过酸预处理的原料添加纤维素酶，以将其中的纤维素水解为葡萄糖；以及 (iv)使该葡萄糖发酵，从而制得所述发酵产品。2.一种经过预处理的木质纤维素原料的生产方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 (i)采用PH值约为8. 0-12. O的碱对该木质纤维素原料进行处理，以溶解该木质纤维素原料中存在的乙酰基，同时将该木质纤维素原料中存在的木聚糖的小于约10%转化为木糖以及将该原料中存在的纤维素的小于约10%转化为葡萄糖，从而制得一种经过碱调质的原料；以及 ( )将该经过碱调质的原料在一定PH值和时间11且合的条件下(其区域由伴随 PH值的半对数表来定界)进行预处理，从而制得所述经过预处理的木质纤维素原料，其中 该有界域具有四个顶点，其数值为 pH = O. 5, t * = 11 秒; pH = O. 5, t * = 16 秒; pH = 2. 5，t * = 257 秒；以及 pH = 2. 5，t * = 380 秒 这些顶点用直线连接，其中 t * = tx2(T_200)/13'9 t *=动态时间(秒) t=实际预处理时间(秒) T =温度(V )。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中该原料在所述碱调质步骤中的温度大约为700C -120°C。4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中所述碱调质步骤的时间大约为5-90分钟。5.根据权利要求1-4所述的方法，其中木质素(重量百分比)的小于约25%在所述碱调质步骤中被溶解。6.根据权利要求1-5任何一项所述的方法，其中用于所述预处理的酸为硫酸、亚硫酸、二氧化硫或其组合。7.根据权利要求6所述的方法，其中用于所述预处理的酸为硫酸。8.根据权利要求1-7任何一项...
【专利技术属性】
技术研发人员：杰弗里·S·托兰，史蒂文·卡尔迪莱，达芙妮·瓦农，
申请(专利权)人：艾欧基能源公司，
类型：
国别省市：
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