在此定義了一種用于蔗渣的連續(xù)蒸汽預(yù)處理和分級分離以便產(chǎn)生對酶促水解敏感的濃縮纖維素固體流的方法。通過分級分離由半纖維素的水解和降解產(chǎn)物組成的液體和蒸氣流而回收有價值的化學(xué)品。生產(chǎn)了纖維素衍生的葡萄糖，用于發(fā)酵成生物燃料。回收了一種半纖維素濃縮物，這種半纖維素濃縮物可以被轉(zhuǎn)化成包括乙醇的多種增值產(chǎn)品。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)總體上涉及從木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇并且特別是一種用于從甘蔗的蔗渣中提取纖維素和半纖維素的方法。
技術(shù)介紹
對高油價、供應(yīng)的安全性以及全球變暖的關(guān)心使得對可再生能源的需求上升。可再生能源是從植物衍生的生物質(zhì)產(chǎn)生的能源。可再生能源應(yīng)用(如燃料乙醇)被看作是對減少化石燃料消耗的有價值的貢獻。公共政策支持在很大程度上基于使用玉米作為原料的燃料乙醇工業(yè)的產(chǎn)生。燃料乙醇的生產(chǎn)有助于穩(wěn)定農(nóng)業(yè)收入并且減少農(nóng)業(yè)補貼。然而，隨著對燃料乙醇的需求增加，另外的原料(如木質(zhì)纖維素生物質(zhì))也在考慮中(1-3)。燃料乙醇是通過淀粉衍生的糖類的發(fā)酵而產(chǎn)生的。蒸餾乙醇并且脫水，從而產(chǎn)生高辛烷值、不含水的汽油代用品。將燃料乙醇與汽油進行共混以便產(chǎn)生一種混合燃料，當與單獨的汽油相比時，該混合燃料具有多個環(huán)境優(yōu)點并且可以在自從20世紀80年代以來制造的汽油動力車輛中使用。大多數(shù)汽油動力車輛可以通過由汽油和高達10%乙醇組成的一種共混物(稱為“E-10”)而行使(4-10)。雖然玉米在北美 洲是用于生產(chǎn)乙醇的主要原材料，但在更溫暖的地區(qū)占優(yōu)勢的乙醇原料是甘蔗。已經(jīng)清楚的是，大規(guī)模使用用于燃料的乙醇將需要新的技術(shù)，這些技術(shù)將允許這個行業(yè)將它的原料選項擴大到包括纖維素(4-10)。纖維素乙醇是從木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中制造的。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)可以被分成四大類:(1)木材殘余物(包括鋸木廠和造紙廠丟棄物)，(2)城市廢紙，(3)農(nóng)業(yè)廢棄物(包括玉米秸桿、玉米芯以及甘蔗蔗渣)，以及(4)專用能源作物，這些作物大多數(shù)由快速長高的本質(zhì)的草類組成，如柳枝稷和芒屬(Miscanthus) (8_11)。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是由構(gòu)成植物細胞壁的三種主要聚合物組成的:纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素。纖維素是一種D-葡萄糖的聚合物。半纖維素含有兩種不同的聚合物，即木聚糖(木糖的聚合物)和葡甘露聚糖(葡萄糖和甘露糖的聚合物)。木質(zhì)素是一種具有愈創(chuàng)木基丙烷單元和紫丁香基丙烷單元的聚合物(12-14)。纖維素纖維被鎖在半纖維素和木質(zhì)素的剛性結(jié)構(gòu)中。木質(zhì)素和半纖維素形成化學(xué)連接的復(fù)合物，這些復(fù)合物將水溶性半纖維素結(jié)合在一個通過木質(zhì)素來粘結(jié)在一起的三維陣列中。木質(zhì)素覆蓋了纖維素微纖絲并且保護它們不受酶降解和化學(xué)降解的影響。這些聚合物為植物細胞壁提供了強度和抗降解性，這使木質(zhì)纖維素生物質(zhì)用作生物燃料生產(chǎn)的基質(zhì)成為挑戰(zhàn)。這些聚合物的含量或結(jié)構(gòu)變化顯著影響了纖維素乙醇生產(chǎn)的全部步驟(12-14)。纖維素或β-1-4-葡聚糖是葡萄糖的線性多糖聚合物，它由纖維二糖單元組成(12，13)。這些纖維素鏈通過氫鍵填充在微纖絲中(14)。這些纖絲通過半纖維素、不同糖類的無定形聚合物而彼此粘附并且被木質(zhì)素覆蓋。半纖維素是圍繞這些纖維素纖維的物理屏障，并且保護纖維素不受降解的影響。有證據(jù)表明，含有木糖聚合物(木聚糖)的半纖維素限制了纖維素分解酶的活性，從而降低了纖維素向葡萄糖的轉(zhuǎn)化速率(11-14)。因此，為了生產(chǎn)可發(fā)酵糖類和乙醇，令人希望的是使一種木聚糖含量低的高反應(yīng)性纖維素受到酶促水解。木質(zhì)素是由被連接在一個三維結(jié)構(gòu)中的苯基丙烷單元構(gòu)建的非常復(fù)雜的分子，木質(zhì)素是特別難以生物降解。木質(zhì)素是植物細胞壁的最強的組分。在木質(zhì)素、半纖維素以及纖維素聚合物之間存在多個化學(xué)鍵。有證據(jù)表明，木質(zhì)素的比例越高，對化學(xué)水解和生物水解的抗性越高。木質(zhì)素和一些可溶的木質(zhì)素衍生物抑制酶促水解和發(fā)酵過程(14，15)。因此，令人希望的是使用一種低木質(zhì)素的木質(zhì)纖維素原料。蔗渣的木質(zhì)素含量是可變的，并且基于干物質(zhì)按重量計從低(10% )至高(25% )范圍變動。一些蔗渣殘余物的低木質(zhì)素含量使得這種廢產(chǎn)物成為用于生產(chǎn)乙醇的良好生物質(zhì)原料，然而高木質(zhì)素的蔗渣更適合用于廢熱發(fā)電應(yīng)用，其中蔗渣被用作燃料源，同時提供用在造紙廠中的熱能以及典型地被出售給消費者電網(wǎng)的電力。關(guān)于用于從纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)可發(fā)酵糖類的各種方法的已經(jīng)公布的著作表明:在木質(zhì)素含量與基于糖的聚合物的酶促水解效率之間存在一種反比關(guān)系(16)。木質(zhì)纖維素微纖絲是以大纖絲的形式締合。這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和木質(zhì)素的存在為植物細胞壁提供了強度和抗降解性，這還使這些材料用作生產(chǎn)生物燃料和生物產(chǎn)品的基質(zhì)成為挑戰(zhàn)。因此，對于產(chǎn)生與催化劑(如酶)反應(yīng)良好的高反應(yīng)性的纖維素而言，預(yù)處理是必要的(17)。出于許多目的，純化的不含纖維素和木質(zhì)素的低聚木糖是有價值的。確切地說，從生物質(zhì)中提取的、具有低木質(zhì)素含量的反應(yīng)性纖維素可以容易被水解成可發(fā)酵的糖單體，并且然后被發(fā)酵成乙醇和其他生物燃料。從半纖維素部分提取的不含木質(zhì)素的低聚木糖是有價值的，并且可以容易地在用于食物和藥物應(yīng)用的益生元物質(zhì)的制備中使用。預(yù)處理的最好方法和條件會變化，并且極大地取決于所使用的木質(zhì)纖維素原材料的類型(18，19)。預(yù)處理配置和運行條件必須相對于該原材料中的木質(zhì)纖維素聚合物的含量或結(jié)構(gòu)而調(diào)整，以便達到纖 維素向可發(fā)酵糖的最佳轉(zhuǎn)化(11)。纖維素對木質(zhì)素的比值是主要因素。要考慮的其他參數(shù)是半纖維素的含量、半纖維素的乙酰化程度、纖維素可及表面積、聚合度以及結(jié)晶度(11)。有效的預(yù)處理應(yīng)當滿足以下要求:(a)產(chǎn)生針對酶擊的反應(yīng)性纖維素纖維，(b)避免纖維素和半纖維素破壞，以及(C)避免形成可能的針對水解酶和發(fā)酵微生物的抑制劑(17-20)。已經(jīng)研究了用于預(yù)處理木質(zhì)纖維素材料以便產(chǎn)生反應(yīng)性纖維素的若干方法。這些方法被分類為物理預(yù)處理、生物預(yù)處理以及物理化學(xué)預(yù)處理(21-22)。現(xiàn)有技術(shù)傳授了物理預(yù)處理和生物預(yù)處理是不適合用于工業(yè)應(yīng)用。物理方法(如研磨、照射以及擠出)是高能量需求的并且產(chǎn)生低等級的纖維素。同樣，已知的生物處理的速率是非常低的(11，23-25)。組合了化學(xué)方法和物理方法兩者的預(yù)處理被稱為物理化學(xué)方法(26)。這些方法是處于最有效的方法之中，并且包括用于工業(yè)應(yīng)用的最有希望的方法。半纖維素水解經(jīng)常是幾乎完全的。隨著纖維素表面積增加，出現(xiàn)纖維素聚合度和結(jié)晶度降低。這些變化大大增加了總體的纖維素反應(yīng)性。處理速率通常是迅速的(16-26)。這些預(yù)處理方法通常采用了使用酸(半纖維素水解)和堿用于木質(zhì)素去除的水解技術(shù)(27-39)。蒸汽爆破法有充分的文件記錄。已經(jīng)由若干研究團隊和公司在實驗室和中試規(guī)模中測試了分批和連續(xù)的方法(40-44)。在蒸汽爆破預(yù)處理中，生物質(zhì)是在酸性條件下在高壓和高溫下(即在口11值< ρΗ4.0下，160°C至260°C持續(xù)I分鐘至20分鐘)處理的(21，17-23)。突然降低該預(yù)處理的生物質(zhì)的壓力，使這些材料經(jīng)歷爆炸性減壓，導(dǎo)致木質(zhì)纖維素纖維的去纖維化(45-47)。蒸汽爆破預(yù)處理在溶解木質(zhì)素中不是非常有效的，但它能使該木質(zhì)素結(jié)構(gòu)破裂并且增加纖維素對酶促水解的敏感性。蒸汽爆破預(yù)處理通常導(dǎo)致廣泛的半纖維素分解以及在一定程度上的木糖和葡萄糖的降解(40-44)。蒸汽爆破預(yù)處理已經(jīng)被成功地應(yīng)用于寬范圍的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)。乙酸、硫酸或二氧化硫是最常使用的催化劑(40-44)。經(jīng)過稀酸或二氧化硫催化的蒸汽爆破預(yù)處理是指使用0.1% -1.0 %稀硫酸或0.5% -4.0 % 二氧化硫(45-47)。在酸催化的預(yù)處理方法中，催化劑必須被再循環(huán)或者所獲得的預(yù)水解產(chǎn)物流必須被稀釋，以便使毒性和抑制性本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：弗蘭克·A·多托里，羅伯特·阿什莉·庫珀·本森，雷吉斯奧利維爾·貝內(nèi)奇，
申請(專利權(quán))人：綠源乙醇公司，
類型：
國別省市：
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