[发明专利]处理木质纤维素材料的两步酶水解方法

说明书

技术领域

本申请涉及一种处理植物材料以释放可发酵的糖的方法。更具体地，本申请涉及两步酶水解方法，用于处理木质纤维素材料并产生富含糖的工艺流(process stream)，然后该工艺流可进行发酵以产生生物燃料和化学物质。

背景技术

虽然在很长时间内已经表明生物量(biomass)是有前景的可再生燃料能源的来源，但是仍然需要更有效的方式将生物量转化成合适的生物燃料。植物材料是可发酵的糖的重要来源，例如可以被转化为生物燃料的葡萄糖。但是，植物材料中的糖以纤维素和半纤维素的长的聚合物链的形式存在。使用目前的发酵方法，需要在发酵步骤之前将这些聚合物链分解为单糖(monomeric sugars)。

将植物生物量转化为可发酵的糖的方法在本领域是已知的，一般来讲，其包含两个主要步骤：使植物结构变得疏松的预处理步骤，以及将纤维素和半纤维素的聚合物链转化为单糖的酶或化学水解步骤。已经应用了几种方式用于预处理步骤，例如自动水解、酸水解、氨激活、硫酸盐制浆(kraft pulping)、有机溶剂制浆、热水预处理、氨渗透、石灰预处理、苛性溶剂制浆或碱过氧化物预处理。每种预处理技术具有不同的对于植物结构的作用机理，其诱导物理的和/或化学的变化。但是，预处理的主要目标是使得植物材料可以接近酶。在自动水解过程中，结合到半纤维素的乙酰基团被蒸汽和压力分解释放有机酸(如乙酸)，提供了温和酸水解的条件。虽然是简单的过程，但是可发酵的糖的产率较差，另外该过程需要大量的能源。

Jakobsen等人(美国专利号5,874,274)公开了使用木聚糖酶和纤维素酶降低植物材料粘性的单步酶方法的用途，特别是用于处理小麦。

发明内容

本申请涉及从源自植物材料的原料制备富含糖的工艺流的两步酶水解方法。方法和装置可以实现将至少60％、优选75％以上，更优选90％以上的纤维素和半纤维素转化为单糖。然后富含糖的工艺流可进行发酵以产生醇流(alcohol stream)。来自发酵阶段的醇流(即粗制醇流)可能含有大约3％至大约22％的乙醇含量(v/v)。可选的操作范围包括大约5％至大约15％和优选的大约5％至大约22％以及大约8％至大约12％，优选为大约8％至大约15％，更优选为大约8％至大约22％(v/v)。可以不使用玉米作为原料而获得这样的醇浓度。

纤维素的乙醇方法，即从来自于非玉米植物纤维(即排除玉米粒的植物纤维)的纤维素和/或半纤维素的分解获得的糖中产生乙醇的方法，通常产生乙醇含量为大约2％至6％(v/v)的粗制醇流。使用本发明描述的方法和装置，纤维素乙醇植物可以产生醇浓度与基于玉米的乙醇植物(即从玉米中的淀粉中获得的糖产生乙醇的植物)中获得的醇浓度相当的粗制醇流。因此，本发明的方法和装置的一个优点是：相对于现在的有纤维质的乙醇植物技术，从粗制醇流中除去水(以产生浓度与基于玉米的乙醇植物的产品流的浓度相当的燃料乙醇流)的量有实质性减少。由于燃料乙醇流通常通过蒸馏产生，所以本文描述的方法和装置实质上降低了蒸馏过程所需的能量，可选地，与现在的纤维素乙醇植物技术相比，实质上减小了蒸馏柱的尺寸(即直径)。此外，由于粗制乙醇流中的乙醇浓度增加，所以与现在的有纤维质的乙醇植物技术相比，发酵体积下降了2至3倍。

在一个具体实施方式中，将原料进行第一个酶水解过程以降低原料的粘性并产生低粘性的流出流。在一个具体实施方式中，低粘性的流出流的粘性优选为比最初的原料浆低至少大约15％，优选为低至少大约20％，更优选为低至少大约50％，最优选为低至少大约90％。在第一个酶水解中，纤维素和半纤维素被分解，优选被分解为可溶性的寡糖。在这个步骤中，优选为优先水解半纤维素而不是纤维素(例如，相对于原料中的纤维二糖来说，优先作用于原料中的半纤维素)。例如，这个处理步骤可以使用包含半纤维素酶和纤维素酶活性的酶制剂。虽然将认识到合适的酶制剂通常含有可作用于纤维素的酶，但优选为只有一部分的纤维素被转化。

然后，将来自第一个酶水解过程的产物流(其含有较低的粘性)进行第二个酶水解过程。第二个酶水解过程优选使用水解纤维素并将寡糖转化为适合于发酵的单糖的酶。优选地，这种第二个酶制剂包含β-葡萄糖苷酶活性。例如，第二个酶制剂可以具有将纤维素和纤维二糖转化为单体和纤维寡糖的活性。在这个第二个酶水解过程中，优选地或基本上所有的(例如优选至少大约60％，更优选至少大约75％，最优选至少大约90％)的剩余纤维素和半纤维素及其各自的寡糖在想要的程度上但是优选为在商业上可行的程度上被转化为单糖。