CN102239262A - 用于乙醇生产的中间产物制备方法以及得到的中间产物 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从木质纤维素原料制备中间产物的方法，该中间产物用于乙醇生产，其特征在于在挤压机中将所述原料进行纤维分离，挤压机温度为60℃-180℃，存在所述原料质量的200％-450％的水并且优选存在浓度不高的强酸或强碱的。本发明还涉及通过该方法得到的中间产物以及其用于生产乙醇的用途。

Description

用于乙醇生产的中间产物制备方法以及得到的中间产物

本发明涉及利用木质纤维素原料制备用于乙醇生产的中间产物的方法。

本发明还涉及通过该方法得到的中间产物以及其用于生产乙醇的用途。

多年来，为了用可更新的能量代替矿物能源进行过大量的研究。探讨主要指向新碳氢燃料的制造：农业碳氢燃料或生态碳氢燃料。

生态碳氢燃料是一种用可再生非化石的有机材料生产的碳氢燃料。

存在不同的技术生产生态碳氢燃料，特别是由来自动物或植物的天然原料、或来自工业或团体的废料生产油、醇或气态碳氢燃料。

目前，从来自谷物、小麦或玉米或甜菜的糖发酵开始，开发了大量乙醇形式的农业碳氢燃料。

但是，这些农业碳氢燃料的开发同时在产量方面存在严重的缺陷，特别是其陷入了与食用农作物和生态系统的直接竞争。另外，与碳氢燃料的非常巨大的消耗量相比，原料的生产能力是有限的。推算通过该途径平均仅能满足10％的需求。

相反，可用的木质纤维素化合物的量很大，具有达到碳氢燃料需求量的40％的潜力。这些木质纤维素化合物特别包括木材、秸秆、来自农作物的具有很高干物质比率的植物、农业联产品、收集的植物废料和工业或团体的废弃物。

木质纤维素生物原料主要由纤维素多糖和半纤维素多糖组成，通过共价键和氢键强烈连接成木质素网状组织。

用木质纤维素化合物生产乙醇是通过将纤维素水解成葡萄糖分子，单糖随后用糖酵解法发酵成乙醇。为了易于得到纤维素，该方法需要预处理，以便使酶水解容易进行。

在公知的方法中，为了水解半纤维素和易于得到纤维素，用化学方法对木质纤维素生物材料进行预处理。

通常涉及通过在热的碱性介质中水解生物材料的预处理以便溶解半纤维素和部分木质素，或者通过在热的弱酸性介质中水解预处理以便水解半纤维素。

然而，这些公知的预处理方法满足不了产量的要求，并且需要用浓缩产品。

这就是为什么本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种经济有效的方法预处理木质纤维素生物材料以便将其转化成乙醇。

为此，本发明的目的是一种用木质纤维素原料制备用于乙醇生产的中间产物的方法，其特征在于在温度为60℃-180℃并且有一定量水存在下在挤压机中将所述原料进行分离纤维，所述水量为所述原料质量的200％-450％。

优选根据本发明的方法包括在温度为60℃-180℃，在所述原料质量的200％-450％的水量和相对于水量浓度不高-即，浓度为水体积的0.5％-4％-的强酸或强碱存在下，在挤压机中将木质纤维素原料分离纤维。

本发明还涉及通过实施该方法得到的中间产物。

本发明意义上的中间产物是指分离纤维以后得到的生物材料。

根据本发明的方法可以有利地得到中间产物，其能够使纤维素酶水解的产量提高8倍，从而提高乙醇的生产产量。

现在详细描述本发明。

本发明的主题是一种预处理木质纤维素生物材料生产中间产物的方法，所述中间产物用于转化为乙醇。

本发明意义上的木质纤维素原料或木质纤维素生物材料是指所有木质纤维素化合物，特别是：

-贵族植物纤维，例如大麻或亚麻，

-能量农作物，例如miscanthus、panic érigé、柳树、杨树，

-农业联产品，例如所有类型的秸秆(谷物的、油料作物的，等等)、葡萄嫩枝、籽壳、向日葵的头状花序，玉米棒芯，

-森林联产品，例如碎木材，

-木材工业的相关产品，例如锯末或树皮，

-工业废弃物，例如纺棉、纸、寿终正寝的产品(板、铁路枕木等)或压缩木料板的边角料。

根据本发明的方法包括在挤压机中将原料或木质纤维素生物材料脱(分离)纤维，温度为60℃-180℃，有所述原料质量的200％-450％的水量存在。

优选木质纤维素原料还在强酸或强碱存在下分离纤维，强酸或强碱的浓度相对于水体积为0.5％-4％。

挤压机是主要由一个或多个螺杆组成，螺杆按照规定速度在温度可调的圆筒形套筒中不停转动。

优选根据本发明的方法使用单螺杆或双螺杆挤压机。

双螺杆挤压机是由两个螺杆和一个包围这两个螺杆的套筒组成的挤压机，两个螺杆配合工作，按相同方向转动。所述两个螺杆是相同的，由包括材料供应元件的组件构成，装备有开在螺纹中的窗口或切口。

有利地，挤压机仅用一个步骤就能实现一个或多个操作，特别是通过加压和剪切的结合进行木质纤维素生物原料的分离纤维，其可将纤维分离，从木质素网状组织中释放纤维素，并增溶半纤维素。

根据本发明，挤压机的温度为60℃-180℃，优选为90℃-120℃，最优选100℃-110℃。

此外，在挤压机中所用水量是所述木质纤维素原料质量的200％-450％，优选为300％-450％，最优选为所述木质纤维素原料质量的300％-400％。

同样，强酸或强碱的用量相对于水体积为0.5％-4％，优选0.5％-1.5％，最优选0.8％-1.2％。例如可以是盐酸、硫酸或氢氧化钠。强酸可以是无机酸或有机酸。

这些特定参数(温度、水量和/或强酸或强碱的用量)的结合可以获得比例特别高的、能够被水解的木质纤维素中间产物。

根据本发明的一个特别适合的方法的实例包括如下步骤：

-将木质纤维素原料混合到水中，水量为该木质纤维素原料质量的200％，优选存在浓度相对于水量为1％的强酸(硫酸H2SO4)或强碱(氢氧化钠NaOH)，

-将该混合物引入温度为60℃-180℃的挤压机中分离纤维，

-在挤压期间，在挤压机的套筒中添加水，水量为所述木质纤维素原料质量的0％-200％。

通过改变温度、水量参数以及存在或不存在强酸或强碱实施本方法来进行试验。

然后将得到的2克中间产物水解，每5mL纤维素酶(Trichodermalongibrachiatum)为50mL，pH值为5，温度为50℃。

得到的结果如下表所示：

生物材料的处理	中间产物水解的％
		无(对照)	7.96
60℃	6.99
		200％水-60℃	14.75
300％水-60℃	17.97
		400％水-60℃	19.97
200％水-105℃	17.94
		300％水-105℃	21.99
400％水-105℃	21.94
		200％水-130℃	16.96
300％水-130℃	14.94
		400％水-130℃	16.93
200％水-180℃	10.98
		300％水-180℃	14.94
400％水-180℃	14.99
		400％水加1％H2SO4-105℃	44.0
400％水加1％H2SO4-120℃	40.1
		400％水加1％H2SO4-140℃	38.4
200％水加1％H2SO4-170℃	31.4
		400％水加1％NaOH-105℃	53.4
400％水加1％NaOH-120℃	58.4
		200％水加1％NaOH-140℃	56.1
300％水加1％NaOH-170℃	49.8

我们发现，对于根据本发明的水量、温度和/或强酸或强碱浓度的数值范围，水解的产量大大增加。

根据本发明的方法的最佳条件是挤压温度为105℃，水量为300％(200％先与生物材料混合，100％直接在挤压机的套筒中)。

在这些条件下实施根据本发明的方法可以使处理过的生物材料的酶水解产量增加8倍。

根据本发明，所有木质纤维素材料均可使用。

一个特别合适的变型在于将再循环的纺棉用作原料，特别是由至少90％纤维素组成的再循环纺棉，其可以进一步增加产量。一种由92-93％纤维素组成的再循环纺棉经根据本发明的方法在105℃下用300％水量处理，可以得到23％的水解增益。

根据另一个方面，本发明涉及用根据本发明的方法加工得到的中间产物。

涉及一种处理过的木质纤维素生物材料，其可有利地通过任何合适的方法用于乙醇生产。一个优选方法包括以下步骤：

-对中间产物进行酶水解

-反向渗透、超滤、纳米过滤、脱色和/或无菌过滤，

-发酵，和

-蒸馏/脱水。

优选，该方法包括以下步骤：

-用由纤维素酶和β-葡糖苷酶构成的酶混合物(每克纤维素0.1-0.3克酶)在温度保持在45℃-55℃、pH值为4-5.5的桶中酶水解至少15小时，

-离心，

-超滤以便再循环水解酶，

-反向渗透，

-无菌过滤，

-冷却，

-在温度约为30℃、pH值为3.8-4.3的具有酿酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)的发酵罐中发酵7-24小时，

-蒸馏/脱水。

这种方法可以生产产量很大的生物乙醇，主要是因为有了用根据本发明方法处理的木质纤维素生物材料中间产物。

得到的乙醇可优选作为碳氢燃料用于汽油车辆，其可单独使用或与一种或多种其它碳氢燃料一起使用。

Claims (10)

1.一种利用木质纤维素原料制备中间产物的方法，所述中间产物用于生产乙醇，其特征在于在温度为60℃-180℃并且有一定量水存在下在挤压机中将所述原料分离纤维，所述水量为所述原料质量的200％-450％。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于在温度为60℃-180℃并且有所述原料质量的200％-450％量的水以及有浓度相对于水体积为0.5％-4％的强酸或强碱存在下在挤压机中将所述原料分离纤维。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于强酸或强碱的浓度相对于水体积为0.5％-1.5％。

4.根据上述任一权利要求的方法，其特征在于温度为90℃-120℃。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于温度为100℃-110℃。

6.根据上述任一权利要求的方法，其特征在于所述水量是所述木质纤维素原料质量的300％-400％。

7.根据上述任一权利要求的方法，其特征在于所述木质纤维素原料在双螺杆挤压机中进行纤维分离。

8.根据上述任一权利要求的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

-将木质纤维素原料混合到水中，水量为该木质纤维素原料质量的200％，含有相对于水体积为1％浓度的强酸或强碱，

-将该混合物引入到温度为105℃的挤压机中，

-在挤压期间，在挤压机的套筒中添加水，水量为所述木质纤维素原料质量的0％-200％。

9.用于乙醇生产的中间产物，可通过权利要求1-8之一的方法获得。

10.根据权利要求9的中间产物用于乙醇生产的应用。