高分子催化劑和固載化催化劑、以及使用該催化劑消化纖維素材料的方法
【專利說明】高分子催化劑和固載化催化劑、以及使用該催化劑消化纖 維素材料的方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)系列No. 61/693, 200、61/693, 210和 61/693,213(這些申請(qǐng)的每一份都是在2012年8月24日提交的）以及2013年3月14日 提交的美國(guó)專利申請(qǐng)系列No. 13/831,495的權(quán)益，并且這些申請(qǐng)的公開內(nèi)容以引用方式全 部并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明公開總體涉及由生物質(zhì)生產(chǎn)糖的方法，更具體而言，本發(fā)明公開涉及使用 催化劑（例如高分子催化劑或固載化催化劑）由多種生物質(zhì)供料來生產(chǎn)糖的方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 纖維素材料（例如農(nóng)業(yè)、林業(yè)和廢物處理的生物質(zhì)廢品）的糖化作用與經(jīng)濟(jì)和環(huán) 境是非常相關(guān)的。作為生物質(zhì)能量利用的一部分，嘗試通過水解纖維素或半纖維素（其為 植物的主要構(gòu)成部分）來獲得乙醇（生物乙醇）。水解產(chǎn)物（其包含糖和簡(jiǎn)單的碳水化合 物）接著可以經(jīng)歷進(jìn)一步的生物和/或化學(xué)轉(zhuǎn)化，從而生產(chǎn)燃料或其他通用化學(xué)制品。例 如乙醇可以用作燃料或混合于燃料（例如汽油）中。植物的主要構(gòu)成部分包含例如纖維素 (聚合物葡萄糖，其為6碳糖）、半纖維素（5碳糖或6碳糖的支化聚合物）、木質(zhì)素和淀粉。 但是，根據(jù)產(chǎn)率以及用水和用能，目前用于由木質(zhì)纖維素材料釋放糖的方法在商業(yè)規(guī)模上 是不夠的。
[0005] 二十世紀(jì)80年代以來，關(guān)于使用氟化固體超強(qiáng)酸微孔樹脂（例如DupontNafionS ) 來水解β-糖苷鍵的著作試圖研發(fā)用于消化纖維素的催化方法。使用分批反應(yīng)器和連續(xù)流 動(dòng)固定床管反應(yīng)器來證明纖維寡糖水解成單糖，但是這些工藝都不能可觀地消化纖維素或 半纖維素，由其是纖維素中的晶疇。
[0006] 這樣，仍需要使用催化劑的新方法，其可以在商業(yè)可行的規(guī)模上由生物質(zhì)高效地 生成糖和含糖產(chǎn)物。
[0007] 發(fā)明概述
[0008] 本發(fā)明公開通過提供可以用于消化生物質(zhì)中的半纖維素和纖維素（包含纖維素 的晶疇）的高分子催化劑和固載化催化劑來解決上述需要。此外，還提供了使用此類用于 消化生物質(zhì)的催化劑來由多種生物質(zhì)供料生產(chǎn)一種或多種糖的方法。在一些實(shí)施方案中， 本文所述的使用催化劑的方法可以將纖維素和/或半纖維素水解成一種或多種糖，包含單 糖和/或寡糖。所述的糖可以用作食物試劑，例如甜味劑或風(fēng)味劑。所述的糖可以用于人 類消化或用于非人類消化（例如用于寵物消化或者作為農(nóng)業(yè)飼料的一部分）。
[0009] 在一個(gè)方面中，提供了一種高分子催化劑，其包含連接的酸性單體和離子單體，從 而形成高分子主鏈，其中每個(gè)酸性單體都獨(dú)立地包含至少一個(gè)Bronsted-Lowry酸，并且其 中每個(gè)離子單體都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們 的組合。
[0010] 在另一個(gè)方面中，提供了一種固載化催化劑，其包含固載體、附著在固載體上的 酸性部分以及附著在固載體上的離子部分，其中每個(gè)酸性部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè) Bronsted-Lowry酸，并且其中每個(gè)離子部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少 一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們的組合。
[0011] 在另一個(gè)方面中，提供了一種通過以下過程由軟木材來生產(chǎn)一種或多種糖的方 法：
[0012] a)提供軟木材；
[0013] b)將所述的軟木材與催化劑相接觸，從而形成反應(yīng)混合物，
[0014] 其中所述的催化劑為高分子催化劑或固載化催化劑，
[0015] 其中所述的高分子催化劑包含連接的酸性單體和離子單體，從而形成高分子主 鏈，其中每個(gè)酸性單體都獨(dú)立地包含至少一個(gè)Bronsted-Lowry酸，并且其中每個(gè)離子單體 都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們的組合，
[0016] 其中所述的固載化催化劑包含固載體、附著在固載體上的酸性部分以及附著在固 載體上的離子部分，其中每個(gè)酸性部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè)Bronsted-Lowry酸，并且其 中每個(gè)離子部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們 的組合；
[0017] c)降解反應(yīng)混合物中的軟木材，從而產(chǎn)生液相和固相，其中所述的液相包含一種 或多種糖，所述的固相包含殘余的軟木材；
[0018] d)將至少一部分所述的液相與所述的固相分離；以及
[0019] e)由分離的液相回收一種或多種糖。在一些實(shí)施方案中，所述的軟木材為松樹。在 其他的實(shí)施方案中，所述的軟木材為選自木肩、鋸末、樹皮和它們的任意的組合中的形式。
[0020] 在一個(gè)方面中，提供了一種通過以下過程由硬木材生產(chǎn)一種或多種糖的方法：
[0021] a)提供硬木材；
[0022] b)將所述的硬木材與催化劑相接觸，從而形成反應(yīng)混合物，
[0023] 其中所述的催化劑為高分子催化劑或固載化催化劑，
[0024] 其中所述的高分子催化劑包含連接的酸性單體和離子單體，從而形成高分子主 鏈，其中每個(gè)酸性單體都獨(dú)立地包含至少一個(gè)Bronsted-Lowry酸，并且其中每個(gè)離子單體 都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們的組合，
[0025] 其中所述的固載化催化劑包含固載體、附著在固載體上的酸性部分以及附著在固 載體上的離子部分，其中每個(gè)酸性部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè)Bronsted-Lowry酸，并且其 中每個(gè)離子部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們 的組合；
[0026] c)降解反應(yīng)混合物中的硬木材，從而產(chǎn)生液相和固相，其中所述的液相包含一種 或多種糖，所述的固相包含殘余的硬木材；
[0027] d)將至少一部分所述的液相與所述的固相分離；以及
[0028] e)由分離的液相回收一種或多種糖。
[0029] 在一些實(shí)施方案中，所述的硬木材選自樺樹、桉樹、山楊、楓樹和它們的任意的組 合。在其他的實(shí)施方案中，所述的硬木材為選自木肩、鋸末、樹皮以及它們的任意的組合中 的形式。
[0030] 在另一個(gè)方面中，提供了通過以下過程由木薯生產(chǎn)一種或多種糖的方法：
[0031] a)提供木薯；
[0032] b)將所述的木薯與催化劑相接觸，從而形成反應(yīng)混合物，
[0033] 其中所述的催化劑為高分子催化劑或固載化催化劑，
[0034] 其中所述的高分子催化劑包含連接的酸性單體和離子單體，從而形成高分子主 鏈，其中每個(gè)酸性單體都獨(dú)立地包含至少一個(gè)Bronsted-Lowry酸，并且其中每個(gè)離子單體 都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們的組合，
[0035] 其中所述的固載化催化劑包含固載體、附著在固載體上的酸性部分以及附著在固 載體上的離子部分，其中每個(gè)酸性部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè)Bronsted-Lowry酸，并且其 中每個(gè)離子部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們 的組合；
[0036] c)降解反應(yīng)混合物中的木薯，從而產(chǎn)生液相和固相，其中所述的液相包含一種或 多種糖，所述的固相包含殘余的木薯；
[0037] d)將至少一部分所述的液相與所述的固相分離；以及
[0038] e)由分離的液相回收一種或多種糖。
[0039] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述的木薯為木薯莖。
[0040] 在另一個(gè)方面中，提供了通過以下過程由甘蔗渣生產(chǎn)一種或多種糖的方法：
[0041] a)提供甘蔗渣；
[0042] b)將所述的甘蔗渣與催化劑相接觸，從而形成反應(yīng)混合物，
[0043] 其中所述的催化劑為高分子催化劑或固載化催化劑，
[0044] 其中所述的高分子催化劑包含連接的酸性單體和離子單體，從而形成高分子主 鏈，其中每個(gè)酸性單體都獨(dú)立地包含至少一個(gè)Bronsted-Lowry酸，并且其中每個(gè)離子單體 都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們的組合，
[0045] 其中所述的固載化催化劑包含固載體、附著在固載體上的酸性部分以及附著在固 載體上的離子部分，其中每個(gè)酸性部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè)Bronsted-Lowry酸，并且其 中每個(gè)離子部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們 的組合；
[0046] c)降解反應(yīng)混合物中的甘蔗渣，從而產(chǎn)生液相和固相，其中所述的液相包含一種 或多種糖，并且其中所述的固相包含殘余的甘蔗渣；
[0047] d)將至少一部分所述的液相與所述的固相分離；以及
[0048] e)由分離的液相回收一種或多種糖。
[0049] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述的甘蔗渣為甘蔗的甘蔗渣。
[0050] 在另一個(gè)方面中，提供了通過以下過程由油棕生產(chǎn)一種或多種糖的方法：
[0051] a)提供油棕；
[0052] b)將所述的油棕與催化劑相接觸，從而形成反應(yīng)混合物，
[0053] 其中所述的催化劑為高分子催化劑或固載化催化劑，
[0054] 其中所述的高分子催化劑包含連接的酸性單體和離子單體，從而形成高分子主 鏈，其中每個(gè)酸性單體都獨(dú)立地包含至少一個(gè)Bronsted-Lowry酸，并且其中每個(gè)離子單體 都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們的組合，
[0055] 其中所述的固載化催化劑包含固載體、附著在固載體上的酸性部分以及附著在固 載體上的離子部分，其中每個(gè)酸性部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè)Bronsted-Lowry酸，并且其 中每個(gè)離子部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們 的組合；
[0056] c)降解反應(yīng)混合物中的油棕，從而產(chǎn)生液相和固相，其中所述的液相包含一種或 多種糖，并且其中所述的固相包含殘余的油棕；
[0057] d)將至少一部分所述的液相與所述的固相分離；以及
[0058] e)由分離的液相回收一種或多種糖。
[0059] 在一些實(shí)施方案中，所述的油棕為選自空果串、中果皮纖維和它們的任意的組合 中的棕櫚油廢料。
[0060] 在另一個(gè)方面中，提供了通過以下過程由玉米秸桿生產(chǎn)一種或多種糖的方法：
[0061] a)提供玉米秸桿；
[0062] b)將所述的玉米秸桿與催化劑相接觸，從而形成反應(yīng)混合物，
[0063] 其中所述的催化劑為高分子催化劑或固載化催化劑，
[0064] 其中所述的高分子催化劑包含連接的酸性單體和離子單體，從而形成高分子主 鏈，其中每個(gè)酸性單體都獨(dú)立地包含至少一個(gè)Bronsted-Lowry酸，并且其中每個(gè)離子單體 都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們的組合，
[0065] 其中所述的固載化催化劑包含固載體、附著在固載體上的酸性部分以及附著在固 載體上的離子部分，其中每個(gè)酸性部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè)Bronsted-Lowry酸，并且其 中每個(gè)離子部分都獨(dú)立地包含至少一個(gè)含氮陽(yáng)離子基團(tuán)、至少一個(gè)含磷陽(yáng)離子基團(tuán)或它們 的組合；
[0066] c)降解反應(yīng)混合物中的玉米秸桿，從而產(chǎn)生液相和固相，其中所述的液相包含一 種或多種糖，并且其中所述的固相包含殘余的玉米秸桿；
[0067] d)將至少一部分所述的液相與所述的固相分離；以及
[0068] e)由分離的液相回收一種或多種糖。
[0069] 在另一個(gè)方面中，提供了通過以下過程由食物殘?jiān)a(chǎn)一種或多種糖的方法：
[0070] a)提供食物殘?jiān)?br>[0071] b)將所述的食物殘?jiān)c催化劑相接觸，從而形成反應(yīng)混合物，
[0072] 其中所述的催化劑為高分子催化劑或固載化催化劑，
[0073] 其中所述的高分