處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的方法。該方法包括用堿處理顆粒生物質(zhì)以部分地去除生物質(zhì)的纖維素微纖絲上的半纖維素鞘；以及對(duì)堿處理后的生物質(zhì)進(jìn)行氧化反應(yīng)以形成具有纖維素晶體結(jié)構(gòu)經(jīng)破壞的處理后的生物質(zhì)?？梢詫?duì)處理后的生物質(zhì)進(jìn)一步處理以形成游離糖和木質(zhì)素，并且游離糖可以用于生產(chǎn)生物乙醇或用作發(fā)酵方法中的糖源。
【專利說明】處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2012年8月8日提交的序號(hào)為61/680，997的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，通過引入將其內(nèi)容整體并入本文。本文中引用的所有專利、專利申請(qǐng)和出版物通過引入整體并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本技術(shù)涉及處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)以改進(jìn)生物質(zhì)的纖維素和半纖維素的酶水解的方法?？梢赃M(jìn)一步對(duì)處理后的生物質(zhì)進(jìn)行加工以形成用于生物乙醇生產(chǎn)的單糖。可以從處理后的生物質(zhì)中回收木質(zhì)素以供進(jìn)一步使用。
_4] 發(fā)明背景
[0005]隨著對(duì)可持續(xù)性能源的需求的日益增加以及對(duì)溫室氣體減少的壓力的不斷增大，從非石油來源開發(fā)可替代燃料和化學(xué)產(chǎn)品是重要的。諸如木材、農(nóng)業(yè)廢棄物和多年生禾草的木質(zhì)纖維素材料是生物燃料生產(chǎn)的最重要的來源。根據(jù)贈(zèng)日計(jì)劃(Sun GrantInitiative)的報(bào)告，美國(guó)能源部(USDOE)和美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)估計(jì)在美利堅(jiān)合眾國(guó)每年超過13億干噸的生物質(zhì)(3.68億干噸生物質(zhì)來自林地，9.98億干噸生物質(zhì)來自農(nóng)業(yè)用地)是可利用的。來自農(nóng)業(yè)用地的生物質(zhì)將生產(chǎn)4.28億干噸一年生作物殘留物、3.77億干噸多年生作物和1.06億干噸動(dòng)物性肥料、加工廢料和其它多方面來源。
[0006]木質(zhì)纖維素材料包含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。根據(jù)來源，生物質(zhì)的化學(xué)組成具有很大差異，如表1中所示 。一般地，約70%的木質(zhì)纖維素材料(纖維素和半纖維素)可以潛在地轉(zhuǎn)化成糖并發(fā)酵成生物燃料。木質(zhì)纖維素的生物轉(zhuǎn)化包括三個(gè)主要步驟:A)生物質(zhì)的預(yù)處理；B)纖維素和半纖維素到糖的轉(zhuǎn)化；C)糖經(jīng)由發(fā)酵到乙醇的轉(zhuǎn)化。生物質(zhì)的預(yù)處理是整個(gè)方法成功的關(guān)鍵。剩余的30%殘留物主要是木質(zhì)素。
[0007]表1:木質(zhì)纖維素材料的一般化學(xué)組成
[0008]
組分_%(干質(zhì)量)

纖維素 —30-50 '

半纖維素 20-40
木質(zhì)素 15-25_

其它丨5-50 —
[0009]在木材的情況中，構(gòu)建植物細(xì)胞壁以提供機(jī)械支撐。在細(xì)胞壁形成期間，被半纖維素覆蓋的纖維素束(微纖絲)的層沉積到預(yù)先存在的壁上。在細(xì)胞壁形成的后期階段，木質(zhì)素前體滲入到復(fù)合胞間薄層中以及滲入到次生細(xì)胞壁中的微纖絲之間的微空洞中，在該微空洞中木質(zhì)素前體發(fā)生聚合。因此，植物細(xì)胞壁是具有嵌在半纖維素和木質(zhì)素的基質(zhì)中的微纖絲的框架的緊密結(jié)構(gòu)。纖維素微纖絲的橫截面尺寸為300nm(T)xl, 050nm(W);沿著長(zhǎng)度尺寸具有交替的晶體區(qū)域和非晶區(qū)域。晶體區(qū)域的長(zhǎng)度為約6，OOOnm，其中纖維素鏈?zhǔn)蔷o密排列的，從而對(duì)水分子和化學(xué)產(chǎn)品具有不滲透性。在非晶區(qū)域中，纖維素鏈?zhǔn)撬缮⑷∠虻模瑢?dǎo)致較大的化學(xué)可及性(chemical accessibility)。木材細(xì)胞壁中的結(jié)晶度(即微纖絲晶體區(qū)域的體積比)可以高達(dá)70%。因而，無預(yù)處理，酶對(duì)植物材料的纖維素消化率通常小于30%ο
[0010]對(duì)木質(zhì)纖維素材料的生物轉(zhuǎn)化已研究了眾多預(yù)處理方法。在一篇大型綜述中，弓丨用了 180多篇對(duì)比文獻(xiàn)，將這些技術(shù)總結(jié)在表2中。然而，這些預(yù)處理方法無一被證明是在工業(yè)規(guī)模的乙醇生產(chǎn)上有成本效益的。
[0011]表2:用于乙醇生產(chǎn)的生物質(zhì)預(yù)處理的方法
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種用于處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的方法，該方法包括: 用堿處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)顆粒以部分地去除所述生物質(zhì)的纖維素微纖絲上的半纖維素鞘；以及 對(duì)堿處理后的生物質(zhì)進(jìn)行氧化反應(yīng)以形成纖維素晶體結(jié)構(gòu)經(jīng)破壞的處理后的生物質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述木質(zhì)纖維素生物質(zhì)選自木材、廢木材、甘蔗渣、農(nóng)業(yè)廢棄物、玉米秸、玉米桿或多年生禾草。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述木質(zhì)纖維素生物質(zhì)顆粒通過研磨、粉碎或碾磨形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述木質(zhì)纖維素生物質(zhì)顆粒為I至IOOUS目。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述木質(zhì)纖維素生物質(zhì)顆粒為20至40US目。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述堿為I至10%的氫氧化鈉或氫氧化銨的水溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述堿處理在約50°C至80°C的高溫下進(jìn)行約I至12小時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氧化反應(yīng)通過芬頓法使用鐵催化劑和過氧化氫來進(jìn)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述鐵催化劑是FeSCV
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其`中在室溫或高溫下使用0.2至0.3g/g的H2O2和0.05 至 0.2M 的 FeS04。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括用一種或多種酶消化所述處理后的生物質(zhì)以形成游離糖和木質(zhì)素。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述酶選自纖維素酶或半纖維素酶。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其進(jìn)一步包括將所述游離糖與所述木質(zhì)素分離。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其進(jìn)一步包括對(duì)所述游離糖進(jìn)行發(fā)酵反應(yīng)以形成乙醇。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述游離糖上培養(yǎng)微生物以生產(chǎn)供人食用或者用作動(dòng)物飼料的基于微生物的成分。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述基于微生物的成分是真菌或酵母菌生物質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述真菌生物質(zhì)來自米曲霉變種或黑曲霉變種。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述酵母菌生物質(zhì)來自面包酵母菌。
【文檔編號(hào)】C12P19/14GK103757060SQ201310344011
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2013年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月8日
【發(fā)明者】J·布魯斯·威金, 邊依林, 劉萍, 郭夢(mèng)麟 申請(qǐng)人:達(dá)科他星都有限公司