生物質(zhì)水解方法
【專利說明】
[0001] 本發(fā)明申請是基于申請日為2010年06月30日、申請?zhí)枮?01080029210. 3(國際 申請?zhí)枮镻CT/US2010/040518)、名稱為"生物質(zhì)水解方法"的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及方法，所述方法包括再循環(huán)用于含木素纖維素材料預(yù)處理的洗涂溶 液。
【背景技術(shù)】
[0003]由于化石燃料的有限儲備和對排放溫室氣體的憂慮，人們越來越著眼于使用可再 生的能源，例如，發(fā)酵產(chǎn)物如生物乙醇。從含木素纖維素材料產(chǎn)生乙醇在本領(lǐng)域是已知的， 并常規(guī)地包括所述含木素纖維素材料的預(yù)處理、水解和發(fā)酵。預(yù)處理導(dǎo)致從所述含木素纖 維素材料釋放降解產(chǎn)物，其可不可逆地結(jié)合并抑制在水解和發(fā)酵過程中添加的酶。
[0004] 在經(jīng)預(yù)處理的含木素纖維素材料中運(yùn)些抑制劑的濃度可通過水解之前的洗涂來 減少。然而，所述抑制劑常常具有低溶解度，且由于抑制劑的積聚化Uild-up)洗涂水的再 循環(huán)僅可限于非常有限的程度。因此，洗涂需要大量水。 陽0化]因此，亟需提供將經(jīng)預(yù)處理的含木素纖維素材料加工為適于水解和發(fā)酵的底物的 改進(jìn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明設(shè)及方法，所述方法包括通過洗涂從經(jīng)預(yù)處理的含木素纖維素材料去除和 /或失活抑制劑，并再循環(huán)用過的洗涂溶液。所述用過的洗涂溶液是通過去除和/或失活酶 抑制劑來再生的，由此改善水解步驟的效率。本發(fā)明還設(shè)及從含木素纖維素材料產(chǎn)生水解 物和發(fā)酵產(chǎn)物的方法。
[0007] 因此，本發(fā)明設(shè)及將含木素纖維素材料轉(zhuǎn)化為水解物的方法，包括下述步驟：(a) 對含木素纖維素材料進(jìn)行預(yù)處理，化）在洗涂溶液中洗涂經(jīng)預(yù)處理的含木素纖維素材料， (C)將用過的洗涂溶液分離W獲得經(jīng)預(yù)處理和洗涂的含木素纖維素材料，（d)對經(jīng)預(yù)處理 的和洗涂的含木素纖維素材料進(jìn)行處理，導(dǎo)致纖維素和/或半纖維素的至少部分水解，W 獲得水解物，和（e)在將步驟（C)的用過的洗涂溶液再循環(huán)至步驟化）之前，用木聚糖酶處 理該用過的洗涂溶液。
[0008] 所述方法的優(yōu)點(diǎn)包括因?yàn)榭稍傺h(huán)洗涂溶液而減少水消耗，從預(yù)處理產(chǎn)生的可溶 性糖（例如，木糖、寡糖）可濃縮于洗涂溶液，和增加水解的效率。
[0009] 具體地，本發(fā)明設(shè)及如下各項(xiàng)：
[0010] 1. 一種將含木素纖維素材料轉(zhuǎn)化為水解物的方法，包括下述步驟：
[0011] (a)對含木素纖維素材料進(jìn)行預(yù)處理，
[0012] 化）在洗涂溶液中洗涂經(jīng)預(yù)處理的含木素纖維素材料，
[0013] (C)將用過的洗涂溶液分離W獲得經(jīng)預(yù)處理和洗涂的含木素纖維素材料，
[0014] (d)對經(jīng)預(yù)處理的和洗涂的含木素纖維素材料進(jìn)行處理，導(dǎo)致纖維素和/或半纖 維素的至少部分水解，W獲得水解物，和
[001引（e)在將步驟（C)的用過的洗涂溶液再循環(huán)至步驟化）之前，用木聚糖酶處理該用 過的洗涂溶液。
[0016] 2.項(xiàng)1的方法，還包括將步驟（d)的水解物與發(fā)酵生物相接觸W產(chǎn)生發(fā)酵產(chǎn)物。
[0017] 3.項(xiàng)2的方法，包括同時(shí)水解和發(fā)酵。 陽01引4.項(xiàng)2或3的方法，還包括回收發(fā)酵產(chǎn)物。
[0019] 5.前述任一項(xiàng)項(xiàng)的方法，其中所述木聚糖酶是GH10木聚糖酶。
[0020] 6.前述任一項(xiàng)項(xiàng)的方法，其中所述木聚糖酶經(jīng)固定化。
[0021] 7.前述任一項(xiàng)項(xiàng)的方法，其中所述含木素纖維素材料來源于選自下組的材料：玉 米賴桿、玉米纖維、硬木如楊木和枠木、軟木、谷物桿如麥桿、柳枝稷、稻殼、城市固體廢物、 工業(yè)有機(jī)廢物、辦公室用紙或其混合物。
[0022] 8.前述任一項(xiàng)項(xiàng)的方法，其中步驟（a)中的含木素纖維素材料經(jīng)化學(xué)和/或機(jī)械 預(yù)處理。
[0023] 9.前述任一項(xiàng)項(xiàng)的方法，其中對步驟（a)中的含木素纖維素材料使用酸進(jìn)行化學(xué) 預(yù)處理。
[0024] 10.前述任一項(xiàng)項(xiàng)的方法，其中步驟（a)中的預(yù)處理是使用有機(jī)酸，優(yōu)選硫酸、乙 酸、巧樣酸、酒石酸、班巧酸和/或其混合物進(jìn)行的酸預(yù)處理。
[00巧]11.前述任一項(xiàng)項(xiàng)的方法，其中步驟（a)中的含木素纖維素材料是用0.1至 2.Owt. %酸，優(yōu)選硫酸進(jìn)行的酸預(yù)處理。
[00%] 12.前述任一項(xiàng)項(xiàng)的方法，其中對步驟（a)中的含木素纖維素材料在高溫和/或高 壓進(jìn)行機(jī)械預(yù)處理。
[0027] 13.前述任一項(xiàng)項(xiàng)的方法，其中對步驟（a)中的含木素纖維素材料通過蒸汽爆炸、 稀酸蒸汽爆炸和/或濕氧化來預(yù)處理。
[00測 14.前述任一項(xiàng)項(xiàng)的方法，其中步驟化）的洗涂溶液包含水、有機(jī)溶劑或水和有機(jī) 溶劑的混合物。
[0029] 15.前述任一項(xiàng)項(xiàng)的方法，其中將在再循環(huán)的洗涂水溶液中蓄積的溶解糖（i)導(dǎo) 入發(fā)酵步驟（d)并用巧發(fā)酵生物發(fā)酵，或（ii)分離出來，并用巧發(fā)酵生物發(fā)酵。
[0030] 發(fā)明詳述
[0031] 含太素纖維素材料
[0032] 術(shù)語"含木素纖維素材料"用于本文中指主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成的 材料。含木素纖維素材料常常被稱作"生物質(zhì)"。
[0033] 木素纖維素的結(jié)構(gòu)使酶水解無法直接進(jìn)行。因此，必須預(yù)處理木素纖維素例如通 過在足夠的壓力、濕度和溫度條件下進(jìn)行酸水解W打破木質(zhì)素的密封，并破壞纖維素的晶 體結(jié)構(gòu)。運(yùn)導(dǎo)致半纖維素級分的溶解和糖化。然后可將纖維素級分用酶水解，例如通過纖 維素酶酶水解，來將糖聚合物轉(zhuǎn)化為單糖或寡糖，其可發(fā)酵為所需發(fā)酵產(chǎn)物，如乙醇。任選 地，所述發(fā)酵產(chǎn)物通過例如蒸饋來回收。
[0034] 涵蓋了根據(jù)本發(fā)明的任何含木素纖維素材料。含木素纖維素材料可為任何含有木 素纖維素的材料。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述含木素纖維素材料含有至少30wt. %，優(yōu)選 至少50wt. %，更優(yōu)選至少70wt. %，甚至更優(yōu)選至少90wt. %木素纖維素。應(yīng)理解的是，所 述含木素纖維素材料還可包含其它成分如纖維素材料（包括纖維素和半纖維素），并還可 包含其他成分如蛋白質(zhì)材料、淀粉、糖如可發(fā)酵的糖和/或不可發(fā)酵的糖。
[0035] 含木素纖維素材料通常見于例如植物的莖、葉、殼/芙化ull)、殼/皮/芙/巷 化usk)和穗軸或樹的葉、枝和木材。含木素纖維素材料可為，但不僅限于草本材料、農(nóng)業(yè)殘 余物、林業(yè)殘余物、城市固體廢物、廢紙和紙漿及造紙廠殘余物。在本文中應(yīng)理解的是，含木 素纖維素材料可為在混合的基質(zhì)中含有木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的植物細(xì)胞壁材料的形 式。
[0036] 所述含木素纖維素材料可包括玉米賴桿、硬木如楊木和枠木、軟木如松木、柳枝 稷、谷物賴桿和/或殼如來自稻、小麥、大麥和黑麥等的桿、城市固體廢物（MSW)、工業(yè)有機(jī) 廢物、辦公室用紙、創(chuàng)花、甘薦渣、紙和紙漿加工廢物或其混合物。
[0037] 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述含木素纖維素材料是玉米賴桿。在另一個(gè)優(yōu)選的方 面，所述含木素纖維素材料是玉米纖維。 W測預(yù)處理
[0039] 所述含木素纖維素材料可用任何合適的方式進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理在水解和/或 發(fā)酵之前進(jìn)行。預(yù)處理的目標(biāo)是分離和/或釋放纖維素、半纖維素和/或木質(zhì)素，運(yùn)樣 增加水解速率。預(yù)處理方法（如濕法氧化和堿性預(yù)處理）祀向木質(zhì)素，而稀酸和自水解 (auto-hy化olysis)祀向半纖維素。蒸汽爆炸是祀向纖維素的預(yù)處理方法的實(shí)例。
[0040] 根據(jù)本發(fā)明，預(yù)處理步驟（a)可為使用本領(lǐng)域中公知技術(shù)的常規(guī)預(yù)處理步驟。在 一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，預(yù)處理在水性漿料中進(jìn)行。在預(yù)處理過程中含木素纖維素材料可W 10-80wt. %的量，優(yōu)選20-70wt. %的量，特別是30-60wt. %的量，如約50wt. %的量存在。
[0041] 所述預(yù)處理在水解和/或發(fā)酵之前進(jìn)行。
[0042] 術(shù)語"化學(xué)預(yù)處理"指促進(jìn)纖維素、半纖維素和/或木質(zhì)素的分離和/或釋放的任 何化學(xué)預(yù)處理。合適的化學(xué)預(yù)處理的實(shí)例包括用例如稀酸、石灰、堿、有機(jī)溶劑、氨、二氧化 硫、二氧化碳進(jìn)行處理。此外，濕法氧化和控制pH的水熱解化y化othermolysis)亦視為化 學(xué)預(yù)處理。
[0043] 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述化學(xué)預(yù)處理為酸處理，更優(yōu)選地，為連續(xù)的稀酸和/ 或弱酸（mildacid)處理，例如，用硫酸，或用其它有機(jī)酸，如乙酸、巧樣酸、酒石酸、班巧酸、 鹽酸或其混合物處理。也可使用其它酸。弱酸處理意為處理的pH在pH1-5,優(yōu)選在pH1-3 的范圍內(nèi)。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，所述酸濃度在0. 1到2.Owt%酸的范圍內(nèi)，優(yōu)選為硫酸。 該酸可與所述含木素纖維素材料相接觸，且混合物可保持在160-220°C，如165-195°C范圍 內(nèi)的溫度，處理時(shí)間為例如，1-60分鐘，如2-30分鐘或3-12分鐘?？商砑訌?qiáng)酸（如硫酸） 來移除半纖維素。運(yùn)增強(qiáng)了纖維素的可消化性。
[0044] 亦涵蓋了其它技術(shù)。已經(jīng)顯示纖維素溶劑處理將約90%的纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖。 也顯示了當(dāng)木素纖維素結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)，能夠極大地增強(qiáng)酶水解。堿、&化、臭氧、有機(jī)溶劑 (使用含水醇中的路易斯酸，F(xiàn)eCls，（A1)2S04)、甘油、二R襲燒，苯酪或乙二醇屬于已知破壞纖 維素結(jié)構(gòu)并促進(jìn)水解的溶劑（Mosier等，2005,BioresourceTechnology96:673-686)。
[0045] 本發(fā)明也涵蓋了使用堿，例如化0H，胞2〇)3和/或氨等的堿化學(xué)預(yù)處理。使 用氨的預(yù)處理方法描述于例如W0 2006/110891、W0 2006/110899、W02006/110900、W0 2006/110901 (將它們通過提述并入本文）。
[0046] 濕氧化技術(shù)設(shè)及使用氧化劑，如基于亞硫酸鹽的氧化劑等。溶劑預(yù)處理的實(shí)例包 括用DMS0(二甲亞諷）等的處理?；瘜W(xué)預(yù)處理通常進(jìn)行1到60分鐘，如5到30分鐘，但可 依賴于待進(jìn)行預(yù)處理的材料進(jìn)行更短或更長的時(shí)間。
[0047]其它合適的預(yù)處理方法的實(shí)例描述于Schell等，2003,App