0123]基于固定化的微生物的生物反應(yīng)器提供超過'游離細(xì)胞'系統(tǒng)的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一個(gè) 優(yōu)點(diǎn)在于使用連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)的可行性增加。固定化確保無細(xì)胞團(tuán)損耗，例如隨分批發(fā)酵發(fā) 生。連續(xù)發(fā)酵比分批發(fā)酵減少了生產(chǎn)故障時(shí)間。
[0124] 一旦在生物反應(yīng)器中發(fā)酵乙醇，則可W蒸饋該生物反應(yīng)器。使用如圖1中所示的 正常漿料加工步驟104將目前主要缺乏半纖維素的生物量殘余物持續(xù)壓制成高價(jià)值產(chǎn)品， 例如紙漿和紙張產(chǎn)品，或如圖2中反映出的壓制成固體生物燃料產(chǎn)品或紙漿廠原料。
[01巧]除從是造紙工藝組成部分的木片提取半纖維素外，還可W將來自木材廢物如樹皮 和分支的半纖維素轉(zhuǎn)化成生物燃料例如乙醇。典型地，漿料和紙漿廠具有用于豬燃料（廢 木材）燃燒和蒸汽產(chǎn)生的蒸煮器。蒸汽用于輔助漿料或紙漿廠的動(dòng)力。豬燃料可W是樹皮、 來自工廠在特殊紙張中不需要的其他木材的木片和來自采集的砍枝（枝條、針狀物、葉）。 [01%] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，可W首先加工豬燃料W除去半纖維素，然后將其輸 送至豬燃料蒸煮器。然后將來自豬燃料的半纖維素轉(zhuǎn)化成乙醇或其他生物燃料。在該實(shí)施 方案中，豬燃料可W通過其自身加工或與用于造紙漿的木片合并。使用豬燃料用于半纖維 素提取的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它減少了預(yù)加工最終變成紙張或紙漿的碎屑的擔(dān)憂。將廢材的半纖 維素加工成生物燃料增加了研磨機(jī)的能量產(chǎn)生，而不影響任何用于紙張產(chǎn)品的材料。
[0127] 圖4示例由木材生產(chǎn)乙醇和紙漿的方法。方法200與方法100類似，除外使用紙 漿廠的原始設(shè)備的方式。在方法100中，如圖1中示例的，將新設(shè)備加入紙漿廠，W除去半 纖維素并且將糖類發(fā)酵成乙醇或其他生物燃料。在圖4中，紙漿廠的原始設(shè)備用于進(jìn)行半 纖維素分離206和除去210。在方法100和200中用新設(shè)備進(jìn)行發(fā)酵。
[0128] 在方法200中，生物量通過與方法100中相同的木材調(diào)整步驟202。不同于方法 100中，在方法200中，其中調(diào)整條件的木材被輸送至新加入的主要設(shè)備，調(diào)整條件的木材 被輸送至相同的消化器206，可W正常地被輸送至紙打漿工藝。步驟206中的消化器僅用于 分離半纖維素，而不是執(zhí)行其在紙漿化學(xué)加工中的正常功能。
[0129]目前包含增溶的糖類的生物量和分離的半纖維素水解產(chǎn)物然后在步驟210中被 輸送至相同的液體分離器，它可W正常地用于分離出黑色液體。而半纖維素水解產(chǎn)物的增 溶的糖類被除去并且被輸送至步驟212中的生物反應(yīng)器被發(fā)酵。剩余的生物量殘余物在步 驟208中被輸送入紙漿廠加工。
[0130] 在方法200中，相同的物理設(shè)備分別用于步驟206和208W及步驟210和214。通 過使用相同設(shè)備，現(xiàn)存的紙漿廠適合于W主要的投資由半纖維素生產(chǎn)乙醇。 陽131] 圖5示例制造乙醇和固體生物燃料的方法。作為紙漿廠額外添加的方案的另一種 可替代選擇可W使用如圖5中所示的實(shí)施方案作為獨(dú)立的系統(tǒng)，它能夠處理森林材料W生 產(chǎn)乙醇和固體木質(zhì)素/纖維素產(chǎn)品，運(yùn)種固體木質(zhì)素/纖維素產(chǎn)品適合于作為蒸汽或發(fā)電 的煤替代物，或者是作為漿料的備用原料。運(yùn)種方法的該實(shí)施方案還可W配屬在現(xiàn)存森林 產(chǎn)品的位置，其中已經(jīng)存在幾個(gè)關(guān)鍵的加工單元操作，例如木材工作場和去樹皮和切削系 統(tǒng)。該方法可W處理廢物例如銀末屑或新鮮的木片。運(yùn)種方法還適合于其他草本植物，例 如傾草和芒屬W及農(nóng)業(yè)廢料例如谷物賴桿和玉米軸W及甘薦薦渣。 陽13引如圖5中所示，木材調(diào)整步驟302、304和306與方法100和200中相同。此外，與 方法100和200類似，方法300水解半纖維素，然后在步驟308中從生物量殘余物中分離半 纖維素水解產(chǎn)物。然后半纖維素水解產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)的5和6碳糖類被發(fā)酵，在步驟310中蒸 饋成乙醇或其他生物燃料。然而，在實(shí)施方案300中，包括纖維素和木質(zhì)素的生物量殘余物 被送入高壓壓制機(jī)并且作為固體生物燃料產(chǎn)品低價(jià)出售，而不是被輸送轉(zhuǎn)化成紙漿。或者， 固體生物燃料產(chǎn)品可W作為紙漿備用原料出售給紙漿廠。
[0133] 如上所述，可W通過使用步驟308中的壓制機(jī)從生物量中分離從半纖維素增溶的 5和6碳糖類。相同的壓制機(jī)乃至相同的壓制步驟可W用于在步驟312中壓制纖維素和木 質(zhì)素。
[0134] 方法300由纖維素木質(zhì)素殘余物生成高能量密度生物燃料，而不是造紙漿。所壓 制的纖維素和木質(zhì)素殘余物因許多原因而成為有利的產(chǎn)品。運(yùn)種產(chǎn)品不僅具有作為燃料替 代物的價(jià)值，而且可W在紙打漿工業(yè)中重新出售W便進(jìn)一步加工成紙張。使用壓制機(jī)減少 了廢水量且由此增加了乙醇濃度和壓制的生物燃料的能量密度。此外，在纖維素/木質(zhì)素 殘余物中低含濕量增加了產(chǎn)品的能量密度并且使其更有效地運(yùn)輸。 陽135] 表2列舉出了木材中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的典型范圍。表3列舉出了各自 的典型相對能量密度。 陽 136]
陽139] 表3.
[0140] 作為方法300中的任選步驟，來自步驟304中的除去的樹皮可W被壓回入步驟314 中的纖維素木質(zhì)素殘余物，W變成固體生物燃料產(chǎn)品的組成部分。 陽141] 因?yàn)榘肜w維素構(gòu)成15%- 35%的木材來源，且半纖維素的能量密度低于其他木 材成分的合并能量密度，所W除去半纖維素會(huì)增加纖維素/木質(zhì)素殘余物的總能量密度。 通過半纖維素除去從木材中除去的能量被保留在最終的乙醇產(chǎn)品中。圖6示例作為半纖維 素除去百分比的生物量殘余物中的能量密度增加就指定25%的含濕量而言增加。
[0142] 可W從圖6中觀察到，當(dāng)除去0% - 100%的半纖維素時(shí)，殘余物的能量密度從0% 升至5%。
[0143] 圖7示例與圖6相同的原理，但更具體地用于具有40%恒定含濕量的預(yù)處理木材 殘余物。與圖6類似，圖7顯示當(dāng)更多的半纖維素被轉(zhuǎn)化和除去時(shí)，因與木質(zhì)素相比半纖維 素的能量稀釋效應(yīng)導(dǎo)致的殘余物的能量密度增加如何。在40%水份和75%HC轉(zhuǎn)化率下的 基礎(chǔ)能量密度是11. 40MJ/kg。
[0144] 盡管半纖維素除去會(huì)增加生物量殘余物的能量密度，但是水在確定生物量殘余物 的能量密度中起顯著作用。生物量殘余物產(chǎn)品因半纖維素除去而可W獲得5%的能量密度 增加。然而，生物量殘余物產(chǎn)品通過水和體積減少已經(jīng)減少了 22. 5%重量。因此，最終壓制 的殘余物的能量密度高于原始木材。圖8示例當(dāng)水的百分比下降時(shí)，殘余物的能量密度改 變?nèi)绾巍?br>[0145]與圖8類似，圖9示例就具有75%半纖維素轉(zhuǎn)化率的木材殘余物而言，在水的百分 比下降時(shí)，殘余物的能量密度增加如何。當(dāng)含濕量增加時(shí)，殘余物的能量密度下降。殘余物 中更多的水等于在蒸煮器中將其除去所需的更多的能量。在40%水份和75%HC轉(zhuǎn)化率下 的基礎(chǔ)能量密度是11. 40MJ/kg。其他生物量殘余物在類似半纖維素轉(zhuǎn)化率水平下顯示類似 的特征。 陽146] 圖10示例與在Ξ種不同水平的半纖維素轉(zhuǎn)化率（65%、75%和85% )下含濕量范 圍內(nèi)的生材相比，可得到的殘余物總能量改變。來自在50%水份下預(yù)處理的生材的基礎(chǔ)能 量是8.7711/1^。在75%肥轉(zhuǎn)化率和40%水份下的預(yù)處理木材的基礎(chǔ)是11.4011/1^殘余 物，其代表了輸入蒸煮器的總能量減少為14. 0%。運(yùn)是因殘余物的重量減少33. 9%所致。1 噸生材（50 % &0)提供8, 766MJ，而來自其中的預(yù)處理的殘余物僅提供7, 541MJ(40 % &0)。 降低含濕量減少了因除去半纖維素導(dǎo)致的能量損耗影響。能量密度通常是最重要的因素， 而不一定是總膽能量。蒸煮器W固定化的進(jìn)料速率和固定化的煙道氣流率運(yùn)轉(zhuǎn)。水越少且 能量密度越高，則可W從蒸煮器輸出的能量越多。最終，更多的木材或木材替代物（氣體或 油）需要燃燒W補(bǔ)充能量損耗。 陽147] 優(yōu)選生物量殘余物產(chǎn)品具有約90%除去的半纖維素和約25%的含濕量。可W得 到其他半纖維素除去的百分比和含濕量。優(yōu)選從生物量殘余物產(chǎn)品中除去盡可能多的半纖 維素和盡可能多的水份。運(yùn)種產(chǎn)品是富有吸引力的煤替代物或可W銷售給紙漿廠W進(jìn)一步 加工成紙張。
[0148] 本專利文件中的方法的優(yōu)點(diǎn)之一在于運(yùn)些方法從傳統(tǒng)的木材打漿循環(huán)中除去了 其他低價(jià)值產(chǎn)品，從而生產(chǎn)了高價(jià)值的液體生物燃料。因?yàn)榧垵{廠已經(jīng)擁有了大部分設(shè)及 從生物量中分離半纖維素的額外步驟的設(shè)備，所W給現(xiàn)存的工廠添加生產(chǎn)生物燃料的能力 的主要和運(yùn)行成本可W低于實(shí)施其他相差無幾的木材-乙醇工藝的成本。運(yùn)些方法的簡易 性和打漿改進(jìn)的可能性使得運(yùn)些方法對打漿工業(yè)而言極有吸引力。此外，半纖維素糖類作 為單體被提取且由此幾乎不必需要酶。
[0149] 圖11和12分別示例除去半纖維素并且將其轉(zhuǎn)化成生物燃料例如乙醇的實(shí)施方案 的能量流程和對薦渣和木材生物燃料源不除去半纖維素的能量流程。
[0150]如下實(shí)施例顯示了本專利文件應(yīng)用于殺滅甲蟲的松樹的一個(gè)實(shí)施方案的應(yīng)用。就 本實(shí)施例的目的而言，將嗜較管囊酵母固定化在具有約3mm直徑的藻酸巧珠（使用上述方 法生成）中或使其處于游離細(xì)胞狀態(tài)。下表4和5概括了乙醇收率W及從根據(jù)本實(shí)施例使 用的反應(yīng)器設(shè)計(jì)得到的葡萄糖和木糖轉(zhuǎn)化率的改善。 陽151]本實(shí)施例顯示了就在兩種不同軟木材水解產(chǎn)物（'A'和'B'）中藻酸巧固定化的嗜 較管囊酵母而言乙醇收率W及葡萄糖和木糖轉(zhuǎn)化率超過游離（即無限制性的）嗜較管囊酵 母的改善。調(diào)整水解產(chǎn)物的pH或用過量石灰處理和調(diào)整pH。嗜較管囊酵母菌株NRRLY2460 用于進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)；然而，其他適合的或突變的嗜較管囊酵母菌株也可W固定化在藻酸巧中 并且用于本專利文件的方法中。 陽152]通過稀酸水解經(jīng)松樹轉(zhuǎn)化成軟木材水解產(chǎn)物。用氨氧化鋼簡單調(diào)整水解產(chǎn)物的pH或'用過量石灰處理'。如上所述，用氨氧化巧進(jìn)行過量石灰處理常用于改善水解產(chǎn)物的毒 性。使用固定在3mm藻酸巧珠中的嗜較管囊酵母發(fā)酵得到的溶液。 陽153]在30°C和75巧m在酵母蛋白腺葡萄糖腫D)肉湯中溫育珠22小時(shí)。YPD是包含lOg/L酵母提取物、20g/L蛋白腺和20g/L葡萄糖的標(biāo)準(zhǔn)酵母培養(yǎng)基。類似地，從操作斜面 將游離細(xì)胞培養(yǎng)至YPD肉湯燒瓶中并且在30°C和75巧m溫育24小時(shí)。
[0154]為了制備抑調(diào)整的水解產(chǎn)物，用8M氨氧化鐘將溶液調(diào)整至抑6.0,然后進(jìn)行無 菌過濾。制備進(jìn)行過量石灰處理和抑調(diào)整的水解產(chǎn)物需要用氧化巧過度石灰處理至抑 10. 0,然后在50°C在攬拌條件下保持30分鐘。然后過濾過量石灰處理的水解產(chǎn)物W除去固 體。在再酸化至抑6.0后，無菌過濾水解產(chǎn)物。
[0155]W無菌方式制備血清小瓶W得到具有如下營養(yǎng)物添加的95%終濃度的水解產(chǎn)物： 0. 2%脈w/v、0. 2%酵母提取物和0.05%憐酸二氨鐘。固定珠的接種率為0. 2g珠/mL。在 沖洗和在無菌緩沖液中再混懸后，W0. 30Dew?AiL的比例接種游離細(xì)胞。一式Ξ份設(shè)定血 清小瓶中的全部實(shí)驗(yàn)條件。W無菌方式給小瓶通氣并且在30°C和75rpm溫育72小時(shí)，然后 采樣用于分析。
[0156]在抑調(diào)整的水解產(chǎn)物"A"中，如表4中所示，'游離'管囊酵母屬不能將糖類轉(zhuǎn) 化成乙醇且木糖未得到利用。固定化的管囊酵母屬將大部分糖類（81%)轉(zhuǎn)化成乙醇并且 轉(zhuǎn)化了 51%的木糖。數(shù)據(jù)顯示固定化顯著增加了管囊酵母屬克服包含在抑調(diào)整的水解產(chǎn) 物中的毒性化合物的抑制效應(yīng)的能力。 陽157]在過量石灰處理的水解產(chǎn)物"A"中，正如表4中所反映的，'游離'管囊酵母屬將 60%的糖類轉(zhuǎn)化成乙醇，且固定化的管囊酵母屬轉(zhuǎn)化了86%的糖類。對游離細(xì)胞而言木糖 利用率為0%。相對于目前文獻(xiàn)中的報(bào)道運(yùn)是令人意外的結(jié)果，即嗜較管囊酵母在確定的培 養(yǎng)基中發(fā)酵戊糖類且特別是木糖。發(fā)明人的推斷在于盡管通過過量石灰處理除去了可檢測 到水平的HMF和慷醒，但是上述大量其他抑制劑或其組合物仍然保留在水解產(chǎn)物中，由此 防止了發(fā)酵。當(dāng)嗜較管囊酵母被固定化時(shí)，木糖利用率快速升至76%。固定化由此增強(qiáng)了 過量石灰處理的有益性并且顯著增加了木糖利用率。
[0158] 表5顯示與表4類似的結(jié)果。在抑調(diào)整的水解產(chǎn)物"B"中，如表5中所示，'游 離'管囊酵母屬不能將糖類轉(zhuǎn)化成乙醇且木糖未得到利用。固定化的管囊酵母屬將大部分 糖類（57% )轉(zhuǎn)化成乙醇。 陽159] 此外，如表4中所反映的，在包含極高抑制劑濃度的過量石灰處理的水解產(chǎn)物"B" 中，'游離'管囊