本发明专利技术涉及生物质预处理。具体而言，本发明专利技术涉及已经通过使用离子液体预处理开发了糖的产量和生产速率改善的木质纤维素转化成糖的方法。这种新的预处理策略实质性地提高了木质纤维素生物质的糖化效率(就产量和反应速率而言)。纤维素和半纤维素，当水解成它们的糖时，可以通过公知的发酵技术转化成乙醇燃料。这些糖还形成用于生产各种化学物质和聚合物的原料。生物质的复杂结构需要合适的预处理以使得能够有效地将纤维素和半纤维素成分糖化成它们的组分糖。现有的预处理方法的纤维素水解反应速率慢(通过使用纤维素酶)和产量低。
【技术实现步骤摘要】
生物质预处理 本申请是专利技术名称为生物质预处理、申请号为 200880013151. 3 、申请日为 2008年3月13日的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及木质纤维生物质转化成糖。更具体地，首先用离子液体预处理木质纤 维生物质。 专利技术背景 在木质纤维生物质中，晶体纤维素纤丝包埋在组织化不太充分的半纤维素基质 中，其依次由外层木质素皮围绕。将天然产生的纤维素材料接触水解酶通常导致纤维素水 解产量低于20%的理论预期结果。因此，总是在尝试酶水解生物质中的多糖（纤维素和半 纤维素）之前进行生物质的一些预处理。预处理指的是将木质纤维生物质从其天然形式 转化成纤维素水解有效形式的过程，其天然形式能抵抗纤维素酶体系。与未处理的生物质 相比，有效预处理的木质纤维材料的特征在于增加的接触纤维素酶的表面积（孔隙度），和 木质素的溶解或再分配。增加的孔隙度主要由纤维素结晶性的破坏、半纤维素断裂/溶解 和木质素再分布和/或溶解的组合而引起。在实现这些因素中的一些（或全部）中的相对 有效性在现有的不同预处理方法中非常不同。这些包括稀酸，蒸汽爆发，热液作用，涉及水 介质中有机溶剂的有机溶胶，氨纤维爆发（AFEX)，使用如氨、NaOH或石灰这些碱的强碱 作用和高浓度磷酸处理。许多这些方法没有破坏纤维素结晶性，这是对实现快速纤维素消 化性所不可缺少的一个特征。再者，这些方法中的一些不适用预处理中所用的化学物质的 易回收。 在现有的预处理技术中，最近报道了一些主要技术的协同研发（C.E. Wyman等， Bioresource Technology, (2005)96,1959)。研究者协会（Biomass Refining Consortium for Applied Fundamental and Innovation(CAFI))已经研究了充分表征的一种原料（即 玉米茎叶饲料）的预处理，通过几种那时很有前景的预处理技术，使用常规的分析方法， 和数据解释的一贯方法（C. E. Wyman 等，Bioresource Technology，（2005) 96, 2026)。特 别地，研究了 以下的：（1)稀酸水解（T. A. Lloyd 和 C. E. Wyman, Bioresource Technology, (2005)96,1967)，（2)氨纤维爆发（AFEX)技术（F.Teymouri 等，Bioresource Technology, (2〇〇5)96,2〇14)，（ 3)pH 受控液体热水处理（N.Mosier 等，Bioresource Technology, (2005)96,1986)，（4)氛水循环方法（ARP) (Τ· H. Kim 和 Υ· Y. Lee，Bioresource Technology, (2005)96,2007)和（5)石灰预处理（S. Kim 和 M.T.Holzapple，Bioresource Technology, 96,（2005) 1994)。所有上述方法有两个步骤：形成冲洗流的预处理步骤和产生水解产物流 的预处理生物质的酶水解步骤（图2)。这两个流出流中的五和六碳糖及其寡聚物的合并总 量用来估计这些方法各自的总糖产量。 在以上的方法中，进行预处理步骤的pH从稀酸水解至热水预处理至基于碱试剂 的方法（AFEX、ARP和石灰预处理）逐渐升高。在预处理步骤的过程中，稀酸和热水处理方 法主要溶解半纤维素，而使用碱试剂的方法除去大部分木质素。因此，来自之前方法中的预 处理步骤的冲洗流主要含有半纤维素基的糖，而对于高pH的方法，该流主要含有木质素。 在基于碱的预处理方法中，随后残余生物质的酶水解形成混合糖（C5和C6)，而来自低和中 性pH方法的水解产物中，葡萄糖是主要的产物。由于木质素的除去可以影响纤维酶与纤维 素的接近性，残余生物质的酶消化性对高pH方法更好些。所有这些方法在高于水正常沸点 很多的温度下在水溶液中进行，以促进半纤维素和木质素的解聚/熔化中涉及的物理-化 学现象，并需要高压环境（6至20大气压）。再者，这些方法中没有一种可以有效地破坏生 物质中纤维素的结晶性。此外，这些方法中的一些释放大部分低聚木糖形式的木糖，许多微 生物不容易发酵这种糖，并需要其他的步骤将它们破碎成单体物质。最后，这些主要预处理 技术的比较经济分析（T.Eggeman 和 R.T.Elander，Bioresource Technology，（2005)96， 2019)表明它们与玉米干碾相比全部是资本集约的，并且对于商业化需要重要的方法改进。 文献中还提出了其中使用溶剂如乙醇和甲醇的方法（在含水介质中）和使用碱如 NaOH的方法。这些方法也能够溶解木质素，但是它们不能够破坏纤维素的结晶性。此外，成 本太高，使得不认为这些方法对于大体积、低价值商品的制造是有竞争性的。基于浓磷酸方 法可获得的信息（Zhang等，Υ-Η P等，Biotechnol.Bioeng.97:214_223)，显示出是涉及几 个步骤的复杂方法，使得整个方法是昂贵的。然而，由于所用的苛刻条件，通过该预处理方 法获得了无定形纤维素。 早先报道了使用离子液体溶解和处理纯纤维素（Swatloski，R. P. , Rogers, R. D. Holbrey，J. D. , US 专利 6, 824, 5，2〇〇2 ;Holbery，J. D.，Spear, S. Κ·，Turner, Μ· Β·, 5￥&七1〇81^，1?.?.，1?(^6^，1?.0.，美国专利6,808,557,2003)。在最近的工作中，我们报道 了通过离子液体预处理来降低纤维素对酶水解抗性的有效方法（Dadi，A.，Schall，C.A.， Varanasi， S. ，Applied Biochemistry and Biotechnology， vol.136-140， p407,2007 ; VaranaslS.，Schall，C.，和Dadi，A.，美国专利申请：2007年2月）。尽管该方法使用离子 液体来打开纯晶体纤维素材料如Avicel的结构，使其易于接近纤维素酶，但是其没有特异 性地解决木质纤维生物质的预处理，这是本专利技术的主题。在该文章中，记录了已经研究了最 近的通过使用离子液体从生物质分离纤维素（Fort，D.A.，Remsing，R.C.，Swatloski，R.P., Moyna，Ρ· , Moyna，G. , Rogers, R. D. , Green Chemistry 9 :63-69,2007)和生物质在离子液 体中的完全分解（Vesa，M.Aksela，R.，欧洲专利W0 2005017001,2005)。之前的申请集中于 生物质的纤维素部分完整回收，用于材料发展，而之后的目的在于鉴定将导致生物质完 全分解的ILs和条件。然而，目前没有可以用于快速并有效糖化木质纤维生物质的多糖部 分的高产量预处理方法。本专利技术研发了区分生物质的三种主要成分（即，木质素、半纤维素 和纤维素）对IL的亲和性，结合一些IL在破坏纤维素部分的结晶性中的独特能力，以设 计出有效糖化生物质多本文档来自技高网...
【技术保护点】
膨胀的木质纤维生物质，其通过以下方法制备，所述方法包括：在离子液体中培养含有木质素、纤维素和半纤维素的木质纤维生物质足够的时间和温度，以使所述纤维素和半纤维素膨胀而不使所述生物质溶解于离子液体中。
【技术特征摘要】
2007.03.14 US 60/894,7081. 膨胀的木质纤维生物质，其通过以下方法制备，所述方法包括：在离子液体中培养 含有木质素、纤维素和半纤维素的木质纤维生物质足够的时间和温度，以使所述纤维素和 半纤维素膨胀而不使所述生物质溶解于离子液体中。2. 根据权利要求1所述的膨胀的生物质，其中所述膨胀的木质纤维生物质进一步用与 离子液体和水可混溶的对于纤维素为非溶剂的液体进行洗涤。3. 根据权利要求2所述的膨胀的生物质，其中用于洗涤的对于纤维素为非溶剂的液体 是水、醇或乙腈，或者溶解离子液体从而从所述生物质提取离子液体的任何溶剂。4. 根据权利要求3所述的膨胀的生物质，其中所述醇是乙醇、甲醇、丁醇或丙醇。5. 根据权利要求1-4任一项所述的膨胀的生物质，其中所述方法包括在50°C至200°C 的温度范围下在5分钟至8小时范围内培养所述生物质。6. 根据权利要求5所述的膨胀的生物质，其中所述温度是120°C、130°C或150°C。7. 根据权利要求1-6任一项所述的膨胀的生物质，其中所述生物质中的纤维素和半纤 维素与培养步骤之前相比膨胀至少30体积％。8. 根据权利要求1-7任一项所述的膨胀的生物质，其中所述离子液体在培养过程中是 熔化的。9. 根据权利要求1-8任一项所述的膨胀的生物质，其中所述离子液体是能够破坏纤维 素或半纤维素的氢键结构的任何离子液体，其由这样的阳离子结构表示，所述阳离子结构 包括味卩坐鐵、批略烧鐵、批陡鐵、憐鐵或按。10. 根据权利要求1-9任一项所述的膨胀的生物质，其中所述离子液体由以下的结构 来表示：其中Rp R2、R3、R4和R5各自是氢，具有1至15个碳原子的烷基或具有2至10个碳原 子的烯烃基团，并且 其中f是卤化物、氢氧化物、甲酸盐、醋酸盐、丙酸盐、丁酸盐、任何具有最高可达总共 10个碳原子的单-或二-羧酸、琥珀酸盐、乳酸盐、天冬氨酸盐、草酸盐、三氯醋酸盐、三氟醋 酸盐、二氰胺或羧酸...
【专利技术属性】
技术研发人员：S·瓦拉纳西，C·A·沙尔，A·P·达迪，J·安迪生，K·拉奥，P·帕里帕蒂，G·库马，
申请(专利权)人：托莱多大学，舒加尼特系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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