[发明专利]在真空下酶处理木质纤维素材料

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，本申请涉及在真空下处理木质纤维素材料并产生富含糖的工艺流(process stream)的酶水解方法，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

本申请涉及在真空下从源自植物材料的原料制备富含糖的工艺流的酶方法。优选地，使用两步酶方法，其中每个步骤都可以在真空下进行。但是，优选地至少第一个步骤在真空下进行。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(alcoholstream)，这也可以在真空下进行。来自发酵阶段的醇流(即粗制醇流)可能含有大约3％-大约22％的乙醇含量(v/v)。可选的操作范围包括大约5％-大约15％和优选的大约5％-大约22％以及大约8％-大约12％，优选为大约8％-大约15％，更优选为大约8％-大约22％。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2-6％(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，本发明的方法允许在酶方法的开始时存在较高的固体浓度(木质纤维素原料)。因此，由于固体浓度增加，所以糖的浓度也增加，从而产生较低的发酵体积，与现在的有纤维质的乙醇植物技术相比，发酵体积下降了2-3倍。

在一个具体实施方式中，原料在真空下进行酶水解过程。酶水解过程产生挥发性成分流，其被真空除去。挥发性成分流中的化合物可以在酶水解过程的上游产生和/或随着酶水解过程产生。化合物对于过程中所用的一个或多个酶具有抑制性效应。因此，本发明的一个优点是酶水解过程可以朝着完全处理原料的方向进行，因为酶活性不被高水平的抑制性化合物所影响。

在本公开的一个具体实施方式中，酶水解在微真空下进行。真空可以是700至50mm Hg(即，容器中的压力为700至50mmHg)。优选地，真空为大约600mm Hg以下，更优选为大约100mm Hg以下，最优选为大约50mm Hg以下。优选的，可以应用的最大真空为大约4mm Hg。