[发明专利]包括用碱性溶液处理固体木质纤维素材料以便除去木质素的步骤由固体木质纤维素材料发酵生产乙醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及通过使用木质纤维素农业和工农业废物，和特别是甘蔗渣获得燃料乙醇的方法。这些残渣具有显著大含量的多糖(纤维素和半纤维素)形式的碳水化合物，所述碳水化合物可通过化学和酶法水解。采用硫酸，对半纤维素部分进行温和水解，和将来自这一水解的固体材料进行糖化工艺(酶解)，且在大大地缩短的时间内，在允许乙醇转化率显著增加的条件下同时快速醇发酵。

背景技术

来自工业和工农业活动中的具有木质纤维素组合物的废物是主要的环境问题；然而，它们可以是低成本的可再生的起始材料的有价值的资源用以生产各种化学品和燃料，例如乙醇。

为了利用多糖部分生产乙醇，这些部分需要有效地水解。

借助预处理分级这些多糖类，所述预处理由称为酸水解的反应所组成，其目的是水解半纤维素部分。来自这一步骤的固体产物富含纤维素，仍然需要在碱性条件下处理，以便除去可溶的木质素，保证酶接近纤维素纤维。

纤维素转化成乙醇牵涉两个基本的步骤：纤维素分子的长链水解，得到糖类(己糖)，和这些糖类发酵，得到乙醇。在本质上，在发酵糖类为乙醇的情况下，通过将释放能水解纤维素的酶(纤维素酶)的真菌和细菌，和原则上通过酵母进行这些工艺。本发明的概念与自然过程一致。

这一策略不存在通过化学水解纤维素产生的毒素，且通过水解产物本身(葡萄糖和纤维素二糖)最小化酶抑制纤维素络合物。这一技术被称为SSF工艺(“同时糖化和发酵”)且牵涉酶水解和同时乙醇发酵。

相关现有技术

目前对保护环境的关注与日俱增。关于这一点，使用农业和工农业废物和寻找对自然界不那么有害的替代品和/或备选产品是全世界重要的主题。在牢记这一理念的情况下，寻找替代能源，并使用可产生经济可行产品和/或导致污染较少产品的农业和工农业废物。在替代资源的领域中，进行了许多尝试，以生产比较清洁的燃料，例如乙醇。

在巴西，鉴于合理利用这一木质纤维素材料的需求，糖乙醇工业的增长和因此生产大量的过量甘蔗渣产生非常有前景的情况。

由于环境和经济的兴趣，使用乙醇作为加入到汽油中的燃料或者作为生物柴油制造的起始材料令人眼花缭乱地增长，其中巴西是世界上最大的生产商之一。结果，巴西产生了巨大量的甘蔗渣，以及甘蔗杆，二者用于生物技术的乙醇生产具有显著大的潜力。

通过酶和发酵路线，由甘蔗渣生产乙醇使得能使用利用不足的材料生产具有巨大工业利益和经济与环境收益的产品。

在专业文献中描述了涉及使用纤维素部分的同时糖化和发酵技术(SSF工艺)且应用于各种目的以供生产化学品和燃料。然而，尚未以工业规模实施。

需要克服的主要难题涉及需要抗操作条件，特别是关于在反应介质内生成的抑制剂浓度，例如糠醛、羟甲基糠醛、重金属、萜烯类、单宁类和酚化合物等的微生物，所述抑制剂来自于预处理木质纤维素材料，它将抑制酵母的生长。

生物试剂固有的另一难题是利用来自于水解工艺(戊糖和己糖)的碳水化合物方面的局限性。这两个因素的结合导致长的发酵工艺，从而导致低的体积生产速度，而所述的体积生产速度是转移到工业规模上的基本的重要参数。

最近的大多数报道描述了使用针对特定应用开发、为避免这些问题而设计的基因修饰的微生物。

通过微生物技术生产乙醇进行了长期研究；然而，近年来显著增加。如前所述，待克服的较大障碍涉及生产速度，亦即实现经济可行的工艺，该工艺将使用可容易获得的起始材料来得到良好的产率。

Grohmann等人(US5125977)公开了其中两步预处理生物物质(农业、林业、植物和食品加工废物)，回收木糖的工艺。在第一步中，用稀酸(硫酸9％v/v)预水解基本上含xylane的半纤维素，和对残渣进行第二步酶水解，从而留下生物量反应足够长的时间以供纤维素缓慢水解。该方法的目的是回收xylane，以便约90％可水解，从而避免常规的生产木糖的工艺的局限性。该方法的缺点是，当使用苛刻的温度条件(160℃-220℃)时，形成许多物质，这些物质将抑制在发酵工艺中所使用的大多数微生物的新陈代谢。

专利文献GB2253633(对应于1992年1月15日的巴西专利PI9200100)公开了由生物量生产乙醇的方法，其中底物包括纤维素、半纤维素和淀粉的水解物，其目的是生产可发酵的6碳糖类。发酵使用基因修饰的酵母菌株(Brettanomyces custersil CBS 5512)，该菌株将产生酶β-葡糖苷酶(glucosidade)，从而使得这一酵母能发酵葡萄糖和纤维素二糖二者。然而，发酵戊糖的问题仍然没有解决。