專利名稱：：用于纖維素分離的化學氧化的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種通過使用次氯酸鹽和過氧化物的組合的強氧化劑溶液將生物質(例如，蔗糖渣)轉化以獲得可溶解的木質素、半纖維素和纖維素的新方法。
背景技術：
：纖維素占所有植物生物質的主要部分，而且所有纖維素的來源是植物的結構組織。纖維素常常與半纖維素和木質素(它們是植物的主要組分)緊密地結合存在。纖維素由通過1，4位鍵接的長鏈P糖苷殘基構成。這種鍵合使纖維素鏈能夠結晶，而且結晶的纖維素難于酶水解。半纖維素是一種無定形雜聚物，其與木質纖維素分離時能被水解。木質素-一種多酚聚合物-與植物纖維細胞一起散布在纖維素和半纖維素中，并且阻礙纖維素的酶水解。水解生物質中纖維素的嘗試在尋找制備高產量糖的經濟方法方面沒有取得成功，這主要是由于纖維素的晶體結構以及木質素的存在。參見U.S.5，782，982。甘蔗渣是甘蔗在制糖廠榨取以后其木質纖維素廢物部分。甘蔗渣不是均質材料，而是含有甘蔗植物的莖和葉以及田地的泥渣的殘留物。主要的糖類組分被稱為多葡聚糖。多葡聚糖每個纖絲包含約40條氫鍵合的葡萄糖鏈，而且包括纖維素、半纖維素、聚木糖和阿拉伯糖鏈，每個木聚糖鏈約3-4個葡聚糖鏈，全部與木質素膠合在一起。一些木質素與纖維素共價鍵連接，一些與半纖維素共價鍵連接。半纖維素一般不與纖維素鏈接。埋藏在纖維內部的纖維素本質上通常是晶體，難以用酶水解。甘蔗渣是典型的木質纖維素廢物而且含有約40%纖維素、27%半纖維素、20%木質素和13%水溶性物質。參見M.Neurciter等人的"Dilute-acidhydrolysisofsugarcanebagasseatvaryingconditions",AppliedBiochemistryandBiotechnology,vol.98-100,pp.49-56(2002)。為了破裂和分離所述這些組分，即木質素、半纖維素和纖維素，已經開發(fā)了數(shù)種用于木質纖維素材料的處理方法。這些處理方法中的大部分是費用高的或者效率低的，或者由于所用化學品的用量和類型而產生有環(huán)境問題的廢物。許多處理方法涉及某種形式的酸或堿處理。參見U.S.專利Nos.5，782，982;5，597，714;5,562,777以及國際公開No.W096/40970。已知在高溫下使用弱酸處理木質纖維素材料能除去半纖維素和木質素以及一些纖維素。然而，強酸處理將降解所有三種組分。已知用堿處理能除去一些木質素和半纖維素，但是一些木質素保持化學鍵合于纖維素。參見N.Mosier等人"Featuresofpromisingtechnologiesforpretreatmentoflignocellulosicbiomass，，，BioresourceTechnology,vol.96,pp.673-686(2005)。堿或弱酸處理之后得到的固體的纟且成如下所示<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>參見D.J.Fox等人"Factorsaffectingtheenzymicsusceptibilityofalkaliandacidpretreatedsugar-canebagasse,，，，J.Chem.Tech.Biotechnol.，vol.40，pp.117-132(1987)。如表中所示，堿(NaOH)除去更多的木質素，而酸(H2S04)除去更多的半纖維素。造紙工業(yè)主要關注的是，為了打紙漿而除去木質素，以及將紙漿漂白。這通常要求在使用次氯酸鹽和/或過氧化物的漂白工序之后某些形式的酸處理和堿處理。參見J.Szabo等人"UtilizationofNaCIOandH202asasourceofthesingletoxygenfortheenvironmentalbleachingofpulp，"CelluloseChemistryandTechnology，vol.28，pp.183-194(1994)以及G.Bentivenga等人的"SingletoxygenmedicateddegradationofKlasonlignin，，，Chemosphere，vol.39，pp.2409-2417(1999)。也已經提出在纖維素生物質的去木質作用中使用初生氧(或者原子氧)。參見國際公開No.WO96/33308。需要一種簡單的方法，這種方法能將生物質轉化成能被輕易分離的組分并且使纖維素經受纖維素酶-已知能將纖維素分解為單糖或二糖的酶類-的水解。我們已經發(fā)現(xiàn)了一種用于將生物質(如甘蔗渣)轉化成可回收部分的簡單方法，所述那些可回收部分即固體纖維素部分(漿)和可溶解的木質素和半纖維素部分。纖維素部分容易通過已知方法(如過濾、沉積、離心)分離，而且容易通過已知的纖維素酶轉化成組分糖。這種簡單的方法涉及用溶液處理生物質，所述溶液產生高氧化性的單線態(tài)氧，例如次氯酸鹽和過氧化物的組合，其中次氯酸鹽與過氧化物之比不小于5:1，優(yōu)選比例為10:1。這種方法要求的添加的化學品的干重與起始生物質的干重之比顯著低于現(xiàn)有方法中的。優(yōu)選的化學品干重與生物質干重之比不大于1:1，更優(yōu)選的比例不大于0.4:1，而且最優(yōu)選的比例不大于0.2:1。為了增加纖維素產量，在酶水解之前用堿處理殘留的纖維素。附圖的簡要說明圖1顯示與各種濃度的10:1次氯酸鹽過氧化物溶液("Ox-B")—起保溫30分鐘后生物質中纖維素、半纖維素和木質素百分比組成(干重)的變化。
發(fā)明內容圖2A顯示與各種濃度的次氯酸鹽溶液或者10:1次氯酸鹽過氧化物溶液("Ox-B")—起保溫30分鐘后生物質的百分比重量損失(干重)。圖2B顯示與各種濃度的次氯酸鹽溶液或者10:1次氯酸鹽過氧化物溶液("Ox-B")—起保溫30分鐘后從生物質除去的木質素的百分比(干重)。圖3顯示單糖和二糖的回收百分比，它作為生物質的纖維素水解的指示劑，所述生物質最初用各種濃度的次氯酸鹽溶液或者10:1次氯酸鹽過氧化物溶液("Ox-B")處理30分鐘、然后與粗纖維素酶一起保溫72小時。圖4顯示與各種濃度的次氯酸鹽溶液或者10:l次氯酸鹽過氧化物溶液("Ox-B")—起保溫30分鐘、之后各自與堿洗劑(0.6%w/vNaOH)—起保溫l小時后，生物質的百分比重量損失(干重)。圖5A顯示單糖和二糖的回收百分比，它作為生物質的纖維素水解的指示劑，所述生物質最初用各種濃度的次氯酸鹽溶液或者次氯酸鹽過氧化物溶液("Ox-B，，)處理30分鐘、接著與堿洗劑(0.6%w/vNaOH)—起保溫1小時、然后與粗纖維素酶一起保溫72小時。圖5B顯示單糖和二糖的回收百分比，它作為生物質的纖維素水解的指示劑，所述生物質最初用各種濃度(O.1%、0.2%、0.5%和1.0%)次氯酸鹽過氧化物溶液("Ox-B")處理30分鐘和在pH8.0下處理3小時，然后與粗纖維素酶一起保溫72小時。圖6顯示單糖和二糖的回收百分比，它作為生物質的纖維素水解的指示劑，所述生物質最初用各種濃度的次氯酸鹽溶液(NaClO)或者次氯酸鹽:過氧化物溶液("Ox-B")處理30分鐘，對于一些實施例來說接著與粗纖維素酶一起保溫72小時之前與堿洗劑(0.6%w/vNaOH)—起保溫1小時，所述濃度表示為每干重的起始生物質添加的化學品的百分比。我們提出利用一種溶液將木質纖維素材料解聚的簡單、有效的方法，所述溶液不僅原位產生單線態(tài)氧而且由于次氯酸鹽而原位漂白。這種方法產生容易降解的和分離的生物質組分，特別是纖維素，其比現(xiàn)有方法使用更少的用于降解生物質的化學品。這種方法直接作用于木質纖維素材料，而且通過將大部分木質素與其它組分分離而能夠在單一步驟中產生紙漿。這種方法可以使用在任何木質纖維素材料上，例如甘蔗渣或玉米秸稈、鋸屑、木材或松針。根據(jù)期望的最終產品，木質纖維素材料可以直接用氧化劑溶液處理，或者在其它機械或化學處理之后(例如首先進行磨碎或在用蒸汽或NaOH初步處理之后)進行處理。如果對生物質(原料)進行機械或化學預處理，那么可以減少用來產生期望的產品的氧化劑溶液的用量。所述氧化劑溶液是過氧化物和次氯酸鹽的混合物。所述組合物是通過向次氯酸鹽添加過氧化物形成穩(wěn)定的組合物而形成的，稱為Ox-B溶液。向次氯酸鹽添加的過氧化物的數(shù)量優(yōu)選足以提供次氯酸鹽與過氧化物的重量比不小于5:1，該比例可以高至50:1、100:1，或者更高是可能的但不那么優(yōu)選。最優(yōu)選地，重量比是約10:1。這種溶液是同時待審的申請，U.S.申請公開No.2004/0047915的主題。為了用于生物質降解，優(yōu)選的溶液是濃度小于5%次氯酸鹽0.5%過氧化物，更優(yōu)選的溶液是濃度小于2%次氯酸鹽0.2%過氧化物，而最優(yōu)選的溶液是濃度小于1%次氯酸鹽0.1%過氧化物。所述溶液的使用使生物質在添加很少化學品的情況下降解。化學品與生物質的優(yōu)選的干重比是相對于每lg生物質不大于lg化學品，更優(yōu)選的比例是相對于每lg生物質不大于0.4g化學品，而最優(yōu)選的比例是相對于每lg生物質不大于0.2g化學品。如果與這種方法一起使用其它的預處理或后處理(如稀堿洗劑)，那么氧化劑溶液的用量可以減少?？梢栽谘趸瘎┤芤褐惺褂玫倪^氧化物可以包括過氧化氫、堿金屬或堿土金屬過氧化物以及其它金屬過氧化物。具體的非限定性實例包括過氧化鋇、過氧化鋰、過氧化鎂、過氧化鎳、過氧化鋅、過氧化鉀、過氧化鈉等，優(yōu)選過氧化氫和過氧化鈉，特別優(yōu)選過氧化氫?？梢栽谘趸瘎┤芤褐惺褂玫拇温人猁}可以包括堿金屬次氯酸鹽例如次氯酸鈉、次氯酸鉤、次氯酸鋰等，其中優(yōu)選次氯酸鈉。才艮據(jù)期望的效果，可以在各種各樣的條件下用氧化劑溶液處理生物質原料。可以在約4至約12的pH范圍以及約4'C至100。C的溫度下應用氧化劑溶液約10分鐘至約72小時。用氧化劑溶液處理之后，木質素和半纖維素部分可以通過任何傳統(tǒng)的分離方法例如沉積、過濾或離心與富含纖維素的固體分離。然后可以使用可商購的纖維素酶輕易地將富含纖維素的漿降解為其組分糖。實現(xiàn)發(fā)明的方式實施例1辨伸才法術j/f維;^^;伊.甘蔗渣(渣)收集自路易斯安那當?shù)氐囊粋€制糖廠。為了防止貯存期間微生物生長，將渣冷凍直至使用。在烘箱中8(TC下，將解凍的渣干燥至恒重，然后使用商用咖啡磨將其磨碎。通過80目過濾器的磨碎的渣用于進一步處理。所有的重量都基于干重，并且是在將材料在8(TC烘箱中干燥至恒重后測量的。用氧化劑熔液處理。所有的處理都是在室溫(25°C)下攪拌的同時進行的，除非另有說明。通常，將干燥的磨碎的渣(2.5g)與100ml處理溶液混合，將混合物在室溫下攪拌。為了測試溫度的影響，將混合物放置在帶有恒溫水循環(huán)器的磁力攪拌盤上。為了改變pH，用濃酸(HC1)或堿(氬氧化鈉(NaOH)或碳酸鈉(NaCOj)調節(jié)pH至選擇的值。對于大多數(shù)實驗來說，用0.1M碳酸鈉或10NNaOH將pH值保持在pH8.0。保溫30分鐘之后，將混合物過濾。固體部分(纖維素殘余物)用20ml50。/。乙醇(w/v)洗滌，然后用100ml蒸餾水再次洗滌。對于采用堿洗劑的后處理而言，然后將殘余物與0.6%NaOH—起在室溫下保溫1小時。使用的氧化劑溶液("Ox-B")的濃度為1%至5%次氯酸鈉，比例為10:1次氯酸鹽過氧化物。例如，5。/。Ox-B溶液相當于100ml溶液中5g次氯酸鈉與0.5g過氧化氬；而2o/。Ox-B溶液相當于100ml水中2g次氯酸鈉與0.2g過氧化氫。所有化學品從SigmaCo.(St.Louis，Missouri)商購，除非另有說明。^理^^付遂^。處理之前和之后的渣的結構糖和木質素通過NationalRenewableEnergyLaboratory(NREL，Nov.2004accessed;atthewebsitehttp://www,eere.energy,gov/biomass/analytical—procedures.html)描述的方法進行測量。錄潛化#^。纖維素殘余物的酶水解使用來自綠色木霉(7Wc/oc/er鵬r/r^e)的粗纖維素酶(Cat.No.9422,SigmaCo.，St.Louis,Missouri)來進行。酶活性根據(jù)NREL方法作為濾紙單位(FPU/g固體)測量。處理的渣的樣品在37。C下與酶(10FPU/g預處理的渣)一起保溫72小時并且以200rpm搖動。纖維素水解的程度以與水解之前的重量相比單糖和二糖的百分比產量表示。單糖和二糖按下列方法測量。潛為、浙。糖化過程中在數(shù)個時間間隔獲得樣品。使用帶有Aminex-HPX-87KBio—Rad柱的WaterssystemHPLC(Bio-RadLab"Hercules,California)測量木糖、葡萄糖、阿拉伯糖和纖維二糖，所述HPLC在85。C下運行，以K2HP0,為洗脫劑，采用0.6ml/min的恒定流速。折射率用于糖的檢測。得自HPLC的糖濃度用于計算殘余物中單糖和二糖%，其是纖維素水解的量度。實施例2pH和溫度對Ox-B降解的影響進行初始實驗以發(fā)現(xiàn)pH和溫度對Ox-B溶液降解生物質和促進纖維素水解的效率。使用2%0x-B溶液(即，2g次氯酸鈉、0.2g過氧化氫和100ml溶液)在25。C下進行這些初始實驗，然后是在纖維素水解之前的0.6%NaOH堿洗。pH的范圍為4至12。在不同的pH條件下纖維素水解的量沒有顯著差異。所有的溶液顯示纖維素水解大于約80%,最高是約pH6(約95%)而最低是約pHIO(約80%)。(未顯示數(shù)據(jù))以相似的方式，采用2%Ox-B溶液(pH8)繼之以堿洗來測試溫度的影響，溫度的范圍從25。C至90。C。同樣，作為單糖和二糖百分比測量的纖維素水解與溫度無關，所有的情況顯示約90%或更大的纖維素水解。(未顯示數(shù)據(jù))。實施例3Ox-B溶液與次氯酸鹽溶液的比較將幾種濃度的Ox-B溶液用于監(jiān)測與1o/。至5%濃度的Ox-B溶液一起保溫30分鐘后生物質中存在的主要化合物(纖維素、半纖維素和木質素)的變化(基于千重的百分比)。結果如圖1中所示，其說明隨著Ox-B的濃度從1%增加至5%，纖維素的量增加而半纖維素和木質素的量減少。按照上述實施例1中所述的方法，使用相似濃度的Ox-B和次氯酸鹽溶液降解甘蔗渣。當保溫30分鐘后測量百分比重量損失時，如圖2A中所示，兩種溶液的表現(xiàn)非常相似。當測量除去的木質素的百分比時(如圖2B中所示)，以及當測量纖維素水解程度(與纖維素酶一起保溫72小時后)時(如圖3中所示)，也觀察到相似的結果。因此，基于這個分析，Ox-B在從甘蔗渣中快速除去木質素和半纖維素方面以及所得纖維素殘佘物的酶水解程度方面是非常相似的。實施例4后處理堿洗的影響為了進一步比較Ox-B與次氯酸鹽提供用于纖維素降解的底物的效率，如上所述進行了實驗，不同之處在于，在酶水解之前，將纖維素殘余物與0.6。/。NaOH—起保溫1小時。如圖4中所示，就Ox-B(從0.5至5%)和次氯酸鹽(從0.5至5%)兩溶液的樣品中百分比重量損失而言，后續(xù)處理產生了相似的結果。然而，當測量纖維素水解的量(以百分比單糖和二糖的形式)時，觀察到Ox-B和次氯酸鹽處理之間意外的差異。如圖5A中所示，用濃度低至1%的Ox-B處理導致幾乎100%的纖維素水解。相反，次氯酸鹽處理的纖維素水解在約2%濃度達到最大值(約80%),然后隨著濃度增加而下降。此外，當在pH8.O下使用不同濃度的0x-B處理時，在約10分鐘時纖維素水解量達到約總水解的50%。同樣，1%Ox-B導致100%水解，而0.5%導致50%水解(圖5B)。所有濃度導致大于20%的水解。同樣，以與粗纖維素酶一起保溫72小時后百分比單糖和二糖測量纖維素水解。當將這些濃度表示為向原始生物質添加的化學品的百分比(即，向lg生物質添加lg化學品即是100%)時，在下列各種處理之間清楚地顯示出纖維素水解的差異Ox-B、次氯酸鹽、Ox-B繼之以NaOH洗滌、以及次氯酸鹽繼之以NaOH洗滌。這些結果如圖6中所示。Ox-B處理繼之以堿洗在20%、40%和80%化學品下顯示出高水平的纖維素水解(大于80%)。對于Ox-B而言，20%化學品是0.5%次氯酸鈉和0.05%過氧化氫的溶液；40%化學品是1%次氯酸鈉和0.1%過氧化氬的溶液；80%化學品是2%次氯酸鈉和0.2%過氧化氬的溶液。所述堿洗不能改善次氯酸鹽處理的纖維素水解。因此，在化學品水平低于40%(g化學品/gm干燥生物質；相當于用0.1%Ox-B溶液處理)下后處理與堿洗的結合突出了Ox-B和次氯酸鹽之間在甘蔗渣降解方面的差異。Ox-B溶液使纖維素更適合于被纖維素酶水解。2%以上濃度的次氯酸鹽溶液降低酶攻擊纖維素的利用率。(圖5和圖6)。發(fā)現(xiàn)了單線態(tài)氧復合物(Ox-B,—種約10:1次氯酸鈉過氧化氫的溶液)既能從蔗糖渣中除去木質素又能除去半纖維素。處理之后，纖維素殘余物通過沉積作用輕易地與木質素和半纖維素分離。殘余物(漿料)含有高達80重量％纖維素，而且可以通過纖維素酶輕易地降解。氧化繼之以堿洗的處理在很低濃度的Ox-B下產生了一種纖維素殘余物，該殘余物在85和100%之間被纖維素酶降解為簡單糖。由于所用化學品的用量低以及降解的效率，此方法具有商業(yè)潛力。本說明書中引用的所有文獻的全部內容在此引作參考。同樣引作參考的是下歹化獻的全部內容Chang-Ho等人的"ChemicalOxidationforCelluloseSeparation，，，2005年3月13日在AmericanChemicalSocietyMeeting,SanDiego,California上出現(xiàn)的海報。萬一有別的不可調和的沖突，應當以本說明書為準。權利要求1.一種將木質纖維素材料中的纖維素與木質素分離的方法，所述方法包括下列步驟(a)將木質纖維素材料與氧化溶液混合，其中所述氧化溶液包含過氧化物和次氯酸鹽，其中所述氧化溶液的形成是通過向次氯酸鹽成分添加過氧化物成分以便使次氯酸鹽與過氧化物的重量比不小于約5∶1；和將所述混合物保溫不短于約10分鐘的一段時間，其中在保溫期的末尾所述混合物包含含有纖維素的固體部分和含有木質素的液體部分；和(b)將所述液體部分與所述固體部分分離。2.權利要求l所述的方法，其中在木質纖維素材料和氧化溶液的混合物中，過氧化物和次氯酸鹽的重量與木質纖維素材料的重量之比不大于約1:1。3.權利要求l所述的方法，其中在木質纖維素材料和氧化溶液的混合物中，過氧化物和次氯酸鹽的重量與木質纖維素材料的重量之比不大于約0.4:1。4.權利要求1所述的方法，其中在木質纖維素材料和氧化溶液的混合物中，過氧化物和次氯酸鹽的重量與木質纖維素材料的重量之比不大于約0.2:1。5.權利要求l所述的方法，其中所述木質纖維素材料選自甘蔗渣、玉米秸稈、鋸屑、木材和松針。6.權利要求5所述的方法，其中所述木質纖維素材料是甘蔗渣。7.權利要求l所述的方法，其中所述過氧化物是堿金屬過氧化物。8.權利要求l所述的方法，其中所述過氧化物是過氧化鈉。9.權利要求l所述的方法，其中所述過氧化物是過氧化氫。10.權利要求1所述的方法，其中所述次氯酸鹽是堿金屬次氯酸鹽。11.權利要求1所述的方法，12.權利要求1所述的方法，氯酸鹽是次氯酸鈉。13.權利要求1所述的方法，約10:1。其中所述次氯酸鹽是次氯酸鈉。其中過氧化物是過氧化氫而且所述次其中次氯酸鈉與過氧化氫的重量比是14.一種由木質纖維素材料制備糖的方法，所述方法包括下列步驟(a)將木質纖維素材料與氧化溶液混合，其中所述氧化溶液包含過氧化物和次氯酸鹽，其中所述氧化溶液的形成是通過向次氯酸鹽成分添加過氧化物成分以^/f吏次氯酸鹽與過氧化物的重量比不小于約5:1;和將所述混合物保溫不短于約IO分鐘的一段時間，其中在保溫期的末尾所述混合物包含含有纖維素的固體部分和含有木質素的液體部分；(b)將所述液體部分與所述固體部分分離；(c)將所述固體部分與酶一起保溫，其中所述酶將固體部分中的纖維素水解為糖。15.權利要求14所述的方法，還包括在與酶一起保溫之前將固體部分與弱堿性溶液一起保溫的步驟。16.權利要求15所述的方法，其中所述弱堿性溶液是氫氧化鈉溶液。17.權利要求14所述的方法，其中所述酶是纖維素酶。18.權利要求14所述的方法，其中在木質纖維素材料和氧化溶液的混合物中，過氧化物和次氯酸鹽的重量與木質纖維素材料的重量比不大于約1:1。19.權利要求14所述的方法，其中在木質纖維素材料和氧化溶液的混合物中，過氧化物和次氯酸鹽的重量與木質纖維素材料的重量比不大于約0.4:1。20.權利要求14所述的方法，其中在木質纖維素材料和氧化溶液的混合物中，過氧化物和次氯酸鹽的重量與木質纖維素材料的重量比不大于約0.2:1。21.權利要求14所述的方法，其中木質纖維素材料選自甘蔗渣、玉米秸稈、鋸屑、木材和松針。22.權利要求21所述的方法，其中所述木質纖維素材料是甘蔗渣。23.權利要求14所述的方法，其中所述過氧化物是堿金屬過氧化物。24.權利要求14所述的方法，其中所述過氧化物是過氧化鈉。25.權利要求14所述的方法，其中所述過氧化物是過氧化氫。26.權利要求14所述的方法，其中所述次氯酸鹽是堿金屬次氯酸鹽。27.權利要求14所述的方法，其中所述次氯酸鹽是次氯酸鈉。28.權利要求14所述的方法，其中所述過氧化物是過氧化氬而且其中所述次氯酸鹽是次氯酸鈉。29.權利要求14所述的方法，其中次氯酸鈉與過氧化氫的重量比是約10:1。全文摘要發(fā)現(xiàn)一種氧化溶液(Ox-B，一種次氯酸鈉過氧化氫不小于5∶1的溶液)既能從甘蔗渣中除去木質素又能除去半纖維素。處理之后通過沉積很容易地將纖維素殘余物與木質素和半纖維素分離。殘余物(漿)含有高達80重量％纖維素，很容易被纖維素酶降解。用低濃度的Ox-B氧化處理，接著堿洗，生成能夠通過纖維素酶幾乎完全水解為單糖的纖維素殘余物。出于化學品低用量以及降解效率這兩方面的原因，此方法具有商業(yè)潛力。文檔編號B27N1/00GK101163578SQ200680013710公開日2008年4月16日申請日期2006年3月8日優(yōu)先權日2005年3月11日發(fā)明者D·F·戴,鄭長鎬申請人:路易斯安那州州立大學及農業(yè)機械學院管理委員會