CN103313999A - 混合超临界流体水解和醇解纤维素形成葡萄糖和葡萄糖衍生物 - Google Patents

混合超临界流体水解和醇解纤维素形成葡萄糖和葡萄糖衍生物 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通过将纤维素、半纤维素和/或多糖直接接触醇和水的混合超临界流体系统来产生葡萄糖和葡萄糖衍生物的工艺,其中所述系统的分压允许所述材料同时发生醇解和水解以主要产生葡萄糖和葡萄糖衍生物。

Description

混合超临界流体水解和醇解纤维素形成葡萄糖和葡萄糖衍生物
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年11月2日提交的美国临时专利申请第61/409,395号的权利,所述专利申请以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种通过将纤维素、半纤维素和/或多糖与醇和水的混合超临界流体系统直接接触来产生葡萄糖和葡萄糖衍生物的工艺,其中所述系统的分压允许所述材料在降低的温度和压力下同时发生醇解和水解。
背景技术
由于化石燃料有限的储量和对于温室气体排放的担忧,对于使用可再生能源的关注度在不断增长。
从含有纤维素、半纤维素、木质纤维素和多糖的残余材料制造发酵产物在所属领域中是已知的,且包括先进行预处理,随后进行酶水解、弱酸水解、强酸水解和超临界水解以产生可发酵的残余材料。除了消耗高成本的大量酸以外,酸水解还有可能产生毒性化合物,这些毒性化合物会降低或抑制发酵。酶水解反应速率可能很慢并且对目标残余物中的外来材料敏感,并且酶的成本可能是昂贵的。超临界水解需要极高的资本成本、很高的温度和压力(>374℃和22.1Mpa)来获得可用的裂解产物。酸水解、酶水解和高压超临界水解都是用于从残余生物质产生有价值燃料和化学物的具有挑战性的方法。
因此,需要提供从残余材料制造可发酵的葡萄糖和葡萄糖衍生物产物的其它方法和工艺,所述方法和工艺使用不需要酸处理、酶技术或很高压力和温度来裂解纤维素键的省时系统。
发明内容
从含有纤维素、半纤维素、木质纤维素和多糖的残余材料如下制造葡萄糖和葡萄糖衍生物:(a)在140℃到350℃的范围内的温度下和500psig到3500psig的范围内的压力下,将尺寸被减小的含有纤维素、半纤维素、木质纤维素和多糖的残余材料与醇以0.1∶1到100∶1的重量比和水以0.1∶1到100∶1的重量比混合(b)以形成浆料,(c)用一个或一个以上渗透膜建立多个反应区,所述渗透膜用于捕获反应区中的反应混合物。在多糖材料的反应混合物被充分裂解成更短链的材料之后,它们将变得可溶并且小到足以通过反应区薄膜,从而使得反应区接触时间最小,(d)反应混合物可包含氢气,(e)反应混合物可包含催化剂。将得到的反应混合物淬火,并通过活性碳接触而将葡萄糖和葡萄糖衍生物与未反应的固体和非发酵性材料分开。
具体实施方式
本发明涉及一种通过使用醇、水、任选的催化剂、任选的氢气对含有多糖、纤维素、半纤维素、木质纤维素或其组合的材料同时进行水解和醇解而制造葡萄糖和葡萄糖衍生物的方法。
在本发明之前,生物质转化成可发酵糖是一项耗时的多步骤程序,其在经济上是低效的且造成浪费。另外,常规方法因为水的存在而受到抑制,需要弱酸或强酸或需要添加昂贵的酶。相比之下,可以在混合超临界流体系统下执行一种用于将生物质转化为用以制造乙醇或工业化学物的糖或糖衍生物的快速、单步骤且有效的方法,其中存在的水和醇组合发挥作用以在降低的温度和压力下实现醇解和水解。
用于这种工艺的原料可以是例如棕榈纤维、棕榈果实串、米糠、稻草、玉米秸、玉米芯、甘蔗渣、柳枝稷、来自例如玉米或高粱的干酒糟(DDG)、米麸、真核生物、原生动物、浮游植物、蓝细菌、细菌、玉米乙醇发酵残余物或其它含多糖或纤维素的材料(例如多糖、纤维素、半纤维素和木质纤维素)或两者皆有。
原料可以含有约0wt%到约100wt%的纤维素材料(优选小于约70wt%,但至少约1、5、10、15、30wt%)。以上针对原料组分所列举的每个量都是基于原料的干重计算的。
原料可以是未被提取的,意思是原料还没有经过纯化去除某些组分(例如水、盐、杂质或其混合物)。举例来说,原料可以含有至少约5wt%的盐和最多50wt%的盐。原料也可以是经过纯化的(例如经过纯化的纤维素或纸浆材料)。原料可以含有除原料以外的由原料来源生长的外皮、外壳或其它材料。原料在反应前可以是干燥的,但原料优选是湿润的。在反应前可以研磨原料以减小其粒径。
就本发明来说,米糠、稻草、玉米秸、麦秆、玉米芯、甘蔗渣、柳枝稷和木质生物质可以用作原料,然而所属领域技术人员了解也可以使用其它原料。另外,如所指示的,整个工艺在工艺配置经过调整之后适用于其它原料。
此外,使用其它原料时,超临界醇解和水解化学会存在某些变化,因此在反应中形成替代性的副产物。举例来说,使用高纤维素进料(例如以原料的干重计至少约1、5、10或15wt%,但小于约50、60、80或100wt%)时,这种组分可能会进一步转化为衍生糖化合物,例如烷基葡糖苷和5-羟甲基糠醛。举例来说,当葡萄糖的甲醇溶液被盐酸饱和时,形成一种具有式C6H11O6CH3的可结晶化合物。
对于所有能够溶解葡萄糖的醇(例如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和其异构体)来说都会发生类似反应,且形成的化合物对应于天然葡糖苷。进入反应的糖不一定是葡萄糖,因此可以制备多种这类人造的由醇衍生的糖。反应产生衍生糖的盐酸也可以用另一种酸如HsSO4替换。这些衍生糖当用稀酸煮沸时与水反应并分解成糖和醇。此外,在存在或不存在酸或催化剂的情况下在更高的温度和压力范围下的其它衍生反应会产生有价值的来自糖的产物,例如甲基葡糖苷、乙基葡糖苷、5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸、甲酸和其酯。为了确定最好的工艺分离物和最佳的终产物,对每种原料进行分类可能是必需的。
用于本发明的醇可以是例如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇、仲丁醇、叔丁醇、苯甲醇或其组合。从实用观点出发并且考虑到常用燃料和潜在的下游化学物,含有1到5个碳的醇将是优选的,然而,在特殊情形和条件下也可以使用高级醇。用具体的醇进行测试将容易地确定特定醇的适用性。同样,为了便于说明,使用甲醇作为醇,然而,所属领域技术人员将了解也可使用其它醇。
可以研磨原料以减小其粒径,然后将其转移到直接混合超临界流体反应器(Direct Mixed Super Critical Fluid Reactor)系统中,原料在其中与选择的醇(例如甲醇)和水混合。醇和水的量可以变化,但典型地允许使用相等部分的醇和水形成浆料混合物是足够的。这典型地为反应提供足够过量的醇和水,应注意为了在针对醇(例如甲醇)的超临界条件下实现超临界分压,典型地需要液体混合物中有30重量%的醇和70重量%的水。优选地,醇的量应当是水的约10摩尔%到约1000摩尔%,优选水的约20摩尔%到约500摩尔%,且最优选水的约50摩尔%到约300摩尔%。高级醇需要醇的重量百分比更高。对于实际操作,醇的量通常在干原料的约25wt%到300wt%范围内且优选在干原料的约50wt%到约200wt%范围内。
反应温度在约240℃到约320℃、约240℃到约270℃或约250℃到约280℃的范围内。反应压力在约500-3200psig、约1000-2000psig或约1500到2000psig的范围内。
反应之前的反应混合物还可含有原料的干重的至少约5wt%、原料的干重的至少约10wt%、原料的干重的至少约40wt%、原料的干重的至少约70wt%或原料的干重的至少约100wt%或原料的干重的至少约200wt%的量的水。
反应器系统可以是分批或连续的。存在若干种可用的常规压力容器系统,所述容器将以分批和连续模式操作,且所述工艺就这个阶段而言适用于“常规”方法。在连续栓塞流或连续搅拌槽配置中,使用渗透膜捕获反应区中的反应混合物以最小化反应区中的滞留时间(resonance time)。
此外,可使用连续管式反应器执行反应。这种反应器是一根管子,其具有足够的滞留时间以允许反应完成并在目标压力和温度范围下操作。管子允许在最小的容器复杂度下发生合理的反应。此外,管子可具有被薄膜分隔的区域,借此反应混合物将在通过水解发生尺寸减小后流到下一个接触区中。这缩短了在反应区中的滞留时间并且减少了副产物形成。
反应可以进行约0.25分钟到240分钟的时间,并且反应时间可取决于选择的反应系统和操作温度。在常规搅拌槽反应器中,对于分批反应器来说,反应温度可在60到90分钟的范围内。在更高温度和相应压力下,反应时间可以缩短。
反应混合物可包含氢气,还可包含催化剂。氢气的范围可以是原料中的葡萄糖的1∶1摩尔重量到原料中所含的葡萄糖的1000∶1摩尔重量。在反应混合物中存在氢气和/或氢化催化剂通过形成山梨醇或其它多元醇和糖衍生物来提高葡萄糖的稳定性。催化剂可以是非均相或均相的。催化剂金属可包括铂、钯、铑、钌、雷尼镍和亚铬酸铜。
反应产物浆料典型地由任何未反应的原料、葡萄糖、烷基葡糖苷、山梨醇、过量醇、水、木质素、有机盐、无机盐等组成。得到的葡萄糖和烷基葡糖苷将在产物浆料的10-70wt%的范围内。将反应浆料转移到液体/固体分离系统中。在这个步骤中,分离液体部分与不可溶的固体部分,所述固体部分包括进料中所含的任何木质素(如果含有的话)。分离可以使用任何量的标准分离技术进行,例如过滤、碳处理、离心、每种方法的组合等。可以在分离装置中用少量的醇、水或疏水溶剂略微洗涤固体。目标葡萄糖和烷基葡糖苷材料留在液体水相中。
将经过洗涤的固体送到储存装置中以用于再加工或予以丢弃。
通过蒸发、离心分离、结晶或所属领域技术人员显而易见的其它方法从含有葡萄糖和烷基葡糖苷的可溶部分去除醇和水。醇水混合物然后再循环回反应混合物容器中,向其中添加补充用的醇和水并添加新的目标原料。
将得到的葡萄糖和甲基葡糖苷部分转移到储存装置中。
可任选地使用弱酸和额外的水对烷基葡糖苷进行水解。得到的混合物是葡萄糖和醇。通过蒸发、离心分离、结晶或所属领域技术人员显而易见的其它方法去除醇。
将得到的葡萄糖部分转移到储存装置中。
葡萄糖和/或葡萄糖和烷基葡糖苷然后进入发酵系统,在其中与例如酵母等常规发酵试剂混合,然后以常规方式发生反应。关于常规加工方法的信息可以在许多网站获得,且一个重要的来源是可再生燃料协会(可通过万维网在rfa.org获得),这是主要的行业贸易协会。主要优势在于现在已经获得了潜在更低成本的原料,所述原料不涉及当前的农业食品来源商品,而是涉及第二代非食品材料,例如纤维素或农业副产物。
然后将发酵浆料送到固体/液体分离系统中,并从液体(啤酒)相去除未发酵的固体。同样可使用常规分离方法,例如过滤器、离心机等。固体部分然后可用在其它地方,例如返回藻类养殖场以充当补充食物来源。
将经过发酵的液体转移到蒸发系统中,在其中醇相连同部分水一起从液体中被蒸发出来。
然后在蒸馏/分子筛系统中处理醇部分。在这个工艺步骤中,首先蒸馏含水醇以制造标称95%的乙醇材料,然后在分子筛单元中进行加工以去除剩余的水并制造99.5%+的乙醇产物(31)。这个操作是常规的且广泛用于目前的乙醇生产工业中。
来自发酵阶段的残余固体可含有非发酵性材料,所述材料也可能含有高含量的有用蛋白质或氨基酸。可以将这种固体部分与其它动物饲料产品组合,或取决于材料(基于原料)的确切性质,通过干燥进行进一步加工以制造专门的饲料产品。
实施例3:玉米芯(玉米原料)
玉米芯是一种来自用于发酵成乙醇的玉米淀粉制造的主要副产物。玉米芯是在去除玉米粒后剩余的材料。大量的这种材料作为营养物组分、土壤改良剂重新犁到土地中,或被焚烧以用于回收能量。
这种材料的数量是巨大的。举例来说,一典型英亩(typical acre)的玉米将产生160蒲式耳的玉米和1200磅的玉米芯。在2010年,估计美国玉米产量达到90,000,000吨,这将产生超过49,000,000吨玉米芯。一般来说,来自玉米的玉米芯含有约45%纤维素和40%半纤维素碳水化合物(如果被适当制备的话,则可用作发酵进料),这产生38,000,000吨的由纤维素衍生的葡萄糖,这是用于发酵成乙醇的非食物原料。
应当注意在制备中,得到的糖由C6(己糖)和C5(戊糖)部分组成。C6部分可以通过使用标准酵母材料进行发酵。C5糖类仅用酵母无法发酵,并且已经开发了可以转化C5的专用生物体。此外,已经开发了可以利用C5糖类制造其它(非乙醇)产物的其它工艺。
如果这种原料可被加工以产生乙醇,那么就在生物燃料工业中带来了显著优势。在现有乙醇工厂内合并玉米芯处理操作可以进一步增加潜在的经济吸引力。
为了评估这种工艺处理这种进料的潜力,从Grit-o-Cob(一种作为喷砂介质销售的玉米芯材料)收集玉米芯颗粒材料的样品。以下是基本的测试方法:
·将玉米芯颗粒进一步研磨到400目的粒径以方便浆料供给到连续反应器系统。将100g玉米芯材料与100g甲醇和100g水混合,然后在280℃和2100psi下反应30分钟。
·在反应后,过滤葡萄糖和甲基葡糖苷产物团块,并用水洗涤以从含有葡萄糖和甲基葡糖苷(和其它)的液体中分离未反应的固体。
·固体部分然后置于一旁。
·然后加热液体部分以去除过量的醇(在商业情况下对其进行回收以用于再循环)。
·在所用的反应条件下,可以形成衍生糖,例如5-羟甲基糠醛,这可能允许制造和回收其它产物。
在HPLC装置上分析反应混合物,且结果显示存在葡萄糖和甲基葡糖苷。
实施例4:米糠
米糠是一种来自水稻食物制造的主要残余物。米糠是在去除米粒和米麸之后剩余的材料。大量的这种材料是废弃物,它被堆积、倾倒或焚烧以用于回收能量。
这种材料的数量是巨大的。举例来说,在2010年,估计世界水稻产量超过475,000,000吨,这将产生超过104,500,000吨米糠。一般来说,来自玉米的玉米壳含有约35%纤维素和25%半纤维素碳水化合物(如果被适当制备的话,则可用作发酵进料),这产生大约60,000,000吨的由纤维素衍生的葡萄糖,这是用于发酵成乙醇的非食物的原料。
应当注意在制备中,得到的糖由C6和C5部分组成。C6部分可以通过使用标准酵母材料进行发酵。C5糖类仅用酵母无法发酵,并且已经开发了可以转化C5的专用生物体。此外,已经开发了可以利用C5糖类制造其它(非乙醇)产物的其它工艺。
如果这种原料可被加工以产生乙醇,那么就在生物燃料工业中带来了显著优势。在现有乙醇工厂内合并米糠处理操作可以进一步增加潜在的经济吸引力。
为了评估这种工艺处理这种进料的潜力,从世界最大的大米生产商之一Wilmar公司和棕榈产品收集米糠材料的样品。以下是基本的测试方法:
·将米糠进一步研磨到400目的粒径以方便浆料供给到连续反应器系统。将100g米糠材料与100g甲醇和100g水混合,然后在280℃和2100psi下反应30分钟。
·在反应后,过滤葡萄糖和甲基葡糖苷产物团块,并用水洗涤以从含有葡萄糖和甲基葡糖苷(和其它)的液体中分离未反应的固体。
·固体部分然后置于一旁。
·然后加热液体部分以去除过量的醇(在商业情况下对其进行回收以用于再循环)。
·在所用的反应条件下,可以形成衍生糖,例如5-羟甲基糠醛,这可能允许制造和回收其它产物。
在HPLC装置上分析反应混合物,且结果显示存在葡萄糖和甲基葡糖苷。

Claims (19)

1.一种用于制造己糖、戊糖、烷基葡糖苷、烷基戊糖苷的方法,所述方法包括:
(a)组合原料与醇和水,其中所述原料包含(i)纤维素材料、蛋白质或两者;和
(b)组合原料与醇和水,其中所述原料包含(i)纤维素材料和半纤维素材料或两者;和
(c)使所述原料与所述醇和水在140℃到350℃的范围内的温度下和500psig到3200psig的范围内的压力下反应,以(i)裂解所述纤维素材料以产生己糖、戊糖、烷基葡糖苷、烷基戊糖苷和其衍生物。
2.根据权利要求1所述的方法,其中以所述原料的干重计,所述原料含有至少10wt%的纤维素材料。
3.根据权利要求1所述的方法,其中以所述原料的干重计,所述原料含有至少10wt%的蛋白质。
4.根据权利要求1所述的方法,其中在反应前所述组合的水含量是所述原料的干重的30wt%到300wt%。
5.根据权利要求1所述的方法,其中所述原料是米糠、米麸、玉米秸、玉米芯、甘蔗渣、棕榈纤维、棕榈仁饼、木浆、松树材料、冷杉树材料、阔叶树材料、柳枝稷、微藻类、大型藻类或蓝细菌。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述醇是甲醇、乙醇或丙醇。
7.根据权利要求1所述的方法,其中所述醇的量超出所述原料中所含的己糖或戊糖的0.5%到350%wt。
8.根据权利要求1所述的方法,其中所述原料、水和所述醇的反应是在存在氢化催化剂的情况下进行。
9.根据权利要求1所述的方法,其中所述原料、水和所述醇的反应是在存在氢气的情况下进行。
10.根据权利要求1所述的方法,其中所述温度在180℃到350℃的范围内。
11.根据权利要求1所述的方法,其中所述温度在240℃到350℃的范围内。
12.根据权利要求1所述的方法,其中所述压力在400psig到3500psig的范围内。
13.根据权利要求1所述的方法,其中所述压力在1500psig到3500psig的范围内。
14.一种用于制造己糖、烷基葡糖苷、戊糖和烷基戊糖苷的方法,所述方法包括选自由以下组成的组的一个或多个步骤:
(a)组合原料与醇和水,其中所述原料包含纤维素、木质纤维素、多糖和半纤维素、以所述原料的干重计至少10wt%的纤维素材料和以所述原料的干重计至少10wt%的蛋白质;
(b)组合原料与醇和水,其中所述原料包含纤维素、木质纤维素、多糖和半纤维素、以所述原料的干重计至少10wt%的纤维素材料;
(c)使所述原料与所述醇和水在240℃到350℃的范围内的温度下和1500psig到3500psig的范围内的压力下反应,以产生短链多糖、己糖和烷基葡糖苷、戊糖和烷基戊糖苷,缩短所述蛋白质并形成氨基酸;和
(d)使所述原料与所述醇和水在240℃到350℃的范围内的温度下和1500psig到3500psig的范围内的压力下反应,以产生己糖和烷基葡糖苷、戊糖和烷基戊糖苷。
15.根据权利要求11所述的方法,其中在反应前所述组合的水含量是所述原料的干重的30wt%到300wt%。
16.根据权利要求11所述的方法,其中所述原料是蓝细菌。
17.根据权利要求11所述的方法,其中所述原料是木质纤维素。
18.根据权利要求11所述的方法,其中所述原料是纤维素。
19.根据权利要求11所述的方法,其中所述原料是多糖。
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