CN103014185B - 由木质纤维素材料生产水溶性糖的预处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由木质纤维素材料生产水溶性糖的预处理方法。具体而言，本发明涉及通过甲酸和过甲酸处理由木质纤维素材料制造水解性纤维素，并且进而在需要时制造糖。

Description

由木质纤维素材料生产水溶性糖的预处理方法
技术领域
本发明涉及一种通过使用甲酸和过甲酸处理由木质纤维素材料生产水解性纤维素的预处理方法，并且进而涉及由如此获得的纤维素制造糖。过酸处理将得到适于水解的纤维素，之后通过酶促水解或其他方法即可由其制造如葡萄糖等糖。由此获得的糖产品适于制造生物乙醇和其他工业化学品。根据本发明的水解性纤维素不仅适于进一步加工成糖，还适于进一步加工成其他产品，例如加工成各种纤维素衍生物。
背景技术
公报US2010/0240112A1(JuhaAnttila等)公开了使用有机酸(甲酸和/或乙酸)对含有木质纤维素的生物质的处理，该处理给出了具有改善的水解性的碳水化合物级分，之后该碳水化合物级分进行酶促水解以产生如葡萄糖等糖。所述酸处理通常在60℃～220℃，优选100℃～180℃，例如130℃～170℃的温度进行。该方法可以在酸法蒸煮之后另外包含一个进一步处理步骤，其中反应混合物在例如100℃～180℃的温度加热(保持时间例如为10分钟～24小时)。
公报US2010/0285553A1(MichelDelmas,CompagnieIndustrielledelaMatiereVegetaleCIMV)公开了一种通过在95℃～110℃的温度使用甲酸蒸煮来预处理木质纤维素植物原料的方法。由此获得可被水解和发酵以产生生物乙醇的一种或多种产物。
然而，观察到根据现有技术仅使用甲酸或者甲酸和乙酸的混合物不能对浆提供足够良好的水解性。
使用过乙酸作为在对生物质(甘蔗渣)进行酶促水解之前的预处理方法公开于以下出版物中：Zhao等的Effectofseveralfactorsonperaceticacidpretreatmentofsugarcanebagasseforenzymatichydrolysis,JournalofChemicalTechnologyandBiotechnology，82(2007)1115-1121。该出版物中陈述了过乙酸处理可以通过除去半纤维素和木质素而有效地改善甘蔗渣的酶促水解性。
然而，已知的过酸法中所使用的过乙酸和过氧化氢的剂量和用量很高，导致很高的过酸/过氧化氢成本。
残余的木质素对于通过蒸汽爆破预处理过的软木纤维素的水解性的影响也在以下出版物中得到了研究：Pan,X.等的StrategiestoEnhancetheEnzymaticHydrolysisofPretreatedSoftwoodwithHighResidualLigninContent,AppliedBiochemistryandBiotechnology121-124(2005),1069-1079。其注意到残余的木质素通过以下两种不同的机理影响纤维素的酶促水解：通过形成针对“纤维素酶攻击”的物理屏障，或者通过结合纤维素酶由此妨碍其活性。
现有技术中尚未公开或暗示使用过甲酸来改善纤维素的水解性。过甲酸的使用仅在制造化学浆中是已知的。
WO公报97/26403(EsaRousuConsultingOy)描述了一种制造纤维素的方法，所述纤维素意在用于通过两步甲酸蒸煮由非木材料来造纸(或纤维胶)，其中第二步使用过氧化氢作为添加剂。第一步在超过100℃的温度，优选在105℃～125℃的温度进行，第二步在70℃～90℃的温度进行。
WO公报98/20198(ChempolisOy)描述了一种制造化学浆的方法，所述化学浆意在用于通过使用过甲酸洗涤浆由一步甲酸蒸煮来造纸。过甲酸通过向甲酸添加过氧化氢或臭氧而原地制造或者在即将使用之前制造。以纤维素原料计，待添加的过氧化氢的量为0.01%～1.5%。过甲酸洗涤在浆的稠度为10%～50%，优选20%～35%时进行。甲酸蒸煮在超过85℃的温度，最优选在110℃～125℃的温度进行。过甲酸处理在50℃～90℃的温度，优选在60℃～80℃的温度进行。将过甲酸处理的持续时间描述为在典型的洗涤步骤中浆的滞留时间。根据实施例1，过甲酸处理的持续时间为7分钟。
US专利6866749B2(MichelDelmas,CompagnieIndustrielledelaMatiereVegetale)描述了过乙酸和过甲酸的混合物在漂白化学纸浆的应用。
发明内容
本发明的一个目的在于由此提供一种制造水解性纤维素进而制造糖以使上述问题得到解决的方法。本发明的该目的通过具有如独立权利要求所述的特征的方法实现。本发明的优选实施方式公开于从属权利要求中。
本发明依据的是下述思路，即，在给定条件下使用甲酸和过甲酸对纤维素材料进行预处理给定时间以改善水解性。尽管存在以下事实：木质素和半纤维素含量并不是在所有情形中都像本领域以前所知的制造水解性化学浆的方法中那样低，但是所获得的浆在低剂量的酶时水解为糖的能力十分优异。
本发明的方法和安排的优点包括使用廉价的预处理方法提供水解性纤维素，和能够在水解时采用低剂量的酶，并且水解时纤维素浆的木质素和半纤维素含量不是至关紧要的。
附图说明
图1描述了不同添加量的过氧化氢下空果串的水解性(甲酸蒸煮)。
图2描述了不同添加量的过氧化氢下木薯茎秆的水解性(甲酸蒸煮)。
图3描述了不同添加量的过氧化氢下木薯茎秆的酶促水解性(使用甲酸和乙酸的混合物蒸煮)。
图4描述了过酸处理的持续时间对于纤维素浆的酶促水解性、卡伯值和木聚糖含量的影响(使用乙酸作为附加蒸煮化学品的甲酸蒸煮)。
图5描述了过酸处理的持续时间对于纤维素纸浆的酶促水解性、卡伯值和木聚糖含量的影响(甲酸蒸煮，130℃，15分钟)。
具体实施方式
本发明的一个目的是一种由木质纤维素材料制造纤维素和/或糖产品的方法。
本发明的方法的特征在于
(a)通过温度为110℃～160℃、甲酸含量为70%～98%的甲酸蒸煮对木质纤维素材料进行分级(fractionation)；
(b)使由此获得的纤维素浆级分(fraction)达到10%～40%的稠度，并使用甲酸对其洗涤；
(c)使用过甲酸在50℃～90℃处理经稠化和洗涤的纤维素浆，所述过甲酸通过以下方式制得：向甲酸添加相对于干浆计算量为0.5%～3%的过氧化氢，并在将过甲酸添加至该经稠化和洗涤的浆之前，使甲酸和过氧化氢反应1分钟～10分钟生成过甲酸；
由此进行过甲酸处理，直至过甲酸基本耗尽，然后通过使反应混合物在同一温度下反应来继续进行该处理；
(d)使用含量为70%～98%的甲酸洗涤已使用过甲酸处理的纤维素浆；
(e)在60℃～150℃的温度使用含量为2%～20%的甲酸处理由此获得的纤维素浆；
(f)回收所获得的纤维素；和
(g)如果需要，将所获得的纤维素水解为单糖和寡糖，由此获得糖产品。
步骤(a)～(e)涉及获得水解性纤维素的预处理，而步骤(g)涉及将由此获得的纤维素水解为糖。
在本发明的上下文中，水解性纤维素是指其性质特别适于利用酶促水解而产生单糖和寡糖，如葡萄糖等的纤维素浆。水解性纤维素的制造针对的是低半纤维素含量，这与例如作为化学浆的针对目标的和对于纸浆的粘合性具有正面作用的较高的半纤维含量截然不同。此外，在制造水解性纤维素中，作为化学纸浆目标的最低可能的卡伯值不是必需的。
在根据本发明的步骤(a)中，通过使用含量为70%～98%，优选75%～85%(其余为水)的甲酸的甲酸蒸煮来使木质纤维素材料进行分级。蒸煮剂也可以含有少量乙酸，以总蒸煮剂的重量计，该量低于30%，优选低于15%，特别优选低于1%。蒸煮在110℃～160℃，优选125℃～135℃的温度进行。蒸煮时间为5分钟～80分钟，优选20分钟～60分钟。木质纤维素材料与液体的比例为1:4～1:6。蒸煮在2巴～6巴，优选2巴～4巴的轻微过压下进行。
由分级回收含有纤维素的固体物质级分，在根据本发明的方法的步骤(b)～(f)中对其进行进一步处理。
在甲酸蒸煮之后，所获得的纤维素浆级分在步骤(b)中通过常规方法稠化至稠度为10%～40%，所述常规方法采用螺杆或压式压力机(pressurepress)，或者真空压机(vacuumpress)等。
之后，在步骤(b)中通常使用与蒸煮时所使用的相同的试剂(含量为70%～98%的甲酸)洗涤所获得的纤维素浆。例如，洗涤步骤(b)中的提取时间可以为30分钟，并且温度为30℃～90℃，优选60℃～90℃。
在步骤(c)中使用过甲酸处理经稠化和洗涤的浆。过甲酸通过以下方式制得：向甲酸添加过氧化氢，过氧化氢的量相对于干浆计算为0.5%～3%，优选0.5%～2%，并在将过甲酸添加至该经稠化和洗涤的浆之前使甲酸和过氧化氢反应生成过甲酸1分钟～10分钟，优选3分钟～7分钟。在50℃～90℃，优选65℃～75℃的温度产生过甲酸。
在50℃～90℃，优选65℃～75℃的温度进行过甲酸处理。使过甲酸作用于所述浆，直至过甲酸基本耗尽，随后通过使反应混合物在同一温度下反应来继续进行该处理。观察到当继续进行该处理时，水解性得到改善，尽管在反应混合物中已不再留有过酸。
在本发明的一个实施方式中，步骤(c)的过甲酸处理在一个单独的反应器中进行。在此情形中，浆的稠度通常为10%～15%。
在本发明的另一个实施方式中，步骤(c)的过甲酸处理连同洗涤浆在洗涤器中进行。在此情形中，浆的稠度通常为20%～35%。
步骤(c)中的过甲酸处理的总时间为30分钟～200分钟，优选150分钟～200分钟。
在过甲酸处理之后，在步骤(d)中使用甲酸重新洗涤浆。可以将与蒸煮中所使用的相同的试剂(含量为70%～98%的甲酸)用于该洗涤。例如，洗涤步骤(b)中的提取时间可以为15分钟，并且温度为30℃～90℃，优选60℃～90℃。
在步骤(e)中，通过在60℃～150℃(优选80℃～90℃)的温度使用低稠度(1%～5%)的稀甲酸(含量为2%～20%，优选%～6%)处理浆来进行浆的脱酯化。步骤(e)中的处理时间为0.5小时～24小时，通常为12小时～20小时。在该脱脂步骤中，在蒸煮步骤中以化学酯化的方式结合于浆的有机酸从纤维素浆上释放。
其后，对浆执行常规过滤和水洗步骤。
所得物为卡伯值为3～55且半纤维素含量为0.5%～7%的水解性纤维素。
观察到根据本发明获得的纤维素在低剂量的酶时水解为糖的水解性十分优异。还观察到根据本发明的过酸处理不实质上影响木质素和半纤维素含量。
由于其良好的水解性，以此方式获得的纤维素非常适于制造水溶性单糖和寡糖，如葡萄糖。
如果需要，将根据本发明的方法的步骤(g)中获得的纤维素浆水解为水溶性单糖和寡糖，由此获得糖产品。糖产品优选为葡萄糖。优选的是，采用酶促水解，但也可以使用其他方法来制造糖。
根据本发明的方法也可以包括将单糖和寡糖发酵为乙醇的其他步骤。
在本发明的一个实施方式中，水解为糖和发酵为乙醇在分开的操作中相继进行。
在本发明的另一个实施方式中，水解为糖和发酵为乙醇在同一操作中同时进行。
本发明还涉及根据本发明的方法获得的纤维素在制造糖和其他产品中的用途。
本发明还涉及根据本发明的方法获得的如葡萄糖等单糖和寡糖在通过发酵制造生物乙醇以及在制造其他工业化学品上的用途。
在根据本发明的方法的蒸煮步骤(a)中，木质纤维素浆所含有的木质素和半纤维素大部分溶解在蒸煮液中。蒸煮酸可以通过已知方法由蒸煮液回收。另外，可以由作为蒸煮步骤中和可能的其他方法步骤中的副产品而获得的木质素和半纤维素(C5糖，例如木糖)产生糠醛、乙酸、甲酸、化学品和生物燃料。
用作该方法的原材料的木质纤维素材料可以是任何木质纤维素植物材料。可以是木质材料，如软木或硬木，如桉树或金合欢(acacia)。也可以是草本植物、韧皮纤维、叶纤维或水果种子纤维类非木质材料。草本植物类可用材料的实例包括：秸秆，例如谷类秸秆(小麦、黑麦、燕麦、大麦、稻)；芦苇类，例如草芦、普通芦苇；纸莎草、甘蔗(即甘蔗渣)和竹以及草类，例如细茎针草(esparto)、印度草(sabai)和柠檬草(lemongrass)。韧皮纤维的实例包括：亚麻类，例如普通亚麻(commonflax)的茎和胡麻(oilflax)的茎、木薯茎秆、大麻(hemp)、东印度大麻、洋麻、黄麻、苎麻、枸树、雁皮纤维(gampifibre)和三桠皮纤维(mitsumatafibre)。叶纤维的实例包括蕉麻和剑麻。水果种子纤维的实例包括棉籽毛(cottonseedhairs)和棉绒纤维、木棉和椰壳纤维。
在芬兰并且可用于本发明的草本植物包括：普通芦苇、草芦、猫尾草、鸭茅草、黄香草木樨、无芒雀麦、紫羊茅、白花根木樨、红三叶草、山羊豆(goat’srue)和苜蓿。
特别优选的是，使用草本植物类生物质，如谷类秸秆。在一个实施方式中，使用的是一年生草本植物类生物质。在另一个实施方式中，使用的是多年生非木本植物类生物质。根据本发明，也可以使用含有木质纤维素的工业或农业废料，包括空果串(emptyfruitbunch，油棕的压榨残渣)和上述谷类秸秆。
实施例1～5
以下将参考说明性而非限制性的实施例来详细描述本发明。
在实施例1～3中，检验过氧化氢的量对水解性的影响。在实施例4～5中，检验过酸处理时间对水解性的影响。
除非另外指明，否则实施例乃至整个说明书以及权利要求书中的百分比含量都是重量百分比(重量%)。
在实施例中，通过使用以下方法来确定所获得的纤维素浆的性质：
通过使用标准方法ISO302:2004来确定卡伯值(木质素含量)。
基于标准方法SCAN:C4-61来确定干物质中戊聚醣(木聚糖)的比例，并利用HPLC进行相关分析。
基于标准方法ISO-1762:2001确定灰分含量。
通过以下方式确定过氧化氢含量：使用亚铁菲绕啉离子指示剂，在酸性条件下使用硫酸铈铵滴定过氧化氢。过甲酸含量由使用钼酸铵作为催化剂、淀粉作为指示剂通过使用硫代硫酸钠滴定在添加碘化钾之后的同一溶液确定。
浆的酶促水解通过使用市售纤维素酶产品作为标准剂量来进行，所述剂量为相对于纤维素浆样品的干重计算。纤维素酶产品含有利用霉菌瑞氏木霉(Trichodermareesei)产生的纤维素酶作为主要成分，并且其含有水解纤维素所需的所有活性(纤维素酶活性为约132FPU[“滤纸单位”]，由标准方法NREL/TP-510-42628确定，2008年1月)。实施例1～3中的酶剂量为5～6FPU/1g干纤维素，实施例4～5中为约5FPU/1g干纤维素。水解测试的持续时间为3天～7天。通过基于固体物质(%)确定水解的进展和/或通过确定葡萄糖产率来检验水解性。
固体物质测试基于重量确定并如下进行：(1)将标准量的固体纤维素浆分配至混合瓶；(2)以上述方式进行酶促水解，由此固体纤维素以上述方式水解为水溶性糖，即单糖和寡糖，其引起固体物质的减少；(3)通过过滤分离残余的固体物质；(4)确定固体物质的减少量，其与酶促水解的进展成比例；(5)确定使用高剂量的酶(例如，酶量为实际水解测试的三倍)时固体物质的最大减少量；(6)将固体物质的最大减少量与测试样品中固体物质的减少量进行比较，由此
水解的进展(%)=(测试样品中固体物质的减少量)/(固体物质的最大减少量)。
葡萄糖产率如下计算：(1)根据卡伯值、戊糖含量(C5糖含量)和灰分含量估算样品的纤维素含量；(2)由将酶促水解获得的糖的量除以所估算的纤维素含量；和(3)将所获得的比率乘以纤维素单元的摩尔质量与葡萄糖的摩尔质量的比率(162/180)。
实施例1
通过使用82%的甲酸在120.5℃的温度对空果串进行甲酸蒸煮。原料与液体的比例为1:6。蒸煮时间为25分钟。
蒸煮后，过滤该浆，达到干物质含量为12%，并同时使用蒸煮时使用的甲酸试剂来进行洗涤。洗涤时的提取时间为30分钟。
通过在70℃向少量甲酸中添加过氧化氢并使该混合物反应5分钟来制备过甲酸试剂。
在70℃使用以此方式获得的过甲酸试剂处理经过滤和洗涤的浆(稠度为10%～12%)65分钟。用于该处理的过氧化氢的量在所供应的干浆的0.5%～3.6%的范围内变化。还进行其中完全没有过氧化氢(0%)的对照测试。
之后，通过在洗涤时采用15分钟的提取时间，使用与以上相同的酸来洗涤浆。
通过在85℃的温度将稠度为2%的浆与稀甲酸(含量为2%～6%)反应16小时来对经洗涤的浆进行脱酯化。
在此之后，将浆过滤并用水洗涤。
以上述方式(水解持续时间为5天)，从以此方式获得的且经不同量的过氧化氢处理的纤维素浆确定木聚糖的比例、卡伯值和酶促水解性。结果如图1中的图表所示。
由图1可以看出，过氧化氢的量(即，生成的过甲酸的量)的增加实质上改善了浆的水解性，但基本上未改变纤维素浆中木聚糖(戊糖)的含量。
实施例2
使用木薯茎秆作为原料，进行与实施例1中相似的甲酸和过甲酸处理。除了蒸煮温度为130℃并且蒸煮时间为60分钟之外，蒸煮条件相同。
以与上述相似的方式，由以此方式获得且使用其量为0%和2.6%的过氧化氢处理的纤维素浆确定卡伯值和水解性。结果如图2中的图表所示。
结果类似于实施例1中的结果。过氧化氢和过甲酸的增加实质上降低了卡伯值(木质素含量)，同时改善了水解性。
实施例3(对照测试)
通过进行使用下述酸混合物的对照蒸煮，进一步研究过氧化氢添加和过酸的作用，所述酸混合物含有等量的甲酸和乙酸(总酸量为82%，其中50%为甲酸并且50%为乙酸)。将木薯茎秆用作蒸煮原料。蒸煮在160℃的温度进行，蒸煮时间为30分钟。
以与上述相似的方式，由以此方式获得且使用其量为0%和2.6%的过氧化氢处理的纤维素浆确定卡伯值、木聚糖含量和水解性。结果如图3中的图表所示。
由这些结果可以看出，过氧化氢和过甲酸和过乙酸的添加实质上降低了卡伯值，但对于纤维素的水解性不具有改善作用，也未影响木聚糖含量。
因此，在蒸煮时除甲酸外还使用大量乙酸未能提供在水解性方面具有如同由仅甲酸蒸煮获得的纤维素那样高品质的纤维素。
实施例4
通过使用乙酸作为附加的蒸煮化学品来对桉树碎片进行甲酸蒸煮(蒸煮酸的酸组成：70%甲酸和12%乙酸)。蒸煮温度为150℃，蒸煮时间为60分钟。
通过以所供给的干浆的1.6%的量添加过氧化氢来进行过酸处理，过酸处理的时间为65分钟或180分钟。
该处理也包括对应于实施例1中的步骤的洗涤和脱酯化步骤。
该过程包括确定卡伯值、木聚糖含量和基于固体物质的水解的进展以及葡萄糖产率和反应混合物的过氧化氢含量。结果如图4中的图表所示。7天水解测试中葡萄糖产率(图中未示出)为82%(过酸处理持续时间为65分钟)和100%(过酸处理持续时间为180分钟)。
结果显示，随着过酸处理时间的延长，水解性得到改善，而卡伯值和木聚糖含量保持基本不变。在图4中也可以观察到，即使在反应混合物中基本无过氧化氢/过酸剩余之后仍继续该处理时，水解性还能得到改善。
实施例5
使用82%的甲酸对于与实施例4中相同的原料进行甲酸蒸煮。蒸煮温度为130℃，蒸煮时间为15分钟。
通过以干浆的1.6%的量添加过氧化氢来进行过酸处理，过酸处理的持续时间与实施例4中相同。
该处理也包括对应于实施例1中的步骤的洗涤和脱酯化步骤。
该过程包括确定卡伯值、木聚糖含量和基于固体物质的水解的进展以及葡萄糖产率和反应混合物的过氧化氢含量。结果如图5中的图表所示。7天水解测试中葡萄糖产率(图中未示出)为68%(过酸处理持续时间为65分钟)和93%(过酸处理持续时间为180分钟)。
结果显示随着过酸处理时间的延长，基于固体物质的水解性得到改善，卡伯值仅稍有增高，并且木聚糖含量基本保持不变。即使在反应混合物中基本无过氧化氢/过酸剩余之后仍继续该处理时，水解性还能得到改善。
对于本领域技术人员而言显而易见的是，随着技术的发展，本发明的基本思路可以以许多不同方式来实施。本发明及其实施方式因此不限于上述实例，而可以在权利要求书的范围内改变。

Claims (13)

1.一种由木质纤维素材料制造纤维素和/或糖产品的方法，所述方法包括：
(a)通过温度为110℃～160℃、甲酸含量为70重量％～98重量％的甲酸蒸煮对木质纤维素材料进行分级；
(b)使由此获得的纤维素浆级分达到10％～40％的稠度，并使用甲酸将其洗涤；
(c)使用过甲酸在50℃～90℃处理所述经稠化和洗涤的纤维素浆，所述过甲酸通过以下方式制得：向甲酸添加相对于干浆计算量为0.5重量％～3重量％的过氧化氢，并在将所述过甲酸添加至所述经稠化和洗涤的浆之前，使所述甲酸和过氧化氢反应1分钟～10分钟生成所述过甲酸；
由此进行所述纤维素浆的过甲酸处理，直至所述过甲酸耗尽，然后通过使所述反应混合物在同一温度下反应来继续进行所述处理；
(d)使用含量为70重量％～98重量％的甲酸洗涤已使用过甲酸处理的纤维素浆；
(e)在60℃～150℃的温度使用含量为2重量％～20重量％的甲酸处理由此获得的纤维素浆；
(f)回收所获得的纤维素；和
(g)如果需要，将所获得的纤维素水解为单糖和寡糖，由此获得糖产品。
2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)的蒸煮时间为5分钟～80分钟。
3.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)中的木质纤维素材料与液体的重量比例为1:4～1:6。
4.如权利要求1所述的方法，其中步骤(c)中的过甲酸处理在单独的反应器中进行。
5.如权利要求1所述的方法，其中步骤(c)中的过甲酸处理连同洗涤所述浆在洗涤器中进行。
6.如权利要求1所述的方法，其中步骤(c)中的过甲酸处理的总时间为30分钟～200分钟。
7.如权利要求6所述的方法，其中步骤(c)中的过甲酸处理的总时间为150分钟～200分钟。
8.如权利要求1所述的方法，其中步骤(e)中的处理时间为0.5小时～24小时。
9.如权利要求1所述的方法，其中由步骤(e)获得的纤维素浆的卡伯值为3～55。
10.如权利要求1所述的方法，其中由步骤(e)获得的纤维素浆的半纤维素含量为0.5重量％～7重量％。
11.如权利要求1所述的方法，其中所获得的糖产品为葡萄糖。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括将所获得的糖产品的单糖和寡糖发酵为乙醇的步骤。
13.如权利要求1所述的方法，所述方法包括在步骤(g)中同时进行单糖和寡糖至乙醇的发酵。
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